1.1. Cấu tạo
Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và các thép hình.Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầm được gọi là dầm tổ hợp hàn, tương tự như vậy nếu dùng liên kết bằng đinh tán hay bu lông thì dầm gọi là dầm tổ hợp đinh tán hay bu lông
Dầm tổ hợp hàn gồm 3 bản thép, 2 bản đặt nằm ngang gọi là 2 cánh dầm, bản đặt thẳng đứng gọi là bụng dầm.
Dầm tổ hợp đinh tán hoặc bulông còng gồm 1 bản thép đặt đứng làm bụng dầm, còn mỗi cánh dầm còn 2 thép góc (thép chữ L) gọi là 2 thép góc cánh dầm và có thể có thêm 1 đến 2 bản thép được đặt nằm ngang gọi là bản phủ cánh dầm.
Hình 6.1. Cấu tạo dầm
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 65
So với dầm đinh tán, tổ hợp đinh tán thiết kế dầm tổ hợp gồm: Chọn tiết diện dầm, kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền, độ cứng, độ ổn định tổng thể, cấu tạo và tính toán chi tiết của dầm như liên kết cánh với bụng,…cụ thể như sau:
+ Chọn tiết diện dầm
+ Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài, dày
+ Kiểm tra độ bền, độ võng, độ ổn định của dầm tổ hợp + Ổn định tổng thể của dầm thép
Ngoài cách tính cổ điển trên ngày nay người ta còn sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Midas.Kinh nghiệm thiết kế cho thấy khi nhịp và tải trọng lớn (l > 12m, q > 2000 daN/m) nếu dùng dầm tổ hợp thì hoặc là không đủ bền hoặc là độ cứng không đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể, nếu đủ thì kết cấu sẽ nặng nề và tốn thép. Trong trường hợp này dung dầm tổ hợp sẽ kinh tế hơn. Do đó phạm vi áp dụng của dầm tổ hợp sẽ rộng rãi hơn.
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 66
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 67
Hình 6.4.
Trong nhà có cầu trục treo, dầm cầu chạy bằng thép dạng chữ I, vừa là kết cấu chịu lực, vừa là ray. Dầm được treo vào kết cấu mang lực mái. Nhịp của dầm treo là 6; 12m có khi đến 24m. Vị trí neo dầm cầu chạy vào kết cấu mang lực mái dạng giàn mái thường đặt tại vị trí mắt giàn.
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 68
Hình 6.5. Liên kết dầm cẩu chạy bằng thép vào kết cấu mang lực mái bằng bê tông cốt thép;
a) Dầm hình
Dầm hình là những dầm làm từ thép hình, có rất nhiều hình dạng khác nhau, thông thường có thép hình chữ I hoặc chữ U
Dầm hình được cỏn hoặc dập ngay trong nhà máy, chế tạo đơn giản nhưng kích thước tiết diện thường không lớn lắm.
Vì dầm thép chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có momen chống uốn đối vì trục x-x (xem hình vẽ) khổ lớn nên rất hợp lý vì những dầm chịu uốn phẳng như dầm sàn nhà,dầm sàn công tỏc, dầm cầu,…
Dầm chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng thì có thờm hiện tượng xoắn do đó không phải là cấu kiện hợp lý khi chịu uốn, nhưng do do thép hình chữ U có cánh rộng (chịu uốn xiên tốt) và có mặt ngoài phẳng (dễ liên kết vì các cấu kiện khác) nên thường được dùng làm xà gồ mỏi nhà, dầm tường, dầm sàn khi nhịp và tải trọng bộ.
Thiết kế dầm hình bao gồm các vấn đề sau: + Chọn tiết diện dầm hình :
+ Kiểm tra tiết diện dầm đó chọn về độ bền + Kiểm tra tiết diện dầm về độ cứng
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 69
Hình 6.6. Các loại dầm hình
b) Dầm tổ hợp
Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các thép hình. Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầm được gọi là dầm tổ hợp hàn, tương tự như vậy nếu dùng liên kết bằng đinh tán hay bu lông thì dầm gọi là dầm tổ hợp đinh tán hay bu lông
Dầm tổ hợp hàn gồm 3 bản thép, 2 bản đặt nằm ngang gọi là 2 cánh dầm, bản đặt thẳng đứng gọi là bụng dầm.
Dầm tổ hợp đinh tán hoặc bulông còng gồm 1 bản thép đặt đứng làm bụng dầm, còn mỗi cánh dầm còn 2 thép gỳc( thép chữ L) gọi là 2 thépgóccánh dầm và có thể có thờm 1 đến 2 bản thép được đặt nằm ngang gọi là bản phủ cánh dầm.
So vì dầm đinh tán, tổ hợp đinh tán thiết kế dầm tổ hợp gồm: Chọn tiết diện dầm, kiểm tra tiết diện dầm đó chọn về độ bền, độ cứng, độ ổn định tổng thể, cấu tạo và tính toán chi tiết của dầm như liên kết cánh và bụng,…có thể như sau:
+ Chọn tiết diện dầm
+ Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài, dày
+ Kiểm tra độ bền, độ vừng, độ ổn định của dầm tổ hợp + Ổn định tổng thể của dầm thép
Hình 6.7. Dầm tổ hợp
c) Dầm kiểu dàn nhẹ :
Trường hợp dầm sàn cần vượt các nhịp dài hơn, chẳng hạn khi cần ''trốn cột'' đỡ dưới, để tạo không gian lớn. Như vậy, dầm không những có nhịp khỏ dài mà còn phải
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 70
chịu các lực tập trung của những cột tầng trên. Phương thức tốt nhất là sử dụng dàn thép nhẹ hoặc dầm bê tông ứng lực trước .
Để giảm gớa thành, dầm thép được thiết kế vì các thanh cánh có tiết diện chữ T và thanh bụng là các cặp thép góc hàn chồng trực tiếp lờn bụng thanh cánh, không cần sử dụng bản mả. Đường ống kỹ thuật có thể dễ dàng bố trí xuyên qua những khoang rỗng của dàn nhẹ. Nếu cần có những khoang rộng hơn, có thể bố trí thay thế một hai khoang tam giác bằng một khoang panen chữ nhật (kiểu Vierendeel) ở khoảng giữa nhịp dàn. Chiều cao của dàn thép thường khỏ lớn, nên các đường ống kỹ thuật phục vụ chỉ được lắp đặt trong phạm vi chiều cao dàn. Trần treo còng bố trí trực tiếp ngay mép dưới của dạ dàn thép.
Các dàn thép thường đặt cách nhau tương đối dày, vì chiều dài nhịp kinh tế khoảng trên 9m. Để đảm bảo tớnh kinh tế, không nên dùng nhiều loại dàn thép khác nhau trong các sàn tầng, vì cùng một kích cỡ dàn nếu sản suất hàng loạt trong xưởng kết cấu thép mới bảo đảm sử dụng vật liệu, thiết bị máy móc và nhân công một cách hiệu quả hơn. Các thanh bụng trong dàn nhẹ chủ yếu là những thanh chữo, cấu tạo thành dàn tam giác. Những thanh đứng chỉ sử dụng khi độ mảnh tính toán của các thanh cánh chịu nén quá trị số giới hạn. Ngoài ra, có thể bố trí các khoang chữ nhật không có thanh chữ o ở những miền có lực cắt nhỏ, chẳng hạn ở giữa nhịp dầm (chỗ đó còng rất phù hợp để bố trí các đường ống kĩ thuật trong cao ốc văn phòng). Góc của thanh chữ o làm vì thanh cánh có thể lấy khổ nhỏ để giảm bớt số lượng thanh chữ o củng như các mối hàn. Tuy nhiên nếu góc xiên nhỏ quá, chiều dài thanh sẽ lớn, lực dọc trục trong thanh sẽ tăng, thanh nén sẽ kém ổn định. Như vậy, yêu cầu phải cấu tạo thêm bản mả, vừa tăng chi phí gia công chế tạo, vừa làm hẹp thêm độ rỗng ở bụng dàn, ảnh hưởng đến vấn đề bố trí các đường ống kỹ thuật. Do đó, chiều dài các khoang dàn chỉ nên lấy gần đúng bằng hai hoặc ba lần chiều cao.
Tiết diện thanh cánh thường dùng các loại thép hình (tiết diện chữ T hoặc thép góc đơn (chữ L);
Các loại tiết diện ống vuông hoặc hai thép góc củng được dùng cho các thanh cánh của dàn nhịp lớn, nhưng đối vì nhịp nhỏ thường ít sử dụng hơn, vì phải dùng mối nối có bản mả kém hiệu quả. Cánh trên của dàn thép nhẹ thường liên kết chặt vì sàn BTCT và làm việc trong một tiết diện liên hợp nhờ các mấu neo
2.2. Công dụng
Trong các nhà cao tầng khung sườn thép, thường hệ dầm sàn được cấu tạo bởi các dầm hoặc dàn thép liên hợp chịu lực dưới dạng các tiết diện liên hợp chữ T, I, C, L và chủ yếu chịu uốn dưới tác động của tải trọng thẳng đứng. Như vậy ở phía trên dầm sẽ
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 71
chịu nén và dầm thép chịu kéo, phù hợp vì bản năng chịu lực của 2 thành phần vật liệu nói trên. Ngoài ra, hệ liên hợp ở đây còn có khá nhiều ưu điểm khác, chẳng hạn vượt được các nhịp dài, tạo được các khoảng không gian lớn, thông thường giảm được chiều dày cấu tạo của hệ dầm sàn, đẩy nhanh tiến độ thi công; giảm nhẹ được khối lượng công trình tác động trực tiếp đến các vấn đề về nền móng và giá thành xây lắp. Mặt khác, hệ dầm thép liên hợp còn tạo ra các điaphắc nằm ngang có độ cứng khá lớn, giúp cho công trình cao tầng được ổn định tổng thể dưới tác động của tải trọng ngang.
Do các đặc điểm nói trên, kết cấu thép thích hợp vì những công trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trong nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kýn không thấm nước.Phạm vi ứng dụng của kết cấu rất rộng, có thể chia làm các loại sau:
- Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp là toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cần trục
nặng, hoặc có thể là hỗn hợp cột bê tôngcốt thép, dàn, và dầm thép.
- Nhà nhịp lớn, là những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khỏ lớn tẻen 30- 40m như nhà biểu diễn, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lảm, nhà chứa máy bay…dùng kết cấu thép là hợp lý nhất.Có những trường hợp nhịp đặc biệt lớn trên 100m thì kết cấu thép là duy nhất áp dụng được.
- Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt là các loại nhà kiểu tháp ở thành phố. Nhà trên 15 tầng thì dùng kết cấu thép có lợi hơn bê tông cốt thép.
- Cầu đường bộ,cầu đường sắt, làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh. Cầu treo bằng thép có thể vượt nhịp trên 1000m.
- Kết cấu tháp cao, như các loại cột điện , cột ăng ten vô tuyến, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như kết cấu tháp khoan dầu,.
3. CÁC LIÊN KẾT CHẾ TẠO DẦM TỔ HỢP
Trong các kết cấu thép hiện nay, có hai loại liên kết thường được sử dụng: liên kết đinh và liên kết hàn. Liên kết đinh là cụm từ chung dùng để chỉ các loại liên kết có dạng thanh thép tròn xâu qua lỗ của các bộ phận cần liên kết. Như vậy, đinh đại diện cho đinh tán, bu lông, bu lông cường độ cao, chốt … Các loại liên kết đinh được đề cập trong chương này là liên kết bằng bu lông thường và liên kết bằng bu lông cường độ cao. Liên kết hàn có thể được dùng cho các mối nối ngoài công trường nhưng nói chung, chủ yếu được sử dụng để nối các bộ phận trong nhà máy.
Tuỳ theo trường hợp chịu lực, các liên kết được phân chia thành liên kết đơn giản, hay liên kết chịu lực đúng tâm, và liên kết chịu lực lệch tâm.
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 72
3.1. Liên kết bằng bu lông
Liên kết bu lông và các cách hảm bu lông
Bu lông được phân biệt giữa bu lông thường và bu lông cường độ cao
3.1.1 Bu lông thường
Bu lông thường được làm bằng thép ít các-bon ASTM A307 có cường độ chịu kéo 420 MPa. Bu lông A307 có thể có đầu dạng hình vuông, lục giác hoặc đầu chìm. Bu lông thép thường không được phép sử dụng cho các liên kết chịu mỏi.
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 73
Bu lông thép ít các bon A307 c ấp A. Đầu bu lông do nhà sản xuất quy định
a. Đầu và đai ốc hình lục lăng ; b. Đầu và đai ốc hình vuông ; c. Đầu chỏm
3.1.2 Bu lông cường độ cao
Bu lông cường độ cao phải có cường độ chịu kéo nhỏ nhất 830 MPa cho các đường kính d = 16 - 27 mm và 725 MPa cho các đường kính d = 30 - 36 mm. Bu lông cường độ cao có thể dùng trong các liên kết chịu ma sát hoặc liên kết chịu ép mặt. Liên kết chịu ép mặt chịu được tải trọng lớn hơn nhưng gây biến dạng lớn khi chịu ứng suất đổi dấu nên chỉ được dùng trong những điều kiện cho phép. Trong cầu, mối nối bu lông chịu ép mặt không được dùng cho các liên kết chịu ứng suất đổi dấu. Liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát thường dùng trong kết cấu cầu chịu tải trọng thường xuyên gây ứng suất đổi dấu hoặc khi cần tránh biến dạng trượt của mối nối.
Liên kết bu lông cường độ cao chịu ép mặt chỉ được dùng hạn chế cho các bộ phận chịu ứng suất một dấu và cho các bộ phận thứ yếu.
Trong xây dựng cầu, cả liên kết bu lông cường độ cao và liên kết hàn đều có thể được sử dụng cho các mối nối ngoài công trường song liên kết bu lông cường độ cao được dùng là chủ yếu. Liên kết hàn chỉ được sử dụng trong các liên kết thứ yếu, không chịu hoạt tải, dùng để liên kết các tấm mặt cầu hoặc các bộ phận không chịu lực chính.
Trong thực tế, thường sử dụnghai loại bu lông cường độ cao A325 và A490 vì đầu mò và đai ốc theo tiêu chuẩn ASTM như hình trên .
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 74 Bu lông cường độ cao
Trong các liên kết bằng bu lông cường độ cao chịu ma sát, các bản nối được ép vào nhau nhờ lực xiết bu lông. Lực xiết bu lông cần đủ lớn để khi chịu cắt, ma sát giữa các bản thép đủ khả năng chống lại sự trượt. Liên kết chịu ma sát yêu cầu bề mặt tiếp xúc của các bản nối phải được làm sạch khỏi sơn, dầu mỡ và các chất bẩn. Còng có thể dùng liên kết trong đó bu lông bị ép mặt, sự dịch chuyển của các bản nối được ngăn cản bởi thân bu lông.
3.1.3 Khoảng cách bu lông và khoảng cách tới mép
Việc quy định khoảng cách nhỏ nhất, khoảng cách lớn nhất giữa các bu lông còng như từ bu lông tới mép cấu kiện nhằm những mục đích khác nhau. Khoảng cách nhỏ nhất giữa các bu lông được quy định nhằm đảm bảo khoảng cách trống giữa các đai ốc và không gian cần thiết cho thi công (xiết bu lông). Khoảng cách nhỏ nhất từ bu lông tới mép cấu kiện được quy định nhằm môc đớch chống xộ rỏch thép cơ bản. Khoảng cách lớn nhất giữa các bu lông còng như từ bu lông tới mép cấu kiện được quy định nhằm đảm bảo mối nối chặt chẽ, chống ẩm và chống lọt bôi còng như chống cong vênh cho thép cơ bản.
Các yêu cầu cơ bản về khoảng cách bu lông và khoảng cách tới mép theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 được túm tắt như sau:
Khoảng cách từ tim tới tim của các bu lông (theo mọi phương) không được nhỏ hơn 3d, vì d là đường kính của bu lông.
Khoảng cách nhỏ nhất từ tim lỗ tới mép cấu kiện (theo mọi ph ương), là hàm của kích thước bu lông và dạng gia công mép, được cho trong bảng 2.2. Khoảng cách từ tim lỗ tới mép thanh (theo mọi phương), nói chung, không được lớn hơn 8 lần chiều dày của thanh nối mỏng nhất và không được lớnhơn 125 mm.
Khoảng cách giữa các bu lông và khoảng cách từ bu lông tới mép, ký hiệu tương ứng là s và Le,
CHẾ TẠO KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 75
3.2. Liên kết bằng hàn
Liên kết hàn là hình thức liên kết chủ yếu hiện nay trong kết cấu thép. Liên kết hàn đơn giản về cấu tạo, thiết kế và thi công, ít chi tiết và không gây giảm yếu mặt cắt. Thông thường, các cấu kiện thép được hàn nối trong nhà máy và được lắp ghép tại công trường bằng bu lông cường độ cao.Tuy nhiên, nhược điểm của liên kết hàn là thường gây ứng suất dư, đặc biệt trong những mối hàn lớn. Ngoài ra, chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào công nghệ hàn và trình độ người thi công.
Các mối hàn được thiết kế vì cường độ bằng cường độ thép cơ bản, trong đó, que