Kết cấu thép đặc biệt

Bài giảng môn học ÉP ẶC BIỆT 21 MỤC LỤC CHƢƠNG KẾT CẤU THÉP BẢN I Đại cƣơng kết cấu thép Phạm vi dùng, phân loại Đặc điểm làm việc cấu tạo kết cấu thép II Tính tốn vỏ mỏng trịn xoay III Bể chứa chất lỏng Phạm vi dùng, phân loại Bể chứa trụ đứng áp lực thấp IV Các loại bể chứa đặc biệt để giữ dầu thô, xăng khí hóa lỏng 19 Các biện pháp giảm mát sản phẩn dầu mỏ bể chứa 19 Bể chứa trụ đứng mái cầu 19 Bể chứa trụ ngang 21 CHƢƠNG 27 KẾT CẤU THÉP CƠNG TRÌNH THÁP VÀ TRỤ 27 I Khái quát chung 27 Đặc điểm chung 27 Tải trọng tác động 28 II Đại cƣơng tháp thép 39 Đặc điểm phân loại 39 Hình dạng chung tháp thép dạng dàn 41 Hệ bụng 42 Vách cứng ngang 44 III Tính tốn tháp 45 Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 1 Các phƣơng pháp giả thiết tính tốn 45 Tải trọng tác dụng 46 Nội lực tổ hợp nội lực 49 Tiết diện,chiều dài tính tốn, độ mảnh 55 Chọn kiểm tra tiết diện 59 Các kiểm tra tổng thể 61 IV Giải pháp cấu tạo tính tốn chi tiết 65 Nối 65 Cấu tạo đầu 70 Cấu tạo nút 71 V Kết cấu trụ 78 Cấu tạo trụ 78 Tính tốn trí 83 CHƢƠNG KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƢỚC 102 I Các khái niệm kết cấu thép ứng suất trƣớc 102 Bản chất hiệu phƣơng pháp ứng suất trƣớc 102 Các phƣơng pháp tạo ứng suất trƣớc 104 a Dùng dây (thanh) căng thép cƣờng độ cao để gây ứng suất trƣớc kết cấu 104 II Vật liệu, cấu tạo dây (thanh) căng phận neo 106 Vật liệu cấu tạo dây (thanh) căng 106 Bộ phận neo 108 Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt CHƢƠNG KẾT CẤU THÉP BẢN I Đại cương kết cấu thép Phạm vi dùng, phân loại Kết cấu thép kết cấu đƣợc làm từ thép, dùng để chứa, vận chuyển gia công chất lỏng, chất khí vật liệu hạt Kết cấu thép gồm loại sau: bể chứa chất lỏng (sản phẩm dầu, nƣớc chất lỏng khác); bể chứa phân phối khí; bunke xilơ dùng để chứa tải vật liệu hạt (than, cát,xi măng,…); ống dẫn có đƣờng kính lớn ( để tải nƣớc, khí, sản phẩm dầu mỏ,…Kết cấu thép đặc biệt dùng công nghiệp hóa dầu, luyện kim…nhƣ lị cao, lị đốt nóng khơng khí, lị hút bụi, ống khói,… Đặc điểm làm việc cấu tạo kết cấu thép - Điều kiện làm việc kết cấu thép khác nhau: vị trí chơn ngầm dƣới mặt đất mặt đất; chịu áp lực bên chân không; tác dụng nhiệt độ thay đổi; ăn mịn mơi trƣờng bên ngồi sản phẩm đƣợc chứa bên trong; chịu tải trọng tĩnh động,… - Ngoài chịu lực nhƣ kết cấu thơng thƣờng khác, kết cấu thép cịn cần phải kín, có tính chống thấm chủ yếu dùng liên kết hàn Tổng đƣờng hàn kết cấu thép lớn 2-3 lần so với kết cấu thép khác - Kết cấu thép thƣờng xuyên làm việc trạng thái ứng suất lớn (gần với cƣờng độ tính tốn đƣờng hàn liên kết), chỗ nối thân đáy nảy sinh ứng suất cục lớn Kể đến điều kiện làm việc trên, tính tốn kết cấu thép theo điều kiện bền dùng hệ số điều kiện làm việc - Về vật liệu chiều dày dùng thép cán nguội dạng cuộn, dùng thép cuộn cán nóng Đối với cơng trình nhƣ: ống dẫn nƣớc chính, bể chứa chuyên dụng, vỏ lò luyện kim, vỏ lò đốt nóng khí có quy định dùng thép riêng Các bể chứa chất lỏng ăn mòn đƣợc làm hợp kim nhơm mặt ngồi thép thƣờng, mặt phủ kim loại khơng gỉ II Tính tốn vỏ mỏng trịn xoay Vỏ mịng trịn xoay có trục đối xứng hai bán kính cong: R1- bán kính kinh tuyến, đƣờng sinh cong vỏ; R2- bán kính trịn vỏ trịn xoay, có tâm O nằm trục đối xứng (Hình 1.1a) Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt Hình 1.1 Sơ đồ tính tốn vỏ tròn xoay a) Dạng chung; b) phân tố vỏ với nội lực mặt trung bình; c) phân tố vỏ trạng thái ứng suất mômen; d) trạng thái cân phân tố vỏ; e) hiệu ứng biên Vì chiều dày vỏ nhỏ với kích thƣớc khác nên thơng số hình học vỏ lấy theo mặt trung bình Kết cấu thép phần lớn thuộc dạng vỏ mỏng tròn xoay Tùy theo trạng thái ứng suất vỏ tròn xoay mà chia làm hai cách tính chính:  Tính theo lý thuyết mơmen:khi ngồi lực pháp tuyến N1, N2 lực trƣợt S1, S2, cân vỏ đƣợc xác định theo mômen uốn M1, M2, mômen xoắn M12, M21và lực cắt Q1, Q2 (Hình 1.1c)  Tính theo lý thuyết phi mơmen: cân vỏ xác định theo lực pháp tuyến N1, N2 (gây nên ứng suất pháp phân bố theo chiều dày vỏ), lực trƣợt S1, S2 (Hình 1.1b) Chú ý: Tính theo lý thuyết phi mơmen dùng cho loại vỏ có chỗ xa vùng có hiệu ứng biên (chỗ nối vỏ, nơi vỏ có chiều dày thay đổi…), nảy sinh mơmen uốn cục (Hình 1.1e) Kết cấu thép thỏa mãn điều kiện nên cần tính theo lý thuyết phi mơmen kiểm tra thêm theo trạng thái hiệu ứng biên nơi cần thiết Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt Xét vỏ mỏng trịn xoay (Hình 1.1a), tách phân tố dS1 dS2(xa nơi có hiệu ứng biên) hai mặt phẳng kinh tuyến hai mặt phẳng hƣớng tâm theoR1 Trên phân tố có tải trọng bề mặt phân bố p tác dụng theo phƣơng pháp tuyến n mặt dS1 dS2, lực dọc kinh tuyến N1 lực vòng N2 theo phƣơng tiếp tuyến với mặt trung bình vỏ (bỏ qua vi phân bậc hai) là: ; (1.1) Viết phƣơng trình cân hình chiếu lực lên phƣơng pháp tuyến n (Hình 1.1d): (1.2) Vì góc nhỏ nên: Thay đại lƣợng vào (1.2) ta có: (1.3) Thay N1, N2 vào (1.1) ta nhận đƣợc: (1.4) Phƣơng trình (1.4)- phƣơng trình Laplace-chứa hai ẩn số Để tìm đƣợc ẩn số ta lâp thêm phƣơng trình nữa, cách cắt vỏ theo mặt phẳng ngang viết phƣơng trình cân lực lên phƣơng trục đối xứng (Hình 1.1h) (1.5) Vì (Hình 4.1a) nên: (1.6) Thay (1.6) vào (1.4) ta có: ( Đối với vỏ trụ, có ) (1.7) , từ (1.4) có ứng suất vòng : (1.8) Đối với vỏ cầu R1=R2=r trạng thái ứng suất điểm theo hƣớng nhƣ : (1.9) Với vỏ nón (Hình 4.2), ứng với ri : Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt , ứng suất theo phƣơng kinh tuyến phƣơng vịng điểm Hình 1.2 Vỏ nón trịn xoay (1.10) (1.11) Trong : - góc đƣờng sinh với trục z III Bể chứa chất lỏng Phạm vi dùng, phân loại Bể chứa dùng để chứa sản phẩm dầu (xăng, dầu hỏa…), khí hóa lỏng, nƣớc, axit, cồn cơng nghiệp,… Tùy theo hình dung bể mà chia : bể chứa hình trụ (trụ đứng, trụ ngang Hình 1.3a,b), bể chứa cầu, hình giọt nƣớc, … ( Hình 1.1a,b) Tùy theo vị trí khơng gian chúng đặt cao mặt đất (trên gối tựa), đặt mặt đất, ngầm nửa ngầm dƣới đất dƣới nƣớc Hình 1.3 Bể chứa hình trụ a)trụ đứng; b) trụ ngang; 1-đáy; 2-thân; 3-mái; 4-cột trung tâm; 5-cầu thang Bể chứa tích khơng đổi (mái tĩnh-cố định) thể tích thay đổi (mái phao ngồi mái cố định có phao mặt chất lỏng ; mái – thân mái phao) Tùy theo áp lực dƣ (do chất lỏng bay hơi) khơng gian mặt thống chất lỏng mái bể mà chia : - Bể chứa áp lực thấp : áp lực dƣ (0,002 kG/cm2) áp lực chân không (khi xả hết chất lỏng) (0,0025 kG/cm2) - Bể chứa áp lực cao : áp lực dƣ Lựa chọn hình dạng bể chứa phụ thuộc vào tính chất chất lỏng đƣợc giữ, thể tích bể, chế độ sử dụng, điều kiện khí hậu vùng xây dựng Phổ biến bể chứa Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt trụ đứng trụ ngang đơn giản chế tạo lắp ghép Bể trụ đứng mái tĩnh dùng vịng quay sản phẩm (10 – 12 lần/ năm), bể có phao mái nối dùng số vịng quay lớn (khơng có khơng gian nên giảm mát sản phẩm bay hơi) Bể chứa cầu dùng để chứa khí hóa lỏng ( bể chứa hình giọt nƣớc để chứa xăng có đàn hồi cao ( ) Hình 1.4 Các loại bể chứa hình cầu 1-đáy ; 2-thân ; 3-cầu thang ; 4-chỗ đặt thiết bị ; 5-vành gối Bể chứa trụ đứng áp lực thấp a Cấu tạo Bể chứa trụ đứng mái tĩnh thƣờng dùng để chứa sản phẩm dầu mỏ có đàn hồi áp lực thấp Thể tích khác nhau, từ 100 đến 20000 m3(chứa xăng), chí tới 50 000 m3 (chứa dầu mazút,…) Các bơ phận bề gồm thân, đáy mái bể (Hình 1.3a) Đáy bể đặt cát đầm chặt có phủ lớp cách nƣớc (Hình 1.5) Ngồi cịn phận phụ khác nhƣ : ống để nạp xả chất lỏng ; cầu thang ; mái đặt thiết bị đo mức chất lỏng, lỗ nhìn, van an tồn, lan can,… Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt  Cấu tạo đáy bể Đáy bể tựa cát chịu áp lực chất lỏng Ứng suất tính tốn đáy khơng đáng kể nên chiều dày đáy đƣợc chọn theo yêu cầu cấu tạo hàn chống ăn mịn (Hình 1.6) Phần đáy (khu giữa) gồm thép có kích thƣớc lấy theo định hình sản xuất thép tấm, ví dụ với bể tích V < 5000 m3 dùng 1500 x 6000 mm Chiều dày tối thiểu đáy ( ) Khi V lớn dùng (khi đƣờng kính đáy Dđ> 25 m) Khi thể tích bể chiều dày biên đáy lớn chiều dày – mm Đƣờng hàn cạnh ngắn dùng đƣờng hàn đối đầu, đƣờng hàn cạnh dài đƣờng hàn góc, liên kết chống ( chờm lên 30 – 60 mm), hàn đối đầu Để nâng cao chất lƣợng đƣờng hàn, tăng tính cơng nghiệp hóa lắp ghép bể, đáy đƣợc hàn nhà máy sau cuộn lại để dễ vận chuyển Tại cơng trƣờng, dùng máy trải phảng cuộn thép vị trí xây dựng bể Tùy theo thể tích bể, khả thi cơng chia đáy thành nhiều cuộn lắp ghép Hình 1.5 Nền bể 1-nền đất đắp ; 2-đệm cát ; 3-lớp cách nƣớc ; Dc- đƣờng kính đệm cát ; Dd – đƣờng kính đáy bể Hình 1.6 Đáy bể Khi hàn trực tiếp đáy cát bể (phƣơng pháp tấm) cho phép hàn đối đầu phía để giảm biến hình hàn, trình tự hàn nhƣ sau : hàn đáy ; hàn vành biên ; hàn thân bể với vành biên ; hàn khu với vành biên Để thân bể tì sát đáy, vành biên đáy chuyển liên kết chồng thành liên kết đối đầu nhƣ sau (Hình 1.6) : cắt thép 1, dập phẳng mép hai 2, hàn đối đầu lót (cắt từ 1) Đƣờng kính đáy Dđ lớn đƣờng kính thân D khoảng 100 mm  Cấu tạo thân bể Thân bể phận chịu lực chính, gồm nhiều đoạn khoang thép hàn lại Chiều cao đoạn thân chiều rộng thép định hình, thƣờng dùng thép 1500 x 6000 mm Đƣờng hàn thẳng đứng nối thép đoạn thân đƣờng Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt hàn đối đầu, liên kết đoạn thân (đƣờng hàn vòng) dùng đƣờng hàn đối đầu (khi chiều dày thép liên kết chống (Hình 1.7) Hình 1.7 Nối thân bể A nối đối đầu ; b) nối lồng ; c) nối dạng bậc Hình 1.8 Đường hàn góc nối thân bể với đáy bể thân bể với vành mái a) nối thân với đáy ; b) nối thân với thép góc vành mái 1-thân ; 2-đáy ; 3-đƣờng hàn góc nối thân với đáy ; 4-thép vành đỡ mái Khi dùng liên kết chồng, đoạn thân lồng vào (Hình 1.7b) thành bậc (Hình 4.7c) Đƣờng hàn vịng phía ngồi đƣờng hàn chịu lực, đƣờng hàn phía gián đoạn (dài 100 mm, cách 300 mm) để dựng lắp, yêu cầu chống gỉ cao hai đƣờng hàn liên tục Chiều dày tối thiểu thân bể Nối thân đáy bể dùng đƣờng hàn góc (Hình 1.8) Khi hàn phải tn theo yêu cầu gia công mép thép đƣợc quy định theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Thân bể sản xuất nhà may theo phƣơng pháp cuộn (nhƣ đáy) hàn công trƣờng Trong trƣờng hợp sau đƣờng hàn đứng bố trí lệch Lắp ráp bể theo phƣơng pháp cuộn thép giảm thời gian xây dựng 1,7 – lần, giá thành chung giảm 30% Hình 1.9 Tăng cường thân bể chứa a)sơ đồ ứng suất trƣớc với máy quấn dây b) tăng cƣờng thép sợi cƣờng độ cao ; c)thân hai lớp Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt Hình 2.43 Sơ đồ lực nút bốn dây neo P Hình 2.44 Sơ đồ nút ba dây neo P T1cos  T2coscos60o  T3coscos60o  P cos   o o T3coscos30  T2coscos30  P sin  thay i A d vào ti ta có: 1   A cos    A cos    3A d cos  P cos ; d d  2     A cos   A cos  P sin ; d d   2 thay (2.100) vào hệ vừa thu đƣợc ta có hệ phƣơng trình:   3  1    p cos;         sin  p   Kết có hệ năm phƣơng trình sau: Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 95 A1  1    B  by cos(   );  A2  2    B  by cos(60     );   A3 3   B  by cos(60     ); 3     3   p cos; 1  2    p sin , 3     (2.103) Trongđó Ak, B, b  p- xác định theo công thức (2.97)  (2.100) q qk; qo - tải trọng ban đầu, qo = gcos  ; (2.104) q1¸, q2, q3 - thành phần tải trọng vng góc với nhịp dây tác dụng dây 1, 2, đƣợc tính nhƣ sau: √( ( (2.105) √[ ( ] [ ( ] (2.106) √[ ( ] [ ( ] (2.107) Giải hệ phƣơng trình (2.103) thu đƣợc kết (2.108)  (2.112) 1 xác định phƣơng pháp thử dần từ 1 xác định đƣợc  , 3 , y  y A (1  21  B) E d coscos(   ) 1 A1    1  2  B    arcos   ; b       2  1  p (cos  sin ); 3  1  p (cos  sin ); 1  p (cos  (2.108) (2.109) (2.110) (2.111) A2 sin )  (2.112) 3(1  B)  2p cos  A1 / 12  A / 32 e Tính tốn kiểm tra thân trụ * Tính tốn kiểm tra nhịp Thân trụ đƣợc tính tốn kiểm tra riêng nhịp nhƣ cấu kiện chịu nén lệch tâm, với sơ đồ xác định nội lực nhƣ hình 2.45, đó: Ntj = Nj - 0,5Ntgj Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 96 Hình 2.45 Sơ đồ tính thân trụ (Ntgj trọng lƣợng nhịp j thân phụ kiện gắn vào thân phụ kiện gắn vào thân, Nj lực dọc xác định mục c tính nội lực thân trụ) Thân trụ dàn không gian cánh song song, việc kiểm tra nhƣ cấu kiện nén lệch tâm (nén uốn) cần phải kiểm tra cánh, bụng Từ nội lực N, M,Q thân (xác định theo sơ đồ hình 2.45) mơmen xoắn thân trụ (nếu có) Mxoắn xác định đƣợc nội lực dọc cánh bụng xiên thân trụ Nội lực nguy hiểm cho cánh trƣờng hợp M nằm mặt phẳng đƣờng chéo tiết diện thân, bụng trƣờng hợp Q song song với mặt phẳng chứa bụng Với đặc điểm cấu tạo thân trụ có tiết diện đa giác đều, cánh nhƣ nhau, mặt dàn nhƣ nhau, có sơ đồ xác định nội lực nhƣ hình 2.46 có nội lực dọc là: - Với cánh NC = NN + NM - Với bụng xiên NX = NQ + NXo, N NN = ; n 2M NM  ; nr 2Q NQ  ; n sin  M xoan N Xo  , na sin  r - bán kính vịng tròn qua trọng tâm cánh (vòng tròn ngoại tiếp đa giác tiết diện thân); a - bán kính vòng tròn nội tiếp đa giác tiết diện thân; n - số mặt thân;  - góc nghiêng xiên với cánh Các cánh bụng đƣợc tính tốn nhƣ nén (kéo) tâm với lực dọc tính tốn chúng NC, NX Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 97 Hình 2.46 Sơ đồ tính nội lực thân trụ * Tính tốn kiểm tra ổn định tổng thể trụ Nhƣ nêu trên, thân trụ làm việc nhƣ nén uốn nhiều nhịp tựa gối đàn hồi có độ cứng khác Do thân trụ cần phải tính tốn ổn định Thân trụ ổn định nhƣ hình 2.47a, gọi ổn định cục vấn đề đƣợc tiến hành mục a, song tựa gối đàn hồi (các lớp dây neo) nên thân trụ bị ổn định tổng thể nhƣ hình 5.47b, nên cần phải kiểm tra ổn định tổng thể thân trụ, sau trình bày hai phƣơng pháp sử dụng * Phương pháp hệ mắt xích Gần xem trụ nhƣ hệ mắt xích gối đàn hồi nhƣ hình 2.48, có mômen gối = Mj = Lực ngang gối ảnh hƣởng không đáng kể tới khả ổn định hệ, bỏ qua thành phần lực xét ổn định tổng thể trụ, nhƣ phƣơng trình (2.77) lúc là: Nj  N N N   j1 j1 y j1  ( j  j j  j  j1 )y j  j1 y j1  (2.119) lj lj lj l j1 l j1 Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 98 Hình 2.47 Dạng ổn định thân trụ a)mất ổn định cục bộ; b)mất ổn định tổng thể Hình 2.48 Sơ đồ hệ mắt xích Khi đạt tới trạng thái giới hạn ổnđịnh, Nj, Nj-1, Nj+1 phƣơng trình (2.119) thành lực dọc tới hạn Nthj, Nthj-1 Để bảo đảm ổn định, lực dọc thân trụ phải nhỏ hƣn lực dọc tới hạn  lần, điều kiện đƣợc lấy nhƣ sau: (2.120)   1,5  2,5 gọi  hệ số ổn định, Vậy có: Nthj =  Nj, Nthj-1 =  Nj-1, Nthj+1 =  Nj+1,    N đặt j  S j bỏ qua j j , j1 j1 nhỏ so với  j ,  j1 , thay tất vào lj lj l j1 phƣơng trình (2.119) ta có: S j y j1  ( j  S j  S j1 )y j  S j1y j1  (2.121) Với trụ có n lớp dây neo ta có hệ n phƣơng trình (2.12) phải = D(  ) =0 (2.122) Khai triển (2.122) đƣợc: (1)n  n  (1)n 1 B1 n 1  (1) n 2 B2 n 2   Bn 2  Bn 1  Bn  (2.122) Trong phƣơng trình (2.123) Bj thừa số  i Sj Giải phƣơng trình (2.123) có đƣợc  Trị số cực tiểu  (là hệ số ổn định hệ) phải thỏa mãn điều kiện (2.120) Sử dụng phƣơng pháp tiện lợi n < Tuy phƣơng pháp có sai khác với phƣơng pháp xác, song thiên an toàn, hệ số ổn định hệ thực lớn so với tính tốn theo hệ mắt xích Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 99 * Phương pháp thong số trung bình Khi trụ có số lớp dây neo lớn (số nhịp, n  5) việc tính tốn theo phƣơng pháp mắt xích khơng tiện lợi đơn giản phƣơng pháp thơng số trung bình Phƣơng pháp quy đổi trụ thành tƣơng đƣơng có nhịp nhƣ nhau, gối đàn hồi nhƣ nhau, chịu nén Cũng xét với sơ đồ nhƣ hệ mắt xích Hình 2.49 Đồ htij xác định  tb Từ độ cứng  j gối j có độ mềm gối là: j   jl3j EJ tb Jtb - mơmen qn tính trung bình thân trụ Trị số trung bình hệ số mềm gối đàn hồi là: n n  jl j n tb    j      jl3j n j1 n j1 EJ tb nEJ tb j1 (2.124) (2.125) Hệ số chiều dài tính tốn  tb số lớp dây n  đƣợc xác định đồ thị theo tb hình 5.49 Với  tb xác định đƣợc hệ số chiều dài tính tốn nhịp là: j   tb Bj (2.126) Trong đó: Bj  u uj uj (    j ) n u1 u un uj  lj Nj EJ j Chiều dài tính toán nhịp trụ là: loj =  jl j (2.127) (2.128) (2.129) Cần lƣu ý với thân trụ dàn khơng gian độ cứng EJj, EJtb công thức phải xét tới biến dạng trƣợt tiết diện thân trụ (biến dạng hệ bụng) Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 100 Có loj tính đƣợc độ mảnh  j hệ số uốn dọc  j từ kiểm tra đƣợc ổn định trụ theo cơng thức sau: j  Nj  jA j  R (2.130) cho nhịp theo phƣơng vng góc với mặt phẳng uốn * Kiểm tra điều kiện chuyển vị trụ Chuyển vị ngang trụ nút liên kết dây neo vào thân phải bảo đảm yêu cầu sử dụng cơng trình theo điều kiện: yj  y  (2.131)  H  H  j Hj - cao độ nút liên kết dây neo vào thân lớp dây neo thứ j; y  H  - tỷ số giới hạn chuyển vị ngang chiều cao, tỷ số giới hạn đƣợc cho tiêu chuẩn kỹ thuật rieengtheo chức cơng trình, cơng trình khơng y có yêu cầu riêng tỷ số giới hạn lấy   theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép H TCVN 5575 - 1991 Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 101 CHƢƠNG Kheo tiêu chuẩn thiết kế kế I Các khái niệm kết cấu thép ứng suất trước Bác khái niệm quc khái niệm bả uc khái niệm c Ý tƣởng phƣơng pháp ứng suất trƣớc tạo nên kết cấu ứng suất ngƣợc dấu với ứng suất tải trọng tính tốn gây để nhằm mục đích: - Tăng khả chịu lực kết cấu, tức giảm chi phí vật liệu nhƣng bảo đảm khả chịu lực yêu cầu - giảm biến dạng cuối kết cấu Ví dụ, xét chịu lực kéo dọc trục có tiết diện tổ hợp từ hai thép [ (h.3.1a) Thanh chịu nén trƣớc dây căng thép cƣờng độ cao, dây đặt trọng tâm tiết diện Nếu khơng có ứng suất đƣợc, đƣờng biểu diễn quan hệ lực kéo P ứng suất đƣờng OK (h.3.1b) Khi ứng suất đạt đến cƣờng độ tính tốn vật liệu R1 khả chịu lực P1 Hình 3.1 Sơ đồ làm việc tổ hợp chịu kéo ứng suất trƣớc Nếu có ứng suất nén trƣớc 01 , chịu kéo ứng suất kéo tải trọng gây phải triệt tiêu ứng suất nén ban đầu 01 sau đổi dấu Đƣờng quan hệ P -  đƣờng O1K1 dây căng Khi ứng suất đạt đến cƣờng độ tính tốn R1, khả chịu lực P2 Tính khả chịu lực hai trƣờng hợp: - Khi không ứng suất trƣớc: P1 = A1R1 - Ki có ứng suất trƣớc: P2 = A1(R1 + 01 ); A1- diện tích tiết diện Nhƣ ứng suất trƣớc làm tăng khả chịu lực (P2 >P1) Nếu đồng thời ứng suất dây căng đạt đến cƣờng độ tính tốn vật liệu R2 giới hạn bên là: P2 = A1R1 + A2R2 = A1R1 )1 +  ), A2- diện tích tiết diện dây căng: Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 102  A2 R ;  A1 R1 Lƣợng (1 +  ) hệ số tăng khả chịu lực kết cấu ứng suát trƣớc so với kết cấu không ứng suất trƣớc Thông thƣờng thép cƣờng độ cao có độ bền lớn thép thƣờng (ví dụ CT3) từ - lần (    ) tăng khả chịu lực kết cấu ứng suất trƣớc đáng kể Mặt khác, giá thành thép cƣờng độ cao lớn 2,5 - lần so với thép thƣờng,do phải thêm chi phí phụ (dây căng, neo…) tổng giá thành kết cấu ứng suất trƣớc thấp so với kết cấu thƣờng Về mặt biến dạng tạo ứng suất trƣớc 01 , có biến dạng ngƣợc  o (h.3.2) Khi chịu tải trọng biến dạng phải triệt tiêu biến dạng ban đầu  o sau xuất biến dạng theo hƣớng tải trọng gây Đƣờng quan hệ P -  không ứng suất trƣớc OK, ứng suất trƣớc O1K1 Ứng suất trƣớc không làm tăng độ cứng nhƣng hiệu giống nhƣ tạo độ vồng xây dựng Nếu hạn chế biến dạng cuối    khả chịu lực ứng suất trƣớc tăng lên (P2 > P1), dừng lại khả chịu lực P1 biến dạng nhỏ Ứng suất trƣớc dây căng kết cấu trụ (h.3.3) tỏng ví dụ rõ ràng hiệu làm tăng độ cứng ổn định kết cấu Các dây căng tạo nên gối tựa đàn hồi làm giảm nhịp tính tốn, tăng khả ổn định thân giảm chuyển vị ngang Hình 3.2 Sơ đồ tăng khả chịu lực tính theo biến dạng Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt Hình 3.3 Sơ đồ trụ có dây neo ứng suất trước 103 Hình 3.4 Tăng khả chịu tải ứng suất trước nhiều cấp Hiệu ứng suất trƣớc tăng lên dung cách gây ứng suất trƣớc nhiều cấp (h.3.4) Theo phƣơng pháp này, đầu gây ứng suất trƣớc 01 thanh, chất tải P cho ứng suất đạt gần đến cƣờng độ tính tốn R1 vật liệu Gây ứng suất trƣớc 02 lại chất tải P … Sau số lần gây ứng suất trƣớc - chất tải,ta có khả chịu lực P2 = P i  P1 Tuy nhiên, phƣơng pháp dung tải trọng q trình sử dụng khơng đổi Nếu tải trọng khơng cịn ứng suất trƣớc tổng giá trị giai đoạn bị phá hoại  oi Các phƣơng pháp tạác phƣơng pháp t a Dùng dây (thanh) căng thép cƣờng độ cao để gây ứng suất trƣớc kết cấu Nội dung phƣơng pháp trình bày ví dụ tổ hợp ứng suất trƣớc phần Bản chất lƣợng dây căng trƣớc đƣợc tích lũy cứng (thanh đƣợc ứng suất trƣớc) gây nên ứng suất ngƣợc dấu với ứng suất tải trọng gây Khi chịu tải, dây căng làm việc Mới đầu, ứng suất cứng tải trọng gây phải triệt tiêu ứng suất trƣớc sau tăng đến giá trị giới hạn Việc căng tham gia làm việc làm thay đổi sơ đồ tính kết cấu, tăng số bậc siêu tĩnh Phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến dạng kết cấu khác nhau: dầm, dàn, khung… b Điều chỉnh nội lực kết cấu chuyển vị gối tựa Trong kết cấu siêu tĩnh nhƣ: dầm, dàn, khung, vòm… cách gây chuyển vị cƣỡng gối tựa tạo nên ứng suất trƣớc nhằm điều chỉnh hợp lý nội lực kết cấu Ví dụ dầm siêu tĩnh hai nhịp có tiết diện khơng đổi (h.3.5a) cho gối chuyển vị cƣỡng xuống dƣới tạo nên mômen uốn dƣơng ban đầu (h.3.5c).Khi chịu tải trọng mô men âm gối giảm xuống, mômen dƣơng nhịp tăng lên, kết giá trị tuyệt đối Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 104 mômen gối nhịp Ngƣợc lại muốn làm tăng mômen gối, giảm mômen nhịp cho gối tựa chuyển vị cƣỡng lên (h.3.5b) Hình 3.5 Điều chỉnh mơmen dầm liên tục chuyển vị gối tựa 1-Biểu đồ mômen tải trọng khơng có ứng suất trƣớc; 2- Biểu đồ mômen tải trọng gối chuyển vị cƣỡng xuống dƣới; 3- Biểu đồ mômen tải trọng gối chuyển vị cƣỡng lên c Gây ứng suất kéo trước cấu kiện mảnh để tạo độ cứng cho chúng Các cấu kiện mảnh nhƣ cáp, thép tấm, bó sợi, thép thƣờng chịu đƣợc lực kéo, khơng có khả chịu nén Tuy nhiên cho chúng chịu kéo trƣớc cấu kiện chịu đƣợc lực nén giới hạn làm triệt tiêu lực kéo ban đầu.Ví dụ loại dàn có xiên chữ thập mảnh (dàn giằng, dàn tháp…), dƣới tác dụng lực P1 (h.3.6a) xiên mảnh chịu nén bị loại khỏi làm việc hệ (do ổn định) Mô đun biến dạng E1 dàn làm việc xiên chịu kéo tạo nên (h.3.6c) Khi thay xiên (hoặc dây cáp) kéo trƣớc với lực kéo có giá trị tuyệt đối đủ lớn so với lực nén tải trọng gây ra, chịu tải xiên chịu kéo nén làm việc Trong xiên chịu nén, ứng suất trƣớc o giảm dần Nội lực xiên giảm hai lần (h.3.6b), ngƣợc lại, mô đun biến dạng dàn tăng lên E2 > E1, tức độ cứng kết cấu tăng lên Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 105 Hình 3.6 Tăng độ cứng khả chịu lực kết cấu với biến dạng giới hạn cho trước Ý tƣởng đƣợc dùng rộng rãi kết cấu thép nhằm tăng độ cứng cho kết cấu, kết cấu treo d Tạo ứng suất trướ cách gây biến dạng đàn hồi phận kết cấu Xét lợp (pamen) ba lớp (h.3.7), thép cánh dƣới đƣợc hàn vào thép góc bẻ cong sẵn (h.3.7a) Dùng lực ép thẳng thép góc hàn chúng lại (h.3.7b) trạng thái ứng suất Sau bỏ lực, ứng suất trƣớ lại kết cấu, kết cánh chịu kéo khung thép chịu nén Khi chịu uốn tải trọng cánh có khả chịu nén Bằng cách tạo dầm thép tổ hợp ứng suất trƣớc (xem phần 3.4) Hình 3.7 Tạo ứng suất trước cách uốn đàn hồi phân tố II.Vật liệu, cấu tạo dây (thanh) căng phận neo 1.Vật liệu cấu tạo dây (thanh) căng Trong kết cấu ứng suất trƣớc, dây căng đƣợc làm thép cƣờng độ cao dạng cáp thép bện, bó sợi thép đặc a Cáp thép Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 106 Cáp thép đƣợc bện từ sợi thép cƣờng độ cao có đƣờng kính 0,4 - 6mm Để đề phòng ăn mòn, ngành xây dựng dùng cáp có đƣờng kính sợi khơng nhỏ 1,5mm rong xây dựng cầu - không nhỏ 2,5mm Các sợi thép để sáng hay mạ kẽm Cƣờng độ tức thời sợi  b đạt tới 1800 MPa Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Việt Nam (TCVN 5575 - 1991) cƣờng độ tính tốn cáp R = 0,63  b Trƣớc cho chịu lực,cáp phải đƣợc kéo trƣớc với lực lớn 15 - 20% so với lực kéo tính tốn, mơ đun đàn hồi cáp đạt tới (10  13).104 MPa Lực kéo đứt dây theo tiêu chuẩn cụ thể cho loại cáp, ó thể đạt tới 4500 kN Về mặt cấu tạo tùy theo cách bện đƣờng kính sợi mà chia ra: - Cáp bẩy bó từ sợi có đƣờng kính nhƣ (h.3.8a) - Cáp bẩy bó từ sợi có đƣờng kính nhƣ (h.3.8b) khác (h.3.8c) Hình 3.8 Các loại cáp a)cáp bó sợi; b) cáp bẩy bó, sợi có đƣờng kính nhƣ nhau; c)cáp bẩy bó loại sợi có đƣờng kính khác nhau; d)cáp bọc lị xo - Cáp bọc, lớp lớp sợi thép đan dạng lị xo, lớp sợi hình nêm, sợi chịu lực (h.3.8d) b Dây căng bó sợi cường độ cao Dây gồm sợi thép có cƣờng độ cao có đƣờng kính - 8mm (thƣờng dùng dây 35mm) Tùy theo đƣờng kính sợi mà cƣờng độ tức thời sợi khác (xem bảng 3.1) Các sợi thép đƣợc bố trí song song, tạo thành tiết diện hình ống Bảng 3.1 Cường độ tức thời sợi thép Đƣờng kính sợi Cƣờng độ tức thời  b (MPa) 1900 1800 1700 1600 1500 1400 c Thanh căng thép tròn, đặc Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 107 Thanh căng thƣờng làm thép gia công nhiệt, phổ biến loại ATV (  b = 1000 MPa) ATVI (  b = 1200 MPa) có đƣờng kính 10 - 40mm Loại rẻ, có cấu tạo đơn giản để bảo vệ chống ăn mòn Tuy nhiên chiều dài hạn chế (  15m ) nên phải hàn, làm giảm cục độ bền thép Bộ phận neo Neo dùng để giữ dây căng, liên kết dây căng với để bảo đảm truyền lực chúng Tùy theo loại dây căng, độ lớn lực dây căng mà dùng loại neo khác Trong lĩnh vực xây dựng chủ yếu dùng loại neo sau: a Neo cốc Neo cốc hình trụ thép, có lõi rỗng hình nón (h.3.9), dùng để neo cáp Các sợi cáp đƣợc vào cốc, tõe sau tổ hợp kim nhẹ, lỏng vào cốc, hợp kim nguội đi, cứng lại, giữ chặt đầu dây Kích đƣợc cặp vào ren mặt ngồi cốc để kéo, sau vặn ốc tựa cho tì sát kết cấu để truyền lực căng Hình 3.9 Neo cốc dùng cho cáp a) Kích thƣớc cốc; b) hình dạng neo; 1- cốc; 2- ốc tựa (gối); 3-cáp; Neo cốc có độ tin cậy cao làm việc, nhƣng phải đổ hợp kim nhẹ vào cốc nên chế tạo phức tạp b Neo chêm Với bó sợi cƣờng độ cao dùng neo chêm vỏ trụ thép, có lỗ hình nón có rãnh (Hình 3.10) Khi căng, sợi thép đƣợc đặt vào rãnh, đặt chêm vào vỏ neo, dùng kích hai chiều kéo dây ép chêm để kẹp chặt sợi thép Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 108 Hình 3.11 Neo căng thép trịn đặc 1-thanh căng; 2-đoạn thép trịn có ren; 3-êcu; 4-tấm gối; 5- kết cấu Hình 3.10 Neo chêm dùng cho bó sợi cƣờng độ cao a)vỏ neo; b) chêm c Neo đai ốc (êcu) Dùng cho căng thép trịn đặc (Hình 3.11) Phần đầu có ren để vặn êcu Để tránh giảm yếu cho căng ren (khoảng 30 – 35% diện tích thanh), đƣợc hàn với đoạn thép trịn có đƣờng kính d1>d, ren đƣợc olafm đoạn thép tròn d Neo thép ống dập Loại dùng cho thép có gai đƣờng kính 16 mm cáp bẩy bó đƣờng kính 15 mm (Hình 3.12) Đối với thép gai gỏi thép neo có đƣờng kính ngồi chiều dài 40 mm, lực dập 400 -420 kN/cm chiều dài Với cáp bẩy bó, thỏi thép neo có đƣờng kính 40 mm, chiều dài 60 mm Loại neo giá thành rẻ thi công nhanh, thép căng đốt nóng điện Hình 3.12 Neo thép ống dập a)đối với thép thanh; b)đối với cáp bẩy bó Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt 109 ... phận neo 108 Bài giảng Kết cấu Thép đặc biệt CHƢƠNG KẾT CẤU THÉP BẢN I Đại cương kết cấu thép Phạm vi dùng, phân loại Kết cấu thép kết cấu đƣợc làm từ thép, dùng để chứa, vận chuyển gia... lực nhƣ kết cấu thông thƣờng khác, kết cấu thép cịn cần phải kín, có tính chống thấm chủ yếu dùng liên kết hàn Tổng đƣờng hàn kết cấu thép lớn 2-3 lần so với kết cấu thép khác - Kết cấu thép thƣờng... mỏ,? ?Kết cấu thép đặc biệt dùng cơng nghiệp hóa dầu, luyện kim…nhƣ lị cao, lị đốt nóng khơng khí, lị hút bụi, ống khói,… Đặc điểm làm việc cấu tạo kết cấu thép - Điều kiện làm việc kết cấu thép