Khoảng cỏch bulụng và khoảng cỏch tới mộp

Chươn g2 LIấN KẾT TRONG KẾT CẤU

2.1.3 Khoảng cỏch bulụng và khoảng cỏch tới mộp

Việc quy định khoảng cỏch nhỏ nhất, khoảng cỏch lớn nhất giữa cỏc bu lụng cũn g như từ bu lụng tới mộp cấu kiện nhằm những mục đớch khỏc nhau.

Khoảng cỏch nhỏ nhất giữa cỏc bu lụng đ ược quy định nhằm đảm bảo khoảng cỏch trống giữa cỏc đai ốc và khụng gian cần thiết cho thi cụng (xiết bu lụng). Khoảng cỏch

nhỏ nhất từ bu lụng tới mộp cấu kiện được quy định nhằm mục đớch chống xộ rỏch thộp cơ bản.

Khoảng cỏch lớn nhất giữa cỏc bu lụng cũng nh ư từ bu lụng tới mộp cấu kiện đ ược quy định nhằm đảm bảo mối nối chặt chẽ, chống ẩm và chống lọt bụi cũng như chống cong vờnh cho thộp cơ bản.

Cỏc yờu cầu cơ bản về khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp theo Tiờu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 được túm tắt như sau:

Khoảng cỏch từ tim tới tim của cỏc bu lụng (theo mọi ph ương) khụng được nhỏ hơn 3d, với d là đường kớnh của bu lụng.

Khoảng cỏchnhỏ nhất từ tim lỗ tới mộp cấu kiện (theo mọi ph ương), là hàm của kớch thước bu lụng và dạng gia cụng mộp, được chotrong bảng 2.2. Khoảng cỏch từ tim lỗ tới mộp thanh (theo mọi phương), núi chung, khụng đư ợc lớn hơn 8 lần chiều dày của thanh nối mỏng nhất và khụng được lớn hơn 125 mm.

Khoảng cỏch giữa cỏc bu lụng và khoảng cỏch từ bu lụng tới mộp, ký hiệu t ương ứng

là s và Le, được minh hoạtrờn hỡnh 2.8.

Cỏc điều khoản đầy đủ và chi tiết về khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp cú thể được tham khảotrong Tài liệu [2], mục 6.13.2.6.

Bảng 2.3 Khoảng cỏch đến mộp thanh tối thiểu (mm)

Đường kớnh bu lụng (mm) Cỏc mộp cắt Cỏc mộp tấm, bản hay thộp hỡnhđược

cỏn hoặc cỏc mộp được cắt bằng khớ đốt 16 28 22 20 34 26 22 38 28 24 42 30 27 48 34 30 52 38 36 64 46

2.2 Liờn kết bu lụng chịu cắt: cỏc tr ường hợp phỏ hoại

Trước khi xem xột cường độ cỏc cấp đặc trưng của bu lụng, chỳng ta cần nghiờn cứu cỏc trường hợp phỏ hoại khỏc nhau cú thể xảy ra trong liờn kết bằng bu lụng chịu cắt. Cú hai dạng phỏ hoại chủ yếu: phỏ hoại của bu lụng và phỏ hoại của bộ phận được liờn kết. Xột mối nối được biểu diễn trong hỡnh 2.3a. Sự phỏ hoại của bu lụng cú thể đ ược giả thiết xảy ra như trong hỡnh vẽ. Ứng suất cắt trung bỡnh trong trường hợp này sẽ là

2/ 4 v P P f A d  

trong đú,P là lực tỏc dụng lờn một bu lụng, A là diện tớch mặt cắt ngang của bu lụng và d

là đường kớnh của nú. Lực tỏc dụng cú thể đ ược viết là

v

P f A

Mặc dự lực tỏc dụng trong trường hợp này khụng hoàn toàn đỳng tõm nhưng đ ộ lệch tõm là nhỏ và cú thể được bỏ qua. Liờn kết trong hỡnh 2.4b là tương tự nhưng sự phõn tớch cõn bằng lực ở cỏc phần của thõn bu lụng cho thấy rằng, mỗi diện tớch mặt cắt ngang chịu một nửa của tải trọng toàn phần, hay, hoàn toàn tương đương, cú hai m ặt cắt ngang tham gia chịu tải trọng toàn phần. Trong trường hợp này, tải trọng là P2f Av và đõy là trường hợp cắt kộp (cắt hai mặt). Liờn kết bu lụng trong hỡnh 2.3a chỉ với một mặt chịu cắt đ ược gọi là liờn kết chịu cắt đơn (cắt một mặt). Sự tăng hơn nữa bề dày vật liệu tại liờn kết cú thể làm tăng số mặt phẳng cắt và làm giảm hơn nữa lực tỏc dụng trờn mỗi mặt cắt. Tuy nhiờn, điều này sẽ làm tăng chiều dài của bu lụng và khiến cho nú cú thể phải chịu uốn.

Hỡnh 2.3 Cỏc trường hợp phỏ hoại cắt bu lụng

Cỏc tỡnh huống phỏ hoại khỏc trong liờn kết chịu cắt bao gồm sự phỏ hoại của cỏc bộ phận được liờn kết và được chia thành hai trường hợp chớnh.

1. Sự phỏ hoại do kộo, cắt hoặc uốn lớn trong cỏc bộ phận đ ược liờn kết. Nếu một cấu kiện chịu kộo được liờn kết, lực kộo trờn cả mặt cắt ngang nguyờn và mặt cắt ngang hữu hiệu đều phải được kiểm tra. Tuỳ theo cấu tạo của liờn kết và lực tỏc dụng, cũng cú thể phải phõn tớch về cắt, kộo, uốn hay cắt khối. Việc thiết kế liờn kết của một cấu kiện chịu kộo th ường được tiến hành song song với việc thiết kế chớnh cấu kiện đú vỡ hai quỏ trỡnh phụ thuộc lẫn nhau.

2. Sự phỏ hoại của bộ phận đ ược liờn kết do sự ộp mặt gõy ra bởi thõn bu lụng. Nếu lỗ bu lụng rộng hơn một chỳt so với thõn bu lụng v à bu lụng được giả thiết là nằm lỏng lẻo trong lỗ thỡ khi chịu tải, sự tiếp xỳc giữa bu lụng và bộ phận được liờn kết sẽ xảy ra trờn khoảng một nửa chu vi của bu lụng (hỡnh 2.4). Ứng suất sẽ biến thiờn từ giỏ trị lớn nhất tại A đến bằng khụng tại B; để đ ơn giản hoỏ, một ứng suất trung bỡnh,được tớnh bằng lực tỏc dụng chia cho diện tớch tiếp xỳc, đ ược sử dụng.

Do vậy, ứng suất ộp mặt sẽ đ ược tớnh là fpP dt/( ),với P là lực tỏc dụng lờn bu lụng, d là đường kớnh bu lụng và t là bề dày của bộ phận bị ộp mặt. Lực ộp mặt, từ đú, là P f dtp .

Hỡnh 2.4 Sự ộp mặt của bu lụng lờn thộp cơ bản

Hỡnh 2.5 ẫp mặt ở bu lụng gần đầu cấu kiện hoặc gần một bu lụng khỏc

Vấn đề ộp mặt cú thể phức tạp h ơn khi cú mặt một bu lụng gần đú hoặc khi ở gần mộp đầu cấu kiện theo phương chịu lực như được miờu tả trờn hỡnh 2.5. Khoảng cỏch giữa cỏc bu lụng và từ bu lụng tới mộp sẽ cú ảnh h ưởng đến cường độ chịu ộp mặt.

2.3 Cường độ chịu ộp mặt

Cường độ chịu ộp mặt khụng phụ thuộc vào loại bu lụng vỡứng suất được xem xột là trờn bộ phận được liờn kết chứ khụng phải trờn bu lụng. Do vậy, cường độ chịu ộp mặt cũng như cỏc yờu cầu về khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp đầu cấu kiện, là những đại lượng khụng phụ thuộc vào loại bu lụng, sẽ được xem xột trước khi bàn về cường độ chịu cắt và chịu kộo của bu lụng.

Cỏc quy định của Tiờu chuẩn AISC về cường độ chịu ộp mặt cũng nh ư tất cả cỏc yờu cầu đối với bu lụng c ường độ cao cú cơ sở là cỏc quy định của tiờu chuẩn RCSC, 2000 (Hội đồng nghiờn cứu về liờn kết trong kết cấu). Phần trỡnh bày sau đõy giải thớch cơ sở của cỏc cụng thức cho cường độ chịu ộp mặt trong Tiờu chuẩn AISC cũng như AASHTO LRFD.

Một trường hợp phỏ hoại cú thể xảy ra do ộp mặt lớn là sự xộ rỏch tại đầu một cấu kiện được liờn kết như được minh hoạ trờn hỡnh 2.6a. Nếu bề mặt phỏ hoại được lý tưởng hoỏ như biểu diễn trờn hỡnh 2.6b thỡ tải trọng phỏ hoại trờn một trong hai mặt sẽ bằng ứng suất phỏ hoại cắt nhõn với diện tớch chịu cắt, hay

0, 6 2 n u c R F L t  Trong đú

0,6Fu ứng suất phỏ hoại cắt của cấu kiện đ ược liờn kết

Lc khoảng cỏch từ mộp lỗ tới mộp cấu kiện đ ược liờn kết

t chiều dày của cấu kiện được liờn kết Cường độ tổng cộng là

2(0,6 ) 1,2

n u c u c

R  F L t  F L t (2.1)

Hỡnh 2.6 Sự xộ rỏch tại đầu cấu kiện

Sự xộ rỏch này cú thể xảy ra tại mộp của một cấu kiện được liờn kết, như trong hỡnh vẽ, hoặc giữa hai lỗ theo phương chịu lực ộp mặt. Để ngăn ngừa biến dạng quỏ lớn của lỗ, một giới hạn trờn được đặt ra đối với lực ộp mặt đ ược cho bởi cụng thức 2.1. Giới hạn trờn này là tỷ lệ thuận với tớch sốcủa diện tớch chịu ộp mặt vàứng suất phỏ hoại, hay

diện tích ép mặt n u u R  C F CdtF (2.2) Trong đú C hằng số D đường kớnh bu lụng

Tiờu chuẩn AISC sử dụng cụng thức 2.1 cho c ường độ chịu ộp mặt với giới hạn tr ờn được cho bởi cụng thức 2.2. Nếu cú biến dạng lớn, m à điều này thường xảy ra, thỡ C được lấy bằng 2,4. Giỏ trị này tương ứng với độ gión dài của lỗ bằng khoảng ẳ inch. Như vậy

1,2 2, 4

n u c u

R  F L t dtF

Theo Tiờu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (cũng như AASHTO LRFD), cường độ chịu ộp mặt của liờn kết bu lụng, về bản chất, đ ược xỏc định trờn cơ sở phõn tớch trờn. Tuy nhiờn, quy định về cỏc trường hợp của sức khỏng ộp mặt danh định thể hiện khỏc biệt về hỡnh thức, cụ thể như sau:

Đối với cỏc lỗ chuẩn, lỗ quỏ cỡ, lỗ ụ van ngắn chịu tỏc dụng lực theo mọi ph ương và lỗ ụ van dài song song với phương lực tỏc dụng:

 Khi khoảng cỏch tĩnh giữa cỏc lỗ bu lụng khụng nhỏ h ơn 2d và khoảng cỏch tĩnh đến đầu thanh khụng nhỏ h ơn 2 d:

Rn = 2,4.d.t.Fu (2.3)

 Khi khoảng cỏch tĩnh giữa cỏc lỗ bu lụng nhỏ h ơn 2 d hoặc khoảng cỏch tĩnh đến đầu thanh nhỏ hơn 2 d:

Rn = 1,2.Lc.t.Fu (2.4)

Đối với cỏc lỗ ụ van dài vuụng gúc với phương lực tỏc dụng:

 Khi khoảng cỏch tĩnh giữa cỏc lỗ bu lụng khụng nhỏ h ơn 2 d và khoảng cỏch tĩnh đến đầu thanh khụng nhỏ h ơn 2 d:

Rn = 2,0.d.t.Fu (2.5)

 Khi khoảng cỏch tĩnh giữa cỏc lỗ bu lụng nhỏ h ơn 2 d hoặc khoảng cỏch tĩnh đến đầu thanh nhỏ hơn 2d:

Rn = Lc.t.Fu (2.6)

trong đú,

Lc khoảng cỏch trống, theo phương song song với lực tỏc dụng, từ mộp của lỗ bu lụng tới mộp của lỗ gần kề hoặc tới mộp của cấu kiện

t chiều dày cấu kiện được liờn kết

d đường kớnh bu lụng

Fu ứng suất kộo giới hạn của cấu kiện đ ược liờn kết (khụng phải của bu lụng)

Trong tài liệunày, biến dạng được xem xột là trờn gúc độ thiết kế. Cường độ chịu ộp mặt tớnh toỏn của một bu lụng đơn, do vậy, cú thể được tớnh bằng Rn, với  là hệ số sức khỏng đối với ộp mặt của bu lụng l ờn thộp cơ bản

0,75

  theo AISC

0,80

  theo AASHTO LRFD (1998) trong đú,

Lc khoảng cỏch trống, theo ph ương song song với lực tỏc dụng, từ mộp của lỗ bu lụng tới mộp của lỗ gần kề hoặc tới mộp của cấu kiện

t chiều dày cấu kiện được liờn kết

Fu ứng suất kộo giới hạn của cấu kiện đ ược liờn kết (khụng phải của bu lụng)

Hỡnh 2.7

Hỡnh 2.7 miờu tả khoảng cỏchLc. Khi tớnh toỏn cường độ ộp mặt cho một bu lụng, sử dụng khoảng cỏch từ bu lụng n ày đến bu lụng liền kề hoặc đến mộp the o phương lực tỏc dụng vào cấu kiện liờn kết. Đối với trường hợp trong hỡnh vẽ, lực ộp mặt sẽ tỏc dụng trờn phần bờn trỏi của mỗi lỗ. Do vậy, cường độ cho bu lụng 1 đ ược tớnh vớiLc bằng khoảng cỏch giữa hai mộp lỗ và cường độ cho bu lụng 2 đ ược tớnh với Lc bằng khoảng cỏch tới mộp cấu kiện được liờn kết.

Cho cỏc bu lụng gần mộp, dựng Lc Leh/ 2. Cho cỏc bu lụng khỏc, dựng

c

L  s h, trong đú

Le khoảng cỏch từ tõm lỗ tới mộp

s khoảng cỏch tim đến tim của lỗ

h đường kớnh lỗ

Khi tớnh khoảng cỏch Lc, cần sử dụng đường kớnh lỗ thực tế (tức là rộng hơn 1/16 inch so với đường kớnh thõn bu lụng, theo AISC)

1 in. 16

h d 

hay đơn giản

2 mm

h d 

Khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp

Yờu cầu về khoảng cỏch tối thiểu giữa cỏc bu lụng và từ bu lụng tới mộp cú li ờn quan đến xộ rỏch thộp cơ bản đó được trỡnh bày trong mục 2.1.3. Khoảng cỏch giữa cỏc bu lụng và khoảng cỏch từ bu lụng tới mộp, ký hiệu t ương ứng là s và Le, được minh hoạ trờn hỡnh 2.8.

Hỡnh 2.8 Định nghĩa cỏc khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp

VÍ DỤ2.1

Kiểm tra cường độ chịu ộp mặt, khoảng cỏch giữa cỏc bu lụng và khoảng cỏch tới mộp đối với liờn kết được cho trong hỡnh 2.9. Sử dụng bu lụng ASTM A307, đ ường kớnh 20 mm, thộp kết cấu M270 cấp 250,mộp cấu kiện dạng cỏn. Lực kộo cú hệ số bằng 300 kN.

Hỡnh 2.9 Hỡnh cho vớ dụ 2.1

Lời giải

Thộp kết cấu M270 cấp 250 cú c ường độ chịu kộo Fu = 400 MPa

Kiểm tra cỏc khoảng cỏch

Khoảng cỏch thực tế giữa cỏc bu lụng = 65 mm > 3d = 60 mm (khoảng cỏch nhỏ nhất)

Khoảng cỏch thực tế tới mộp = 30 mm > 26 mm (khoảng cỏch nhỏ nhất, bảng 2.2)

Đường kớnh lỗ bu lụng để tớnh ộp mặt

h = d + 2 mm = 22 mm

Kiểm tra ộp mặt cả trờn thanh kộo và trờn bản nỳt