Thanh giằng chéo kết cấu là một thanh giằng ngắn nằm giữa cột và xà gác phía trên, tạo thành một tam giác cứng chắc ở góc khung. Giá trị của nó phụ thuộc vào vai trò mà thiết kế giao cho: chống lực ngang, giằng ổn định cấu kiện, gia cường thứ cấp hoặc giằng lắp đặt. Những vai trò đó có các yêu cầu và quy định khác nhau, và một thanh giằng vật lý có thể đảm nhiệm nhiều vai trò cùng một lúc. Việc xác định vai trò cần được ưu tiên trước khi xem xét bất kỳ câu hỏi nào về góc, tiết diện hoặc chi tiết kết nối.
Chức năng của thanh giằng đầu gối trong khung thép
Thanh giằng đầu gối trong khung thép có thể hoạt động như một phần tử chống lực ngang, một thanh giằng ổn định kết cấu, một phần tử gia cường thứ cấp, hoặc thanh giằng lắp đặt, và vai trò cụ thể nào phụ thuộc vào việc phân tích khung đánh giá nó là gì.
| Vai trò | Chức năng của nẹp chỉnh hình | Điều gì chi phối nó? | Cần kiểm tra những gì? |
|---|---|---|---|
| Phần tử chống lực ngang | Chịu một phần lực cắt gió của khung | Phân tích khung toàn cầu | Sự dịch chuyển, lực giằng, hiệu ứng bậc hai, lực thành phần, các mối nối, phản lực đáy |
| thanh giằng ổn định | Giữ một điểm trên cột hoặc xà nhà để chống cong vênh | Phụ lục 6 của AISC 360 chỉ áp dụng khi thanh giằng không phải là một phần của hệ thống chịu lực tổng thể. | Độ bền và độ cứng cần thiết của thanh giằng, và liệu hệ thống đỡ có thể đáp ứng được các yêu cầu đó hay không. |
| Phần tử gia cường thứ cấp | Tăng độ cứng song song với hệ thống giằng được thiết kế riêng. | Độ cứng tương đối của mỗi đường dẫn song song | Tỷ lệ tải trọng thực tế thu hút, và độ cứng của mối nối phía sau nó. |
| Thanh giằng lắp đặt | Cố định khung nhà trước khi ốp ván. | Bản vẽ lắp đặt và sơ đồ lắp đặt tại công trường. | Liệu việc kết nối vĩnh viễn đã hoàn tất ở giai đoạn đó hay chưa. |
Trong mô hình lý tưởng với hai đầu khớp nối, thanh giằng chịu lực căng hoặc nén dọc trục, và sự đảo chiều hướng gió sẽ hoán đổi vai trò của chúng. Trên thực tế, thanh giằng còn phát sinh uốn cong do độ cứng của mối nối, độ lệch tâm của các thanh và độ lệch tâm tại tấm nối. Một thanh góc duy nhất được bắt vít vào một mặt sẽ chịu cả ba yếu tố này. Chức năng của thanh giằng là phân bổ lại lực dọc trục, lực cắt và lực uốn cong giữa xà gác, cột, các mối nối và móng, theo tỷ lệ xuất phát từ mô hình thể hiện độ cứng thực tế của mối nối.
Bốn hàng đó không loại trừ lẫn nhau. Một thanh giằng vật lý có thể nằm trong hai hàng cùng một lúc, chịu lực cắt của khung đồng thời giữ cột tại một điểm, và cả hai tập hợp yêu cầu này cùng tồn tại. Bản vẽ điển hình không chỉ rõ thanh giằng thuộc hàng nào. Việc phân loại phải được thực hiện, chứ không phải được giả định.
Một điểm cần lưu ý ngay từ đầu: bài viết này đề cập đến các ứng dụng chịu gió và ổn định cấu kiện trong khung thép xây dựng thông thường. Thanh giằng đầu gối được tính là một phần của hệ thống chịu lực động đất là một bài toán thiết kế riêng biệt. Phân loại hệ thống, hệ số phản ứng và chi tiết độ dẻo được lấy từ bộ luật xây dựng hiện hành, ASCE 7, và các quy định về động đất của AISC. Phần lớn tài liệu về khung có thanh giằng đầu gối xuất hiện trong kết quả tìm kiếm mô tả các hệ thống động đất tiêu tán năng lượng, chứ không phải là thanh giằng góc thông thường trên bản vẽ nhà kho.
Vì sao nẹp đầu gối có thể gây quá tải cho bộ phận mà nó gắn vào
Việc thêm thanh giằng vào khung thép sẽ làm dịch chuyển tải trọng chứ không phải loại bỏ nó, vì vậy thanh giằng, cả hai mối nối đầu mút và cấu kiện chịu lực đều cần được kiểm tra trước khi bản vẽ được chấp nhận.
Một số trạng thái giới hạn có thể xảy ra đồng thời. Thanh giằng có thể bị cong vênh do nén, bị biến dạng dẻo do kéo, bị gãy tại tiết diện thực tế, hoặc bị hỏng do cắt khối. Các mối nối có thể bị hỏng do cắt hoặc chịu lực của bu lông, do mối hàn, hoặc do cong vênh tấm nối. Xà gác, cột hoặc thanh giằng chịu lực có thể bị biến dạng dẻo cục bộ, hoặc bị hỏng do uốn cong mặt bích, biến dạng dẻo bản bụng, hoặc biến dạng què bản bụng tại điểm gắn. Trạng thái nào chi phối phụ thuộc vào hình học và chi tiết. Bản vẽ không nêu rõ điều này.
Lực mà thanh giằng chịu được phụ thuộc vào độ cứng của nó so với tất cả các yếu tố tác động song song với nó. Một mối nối mềm hơn so với mô hình giả định sẽ chịu được ít hơn phần tính toán, và đường nối cứng hơn sẽ chịu phần chênh lệch. Số lượng bu lông không phải là yếu tố duy nhất quyết định điều này. Độ dày của kẹp, chiều dài của tấm giằng, loại lỗ, khoảng cách mép, biến dạng của ổ đỡ và độ cứng của cấu kiện phía sau mối nối đều ảnh hưởng đến nó. Trường hợp khó giải quyết là khi thanh giằng được tính đến trong phân tích là có khả năng chịu lực nhưng mối nối lại không hề cung cấp đủ, bởi vì không có gì trong công trình hoàn thiện cho thấy sự thiếu hụt đó.
Việc phân bổ tải trọng theo tỷ lệ độ cứng cũng là điểm mà giả định phổ biến về các công trình xây bằng tấm ốp bị phá vỡ. Trong hệ thống kết cấu kim loại, tải trọng ngang thường truyền đến các khung cứng, và tải trọng dọc truyền đến các thanh giằng tường và mái được chỉ định hoặc đến khung cổng tại các ô cửa. Tấm ốp chỉ trở thành một màng chịu lực khi độ bền, độ cứng, các bộ phận cố định, bộ thu và neo biên của nó được thiết kế hoặc thử nghiệm cùng nhau. Hướng dẫn của Hiệp hội Xây dựng Kim loại về kẹp mái tôn sóng đứng lưu ý rằng các kẹp trượt được sử dụng trên nhiều mái tôn sóng đứng không cung cấp độ cứng màng chịu lực trong mặt phẳng được xác định. Hãy theo dõi logic đó đến một kết luận mà không bản vẽ nào nêu rõ. Lấy hai tòa nhà giống hệt nhau, một mái được thiết kế như một màng chịu lực và một mái thì không: cùng một thanh giằng đầu gối chịu một phần tải trọng lớn hơn trong tòa nhà thứ hai. Được bao kín không giống như được giằng.
Kết quả thử nghiệm khung cột quy mô đầy đủ do Hansen Pole Buildings báo cáo cũng chỉ ra điều tương tự, với đóng góp đo được của hệ giằng đầu gối giảm dần khi tải trọng tăng lên sau khi mái lợp được lắp đặt. Các thử nghiệm đó sử dụng cột gỗ, giàn gỗ và các mối nối bằng đinh, vì vậy các số liệu không thể áp dụng cho kết cấu thép. Lý do để mô hình hóa mọi đường đi song song là vì điều đó.
Khoảng trống thứ hai nằm ở mặt bích mà thanh giằng tiếp xúc. Việc gia cố dầm chống lại hiện tượng uốn xoắn ngang đòi hỏi phải kiểm soát độ xoắn, và nghiên cứu của AISC về dầm có điểm uốn cho thấy rằng việc gia cố ngang áp dụng cho một mặt bích không tự nó ngăn chặn được hiện tượng đó. Thanh giằng đầu gối nằm trong mặt phẳng khung hạn chế chuyển động trong mặt phẳng tại điểm kết nối. Nó không hạn chế mặt bích bên trong lệch khỏi mặt phẳng, đó là lý do tại sao các thanh giằng bay và thanh giằng mặt bích tồn tại như một chi tiết riêng biệt chạy từ xà gồ hoặc thanh giằng ngang trở lại mặt bích đó. Thanh giằng đầu gối trong mặt phẳng khung không nên được coi là làm giảm chiều dài không được gia cố lệch khỏi mặt phẳng, hoặc với gia cố mặt bích nén hoặc gia cố xoắn, trừ khi hình dạng và hệ thống hỗ trợ của nó cung cấp sự hạn chế cần thiết.
So sánh giữa hệ giằng đầu gối, khung cứng và hệ giằng mặt bích.
Việc lựa chọn giữa thanh giằng đầu gối, khung chữ X, khung cứng ngang, khung cổng dọc và thanh giằng mặt bích phụ thuộc vào việc phần nào cần được giữ thông thoáng bên trong khoang và kết cấu có thể chịu được độ dịch chuyển ngang tối đa bao nhiêu.
| WELFARE | Điều mà nó chống lại | Nó chiếm giữ những gì | Nơi hàng hóa được vận chuyển | Phù hợp điển hình |
|---|---|---|---|---|
| Nẹp đầu gối | Độ lệch ngang trong mặt phẳng tại góc khung | Góc trên cùng của vịnh | Xà gác hoặc thanh giằng, sau đó là cột | Khung mở, mái che, các khoang không có hệ thống giằng đỡ chuyên dụng. |
| Khung giằng chữ X (thanh hoặc góc) | Hệ thống giá đỡ trong mặt phẳng trải rộng toàn bộ khoang. | Toàn bộ máy bay vịnh | Các cột của vịnh, sau đó là móng. | Các tòa nhà khép kín có một vịnh có thể luôn thông thoáng. |
| Khung cứng ngang | Tải trọng ngang, do sự uốn cong của khung | Không có gì bên trong vịnh. | Các chân cột, sau đó là móng nhà. | Các tòa nhà không có cột chống đỡ |
| Khung cổng dọc hoặc thanh giằng cổng | Tải trọng dọc tại các lỗ mở trên tường | Người đứng đầu buổi khai mạc | Các cột bên, sau đó là móng. | Vách bên có cửa ra vào rộng. |
| Thanh giằng mặt bích / thanh giằng bay | Sự xoắn và chuyển động lệch khỏi mặt phẳng của một thành viên | Vài inch ở đường xà gồ hoặc đường giằng | Xà gồ hoặc thanh giằng, sau đó là mặt phẳng mái | Bất kỳ khung nào có mặt bích bên trong không bị hạn chế |
Ở những vị trí mà thanh giằng đầu gối và nhịp có giằng chồng lên nhau, bảng kê khai kích thước ô cửa thường quyết định. Một nhịp có cửa cuốn không thể chứa giằng chữ X toàn chiều cao. Khi đó, thanh giằng đầu gối không chạm vào đầu cửa là một trong số nhiều lựa chọn. Khung cổng hoặc thanh giằng cổng tại ô cửa, nhịp có giằng được di dời, nhịp chịu momen, và giằng được đặt phía trên đầu cửa đều giúp giữ cho ô cửa được thông thoáng. Chúng tôi so sánh những lựa chọn này với bảng kê khai kích thước ô cửa và giới hạn độ lệch trước khi cố định bố cục khung, vì việc thay đổi lựa chọn sẽ tốn kém sau khi ô cửa đã được thiết kế chi tiết. Việc xác định những nhịp nào trong tòa nhà có giằng chéo là một quyết định ở cấp độ toàn bộ tòa nhà. Tương tự, bố cục tổng thể của hệ thống giằng khung thép cũng vậy , và không thể giải quyết từng góc một.
Các yếu tố quyết định góc độ, kích thước và điểm gắn của nẹp đầu gối.
Hình dạng của thanh giằng đầu gối được xác định bởi bốn biến số tương tác: điểm gắn trên cột, góc giằng đo từ một trục nhất định, tiết diện và mối nối ở mỗi đầu, và khả năng chịu lực của cấu kiện chịu lực.
Góc không có ý nghĩa gì cho đến khi trục được đặt tên. Lấy θ là góc so với phương ngang và coi thanh giằng như có khớp nối ở hai đầu. Để truyền một lực ngang H tại góc, thanh giằng chịu một lực dọc trục H / cos θ và đẩy một thành phần thẳng đứng H · tan θ vào xà nhà. Cả hai đều tăng lên khi thanh giằng càng dốc. Thanh giằng càng nông thì càng dài, kéo dài hơn dọc theo xà nhà và chiếm nhiều không gian hơn dưới mái hiên. Sự đánh đổi nằm ở chỗ không có bản vẽ nào thể hiện điều đó. Thanh giằng dốc bảo vệ chiều cao thông thoáng và phải trả giá bằng lực dọc trục và lực đẩy thẳng đứng vào xà nhà. Thanh giằng phẳng giữ cho các lực đó ở mức thấp và tận dụng không gian thay vì vậy. Không có lựa chọn nào là mặc định. Trong một khung kết cấu thực tế, độ uốn của cấu kiện, độ cứng của mối nối, tải trọng trọng lực và phản ứng bậc hai sẽ quyết định các lực chi phối trong phân tích, chứ không phải ở một góc ưu tiên nào.
Các chi tiết quy định về góc 45 độ thực sự tồn tại. Quy định về kết cấu khung cột trong Bộ luật Nhà ở Kentucky yêu cầu thanh giằng chéo 2x6 từ cột đến thanh giằng trên cùng của giàn mái ở góc 45 độ, với vị trí gắn và độ cao được xác định theo bảng. Quy định đó chỉ áp dụng cho kết cấu khung cột bằng gỗ trong nhà ở tại một khu vực pháp lý nhất định. Một chi tiết quy định được viết cho gỗ đóng đinh không có giá trị pháp lý đối với khung thép bắt vít, và việc sao chép góc giữa các vật liệu chỉ sao chép hình học mà không có các giả định cơ bản bên dưới.
Điểm gắn kết cũng gặp vấn đề tương tự nhưng theo chiều ngược lại. Việc di chuyển điểm nối xuống phía dưới cột sẽ chia nó thành hai đoạn có chiều dài khác nhau, các ràng buộc đầu khác nhau và sự phân bố mômen thay đổi: đoạn dưới ngắn hơn, đoạn trên dài hơn. Đoạn nào và chế độ uốn nào chi phối phụ thuộc vào việc kiểm tra độ ổn định của cấu kiện, chứ không phải từ giả định rằng điểm nối thấp hơn có nghĩa là chiều dài không được giằng ngắn hơn.
Hãy xác định hai trong bốn biến số trước khi thảo luận về những biến số còn lại. Trước tiên, hãy xác nhận vai trò của thanh giằng, vì thanh giằng chịu lực ngang và thanh giằng ổn định được đánh giá dựa trên các yêu cầu khác nhau, và việc phân loại sẽ thay đổi hình dạng của một chi tiết phù hợp. Sau đó, hãy xác nhận cường độ chịu lực của cấu kiện mà thanh giằng đặt lên, vì việc kiểm tra này rất dễ làm hỏng chi tiết và tốn kém nhất để sửa chữa sau khi chế tạo. Góc, tiết diện và kiểu bố trí bu lông vẫn cần được tính toán, nhưng việc sửa đổi bản vẽ tốn ít chi phí. Đó là lý do tại sao chúng được xem xét thứ hai.
Nói thẳng ra: đối với một công trình kín có hệ thống giằng được thiết kế theo cả hai hướng và xà gác đã được kiểm tra tải trọng, thanh giằng chéo thường là khoản đầu tư vào một chi tiết không mang lại nhiều thay đổi. Thanh giằng chéo phát huy tác dụng khi hệ thống giằng được thiết kế sẵn bị thiếu hoặc bị gián đoạn, khi một nhịp tường cần phải giữ nguyên trạng, hoặc khi một cấu kiện cụ thể cần điểm giằng mà không có giải pháp nào khác cung cấp được.
Những điều cần xác minh trước khi phê duyệt chi tiết nẹp đầu gối
Việc kiểm tra chi tiết nẹp đầu gối được thực hiện trong bản vẽ và bộ tính toán, bởi vì vấn đề quyết định là liệu bộ phận chịu lực và các mối nối của nó có được thiết kế để chịu được lực mà nẹp truyền tải hay không.
- Vai trò cấu trúc được gán cho thanh giằng, và mô hình đằng sau nó: chỉ chịu kéo, thanh giằng mái, thanh giằng khung, hoặc lò xo.
- Lực giằng và hướng của nó được ghi rõ trên chi tiết.
- Thanh xà, cột hoặc thanh giằng chịu lực được đặt tên, với dấu kiểm tra của nó xuất hiện ở đâu đó trong bộ tính toán.
- Cả hai đầu mối nối đều được chi tiết hóa bằng nhóm bu lông hoặc mối hàn xác định, bao gồm cả độ lệch tâm giữa đường tâm thanh giằng và mối nối.
- Kích thước phần hạ xuống của cột và góc giằng đều được ghi rõ trên bản vẽ.
- Tải trọng đảo chiều được đề cập: thanh giằng chịu nén cần kiểm tra độ ổn định, thanh giằng chỉ chịu kéo cần có đường dẫn hoàn chỉnh cho hướng ngược lại.
- Độ cứng cần thiết của thanh giằng được nêu rõ ở bất cứ nơi nào thanh giằng được coi là điểm giằng ổn định.
- Sự hạn chế chuyển động ngoài mặt phẳng của chi tiết được thể hiện riêng biệt, vì nẹp đầu gối không cung cấp sự hạn chế này.
- Việc mái và tường được làm bằng hệ kết cấu chịu lực kỹ thuật hay chỉ là lớp ốp ngoài sẽ quyết định các bộ phận khác cùng chịu tải.
Hai điều kiện tại công trường làm thay đổi ý nghĩa của việc thiếu sót trong danh sách đó. Trong một công trình có hệ thống giằng được thiết kế, nơi mà thanh giằng chỉ đóng góp thứ yếu, việc thiếu tính toán là một lỗ hổng trong tài liệu. Trong một nhà kho, mái che hoặc gian hàng không có tường bao quanh mà không có hệ thống giằng mái, thanh giằng và mối nối của nó có thể là đường truyền tải trọng, và sự thiếu sót tương tự là một lỗ hổng trong thiết kế. Chúng tôi xác minh công trình thuộc loại nào trong hai loại này trước khi phê duyệt chi tiết. Trong xây dựng nhà thép tiền chế, thanh giằng thường được cung cấp dưới dạng thanh góc có sẵn với tấm nối đục lỗ, dễ dàng lắp đặt tại công trường và cũng dễ dàng lắp đặt mà không cần kiểm tra.
Nên bắt đầu từ đâu với hệ thống giằng đầu gối cho tòa nhà thép của bạn?
Việc chỉ định hệ giằng đầu gối chịu lực là cần thiết ở những nơi cần giữ nguyên không gian mở hoặc thiếu hệ thống giằng chuyên dụng, và cần xem xét lại ở những nơi đã thực hiện công việc này. Hai yếu tố quyết định điều đó: vai trò được giao cho thanh giằng và khả năng chịu lực của cấu kiện mà nó tựa vào. Góc và tiết diện được xác định dựa trên hai yếu tố đó, và cả hai đều có thể được thay đổi dễ dàng với chi phí thấp trong khi bản vẽ vẫn đang được xem xét.
Lỗi gây ra nhiều công đoạn làm lại nhất là việc thêm thanh giằng vào khung nhà muộn trong khi kích thước xà nhà đã được tính toán mà không có thanh giằng đó. Chúng tôi làm rõ vai trò của thanh giằng trước khi gửi bản vẽ khung nhà, vì việc phân loại đó quyết định chi tiết cần phải vượt qua những khâu kiểm tra nào.
Nếu thanh giằng đầu gối đã xuất hiện trên bản vẽ của bạn, ba điều sau đây cho thấy nó được thiết kế riêng hay có sẵn: lực giằng được ghi trên chi tiết, kích thước độ cao và góc, và phép tính bao phủ xà hoặc thanh giằng mái tại điểm gắn. Đối với thanh giằng được đề xuất trên khung đã có sẵn, hãy bắt đầu với khả năng chịu lực của cấu kiện mà nó sẽ tựa vào. Tiết diện và góc sẽ được tính sau đó.
FAQ
Đúng vậy, ở góc vịnh. Đầu cửa, dầm đỡ của hệ thống cần cẩu nhà kho , giá kệ và đường ống gần mái hiên đều cạnh tranh không gian với thanh giằng, vì vậy hãy kiểm tra dựa trên sơ đồ bố trí thiết bị chứ không phải dựa trên mặt cắt tường.
Không thể làm mà không kiểm tra kỹ. Thanh giằng được đưa vào phân tích ban đầu là một phần của đường truyền tải trọng, và việc tháo nó ra sẽ làm thay đổi điều kiện ràng buộc của bất cứ thứ gì mà nó được kết nối. Kỹ sư chịu trách nhiệm thiết kế ban đầu, hoặc kỹ sư thay thế, cần xác nhận rằng khung vẫn hoạt động tốt trước khi cắt bất cứ thứ gì.
Không. Không có quy định nào bắt buộc nhà thép phải có thanh giằng chéo, và các quy tắc góc 45 độ hiện có nằm trong các điều khoản về nhà ở khung gỗ. Thanh giằng chéo trên bản vẽ kết cấu thép được đặt ở đó vì ai đó đã chọn đặt nó vào, điều này đáng nhớ khi không có bản tính toán nào đi kèm.
Không. Thanh giằng cố định chỉ phát huy tác dụng khi toàn bộ kết nối được lắp đặt xong, và các quy định của OSHA đối với các công trình thép hệ thống đặt sự ổn định trong giai đoạn lắp đặt dựa trên bản vẽ lắp đặt của nhà sản xuất và kế hoạch lắp đặt tại công trường.
Điều này phụ thuộc vào độ lệch tâm mà cột có thể chịu được. Một thanh giằng ở một mặt sẽ tác dụng lực lệch khỏi đường tâm của cấu kiện và tạo ra thành phần xoắn. Một cặp thanh giằng tương ứng ở hai mặt đối diện sẽ giảm thiểu điều đó, nhưng chỉ khi cả hai đều chịu lực tương đương, điều này đòi hỏi độ cứng bằng nhau, các mối nối đối xứng và không có phía nào bị trượt trước. Các chi tiết một phía phổ biến và khả thi khi độ lệch tâm nằm trong phạm vi kiểm tra của cột.
Vẫn còn thắc mắc? Hãy hỏi trực tiếp kỹ sư của chúng tôi — tư vấn miễn phí, trả lời trong vòng 2 giờ.
WhatsApp một kỹ sư
