Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Chương LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP Trong kết cấu thép nay, có hai loại liên kết thường sử dụng: liên kết đinh liên kết hàn Hình 2.1 giới thiệu số dạng liên kết phổ biến kết cấu thép Liên kết đinh cụm từ chung dùng để loại liên kết có dạng thép trịn xâu qua lỗ phận cần li ên kết Như vậy, đinh đại diện cho đinh tán, bu lông, bu lông cường độ cao, chốt …Các loại liên kết đinh đề cập chương liên kết bu lông thường liên kết bu lông cường độ cao Liên kết hàn dùng cho mối nối ngồi cơng trường nói chung, chủ yếu sử dụng để nối phận nh máy Tuỳ theo trường hợp chịu lực, liên kết phân chia thành liên kết đơn giản, hay liên kết chịu lực tâm, liên kết chịu lực lệch tâm Trong chương này, liên k ết đơn giản trình bày mục 2.1-2.7, liên kết chịu lực lệch tâm đề cập mục 2.8 Hình 2.1 http://www.ebook.edu.vn 25 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD 2.1 Cấu tạo liên kết bu lông Bu lông phân biệt bu lông th ường bu lông cường độ cao 2.1.1 Bu lông thường Bu lông thường làm thép các-bon ASTM A307 có cường độ chịu kéo 420 MPa Bu lơng A307 có đầu dạng hình vng, lục giác đầu chìm Bu lông thép thường không phép sử dụng cho li ên kết chịu mỏi  Đai ốc Đai ốc Thân đinh Đầu Đầu Ren Chiều dài ½ đường kính Chiều dài Hình 2.2 Bu lơng thép bon A307 c ấp A Đầu bu lông nhà sản xuất quy định a Đầu đai ốc hình lục lăng ; b Đầu đai ốc hình vng ; c Đầu chìm 2.1.2 Bu lơng cường độ cao Bu lơng cường độ cao phải có cường độ chịu kéo nhỏ 830 MPa cho đ ường kính d = 16  27 mm 725 MPa cho đư ờng kính d = 30  36 mm Bu lơng cường độ cao dùng liên kết chịu ma sát liên kết chịu ép mặt Liên kết chịu ép mặt chịu tải trọng lớn gây biến dạng lớn chịu ứng suất đổi dấu n ên dùng điều kiện cho phép Trong cầu, mối nối bu lông chịu ép mặt không dùng cho liên kết chịu ứng suất đổi dấu Liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát thường dùng kết cấu cầu chịu tải trọng thường xuyên gây ứng suất đổi dấu cần tránh biến dạng tr ượt mối nối http://www.ebook.edu.vn 26 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Liên kết bu lông cường độ cao chịu ép mặt đ ược dùng hạn chế cho phận chịu ứng suất dấu cho phận thứ yếu Trong xây dựng cầu, liên kết bu lông cường độ cao liên kết hàn sử dụng cho mối nối ngo ài công trường song liên kết bu lông cường độ cao dùng chủ yếu Liên kết hàn sử dụng liên kết thứ yếu, không chịu hoạt tải, dùng để liên kết mặt cầu phận khơng chịu lực Trong thực tế, thường sử dụng hai loại bu lông c ường độ cao A325 A490 với đầu mũ đai ốc theo tiêu chuẩn ASTM hình 2.2 Hình 2.3 Bu lơng cường độ cao Bu lơng CĐC A325 thép chống rỉ Các kích cỡ bu lơng v đường ren tham khảo bảng 2.1 Bảng 2.1 Chiều dài đường ren bu lông CĐC Đường kính bu lơng (mm) 12.7 15.9 19.0 22.2 25.4 28.6 31.8 35.0 38.1 Chiều dài ren danh đinh (mm) 25.4 31.8 35.0 38.1 44.5 50.8 50.8 57.2 57.2 Độ lệch ren (mm) 4.8 5.6 6.4 7.1 7.9 8.6 9.7 11.2 11.2 Chiều dài tổng cộng ren (mm) 30.2 37.3 41.1 45.2 52.3 59.4 60.5 69.3 68.3 http://www.ebook.edu.vn 27 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Trong liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát, cá c nối ép vào nhờ lực xiết bu lông Lực xiết bu lông cần đủ lớn để chịu cắt, ma sát thép đủ khả chống lại tr ượt Liên kết chịu ma sát yêu cầu bề mặt tiếp xúc nối phải làm khỏi sơn, dầu mỡ chất bẩn Cũng dùng liên kết bu lông bị ép mặt, dịch chuyển nối đ ược ngăn cản thân bu lông Các kích thước lỗ bu lơng khơng vượt q trị số bảng 2.1 Bảng 2.2 Kích thước lỗ bu lơng lớn Đường kính bu lơng Lỗ chuẩn Lỗ cỡ Lỗ ô van ngắn Lỗ ô van dài d (mm) Đường kính Đường kính Rộng x Dài Rộng x Dài 16 18 20 18  22 18  40 20 22 24 22  26 22  50 22 24 28 24  30 24  55 24 26 30 26  33 26  60 27 30 35 30  37 30  67 30 33 38 33  40 33  75 36 39 44 39  46 39  90 Lỗ cỡ dùng lớp liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát Không dùng lỗ cỡ liên kết kiểu ép mặt Lỗ ô van ngắn dùng lớp liên kết chịu ma sát ép mặt Trong liên kết chịu ma sát, cạnh dài lỗ ô van dùng không cần ý đến phương tác dụng tải trọng, liên kết chịu ép mặt, cạnh dài lỗ ô van cần vuông góc với phương tác dụng tải trọng Lỗ ô van dài dùng lớp liên kết chịu ma sát liên kết chịu ép mặt Lỗ van dài dùng liên kết chịu ma sát không cần ý đến phương tác dụng tải trọng, liên kết chịu ép mặt, cạnh dài lỗ ô van cần vuông góc với phương tác dụng tải trọng Trong xây dựng cầu, đường kính bu lơng nhỏ cho phép l 16 mm, nhiên khơng dùng bu lơng đường kính 16 mm kết cấu chịu lực 2.1.3 Khoảng cách bu lơng khoảng cách tới mép Việc quy định khoảng cách nhỏ nhất, khoảng cách lớn bu lông cũn g từ bu lông tới mép cấu kiện nhằm mục đích khác Khoảng cách nhỏ bu lông đ ược quy định nhằm đảm bảo khoảng cách trống đai ốc không gian cần thiết cho thi công (xiết bu lông) Khoảng cách http://www.ebook.edu.vn 28 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD nhỏ từ bu lông tới mép cấu kiện quy định nhằm mục đích chống xé rách thép Khoảng cách lớn bu lông nh từ bu lông tới mép cấu kiện đ ược quy định nhằm đảm bảo mối nối chặt chẽ, chống ẩm v chống lọt bụi chống cong vênh cho thép Các yêu cầu khoảng cách bu lông v khoảng cách tới mép theo Ti chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 tóm tắt sau: Khoảng cách từ tim tới tim bu lông (theo ph ương) không nhỏ 3d, với d đường kính bu lông Khoảng cách nhỏ từ tim lỗ tới mép cấu kiện (theo ph ương), hàm kích thước bu lông dạng gia công mép, cho bảng 2.2 Khoảng cách từ tim lỗ tới mép (theo phương), nói chung, khơng đư ợc lớn lần chiều dày nối mỏng không lớn 125 mm Khoảng cách bu lông khoảng cách từ bu lông tới mép, ký hiệu t ương ứng s Le, minh hoạ hình 2.8 Các điều khoản đầy đủ chi tiết khoảng cách bu lông v khoảng cách tới mép tham khảo Tài liệu [2], mục 6.13.2.6 Bảng 2.3 Khoảng cách đến mép tối thiểu (mm) Đường kính bu lơng (mm) Các mép cắt Các mép tấm, hay thép hình cán mép cắt khí đốt 16 28 22 20 34 26 22 38 28 24 42 30 27 48 34 30 52 38 36 64 46 2.2 Liên kết bu lông chịu cắt: tr ường hợp phá hoại Trước xem xét cường độ cấp đặc trưng bu lông, cần nghi ên cứu trường hợp phá hoại khác xảy li ên kết bu lơng chịu cắt Có hai dạng phá hoại chủ yếu: phá hoại bu lông phá hoại phận liên kết Xét mối nối biểu diễn hình 2.3a Sự phá hoại bu lơng đ ược giả thiết xảy hình vẽ Ứng suất cắt trung bình trường hợp fv  P P  A d2 / http://www.ebook.edu.vn 29 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD đó, P lực tác dụng lên bu lông, A diện tích mặt cắt ngang bu lơng v d đường kính Lực tác dụng đ ược viết P  fv A Mặc dù lực tác dụng trường hợp không hoàn toàn tâm đ ộ lệch tâm nhỏ bỏ qua Liên kết hình 2.4b tương tự phân tích cân lực phần thân bu lông cho thấy rằng, diện tích mặt cắt ngang chịu nửa tải trọng toàn phần, hay, hoàn toàn tương đương, có hai m ặt cắt ngang tham gia chịu tải trọng toàn phần Trong trường hợp này, tải trọng P  f v A trường hợp cắt kép (cắt hai mặt) Li ên kết bu lơng hình 2.3a với mặt chịu cắt đ ược gọi liên kết chịu cắt đơn (cắt mặt) Sự tăng bề dày vật liệu liên kết làm tăng số mặt phẳng cắt làm giảm lực tác dụng mặt cắt Tuy nhiên, điều làm tăng chiều dài bu lơng khiến cho phải chịu uốn Hình 2.3 Các trường hợp phá hoại cắt bu lơng Các tình phá hoại khác li ên kết chịu cắt bao gồm phá hoại phận liên kết chia thành hai trường hợp Sự phá hoại kéo, cắt uốn lớn phận đ ược liên kết Nếu cấu kiện chịu kéo liên kết, lực kéo mặt cắt ngang nguyên mặt cắt ngang hữu hiệu phải kiểm tra Tuỳ theo cấu tạo li ên kết lực tác dụng, phải phân tích cắt, kéo, uốn hay cắt khối Việc thiết kế li ên kết cấu kiện chịu kéo th ường tiến hành song song với việc thiết kế cấu kiện hai q trình phụ thuộc lẫn Sự phá hoại phận đ ược liên kết ép mặt gây thân bu lông Nếu lỗ bu lông rộng chút so với thân bu lông v bu lông giả thiết nằm lỏng lẻo lỗ chịu tải, tiếp xúc bu lơng v phận liên kết xảy khoảng nửa chu vi bu lông (h ình 2.4) Ứng suất biến thiên từ giá trị lớn A đến không B; để đ ơn giản hố, ứng suất trung bình, tính lực tác dụng chia cho diện tích tiếp xúc, đ ược sử dụng http://www.ebook.edu.vn 30 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Do vậy, ứng suất ép mặt tính f p  P /(dt ), với P lực tác dụng lên bu lơng, d đường kính bu lông t bề dày phận bị ép mặt Lực ép mặt , từ đó, P  f p dt Hình 2.4 Hình 2.5 Sự ép mặt bu lông lên thép Ép mặt bu lông gần đầu cấu kiện gần bu lơng khác Vấn đề ép mặt phức tạp h ơn có mặt bu lơng gần gần mép đầu cấu kiện theo phương chịu lực miêu tả hình 2.5 Khoảng cách bu lơng từ bu lơng tới mép có ảnh h ưởng đến cường độ chịu ép mặt 2.3 Cường độ chịu ép mặt Cường độ chịu ép mặt không phụ thuộc v loại bu lơng ứng suất xem xét phận liên kết bu lông Do vậy, cường độ chịu ép mặt yêu cầu khoảng cách bu lông v khoảng cách tới mép đầu cấu kiện, l đại lượng không phụ thuộc vào loại bu lông, xem xét trước bàn cường độ chịu cắt chịu kéo bu lông http://www.ebook.edu.vn 31 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Các quy định Tiêu chuẩn AISC cường độ chịu ép mặt nh tất yêu cầu bu lông cường độ cao có sở quy định tiêu chuẩn RCSC, 2000 (Hội đồng nghiên cứu liên kết kết cấu) Phần trình bày sau giải thích sở cơng thức cho cường độ chịu ép mặt Ti chuẩn AISC AASHTO LRFD Một trường hợp phá hoại xảy ép mặt lớn l xé rách đầu cấu kiện liên kết minh hoạ hình 2.6a Nếu bề mặt phá hoại lý tưởng hố biểu diễn hình 2.6b tải trọng phá hoại hai mặt ứng suất phá hoại cắt nhân với diện tích chịu cắt, hay Rn  0, Fu Lc t Trong 0,6Fu ứng suất phá hoại cắt cấu kiện đ ược liên kết Lc khoảng cách từ mép lỗ tới mép cấu kiện đ ược liên kết t chiều dày cấu kiện liên kết Cường độ tổng cộng Rn  2(0, Fu Lc t )  1, Fu Lc t Hình 2.6 (2.1) Sự xé rách đầu cấu kiện Sự xé rách xảy mép cấu kiện liên kết, hình vẽ, hai lỗ theo phương chịu lực ép mặt Để ngăn ngừa biến dạng lớn lỗ, giới hạn đặt lực ép mặt đ ược cho công thức 2.1 Giới hạn tr ên tỷ lệ thuận với tích số diện tích chịu ép mặt ứng suất phá hoại, hay Rn  C  diÖn tÝch Ðp mỈt  Fu  CdtFu (2.2) Trong C số D đường kính bu lơng T chiều dày cấu kiện liên kết http://www.ebook.edu.vn 32 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Tiêu chuẩn AISC sử dụng công thức 2.1 cho c ường độ chịu ép mặt với giới hạn tr ên cho cơng thức 2.2 Nếu có biến dạng lớn, m điều thường xảy ra, C lấy 2,4 Giá trị tương ứng với độ giãn dài lỗ khoảng ¼ inch Như Rn  1, Fu Lc t  2, 4dtFu Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 (cũng AASHTO LRFD), cường độ chịu ép mặt liên kết bu lông, chất, đ ược xác định sở phân tích Tuy nhiên, quy định trường hợp sức kháng ép mặt danh định thể khác biệt hình thức, cụ thể sau: Đối với lỗ chuẩn, lỗ cỡ, lỗ ô van ngắn chịu tác dụng lực theo ph ương lỗ ô van dài song song với phương lực tác dụng:  Khi khoảng cách tĩnh lỗ bu lông không nhỏ h ơn 2d khoảng cách tĩnh đến đầu không nhỏ h ơn d: Rn = 2,4.d.t.Fu  (2.3) Khi khoảng cách tĩnh lỗ bu lông nhỏ h ơn d khoảng cách tĩnh đến đầu nhỏ d: Rn = 1,2.Lc.t.Fu (2.4) Đối với lỗ van dài vng góc với phương lực tác dụng:  Khi khoảng cách tĩnh lỗ bu lông không nhỏ h ơn d khoảng cách tĩnh đến đầu không nhỏ h ơn d: Rn = 2,0.d.t.Fu  (2.5) Khi khoảng cách tĩnh lỗ bu lông nhỏ h ơn d khoảng cách tĩnh đến đầu nhỏ 2d: Rn = Lc.t.Fu (2.6) đó, Lc khoảng cách trống, theo phương song song với lực tác dụng, từ mép lỗ bu lông tới mép lỗ gần kề tới mép cấu kiện t chiều dày cấu kiện liên kết d đường kính bu lơng Fu ứng suất kéo giới hạn cấu kiện đ ược liên kết (không phải bu lông) Trong tài liệu này, biến dạng xem xét góc độ thiết kế Cường độ chịu ép mặt tính tốn bu lơng đơn, vậy, tính  Rn , với  hệ số sức kháng ép mặt bu lông l ên thép   0, 75 theo AISC   0,80 theo AASHTO LRFD (1998) đó, http://www.ebook.edu.vn 33 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Lc khoảng cách trống, theo phương song song với lực tác dụng, từ mép lỗ bu lông tới mép lỗ gần kề tới mép cấu kiện t chiều dày cấu kiện liên kết Fu ứng suất kéo giới hạn cấu kiện đ ược liên kết (không phải bu lông) Hình 2.7 Hình 2.7 miêu tả khoảng cách Lc Khi tính tốn cường độ ép mặt cho bu lơng, sử dụng khoảng cách từ bu lông n ày đến bu lông liền kề đến mép the o phương lực tác dụng vào cấu kiện liên kết Đối với trường hợp hình vẽ, lực ép mặt tác dụng tr ên phần bên trái lỗ Do vậy, cường độ cho bu lơng tính với Lc khoảng cách hai mép lỗ cường độ cho bu lơng tính với Lc khoảng cách tới mép cấu kiện liên kết Cho bu lông gần mép, dùng Lc  Le  h / Cho bu lông khác, dùng Lc  s  h , Le khoảng cách từ tâm lỗ tới mép s khoảng cách tim đến tim lỗ h đường kính lỗ Khi tính khoảng cách Lc, cần sử dụng đường kính lỗ thực tế (tức l rộng 1/16 inch so với đường kính thân bu lơng, theo AISC) hd in 16 hay đơn giản h  d  mm Khoảng cách bu lông khoảng cách tới mép Yêu cầu khoảng cách tối thiểu bu lông v từ bu lơng tới mép có liên quan đến xé rách thép trình bày mục 2.1.3 Khoảng cách bu lông v khoảng cách từ bu lông tới mép, ký hiệu t ương ứng s Le, minh hoạ hình 2.8 http://www.ebook.edu.vn 34 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Rn  K h K s Ns Pt (2.9) đó: Ns số mặt ma sát bu lông (thực tế số mặt cắt bu lông), Pt lực kéo tối thiểu yêu cầu bu lông, quy định bảng 2.3, Kh hệ số kích thước lỗ, quy định bảng 2.4, v Ks hệ số điều kiện bề mặt, quy định bảng 2.5 Bảng 2.4 Lực kéo tối thiểu yêu cầu bu lơng Đường kính bu lơng (mm) Lực kéo tối thiểu yêu cầu bu lông Pt (kN) Bu lông A325M Bu lông A490M 16 91 114 20 142 179 22 176 221 24 205 257 27 267 334 30 326 408 36 475 595 Bảng 2.5 Các trị số K h Cho lỗ chuẩn 1,0 Cho lỗ cỡ khía rãnh ngắn 0,85 Cho lỗ khía rãnh dài với rãnh vng góc với phương lực 0,70 Cho lỗ khía rãnh dài với rãnh song song với phương lực 0,60 Bảng 2.6 Các trị số K s Cho điều kiện bề mặt loại A 0,33 Cho điều kiện bề mặt loại B 0,50 Cho điều kiện bề mặt loại C 0,33 Tiêu chuẩn loại bề mặt: Loại A: lớp cáu bẩn làm sạch, bề mặt không sơn làm thổi với lớp phủ loại A Loại B: bề mặt không sơn làm thổi với lớp phủ loại B Loại C: bề mặt mạ kẽm nóng, làm nhám bàn chải sắt sau mạ Sức kháng trượt tính tốn (có hệ số) bu lơng c ường độ cao l sức kháng trượt danh định (   1, ) Rr  Rn  K h K s Ns Pt (2.10) http://www.ebook.edu.vn 44 ...  Fu  CdtFu (2. 2) Trong C số D đường kính bu lơng T chiều dày cấu kiện liên kết http://www.ebook.edu.vn 32 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2- 0 5 AASHTO LRFD Tiêu chuẩn AISC sử... lông l ên thép   0, 75 theo AISC   0,80 theo AASHTO LRFD (1998) đó, http://www.ebook.edu.vn 33 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2- 0 5 AASHTO LRFD Lc khoảng cách trống, theo phương... thép kết cấu M270 cấp 25 0 Hình 2. 10 Hình cho ví dụ 2. 2 http://www.ebook.edu.vn 37 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2- 0 5 AASHTO LRFD Lời giải Liên kết coi liên kết đơn giản bu lơng