Thiết kế dầm thép (có sơ đồ)

Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về thiết kế dầm thép với sự trợ giúp của sơ đồ.

Giới thiệu:

Nếu một sàn cầu bao gồm các tấm RC chỉ đơn giản dựa trên một vài dầm thép, thì sàn RC sẽ chịu tải trọng chồng chất và tải trọng trực tiếp bằng cách kéo dài giữa các dầm thép và do đó sẽ chuyển tải trọng lên các dầm thép. Mặt khác, dầm thép sẽ có độ uốn theo hướng dọc và chuyển tải từ sàn cầu lên các mố hoặc trụ.

Trong các mặt cầu như vậy, mô men uốn gây ra bởi tải trọng từ mặt cầu được chống lại bởi chính dầm thép mà không có bất kỳ sự trợ giúp nào từ bản sàn vì thực tế là sự phân tách và trượt do trượt dọc xảy ra tại ngã ba của sàn và dầm thép. Do đó, hai đơn vị viz. bản sàn và dầm thép không thể hoạt động nguyên khối cùng một lúc.

Hai đơn vị nói trên có thể được thực hiện để hoạt động như một đơn vị do đó cung cấp mô men quán tính lớn hơn và do đó mô đun tiết diện lớn hơn nếu bằng một thiết bị cơ học nào đó, ngăn cách và trượt tại giao diện giữa bản sàn và dầm thép được ngăn chặn.

Thiết bị cơ học được gọi là đầu nối cắt, và trong các mặt cầu như vậy, độ sâu của dầm được tính từ đáy dầm đến đỉnh của tấm, tấm sàn đóng vai trò là mặt bích của dầm mới được gọi là dầm composite Mùi. Do bản sàn có phần chính của lực nén, mặt bích dưới của dầm thép phải được tăng lên một cách phù hợp để lấy lực kéo.

Ưu điểm của dầm composite là:

1. Khả năng chịu tải của dầm thép có thể tăng lên rất nhiều nếu một lượng thép kéo được thêm vào mặt bích dưới và dầm được chế tạo nguyên khối với bản sàn.

2. Kết hợp các đơn vị tại chỗ và đúc sẵn và do đó tiết kiệm công việc hình thức và dàn dựng tốn kém.

3. Nhanh hơn trong xây dựng vì không cần phải dàn dựng để đúc tấm sàn, nếu muốn.

Kết nối cắt:

Có hai loại kết nối cắt viz. các đầu nối cắt cứng bao gồm các thanh vuông hoặc hình chữ nhật có chiều dài ngắn, các góc cứng, kênh hoặc tees, được hàn vào mặt bích trên của dầm thép (Hình: 15.1). Các đầu nối cắt này chống trượt bằng cách chống lại bê tông của tấm sàn.

Để ngăn chặn sự phân tách dọc giữa đỉnh dầm và tấm, thiết bị neo như trong hình (Hình 15.3) phải được cung cấp cho tất cả các đầu nối cắt được thể hiện trong (Hình 15.1).

Đầu nối cắt linh hoạt bao gồm đinh tán, góc, kênh và tees được hàn vào mặt bích trên cùng của dầm thép (Hình 15.2). Những đầu nối cắt cung cấp sức đề kháng bằng cách uốn cong. Như trong các đầu nối cắt cứng, thiết bị neo phải được cung cấp trong một số đầu nối cắt linh hoạt khi cần thiết để ngăn chặn sự tách rời. trong các loại được hiển thị trong (Hình 15.2b) và (15.2d).

Đầu của các đinh tán (Hình 15.2a) hoặc chân ngang của kênh (Hình 15.2c) cung cấp neo cần thiết và do đó không cần thiết bị neo riêng trong các trường hợp này.

Nguyên tắc thiết kế:

Trong một dầm thép không kết hợp, mặt bích trên có lực nén và mặt bích dưới, lực kéo do uốn cong của dầm do tải trọng chồng lên nhau. Các tài liệu bản sàn không chịu bất kỳ ứng suất dọc nào trên tài khoản uốn cong của dầm.

Tuy nhiên, trong dầm composite, mặt bích trên cùng của dầm thép cũng như bản sàn RC chống lại lực nén, mặt bích dưới lấy lực kéo như bình thường. Do có diện tích nén lớn hơn, dầm thép sở hữu khả năng chịu tải cao hơn khi diện tích mặt bích dưới của dầm thép được tăng lên.

Diện tích tương đương của bản sàn:

Do dầm thép và bản sàn RC được làm bằng vật liệu có mô đun đàn hồi khác nhau, nên diện tích của bản sàn được yêu cầu phải được chuyển đổi thành diện tích thép tương đương. Với mục đích này, độ sâu của bản sàn được giữ nguyên và chiều rộng mặt bích hiệu quả được giảm bằng cách chia chiều rộng hiệu dụng cho tỷ lệ mô đun, m, được cho bởi: m = E _s / E _c

Trong đó E _s = Mô đun đàn hồi của thép dầm.

E _c = Mô đun đàn hồi của bê tông của tấm sàn.

Chiều rộng mặt bích hiệu quả:

Chiều rộng mặt bích hiệu quả của dầm T hoặc L phải tối thiểu như sau:

a) Trong trường hợp dầm chữ T:

i) Một phần tư nhịp hiệu quả của chùm tia.

ii) Độ rộng của web cộng với mười hai lần độ dày của tấm.

b) Trong trường hợp dầm chữ L:

i) Một phần mười nhịp hiệu quả của dầm.

ii) Độ rộng của web cộng với một nửa khoảng cách rõ ràng giữa các web.

iii) Độ rộng của web cộng với sáu lần độ dày của tấm.

Phần tương đương:

Các tính chất tiết diện cần thiết cho việc đánh giá ứng suất trong dầm được lấy trên cơ sở phần tương đương của dầm tổ hợp.

Giả định thiết kế:

Các dầm tổ hợp được thiết kế trên cơ sở của bất kỳ một trong các giả định sau:

tôi) Các dầm thép được chống đỡ đầy đủ ít nhất là ở giữa nhịp và các phần tư trước khi công việc mẫu được thực hiện và tấm sàn được đúc. Khi tấm sàn sau khi đúc đã đạt được sức mạnh ít nhất lên tới 75 phần trăm sức mạnh đặc trưng, tấm bảo vệ bánh xe, tấm chân, lan can, mặc vv có thể được đúc sau khi loại bỏ đạo cụ.

Trong trường hợp này, chỉ có trọng lượng bản thân của dầm thép được mang theo phần không tổng hợp và tất cả các tải trọng chết và sống khác được thực hiện bởi phần tổng hợp.

ii) Sau khi lắp dựng dầm thép, công việc biểu mẫu cho bản sàn được hỗ trợ trên dầm thép (không có trụ) và bản sàn được đúc.

Sau 75% độ chín của bê tông sàn, các hạng mục như tấm sàn, bảo vệ bánh xe, lan can và khóa học được đúc. Để dễ dàng như vậy, tải trọng chết của dầm thép và tấm sàn bao gồm cả công việc của nó được thực hiện bởi các dầm thép không composite nhưng giai đoạn thứ hai của tải trọng chết và tải sống được thực hiện bởi phần hỗn hợp.

Thiết kế cho linh hoạt:

Các mô men uốn gây ra bởi các tải trọng trên dầm thép không composite phải được chống lại bởi phần không hỗn hợp và các tải trọng do đến trên phần hỗn hợp phải được chống lại bởi phần tổng hợp. Đối với mục đích này, các thuộc tính mặt cắt của phần tổng hợp phải được xác định

Thiết kế cho cắt:

Việc cắt dọc chỉ được chống lại bởi dầm thép.

Việc cắt dọc tại giao diện giữa dầm thép và bản sàn phải được tính theo công thức sau:

V _L = V. A _C. Y / I (15.1)

Trong đó V _L = cắt dọc tại giao diện trên mỗi đơn vị chiều dài.

V = Cắt dọc do tải trọng chết được đặt sau hành động tổng hợp có hiệu quả và tải trực tiếp bao gồm cả tác động.

Ac = Diện tích nén biến đổi của bê tông phía trên giao diện.

Y = Khoảng cách từ trục trung tính của phần tổng hợp đến tâm của khu vực Ac đang xem xét.

I = Mô men quán tính của phần tổng hợp.

Việc cắt dọc tại các vị trí xen kẽ phải được chống lại bởi các đầu nối cắt và cốt thép cắt ngang thích hợp.

Thu hẹp vi sai:

Các tấm sàn bê tông thay đổi đúc trên dầm thép sẽ có xu hướng co lại như trong tất cả các thành viên bê tông. Ở giai đoạn ban đầu khi bê tông có màu xanh lá cây, một số co ngót diễn ra nhưng từ khi bê tông đạt được cường độ, độ co ngót được ngăn chặn bởi các đầu nối cắt được cung cấp tại giao diện vì mặt bích trên của dầm thép không co lại.

Điều này gây ra sự co rút chênh lệch và ứng suất kéo được phát triển theo hướng dọc trong tấm sàn. Để phục vụ cho ứng suất co rút chênh lệch, cốt thép chịu kéo tối thiểu theo hướng dọc trong tấm sàn phải được cung cấp không được nhỏ hơn 0, 2% diện tích mặt cắt ngang của tấm.

Thiết kế cốt thép ngang:

Việc cắt dọc tại giao diện được ngăn chặn bởi các đầu nối cắt có được cường độ bằng cách chịu lực với bê tông của tấm sàn (đầu nối cắt cứng) hoặc uốn cong với bê tông (đầu nối cắt linh hoạt).

Nhưng bê tông xung quanh các đầu nối cắt có thể bị hỏng do cắt bởi sự hình thành các mặt phẳng cắt như trong hình (Hình 15.4a đến 15.4d). Sự thất bại của loại này có thể được ngăn ngừa bằng cách cung cấp cốt thép cắt ngang như trong hình 15.4.

Chi tiết:

Kích thước tối thiểu cho haunches được cung cấp trong sàn tổng hợp của loại được hiển thị trong Hình 15.4b.

Thí dụ:

Một cây cầu đường cao tốc nhịp 12m sẽ được thiết kế như một sàn tổng hợp bao gồm 200 mm. Nó dày. C. tấm sàn bê tông M 20 và dầm thép 4 Nos. Các chi tiết của bộ bài được thể hiện trong hình. 15, 5. Cầu sẽ được thiết kế cho một làn của IRC Class 70 R hoặc hai làn của Class A đang tải theo giả định.

Thiết kế và chi tiết của các mục sau đây sẽ được thực hiện:

i) Điện trở uốn của tiết diện hỗn hợp và tiết diện thép của dầm tổ hợp.

ii) Các kết nối cắt MS Stud được đề xuất sử dụng trong cầu.

iii) Gia cố cắt ngang.

Dung dịch:

Bước 1. Tải trọng chết của boong mỗi mét:

Bước 2. Khoảnh khắc tải chết:

Tổng DL = 4080 + 2795 = 6875 Kg./m.

Giả sử trọng lượng của dầm thép bao gồm đầu nối cắt @ 15% tổng DL (xấp xỉ) = 985 Kg / m.

Tổng DL giai đoạn 1 = 4080 + 985 = 5065 Kg / m.

Tổng DL giai đoạn 2 = 2795 Kg / m.

Giả sử chia sẻ đồng đều, tải trọng trên mỗi dầm là 1266 Kg / m và 700 Kg / m cho tải trọng chết giai đoạn 1 và 2.

DLM trên mỗi dầm cho Giai đoạn 1 DL = 1266 x (12.0) ^2/8 = 22.780 Kgm.

DLM mỗi dầm cho Giai đoạn 2 DL = 700 x (12.0) ^2/8 = 12.600 Kgm.

Bước 3. Khoảnh khắc tải trực tiếp:

Do nhịp của cầu giống như nhịp của cầu dầm T, nên các khoảnh khắc tải trực tiếp cho cầu sau cũng có thể được áp dụng cho cầu hỗn hợp.

Khoảnh khắc LL tối đa có tác động đối với làn đường duy nhất của Lớp 70 R đang tải = 1.87.000 Kgm.

Thời điểm LL trung bình trên mỗi dầm = 1, 87.000 / 4 = 46.750 Kgm.

Hệ số phân phối cho dầm ngoài như thu được cho cầu dầm T là 1, 45. Đặt giá trị 1, 50 có thể được lấy trong trường hợp này vì khoảng cách của dầm ngoài là nhiều hơn cho sàn tổng hợp so với sàn dầm T.

. ^. . Thiết kế mô men LL cho dầm ngoài = 1, 5 x 46, 750 = 70, 125 Kgm.

Bước 4. Thiết kế phần:

Người ta cho rằng công việc tạo hình cho tấm sàn sẽ được thực hiện từ các dầm thép được đặt ở vị trí trước khi đúc sàn và không có đạo cụ nào được đặt bên dưới dầm thép. Do đó, các phần thép sẽ chống lại thời điểm do trọng lượng riêng của nó cũng như trọng lượng của tấm sàn bao gồm trọng lượng của công việc mẫu và tải trọng xây dựng.

Do đó, các khoảnh khắc thiết kế cho các phần không tổng hợp là:

Thời điểm thiết kế cho phần tổng hợp:

Các ứng suất gây ra trong phần hỗn hợp của dầm thép do các khoảnh khắc thiết kế DL giai đoạn đầu tiên sẽ được thêm vào ứng suất trong phần tổng hợp gây ra bởi tải trọng chết giai đoạn hai và thời điểm LL.

. ^. . Khoảnh khắc thiết kế = Khoảnh khắc DL giai đoạn thứ hai + Khoảnh khắc LL = 12.600 + 70.125 = 82.725 Kgm.

Dầm thép composite sẽ có nhiều diện tích cho mặt bích dưới hơn so với mặt bích trên và do đó phần thép sẽ không đối xứng về trục ngang. Điều này sẽ đạt được bằng cách cung cấp tấm bổ sung cho mặt bích dưới cùng của RSJ đối xứng, phần có thể được xác định dựa trên một phần ba tổng thời điểm DL và LL tức là,

1/3 x (25.060 + 82.725) = 35.930 Kgm.

Giả sử ứng suất thép cho dầm thép MS là 1500 Kg / cm ²,

Mô-đun tiết diện của RSJ đối xứng = 35.930 x 10 2/1500 = 2395 cm ³

ISMB 550 x 190 có mô-đun tiết diện là 2360 cm ³ . (Diện tích = 132 cm ² và trọng lượng mỗi mét = 104 Kg) (Hình 15.6).

Ông JC Hacker đã đề xuất các công thức thực nghiệm sau đây để xác định phần thép thử nghiệm:

Ast. có sẵn trong RSJ = 33, 0 cm ² (Hình 15, 5). Sử dụng tấm 40 cm x 2 cm ở mặt bích dưới, Asb = (40 x 2 + 33) = 113, 0 cm ², tổng diện tích của dầm thép hợp chất = (132 + 40 x 2) = 212 cm ² và tổng trọng lượng = 167 kg / m.

Bước 5. Trục trung tâm của phần thép hợp chất:

Tham khảo hình 15, 5 và lấy khoảnh khắc từ dưới lên, x X 212 = (40 x 2.0 x 1.0 + 132.0 x 29.5) = 3974

. ^. . x = 3974/212 = 18, 75 cm. từ đáy.

Bước 6. Mô men quán tính của phần hợp chất:

. ^. . Z _Lg = (1, 05, 370 / 38, 25) = 2755 cm ³ ; Z _bg = (1, 05, 370 / 18, 75) = 5620 cm ³

Bước 7. Ứng suất trong Phần thép hợp chất do tự wt. của dầm cộng với trọng lượng của tấm, hình thức làm việc vv.:

M _DL = 25.060 x 100 K gcm.

. ^. . 6 _tg = {(25.060 x 100) / 2755} = (+) 909.62 Kg.cm ² ; 6 _bg = {(25, 060 x 100) / 5620} = (-) 445, 91 Kg / cm ²

Ứng suất thép cho phép = 1500 kg / cm ² . Do đó ứng suất thép vẫn nằm trong giới hạn cho phép khi phần hỗn hợp đóng vai trò là phần không tổng hợp.

Bước 8. Diện tích tương đương của Phần tổng hợp:

Phần hỗn hợp bao gồm tấm sàn RC và dầm thép như trong hình 15.7 sẽ được chuyển đổi thành phần thép tương đương. Điều này một lần nữa phụ thuộc vào chiều rộng mặt bích hiệu quả của phần tổng hợp.

Chiều rộng mặt bích hiệu quả là ít nhất sau đây:

i) 1/4 x nhịp = ¼ x 12.0 = 3.0 m. = 300 cm.

ii) Khoảng cách giữa tâm của dầm = 200 cm.

iii) Chiều rộng + 12 x độ dày của tấm = 1.0 + 12 x 20 = 241 cm.

Do đó 200 cm. là giá trị nhỏ nhất và như vậy chiều rộng mặt bích hiệu quả.

Chiều rộng tương đương từ Nghệ thuật. 15.3.2 = Chiều rộng mặt bích hiệu quả / m = 200/10 = 20.0 cm.

Do đó diện tích của phần hỗn hợp = Diện tích của phần thép hỗn hợp + diện tích thép tương đương của bản sàn. = 212 + 20 × 20.0 = 612 cm ²

Bước 9. Trục trung tâm của phần tổng hợp tương đương:

Lấy khoảnh khắc về đáy dầm, x ₁ X 612 = Diện tích tiết diện thép x x khoảng cách CG từ đáy + Diện tích tiết diện bê tông (diện tích thép biến đổi) x khoảng cách CG từ đáy. = 212 x 18, 75 + 20 x 20 x 67, 0 = 30, 775 cm ³ .

. ^. . x ₁ = 30, 775 / 612 = 50, 29 cm

Bước 10. Mô men quán tính của phần tương đương:

Bước 11. Căng thẳng do Thời điểm tải và giai đoạn tải trực tiếp giai đoạn 2 trên Phần tổng hợp:

Bước 12. Những căng thẳng cuối cùng trong Công cụ tổng hợp:

Các ứng suất cuối cùng trong dầm cầu và sàn boong do uốn dọc để duy trì tất cả các tải trọng chết và sống được thể hiện trong Bảng 15.1 và Hình 15.8 cho sự hiểu biết sâu sắc.

Bước 13. Thiết kế kết nối cắt:

Các đầu nối cắt sẽ bắt đầu hoạt động khi bê tông của tấm sàn đạt được độ chín. Do đó, việc cắt ở hai đầu dầm do trọng lượng bản thân của dầm thép hỗn hợp và giai đoạn 1 của tải trọng chết, tức là trọng lượng của bê tông xanh của tấm sàn kể cả công việc của nó sẽ không ảnh hưởng đến các đầu nối cắt.

Chỉ cắt do giai đoạn 2 của tải chết và tải trực tiếp sẽ gây ra sự cắt dọc tại giao diện và do đó sẽ cần các đầu nối cắt để chống trượt. DL Shear do Giai đoạn 2 của tải chết = ½ x 2795 x 12.0 = 16.770 Kg.

Giả sử chia sẻ bằng nhau, cắt trên dầm = 16, 770 / 4 = 4, 190 Kg.

Cắt tải trực tiếp (làn đường duy nhất của Tải lớp 70R) = 56.670 Kg.

Đối với nhịp 12 m, hệ số tác động đối với cầu thép và bê tông lần lượt là 25% và 10%. Cây cầu tức thời là sự kết hợp giữa thép và bê tông và do đó, một yếu tố tác động trung bình như vậy có thể được xem xét trong thiết kế các đầu nối cắt.

. ^. . Hệ số tác động trung bình = ½ (10 + 25) = 17, 5%

. ^. . LL cắt có tác động = 1.175 x 56.670 Kg. = 66, 590 Kg

Cắt cho dầm trung gian sẽ là tối đa. Việc chia sẻ cắt có thể được lấy là 0, 35 cho mỗi dầm trung gian = 0, 35 x 66, 590 Kg = 23, 300 Kg.

Hình 15.9 cho thấy sơ đồ SF cho một dầm trung gian. Từ hình 15.9c, tổng lực cắt dọc do tải trọng chết được đặt sau hành động tổng hợp có hiệu quả và tải trực tiếp với tác động gần hỗ trợ là 27.490 Kg.

Kết nối cắt gần hỗ trợ:

Cắt dọc, V _L trên mỗi đơn vị chiều dài tại giao diện được đưa ra bởi,

Giá trị cắt an toàn của từng loại thép nhẹ (UTS tối thiểu 460 MPa và điểm sản lượng 350 MPa và độ giãn dài 20%) được đưa ra bởi,

Trong đó Q = Kháng an toàn tính bằng Kg. của trên đầu nối cắt.

H = Chiều cao của stud tính bằng cm.

D = Dia. Của stud trong cm.

FCk = Đặc tính cường độ của bê tông tính bằng Kg / cm ² .

Sử dụng 20 mm. đường kính 100 mm. stud cao, Q = 4, 8 x 10 x 2 200 = 1350 Kg.

Nếu hai đầu nối cắt được đặt trong một đường ngang, điện trở cắt của 2 đầu nối cắt = 2x 1350 = 2700 Kg.

Do đó khoảng cách = 2700 / 167, 19 = 16, 14 cm. Nói 150mm.

Thiết kế cắt ở 2, 0 m. từ hỗ trợ (Hình 15.9c) = 13.500 Kg., tức là gần một nửa số lần cắt tại hỗ trợ.

Do đó, khoảng cách của các đầu nối cắt gấp đôi giá trị trước đó, tức là 300 mm. Khoảng cách 200 mm. có thể được sử dụng trong trường hợp này.

Cắt tại trung tâm = 5500 Kg (Hình 15.9b).

Do đó, khoảng cách của các đầu nối cắt (tỷ lệ nghịch với cắt dọc và khoảng cách gần hỗ trợ) = 160 x 27, 490 / 5.500 = 800mm.

Sử dụng khoảng cách 300 mm. từ xem xét thực tế. Khoảng cách của các đầu nối cắt trong suốt chiều dài của chùm tia được thể hiện trong hình 15.10 xem xét mức tối đa đó. cắt gần hỗ trợ đi xuống nhanh chóng.

Bước 14. Thiết kế cốt thép cắt ngang:

Lực cắt dọc, V _L trên mỗi đơn vị chiều dài được truyền từ dầm thép sang bản sàn qua bất kỳ mặt phẳng cắt nào sẽ không được vượt quá một trong hai điều sau và cốt thép cắt ngang phải được cung cấp tương ứng.

Trong đó L _S = Chiều dài của mặt phẳng cắt được xem xét tính bằng mm như trong hình 15.4.

f _ck = Đặc tính cường độ của bê tông tính bằng MPa nhưng không quá 45 MPa

A _S = Tổng diện tích mặt cắt ngang của tất cả các thanh cốt thép được giao với mặt phẳng cắt trên một đơn vị chiều dài của dầm (mm ² /mm).Điều này bao gồm các cung cấp cho độ uốn.

6 _y = Ứng suất sản xuất (MPa) của các thanh cốt thép giao với mặt phẳng cắt nhưng không quá 450 MPa.

Trong trường hợp tức thì, các mặt phẳng cắt sẽ là 1-1 và 2-2 như trong hình 15.4a. L _s trong trường hợp mặt phẳng cắt 1-1 = 2 x 200 = 400 mm. và L _s trong trường hợp mặt phẳng cắt 2-2 = (190 + 2 x 100) = 390 mm. Giá trị 400 mm có thể được lấy trong thiết kế. Hỗ trợ gần V _L đã được đánh giá trong khi thiết kế đầu nối cắt tương đương với 167, 19 Kg / cm = 164 N / mm.

Cốt thép ngang tối thiểu được đưa ra bởi,

Các thanh trên cùng và dưới cùng được cung cấp để uốn trong trường hợp bản sàn và cầu dầm (Hình 8, 5) là 12 Φ @ 220 mm. Trong trường hợp hiện tại, các thanh sẽ tương tự về số lượng.