GIÁO TRÌNH KẾT CẤU THÉP 1

III.Qui cách cán thép dùng trong xây dựng Thép góc đều cạnh là loại thép cán được sử dụng nhiều nhất trong kết cấu thép, rất thuận tiện cho việc liên kết cấu kiện, được dùng làm dàn vì k

Chương Mở Đầu: ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP

I Ưu - Khuyết điểm của Kết Cấu Thép:

+Ưu điểm: - Khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao

- Trọng lượng nhẹ và tính công nghiệp hóa cao

- Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp và Tính kín

+Khuyết điểm: - Bị ăn mòn, chịu nhiệt kém

- Mất khả năng chịu lực ở 500o – 600oC

II Phạm vi ứng dụng:

- Được ứng dụng để làm nhà công nghiệp, nhà có nhịp lớn

- Khung nhà nhiều tầng, cầu đường bộ, đường sắt …

- Được ứng dụng làm kết cấu tháp cao, kết cấu bản hay các loại kết cấu di động

- Được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, tàu thủy…

III Yêu cầu đối với Kết Cấu Thép:

- Kết cấu phải đảm bảo độ an toàn (phải đủ độ bền, độ cứng và đủ sức chịu đựng mọi tải

trọng)

- Phải đảm bảo độ bền lâu thích đáng của công trình ( tiến hành bảo dưỡng, kiểm tra, sơn

bảo vệ kết cấu…)

- Yêu cầu về kinh tế, sử dụng kết cấu thép tiết kiệm được vật liệu và tiện xây dựng; lắp

ráp nhanh, giảm bớt thời gian thi công, có thể chế tạo hàng loạt các cấu kiện khác nhau

Chương 1: VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP

I Thép xây dựng:

1.Phân loại thép xây dựng:

a.Theo thành phần hóa học của thép:

- Thép cacbon thấp (Hàm lượng cacbon ≤ 1,7% )

- Thép cacbon vừa, thép cacbon cao

- Thép xây dựng là loại thép có hàm lượng cacbon thấp ≤ 0,22%

(Thép hợp kim là loại thép có thêm các thành phần kim loại khác như: Cr, Ni, Mn có tỉ lệ

các nguyên tố phụ < 2,5%, có cường độ chịu lực cao và chống rỉ tốt.)

b.Theo phương pháp luyện kim

c.Theo mức độ khử Oxi

2.Cấu trúc và thành phần hóa học của thép:

Ferit là các hạt màu trắng, chiếm 99% thể tích, rất mềm

và dẻo

Xementit là các hạt màu vàng xen kẽ, thành phần

hóa học Sắtcacbua (Fe3C) rất cứng và giòn

Peclit :cường độ chịu lực trung gian giữa Ferit vàXementit

Mặt cắt mẩu thép hình tròn

Các kí hiệu trên Mác thép có ý nghĩa như sau:

CT : thép cacbon thường (thấp), con số đi sau chỉ độ bền kéo đứt, chữ n là thép nửa tĩnh

hoặc chữ s là thép sôi

Ví dụ: CT38nMn là thép cacbon thường có cường độ bền kéo đứt ≥ 380 N/mm2, thép nửa

tĩnh có thêm nguyên tố Mn

II.Sự làm việc của thép chịu tải trọng:

Sự làm việc chịu kéo (nén) của thép

III.Qui cách cán thép dùng trong xây dựng

Thép góc đều cạnh là loại thép cán được sử dụng nhiều nhất trong kết cấu thép, rất thuận tiện

cho việc liên kết cấu kiện, được dùng làm dàn vì kèo, thanh chịu lực, liên kết với các loại

thép khác, tạo thành tiết diện cột rỗng, tiết diện dầm chữ I

*.Các thông số kĩ thuật về thép góc: Tra trong bảng 1.4, 1.5 trang 286

b.Thép chữ I

-Có 23 loại tiết diện: h = 100  600 mm

-Thép được sản xuất có chiều dài từ 4 – 13 m

Vd : Thép hình dạng chữ I30 có chiều cao h = 300 mm

*.Ứng dụng :

Chủ yếu được làm dầm chịu lực chống uốn vì có moment kháng uốn và độ cứng lớn theo

phương trục X, nếu dùng làm cột thì tăng thêm tiết diện của cánh

-Các thông số kĩ thuật về thép chữ I tra bảng 1.6 trang 296

c.Thép chữ C :

-Thép chữ C có 22 loại có chiều cao h từ 50 – 400 mm, chiều dài sản xuất từ 4 – 13 m

-Ừng dụng chủ yếu làm dầm chịu uốn đặc biệt dùng làm xà gồ, liên kết với các loại thép

khác để làm cột, làm dàn

-Các thông số kĩ thuật của thép chữ C tra bảng 1.7/298

2.Thép tròn :

-Có 2 loại : có gân và không gân

+ Loại có gân thường dùng 10-32

+ Loại không gân thường dùng 6 -10

-Kết hợp với bê tông làm thành các cấu kiện dầm, cột, vách cứng, bản Ngoài ra còn có các

loại thép khác:

-Thép tấm có chiều dày: t = 0,2 – 60 mm

* được ứng dụng làm các kết cấu nhà thép tiền chế( zamil), dạng bảng, bể chứa, đóng tàu

thuyền…

IV Phương pháp tính cấu kết thép:

*Tính theo trạng thái giới hạn ( TTGH )

Mục đích của việc tính toán kết cấu là đảm bảo cho kết cấu an toàn về khả năng chịu lực

trong khi vẫn đảm bảo ít tốn kém vật liệu và nhân công

-Tính kết cấu theo trạng thái giới hạn thứ 1: kết cấu mất khả năng chịu lực hoặc không còn

sử dụng được nữa( kết cấu bị phá hoại bền mất ổn định, mất cân bằng,kết cấu bị biến đổi

hình dạng)

-Tính kết cấu theo trạng thái giới hạn thứ 2: kết cấu không còn sử dụng bình thường được

nữa( sử dụng bình thường là sử dụng theo đúng yêu cầu thiết kế) : bị võng,bị lún, bị rung, bị

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

Khả năng chịu lực S là :

( TH1)

( TH2)

Bảng cường độ tính toán của thép

Trạng thái làm việc Kí hiệu Cường độ tính toán

Ép mặt lên đầu nút (khi tì sát)

Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc

mặt

Ép mặt theo đường kính của con lăn

*Trong đó

- : cường độ tính toán của thép chiu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn chảy

- : cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép

- : cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt

- : cường độ tính toán của thép theo sức bền kéo đứt

- : cường độ tính toán chịu cắt của thép

- : hệ số làm việc cấu kiện ( Tra phụ lục I.14./306)

- : hệ số an toàn vật liệu = 1,05

- : hệ số an toàn đối với cấu kiện khi tính giới hạn bền( =1,3)

-A : diện tích của tiết diện thực

V.Tính toán cấu kiện

1.Cấu kiện chịu kéo nén đúng tâm

( TH1)

N ( TH2)

2.Cấu kiện chịu uốn

Trong đó :

- : moment chống uốn của tiết diện thực

-I :moment quán tính của tiết diện thực

S : moment tĩnh của phần tiết diện trượt đối với trục trung hòa

t : bề dày cấu kiện

-M,V : moment uốn và lực cắt do tải trọng tính toán

VD : 1.Kiểm tra khả năng chịu lực(theo 2 trường hợp) của cột thép đặc chịu nén có tiết diện

I20 dùng loại thép (CT34) chịu tác dụng bởi lực nén N = 40 T (như hình vẽ)

2.Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm thép đặc có tiết diện I10 (theo TH1), dùng thép

CT34, chịu tác dụng của tải trọng tập trung P=100 kN(như hình vẽ) Nếu không đủ KNCL

bạn hãy thiết kế lại chọn tiết diện I khác để chịu được tải trọng trên

Chương 2 : LIÊN KẾT Bài 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC LOẠI LIÊN KẾT

Tất cả các công trình kết cấu thép được hình thành do sự tổ hợp các cấu kiện thông qua các

công cụ liên kết

I.Liên Kết Đinh Tán:

Cách thức thi công : khoan lỗ qua thép cơ bản nung đỏ 1 đầu còn lại, sau đó luồn đinh vào lổ

và tán đầu đinh còn lại

-Ưu điểm : chịu tải trọng động rất tốt

-Nhược điểm : khó thi công ở độ cao lớn và cần nguồn nhiệt lớn.Hiện nay hạn chế dùng

II.Liên Kết Bulông:

-Cách thức thi công khoan lỗ qua thép cơ bản, luồn bulông và xiết ốc vít

-Đặc điểm : có thể chế tạo nhiều loại bulông có đường kính khác nhau và khả năng chịu lực

khác nhau

-Thi công nhanh không cần nguồn nhiệt, cơ động cho mọi công trình, đặt biệt cho các kết

cấu tháp trụ …liên kết bu lông vẫn phổ biến rộng rãi

III.Liên Kết Hàn:

-Tiết kiệm vật liệu, không thu hẹp tiết diện chịu lực, tính kín

-Chịu tải trọng động kém

-Không dùng cho thép cường độ cao, không cơ động trong quá trình thi công, khi thi công

đòi hỏi người thi công phải có tay nghề nhất định

-Hiện nay tất cả liên kết, liên kết hàn được dùng 70%

IV.Liên Kết Dán Keo:

-Là loại liên kết sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai

Bài 2.2 LIÊN KẾT HÀN I.Các Phương Pháp Hàn:

-Đn : hàn là quá trình nối các vật liều bằng cách nung nóng cục bộ chúng đến nhiệt độ thích

hợp để cho chúng chảy lỏng hòa vào nhau thành 1 khối rắn chắc sau khi nguội

1 Hàn Hồ Quang Điện Bằng Tay

-Khi va chạm que hàn vào thép cơ bản dưới tác dụng của dòng điện xuất hiện hồ quang điện

tại nơi va chạm

-Nhiệt độ của lửa hồ quang >3200c0 làm nóng chảy thép cơ bản và que hàn tại rãnh hàn,

chúng hòa lẫn vào nhau nguội lại thành đường hàn

Bảng que hàn dùng ứng với mác thép

Loại que hàn có thuốc bộc Mác thép

TCVN : 3223 : 1994 CT34, CT38, CT42, CT 52 N42, N46

09Mn2, 14Mn2

09Mn2Si , 10Mn2Si

N46, N50 -Lõi hàn làm điện cực và lắp đầy rãnh hàn

-Vỏ bọc là lớp thuốc khi cháy tạo nên lớp xỉ bao bọc xung quanh không cho oxi vào kim loại

nóng chảy Bọc thuốc còn làm tăng độ bền cho đường hàn

2.Hàn hồ quang điện nửa tự động

-Dùng để hàn những tấm thép có chiều dày , hay dùng để cắt kim loại

5.Các yêu cầu chính khi hàn và phương pháp kiểm tra

-Yêu cầu : làm sạch rãnh hàn, cường độ dòng điện thích hợp, đảm bảo quá trình gia công

mép thép, chọn que hàn thích hợp

-Kiểm tra :+ kiểm tra bằng mắt (bên ngoài nhìn đường hàn lồi lõm không điều, rạn nứt

+ kiểm tra bằng phương pháp vật lí khi cần có độ chính xác cao, chiếu điện từ

hoặc sóng siêu âm

II.Các Loại Đường Hàn và Cường Độ Tính Toán

1.Đường Hàn Đối Đầu

-Liên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm trên một mặt phẳng

-Đường hàn đối đầu có thể cùng trục và khác trục với cấu kiện( đường hàn xiên)

b)

-Khi hàn các thép bản có chiều dày t > 8mm để đảm bảo chất lượng đường hàn, ta cần phải

gia công mép thép( SGK/55)

-Sự làm việc và cường độ tính toán của đường hàn đối đầu

+Thường áp dụng để nối các tấm thép có chiều dày xấp xỉ bằng nhau, không tốn kém

vật liệu và khả năng truyền lực tốt

+Khi chịu nén cường độ tính toán fwc=f

: cường độ tính toán chịu nén của đường hàn

+Khi chịu kéo kiểm tra bằng phương pháp vật lí

: cường độ tính toán chịu kéo của đường hàn

f : cường độ tính toán chịu kéo, nén, uốn của thép tính theo giới hạn chảy

+kéo kiểm tra bằng mắt thường

Vd CT34 : f = 2100

fwt = 1800

+Khi đường hàn chịu cắt

: cường độ tính toán chịu cắt của đường hàn

-Cấu tạo : đường hàn góc nằm ở góc vuông của 2 cấu kiện cần hàn

-Khi chịu tải trọng động để giảm bớt ứng suất tập trung trong đường hàn góc đầu người ta

dùng đường hàn thoải hoặc lõm (tỷ số hai cạnh là 1:1,5)

+ Đường hàn góc cạnh chịu đồng thời ứng suất cắt và uốn

+Đường hàn góc đầu: chịu đồng thời ứng suất cắt, kéo và uốn, nhưng trong tính toán

coi chúng chịu cắt qui ước

Bảng cường độ kéo đứt tiêu chuẩn f wun và cường độ tính toán f wf của kim loại hàn trong mối

+Ứng với tiết diện 1 : là cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn, kí hiệu

+Ứng với tiết diện 2 : là cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy, kí

hiệu

fws=0,45fwun

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

I.LIÊN KẾT ĐỐI ĐẦU

.t : chiều dày của thép cơ bản

: chiều dài của đường hàn

( : đường hàn thẳng góc)

: hệ số điều kiện làm việc của đường hàn

: ứng suất pháp của đường hàn

: ứng suất tiếp của đường hàn

: chiều dài của đường hàn đối đầu có góc xiên là

Trong đó: là moment kháng uốn của đường hàn ( lực dọc

Ví dụ 1: Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu liên kết 2 bản thép

txb= 10 x 250 (mm) chịu tác dụng lực kéo Dùng thép CT34 phương

pháp kiểm tra thông thường

N N

10

-Xác định chều dài của đường hàn

-Khả năng chịu lực của đường hàn chịu kéo

V = 25T, = 0,8.Dùng thép CT34, phương pháp kiểm tra thông thường

-Xác định chiều dài của đường hàn

-Khả năng chịu lực của đường hàn chịu nén

Vậy đường hàn đủ khả năng chịu lực

Lấy fwt= 1800kG/cm2

Vd: cho cấu kiện liên kết như hình vẽ, chịu tác dụng của ngoại lực

N = 300kN, dùng đường hàn đối đầu để liên kết 2 bản thép t x b = 8 x 200 (mm), dùng thép

CT34, hệ số làm việc của cấu kiện = 0,9 Hỏi : kiểm tra khả năng chịu lực của đường hàn

Nếu không đủ KNCL bạn hãy TK lại đường hàn

a.Chiều dài đường hàn

Khả năng chịu lực của đường hàn chịu kéo

=

Đường hàn không đủ khả năng chịu lực

b.Thiết kế lại đường hàn

Chọn đường hàn xiên góc với trục 1 góc như hình vẽ:

(hình)

= 1200.0,9 = 1080 (

Ta có :

Đường hàn đủ khả năng chịu lực

VD Cho dầm thép định hình có tiết diện chữ I 30 chịu tải trọng như hình vẽ Cường độ

chịu nn, ko, uốn của thp bằng 210 MPa; chịu cắt 150 MPa, dng que hn N 42, cĩ hệ số lm việc

c =0,9

a) Vẽ biểu đồ nội lực cho dầm

b) Có thể nối dầm tại A, B bằng đường hàn đối đầu thẳng góc được không, tại sao ?

2.Liên Kết Ghép Chồng Dùng Đường Hàn Góc

a.Cấu tạo

-Độ bền của đường hàn được kiểm tra đồng thời theo 2 tiết diện

+ Theo tiết diện 1( vật liệu đường hàn) :

+ Theo tiết diện 2(thép cơ bản ) :

Trong đó

: tổng chiều dài đường hàn

: chiều cao đường hàn hệ số

: điều kiện làm việc

hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn ( tra bảng / 67)

;

cường độ tính toán chịu cắt qui ước của thép đường hàn và thép cơ bản biên nóng

chảy theo 2 tiết diện 1 & 2

fwf=fwt

fws=0,45fu

*Khi thiết kế

-Ta chọn :

-

- (nếu tính ra 40 thí phải lấy = 40 mm)

: là giá trị nhỏ nhất trong 2 giá trị:

VD: thiết kế lin kết hn giữa thanh thp gĩc L80x6 với thp bản t=12mm, chịu tc dụng của lực

ko N= 2,5T, Dùng thép CT34, , dng que hn N42

L80x6

N

12

2.Thiết kế liên kết hàn giữa 2 thanh thép góc có số hiệu và thép cơ bản có

chiều dày t = 14 mm chịu tác dụng của lực kéo N = 800 KN dùng thép CT34, N42, Hệ số

điều kiện làm việc

Tổng chiều dài đường hàn

Chiều dài đường hàn sóng

Ta có :

cm Chiều dài đường hàn mép

VD: Thiết kế liên kết hàn giữa các thép góc với thép bản tại một mắt dàn ( xem hình)

Dùng thép CT34 có cường độ tính toán f=2100KG/cm2, que hàn N42, hàn tay, thép không

đều cạnh hàn theo theo phương cạnh dài

Hệ số điều kiện làm việc: + c =0,95 tính cho thanh số 1

Hình 16: liên kết hàn có bản ghép

2.Tính tốn liên kết cĩ bản ghép chịu lực

-Kiểm tra độ bền bản ghép

: diện tích tiết diện bản ghép

A : diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản

-Kiểm tra độ bền theo 2 tiết diện

: moment kháng uốn đường hàn theo tiết diện 1

: moment kháng uốn đường hàn theo tiết diện 2

: diện tích tính toán của đườn hn theo tiết diện 1 v 2

Vd : Tính liên kết Congsol chữ I và 1 thép bản có tiết diện 500x200x13 chịu tác dụng lực cắt

: V= 700 KN Đặt lệch tâm so với đường hàn 1 đoạn a = 150 mm Dùng thép CT34, que hàn

,

150V

Moment lệch tâm = 15.7000 = 1050 (KG.cm)

Khả năng chịu lực của đường hàn theo tiết diện 1 :

Xét một dầm đơn giản, có chiều dài nhịp L= 12m Dùng thép định hình có tiết diện mặt cắt

dạng chữ I33, chịu tải trọng phân bố đều như hình vẽ Do chiều dài thép không đủ nên phải

nối dầm tại B cách gối một đoạn 3m dùng phương pháp hàn có bảng ghép như hình vẽ Dùng

thép CT34, que hàn N42, phương pháp kiểm tra thông thường, hệ số làm việc của cấu kiện

γc=0.9

BÀI TẬP 2:

Xác định khả năng chịu kéo của một liên ghép chồng hai bảng thép như hình vẽ Dùng

đường hàn góc, thép CT34, que hàn N42, hàn tay phương pháp kiểm tra thông thường, hệ số

làm việc của cấu kiện γc=0.95

9x20010x250

N N

100

BÀI TẬP 3:

Thiết kế đường hàn góc liên kết ghép chồng 2 bảng thép chịu kéo có kích thước tiết diện

t1xb1=8x200mm và t2xb2=10x250mm Dùng đường hàn góc đầu và góc cạnh như hình vẽ

Dùng thép CT34, que hàn N42, phương pháp kiểm tra thông thường, hệ số làm việc của cấu

kiện γc=0.9

8x200

BÀI TẬP 4:

Thiết kế hai tấm thép cơ bản chịu lực kéo N=450 kN, có kích thước txb=10x220 mm, dùng

đường hàn góc có bảng ghép Dùng thép CT34, que hàn N42, phương pháp kiểm tra thông

thường, hệ số làm việc của cấu kiện γc=0.9 Có bao nhiêu phương án thiết kế hãy trình bày

HƯỚNG DẨN

N N

10x220 10

=5t

10x220

N N

50

lwx

N N

a)

b)

c)

BÀI TẬP 5:

Xét một dầm đơn giản, có chiều dài nhịp L= 12m Dùng thép định hình có tiết diện mặt cắt

dạng chữ I33, chịu tải trọng phân bố đều như hình vẽ Do chiều dài thép không đủ nên phải

nối dầm tại A giữa dầm dùng phương pháp hàn có bảng ghép như hình vẽ Dùng thép CT34,

que hàn N42, phương pháp kiểm tra thông thường, hệ số làm việc của cấu kiện γc=0.9

M M

l

N N