THIẾT KẾ HỢP LÝ LIÊN KẾT BU LÔNG DÙNG MẶT BÍCH TRONG MỐI NỐI CÁC CẤU KIỆN CỦA KHUNG THÉP

1. Tính cấp thiết của đề tài

THIẾT KẾ HỢP LÝ LIÊN KẾT BU LÔNG DÙNG MẶT BÍCH TRONG MỐI NỐI CÁC CẤU KIỆN CỦA KHUNG THÉP

Sự phát triển lớn mạnh, nhanh chóng của nền kinh tế nước ta đòi hỏi phải xây dựng nhanh nhất, chất lượng tốt nhất hàng loạt các nhà nhịp lớn cho xưởng sản xuất, công trình văn hóa thể thao và các nhà cao tầng cho công sở, chung cư… Trong các trường hợp như vậy, kết cấu thép đang và sẽ được ứng dụng ngày càng nhiều; do vì những ưu điểm vượt trội của mình về khả năng chịu lực lớn, về độ tin cậy cao, và đặc biệt là tính linh động trong áp dụng.

Trong xây dựng công trình bằng thép thì kết cấu kiểu khung là phổ biến và đóng vai trò chịu lực chính. Liên kết các cấu kiện cột, dầm tại nút để tạo thành khung; hoặc liên kết được bố trí tại tiết diện nào đó của cấu kiện khung để khuyếch đại các cấu kiện dầm, cột trở thành kết cấu lớn hơn. Nhờ có liên kết mà các chi tiết, cấu kiện nhỏ lẻ trở thành một tổng thể kết cấu không gian cùng chịu lực.

Về hình thức, mối nối các cấu kiện có thể dùng hàn hoặc dùng bulông; nhưng khi lắp ghép cấu kiện ở hiện trường thì nếu sử dụng liên kết hàn sẽ phức tạp cho thi công; vì vậy hiện nay nút khuyếch đại các cấu kiện, kết cấu thép phần lớn là sử dụng liên kết bulông với mặt bích.

Sự truyền lực tại liên kết chủ yếu được đảm trách bởi các bulông. Với mỗi vị trí cụ thể, tùy theo điều kiện chịu lực và khả năng thi công mà có thể có nhiều cách cấu tạo liên kết khác nhau để tạo thành liên kết cứng hoặc khớp; tương ứng với nó, cũng có các cách tính khác nhau.

Trong thời kỳ hội nhập kỹ thuật, nhà nước ta cho phép thiết kế công trình không chỉ bằng TCVN mà có thể tiến hành theo một số TCTK nước ngoài. Với mong muốn tạo thuận lợi cho người thiết kế, có một định hướng về trình tự, cách thức khi tính toán liên kết theo một số TC nước ngoài; đồng thời so sánh với quy định của TCVN, luận văn này nhằm: Làm rõ quy trình, quy định của TC Mỹ AISC và Tiêu chuẩn Châu Âu EC3 về ứng xử của các cấu kiện và cách tính liên kết bu lông có sử dụng mặt bích. Thông qua một số ví dụ bằng số để minh họa cách tính, làm rõ quy trình, so sánh quy mô của liên kết. Đồng thời đề xuất khả năng áp dụng, để có thể vận dụng trong thực tế thiết kế, thi công công trình xây dựng ở nước ta.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu và tìm hiểu các quy định của các quy phạm, các tài liệu hướng dẫn của TCVN, TC Mỹ AISC và TC Châu Âu EC3 về bu lông, cấu tạo liên kết bu lông, phương pháp thiết kế liên kết bulông, áp dụng liên kết bu lông cho mối nối dầm, mối nối cột và cho nút của khung thép; đó cũng là một tiêu chí cho việc thiết kế hợp lý mối nối liên kết các cấu kiện của khung thép, để đáp ứng yêu cầu xây dựng công trình bằng thép hiện nay tại Việt Nam.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Do yêu cầu và khuôn khổ về thời gian và điều kiện; Luận văn này chỉ hạn chế việc khảo sát liên kết bulông ở các mối nối thông dụng cấu kiện của khung: tiết diện đặc thuần thép, chịu tải trọng tĩnh.

Tìm hiểu các quy định của các quy phạm, các tài liệu hướng dẫn của tiêu chuẩn AISC, TCVN và TC Châu Âu EC3 về phương pháp, trình tự thiết kế hợp lý liên kết bu lông dùng mặt bích trong mối nối các cấu kiện của khung thép.

4. Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên các quy định của các tiêu chuẩn AISC, TCVN và TC Châu Âu EC3 về phương pháp tính toán bu lông dùng mặt bích trong mối nối các cấu kiện bằng thép. Tiến hành các ví dụ bằng số để minh họa cách tính; làm rõ quy trình, so sánh, phân tích, nhận xét về cấu tạo, về sự phân bố nội lực và ứng xử của các bộ phận trong liên kết; tìm hiểu tính khả thi khi áp dụng.

5. Bố cục luận văn

Với mục đích và tiêu chí nêu trên, luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị và 3 chương chính sau đây:

– Chương 1: Tổng quan về bulông và sự làm việc của liên kết bulông;

– Chương 2: Nguyên lý cấu tạo, tính toán liên kết bulông với mặt bích trong mối nối các cấu kiện của khung thép theo một số Tiêu chuẩn thiết kế.

Quy định cho mối nối dầm, mối nối cột và nút khung theo các Tiêu chuẩn thiết kế (TCVN, AISC, EC3);

– Chương 3: Một số ví dụ bằng số, tính toán liên kết bu lông.

– Phần kết luận: So sánh về quy mô, cách tính, sự khả thi khi tiến hành theo ba TCTK. Khuyến cáo nên áp dụng cho thực tế.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG TRONG LIÊN KẾT

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG

1.1.1. Khái niệm chung về liên kết dùng trong kết cấu thép

Từ những thanh, tấm liên kết thành cấu kiện, cấu kiện liên kết thành công trình.

1.1.2. Liên kết hàn

1.1.3. Liên kết đinh tán

1.1.4. Liên kết bu lông

1.2. TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT BU LÔNG

1.2.1. Đặc điểm

1.2.2. Cấu tạo chung của bu lông

1.2.3. Các loại bu lông

1.2.4. Đặc điểm làm việc của liên kết bu lông

1.2.5. Liên kết bu lông thô và bu lông thường

1.2.6. Liên kết bu lông cường độ cao

Liên kết bu lông cường độ cao được tính toán với giả thiết là nội lực trong liên kết được truyền bằng ma sát nảy sinh trên mặt tiếp xúc của các cấu kiện được nối do lực xiết bu lông.

Lực trượt tính toán mà mỗi mặt ma sát của những cấu kiện được liên kết có thể chịu được khi xiết một bu lông cường độ cao được tính theo công thức:

(1.9)

Trong đó: f_hb – cường độ tính toán chịu kéo của bu lông cường độ cao f_hb = 0,7f_ub với f­_ub là cường độ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu làm bu long.

– hệ số ma sát, – hệ số độ tin cậy,

A_bn – diện tích tiết diện thực của bu lông,

– hệ số điều kiện làm việc của liên kết, phụ thuộc số lượng bu lông chịu lực n_{a ­} trong liên kết, giá trị của lấy như sau:

= 0,8 nếu n_a < 5; = 0,9 nếu 5 n_a < 10; = 1,0 nếu n_a 10

a. Liên kết bu lông cường độ cao chịu lực dọc trục N

Số lượng Bu lông cường độ cao n_a cần thiết để chịu lực dọc N được tính theo công thức: n_a (1.10)

Trong đó: n_f – số lượng mặt ma sát của liên kết.

Kiểm tra bền các bản thép được liên kết theo tiết diện giảm yếu bởi lỗ bu lông được tiến hành theo công thức 2.21 nhưng thay A_n = A_qu. Coi như một nửa lực đi qua mỗi bu lông đã được truyền bằng lực ma sát, do đó điện tích của tiết diện quy ước A_qư được tính như sau:

+ Khi chịu tải trọng động: bằng diện tích thực A_n;

+ Khi chịu tải trọng tĩnh: bằng diện tích tiết diện nguyên A nếu A_n 0,85 A; bằng diện tích quy ước A_qư = 1,18A_n < 0,85A.

Hệ số điều kiện làm việc γbl = 1 vì liên kết bulông cường độ cao không làm việc đàn dẻo.

b. Liên kết bu lông cường độ cao chịu mômen uốn

Vì liên kết bulông cường độ cao truyền lực bằng ma sát, sự dịch chuyển của các mặt là rất nhỏ (0,01mm) nên coi như các bulông trong liên kết chịu lực như nhau khi chịu mômen uốn

Do đó: nên N_bl = (1.11)

Trong đó: N_bl – lực tác dụng lên một bulông do M

Yêu cầu: N_bl ≤ (1.12)

Quan hệ giữa mô men vặn M và lực căng N trong bulông (đường kính d) có thể tính theo công thức sau:

M = N. k. d (1.13)

Trong đó: Đơn vị của mô men M là Nm; của N là kN; của d là mm; Hệ số thực nghiệm k = 0,17~0,19

Khi dùng bulông cường độ cao, trong thiết kế phải ghi rõ phương pháp gia công bề mặt các bản thép.

c. Các ví dụ tính toán liên kết bu lông

1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ LIÊN KẾT CƠ BẢN TRONG LIÊN KẾT KHUNG THÉP

1.4. MÔ HÌNH LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT

1.4.1. Mô hình lũy thừa ba hệ số của Kishi – Chen

1.4.2. Mô hình Frye – Morris

1.5. PHÂN LOẠI LIÊN KẾT THEO AISC VÀ EC3

1.5.1. Phân loại liên kết theo AISC

a. Phân loại theo khả năng chịu lực của liên kết

b. Phân loại theo độ cứng tương đối của liên kết

1.5.2. Phân loại liên kết theo Eurocode 3

Nhận xét: Qua phần trình bày cách phân loại và tính toán liên kết đàn hồi theo tiêu chuẩn Mỹ AISC và tiêu chuẩn châu Âu EURO CODE 3, nhận thấy nên sử dụng Eurocode 3 để tính toán do mức độ cụ thể hóa và cách phân loại sát thực tế hơn.

1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua phần trình bày cách phân loại và tính toán liên kết đàn hồi theo tiêu chuẩn Mỹ AISC và tiêu chuẩn châu Âu EURO CODE 3, nhận thấy nên sử dụng Eurocode 3 để tính toán do mức độ cụ thể hóa và cách phân loại sát thực tế hơn.

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LÝ CẤU TẠO, CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP VÀ LIÊN KẾT BU LÔNG VỚI MẶT BÍCH TRONG KHUNG THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN

2.1. TIÊU CHUẨN AISC-2005

2.1.1. Giới thiệu chung

2.1.2. Vật liệu thép sử dụng trong thiết kế

a. Thép cacbon

b. Thép hợp kim thấp cường độ cao

c. Thép hợp kim và hợp kim thấp được nhiệt luyện

d. Thép dùng làm cầu

2.1.3. Các phương pháp và cơ sở thiết kế

Quy phạm AISC 2005 bao gồm hai phương pháp thiết kế: Thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (Load and Resistance Factor Design, LRFD) và Thiết kế theo độ bền cho phép (Allowable Strength Design, ASD). Người sử dụng có thể tuỳ ý chọn dùng một phương pháp thích hợp. Cả hai phương pháp này thực chất là thiết kế theo trạng thái giới hạn là khi chịu các tổ hợp tải trọng qui định, kết cấu không được vượt quá trạng thái giới hạn về độ bền và về sử dụng.

a. Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

b. Phương pháp thiết kế theo độ bền cho phép

2.1.4. Phân lớp tiết diện theo điều kiện ổn định cục bộ

a. Phân lớp tiết diện

b. Xác định các giới hạn độ mảnh _p và _r

_p và _r phụ thuộc vào loại phần tử và trạng thái ứng suất. Phân loại hai loại phần tử: Phần tử không gia cường và phần tử được gia cường.

2.1.5. Tính toán độ bền yêu cầu của kết cấu

a. Các yêu cầu chung

b. Cách phân tích bậc 2

c. Cách phân tích bậc 1

2.1.6 Liên kết bu lông chịu tải trọng lệch tâm, nằm trong mặt phẳng liên kết

Hình 2.5. Tải trọng lệch tâm nằm trong mặt phẳng liên kết

a. Lý thuyết tính toán

Tải trọng lệch tâm P nằm trong mặt phẳng liên kết được đưa về trọng tâm O của nhóm bu lông và được thay thế Q = P và mô men xoắn T = P.e.

– Lực tác dụng lên một bu lông:

Do lực cắt Q phân bố đều trên bu lông:

(2.19)

Do mô men xoắn gây ra đối với bu lông ở xa tâm quay nhất:

(2.20)

Với: n_i số bu lông ở hàng thứ I có cùng khoảng cách đến O

Khoảng cách thẳng góc của bu lông hàng thứ i đến trọng tâm O.

Hợp lực do Q và T tác dụng lên một bu lông

(2.21)

Kiểm tra điều kiện bền của bu lông theo khả năng ép mặt [N]_cmbl và theo khả năng chịu cắt [N]_cbl :

N_b ≤ [N]_minbl (2.22)

Với [N]_minbl =min([N]_cmbl, [N]_cbl )

b. Ví dụ tính toán

2.1.7. Liên kết bu lông tại vai cột chịu tải trọng lệch tâm, nằm ngoài mặt phẳng liên kết

a. Lý thuyết tính toán

– Tải trọng lệch tâm đặt ngoài mặt phẳng liên kết có khuynh hướng làm tách rời vai cột ra khỏi cánh cột và gây nội lực kéo, cắt cho các bu lông, tâm uốn đặt ở hàng bu lông cuối cùng, nhưng:

+ Vị trí tâm uốn của nhóm bu lông ở hàng bu lông cuối cùng chỉ đùng khi độ cứng của vai cột rất lớn so với độ cứng của cột. Nhưng thực tế cột có độ cứng lớn hơn rất nhiều so với vai cột.

+ Khi tải trọng lệch tâm đặt ngoài mặt phẳng liên kết của vai cột thì sự làm việc sẽ khác nhau ra sao giữa nhóm bu lông thường và bu lông có cường độ cao.

Đối với liên kết dùng bu lông thường

– Đỉnh cột có khuynh hướng tách ra và chân thị ép lại. Ứng suất do mô men uốn phân bố trên mặt phẳng liên kết giống như trong dầm BTCT.

+ Vùng nén bên dưới trục trung hòa thì các bu lông trong vùng nén không làm việc. ứng suất nén được phân bố trên bề mặt phần thép cơ bản.

+ Vùng kéo bên trên trục trung hòa được đại diện bới các bu lông, tương tự như cốt thép trong dầm bê tông cốt thép. Các tấm thép cơ bản bị tách rời và không tham gia chịu lực.

+ Tại vai cột có lực P nếu tải trọng tĩnh, theo quy định của AISC ta dùng bu lông cường độ cao không có lực căng trước.

– Lập phương trình cân bằng mô men tĩnh của hai vùng kéo – nén để tìm vị trí trục trung hòa. Tâm uốn nằm trên trục trung hòa. Một cách gần đúng thì khoảng cách từ tâm uốn đến mép dưới vai cột lấy là: y = (1/6-1/7)h₁. Với h₁ là khoảng cách từ hàng bu lông trên cùng đến mép dưới vai cột.

– Lực lớn nhất tác dụng lên một bu lông ở xa tâm uốn nhất:

+ Do lực cắt Q=P gây cắt và ép mặt cho bu lông:

(2.23)

+ Do mô men uốn gây kéo cho bu lông:

(2.24)

Với: y₁ là khoảng cách từ hàng bu lông trên cùng đến tâm uốn O.

J_x là mô men quán tính của các bu lông trong vùng chịu nén, lấy đối với TTH.

F_bl là diện tích tiết diện của bu lông.

Đối với liên kết dùng bu lông cường độ cao

– Khi có tải trọng lệch tâm P (là tải trọng động) đặt ngoài mặt phẳng liên kết và dùng bu lông cường độ cao, sự làm việc của liên kết sẽ khác hẳn so trường hợp dùng bu lông thường.

– Lực căng trước sẽ làm cho các tấm thép cơ bản ép chặt vào nhau. Ứng suất nén ban đầu giữa các tâm thép được tính bằng cách lấy tổng lực căng trước của tất cả các bu lông chia cho diện tích tiếp xúc giữa các tấm thép cơ bản:

(2.25)

Với: P_t Lực căng trước trong thân bu lông cường độ cao.

F_t = F- ; F_l là diện tích lỗ

– Khi tác dụng tải lệch tâm vào liên kết gây mô men uốn. Ứng suất được phân bố trên bề mặt tiếp xúc giữa các bản thép (thân bu lông chỉ chịu tải trọng kéo trước mà không chịu tác dụng của tải trọng lệch tâm). Ứng suất này phân bố theo đường bậc nhất, tâm uốn trùng với trọng tâm của thép cơ bản, ứng suất kéo lớn nhất nằm ở mép trên và ứng suất nén lớn nhất nằm ở mép dưới của thép cơ bản: (2.26)

Với: J_x là mô mên quán tính của mặt tiếp xúc giữa các tấm thép cơ bản, lấy đối với trục x-x.

– Biểu đồ ứng suất tổng: (2.27)

Liên kết bị mất cân bằng và bị phá hoại khi: ứng suất kéo lớn nhất do mô men uốn gây ra ở tấm thép cơ bản vượt quán ứng suất nén ban đầu ở các tấm thép cơ bản do lực trước trong các bu lông gây ra: (2.28)

2.1.8. Liên kết bu lông tại nút cứng của khung

Cách thiết kế liên kết bu lông ở tiêu chuẩn này khác với cách thiết kế ở mục 2.2.1 (dùng cho vai cột liên kết vào cánh cột), tuy cùng chịu lực mô men ngoài mặt phẳng liên kết. Mô men ở dầm truyền vào cột được phân thành cặp ngẫu lực: N_c=tác dụng vào trọng tâm của cánh trên và cánh dưới.

a) Thiết kế bu lông của liên kết

Nhóm bu lông (1) được thiết kế để chịu lực kéo cả cánh dầm chịu kéo:

(2.29)

Với: M, N là mô men và lực dọc tại nút liên kết dầm với cột.

hc: khoảng cách trọng tâm hai cánh dầm.

Nhóm bu lông (2) được lấy theo cấu tạo, vì phần lực ở cánh dầm chịu nén được truyền vào cột chủ yếu thông qua mặt tiếp xúc giữa mặt bích và cánh cột, chứ không thông qua bu lông.

– Về cấu tạo bu lông theo kiểu này cấn lưu ý:

+ Bố trí nhóm bu lông ở sát gần cánh kéo hoặc cánh nén nhất.

+ Số bu lông cánh kéo thường nhiều hơn, do đó cần kéo dài mặt bích về phía cánh kéo và đặt thêm sườn cứng. Nếu bố trí mô men đổi dấu thì hai nhóm bu lông này bố trí như nhau. Có các kiểu 4 bu lông không sườn cứng hoặc kiểu nút có 8 bu lông có sườn cứng; sở dĩ chọn 4 bu lông hoặc 8 bu lông để bố trí đối xứng qua cánh lẫn bụng dầm, tránh được mô men lệch tâm.

+ Dùng bu lông cường độ cao không có lực căng trước (nếu liên kết chịu tải trọng tĩnh) hoặc bu lông cường độ cao có lực căng trước (nếu liên kết chịu tải trọng động).

b) Thiết kế tấm mặt bích

– Đặc điểm của tấm mặt bích:

+ Làm từ thép có giới hạn chảy trên 25KN/cm²

+ Bề rộng tấm mặt bích: và ;

bề rộng cánh dầm

+ Khoảng cách từ cánh dầm đến hàng bu lông gần nhất:

a = d + 1,3 (cm) hoặc a = 5 (cm)

Với d đường kính bu lông, ở đây ta xét a = 5cm là điều kiện để đủ chỗ vặn bu lông. Khoảng cách a nên hạn chế để không làm tăng mô men uốn trong tấm mặt bích (do đó, tiết kiệm được chiều dày tấm).

+ Tấm bích được thiết kế chịu uốn và kéo, truyền nội lực từ cánh dầm chịu kéo đến các bu lông gần đó và đến cột.

+ Tấm bích được thiết kế làm việc trong giai đoạn dẻo để giúp sự phân phối lại mô men uốn trong dầm và cột.

2.2. THIẾT KẾ LIÊN KẾT CỘT DẦM THEO TCVN

Xà nghiêng liên kết cứng vào cột có thể thực hiện theo nhiều cách, phần này giới thiệu hai cách: xà liên kết trên đỉnh cột và xà liên kết bên cạnh cột.

Khi này đầu cột và xà hàn hai bản bích, dùng bulông liên kết hai bản này, đường kính bulông. Các bulông chịu kéo bố trí từ 2 đến 4 hàng, bulông phía nén bố trí 1 đến 2 hàng; khoảng cách giữa các bulông lấy theo bảng sau:

Bảng 2.4. Khoảng cách bố trí bulông (mm)

Có hai quan niệm tính:

2.2.1. Quan niệm tính thứ nhất

Cách tính thiên về an toàn, tính toán đơn giản nên thường được dùng nhiều. Tại chỗ nối có mômen M, lực dọc N (kéo hoặc nén) và lực cắt V (lấy tại tiết diện đỉnh cột)

– Khi lực dọc N nén: mônmen gây uốn bản bích, tách hai bản bích; lực dọc nén hạn chế bớt sự uốn này (ép hai bản vào), do đó thiên về an toàn bỏ qua ảnh hưởng của lực nén N. Coi liên kết xay quanh hướng bulông trong cùng, lực kéo lớn nhất ở hàng bulông ngoài cùng, bỏ qua ảnh hưởng của các bulông ở miền chịu nén (ở gần tâm quay).

N_bmax= (2.36)

Trong đó: h₁ – khoảng cách hai hàng bulông ngoài cùng;

h_i – khoảng từ hàng bulông thứ i (vùng kéo) đến tâm quay

Kiểm tra bulông chịu kéo và chịu cắt. Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép, khi bulông vừa chịu kéo vừa chịu cắt sẽ kiểm tra riêng rẽ (vì sự phá hoại do kéo xảy ra trên tiếp diện thực còn sự phá hoại do cắt xảy ra trên tiết diện nguyên của bulông)

Yêu cầu: N_bmax và (2.37)

Trong đó: – khả năng chịu kéo và chịu cắt của một bulông

n – số bulông trong liên kết.

– Khi lực dọc kéo: gần đúng, bulông sẽ chịu thêm lực kéo do mômen lệch tâm của lực N với tâm quay

N_bmax= (2.38)

Trong đó: y: khoảng cách từ trục cột đến tâm quay.

Bản bích phải có chiều dày t_bb đủ lớn để truyền lực kéo do mômen vào bulông lấy giá trị lớn hơn trong hai trị số sau:

t_bb

t_bb (2.39)

Trong đó: N_i: lực kéo trong một bulông hàng i,

N_i­ = N_bmax. – chiều cao vùng chịu nén với giả thuyết ứng suất vùng nén đạt đến cường độ tính toán f.

Tính đường hàng liên kết tiết diện cột (xà ngang) vào bản bích theo M, N, V. Có thể tính gần đúng: coi đường hàn góc bản cánh cột chịu M và N: N_c= m/h_c + N/2

Đường hàn bụng cột chịu lực cắt V. Chọn chiều cao đường hàn và kiểm tra khả năng chịu lực của đường hàn.

2.2.2. Quan niệm tính thứ 2

Xét trường hợp bố trí bulông có mô men căng thớ ngoài cột.

Dưới tác dụng của M và lực nén N, bản bích bị xoay, gây nén cho cánh cột và một phần bản bụng, gây kéo cho bulông liên kết. Gọi y là khoản cách từ mép ngoài bản bụng đến điểm có ứng suất 0

Gọi Z_i là lực kéo trong các hàng bulông và _n là ứng suất nén ở cánh cột. Giả thiết: Z₁ + Z₂ + Z₃ = 3Z₂ = 3Z; cần phải xác định 3 ẩn là y, z và _n nên cần 3 phương trình.

Hình 2.13. Tính bu lông tại đỉnh cột

Gọi A_f là diện tích bản cánh cột. Phương trình hình chiếu các lực lên phương đứng: _n.A_f + (2.40)

– Phương trình cân bằng mô men với trọng tâm vùng áp suất nén:

3.Z (2.41)

– Phương trình biến dạng: biến dạng của bu lông tỷ lệ với biến dạng nén ở bên bản bụng (2.42)

Trong đó: C – khoảng cách từ bu lông đến trục trung hòa.

Khử Z và trong 3 phương trình trên sẽ được một phương trình bậc 3 của y, giải phương trình sẽ được y. Từ đó tính được Z và . Vị trí của Z ở vị trí hợp lực của các bulông Z_1, Z_2, Z_3..với giả thuyết chúng tỷ lệ khoảng cách đến trục trung hòa.

– Tính lực kéo ở mỗi bulông: N_bl=Z/2

– Lực trong bulông các hàng được phân phối cho bản cánh, bản bụng cột.

Gọi L₁, L₂ là khoản cách từ tâm bulông đến trục bản bụng (hoặc sườn) và đến trục bản cánh cột thì lực trong bản bụng (P₁) và bản cánh cột (P₂) do lực kéo của bulông là:

P₁= và P₂= (2.43)

Bản bích được coi như dầm công xôn, ngàm tại đường tim hàng

bulông, bị uốn do P₁ với cánh tay đòn bằng (L₁-0,25d) hoặc lực P₂ có cánh tay đòn (L₂-0,25d). Lực từ bulông phân phối cho các bộ phận giả thiết đặt trên khoảng b_i:

Mômen uốn M= P_i.L/2; t_bb =

– Kiểm tra ứng suất các bộ phận do lực kéo của bulông:

(2.44)

2.3. THEO TIÊU CHUẨN EC3

Liên kết truyền mô men giữa dầm và cột, theo kiểu mặt bích được trình bày: Mô men truyền từ dầm qua cột bằng cách cân bằng nhóm lực kéo của các bu lông với lực nén nằm ở trọng tâm cánh dưới. Tâm quay nằm ở trọng tâm cánh dưới và hàng bu lông xa tâm quay nhất sẽ chịu kéo lớn nhất.

– Về mặt cấu tạo cần lưu ý:

+ Bố trí bu lông thường rải dài khắp chiều cao bụng dầm (chứ không tập trung ở gần cánh kéo hoặc cánh nén như kiểu của tiêu chuẩn AISC).

+ Số lượng bu lông thường nhiều hơn.

2.4. THIẾT KẾ LIÊN KẾT ĐỈNH DẦM VÀ NỐI DẦM

2.4.1. Theo tiêu chuẩn Việt Nam và Tiêu chuẩn AISC

Cách tính toán các mối nối liên kết tương tự như cách tính liên kết xà cột. Nhưng khi liên kết tại định xà, do lực cắt V có phương vuông góc với trục dầm, lực chọn N có phương trục dầm nên thành phần chiếu V và N lên phương đứng: (V. ± N.sin) sẽ là lực để kiểm tra cắt bulông; lấy dấu cộng hay trừ phụ thuộc vào chiều của V và N.

2.4.2. Theo tiêu chuẩn Eurocode 3

2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Từ những nguyên lý cấu tạo, cơ sở tính toán kết cấu thép và liên kết bulong với mặt bích trong khung thép theo tiêu chuẩn AISC, TCVN và tiêu chuẩn Châu Âu EC3 làm cơ sở đi vào tính toán ví dụ số ở chương 3.

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG VỚI MẶT BÍCH

TRONG KẾT CẤU KHUNG THÉP

3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

3.2. TÍNH TOÁN MỐI NỐI LIÊN KẾT CỘT XÀ

3.2.1. Ví dụ 1

Thiết kế mối nối xà – cột như hình 3.1 thép có cường độ tính toán f =2100daN/cm², hàn tay, que hàn N42. Cột: bản cánh b_f x t_f =250x10mm, bản bụng h_wxt_w = 1200x8mm, sườn b_sxt_s= 9,5x10mm. Xà tại mối nối có tiết diện bằng tiết diện cột.

Nội lực: M = 370 kNm; Nn = 64 kN (nén), V = 107kN.

Diện tích thực của bu lông A_bn = 2,45cm2, cường độ tính toán chịu kéo của bu lông 6.6 là f_tb = 2500 daN/cm²

Hình 3.5. Biểu đồ so sánh lực kéo trong bu lông của ví dụ 1

Ta chọn phương án 1 là hợp lý nhất về số lượng bu lông, cũng như cách bố trí các bu lông trong mặt bích và kích thước dày mặt bích.

3.2.2. Ví dụ 2

3.2.3. Ví dụ 3

3.2.4. Ví dụ 4

3.3. TÍNH TOÁN MỐI NỐI LIÊN KẾT ĐỈNH XÀ

3.3.1. Ví dụ 5

3.3.2. Ví dụ 6

3.4. TÍNH TOÁN MỐI NỐI LIÊN KẾT DẦM – DẦM

3.4.1. Ví dụ 7

3.4.2. Ví dụ 8

3.5. NHẬN XÉT, KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Đối với liên kết cột với dầm (xà): Tải trọng tính toán bu lông trong liên kết bu lông với mặt bích chủ yếu là thành phần mô men uốn M và lực cắt V. Thành phần lực dọc N nếu càng lớn thì liên kết càng an , do lực dọc N gây ép chặt hai mặt bích vào nhau. Để an toàn trong tính toán nên bỏ qua thành phần lực dọc N.

Đối với liên kết nút đỉnh kèo, nút liên kết dầm với dầm: chịu tải trọng mô men uốn là chính và N bé; bu lông chịu kéo thường ở cánh dưới của dầm. Với những dầm có góc nghiêng α thì N chia làm 2 thành phần gây kéo và cắt cho bu lông. Những mối nối ở giữa nhịp liên kết bu lông thường mở rộng về phía bụng dầm nên bố trí bu lông nhiều ở vùng kéo và bích thép mở rộng về phía dưới dầm có thể gia cường sườn cứng chịu tải trọng M là chính. Những liên kết ở 1/4 nhịp dầm thường bố trí đều ở bản bụng dầm bản bích thường mở rộng đều ở cánh trên và cánh dưới. Những mối nối ở giữa gối và ¼ nhịp thường mở rộng về phía cánh trên của dầm nên bố trí bu lông nhiều ở vùng kéo và bích thép mở rộng về phía cánh trên có thể gia cường sườn cứng chịu tải trọng M và Q.

Đối với liên kết cột với cột: Thường tính toán và bố trí các bu lông đều nhau theo quy trình tính toán của tiêu chuẩn EC3, những mối nối gần đỉnh cột thường tăng cường bu lông và mở rộng bản bích ra phía kéo của cột, tức là phía bên ngoài khung.

Việc bố trí các bu lông trong liên kết phải hợp lý về khoảng cách, số lượng, chủng loại, vùng chịu lực chính, chiều dày và độ mở rộng bản bích để đảm bảo tính hiệu quả trong chịu lực và không lãng phí.

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Áp dụng liên kết bu lông với mặt bích trong mối nối khung thép nhà cao tầng và nhà nhịp lớn ngày càng sử dụng phổ biến, liên kết mặt bích vào cấu kiện được gia công từ xưởng hoặc nhà máy nên độ chính xác ca lý hoặc là sự chuyển đổi chuẩn kết quả phức tạp. Khi thiết kế đã dùng tiêu chuẩn nào để tính toán thì thẩm định cũng cần dùng chính tiêu chuẩn đó để thẩm tra.

Sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn là ở cách bố trí bu lông theo chiều cao mặt bích và tâm quay. TCVN và EC có cách bố đinh giống nhau là rải đều trên chiều cao mặt bích, còn tâm quay là ở trọng tâm vùng nén; theo cách này thì việc xác định tâm quay thường khá phức tạp, Vì vậy, TCVN coi tiết diện dầm và bản bích là rất cứng và quan niệm tâm quay nằm ở trọng tâm cánh nén, những bu lông càng xa tâm quay làm việc càng nhiều, những bu lông gần tâm quay làm việc ít, nhưng được bố trí cấu tạo với o. Công tác thi công lắp dựng cũng như khuyếch đại kết cấu rút ngắn thời gian thi công, không làm biến dạng hàn thép cơ bản của kết cấu như liên kết hàn. Sử dụng liên kết này trong kết cấu thép nhà cao tầng và nhà nhịp lớn thường sử dụng bu lông cường độ cao. Để tính toán liên kết này khi thiết kế một công trình thép chỉ nên dùng một hệ thống tiêu chuẩn, không nên dùng tiêu chuẩn khác nhau sẽ dẫn tới sự vô

bước đều nhau. Số lượng bu lông nhiều nhưng đường kính đinh sẽ bé, sẽ dễ dàng thi công hơn.

AISC thì thường chia bu lông thành 2 nhóm và phân chia rõ ràng, nhóm kéo, nhóm nén; theo cách này, số lượng bu lông thường ít hơn nhưng đường kính định bị lớn hơn TCVN, sẽ khó khăn khi vặn bu lông ở những liên kết lớn.

Khi bố trí đinh không theo nhóm mà rải đều dọc chiều cao mặt bích thì AISC thường chọn chiều cao vùng nén theo kinh nghiệm, khoảng (1/6-1/7)h₁, với h₁ là khoảng cách từ mép ngoài vùng nén đến bu lông kéo nhiều nhất.

2. Kiến nghị

Đối với những công trình thép quan trọng có sử dụng liên kết bu lông cường độ cao với mặt bích để liên kết các cấu kiện của khung thép, thì nên áp dụng tiêu chuẩn AISC để tính toán và bố trí cấu tạo. Bởi vì AISC có cách tính thích hợp và khá đơn giản cho cả 2 trường hợp: bố trí theo nhóm và bố trí rải đều. Ở vùng chịu kéo, cần bố trí bu lông nhiều hơn, vùng nén cần bố trí ít hơn; không nên bố trí với bước đều nhau như của TCVN và EC3.

Với phương pháp, trình tự và công thức tính toán rõ ràng như ở chương 2; những ví dụ minh họa ở chương 3, tài liệu này có thể là 1 tài liệu tham khảo, hướng dẫn cho các kỹ sư thiết kế và sinh viên xây dựng.

Tuy nhiên do hạn chế về thời gian và năng lực, luận văn này đã chưa thể đề cập đến những vấn đề sau:

– Sự phân phối nội lực trong các liên kết rộng, có bước đinh không đều;

– Ảnh hưởng của cấu tạo liên kết, của lực căng trước đến độ cứng của nút khung, sẽ làm thay đổi cả về định tính và định lượng khả năng chịu lực của khung;

– Ảnh hưởng của tải trọng động và khả năng chịu tải trọng động của liên kết bu lông;

– …

Đây là những vấn đề phức tạp, nhưng cần thiết cho sự dánh giá đúng vai trò của bu lông và liên kết bu lông trong sự làm việc chung của toàn hệ; cũng là cơ sở để đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng bu lông trong xây dựng công trình.

THIẾT KẾ HỢP LÝ LIÊN KẾT BU LÔNG DÙNG MẶT BÍCH TRONG MỐI NỐI CÁC CẤU KIỆN CỦA KHUNG THÉP

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\DOAN VAN HIEN