Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau..
Trang 1TRAN THỊ THÔN
THIET KE KET CAU THEP
DAI HOG QUOC GIA TP HO CHi MINH
Trang 2
DAI HOC QUOC GIA THANH PHO HO CHi MINH
TRUONG DAI HOC BACH KHOA
Trần Thị Thôn
BÀI TẬP THIẾT KẾ
KET CAU THÉP
(Tái bản lần thứ hai, có bổ sung và sửa chữa)
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2007
Trang 3- ĐHQG emer 732-2006/CXB/31-72/D HQGTPHCM
Trang 4
0.2 Tình hình sử dụng kết cấu thép tại Việt Nam
Chương 1 CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP
1.1 Vật liệu kết cấu thép
1.2 Qui cách thép cán dùng trong xây dựng
1.3 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép
1.4 Phương pháp tính kết cấu thép theo trạng thái giới hạn 1.5 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán
2.5 Cường độ tính toán của đinh
_ 2.6 Khả năng chịu lực của một định
2.7 Cấu tạo bulông và phân loại bulông
2.8 Lỗ bulông
2.9 Thi công bulông
2.10 Lực tác dụng phân bố lên một bulông
2.11 Cấu tạo liên kết buléng
Trang 5C PHAN NANG CAO - CHUONG LIEN KET
2.12 Lién két han chiu tai trong léch tam
2.13 Liên kết hàn: chịu tải trọng lệch tâm nằm trong mặt
2.17 Liên kết bulông tại nút cứng của khung: dạng liên kết
dâm - cột khung kiểu mặt bích
C THANH CHỊU XOẮN - THANH CHỊU UỐN VÀ XOẮN
3.6 Thanh tiết điện tròn, đặc chịu xoắn
3.7 Thanh tiết diện chữ nhật, đặc chịu xoắn
3.8 Thanh tiết điện hở: tiết điện chữ I, [ chịu xoắn
3.9 Thanh tiết điện kín chịu xoắn
Trang 64.6 Chân cột đặc chịu nén - uốn
4.7 Chân cột rỗng chịu nén - uốn
Phụ lục 4 Thép hình cán nóng theo TCVN
Phụ lục 5 Thép hình cán nóng theo BS 4-1: 1993, và các
BS EN tương ứng Phụ lục 6 Quy cách thép hình cán nóng của Hoa Kỳ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
422
438
456
514
Trang 8
Lời nói dau
BÀI TẬP THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP được biên soạn theo đề
cương môn học “Kết cấu thép - gỗ” của Khoa Kỹ thuật Xây dụng,
Sách bao gôm các bài tập có chỉ dẫn lời giải uò phân ly thuyết được tóm tắt theo từng chương đề cập đến cúch tính toản các cấu hiện cơ bản của kết cấu thép Cách trình bày mang nhiều tính thực :
hành nhằm rèn luyện kỹ năng thiết kế thực tế hầu có thể giúp ích - cho cán bộ thiết kế cũng như sinh uiên của ngành xây dựng Ngòai
các phần dựa trên lý thuyết cơ bản được xây dựng theo Tiêu chuẩn Việt Nam, trong hầu hết các chương, tác giả đưa uào: phân mở rộng
Phân gỗ sẽ được trình bay trong một tòi liệu riêng `
` Tác giả chân thành cám ơn các đông nghiệp, cóc sinh: vien trong
Bộ môn Công trình, Khoa Ky thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa - Đạt học Quốc gia TP HCM đã đóng góp ý hiến trong quá :
trình biên soạn cuốn sách này
Do trình độ còn hạn chế, sách không thể tránh được sơi sót Tác giú rất mong nhận được sự góp y va phe binh của , đồng, nghiệp \ va ban doc :
Các ý kiến xin gửi uề: Khoa Xây dung, Thưởng Bi ‘hoc iềy
Khoa - Đại học Quốc gia TP P.HCM, số 268 8 ký Thuong Kiet sả 1 0 DT: 08.8650714
_Th8 Trần Thị Thôn —_
Trang 9Xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô:
Trang 10GIỚI THIỆU
0.1 THÉP DUNG LAM VẬT LIỆU XÂY DỰNG
Từ ngàn xưa, con người đã luôn cố gắng tìm kiếm các vật liệu xây dựng hoàn hảo để xây nhà ở, cầu bắc qua sông và để làm cá: vật dụng khác Có nhiều loại vật liệu đã được dùng trong việc xây dựng cho đến khi chúng bộc lộ các khuyết điểm như quá yếu (gỗ), quá công kểnh (đá), quá tạm bợ (đất và rơm rạ), quá kém về khả năng chịu kéo hoặc uốn (đá, bêtông) Thế là con người lại tiếp tục tìm kiếm các
vật liệu xây dựng hoàn hảo hơn nữa Thép nổi lên như một loại vật
liệu với những ưu điểm khiến nó trở thành một trong các loại vật
liệu xây dựng phổ biến nhất hiện nay do có:
Cường độ lớn: Thép được sản xuất với nhiều loại cường độ khác
nhau, được lấy theo giá trị giới hạn chảy ơ hoặc giới hạn bền op
Xét tỷ số C = cường độ Jtrọng lượng thể tích, thì thép có gid tri C lớn hơn các loại vật liệu khác Nhờ đó, ta có thể thiết kế kết cấu
thép với trọng lượng bản thân bé hơn và nhịp lớn hơn so với kết cấu bêtông cốt thép, kết cấu gỗ v.v
Dễ công nghiệp hóa sản xuất: Đặc thù của kết cấu thép là
được sản xuất ở nhà máy và đem lắp dựng ngoài công trường Nếu tận dụng các cấu kiện thép hình cán nóng, với tiết diện đã được
chuẩn hóa thì thời gian gia công sẽ rút ngắn Ngoài ra, với các công
cụ sản xuất hiện đại như: máy cắt tu déng CNC, máy hàn tự động, máy gá, máy nắn chỉnh cấu kiện thời gian gia công các cấu kiện thép tại nhà máy càng được rút ngắn hơn, chất luợng được nâng cao
hơn và giá thành giảm hơn
Tính đông chất, đẳng hướng uà đèn hồi: Tính chất này khiến vật liệu thép làm việc trong thực tế rất gần với các giả thiết
ban đầu của môn học Sức bên uột liệu và Cơ kết cấu Vật liệu thép được sản xuất trong nhà máy với sự kiểm soát chất lượng nghiêm
ngặt, bảo đảm tính đồng chất hơn hẳn các loại vật liệu xây dựng khác Tính dẻo: Là đặc tính quan trọng, giúp kết cấu thép chịu được
ứng suất và biến dạng lớn mà không bị phá hoại đột ngột Đš : tính
này rất cần thiết đối với công trình chịu các chấn động thình lình, chẳng hạn động đất
Trang 1110
Một số ưu điểm khác của kết cấu thép: (1) lắp dựng nhanh, (2) tính dễ hàn, (3) tính kín, (4) có thể tái sử dụng các cấu kiện, (5) các cấu kiện không thể tái sử dụng thì có thể đem luyện lại và (6) tuổi thọ dài, nếu được bảo dưỡng theo định kỳ
Tuy nhiên, kết cấu thép cũng có một số nhược điểm như: (1) cần cấu tạo chống cháy theo tiêu chuẩn qui định, (2) chi phí sơn bảo dưỡng định kỳ chống ăn mòn cao, (3) tiết diện nhỏ, chiều dài lớn khiến độ mảnh của cấu kiện cao; biện pháp tăng cường ổn định cho kết cấu thép là rất quan trọng
Dưới đây giới thiệu các giải pháp cấu tạo chống cháy phổ biến cho kết cấu thép theo nhóm phương pháp bị động:
Cấu kiện thép (Dầm, Cột)
Hình 0.9 Chống cháy bằng sơn phun
- Sơn chống cháy làm từ verniculite, perlite hodc sgi khoáng uè trộn với keo
- Độ chống cháy: 4 giờ
- Rẻ uà thi công mau nhất
Trang 12Ngoài nhóm phương pháp bị động nêu trên, ta có thể dùng
phương pháp chủ động là xịt trực tiếp vào đám cháy các chất dập lửa
nhu: CO», chất tạo bọt,
0.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KẾT CẤU THÉP TẠI VIỆT NAM
Từ đầu thập niên 90, cùng với sự ra đời của Luật Đầu tư là sự hình thành hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất Kết cấu
thép được dùng rộng rãi cho các công trình Công nghiệp với dạng nhà khung tiền chế (= P.E.B: pre-engineering buildings) Ngoài ra,
kết cấu thép được sử dụng nhiều trong những năm gần đây là kết cấu dàn không gian dùng giải quyết làm kết cấu mái cho các nhà
nhịp lớn Một số dạng kết cấu thép cũ vẫn tiếp tục được sử dụng
như: trụ điện, tháp truyền hình, bể chứa xăng đầu
Nhà khung tiền chế: là các nhà thép được chế tạo hoàn toàn
trong xưởng và được chuyên chở đến lắp tại hiện trường Khung chính dạng cổng (gable frames) có tiết diện tổ hợp thay vì 7 cán
nóng để có hình dạng linh hoạt thay đổi theo dạng biểu đồ mômen; dùng thép có cường độ cao với giới hạn chảy trên 3400døN/cm® Với tiết điện 7 tổ hợp từ thép bản, ta dễ dàng tự động hóa sản xuất ở khâu cắt và hàn Còn đối với các cấu kiện phụ như xà gồ, dầm tường
thì dùng thép tấm dập nguội thành các dạng tiết điện C, Z.
Trang 1312
Kết cấu dàn không gian: ở Việt Nam mới được sử dụng nhiều
trong những năm gần đây, mặc dù ở nước ngoài đã được áp dụng trên 30 năm Các công trình nhà nhịp lớn đã xây dựng xong như: Nhà ga T1 sân bay Nội Bài, khu vui chơi thiếu nhi Đầm Sen,
Quan trọng nhất ở đây là nút dàn: làm sao có thể liên kết nhiều thanh theo các phương khác nhau, mà bảo đảm thi công dễ đàng và
đủ chịu lực Có đến hàng trăm kiểu nút đàn khác nhau đã được đăng
ký bản quyền trên thế giới Các dạng nút dàn không gian tiêu biểu:
e Nút câu: khối hình câu đúc, có các lỗ sâu có ren, đầu thanh có bulông vặn vào khối cầu Nút dùng cho thanh tiết diện ống,
có thể liên kết tới 18 thanh Ở Hà Nội và TP Hồ chí Minh
đã có nhà máy sản xuất được loại nút cầu đúc
e Nut Harley: cdc thanh thép ống đập dep đâu được kẹp vào hai
Trang 14A Hình 0.6 Sản k
Trang 16
Chương 1
CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP
1.1 VẬT LIỆU KẾT CẤU THÉP
Trên thị trường Việt Nam hiện nay, có nhiều loại thép sản xuất
từ các nước như: Việt Nam, Nga, Liên Xô (cũ), Tây Âu, Mỹ, Nhật,
Hàn quốc, Trung quốc Do vậy, ở đây giới thiệu thép của một số nước (thay vì chỉ giới thiệu thép của VN), cách biểu tên thép, một số tính
năng chính của thép
1.1.1 Thép của Việt Nam
œ) Thép cacbon thấp
Thép cacbon dùng trong xây dựng là thép cacbon thấp với hàm
lượng cacbon dưới 0,22%, đó là loại thép mềm, dẻo, đễ hàn Cách gọi
tên còn dựa theo cách phân loại của Liên Xô, chia thép cacbon làm 7
cấp từ CT0 đến CT6, trong đó theo cacbon dùng cho kết cấu thép là
Trang 17Các nhà máy luyện thép ở Việt Nam chủ yếu sản xuất các mác
thép thuộc loại thép cacbon thấp có cường độ trung bình này
Bảng 1.1 Một số tính năng cơ học của thép cacbon thấp,
Giới hạn chảy tối thiểu Độ dãn dài (%), cho
thép tant) dén | trén 20 trén 40 | đến | trên 20 | trên 40
xuất hơn vì có tính năng cơ học tương #đơng thép CCT tương ứng,
nhưng yêu cầu về thành phần hóa học thì chỉ cần thỏa mãn yêu câu
về một số thành phần chính như: cacbon < 0,22%, lưu huỳnh 5 và phốt pho là chất có hại, làm thép trở nên giòn ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, cân hạn chế < 0,05%
Trang 18CƠ SỬ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 17
Mác | Đêbển Í /wmm?) cho bể dày (mm) bề dày (mm)
thép An) đến 20 trên 20 | trên 40 đến trên 20 trên 40
đến 40 | đến 100 20 đến 40 | đến 100 XCT34 340-440 220 210 200 32 31 29 XCT38 380-500 240 230 220 26 25 23 XCT42 420-520 260 250 240 32 23 22 XCT52 520-620 360 360 350 22 22 21
© Theo TCVN 1766-85: Thép cacbon chất lượng tốt, chủ yếu là các mác thép C15, C20, C15Mn, C20Mn Dùng sản xuất thép ống, thép tấm dày, thép tấm rộng
Vi du:
+ C15: chữ C chỉ thép cacbon chất lượng tốt, số 15 là ham
lượng cacbon 0,15%
+ ClBMn: như trên, nhưng có hàm lượng măngan nâng cao
thép này có độ bên cao hơn thép C15 nhưng độ dẻo và dai
+ 16Mn6i: 0,16% cacbon, măngan và silic dưới 1%
Thép hợp kim thấp có cường độ cao hơn thép cacbon thấp từ 40% đến 100% Nhưng hiện nay nước ta chưa sản xuất được thép hợp
kim thấp một cách rộng rãi
1.1.2 Thép của Liên Xô (cũ) và Nga
œ) Thép cacbon thấp có cường độ thường
- Theo công dụng, thép cacbon thấp có cường độ thường được chia ra ba nhóm:
Trang 19
Nhóm A: thép được bảo đảm về tính chất cơ học
Nhóm l: thép được bảo đảm về thành phần hóa học
Nhóm B: thép được bảo đảm về tính chất cơ học và thành phần
hóa học
Thép làm kết cấu chịu lực phải dùng thép nhóm B để bảo đảm
về độ bền, tính dé han, chịu được tác động xung kích
- Căn cứ yêu cầu về độ dai xung kích, thép cacbon thấp được
chia ra sáu hạng:
Ví dụ: hạng 2: không cần bảo đảm độ dai xung kích,
hạng 6: bảo đảm độ dai xung kích sau khi thép bị lão hóa,
hạng 5: bảo đảm độ dai xung kích cả ở nhiệt độ thấp
- Căn cứ vào mức độ khử ôxy của thép khi luyện, thép cacbon thấp được phân ra: KI1 - thép sôi, IC - thép nửa tĩnh, CII - thép tĩnh
chit Cy - ky hiệu của thép cacbon thấp (C: 0,14+0,22%), đối với thép
nửa tĩnh có hàm lượng măngan tăng (Mn: 0,8+1;1%) thì trong ký
hiệu mác thép có thêm chữ [ Số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 được ký hiệu phụ thuộc vào các thành phần hóa học và tính chất cơ học của
loại thép
Qui phạm cho phép dùng trong xây dựng ba hạng:
+ Thép sôi hạng hai (BCr3 KH12)
+ Thép nửa tĩnh hạng sáu (BCr3 IIC6)
+ Thép nửa tĩnh có măngan và thép tĩnh hạng năm: Br3 Tr HC5 và BC+3CI1I5 Ví dụ: thép BCr3 CII5 đọc là: thép cacbon thấp,
tĩnh, nhóm B, hạng 5
Các loại thép cacbon thấp có giới hạn chảy ơ = 2200:2500 daN!cm2, giới hạn bền o, = 3700+4200daN/em?
b) Thép cường dé kha cao
Là thép cacbon mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp, các thép hợp kim thấp thông dụng dùng cho kết cấu xây dựng có 6 loại: 09T2,09T 2C, 14 T 2, 10 T 2C1, 15XCHII, 10XCHI Dùng cho nha cửa là 3 mác trên, còn 3 mác sau là dùng cho cầu
Trang 20CƠ SỬ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 19
Ý nghĩa ký hiệu: đầu tiên là con số chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon, tiếp theo là tên các thành phần hợp kim:
T- măngan, C- silic, X- crôm, H- niken, JI- đồng, ®- vanadi
Con số đứng sau chữ chỉ số phần trăm của chất, nếu tỷ lệ hợp kim lớn hơn 1%
Ví dụ:
+ Thép 09F2C có nghĩa là: có 0,09% cacbon, 1+2% măngan và silic dưới 1% -
+ Thép 15XCHII: có 0,12+0,18% cacbon, còn lại: crôm, silic,
niken, đồng, mỗi chất đều dưới 1%
Các loại thép cường độ khá cao kể trên, có giới hạn chảy:
ơ, = 2900+3900đaN/cm? và giới hạn bền: o, = 4300+5400daN/cm? c) Thép cuéng dé cao
_.Gém các loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chay o, trên
4400daN/em? và giới hạn bén o, trén 5900daN/cm?
Các số hiệu: 16 T 2 A®, 12 T 2CM9 v.v
1.1.3 Thép Trung Quốc
a) Thép cacbon: Theo Tiéu chudn GB699-88, thép cacbon có tới
30 loại, các loại số 20, 25 được gọi là thép thành ba, là thép cacbon
thấp, tương đương CT3 của Nga Thép được phân làm 3 nhóm A, B,
C (tiếng Trung là nhóm Giáp, Ất và Đặc), đảm bảo tính năng cơ học, thành phần hóa học hoặc đảm bảo cả hai Dùng chữ Y để chỉ lò quay
thổi oxy, chữ F để chỉ thép sôi, chữ b chỉ thép nửa lặng, còn thép lặng thì không có chữ gì Ví dụ: thép số 3 lặng, lò bằng, nhóm A thì
ký hiệu A3; thép số 3 sôi lò quay, nhóm B thì ký hiệu BY3F Tiêu
chuẩn mới GB700-88 dùng giới hạn chảy để đặt tên thép, thép số 3 thì gọi là Q235, con số là cường độ chảy theo MPa Can ctt vao chat
lượng, phân thép làm 4 cấp A, B, C, D: A là không quy định về độ dai va chạm; B là khi công va chạm là 2J ở 20°C; C như vậy nhưng ở
Tiêu chuẩn châu Âu - xem bên dưới) Ví du Q235-A.F; Q235- B.b; Q235-D.Z (Z là thép lặng có thể không cần viết).
Trang 2120 CHUONG 1
b) Thép hợp kim thấp: dùng làm kết cấu xây đựng, có bốn loại
16Mn, 16Mngq, 15MNV, 15MnVq Con số là phần vạn của cacbon; nguyên tố hợp kim mănggan hay vanadi được kể vào tên có hàm lượng nhỏ dưới 1,5%; chữ q là thép có độ dai xung kích tốt, dùng làm
c) Thép cacbon kết cấu chất lượng tối: trong xây dựng dùng
các mác 15 và 20 có thành phần hóa học và tính năng cơ học tương
tự thép C15 và C20 theo TCVN
1.1.4 Thép Hoa Kỳ
Thép của Hoa Kỳ được sản xuất và đặt tên theo tiêu chuẩn
ASTM (American Society for Testing and Materials), dugc nhiéu nuéc
trên thế giới áp dụng Có 16 loại được chọn dùng trong xây dựng bởi
Vién AISC (American Institute of Steel Construction) va ASSHTO _ (American Association of State Highway and Tranportation Officials):
a) Thép cacbon thGp: A386, théng dụng nhất, giới hạn chảy
khoang 36Ksi = 2500 daN/cm? (1Ksi = 0,6895kN/cm?), tuong đương
như CT3 Dùng cho kết cấu phổ thông, chủ yếu cho nhà, cho liên kết
hàn hay bulông Còn có A53, A501 cường độ tương đương A36, dùng
làm thép ống hàn hay không hàn
b) Thép cacbon cường dé kha cao: vi du A529, A570, ding
làm thép hình uốn nguội, có các cấp cường độ 40 đến 65, 1a gidi han
chảy (theo Ksi)
c) Thép hợp kim thấp, cường độ cao: gồm nhiều loại thép có
các chất hợp kim, với giới hạn chảy từ 40+70Ks¡ Loại thông dụng có
A441, A572 các cấp đến 65; loại chống gỉ tốt có A242, A606, A588, ví
dụ loại sau cùng có độ chống gỉ cao hơn thép A36 tới 4 lân Loại chuyên làm thép tấm, thép dải như A606 có độ chống gỉ cao, A607
có hợp kim vanadi
d) Thép dùng cho cầu: mang số liệu A709, có thể là thép cacbon hoặc hợp kim thấp, nhưng đã được nhiệt luyện Có đủ các cấp
từ 36 đến 100 Dùng thay thế được cho các loại từ A36 đến A588
Loại chịu đựng thời tiết tốt mang ký hiệu W như 50W, 100W
e) Thép cường độ rất cao (thép hợp kim, được nhiệt luyện):
.ví dụ A852, A514, giới hạn chấy tới 90+100/i, giới hạn bén
100+130Ksi
Trang 22CƠ SỬ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 21
1.1.5 Thép châu Âu
Những năm gần đây, thép châu Âu đã dùng tiêu chuẩn chung
EN thay thế dần cho Tiêu chuẩn từng nước như NF của Pháp, BS
của Anh Ví dụ, ở Pháp, thép thông dụng trong xây dựng có 3 mác
E24, E28 và E36 và E36, với con số là chỉ giới hạn chảy bằng
kG/mm? Thép E24, E28 là thép cacbon, dùng cho nhà và các công
trình thông dụng, E36 là thép hợp kim thấp, dùng cho cầu và các công trình lớn Mỗi mác lại có 3 cấp chất lượng 2, 3, 4; cấp 2 là thép sôi, 3 là nửa tĩnh, 4 là tĩnh Tại Anh thì mác thép quen thuộc nhất
là thép của BS 4360, gồm các cấp 40, 43, 50, 55 và chia thêm thành
hang A, B, C có độ dai va chạm cao hơn Mác 40, 43 có giới hạn chảy 24 dén 27kG/mm’, mác 50 và 55 cao hơn nhiều Hiện nay, các
thép đó được thay bằng Tiêu chuẩn châu Âu EN như sau:
œ) Thép kết cấu: có ký hiệu chung là S„n„, với nnn là giá trị nhỏ nhất của giới hạn chảy N/mm” (tên gọi dựa vào cơ tính), với 3
cấp JR, JO, J2 tương đương các cấp A, B, C của Anh hay 2, 3, 4 của
Pháp, hay B, C, D của Trung Quốc Thép kết cấu được cho bởi tiêu chuẩn EN 10025 gồm các mác: S235 thay cho E24 hoặc BS 4360 cấp 40; S275 thay cho E28 hoặc BS 4360 cấp 43; S355 thay cho E36 hoặc BS 4360 cấp 50
Ví dụ:
+ Thép S355J0C cia EN 10025 là thép kết cấu (chữ 6§) có giới
hạn chảy 355N/mm? (số 355), độ dai va chạm là 27 đoule ở
nhiệt độ 0°C (chữ J0), và có thể mang dập nguội, tạo hình
nguội (chữ C)
+ Thép 5355J2WP của EN 10155 là thép kết cấu (8), có giới
hạn chảy 355N/mm? (số 355), độ dai va chạm là 27 đJoule ở nhiệt độ - 20°C (chữ J12), có độ chống gỉ cao (W) dùng làm
b) Thép có tên dựa uào thành phần hóa: thép cacbon có ký
hiệu chung là Cn (n là lượng cacbon nhân 100 lần, ví dụ C40), thép
hợp kim thấp ví dụ 25CTMo4, số đầu là phần vạn cacbon, tức là
0,25%, tiếp theo tên hợp kim và phần trăm của nó, ở đây là hợp kim-
Cr và Mo, trong đó lượng Mo là 4% lấy tròn
Trang 2322
1.1.6 Thép các nước khác
Có thể gặp trên thị trường nhiều loại thép của các nước khác như thép Nhật và thép Hàn Quốc theo tiêu chuẩn Nhật JIS như: thép cán nóng dùng làm kết cấu
SS330 tương đương CT2, với giới hạn chảy 210MPø
SS400 tương đương CT3, với giới hạn chảy 235+245MPa
SS490 là thép hợp kim thấp, với giới hạn chảy 290ÄPa
Thép dùng cho kết cấu han: SM400, SM490, với các hang A, B,
C có chung cường độ với thép S8 nhưng tính năng hàn cao hơn
Thép của Úc, theo Tiêu chuẩn AS như: 250 (giới hạn chảy 230MPa), 300 (gidi han chay 280+320MPa), 350 (330+360MPa), 400
hay ™Y) lasxcua |Thép hợp kim thấp 345 490 |Thép tấm
ASTM) | ago7 gr.65 |Thép hgp kim thấp 450 550 |Chống rỉ
A514 Thép hợp kim nhiệt 690 760 Thép tấm
luyện
Trang 24
CO SO THIET KE KET CAU THÉP
Ký hiệu
Ứng suất giới hạn nhỏ nhất jN/mmr}]
Nước Loai thép - Ghi chu
S235 Thép kc khong hop kim| 235 340
S460 Thép hợp kim thấp 460 550
55330 Thép kc cán nóng 205 330 Nhật
Trung |16Mn (hay |Thép hợp kim thấp 345 510 < 16mm
Trang 2524 CHUONG 1
AS 3678 Thép tấm 300 430 <20mm gr.300
Uc
AS 3679 Thép hinh 250 410 < 40mm gr.250
AS 3679 Thép hinh 340 480 < 40mm
gr.350
Ghi chú: Các ký hiệu thép nêu trong bang nay chỉ gồm ký tự gốc nói lên tính chất cơ học, không ghi các ký tự đuôi nói lên đặc điểm sử dụng và chế tạo của thép / Thép
có chung ký tự gốc đều dùng được trị số cho trong bảng, ví dụ: thép Anh BS 4360
gr.40B hay gr.40C dùng được trị số của BS 4360 gr.40; thép châu Âu S355.IOC dùng
trị số như S355; thép Trung Quốc Q235B-—YF dùng được trị số như Q235
1.2 QUI CACH THEP CAN DUNG TRONG XAY DỰNG
Thép dùng trong xây dựng có các loại thép tấm, thép hình Nước
ta đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia về thép cán nóng TCVN 1650-75 đến TCVN 1657-75 bao gồm các loại thép tròn, thép ray, thép chữ I, thép chữ [, thép góc Về cơ bản, các loại thép của tiêu chuẩn Việt Nam có kích thước giống như các loại thép cán theo tiêu chuẩn Liên
Xô (cũ) TOCT năm 1972
Trang 26< =
Thép góc đùng làm cột, dầm
Hình 1.1 Thép góc uà ứng dụng
Từ I18:130 có thêm tiết diện phụ, cùng chiểu cao nhưng cánh
rộng hơn và dày hơn, ký hiệu thêm chữ a, ví dụ I20a
Chiều dài sản xuất từ 4+13zm
Trang 2796 CHUONG 1 ,
| Thép chữ I được dùng chủ yếu làm dâm chịu uốn, độ cứng theo phương trục z rất lớn so với phương trục y (J, >> dy)
Cũng có thể dùng thép I làm cột, khi đó nên tăng độ cứng đối
với trục y bằng cách mở rộng thêm cánh hoặc ghép hai thép I lại e) Thép chữ [ (TCVN 1654-75)
cánh rộng và dày hơn, ví dụ {22 a
Thép chữ [ có mặt phẳng và cánh vươn rộng, tiện liên kết với
Thép ống có tiết diện đối xứng, vật liệu nằm xa trục trung hòa,
rất cứng, chịu lực cao, chống rỉ tốt Dùng làm thanh dàn, cột tháp - cao, có thể có tiết diện vật liệu 25+30%
Mdm ⁄ |
Uuông
Trang 28Từ các thép tấm mỏng, dày 2:16mm mang dap nguéi ma thanh
Có các loại tiết diện theo tiêu chuẩn TOCT như: thép góc đều cạnh, thép góc không đều cạnh, thép chữ [, thép hình hộp
Ngoài ra, có thể có những tiết diện rất đa dạng theo yêu cầu riêng Thép hình dập có thanh mồng nên nhẹ hơn nhiều so với thép cán Được dùng chủ yếu cho các loại kết cấu thép nhẹ, cho những cấu kiện chịu lực nhỏ nhưng cần có độ cứng lớn Một khuyết điểm của thép hình đập nguội là có sự cứng nguội ở những góc bị uốn, chống rỉ
Các kích thước và đặc trưng hình học của các loại thép hình cán
theo tiêu chuẩn TCVN (Việt Nam), tiêu chuẩn ASTM (Hoa Kỳ) và tiêu chuẩn BS (Anh) xem Phụ lục 3, 4, 5, 6
Bảng 1.4 dưới đây giới thiệu cách ký hiệu các loại thép hình cán
nóng theo tiêu chuẩn Việt Nam, Hoa Kỳ và Anh
Trang 29Buôn :8y
(ww) BuỘI :/#L
(wus) oe9 :SOE
uIB@q jgS19AIun
8ñ
8P 8ì
¿ZL
90E :ñP
‘wep we!
Bunp 'Bueud
Buo2
ww YUP
99 :gn deuL
Trang 33393 — , CHUONG 1
1.3 TIEU CHUAN THIET KE KET CAU THEP
Sách này được viết dựa theo các tiêu chuẩn sau:
- Tiêu chuẩn thiết kế bết cấu thép hiện hành của Việt Nam là TCVN 338:2005 dùng cho công trình xây dựng nhà cửa và các công
trình xây dựng khác, trừ cầu và hầm Bắt nguồn chủ yếu từ tiêu chuẩn Liên Xô Snip II-23-81, áp dụng ở VN từ đầu các năm 60, và
đã qua nhiều lần thay đổi Thiết kế dựa trên phương pháp Trạng
thái giới hạn
- Tiêu chuẩn uề tải trọng TCVN 2737: 95, dùng cho công trình nhà và các công trình khác, còn công trình cầu thì dùng tiêu chuẩn
riêng
Tiêu chuẩn thiết kế không mang tính bắt buộc nhất thiết phải
sử dụng, mà cũng coi như một trong sáu tiêu chuẩn của các nước được
phép dùng khi thiết kế tại VN:
e© Tiêu chuẩn Hoa Kỳ về thiết kế kết cấu thép áp dụng cho công
trình nhà cua Vién AISC American Institute of Steel Construction viết dựa trên phương pháp Ứng suất cho phép (Allowable Stress Design, ASD) và phương pháp Hệ số tải trọng và Hệ số
độ bền (Load & Resistance Factor Design, LRFD)
se Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 3 về thiết kế kết cấu thép dùng cho các nước thuộc Cộng đông châu Âu Gồm 8 phần: phần 1 cho nhà và công trình dân dụng, phần 2 cho cầu, phần 3 đến phần 8 cho các công trình chuyên dụng như tháp, cau truc,
Dùng phương pháp Trạng thái giới hạn Tuy nhiên, vẫn song song tồn tại tiêu chuẩn riêng của từng nước, như Pháp: CM-
66 tính theo Ứng suất cho phép, Anh: BS 5950 (1985) tính
theo Trạng thái giới hạn
e Tiêu chuẩn Anh về thiết kế kết cấu thép BS 5950 (1990 và
1992), tính theo Trạng thái giới hạn
e Tiêu chuẩn Trung Quốc GB.4J 17-88 về thiết kế kết cấu thép, dựa theo tiêu chuẩn Liên Xô nhưng có đưa một số công thức và
kí hiệu theo phương Tây
Trang 34CƠ SỬ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 33
e Tiêu chuẩn Úc AS 4100-1990 ~ Kết cấu thép, tính theo
phương pháp Trạng thái giới hạn, có nhiều điểm giống BS: nhưng có bổ sung nhiều
Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của Việt Nam hiện hành
Vi dụ: giới ban chảy: ý, thay vi_o,; gidi han bén: f, thay vi op; cường độ ƒ thay vi R nhu 6 cdc tiéu chudn truéc đây
Để tránh sự bỡ ngỡ cho bạn đọc do sự chuyển đổi chưa đồng bộ giữa các tài liệu, tác giả vẫn dùng các ký hiệu cũ, đồng thời kèm
theo một bảng đối chiếu ký hiệu giữa tiêu chuẩn mới và tiêu chuẩn
giới hạn I được viết:
N<®_
với: N = XP” -W ¡,n;¬Y„.n, ~ nội lực lớn nhất trong cấu kiện,
có thể xảy ra tong suốt quá trình sử đụng do tải trọng tính toán gây ra
®© =y.F.F - khả năng chịu lực giới hạn của cấu kiện
Ni - nội lực do ?; = 1
- hệ số vượt tải ứng với tải trọng thứ ¿
- hệ số an toàn về sử dụng, xét đến mức độ quan trọng
của công trình
Trang 3534 CHUONG 1
n, - hé sé t6 hop
x - hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện
® - cường độ tính toán của vật liệu
# - đặc trưng hình học của tiết diện (diện tích, môđun
chống uốn ) Cac gid tri cia Pf, ni, yp xem ở các phần sau
se Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai gôm các trạng thái làm cho kết cấu không sử dụng bình thường hoặc làm giảm tuổi thọ công trình như: bị võng, lún, rung, nứt Phương trình tính toán cơ bản của nhóm trạng thái giới hạn II được viết:
_ với: A - biến dang hay chuyển vị của kết cấu đưới tác dung của
các tải trọng tiêu chuẩn trong những tổ hợp bất lợi nhất
A = EPP ead (1.2)
5, - bién dang gay ra béi tai trong don vi P; = 1
A - bién dang cho phép lớn nhất để kết cấu sử dụng
bình thường, được qui định trong tiêu chuẩn hay trong nhiệm vụ thiết kế
1.5 CUGNG DO TIEU CHUAN VA CUONG DO TINH TOAN
e Cường độ tiêu chuẩn (chịu kéo và nén, uốn)
- Đối với thép cacbon thấp (có cường độ trung bình) và thép
cường độ khá cao, khi không cho phép làm việc quá giới hạn chảy ơ,:
— Déi véi thép cường độ cao (không có giới hạn chảy) và cả
trong những trường hợp thép cacbon thấp và thép cường độ khá cao
khi cho phép có biến dạng lớn:
- v6i 6,,0, - gidi han chay; giới hạn bên của thép (bảng 1.1 và 1.2)
Trang 36CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 35
toán được tính từ cường độ chịu kéo, nén, uốn nhân với hệ số chuyển
đổi Công thức xác định cường độ tính toán xem bảng 1.5
Bang 1.5 Công thúc xác định cường độ tính toán
Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt Rem = 0,5 Ry
Kéo theo phương bề dày thép cán R, = 0,5R,
1.6 TẢI TRỤNG VÀ TÁC ĐỘNG
Tải trọng và tác động để tính toán kết cấu được lấy theo tiêu
chuẩn nhà nước TCVN 2737- 95 Tải trọng và tác động
1.6.1 Các loại tải trọng
Tỏi trọng thường xuyên: (hay tĩnh tải) là tải trọng không biến
đổi về giá trị, vị trí, phương, chiều trong quá trình sử dụng công
trình Gồm: trọng lượng bản thân kết cấu và các bộ phận bao che
vật liệu hoàn thiện công trình; trọng lượng và áp lực đất đắp, tác
dụng của ứng lực trước
Tải trọng tạm thời: (hay hoạt tải) là những tải trọng có thể có
hoặc không có trong một giai đoạn nào đó của quá trình xây dựng và
sử dụng công trình.
Trang 3736 CHƯƠNG 1
- Tải trong tạm thời dài hạn: gồm trọng lượng vách ngăn, trọng lượng thiết bị cố định như môtơ, máy cái; trọng lượng
vật chứa trên sàn nhà kho, thư viện
- "Tải trọng tạm thời ngắn hạn: gồm trọng lượng của người và _đồ đạc trên sàn nha, tải trọng gió; tải trọng các thiết bị nâng
cẩu, tải trọng sinh ra khi chế tạo, vận chuyển, xây lắp các kết cấu xây dựng
Tải trọng đặc biệt: gồm tải trọng do động đất và nổ; tải trọng
do các sự cố sinh ra trong quá trình công nghệ và sử dụng như: đứt
dây điện (của đường dây tải điện), đất sụt lở
1.7 CAC HE SỐ DUNG TRONG PHUONG PHÁP TRẠNG THÁI
GIGI HAN
1- Hé sé điều kiện lam việc của kết cấu Y
Hệ số này xét đến các yếu tố của quá trình sử dụng như: tải trọng tác dụng dài bạn hoặc lặp lại nhiều lần, sự gần đúng của các giả thiết tính toán, ảnh hưởng của môi trường (ẩm, ăn mòn )
Hệ số y xem bảng (1.8)
9 Hệ số an toàn uê sử dụng (Ya)
Phụ thuộc vào mức độ quan trọng, cấp độ bển của công trình:
e Ya = 1: đối với các công trình đặc biệt quan trọng như: nhà
máy nhiệt điện lớn, lò cao, tháp truyển hình, cung thể thao,
chợ, trường học
°° Ya= 0,98: đối với các công trình dân dụng - công nghiệp thông _ thường
Trang 38Cơ SỬ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 37
© Yạ = 0,9: đối với công trình ít quan trọng hơn, như: nhà kho,
nhà tạm, nhà ở một tầng
3- Hệ số độ tin cậy vé tai trong (n)
Xét đến sự biến thiên của tải trọng do những sai lệch ngẫu nhiên khác với điều kiện sử dụng bình thường
Hệ số độ tin cậy về tải trọng ø lấy theo tiêu chuẩn về “Tỏi trọng
Uuè tác động” TCVN 2737-95 được trích dẫn ở bảng (1.6) và (1.7) dưới
_đây
4- Hệ số tổ hợp (n.)
Xét đến khả năng có thể xảy ra đồng thời các loại tải trọng
© nẹ = 1: đối với tải trọng ngắn hạn (lấy hết) trong tổ hợp cơ bản mà chỉ có một tải trọng ngắn hạn
en, = 0,9: khi trong tổ hợp cơ bản có hai hay nhiều tải trọng
ngắn hạn thì mọi giá trị tải trọng ngắn hạn này nhân với 0,9
en, = 0,8: trong tổ hgp đặc biệt thì mọi tải trọng ngắn hạn
nhân với 0,8
Tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời dài hạn không
nhân hệ số tổ hợp ứ
Bảng 1.6 Hệ số độ tin cậy đốt uớt các tải trọng
do khối lượng kết cấu xây dựng uè đất
3 Bêtông có khối lượng thể tích không lớn hơn 1600 kG/mẺ, các
vật liệu ngăn cách, các lớp trát và hoàn thiện (tấm, vỏ, các vật
liệu cuộn, lớp phủ, lớp vữa lót ) tùy theo điều kiện sản xuất:
Trang 39
Bang 1.7 Hệ số độ tin cậy đối uới tải trọng tạm thời
tác dụng lên sàn uò cầu thang
nọ Giá trị tải trọng tạm thời P„ (daN/m?)
1,3 < 200
Bảng 1.8 Hệ số điều kiện làm uiệc của kết cấu
STT tác cấu kiện của kết cấu Y
1 Dam bụng đặc và các thanh chịu nén trong dàn của các sàn nhà hát, câu lạc bộ,
rạp chiếu bóng, khán đài, cửa hàng, kho giữ sách và kho lưu trữ khi trọng lượng
của sàn bằng hoặc lớn hơn tải trọng tạm thời 0,9
2 | Cột của các nhà công cộng và cột đỡ tháp nước 0,95
hàn ở mái và sàn nhà có tiết diện chữ T ghép từ hai thép góc, khi độ mảnh > 60 0,8
9 | Các thanh căng, thanh kéo, thanh treo, thanh néo được làm từ thép cán 0,9
6 | Các cấu kiện của kết cấu thanh ở mái và sàn:
b) Thanh chịu kéo trong kết cấu hàn 0,95
cạnh, hoặc không đều cạnh (được liên kết theo cánh lớn):
a Khi liên kết trực tiếp với thanh cánh trên theo một cạnh bằng đường hản hoặc
Thanh xiên theo hình 1.5a 0,9
Thanh ngang theo hình 1.5.b,c 0,8 Thanh xiên theo hình 1.5.c,d,e
.|b Khi liên kết trực tiếp với thanh cánh trên theo một cạnh bằng một buléng
8 | Các thanh chịu nén là thép góc đơn được liên kết theo một cạnh (đối với thép góc
không đểu cạnh chỉ liên kết cạnh ngắn), trừ các trường hợp đã nêu ở mục 7 của
bảng này, và các đàn phẳng chỉ gồm thép góc đơn 0,75
9 |Các loại bể chứa chất lỏng 0,8
Ghi chú: 1 Các hệ số điều kiện làm việc y, <- 1 không được lay déng thời;
2 Các hệ số làm việc y; trong các mục 3, 4, 6a, 7 và 8 cũng như các mục 5 và 6b
(trừ các liên kết hàn đối đầu) sẽ không được xét đến khi tính toán liên kết của các cấu kiện đó
—_Ở Mọi trường hợp không nêu ở bảng này thì đều lấy y =1
Trang 40
Hình 1.5 So dé két cdu khéng gian réng, các thanh từ thép góc đơn
a,b,c) Cade mdt 6 hai mdt tiép gidp trùng nhau đ,e) Các mắt ở hai một tiếp giáp bhông trùng nhau
Bảng 1.9 Độ uõng cho phép của cếu biện chịu uốn
Dam có đường ray:
1 Dầm đỡ sàn công tác có đường ray nặng > 35kG/m L/600
2 Như trên, khi đường ray nặng < 25kG/m L/400
Xa gé: ,
- Đầm hoặc giàn đỡ cầu trục
2 Cầu trục chế độ làm việc vừa L/500
độ vươn của dầm