5.3. THIẾT KẾ DẦM TỔ HỢP

Dầm tổ hợp được sử dụng khi yêu cầu chịu lực vượt quá khả năng của dầm thép cán nóng lớn nhất: tải trọng lớn (q > 20kN/m) hoặc vượt nhịp lớn (l >12m). Dầm tổ hợp có thể chế tạo bằng liên kết hàn hoặc bu lông cường độ cao. Công chế tạo tốn hơn do với dầm thép cán. Tuy nhiên sử dụng dầm tổ hợp tinh hoạt hơn, có thể thay đổi tiết diện phù hợp với yêu cầu chịu lực. Độ mảnh bản bụng lớn hơn so với dầm cán, tính toán kiểm tra ổn định cục bộ là bắt buộc.

Thiết kế dầm tổ hợp bao gồm các công việc: chọn tiết diện dầm; thay đổi tiết diện theo chiều dài dầm; kiểm tra các tiết diện và kiểm tra dầm theo các điều kiện về bền, biến dạng, ổn định; cấu tạo và tính toán các chi tiết của dầm.

5.3.1. Chọn tiết diện dầm

a. Xác định chiều cao h của dầm

Chiều cao tiết diện là thông số cơ bản khi thiết kế dầm, phải đảm bảo yêu cầu sử dụng: dầm phải đủ cứng có độ võng không vượt quá giới, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại bị khống chế bởi yêu cầu công nghệ, đồng thời phải thoả mãn yêu cầu kinh tế, tiết kiệm. Gọi h là chiều cao của tiết diện dầm, cần chọn h thoả mãn điều kiện sau: hmin  h  hmax ; và h càng gần hkt càng tốt trong đó: hmin là chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng trong suốt quá trình sử dụng, nghĩa là độ võng của dầm không vượt quá độ võng giới hạn; hmax là chiều cao lớn nhất có thể của dầm, được quy định trong nhiệm vụ thiết kế, chính là khoảng cách cho phép đủ để bố trí hệ dầm và bản sàn; hkt là chiều cao của tiết diện dầm ứng với lượng thép làm dầm ít nhất.
Chiều cao hmin được xác định từ công thức tính toán độ võng của dầm. Với dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều:

Chiều cao lớn nhất hmax được xác định từ yêu cầu sử dụng, được quy định trong nhiệm vụ thiết kế. Quy định này không cho phép chiều cao dầm vượt quá một giá trị nào đó, để không ảnh hưởng đến không gian sử dụng bên dưới sàn.

Chiều cao kinh tế hkt là chiều cao tiết diện, tương ứng với lượng thép làm dầm nhỏ nhất.
Nhận thấy rằng, khi chiều cao dầm tăng lên thì trọng lượng bụng tăng lên, còn trọng lượng cánh dầm thì giảm xuống; quan hệ đó được biểu thị trên hình 5.12.

Hình 5.12. Đồ thị quan hệ giữa trọng lượng và chiều cao dầm

Trọng lượng một mét dài dầm:

Bản bụng càng cao, càng mỏng thì dầm càng nhẹ. Tuy nhiên, khi thiết kế tiết diện, độ mảnh của bản bụng cần được khống chế để thoả mãn các điều kiện ổn định cục bộ. Vì vậy, có thể lấy các giá trị cho trong bảng 5.1. Với các lớp tiết diện mảnh hơn, cần tham khảo [1].

Từ công thức (5.27) thấy rằng, khi chiều cao dầm lấy bằng chiều cao hkt thì trọng lượng bụng dầm gần bằng trọng lượng hai cánh dầm; mặt khác trọng lượng dầm thay đổi rất ít quanh chiều cao hkt. Vì vậy, khi thiết kế có thể lấy chiều cao dầm h sai khác so với chiều cao tính được khoảng 20% thì vẫn đảm bảo yêu cầu kinh tế.
Thiết kế dầm là việc nhằm tính và chọn ra một cấu kiện chịu uốn mà mọi tiết diện của nó đều thoả mãn các điều kiện sử dụng như sau:
- Đảm bảo điều kiện chịu lực tại các tiết diện nguy hiểm ;
- Bản bụng, bản cánh phải thoả mãn điều kiện ổn định cục bộ và chịu lực tập trung;
- Độ võng lớn nhất của dầm không vượt quá độ võng giới hạn cho phép trong quá trình sử dụng;
- Dầm phải đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể, cục bộ;
- Thoả mãn các điều kiện cấu tạo và khả thi cho chế tạo và lắp dựng.

b. Xác định chiều dày bản bụng dầm.

Với những dầm có chiều cao lớn, chiều dày bản bụng càng bé, dầm càng nhẹ, hiệu quả kinh tế càng lớn, nhưng chiều dày bản bụng dầm còn cần đảm bảo điều kiện bền chịu cắt của tiết diện. Từ điều kiện (5.13), khi gần đúng coi là chỉ có bản bụng chịu tác dụng của lực cắt Vmax, thì ứng suất tiếp tại thớ giữa đạt đến cường độ tính toán về cắt fv, theo N.G.Zuravxkii [13] có:

Bề dày bản bụng tw được chọn để đưa vào cấu tạo tiết diện dầm dựa trên cơ sở của các giá trị tính được theo công thức (5.37), (5.38), (5.39), nhưng cần lưu ý đến chiều dày của thép cán theo quy cách và bề dày tối thiểu đảm bảo yêu cầu chống rỉ.

c. Xác định các kích thước của tiết diện cánh dầm

Trong phần này chỉ xem xét xác định tiết diện cánh dầm hàn. Cánh dầm thường cấu tạo từ một bản thép, một số trường hợp có thể cấu tạo từ hai bản thép nhưng thường sẽ không hiệu quả (cấu tạo, các bản thép làm việc không đều…) . Chiều dày bản cánh không nên lớn quá ba lần chiều dày bản bụng, tránh sử dụng bản cánh dày quá 30mm (sẽ phát sinh ứng suất phụ và sẽ rất khó hàn khi hàn bản cánh với bản bụng dầm; mặt khác với cùng một mác thép thì khi bề dày càng lớn, cường độ tính toán càng bé.).
Từ điều kiện bền về uốn của tiết diện chịu Mmax , xác định được diện tích yêu cầu của cánh dầm: chiều dày tf và chiều rộng bf của bản thép cánh dầm.
Từ điều kiện chịu uốn, xác định mômen quán tính cần thiết của tiết diện cánh dầm đối với trục trung hoà x-x:

Tiết diện làm việc hiệu quả khi đưa vật liệu ra xa trọng tâm, chiều dày bản cánh tf nên chọn lớn hơn chiều dày tw của bản bụng, với dầm thông thường, nên chọn tf = 12  24mm.
Để đảm bảo ổn định cục bộ của bản cánh nén, tỷ số giữa chiều rộng và chiều dày bản cánh cần thoả mãn điều kiện:

bef  t f <= 0,5 (5.43)

Đồng thời đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể của dầm và dễ liên kết với các cấu kiện khác (dầm ngang bên trên, với tấm sàn…) thì bề rộng cánh dầm không nên quả bé, thường chọn như sau:

Hình 5.13. Tiết diện dầm tổ hợp hàn