Giáo trình Cấu tạo thép - Chương 5: Dàn thép

cánh dưới nút (mắt) dàn thanh bụng ĐẠI CƯƠNG  Theo công dụng: – Dàn đỡ mái nhà (vì kèo) – Dàn cầu – Dàn cầu trục – Dàn tháp trụ  Theo cấu tạo thanh dàn: – Dàn nhẹ: Nội lực các thanh dàn nhỏ, thanh dàn là thép góc hoặc thép tròn – Dàn thường: Phổ biến, nội lực lớn nhất trong các thanh cánh < 5000kN, thanh dàn cấu tạo bởi hai thép góc – Dàn nặng: cho công trình chịu tải nặng, nội lực lớn nhất trong thanh cánh  5000kN, tiết diện thanh dàn là thép hình I, C hoặc tổ hợp 1. Phân loại dàn 1. Phân loại dàn  Theo sơ đồ kết cấu – Dàn kiểu dầm – Dàn liên tục – Dàn mút thừa – Dàn kiểu tháp trụ – Dàn kiểu khung – Dàn kiểu vòm 1. Phân loại dàn KC vòm: L=165m Viaduc Gabarit (Pháp) xây dựng bởi Gustave Eiffel- 1884 1. Phân loại dàn Ứng dụng Nhà thi đấu TDTT 1. Phân loại dàn Ứng dụng Sân vận động (San Siro) 1. Phân loại dàn Ứng dụng Ứng dụng Nhà ga(Gare du Nord – Paris) 1. Phân loại dàn Hangar 1. Phân loại dàn Ứng dụng  Khi lựa chọn hình dạng dàn cần thoả mãn các yêu cầu sau: – Yêu cầu sử dụng – Yêu cầu của thiết kế kiến trúc và thoát nước mái – Kích thước và cách bố trí cửa trời – Cách liên kết dàn với cột và phải tạo được kết cấu mái và công trình có đủ độ cứng cần thiết – Yêu cầu kinh tế 2. Hình dạng dàn  Thường dùng các dạng sau: Dàn tam giác Dàn hình thang Dàn cánh song song Dàn đa giác Dàn cánh cung 2. Hình dạng dàn Bố trí hệ thanh bụng cần thoả mãn các yếu tố: - Cấu tạo nút đơn giản và có nhiều nút giống nhau - Tổng chiều dài thanh bụng nhỏ - Góc giữa thanh bụng và thanh cánh không quá nhỏ - Không nên để thanh cánh bị uốn cục bộ bởi tải trọng đặt ngoài nút 3. Hệ thanh bụng của dàn  Nhịp dàn – Được xác định dựa vào phương án kiến trúc, phù hợp với mục đích sử dụng và giải pháp bố trí kết cấu – Trong nhà công nghiệp, nhịp dàn lấy theo môđun 3m – Với dàn thường, nhịp hợp lý từ 18m đến 36m  Chiều cao dàn – Với dàn cánh song song và dàn hình thang, chiều cao dàn hợp lý là (1/61/5)L. Để dễ vận chuyển, lấy (1/91/7)L – Với dàn tam giác, nếu mái dốc từ 22 đến 400 thì chiều cao dàn (1/41/3)L, nếu mái lợp có yêu cầu độ dốc nhỏ hơn (lợp tôn) thì chiều cao đầu dàn lấy 450mm 4. Kích thước chính của dàn  Khoảng cách nút dàn – Là khoảng cách giữa các tâm nút đến thanh cánh – Khoảng cách nút dàn cánh trên thường từ 1,5 đến 3,0m – Khoảng cách nút dàn cánh dưới dàn tam giác thường là 3m đến 6m, dàn hình thang thường là 6m  Bước dàn – Khoảng cách giữa các dàn – Xác định từ yêu cầu kiến trúc và dây chuyền công nghệ, phù hợp với môđun thống nhất các cấu kiện lắp ghép như tấm tường, tấm mái... – Thoả yêu cầu kinh tế – Với dàn thép bước hợp lý là 6m 4. Kích thước chính của dàn 5. Hệ giằng không gian Dàn dễ mất ổn định theo phương ngoài mặt phẳng (phương dọc nhà)  các dàn cần giằng lại với nhau tạo nên một khối không gian ổn định  Gồm 3 hệ: – Hệ giằng cánh trên » Bố trí trong mặt phẳng cánh trên » Gồm các thanh chéo chữ thập » Tác dụng: Đảm bảo ổn định cho thanh cánh trên chịu nén, tạo những điểm cố kết không chuyển vị theo phương ngoài mặt phẳng dàn » Bố trí ở hai gian đầu hồi và các gian trong sao cho khoảng cách các gian được bố trí giằng không quá 60m 5. Hệ giằng không gian – Hệ giằng cánh dưới » Bố trí trong mặt phẳng cánh dưới của dàn tại gian có hệ giằng cánh trên » Cùng với hệ giằng cánh trên tạo nên các khối cứng bất biến hình » Tạo những điểm cố kết không chuyển vị theo phương ngoài mặt phẳng dàn 5. Hệ giằng không gian – Hệ giằng đứng » Bố trí trong các mặt phẳng thanh đứng giữa dàn và hai đầu dàn, cùng gian với giằng cánh trên và dưới » Theo phương nhịp dàn (ngang nhà) khoảng cách không quá 15m » Cùng với giằng cánh trên và dưới tạo nên khối cứng không gian bất biến hình; Cố định, giữ ổn định khi lắp dàn » Các gian không bố trí giằng được thay bằng thanh chống dọc: tăng cường ổn định cho thanh cánh trong quá trình sử dụng, lắp dựng 5. Hệ giằng không gian  Hệ giằng còn có tác dụng làm giảm chiều dài tính toán theo phương ngoài mặt phẳng dàn cho thanh cánh giằng cánh trên giằng cánh dưới giằng đứng khối cứng không gian bất biến hình 5. Hệ giằng không gian Hệ giằng mái: • Giằng cánh trên • Giằng cánh dưới • Giằng ngang • Giằng dọc: khoảng cách <60m • Giằng đứng: khoảng cách 12-15m • Giằng cửa mái 5. Hệ giằng không gian Hệ giằng cột: • Tăng độ cứng dọc nhà • Giằng cột trên: bố trí ở đầu hồi và khe nhiệt • Nhận lực gió đầu hồi • Lực hãm cầu trục • Khoảng cách giữa hệ giằng <50-60m 5. Hệ giằng không gian 5. Hệ giằng không gian Hệ giằng mái: • Giằng cánh dưới • ngang nhà chịu lực gió W • dọc nhà chịu lực hãm ngang T : dầm với gối đàn hồi • Giằng cánh và giằng đứng theo cấu tạo hệ giằng cánh dưới Giằng cột: • Chịu lực dọc nhà : W , T 6. Tính toán hệ giằng 1. Giả thiết 2. Tải trọng tác dụng 3. Nội lực 4. Chiều dài tính toán 5. Tiết diện hợp lý 6. Chọn, kiểm tra tiết diện thanh dàn 7. Ví dụ II. TÍNH TOÁN DÀN  Trục các thanh đồng quy tại tim nút dàn, lực tập trung đặt trực tiếp vào nút dàn  Xem nút dàn là khớp (giả thiết gần đúng)  Nội lực trong thanh dàn là lực dọc  Khi cấu tạo dàn cần thoả: – Trục các thanh đồng quy tại tim nút – Tiết diện ngang của các thanh phải đối xứng qua mặt phẳng dàn 1. Giả thiết  Bao gồm: – Tải trọng thường xuyên: Trọng lượng tấm lợp, tấm chống thấm, lớp cách nhiệt, xà gồ, bản thân dàn giằng, cửa mái, trần... – Tải trọng tạm thời: trọng lượng người và thiết bị sửa chữa mái, tải trọng gió, cần trục treo...  Tải được tính trên đơn vị diện tích mặt bằng và được quy đổi thành lực tập trung đặt tại nút dàn 2. Tải trọng tác dụng – Pi: lực tập trung tại nút i – dt, df: khoảng cách nút dàn bên trái và bên phải nút i theo phương nhịp dàn – qc: tải trọng tiêu chuẩn phân bố trên diện tích mặt bằng Nếu phân bố trên diện tích mái dốc thì phải chia cho cos,  là góc nghiêng của mái – B: bước dàn – Q: hệ số tin cậy về tải trọng ứng với q c 2. Tải trọng tác dụng 2 t f c i Q d d P q B    Tính nội lực dàn cho các trường hợp tải trọng sau: – Tải trọng thường xuyên đặt cả dàn – Tải trọng sửa chữa mái đặt ½ dàn và cả dàn – Tải trọng gió  Khi có tải trọng tập trung đặt ngoài nút thì ngoài nội lực dọc trục, thanh dàn còn chịu uốn cục bộ với giá trị mômen: : hệ số kể đến tính liên tục của cánh trên, =1 cho khoang đầu, =0,9 cho các khoang bên trong  Tổ hợp nội lực để tìm nội lực nguy hiểm nhất 4 cb Pd M   3. Nội lực  Xác định chiều dài tính toán để: – Với thanh chịu nén: Kiểm tra sự ổn định của thanh – Với thanh chịu kéo: Xác định độ mảnh của nó sao cho không quá lớn để thanh không bị uốn cong do trọng lượng bản thân và chuyên chở lắp dựng  Chiều dài tính toán sẽ được xác định theo hai phương trong (Lx) và ngoài mặt phẳng (Ly) 4. Chiều dài tính toán a) Chiều dài tính toán trong mặt phẳng – Trong thực tế, nút dàn có độ cứng nhất định nên không phải là khớp lý tưởng – Khi một thanh chịu nén nào đó liên kết tại nút mất ổn định (bị cong) làm nút quay dẫn đến các thanh nén khác quy tụ tại nút cong theo  Các thanh kéo liên kết tại nút này có xu hướng bị kéo dài ra nên chống lại sự xoay này – Quy ước: + Nút có nhiều thanh nén hơn thanh kéo  nút dễ xoay, khớp + Nút có nhiều thanh kéo hơn thanh nén  nút khó xoay, ngàm đàn hồi 4. Chiều dài tính toán – Ví dụ: Khi chịu lực, giả thiết dấu nội lực các thanh như hình vẽ. Thanh ac: x=1 (2 đầu khớp), thanh ce: x=0,8 (nút c khớp, nút e là ngàm đàn hồi) – Chiều dài tính toán trong mặt phẳng dàn được lấy như sau: » Thanh cánh trên, cánh dưới, thanh xiên đầu dàn, thanh đứng gối tựa: Lx=L » Thanh bụng còn lại: Lx=0,8L khớp ngàm Với thanh bụng phân nhỏ, chiều dài tính toán của nó được lấy bằng khoảng cách nút dàn ở thanh bụng khảo sát 4. Chiều dài tính toán 35 b) Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng – Thanh bụng: Ly=L – Thanh bụng phân nhỏ chịu nén dài L1 có 2 trị số nội lực N1 và N2 (N1>N2); Thanh cánh nằm trong phạm vi giữa hai điểm cố kết (cách nhau L1) có hai trị số nội lực N1 và N2 (N1>N2):        2 1 1 0,75 0,25y N L L N 4. Chiều dài tính toán 36 c) Độ mảnh giới hạn các thanh dàn:   [] []: tra Bảng 4. Chiều dài tính toán  Tiết diện hợp lý khi sự làm việc hai phương bằng hoặc xấp xỉ nhau: x  y  Tiết diện thanh dàn thường dùng: a) Hai thép góc không đều cạnh, ghép cạnh lớn (ix  iy)  thanh dàn có Lx = Ly b) Hai thép góc không đều cạnh, ghép cạnh bé (ix  0,5iy)  thanh dàn có Ly = 2Lx c) Dạng hai thép góc đều cạnh ghép lại (ix  0,75iy): dùng hợp lý cho các thanh bụng dàn có Lx = 0,8Ly d) Hai thép góc đều cạnh ghép lại thành hình chữ thập: dùng cho thanh đứng ở vị trí khuyếch đại 5. Tiết diện hợp lý a) Nguyên tắc chọn tiết diện – Tiết diện thanh dàn nhỏ nhất là L50x5 – Trong một dàn L  36m nên chọn 6 đến 8 loại thép – Với L  24m  không cần thay đổi tiết diện thanh cánh – Khi L > 24m  phải thay đổi tiết diện để tiết kiệm vật liệu, dùng hai loại tiết diện với L  36m – Bề dày bản mã dàn được chọn dựa vào lực lớn nhất ở thanh xiên đầu dàn 6. Chọn, kiểm tra tiết diện thanh dàn Nội lực lớn nhất trong thanh bụng, kN ≤ 150 151 - 250 251 - 400 401 - 600 601 - 1000 1001 - 1400 1401 - 1800 1801 - 2200 2201 - 2600 2601 - 3000 Chiều dày bản mã, mm 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 b) Chọn và kiểm tra tiết diện thanh chịu nén Tính toán như cấu kiện nén đúng tâm – Diện tích cần thiết » gt: hệ số uốn dọc tra theo Bảng D.8 dựa vào độ mảnh gt giả thiết » gt=6080 với thanh cánh, gt=100120 với thanh bụng – Tra Bảng, chọn số hiệu thép góc cần dùng và tra ix, iy, Ag – Tìm max=max(x=Lx/ix; y=Ly/iy)  min yc gt c N A f   6. Chọn, kiểm tra tiết diện thanh dàn – Kiểm tra tiết diện đã chọn A = 2Ag: diện tích tiết diện  Nếu không thoả mãn chọn lại tiết diện và kiểm tra lại  Trường hợp thanh cánh có uốn cục bộ thì phải tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm  max  min c N f A      6. Chọn, kiểm tra tiết diện thanh dàn c) Chọn và kiểm tra tiết diện thanh chịu kéo – Diện tích cần thiết: – Tra bảng chọn tiết diện thép góc, tra ix, iy, Ag – Kiểm tra lại diện tích tiết diện: An: diện tích thực tế của tiết diện yc c N A f   max  c n N f A    6. Chọn, kiểm tra tiết diện thanh dàn d) Chọn tiết diện thanh theo độ mảnh giới hạn – Với thanh có nội lực nhỏ  Ayc nhỏ   > []  chọn tiết diện theo  = []  Tính: – Dựa vào ix,yc và iy,yc , tra bảng chọn thép góc làm tiết diện thanh    , , ; yx x yc y yc LL i i     6. Chọn, kiểm tra tiết diện thanh dàn Chọn tiết diện thanh xiên đầu dàn chịu lực nén tính toán N=53000daN. Thép CCT34  Xác định chiều dài tính toán: tbm 7. Ví dụ    0,5 0,5 340 170xL L cm                2 1 53000 0,75 0,25 0,75 0,25 340 340 53000 y N L L cm N  Diện tích tiết diện cần thiết: – Với thanh bụng phân nhỏ, chọn gt=85, tra Bảng D.8 TC (II.1 SGK)  gt=0,7  Chọn 2L1009010 ghép cạnh nhỏ (vì Ly = 2Lx  chọn tiết diện có ix  0,5iy) có ix=3,08cm, iy=4,71cm, A=2Ag=218,1=36,2cm 2        253000 36,2 0,7 1,0 2100 yc gt c N A cm f 7. Ví dụ  Tính min Từ max, tra bảng được min=0,77  Kiểm tra tiết diện – Độ mảnh: – Điều kiện ổn định tổng thể: max 170 340 55; 72,2 3,08 4,71 yx x y x y LL i i           max  min c N f A      7. Ví dụ 2 2 min 53000 1901,5 2100 0,77 36,2 c N daN daN f A cm cm           max 72,7 120    : OK! : OK! 1. Nguyên tắc chung 2. Tính toán nút dàn III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN 1. Nguyên tắc chung – Trục các thanh dàn được đồng quy tại tim nút dàn – Các thanh dàn liên kết hàn với bản mã bằng các đường hàn góc cạnh với hf  4mm, Lw  50mm Lw III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN – Khoảng cách đầu thanh bụng với thanh cánh không nhỏ hơn 6tbm-20 mm hoặc 50mm và không lớn hơn 80mm – Bản mã nên chọn hình dáng đơn giản (nên có hai cạnh song song) để dễ chế tạo. Góc hợp bởi cạnh bản mã và trục thanh bụng không nhỏ hơn 150 để đảm bảo sự truyền lực d III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN – Khi có thay đổi tiết diện thanh cánh, thanh cánh được nối tại nút dàn. Khoảng cách hở giữa hai đầu thanh bằng 50mm III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN – Khi bề dày cánh thép góc cánh trên mỏng (tg<10mm), dưới tác dụng của lực tập trung (sườn panen mái hoặc xà gồ) tại vị trí nút dàn, cánh thép góc dễ bị uốn cong  tại nút dàn gia cường bản thép góc III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN – Với thanh dàn làm từ hai thép góc, đặt các bản đệm để hai thép góc cùng làm việc. Chiều dày đệm bằng bản mã, chiều rộng từ 50mm đến 100mm, dài vượt khỏi thanh dàn mỗi đầu từ 10mm đến 15mm để đủ hàn » Thanh nén: a  40i1 » Thanh kéo: a  80i1 i1: bán kính quán tính của một thép góc lấy đ/v trục riêng (trục 1-1) // mặt phẳng dàn III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN 2. Cấu tạo và tính toán chi tiết nút dàn: (SV tự đọc SGK) III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN a) Nút gối III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN b) Nút trung gian III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN c) Nút đỉnh dàn III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN d) Nút giữa dàn cánh dưới III. CẤU TẠO & TÍNH TOÁN NÚT DÀN e) Nút có nối thanh cánh