›
›

Bài giảng chuyên đề Giám sát thi công và quản lý chất lượng kết cấu thép

pdf 51 trang hapham 1330
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng chuyên đề Giám sát thi công và quản lý chất lượng kết cấu thép", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_chuyen_de_giam_sat_thi_cong_va_quan_ly_chat_luong.pdf

Nội dung text: Bài giảng chuyên đề Giám sát thi công và quản lý chất lượng kết cấu thép

  1. BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ GIÁM SÁT THI CÔNG VÀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG KẾT CẤU THÉP * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * HÀ NỘI
  2. - Mức độ phức tạp trong thiết kế và thi công các công trình xây dựng trong những năm gần đây ngày càng cao. - Sự cố các công trình xây dựng ngày càng nhiều - Sự quản lý chưa thống nhất giữa chủ đầu tư, đơn vị giám sát, đơn vị thiết kế, đơn vị thi công. Tài liệu này nhằm giới thiệu về nguyên tắc, để có sự thống nhất trong quản lý dự án đầu tư, trong quản lý chất lượng thi công công trình bằng thép giữa các bên liên quan; dựa trên các cơ sở: - Hồ sơ thiết kế đã được phê duyệt. - Các văn bản pháp quy hiện hành, bao gồm: + Luật Xây dựng + Nghị định của chính phủ về quản lý chất lượng công trình xây dựng số 209/2004/NĐ-CP + Nghị định của chính phủ về quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình số 16/2005/NĐ-CP, bổ sung sửa đổi bằng NĐ 112/CP (29/9/2006) + Thông tư 02/BXD (14/02/2007): Hướng dẫn một số nội dung về lập, thẩm định, phê duyệt dự án, giấy phép xây dựng và tổ chức quản lý dự án quy định tại NĐ 16/2005/NĐ-CP, 112/2006/NĐ-CP + TCXD 170:1989 Kết cấu thép – Gia công lắp ráp và nghiệm thu – Yêu cầu kỹ thuật.
  3. I. VẬT LIỆU THÉP LÀM KẾT CẤU XÂY DỰNG Trên thị trường hiện có thể gặp nhiều loại thép được sản xuất ở Việt nam, Nga, Liên Xô cũ, Mỹ, Tây Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc Việc quan trọng là phải nắm vững tên thép, xuất xứ, một số tính năng kỹ thuật chính và so sánh với một số loại thông dụng. 1. Thép Việt Nam: do Việt Nam sản xuất hoặc làm theo TC Việt Nam 1.1. Thép cacbon: thành phần chính là sắt (Fe) và cacbon (C), lượng cacbon dưới 1,7%. Thép XD có hàm lượng cacbon dưới 0,22% : mềm, dẻo, dễ hàn, uốn, cắt. Chia làm 7 cấp, từ CT1 đến CT7; thép thường dùng cho kết cấu là CT3. Theo TCVN 1765-85, có các mác CT34, CT38, CT42. Chữ CT là ký hiệu của thép cacbon thông thường, hai số sau là giới hạn bền tối thiểu khi kéo, tính bằng kG/mm2. Căn cứ theo yêu cầu sử dụng, chia làm 3 nhóm: nhóm A, thoả mãn tính năng cơ học yêu cầu; nhóm B đảm bảo thành phần hoá học quy định, nhóm C phải thoả mãn cả tính năng cơ học và thành phần hoá học. Các kết cấu XD phải dễ gia công (hàn, cắt, uốn), phải đảm bảo chịu lực trong các diều kiện khắc nghiệt, vì vậy chúng thuộc nhóm C; phổ biến nhất là CCT34, CCT38, CCT42. Chữ cuối cùng trong tên thép là chỉ sự khử ô-xy trong công nghệ rót thép lỏng từ lò luyện vào khuôn và để nguội đến kết tinh. Có các công nghệ lắng nguội tương ứng với các loại thép như sau: - thép sôi: do thép lỏng tự nguội trong khuôn. Khi nguội bốc ra nhiều bọt khí ô- xy, cácboníc, do nguội nhanh khí không kịp thoát ra, tạo thành bọt rỗng trong thép nên gọi là thép sôI; Có cấu trúc kém đồng nhất, tiết diện kim loại bị thu hẹp so với danh nghĩa; vì vậy chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại dòn. - thép lặng (tĩnh): không có sự bốc hơi cuồn cuộn trong quá trình nguội lặng, do có sự thêm vào những chất khử ô-xy như si-líc, nhôm, măngan. Những chất này làm quá trình nguội chậm lại, ô-xy và những tạp chất phi kim lại khác được khử hoàn toàn, đồng thời tạo thành lớp xỉ nổi trên mặt thép. Phần dưới lớp xỉ, thép đồng nhất, khó bị phá hoại dòn, chịu lực động tốt. Thép lặng tốt và đắt hơn thép sôi, được dùng trong các công trình quan trọng. - thép nửa lặng: chỉ bổ sung những chất làm nguội chậm, ô-xy không được khử hoàn toàn; vì vậy chất lượng và giá thành đều là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi. Thép sôi có thêm chữ s ngay sau con số chỉ độ bền, thép nửa lặng có thêm chữ n, không có chữ gì thêm thì là thép lặng. Nhằm nâng cao tính bền, dẻo dai của thép nửa lặng, còn thêm Mn vào thép, khi đó ngay sau chữ n, còn có thêm chữ Mn; ví dụ CCT38nMn2. Các nhà máy ở VN, chủ yếu sản xuất loại thép này; chúng tương đương với thép CT2, CT3 của Liên xô cũ. Bảng 1: Một số tính năng cơ học của thép cacbon thấp theo TCVN 1765-85 Mác Độ bền kéo, Giới hạn chảy tối thiểu, N/mm2 Độ dãn dài kéo đứt, %, thép N/mm2 tương ứng với bề dày, mm tương ứng với bề dày, mm
  4. đến 20 20 - 40 40 - 100 đến 20 20 - 40 40 - 100 CT34s 330 - 420 220 210 200 32 32 30 CT34n 340 - 440 230 220 200 32 31 29 CT34 CT38s 370 - 470 240 230 220 27 26 24 CT38n 380 - 490 250 240 230 26 25 23 CT38 CT38Mn 380 - 500 250 240 230 26 25 23 CT42s 410 - 520 260 250 240 25 24 22 CT42n 420 - 540 270 260 250 24 23 21 CT42 CT51n 510 - 640 290 280 270 20 19 17 CT51 CT52Mn 460 - 600 290 280 270 20 19 17 1.2. Thép cacbon dùng trong XD theo TCVN 5709-93: XCT34, XCT38, XCT42. So với thép CT tương ứng thì các loại thép này thoả mãn tính năng cơ học, nhưng yêu cầu thành phần hoá học thì không chặt chẽ bằng; chỉ cần thoả mãn yêu cầu về một số thành phần chính như: hàm lượng cácbon C không quá 0,22%; P và S là những chất có hại, hạn chế dưới 0,05%. thép XCT dễ sản xuất hơn mà vẫn đủ chất lượng để làm kết cấu XD. Mọi sản phẩm thép cán nóng như thép thanh, thép hình, thép tấm và các kết cấu thép hàn đều được sản xuất từ các mác thép này. Bảng 2: Một số tính năng cơ học của thép cácbon thấp dùng trong XD theo TCVN 5709-93 Mác Độ bền kéo, Giới hạn chảy tối thiểu, N/mm2 Độ dãn dài kéo đứt, %, thép N/mm2 tương ứng với bề dày, mm tương ứng với bề dày, mm đến 20 20 - 40 40 - 100 đến 20 20 - 40 40 - 100 XCT34 340 - 440 220 210 200 32 31 29 XCT38 380 - 500 240 230 220 26 25 23 XCT42 420 - 520 260 250 240 23 23 22 XCT52 520 - 620 360 360 350 22 22 21 1.3. Thép hợp kim thấp: là thép có thêm lượng kim loại khác để tăng cường tính năng cơ học và độ bền chống gỉ; hàm lượng các kim loại khác có tỉ lệ không quá 2,5%. TCVN 3107-7909 có các mác 10Mn2, 14Mn2, 16MnSi, 09Mn2Si, 10Mn2Si, 10CrSiNiCu. Hai con số đầu chỉ hàm lượng phần vạn của cacbon C trong hỗn hợp; chữ kí hiệu nguyên tố kim loại có trong hỗn hợp khi dưới 1%, số ngay sau chữ, chỉ hàm lượng của nó khi từ 1% trở lên, nguyên tố có hàm lượng cao ghi trước, hàm lượng thấp ghi sau. So với thép cácbon thấp thì thép hợp kim thấp có cường độ cao hơn 40-100% nên tiết kiệm được kim loại sử dụng. Dùng thép hợp kim thấp là phương hướng phát triển kết cấu của khá nhiều nước tiên tiến trên thế giới, nhưng ở nước ta thì chưa thể, vì ta chưa thể SX được thép hợp kim thấp với số lượng nhiều. 1.4. Thép cácbon kết cấu chất lượng tốt: được luyện trong lò bằng, lò quay thổi ô-xy và lò điện, chủ yếu dùng cho ngành cơ khí. Để gia công sản phẩm, phải dùng áp lực hoặc bằng dao cắt gọt.
  5. Một số sản phẩm thép cán như thép ống, thép tấm rộng được chế tạo từ loại thép này, chủ yếu là các mác C15, C20. Chữ C chỉ thép cacbon kết cấu chất lượng tốt, con số tiếp theo chỉ hàm lượng trung bình của cacbon, theo phần vạn. Thép có tăng cường hàm lượng Măngan thì có thêm chữ Mn trong tên gọi; ví dụ C15Mn, C20Mn. Thép này có độ bền cao hơn thép có hàm lượng măngan thông thường, nhưng độ dẻo và độ dai thấp hơn. 2. Thép Liên Xô cũ và thép Nga: vẫn còn được dùng trong các TC thiết kế của VN, đặc biệt là TC thiết kế kết cấu thép 5575-91. 2.1. Thép cacbon thấp: dùng làm kết cấu gồm các mác BCT3kn, BCT3nc, BCT3cn chứa hàm lưọng cacbon 0,14-0,22%. Chữ B có nghĩa là thuộc nhóm thứ ba, phải thoả mãn cả yêu cầu về cơ tính lẫn thành phần hoá học, tương tự như nhóm C của thép VN. Theo quy định, thép kết cấu chỉ dùng nhóm này; các chữ tiếp theo kn - sôi, cn - lặng, nc - nửa lặng; cuối cùng là con số chỉ hạng của thép từ 1 đến 6 để sử dụng trong các trường hợp riêng (khi có nhiệt độ thấp, khi có va chạm lớn, thường xuyên). Trong XD thường dùng BCT3kn-2, thép sôi hạng 2; BCT3nc-6, thép nửa lặng hạng 6; BCT3cn-5, thép lặng hạng 5. 2.2. Thép hợp kim thấp: Dùng thông dụng trong XD là các mác 142, 092C, 102C, 15XC , 10XC có ý nghĩa giống như thép VN: hai con số đầu chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon; chữ tiếp theo là tên của kim loại có trong hợp kim (- măngan, X- crôm, C- silíc, - đồng ), con số đứng ngay sau tên nguyên tố là tỷ lệ phần trăm của kim loại đó khi lớn hơn 1%; ví dụ thép 092C thì trong hỗn hợp có 9/10000 cácbon, từ 1 đến 2% măngan và dưới 1% silíc. Trong 5 loại thép nêu trên đây thì 3 loại trước dùng cho kết cấu nhà, 2 loại sau dùng cho cầu. 2.3. Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt: áp dụng cho các kết cấu chịu tải trọng lớn, điều kiện làm việc nặng nề. Trong XD dùng thép mác 18 (tương đương C20 của VN) hoặc dùng 18 (có thêm măngan); cũng ghi kèm theo công nghệ lắng trong tên gọi, ví dụ 18kn, 18nc 3. Thép Trung Quốc 3.1. Thép cacbon: Theo Tiêu chuẩn GB699-88, thép cacbon có tới 30 loại, các loại 20, 25 được gọi là thép số 3, là thép cacbon thấp, tương đương CT3 của Nga. Thép được phân làm 3 nhóm A, B, C (Tiếng Trung Quốc dịch là Nhóm Giáp, Ất, Đặc), đảm bảo về tính năng cơ học, thành phần hoá học hoặc đảm bảo cả hai. Dùng kèm theo chữ Y để chỉ thép lò quay thổi ô-xy, chữ F để chỉ thép sôi, chữ b để chỉ thép nửa lặng, thép lặng thì dùng chữ Z hoặc không ghi kèm theo chữ gì. Ví dụ thép số 3 lặng, lò bằng, nhóm A thì kí hiệu là A3;
  6. thép số 3, sôi, lò quay, nhóm B thì kí hiệu là BY3F. Tiêu chuẩn mới GB700-88 dùng giới hạn chảy để đặt tên thép; thép số 3 gọi theo tên mới là Q235, con số ghi kèm theo là cường độ chảy tính bằng Mpa. Căn cứ vào chất lượng, phân thép làm 4 cấp A, B, C, D: A là thép không quy định về độ dai va chạm; B là khi công va chạm là 27J ở 20oC; nhóm C cũng đạt công va chạm như vậy, nhưng ở 0oC; nhóm D thì ở âm 20oC. Ví dụ Q235-A.F; Q235-Bb; Q235-DZ Thép nhóm B, C, D giống như JR, JO, JC của Tiêu chuẩn Châu Âu. 3.2. Thép hợp kim thấp: Dùng làm kết cấu XD có 4 loại 16Mn, 16Mnq, 15MnV, 15MnVq. Hai số đầu là hàm lượng phần vạn của cacbon, nguyên tố được ghi tên vào khi có hàm lượng nhỏ duới 1,5% (măngan Mn, vanadi V ), chữ q là thép có độ dai xung kích tốt, thường dùng làm cầu. 3.3. Thép kết cấu chất lượng tốt: trong XD dùng các mác 15 và 20, có tính năng cơ học và thành phần hoá học tương tự thép C15 và C20 của TCVN. 4. Thép Hoa Kỳ Thép Hoa Kỳ được sản xuất và đặt tên theo tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing and Materials). Có 16 loại được chọn dùng trong XD theo quy định của Viện AISC (American Institute of Steel Construction) và ASSHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). 3.1. Thép cacbon thấp: Thông dụng là A36, giới hạn chảy = 36ksi (khoảng 2500 kG/cm2), tương đương CT3. dùng cho các kết cấu phổ thông của nhà, liên kết hàn hoặc bu lông. A53, A501 cường độ tương đương A36 nhưng dùng cho ống có hoặc không có hàn dọc. 3.2. Thép cacbon cường độ khá cao: có các cấp cường độ 40 đến 65 ( giới hạn chảy tính theo ksi), ví dụ A529, A570, dùng làm thép hình uốn nguội. 3.3. Thép hợp kim thấp cường độ cao: gồm nhiều loại có thêm các hợp kim, giới hạn chảy từ 40 - 70ksi. Thông dụng là A441, A572 các cấp 42 đến 65; loại chống gỉ tốt có A242, A606, A588. Thép A588, độ chống rỉ cao hơn A36 đến 4 lần; A606 có độ chống gỉ cao chuyên dùng làm thép tấm, thép dải; A607 có hợp kim vanadi. 3.4. Thép dùng cho cầu: mang số hiệu A709, có thể là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp, nhưng đã được nhiệt luyện. Có đủ các cấp từ 36 đến 100. Dùng thay thế được cho các loại từ A36 đến A588. Loại chịu thời tiết tốt có thêm chữ W như 50W, 100W. 3.5. Thép cường độ rất cao (thép hợp kim, được nhiệt luyện): ví dụ A852, A514, giới hạn chảy tới 90-100ksi, giới hạn bền tới 100-130ksi. Bảng sau đây cho giới hạn chảy, giới hạn bền của một số loại thép theo ASTM.
  7. Bảng 3. Giới hạn chảy, giới hạn bền của một số loại thép thông dụng trong XD, theo ASTM Tên thép Loại thép Giới hạn chảy Giới hạn bền khi kéo Theo ASTM cực tiểu, (N/mm2) (N/mm2) A36 Thép cacbon 250 400-550 A53 cấp B Thép cacbon 240 415 A242 Thép hợp kim thấp 290 435 cường độ cao 315 460 345 480 A441 ngừng sản xuất từ 1989, thay thế bằng A572 A500 cấp A Thép cacbon, 228 310 Cấp B loại thanh tròn 290 400 Cấp C 317 427 Cấp A Thép cacbon, 269 310 Cấp B loại thanh hình 317 400 Cấp C 345 427 A501 Thép cacbon 250 400 A514 Thép hợp kim, 620 690-895 tôi và nhiệt luyện 690 760-895 A529 Thép cacbon 290 414-586 A570 cấp 40 Thép cacbon 275 380 Cấp 45 310 415 Cấp 50 345 450 A572 cấp 42 Thép hợp kim thấp 190 415 Cấp 50 columbi hay vanadi, 345 450 Cấp 60 cường độ cao 415 520 cấp 65 450 550 A588 Thép hợp kim thấp, 290 435 cường độ cao 315 460 345 485 A606 Thép hợp kim thấp, 310 450 cường độ cao 345 480 A607 cấp 45 Thép hợp kim thấp 310 410 Cấp 50 columbi hay vanadi, 340 450 Cấp 55 cường độ cao 380 480 Cấp 60 410 520 Cấp 65 450 550 Cấp 70 480 590 A611 cấp C Thép cacbon 230 330 Cấp D 275 360 Cấp E 550 565 A618 cấp I và II Thép hợp kim thấp, 345 485 Cấp III cường độ cao 345 450 A709 cấp 36 Thép cacbon; thép hợp 250 400-550 Cấp 50 kim thấp cường độ 345 450 Cấp 50W cao; thép hợp kim tôi 345 485 Cấp 100 và nhiệt luyện 620 690-895 và 100W 690 760-895 5. Thép Châu Âu
  8. Những năm gần đây, thép Châu Âu đã dùng tiêu chuẩn chung EN thay thế cho Tiêu chuẩn của từng nước như NF của Pháp, BS của Anh. ở Pháp trong XD dùng thông dụng là dùng 3 mác E24, E28, E36 (con số là để chỉ giới hạn chảy, tính bằng kG/mm2). E24, E28 là thép cacbon, dùng cho nhà và các công trình thông dụng; E36 là thép hợp kim thấp, dùng cho cầu và các công trình lớn Mỗi mác thép lại có 3 cấp chất lượng 2, 3, 4: cấp 2 là thép sôi, cấp 3 là thép nửa lặng, cấp 4 là thép lặng. Tại Anh, quen thuộc nhất là thép của BS 4360, các cấp 40, 43, 50, 55; chia thành hạng A, B theo độ dai va chạm; cấp 40, 43 có giới hạn chảy 24- 27kG/mm2; cấp 50, 55 thì giá trị này cao hơn nhiều. Hiện nay, được thay thế bằng Tiêu chuẩn châu Âu EN như sau: 5.1. Thép kết cấu: kí hiệu chung là Snnn : nnn là giá trị nhỏ nhất của giới hạn chảy, N/mm2 (tên gọi dựa vào cơ tính), với 3 cấp JR, J0, J2 tương đương với các cấp A, B, C của Anh; 2, 3, 4 của Pháp hoặc B, C, D của Trung Quốc. Thép kết cấu cho trong Tiêu chuẩn EN 10025 gồm các mác: S235 thay cho E24 hoặc BS4360 cấp 40; S275 thay cho E28 hoặc BS 4360 cấp 43; S355 thay cho E36 hoặc BS 4360 cấp 50. Ví dụ thép S355J0C theo QĐ của EN 10025 là thép kết cấu (chữ S), có giới hạn chảy =355N/mm2 (số 355), độ dai va chạm là 27Junle ở nhiệt độ 0oC (chữ J0), có thể mang dập nguội, tuốt nguội, tạo hình nguội (chữ C). Thép S355J2WP theo QĐ của EN 10155 là thép kết cấu (chữ S), có giới hạn chảy =355N/mm2 (số 355), độ dai va chạm là 27 Junle ở nhiệt độ -20oC (chữ J2), có độ chống rỉ cao (chữ W), dùng làm cọc ván (chữ P). 5.2. Thép có tên dựa vào thành phần hoá học: Thép cacbon có kí hiệu chung là Cnn (nn là hàm lượng các bon đã nhân lên 100 lần, ví dụ C40); 0 thép hợp kim thấp, ví dụ 25CrMo4, số đầu là phần vạn cacbon (25 /000), tiếp theo là tên hợp kim và phần trăm của nó, ở đây là hợp kim Cr và Mo, trong đó lượng Mo là 4%, lấy tròn. 6. Thép các nước khác: Có thể gặp trên thị trường nước ta nhiều loại thép của các nước khác như: - Thép Nhật, thép Hàn Quốc theo tiêu chuẩn Nhật JIS như +Thép cán nóng dùng làm kết cấu: SS330: tương đương CT2, với giới hạn chảy 21kG/mm2 SS400: tương đương CT3, với giới hạn chảy 235 đến 245Mpa SS490: là thép hợp kim thấp, với giới hạn chảy 290Mpa +Thép dùng cho kết cấu hàn: SM400, SM490, với các hạng A,B, C có chung cường độ với thép SS nhưng tính năng hàn cao hơn. - Thép của Úc, theo tiêu chuẩn AS như: 250 (giới hạn chảy 230MPa), 300 (giới hạn chảy 280-320MPa), 350 (330-360MPa), 400 (380-400MPa)
  9. II. ĐẶC ĐIỂM VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP CỦA MỘT SỐ NƯỚC 1. Thiết kế Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn Việt Nam 1.1. Tiêu chuẩn thiết kế KCT: Tiêu chuẩn hiện hành là TCVN 5575-91, dùng cho nhà cửa và các công trình XD khác, trừ cầu và hầm. được biên dịch từ Quy phạm Liên Xô SNiP II-23-81, nay có nhiều điểm không phù hợp, chủ yếu là về vật liệu thép. Bộ XD cùng với trường ĐHXD đang soạn thảo một Tiêu chuẩn mới, dựa vào nền tảng học thuật của TC cũ, nhưng có tham khảo nhiều tiêu chuẩn và Quy phạm của các nước khác và tình hình thực tế sử dụng kết cấu thép hiện nay cho phù hợp và dễ áp dụng hơn. Tiêu chuẩn mới cũng như các tiêu chuẩn cũ, không mang tính bắt buộc nhất thiết phải sử dụng, mà cũng coi như một trong 6 tiêu chuẩn, Quy phạm của các nước khác được phép dùng khi thiết kế. 1.2. Tiêu chuẩn về tải trọng: Quyết định việc tính toán kết cấu cũng như phương pháp tính toán. XD nhà và công trình, phải theo TCVN 2737-1995: quy định việc xác định tải trọng lên công trình theo các giá trị có kể đến hệ số vượt tải của phương pháp tính toán theo trạng thái tới hạn. XD cầu, hầm thì dùng quy phạm riêng. 1.3. Quan niệm về thiết kế, tính toán và cấu tạo: Kết cấu thép theo TCVN được thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn, được dùng từ năm 1955 ở Liên Xô, áp dụng ở VN vào đầu các năm 60 đã qua nhiều lần thay đổi. PP này đã sử dụng hết các hệ số an toàn: về vật liệu, về điều kiện làm việc, về tải trọng. Xét kết cấu ở trạng thái giới hạn tức là trạng thái không còn đáp ứng được yêu cầu sử dụng bình thường nữa. Phân làm 2 nhóm trạng thái giới hạn: về khả năng chịu lực và về điều kiện sử dụng. Xét vật liệu làm việc ở giai đoạn đàn hồi và dẻo để tận dụng tối đa khả năng của nó. Trong phương hướng chỉ đạo thiết kế, yêu cầu tiết kiệm thép được đặt lên hàng đầu; các công thức tính toán được nghiên cứu tỉ mỉ về lý thuyết nhằm phản ánh đúng sự làm việc thực của kết cấu và vật liệu. Tính toán kêt cấu theo TCVN thường tiết kiệm VL hơn so với tính theo các tiêu chuẩn khác. Tuy nhiên, thường xét kết cấu làm việc theo sơ đồ ít biến dạng nên rất coi trọng độ cứng của kết cấu, không chấp nhận sự biến dạng quá lớn. [Ví dụ chuyển vị ngang của cột tầng nhà không cho phép vượt quá 1/500 đến 1/1000 chiều cao cột, (theo BS thì cho phép 1/300)]. Hạn chế độ mảnh của các bộ phận của dầm và cột để không cho phép mất ổn định; vì vậy trong một số trường hợp kết cấu trở nên khá nặng nề. Yêu cầu về cấu tạo chặt chẽ hơn so với các tiêu chuẩn khác. Nhắc lại một số điều của việc tính toán theo TCVN 5575-91: - Cường độ tính toán của thép: Cường độ kéo-nén-uốn R bằng cường độ tiêu c chuẩn R chia cho hệ số an toàn về vật liệu m. Cường độ tiêu chuẩn của thép chính bằng giới hạn chảy. Hệ số an toàn vật liệu m lấy bằng 1,05 đến 1,15 tuỳ loại thép.
  10. - Trong tính toán, phải kể đến hệ số điều kiện làm việc  để xét thêm các yếu tố của quá trình sử dụng như tải trọng tác dụng dài hạn, tải trọng lặp, cấu kiện quá mảnh , được nhân thêm vào giá trị R. - Tải trọng tính toán lấy theo TCVN 2737-95 bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy n (hệ số vượt tải). Khi tính toán với nhiều tải trọng tác dụng đồng thời, kể đến hệ số tổ hợp nc để giảm bớt giá trị tác dụng. c c Ví dụ như khi tính thanh chịu kéo: T nnc <= AR  /m Trong đó Tc là lực kéo gây bởi tải trọng tiêu chuẩn. A là diện tích thực của tiết diện thanh. Viết gọn lại dưới dạng: T<= AR hoặc T/A <= R 2. Thiết kế KCT theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ 2.1. Quy định kỹ thuật về thiết kế KCT theo AISC và AASHTO: có 2 Quy phạm được chấp nhận rộng rãi. Đó là Quy định kỹ thuật về thiết kế KCT của AISC (American Institute of Steel Construction) áp dụng cho nhà cửa và Quy định kỹ thuật của AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation) dùng cho cầu trên đường ôtô. Cả 2 quy định đều có phương pháp tính theo ứng suất cho phép và tính theo hệ số tải trọng. Theo phương pháp ứng suất cho phép, ứng suất giới hạn không được vượt quá US cho phép; giá trị này bằng US chảy nhân với hệ số = 0,6 đến 0,67. Phương pháp hệ số tải trọng, thì tải trọng tính toán được tăng lên với hệ số 1,2 - 1,6; hệ số chịu lực 0,75 - 0,9; ứng suất giới hạn chính là giới hạn chảy. Cùng một loại thép thì nói chung AASHTO quy định ứng suất cho phép nhỏ hơn, cũng có nghĩa là an toàn hơn. Giới thiệu về Quy định của AISC: - Quy định có tên là Specification for Structural Steel Buildings, ban hành lần cuối năm 1989. không mang tính pháp lý bắt buộc mà chỉ mang tính chất thông tin giúp cho người kỹ sư trong công việc. Người sử dụng chịu hoàn toàn trách nhiệm về độ an toàn của công trình khi tính toán theo quy định này. - PP của quy định này là phương pháp US cho phép, tên đầy đủ là Specification for Structural Steel Buidings, Allowable Stress Design. US cho phép không có giá trị nhất định mà thay đổi tuỳ theo trạng thái làm việc. US cho phép khi kéo là Ft= 0,60Fy (với Fy là giới hạn chảy của VL thép). US cho phép khi uốn là Fb= (0,6-0,67)Fy , tuỳ theo loại cấu kiện là đặc chắc hay không đặc chắc. US cho phép khi nén bằng Fy nhân với hệ số uốn dọc tuỳ thuộc vào độ mảnh của cấu kiện. Vấn đề phức tạp nhất trong tính toán là xác định cho đúng giá trị US cho phép. Sau khi xác định được US cho phép thì chỉ so sánh với US làm việc, tính theo các công thức thông thường của SBVL . Ví dụ, thanh chịu kéo: US f=T/Ag <= Ft (Ag là DT tiết diện nguyên)
  11. thanh chịu uốn: US f=M /Sx <= Fb (Sx là môđun kháng uốn TD) thanh chịu nén: US f=P /Ag <= Fa (Ag là DT tiết diện nguyên), Fa là US cho phép của thanh nén, xác định tuỳ thuộc độ mảnh của thanh. T, M, P là nội lực gây bởi tải trọng tiêu chuẩn, không có hệ số vượt tải. - Điểm đặc biệt của Quy định AISC so với TC thiết kế của ta là việc phân chia cấu kiện thành các loại có tiết diện đặc chắc, không đặc chắc, tiết diện mảnh. Với tiết diện đặc chắc thì được phép sử dụng hết khả năng US cho phép của vật liệu. Tiết diện không đặc chắc thì phải giảm US cho phép đi; Tiết diện mảnh thì cần phải giảm nhiều hơn nữa. Quy định AISC chấp nhận việc cong vênh cục bộ của tiết diện, tức là cho phép một bộ phận tiết diện không làm việc, bù lại sẽ giảm US cho phép đi để nguyên độ an toàn. Do vậy, có nhiều quy định cấu tạo về độ mảnh của bụng cột, bụng dầm, cánh cột, cánh dầm khác nhiều so với TC của ta. Ví dụ, độ mảnh tối đa cuả bản bụng dầm theo TCVN là 100, quá trị số này thì yêu cầu phải có sườn gia cường; nhưng theo AISC thì trị số này có thể tới 320 mà vẫn không cần sườn. Quy định như vậy có lợi cho việc giảm tổng trọng lượng thép thiết kế, vì vậy khi kiểm tra kết cấu được thiết kế theo AISC cần lưu ý điều này. 2.2. Về các Tiêu chuẩn tải trọng. Hoa Kỳ có nhiều Tiêu chuẩn tải trọng, do các cơ quan khác nhau biên soạn. Đáng kể và thông dụng nhất là: UBC Uniform Building Code do Hội nghị Quốc tế các quan chức Xây dựng soạn thảo. Đó là một trong tập hợp nhiều Quy phạm khác nhau về XD, quy hoạch, an toàn, dùng nhiều trong các bang miền Tây. SSBC Southern Standard Building Code, bởi Đại hội Quy phạm xây dựng phía Nam, dùng tại các bang miền Nam. BOCA National Building Code, bởi Hội nghị các nhà Quản trị Quy phạm xây dựng quốc tế, dùng ở các bang miền Đông và Bắc. Ngoài ra, còn có Quy phạm của Hội kỹ sư XD Hoa Kỳ ASCE, Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ ANSI. Không có Quy phạm nào bắt buộc dùng trong cả nước, mà do các bang ấn định bằng điều luật XD riêng của bang. Giới thiệu về Quy phạm tải trọng UBC Chương 16 của bộ UBC (mới nhất 1997) gồm 42 trang dành cho các loại tải trọng. Chỉ ra định nghĩa của các hoạt tải là tải trọng đặt lên khi sử dụng công trình, không bao gồm tải trọng gió như của TCVN. Các tải trọng bao gồm (không kể động đất và tuyết): - Tĩnh tải + hoạt tải sàn + hoạt tải mái. - Tĩnh tải + hoạt tải sàn + gió. Tức là ít hơn so với TCVN (còn có thêm 1 trường hợp kể đến tất cả các loại tải trọng: tĩnh tải + hoạt tải sàn + hoạt tải mái + gió). Hoạt tải sàn luôn gồm tải trọng phân bố và tập trung. Ví dụ đối với nhà làm việc, tải phân bố là 50pao/foot vuông = 244 daN/m2; tải tập trung là 960 daN (lớn hơn so với TCVN). Với nhà ở, lớp học hoạt tải vào khoảng 200 daN/m2, cũng lớn hơn TCVN.
  12. Tải trọng gió: cách tính khác nhiều so với TCVN ở các hệ số khí động, hệ số địa hình, hệ số độ cao, hệ số tầm quan trọng của công trình , đặc biệt là không có cách tính về động lực. Ví dụ đối với kết cấu tháp trụ, chỉ đơn giản dùng hệ số khí động lớn hơn 3- 4 lần so với các kết cấu khác. Quy phạm tải trọng UBC tương thích với cách tính kết cấu theo các tiêu chuẩn khác của Mỹ như tiêu chuẩn của AISC, ACI. Lưu ý rằng, không được tính toán kết cấu theo các Tiêu chuẩn của Mỹ mà lại dùng TCVN để xác định tải trọng. 2.3. Các Quy phạm khác. Trong từng lĩnh vực riêng, có các Quy phạm, Tiêu chuẩn chuyên ngành. Về Kết cấu thép, có các Quy phạm thông dụng được chấp nhận khá rộng rãi sau: - Về kết cấu hàn, có Quy phạm hàn (1996) của AWS American Welding Society. - Về thiết kế nhà tiền chế, có Chỉ dẫn về thiết kế nhà thép (1996) của MBMA Metal Building Manufacturers Association. - Về Kết cấu thép tạo hình nguội, có sách chỉ dẫn (1989) của AISI American Iron and Steel. Nhận xét chung về các Quy phạm, Tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo kết cấu thép của Mỹ: có nhiều điểm khác so với của VN, có chỗ khác rất nhiều (như đã nói ở ví dụ trên đây về tải trọng gió lên công trình); nói chung gây nội lực nhỏ hơn; về tổ hợp tải trọng tính toán ít hơn so với TCVN; về thiết kế kết cấu, nói chung thì tương đương hoặc tốn VL hơn so với dùng TCVN, nhưng có những trường hợp lại ít VL hơn đáng kể. Vì vậy, khi thiết kế công trình chỉ nên dùng một hệ thống quy phạm, không được dùng lẫn lộn cả hai, sẽ dẫn đến những sai lệch phi lý. 3. Quy phạm của một số nước khác. 3.1. Quy phạm Châu Âu: Từ năm 1993, ban hành EuroCode 3 Thiết kế kết cấu thép, dùng cho các nước thuộc cộng đồng châu Âu. EuroCode 3 gồm 8 phần, phần 1 cho nhà và công trình dân dụng, phần 2 cho cầu, phần 3 đến 8 cho các công trình chuyên dụng như tháp, cầu trục, công trình biển, Phần tính toán cho nhà dùng phương pháp trạng thái cực hạn. Tuy nhiên, vẫn song song tồn tại các quy phạm riêng của từng nước, quen thuộc có: Pháp CM-66 tính theo ứng suất cho phép; Anh BS 5950 tính theo trạng thái cực hạn. Giới thiệu Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode 3: - Tính theo trạng thái giới hạn, có trạng thái giới hạn về chịu lực và trạng thái giới hạn về sử dụng (chủ yếu là điều kiện nhằm hạn chế biến dạng quá lớn). - Dùng rất nhiều hệ số an toàn để nhân với giới hạn chảy thành ứng suất giới hạn không được vượt quá. - Chia ra nhiều cấp tiết diện khác nhau theo độ mảnh (tức là tỷ lệ bề rộng trên bề dày). Cấp 1, 2 dày hơn được tính toán với US cho phép cao hơn, cấp 3 và 4 mảnh hơn
  13. có thể mất ổn định cục bộ nên phải hạn chế US tính toán. Quan điểm này giống của Mỹ và khác quan điểm của TCVN. - Các công thức tính toán cấu kiện và liên kết hoàn toàn khác với cách tính quen thuộc của VN. Thực tế cho đến nay, chưa thấy công trình thép nào ở VN sử dụng EuroCode để tính toán. Các nước ASEAN đầu tư nhiều ở VN như Malaixia, Singapor đều dùng tiêu chuẩn BS cho những công trình xây dựng ở VN (thực tế thì BS là linh hồn của EuroCode) Giới thiệu Tiêu chuẩn Kết cấu thép BS 5950: Tiêu chuẩn BS5950 Sử dụng kết cấu thép trong nhà có 3 phần, ấn bản mới nhất là 1990, 1992, 2000. - Nguyên tắc tính toán chung là theo trạng thái giới hạn: về chịu lực (độ bền, độ ổn định, độ chống mỏi) và về sử dụng (võng, rung, hư hỏng do mỏi, rỉ); nhiều hệ số an toàn: về vật liệu, về tải trọng, về tầm quan trọng của công trình. - Phân 4 loại tiết diện như EuroCode và AISC: tiết diện có thể tính toán theo TD dẻo, đặc, không đặc và mảnh; các tiết diện sau phải tính toán theo US nhỏ hơn TD trước. Cường độ tính toán bằng giới hạn chảy chia cho một loạt các hệ số an toàn xét đến sự biến động của vật liệu, của dung sai về tính chất hình học, nói chung là cường độ tính toán lớn hơn cách tính của VN. Ví dụ thép của BS 4360 cấp 43, tương đương 2 CT3 thì cường độ tính toán py =2450-2750 daN/cm . - Công thức tính toán không khác mấy với cách tính của VN nên rất dễ sử dụng. Ví dụ tính cấu kiện chịu uốn: M <= Zpy (với Z là môdun chống uốn của TD). Giới thiệu Tiêu chuẩn tải trọng BS: Tiêu chuẩn tải trọng của Anh là BS 6399:1988 có 3 phần, phần 1 là tải trọng sàn, phần 2 là tải trọng gió, phần 3 là tải trọng lên mái (tuyết). Tải trọng gió thường được gọi theo tên cũ là CP3 : Chapter V : Part 2 : 1972. - Tải trọng gió không cho bằng áp lực mà cho bằng tốc độ, rồi để tính ra áp lực; xét đến một loạt yếu tố: địa hình, loại công trình, v.v - Hệ số khí động phải kể đến áp lực âm bên trong nhà và phải chọ giá trị âm nào bất lợi nhất. Có rất nhiều bảng cho chi tiết các giá trị của hệ số khí động. - Không tính toán về động lực. Tính toán cho tháp cao chỉ dùng hệ số khí động có giá trị lớn gấp 2-3 lần. Nói chung tính toán tải trọng theo CP3 là khá đơn giản. 3.2. Quy phạm Trung Quốc: Từ 1988, ban hành Quy phạm thiết kế kết cấu thép GBJ 17-88, thực tế là dựa vào phương pháp của Quy phạm Liên Xô, nhưng có đưa vào một số công thức mới dựa theo quy phạm các nước khác như Anh, các ký hiệu thì lấy của phương Tây. Quy phạm Trung Quốc rất gần gũi và dễ hiểu với các kỹ sư XD Việt Nam. Ví dụ: - cường độ tính toán của thép số 3 là 2000 đến 2150daN/cm2, gần như CCT42. - công thức tính toán về ổn định của cột: N / A <= f ; với được tra bảng phụ thuộc độ mảnh .
  14. Cách làm này của Trung Quốc là kế thừa các Tiêu chuẩn Quy phạm cũ được XD hàng chục năm theo phương pháp của Tiêu chuẩn Quy phạm Liên Xô. 3.3. Quy phạm Úc: Hiện hành là AS 4100-1990 - Kết cấu thép, tính theo trạng thái tới hạn, có nhiều điểm giống BS nhưng có bổ sung thêm khá nhiều.
  15. III. ĐẶC ĐIỂM CỦA MỘT SỐ LOẠI KẾT CẤU MỚI BẰNG THÉP ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM 1. Nhà tiền chế Nhà tiền chế là một loại công nghệ XD mới được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Các nhà thép được chế tạo hoàn toàn trong xưởng, chuyên chở đến hiện trường để dựng lắp. So với nhà thép truyền thống, nhà tiền chế có những khác biệt: 1.1. Về vật liệu chế tạo: thép làm kết cấu chịu lực đều làm bằng thép cường độ cao, US chảy 3400daN/cm2 trở lên (A572 ASTM, S355 của EN 10025). Kết cấu có trọng lượng nhẹ hơn tới 40%. Thay vì dùng thép hình cán nóng, nhà tiền chế sử dụng rộng rãi thép tấm để dễ tổ hợp thành các cấu kiện có hình dáng linh hoạt phù hợp với điều kiện chịu lực. Các cấu kiện phụ như xà gồ, dầm tường thì dùng thép cuộn rồi cuốn nguội thành cấu kiện thành mỏng. (Thép cuốn nguội có gốc là thép hợp kim thấp, phủ mặt bằng mạ hoặc sơn sẵn). 1.2. Về kết cấu chịu lực chính: ít dùng kết cấu dàn rỗng vì cồng kềnh, khó vận chuyển, tốn nhiều công chế tạo. Thông thường dùng kết cấu tổ hợp thép bản, vì có thể dùng công nghệ tự động ở các khâu cắt và hàn. Do là khung đặc nên thường sử dụng sơ đồ kết cấu thích hợp, khung nút cứng, có khớp ở chân cột. Cột và dầm là cấu kiện tổ hợp đặc nên có thể làm tiết diện thay đổi để phù hợp với biểu đồ mômen uốn, tiết kiệm vật liệu. Do đó đã tạo nên một loại kết cấu mới, phổ biến trong các tính toán của Quy phạm Âu, Mỹ; nhưng hầu như chưa được đề cập đến trong quy phạm tính toán của Việt Nam: cấu kiện vát. Hình 1. So sánh khung có tiết diện cột, dầm thay đổi và không thay đổi
  16. Hình vẽ trên đây sơ bộ so sánh khung một tầng, một nhịp, có tiết diện cột dầm thay đổi và không thay đổi. Cột, dầm được chế tạo thành từng cấu kiện, dài không quá 12m. Mối nối các cấu kiện tại hiện trường chỉ bằng bu-lông, hầu như không dùng liên kết hàn tại hiện trường. Kiểu mối nối được áp dụng rộng rãi là dùng mặt bích (Hình 2), có khả năng truyền cả mômen và lực cắt, dùng bulông cường độ cao. Hình 2. Dầm khung và mối nối mặt bích Hình 3. Bố trí kết cấu khung chính và hệ thống giằng
  17. Hệ giằng đảm bảo độ cứng của nhà theo phương dọc, gồm giằng chữ thập ở mái để chịu lực gió lên đầu hồi và hệ giằng chữ thập ở cột để chịu toàn bộ lực gió dọc và lực hãm dọc của cầu trục (Hình 3). Sự khác biệt với hệ giằng nhà thép truyền thống là các thanh giằng rất mảnh, bằng dây cáp hoặc bằng thép tròn, chúng yếu ớt, mảnh dẻ, nhưng qua nhiều tính toán, chúng hoàn toàn thoả mãn. 1.3. Kết cấu thứ yếu: là các loại cấu kiện như xà gồ, dầm tường, thanh chống mép mái, cột sườn tường hồi. Những cấu kiện này giữ vai trò quan trọng, không chỉ là đỡ mái, đỡ tường mà còn cùng tham gia chịu lực với các kết cấu chính: có tác dụng là hệ giằng giữ ổn định cho khung chính, tạo nên các vách cứng trong mặt phẳng mái và mặt phẳng của tường dọc. Hệ mái và tường của nhà thép tiền chế luôn là loại kết cấu nhẹ. Xà gồ và dầm tường phần lớn là cấu kiện tạo hình nguội tiết diện chữ C, chữ Z (Hình 4a). Vật liệu làm các cấu kiện này là loại thép cuộn cường độ cao như A570 ASTM, ứng suất chảy 3400 daN/cm2 trở lên, được mạ hay sơn sẵn khi còn ở dạng phẳng, cuộn, xà gồ đặt trên dầm máI, tạo nên dầm liên tục, có lợi cả về mômen và độ võng hơn là dầm đơn giản. Việc tạo dầm liên tục với tiết diện chữ C, chữ Z khá đơn giản. Tiết diện chữ Z thì đặt chồng lên nhau, tiết diện chũ C thì quay lưng vào nhau. Chiều dài đoạn phủ chồng càng tăng thì tính liên tục cũng càng tăng. Chiều dài đoạn phủ chồng (Hình 4b) ít nhất là 60cm, nhiều nhất tới nửa nhịp (đầu xà gồ vươn ra khỏi dầm mái 1/4 nhịp về cả 2 phía), khả năng chịu lực có thể tăng gấp đôi. Mái lợp bằng tấm kim loại 1 lớp hoặc 3 lớp (có thêm tấm cách nhiệt kẹp giữa), với nhiều lớp phủ bảo vệ và sơn, thoả mãn đầy đủ các yêu cầu sử dụng, tiện nghi, bền vững (thời hạn đảm bảo từ 20 đến 50 năm) (Hình 5) Hình 4a. Xà gồ tiết diện chữ Z, chữ C và thanh chống góc khung
  18. Hình 4b. Mối nối chồng bên trên dầm máI của xà gồ kiểu dầm liên tục Hình 5. Cấu tạo tấm mái 1-lớp sơn mặt; 2- lớp sơn lót; 3- lớp chuẩn bị; 4- lớp mạ zincalum; 5- lớp thép cường độ cao 1.4. Về Quy phạm và Tiêu chuẩn tính toán: do nhà nước ta cho phép sử dụng Quy phạm và Tiêu chuẩn tính toán của 7 nước tiên tiến nên các công trình nhà tiền chế đều sử dụng QPTC của nước ngoài, không thể lấy Tiêu chuẩn Việt nam để tính toán, kiểm tra lại. Ví dụ với tải trọng gió: các công trình nước ngoài thiết kế chỉ sử dụng số liệu về tốc độ gió của Việt Nam, còn lại mọi công thức và hệ số thì theo TC nước ngoài.
  19. Dẫn đến kết quả là có những bộ phận công trình thì nội lực lớn hơn, có những bộ phận khác nội lực lại bé hơn so khi sử dụng cách tính của TCVN. Về kiểm tra độ bền KC thì thấy nhiều chỗ là thừa an toàn nhưng cũng nhiều chỗ lại không an toàn. Hình 6. Hệ số khí động của một nhà xưởng, theo TCVN và theo MBMA Rõ ràng là mômen chân cột tính theo TCVN thì lớn hơn theo MBMA, trong khi mômen của dầm lại bé hơn. Tuy nhiên, cả hai trường hợp kết cấu đều an toàn; vì thực chất các cấu kiện kết cấu không làm việc riêng rẽ theo từng tiết diện mà làm việc tổng thể, không phải chỉ trong một khung mà còn trong cả hệ thống các kết cấu của toàn nhà. 1.5. Về phương pháp chế tạo và dựng lắp: sử dụng công nghệ chế tạo mới đáp ứng được yêu cầu chế tạo nhanh, linh hoạt (dễ thay đổi theo VL hiện có trong kho), dựng lắp nhanh và dễ. Việc dựng lắp tại hiện trường chỉ dùng bu lông, vít, hầu như không dùng hàn công trường, khiến năng suất LĐ cao. Ba cơ sở của công nghệ mới là: * sử dụng vật liệu mới (dùng thép tấm, CĐC, thép cuộn); * sử dụng công nghệ cán, hàn, cắt tự động; * áp dụng hệ thống máy tính cho cả thiết kế và chế tạo khiến có thể tận dụng VL và triển khai nhanh. 1.6. Về giá thành: Nói chung là thấp hơn giá thành nhà thép thiết kế theo truyền thống 10-20%. Đặc biệt, nhiều trường hợp giá chế tạo của các công ty trong nước thấp hơn nhiều so với các công ty nước ngoài, nên mang tính cạnh tranh cao. Dưới đây giới thiệu hình ảnh của một nhà thép tiền chế.
  20. * Phân xưởng tạo hạt, Nhà Máy Phân Đạm Phú Mỹ * Phân xưởng Vởt liệu hạt rời, Nhà máy Phân Đạm Phú Mỹ, nhịp 50m, dài 720m
  21. Hình 7. Nhà xưởng làm hoàn toàn bằng cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội 2. Kết cấu thanh thành mỏng tạo hình nguội 2.1. Đặc điểm và phạm vi áp dụng: Đây là loại kết cấu nhẹ bằng thép đã được sử dụng hàng chục năm ở các nước, mới được áp dụng ở VN thời gian gần đây. Kết cấu thép nhẹ khác biệt với kết cấu thép thông dụng ở những điểm cơ bản sau: - Sử dụng các thanh thép tạo hình nguội từ các tấm thép rất mỏng (từ 1mm trở lên); - Sử dụng các loại tiết diện không có trong kết cấu thông thường (như tiết diện kín, tiết diện vuông, tiết diện tròn); - Sử dụng các phương pháp liên kết không dùng trong các kết cấu thông thường. Đặc điểm quan trọng nhất là sử dụng thanh thép hình tạo nguội từ các tấm thép mỏng, (sau đây sẽ gọi là thanh thành mỏng hoặc thép hình uốn nguội). Việc sử dụng thanh thành mỏng tạo ra một cách tiếp cận khác của kết cấu thép trong mọi giai đoạn xây dựng: Thiết kế, chế tạo, dựng lắp. So với KC thép thông thường, kết cấu bằng thanh thành mỏng có các ưu khuyết điểm sau: * Ưu điểm: - giảm lượng thép từ 25-30%, về lý thuyết có thể giảm nhiều hơn nữa nhưng sẽ kèm theo khó khăn, tốn kém cho chế tạo và sẽ làm giảm hiệu quả kinh tế;
  22. - dựng lắp nhanh, ví dụ tiết kiệm thời gian tới 30% đối với mái nhà, với kết cấu có hệ thanh, hệ nút thống nhất như dàn không gian thì còn nhanh hơn nhiều. - hình dạng tiết diện đa dạng, được tự do, linh động chọn theo yêu cầu. - đặc trưng chịu lực của tiết diện là có lợi, do sự phân bố VL hợp lý, nhất là khi dùng tiết diện kín. - dùng tiết diện kín tạo được vẻ đẹp cho kết cấu, bớt che lấp diện tích kính lấy ánh sáng. Khuyết điểm: - giá thành thép uốn nguội cao hơn giá thép cán nóng (tính theo Tấn). - chi phí phòng, chống rỉ cao hơn, vì diện tích bề mặt cần phủ lớn hơn. - việc vận chuyển, bốc xếp, dựng lắp tuy nhanh chóng nhưng đòi hỏi những biện pháp và phương tiện riêng, vì cấu kiện mỏng dễ bị hư hại; - việc thiết kế khó khăn hơn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện. Tiết diện cấu kiện được chọn tự do nên không có bảng tính sẵn các đặc trưng tiết diện. Sử dụng thanh thành mỏng đương nhiên là giảm nhẹ được trọng lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, nhưng không có nghĩa là kinh tế hơn. Tiết diện thanh thép uốn nguội đắt hơn thép cán nhiều (tới 30%) vì phải dùng thép tấm mỏng cán nóng để gia công uốn nguội. Hiện nay các hãng sản xuất thanh thành mỏng đều cố gắng tiêu chuẩn hoá, điển hình hoá tiết diện. Một loại tiết diện thanh thành mỏng có thể được áp dụng cho nhiều loại nhà có công dụng khác nhau hoặc có sơ đồ kết cấu khác nhau. Tất nhiên tiêu chuẩn hoá cao sẽ dẫn đến làm tăng lượng thép sử dụng vì có những trường hợp vật liệu chưa làm việc hết khả năng, nhưng không có nghĩa là bất lợi về kinh tế. Việc tiêu chuẩn hoá các cấu kiện nhẹ sẽ cho phép giảm sự đa dạng của tiết diện, tăng cường sự sản xuất hàng loạt; tăng cường những nút liên kết thống nhất, giảm công chế tạo và dựng lắp. 2.2. Các dạng cấu kiện tạo hình nguội Bằng cách gập nguôi, có thể tạo từ tấm thép mỏng thành tiết diện hình bất kỳ. Tiết diện được chia ra loại hở như chữ C, chữ L, chữ U, chữ Z hoặc loại kín như ống tròn, hộp vuông. Hàn các tiết diện đơn với nhau có thể tạo nên tiết diện phức hợp. Bề dày thành tiết diện là không đổi, trừ một số chỗ có thể là bề dày gấp đôi do gập bản thép lại. Cấu kiện dạng thanh dùng làm kết cấu chịu lực chính như cột, khung hoặc cấu kiện phụ như xà gồ, dầm tường. Cấu kiện dạng tấm dùng làm panen máI, panen tường. Tạị một số nước sử dụng nhiều, kích thước các tiết diện uốn nguội được tiêu chuẩn hoá (Hình 8).
  23. Hình 8. Các loại tiết diện uốn nguội a- tiết diện hở; b- tiết diện kín; c- tiết diện phức hợp Xà gồ, dầm tường thường có tiết diện chữ C hoặc Z. Tiết diện Z thuận tiện cho việc xếp để chuyên chở; cũng dề ghép lồng lên nhau thành tiết diện kép chịu được momen lớn tại gối tựa của dầm liên tục (Hình 4b). Hình 9. Sự làm việc của cấu kiện thành mỏng a- Tiết diện bị vênh do bimômen; b- Tiết diện hữu hiệu: 1- của dầm ; 2- của cột Cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội là loại cấu kiện đặc biệt, việc tính toán khá phức tạp. Khi một cấu kiện thành mỏng chịu uốn hoặc xoắn, thường xuất hiện những US và biến dạng gây nên bởi sự vênh của tiết diện, do một đại lượng lực là bimômen (Hình 9a). Ngoài ra, do thành mỏng, cấu kiện rất dễ bị mất ổn định cục bộ tại cánh và bụng; một số bộ phận của cánh và bụng không làm việc, không được xét đến trong tính toán, phần còn lại để chịu lực được gọi là tiết diện hữu hiệu; nhiệm vụ của tính toán là xác định tiết diện hữu hiệu này (Hình 9b). Nước ta chưa có quy phạm tính toán thanh thành mỏng; và thực tế có rất ít kết cấu thành mỏng đã được tự thiết kế trong nước.
  24. Cấu kiện thành mỏng cũng có thể dùng làm các kết cấu chính của nhà có nhịp đến 20m, đến 2, 3 tầng. Hình 10 giới thiệu một nhà xưởng mà các cấu kiện hoàn toàn bằng thanh thành mỏng tạo hình nguội đang được xây dựng. Hình 10 . Nhà xưởng làm hoàn toàn bằng cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội 2.3. Công nghệ chế tạo thanh thành mỏng Dùng phương pháp gia công nguội có thể làm được cấu kiện thành mỏng mà không cần dùng phương pháp cán nóng; cấu kiện này có bề mặt nhẵn có thể quét ngay sơn bảo vệ trước khi gia công nguội; do ép nguội cường độ thép tăng lên. Có các phương pháp: gấp bằng máy gấp mép; dập khuôn bằng máy ép hoặc cán liên tục.
  25. Hình 11. Máy gập mép 1- dầm gấp đặt dưới; 2- vít chỉnh thước gấp; 3- đối trọng; 4- dầm tạo hình; 5- bánh xe di chuyển dầm để ép bản thép; 6- thước tạo hình dưới; 7- thước tạo hình trên; 8- dầm ép; 9- bản thép; 10- bệ chặn. - Máy gập mép: Thân máy gồm 2 thớt, thớt dưới gắn thước tạo hình bên dưới, thớt trên cố định, gắn thước tạo hình bên trên và kẹp chặt bản thép. Thớt dưới ép lên, gấp mép và tạo góc cho bản thép. Thay đổi thước tạo hình sẽ tạo được các hình dạng khác nhau. Phải thông qua nhiều động tác mới tạo được hình hoàn chỉnh. Ví dụ hình dạng trên đây cần 6 động tác. Cách tạo này có nhược điểm: + năng suất thấp, nhiều thao tác; + độ chính xác thấp; + chỉ gập được những bản thép có chiều dày không quá 3mm, chiều dài không quá 6m; Tuy nhiên, giá thiết bị rẻ, có thể đạt được nhiều hình dạng bằng việc thay đổi thước tạo hình. Công nghệ này thích hợp với việc sản xuất theo quy mô nhỏ, linh động nhiều loại hình dáng.
  26. Hình 12 . Máy dập ép khuôn - Máy dập ép khuôn: dùng cho dây chuyền sản xuất hàng loạt. Máy gồm có thân mày, bàn máy, dầm ép. Khuôn cối tạo hình đặt trên bàn máy. Dầm ép gắn chày tạo hình, dập ép xuống từ bên trên. Lực ép từ 40 đến 150 tấn, ép trên toàn bộ chiều dài thanh. (Hình 12). Phương pháp này có thể tạo được thanh dài tới 12m, rộng 25 - 50cm, dày tới 16mm. Bằng cách di chuyển dải thép theo chiều dài, có thể làm được thanh dài hơn 12m, tất nhiên kích thước tiết diện sẽ có sai lệch, mặt sẽ không phẳng. Để tạo được một tiết diện, cũng phải qua nhiều nguyên công: mỗi lần ép chỉ tạo được một góc. Do vậy năng suất thấp, khó cơ giới hoá toàn bộ. Ưu điểm của máy dập ép là có thể thay thế các khuôn tạo hình nên giá thành sản phẩm rẻ, có thể tạo được nhiều hình dáng.
  27. Hình 13. Nguyên lý hoạt động của máy cán trục lăn - Máy cán trục lăn: Đây là loại máy có năng suất cao nhất, dùng ở các nhà máy luyện kim, nhà máy lớn sản xuất hàng loạt. Máy gồm một dãy các trục cán có hình dạng khác nhau (hình 13). Dải thép đi qua các trục cán, dần dần được thay đổi hình dạng. Có thể cán được thép dày 0,3-18mm, rộng 20-2000mm. Tốc độ cán 10- 30m/phút. Loại máy này có năng suất cao, sử dụng ít nhân công, mỗi năm có thể sản xuất hàng triệu mét cấu kiện. Tuy nhiên, mỗi bộ trục cán gồm nhiều chiếc chỉ dùng được cho một loại tiết diện; muốn đổi tiết diện phải đổi bộ trục cán, vì vậy giá thành cao. 3. Kết cấu dàn không gian Kết cấu dàn không gian, hoặc còn gọi là kết cấu có cấu trúc mạng tinh thể đã XD phổ biến cách đây trên 30 năm ở nhiều nước, nhưng mới được áp dụng trong mấy năm gần đây ở nước ta. Công trình nhà ga hàng không T1 Nội Bài, hàng loạt các công trình thể thao, nhà thi đấu, triển lãm, khán đài sân vận động đã ứng dụng loại kết cấu này. 3.1. Đặc điểm kết cấu. Kết cấu dàn không gian gồm một hệ thống các dàn giao nhau theo 2 hoặc 3 phương. Các dàn này không đặt thẳng đứng mà đặt nghiêng nên hệ các thanh bụng của chúng tạo nên một hệ không gian có độ cứng chống xoắn lớn. Về cấu tạo, hệ dàn không gian có thể coi như gồm nhiều cấu trúc giống nhau (gọi là cấu trúc tinh thể) ghép lại. Do tự do ghép thêm các tinh thể một cách tuỳ ý nên kết cấu có mặt bằng linh hoạt (thích hợp với nhiều loại mặt bằng). Sự làm việc của kết cấu giống như một tấm phẳng tựa lên các cột. Sự uốn của tấm (gồm mômen uốn theo 2 phương và momen xoắn) được phân phối cho các thanh cánh và thanh bụng dưới dạng lực trục (kéo hoặc nén). Kết cấu dàn không gian có những ưu khuyết điểm sau:
  28. - độ cứng không gian lớn, làm được nhịp rộng; chiều cao dàn nhỏ, chỉ 1/15-1/30 nhịp (bằng một nửa tỷ lệ của dàn thông thường) nên tiết kiệm được không gian nhà, hạ thấp chiều cao XD; - có thể dùng cho mặt bằng bất kỳ, gối tựa bố trí bất kỳ; - cấu kiện thanh và nút lặp lại, dễ dàng cho việc tiêu chuẩn hoá; - do có độ siêu tĩnh cao nên không sợ bị phá hoại cục bộ, làm việc khá an toàn; - chế tạo khó, đặc biệt là các nút; cần có công nghệ riêng để chế tạo hàng loạt với độ chính xác cao, chất lượng cao. Sai số chế tạo yêu cầu rất nhỏ như ở sản phẩm cơ khí; Hình 14. MáI lưới HTKG của trung tâm Hội chợ Triển lãm HảI phòng 3.2. Đặc điểm cấu tạo: Quan trọng nhất là đầu thanh và nút dàn. Yêu cầu của nút dàn là phải liên kết được nhiều thanh với các góc không gian và tiết diện khác nhau, mà vẫn phải đảm bảo điều kiện chịu lực của thanh và dễ dàng cho thi công lắp dựng. Trên thế giới có đến hàng trăm kiểu nút dàn khác nhau đã được sáng chế và đăng ký bản quyền; có thể gộp lại thành các nhóm sau: - Nút cầu, gồm khối hình cầu đúc, có các lỗ sâu có ren, có bu lông liên kết đầu mỗi thanh với khối cầu. Khi thanh dùng thép ống, có thể liên kết tới 18 đầu thanh vào
  29. 1 nút (Hình 15). Tiêu biểu là nút cầu Mero của Đức. Kiểu nút này đẹp, dễ lắp ghép nhưng khả năng chịu lực không cao, trọng lượng khối cấu lớn (chiếm tới 20% tổng trọng lượng kết cấu). Nút cầu mero gồm cầu thép với các lỗ ren đồng tâm, các mặt phẳng vát, bulông cường độ cao, ống lồng, vít chí (hoặc chốt hãm). Đầu thanh có thể là dạng đầu côn hoặc mặt bích phẳng, có lỗ để bu lông xuyên qua và được hàn với đầu ống bằng đường hàn vòng. Với những nút lớn, có thể dùng cầu rỗng, tạo từ 2 nửạ cầu bằng thép bản, hàn trực tiếp với nhau hoặc thông qua các sườn vòng. Loại này dùng thích hợp ở những nút có nhiều thanh tụ vào, cần có khối nút lớn, hoặc khi các đầu thanh ống hàn trực tiếp vào nút. Hình 15. Nút cầu và đầu thanh thép ống - Nút bu-lông: gồm một hoặc nhiều bu lông, bắt trực tiếp vào đầu thanh đã được gia công cho có hình dạng phù hợp. Tiêu biểu là nút của hệ thống Harley (Úc) (Hình 16 ).
  30. Hình 16 . Nút kiểu Harley - Nút trụ: dùng thích hợp cho mái 1, 2 hoặc 3 lớp. Thân trụ được phay rãnh, khoan lỗ theo định hình trước. Đầu thanh phải tạo gờ cho phù hợp với rãnh trên thân trụ. Hình 17. Nút trụ - Các kiểu nút được tạo hình từ thép bản, dập trước. Đầu các thanh liên kết vào bản nút bằng bu lông. Hình 18. Nút bản, liên kết bu-lông Tại Việt Nam chỉ mới áp dụng chủ yếu lọai nút cầu đúc và một số loại khác có liên kết bu lông. Việc áp dụng loại kết cấu này sẽ có triển vọng lớn trong tương lai
  31. gần. Hiện tại một số nhà máy lớn ở nước ta đã nhập những dây chuyền để chuyên sản xuất các bộ phận kết cấu và đã thực thi trên công trình thực tế. 4. Quy trình kiểm tra chất lượng mái lưới HTKG nút cầu, thanh ống 4.1. Điều kiện chế tạo cấu kiện và chi tiết nút - Vật liệu: Thép sử dụng cho chế tạo thanh và chi tiết phảI phù hợp thiết kế. PhảI được kiểm tra về tiêu chuẩn, nguồn gốc; thử nghiệm tính năng cơ học, thành phần hóa học theo các tiêu chuẩn TCVN 4095:1985; TCVN 4613: 1988; TCVN 5575: 1991; TCXD 170:1989. - Giám sát việc chế tạo thanh: + kiểm tra kích thước hình học: Độ tròn đều, sai lệch về bán kính ống, không vượt quá t /10; Độ dày ống t tTHIETKE . Có thể chấp nhận sai số hình học của tiết diện khi ri ri THIET kE. + cắt thanh, gia công mép phảI dùng thước chuẩn (cữ), phảI có độ dài dự phòng biến dạng hàn, xác định bằng thực nghiệm. Sai số cho phép về độ dài thanh ống nút cầu quy định là: + Khi dùng nút cầu bu lông, hoặc hàn: 1mm. + Khi dùng nút thép bản hàn: 2mm. - Hàn đầu thanh ống với với cầu rỗng: thường sử dụng đường hàn đối đầu: Thép ống phảI được mở miệng, cắt vát 45-60o, phải có khe hở giữa đầu thép ống và cầu. - Chế tạo đầu côn và tấm bịt đầu (mặt bích): + đầu côn: được gia công từ phôi thép trụ, yêu cầu đúng thiết kế. Có cấu tạo phức tạp, chế tạo qua nhiều nguyên công. Việc hoàn thiện cuối cùng phải do thợ tiện, nguội bậc 4 trở lên đảm trách. + tấm bịt: dùng cho các thanh có nội lực nhỏ hoặc cho nút có quy mô không lớn. Gia công trên máy tiện, theo khuôn mẫu. - Chế tạo ống lồng: yêu cầu kích thước và hình dạng đúng thiết kế. Gia công từ phôi thép trụ, cấu tạo tương đối phức tạp, qua nhiều nguyên công, dao cụ; còn phảI khoét lỗ, ta rô chonvít chí hoặc tạo rãnh hãm. Gia công hoàn thiện do thợ tiện nguội bậc 4 trở lên đảm trách. - Chế tạo cầu thép: * Với nút cầu hàn: + gia công trước bán cầu bằng dập áp lực hoặc đúc áp lực, sau đó gia công cơ khí đến kích thước thiết kế. + gia công vát mép tại vị trí hàn. bề mặt sản phẩm sau khi hàn xong phảI phẳng, nhẵn, không lồi lõm. + sai số cho phép của đường kính cầu là: 1,5mm khi D 300 và không lớn hơn 2,5mm khi D>300. + độ tròn, sai lệch về bán kính, không lớn hơn 1mm khi D 300 và không lớn hơn 1,5mm khi D>300. + độ dày cầu rỗng, không bé hơn 13% so với thiết kế và chênh lệch 1,5mm. Nút cầu đặc, LK bu lông: dùng khi D 150mm + phôi cầu đặc, được rèn từ phôI thép trụ hoặc đúc áp lực. + mặt phay phẳng và lỗ bu lông được gia công trên máy chuyên dụng tự động.
  32. + sai số cho phép của đường kính là 1,0mm khi D 100 và 1,5mm khi D>100mm. + độ tròn của cầu, sai lệch về bán kính 0,5mm khi D 100 và 1mm khi D>100mm. + nút cầu đặc không được có khe nứt, rỗ, ngậm xỉ, tróc lõm. Độ tinh khi thi công là 6H (cấp chính xác 6, độ sai lệch H). Phù hợp với các tiêu chuẩn nhà nước về dung sai, ren, bu lông vít cấy và đai ốc. + sai số khoảng cách từ tâm cầu đến mặt phay phẳng là 0,2mm. + sai số cho phép về góc lỗ bu lông là 0010’. - Giám sát chất lượng bu lông cường độ cao: theo thiết kế, cả về vật liệu và các thông số hình học. Nếu là nhập ngoại phải có xuất xứ và chứng chỉ kèm theo. Lô SX phảI được kiểm tra theo xác suất 01tổ mẫu/1 lô SX và không dưới 3 BL/1 tổ mẫu. Nếu có thể SX trong nước thì ren phảI được tiện, cán hoặc ép ren. - Giám sát hàn chi tiết. dùng phượng pháp hàn hồ quang trong môI trường khí trơ, bằng các máy hàn chuyên dụng, máy hàn đa năng. Dây hàn hợp kim (do thiết kế chỉ định) tiết diện từ 1,2 – 2mm. + Các mối hàn được thực hiện tại xưởng chế tạo. Tuân theo quy định của TCXD 170:1989 “KCT-Gia công lắp ráp và nghiệm thu- Yêu cầu kỹ thuật” + PhảI chọn trình tự hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến hình hàn. + Tất cả các mối hàn phải được kiểm tra kỹ bằng mắt và ghi chép đủ tình trạng. Kiểm tra bằng phương pháp vật lý không dưới 20% tổng số với mối hàn nối các thanh kéo trong các máI loại vừa và lớn. Vị trí kiểm tra, lấy mẫu do thiết kế và thi công thỏa thuận. Chất lượng lấy theo TCXD 170:1989. 4.2. Điều kiện dựng lắp Thợ hàn, thợ tiện, thợ lắp dựng máI HTKG phảI có chứng chỉ hợp cách. Các chi tiết phải được phân loại, phân chia thứ tự sử dụng và phảI có chứng chỉ xuất xưởng. Các loại vật liệu dùng để chế tạo thanh, đầu côn, ống lồng, bulông CĐC, vít chí, gối đỡ đều phải được kiểm tra tính chất cơ lý, thành phần hóa học. Quy cách lấy mẫu theo quy định của TCXD 170:1989. Các cấu kiện đều phải kiểm tra về đường hàn, khả năng chịu lực của đường hàn, khả năng chịu kéo dọc trục của bu lông trong liên kết, khả năng chịu ép của đầu ống lồng vào mặt cầu, vào đầu côn Với các công trình phức tạp, nhịp >40m cần lắp dựng thử để phát hiện các sai số tích lũy khi chế tạo, xác định các thông số chuẩn bị thử tải. Sau khi lắp thử, cần kiểm tra độ chặt của bu lông, kích thước hình học giữa các gối đỡ, độ lệch cao độ giữa các mắt khi tháo bỏ giáo chống. 4.3. Việc tiến hành thử tảI được tiến hành cho 2 giai đoạn: khi lắp dựng thử và khi lắp dựng xong lưới. Việc gia tải khi lắp thử được thiết kế quy định, do trọng lượng bản thân lưới và tải trọng tương đương 80% tải trọng vận hành. Cần kiểm tra chênh lệch độ dài các biên, chênh lệch các cao độ. Vị trí đo võng lấy tại điểm giữa cánh dưới với mái có nhịp L<30m. Với nhịp lớn hơn, cần đo ở 5 điểm: điểm giữa máI, 2 điểm ở 1/4 nhịp theo hai phương chính. Giá trị khống chế của độ võng là không vượt quá độ võng cho phép, không vượt quá 10% so với tính toán.
  33. 4.4. Kiểm tra độ xiết chặt của bulông khi lắp dựng Tuân thủ các quy định trước khi lắp dựng. Sau khi vặn chặt bulông, tiếp xúc của ống lồng với đầu côn và phía bên kia là với cầu thép phải chặt sát để đủ chịu ép mặt từ cả 2 phía. Kiểm tra lực căng bằng cách dùng clê đo lực độ chính xác cao, được hiệu chỉnh 2 lần/ ngày. Mọi nút cầu đều phảI kiểm tra lực căng bulông. Với nút có 5 bulông, kiểm tra 100% số bulông của nút. Với nút có số bulông >5 cáI thì kiểm tra ít nhất là 5 cái. Nếu phát hiện có 1 bulông không đủ lực căng thì kiểm tra toàn bộ số đinh của nút. Khi tăng lực xiết, cần tăng đều, nhẹ. 4.4. Kiểm tra liên kết hàn theo các thông số: chiều dài, chiều cao, tính liên tục đều đặn bằng mắt, bằng búa gõ hoặc bằng các phương pháp vật lý khác. 4.5. Kiểm tra chống ăn mòn: theo quy định của thiết kế. Bịt kín khe bulông bằng keo, mátít. Trạng thái bề mặt cấu kiện phảI nhẵn, phẳng, không đọng bụi nước. Kiểm tra biện pháp chống ăn mòn: Thanh thép trong môI trường có tính ăn mòn nhẹ, cấu kiện phảI sơn phủ; trong môI trường có tính ăn mòn vừa, phảI sơn epoxy, kết hợp sơn lót với sơn mặt, độ dày mỗi lớp sơn không nhỏ hơn 60 m; trong môI trường có tính ăn mòn mạnh, phảI dùng sơn tĩnh điện hoặc mạ kẽm với bề dày lớp mạ không nhỏ hơn 50 m. Quả cầu, ống lồng, đầu côn, vít chí phảI được mạ Crôm, Niken-Crôm. Tùy theo môi trường, bề dày lớp mạ = 20 ~ 60 m. 4.6. Nghiệm thu theo các công đoạn: gia công chi tiết, tổ hợp cấu kiện, lắp dựng thử, làm sạch bề mặt trước sơn mạ, sơn mạ xong, lắp đặt gối tựa, lắp dựng xong đoạn, cả mái. Thành phần và các hồ sơ nghiệm thu giống như với các công trình XD khác. 4.7. Một số sự cố và xử lý sự cố: - Bu lông neo để lắp gối tựa, được đặt trước trong dầm BT, khi thi công BT thường bị sai lêch vị trí, cao độ. Khắc phục bằng cách: chỉ đổ BT đến cao độ chân bulông neo, đặt khối neo vào vị trí, dùng máy kinh vĩ và thủy bình ke chuẩn vị trí; đổ bù phần bê-tông còn lại có thêm phụ gia trương nở SIKA. - Những thanh cuối cùng khi lắp trên cao thường rất khó khăn do các sai số tích lũy. Khắc phục bằng cách: thường xuyên kiểm tra từng nút, từng mức nút, nếu có sai số phảI xử lý ngay; cột chống phải đủ cứng và không bị lún gối; đầu các thanh cuối cùng nhất thiết phải có lò xo để đẩy bulông ra. IV. LIÊN KẾT HÀN, KẾT CẤU HÀN 1. Các phương pháp hàn 1.2. Hàn hồ quang điện bằng tay, còn gọi là hàn hồ quang kim loại có bảo vệ SMAW (shielded metal arc welding), là loại hàn lâu đời nhất. Que hàn được hồ quang làm nóng chảy, chuyển kim loại vào mối hàn. Thuốc hàn khi cháy thì tạo ra luồng hơi bao bọc kim loại lỏng, một phần tạo nên lớp xỉ phủ trên mặt. Luồng hơi và lớp xỉ phủ mặt làm cho kim loại lỏng không tiếp xúc với khí trời, ngăn các chất có hại như O, N thâm nhập vào kim loại lỏng. Chất lượng của mối hàn lệ thuộc vào sự ổn định của hồ quang, chất lượng của 2 kim loại cần hàn và kim loại lõi (3 kim loại chảy lỏng hoà vào nhau nguội lại tạo thành đường hàn). Sơ đồ mạch điện và hồ quang được trình bày trên hình 19.
  34. Hình 19 . Hàn hồ quang điện bằng tay (SMAW) Que hàn có các loại: - của Việt Nam, theo TCVN 3223:2000, có 2 loại cho thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp, ký hiệu là E43 và E51, con số kèm theo là cường độ bền kéo nhỏ nhất tính bằng kN/cm2 của kim loại lõi; mỗi loại gồm 6 nhóm, đánh số từ 0 đến 5, đặc trưng cho độ dai va đập và độ dãn giới hạn, (nhóm số 0 không có quy định, nhóm số 5 có giá trị lớn nhất); cuối cùng là ký hiệu loại của lớp vỏ thuốc, ví A chỉ axit, B chỉ bazơ Trên thị trường cũng thông dụng loại que hàn Việt Đức với các số hiệu N42, N42-6B, N46, N46-6B, N50, N50-6B tương đương với các que hàn Liên Xô được nêu trong Tiêu chuẩn thiết kế E42, E42A và E50, E50A. - của Mỹ, có que hàn cho thép cacbon E60XX (với giới hạn chảy 60ksi =345MPa); cho thép hợp kim thấp E70XX (giới hạn chảy 70ksi = 490MPa), và các cấp khác cho tới E110XX. Hai chữ XX trong các ký hiệu trên là con số cho biết vị trí hàn được và loại thuốc hàn; ví dụ E6018 thì 1 là có thể dùng cho mọi vị trí, 8 là thuốc hàn loại bột sắt, có thể hàn với dòng điện 1 chiều hoặc xoay chiều. - của Pháp có các loại: EDx, E40, E48, E56, E65 tương ứng với các mầu hồng, đỏ, vằn, xanh lơ, xanh lá cây; con số là chỉ giới hạn bền, tính bằng kG/mm2. - của Trung Quốc, giống của Mỹ, có các loại: E42XX dùng cho thép số 3, E50XX dùng cho thép 16Mn, 16Mnq; và E65XX dùng cho thép 15MnV, 15MnVq. 1.2. Hàn tự động hồ quang chìm, còn gọi là SAW (submerged arc welding), hình 20. Trong phương pháp này, que hàn không ở dạng thanh có bọc thuốc mà là một cuộn dây trần. Thuốc hàn được rải trước bên trên khe mối hàn. Hồ quang không nhìn thấy được, sự cháy và chảy lỏng xẩy ra ngầm bên dưới lớp thuốc hàn. Thuốc hàn bảo vệ rãnh kim loại chảy, làm sạch kim loại hàn và cải thiện thành phần hoá học của kim loại hàn. Mối hàn theo phương pháp này có chất lượng cao, đồng chất, độ dai và độ bền tương đương với kim loại cơ bản. Tiêu chuẩn Việt Nam dùng ký hiệu của Tiêu chuẩn Liên Xô cho dây hàn và thuốc hàn, ví dụ dây thép hàn CB-08GA là loại thép CT3, tương ứng với thuốc hàn AH- 348A.
  35. Vật liệu của Mỹ có ký hiệu: thuốc hàn là FXX chỉ cường độ chịu kéo và cường độ thí nghiệm va chạm; dây hàn là EXXX tương ứng với thuốc hàn. Dùng cho thép cacbon là F6X-EXXX, 6 là cường độ kéo đứt 60ksi = 4130daN/cm2; cho thép hợp kim thấp là F7X-EXXX, 7 là cường độ kéo đứt 70ksi = 4830 daN/cm2. Hình 20. Hàn tự động hồ quang chìm 1.3. Hàn trong lớp khí bảo vệ - GMAW (gar metal arc welding). Dây hàn được quấn thành cuộn để cấp tự động qua một thiết bị hình khẩu súng, thiết bị này đồng thời phun luống khí. Việc bảo vệ kim loại lỏng hoàn toàn do luồng khí, không dùng thuốc hàn. Khí được dùng là: khí trơ như argon, helium (phương pháp hàn còn được gọi là MIG - metal inert gar), khí cacbonic (phương pháp hàn gọi là MAG - metal active gar), các khí này đều nặng hơn không khí. Khí trơ có thể dùng cho hàn mọi kim loại nhưng ít được dùng vì giá thành cao; để hàn thép, thường dùng khí cacbonic, một mình hoặc hỗn hợp cùng khí trơ. Phương pháp hàn này có những ưu việt: dễ khống chế các đặc trưng của hồ quang và kim loại hàn, vùng chảy sâu và rộng, tốc độ hàn nhanh. Dây hàn được dùng là loại theo AWS: ER70S-X cho đến ER110S-X (với X là ký hiệu để chỉ thành phần hoá học).
  36. Hình 21. Hàn trong lớp khí bảo vệ GMA 1.4. Hàn hồ quang que hàn lõi thuốc - FCAW (flux-cored arc welding), hình 21. Phương pháp này thường là hàn nửa tự động, việc di chuyển đầu hàn dùng thủ công. Dây hàn rỗng ruột chứa thuốc hàn, khi cháy có chức năng giống như thuốc hàn khi dùng que hàn bọc thuốc. Dây hàn và thuốc được ký hiệu E6XT, E7XT, đến E110XT. 2. Thiết kế kết cấu hàn 2.1. Các vấn đề về tính toán kết cấu hàn Hai loại mối hàn cơ bản trong kết cấu thép là hàn đối đầu và hàn góc. Hàn đối đầu có tiết diện là các hình vuông, vát chéo, chữ V, chữ X, chữ K, chữ U. Việc chọn dạng nào tuỳ thuộc vào chiều dày bản thép, ngoài ra cũng phụ thuộc vào chi phí gia công và chi phí hàn. Hàn góc được dùng rộng rãi nhất do kinh tế, dễ chế tạo và phù hợp với nhiều loại liên kết. Hàn góc có thể dùng cho liên kết chồng hoặc liên kết kiểu chữ T. Trong mọi quy phạm thiết kế mối hàn, việc tính toán đều đưa về xác định chiều dài và bề dày của mối hàn dựa vào ứng suất cho phép hoặc cường độ tính toán của vật liệu hàn. Về độ bền của mối hàn đối đầu, quy phạm các nước đều cho lấy bằng cường độ thép cơ bản nếu mối hàn ngấu hoàn toàn. Về đường hàn góc thì các quy phạm khác nhau nhiều. Theo TCVN thì cường độ đường hàn góc có hai giá trị, tuỳ theo sự phá hoại xảy ra tại mối hàn hay tại chỗ tiếp giáp giữa mối hàn và thép cơ bản. Nếu mặt cắt đi qua mối hàn dùng cho CT3 thì cường độ tính toán là 1800daN/cm2, tức là bằng khoảng 0,45 giới hạn bền của vật liệu; EuroCode thì lấy vào khoảng 0,5 của giới hạn bền của vật liệu. Tiết diện làm việc của mối hàn góc đều được lấy là tiết diện phân giác, tức là có chiều cao bằng 0,707 chiều cao mối hàn. Trong mọi trường hợp, việc tính toán liên kết phải dùng cùng quy phạm với việc tính toán kết cấu. 2.2. Thể hiện bản vẽ kết cấu hàn Cách thể hiện liên kết hàn theo TCVN đã quen thuộc. Cách thể hiện theo Tiêu chuẩn Mỹ thì khác hẳn. Dưới đây tóm tắt các chỉ dẫn chung để thể hiện đường hàn theo AWS. Cách thể hiện này khá chi tiết, sáng sủa, được áp dụng phổ biến ở các nước châu Âu, Trung Quốc: - Mỗi mối hàn được chỉ ra bằng một đường chuẩn nằm ngang; - mũi tên nối đường chuẩn với một mặt của mối hàn, đuôi đường chuẩn là ghi chú về phương pháp hàn, quy định kỹ thuật; - giữa đường chuẩn là kí hiệu mối hàn; ký hiệu ghi dưới đường chuẩn là chỉ ký hiệu cho mặt có mũi tên, kí hiệu ghi trên đường chuẩn là cho phía bên kia; - con số ghi bên trái ký hiệu là chiều cao đường hàn, bên phải là chiều dài, ghi bên trên và bên dưới là cho khe hở ở chân và cho góc vát; Ví dụ ký hiệu liên kết hàn ở 1 số chi tiết
  37. Hình 22. Ví dụ về ký hiệu mối hàn ở một nút liên kết, theo AWS Hình 23. Ký hiệu đường hàn theo AWS 3. Thi công, giám sát và nghiệm thu kết cấu hàn 3.1. Quy trình kỹ thuật về hàn. Việt Nam chưa có quy trình riêng về hàn trong xây dựng mà nằm xen trong các quy phạm khác như “Gia công, lắp ráp, nghiệm thu kết cấu thép”- TCXD 170:1989. Theo Tiêu chuẩn này, một số điều chính về kỹ thuật như sau:
  38. - phải chọn chế độ hàn sao cho đảm bảo hàn ngấu : hệ số ngấu n = b/h phải không nhỏ hơn 1,3 đối với mối hàn góc và không nhỏ hơn 1,5 với mối hàn đối đầu; trong đó b là chiều rộng, h là chiều sâu mối hàn (Hình 24 ); - khi hàn kết cấu làm bằng thép dày trên 20mm phải dùng các phương pháp để giảm bớt nhiệt lượng của mối hàn, để giảm tốc độ nguội, ví dụ hàn bậc thang, hàn từ giữa chiều dài ra hai phía; - các quy định khác về chuẩn bị mặt hàn như làm sạch, tẩy rỉ, tẩy bỏ những chỗ cháy khuyết Việc tuân thủ chặt chẽ quy trình hàn nhằm hạn chế biến hình do hàn. Biến hình này, nếu có sẽ làm thay đổi hình dạng và các đặc trưng hình học của tiết diện, kéo theo sự phân bố ứng suất ngoài dự kiến; nguy hiểm do tăng giá trị US ở một số thớ. Hình 24. Chiều rộng và chiều sâu để tính dạng ngấu của mối hàn. Quy trình kỹ thuật về hàn theo AWS: Quy phạm về hàn kết cấu thép D1.1:1998 được hầu hết các tổ chức XD trên thế giới chấp nhận, quy định rất cụ thể về các yêu cầu kỹ thuật cần đảm bảo khi hàn. Quy phạm cho phép chấp nhận các quá trình hàn mà không cần làm thử nghiệm (prequalification) nếu tuân thủ một số điều kiện về thi công, thiết kế, vật liệu và phương pháp hàn. Còn mọi quá trình hàn khác muốn được chấp nhận phải qua thử nghiệm với các mẫu thử quy định. 3.2. Kiểm tra chất lượng hàn. Các phương pháp đo đạc kiểm tra. - Kiểm tra bằng mắt thường: gồm việc xem xét chất lượng bên ngoài, đường hàn có đủ kích thước quy định trong phạm vi dung sai; tiết diện có đáp ứng yêu cầu. Kích thước của mối hàn theo quy định của thiết kế nhưng không vượt quá giá trị lớn nhất và dung sai cho trong TCVN 1691-75 (Mối hàn hồ quang điện bằng tay - Kiểu và kích thước cơ bản). Xem xét bằng mắt phải phát hiện: mối hàn không có nứt; sự chảy hoàn toàn giữa kim loại que hàn với thép cơ bản; mọi chỗ lõm trên tiết diện phải được hàn đầy. Để tham khảo, hình 25 chụp lại 1 trang của AWS quy định về tiết diện được chấp nhận và không được chấp nhận của mối hàn. - Kiểm tra bằng bột từ hoặc bằng chất lỏng thấm, nhằm bổ sung cho việc kiểm tra bằng mắt thường, các khuyết tật gần bề mặt, và có cùng tiêu chí nghiệm thu. Do vì VN chưa có quy trình kiểm tra nên các đơn vị thí nghiệm thường dùng ASTM E709 và E165 để tiến hành thí nghiệm. TCXD 170:89 cũng đề ra phương pháp dùng dầu hỏa tẩm lên mặt mối hàn và nước mầu để phát hiện vết dầu loang; dùng nước xà phòng bơm bằng khí nén ở một phía và phát hiện bọt xà phòng ở phía bên kia.
  39. - Kiểm tra không phá hoại: gồm một loạt các phương pháp vật lý như kiểm tra bằng siêu âm, bằng tia X để phát hiện những chỗ không liên tục bên trong kim loại hàn. Phương pháp siêu âm được thực hiện theo TCXD 165:1988 (Kiểm tra chất lượng mối hàn ống thép bằng phương pháp siêu âm). Phương pháp kiểm tra bằng tia X thực hiện theo TCVN 4395:1986. Các phương pháp này chỉ thực hiện được bởi các đơn vị thí nghiệm chuyên ngành, theo sự đặt hàng của chủ công trình.
  40. Hình 25. Tiết diện mối hàn chấp nhận được và không được chấp nhận, theo quy định của AWS Để đo kích thước mối hàn cần dùng các thước chuyên dụng. Hình giới thiệu một loại thước dùng để đo bề dày mối hàn góc (cạnh của hình tam giác), đo bề dày phồng lên của mối hàn đối đầu. Hình 26 miêu tả vài cách đo.
  41. Hình 26. Một số cách đo chiều cao, chiều rộng đường hàn Bảng kê dưới đây nêu các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn áp dụng cho các dạng kết cấu, theo TCXD 170:89. Bảng 4. Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn Phương pháp kiểm tra Dạng kết cấu 1. Rà soát có hệ thống việc thực hiện qúa trình công Tất cả các dạng kết cấu nghệ tổ hợp và hàn 2. Quan sát bề mặt và đo kích thước 100% mối hàn Tất cả các dạng kết cấu 3. Kiểm tra xác xuất các mối hàn bằng siêu âm hoặc Tất cả các dạng kết cấu, trừ những kết cấu tía phát xạ xuyên thấu X. thuộc mục 6 4. Thử nghiệm độ đặc chắc của mọi mối hàn bằng Kết cấu làm bằng thép tấm dày tới 16mm, phương pháp tẩm dầu hỏa hoặc phủ nước xà phòng mà các mối hàn yêu cầu kín. (khi có áp suất dư hoặc chân không). 5. Thử nghiệm độ đặc chắc và độ bền mối hàn bằng Các bể chưa, ống dẫn. Dung môi và giá trị thủy lực hoặc khí nén. áp lực thử nghiệm theo chỉ dẫn của thiết kế 6. Kiểm tra bằng phương pháp không phá hỏng liên Dạng kết cấu, phương pháp kết và mức độ kiểm tra do thiết kế quy định 7. Thí nghiệm cơ tính các mẫu kiểm tra Dạng kết cấu, phương pháp và mức độ kiểm tra do thiết kế quy định 8. Quan sát kim tương mối hàn. Dạng kết cấu, phương pháp và mức độ kiểm tra do thiết kế quy định Mối hàn bị lỗi, không nghiệm thu được phải tẩy bỏ đi bằng máy cắt, mài hoặc thổi bằng ô-xy, không được xâm phạm thép cơ bản. Làm sạch bề mặt trước khi hàn lại. Có thể sửa chữa cục bộ những khuyết tật: chỗ hàn quá dày, quá lồi thì tẩy đi; chỗ quá lõm thiếu kích thước thì chuẩn bị bề mặt rồi hàn bù cho đủ; chỗ có vết nứt thì tẩy
  42. bỏ mối hàn nứt và kim loại gốc cách 2 đầu vết nứt 15mm rồi hàn lại. Sau khi sữa chữa xong, việc kiểm tra được thực hiện lại với cùng yêu cầu và tiêu chí. 3.3. Kiểm tra kết cấu hàn. Khi hàn, luôn có biến hình hàn làm cấu kiện bị cong vênh. Việc đầu tiên là dùng mắt thường kiểm tra độ cong vênh của kết cấu và phải nắn lại cho thẳng, biện pháp nắn thẳng thông dụng là dùng nhiệt: dùng mỏ đốt làm nóng cục bộ một số chỗ của kết cấu để khi nguội nó sẽ tạo độ cong ngược lại. Các quy định về dung sai chế tạo, sự biến dạng khi hàn, dung sai dựng lắp được quy định trong TCXD 170:89. Có thể tham khảo thêm các quy định của AISC, AWS, MBMA (Mỹ) hoặc của EuroCode 3 (châu Âu). Việc khống chế sai số của kích thước dài nhằm khống chế hình dạng kết cấu trước khi chịu tải, sao cho sau khi chế tạo, lắp dựng hình dạng kết cấu, trục các thanh, độ lệch tâm vẫn không khác so với đã dự tính trong tính toán. Nếu chênh lệch này là lớn, phân bố nội lực sẽ khác so với dự kiến đã tính toán Bảng 5 dưới đây trích từ TCXD 170:89 về Sai lệch cho phép về kích thước dài của các chi tiết kết cấu. Bảng 5. Sai lệch cho phép về kích thước dài của các chi tiết kết cấu Sai lệch kích thước cho phép so với thiêt kế Các kích thước và công nghệ ( mm) thực hiện các công đoạn Các khoảng kích thước, m < 1,5 1,5 – 2,5 – 4,5 – 9 - 15 - 2,5 4,5 9,0 15 21 I. Các chi tiết lắp ráp 1/ Chiều dài, chiều rộng chi tiết Cắt thủ công ô-xy theo đường kẻ 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Cắt ô-xy theo dưỡng hoặc bằng máy cắt 1,5 2 2,5 3 3,5 4 theo đường kẻ 2/ Hiệu số các chiều dài đường chéo của bản thép Hàn đối đầu - - 4 5 6 - Hàn chồng - - 6 8 10 - 3/ Khoảng cách giữa các tim lỗ theo vạch dấu Các lỗ biên 2 2,5 2,5 3 3,5 4 Các lỗ kề nhau 1,5 - - - - - II. Kích thước các phần tử KC xuất xưởng Được tổ hợp trên bệ theo kích thước bu 3 4 5 7 10 12 lông Được tổ hợp trên bệ gá, trên dụng cụ gá 2 2 3 5 7 8 có chốt định vị III. Khoảng cách giữa các nhóm lỗ Khi gia công đơn chiếc và được tổ hợp 3 4 5 7 10 12 theo đường kẻ đã vạch Khi khoan theo dưỡng khoan 0,5 1 1,5 2 2,5 3
  43. Có thể so sánh một số quy định của TCXD so với quy định tương ứng của quy phạm Hoa Kỳ: - Chiều dài cấu kiện có thể sai số: theo TCXD từ 1-5mm, tùy theo chiều dài cấu kiện và phương pháp gia công; theo AISC thì là 1/16 inch đối với cấu kiện dài 30ft trở xuống, là 1/8 inch với cấu kiện dài trên 30ft. - Độ cong của thanh thép hình : theo TCXD là 0,001L, nhưng không quá 10mm; theo AWS thì nếu thanh dài L<9m là 3mmxL/3, dài từ 9-14m là 10mm, dài trên 14m là 10mm+3mmx(L-14)/3; Theo MBMA là 1/4 inchxL(ft)/10. - Sai lệch vị trí các lỗ với nhau là 1,5mm theo TCXD; là 1/16 inch theo MBMA. Và rất nhiều các quy định khác về dung sai chế tạo, không giống nhau giữa các Tiêu chuẩn, Quy phạm của các nước. V. LIÊN KẾT BULÔNG, KẾT CẤU DÙNG LK BU LÔNG 1. Các loại và các cấp cường độ của bulông Căn cứ vào độ chính xác chế tạo, chia ra các loại: - bulông độ chính xác thường: đường kính của lỗ lớn hơn của thân đinh 2-3mm; - bulông tinh, độ chính xác cao: đường kính của lỗ lớn hơn của thân dưới 0,5mm; - bulông cường độ cao, độ chính xác thường. Căn cứ vào sự làm việc của bu lông chia làm: - bulông thường (bulông chịu cắt, bulông chịu kéo); - bulông có lực xiết khống chế. Căn cứ vào kích thước của đường kính và ren, chia ra: - bulông ren hệ mét, có đường kính d=12- 48mm; - bulông ren hệ inch, có các loại 1/2, 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1 1/8, 1 1/4, 1 3/8, 1 1/2. Vật liệu làm bulông thường là các loại thép nhóm nhóm A, (chỉ cần đảm bảo độ bền cơ học, không quan tâm nhiều đến thành phần hóa học). Do vậy không cần nêu tên thép cụ thể, mà chỉ quy định cấp độ bền. Chia làm các cấp : 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 8.8 đến 10.9. Số đầu nhân lên 10 lần cho giới hạn bền theo daN/mm2). Tích của 2 số cho giới hạn chảy theo daN/mm2). Thông thường, bulông cường độ cao có lực xiết khống chế phảI dùng thép có cấp bền từ 8.8 trở lên. Bulông cường độ cao có 2 cách hiểu: - bulông làm bằng thép cường độ cao, có giới hạn bền tới 80kN/cm2 nhưng làm việc như bulông thường. - bulông làm bằng thép cường độ cao, làm việc trong liên kết truyền lực nhờ sự ma sát của mặt các bản thép (gọi là bulông có lực xiết khống chế hoặc là bulông được căng toàn bộ lực).
  44. Bulông cường độ cao ở Việt Nam thường được chế tạo từ thép cường độ cao và nhiệt luyện, ví dụ: dùng thép Nga 35X cho cấp 8.8; dùng thép 40X cho cấp 10.9. Phải đánh dấu cấp độ bền vào mũ bulông. Hình 27. Bulông làm bằng thép cường độ cao được đánh dấu theo ASTM Mỹ, Uc hay dùng thép cường độ rất cao để làm bulông cường độ cao, được gọi là bulông HR, ví dụ thép A325, A490. Bulông làm bằng thép cường độ cao phải được ghi mác thép theo ASTM vào mũ bulông (Hình27). Bulông làm bằng thép A307, là thép cacbon thấp có giới hạn bền 60ksi, chủ yếu dùng cho dựng lắp, cho công trình không có rung động. Ký hiệu ví dụ: 1- A325N (hoặc X), N là bulông trong liên kết chịu cắt, có ren nằm ngoài lỗ, X là khi có ren nằm trong lỗ. 2. Liên kết bulông trong kết cấu thép 2.1. Liên kết truyền lực qua tỳ chặt. Sự truyền lực thực hiện qua sự tỳ sát thân bulông vào thành lỗ (hình 28). Thân bulông bị cắt, bản thép thì bị ép mặt với thân bulông tại chỗ tiếp xúc. Gọi “ép mặt” là theo cách gọi đơn giản, thực tế là sự trượt của bản thép tại vùng lỗ. Cách tính tính của ta không phân biệt trường hợp ren có nằm trong mặt phẳng cắt hay không. Mỹ và châu Âu thì phân biệt rõ; nếu mặt phẳng cắt đi qua ren, thường độ bền thấp hơn tới 40%; điều này là hiển nhiên, vì tiết diện cắt bị thu nhỏ khi qua ren. Hình 28. Liên kết bulông truyền lực qua sự tỳ chặt a/ giai đoạn đầu, khi ngoại lực còn bé; b/ khi ngoại lực tăng lên lớn hơn. 2.2. Liên kết truyền lực qua ma sát (hình 29). Lực truyền qua sự ma sát giữa các bản thép được xiết rất chặt bởi các bulông cường độ cao. Lực xiết phải được
  45. khống chế để duy trì ma sát, đảm bảo khả năng truyền lực. Cấp cường độ bulông phải từ 8.8 trở lên. Việt Nam hay dùng thép 35X cho cấp 8.8, thép 40X cho cấp 10.9. Tiêu chuẩn ASTM dùng loại thép có cường độ cao A325 (120ksi), A490 (150ksi). Hình 29. Liên kết bulông truyền lực qua ma sát Khả năng chịu lực của loại liên kết này phụ thuộc lực xiết ban đầu và sự chuẩn bị bề mặt. Lực xiết ban đầu lấy bằng 0,7 lực kéo đứt bulông. Hệ số ma sát phụ thuộc vào sự chuẩn bị bề mặt, có giá trị : = 0,2 (khi không chuẩn bị gì), = 0,3 (chỉ dùng bàn chải sắt), = 0,4 (dùng ngọn lửa), cao nhất = 0,5 (phun cát, có lớp mặt phủ bột kim loại để tạo nhám). 3. Thi công liên kết bu-lông 3.1. Phương pháp tạo lỗ. Quy phạm Việt Nam phân biệt hai loại lỗ tùy theo độ chính xác: lỗ đột, đường kính và vị trí không chính xác, thành có ba-via nên thô ráp; lỗ khoan, hoặc đột rồi khoan, kích thước và vị trí lỗ chính xác, thành lỗ nhẵn. Do chất lượng lỗ, cường độ chịu lực của bulông chênh nhau tới 10%. Việc dùng lỗ đột hay khoan là do thiết kế quy định, trong tính toán đã được xét đến. TCXD 170: 89 cho phép đột khi lỗ nhỏ dưới 25mm và bản thép dày không quá 10mm. Quy phạm Mỹ, châu Âu thì phân biệt lỗ tiêu chuẩn và lỗ to quá kích thước, lỗ bầu dục cường độ chênh nhau tới 15%. Lỗ tiêu chuẩn là lỗ mà đường kính lớn hơn đường kính đinh 1/16 inch (1-2mm, theo EuroCode). Các quy phạm này không phân biệt lỗ đột và khoan. 3.2. Phương pháp xiết bulông thường và bulông cường độ cao. Bulông thường được xiết đủ chặt để đảm bảo có sự tiếp xúc tốt giữa các bề mặt, không cần khống chế lực xiết. Đủ chặt là do một công nhân dùng cờ-lê thông thường (dài ~ 300mm), hoặc khi dùng máy xoay đập thì là khi máy bắt đầu đập. Bulông lực xiết khống chế: cần xiết tới lực căng quy định. (Bulông làm việc chịu kéo dọc trục cũng phải được xiết với toàn bộ lực căng). Các phương pháp quản lý lực xiết là:
  46. - Phương pháp dùng clê đo lực (clê mômen), có đồng hồ cho biết mômen xoắn, từ đó có các bảng để tra ra lực căng của bulông. Bảng số dựa trên cơ sở công thức hoặc trên cơ sở định chuẩn qua thực nghiệm. Công thức sau đây giới thiệu quan hệ giữa lực căng trong bulông và mômen xiết: M= kPd Với M- mômen xoắn, Nm; P- lực căng trong bulông, kN; d- đường kính bulông, mm; k - hệ số xác định bằng thí nghiệm, vào khoảng = 0,2.
  47. Bảng 6 : Quan hệ giữa mômen xoắn và lực căng lớn nhất trong bulông cường độ cao Đường kính bulông, Mômen xoắn, Lực căng trong bulông, mm Nm kN 12 140 57 16 270 83 20 480 118 22 770 174 26 1150 220 28 1430 253 32 2000 310 35 2650 377 Bảng và công thức nêu trên chỉ là để tham khảo, vì như dưới đây sẽ phân tích, quan hệ này phụ thuộc nhiều yếu tố, phải được thử nghiệm cho từng truờng hợp. * Phải rất cẩn thận khi muốn khống chế lực căng bằng clê đo lực. Phải dùng vòng đệm tôi cứng để sự ma sát giữa êcu hoặc đầu đinh với bản thép không bị thay đổi giữa các bulông. Clê phải được định chuẩn hàng ngày bằng kích thủy lực, hoặc mỗi khi dùng với bulông đường kính khác. Nói chung, phương pháp này nhanh và rẻ nhưng không chính xác vì có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến ngẫu lực xoắn chứ không chỉ do lực xiết: chất lượng và độ chính xác của ren, chất lượng của êcu, mức độ bôi trơn, sự ma sát giữa êcu và mặt bản thép, tính đàn hồi của tay đòn clê đo lực Quy phạm Mỹ không thừa nhận phương pháp này vì kém độ tin cậy, tuy nhiên đây lại là cách gần như duy nhất trên các công trường ở Việt Nam. - Phương pháp đo trực tiếp: dùng vòng đệm cứng có hình dạng đặc biệt, khi chịu lực thường biến dạng và chỉ thị được lực. Hình 30 giới thiệu một kiểu vòng đệm có các mấu lồi, khi xiết êcu thì mấu phẳng ra và làm giảm khoảng cách giữa êcu và vòng đệm; đo khoảng cách này, sẽ biết được lực căng. Khi sử dụng phương pháp này, phải tuân thủ rất kỹ quy trình lắp đặt của hãng chế tạo. Hình 30. Vòng đệm có mấu lồi và nguyên tắc xiết bulông
  48. - Cách dùng bulông có đầu chẻ thò ra ngoài phần ren, được kẹp bởi chìa vặn đặc biệt. Khi vặn êcu đến mức quy định thì đầu chẻ bị đứt rời. - Phương pháp quay thêm êcu được sử dụng theo Quy phạm Mỹ, Pháp và Úc (Hình 31). Các Quy phạm này không yêu cầu xác định đúng lực xiết để dùng trong tính toán mà cần đảm bảo lực căng tối thiểu để liên kết không trượt khi làm việc (gọi là liên kết SC, slip-critical). Lực căng tối thiểu được quy định riêng rẽ cho mỗi cấp bền; với bulông cấp 8.8. lực căng tối thiểu là 6000daN/cm2. Hình 31. Phương pháp quay thêm êcu Sau khi vặn bulông đến mức đủ chặt thì đánh dấu vào êcu rồi vặn thêm từ 1/3 đến 2/3 vòng, tùy theo chiều dài bulông. Góc quay thêm được xác định theo thống kê và kinh nghiệm, thường do người thiết kế quyết định. Phương pháp này không đòi hỏi dùng đệm cứng như phương pháp dùng clê đo lực; đảm bảo lực căng đều giữa các bulông, tin cậy, dễ kiểm tra. Với các liên kết ma sát, dùng bu lông với lực xiết khống chế, thường dùng phương pháp này để quản lý lực căng. Khi đó vẫn phải dùng clê đo lực để căng đến một giá trị xác định của lực căng cần thiết, (ví dụ 60 hoặc 75%). Sau đó quay thêm êcu một góc xác định. Sai số của phương pháp này so với phương pháp chỉ dùng clê đo lực nhỏ hơn 3 đến 6 lần. Hiện nay ở nước ta, phương pháp quay thêm êcu chỉ được dùng trong những công trình do nước ngoài thiết kế và chế tạo. Để áp dụng rộng rãI hơn, cần có sự nghiên cứu và thí nghiệm theo các điều kiện Việt Nam. 3.3. Kiểm tra, giám sát chất lượng liên kết bulông và kết cấu dùng bulông
  49. - Kiểm tra đường kính, vị trí các lỗ bulông trong phạm vi dung sai. Theo TCXD, sai lệch cho phép về đường kính và độ ôvan của lỗ bulông là dưới 0,6mm đối với d<=17mm, dưới 1,5mm đối với đường kính lớn hơn. Sai lệch cho phép giữa các lỗ bulông là 1,5mm; sai lệch giữa các nhóm lỗ là 2 đến 3mm. Không cho phép có sứt mẻ lỗ với kích thước lớn hơn 1mm và không cho phép nứt ở mép lỗ (bản TCXD 170:89 in nhầm là không hạn chế, có ý nghĩa ngược hẳn, rất nguy hiểm). - Kiểm tra khuyết tật hư hỏng của bulông, êcu, vòng đệm, nếu có thì phải bỏ đi, thay thế bằng cái mới. Yêu cầu về vòng đệm: Nói chung, bulông thường không đòi hỏi phải có vòng đệm. Dùng vòng đệm khi có yêu cầu của thiết kế, ví dụ dùng bu lông dài để đưa phần ren ra ngoài mặt phằng cắt, hoặc khi bề mặt bản thép nghiêng quá 3 độ so với mặt phẳng vuông góc với trục bulông thì cần phải có vòng đệm nghiêng. Bulông lực xiết khống chế thì phải có vòng đệm tôi cứng ngay bên dưới phần quay. - Kiểm tra lực xiết bulông, chỉ yêu cầu đối với loại liên kết không cho trượt (truyền lực bằng ma sát). Kiểm tra bằng clê đo lực đã được định chuẩn, với 10% số bu lông đã xiết. Kiểm tra theo dấu ở bản thép và ở ê- cu quay thêm (có chênh góc theo quy định); dấu ở bản thép và ở mũ bu lông không quay (không chênh góc). - Kiểm tra tổng thể kết cấu đã dựng lắp, với độ nghiêng, độ sai lệch trong dung sai lắp ghép, cũng như đối với kết cấu hàn (xem bảng 5 trên đây, trích từ TCXD 170.1989). Nội dung cụ thể, đầy đủ về công tác gia công kết cấu thép (các nguyên công uốn, cắt, lắp ghép, phóng dạng, tổ hợp), việc dựng lắp kết cấu thép cũng như các vấn đề về sơn, mạ, bảo quản, phòng chóng cháy kết cấu thép sẽ được trình bày trong tài liệu riêng, nằm ngoài khuôn khổ của bài giảng này.
  50. MỘT SỐ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ - Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode- EN European Norms - Tiêu chuẩn Anh BS- British Standards - Tiêu chuẩn Uc- AS Australian Standard - Các Tiêu chuẩn Mỹ: MBMA- Metal Building Manufacturers Association; AISC- American Institude of Steel Construction; AISI- American Iron of Steel Institude ; AWS- American Welding Society; ASTM- American Society of Testing and Materials; AASHO- American Asociation of State Highway and Transportation; UBC- Uniform Building Code SSBC- Southern Standard Building Code BOCA- National Building Code - Tiêu chuẩn Pháp CM.66 Regles de calcul des contruction en acier - Tiêu chuẩn Trung Quốc GB - Tiêu chuẩn Nhật JIS METRIC CONVERTION TABLE To convert from To Multiply by degree Fahrenheit degree Celsius ToC=(to F-32)/1.8 foot, ft metre, m 3.048x10-1 ft2 square metre, m2 9.290304x10-2 ft3 cubic metre, m3 2.831685x10-2 Inch, in metre, m 2.540x10-2 mile (international) metre, m 1.609344x103 mile (international nautical) metre, m 1.852x103 Mph km/h 1.609344 pound-force (lbf) Newton, N 4.448222 pound -avoirdupois (lb) kilogram, kg 4.535924x10-1 lbf/in2 (psi) Pascal, Pa 6.894757x103 lbf/ft Newton per metre, N/m 1.459390x10 lbf/ft2 Pascal, Pa 4.788026x10 lb/ft2 kilogram per square metre, (kg/m2) 4.882428 lb/ft3 kilogram per cubic metre, (kg/m2) 1.601846x10 1 kPa= 10-2 daN/cm2; 1 ksi (kilopound per square inch = 68,95daN/cm2) 1 kip= 4,448kN; 1 ftkip = 14,59kNm Tera T 1012 Giga G 109 Mega M 106 Kilo k 103 Hector h 102 Deca da 10 Đơn vị chuẩn; m; g; N; lít; độ; woat; V, A = 1 Deci d 10-1 Centi c 10-2 Mili m 10-3 Micro  10-6 Nano  10-9
  51. Pico p 10-12