BÀI 4 KẾT CẤU MÁI NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP
2. Cấu tạo và tính toán xà gồ mái
Xà gồ là cấu kiện chịu uốn xiên có thể dùng thép hình cán sẵn dạng chữ I hoặc chữ C. Những loại này dùng hợp lý khi nhịp 6m; với nhịp 12m không dùng vì trọng lượng thép rất lớn.
Được sử dụng rộng rãi nhất là loại xà gồ dùng từ thép hình dập từ thép bản dày 2-4mm. Loại xà gồ này thường nhẹ hơn xà gồ thép hình, song giá thành cao vì chế tạo
từ thép bản; mặt khác do bản thép mỏng nên không thể tăng được chiều cao xà gồ khi nhịp lớn. Vì vậy xà gồ này cũng chỉ dùng khi bước dàn từ 6-12m, mái nhẹ. Khi nhịp 12m và tải trọng lớn hơn dùng xà gồ dạng dàn cấu tạo từ thép góc.
a. Xà gồ dùng thép cán nóng
Xà gồ liên kết với dàn vì kèo để đỡ tấm mái, lực do tải trọng tác dụng trên mái theo phương thẳng đứng, nên xà gồ bị uốn theo 2 phương. Tải trọng thẳng đứng q được phân theo hai phương tác dụng, qx tác dụng theo phương song song với mặt mái;
qy tác dụng vuông góc với mặt mái. Do độ cứng xà gồ theo phương x-x (phương song song mặt mái) bé nên dễ bị biến dạng do thành phần tải trọng qx gây nên, vì vậy để tăng ổn định ngoài mặt phẳng uốn, người ta cấu tạo thêm hệ giằng xà gồ từ thép tròn
có tăng đơ hoặc bulong 18-22; hoặc dùng thép góc giằng 2 đầu xà gồ. Khi này, theo phương trong mặt phẳng mái, xà gồ có sơ đồ dầm liên tục hai hoặc ba nhịp. Trị số mô men uốn My phụ thuộc vào số điểm giằng xà gồ (hình 1.21)
Tải trọng tác dụng lên xà gồ bao gồm:
Trọng lượng bản thân mái và các lớp cấu tạo mái (m2 mặt mái);
Hoạt tải sửa chữa mái (m2 mặt bằng);
Tải trọng gió (m2 mặt mái);
Trọng lượng bản thân xà
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 33 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp
Hình 1.21. Sơ đồ làm việc của xà gồ mái
Tải trọng tác dụng vào xà gồ:
. . . .
cos
c c c
g m g xg p
q g d g p d
α
(1.12)
c
gm - Tĩnh tải mái tiêu chuẩn trên 1m2 mặt nghiêng mái;
pc - Tải trọng tiêu chuẩn trên 1m2 mặt bằng mái;
- Góc nghiêng của mái.
g; p - Hệ số độ tin cậy của tĩnh tải và hoạt tải
d - Khoảng cách xà gồ theo mặt bằng (bước xà gồ).
c
gxg - Trọng lượng bản thân xà gồ trên một mét dài.
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 34 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp
qx = q.sin; qy = q.cos;
Dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều có:
.2
8
y x
M q l ;
. 2
8
x y
M q l ; Kiểm tra bền cho xà gồ theo công thức:
y .
x
c x
x y
y
M M
W W f
(1.13)
Khi kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo thì kiểm tra theo công thức:
1,12 1, 2 .
x y
c y
x y
x
M M
W W f
(1.14)
Kiểm tra võng của xà gồ theo công thức:
2 2
1 200
x y
B B B B
(1.15)
( độ võng cho phép của xà gồ lợp mái tôn)
Trong đó:
. 3
5
384 .
c
x x
y
q B
B E I
;
. 3
5
384 .
c
y y
x
q B
B E I
(1.16)
là độ võng tương đối của xà gồ theo phương x và phương y do tải trọng tiêu chuẩn qcx và qcy gây ra cho dầm đơn giản;
Với trường hợp có một thanh giằng xà gồ ở giữa nhịp, cần kiểm tra độ võng của
xà gồ tại điểm giữa nhịp (tại đó có x 0 và y là lớn nhất - tính như công thức trên của dầm đơn giản) và tại điểm cách đầu xà gồ một khoảng z=0,21B ( chỗ có xlà lớn
nhất):
3
.
1
2954 .
c
x x
y
q B
B E I
;
. 3
3,1
384 .
c
y y
x
q B
B E I
(1.17)
Nếu đảm bảo tấm lợp liên kết chặt vào xà gồ thì có thể coi như xà gồ không bị võng theo phương trục x-x ( x 0), chỉ cần kiểm tra võng theo phương trục y-y. Ngoài ra, cần kiểm tra xà gồ chịu tác dụng của tải trọng gió. Vì tải trọng gió có phương vuông góc với mặt mái và thường hướng ra khỏi mái ( do hệ số khí động Ce
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 35 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp
của mái mang dấu âm). Dựa vào góc dốc α của mái và tỷ lệ chiều cao với nhịp nhà (H/L) tra bảng của tiêu chuẩn TCVN2737:1995 để có hệ số Ce.
Tải trọng gió và thành phần theo phương trục y-y của tĩnh tải mái ngược chiều nhau nên tải trọng tác dụng vào xà gồ là:
0 w
.W . . . 0,9 cos
cos cos
c c
y e m xg
d d
q C k g g α
α α
(1.18)
. . sin
cos
c c
x g m g xg
q g d g
α
(1.19)
Hệ số độ tin cậy của tĩnh tải khi này lấy bằng 0,9;
k- hệ số độ cao;
w; g - Hệ số vượt tải của gió;
W0 – áp lực gió tiêu chuẩn;
Kiểm tra xà gồ theo công thức: x y . c
x
x y
y
M M
W W f
Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của xà gồ chịu tải trọng thẳng đứng vì cánh nén của nó được gắn vào tấm lợp bằng vít. Ở những nơi có gió bão lớn, phải kiểm tra
ổn định tổng thể của xà gồ chịu tải trọng gió, tuy nhiên vì ứng suất tính theo điều kiện bền là nhỏ nên ở vùng gió bé thường không cần kiểm tra.
Khi cấu tạo xà gồ thành dầm liên tục, có một số vấn đề cần lưu ý: không nên dùng xà gồ siêu tĩnh hai nhịp, sẽ không kinh tế vì mômen gối bằng 1,79 lần mômen nhịp. Khi sử dụng xà gồ liên tục nhiều nhịp mà bước dàn B (nhịp xà gồ) đều nhau thì mômen ở gối thứ 2 tính từ đầu hồi sẽ lớn hơn mômen ở gối trung gian. Do đó, để xà
gồ ở các nhịp có tiết diện giống nhau thì nhịp đầu tiên phải giảm đi còn 0,8B. Nếu không giảm nhịp đầu tiên thì: hoặc tăng tiết diện xà gồ, hoặc tăng cường độ vật liệu thép, hoặc bố trí thêm xà gồ cho gian đầu hồi.
b. Xà gồ dùng thép dập, cán nguội
Hiện nay trong xây dựng, xà gồ bằng thép dập, cán nguội được dùng tương đối rộng rãi. Chế tạo xà gồ bằng cách dập hoặc cán nguội từ thép phẳng mạ kẽm (có giới hạn chảy từ 450N/mm2), dày từ 1,5mm – 2,5mm thành tiết diện chữ Z hoặc chữ C. Khi cán và dập nguội, cấu trúc tinh thể của thép biến đổi, cả ứng suất chảy và ứng suất bền
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 36 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp
đều tăng lên, thép trở lên cứng hơn. Việc tính toán xà gồ dập nguội tương đối phức tạp, theo lý thuyết thanh thành mỏng, cấu kiện không chỉ chịu uốn mà còn chịu xoắn. Sau khi ứng suất trong bản mỏng đạt giá trị tới hạn, tấm bị oằn nhưng không bị phá hủy, vẫn còn khả năng chịu thêm lực. Tải trọng đặt thêm vào sẽ gây ra sự phân bố lại ứng suất và cấu kiện vẫn chịu được tải trọng. Do đó phải tính được bề rộng hữu hiệu (nhỏ hơn bề rộng thực tế) của từng tiết diện. Hiện nay, Việt Nam chưa có quy phạm tính thanh thành mỏng, chưa quy định cách tính xà gồ dập nguội, vì vậy tiết diện xà gồ thường được chọn theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
Hình 1.22. Tiết diện xà gồ tôn dập nguội
Để liên kết xà gồ vào tấm mái, có hai cách: Cách phổ thông là bắt vít tự tạo ren; loại liên kết này tạo nên độ cứng cho hệ thống tấm lợp và phần nào tạo nên kiềm chế xoắn cho xà gồ. Cách thứ hai là dùng đai liên kết, các đai này liên kết với xà gồ bằng hai vít, tấm lợp tôn không liên kết trực tiếp với xà gồ mà ấn chặt múi sóng cao của tấm tôn vào các đai. Do đai ẩn kín trong sườn cao của tấm nên còn gọi liên kết này là liên kết âm. Kiểu liên kết này tạo độ cứng bên không đáng kể nên xà gồ cần có giằng để giảm chuyển vị bên và kiềm chế xoắn.
Tải trọng gió có thể hướng vào mái hoặc hướng ra khỏi mái. Khi chịu tải trọng gió bốc (gió hướng ra) cánh trên của xà gồ (được liên kết với tấm mái) sẽ chịu kéo, còn cánh dưới chịu nén lại không được giằng. Do đó, để chọn xà gồ cần phải dựa vào xem gió hướng vào hay gió hướng ra và số lượng điểm giằng, sau dó dùng bảng tra
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 37 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp
(do nhà sản xuất xà gồ cung cấp) sẽ tra được tiết diện và khoảng cách giữa các xà gồ phù hợp với tải trọng tác dụng lên xà gồ.
c. Xà gồ rỗng
Xà gồ tiết diện rỗng cấu tạo như một dàn độc lập, nó được dùng hợp lý khi bước dàn vì kèo lớn. Cấu tạo xà gồ gồm nhiều dạng, thanh cánh trên của xà gồ thường dùng thép hình, thanh bụng và cánh dưới có thể dùng thép hình hoặc thép tròn đường kính 8-12mm. Xà gồ hệ thanh bằng thép tròn ( dàn 3 mặt) dùng cho nhịp 12m, song tốn thép và ít dùng. Xà gồ rỗng tạo bởi thép hình cán hoặc dập nguội có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn, được dùng rộng rãi hơn. Kết cấu xà gồ rỗng được tính toán như một dàn thông thường.
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 38 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp
Hình 1.23. Một số dạng xà gồ rỗng
Bài giảng kết cấu nhà thép _ 39 _
Bộ môn : Xây dựng dân dụng & công nghiệp