Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 1

KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC
Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG
1.1 Bản chất và hiệu quả của phương pháp ứng suất trước
- Tạo trong kết cấu ứng suất ngược với ứng suất do tải trọng gây ra.
Mục đích:
+ Tăng khả năng chịu lực của kết cấu ( giảm chi phí vật liệu)
+ Giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu.
Ví dụ:
Dây căng thép cường độ cao

Sơ đồ và sự làm việc của thanh tổ hợp ứng suất trước
 Về mặt chịu lực:
Xét thanh tổ hợp chịu kéo:
K
1
K
K
2
P
0

0
1
0

1

+ Khi thanh có ứng suất trước, khả năng chịu lực của thanh là:
P
2
= A
1
(R
1
+ ).
Trong đó: A
1
diện tích tiết diện các thanh
Nhận xét: P
2
> P
1

- Nếu đồng thời ứng suất trong dây căng đạt đến cường độ tính toán của vật
liệu thì giới hạn bền của thanh là:
P
2
= A
1
.R
1
+ A
2
.R
2

| |

-
P
K
K
1
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 3

1.2. Các phương pháp tạo ứng suất trước.
1. Dùng dây căng bằng thép cường độ cao.
- Năng lượng của dây căng trước được tích lũy trong thanh cứng (thanh cũng được
UST) và gây nên ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra. Khi chịu tải trọng
cả dây căng và tải trọng cùng làm việc.
Sử dụng: dầm, dàn, khung
2. Dùng phương pháp chuyển vị cưỡng bức gối tựa.
P
P
PP
M
0
M
0
3
2
1

Trong các kết cấu siêu tĩnh( dầm, dàn, khung, vòm) gây chuyển vị cưỡng bức gối

P
P
1
P
2
E
1
E
2

Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 4

Các cấu kiện mãnh như cáp, thép tấm, bó sợi, thép thanh thường chỉ chịu được lực
kéo và không có khả năng chịu nén nhưng nếu cho chúng chịu kéo trước thì các kết cấu
này có thể chịu được lực nén trong giới hạn triệt tiêu lực kéo ban đầu.
H.a: chỉ có thanh kéo làm việc
H.b: cả thanh kéo và thanh nén cùng làm việc.

Nội lực trong thanh chịu kéo giảm đi 2 lần.
4. Phương pháp gây biến dạng đàn hồi các bộ phận kết cấu.

Khi kiểm tra thì chỉ cần kiểm tra khả năng chịu nén của thép vì bản thân thép chịu
kéo rất tốt, tấm thép chịu kéo làm tăng ổn định thanh cánh trên.
Bài 2: VẬT LIỆU, CẤU TẠO CỦA DÂY CĂNG VÀ BỘ PHẬN NEO.
2.1 Cấu tạo của vật liệu dây căng.
1. Cáp thép:
a) b)
c)

5mm. Các sợi thép bố trí song song có thể tạo thành tiết diện hình ống.
3. Thanh căng là thép tròn, đặc.
- Thanh căng thường làm bằng thép gia công nhiệt, đường kính 10 40mm.
Ưu điểm: rẻ, cấu tạo đơn giản, dễ bảo vệ chống ăn mòn.
Nhược điểm: chiều dài hạn chế ( 15m), khi hàn tăng chiều dài thì giảm cục bộ
độ bền của thép.
2.2. Bộ phận neo:
Neo dùng để giữ dây căng, liên kết dây căng với thanh cơ bản để đảm bảo liên kết
giữa chúng, tùy loại dây căng, tùy độ lớn của lực trong dây căng mà dùng các loại neo
khác nhau.
1. Neo cốc:
45°
d
2d
3.5d
4.5÷5d
1
2
3

Hình: Neo cốc dùng cho cáp
1) Cốc; 2) Ốc tựa(gối); 3) Cáp
- Ưu điểm: có độ tin cậy cao khi làm việc
- Nhược điểm: chế tạo phức tạp
2. Neo chêm:
- Với bó sợi cường độ cao dùng neo chêm vỏ trụ thép, trong có lỗ hình nón có các
rãnh.
- Khi căng, sợi thép được đặt vào các rãnh, đặt chêm vào vỏ neo, dùng kích 2
chiều kéo dây và ép chêm để kẹp chặt sợi thép.
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

4. Neo bằng thép ống dập:
Dùng cho thanh có gai đường kính 16mm hoặc cáp 7 bó đường kính 15mm.
- Ưu điểm: giá thành rẻ, thi công nhanh.
Bài 3: DẦM ỨNG SUẤT TRƯỚC
3.1 Dầm ứng suất trước bằng dây căng (thanh căng):
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 7

1. Cách bố trí dây căng và cấu tạo tiết diện dầm:
a. Bố trí dây căng:
a)
b)
c)
d)
e)

Bố trí dây căng trong dầm đơn giản ứng suất trước.
a)
b)

Bố trí dây căng trong dầm liên tục ứng suất trước.
Trong dầm ULT dây căng được bố trí ở gần cánh chịu kéo, có dạng thẳng hoặc
gãy khúc.
Dầm đơn giản:
 Dây căng được bố trí ở khoảng giữa nhịp, nơi có mô men uốn lớn (H.b)
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 8


c. Cấu tạo dây căng và neo:
- Dây căng: cáp bện, bó sợi cường độ cao, thép thanh: giữ bằng êcu
- Phương pháp căng: căng bằng kích: neo cốc, neo chêm hoặc căng bằng đốt
nóng điện
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 9

1
3
2
2
a)
b)
c)
2
l
d
'
l
d
?l

1) thanh căng; 2) bản gối; 3) mấu hàn sẵn.
Hai đầu thanh được hàn sẵn vào 2 bản gối, chiều dài ban đầu thanh là l
d
, một đầu
thanh được hàn trước với cánh dầm, đốt nóng thanh dài thành l
d
’

II: giai đoạn chịu tải trọng
a. Kiểm tra bền lên dầm Ứng suất trước.
Xét dầm như hình vẽ, khảo sát sự làm việc của dầm trong giai đoạn đàn hồi tại tiết
diện có M
max
, có 2 giai đoạn như sau:
- Giai đoạn I: khi tạo ứng suất trước thì lực căng X trong dây gây ra UST trong
dầm: Trong đó:
A: diện tích tiết diện ngang dầm
+
-
-
+
+
-
-
+
∑σ
= R
∑σ
= R
X.X
1
X
1
X
σ


+ Cánh dưới của dầm khi thành lập ứng suất trước:

+ Đối với dây căng chịu tải:

Trong các công thức trên xem dây căng đặt sát cánh dưới (c = h
2
), đối với dầm
cao (h>1m) và dây căng đặt gần cánh dưới (0,05 0,1m) giả thiết trên gây sai số không
đáng kể.
n
1
=1.1; n
2
=0.9: các hệ số vượt tải khi tính ứng suất trước.
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 12

: hệ số điều kiện làm việc ( =1)
W
1
; W
2
: mô men kháng uốn thớ trên và thớ dưới của tiết diện dầm
Đặt là hệ số tự ứng lực. Ta có:
b.Xác định thông số tối ưu của dầm ứng suất trước.

1
h
2
h
-
+
x
x
A
d
X+X
1
σ
2
= R
σ
1
= R
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 13

h
b
: chiều dày bản bụng
+ Đặc trưng phân bố vật liệu của tiết diện.
m = A
b
/A
A = A

d
=
c. Kiểm tra độ võng của dầm ứng suất trước.
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 14 độ võng của dầm do tác dụng của tải trọng tiêu chuẩn khi không có dây
căng ( tính theo công thức thông thường)
: độ võng ngược của dầm do tác dụng của lực căng X, và tự ứng lực X
1
trong dây căng. d. Kiểm tra ổn định của dầm ứng suất trước.
Việc kiểm tra ổn định cũng như việc bố trí sườn cứng ngang, sườn cứng dọc của
dầm ứng suất trước giống như dầm thường. Ngoài ra cần kiểm tra ổn định của dầm trong
giai đoạn ứng suất trước như sau:
- Kiểm tra ổn định cánh dưới chịu nén do lực căng dây:

- Kiểm tra ổn định của bản bụng như cấu kiện chịu nén lệch tâm.

h
0
: chiều cao bản bụng h
0
= h
b


+ Tìm chuyển vị
(2)
phản lực tại gối 1 do chuyển vị đơn vị tại gối 2 gây ra
Thay 2 vào 1:

l
1
l
2
1
2
3
x
1
M
0x
x
2
+
+
-
M
0
+
R
1
R
3
R
2

. = M
20
/l
1
R
42
. + R
43
. = M
30
/l
3

Suy ra

Ngoài việc gây ứng suất trước để san đều Momen người ta còn tạo ứng suất trước
để tập trung nội lực tại gối, giảm Momen nhịp bằng cách cho các gối tựa chuyển vị lên
trên tiết diện tại gối được tăng kích thước hoặc dùng thép cường độ cao tiết kiệm được
28% 30% thép với dầm 2 nhịp.
3.3 Dầm tổ hợp ứng suất trước bằng cách gây biến dạng đàn hồi của các phân tố.
1. Phương pháp tạo ứng suất trước
l
2
l
3
R
1
R
4
R

+ Chữ T ở thớ ngoài:

+ Chữ T ở thớ trong:
h
0
h
0
z
0
z
0
h
-
+
-
+
-
+
+
-
+
-
+
-
a)
b)
c)
d)
e)
h)

01

σ
0

σ’
p

σ
p

σ
0

σ
01
’
σ’
0

σ’
p

σ
p

σ
0

σ’


Trên trục trung hòa thì:

Khi chịu tải trọng ngoài, ứng suất do tải trọng gây ra σ
p
’
(h.e), ngược dấu với σ
0
Ứng suất cuối cùng tại thớ biên do tải trọng ngoài gây ra và do ứng suất trước
(H.h)

Từ công thức (*) suy ra:

Đặt

gọi là hệ số tăng khả năng chịu lực của dầm ứng suất trước:

Nhận xét: nếu k tăng thì σ
0
tăng và 2.W
o
/W giảm
Thường k = 1.17 2 có thể tiết kiệm từ 4 7.5% thép so với dầm thường.

Bài 4: DÀN ỨNG SUẤT TRƯỚC
4.1 Các biện pháp cấu tạo
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 19


Giống tiết diện dàn thường

Hình: Tiết diện dàn nhẹ
1) thanh dàn; 2) dây căng; 3) Đoạn thép ống; 4) Vách cứng; 5) Đoạn thép góc

Hình: Tiết diện dàn nặng
Dây căng bố trí 1 nhánh: Hình d,e,h,i dùng cho dàn nhẹ. Hình c dùng cho dàn
nặng.
Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Page 21

Dây căng bố trí nhiều nhánh: Hình a,b, dàn nặng. Hình a,b,c dùng cho dàn nhẹ.
3. Chi tiết neo:
a. Mắt gối:

b. Mắt trung gian

4.2. Tính toán dàn ứng suất trước:
1. Dàn ứng suất trước từng thanh riêng lẻ:
Cách tính gần giống dàn không ứng suất trước, các thanh ứng suất tính như cấu
kiện chịu kéo.
2. Dàn có dây căng ứng suất trước nhiều thanh.
Tính như hệ siêu tĩnh, nội lực trong các dây căng là các ẩn số, khi tính cần chọn
trước tiết diện của thanh và dây căng.
a) Trường hợp tổng quát:
Giả sử dàn có n bậc siêu tĩnh, dùng k dây căng, hệ có (n+k) ẩn số. Gọi lực trong
dây căng là X
i
, ẩn trong thanh dàn là Z

N
pi
: nội lực trong thanh thứ i do tải trọng tính toán gây ra trong hệ cơ bản.
N
1i
: nội lực trong thanh thứ i do lực căng của dây N
d
= 1 gây ra trong hệ cơ
bản.
N
d
: lực căng trong dây.
Nội lực tính toán của thanh giới hạn là:

N
g
: nội lực của thanh giới hạn do tải trọng tính toán gây ra trong hệ cơ bản.
Nội lực trong dây căng: Diện tích dây căng:

R
d
: cường độ tính toán của dây.
+ Giá trị tự ứng lực X
1
:

Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Xi
ta có: :
: hệ số uốn dọc của thanh thứ i; tra bảng
γ: hệ số điều kiện làm việc
: hệ số vượt tải, n
1
= 1,1; n
2
= 0,9
A
ngi
: diện tích tiết diện nguyên thanh thứ i
A
thi
: diện tích tiết diện thực thanh thứ i
+ Với các thanh mà trên hệ cơ bản có nội lực do tải trọng tính toán N
i
gây ra
cùng dấu nội lực N
Xi
do dây căng gây ra:
Thanh nén:
Thanh kéo:
+ Độ bền của dây căng được kiểm tra:

Chú ý:
+ Khi xác định λ
i
của các thanh dàn có liên kết dây căng bằng các mấu giữ,
chiều dài tự do của thanh bằng khoảng cách các mấu giữ tăng lên 10% - 20%