Chuong 4 cột thép đại học xây dựng

Sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ ảnh của cột 7 -Theo s ử d ụ ng:cột nhà công nghiệp, cột nhà cao tầng, cộ đỡ sàn, … -Theo c ấ u t ạ o:cột tiết diện đặc, cột tiết diện rỗng, cột tiết

Trang 1

CH ƯƠ NG 4: C Ộ T THÉP

1

§4.1 KHÁI QUÁT CHUNG

§4.2 CỘT ĐẶC CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

§4.3 CỘT RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

§4.4 CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM, NÉN UỐN

§4.5 CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT CỘT

2

Trang 2

6

Đầ u c ộ t:để đỡcác kết

cấu bên trên và phân

phối tải trọng xuống

thân cộ

Chân c ộ t:b phận liên

kết cột với móng và

phân phối tải trọng từ

cột thép xuống móng

BTCT (hoặc KC khác)

Thân c ộ t:b phận chịu

lực chính và truyền tải

tr ng từ trên xuống

dưới

§ 4.1 KHÁI QUÁT CHUNG

1 Đặc điểm chung

2 Các loại cộ

3 Sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ ảnh của cột

7

-Theo s ử d ụ ng:cột nhà công nghiệp, cột nhà cao tầng, cộ đỡ sàn, …

-Theo c ấ u t ạ o:cột tiết diện đặc, cột tiết diện rỗng, cột tiết diện không đổi, cột có tiết diện thay đổi, cột bậc, …

Gọi tên cột kết hợp cả 3 loại trên: cộ đặc chịu nén đúng tâm của nhà công nghiệp

- Theo s ơ đồ ch ị u l ự c:

Cột nén đúng tâm(N 0, M = 0), Cột nén lệch tâm, cột nén uốn (N, M)

y

x

y x y

x y

x

≠

8

Trang 3

Tr ụ c d ọ c c ủ a c ộ t (trục tính toán) theo phương z-z

+ các điều kiện biên

Liên k ế ở chân c ộ t và đầ u c ộ t :

- Liên kế ở 2 đầu cột có thể khác nhau;

- Liên kết theo 2 trục x-x và y-y có thể khác nhau

y x

1-1

y

x z

Liên k ế t ở chân c ộ t: ngàm hoặc khớp;

- Liên k ế t kh ớ p: thườngđược sửd ng cho cột chịu

nénđúng tâm;khi nề đất yế

- Liên k ế t ngàm:được sửd ngđểtăngđộcứngtổng

thểcủa công trình, giảm chuyển vịngang

Liên k ế t ở đầ u c ộ t: liên kết khớp hoặc liên kết cứng

Liên kết khác: Ngàm trượt, ngàmđàn hồi…

b) Chi ề u dài tính toán

Chiều dài tính toán được sử dụng cho tính toán ổn định tổng thể của cột thép

Khi c ộ t có ti ế t di ệ n không đổ i :

l

lx = µx ⋅ ly = µy⋅ l

l x : chiều dài tính toán của cộ đối với trục x-x (khi tiết diện cot xoay quanh trục x-x);

l y : chiều dài tính toán của cộ đối với trục y-y (khi tiết diện cột xoay quanh trục y-y)

l : chiều dài hình học của cột (bằng nhau theo cả

2 phương);

y

x µ

µ , : hệ số chiều dài tính toán của cột, phụ thuộc vào sơ đồ liên kế ở 2 đầu cột và nội lực nén dọc trong cột

a) S ơ đồ tính

y x

1-1

y

x z

l

10

c) Độ m ả nh c ủ a c ộ t

Đối với trục x-x :

A I

l

i

l

x

/

=

λ

A I

l i l

y y

y

y y

/

=

= λ

Đối với trục y-y :

Thông thường cột có λx≠ λy

Khả năng chịu nén đúng tâm của cộ được quyế

định theo phương có độ mảnh lớn nhất:

Đ i ề u ki ệ n làm vi ệ hợp lý của cột

chịu nén đúng tâm : (cột làm việc

đồngổ định theo 2 phương)

Đ i ề u ki ệ n c ộ t làm vi ệ c bình th ườ ng trong

quá trình s ử d ụ ng (TTGH 2):

y

[ ] λ

λmax ≤

)

; max(

b) Chi ề u dài tính toán a) S ơ đồ tính

y x

1-1

y

x z

l

11

§4.2 CỘT ĐẶC CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

1 Hình d ạ ng ti ế t di ệ n c ộ t đặ c

2 Nguyên t ắ c tính toán c ộ t đặ c ch ị u nén đ úng tâm

a) Tính toán v ề b ề n (TTGH 1) b) Tính toán v ề ổ n đị nh t ổ ng th ể (TTGH 1) c) Tính toán v ề ổ n đị nh c ụ c b ộ:

- Đ i ề u ki ệ n ổ n đị nh c ụ c b ộ c ủ a b ả n b ụ ng;

- Đ i ề u ki ệ n ổ n đị nh c ụ c b ộ c ủ a b ả n cánh;

- Gi ả i pháp s ườ n ngang, d ọ c cho b ả n b ụ ng c ủ a c ộ

12

Trang 4

a) Ti ế t di ệ n d ạ ng ch ữ I và ch ữ H

Ư u đ i ể m:

- Cấu tạ đơn giản, dễ

chế tạo Chỉ sử d ng 4

đường hànđối với cột tổ

hợp hàn

- Dễliên kết với các dầm

ở 2 phương Sử d ng

phổbiến nhấ

Nh ượ c đ i ể m:

- Có Ix>> Iyhay ix>> iy=> Chỉ dùng thích hợp cho cột chịu nén đúng tâm có

- Có thể điều chỉnh các kích thước thiết diện h, bf, tf, twđể có

hoặc có thể sử dụng tiết diện ghép từ các thép hình chữ I và C

y

µ >>

y

x λ

λ =

§4.2 CỘ ĐẶC CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

1 Hình dạng tiết diện cột

2 Nguyên tắc tính toán cộ đặc chịu nén đúng tâm

3 Các bước thiết kế cộ đặc chịu nén đúng tâm

13

b) Ti ế t di ệ n d ạ ng ch ữ th ậ

Ư u đ i ể m:

- Tiết diện có ix = iy => sử dụng hợp lý khi cột chịu nén đúng tâm có lx = ly

- Có thể điều chỉnh tiết diện cộ để ix = k iy

=> dễ đảm bảo điều kiện đồng ổn định theo 2 phương

- Chế ạo đơn giản: có 2 hay 4 đường hàn (hình a và b)

- Liên kết phức tạp (chỉ gắn bụng với bụng)

- Khi cần tiết diện có A lớn thì h/t và b/t lớn => điều kiện ổn định cục bộ kém

S dụng trường hợp c) thì liên kết phức tạp (thêm 16 đường hàn) Sử dụng cho cột chịu tải trọng lớn

14

c) Ti ế t di ệ n kín

Ư u đ i ể m:

- Tiết diện kín có ix, iy

lớn (vật liệu được đưa

ra xa trục trung hoà)

=> chịu lực tốt hơn

- Hình dáng kiến trúc

g n và đẹp, đặc biệt là

tiết diện thép ống

- Không bảo dưỡng được mặt bên trong của tiết diện => dễ bị gỉ

- Hàn khó, dễ cong vênh

b) Ti ế t di ệ n d ạ ng ch ữ th ậ

15

a) Tính toán v ề b ề

A n : diện tích thực của tiết diện cộ đã trừ đi phần giảm yếu do khoét lỗ

b) Tính toán v ề ổ n đị nh t ổ ng th ể

c n

f A

σ = ≤ Chỉ xét đến từng tiết diện nguy hiểm, chưa xét đến cả đ ạn cộ

c

f A

ϕmin ≤

A : diện tích tiết diện nguyên, không trừ phần giảm yếu

: hệ số uốn dọc nhỏ nhất của cột, phụ thuộc vào

được tra Bảng phụ lục II.1 hoặc tính theo công thức 4.8 đến 4.11

)

; max(

max λx λy

min

ϕ

[ ]λ

λmax≤ và

16

Trang 5

0.2

0.4

0.6

0.8

1

λ

ϕ

f = 2100 daN/cm2 ; E = 2 060 000 daN/cm2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

λ

ϕ

f = 2100 daN/cm2 ; E = 2 060 000 daN/cm2

Elastic buckling

Quan hệ giữa hệ số uốn dọc và độ mảnh của cột đối với thép mác CCT38:

E

f /

λ

λ =

Giảm theo độ

Đàn

d o

Chảy

d o

17

c) Tính toán v ề ổ n đị nh c ụ c b ộ

Đểcột chịu lựcđược hiệu quảthìứng suất giới hạn về ổnđịnh cục bộphải lớn hơn hayhợp lý nhất là bằngứng suất giới hạn về ổnđịnh tổng thể

Ứng suất pháp (hoặc tiếp) giới hạn về ổnđịnh cục bộcủa bản thép thường lấy lớn hơnứng suất giới hạn về ổnđịnh tổng thểcủa cột, và bằng vớiứng suất giới hạn vềb n:

f

cr =

Hay nói cách khác,độmảnh giới hạn của các bản bụng và bản cánh cột phảiđảm bả đểkhông bịmấtổ định cục bộtrước khi cột bịmấtổ định tổng thểhay bịphá hoại vềb n

: Cường độ chịu néntính toán của thép;

: Cường độ chịu cắttính toán của thép

f

v

f

: Ứng suấ phápgiới hạ : Ứng suấ tiế giới hạ

cr

σ

cr

τ

18

Đ i ề u ki ệ n ổ n đị nh c ụ c b ộ c ủ a b n b ụ ng : 











≤

w w w

w

t

h t h













w

t

h làđộmảnh giới hạn của bản bụng,

tính theo B ả ng 4.3, phụthuộc loại

tiết diện cộ độmảnh tínhđổi và vật

liệu thép làm cộ

Đ i ề u ki ệ n ổ n đị nh c ụ c b ộ c ủ a b n cánh :













≤

f

f t

b t

b0 0

bo= (bf– tw)/2 là chiều rộng nhô ra của bản cánh

độ mảnh giới hạn của bản cánh nhô ra, tra B ả ng 4.4, phụ thuộc vào

d ng tiết diện cột và độ mảnh tính đổi













f

t

b0

x

tw tf

19

Khi điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng dầm không đảm bảo thì có các giải pháp sau:

PA2 Có thể không c ầ n thay đổ i kích th ướ c b ả n

b ng n ế u :













≤

<













w w w w w

w

t

h t

h

2

(b f t f C h w)











=

w

w w

t

h t

C1 0,5

PA1 Thay đổ i kích th ướ c b ả n b ụ ng d ầ m t f và b f

và đồng thờiổ định tổng thểcủa cộtđượcđảm bảo với diện tích tiết diệ được lấychỉkể đến 2 phần bản bụng hữu hiệ tiếp giáp với 2 cánh, bỏqua khản ng chịu lực của phần bản bụngởgiữa do bịcong vênh:

20

Trang 6

PA3 Đặt s ườ n ngang cho b ả n b ụ ng c ủ a c ộ t

Khi tiết diện có

thì phải đặt các sườn ngang cách nhau 1 khoảng

và yêu cầu có ít nhất 2 sườn ngang cho mỗi đ ạn

chuyên chở

f

E t

h

w

w≥2,3

w

h

a=(2,5÷3)

Yêu cầu tiết diện của sườn ngang:

E

f

b

t s≥2 s

40

30+

≥ w

s

h

b

50

24+

≥ w

s

h

b

(mm) khi bố trí đối xứng ở 2 bên

(mm) khi bố trí ở 1 bên

Sườn ngang

21

PA4 Đặt s ườ n d ọ c cho b ả n b ụ ng d ầ m

Khi chiều cao tiết diện lớn (h > 1 m), nế điề kiệ ổ định cục bộcủa bản bụng khôngđảm bả

=> có thể sử d ng giải pháp gia cường bằng sườn ngang và sườn dọc; thay vì tăng bềdày củ

b n bụng lên quá dầy

Yêu c ầ u kích th ướ c c ủ a s ườ n d ọ c:

w

Kích thước sườn dọc được kể vào tiết diện cột tính toán

⇒giá trị độmảnh giới hạn của bản bụng tăng lên.

Việc sửd ng sườn dọc làm tăng công chếtạo, cấu tạo phức tạp hơn

Sườn ngang

22

d) Kh ả n ă ng ch ị u nén đ úng tâm c ủ a c ộ t

[ ] N = min { [ ] N b; [ ] N ϕ}

Khả năng chịu lực của cột theo điều kiện bền:

Khả năng chịu lực của cột theo điều kiện ổn định tổng thể

[ ] N b = An⋅ f ⋅ γc

[ ] N ϕ = ϕmin⋅ A ⋅ f ⋅ γc = Aϕ⋅ f ⋅ γc

trong đ ó:

c n

f A

σ = ≤

c

f A

ϕmin ≤

23

3.1 Chọn sơ bộ tiết diện cột đặc 3.2 Kiểm tra tiết diện cột đã chọn 3.3 Xác định tiết diện cột theo độ mảnh tới hạn 3.3 Liên kết bản cánh và bản bụng cột

24

Trang 7

3.1 Chọn tiết diện cột

a) Chọn hình dạng tiết diện cột

b) Xác định diện tích tiết diện yêu cầu Ayc theo điều

kiện ổn định tổng thể

c) Chọn kích thước của bản cánh, bản bụng theo độ

mảnh giả thiết

25

3.1 Ch ọ n ti ế t di ệ n c ộ t

a) Ch ọ n hình d ạ ng ti ế t di ệ n c ộ t

- Lực dọc N,

- Vật liệu thép,

- Sơ đồ liên kế ở 2 đầu cột,

- Chiều dài tính toán của cột lx và ly

Chọn hình dạng tiết diện cộ đặc

Đ ã bi ế

26

b) Xác đị nh di ệ n tích ti ế t di ệ n yêu c ầ u theo đ i ề u ki ệ n ổ n đị nh t ổ ng th ể

c yc

f

N

A

γ

ϕ ⋅ ⋅

=

min

: hệsốu n dọc nhỏnhấ được xác định từ độ mảnh lớn nhất của cột (vẫn chưa biết)

min

ϕ

λgt= 100 ÷120 khi N≤1500 kN;

λgt= 70 ÷100 khi N = 1500 ÷3000 kN;

λgt= 50 ÷70 khi N = 3000 ÷4000 kN;

λgt= 40 ÷50 khi N≥4000 kN

Độ mảnh lớn nhất của cộ được giả thiết dựa theo độ lớn của lực nén N:

Từ và vật liệu thép (f, E) => Xác định => Xác định Ayc

gt

λ

λmax =

gt

Xác định theo độ mảnh giả thiết

27

a) Ch ọ n hình d ạ ng ti ế t di ệ n c ộ t

c) Ch ọ n kích th ướ c c ủ a b ả n cánh, b ả n b ụ ng theo độ m ả nh gi ả thi ế

gt x

i = / λ

h

x yc

l h

λ

=

gt y

y l

i = / λ

b

y yc

l b

λ

=

: hệ số để xác định gần đúng các bán kính quán tính của tiết diện, tra Bảng 4.5phụ thuộc vào loại tiết diện

x

α αy

Ví dụ với cột tiết diện chữ H: αx=0,42 và αy=0,24

x

28

a) Ch ọ n hình d ạ ng ti ế t di ệ n c ộ t b) Xác đị nh di ệ n tích ti ế t di ệ n yêu c ầ u theo đ i ề u ki ệ n ổ n đị nh t ổ ng th ể

tf= 8 ÷ 40 mm

t w= 6 ÷ 16 mm

b

h ≥

b

h = ( 1 ÷ 1 , 15 )

t w

t f

Các yêu c ầ u c ấ u t ạ o:

Trang 8

3.2 Ki ể m tra ti ế t di ệ n c ộ t đ ã ch ọ n

a) Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện đã chọ

b) Kiểm tra về bề

c) Kiểm tra về ổn định tổng thể

d) Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng

29

a) Xác đị nh các đặ c tr ư ng hình h ọ c c ủ a ti ế t di ệ n đ ã ch ọ

A n , A , I x , I y , x , l y

x x

x = l / i

λ

[ ] λ λ λ

λmax =max( x; y)≤

A I

y y

y =l / i

λ

min

ϕ Tra bảng phụ lục II.1hoặc theo công thức 4.8-4.11 Tra bảng phụ lục I.16

Đối với cột dạng chữ H có (hay iy < ix ) và l y ≥ lxthì

=> chỉ cần kiểm tra ổn định tổng thể đối với trục y-y, trục vuông góc với cánh

b

x

tw tf

30

[ ]λ

b) Ki ể m tra v ề b ề

c n

f A

σ = ≤

c) Ki ể m tra v ề ổ n đị nh t ổ ng th ể (xem m ụ c 2.b)

c f A

N

γ ϕ

min

d) Ki ể m tra ổ n đị nh c ụ c b ộ c ủ a b ả n cánh và b ả n b ụ ng đố i v ớ i c ộ t t ổ

h ợ p t ừ các b ả n thép (xem m ụ c 2.c)













≤

w

w w

w

t

h t

h













≤

f

b t

x

tw tf

31

3.2 Ki ể m tra ti ế t di ệ n c ộ đ ã ch ọ

a) Xác đị nh các đặ c tr ư ng hình h ọ c c ủ a ti ế t di ệ n đ ã ch ọ

3.3 Ti ế t di ệ n c ộ t theo độ m ả nh t ớ i h ạ

x

tw tf

Đối với cột có chiều dài lớn và chịu lực dọc trục N nhỏ Trong trường hợp này điều kiện bền thường được thoả mãn

[ ] λ

λgt =

yc A

A ≥

[ ] λx

yc x x

l i

i ≥ , =

[ ] λ

y yc y y

l i

i ≥ , =

Xác định Ayctheo độ mảnh tới hạn:

Tiết diện chọn phải đảm bảo:

32

Tra bảng phụ lục I.16 [ ]λ

Trang 9

3.4 Liên k ế t b ả n cánh và b ả n b ụ ng c ộ t

x

Liên kết giữa bản cánh và bản bụng của cột

thép tổhợp phảiđảm bả chịu lực cắt V

Trong trường hợp cột chịu nénđúng tâm thì

lực cắt V sinh ra do cột bịu n dọc hay cột

chịu các tác dụng ngẫu nhiên gây uốn

Lực V khá nhỏnên liên kếtđược lấy theo

cấu tạo

V i cột tổhợp hàn thì lấyđường hàn chạy

suốt chiều dài cột và hf= 6 ÷ 8 mm

33

3.3 Ti ế t di ệ n c ộ t theo độ m ả nh t ớ i h ạ

34

Cấu kiện cột chịu nén đúng tâm thường mất khả năng chịu lực

do mấ ổn định tổng thể;

=> Cần tăng Ixvà Iy(hay ixvà iy) mà không làm tăng nhiều diện tích tiết diệ A

y x

Nguyên lý : tìm cách đưa vật liệu càng ra xa trục trung hoà càng tốt

A1 = A2

I1so v ớ i I2 ???

a) Các d ạ ng c ủ a ti ế t di ệ n c ộ t r ỗ ng 35

1 Cấu tạo thân cột rỗng

2 Sự làm việc của cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm

S d ng cácthanh thép hình(thường là thép góc L, thép [ )

hoặccácb n thépđểliên kết các nhánh cột với nhau;

⇒g i là cột rỗng thanh giằng hoặc cột rỗng bản giằng

Thanh giằng

36

a) Các d ạ ng c ủ a ti ế t di ệ n c ộ t r ỗ ng

3 Thiết kế ột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm

Có thể ạo ra các cột rỗng thanh giằng (hoặc bản giằng)

g m 2 nhánh, 3 nhánh, 4 nhánh, …

Nhánh cột

Bản giằng

Trang 10

Khi N 350 tấn : sử dụng cột rỗng 2 nhánh có tiết diện dạng chữ [.

Khi 350 < N 600 tấn : sử dụng cột rỗng 2 nhánh có tiết diện dạng chữ I

Khi lực nén N

không lớn, nhưng

cột có chiều cao

lớn (có độ mảnh

lớn, dễ bị mất ổ

định tổng thể)

=> sử d ng cột

rỗng 3, 4, …

nhánh tiết diệ

thép góc hoặc

thépống

≤

c) Đặ c đ i ể m c ủ a các lo ạ i c ộ t r ỗ ng

37

b) Gi ả i pháp liên k ế t 2 nhánh c ộ t r ỗ ng a) Các d ạ ng c ủ a ti ế t di ệ n c ộ t r ỗ ng

Cột rỗng thanh giằng có độ cứng và khả năng chống xoắn lớn hơn cột rỗng bản giằng

Khe hở giữa các nhánh của cột rỗng không được nhỏ hơn 100 ~ 150 mm

Cột rỗng bản giằngchỉnên sửd ng khi khoảng cách giữa 2 nhánh cột không lớn,

C = 0,8đến 1 m

Nếu khoảng cách 2 nhánh cột lớn sẽyêu cầu kích thước bản giằng rất lớnđể đảm

b o liên kết các nhánh cột cùng làm việc

=> nội lực trong bản giằng M và V lớn =>

tốn vật liệu làm bản giằng, khóđảm bả liên kết giữa bản giằng và 2 nhánh cộ

38

Góc giữa trục của thanh bụng xiên và trục của nhánh

cột phải đủ lớn để dễ liên kết và tiết kiệm vật liệu:

θ = 40o÷45o khi có thanh ngang;

θ = 50o÷60o khi không có thanh ngang

Khi liên kết thanh giằng vào nhánh cột không

dùng bản mã thì có thểcho phép trục của các

thanh giằng hội tụ ởmép ngoài của nhánh

Thanh giằng thường là 1 thép góc (nhỏnhất L40x5

Hệthanh giằngđược bốtrí theosơ đồtam giác có

thanh ngang hoặc không có thanh ngang Hoặc có

thểlà dạng chữthập hoặc hình thoi khi khoảng cách

giữa các nhánh cột lớn

C ấ u t ạ o c ủ a h ệ Thanh gi ằ ng:

x0

39

Kích thước tiết diện củ b n giằng (b d y tb, chiều cao db) có thể được chọn sơb nhưsau:

d b= (0,5 ÷0,8) h

t b= 6 ÷12 mm

b











÷

= 30

1 10 1

b

t

50

1

≥

Bản giằng chồng lên nhánh cột một khoảng 40 ~

50 mm khi dùng liên kết hàn, vàđủ đểcấu tạo khi dùng liên kết bu lông

Cần bố trí các vách cứngd c theo chiều dài cột, cách nhau khoảng 3 ~ 4 m

Mỗi cột hay mỗi đ ạn cộ để chuyên chở cần có

ít nhất 2 vách cứng

C ấ u t ạ o c ủ a h ệ B ả n gi ằ ng:

x0

40

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	1,42 MB