CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ DẦM 1.1 Khái niệm Dầm là loại kết cấu rất phổ biến trong nhiều thiết bị, máy móc, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng, giao thông. Ví dụ dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác, khung nhà thép, vỏ tàu thủy, khung máy, bệ máy,. Về chức năng dầm làm việc chống uốn ngang là chủ yếu.
Thông thường nó nhận tải từ các phần tử khác và chuyển xuống các gối tựa ( tức là phần đỡ dầm).2 Đặc điểm và phân loại Theo cấu tạo tiết diện ngang dầm có thể chia làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp. Dầm hình là dầm từ một loại thép hình phổ thông như thép I, thép U, thép góc hoặc các loại thép hình thành mỏng chuyên dụng khác. Dầm từ thép chữ I có tiết diện đối xứng, mômen chống uốn (W x ) rất lớn, dùng hợp lý đối với các trường hợp chịu uốn phẳng như dầm cầu, dầm sàn công tác, dầm cầu trục, v.1 : Các loại dầm hình Dầm từ thép chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị xoắn. Tuy nhiên dầm chữ U ( đặc biệt loại cánh rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm công tác với nhịp và tải trọng bé.
Đỗ Vinh Quang 12 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí Dầm từ thép chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị xoắn. Tuy nhiên dầm chữ U ( đặc biệt loại cánh rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm công tác với nhịp và tải trọng bé. Do hạn chế về công nghệ cán, các thép hình cán nóng thường có bề dày bản bụng khá lớn và tốn thêm kim loại tại chỗ lượn chuyển tiếp từ bụng sang cánh. Vì vậy việc dùng thép hình cán nóng tuy tiết kiệm được công nghệ chế tạo nhưng vẫn còn nặng nề, chưa tiết kiệm được kim loại, đặc biệt là với các dầm vượt nhịp lớn, chịu tải trọng bé.
Khắc phục nhược điểm này, áp dụng sự tiến bộ của công nghệ cán, hiện nay kết cấu dầm đã ứng dụng nhiều loại tiết diện mới là thép hình cán nóng hình chữ I cánh rộng, I cao thành hoặc tiết diện cán nguội, dập nguội từ thép bản mỏng tạo thành tiết diện dạng chữ [, chữ Z. Dầm tổ hợp: Dầm tổ hợp được chế tạo từ các loại thép hình, thép tấm hoặc thép định hình. Nếu dụng phương pháp hàn để chế tạo thì quy ước gọi là dầm hàn, còn nếu dung liên kết đinh tán hoặc bulong thì tương ứng gọi là dầm đinh tán hoặc dầm bulong. Ở đây chỉ đề cập tới dầm hàn.2: Các loại dầm tổ hợp (dầm hàn – dầm dinh tán Đỗ Vinh Quang 13 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí Hình 1.3: Dầm hộp Dầm hàn chữ I gồm ba phần tử cơ bản: Hai bản cánh (còn gọi là cánh hoặc đế dầm) và bụng (còn gọi là thành hay bụng dầm).
Ngoài ra, trong dầm hàn còn có các phần tử kết cấu khác như gân cứng vững, vách ngăn, bản nối,vv… So với dầm đinh tán hoặc dầm bulong thì dầm hàn nhẹ hơn, chi phí chế tạo thấp hơn nên được sử dụng phổ biến trong những thập kỷ gần đây. Điều cần chú ý là dầm tổ hợp cho phép tạo ta các giải pháp kết cấu linh động hơn như: Có thể giảm chiều dày bụng dầm xuống mức tối thiểu hoặc thay đổi tiết diện dầm tùy thuộc vài giá trị nội lực cụ thể. Điều này đặc biệt có hiệu quả kinh tế đối với các dầm có khẩu độ và tải trọng lớn. Tuy nhiên, sử dụng dầm hình sẽ giảm được số lượng chi tiết cấu tành, chi phí chế tạo giảm và thời gian đưa công trình vào sử dụng sẽ ngắn hơn.
Do vậy, trong mọi trường hợp cần phải cân nhắc kỹ các yếu tố kinh tế - kỹ thuật để chọ loại dầm hinh hay dầm tổ hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu nhất.3 Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép 1. Dầm hàn Loại cầu thép phổ biến nhất cho các nhịp nhỏ và vừa trên đường ôtô là cầu dầm thép. Với các nhịp nhỏ và vừa (< 30 m) thông thường dầm chủ được làm bằng thép hình I cán đặt cách đều đều và song song với nhau. Đối với các nhịp lớn hơn thường dùng dầm thép, các dầm này thường có chiều cao lớn hơn chiều cao nhất của dầm thép Đỗ Vinh Quang 14 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí cán.
Bên trên dầm thép thường là bản bê tông cốt thép vừa làm bản mặt cầu cho xe chạy vừa tạo độ cứng ngang cho các dầm dọc. Các dầm ngang ở các đầu dầm và tại các điểm trung gian tạo độ cứng ngang và phân bố tải trọng tập trung lên các dầm dọc.4: Dầm cầu thép Cầu dầm thép có ưu điểm đặc biệt là cấu tạo đơn giản, trọng lượng bản thân nhẹ, thi công nhanh chóng, không cần giàn dáo nên rất thích hợp cho các công trình cầu cần xây dựng nhanh và các cầu địa phương. Ưu nhược điểm của cầu dầm thép: Ưu điểm: - Cầu dầm thép có thể thi công nhanh chóng hơn cầu bêtông cốt thép hoặc cầu bêtông cốt thép ứng suất trước. - Cầu dầm thép có thể lắp đặt dễ dàng qua sông suối, qua chướng ngại vật ở bất kỳ hoàn cảnh thời tiết nào, do đó giảm được giá thành xây dựng.
Đỗ Vinh Quang 15 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí - Kết cấu nhịp cầu thép thường nhẹ hơn cầu bê tông cốt thép làm giảm giá thành chung, đặc biệt có ý nghĩa khi địa chất lòng sông yếu. Kết cấu nhịp cầu thép thường có chiều cao kiến trúc nhỏ hơn cầu bê tông cốt thép do đó thích hợp khi làm các cầu vượt, khi cần đảm bảo tĩnh không dưới cầu mà không cần nâng cao quá mức cao độ mố trụ. - Cầu thép dễ sữa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bê tông cốt thép. Nhược điểm: - Gỉ của thép là vấn đề cần quan tâm, phải sửa chữa thường xuyên, tốn kém và là nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng cầu thép.
Ngay cả thép chống gỉ cũng không hoàn toàn đảm bảo về hiệu quả kinh tế như các nhà chế tạo công bố. - Hậu quả cuối cùng của gỉ là làm suy yếu công trình. - Giá thành sơn cầu trong suốt thời gian sử dụng rất cao. Việc cạo gỉ, sơn lại ảnh hưởng bất lợi tới sức khỏe con người và môi trường.
Khi dùng sơn trên nên dầu, sự bay hơi của các thành phần hữu cơ ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe. Việc cạo bỏ các lớp sơn cũ và tiêu hủy phế thải trong suốt thời gian phục vụ cầu rất tốn kém. Trong một số trường hợp giá thành của việc cạo gỉ và tiêu hủy phế thải bằng với việc hủy bỏ cầu cũ, xây dựng cầu mới. - Khoảng 20 năm gần đây, thép chống gỉ được dùng nhiều trong cầu như một yếu tố giảm giá thành do không phải sơn.
Nhưng theo thời gian, gỉ vẫn hình thành, thép trở thành nâu, theo quan điểm mỹ quan là một trong những màu xấu nhất. Rỉ kết cấu nhịp và các bộ phận bằng thép thường chảy xuống tường mố trụ làm mất vẻ mỹ quan. - Một số hình ảnh dầm hàn Đỗ Vinh Quang 16 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí Hình 1.5: Dầm I kích thước lớn Hình 1.6: Dầm hàn cho kết cấu cầu thép Đỗ Vinh Quang 17 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí 1.4 Cấu tạo của dầm chữ I Dầm I hay còn gọi là dầm H là dầm có mặt cắt ngang hình chữ I hoặc chữ H. Hai phần nằm ngang gọi là bản cánh, phần thẳng đứng là bản bụng.
Bản bụng chịu lực kéo, trong khi bản cánh chịu phần lớn momen uốn của dầm. Như vậy, lý thuyết về dầm chỉ ra rằng dầm có mặt cắt ngang hình chữ I rất hiệu quả trong việc chịu cả tải trọng kéo và momen uốn trong mặt phẳng chứa bản bụng. Mặt khác, mặt cắt ngang có thể giảm theo chiều ngang. Nhưng dầm I lại không hiệu quả trong việc chịu xoắn.
Có hai dạng dầm I theo tiêu chuẩn: • Dầm I cán: được tạo hình bởi cán nóng, cán nguội hoặc đúc ép (tùy thuộc vào vật liệu) • Dầm I hàn (đôi khi dầm I có thể được tạo bằng gắn kết bulong hoặc đinh tán). Dầm I thường được chế tạo bởi vật liệu thép kết cấu nhưng đôi khi cũng có thể được chế tạo từ hợp kim nhôm và một số loại vật liệu khác. Dầm I được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu công nghiệp với kích thước đa dạng và được tiêu chuẩn hóa. Việc này cho phép dễ dàng lựa chọn kích thước và tải trọng phù hợp của dầm I.
Dầm I được sử dụng với cả hai công năng: dầm và cột. Dưới tác dụng của lực uốn, ứng suất pháp lớn nhất sẽ tập trung tại thớ kim loại xa nhất từ trục trung hòa. Và cũng do nguyên nhân này nên phần lớn vật liệu của dầm sẽ tập trung tại vùng này, vùng gần trục trung hòa sẽ tập trung ít vật liệu hơn. Chính điều này là cơ sở của mặt cắt ngang của dầm I; trục trung hòa nằm tại trung tâm của bản bụng, và bản bụng sẽ mỏng hơn bản cánh.5 Quy trình chế tạo dầm hàn chữ I Quy trình chế tạo dần hàn chữ I trong điều kiện nhà máy kết cấu thép thường gồm các công đoạn chủ yếu sau: Đỗ Vinh Quang 18 Lớp : 11BCNH Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí Ghi chú: A,B: Chuẩn bị phôi, nắn cắt phôi; C: Hàn đính kết cấu; D: Hàn kết cấu; E,F: Uốn phẳng bản cánh của dầm I; G: Phay hai phần đầu của dầm I, nơi đây thường xảy ra khuyết tật.; H: Phun bi, phun cát, làm sạch kết cấu, biến cứng bề mặt; I: Sơn phủ bảo vệ kết cấu.7: Sơ đồ quy trình chế tạo kết cấu dầm chữ I a.
A,B: Chuẩn bị phôi, nắn cắt phôi - Nắn cần tránh tạo vết xước, vết lõm và các khuyết tất khác trên bề mặt - Nắn cần đảm bảo bán kính cong và độ võng của chi tiết theo yêu cầu (bảng 1).