giáo trình kết cấu thép 1

PHÂN LOẠI THÉP XÂY DỰNG Khái niệm: Thép là hợp kim đen của sắt Fe và cácbon C, ngoài ra còn có một số chất đưa vào với mục đích tăng tính năng cho théphoặc một số tạp chất không tách đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

BỘ MÔN KẾT CẤU THÉP, GỖ

GIÁO TRÌNH KẾT CẤU THÉP 1

GIẢNG VIÊN:

THÔNG TIN CHUNG VỀ MÔN HỌC

1 Thời lượng môn học: 4 tín chỉ

3 Nhiệm vụ của sinh viên:

- Phải nghiên cứu giáo trình bài giảng, chuẩn bị các ý kiến hỏi, đề xuất

khi nghe giảng, đọc và sưu tầm các tư liệu có liên quan đến nộidung của học phần

- Dành thời gian cho việc nghiên cứu trước bài giảng dưới sự hướng

dẫn trước của giảng viên

- Tham dự các buổi lên lớp, thảo luận, thực hành theo quy định

3 Nhiệm vụ của sinh viên:

- Phải nghiên cứu giáo trình bài giảng, chuẩn bị các ý kiến hỏi, đề xuất

khi nghe giảng, đọc và sưu tầm các tư liệu có liên quan đến nộidung của học phần

- Dành thời gian cho việc nghiên cứu trước bài giảng dưới sự hướng

dẫn trước của giảng viên

- Tham dự các buổi lên lớp, thảo luận, thực hành theo quy định

- Hoàn thành các bài tập ở nhà

- TCXDVN 338 : 2005 Kết cấu thép Tiêu chuẩn thiết kế

5 Hình thức thi: : Thi viết chung toàn khóa

6 Tiêu chuẩn đánh giá kết quả học phần:

- TCXDVN 338 : 2005 Kết cấu thép Tiêu chuẩn thiết kế

5 Hình thức thi: : Thi viết chung toàn khóa

6 Tiêu chuẩn đánh giá kết quả học phần:

- Điểm quá trình: 20%

- Điểm thi kết thúc học phần: 80%

GIÁO TRÌNH HỌC

CHƯƠNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG MỞ ĐẦU ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP

§ 1 ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP

§ 2 PHẠM VI ỨNG DỤNG

§ 3 YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP

 Kết cấu thép là kết cấu của công trình xây dựng bằng thép hoặc bằngkim loại khác.

§ 1 ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP

I Ưu điểm

- Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao

- Trọng lượng nhẹ

- Có tính công nghiệp hóa cao

- Có tính cơ động trong vận chuyển lắp ráp

- Có tính công nghiệp hóa cao

- Có tính cơ động trong vận chuyển lắp ráp

- Khung nhà nhiều tầng.

- Cầu đường bộ, đường sắt

- Kết cấu tháp cao: cột điện, ăng ten vô tuyến

- Kết cấu bản: Bể chứa dầu, bể chứa khí

- Các loại kết cấu di dộng: Cần trục, cửa van,gương ăng tenparabol

- Khung nhà nhiều tầng

- Cầu đường bộ, đường sắt

- Kết cấu tháp cao: cột điện, ăng ten vô tuyến

- Kết cấu bản: Bể chứa dầu, bể chứa khí

- Các loại kết cấu di dộng: Cần trục, cửa van,gương ăng tenparabol

§ 2 PHẠM VI ỨNG DỤNG

Nhà công nghiệp

Nhà nhịp lớn

Bể chứa

Tháp thépNhà cao tầng

§ 2 PHẠM VI ỨNG DỤNG

Cầu thép

Kết cấu cầu di động

§ 3 YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP

I Yêu cầu về sử dụng

Đảm bảo độ bền, độ cứng, độ ổn định, độ bền lâu và thẩm mỹ

II Yêu cầu về kinh tế: (Giá thành thấp)

Tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ khi chế tạo, lắp ráp nhanh

§ 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 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

§ 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 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

§ 1.1 THÉP XÂY DỰNG

I PHÂN LOẠI THÉP XÂY DỰNG

Khái niệm: Thép là hợp kim đen của sắt (Fe) và cácbon (C), ngoài ra

còn có một số chất đưa vào với mục đích tăng tính năng cho théphoặc một số tạp chất không tách được trong quá trình luyện quặng

Một số hình ảnh lò luyện thép

Cán thép sợi

§ 1.1 THÉP XÂY DỰNG

Cán thép

Cán nóng thép hình

§ 1.1 THÉP XÂY DỰNG

Phân loại:

1 Phân loại thép thành phần hóa học: 2 loại

• Thép Cácbon: (Fe + C) (% C < 1,7%), ko có hợp kim khác

Thép Cácbon thấp %C <0,22% mềm, dẻo, dễ hàn dùng trong xây

dựng

Thép Cácbon vừa và cao dùng trong các ngành công nghiệp khác

• Thép hợp kim: (Fe + C) + kim loại khác (Cr, Ni, Mn )

Thép hợp kim thấp (% kim loại khác < 2,5%) được dùng trong xây

dựng

Thép hợp kim vừa và cao: Không được dùng trong kết cấu xây dựng

2 Theo phương pháp luyện thép:

Lò quay (Besmer, Thomas),

Lò bằng (Martin)

Lò quay cải tiến

3 Phân loại theo mức độ khử ôxy:

Thép sôi, Thép tĩnh, Thép nửa tĩnh

Phân loại:

1 Phân loại thép thành phần hóa học: 2 loại

• Thép Cácbon: (Fe + C) (% C < 1,7%), ko có hợp kim khác

Thép Cácbon thấp %C <0,22% mềm, dẻo, dễ hàn dùng trong xây

dựng

Thép Cácbon vừa và cao dùng trong các ngành công nghiệp khác

• Thép hợp kim: (Fe + C) + kim loại khác (Cr, Ni, Mn )

Thép hợp kim thấp (% kim loại khác < 2,5%) được dùng trong xây

dựng

Thép hợp kim vừa và cao: Không được dùng trong kết cấu xây dựng

2 Theo phương pháp luyện thép:

Lò quay (Besmer, Thomas),

Lò bằng (Martin)

Lò quay cải tiến

3 Phân loại theo mức độ khử ôxy:

Thép sôi, Thép tĩnh, Thép nửa tĩnh

Xây lò bằng gạch chịu lửa

1 Cấu trúc: thép có cấu trúc tinh thể, bao gồm:

- Hạt pherit: (Fe) có tính dẻo, mềm chiếm 99% trong lượng thép

- Màng xementit: (Fe3C) có tính chất cứng và giòn

- Màng peclit: do xementit hỗn hợp với ferit tạo thành

2 Thành phần hoá học: gồm có Fe và C

Ngoài ra còn có các chất đưa thêm vào hoặc tạp chất chưa tách hết

- Mn: làm tăng cường độ, tăng độ dai (%Mn > 1,5% thép trở nên giòn)

- Si: làm tăng cường độ thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn.(% Si <

0,3%)

- P: làm giảm tính dẻo và độ dai của thép

- S: Làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao, dễ bị nứt khi hàn và rèn

- Đối với thép hợp kim, đưa thêm vào các nguyên tố kim loại như Cu,

Ni, Cr, Ti tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của thép

- Ôxy, Nitơ làm thép bị giòn, giảm cường độ

1 Cấu trúc: thép có cấu trúc tinh thể, bao gồm:

- Hạt pherit: (Fe) có tính dẻo, mềm chiếm 99% trong lượng thép

- Màng xementit: (Fe3C) có tính chất cứng và giòn

- Màng peclit: do xementit hỗn hợp với ferit tạo thành

2 Thành phần hoá học: gồm có Fe và C

Ngoài ra còn có các chất đưa thêm vào hoặc tạp chất chưa tách hết

- Mn: làm tăng cường độ, tăng độ dai (%Mn > 1,5% thép trở nên giòn)

- Si: làm tăng cường độ thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn.(% Si <

0,3%)

- P: làm giảm tính dẻo và độ dai của thép

- S: Làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao, dễ bị nứt khi hàn và rèn

- Đối với thép hợp kim, đưa thêm vào các nguyên tố kim loại như Cu,

Ni, Cr, Ti tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của thép

- Ôxy, Nitơ làm thép bị giòn, giảm cường độ

§ 1.1 THÉP XÂY DỰNG

III SỐ HIỆU THÉP XÂY DỰNG

Theo cường độ có 3 loại:

1 Thép các bon thấp cường độ thường

- Thép cácbon thấp, giới hạn chảy không quá 360 MPa

Nhóm B: Đảm bảo thành phân hóa học

Nhóm C: Đảm bảo tính chất cơ học và thành phần hóa học

CT - thép các bon thấp;

34,38,42 - độ bền kéo đứt (giới hạn bền), daN/mm2;

s - Phương pháp khử ôxy: thép sôi, n - thép nửa tĩnh (thép tĩnh không

ghi);

III SỐ HIỆU THÉP XÂY DỰNG

Theo cường độ có 3 loại:

1 Thép các bon thấp cường độ thường

- Thép cácbon thấp, giới hạn chảy không quá 360 MPa

Nhóm B: Đảm bảo thành phân hóa học

Nhóm C: Đảm bảo tính chất cơ học và thành phần hóa học

CT - thép các bon thấp;

34,38,42 - độ bền kéo đứt (giới hạn bền), daN/mm2;

s - Phương pháp khử ôxy: thép sôi, n - thép nửa tĩnh (thép tĩnh không

ghi);

Hai chữ số đầu chỉ phần vạn hàm lượng cácbon.

Các chữ cái chỉ tên hợp kim có trong thép

Các chữ số đứng sau tên hợp kim chỉ % hàm lượng hợp kim (nếu hàmlượng  1%)

3 Cường độ cao:

Thép hợp kim thấp qua nhiệt luyện, giới hạn chảy trên 440 MPa, giớihạn bền trên 590 MPa

- Số hiệu thường dùng: 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV

- Ý nghĩa kí hiệu: N - nitơ, Mo - môlípđen, V - vanađi

Hai chữ số đầu chỉ phần vạn hàm lượng cácbon

Các chữ cái chỉ tên hợp kim có trong thép

Các chữ số đứng sau tên hợp kim chỉ % hàm lượng hợp kim (nếu hàmlượng  1%)

3 Cường độ cao:

Thép hợp kim thấp qua nhiệt luyện, giới hạn chảy trên 440 MPa, giớihạn bền trên 590 MPa

- Số hiệu thường dùng: 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV

- Ý nghĩa kí hiệu: N - nitơ, Mo - môlípđen, V - vanađi

Thí nghiệm kéo thép

§ 1.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG

1 SỰ LÀM VIỆC CHỊU KÉO

Dạng làm việc cơ bản, đặc trưng cho sự chịu lực của thép dưới tácdụng của tải trọng

Biểu đồ ứng suất – biến dạng

- Kéo các mẫu thép CCT38 mềm có kích thước tiêu chuẩn bằng tải

trọng tĩnh tăng dần Vẽ đồ thị quan hệ  - 

OA - Giai đoạn tỉ lệ: biểu đồ là đoạn thẳng,  -  có quan hệ tỉ lệ,tuân theo định luật Húc.

AA' - đồ thị hơi cong đi, không còn quan hệ tỉ lệ, nhưng thép vẫnlàm việc đàn hồi

A'B - Giai đoạn đàn hồi dẻo: Biểu đồ là đường cong rõ rệt, thép khôngcòn làm việc đàn hồi

BC - Giai đoạn chảy dẻo: Là đoạn thẳng nằm ngang Biến dạng tăngkhi P không đổi đoạn BC gọi là thềm chảy

CD - Giai đoạn củng cố: Biểu đồ là đường cong thoải Lực tăng, biếndạng tăng nhanh Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ và bị kéo đứt tạiD

OA - Giai đoạn tỉ lệ: biểu đồ là đoạn thẳng,  -  có quan hệ tỉ lệ,tuân theo định luật Húc

AA' - đồ thị hơi cong đi, không còn quan hệ tỉ lệ, nhưng thép vẫnlàm việc đàn hồi

A'B - Giai đoạn đàn hồi dẻo: Biểu đồ là đường cong rõ rệt, thép khôngcòn làm việc đàn hồi

BC - Giai đoạn chảy dẻo: Là đoạn thẳng nằm ngang Biến dạng tăngkhi P không đổi đoạn BC gọi là thềm chảy

CD - Giai đoạn củng cố: Biểu đồ là đường cong thoải Lực tăng, biếndạng tăng nhanh Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ và bị kéo đứt tạiD

§ 1.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG

- Thềm chảy chỉ có ở thép các bon thấp Biểu đồ kéo của thép các boncao hoặc thép cường độ cao không có thềm chảy Sau giai đoạn đànhồi thép chuyển ngay sang giai đoạn củng cố Vì vậy, giới hạn chảy làquy ước và lấy bằng ứng suất khi biến dạng dư đạt giá trị 0,2%

được Tiêu chuẩn quy định đối với từng mác thép, bao gồm tl ,c ,b ,0.Trong đó quan trọng nhất là c Thép các bon thấp có E = 2,1.105 MPa.

2 Sự làm việc chịu nén

Tương tự như chịu kéo, có cùng tl ,c và E

Trong giai đoạn củng cố không xác định được giới hạn bền ở thép

cácbon thấp (mẫu thép bị phình to ra và vẫn tiếp tục chịu được tải

Tương tự như chịu kéo, có cùng tl ,c và E

Trong giai đoạn củng cố không xác định được giới hạn bền ở thép

cácbon thấp (mẫu thép bị phình to ra và vẫn tiếp tục chịu được tải

§ 1.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG

,

,

Thép góc

- Dùng làm thanh chịu lực như thanh

chống, thanh dàn hoặc dùng làm cấu

kiện liên kết các kết cấu khác

- Có hai loại : đều cánh và lệch cánh

- Dùng làm thanh chịu lực như thanh

chống, thanh dàn hoặc dùng làm cấu

kiện liên kết các kết cấu khác

- Có hai loại : đều cánh và lệch cánh

§ 1.3 QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG

- Dùng làm tiết diện cột, dầm chịu uốn xiên, thanh dàn trong dàn cầu.

- Có tất cả 22 loại tiết diện từ C5 đến C40

- Kí hiệu :

Ví dụ : C22

Chiều dài l = 4 – 13 m Trường hợp dài hơn phải nối

Thép tấm được dùng rộng rãi vì tính

vạn năng có thể tạo ra các tiết diện

bất kỳ theo yêu cầu thiết kế

Thường có 3 loại :

Thép tấm phổ thông

Thép tấm mỏng

Thép tấm dày

3 Thép hình dập nguội

Được cấu tạo từ những tấm thép mỏng (2 – 16 mm) mang dập nguội.Thép hình dập nguội có vành mỏng nên nhẹ hơn nhiều so với thép hìnhtuy nhiên tại chỗ gẫy khúc thường có hiện tượng tập trung ứng suất vàphá hoại dòn

§ 1.3 QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG

Thép Z và C dập nguội

Mục đích: đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quá trạng thái giới hạnkhiến cho chúng không sử dụng được nữa với chi phí thấp nhất.

Trạng thái giới hạn : là trạng thái mà kết cấu thôi không thoả mãn cácyêu cầu đề ra đối với công trình khi sử dụng và xây lắp

Chia ra 2 nhóm TTGH:

-TTGH1 : mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa

điều kiện : N  SN: nội lực trong cấu kiện đang xét ( tính N với tải trọng tínhtoán)

S : nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được

-TTGH2 : không còn sử dụng bình thường được

S : nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được

-TTGH2 : không còn sử dụng bình thường được

§ 1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP

2 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

Phân loại tải trọng:

Theo thời gian tác dụng :

- Tải trọng thường xuyên : không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều

- Tải trọng tạm thời : có thể có hoặc không có trong một giai đoạn nàođó

• Tải trọng tạm thời dài hạn

• Tải trọng tạm thời ngắn hạn

• Tải trọng đặc biệt

Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán:

- Tải trọng tiêu chuẩn Ptc: xác lập trên cơ sở thống kê và được cho

trong tiêu chuẩn, là trị số lớn nhất có thể có của tải trọng trong trườnghợp sử dụng bình thường

• Tải trọng thường xuyên do trọng lượng các kết cấu xác địnhtheo số liệu của các tiêu chuẩn và của các nhà máy chế tạo, theo kíchthước và khối lượng thể tích của vật liệu

• Tải trọng tạm thời tác dụng lên sàn nhà: theoTCVN 1995

2737-2 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG

Phân loại tải trọng:

Theo thời gian tác dụng :

- Tải trọng thường xuyên : không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều

- Tải trọng tạm thời : có thể có hoặc không có trong một giai đoạn nàođó

• Tải trọng tạm thời dài hạn

• Tải trọng tạm thời ngắn hạn

• Tải trọng đặc biệt

Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán:

- Tải trọng tiêu chuẩn Ptc: xác lập trên cơ sở thống kê và được cho

trong tiêu chuẩn, là trị số lớn nhất có thể có của tải trọng trong trườnghợp sử dụng bình thường

• Tải trọng thường xuyên do trọng lượng các kết cấu xác địnhtheo số liệu của các tiêu chuẩn và của các nhà máy chế tạo, theo kíchthước và khối lượng thể tích của vật liệu

• Tải trọng tạm thời tác dụng lên sàn nhà: theoTCVN 1995

2737-(xét đến sự biến thiên của tải trọng do những sai lệch ngẫu nhiên khácvới điều kiện sử dụng bình thường).

Tải trọng p < 2 kN/m2  p = 1,3Tải trọng p  2 kN/m2  p = 1,2Tải trọng gió : p = 1,2





 1 , 0 g 0 , 9 p q

3 CƯỜNG ĐỘ TIÊU CHUẨN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN

Cường độ chịu kéo của thép xem bảng 1.1, 1.2 phụ lục 1 trang 284Cường độ khác xem bảng 1.2 trang 38

§ 1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP

Cấu kiện chịu kéo đúng tâm khi lực kéo đặt đúng trọng tâm tiết diện.Kiểm tra bền:

c n

.

f A

- Trường hợp không cho phép có biến dạng dẻo:

2 CẤU KIỆN CHỊU UỐN

Kiểm tra bền:

- Trường hợp không cho phép có biến dạng dẻo:

c n

max f W

max f t

S





)2(

)3(

§ 1.5 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

- Trường hợp cho phép có biến dạng dẻo:

P

d y

y A

y

cr f ydA f 2 S f W

c n

1

.

f W

2 1

td    3   1 , 15 f 



)4(

)5(Kiểm tra võng:

Cấu kiện chịu nén đúng tâm khi lực nén đặt đúng trọng tâm tiết diện.Kiểm tra bền:

c n

.

f A

c

A

)8(

c

A

4.CẤU KIỆN CHỊU NÉN ( KÉO ) LỆCH TÂM

Kiểm tra bền:

Chỉ kiểm tra đối với cấu kiện chịu kéo hoặc cấu kiện chịu nén có me>20Trường hợp không cho phép có biến dạng dẻo:

Trường hợp cho phép có biến dạng dẻo:

§ 1.5 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

c n

n

.

f W

M A

1

f W c

M

f A

N

c n

x

2 3

c n

y

A c







§ 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KẾT CẤU THÉP

§ 2.2 CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN

§ 2.3 CÁC LOẠI LIÊN KẾT HÀN VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

§ 2.4 ỨNG SUẤT HÀN VÀ BIẾN HÌNH HÀN

B LIÊN KẾT BU LÔNG

§ 2.5 CÁC LOẠI BU LÔNG DÙNG TRONG KẾT CẤU THÉP

§ 2.6 SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG VÀ KHẢ NĂNG CHỊU

LỰC CỦA BU LÔNG

§ 2.7 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG

§ 2.8 TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG

C LIÊN KẾT ĐINH TÁN

§ 2.9 ĐẠI CƯƠNG VỀ LIÊN KẾT ĐINH TÁN

§ 2.10 SỰ LÀM VIỆC VÀ CÁCH TÍNH TOÁN LIÊN KẾT ĐINH TÁN

§ 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KẾT CẤU THÉP

§ 2.2 CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN

§ 2.3 CÁC LOẠI LIÊN KẾT HÀN VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

§ 2.4 ỨNG SUẤT HÀN VÀ BIẾN HÌNH HÀN

B LIÊN KẾT BU LÔNG

§ 2.5 CÁC LOẠI BU LÔNG DÙNG TRONG KẾT CẤU THÉP

§ 2.6 SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG VÀ KHẢ NĂNG CHỊU

LỰC CỦA BU LÔNG

§ 2.7 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG

§ 2.8 TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG

C LIÊN KẾT ĐINH TÁN

§ 2.9 ĐẠI CƯƠNG VỀ LIÊN KẾT ĐINH TÁN

§ 2.10 SỰ LÀM VIỆC VÀ CÁCH TÍNH TOÁN LIÊN KẾT ĐINH TÁN