Phương Nam Co LTD
© 28/3/2024 - Vietnam12h.com Application

Tính toán giá trị kết cấu thép xây dựng nhà tiền chế, nhà xưởng


Nguyên lý tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn của kết cấu thép xây dựng

Trạng thái khi mà kết cấu không đáp ứng được những yêu cấu đã quy định phù hợp với mục đích của công trình nhà tiền chế, nhà xưởng được đặt ra với nó trong quá trình khai thác hoặc khi xây dựng thì gọi là trạng thái giới hạn.

Có hai nhóm trạng thái giới hạn:

Nhóm I - kết cấu (công trình nhà tiền chế, nhà xưởng ) mất khả năng chịu lực, hoặc không thích hợp đối với việc sử dụng;

Nhóm II - kết cấu không thích hợp đối với việc sử dụng bình thường.

Thuộc về trạng thái giới hạn của nhóm thứ nhất là: mất ổn định hình dạng; mất ổn định vị trí; độ dai, độ giòn, độ mỏi hoặc những đặc tính khác bị phá hoại; sự phá hoại do tác dụng đồng thời của các yếu tố lực và những ảnh hưởng bất lợi của môi trường bên ngoài; sự thay đổi cấu hình (hình dạng bên ngoài); những dao động cộng hưởng dẫn tới vi phạm (phá hoại) điều kiện sử dụng; những trạng thái với chúng nảy sinh sự cần thiết ngừng khai thác kết cấu (công trình nhà tiền chế, nhà xưởng ) (do sự chảy của vật liệu, sự trượt ở liên kết, từ biến hoặc sự phát triển quá mức của vết nút).

Thuộc về trạng thái giới hạn thứ hai là: trạng thái khó khai thác (sử dụng) kết cấu một cách bình thường, hoặc giảm độ vĩnh cửu (tuổi thọ) của chúng do sự xuất hiện những chuyển vị không cho phép (độ võng, độ. lún, góc xoay), sự dao động, vết nứt v.v...

Việc tính toán giá trị kết cấu theo trạng thái giới hạn nhằm ngăn ngừa sự xuất hiện của trạng thái giới hạn bất kỳ khi xây dựng công trình nhà tiền chế, nhà xưởng và trong suốt toàn bộ thời gian phục vụ của nhà tiền chế, nhà xưởng.

Điều kiện giới hạn của trạng thái giới hạn thuộc nhóm I là: N ≤ F  (2.1)

N - ứng lực tính toán lứn nhất trong bộ phận kết cấu (phụ thuộc vào tải trọng và những tác động khác);

F - ứng lực giới hạn, mà những bộ phận tính toán có thể tiếp nhận nó (phụ thuộc vào vật liệu và kích thước kết cấu).

Điều kiện giới hạn của trạng thái giới hạn thuộc nhóm II là: f ≤ fgh   (2.2)

f - biến dạng hay chuyển vị của kết cấu (phụ thuộc vào tải trọng, vật liệu và hệ thống kết cấu);

fgh  - biến dạng hay chuyển vị giới hạn (phụ thuộc vào công của kết cấu được quy định bởi Quy phạm hay Tiêu chuẩn xây dựng).

Tải trọng tác dụng vào công trình nhà tiền chế, nhà xưởng

Trong quá trình xây dựng, khai thác, kết cấu nhà tiền chế, nhà xưởng chịu tác dụng của những tải trọng khác nhau (trọng lượng bản thân, tải trọng công nghệ  và những tác động của môi trường). Những tải trọng phù hợp với những điều kiện khai thác bĩnh thưởng gọi là tải trọng tiêu chuẩn (N'e). Những giá trị tải trọng tiêu chuẩn được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế nhà tiền chế, nhà xưởng.

Trong quá trình làm việc kết cấu có thể chịu tải vượt quá tải trọng tiêu chuẩn một chứt do những sai lệch ngẫu nhiện của điều kiện khai thác bình thường. Tải trọng lớn nhất có thể xuất hiện trong thời gian tồn tại của kết cấu gọi là tải trọng tính toán (N).

Độ kiên cô (không bị phá hoại) của kết cấu cắn phải được đảm bảo trong toàn bộ thời giạn làm việc của nó, vì thế viêc tính toán kết cấu theo khả năng chịu lực được thực hiện vớí tải trọng tính toán.

Tải trọng tính toán được xác định bằng cách nhân tải trọng tiêu chuẩn với hệ số vượt tải n: N = nNtc      (2.3)

Trị số của một số hệ số vuợt tải chính nêu trong bảng 1 của phụ lục I

Tùy thuộc thời gian tác đụng vào kết cấu, tải trọng được chia ra là tải trọng thưởng xuyên (tải trọng không đổi) và tải trọng tạm thời. Những tải trọng tạm thời được phân ra lằ tải trọng tạm thời lâu dài, tải trọng tạm thời ngắn hạn và tải trọng đắc biẽt.

Tải trọng thưởng xuyên là những tải trọng liên tục tác dụng vào kết cấu: trọng lượng bản thân của kết cấu, áp lựe đất, tác dụng cảng, trưóc đối vối kết cấu và v.v...

Tải trọng tạm thời lâu dài là những tải 'ttọng tác dụng vào kết cấu trong một thời gian dài (lúc đó, lúc không): trọng lượng của thiết bị công nghệ, áp lực của chất lỏng và chất khí trong các bể chứa và trong đường ống dẫn, trọng lượng của hàng xếp kho v.v...

Tẩi trọng tạm thời ngắn hạn là những tải trọng tác dụng trong thời gian không dài: gió, cần trục di động, tải trọng phát sinh khỉ chuyển chở và lắp ráp, sửa chữa và thí nghiệm kết cấuv tác động của khí hậu , nhiệt độ v. v...

Tải trọng đặc biệt - đó là những tải trọng có thể xuất hiện trong những ưường hợp đặc biệt (hiếm có); động đất, sự vi phạm nghiêm trọng đây chuyển công nghệ, sự lún sụt quá mức của đất.

Có thể xảy ra tác dụng đồng thời của một số tải ưcmg vào kết cấu hay công trinh. Số tải trọng Lạm thời tác dụng vào kết cấu càng lớn, thì xác suất trùng hợp những giá trị lớn nhất của chúng càng nhỏ và những kết cấu được tính với tổ hợp dơn giản của tất cả các tải trọng sẽ có dự trữ độ bền dư thừa. Vì thế, người ta tính kết cấu với tổ hợp tính toán của tải trọng.

Cách tổ hợp tính toán giá trị tải trọng trong thi công xây dựng nhà tiến chế, nhà xưởng:

Tổ hợp chính - bao gồm tải trọng thưởng xuyên, tải trọng tạm Thờí lâu dài và tảí trọng tạm thời ngắn hạn.

Tổ hợp đặc biệt - bao gồm tải trọng thưởng xuyên, tải trọng tạm thời lâu dài, tải trọng tạm thời ngắn hạn và một trong những tải trong đặc biệt.

Nếu đưa vào trọng tổ hợp chính hai (hoặc lớn hơn) tải trọng ngắn hạn, thì những giá trị tính loán của tải trọng ngắn hạn này được nhản với hệ số tổ hợp nc = 0,9 (nếu trong tổ hợp tải trọng chì có một tải trọng ngần hạn tham gia, thì cộng giá trị của nó với tải trọng thưởng xuyèn và tải trọng lâu dài).

Khi lập tổ hợp tải trọng đặe biệt, những giá trị tính toáo, của tải trọng ngắn hạn tổng cộr.g được nhàn với hệ số tổ.hợp nc = 0,8.

Cường độ giới hạn của vật liệu

Trong những kết cấu thép, giới hạn chảy σT được ưu tiên lấy làm cường độ giới hạn của vật liệu, tương ứng với lúc mất khả năng chịu lực. Trong những tnròng hợp khi mà theo đặc tính làm việc của kết cấu cho phép sự phát triển của những biến dạng quan trọng Và khả năng chịu lực của kết cấu được xác định chỉ bởi độ bền, hoặc khi mà không có biểu hiện của diện chảy và giới hạn chảy quy ước xấp xỉ với (gần tới) cường độ tạm thời thì cường độ tạm thời σB được lấy làm cường độ tiêu chuẩn.

Giá trị của giới hạn chảy tiêu chuẩn và của cường độ tạm thời được quy định bởi các Tiêu chuẩn Quốc gia về vật liệu và gọi là cường độ tiêu chuẩn Rtc.

Trị số nhỏ nhất của cường độ có thổ xảy ra gọi là cường độ tính toán R. Cường độ tính toán nhân được bằng cách chia cường độ tiêu chuẩn cho hệ số an toàn về vật liệu k > 1.

Hệ số an toàn về vật liệu xét đến sự thay đổi cơ tính của kim loại.

Những giá trị tiêu chuẩn của đặc tính cơ học bị loại bở ít nhất và có độ đảm bảo < 0,95. Tuy nhiên, việc kiểm tra chất lượng kìm loại được thực hiện bằng phương pháp chọn lọc, vì thế không loại trừ khả năng rơi vào kết cấu có những giá tri của đặc tính cơ học giảm thấp so với các giá trị tiêu chuẩn. Ngoài ra, hệ số an toàn về vật liệu xét đến sự làm việc của vật liệu mẫu thí nghiệm và của vật liệu kết cấu thực không hoàn toàn tương thích, cũng nhu xét đến sai số âm khi cần.

Trong phần lớn các trường họp, khi tính toán kết cấu thép, người la dùng cường đỡ tính toán nhỏ nhất trong hai cường độ tính toán.

Điều kiện làm việc của những kết cấu khác nhau và mức độ quan trọng của chúng được phân biệt chủ yếu bởi sự đa dạng. Trong phưomg pháp tính toán theo trạng thái giới hạn, điều đố được xét đến bằng hệ số điều kiện làm việc m và hệ số tin cậy kH.

Hệ số điều kiện làm việc xét đến ảnh hưởng của những điếu kiện làm việc cụ thể của kết cấu đã cho về khả năng chịu lực của nó hay tính biến hình (ví dụ ảnh hưởng của nhiệt độ, môi trường xâm thực, tác dụng lực lặp nhiẻu lần, mức độ gán dứng của sơ đồ tính toán v.v...).

Đối với phần lớn kết cấu, hệ số điều kiện làm việc m = 1, những giá trị của hệ số điều kiện làm việc để tính toán kết cấu nêu trong bảng 2 của phụ lục I.

Hệ số tin cậy được xét đến trong, những trường hợp cần thiết về mức độ quan trọng và quy mô cứa những công trình cũng như tính hiển nhiện của công trình bắt đầu ở trạng thái giới hạn này hay ở trạng thái giới hạn khác. Những giá trị của hệ số tin cậy được xác định bởi quy phạm thiết kế; đối với số lớn kết cấu kim loại kH = 1.

Đế thuận tiện và đơn giản tính toán, những hệ số điều kiện làm việc và hệ số tin cậy được đưa vào trong cưcmg độ tính toán cua vật liệu giá trị của nó có dạng: R= (m / k . kH) Rtc           (2.4)

hoặc đối với trường hợp khi mà cường độ tính toán được xác lập theo giới hạn chảy; R= (m / k . kH) σT        (2.5)

Những giá trị của cường độ tính toán đối với thép xây dựng xem bảng 2.1.

Bàng 2.1. Cường độ tính toan R(kN/cmỉ) của thép cán

Chú thích: 1. Cường độ tính toán của thép C38/23 được xác lập đối với chiều dày ≤  30mm.

Khi chiều dày là 31 - 40mm, R = 19 kN/cm2 ( đối với chiều dày > 40mm, R = 17 kN/cm2.

2. Đối với thép chữ I và chữ U lấy chiều dày của bản bụng.

Đặc trưng vật lí của thép đối với việc tính toán kết cấu kim loại nêu trong bảng 2.2.

Bảng 2.2. Đặc trung vát lí của thép cán

Đối với cáp thép mồdun đàn hồi lấy như sau:

17000 kN/cm2 xoắn ốc kín;

15000 kN/cm2 xoắn ốc và có lõi kim loại;

13000 kN/cm2 có lõi hữu cơ;

20000 kN/cm2 bó và những dảnh sợi cường độ cao bố trí song song.

Tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn và so sánh với tính toán theo ứng suát cho phép

Bất đẳng thức, phản ánh trạng thái giới hạn thuộc nhóm I của kết cấu có nghĩa ứng lực phát sinh trong bộ phân kết cấu do tổ hợp tính toán của tải trọng (có xét đến hệ số vượt tải đối với những tải ỉrọng khác nhau và hệ số tổ hợp) khôngđược vượt quá khả năng chịu lực tối thiểu của bộ phận kết cấu đó được xác định bởi những đặc trưng hình học của tiết diện và bỏí cường độ của vật liệu (có xét đến hệ số an toàn vẻ vật liệu, hệ số điều kiện làm việc và hê số tin cậy). Ví đụ điều kiện độ bền khi lực tác dụng dọc trục:

N = nNtc ≤  (m/k.kH) σT F = RF        (2.6)

Khi tính toán kết cấu, thưởng tnróc tiên là chọn tiết diộn, sau đó kiểm tra ứng suất, so sánh nó với cường độ tính toán. Vì thế, để thuận tiện có thể viết điều kiện nệu trên dưới dạng sau: σ = N/F ≤ R   (2.7)

Kiểm ưa trạng thái giới hạn thứ hai bằng cách so sánh chuyển vị của kết cấu f với gii trị cho phép [f]: f ≤ (1/kH)[f]         (2.8)

Những giá trị giới hạn của độ võng tương đối và biến dạng của kết cấư nêu trong bàng 4 và 5 cúa phụ lục I;

Độ võng sinh ra bởi tải trọng khai thác bình thưởng có thể cản trở việc sử dụng, vì thế người ta xác dịnh độ võng không do tải trọng tính toán mà do tải trọng tiêu phuẩn (không tính hệ số vượt tải).

Khi tính toán kết cấu theo ứng suất cho phép thì điều kiện độ bền của kết cấu La ứng suất ưong bộ phận kết cấu do tải trọng khai thác bình thưởng không được vượt quá ứng suất cho phép [σ]

Ứng suất cho phép được quy định bởi quy phạm thi ít kế bằng cường độ giới hạn của vật liệu σT  chia cho hệ số an toàn ξ > 1: σ = σT / ξ     (2.9)

Điều kiện độ bền khi lực tác dụng đọc trục tính theo phương pháp ứng suất cho phép: σ = Ntc / F  ≤ [σ] = σT / ξ        (2.10)

Để so sánh hai phương pháp tính toán, ta biến đổi công thức (2.7) kiểm tra độ bền theo trạng thái giới hạn:

σ = N / F ≤ R;        σ =  nNtc / F  ≤ (m/k.kH) σT ;     σ =  Ntc / F  ≤ σT  / (nk.kH / m) ;           (2.11)

So sánh phương trình cuối cùng này với công thức (2.10) nhân thấy rằng sự khác biệt là ở chổ hệ số an toàn ồ phương pháp ứng suất cho phép tương ứng với nhóm hệ số nk.kH / m ở phương pháp trạng thái giới hạn. Từ đó, thấy rằng phương pháp tính toán hợp lệ theo hai phương pháp là như nhau; chỉ cần khi tính toán theồ trạng tháỉ giới hạn lấy tải trọng có kể đến hệ số vượt tải của nó và so sánh ứng suất nhận được từ chúng với cường độ tính toán, còn khi tính toán theo ứng suát cho phép thì lấy tải trọng tiêu chuắn (không tính hệ số vượt tải) và so sánh ứng suất nhận được với ứng suất cho phép.

Sự khác nhau giữa hai phương pháp lính toán là ở chỗ: khi tính toán theo trạng thái giới hạn, người ta xem xét kết cấu ở trạng thái giới hạn tính toán với tổ hợp bất lợi của các thành phần tải trọng có tính thay đổi các tính chất của vật liệu và của điều kiện làm việc. Khi tính toán theo ứng suất cho phép, kết cấu được xem xét ở trạng thái khai thác (tiêu chuẩn).

Trong phương pháp tính toán mòi, hệ số an toàn £ được thay thế bằng tổ hợp của 4 hộ sổ n, k, kH và m, tính rièng ảnh hưởng của tải trọng, cường độ vật liệu, điều kiện làm việc và độ tin cậy của kết cấu, do đó hố số an toàn tổng quát nhận được khác nhau đối vớị những kết cấu khác nhau, phản ảnh chính xác hơn trạng thái giới hạn của kết cấu. Việc tính toán theo trạng thái giới hạn phản ảnh khá chính xác sự làm viêc thực tế của công trình, cho phép thiết kế có độ bền đều hơn, làm rõ sự dư thừa của độ an toàn (dự trữ) về cườmg độ và tạo điều kiện tiết kiệm kim loại.

Tính toán kết cấu khi chịu tác dụng cùa tải trọng lặp. Kiểm tra độ bền mỏi

Thi công xây dựng kết cấu thép nhà tiền chế, nhà xưởng trực tiếp tiếp nhận tác động nhiều lần của tải trọng di động hay tải trọng chấn động (dầm cầu trục trong nhà có chế độ làm việc năng, dầm sàn chịu lực, cầu cạn bunke và cầu cạn dỡ tải) có thể bị phá hoại do độ mỏi của thép, vì thế chúng cần được kiểm tra bằng tính toán về độ bền mỏi,

Trong kết cấu thép, khi tính toán về độ bền mòi, cường độ tính toán của vật liệu chính và của liên kết được triết giảm bằng cách nhân với hệ số g, xác định theo công thức: g =c/ (a-bρ)    (2.12)

Khi mà ứng suất có trị sổ tuyệt đối lớn nhất là ứng suất kéo, và: g =c/ (b-aρ)      (2.12)

khi mà ứng suất này là ứng suất nén.

Trong những công thức (2.12) và (2.13): p = σminmax  là hệ số không đồi xứng [σmin và σmax  - tương ứng là ứng suất có trị số tuyệt đối nhỏ nhất và lớn nhất ở bộ phận tính toán, tính đo tải trọng tiêu chuẩn khôngkể hộ sổ vượt tải, hệ số xung kích φ, φBH , (mỗi một trị số với dấu của nó); a, b, c - hệ số phụ thuộc vào loại thép, kết cấu liên kết và vào số chu trình đạt tải của kết cấu trong thời gian khai thác nó.

Khì tính toán vế độ bền mỏi, ứng suất trong các bộ phận kết cấu được xác định do tắc đụng của tải trọng tiêu chuẩn (không tính hệ số vượt tải và hệ số xung kích), bởi vì hệ số vượt tải đặc trung cho sự vượt quá một cách ngẫu nhiện của tải trọng trên mức quy định, những tải trọng này không được lặp lại nhiểu lần. ứng suất ơ nhận được cán phải nhò hoir cường đô tính toán của thép nhân với hê số g : σ ≤  gR (2.14)

Khi thiết kế kết cấu thép chịu tác dụng của tải ữọng đi động hoảc tải trọng chấn động, cần đặc biệt chú ý đếir việc lập phương án kết cấu sao cho chúng phát sinh ứng suất tạp trung nhỏ nhất: tạo sự chuyển tiếp đều đặn ở các bộ phân nối ghép, không có sự thay đổi đột ngột của tiết diện, lỗ, vết nứt v.v..


xaydung