giáo trình kết cấu thép gỗ

giáo trình kết cấu thép gỗ

kÕt cÊu thÐp cÊu kiÖn c¬ b¶n

Bé m«n C«ng tr×nh ThÐp-Gç

2009

Tµi liÖu tham kh¶o

1 KÕt cÊu thÐp CÊu kiÖn c¬ b¶n Ph¹m V¨n Héi (chñ biªn), NguyÔn Quang Viªn, Ph¹m V¨n T , L u V¨n T êng Nxb Khoa häc vµ Kü thuËt,

Đ3 Yêu cầu đối với Kết cấu thép

1 Yêu cầu về sử dụng

2 Yêu cầu về kinh tế

Ch ơng 1: vật liệu và sự làm việc của

a Phân loại theo thành phần hóa học của thép

hợp kim khác Tùy theo hàm l ợng cacbon, lại chia ra: thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép cacbon thấp

Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp, với l ợng cacbon d ới 0,22%,

đó là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn

 Thép hợp kim, có thêm các thành phần kim loại khác nh crôm (Cr),

kền (Ni), mangan (Mn), nhằm nâng cao chất l ợng thép nh tăng độ bền, tăng tính chống gỉ

ThÐp hîp kim thÊp lµ thÐp cã tØ lÖ cña tæng c¸c nguyªn tè phô thªm d íi 2,5%, ®©y lµ lo¹i thÐp ® îc dïng trong x©y dùng ThÐp hîp kim võa vµ hîp kim cao kh«ng dïng lµm kÕt cÊu x©y dùng

2 Ph©n lo¹i theo ph ¬ng ph¸p luyÖn thÐp

2 CÊu tróc vµ thµnh phÇn hãa häc cña thÐp

ë thÐp cacbon thÊp, xementit hçn hîp

víi ferit thµnh peclit, lµ líp máng mµu thÉm n»m gi÷a c¸c h¹t ferit

3 Thµnh phÇn hãa häc cña thÐp

3 Các mác thép dùng trong xây dựng

Thép cácbon thấp c ờng độ th ờng đ ợc chia làm ba nhóm:

-Nhóm A: đ ợc đảm bảo về tính chất cơ học

-Nhóm B: đ ợc đảm bảo về thành phần hóa học

-Nhóm C: đ ợc đảm bảo về tính chất cơ học và cả thành phần hóa học.Vì thép làm kết cấu chịu lực phải đảm bảo cả về độ bền và tính dễ hàn, chịu đ ợc tác động xung kích, nên chỉ đ ợc dùng thép nhóm C

2200 2700 daN/cm– Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005. 2, giới hạn bền fu biến động trong khoảng

B a ng 1.1 Thép cacbon TCVN 1765 : 1975

Mác thép

Dộ bền kéo f u , N/mm 2

Giới hạnchay f y , N/mm 2 , cho độ dày t, mm

Dộ dãn dài  0 , % , cho độ dày t, mm

b Thép c ờng độ khá cao

- Là thép cacbon thấp mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp

Các c ờng độ giới hạn của thép hợp kim thấp cho trong bảng I.2, phụ lục I

c Thép c ờng độ cao

- Gồm các loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao trên

Dùng thép c ờng độ cao, tiếp kiệm đ ợc vật liệu tới 25 – 30%

Đ2 Sự làm việc của thép chịu t ả i trọng

1 Sự làm việc chịu kéo của thép

a Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo

Chiều dài ban đầu của mẫu

AA'

B C 20

10

30 40

o 2 4 6 8 10



 kN/cm2

20 10

30 40 50

60 70 80 90

Hình 1.3 Biểu đồ kéo của thép cacbon cao

1 biểu đồ kéo của thép cacbon cao;– Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005.

2 biểu đồ kéo của thép cacbon thấp (C T38) – biểu đồ kéo của thép cacbon thấp (CСT38) СT38).

2 Sự phá hoại giòn của thép

-Sự phá hoại giòn là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi

-Sự phá hoại dẻo là sự phá hoại với biến dạng lớn, vật liệu làm việc trong giai đoạn dẻo

b Thép chịu trạng thái ứng suất phức tạp - sự tập trung ứng suất

Hình 1.5 Biểu đồ chịu lực của thép

ở trạng thái ứng suất phức tạp

1 – Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005 1 và 2 cùng dấu; 2– 1 và 2 khác dấu; 3– biểu đồ tiêu chuẩn khi kéo một trục.

 Trạng tháI ứng suất phức tạp

-Lý thuyết dẻo ứng suất tiếp lớn nhất

(Tresca 1864):– Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005.

 Sự tập trung ứng suất





1 1

30 40 50

a) Các quĩ đạo ứng suất khi kéo; b) Biểu đồ thay đổi làm việc của thép

1 không có sự tập trung ứng suất (làm việc đàn hồi dẻo); 2 có sự tập trung ứng suất;– Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005 – Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005.

3– có sự tập trung ứng suất do rãnh cắt (làm việc giòn).

k = max / 0

b) các đặc tr ng biến đổi ứng suất.

Khi  = 1– Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005 :

d Sự hoá già của thép

-Cùng với thời gian giới hạn chảy và giới hạn bền tăng lên, độ giãn và

độ dai va đập giảm đi, thép trở nên giòn hơn

e ảnh h ởng của nhiệt độ

thay đổi, thép trở nên giòn hơn (giòn xanh)

 Nhiệt độ âm: khi t < 0oC, c tăng nh ng thép giòn hơn; t < 10 – Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005. oC

nứt

Mẫu thử

Bệ máy

Giá

đỡ

Hình 1.8 Mẫu thí nghiệm độ dai va đập.

a) hình mẫu thí nghiệm; b) dạng búa thí nghiệm a)

b)

§3 Qui c¸ch thÐp c¸n dïng trong x©y dùng

A a)

x y

H×nh 1.9 ThÐp gãc vµ øng dông

b ThÐp ch÷ I

y

x x

c ThÐp ch÷ [

h

y

x x

t

y

x x

d C¸c lo¹i thÐp h×nh kh¸c

y

x x

y

x x

y

x x

x x

B y

x x

y

x x

t t

Đ4 Ph ơng pháp tính Kết cấu thép

1 Ph ơng pháp tính kết cấu thép theo trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà kết cấu thôi không thỏa mãn các

yêu cầu đề ra đối với công trình khi sử dụng cũng nh khi xây lắp Đối với kết cấu chịu lực, ng ời ta xét các TTGH sau:

Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc không còn

sử dụng đ ợc nữa

 Nhóm TTGH thứ hai: không còn sử dụng bình th ờng đ ợc

 Đối với nhóm TTGH thứ nhất:

N  S

N nội lực trong cấu kiện đang xét gây bởi tải trọng tính toán – Tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005.

S – nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu đ ợc phụ thuộc các đặc

fu)

 Đối với nhóm TTGH thứ

hai:

  

– biến dạng hay chuyển vị của kết cấu d ới dạng tác dụng của

tải trọng tiêu chuẩn

2 C ờng độ tiêu chuẩn và c ờng độ tính toán

thống kê với xác suất đảm bảo là 95%

- Đối với thép không có biến dạng chảy (c ờng độ cao) và cả trong những

tr ờng hợp kết cấu có thể làm việc quá giới hạn dẻo thì c ờng độ tiêu

-Để xác định khả năng chịu lực của cấu kiện, phải nhân vào công thức

Trạng thái làm việc Ký hiệu C ờng độ tính toán

của con lan f cd f cd = 0,025 f u /M

Bảng 1.2 C ờng độ tính toán của thép cán và thép ống

b Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

-Tải trọng tiêu chuẩn là trị số lớn nhất có thể có của tải trọng trong

tr ờng hợp sử dụng bình th ờng

những sai lệch ngẫu nhiên khác với điều kiện sử dụng bình th ờng

c Tổ hợp tải trọng

-Tổ hợp cơ bản I và II

-Tổ hợp đặc biệt

Đ5 Tính toán cấu kiện

c n

f A

- Khi cho phép biến dạng dẻo lớn hoặc sử dụng thép c ờng độ cao không

có giới hạn chảy, có thể tính theo giới hạn bền:

u

c t n

f A

N





2 CÊu kiÖn chÞu uèn

- KiÓm tra bÒn theo TTGH 1:

c n

f W

f W

Δ

3 Cấu kiện chịu nén đúng tâm

- Kiểm tra bền với thanh ngắn:

c n

f A

π σ

max min

o o

min cr

cr

E

i l

E )

A l (

EI A

2

2 2

+ Công thức Euler chỉ đúng khi: cr ≤ tl

Đối với thép CCT38:

105 2000

10 06 ,

+ Khi  < 105, vật liệu thanh chịu nén

làm việc ngoài miền đàn hồi:

2

2 ,

+ C«ng thøc kiÓm tra:

ghA

N





4 CÊu kiÖn chÞu kÐo lÖch t©m vµ nÐn lÖch t©m

- CÊu kiÖn chÞu kÐo lÖch t©m vµ cÊu kiÖn ng¾n chÞu nÐn lÖch t©m

c n

n

f W

M A

f A

N





c

Hình 1.18 Một phần tiết diện bị chảy dẻo

- Kiểm tra ổn định trong mp vuông góc với mp có mômen:

c y

f A

Ch ¬ng 2: liªn kÕt

Trong kÕt cÊu thÐp dïng hai ph ¬ng ph¸p liªn kÕt chÝnh:

- Liªn kÕt hµn

- Liªn kÕt bul«ng (Liªn kÕt ®inh t¸n tr íc ®©y kh¸ phæ biÕn nay gÇn nh kh«ng ® îc

sö dông n÷a)

Dây dẫn

Que hàn

Hồ quang

Tay cầm Dây dẫn điện

Hình 2.1 Sơ đồ hàn hồ quang điện bằng tay

D©y hµn trÇn èng hót thuèc hµn

B×nh khÝ

M¸y hµn Cöa khÝ

 Các yêu cầu chính khi hàn

- Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn

- C ờng độ dòng điện phải thích hợp

- Đảm bảo các quy định về gia công mép bản thép

Đ2 Các loại đ ờng hàn và c ờng độ tính toán

1 Các loại đ ờng hàn

a Đ ờng hàn đối đầu

- Khi t > 8mm, hàn tay phải gia công mép các bản thép (bảng 2.2 trg 55)

b)

Hình 2.4 Đ ờng hàn đối đầu

+ Khi chÞu kÐo:

kiÓm tra chÊt l îng b»ng pp vËt lý: f wt = f kiÓm tra b»ng m¾t: f wt = 0,85f

Hình 2.6 Đ ờng hàn góc đầu lõm và thoảI

dùng khi chịu tảI trọng động

-ChiÒu cao ® êng hµn gãc ph¶i tháa m·n ®iÒu kiÖn:

H×nh 2.8 Sù ph©n bè øng suÊt trong ® êng hµn gãc c¹nh

- Sù lµm viÖc cña ® êng hµn gãc c¹nh

H×nh 2.9 D¹ng ph¸ ho¹i vµ tiÕt diÖn lµm viÖc cña ® êng hµn

a) d¹ng ph¸ ho¹i cña ® êng hµn gãc c¹nh; b) c¸c tiÕt diÖn lµm viÖc

- Sù lµm viÖc cña ® êng hµn gãc ®Çu

Ch©n ® êng hµn

N

N

H×nh 2.10 § êng lùc trong ® êng hµn gãc ®Çu

a) ® êng lùc; b) øng suÊt tËp trung.

-C ờng độ tính toán chịu cắt quy ớc của đ ờng hàn góc

C ờng độ kéo đứt tiêu

chuẩn f wun C ờng độ tính toán f wf

c ờng độ tính toán f w f của kim loại hàn trong

mối hàn góc

Đơn vị tính : daN/cm2

Tên gọi đ ờng hàn nhà máy đ ờng hàn công tr ờng

đ ờng hàn

đối đầu

đ ờng hàn góc

đ ờng hàn góc đứt

đoạn

a

Bảng 2.5 Ký hiệu các loại đ ờng hàn

amax  15 tmin đối với các cấu kiện chịu nén

amax  30 tmin đối với các cấu kiện chịu kéo hoặc các bộ phận cấu tạo

Đ3 Các loại liên kết hàn và ph ơng pháp tính toán

1 Liên kết đối đầu

N N





Hình 2.12 Liên kết hàn đối đầu chịu lực trục

a) đ ờng hàn đối đầu thẳng; b) đ ờng hàn đối đầu xiên.

- Đối với đ ờng hàn đối đầu thẳng góc chịu lực dọc

c wt w

w

tl

N A

N



- Đối với đ ờng hàn đối đầu xiên góc chịu lực dọc

t

b l

f tl

N

f tl

N

w

c wv w

w

c wt w

w

2 sin

cos sin

Hình 2.13 Liên kết hàn đối đầu

chịu mômen uốn và lực cắt

6

2

w w

c wt w

w

tl W

f W

- Khi liên kết hàn đối đầu chịu đồng thời mômen và lực cắt

w w

w w

c wt w

w td

tl V tl M

6

15,13

- TÝnh to¸n liªn kÕt ghÐp chång chÞu lùc trôc

f f

l h

f s

l h

lw = l 1cm– Tiªu chuÈn thiÕt kÕ TCXDVN 338:2005.

(fw)min=min[(ffwf , sfws)

ChiÒu dµi tèi thiÓu lw  4 h f vµ lw  40 mm

Riªng víi ® êng hµn gãc c¹nh lw  85 f h f

-Liªn kÕt thÐp gãc vµo b¶n m·

§ êng hµn sèng chÞu:

2 N

2 1

§ êng hµn mÐp chÞu:

N k

N2  ( 1  )

4 Liªn kÕt hçn hîp

N N

H×nh 2.20 Liªn kÕt hçn hîp

- Khi chÞu lùc däc, ®iÒu kiÖn bÒn cña liªn kÕt lµ:

c wc wt bg

A A

N l

5 Liªn kÕt hµn víi ® êng hµn gãc chÞu m«men vµ lùc c¾t

H×nh 2.21

c ws ws

6/

s ws

w f

f wf

l h

W

l h

wf

f A

V W

ws ws

f A

V W

2

b Liên kết bulông

Đ5 Các loại bulông dùng trong kết cấu thép

1 Cấu tạo chung của bulông

Hình 2.26 Cấu tạo của bulông

-Theo vật liệu bulông chia làm các lớp độ bền:

4.6, 4.8, 5.6, 5.8, …, 8.8, …, 10.9 , 8.8, …, 8.8, …, 10.9 , 10.9

2 Bulông thô và bulông th ờng

- Bulông thô và bulông th ờng sản xuất từ thép cácbon bằng cách rèn, dập, độ chính xác thấp

4 Bulông c ờng độ cao

- Bulông c ờng độ cao đ ợc làm từ thép hợp kim, sau đó cho

§6 Sù lµm viÖc cña liªn kÕt bul«ng

vµ kh¶ n¨ng chÞu lùc cña bul«ng

1 Sù lµm viÖc chÞu tr ît cña liªn kÕt bul«ng th«, bul«ng th êng

Kh¶ n¨ng lµm viÖc chÞu c¾t cña mét bul«ng:

3 x

a=2d

H×nh 2.29 Sù lµm viÖc Ðp mÆt cña bul«ng

Kh¶ n¨ng lµm viÖc chÞu Ðp mÆt quy íc cña mét bul«ng:

2 Sự làm việc chịu tr ợt của liên kết bulông c ờng độ cao

-Lực kéo P của thân bulông do xiết chặt êcu

(chính là lực ép lên mặt bản thép)

Hình 2.30 Sự làm việc chịu tr ợt của

bulông c ờng độ cao

4

2

o hb

d f

o hb

3 Sù lµm viÖc cña bul«ng khi chÞu kÐo

N/2 N/2

N

H×nh 2.31 Sù lµm viÖc chÞu kÐo cña bul«ng

- Kh¶ n¨ng chÞu kÐo cña mét bul«ng

§7 CÊu t¹o cña liªn kÕt bul«ng

1 C¸c h×nh thøc cÊu t¹o cña liªn kÕt bul«ng

NN

NN

NN

NN

2 Bè trÝ bul«ng

8t 4d

24t 16d

H×nh 2.35 Bè trÝ bul«ng

Kho¶ng c¸ch min

Kho¶ng c¸ch max

§8 TÝnh to¸n liªn kÕt bul«ng

1 TÝnh liªn kÕt bul«ng khi chÞu lùc trôc vu«ng gãc th©n bul«ng

-TÝnh to¸n sè l îng bul«ng theo

chÞu c¾t vµ Ðp mÆt (bl th«, th êng tinh)

Bµi to¸n kiÓm tra:

N

N n

Bµi to¸n thiÕt kÕ:



min

N n

N

[N]minb = min ( [N]vb , [N]cb )

- KiÓm tra thÐp c¬ b¶n bÞ gi¶m yÕu do lç bul«ng

f A

- Đối với liên kết dùng bulông c ờng độ cao, số l ợng bulông đ ợc tính:

Kiểm tra bền bản thép bị giảm yếu lấy diện tích bị giảm yếu nh sau:

2 TÝnh to¸n liªn kÕt bul«ng chÞu kÐo

- Bµi to¸n kiÓm tra bÒn

- Bµi to¸n thiÕt kÕ

N

3 TÝnh to¸n liªn kÕt bul«ng chÞu m«men vµ lùc c¾t

H×nh 2.40 Liªn kÕt bul«ng chÞu m«men vµ lùc c¾t

- Lùc lín nhÊt t¸c dông vµo mét bul«ng ë d·y bul«ng ngoµi cïng do M:

N N

N

Nbl  blM2  blV2  minbc blV 

4 Ký hiệu bulông, đinh tán trên bản vẽ

Bảng 2.12 Ký hiệu bulông, đinh tán

Lỗ tròn Bulông cố định (thô, th ờng, tinh)

Lỗ ôvan Bulông tạm (thô, th ờng, tinh)

§9 §¹i c ¬ng vÒ liªn kÕt ®inh t¸n

dlç= d + (1-1,5)mm

H×nh 2.43 C¸c lo¹i ®inh t¸n