Chuong 1 Thép xây dựng đại học xây dựng

a Khái niệm: Kt cu thép là cụm từ chỉ Kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng được làm bằngvt liu thép xây dng.. Kt cu thép: gồm các “Cấu kiện thép” như dầm thép, cột thép, … được l

Trang 1

KẾT CẤU THÉP 1

CẤU KIỆN CƠ BẢN

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU, SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP

CHƯƠNG 2: LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP

CHƯƠNG 3: DẦM THÉP

CHƯƠNG 4: CỘT THÉP

CHƯƠNG 5: GIÀN THÉP

2

3

Tiết diện thép tổ hợp – Thép CCT34 – Sơn 2 lớp chống gỉ, 1 lớp màu

4

Tiết diện I300 – Thép CCT34 – Mạ kẽm nhúng nóng

Trang 2

a) Khái niệm:

Kt cu thép là cụm từ chỉ Kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng

được làm bằngvt liu thép xây dng.

Kt cu thép: gồm các “Cấu kiện thép” như dầm thép, cột thép, … được

liên kết với nhau tạo thành hệ kết cấu để cùng chịu lực

b) Ưu điểm chính của KC thép:

- Kh năng chu lc l n:vì vật liệu thép có cường độ lớn; lớn hơn hàng

chục lần cường độ chịu nén của vật liệu bê tông

-Đtin cy cao khi chu lc:vì vật liệu thép có cấu trúc khá thuần nhất

nên các giả thiết trong tính toán khá sát với sự làm việc thực tế của vật

liệu thép

- Tính công nghip hoá cao:vì được chế tạo sẵn hàng loạt, theo các

môđun ở trong các nhà máy

- Tính linh hot cao:vì dễ dàng sửa chữa, dễ thay thế, dễ tháo gỡ, dễ

dàng vận chuyển, có thể tái sử dụng nhiều lần cho mục đích khác nhau

6

c) Nhược điểm của KC thép:

- nên chi phí cho bảo dưỡng (chi phí cho sơn, mạ) cần theo định kỳ;

- Kh năng chu la kém:nên cần phải bọc thép bằng một lớp vật liệu chịu lửa;

d) Phạm vi ứng dụng của KC thép:

Với ưu điểm chính về khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy caonên kết cấu thép luôn là giải pháp hữu hiệu cho những kết cấu công trình đặc biệt, như:

Kết cấu nhà công nghiệp có nhịp lớn;

Kết cấu các công trình thể thao có nhịp lớn và hình dáng đặc biệt;

Kết cấu dầm cầu;

Kết cấu giàn khoan trên biển;

Kết cấu khung nhà cao tầng, đặc biệt ở những nơi có động đất mạnh;

Kết cấu tháp truyền hình;

Kết cấu bể chứa xăng dầu

CHƯƠNG 1.

VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC

CỦA KẾT CẤU THÉP

7

§1.1 Thép xây dựng

§1.2 Sự làm việc của thép chịu tải trọng

§1.3 Quy cách thép cán dùng trong xây dựng

§1.4 Phương pháp tính toán kết cấu thép

§1.5 Nguyên lý tính toán cấu kiện

1 Khái quát chung

2 Các phương pháp phân loại

3 Cấu trúc và thành phần hoá học

4 Các mác thép dùng trong xây dựng

8

Thép xây dựng = hợp kim của (Fe), (C) và một số chất khác;

Fe chiếm chủ yếu

C chiếm < 1,7%

Một số chất khác như O, P, Si, … chiếm không đáng kể

Quy trình luyện thép:

Quặng sắt Gang lỏng Thép lỏng Phôi thép

(Fe2O3, Fe3O4) (Fe và C > 1,7%) (Fe và C < 1,7%)

(luyện trong lò) (Khử bớt C) (để nguội)

Thép cán nóng

Trang 3

2.1 Theo thành phần hoá học của thép

a) Thép cacbon: (3 loi)

Gồm Fe; hàm lượng C < 1,7% ; và một số chất khác chiếm không đáng

kể; không có các thành phần hợp kim khác;

Hàm lượng C quyết định đặc trưng tính chất cơ học của thép: thép mềm

dẻo hay cứng giòn, dễ hàn hay khó hàn, …

Thép cacbon cao: hàm lượng 1,7% > C >= 0,6%; thép rất cứng,

rất giòn, khó hàn => rất ít dùng trong xây dựng

Thép cacbon va: hàm lượng 0,6% > C >= 0,22%;

thép khá giòn, ít dẻo => ít dùng trong xây dựng

Thép cacbon thp:hàm lượng 0,14 % < C < 0,22% ;thép mềm, dẻo,

dễ gia công, dễ hàn

=>dùng phổ biến trong xây dựng (kết cấu chịu lực)

b) Thép hp kim: (3 loi)

10

b) Thép hp kim: (3 loi)

Gồm Fe và C là 2 thành phần hoá học chính, ngoài ra còn có thêm các thành phần kim loại khác (Cr, Ni, Mn, Ti, …)

Mục đích nâng cao chất lượng của thép: như tăng độ bền, tăng độ dẻo khi chịu lực tác dụng động; tăng khả năng chịu va đập; khả năng chống gỉ,

Thép hp kim thp:có tổng hàm lượng các kim loại < 2,5%

=> dùng chủ yếu trong xây dựng;

Thép hp kim va và cao: tổng hàm lượng của các kim loại > 2,5%

=> không dùng trong xây dựng;

a) Thép cacbon: (3 loi)

11

2.2 Phân loại thép theo mức độ khử oxy

Bọt khí trong thép càng nhiều => cấu trúc thép càng kém đồng nhất => tập

trung ứng suất => chất lượng thép càng thấp

Và ngược lại, càng ít bọt khí => chất lượng thép càng cao => giá thành cao

Thép sôi: Không có biện pháp khử oxy, thép để nguội tự nhiên =>

%bọt khí nhiều và phân bố không đều => Chất lượng thép kém, thép

dễ bị phá hoại giòn và lão hoá

Thép tĩnh (thép lng): Khử oxy triệt để bằng những chất khử như

Si, Au, Mn, %bọt khí trong thép.nhỏ => Chất lượng thép tốt, nhưng

giá thành cao

=> Sử dụng cho các CT quan trọng, hoặc CT chịu tải trọng động

Thép na tĩnh (thép na lng): Khử oxy không hoàn toàn (50%) =>

chất lượng thép trung bình => Sử dụng trong xây dựng công trình

thông thường

Trong điều kiện bình thường, thép có cấu trúc tinh thể, gồm 3 thành phần chính:

Xementit

Ferit Peclit

Ferit: là sắt nguyên chất (Fe), chiếm tới 99% thể tích,

rất mềm dẻo, dễ dát mỏng, dễ tác dụng với oxy

Xementit: là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), nằm

xen kẽ giữa các hạt Ferit; rất cứng và giòn

Peclit:là hỗn hợp của Ferit và Xementit tạo thành màng mỏng bao xung quanh hạt Ferit

Cường độ của màng Peclit là trung gian giữa Xementit và Ferit, quyết định tính dẻo của thép, và đóng vai trò chịu lực của thép

Thép càng nhiều C =>màng Peclit càng dầy và thép càng cứng, càng kém dẻo

Trang 4

4.1 Mác của thép cacbon thấp (cường độ thường)

%C = 0,14 – 0,22%, có giới hạn chảy fy<= 2900 daN/cm2;

Thép cacbon thp đưc chia thành 3 nhóm:

Nhóm A: đảm bảo về tính chất cơ học.

Nhóm B: đảm bảo về thành phần hoá học

Nhóm C:đảm bảo về cả tính chất cơ học và thành phần hoá học

=> sử dụng trong xây dựng làm thép chịu lực (Xem bảng I.1_phụ lục I)

Ví dụ:

{ { {CT 38

C

độ bền kéo đứt của thép fu = 38 daN/mm2 = 3800 daN/cm2;

thép cacbon thấp

thép nhóm C

{ { 2

38 n

CCT

thép hạng 2 thép nửa tĩnh

s : cho thép sôi

n : cho thép nửa tĩnh

không ghi gì : cho thép tĩnh

Các ký hiu biu th v mc đ kh oxy:

14

4.2 Mác của thép cường độ khá cao

Thép cường độ khá cao là thép hợp kim thấphay thép cacbon thấp có nhiệt luyện: có giới hạn chảy fy = 3100 ~ 4000 daN/cm2 ; giới hạn bền fu = 4500 ~

5400 daN/cm2 (Xem bảng I.2_phụ lục I) Các loại thông dụng: 09Mn2, 14Mn2, 16Mn2Si, 10Mn2Si, 10CrSiNiCu

{Mn132Si{ 10

hàm lượng <1% nếu không có phần chữ chỉ hàm lượng % tối đa của các chất đứng trước đó

Hàm lượng C.tính bằng phần vạn

4.3 Mác của thép cường độ cao:

Thép cường độ cao là thép hợp kim có nhiệt luyện:

có giới hạn chảy fy > 4400 daN/cm2 ; giới hạn bền fu > 5900 daN/cm2

Các loại thông dụng: 12Mn2SiMoV , 16Mn2NV

4.1 Mác của thép cacbon thấp (cường độ thường)

CHƯƠNG 1.

VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC

CỦA KẾT CẤU THÉP

15

16

1 Thí nghiệm kéo thép

2 Biểu đồ ứng suất – biến dạng

3 Sự phá hoại giòn của thép

4 Độ dai va đập

Trang 5

4 Độ dai va đập

18

Phá hoại giòn: Biến dạng nhỏ, VL làm việc trong giai đoạn Đàn hồi, do sự đứt mất tương tác giữa các phân tử, đột ngột Phải tránh trong KC thép Phà hoại dẻo: Biến dạng lớn, VL làm việc trong giai đoạn dẻo, do sự trượt các phân tử

19

Ở trạng thái ứng suất phẳng:

cùng dấu nhỏ khó chảy, tính dẻo giảm

khác dấu lớn dẻo hơn

2 2 1 max

σ σ

σ

σ1, 2

σ

τ

3.1 Hiện tượng cứng nguội §1.2 Sự làm việc của thép chịu tải trọng 1 Thí nghiệm kéo thép 20

3.2 Sự tập trung ứng suất 3.1 Hiện tượng cứng nguội

Trang 6

VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP

22

23

1 Thép hình: Thép L, thép I, thép C, …

2 Thép tấm

3 Thép hình dập, cán nguội

4 Thép tổ hợp

CHƯƠNG 1.

24

Trang 7

Kết cấu thép được tính toán theoPhương pháp trạng thái giới hạn (TTGH)

Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

TTGH v kh năng chu lc (TTGH 1):

Là trạng thái (ngưỡng) nếu vượt qua nó thì kết cấu được coi như mất khả

năng chịu lực, kết cấu không còn sử dụng được nữa (bị phá hoại, sụp đổ)

TTGH 1 bao gồm trạng thái kết cấu bị phá hoại về bền, mất ổn định, mất cân

bằng vị trí, biến đổi hình dạng

TTGH v bin dng (TTGH 2):

Là trạng thái (ngưỡng) nếu vượt qua nó thì kết cấu không thoả mãn được

điều kiện sử dụng bình thường (kết cấu bị biến dạng quá lớn)

TTGH 2 bao gồm trạng thái kết cấu bị võng, chuyển vị ngang, lún, rung, nứt

Mọi kết cấu đều phải thoả mãn cả TTGH 1 và TTGH 2.

1 Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH)

2 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

3 Tải trọng và tác động

Kh năng chu lc [S] ca kt cu ph thuc vào :

- Đặc trưng hình học của tiết diện,

- Đặc trưng cơ học của vật liệu;

- Điều kiện làm việc của kết cấu.

Đ iều kiện kiểm tra:

NỘI LỰC DO TẢI TRỌNG <KHẢ NĂNG VẬT LIỆU

c i n i Q i i c

P

S = ∑ ⋅ ⋅ γ ⋅ γ ⋅

S max nội lực lớn nhất có thể có của cấu kiện.

Smax <

tải trọng tiêu chuẩn thứ i;

nội lực do tải trọng đơn vị gây ra;

hệ số độ tin cậy của tải trọng thứ i;

hệ số an toàn về sử dụng;

hệ số tổ hợp tải trọng.

c i

P

i

N

Q i

γ

n i

γ

1

=

c i

P

[S] giới hạn khả năng chịu lực của vật liệu.

A đặc trưng hình học của tiết diện ;

f cường độ tính toán của vật liệu;

hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện.

c

γ

c i n

Đ iều kiện kiểm tra:

BiẾN DẠNG DO TẢI TRỌNG <BiẾN DẠNG CHO PHÉP

giới hạn về biến dạng lớn nhất cho phép để kết cấu có thể sử dụng được bình thường Giá trị của được qui định trong TC,

≤

max

Phụ thuộc vào:

-Tầm quan trọng của công trình: loại công trình,

-Vị trí xây dựng c.trình,từng quốc gia, chủ đầu tư,

-Loại cấu kiện: cột, dầm sàn, dầm cầu chạy, xà gồ,

-Vị trí cấu kiện: phòng họp, phòng ở,

[ ] ∆

biến dạng lớn nhất của kết cấu dưới

tác dụng của các tải trọng tiêu chuẩn;

c n i c

=

i

∆

tải trọng tiêu chuẩn thứ i;

biến dạng do tải trọng đơn vị gây ra;

hệ số an toàn về sử dụng;

hệ số tổ hợp tải trọng.

c

i

P

1

=

c i

P

n

i

γ

c

i

n

2.1 Cường độ tiêu chuẩn

5%

fc

Tần suất

Cường độ 95%

Do đặc trưng của vật liệu luôn biến đổi nên giá trị cường độ tiêu chuẩn fc được xác định theo phương pháp thống kê, với điều kiện đảm bảo 95%

mẫu được thí nghiệm có cường độ lớn hơn giá trị fc

0,2%

ε

σ

qu

σ

Khi tính theo gi i hn chy (ƯS không cho phép vượt quá giới hạn chảy):

Thép cacbon thấp (có giới hạn chảy): y c

c

f

Thép cacbon cao (không có giới hạn chảy): thì lấy theo giá trị qui ước ứng với biến dạng dư là 0,2%

VD: CCT38 có fc = fy = 2400 daN/cm2.

% 2 , 0

=

= qu σε

y c

f f

Khi cho phép tính theo gi i hn bn fc = fu = σb

c

f

Trang 8

2.2 Cường độ tính toán

Cường độ tính toán khi tính theo giới hạn chảy:

M

c

f f

γ

=

M

γ là hệ số an toàn của vật liệu, xét đến ảnh hưởng của các yếu

tố trong thực tế làm việc của kết cấu, dẫn đến làm giảm thấp

khả năng chịu lực của kết cấu,γM ≥ 1

05 , 1

=

M

γ

1 , 1

=

M

γ

≤

c

σ

Cường độ tính toán khi tính theo giới hạn bền:

M

u t

f f

γ

=

3 , 1

=

M

γ

Cường độ tính toán khi chịu cắt:

M

y v

f f

f

γ 58 , 0 58 ,

=

2.1 Cường độ tiêu chuẩn

với 3800 daN/cm2

>

c

σ

với 3800 daN/cm2

30

Tải trọng và tác động (TCVN 2737-1995)

Phân loại tải trọng:

Tuỳ theo thời gian tác dụng, tải trọng được phân thành tải trọng tác dụng thường xuyên và tải trọng tác dụng tạm thời

Ti trng thưng xuyên (tĩnh ti):

Là tải trọng không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều tác dụng trong suốt quá trình sử dụng công trình

Gồm trọng lượng bản thân của kết cấu, vật liệu kiến trúc, vật liệu trang trí, để tạo nên công trình

Luôn tồn tại trong suốt quá trình sử dụng

Ti trng tác dng tm thi (hot ti):

Là tải trọng có thể biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều tác dụng trong suốt quá trình sử dụng công trình

Gồm hoạt tải sử dụng, cầu trục, gió, động đất

TĨNH TẢI KHÁC (TT)

TẢI BẢN THÂN (BT)

HOẠT TẢI SỬA CHỮA (HT2)

HOẠT TẢI SỬ DỤNG (HT1)

HOẠT TẢI CẦU TRỤC TRÁI + HÃM VÀO (CT-trái 1)

HOẠT TẢI CẦU TRỤC TRÁI + HÃM RA (CT-trái 2)

HOẠT TẢI CẦU TRỤC PHẢI + HÃM VÀO (CT-phải 1)

HOẠT TẢI CẦU TRỤC PHẢI + HÃM RA (CT-phải 2)

HOẠT TẢI GIÓ X (Gió X) HOẠT TẢI GIÓ Y (Gió Y)

và

Nhóm TX (γγγγ=1.1)

hoặc hoặc

hoặc hoặc Nhóm CT (γγγγ=1.1)

hoặc Nhóm Gió (γγγγ=1.2)

và

Nhóm HT (γγγγ=1.2)

TH.us1 = 100%(γγγγ∗∗Thường xuyên) + 100%(γγγγ∗1 Hoạt tải)∗

TH.us2 = 100% (γγγγ ∗ ∗∗ ∗Thường xuyên) + 90% (ΣΣγγγγ ∗ ∗∗ ∗Hoạt tải)

TTGH1

ứng suất

31

Tổ hợp cơ bản 1 = 100%(Thường xuyên) + 100%(1 Hoạt tải)

Tổ hợp cơ bản 2 = 100% (Thường xuyên) + 90% (ΣΣΣHoạt tải)

CHƯƠNG 1.

32

Trang 9

Biu thc kim tra bn:

An là diện tích thực của tiết diệnđã trừ đi các giảm yếu;

f là cường độ tính toán của vật liệu thép(tính theo giới

hạn chảy hay giới hạn bền);

là hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện (xét đến

điều kiện làm việc thực tế)

c n

f A

N

γ

σ = ≤ ⋅ N ≤ An⋅ f ⋅ γc = [ ] N

c

γ

N

Cấu kiện chịu kéo không cần kiểm tra về điều kiện biến dạng (TTGH 2) vì đều

thoả mãn

1 Cấu kiện chịu kéo đúng tâm

2 Cấu kiện chịu uốn (dầm)

34

a) Khi ti trng tác dng còn nh

Vật liệu làm việc trong giai đoạn đài hồi, biểu đồ ứng suất pháp có hình tam giác

c nx

x

f W

M

γ

σ = ,max ≤ ⋅

Ti tit din ch chu Max:

l

Vmax

Mx,max

3 Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn)

σ

+

_

y

tw

τ

c v w x

t I

S V

γ

⋅

= max max

Ti tit din ch chu Vmax:

35

b) Tip tc tăng ti trng

σ

c

y

L

P

Ứng suất pháp ở các thớ biên trên và dưới đạt đến giới hạn chảy ; trong

khi các thớ bên trong vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi; biểu đồ ứng suất

pháp có dạng hình thang

c

σ

Vùng chảy dẻo được hình thành, ăn sâu vào bên trong tiết diệnvà lan rộng

theo chiều dài dầm

Tiết diện dầm gồm 2 vùng:vùng chảy dẻovà vùng đàn hồi

P

Vùng chảy dẻo

36

c) Ti trng tăng đn khi toàn b tit din đt đn

c )

σ c

y

L

P

Biểu đồ ứng suất pháp ở tiết diện giữa dầm có dạng hình chữ nhật

Trong khi biểu đồ ở các tiết diện lân cận có dạng hình thang và hình tam giác

Giai đoạn này, dầm được coi là bị phá hoại

Khớp dẻohình thành; dầm có thể quay được xung quanh trục khớp dẻo; biến dạng tăng vô hạn nếu không kể đến vật liệu làm việc trong giai đoạn củng cố

c

σ

Toàn bộ tiết diện chảy dẻo

P

Trang 10

Xác đnh mô men do Md

x y dA

y

Khảo sát phân tố dA :

x c A

c A

c

M = ∫ ⋅ σ ⋅ = σ ∫ ⋅ = σ ⋅ 2

Sx là mômen tĩnh của 1 nửa tiết diện đối với trục trung hoà x-x.

So sánh với trường hợp dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi :

xn c

M = σ ⋅

d c

Tiết diện chữ nhật :

8

2

h b

Sx ⋅

2 x

h

b ⋅

Tiết diện chữ I : Wd = 1 , 12 Wx

với

x

W >

Giai đoạn đàn hồi:

Giai đoạn chảy dẻo:

với Wxn = Ixn/(h / 2 )

;

38

Biểu thức kiểm tra bền đối với cấu kiện chịu uốn có xét đến biến dạng dẻo:

c d

f W

M

γ

Tác dụng đồng thời của ứng suất pháp và ứng suất tiếp làm tăng tính dẻo của thép (ứng suất tiếp tăng nên thép dễ bị chảy dẻo)

Chảy dẻo có thể xuất hiện ở các thớ biên khi ứng suất pháp đạt ; và ở cả trên đường trục trung hoà khi ứng suất tiếp đạt

σ

τ 3

c

σc

c

σ

3 /

c

σ

τ =

Biểu thức kiểm tra bền theo ứng suất tương đương có xét đến biến dạng dẻo:

c

σ = 2+ 3 2 ≤ 1 , 15 ⋅

39

Tính toán theo TTGH 2

[ ] ∆

≤

∆max

[ ]

l

⋅

max

∆ là độ võng lớn nhất của dầm do tải trọng tiêu chuẩn gây ra

VD: dầm đơn giản chịu tải phân bố đều:

[ ] ∆ là giới hạn độ võng lớn nhất của dầm, được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế (1/400 l)

∆

qc

N

y Xét thanh liên kết khớp ở 2 đầu và chịu lực nén đúng tâm

Hiện tượng khác nhau giữa cấu kiện chịu kéo đúng tâm

và nén đúng tâm: Thanh bị kéo thẳng ra khi chịu kéo;

Thanh bị nén cong khi chịu nén

Mức độ cong của thanh phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài của thanh Thanh càng dài thì độ cong càng lớn

l

Tính toán cần xét đến độ cong của thanh; và việc tính toán phức tạp hơn

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	1,3 MB