tổng hợp tài liệu kết cấu thép

Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Bài tập lớn Kết cấu thép Giáo viên hớng dẫn : Nguyễn Ngọc Lâm Sinh viên : Trần Trung Hiếu Lớp : Cầu - Đờng bộ B K46 Đề bài: Thiết kế một dầm chủ, nhịp giản đơn trên cầu đờng ôtô, có mặt cắt dầm thép tổ hợp đờng hàn trong nhà máy và lắp ráp mối nối tại công trờng bằng bulông độ cao, không liên hợp. I. số liệu giả định Chiều dài nhịp Hoạt tải Khoảng cách tim hai dầm Số làn xe thiết kế : L = 23 m : HL-93 : b f + 32 cm : n L =2 làn Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu và các tiện ích (DW) Tĩnh tải bản BTCT mặt cầu (DC 2 ) : 5,32 kN/m : 5,32 kN/m Hệ số phân bố ngang tính cho mômen : mg M = 0,56 Hệ số phân bố ngang tính cho lực cắt : mg Q = 0,54 Hệ số phân bố ngang tính cho độ võng : mg d = 0,62 Hệ số phân bố ngang tính mỏi : mg f = 0,58 Hệ số cấp đờng : k = 0.5 Số lợng giao thông trung bình 1 ngày/ 1 làn : ADT = 20000 xe/ngày/làn Tỷ lệ xe tải trong luồng : k truck = 0,2 Độ võng cho phép của hoạt tải : L/800 Vật liệu Thép chế tạo dầm Bulông cờng độ cao : f y = 400 MPa : A490 Quy trình thiết kế cầu 22TCN-272-2005 II-yêu cầu về nội dung 1. Chọn mặt cắt ngang dầm. 2. Tính mômen, lực cắt lớn nhất do tải trọng gây ra. 3. Vẽ biểu đồ bao mômen, lực cắt do tải trọng gây ra. 4. Kiểm toán dầm theo các TTGHCĐI, sử dụng và mỏi. 5. Tính toán thiết kế sờn tăng cờng. 6. Tính toán thiết kế mối nối công trờng. 7. Thể hiện trên giấy A1. Cấu tạo dầm và thống kê sơ bộ khối lợng Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 1 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu I. Chọn mặt cắt dầm Mặt cắt dầm đợc chọn theo phơng pháp thử sai, tức là ta lần lợt chọn kích thớc mặt cắt dầm dựa vào kinh nghiệm và các quy định khống chế của tiêu chuẩn thiết kế rồi kiểm toán lại, nếu không đạt thì ta phải chọn lại và kiểm toán lại. Quá trình này đợc lập lại cho đến khi thoả mãn. 1. Chiều cao dầm thép Chiều cao dầm chủ có ảnh hởng rất lớn đến giá thành công trình, do đó phải cân nhắc kỹ khi lựa chọn giá trị này. Đối với cầu đờng ôtô nhịp giản đơn ta có thể chọn theo công thức kinh nghiệm sau: L 25 1 d , và ta thờng chọn L 12 1 20 1 d ữ= Ta có: 1/25L = 0,92 m 1/20L = 1.15 m 1/12L = 1,92 m Vậy ta chọn d =1200 mm 2. Bề rộng cánh dầm Chiều rộng cánh dầm đợc lựa chọn sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau: b f = d 3 1 2 1 b f ữ= ta chọn: Chiều rộng bản cánh trên chịu nén: b c = 500 mm Chiều rộng bản cánh dới chịu kéo: b f = 500 mm 3. Chiều dày bản cánh và bản bụng dầm Theo quy định của quy trình (A6.7.3) thì chiều dày tối thiểu của bản cánh, bản bụng dầm là 8mm. Chiều dày tối thiểu này là do chống rỉ và yêu cầu vận chuyển, tháo lắp trong thi công. Ta chọn: Chiều dày bản cánh trên chịu nén: t c = 30 mm Chiều dày bản cánh dới chịu kéo: t t = 30 mm Chiều dày bản bụng dầm: t w = 18 mm Do đó chiều cao của bản bụng sẽ là: D = 1140 mm Mặt cắt dầm sau khi chọn có hình vẽ: Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 2 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu 4. Tính các đặc trng hình học của mặt cắt Đặc trng hình học của mặt cắt dầm đợc tính toán và lập thành bảng sau: Mặt cắt A h A*h Io y Ay*y Itotal Cánh trên 15000 1185 1.8E+07 1E+06 -585 5E+09 5.1E+09 Bản bụng 20520 600 1.2E+07 2E+09 0 0 2.2E+09 Cánh dới 15000 15 225000 1E+06 585 5E+09 5.1E+09 Tổng 50520 600 3E+07 2E+09 0 1E+10 1.2E+10 Trong đó: A=Diện tích (mm 2 ) h=Khoảng cách từ trọng tâm từng phần tiết diện dầm đến đáy dầm (mm) I o =Mômen quán tính của từng phần tiết diện dầm đối với trục nằm ngang đi qua trọng tâm của nó. h total =Khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt dầm ( nhóm các phần tiết diện dầm) đến đáy bản cánh dới dầm (mm). h total = = )( ).( A hA y (mm). y=Khoảng cách từ trọng tâm từng bộ phận đến trọng tâm của mặt cắt dầm (mm) y= hy (mm). I total =I o +A.y 2 (mm 4 ). Từ đó ta tính đợc: Mặt cắt y bot y top y botmi d y topmi d S bot S top S botmid S topmid Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 3 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Dầm thép 600 600 585 585 2.1E+0 7 2E+0 7 2.1E+0 7 2E+0 7 Trong đó: y bot =Khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt dầm đến đáy bản cánh dới dầm thép (mm) y top =Khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt dầm đến đỉnh bản cánh trên dầm thép (mm) y botmid =Khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt dầm đến trọng tâm bản cánh dới dầm thép (mm) y topmid =Khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt dầm đến trọng tâm bản cánh trên dầm thép (mm) s bot =mômen kháng uốn của mặt cắt dầm ứng với y bot s top =mômen kháng uốn của mặt cắt dầm ứng với y top s botmid =mômen kháng uốn của mặt cắt dầm ứng với y botmid s topmid =mômen kháng uốn của mặt cắt dầm ứng với y topmid 5. Tính toán trọng lợng bản thân dầm thép Diện tích mặt cắt ngang dầm thép A = 50520mm 2 Trọng lợng riêng của thép làm dầm s = 78.5kN/m 3 Trọng lợng bản thân dầm thép w DC1 = 3.875kN/m II. Tính toán và vẽ biểu đồ bao nội lực 1.Tính toán M, V theo phơng pháp đờng ảnh hởng Chia dầm thành các đoạn bằng nhau. Chọn số đoạn dầm: N dd = 10 đoạn Chiều dài mỗi đoạn dầm: L dd = 2.3 m Trị số đờng ảnh hởng mômen đợc tính toán theo bảng sau: Mặt cắt Xi đah M i A mi 1 2.3 2.07 23.805 2 4.6 3.68 42.32 3 6.9 4.83 55.545 4 9.2 5.52 63.48 5 11.5 5.75 66.125 Trong đó: Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 4 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu X i =Khoảng cách từ gối đến mặt cắt thứ i Đah M i =Tung độ đah M i` A Mi =Diện tích đờng ảnh hởng M i Ta có hình vẽ đờng ảnh hởng mômen tại các mặt cắt dầm nh sau: 10 5.75 5.52 4.83 3.68 2.07 Dah M5 Dah M4 Dah M3 Dah M2 Dah M1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hệ số điều chỉnh tải trọng tính cho TTGHCĐ lấy nh sau: 95.0 = Mômen tại các tiết diện bất kì đợc tính theo công thức: Đối với TTGHCĐI: M i = ( ) [ ] { } MiMiLMWDDC AIMkLLLLmgww ++++ 175.175.15.125.1 Ư =M DC i +M WD i Ư +M LL i Đối với trạng thái giới hạn sử dụng: M i = ( ) [ ] { } MiMiLMWDDC AIMkLLLLmgww ++++ 13.13.10.10.10.1 Ư =M DC i +M WD i Ư +M LL i Trong đó: LL L =Tải trọng làn rải đều (9.3 kNm) Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 5 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu LL Mi =Hoạt tải tơng đơng ứng với đờng ảnh hởng Mi mg M =Hệ số phân bố ngang tính cho mômen W DC =Tải trọng rải đều do bản thân dầm thép và bản BTCT mặt cầu W DW =Tải trọng rải đều do lớp phủ mặt cầu và các tiện ích trên cầu 1+IM=Hệ số xung kích A Mi =Diện tích đờng ảnh hởng Mi k=Hệ số cấp đờng Bảng trị số mômen theo TTGHCĐI Mặt cắt anpha A mi LL truck LL tandem M cd M sd 1 0.1 23.805 24.33 18.497 864.42 433.05 2 0.2 42.32 23.86 18.329 1525.1 7 769.86 3 0.3 55.545 23.38 6 18.429 1986.4 6 1010.44 4 0.4 63.48 22.90 8 18.297 2252.5 9 1154.79 5 0.5 66.125 22.43 18.165 2328.0 6 1202.91 Biểu đồ bao mômen cho dầm ở trạng thái giới hạn cờng độ M (kN) 864.42 1525.17 1986.46 2252.59 2328.06 864.42 1525.17 1986.46 2252.59 Trị số đờng ảnh hởng lực cắt đợc tính toán theo bảng sau: Mặt cắt x i L i A vi A v 0 0 23 11.5 11.5 Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 6 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu 1 2.3 20.7 9.315 9.2 2 4.6 18.4 7.36 5.06 3 6.9 16.1 5.635 4.6 4 9.2 13.8 4.14 2.3 5 11.5 11.5 2.875 0 Trong đó: X i =Khoảng cách từ gối đến mặt cắt thứ i Đah V i =Tung độ đờng ảnh hởng V i A V =Tổng đại số diện tích đờng ảnh hởng V i A Vi =Diện tích đờng ảnh hởng V i (phần diện tích lớn hơn) Ta có hình vẽ đờng ảnh hởng lực cắt tại các mặt cắt dầm nh sau: Lực cắt tại các tiết diện bất kì đợc tính theo công thức sau: Đối với TTGHCĐI: V i = ( ) [ ] { } ViViLVvWDDC AIMkLLLLmgAww ++++ 175.175.1)5.125.1( Ư =V DC i +V WD i Ư +V LL i Đối với TTGHSD: V i = ( ) [ ] { } ViViLVvWDDC AIMkLLLLmgAww ++++ 13.13.1)0.10.1(0.1 Ư =V DC i +V WD i Ư +V LL i Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 7 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Trong đó : LL Vi =Hoạt tải tơng ứng với đờng ảnh hởng V i mg v =Hệ số phân bố ngang tính cho lực cắt Bảng trị số lực cắt theo TTGHCĐ và TTGHSD Mặt cắt x i (m) L i (m) A vi A v LL truck (kN/m) LL tandem (kN/m) Q cd sd 0 0 23 11.5 11.5 24.8 18.665 407.5 8 341.15 1 2.3 20.7 9.315 9.2 27.1275 20.679 341.0 5 285.29 2 4.6 18.4 7.36 5.06 28.384 23.172 246.5 0 205.54 3 6.9 16.1 5.635 4.6 33.25 26.328 213.6 6 178.25 4 9.2 13.8 4.14 2.3 37.404 30.52 152.9 9 127.23 5 11.5 11.5 2.875 0 42.57 36.325 94.3077.84 Biểu đồ bao lực cắt cho dầm ở trạng thái giới hạn cờng độ : Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 8 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Q (kN) 94.30 341.05 152.99 213.66 246.50 407.58 94.30 341.05 152.99 213.66 246.50 407.58 III. Kiểm toán dầm theo TTGHCĐI 3.1.Kiểm toán điều kiện chịu mômen 3.1.1.Tính toán ứng suất trong các bản cánh dầm thép Ta lập bảng tính toán ứng suất trong các bản cánh dầm thép tại mặt cắt giữa nhịp dầm theo TTGHCĐI nh sau: Mặt cắt M S bot S top S botmid S topmid F bot F top F botmi d F topmi d Dầm thép 2328.0 6 2.1E+0 7 2.1E+0 7 2E+0 7 213526 77 111. 8 111. 8 109. 0 109. 0 Trong đó: F bot =ứng suất tại đáy bản cánh dầm thép F top =ứng suất tại đỉnh bản cánh trên dầm thép F botmid =ứng suất tại điểm giữa bản cánh dới dầm thép F topmid =ứng suất tại điểm giữa bản cánh trên dầm thép 3.1.2.Tính mômen chảy của tiết diện Mômen chảy của tiết diện không liên hợp đợc xác định theo công thức sau: M y =F y S NC Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 9 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Trong đó: F y =Cờng độ chảy nhỏ nhất theo quy định của thép làm dầm S nc =mômen kháng uốn của tiết diện không liên hợp Ta có: F y = 345 MPa S NC = 2.0E+07 mm 3 M y = 7.2E+09 Nmm 3.1.3.Tính mômen dẻo của tiết diện Chiều cao bản bụng chịu nén tại mômen dẻo đợc xác định nh sau: (A6.10.3.3.2) Với tiết diện đối xứng kép, do đó: D cp =D/2=570mm Khi đó mômen dẻo của tiết diện không liên hợp đợc tính theo công thức: M p =P w ++ ++ 22224 t t c c t D P t D P D Trong đó: P w =F yw A w =Lực dẻo của bản bụng P c =F yc A c = Lực dẻo của bản cánh trên chịu nén P t =F yt A t =Lực dẻo của bản cánh dới chịu kéo Vậy ta có: M p = 8.1E+09Nmm 3.1.4.Kiểm toán sự cân xứng của tiết diện Tiết diện I chịu uốn phải đợc cấu tạo cân xứng sao cho: (A6.10.2.1) 9.01.0 y yc I I (1) Trong đó: I y =Mômen quán tính của tiết diện dầm thép đối với trục thẳng đứng đi qua trọng tâm bản bụng I yc =Mômen quán tính của bản cánh chịu nén của mặt cắt thép quanh trục thẳng đứngđi qua trọng tâm bản bụng Ta có: I y = 6.26E+08 mm 4 I yc = 3.13E+08 mm 4 I yc /I y = 0.5 Vậy 0.1<I yc /I y <0.9 Đạt 3.1.5.Kiểm toán độ mảnh của vách đứng Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 10 [...]... dầm theo TTGHSD 4.1.Kiểm toán độ võng dài hạn Dùng tổ hợp TTSD để kiểm tra chảy của kết cấu thép và ngăn ngừa độ võng thờng xuyên bất lợi có thể ảnh hởng điều kiện khai thác ứng suất bản biên chịu mômen dơng và âm, phải thoả mãn điều kiện sau: Đối với tiết diện không liên hợp: Trần Trung Hiếu B_K46 15 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Ff 0.8RhFyt (13) Trong đó : Ff=ứng suất đàn hồi... 2 Trong đó: Trần Trung Hiếu B_K46 35 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu =Hệ số sức kháng ép mặt bulông trên vật liệu theo quy định: (A6.5.4.2) bb Rr2=Sức kháng ép mặt danh định của bulông CĐC theo quy định, ở đây ta có: Rn2=2.4dbolttFu Trong đó: t=Chiều dày bản nối Fu=Cờng độ chịu kéo của vật liệu liên kết Ta có tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản nối chịu ép mặt ở cùng phía: t=... (23) Trong đó: Vr=Sức kháng cắt tính toán của vách dầm Vu=Lực cắt do tải trọng tính toán ở TTGHCĐI As=Diện tích STC, tổng diện tích cả đôi STC B=Hệ số, đợc xác định phụ thuộc STC Trần Trung Hiếu B_K46 21 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Ta có: Với STC kép bằng thép tấm thì B = 1.00 Nh trên ta có C = 1 Ta xét STC đứng liền kề STC đứng gối là bất lợi nhất Vu = N Vr = 341.05 Vế trái... As / l 2 kl F = s r E Trong đó: As=Diện tích mặt cắt nguyên k=Hệ số chiều dài hiệu dụng theo quy định Với trờng hợp liên kết bản ở hai đầu thì k=0.75 (A4.6.2.5) l=Chiều dài không giằng =chiều cao vách D Trần Trung Hiếu B_K46 23 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu r= Bán kính quán tính của tiết diện cột I As r= I=Mômen quán tính của tiết diện cột đối với trục trung tâm của vách... VP5 = 89.881 Kiểm toán (5) Đạt Vế trái của (6) VT6 = 8.33 Vế phải của (6) VP6 = 8.54 Kiểm toán (6) Đạt 3.1.6.4.Kiểm toán liên kết dọc của biên chịu nén có mặt cắt đặc chắc Trần Trung Hiếu B_K46 12 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Khoảng cách giữa các liên kết dọc L b để đảm bảo cho tiết diện là đặc chắc phải thoả mãn điều kiện sau: (A6.10.4.1.7) M Lb 0.124 0.0759 l M p r... cho mặt cắt gối nh sau: Trần Trung Hiếu B_K46 18 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Tải trọng trục P1= 35kN P2= 145kN P3= 145kN Ta có: Đặt cách gối Lực cắt do xe tải mỏi tác dụng x1 x2 x3 Lực cắt mỏi Vế trái của (17) Vế phải của (17) Kiểm toán (17) Đạt 13.3 9.0 0.0 = 80.673 Vtruck Tĩnh tải rải đều của dầm thép và bản BTCT wdc Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu và các tiện ích trên cầu kN/m... Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Ta có hình vẽ bố trí STC đứng nh sau: 2 Kiểm toán STC đứng trung gian 2.1 Kiểm toán độ mảnh Chiều rộng và chiều dày của STC đứng trung gian phải đợc giới hạn về độ mảnh để ngăn mất ổn định cục bộ của vách dầm: (A10.8.1.2) 50 + d b p 0.48t p 30 0.25b f b p 16.0t p E Fys (19) (20) Trong đó: D=Chiều cao mặt cắt dầm thép Tp=chiều dày STC Bp=chiều... Đạt Trần Trung Hiếu B_K46 kNmm 8.1E+09 Nmm 13 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu 3.2.Kiểm toán theo điều kiện chịu lực cắt 3.2.1.Kiểm toán theo yêu cầu bốc xếp Đối với các bản bụng khi không có STC dọc, phải sử dụng STC đứng nếu: D > 150 tw (10) Ta có: Vế trái của (10) VT10 = 63.333 Kiểm toán (10) Không đạt Kết luận: Không cần sử dụng STC đứng khi bốc xếp 3.2.2.Kiểm toán sức kháng... lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Ngoài nhiệm vụ chông cắt, vách đứng còn có chức năng tạo cho bản biên đủ xa để chịu uốn có hiệu quả Khi một tiết diện I chịu uốn, có hai khả năng h hỏng có thể xuất hiện trong vách đứng Đó là vách đứng có thể mất ổn định nh cột thẳng đứng chịu ứng suất nén có bản biên đõ hoặc có thể mất ổn định nh một tấm do ứng suất dọc trong mặt phẳng uốn Bản bụng của dầm phải đợc cấu. .. Trần Trung Hiếu B_K46 28 Cầu - Đờng bộ Bộ Bài tập lớn Kết cấu thép môn Kết cấu Vế trái (27b) Vế phải (27b) Kiểm toán (27b) VT27b= VP27b= KT27b= 213750 242291 OK N N 7.3.4.Kiểm toán sức kháng ép mặt của lỗ bulông CĐC Sức kháng ép mặt của lỗ bulông CĐC ở TTGHCĐ đợc xác định nh sau: Rr 2 = bb Rn 2 Trong đó: =Hệ số sức kháng ép mặt bulông trên vật liệu theo quy định: (A6.5.4.2) bb Rr2=Sức kháng ép mặt . Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Bài tập lớn Kết cấu thép Giáo viên hớng dẫn : Nguyễn Ngọc Lâm Sinh viên : Trần Trung Hiếu . B_K46 3 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Dầm thép 600 600 585 585 2.1E+0 7 2E+0 7 2.1E+0 7 2E+0 7 Trong đó: y bot =Khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt dầm đến đáy bản cánh dới dầm thép (mm) y top =Khoảng. liên hợp đợc xác định theo công thức sau: M y =F y S NC Trần Trung Hiếu Cầu - Đờng bộ B_K46 9 Bài tập lớn Kết cấu thép Bộ môn Kết cấu Trong đó: F y =Cờng độ chảy nhỏ nhất theo quy định của thép