Bài giảng môn học Kết cấu thép (theo 22 TCN 272-05): Chương 1 - TS. Đào Sỹ Đán

Chương 1 - Đại cương về kết cấu thép. Nội dung chương 1 gồm có: Giới thiệu chung về kết cấu thép, nguyên lý thiết kế theo 22 TCN 272-05, vật liệu thép xây dựng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Khoa Công trình – Bộ môn Kết Cấu

BÀI GIẢNG MÔN HỌC KẾT CẤU THÉP

THEO 22 TCN 272-05

HÀ NỘI, 2016 GIẢNG VIÊN: TS ĐÀO SỸ ĐÁN

Trang 2

Khoa Công trình – Bộ môn Kết CấuGiới thiệu môn học

1 Giảng viên:

Đào Sỹ Đán, Phòng 408-A6, Bộ môn Kết cấu, Khoa Công trình, Đại

học GTVT E-mail: sydandao@utc.edu.vn

2 Môn học

 Kết cấu Thép (theo 22 TCN 272-05) – Steel Structures

 Thời lượng: 2 tín chỉ + BTL môn học

 Hình thức thi: thi viết 90 phút; BTL thi vấn đáp

3 Tài liệu tham khảo

 Bài giảng môn học Kết cấu Thép theo 22 TCN-272-05 và các tài liệu liên quan – bmketcau.net/ Tài liệu tham khảo (bắt buộc)

 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (tham khảo)

Trang 3

Khoa Công trình – Bộ môn Kết CấuNội dung

Chương 1 Đai cương về Kết Cấu Thép

Chương 2 Liên kết trong Kết Cấu Thép

Chương 3 Cấu kiện chịu kéo và nén dọc trục

Chapter 4 Cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ I

Chương 5 Cấu kiện chịu uốn và lực dọc trục kết hợp

Trang 4

Trường Đại học Giao thông Vận tải University of Transport and Communications

CHƯƠNG

ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP

1.Giới thiệu chung về KCT

2.Nguyên lý thiết kế theo 22 TCN 272-05

3.Vật liệu thép xây dựng

Trang 5

sydandao@utc.edu.vn

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP (KCT)

1.1.1 Ưu điểm, khuyết điểm và phạm vi sử dụng của KCT (1/6)

a) Ưu điểm

- Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn.

- Kết cấu thép có độ tin cậy cao.

- Kết cấu thép là loại vật liệu nhẹ nhất so với các vật liệu xây dựng thông thường khác.

c = /R (1/m) Ta có c ~ 3,7.10-4 1/m (cho thép); c ~ 4,5.10-41/m (cho gỗ) và c ~ 24.10-4 1/m (cho BTCT).

- Phù hợp với điều kiện xây dựng công nghiệp.

Trang 6

sydandao@utc.edu.vn

Trang 7

sydandao@utc.edu.vn

Khung nhà thép

Trang 8

sydandao@utc.edu.vn

Đà giáo thép

Trang 9

sydandao@utc.edu.vn

Đà giáo, ván khuôn thép

Trang 10

sydandao@utc.edu.vn

Cầu giàn thép

Trang 11

sydandao@utc.edu.vn

1.1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển của KCT (1/7)

Kết cấu thép ra đời và phát triển gắn liền với sự ra đời và phát triển củacông nghệ luyện kim

Cầu Thăng Long

Trang 12

sydandao@utc.edu.vn

Cầu Long Biên

Trang 13

sydandao@utc.edu.vn

Cầu Chương Dương

Trang 14

sydandao@utc.edu.vn

Cầu Hàm Rồng

Trang 15

sydandao@utc.edu.vn

Cầu Bến Thủy

Trang 16

sydandao@utc.edu.vn

Cầu Trường Tiền

Trang 17

sydandao@utc.edu.vn

Cầu Ông Lớn

Trang 18

sydandao@utc.edu.vn

1.2 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05

1.2.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (1/2)

TTGH - QT 79) Nguồn gốc từ TCTK cầu của Liên Xô 1962 &1967

Trang 19

sydandao@utc.edu.vn

1.2.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (2/2)

 Một số điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện VN:

 Hoạt tải xe ô tô thiết kế: IM = 25% (AASHTO, IM = 33%);

Trang 20

sydandao@utc.edu.vn

1.2.2 Quan điểm chung về thiết kế

toán và cấu tạo được quy định trong các TCTK;

 Mục tiêu của TK là gì?

SK của k/c ≥ Hiệu ứng do tác động của tải trọng

Điều kiện này phải thỏa mãn trên tất cả các bộ phận của kc và tất cả các TTGH;

của kc không thỏa mãn mục tiêu của TK;

dụng của tải trọng như M, V, ứng suất, biến dạng,…

Trang 21

sydandao@utc.edu.vn

1.2.3 Sự phát triển của quá trình thiết kế (1/3)

a) TK theo ứng suất cho phép – ASD (Allowable Stress Design)

 Công thức:

Trong đó: F = hệ số an toàn ≥ 1,0 PP này có những nhược điểm sau:

• fmax được XĐ dựa trên giả sử vật liệu là đh, tt & đh  khác thực tế

• Hệ số an toàn chỉ xét riêng cho cường độ vl, không xét tới sự thayđổi của tt;

• Hệ số an toàn được chọn trên ý kiến chủ quan của kỹ sư, k có cơ sởtin cậy về thống kê & xác suất

 

F

R f

fmax 

Trang 22

sydandao@utc.edu.vn

b) TK theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

Công thức:

Trong đó:

• Rn = Sk danh định của kc = sk của kết cấu theo thiết kế;

•  = hệ số sk, nhằm xét tới sự thay đổi sk kc về:

Tính chất vật liệu;

Phương trình dự tính cường độ;

Tay nghề của công nhân;

ĐK kiểm soát chất lượng;

ĐK môi trường, v.v

Trang 23

sydandao@utc.edu.vn

 PP này sử dụng đồng thời 2 hệ số đắt tiền là  &   LRFD

 Ưu điểm: khắc phục được các nhược điểm của ASD;

 Nhược điểm: Phải thay đổi tư duy thiết kế; phải có kiến thức về xácsuất thông kê

Trang 24

sydandao@utc.edu.vn

1.2.4 Nguyên tắc cơ bản của Tiêu chuẩn TK cầu 22 TCN 272-05 (1/5)

 Rn = Sk danh định của kc = sk của kết cấu theo thiết kế (Mn, Vn,…);

  = hệ số sk, nhằm xét tới sự thay đổi của sk kc trong thực tế về:

Tính chất vật liệu; điều kiện chịu lực;

Trang 25

sydandao@utc.edu.vn

 Qi = Hiệu ứng do tác động của tt thứ i (Mi, Vi,…);

 i = hệ số tải trọng tương ứng với tt thứ i, nhằm xét tới sự thay đổicủa tt thứ i trong thực tế về:

Độ lớn của tt;

Sự sắp xếp của tt;

Tổ hợp tải trọng, v.v

Thông thường  I ≥ 1,0 để thiên về an toàn!

 Vì có nhiều tải trọng cùng tác dụng vào kc, nên hiệu ứng của tt được

xđ bằng tổng hiệu ứng của các tt cùng tác dụng vào kc

  = hệ số hiệu chỉnh tải trọng, được xđ như sau (khi sd max):

95 , 0

 DRI



Trang 26

sydandao@utc.edu.vn

Trong đó:

• D = hệ số dẻo, nhằm xét tới tính dẻo của kc Tính dẻo của kc là gì?Tính dẻo ảnh hưởng đến sự an toàn của kc?  Kc càng dẻo thì càng

an toàn?

Ở TTGHCĐ, D được quy định như sau (ở các TTGH khác D= 1,0):

D ≥ 1,05 cho kết cấu không dẻo;

D ≥ 0,95 ( 1,00) cho kết cấu dẻo;

D = 1,00 cho kết cấu bình thường

Trang 27

sydandao@utc.edu.vn

• R = hệ số dư thừa, nhằm xét tới tính dư thừa của kc Tính dư thừacủa kc là gì?

Tính dư thừa ảnh hưởng đến sự an toàn của kc?  Kc càng dư thừathì càng an toàn?

Ở TTGHCĐ, R được quy định như sau (ở các TTGH khác R= 1,0):

R ≥ 1,05 cho kết cấu không dư thừa;

R ≥ 0,95 ( 1,00) cho kết cấu dư thừa;

R = 1,00 cho kết cấu bình thường

Trang 28

sydandao@utc.edu.vn

• I = hệ số tầm quan trọng, nhằm xét tới tính quan trong của kc Tầm quan trọng của kc là gì?

Tầm quan trọng ảnh hưởng đến sự an toàn của kc?  Kc càng quan trọng thì càng phải an toàn?

Ở TTGHCĐ, I được quy định như sau (ở các TTGH khác R = 1,0):

R ≥ 1,05 cho kết cấu quan trọng;

R ≥ 0,95 ( 1,00) cho kết cấu không quan trọng;

R = 1,00 cho kết cấu bình thường

Trang 29

qua cầu và không có gió;

m/s và không có xe qua cầu;

qua cầu và trên cầu có gió với v = 25 m/s

1.2.5 Các trạng thái giới hạn (1/3)

Trang 30

sydandao@utc.edu.vn

b) TTGH đặc biệt

TTGHĐB là TTGH phải được xem xét để đảm bảo cho kết cấu không

bị phá hoại do tác dụng của những tải trọng đặc biệt? như động đất, va

xô (tàu bè và xe cộ) và xói lở

Trang 32

sydandao@utc.edu.vn

a) Phân loại tải trọng

Theo tính chất tác dụng của tt, tt được chia thành 2 loại:

trọng lượng bản thân kc, lớp phủ mc, các tiện ích trên cầu, v.v

về độ lớn, vị trí và hướng theo tg, như hoạt tải xe ô tô, gió, đđ, v.v

Ví dụ về các tải trọng thường xuyên:

DC = tải trọng bản thân của các bộ phận kc và thiết bị phụ phi kc;

DD = tải trọng kéo xuống (xét hiện tượng ma sát âm);

DW = tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích trên cầu;

Trang 33

LL = hoạt tải xe,

LS = hoạt tải chất thêm,

PL = tải trọng người đi,

WL = gió trên hoạt tải,

WS = tải trọng gió trên kết cấu.1.2 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05

Trang 34

sydandao@utc.edu.vn

b) Tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng

này có thể không xh đồng thời với nhau  Khi tính hiệu ứng do td của

tt, ta cộng hiệu ứng của tất cả các tt trên k?  Không Việc xem xét tính tổng hiệu ứng của các tt có thể xh đồng thời gọi là THTT

 AASHTO LRFD 98 qđịnh phải xem xét 11 THTT Tuy nhiên, TC 05

đã đơn giản hóa còn 6 THTT như sau:

1.2.6 Tải trọng và tổ hợp tải trọng (3/6)

Trang 35

ES

LL IM CE BR PL LS EL

TU CR SH

TG SE

Cùng một lúc chỉ dùng một trong các tải trọng

-1.2 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05

Trang 40

sydandao@utc.edu.vn

a) Số làn xe thiết kế và hệ số làn xe

 Bề rộng một làn xe chạy được lấy = 3500 mm  Số làn xe thiết kế ,

nL, được bằng phần nguyên của tỷ số W/3500 W là bề rộng phần xe chạy = khoảng trống của lòng cầu giữa hai đá vỉa hoặc lan can (mm)

 Nhằm xét tới xs tất cả các làn xe đồng thời có xe, hiệu ứng của các

xe ô tô tk trên các làn phải được nhân với hệ số làn xe, m, như sau:

1.2.8 Hoạt tải xe ô tô thiết kế (1/4)

Trang 41

sydandao@utc.edu.vn

b) Hoạt tải xe ô tô thiết kế

 Hoạt tải xe ô tô thiết kế chạy trên cầu ký hiệu là HL-93, là tổ hợp lớn hơn của:

Trang 42

sydandao@utc.edu.vn

 Xe hai trục thiết kế

 Tải trọng làn thiết kế: là tải trọng phân bố đều trên mỗi làn xe, có trị

số = 9,3 N/mm Theo chiều ngang nó được giả thiết phân bố đều trên chiều rộng = 3000 mm

Trang 43

 Lực xung kích: Tác động tĩnh của xe tải tk hoặc xe hai trục tk phải được tăng thêm một tỷ lệ phần trăm để xét đến tác dụng động của chúng, ký hiệu là IM, như sau (A3.6.2.1-1):

Trang 44

sydandao@utc.edu.vn

1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG

1.3.1 Các tính chất cơ học chủ yếu của thép (1/2)

nhưng ứng suất không tăng khi thí nghiệm kéo dọc trục

nghiệm kéo dọc trục

dạng không đàn hồi mà không bị đứt gãy Nó được biểu thị bằng tỷ sốgiữa độ giãn dài khi đứt gãy và độ giãn dài khi bắt đầu chảy

năng lượng mà không bị đứt gãy

chuẩn

Trang 45

sydandao@utc.edu.vn

1.3.1 Các tính chất cơ học chủ yếu của thép (2/2)

Đường cong US-BD điển hình khi kéo dọc trục của thép

Trang 46

 Phôi thép (thép bán thành phẩm) là một hợp kim có thành phần chính là sắt (Fe) và các các nguyên tố hóa học khác như C, Al, S,

P, Mg, Cr, Si, Cu, v.v.

b) Phân loại thép

- Phân loại theo thành phần hóa học của thép: 2 loại

Trang 47

sydandao@utc.edu.vn

1.3.2 Quá trình luyện thép (2/4)

 Thép các bon: là loại thép có chứa C ≤ 1,7% (theo khối lượng)

và không chứa các kim loại khác ngoài Fe Theo hàm lượng của

C, ta có:

• Thép các bon thấp: C ≤ 0,22 % (thép xây dựng, thép đen);

• Thép các bon vừa: 0,22 % < C ≤ 0,6 % (chế tạo máy);

• Thép các bon cao: 0,6 % < C ≤ 1,7% (chế tạo dụng cụ).

 Thép hợp kim: là loại thép có chứa thêm các thành phần kim loại khác ngoài Fe như Cr, Ni, Mn, Cu, Ag, Al,…, nhằm nâng cao chất lượng của thép Trong XD chúng ta cũng chỉ sử dụng loại thép hợp kim thấp (≤ 2,5 %).

Trang 48

- Phân loại theo cường độ chảy của thép: 6 cấp (xem bảng)

c) Ảnh hưởng của các thành phần hóa học trong thép đến chất lượng của thép (SGK)

Trang 49

sydandao@utc.edu.vn

1.3.2 Quá trình luyện thép (4/4)

Trang 50

sydandao@utc.edu.vn

1.3.3 Các sản phẩm thương mại của thép (1/6)

 Phôi thép hoặc thép lỏng của quá trình luyện thép sẽ qua các khuôn đúc hoặc các máy cán liên tục và sau đó được tái gia công nhiệt hoặc tôi để tạo ra các sản phẩm thương mại bao gồm:

• Thép hình tiết diện chữ C (U hoặc thép máng);

• Thép hình tiết diện chữ I (I cánh rộng = W và I tiêu chuẩn = S);

• Thép hình dập nguội.

Trang 56

56

Trang 61

1.3.4 Gia công nhiệt

 Để thay đổi các tính chất cơ lý của thép, người ta thường sử dụng phương pháp gia công nhiệt Có 2 loại gia công nhiệt:

• Gia công nhiệt làm nguội chậm;

• Gia công nhiệt làm nguội nhanh (tôi).

Trang 63

sydandao@utc.edu.vn

1.3.6 Ảnh hưởng của tải trọng mỏi (1/3)

a) Khái niệm về hiện tượng mỏi?

của tải trọng mỏi (lặp)

triệu lần) với trị số luôn thay đổi VD: hoạt tải xe ô tô qua cầu, gió trêncầu dây (xem hình vẽ bên)

 Đặc điểm của p/h mỏi:

• Tải trọng gây phá hoại mỏi << tải trọng gây ph tĩnh;

• Sự ph xảy ra rất đột ngột (giòn), nên rất nguy hiểm

Trang 65

sydandao@utc.edu.vn

của bản thân vật liệu thép hoặc không liên tục do dạng hình học củathép bị cắt khấc, khoét lỗ, có vết nứt ban đầu,…  xuất hiện hiệntượng tập trung ứng suất  us tập trung tại các vị trí gián đoạn đó cóthể >> us trung bình  x/h vết nứt Nếu tt lặp lại nhiều lần, thì vết nứt

sẽ lan truyền dần  mặt cắt bị thu hẹp dần cho đến khi bị phái hoại độtngột

Hiện tượng TTUS

Trang 66

sydandao@utc.edu.vn

b) Cách xác định cường độ mỏi của thép

 Để xđ cường độ mỏi của thép, chúng ta chỉ có thể làm thí nghiệm như sau: Cho một loạt mẫu thử giống nhau chịu các tải trọng mỏi có biên độ us khác nhau cho tới khi chúng bị phá hoại  Biểu đồ Volenhư sau:

Trang 67

sydandao@utc.edu.vn

tìm được một giá trị của số chu kỳ gây phá hoại mỏi tương ứng Ni Khi

Si càng lớn, thì Ni càng nhỏ; và khi Si nhỏ đến Smin thì N = , tức là mỏi không xảy ra (vết nứt không lan truyền) Ta gọi, Si là cđộ mỏi của thép, ứng với số chu kỳ gây mỏi tương ứng Ni; và Smin là giới hạn mỏi của thép, nó t/ứng với N  107 lần

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	9,9 MB