(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 giàn, đƣợc ghi ở Bảng 2.1 [4, tr 264]. Bảng 2.1. Xác định bề dày bản mã N (kN) 150 151 đến 250 251 đến 400 401 đến 600 601 đến 1000 1001 đến 1400 1401 đến 1800 1801 đến 2200 2201 đến 2600 2601 đến 3000 tbm 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25
Ghi chú: N là nội lực lớn nhất của thanh bụng giàn. b) Kiểm tra liên kết thanh giàn với bản mã [4, tr 267]:
(1) Liên kết hàn thanh thép góc với bản mã không có lực tập trung
Đƣờng hàn liên kết các thanh thép góc vào bản mã đƣợc tính chịu nội lực của thanh đó. Mỗi thanh có hai đƣờng hàn sống và hai đƣờng hàn mép.
Chiều dài đƣờng hàn sống đƣợc xác định: ws c f w min kN l h f (2.9) Chiều dài đƣờng hàn mép đƣợc xác định: wm c f w min (1 k)N l h f (2.10)
trong đó:
N – nội lực trong thanh, kN;
lw – chiều dài tính toán một đƣờng hàn, cm, chiều dài thực tế: l = lw + 1cm; hf – chiều cao đƣờng hàn góc, cm;
(fw)min – trị số bé hơn trong hai giá trị, sfws và ffwf, kN/cm2.
k – hệ số phân phối nội lực khi liên kết thép góc – thép bản, lấy theo Hình 2.11; c – hệ số điều kiện làm việc, lấy theo Phụ lục 3.2.
k=0,7 k=0,6 k=0,75 Hình 2.11. Xác định hệ số phân phối nội lực (2) Liên kết hàn thanh thép góc với bản mã có lực tập trung
Đƣờng hàn liên kết thanh cánh vào bản mã chịu hiệu số của nội lực N = N1 - N2 (N1 và N2 là nội lực của hai thanh cánh liên kết tại nút giàn), nếu N = 0 thì tính với giá trị 10% giá trị nội lực thanh cánh để tính. Lực N phân phối về đƣờng hàn sống và mép tƣơng ứng theo tỷ lệ là k và (1-k). Nhƣ vậy, đƣờng hàn sống tính chịu lực kN và đƣờng hàn mép tính chịu lực (1-k)N. Nội lực tính cho đƣờng hàn sống: 2 2 1 R k N P / 2 (2.11) Nội lực tính cho đƣờng hàn mép: 2 2 2 R 1 k N P / 2 (2.12) Khi đó, nội lực R1 tính chiều dài đƣờng hàn sống và nội lực R2 tính chiều dài đƣờng hàn mép. Chiều dài đƣờng hàn sống đƣợc xác định: 1 ws c f w min R l h f (2.13) Chiều dài đƣờng hàn mép đƣợc xác định: 2 wm c f w min R l h f (2.14)
(3) Liên kết bu lông thanh thép góc với bản mã [4, tr 80]
- Khả năng làm việc chịu cắt của bulông thô, thƣờng và tinh đƣợc xác định:
b v.b v b b c N f A n (2.15) trong đó: b v
f - cƣờng độ tính toán chịu cắt của bulông, kN/cm2;
b - hệ số điều kiện làm việc của bulông, bulông thƣờng, thô b = 0,9, bulông tinh b = 1,0.
Ab - diện tích tiết diện thân bulông, Ab= d2/4, cm2;
nc - số lƣợng mặt cắt tính toán bulông, khi có hai cấu kiện nc = 1, khi có 3 cấu kiện nc = 2;
- Khả năng chịu ép mặt của một bulông thô, thƣờng và tinh, trƣờng hợp tổng quát kể đến hệ số điều kiện làm việc và khi có nhiều bản thép là.
c.b min cb b
N dt f (2.16) trong đó:
fcb- cƣờng độ tính toán chịu ép mặt của bulông, phụ thuộc vật liệu thép liên kết và phƣơng pháp tạo lỗ bulông, kN/cm2
;
b - hệ số điều kiện làm việc của bulông, bulông thƣờng, thô b = 0,9.
d - đƣờng kính ngoài của bulông, cm;
min t
- tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trƣợt về một phía, cm; - Khả năng chịu trƣợt của bulông cƣờng độ cao xác định:
h.b hb bn b1 b2 f
N f A / n (2.17) trong đó:
fhb - cƣờng độ chịu kéo tính toán của bulông, fhb = 0,7fub, kN/cm2; Abn- diện tích tiết diện thực của bulông (sau khi trừ ren), cm2; b1 - hệ số điều kiện làm việc của bulông;
- hệ số ma sát (lấy theo bảng tra); b2 - hệ số độ tin cậy (lấy theo bảng tra); nf - số lƣợng mặt phẳng ma sát tính toán.
Công thức kiểm tra bền của liên kết thanh thép góc với bản mã sử dụng bu lông nhƣ sau:
* Đối với liên kết sử dụng bulông thô, thƣờng và tinh:
c min b
N N
n (2.18) * Đối với liên kết sử dụng bulông cƣờng độ cao:
c t.b N
N
n (2.19) trong đó:
Nminb - giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị, Nv.b và Nc.b, kN; Nt.b - khả năng chịu lực trƣợt của một bulông, kN; c - hệ số điều kiện làm việc của kết cấu;
n – số lƣợng bu lông có trong liên kết. 2.4.5. Kiểm tra độ võng kết cấu giàn
Độ võng của giàn, theo quy định phải nhỏ hơn độ võng giới hạn [4, tr 43]:
x
L L
(2.20) trong đó:
[x/L] – độ võng tƣơng đối lớn nhất trong giàn do tải trọng tiêu chuẩn gây ra, tải trọng gồm tải trọng thƣờng xuyên và tải trọng tạm thời dài hạn;
[/L] – độ võng giới hạn cho phép đối với giàn, lấy theo tiêu chuẩn TCVN 5575 – 2012 hoặc ở Phụ lục 3.6.
2.5. Tính toán gia cƣờng kết cấu thanh giàn
2.5.1. Nguyên tắc chung
Khi tính toán kết cấu đƣợc gia cƣờng khi đang chịu tải, cần tính tới giá trị ứng suất trong các cấu kiện hiện có và tải trọng do các chi tiết bổ sung, tính tới biến dạng ban đầu, biến dạng tăng thêm của cấu kiện cơ bản khi gia cƣờng. Sơ đồ tính của kết cấu gia cƣờng cần phản ánh trạng thái làm việc thực tế của chúng thông qua quá trình khảo sát hiện trạng [26, tr 324].
Việc phân nhóm kết cấu gia cƣờng nhằm áp dụng các điều kiện kiểm tra bền và chọn mức độ dỡ tải trong quá trình gia cƣờng. Theo đó, việc phân nhóm kết cấu căn cứ vào điều kiện sử dụng, và trong quá trình tính toán gia cƣờng sử dụng trạng thái làm việc dẻo nào. Qua đó, ngƣời ta chia kết cấu gia cƣờng làm 4 nhóm [26, tr 325; 27, tr 118]:
Nhóm 1: Kết cấu làm việc ở điều kiện đặc biệt nặng (cầu trục làm việc chế độ rất nặng, xilô, bunker, băng tải đỡ hàng, v.v…) làm việc với tải trọng động. Trong kết cấu này, biến dạng dẻo không cho phép xuất hiện, có nghĩa kết cấu chỉ tính toán ở giai đoạn đàn hồi.
Nhóm 2: Kết cấu làm việc với tải trọng động và di động, nhƣng không thuộc nhóm 1 (cầu trục chế độ làm việc trung bình, dầm sàn công tác v.v…), biến dạng dƣ