thiết kế kết cấu

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
1.Yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu:
Kết cấu làm việc phải đảm bảo yêu cầu khi được đảm bảo:
-Độ bền -Kết cấu gọn nhẹ nhất
-Độ ổn định
⇒
-Lắp đặt đơn giản nhất và nhanh
nhất
-Độ cứng vững -Giá thành hạ
Trong tính toán bền và thiết kế kết cấu hàn người ta thường áp dụng 3 phương
pháp tính toán:
-Phương pháp tính toán theo tải trọng phá huỷ.
-Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép.
-Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn.
1.1.Phương pháp tính toán theo tải trọng phá huỷ:
-Xác định tải trọng nhỏ nhất làm cho kết cấu bị phá huỷ từ đó so sánh tải
trọng này với tải trọng dự kiến ,thiết kế mà kết cấu sẽ phải chịu khi làm việc.
-Thể hiện bằng công thức:
P
max
≤

[P]=
n
P
th
Trong đó:
P
max
:Tải trọng lớn nhất tác động lên công trình.
[P] :tải trọng cho phép
P
th
:Tải trọng phá huỷ
N : Hệ số an toàn về bền (>1-chọn theo tiêu chuẩn của từng loại,dạng kết cấu)
1.2.Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép.
-Phương pháp tính toán :Ứng suất sing ra trong kết cấu phải nhỏ hơn các giới
hạn chịu lực của vật liệu (ứng suất nguy hiểm)
-Thể hiện bằng công thức:

σ
≤
[
σ
]=
n
0
σ
Trong đó:
[
σ
] :Ứng suất cho phép
σ
0
:Ứng suất nguy hiểm
Đối với vật liệu dẻo lấy
σ
0
= giới hạn chảy
Đối với vật liệu giòn lấy
σ
0
= giới hạn bền
N : Hệ số an toàn
Khi lấy hệ số an toàn phải căn cứ vào :
-Tính chất của vật liệu sử dụng chế tạo vật liệu.
-Điều kiện làm việc và phương pháp tính toán ,yêu cầu về mức độ tính toán.
-Tính chất quan trọng của kết cấu và yêu cầu tuổi thọ.
-Tính chất của tải trọng tác động (Tĩnh hay Động) và mức độ phản ánh chính
xác.
1.3.Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn.
Trạng thái mà kết cấu không còn thảo mãn các yêu cầu sử dụng :
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 1
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
-Mất khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực.
-Biến dạng quá mức cho phép.
-Phá huỷ cục bộ.
-Mất ổn định cục bộ quá mức cho phép.
Có hai nhóm trạng thái giới hạn :
-Nhóm 1 :Thiết lập với mục đích tận dụng khả chịu tải (bền ,ổn
định,mỏi…),nhóm này thường được áp dụng cho tính toán cho hầu hết các
loại kết cấu.
-Nhóm 2 : Nhóm trạng thái gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường hoặc
làm giảm tuổi thọ hay tạo ra các rung động không cho phép.
Qua các phương pháp tính toán trên ta thấy xuất hiện khái niệm hệ số an
toàn,vậy hệ số an toàn là gì?
Hệ số an toàn đó là một thông số mà người chế tạo cho vào để đảm bảo an
toàn cho kết cấu khi sử dụng.Đó có thể là phần bù vào cho kết cấu để kết cấu
có thể làm việc bình thường,đảm bảo yêu cầu khi sử dụng.
Hệ số an toàn đặc biệt quan trọng vì nếu trong các kết cấu nhỏ thì có khả năng
nó không thể hiện nhiều vai trò của mình nhưng với các kết cấu lớn,các kết
cấu quan trọng thì việc chọn hệ số an toàn không phù hợp có thể dẫn đến
giảm tuổi thọ của kết cấu,giảm khả năng làm việc của kết cấu.Khi đó người ta
sẽ phải chi phí sửa chữa và làm tăng chi phí cho kết cấu.
Với các kết cấu giàn khoan ngoài biển do chịu tác động thường xuyên của tải
trọng đó là sự tác động của nước biển thì nó sẽ làm giảm tuổi thọ của kết cấu
nếu ta không chọn đúng hệ số an toàn,chưa kể đến ảnh hưởng của sự ăn mòn
hoá hóc do nước biển có chứa muối.Khi đó có thể làm giảm tuổi thọ của giàn
khoan,làm tăng chi phí hoặc thậm chí phải làm mới hoàn toàn hệ thống giàn
khoan.
Với các kết cấu lớn khác như các kết cấu dầm ,giàn trong các cầu lớn thì việc
chọn hệ số an toàn không đúng có thể làm cho cầu không thể chịu tải trọng do
các phương tiên tham gia giao thong gây ra,khi đó nó có thể làm cho cầu bị
hỏng như nứt hoặc có thể nghiêm trọng hơn đó là làm hỏng cầu.Khi đó sẽ mất
rất nhiều chi phí để sửa chữa và làm mới,gây tốn kém cho nền king tế quốc
dân.Ngoài ra nó thể thể gây nguy hiểm tới tính mạng của mọi người.
Các xác định hệ số an toàn phụ thuộc vào vật liệu,tính chất làm việc của kết
cấu,và hình dạng của kết cấu cũng như tính chất quan trọng của kết cấu.
Những yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép
1.Yêu cầu sử dụng
- Thoả mãn những yêu cầu chịu lực quy định bởi điều kiện sử dụng: kết cấu
phải an toàn đủ độ bền, độ cứng vững và ổn định
- Thoả mãn yêu cầu kiến trúc thoả mãn dây chuyền công năng ,hình thức gọn
đẹp hài hoà,thoả mãn yêu cầu thông gió chiếu sáng
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 2
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
- Đảm bảo độ bền lâu của công trình: bảo vệ kết cấu chống gỉ,chống
cháy,thuận tiện khi bảo dưỡng, đảm bảo niên hạn sử dụng
2,Yêu cầu kinh tế
- Tiết kiệm thép: Giá thành vật liệu thép cao nên cần cân nhắc giải pháp
kết cấu cần thiết mới sử dụng vật liệu thép.Chọn hình thức kết cấu hợp
lí,dùng phương pháp tính thích hợp.
- Tiết kiệm thời gian thiết kế ,công chế tạo,vận chuyển lắp đặt: lắp ráp
nhanh chóng,thuận tiện các mối nối ở hiện trường đơn giản góp phần
hạ giá thành
3,Yêu cầu điển hình hoá kết cấu thép
- Theo nhiều mức độ: Điển hình hoá cấu kiện (xà gồ ,dầm ,giàn ) điển
hình hoá kết cấu( khung nhà cột điện,bể chứa,nhịp cầu)
- Mục đích : Tránh thiết kế lặp lại,chọn được nhiều dạng kết cấu tối ưu
về vật liệu và giá thành.Chế tạo lớn số cấu kiện ,sử dụng được thiết bị
chuyên dùng,tăng năng suất,giảm thời gian chế tạo.Sử dụng thiết bị
dựng lắp chuyên dùng,tiện lợi ,nhanh chóng=> hoàn thiện quá trình
dựng lắp.
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 3
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
Phần 2.Dầm thép
Dầm là kết cấu chịu uốn có bản bụng đặc,là kết cấu cơ bản trong kết cấu
xây dựng. Được dùng làm sàn nhà dân dụng và công nghiệp, dầm cầu kết cấu
chịu lực của cửa van ,dầm cầu chạy.
I.Các loại dầm.
1.Theo cấu tạo
a,Dầm định hình
+, I: được dùng trong uốn phẳng: dầm
sàn dầm cầu.
+, U: Tiết diện không đối xứng, được
dùng trong uốn xiên như xà gồ,dầm
xườn tường.có một má phẳng nên dễ
liên kết với kết cấu khác.
Đặc điểm: - Tiết kiệm công chế tạo
- Liên kết đơn giản
- Kích thước hạn chế
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 4
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
- Tốn thép do δ
b
lớn hơn yêu cầu thiết kế để khắc phục dùng
dầm dập từ thép bản mỏng
b,Dầm tổ hợp
Dầm tổ hợp hàn: gồm 3 bản thép ghép lại bằng đường hàn góc.Hai bản nằm
ngang : hai cánh dầm; bản đứng: bản bụng.
So với dầm đinh tán , ít tốn vật liệu và nhẹ hơn,chi phí cấu tạo ít hơn=> được
dùng phổ biến.
Dầm tổ hợp đinh tán : Gồm một bản thép đặt đứng làm bản bụng,hai cánh
dầm,mỗi cánh gồm hai thép góc chữ L và có thể thêm một hoặc hai bản thép
nằm ngang gọi là bản đậy.
Vì phải khoét lỗ nên tốn công chế tạo và tốn vật liệu,nhưng chịu lực tốt.
Được dùng khi dầm chịu tải trọng động và tải trọng lớn như: Dầm cầu
chạy,dầm cầu.
- Đặc điểm:- kích thước lớn ,tiết kiệm thép,tốn công chế tạo.
c,Kết luận
Nên dùng dầm định hình nếu về kết cấu cho phép,và đảm bảo cường độ, độ
cứng ổn định.
Dùng dầm tổ hợp khi không thể dùng dầm hình như khi tải trọng lớn và
nhịp dầm lớn.
2.Theo sơ đồ kết cấu
Dầm đơn giản:Tốn vật liệu ,chế tạo và dựng lắp đơn giản,chịu lực chính
xác,không ảnh hưởng do nhiệt,hay lún lệch. Được dùng nhiều trong xây
dựng.
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 5
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
Dầm liên tục: Độ cứng lớn,tiết kiệm vật liệu,chế tạo và dựng lắp khó,nội lực
thay đổi do nhiệt,hay lún lệch. Được dùng khi dầm cần độ cứng lớn.
Dầm mút thừa: Tiết kiệm vật liệu.
Dầm I hàn tổ hợp ứng dụng nhiều nhất cho cầu trục , dầm cầu
II.Những yêu cầu cơ bản khi chế tạo,thiết kế dầm.
1. Tiết kiệm chi phí sản xuất bằng cách tối ưu hoá khối lượng bằng thay
đổi tiết diện theo sự phân bố ứng suất.
2. Nâng cao khả năng chịu uốn bằng nâng chiều cao dầm và giảm chiều
dày tấm bụng ,bố trí gân tăng cứng.
3. Sử dụng hoàn toàn bằng rất nhiều liên kết hàn,bố trí mối hàn phải hợp
lí.
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 6
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
4. Đối với dầm cầu trục ,tải trọng chủ yếu là các lực tập trung (P) từ bánh
xe cầu trục (Do vật nâng và trọng lượng xe) và tự trọng Q.
5. Dầm I hàn tổ hợp chủ yếu được thiết kế dựa trên sự phân bố nội lực
(mômen uốn-lực cắt)
6. Vị trí nguy hiểm nhất của tải trọng thường ở giữa và hai đầu dầm.Giữa
dầm do
7. M
max
, đầu dầm do V
max
.
8. Có thể tăng cường khả năng chịu uốn bằng cách hàn các tấm cánh hoặc
dùng tấm cánh ở giữa có chiều dày lớn hơn.
9. Quy định kích thước mối hàn khi hàn tấm tăng cường cho cánh
dầm.c>= 3.a
10. Đường hàn phải khép kín và tăng tiết diện mối hàn tại hai
đầu.a>=0,5.t:mối hàn góc thoải (<1:1),Chiều dài phần khoá đầu:>=b/2.
11. Khi dầm có chiều dài quá lớn ta thực hiện nối dầm bằng liên kết
hàn.thực hiện trong nhà xưởng ,ngoài công trường ,trành bố trí nối các
đoạn dầm tại những mặt cắt nguy hiểm (giữa dầm)
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 7
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
12.Khi dầm có chiều dài quá lớn ta thực hiện nối dầm bằng liên kết
hàn.có thể nối bằng các bản mã.
13. Hàn gân cứng vững.Trong trường hợp gân tăng cứng vát chéo góc để
tránh mối hàn bụng dầm-cánh dầm hay phần góc lượn của dầm
cán,cạnh góc vát phải lấy >=30mm
14.Hàn gân cứng vững
- Phần gân thụt vào đủ lớn để thực hiện ở mép gân với cánh
dầm.theo tiêu chuẩn lấy c=3mm.
- nếu khoét lõm góc gân bằng ¼ đường tròn thì bán kính tối thiểu
R=35mm.Trong trường hợp gân dày có thể lấy R lớn hơn.
15.Hàn gân cứng vững không hết chiều cao của dầm.
- Hàn gân tăng cứng không hết chiều cao ưu tiên về phía chịu
nén(chống mất ổn định cục bộ )
16.Hàn gân cứng vững đối với dầm I cán
Không cho phép thực hiện mối hàn dọc theo bề mặt cán của dầm cán
hay tại góc lượn do tại những vị trí này sẽ bị biến cứng và giòn như
gang.
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 8
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
Phần 3.Giàn thép
I.Khái niệm chung
1. Định nghĩa
Dàn thép là kết cấu hệ thanh bất biến hình chịu uốn ,gồm nhiều
thanh liên kết với nhau tại tâm mắt tạo thành.
2. Đặc điểm
- Vượt được khẩu độ lớn l
dàn
>>l
dầm
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 9
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
- Tiết kiệm được vật liệu do tận dụng được sự làm việc của vật
liệu(mọi thớ trong tiết diện ứng suất đều do thanh chỉ chịu nén hay
kéo)
- Hình thức đẹp ,nhẹ,linh hoạt,phong phú,phù hợp với yêu cầu chịu
lực và sử dụng.
3. Phân loại
a. Theo công dụng
Dàn vì kèo,dàn cầu,cột tháp trụ ,cầu trục ,kết cấu chịu lực của cửa
van
b. Theo sơ đồ kết cấu.
+, Dàn đơn giản: chế tạo và dựng lắp dễ nên dùng phổ biến
+, Dàn liên
tục:Kết cầu phức
tạp , ảnh hưởng
do lún không
đều,nhưng tiết
kiệm vật liệu và
nhất là độ cứng
vững lớn,nên
được dùng làm
dàn cầu.
+, Dàn mút thừa: Tiết
kiệm vật liệu.
+, Dàn kiểu vòm,khung
tháp trụ
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 10
Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa: Cơ khí Tiểu luận môn học
+, Dàn liên hợp: kết hợp giữa
dầm và dàn,có nhịp
lớn.Thường lợi dụng kết cấu
dầm để bố trí đường di chuyển
tải trọng như dàn cầu,dàn cầu
chạy.
c. Theo khả năng chịu lực
• Dàn nhẹ bao gồm:
+, Dàn thép tròn : nhẹ,mắt đơn giản.Dùng cho mái nhẹ L< 15m,xà gồ
rỗng.
+, Dàn một thép góc: Phù hợp với loại dàn
không gian có tiết diện chữ nhật,hình vuông
như dầm cầu trục,cột đường,dây tải
điện.Loại này dễ sơn,chống gỉ tốt.
+, Dàn 2 thép góc: chủ yếu trong kết cấu nhà.
- Dàn thép ống: Liên kết phức tạp,nhưng nhẹ ,thoáng gió nên tải
trọng gió tác dụng lên bản thân kết cấu nhỏ,không đóng bụi bẩn
nên chống gỉ tốt.Phù hợp với công trình cao như tháp trụ.
- Dàn thép dập bản mỏng: Trọng lượng nhỏ nhất
• Dàn nặng
Tiết diện thanh dàn thường là tiết diện tổ hợp I,U,H,C,dùng khi
nội lực thanh dàn lớn như trong dàn cầu.
Sinh Viên: Nguyễn Quốc Tuấn
Lớp : HK6LC Page 11

Xem chi tiết: thiết kế kết cấu