Bài giảng kết cấu thép

Chương 1: Cơ sở thiết kế kết cấu thép • Chương 2: Liên kết hàn • Chương 3: Liên kết bu lông • Chương 4: Dầm thép • Chương 5: Cột thép • Chương 6: Giàn thép • Bài tập nộp • Đồ án môn học (Học phần KCT 2) 1. Mở đầu Ưu điểm của kết cấu thép: Nhược điểm: Vững chắc Dễ han gỉ Nhẹ Đắt tiền Dễ gia công, dựng lắp Chịu lửa kém

Kết cấu thép

Giảng viên: Đặng Tuấn Phong

Đại học Thủy Lợi

Bộ môn

Kết cấu công trình

• Chương 1: Cơ sở thiết kế kết cấu thép

• Vòm cầu thép

• Bể chứa

• Khung nhà lắp ghép

• Cầu trục

• Cửa van thủy lợi

* Vững chắc * Dễ han gỉ

* Dễ gia công, dựng lắp * Chịu lửa kém

Cống Maeslant

Hà Lan

Cống Maeslant thuộc dự án Delta

– Hà Lan (2 cửa van cung trục

đứng có bán kính cửa van 240m)

Cửa van phẳng Nhà máy thủy điện

DakMi-4

Cầu thang Sàn …

Khởi công 1887 Hoàn thành 1889 Khánh thành 31 tháng ba, 1889 Khánh thành 31 tháng ba, 1889 Nhà thầu chính Gustave Eiffel & Cie

Số tầng 3

Số thang máy 9

Chiều cao

Chiều cao 324 m (1.063 ft) Tính đến mái 300,65 m (986,4 ft) Tính đến sàn cao nhất 273 m (896 ft)

Thiết kế

Kiến trúc sư Stephen Sauvestre

Kỹ sư kết cấu Maurice Koechlin, Émile Nouguier

Cầu tạm

- Thép Carbon: CT2, CT3, CT4, CT5

- Thép hợp kim

Cường độ tính toán của thép:

: Cường độ tiêu chuẩn : Hệ số đồng chất

m: Hệ số điều kiện làm việc

0

tc

R  R k m tc

- Thép dải, thép bản:

10x40: thép dải có chiều dày 10mm, bề rộng 40mm

- Thép góc:

L120x10 : Cạnh = 120mm, dày 10mm

L140x90x8: Cạnh 140mm, cạnh 90mm, dày 8mm

- Tải trọng tiêu chuẩn: P tc

Nitc : Nội lực do tải tiêu chuẩn thứ i sinh ra

ni: Hệ số tải trọng của tải thứ i

- Trạng thái giới hạn 1 (về cường độ và ổn định)

Trong đó:

S: đặc trưng hình học của cấu kiện

R*=R khi tính toán về cường độ

tc tc

gh

f

2 Thiết kế dầm định hình

3 Thiết kế dầm ghép (dầm tổ hợp)

4.1.1 Phân loại dầm:

• Dầm thép là cấu kiện chịu uốn, vật liệu thép Tiết diện chữ I (uốn phẳng), chữ C (uốn xiên)

4.1.1 Phân loại dầm:

• Dầm thép định hình: Chữ I, chữ C được chế tạo

sẵn trong nhà máy

4.1.1 Phân loại dầm:

• Dầm ghép (Tổ hợp): Được ghép bởi nhiều bản

ghép, dùng liên kết hàn, đinh tán (bu lông)

dầm định hình mới dùng đến

dầm ghép.

4.1.2 Cách bố trí hệ dầm:

a Kiểu bố trí đơn giản

4.1.2 Cách bố trí hệ dầm:

b Kiểu bố trí phổ thông

4.1.2 Cách bố trí hệ dầm:

b Kiểu bố trí phức tạp

  

th

N S

   

0

1

tc f

L  n

- Chọn tiết diện

- Kiểm tra cường độ cho tiết diện chọn

- Kiểm tra ổn định cho tiết diện chọn

B1: Từ sơ đồ thực -> sơ đồ tính toán

B2: Vẽ M , Q

B3: Xác định Mô đun chống uốn theo yêu cầu

của tiết diện dầm theo công thức

max

yc

M W

mR



B4: Từ bảng quy cách thép định hình, chọn thép có

B5: Kiểm tra tiết diện chọn theo điều kiện cường độ:

- Ứng suất pháp:

Trong đó:

M: Mô men tại tiết diện kiểm tra

Wth: Mô đun chống uốn tại tiết diện kiểm tra, có kể đến sự giảm yếu

do tiết diện bị thu hẹp

B5: Kiểm tra tiết diện chọn theo điều kiện cường độ:

B5: Kiểm tra tiết diện chọn theo điều kiện cường độ:

- Kiểm tra cường độ của bản bụng:

b

M h M

B5: Kiểm tra tiết diện chọn theo điều kiện cường độ:

- Kiểm tra ứng suất cục bộ tại bản cánh:

n=1 P: lực tập trung tính toán

db: chiều dày bụng dầm b: bề rộng cánh dầm phụ

h1=R+t

t: chiều dày cánh dầm chính

h1z

b b

.

cb

b

n P

mR z



d

B6: Kiểm tra điều kiện độ võng

VD: Dầm đơn chịu tải phân bố đều q

0

1

tc f

384

tc

B7: Kiểm tra ổn định tổng thể

Để dầm không bị mất ổn định tổng thể

fd: hệ số ổn định của dầm

với tra bảng 4-2

Jxoắn: lấy theo bảng 4-5

l0: chiều dài tự do của dầm theo phương ngang

max

d ng

M

mR W





2 0

.

y d

4.3.1 Xác định chiều cao dầm ghép:

h phải thỏa mãn 2 điều kiện thông thường

- Điều kiện kinh tế

- Điều kiện độ võng

* Theo điều kiện độ võng (h min)

h càng giảm thì độ võng càng lớn

p tc : Tải trọng động tiêu chuẩn

q tc : Tải trọng tĩnh tiêu chuẩn p: Tải trọng động tính toán q: Tải trọng tĩnh tính toán

0 min

.

5

24

tc tc

tc p tc

q

R L n h

4.3.1 Xác định chiều cao dầm ghép:

* Theo điều kiện kinh tế(h kt)

Với tiết diện chữ I đối xứng

mR h

4.3.1 Xác định chiều cao dầm ghép:

Dầm không có sườn gia cố Dầm có sườn gia cố

4.3.2 Chọn các kích thước khác:

* Chiều dày bản bụng( db)

Theo điều kiện chống cắt của bản cánh

Theo điều kiện độ mảnh

lb đã chọn phần trước

Theo điều kiện cấu tạo

max

3 2

c c

b b

J b

4.3.2 Chọn các kích thước khác:

* Chiều rộng bản cánh(b c)

Theo điều kiện ổn định cục bộ

Nếu kiểm tra lại không thỏa mãn các điều kiện

Thì thay đổi dc , b c nhưng F c =dc .b c =const

2100 30

d d

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện cường độ( , )

Theo điều kiện ứng suất pháp

Theo điều kiện ứng suất tiếp

th

M

mR W

max

.

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện cường độ( , )

Tại vị trí có M và Q đều lớn cần kiểm tra

điều kiện cường độ bản bụng

b

M h M

cb

b

n P

mR z



d

h1z

b b

hb hc h

db

d c

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện độ võng(f tc /l)

Xét dầm đơn chịu tải phân bố đều

Khi dầm chịu tải P có thể

đổi sang tải q với M=const

0

1

tc f

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện độ võng(f tc /l)

Khi dầm có chiều cao thay đổi

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra liên kết bản bụng và bản cánh

Nếu cho liên kết giữa chúng là liên kết hàn

Lực cắt trên 1 đơn vị dài

Khả năng chịu cắt của đường hàn (2 phía)

Điều kiện thỏa mãn :

. b x

x

QS T

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

Tính toán như phần dầm định hình với J xoắn tính như sau

Hệ số a tính theo công thức

max

d ng

M

mR W

xoan b b c c

J  h d  b d

2

3 0

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

100 0,95

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

a max = 2h b nếu lb = h b /db >100

a max = 2,5h b nếu lb = h b /db ≤100

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

Ổn định cục bộ của bản bụng ( có thể bị mất ổn định do , 

hoặc liên hợp  +  ) Xét TH do riêng ứng suất pháp gây ra

Tại vị trí có M lớn, ư/s chủ yếu là ư/s pháp

Với K 0 =fg là hệ số phụ thuộc độ cứng liên kết bản bụng - cánh

b

daN K

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

c=0,8

Quan hệ g ~ K0 cho trong bảng 4-7 SGK

Với thép CT3, theo quy định quy phạm

b b

b c

h

d g

b b

h

R

d 

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

Khi không thỏa mãn điều kiện

thì cần phải gia cố sườn dọc

2100 160

b b

h

R

d 

4.3.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

* Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

Ổn định cục bộ của bản bụng ( có thể bị mất ổn định do , 

hoặc liên hợp  +  ) Xét TH do liên hợp ứng suất pháp

và ứng suất tiếp gây ra

m: hệ số điều kiện làm việc

J x : mô men quán tính chính của toàn mặt cắt

x

b

b b

h M J Q h

2 Cột chịu nén trung tâm (đúng tâm)

3 Cột chịu nén lệch tâm

- Định nghĩa: Cột là phân tố chủ yếu chịu nén

- Phân loại:

Theo tải trọng Theo hình thức tiết diện:

Nén đúng tâm Nén lệch tâm

Bản giằng

Thanh giằng

Cột đặc Cột đặc Cột rỗng bản giằng

chịu nén đúng tâm chịu nén lệch tâm

Cột rỗng thanh giằng Cột rỗng bản giằng

5.2.1 Công thức chung kiểm tra ổn định

5.2.2 Kiểm tra ổn định đối với các trục của cột

J r

J r

l    

5.2.2 Kiểm tra ổn định đối với các trục của cột

b Cột rỗng (bản giằng, thanh giằng)

J r

5.2.2 Kiểm tra ổn định đối với các trục của cột

b Cột rỗng (bản giằng, thanh giằng)

  l  l  l   l 

5.2.2 Kiểm tra ổn định đối với các trục của cột

b Cột rỗng (bản giằng, thanh giằng)



 a



 a a



27 k

60 45

31 k 40

45 k 30 )

( f k

o o

o o

a

Y

X

(Tiết diện thường dùng là chữ I)

VD : Chọn tiết diện thân cột hàn chịu nén

trung tâm Biết các thông số

l ox =9,1m; l oy =4,55m; N=2000kN; m=1

Vật liệu thép CT3

yc

N F

yc ox x

gt

oy yc

y

gt

l r

l r

l l

(Tiết diện thường dùng là chữ I)

a.Thép chữ I định hình

Kiểm tra tiết diện chọn

Theo điều kiện cường độ

Theo điều kiện ổn định

Kiểm tra giới hạn độ mảnh của cột

- Cấu kiện cơ bản: l ≤ 120

- Cấu kiện phụ: l ≤ 150

th

N

mR F

  

 

min min

; min x; y

N

mR F



(Tiết diện thường dùng là chữ I)

(Tiết diện thường dùng là chữ I)

(Tiết diện thường dùng là chữ I)

b.Thép chữ I dùng 3 bản ghép

Kiểm tra tiết diện chọn

Theo điều kiện cường độ

Theo điều kiện ổn định th

N

mR F

  

 

min min

; min x; y

N

mR F



(Tiết diện thường dùng là chữ I)

b.Thép chữ I dùng 3 bản ghép

Kiểm tra tiết diện chọn

Theo điều kiện ổn định cục bộ bản cánh

(Tiết diện thường dùng là chữ I)

b.Thép chữ I dùng 3 bản ghép

Kiểm tra tiết diện chọn

Theo điều kiện ổn định cục bộ bản bụng

Khi không thỏa mãn điều kiện thì phải gia cố bằng các sườn dọc,

a Hình thức tiết diện

- Thân cột rỗng thường được ghép bởi 2(4) thép định hình

liên kết với nhau bằng thanh(bản) giằng

- Tác dụng của giằng là làm cho 2 nhánh cột

cùng làm việc

+ Cột thanh giằng: thanh giằng chịu lực dọc

+ Cột bản giằng: bản giằng chịu lực cắt, lực uốn

b Chọn tiết diện nhánh cột

Nguyên tắc: chịu lực theo 2 phương phải bằng nhau

Xuất phát từ điều kiện ổn định đối với trục X =>chọn tiết diện nhánh:

Giả thiết lx = 50 ÷ 90 , tra bảng được x

x

N F

mR





yc ox x

gt

l r

c Xác định khoảng cách c giữa trọng tâm 2 nhánh (gần đúng)

t

l c

F k F

l





d Kiểm tra tiết diện chọn

; min x; y

N

mR F

  

- Cấu kiện cơ bản: l ≤ 120

- Cấu kiện phụ: l ≤ 150

e Tính toán bản giằng, thanh giằng

- Lực cắt tác dụng vào thanh giằng, bản giằng:

- Đối với thép thường (CT3 hoặc tương đương): Q=20F ng

- Đối với thép cường độ cao: Q=40F ng

e Tính toán bản giằng, thanh giằng

- Tính toán thanh giằng : xác định nội lực N t trong thanh

e Tính toán bản giằng, thanh giằng

2

bg

Ql T

:h/s ổn định của cột chịu nén lệch tâm (Bảng 5-8)

m1: hệ số tính đổi

: hệ số ảnh hưởng của hình dáng tiết diện (bảng 5-9)

lt x

N

mR F

Từ điều kiện ổn định

nên cần giả thiết lx, m1

Chọn được tiết diện cần phải kiểm tra lại

yc lt

x

N F

2 Thiết kế giàn thép

bản mắt

Chịu uốn rất tốt

Tiết kiệm vật liệu

Chế tạo đơn giản

Giàn kiểu Pratt (20-100m)

(Loại chịu trọng lực)

(Loại chịu lực nâng)

Loại dốc về 2 bên

Giàn kiểu Warren (W)

Giàn kiểu North Light

Dùng với nhịp ngắn, thích hợp với nhà xưởng cần đón ánh sáng

Giàn kiểu Răng Cưa (Cánh Bướm)

Dùng với nhịp ngắn, thích hợp với nhà xưởng cần đón ánh sáng

Giàn kiểu chữ X

Dùng thích hợp khi có lực xô ngang

Giàn kiểu Fink

Dùng thích hợp với kết cấu mái nhà

- Các kích thước chính của giàn:

Nhịp tính toán

l=l 0 nếu giàn

liên kết cứng với cột

a: bề rộng gối đỡ

l0: khoảng cách trong giữa hai gối

Chiều cao giàn: là chiều cao tại giữa nhịp giàn, thông thường do điều kiện

•Bước 2: Xác định tải trọng nút

•Bước 3: Xác định n ội lực

•Bước 4: Xác định chiều dài tính toán

•Bước 5: Chọn tiết diện thanh giàn

•Bước 6: Tính toán thiết kế mắt dàn

tác dụng vào nút

Trường hợp

Tải trọng tập trung

- Thanh chịu kéo:

Chọn

yc

N F

yc ox

gt

oy yc

y

gt

l r

l r

l

l l

VD: Fyc= 16cm 2 ryc=2,95cm ???

2L90.56.6

- Thanh chịu kéo lệch tâm:

6.2.2 Kiểm tra độ mảnh giới hạn

mR





1 1

- Đường trục hội tụ tại một điểm

- Chiều dày bản mắt

- Mắt giàn thường có hình dạng đơn giản

- Góc giữa thanh bụng với bản mắt a = 10 ÷ 20 0

- Khoảng cách giữa các thanh từ 10 ÷ 15mm

- K/c giữa các mắt giàn : 1,5÷2,5m

- Tính liên kết

.

h i

Giả sử thanh AB mất ổn định

• Thanh AB sẽ uốn quanh hai mắt giàn A và B Do bản mắt có độ

cứng nên kéo theo các thanh khác cũng quay theo bản mắt.

• Nhưng các thanh đó cũng đồng thời chống lại sự quay của mắt

giàn, chống lại mạnh nhất là các thanh kéo → đi đến nhận xét:

Mắt nào nối với nhiều thanh chịu kéo thì khó quay

Mắt nào nối với nhiều thanh chịu nén thì dễ quay

Loại thanh giàn Chiều dài tính toán