Bài giảng Kết cấu thép trong xây dựng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠNG TRÌNH BỘ MƠN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH Bài giảng KẾT CẤU THÉP TRONG XY DNG SSB316 H Ni 9/2021 Trờng đại học thủy lợi Bộ môn kết cấu công trình KT CU THÉP TRONG XÂY DỰNG Giảng viên: TS Ngô Văn Thuyết Email: thuyet.kcct@tlu.edu.vn Bộ mơn: Kết cấu cơng trình – Phịng 418.A1 C¬ häc lý thut Søc bỊn vËt liƯu C¬ học kết cấu Kết cấu công trình Kết cấu BTCT Kết cấu thép Kết cấu gạch đá g Phần mềm sap NỘI DUNG MÔN HỌC Chương mở đầu: Đại cương Kết cấu thép Chương 1: Vật liệu làm việc KCT Chương 2: Liên kết Chương 3: Dầm thép Chương 4: Cột thép Chương 5: Giàn thép GIÁO TRÌNH & TÀI LIỆU: • Kết cấu thép – Cấu kiện Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Lưu Văn Tường Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2013 • Bài giảng Kết cấu thép ngành Xây dựng dân dụng Cơng nghiệp – Bộ Mơn KCCT • Ví dụ tính tốn Kết cấu thép Hồng Văn Quang, Hàn Ngọc Đức, Nguyễn Quốc Cường Nhà xuất xây dựng, năm 2013 Chơng M U ĐạI CƯƠNG Về kết cÊu thÐp KCT kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm thép kim loại khác nói chung KCT tạo nên thanh, liên kết lại với Xây dựng dân dụng công nghiệp Khung nhà công nghiệp Mái sân vận động quốc gia Mỹ Đình Dàn nhịp 157m, cao 9m, thép ống ®ưêng kÝnh trªn 1m KÕt cÊu thÐp lín nhÊt c thực Việt Nam Dàn khoan dầu mỏ biển 10 Cột đIện cao 11 Tháp eiffel Pháp (1889) vị trí: paris pháp Năm hoàn thành: 1889 Giá trị: 1.5 triệu USD Chiều cao: 324m VËt liƯu: s¾t rÌn ThiÕt kÕ: Gustave Eiffel Năm đợc sơn lại lần với 50 sơn màu nâu sẫm Từ khánh thành Cể trấn 170 triệu ngời thăm quan Tên 72 nhà khoa học cá nhân tiếng đợc khắc xung quanh chân tháp Từ mặt đất lên đến tầng có 347 bậc, tầng có 674 bậc, lên tầng đỉnh tháp có 1710 bậc Trong ngày trời sáng, từ đỉnh tháp trông xa 42 dặm 12 Tháp Tokyo Nhật (1958) vị trí: Tokyo nhật Năm hoàn thành: 1958 Chiều cao: 333m Th¸p thÐp cao nhÊt thÕ giíi hiƯn Sư dụng 28000 lít sơn 140 thùng Tháp đợc sơn màu trắng màu cam theo quy tắc an toàn hàng không 176 đèn đợc lắp, thay đổi ánh sáng theo mùa Mùa đông ánh sáng màu cam, mùa hè ánh sáng trắng 23 hệ thống tín hiệu phát truyền HèNH đợc lắp tháp 13 Cẩu tháp 14 Giao thông 15 Cầu long Biên Hà Nội 16 Cầu chơng Dơng Hà Nội 17 Cầu Hàm Rồng Thanh Hóa 18 Cỏch 2: Gia cưêng b»ng cỈp sưên däc KÝch thưíc sưên däc: bsd ≥ 10tw ; tsd ≥ 0,75tw ; bsd  bo  ≤ ; tsd  t   bo   t  lÊy ë b¶ng 4.4/186 Khi gia cường bụng cột sườn dọc phải kể thêm tác dụng sườn dọc vào tính tốn Kiểm tra: h  hw ≤   w ; tw  tw  Khi I sd ≤ hw t w3 :  = 1+ Khi I sd > hw t w3 :  = 1; 0, I sd  0,1I sd3  1− ;  hw t w  hw tw3   t b3 b +t   I sd =  sd sd + t sd bsd  sd w   ;     12 Việc gia cường bụng cột sườn dọc làm tăng cơng chế tạo Do đó, sườn dọc thường sử dụng với cột có chiều cao > 1m Khi hw E > 2, tw f phải đặt sườn cứng ngang cách a = (2,5 ÷ 3)hw ;  f ;  t s ≥ bs E  KÝch thưíc h  sưên ngang:  bs ≥ w + 40 mm ; bố trí cặp sườn đối xứng; 30  hw   bs ≥ 24 + 50 mm ; bố trí sườn bên  + Ổn định cục cánh: bo  bo  ≤ t f  t   bo   t  lÊy ë b¶ng 4.4/186 Xác định khả chịu lực cột đặc chịu nén tâm: [ N ] = {[ N ]b , [ N ] };  [ N ]b = An f  c ;  N =  Af  ; c [ ] THIẾT KẾ CỘT RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM NHÁNH (BẢN GIẰNG, THANH GIẰNG) Môc tiêu: + Chọn số hiệu thép làm nhánh cột + Chọn khoảng cách nhánh cột + Kích thớc hệ giằng Sự làm việc cột rỗng: + Đối với trục thực y-y: Hệ giằng ảnh hởng đến làm việc cột theo trục thực y-y nên cột làm việc nh cột đặc A = Af ; y = Iy iy = A = ly iy I yo Af ; I yo = Af = i yo ;  y = ly i yo ;  = f (y ) + §èi víi trơc ¶o x-x: Khi cét bÞ n quanh trơc ¶o x-x, phát sinh nội lực cắt làm cho nhánh cột bị trợt so với Hệ giằng chống lại trợt này, xuất nội lực biến dạng Hệ số uốn dọc trờng hợp phụ thuộc vào giá trị độ mảnh tơng đơng o t hệ số kể đến ảnh hởng biến dạng hệ bụng rỗng lực cắt gây = f (o ); o = t x ; §èi víi cét b¶n gi»ng: Khi: n > :  o = n= ix =  x + 0,82 12 (1 + n ) I xoC t d3 a l ; I b = b b ; 1 = ; x = x ; I ba 12 ixo ix Ix = A ( )   I xo + A f C   = Af I xo  C  C  +   = ixo +  ; Af   2 2 lf 2 Khi: n ≤ : o = x + 1 ; 1 = ; ixo §èi víi cét gi»ng: x =  o = x + 1 lx C  ; ix = ixo +  ; ix 2 A = Af ; α1 phụ thuộc vào góc nghiêng θ : 1 = Góc θ α1 α2 A Ad 2 sin  cos  30o 35o 40o 45o 50o – 60o 45 37 31 28 26 Ad1 tổng diện tích tiết diện bụng xiên tiết diện cột, nằm mặt cột vng góc với trục 1-1 Ad1 = 2At với hệ bụng tam giác; At diện tích tiết diện bụng xiên; TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CỘT RỖNG NHÁNH + Chän số hiệu thép làm nhánh cột + Xác định khoảng c¸ch nh¸nh (C) a) Chän tiÕt diƯn nh¸nh cét: + Cột chịu nén tâm nên mong muốn: [N]y = [N]x → λy = λo + DiƯn tÝch cÇn thiết nhánh cột (dựa vào điều kiện ổn ®Þnh víi trơc thùc y-y) : A f ,ct = N ;  y = f (y ) ; 2 y f c Giả thiết ygt = (40 ữ 90) theo giá trị lực dọc N, ygt [] + Bán kính quán tính cần thiết: i y ,ct = ly ygt Dựa vào bảng thép chọn nhánh cột theo Af,ct iy,ct + Kiểm tra lại tiết diện đ5 chọn với trục y-y: N f  c; y A A = Af ; b) Xác định khoảng cách nhánh (C): Từ ®iỊu kiƯn ỉn ®Þnh: λo = λy Bản giằng Thanh giằng Sơ coi n ≤ 1/5: o = x2 + 1 o = x + 12 =  y → x ,ct = y − 12 ; ix ,ct = lx ; x ,ct → x ,ct = y − 1 ixo Cct     A l ; ix ,ct = x ; Ad x ,ct  Cct  Lại có: ix ,ct = ixo +     Chọn giằng → 1 = l f ≤ 40  Lại có: ix ,ct = ixo2 +  A = y Ad → Cct = ix2,ct − ixo2 2 → Cct = ixct − ixo2 c) Kiểm tra lại tiết diện đà chọn: + KiĨm tra ®iỊu kiƯn bỊn: = + KiĨm tra ®iỊu kiện ổn định: N fc An = N A ≤ fc φmin ứng với λmax = max(λy , o) + Kiểm tra độ mảnh: max [  ] d) Xác định khả chịu nén cột rỗng: [ N ] = {[ N ]b , [ N ] };  [ N ]b = An f  c ;  N =  Af  ; c [ ] TÍNH TỐN THIẾT K H GING BN GING, THANH BNG Xác định lực tác dụng vào hệ giằng: Khi b ổn định, cét bÞ uèn cong → sinh M → lùc cắt V V y Lực cắt V đợc giả thiết phân bố dọc chiều cao cột hoàn toàn hệ giằng chịu, gọi lực cắt quy ưíc Vf :  E N V f = 7,15 ×  2330 −  × × 10−6 ,  = f ( o ) f   Khi tÝnh sơ bộ, lực cắt quy ớc Vf tính sau: V f = V f A (daN ) A diện tích tiết diện nguyên cột (cm2); V f tra bảng 4.7/205 Lực cắt quy ớc tác dụng mặt rỗng cột (Vs) Vs = nrV f nr = 0,5 víi cét nhánh; nr = 0,8 với cột nhánh KÝch thưíc b¶n gi»ng: TÍNH TỐN BẢN GIẰNG  1 tb = ÷ 12 ( mm ) ; tb =  ÷  d b ; tb ≥ bb ; d b = ( 0,5 ÷ 0,8) h 50  10 30  Giả thiết: Khi bị ổn định, giằng nhánh cột bị uốn theo hình sóng; Điểm có mơ men giằng đoạn nhánh cột Vs a Vs a   M b = 2 = ; Từ điều kiện cân bằng: Tb = M b = Vs a ; C C  Kiểm tra đường hàn góc:  w,M = 6M b Tb ;  w,V = ;  h f lw2  h f lw TÍNH TỐN THANH BỤNG N tx = Vs nt sin  nt = víi bơng tam gi¸c; nt = víi bơng hình thoi Tiết diện bụng đợc chọn theo điều kiện ổn định Chỳ ý: chiu di tớnh toỏn ca bụng xiên lấy chiều dài hình học (μ = 1) N tx  ≤ f  c;  = Sau đó, kiểm tra lại tiết diện đ5 chọn:   At  ≤ [  ] = 150;  TÍNH TỐN CỘT ĐẶC CHỊU NÉN LỆCH TÂM N M Trong mặt phẳng uốn (đối với trục x): có M N Ngoài mặt phẳng uốn (đối với trôc y): chØ cã N Kiểm tra cường độ:  = N Mx ± y ≤ fc An I nx 10 a) Kiểm tra ổn định mặt phẳng uốn (®èi víi trơc x):  e = f ( me , x ) x = x = Tra ë B¶ng II.2/306 N ≤ fc e A f e M A ; me =  mx =  x =  x ; E x N Wxc η lµ hƯ số kể đến ảnh hởng hình dạng tiết diện đến phát triển biến dạng dẻo, tra bảng II.4/310 b) Kiểm tra ổn định mặt phẳng uốn (trục y): y tra bảng II.1/305 phụ thuộc vào y f Khi mx ≤ : c =  ; +  mx Khi mx ≥ 10 : c = 1+ = N ≤ fc c y A α, tra bảng 4.9/222 b lấy nh dầm, với cánh nén có điểm cố kết trở lên Víi tiÕt diƯn kÝn φb = 1,0 ; m x y b Khi < mx < 10 : c = c5 ( − 0,2mx ) + c10 ( 0,2mx − 1) ; c5 =  ; c10 = + 5 ; 10 y 1+ b TÍNH TỐN CỘT RỖNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM (n quanh trục thực x-x) a) Kiểm tra ổn định mặt ph¼ng uèn (x-x):  = N ≤ fc e A  e = f ( me , x ) Tra Bảng II.2/306 (nh cột đặc chịu nén lệch tâm) x = x x = f e M A ; me =  mx =  x =  x ; E x N Wxc l x lx = ; ix ixo A = Af ; Wxc = I x I xo = ; z1 z1 b) Kiểm tra ổn định mặt phẳng uốn (trục y):  = c  A ≤ f  c y N y = ly iy = ly   i +  zo +  2  ; yo 11 03-Sep-21 CHƯƠNG 5: GIÀN THÉP - Là kết cấu rỗng chủ yếu chịu uốn, gồm quy tụ liên kết với nút giàn thông qua thép (bản mã) - Giàn gồm: cánh trên, cánh bụng (đứng xiờn) Ưu điểm - Chịu uốn tốt, thích hợp cho kết cấu nhịp lớn, yêu cầu độ võng nhỏ - TiÕt kiƯm vËt liƯu v× chØ cã lực dọc (kéo nén) - Kết cấu đa dạng, thỏa mÃn điều kiện chịu lực kiến trúc - Chế tạo đơn giản, hình thức đẹp Nhà ga 03-Sep-21 Cầu Sydney Sân bay Malaysia 03-Sep-21 Cửa van thủy lợi Các loại hình dạng giàn thép thờng gặp: + Giàn tam giác: + Giàn cánh song song: + Giàn hình thang: + Giàn đa giác: + Giàn cánh cung: 03-Sep-21 Các hình thức tiết diện giàn thờng gặp: Kớch thc chớnh ca gin Nhp gin (L): Là khoảng cách tâm gối tựa giàn, L = 18; 21; 24; 27; 30; 33; 36 m Chiều cao giàn (h): + Với giàn cánh song song, giàn hình thang, chiều cao (h) hợp lý (1 ÷ ) L Do yêu cầu vận chuyển lắp dựng, (h) thường lấy (1 ÷ ) L + Với giàn tam giác: (h) phụ thuộc vào độ dốc mái Với độ dốc mái từ 22o đến 40o (1 ÷ ) L; ho = 450 mm Khoảng cách nút giàn: Là khoảng cách tâm nút cánh; thường từ 1,5 ÷ m (6m) Bước giàn (B): Là khoảng cách giàn công trình, thường B = 6m 03-Sep-21 HƯ gi»ng kh«ng gian Gồm: hệ giằng cánh trên, hệ giằng cánh dới, hệ giằng đứng Chiều dài tính toán giàn Vi cánh nằm phạm vi điểm cố kết mà có trị số N1, N2 (N1 > N2) thì:  N2  l y =  0,75 + 0,25  l1 N1   03-Sep-21 THIẾT K THANH GIN Các giả thiết: + Trục đồng quy nút giàn; + Tải trọng đặt trùc tiÕp vµo nót giµn; + Xem nót giµn lµ khíp; Pi qc Tải trọng: Tĩnh tải Hoạt tải Pi = dt + d f q c B q dt df Néi lùc: Dïng phư¬ng pháp học kết cấu để xác định nội lực Nội lực giàn lực dọc N (kÐo hc nÐn), cã thĨ cã M CHỌN VÀ KIỂM TRA TIẾT DIỆN THANH GIÀN Chọn tiết diện hợp lý: Có ix ≈ iy nên phù hợp với có lx = ly Có ix ≈ 0,5iy nên phù hợp với có ly = 2lx Có ix ≈ 0,75iy nên phù hợp với có lx = 0,8ly (thanh bụng) Có ix ≈ iy nên phù hợp với có lx = ly (thanh đứng nhịp giàn) 03-Sep-21 THANH GIÀN CHỊU KÉO Diện tích cần thiết: Act = N fc Dựa vào dạng tiết diện hợp lý bảng thép góc để xác định số hiệu thép góc, tra đặc trưng hình học tiết diện Kiểm tra lại tiết diện vừa chọn: N Kiểm tra bền:  = A ≤ f  c n Kiểm tra độ mảnh: max ≤ [  ] [λ] – độ mảnh giới hạn lấy theo bảng I.16/303, 304 THANH CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM lx  ix ,ct =  gt N Diện tích cần thiết: Act = Bán kính quán tính cần thiết:  l  fc i = y  y ,ct gt Với giả thiết λgt = 60 ÷ 80 cho cánh; λgt = 100 ÷ 120 cho bụng; Dựa vào dạng tiết diện hợp lý bảng thép góc để xác định số hiệu thép góc, tra đặc trưng hình học tiết diện Kiểm tra lại tiết diện vừa chọn: Kiểm tra bền:  = N ≤ fc  A Kiểm tra độ mảnh: max = max ( x , y ) ≤ [  ] 03-Sep-21 THANH CHỊU NÉN LỆCH TÂM (N, M) Kiểm tra cột chịu nén lệch tâm: Kiểm tra ổn định mặt phẳng uốn: = N ≤ fc e A Kiểm tra ổn định mặt phẳng uốn: = N ≤ fc c y A Kiểm tra cường độ:  = N Mx ± y ≤ fc An I nx Kiểm tra độ mảnh: max = max ( x , y ) ≤ [  ] THIẾT KẾ NÚT GIÀN + Lựa chọn mã có hình dạng đơn giản; + Chiều dày mã chọn dựa vào lực dọc lớn xiên đầu giàn; Tính tốn liên kết hàn góc: Chiều dài đường hàn sống: ∑l w1 ≥ kN  c h f (  f w ) Chiều dài đường hàn mép: ∑l w2 ≥ (1 − k ) N  c h f (  f w )