Giáo trình kết cấu thép

CHƢƠNG ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP 1.1 Định nghĩa Khái niệm “kết cấu thép” dùng để kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm thép kim loại khác nói chung Đó loại kết cấu cơng trình quan trọng xây dựng đại, đặc biệt xây dựng công nghiệp Kết cấu thép tạo nên cấu kiện khác nhau: thanh, tấm; chúng liên kết với tạo nên kết cấu cơng trình đáp ứng nhiệm vụ sử dụng 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kết cấu thép Kết cấu thép có ưu điểm sau khiến sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng  Khả chịu lực lớn độ tin cậy cao Kết cấu thép có khả chịu lực lớn vật liệu thép có cư ờng độ lớn, lớn vật liệu xây dựng Độ tin cậy cao cấu trúc vật liệu, làm việc đàn hồi dẻo vật liệu thép gần sát với giả thiết tính tốn  Trọng lƣợng nhẹ Kết cấu thép nhẹ số kết cấu chịu lực: Bê tông cốt thép, gạch đá, gỗ Để đánh giá phẩm chất nhẹ vật liệu, người ta thường dùng hệ số c (hệ số phẩm chất) tỷ lệ trọng lượng riêng cường độ tính tốn gốc c   R Đối với thép c= 3,7.10-4 l/m, nhẹ gỗ c = 5,4.10 l/m nhiều lần nhẹ Bê tông c = 2,4 10-3 l/m  Tính cơng nghiệp hóa cao Do sản xuất vật liệu (thép cán) hoàn toàn nhà máy luyện kim, chế tạo kết cấu thép làm chủ yếu nhà máy chun ngành, dùng loại máy móc thiết bị chuyên dụng Kết cấu thép thích hợp với điều kiện xây dựng cơng nghiệp hóa  Tính động vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển lắp ráp kết cấu thép dễ dàng nhanh chóng Kết cấu thép dễ sửa chữa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển Điều đặc biệt quan trọng cần cải tạo sở sản xuất cho phù hợp với dây chuyền công nghệ mới, công trình phải di chuyển cần thiết, để khơi phục sửa chữa cầu, nhà máy bị hư hỏng, xuống cấp  Tính kín Vật liệu liên kết kết cấu thép có tính kín khơng thấm nước, khơng thấm khí, nên thích hợp cho cơng trình bể chứa chất lỏng, chất khí; điều khó thực vật khác -4 1-1 Đồng thời, kết cấu thép có khuyết điểm hạn chế việc sử dụng:  Bị ăn mịn Trong mơi trường khơng khí ẩm, mơi trường xâm thực, thép bị gỉ, từ gỉ bề mặt bị phá hoại hồn tồn, sau vài ba năm Bởi vậy, cần bảo vệ chống ăn mòn cho thép, nơi ẩm ướt, nơi có hàm lượng chất ăn mòn cao Tùy mức độ ăn mòn mà sử dụng lớp bảo vệ khác cho thép: Sơn thông thường, sơn tĩnh điện, mạ kẽm, mạ nhơm, mạ crơm Chi phí bảo dưỡng KCT (kết cấu thép) cao Nhôm số hợp kim nhơm có khả chống gỉ cao; gang vật liệu chống gỉ tốt  Chịu lửa Thép không cháy nhiệt độ t = 500  6000 C, thép chuyển sang trạng thái dẻo, khả chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng Độ chịu lửa KCT chí kết cấu gỗ dán Bởi vậy, công trình nguy hiểm mặt phịng cháy như: kho chất cháy, nhà ở, nhà công cộng, khung thép nhà cao tầng thép phải bọc lớp chịu lửa (bêtơng, gốm, sơn phịng lửa ) 1.3 Phạm vi áp dụng Do đặc điểm nói trên, KCT thích hợp với cơng trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), cơng trình cần trọng lượng nhẹ, cơng trình cần độ kín khơng thấm nước khí Phạm vi ứng dụng KCT rộng, chia làm loại cơng trình sau:  Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp toàn thép nhà cao, cầu trục nặng, hỗn hợp cột bêtơng cốt thép, dàn dầm thép  Nhà nhịp lớn, loại nhà yêu cầu sử dụng phải có nhịp lớn 30  40 m, nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay dùng KCT hợp lý Có trường hợp nhịp đặc biệt lớn, ví dụ 100m KCT áp dụng Có thể giảm trọng lượng kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn nhờ dùng thép cường độ cao sử dụng ứng suất trước  Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt kiểu nhà dạng tháp thành phố Khi nhà 20  30 tầng nội lực cột lớn, yêu cầu dộ cứng cao, dùng khung thép có lợi khung bêtơng cốt thép Với nhà siêu cao tầng KCT chịu lực biện pháp Hiện nhà cao tầng thường dùng KCT liên hợp thép - bêtông (cột thép hình bọc nhồi bê tơng chịu lực, sàn liên hợp dầm thép làm việc với sàn bê tơng), loại kết cấu có nhiều ưu điểm chịu lực có khả chống cháy tốt  Cầu đường bộ, cầu đường sắt, làm thép thi nhịp vừa, nhịp lớn, cần thi cơng nhanh Cầu treo thép vượt nhịp lớn, 1000m 1-2  Kết cấu tháp cao, loại cột điện, cột ăngten vô tuyến, tháp trắc đạc, số loại kết cấu đặc biệt tháp khoan dầu Sử dụng thép có lợi kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ dựng lắp  Kết cấu bản, loại bể chứa dầu, bể chứa khí, thiết bị lị cao, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu Đây phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, nhiều kết cấu thép, tính kín, chống thấm KCT, khả làm việc điều kiện bất lợi nhiệt độ áp suất  Các loại kết cấu di động, cần trục, cửa van, gương ăngten parabôn cần trọng lượng nhẹ để di chuyển nâng cất dễ dàng Ngày KCT ứng dụng cơng trình số ngành cơng nghiệp đại dàn khoan dầu biển, kết cấu lò phản ứng hạt nhân v.v Nói chung, nhiều nước giới, thép vật liệu quý hiếm, thép cần dùng cho ngành kinh tế quốc dân Do trường hợp có thể, người ta tìm cách thay thép vật liệu khác bêtông cốt thép, gỗ dán nước ta, phần lớn thép xây dựng phải nhập ngoại nên việc sử dụng KCT hay vật liệu khác lại phải cân nhắc, so sánh trường hợp cụ thể Xét riêng mặt giá vật liệu KCT đắt kết cấu bêtơng cốt thép khoảng ba lần: đơn vị thể tích bêtông khoảng 70 lần, cường độ thép cao bêtông khoảng 20 lần Tuy nhiên, xét toàn diện giá thành xây dựng, kể hiệu kinh tế việc thi cơng nhanh nhiều trường hợp dùng KCT có lợi với cơng trình nhỏ 1.4 Các yêu cầu KCT Khi thiết kế KCT, phải đạt yêu cầu sau loại kết cấu khác yêu cầu sử dụng, yêu cầu người thiết kế  KCT phải thỏa mãn yêu cầu chịu lực đề điều kiện sử dụng: phải đảm bảo độ an toàn kết cấu phải đủ độ bền, độ cứng, đủ sức chịu tải trọng sử dụng  Kết cấu phải đảm bảo độ bền lâu thích đáng cơng trình Hình dạng cấu tạo kết cấu phải đảm bảo cho tiện bảo dưỡng, tiện kiểm tra sơn bảo vệ  Đẹp yêu cầu sử dụng, đặc biệt quan trọng nhà cơng cộng có kết cấu lộ ngồi KCT dễ có hình dạng hài hịa u cầu kinh tế thể mặt  Tiết kiệm vật liệu Thép cần sử dụng cách hợp lý, chỗ, thay thép vật liệu khác Việc tiết kiệm vật liệu 1-3 đạt cách chọn giải pháp kết cấu hợp lý, dùng thép cường độ cao, dùng phương pháp tính tốn tiên tiến  Lắp ráp nhanh KCT chế tạo nhà máy, sau phải dễ dàng vận chuyển đến nơi lắp dựng, cách chia thành đơn vị vận chuyển hay để nguyên kết cấu Tại cơng trường, kết cấu phải lắp ráp nhanh chóng với thiết bị sẵn có, liên kết dựng lắp phải dễ dàng thuận tiện Điển hình hóa KCT Điển hình hóa có nhiều mức độ: điển hình hóa cấu kiện xà gồ, dầm, dàn; điển hình hóa kết cấu cột điện, bể chứa, nhịp cầu, khung nhà v.v Việc điển hình hóa tránh thiết kế lặp lại nghiên cứu dạng kết cấu tối ưu, lợi mặt vật liệu giá thành Mặt khác chế tạo hàng loạt lớn cấu kiện nước ta có nhiều tiến việc thiết kế điển hình KCT, áp dụng nước ngành như: kèo mái nhà, cột đường dây tải điện, cầu độ nhỏ, bể chứa dầu v.v Hình 1.1 Khung nhà thép xây dựng 1.5 Thép xây dựng 1.5.1 Phân loại thép xây dựng - Theo thành phần hóa học thép chia ra: + Thép bon: hàm lượng bon 1,7%, khơng có thành phần hợp kim khác Tùy theo hàm lượng bon lại chia ra: thép bon thấp, thép bon vừa thép bon cao + Thép hợp kim: có thêm thành phần kim loại khác crôm (Cr), kền (Ni), mangan (Mn), nhằm nâng cao chất lượng thép tăng độ bền, tăng tính chống gỉ Trong xây dựng dùng thép hợp kim thấp với tỷ lệ tổng nguyên tố phụ 2,5% - Theo phương pháp luyện thép: + Luyện lò quay + Luyện lò - Theo mức độ khử ôxy + Thép sôi + Thép tĩnh (thép lặng) + Thép nửa tĩnh (thép nửa lặng) 1-4 1.5.2 Các mác thép dùng xây dựng - Thép cac bon thấp (hàm lượng cacbon 0,22%) cường độ thường (giới hạn chảy fy < 290 N/mm2) Tùy theo yêu cầu sử dụng, thép nhóm chia ra: + Nhóm A: đảm bảo chặt chẽ tính chất học + Nhóm B: đảm bảo chặt chẽ thành phần hóa học + Nhóm C: đảm bảo chặt chẽ tính chất học thành phần hóa học Thép làm kết cấu dùng thép nhóm C Căn yêu cầu độ dai, thép bon thấp chia thành hạng ví dụ hạng khơng cần đảm bảo độ dai đập, hạng phải đảm bảo độ dai va đập cần thiết sau bị hóa già học, hạng phải đảm bảo độ dai va đập nhiệt độ thấp Tiêu chuẩn cho phép dùng xây dựng ba hạng: thép sôi hạng 2, thép nửa tĩnh hạng 6, thép nửa tĩnh có mangan thép tĩnh hạng Các ký hiệu mác thép có ý nghĩa sau: CT có nghĩa bon thường, số sau độ bền kéo đứt (N/mm2), chữ s thép sôi (chữ n nửa tĩnh, thép tĩnh khơng ghi gì) Ví dụ CT38nMn thép bon thường, độ bền kéo đứt 38 N/mm2 có thêm nguyên tố mangan Trong mác thép, hạng thép đươc ghi cuối cùng, ví dụ CT38n2 Thép dung kết cấu thuộc nhóm C nên đầu mác thép có thêm ký hiệu C ví dụ CCT38 - Thép cường độ cao: thép bon thấp mang nhiệt luyện thép hợp kim thấp Giới hạn chảy 3100-4000 daN/cm2, giới hạn bền 4500-5400 daN/cm2 - Thép cường độ cao: gồm loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao 4400 daN/cm2 giới hạn bền 5900 daN/cm2 1.5.3 Phân loại kết cấu thép Tuỳ theo đặc tính cấu tạo kết cấu thép phạm vi sử dụng kết cấu thép mà người ta phân loại kết cấu thép theo sơ đồ sau: 1-5 Kết cấu thép Theo phạm vi sử dụng Theo đặc tính kết cấu Kết cấu khung giàn thép Kết cấu thép Kết cấu thép dạng Kết cấu cầu thép Kết cấu nhà khung thép Hình 1.2: Phân loại kết cấu thép xây dựng 1-4 Kết cấu thép cho xây dựng dân dụng hạ tầng Kết cấu thép xây dựng cơng trình ngầm CHƢƠNG TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ QUI CÁCH THÉP XÂY DỰNG 2.1 Thép xây dựng chịu kéo Sự làm việc chịu kéo dạng làm việc thép, đặc trưng cho chịu lực thép tải trọng Qua nghiên cứu làm việc chịu kéo thép, ta có đặc trưng học chủ yếu thép ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, mô đun đàn hồi a Biểu đồ ứng suất – biến dạng chịu kéo Kéo mẫu thép (vng trịn) mềm mác CCT38 tải trọng tĩnh tăng dần vẽ đồ thị mối quan hệ ứng suất σ biến dạng tỉ đối ε, ta biểu đồ kéo thép Trục tung biểu thị ứng suất σ = P/A kN/cm2; trục hoành biểu diễn biến dạng tỉ đối ε = Δl/l, % A, l tiết diện chiều dài ban đầu mẫu, Δl độ dãn dài ứng với cấp độ tải trọng Hình 1.1 Biểu đồ kéo thép cac bon thấp Đồ thị gồm đoạn sau: Đoạn từ O đến A tương ứng với ứng suất từ đến khoảng 2000 daN/cm2 đường thẳng Trong giai đoạn này, ứng suất biến dạng có quan hệ tuyến tính, vật liệu làm việc tuân theo định luật Hook σ = E.ε, mơ đun đàn hồi E hệ số góc đường thẳng OA Đối với thép bon thông thường, E = 2,06.106 daN/cm2 Giai đoạn gọi giai đoạn tỷ lệ, ứng suất tương ứng với điểm A gọi giới hạn tỷ lệ σtl Bên điểm A chút điểm A’, đường thẳng cong đi, khơng cịn giai đoạn tỉ lệ thép làm việc đàn hồi nghĩa biến dạng hoàn toàn khơng cịn tải trọng Ứng suất ứng với điểm A’ gọi giới hạn đàn hồi σđh (ứng với biến dạng dư tương đối khoảng 0,05%) giới hạn vùng làm việc đàn hồi thép Thực tế, σđh khác với σtl nên nhiều người ta đồng hai giai đoạn làm việc Đoạn A’B đường cong rõ rệt Thép không cịn làm việc đàn hồi Mơ đun đàn hồi E giảm dần đến điểm B ứng với ứng suất chừng 2400 daN/cm2 Giai đoạn gọi giai đoạn đàn hồi dẻo Giai đoạn BC đoạn nằm ngang gọi giai đoạn chảy dẻo Biến dạng tăng ứng suất không đổi Đoạn năm ngang ứng với biến dạng ε = 0,2% đến 2,5% gọi thềm chảy Ứng suất tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi giới hạn chảy σc Nếu điểm C mà ta bỏ tải trọng, biểu đồ giảm tải theo đường CO’song song với đường gia tải đàn hồi, thép có biến dạng dư OO’ Đoạn CD, giai đoạn chảy (quá trị số biến dạng ε = 2,5% CCT38), thép khơng chảy lại chịu lực Thép gia cường nên giai đoạn gọi giai đoạn củng cố Quan hệ ứng suất – biến dạng đường cong thoải, biến dạng tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ bị kéo đứt ứng với ứng suất điểm D khoảng 4000 daN/cm2 CCT38 Ứng suất gọi giới hạn bền Biến dạng lúc kéo đứt lớn ε = 20% đến 25% Cơ chế làm việc thép giải thích cấu trúc hạt thép cấu trúc tinh thể hạt ferit Hạt ferit gồm tinh thể với mạng nguyên tử đặn có khuyết tật (gọi biến vị) Những biến vị làm cho phần tinh thể ferit chịu lực dễ bị trượt tương Thép gồm hạt ferit với mạng peclit cứng nên cường độ thép cao nhiều so với ferit nguyên chất Trong giai đoạn chịu lực trước giới hạn tỷ lệ, biến dạng thép biến dạng hồi phục mạng nguyên tử Sau đó, số hạt ferit có biến vị, xuất trượt; biến dạng tăng nhanh ứng suất (giai đoạn đàn hồi – dẻo) Ứng suất tăng nữa, trượt hạt riêng lẻ phát triển thành đường trượt làm thép bị biến dạng lớn với ứng suất không đổi, tạo nên thềm chảy Sau giai đoạn chảy, mạng peclit xung quanh tinh thể ferit bắt đầu ngăn cản biến dạng tinh thể này; đường trượt phải cắt qua mạng peclit Do phải tăng thêm ứng suất, tương ứng với giai đoạn củng cố Tiết diện bị thót lại, ứng suất tập trung chỗ thót, thắng lực tương tác nguyên tử thép đứt Hiện tượng thềm chảy có thép cacbon có hàm lượng cacbon từ 0,1 đến 0,3% Nếu cacbon, mạng peclit không đủ để giữ hạt ferit bị trượt Nếu nhiều cacbon, mạng peclit nhiều dày luôn ngăn cản không cho hạt ferit trượt Biểu đồ σ – ε thép cacbon cao (hình 1.3) khơng có thềm chảy: sau giai đoạn đàn hồi, đường cong chuyển sang giai đoạn củng cố Ở loại thép này, giới hạn chảy qui ước lấy ứng với biến dạng dư ε = 0,2% 2.2 Tính chất lý thép xây dựng Biểu đồ kéo thép xây dựng cho ta đặc trưng học chủ yếu thép, qui định tiêu chuẩn mác thép Đó giới hạn tỷ lệ σtl, giới hạn chảy σc, giới hạn bền σb, biến dạng đứt ε0 mô đun đàn hồi Quan trọng giới hạn chảy σc – ứng suất lớn có vật liệu, khơng phép vượt qua (ứng với ε = 0,2%) Tất nhiên với ứng suất làm việc giai đoạn củng cố, kết cấu chưa bị phá hoại bị biến dạng mức, sử dụng Ở trạng thái ứng suất làm việc nhỏ giới hạn chảy σc, thép làm việc đàn hồi đàn hồi dẻo, với biến dạng nhỏ nên giả thuyết sức bền vật liệu áp dụng Tùy thuộc trị số σ, áp dụng lý thuyết tính tốn: - Khi σ < σtl, dùng lý thuyết đàn hồi, với E = const; - Khi σtl < σ < σc, dùng lý thuyết đàn hồi dẻo, với E ≠ const; - Khi σ = σc, dùng lý thuyết dẻo Lý thuyết xét làm việc vật liệu vùng chảy dẻo, với trị số giới hạn ứng suất σc Vật liệu thép tận dụng cao Giới hạn bền σb, gọi cường độ tức thời thép, xác định vùng an toàn dự trữ trạng thái làm việc trạng thái phá hoại Đối với thép giới hạn chảy σb trị số giới hạn cho ứng suất làm việc, nhiên chia cho hệ số an toàn tương ứng Ngay với thép cacbon thấp, có thềm chảy, mà kết cấu phép có biến dạng lớn, người ta lấy ứng suất làm việc vượt σc giới hạn bền σb chia cho hệ số an toàn định Biến dạng đứt ε0, đặc trưng cho độ dẻo độ dai thép Đối với thép cacbon thấp, ε0 lớn, tới 200 lần biến dạng làm việc đàn hồi Kết cấu thép có lượng dự trữ an tồn lớn nên nói kết cấu thép khơng bị phá hoại trạng thái dẻo Chỉ phá hoại kết cấu thép chuyển thành giòn, điều mà ta xét điểm Ba trị số σc, σb ε0 ba tiêu mà thép phân nhóm theo tính chất học phải đảm bảo t  1 2  2A   , đặt nên ta thu sin  cos   2x Ad sin  cos  A t  1 1 Ad  2x (6.33) Trong đó: Ad1 - tổng diện tích tiết diện bụng xiên hai mặt rỗng cột tiết diện cột; Ad2 = 2At (với hệ bụng tam giác); At - diện tích tiết diện bụng xiên;  - góc nghiêng trục nhánh cột (xem hình 6.11) Thay sin = C/ld, cos = a/ld vào công thức xác định 1 ta được:  l d3 10l d3 2   1  sin  cos  C a C a (6.34) đó: ld - chiều dài trục bụng xiên (hình 6.11c); C, a - xác định theo hình 6.11c Hệ số 1 xác định theo bảng 6.6 phụ thuộc vào góc nghiêng  bụng xiên với nhánh cột Bảng 6.6 Hệ số 1, 2 để tính 0 300 350 400 450 500 - 600 Góc  45 37 31 28 26 1 2 Thay (6.33) vào (6.24) có độ mảnh tương đương cột rỗng hai nhánh là:    2x  1 A Ad (6.35) Với cột rỗng bốn mặt 0 xác định theo công thức (6.36),       2max     A  Ad Ad  (6.36) Trong đó: max - độ mảnh ban đầu lớn hai độ mảnh ban đầu x, y; Ad1 - tổng diện tích tiết diện bụng xiên tiết diện cột, nằm mặt cột vng góc với trục - (xem hình 6.11); Ad2 - Ad1 vng góc với trục - (xem hình 6.11); Với cột rỗng ba mặt 0 xác định theo công thức (6.37):    2max  2 A Ad (6.37) đó: max - độ mảnh ban đầu lớn hai độ mảnh ban đầu x, y; 1 - xác định theo công thức (6.34) hay bảng 6.6, tương ứng với mặt cột; Ad = At với hệ thnah bụng tam giác; Ad = 2At với hệ bụng chữ thập; At - diện tích tiết diện bụng xiên 6.3.3 Tính tốn cột rỗng chịu nén tâm a Tính toán bền Cũng cột đặc, nhánh rỗng chịu nén tâm có giảm yếu tiết diện, cột tính tốn kiểm tra bền theo cơng thức (6.6):  N  f c An với cột có hai nhánh An = 2Afn, Afn diện tích tiết diện thực nhánh cột (đã trừ phần giảm yếu) b Tính tốn ổn định tổng thể Về ổn định tổng thể, cột rỗng tính tốn kiểm tra bền theo cơng thức (6.7): N  A  f c đó: min - xác định theo max = max(0, y) c Tính toán ổn định cục Khi nhánh cột tổ hợp từ thép làm thép hình dập nguội chúng cần kiểm tra ổn định cục cột đặc chịu nén tâm theo công thức (6.12) (6.13) d Các yêu cầu độ mảnh cột rỗng Về độ mảnh, cột rỗng chịu nén tâm phải tuân theo công thức (6.5) : max  [] độ mảnh max =max (0, y) Để khả ổn định cột rỗng không bị hạn chế khả ổn định nhánh theo trục thân x0 - x0 (trục song song với trục ảo tiết diện cột), độ mảnh nhánh cột (1) cần phải đảm bảo điều kiện sau : - Với cột rỗng giằng 1  40 1 < y - Với cột rỗng giằng 1  80 1  y đ Khả chịu nén tâm cột rỗng Khả chịu nén tâm cột rỗng xác định theo cơng thức từ (6.14) đến (6.17), : An = 2Anh.n ( với cột rỗng hai nhánh nhau), min xác định theo max = max(0, y) Xác định thân cột rỗng chịu nén tâm Xem có nội lực dọc N chiều dài tính tốn l x, ly cột, ta tiến hành việc tính tốn thiết kế thân cột sau: a Chọn tiết diện cột Cột rỗng hai nhánh loại sử dụng phổ thông cả, thường chọn hai nhánh Việc chọn tiết diện loại (hình 6.7a,b,c) tiến hành sau: - Xác định diện tích tiết diện nhánh cột Theo trục y - y cột làm việc giống cột đặc, xác định diện tích tiết diện nhánh cột Aµyc  N 2 y f c (6.40) đó: y - xác định theo độ mảnh giả thiết ygt (hoặc giả thiết trước y); chọn ygt = 40 - 90, ygt  [] - Xác định bán kính quán tính yêu cầu trục thực Bán kính quán tính yêu cầu trục thực y - y tiết diện cột xác định theo công thức sau: i yyc  ly (6.41)  ygt - Chọn nhánh cột kiểm tra cột theo trục thực Căn vào Afyc, iyyc bảng thép hình chọn thép hình làm nhánh cột cho thoả mãn điều kiện: ly N  f c ;  y     iy y A Trong đó: Af - diện tích tiết diện nhánh cột chọn, A = 2Af y - xác định theo y tính theo diện tích chọn iy = iy0, iy0 - bán kính quán tính tiết diện nhánh chọn theo trục y0 nó, trùng với trục y tiết diện cột, xem hình 6.7a - Xác định khoảng cách hai nhánh â Căn vào làm việc trục ảo x - x điều kiện hợp lý (theo công thức 6.4) 0 = y ta có xyc cột: - Đối với cột rỗng giằng, sơ coi n 1/5 nên có 0 theo cơng thức 6.30 ta có:    2x  12   y độ mảnh yêu cầu ban đầu cột trục ảo :  xyc  2y  12 (6.42) giá trị 1 sơ chọn trước theo điều kiện công thức (6.38) - Đối với cột rỗng giằng ta có:    2x  1 A Ad  xyc   2y    y suy 1 A Ad (6.43) y Để có 1 Ad1 phải sơ chọn trước thép góc làm bụng xiên bố trí trước sơ đồ hệ bụng theo cấu tạo Từ xyc xác định theo (6.41) (6.42) có bán kính qn tính yêu cầu theo trục ảo là: i xyc  lx  xyc khoảng cách yêu cầu hai nhánh là: 2 C yc  i xyc  i xo (6.44) Trong đó: ixo - bán kính quán tính nhánh trục thân (x - x0) song song với trục ảo (x - x) Cũng xác định vị trí hanh nhánh kích thước h tiết diện (hình 6.7a) hyc = ixyc/x hệ số x lấy theo bảng 6.5 Căn vào Cyc (hoặc hyc) yêu cầu cấu tạo khe hở hai nhánh, chọn khoảng cách hai nhánh Sau chọn nhánh khoảng cách hai nhánh, tiến hành xác định hệ giằng hệ bụng cột theo mục b sau Khi có đầy đủ cấu tạo thân cột (tiết diện nhánh, khoảng cách hai nhánh, kích thước giằng khoảng cách giằng tiết diện bụng sơ đồ bố trí hệ bụng) cần phải kiểm tra lại cột chọn Với cột rỗng giằng cần lưu ý việc xác định 0 phụ thuộc vào n  1/5 b Tính tốn giằng bụng Hệ giằng giằng cột rỗng tính tốn với lực cắt sinh cột bị uốn dọc quanh trục ảo Lực cắt xem không đổi chiều dài cột, gọi lực cắt quy ước Vf xác định theo công thức:  E N V f  7,15 x10   2330   f    Trong đó: N - lực nén dọc tính tốn cột  - hệ số uốn dọc cột xác định theo 0 Lực cắt quy ước lấy theo cơng thức Vf = k.A Vf -tính daN A - diện tích tiết diện nguyên cột tính cm2 k - lấy theo bảng 6.7 Bảng 6.7 giá trị k để tính Vf Thép có fu/fy 38/22 44/29 46/33 52/40 60/45 kN/cm k daN/cm2 20 30 40 50 (6.45) 70/60 85/75 60 70 Lực cắt quy ước tác dụng mặt rỗng cột Vs Vs = nr.Vf (6.47) Trong đó: nr = 0,5 với cột rỗng hai nhánh bốn nhánh; nr = 0,8 với cột ba mặt rỗng Các giằng bụng mặt rỗng cột chịu lực cắt Vs - Tính tốn giằng Chọn giằng khoảng cách giằng Từ yêu cầu cấu tạo giẳng ta chọn kích thước tiết diện giằng db, tb Dựa vào chiều dài cột yêu cầu độ mảnh nhánh theo công thức (6.38) chọn khoảng cách tâm giằng a chiều dài tính tốn nhánh lf (hình 6.8c,d) - Tính nội lực giằng Để xác định nội lực giằng, xem giằng hai nhánh cột khung nhiều tầng nhịp chịu biến dạng trượt lực cắt quy ước V f gây Biểu đồ mômen uốn khung trường hợp đường bậc nhất, điểm M = coi điểm thanh, sơ đồ tính xem điểm khớp, xem hình 6.10b, c Trên mặt rỗng nội lực giằng lực cắt Vs gây xác định theo sơ đồ hình 6.12a Hình 6.12 Sơ đồ tính toán giằng Từ điều kiện cân nội lực ta có: Mơmen uốn lớn giằng: Mb  2V s a V s a  2 (6.48) Lực cắt giằng Tb  M b Vs a Vs a   C/2 C C (6.49) - Tính tốn kiểm tra giằng liên kết giằng với nhánh cột Bản giằng kiểm tra bền với Mb, Tb cấu kiện chịu uốn với kích thước tiết diện db, tb Liên kết giằng nhánh cột (đường hàn góc hay đinh tán bulơng) tính tốn với tác dụng đồng thời Mb, Tb theo công thức tương ứng - Tính tốn bụng - Chọn sơ đồ hệ bụng Tuỳ thuộc vào chiều dài cột, khoảng cách Cyc tính nhánh cột, mà chọn sơ đồ hệ bụng cột nêu phần trước cho góc nghiêng  bụng xiên với nhánh cột hợp lý thoả mãn điều kiện theo công thức (6.39) - Tính nội lực bụng Hình 6.13 Sơ đồ tính tốn bụng xiên Dưới tác dụng lực căt quy ước Vs mặt rỗng, nội lực dọc (Nd) bụng xiên (đối với hệ bụng tam giác xác định theo hình 6.13c hệ bụng hình thoi xác định theo hình 6.13b khơng có ngang) là: Nd  Vs nt sin  (6.50) Trong đó: nt = với hệ bụng tam giác; nt = với hệ bụng hình thoi Trường hợp hệ bụng chữ thập có ngang, sơ đồ tính theo hình 6.13a,b lực dọc xiên khơng theo (6.50) mà thêm lượng lực dọc phụ Nfu chịu nén với nhánh, N fu   d N f At Aµ , toàn lực dọc xiên là: Nd   d N f At Vs  Af sin  (6.51) đó: Nf - lực dọc nhánh cột d  ld a l d3  2C , kích thước a, C, ld xem hình 4.11c hình 6.13 - Chọn tiết diện bụng Giả thiết trước max bụng gt  150, với gt xác định min imin bụng là: i yc  i  ld  gt Xác định diện tích tiết diện yêu cầu bụng xiên Atyc  Nd  f c (6.52) Căn vào Atyc iyc tính tiến hành tra bảng thép góc chọn thép làm bụng Các bụng ngang dùng làm giảm chiều dài tính tốn nhánh cột cột rỗng chịu nén tâm thường lấy bụng xiên - Tính tốn kiểm tra bụng Thanh bụng xiên tính tốn cấu kiện chịu nén tâm  Nd  f c  At (6.53) Trong đó: min xác định theo max =ld/imin bụng xiên; c - hệ số điều kiện làm việc (tính đến lệch tâm trục xiên mặt liên kết) xiên thép góc liên kết vào nhánh cột cánh, với thép góc không cánh liên kết cánh bé, c =0,75 - Liên kết xiên vào nhánh Thanh liên kết vào nhánh cột đường hàn góc, đinh tán bulơng Các liên kết tính với Nd Hình 6.14 Thân cột rỗng giằng hai nhánh chịu nén tâm Hình 6.15 Thân cộ t hệ bụ ng CHƢƠNG DÀN THÉP 7.1 Đại cƣơng dàn thép Dàn thép kết cấu rỗng bao gồm quy tụ liên kết với nút (mắt) dàn thông qua thép gọi mã Liên kết dàn thường dùng liên kết hàn, bulông đinh tán (liên kết hàn dùng phổ biến cả) Dàn gồm biên (gọi cánh trên) biên (thanh cánh dưới) Các lại nằm phạm vi cánh cánh bụng Dàn thép làm việc dầm, có nghĩa dàn phủ qua nhịp chịu uốn, nhận tải trọng truyền tải trọng truyền xuống kết cấu đỡ Nội lực dàn chủ yếu lực kéo nén dọc trục Do tiết kiệm vật liệu, nhẹ cứng nhiều, nhiên dàn tốn công chế tạo Hình dạng dàn dễ cấu tạo để phù hợp với yêu cầu thiết kế kiến trúc 7.1.1 Phân loại dàn Hiện có nhiều cách phân loại dàn khác nhau, nhiên phân loại dàn theo cách sau đây: a Theo công dụng Dàn có tên gọi theo thơng dụng như: dàn làm kết cấu đỡ mái nhà công nghiệp dân dụng (thường gọi kèo), dàn cầu, dàn cầu trục, dàn tháp trụ, dàn cột điện, dàn tháp khoán, v.v b Theo cấu tạo dàn Chia ra: - Dàn nhẹ: dàn có nội lực nhỏ, dàn cấu tạo từ thép góc thép trịn - Dàn thường: loại phổ biến, dùng làm kèo mái lợp panen bê tông cốt thép cho loại dàn có nội lực lớn cánh 5000kN Các dàn ghép hai thép góc, tiết diện ngang dạng chữ T (hình 7.1) Hình 7.1 Các tiết diện dàn hai thép góc - Dàn nặng: dùng cho cơng trình chịu tải trọng nặng dàn cầu, dàn cầu chạy, v.v có nội lực lớn cánh thường không 5000kN Tiết diện dàn dạng tổ hợp (hình 7.2) Hình 7.2 Tiết diện dàn nặng c Theo sơ đồ kết cấu dàn chia - Dàn kiểu dầm: Có sơ đồ đơn giản (hình 7.3a, b) loại tựa khớp hai đầu Cấu tạo loại đơn giản dễ dựng lắp, chịu ảnh hưởng nhiệt độ không chịu ảnh hưởng độ lún gối tựa Hình 7.3 Các loại dàn theo sơ đồ kết cấu - Dàn liên tục (hình 7.3c) loại siêu tĩnh nên cứng so với dàn có sơ đồ đơn giản, dàn có chiều cao nhỏ hơn, tiết kiệm thép lại chịu ảnh hưởng nhiệt độ độ lún gối tựa, việc chế tạo dựng lắp phức tạp - Dàn mút thừa (hình 7.3d) dàn có phần mút thừa, cánh phần mút thừa có nội lực ngược dấu với cánh phần nhịp - Dàn kiểu tháp trụ (hình 7.3e) dùng cho cơng trình tháp, trụ ăng ten, cột điện vượt sông, v.v Mỗi mặt kết cấu dàn phẳng - Dàn kiểu khung (hình 7.3h) dùng làm khung chịu lực nhà có nhịp lớn - Dàn kiểu vịm (hình 7.3k) vượt nhịp lớn (trên 60m) thường dùng làm kết cấu chịu lực nhà triển làm, công trình thể thao v.v 7.1.2 Hình dạng dàn Hình dạng dàn đa dạng, lựa chọn hình dạng dàn cần thoả mãn yêu cầu sau: - Phù hợp với yêu cầu sử dụng; - Thoả mãn yêu cầu thiết kế kiến trúc việc thoát nước mái - Kích thước cách bố trí cửa trời - Cách liên kết dàn với cột phải tạo kết cấu mái cơng trình có đủ độ cứng cần thiết - Thoả mãn yêu cầu kinh tế (tiết kiệm vật liệu, dễ gia công chế tạo lắp dựng) Dàn thường dùng dạng sau: a Dạng dàn tam giác (hình 7.4 a, b) Dàn có dạng tam giác, đầu dàn nhọn nên liên kết khớp với cột, dộ cứng mặt phẳng không lớn Về mặt chịu lực dàn tam giác không phù hợp với biểu đồ mômen uốn tải trọng dàn gây ra, nội lực chênh lệch nhiều, có số bụng chịu nén nhỏ mà chiều dài lớn nên tiết diện chọn theo độ mảnh giới hạn gây lãng phí vật liệu Tuy nhiên, dàn tam giác sử dụng hợp lý cho cơng trình u cầu mái có độ dốc lớn (mái lợp ngói, phibrơ xi măng, tơn) b Dàn hình thang (hình 7.4c) Dàn hình thang dùng làm kèo cơng trình có u cầu độ dốc mái nhỏ (tấm lợp panen bê tông cốt thép) Dàn hình thang phù hợp với biểu đồ mơ men uốn, có nhiều ưu điểm mặt cấu tạo, góc khơng q nhỏ, chiều dài không lớn Mặt khác, chiều cao dầu dàn lớn nên dễ liên kết cứng với cột để tăng độ cứng cho cơng trình, nội lực dàn hình thang hợp lý dàn tam giác c Dàn cánh song song (hình 7.4 d, e) Loại dàn có nhiều ưu điểm mặt cấu tạo: thành loại có chiều dài nhau, nhiều nút giống nên dễ thống hoá mặt cấu tạo Dàn cánh song song thường làm dàn đỡ kèo, dàn cầu, dàn tháp, trụ cần cẩu, v.v d Dàn đa giác (hình 7.4h) dàn cánh cung (hình 7.4k) Dàn kiểu phù hợp với biểu đồ mômen uốn, phân bố nội lực hợp lý, không chênh lệch nhiều nên số loại ít, tiết kiệm vật liệu Tuy nhiên, dàn đa giác cánh cung có nhược điểm cánh bị gãy khúc phải uốn cong nên việc chế tạo phức tạp dùng dàn có nhịp lớn Hình 7.4 Các dạng dàn 7.1.3 Hệ bụng dàn Việc bố trí hệ bụng cần thoả mãn yếu tố: cấu tạo nút đơn giản có nhiều nút giống nhau, tổng chiều dài bụng nhỏ, góc bụng cánh không nhỏ không nên để cánh bị uốn cục tải trọng đặt nút a Hệ bụng tam giác (hình 7.5a) Các bụng xiên hai phía (một lên tiếp xuống) Với hệ số nút ít, tổng chiều dài bụng ngắn Khi mái có xà gồ mà khoảng cách xà gồ nhỏ khoảng cách nút cấu tạo thêm đứng (hình 7.5b) để tránh uốn cục cho cánh giảm chiều dài tính tốn cánh Góc hợp lý bụng cánh từ 45  550 Nhược điểm hệ bụng tam giác có số bị nén mà chiều dài lớn b Hệ bụng xiên (hình 7.5c, d) Các xiên nửa dàn xiên phía kết hợp với đứng; hệ bụng có ưu điểm loại loại nội lực Chiều xiên chọn cho xiên dài chịu kéo cịn đứng ngắn chịu nén hình 7.5c dàn hình thang cánh song song Với dàn tam giác dùng hệ bụng xiên hình 7.5d, mặt chịu lực khơng lợi xiên dài lại chịu nén, cấu tạo nút hợp lý (góc cánh từ 35  450) Hệ bụng xiên có nhược điểm tổng chiều dài bụng lớn, nhiều nút, tốn cơng chế tạo Hình 7.5 Các hình thức bố trí bụng c hệ bụng phân nhỏ (hình 7.5đ) Dùng hệ trường hợp tránh uốn cục cho cánh kèo, đồng thời làm giảm chiều dài tính tốn mặt phẳng dàn cánh Trong kết cấu khác tháp trụ (hình 7.5e), hệ bụng phân nhỏ có tác dụng làm giảm chiều dài tính tốn cánh, làm phức tạp mặt cấu tạo thực tế số trường hợp làm giảm trọng lượng toàn cấu kiện d Các dạng hệ bụng khác Ngồi hệ bụng nêu cịn có hệ bụng sau: Hệ bụng chữ thập (hình 7.5g) hệ nàygồm hai loại xiên chéo kết hợp với đứng tạo nên hệ siêu tĩnh cứng, thường dùng dàn chịu lực hai chiều, hay gặp dàn cầu hệ giằng mái kết cấu tháp trụ, gặp loại xiên tạo với thành hình thoi (hình 7.5h) để tiện cho việc nối cánh Hệ bụng có loại cấu tạo dạng chữ K (hình 7.5k), loại làm tăng độ cứng cho dàn giảm chiều dài tính tốn mặt phẳng dàn cho bụng đứng Hệ bụng chữ K thường gặp dàn chịu lực cắt lớn dầm cầu, tháp trụ, v.v Đối với dàn dạng tam giác có góc dốc  = 35  450 nhịp lớn (L = 20  24m) sử dụng hệ bụng hình 7.5i, thường tiết kiệm vật liệu dạng khác 7.2 Tính tốn dàn thép a Nhịp dàn Nhịp tính tốn dàn xác định dựa sở phương án kiến trúc, phù hợp với mục đích sử dụng giải pháp bố trí kết cấu cơng trình Nếu dàn liên kết khớp với cột (dàn kê lên đầu cột) nhịp dàn khoảng cách hai tâm gối tựa hai đầu dàn Trong nhà công nghiệp, để thống môđun, nhịp dàn lấy theo mơđun 6m Thường nhịp dàn có L 18; 24; 30; 36m ngồi Việt Nam cịn có thêm loại nhịp 21; 27; 33m Với dàn thường (tiết diện hai thép góc) nhịp hợp lý từ 18 đến 36m b Chiều cao dàn Với dàn cánh song song dàn hình thang, chiều cao dàn hợp lý khoảng 1/5 - 1/6L (L nhịp dàn) Chiều cao thường khó thoả mãn điều kiện vận chuyển nên thường lấy nhỏ (1/7  1/9)L Với dàn tam giác chiều cao dàn phụ thuộc chủ yếu vào độ dốc cánh Khi mái dốc từ 22  400 chiều cao dàn thường lấy khoảng (1/4  1/3)L, mái lợp có u cầu độ dốc nhỏ (lợp tơn) làm dàn tam giác có chiều cao đầu dàn 450mm (hình 7.4b) c Khoảng cách nút dàn Là khoảng cách tâm nút cánh, khoảng cách xác định sau lựa chọn hệ bụng Riêng trường hợp mái có xà gồ khoảng cách nút dàn cánh nên chọn khoảng cách xà gồ để tránh uốn cục cho cánh trên, thường lấy từ 1,5  3,0m Nếu lợp panen bê tông cốt thép rộng 1,5m 3m liên kết trực tiếp cánh dàn lấy bề rộng panen Khoảng cách nút dàn cánh dàn tam giác thường  6m, với dàn hình thang thường 6m Có thể tham khảo số thiết kế mẫu chọn kích thước dàn hình thang sau: độ dốc cánh i = 12%; khoảng cách nút dàn cánh 3m 1,5m; khoảng cách nút dàn cánh 6m; chiều cao đầu dàn 2,2m (với dàn có nhịp từ 18 đến 36m) Với mái lợp tơn phibrơ xi măng dùng dàn hình tam giác, có độ dốc i = 0,39 có chiều cao đầu dàn 450mm d Bƣớc dàn Bước dàn khoảng cách dàn cơng trình, bước dàn xác định từ yêu cầu kiến trúc dây truyền công nghệ, phù hợp với môđun thống cấu kiện lắp ghép tường, mái, v.v thoả mãn yêu cầu kinh tế Với dàn thép bước hợp lý 6m 7.1.5 Hệ giằng không gian Dàn kết cấu mảnh theo phương mặt phẳng dễ ổn định theo phương mặt phẳng (phương dọc nhà) Chính dàn cơng trình cần phải giằng lại với tạo nên khối không gian ổn định Hệ giằng dàn gồm hệ (hình 7.6) Hình 7.6 Hệ giằng không gian dàn - Hệ giằng cánh trên, bố trí mặt phẳng cánh (mặt a a’ b b’ b b’ c’ c) Gồm chéo chữ thập Tác dụng đảm bảo ổn định cho cánh (chịu nén) dàn, tạo nên điểm cố kết không chuyển vị theo phương mặt phẳng dàn Các giằng chữ thập bố trí hai gian đầu hồi (khoảng hai dàn gọi gian) nhà đoạn nhiệt độ gian phía cho đảm bảo khoảng cách gian bố trí giằng chữ thập khơng q 60m - Hệ giằng cánh dưới, bố trí mặt phẳng cánh dàn (mặt e e’ d’ d) bố trí gian có hệ giằng cánh Giằng cánh với giằng cánh tạo nên khối cứng bất biến hình tạo điểm cố kết khơng chuyển vị theo phương ngồi mặt phẳng dàn - Hệ giằng đứng bố trí mặt phẳng đứng dàn hai đầu dàn, gian với giằng cánh giằng cánh (mặt a a’ e; b b’ g’ g’ c c’ d’ d) Theo phương nhịp dàn (phương ngang nhà) hệ giằng đứng đặt cách không 15m Có tác dụng với giằng cánh giằng cánh tạo nên khối cứng không gian bất biến hình, ngồi giằng đứng cịn có tác dụng cố định, giữ ổn định dựng lắp dàn Các gian khơng bố trí giằng thay chống dọc Những chống dọc có tác dụng tăng cường ổn định cho cánh trình sử dụng lắp dựng dàn Hệ giằng dàn ngồi việc tạo độ cứng khơng gian cho phạm vi mái, cịn có tác dụng làm giảm chiều dài tính tốn theo phương ngồi mặt phẳng dàn cho cánh, vị trí liên kết giằng với dàn điểm cố kết ngăn cản chuyển vị theo phương dọc nhà ... phân loại kết cấu thép theo sơ đồ sau: 1-5 Kết cấu thép Theo phạm vi sử dụng Theo đặc tính kết cấu Kết cấu khung giàn thép Kết cấu thép Kết cấu thép dạng Kết cấu cầu thép Kết cấu nhà khung thép Hình... dựng công nghiệp Kết cấu thép tạo nên cấu kiện khác nhau: thanh, tấm; chúng liên kết với tạo nên kết cấu công trình đáp ứng nhiệm vụ sử dụng 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kết cấu thép Kết cấu thép có ưu điểm...CHƢƠNG ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP 1.1 Định nghĩa Khái niệm ? ?kết cấu thép? ?? dùng để kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm thép kim loại khác nói chung Đó loại kết cấu cơng trình quan trọng xây