(1 - đường hàn bổ sung; 2 - chi tiết bổ sung; 3, 4, 5 - bản mã bổ sung; 6 – chi tiết bổ sung; 7 – vết nứt nhỏ)
Dƣới đây là đặc điểm cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật đối với giải pháp gia cƣờng sử dụng đƣờng hàn kéo dài hoặc đƣờng hàn đắp hoặc sử dụng tấm thép xiên phủ [7, tr 56].
(1) Hàn kéo dài thêm đƣờng hàn cũ: Hàn kéo dài thêm đƣờng hàn cũ tại các vị trí nút giàn là phƣơng pháp gia cƣờng đơn giản nhất, nhƣng chỉ có thể thực hiện đƣợc bằng cách thêm các đƣờng hàn ở đầu mút các thanh giàn, nếu trƣớc chƣa có (Hình 2.8a). Ngoài ra, có thể mở rộng bản mã hoặc thêm các bản táp cho đủ chỗ để kéo dài thêm đƣờng hàn theo yêu cầu thiết kế. Việc này cần đƣợc thực hiện theo thứ tự sau:
trƣớc tiên phải dùng giải pháp gia cƣờng liên kết kéo dài bản mã nhằm kéo dài đƣờng hàn, nhất là khi gia cƣờng trong điều kiện có tải, sau đó tiến hàn hàn kéo dài đƣờng hàn. Khi gia cƣờng cấu kiện bằng kéo dài đƣờng hàn trong điều kiện có phụ tải cũng cần đáp ứng yêu cầu sau: dùng các que hàn đƣờng kính nhỏ hơn 4mm, dòng điện không nên lớn hơn 220Ampe, chiều cao mỗi đƣờng hàn không quá 8mm, nên hàn từng lớp và đƣờng hàn đƣợc tiến hành khi đƣờng hàn trƣớc nguội với nhiệt độ dƣới 100oC.
(2) Hàn đắp dày thêm đƣờng hàn cũ: Hàn đắp dày thêm các đƣờng hàn góc (Hình 2.8b) có ý nghĩa thực tế hơn. Có ý kiến cho rằng biện pháp hàn đắp dày thêm đƣờng hàn cũ khi kết cấu đang chịu tải là nguy hiểm, vì tia lửa điện có thể làm chảy thép ở một đoạn, tạo nên sự suy yếu nhất thời trong đƣờng hàn. Nhƣng thí nghiệm đã chứng tỏ rằng biện pháp hàn đắp những lớp mới lên đƣờng hàn cũ trong các kết cấu đang chịu tải là hoàn toàn thực hiện đƣợc [7, tr 56].
Độ suy yếu lớn nhất của đƣờng hàn thƣờng xảy ra vào lúc bắt đầu hàn gia cƣờng, khi mà tia lửa hàn ở cách đầu đƣờng hàn (15÷20)mm. Tia lửa hàn càng tiếp tục chuyển dịch sâu vào trong thì các lớp thép mới đắp thêm của đƣờng hàn bắt đầu làm việc, và khả năng chịu lực của đƣờng hàn bắt đầu tăng lên.
Trong thời gian hàn đắp dày vì bị nung quá nóng thép mối hàn chuyển sang trạng thái dẻo, những ứng suất cũ tại mối hàn đó mất đi hết, trong các đoạn đã đƣợc gia cƣờng ứng suất sẽ tăng dần dần, khi đó thì đoạn hàn đắp nào làm trƣớc sẽ phải chịu tải nhiều nhất.
Xuất phát từ các điều trên khi gia cƣờng bằng cách hàn đắp những đƣờng hàn cũ nên bắt đầu hàn đắp từ đoạn có ứng suất cũ nhỏ nhất. Ví dụ nhƣ gia cƣờng những đƣờng hàn dọc ở chỗ nối các thanh giàn thép tại các mặt giàn thì phải bắt đầu từ mút thanh thép góc, chứ không phải từ mép bản mắt.
Bình thƣờng thì độ giảm cƣờng độ đƣờng hàn trong lúc gia cƣờng chiếm khoảng (10 – 20)% cƣờng độ ban đầu của mối hàn; đƣờng hàn càng dài thì độ giảm cƣờng độ càng nhỏ. Cần chú ý thêm những điểm sau đây:
- Ứng suất trong các đƣờng hàn do tải trọng tác dụng lúc gia cƣờng không đƣợc lớn quá 80% cƣờng độ vật liệu thép.
- Khi hàn đắp phải làm cho nhiệt lƣợng trong các chi tiết nhỏ nhất; vậy nên dùng các que hàn đƣờng kính nhỏ hơn 4mm, dòng điện không nên lớn hơn 220A; lớp đắp cao mỗi đƣờng hàn không nên dầy quá 2mm, nếu muốn chiều cao đƣờng hàn tăng lớn
thì tiến hành làm nhiều lần, mỗi lớp dày lấy giới hạn là 2mm, nhƣng tổng chiều cao đƣờng hàn kể cả phần đắp không quá chiều cao đƣờng hàn theo yêu cầu cấu tạo. Không nên hàn liền một lúc các thanh trong một nút liên kết, mà nên nghỉ một lúc để đƣờng hàn trƣớc nguội dƣới nhiệt độ 100o
C rồi mới đƣợc hàn, đó là để trong quá trình hàn không ảnh hƣởng đến cƣờng độ đƣờng hàn vốn có.
- Những chỗ hƣ hỏng trong đƣờng hàn thì nên hàn đắp trƣớc tiên.
- Gia cƣờng các nút liên kết ở thanh cánh thƣợng của giàn trƣớc, rồi mới gia cƣờng các nút liên kết ở thanh cánh hạ.
(3) Hàn thêm tấm thép xiên phủ trên đƣờng hàn cũ: Hàn tấm thép xiên phủ trên đƣờng hàn cũ, nhƣ trong Hình 2.8c. Khi này lực sẽ chuyển qua cả đƣờng hàn cũ và đƣờng hàn mới. Phục hồi một số giàn cầu trục có những vết nứt do mỏi ở đƣờng hàn liên kết các cấu kiện hoặc giàn hãm, ngƣời ta cũng áp dụng biện pháp gia cƣờng này cho các đƣờng hàn hƣ hỏng.
Hai biện pháp gia cƣờng bằng hàn đắp dày thêm đƣờng hàn cũ và hàn thêm tấm thép xiên phủ lên đƣờng hàn cũ áp dụng tùy theo đặc điểm cấu tạo chỗ nối. Nếu đƣờng hàn góc khá dài thì áp dụng biện pháp đắp dày. Nếu đƣờng hàn ngắn thì áp dụng biện pháp hàn thêm tấm xiên phủ trên đƣờng hàn cũ.
a) 2 1 b) 4 5 1 1 1 1 c) 1 1 3 1 1 h< 1 ,5 t h< t t t 1 2 Hình 2.8. Gia cƣờng đƣờng hàn góc
(1 - đường hàn cũ; 2 - đường hàn thêm ở đầu mút thanh; 3 - lớp hàn đắp; 4 - tấm thép xiên phủ lên đường hàn cũ; 5 - đường hàn mới)
d) Mở rộng bản mã liên kết:
Các bản mã ở nút giàn đƣợc gia cƣờng mở rộng để tăng cƣờng liên kết các thanh giàn với bản mã, có thể dùng một trong số các giải pháp nhƣ ở Hình 2.6a, d, e. Theo đó, bản mã bổ sung số 3 đƣợc hàn đối đầu với bản mã ban đầu, yêu cầu cấu tạo chi tiết hàn đối đầu theo quy định, sau đó bổ sung chi tiết liên kết bu lông cƣờng độ cao hoặc đƣờng hàn góc để liên kết chúng với thanh thép góc ban đầu. Việc mở rộng bản mã sẽ
làm tăng chiều dài đƣờng hàn cũ, giải pháp này không cần bổ sung chi tiết liên kết bản mã mới mà không cần tăng chiều dày đƣờng hàn cũ bằng hàn đắp hoặc dùng thêm chi tiết mới liên kết tại mắt giàn [1, tr 66; 23, tr 27].
2.3.4. Gia cƣờng cho các thanh cong và vênh ở giàn
1 1-1 2-2 a) b) 3 1 2 2 3 3-3
Hình 2.9. Gia cƣờng các thanh cong ở giàn
(a - cong trong mặt phẳng giàn; b - cong ngoài mặt phẳng giàn)
1 1 2 1 3 1-1 2-2 2 1 3 2 2 2 1 3 a) b)
Hình 2.10. Gia cƣờng các thanh vênh cánh ở giàn
(a – gia cường bằng thép tấm; b – gia cường bằng thép góc; 1 – thanh thép góc; 2 – thép góc, thép tấm; 3 – bản đệm)
Trong quá trình vận chuyển, cẩu lắp giàn cũng nhƣ trong quá trình chịu lực, các thanh giàn nói chung và thanh giàn chịu nén nói riêng có thể bị cong theo phƣơng trong mặt phẳng hoặc ngoài mặt phẳng giàn hoặc cánh của các thép góc bị vênh. Giải pháp gia cƣờng các thanh cong và cánh bị vênh trong mặt phẳng giàn, nhƣ ở Hình 2.9a và Hình 2.10, nhằm làm giảm độ lệch tâm của lực dọc trong thanh. Cũng có thể gia cƣờng thanh cong bằng cách bổ sung thanh giàn phân nhỏ, nhằm hàn chế việc tăng thêm độ cong khi chịu lực và cũng làm giảm chiều dài tính toán thanh giàn trong mặt
phẳng. Tính toán đƣợc gia cƣờng này nhƣ là tính thanh chịu nén hoặc chịu kéo đúng tâm [7, tr 55].
Ngoài ra, giải pháp gia cƣờng các thanh cong vênh khỏi mặt phẳng giàn, nhƣ trong Hình 2.9b, cũng nhằm làm giảm độ lệch tâm.
2.4. Tính toán kiểm tra kết cấu giàn hiện có
2.4.1. Sơ đồ tính và tải trọng tác dụng a) Sơ đồ tính: a) Sơ đồ tính:
Sơ đồ tính đối với kết cấu giàn trƣớc khi gia cƣờng, dựa vào hiện trạng làm việc thực tế của kết cấu giàn ta xác định đƣợc sơ đồ tính của kết cấu giàn hiện có, chúng có thể: tựa khớp lý tƣởng hoặc cứng tuyệt đối với cột; kết cấu liên tục hoặc đơn giản tùy thuộc vào cấu tạo chi tiết liên kết với kết cấu đỡ.
Sơ đồ tính đối với kết cấu giàn sau khi gia cƣờng, trƣờng hợp lựa chọn giải pháp gia cƣờng bằng thay đổi sơ đồ cấu tạo thì cần lựa chọn sơ đồ tính cho phù hợp sự làm việc thực tế của kết cấu giàn. Còn việc lựa chọn giải pháp gia cƣờng bằng tăng tiết diện thanh, chi tiết liên kết hoặc gia cƣờng cong vênh của cấu kiện thì sơ đồ tính của giàn sau khi gia cƣờng lấy nhƣ trƣớc khi gia cƣờng.
Thông thƣờng, kết cấu giàn trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp có nhiệm vụ đỡ mái và cùng làm việc với kết cấu khung chịu lực, sơ đồ tính của giàn cần thiết thể hiện trong sơ đồ tính của khung.
b) Tải trọng tác dụng:
Tải trọng tác dụng lên kết cấu giàn bao gồm: Tải trọng thƣờng xuyên, tải trọng tạm thời và tải trọng đặc biệt khác.
- Tải trọng thƣờng xuyên gồm có: trọng lƣợng các kết cấu trên mái (tấm lợp/panel bê tông, chống thấm cách nhiệt, xà gồ mái, giằng mái, cửa mái v.v…). Ngoài ra, còn có các đƣờng ống kỹ thuật, thiết bị treo ở trần (nếu có).
- Tải trọng tạm thời gồm có: trọng lƣợng ngƣời và thiết bị, tải trọng gió, tải trọng sửa chữa, cầu trục (nếu có) v.v...
Tải trọng tác dụng lên kết cấu khung chịu lực nói chung và kết cấu giàn nói riêng đƣợc xác định theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995 “Tải trọng và Tác động – Tiêu chuẩn thiết kế” [10] và trọng lƣợng một số thiết bị và vật liệu đƣợc lấy theo Cataloge của nhà sản xuất [12].
Ngoài các tải trọng đã nêu, việc gia cƣờng kết cấu do yếu tố thay đổi công suất thiết kế gây tăng tải trọng lên kết cấu thì phải tính toán với giá trị tải trọng tăng thêm hoặc sử dụng giải pháp thay đổi sơ đồ cấu tạo bằng thanh căng thì cũng cần tính đến lực căng trƣớc trong dây, cũng có khi giải pháp gia cƣờng phải bổ sung hệ giằng hoặc tăng diện tích tiết diện thanh và chi tiết liên kết thì cũng tạo ra tải trọng phụ (nhƣng giá trị không lớn so với trọng lƣợng chung của kết cấu) v.v...
2.4.2. Nội lực và tổ hợp tải trọng a) Xác định nội lực: a) Xác định nội lực:
Việc xác định nội lực trong thanh giàn, dùng các phƣơng pháp của Cơ học kết cấu. Trƣớc đây, thƣờng dùng các phƣơng pháp tách nút hoặc giản đồ Cremona để xác định cho từng trƣờng hợp chất tải riêng rẽ, sau đó tổ hợp nội lực để tìm đƣợc nội lực nguy hiểm nhất cho thanh giàn. Tuy nhiên, hiện nay với nhiều chƣơng trình tính thƣơng mại chẳng hạn nhƣ SAP 2000 hoặc ETABS [9], việc sử dụng chúng để xác định nội lực rất dễ dàng. Trong tài liệu này, sử dụng phần mềm SAP 2000 để xác định nội lực trong các thanh giàn cho các trƣờng hợp chất tải.
Các trƣờng hợp chất tải gồm:
- Tải trọng thƣờng xuyên đặt cả giàn.
- Tải trọng tạm thời trên mái, ngƣời đi lại trên mái đặt một nửa giàn và cả giàn; trƣờng hợp giàn tam giác thì chất cả giàn.
- Tải trọng gió đặt cả giàn. b) Tổ hợp tải trọng:
- Tổ hợp tải trọng cho các trƣờng hợp chất tải lên giàn: tải trọng thƣờng xuyên, tải trọng tạm thời và tải trọng đặc biệt (nếu có).
- Hệ số tổ hợp theo quy định trong tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 “Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế”.
2.4.3. Kiểm tra tiết diện thanh giàn
a) Kiểm tra tiết diện thanh chịu nén [4, tr 264]:
Kiểm tra lại tiết diện thanh giàn theo yêu cầu về độ bền và độ mảnh giới hạn:
c min N f A (2.1) max [] (2.2) trong đó:
N – lực nén trong thanh giàn, do các tải trọng tác dụng gây ra, kN;
A - diện tích thực tế của tiết diện thanh, A = 2Ag khi tiết diện ghép bởi hai thép góc, cm2;
[] – độ mảnh giới hạn, lấy theo Phụ lục 3.4.
min là hệ số uốn dọc, lấy theo Bảng D.8, phụ lục D của Tiêu chuẩn TCVN 5575- 2012, Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế, phụ thuộc vào độ mảnh max = max[x, y], hoặc đƣợc tính theo các công thức phụ thuộc vào độ mảnh qui ƣớc f / E:
Khi 0 2,5: f 1 0,073 5,53 E Khi 2,5 4,5: f f f 2 1, 47 13,0 0,371 27,3 0,0275 5,53 E E E Khi 4,5: 2 322 (51 )
b) Kiểm tra tiết diện thanh chịu kéo [4, tr 265]:
Kiểm tra lại tiết diện đã chọn theo yêu cầu về độ bền và độ mảnh giới hạn:
c n N f A (2.3) max [] (2.4) trong đó:
N – lực kéo trong thanh giàn, do các tải trọng tác dụng gây ra, kN; max – độ mảnh lớn nhất, max = max [x, y] với x
x x l i , y y y l i ; n
A - diện tích thực tế của tiết diện thanh, cm2,
khi tiết diện không giảm yếu: An= Ang = Ag; khi tiết diện có giảm yếu: An = Ang - Alỗ,
ng
A - diện tích nguyên của tiết diện thanh, cm2;
lo
A
[] – độ mảnh giới hạn, lấy theo Phụ lục 3.3.
c) Kiểm tra tiết diện thanh chịu kéo – uốn hoặc nén – uốn [4, tr 46]:
- Kiểm tra lại tiết diện đã chọn theo yêu cầu về độ bền, đối với thanh chịu kéo lệch tâm và thanh ngắn nén lệch tâm:
c
n xn
N M
f
A W (2.5) Khi cấu kiện làm bằng thép dẻo (với vật liệu thanh fy 53kN/cm2, không chịu trực tiếp tác dụng của tải trọng động, khi 0,5fv và N/(Anf) > 0,1), khả năng chịu lực của thanh cần kiểm tra theo công thức có kể đến biến dạng dẻo:
c n n c x xn c N M 1 A f c W f (2.6) trong đó:
nc và cx - hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện, lấy theo Phụ lục 3.5; M – mô men uốn tác dụng, kNm;
Wxn – mô đun chống uốn của tiết diện nguyên đối với trục x, cm3. - Kiểm tra lại tiết diện đã chọn theo yêu cầu về ổn định:
(1) Ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn, đƣợc kiểm tra theo công thức:
c e N f A (2.7) trong đó:
e - hệ số uốn dọc, xác định theo Bảng D.10 của TCVN 5575:2012, phụ thuộc vào độ mảnh quy ƣớc và độ lệch tâm tính đổi me;
- độ mảnh quy ƣớc, x f / E; me – độ lệch tâm tính đổi, me = e;
- hệ số kể đến ảnh hƣởng của hình dạng tiết diện, xác định theo Bảng D.9 của TCVN 5575:2012;
m – độ lệch tâm tƣơng đối, m = (M/N)/(A/Wc);
Wc – xác định đối với thớ chịu nén lớn nhất của tiết diện, cm3
.
(2) Ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn, đƣợc kiểm tra theo công thức:
c y N f c A (2.8)
y - hệ số uốn dọc đối với trục y-y, xác định theo Bảng D.10 của TCVN 5575:2012, phụ thuộc vào độ mảnh y và cƣờng độ tính toán f;
c – hệ số kể đến ảnh hƣởng của mô men uốn và hình dạng tiết diện, xác định theo TCVN 5575:2012.
d) Kiểm tra tiết diện thanh giàn theo yêu cầu độ mảnh giới hạn
Độ mảnh của thanh giàn ảnh hƣởng đến sự làm việc của chúng. Thanh giàn dài thì chịu lực kém và ngƣợc lại thanh giàn ngắn thì chịu lực tốt hơn, độ mảnh của thanh giàn không đƣợc vƣợt quá giá trị độ mảnh giới hạn, []. Giá trị độ mảnh giới hạn [] cho thanh chịu kéo và chịu nén tra bảng theo Phụ lục 3.3 và Phụ lục 3.4, chúng phụ thuộc vào loại thanh và dạng tải trọng tác dụng.
2.4.4. Kiểm tra chi tiết nút liên kết giàn a) Kiểm tra bề dày bản mã: a) Kiểm tra bề dày bản mã:
Chiều dày bản mã trong liên kết thanh giàn, lấy lớn hơn chiều dày bản mã tối thiểu, chiều dày bản mã tối thiểu phụ thuộc vào nội lực lớn nhất của thanh bụng trong