đề cương ôn tập kết cấu thép

đề cương ôn tập kết cấu thép.....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN: KẾT CẤU THÉP

Câu 1: Trình bày các ưu nhược điểm của Kết cấu thép?

Trả lời:

1 Ưu điểm

- Chịu kéo tốt, khả năng chịu lực cao ngay sau khi chịu kéo, chịu nén, và chịu uốn

- Vượt được nhịp lớn do thép có trọng lượng bản thân nhỏ => làm tăng khả năng thông thuyền

- Dễ dàng kiểm nghiệm, tăng cường và sửa chữa

+ Tăng cường: nâng cao khả năng chịu lực của kết cấu so với ban đầu

+ Sửa chữa: giữ nguyên khả năng chịu lực của kết cấu như ban đầu

- Hình thức liên kết trong kết cấu thép đơn giản, gồm: đường hàn, đinh tán, và bu lông cường độ cao => đầy nhanh tiến độ thi công

- Có modun đàn hồi cao, tính dẻo lớn, vì vậy chịu được tải trọng xung kích (tải trọng đoàn tàu) => kết cấu đường sắt

Câu 2: Trình bày khái niệm các thuộc tính cơ bản của thép: cường độ chảy, cường độ kéo đứt, độ

dẻo, độ rắn, độ dai Các thép công trình theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 Cách phân loại thép theo mức độ khử ô xy

Trả lời:

1 Các thuộc tính cơ bản của thép

- Cường độ chảy (Fy): là trị số ứng suất mà tại đó xảy ra sự tăng biến dạng mà ứng suất ko tăng

- Cường đọ chịu kéo (Fu): là trị số ứng suất lớn nhất đạt dc trong thí nghiệm kéo thép

- Độ dẻo: là chỉ số của vật liệu phản ánh khả năng giữ được biến dạng quá đàn hồi mà không xảy

ra phá hoại Nó có thể được tính bằng tỷ số giữa độ giãn khi phá hoại và độ giãn ở điểm chảy đầu tiên

- Độ rắn: là thuộc tính của vật liệu cho phép chống lại sự mài mòn bề mặt

- Độ dai: là thuộc tính của vật liệu cho phéo tiêu hao năng lượng mà không xảy ra phá hoại

2 Các thép công trình theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 (Câu này không có trong giáo trình) ( Tham khảo: Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép)

a) Yêu cầu về mặt sử dụng, đây là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế

- Kết cấu thép phải dc thiết kế đủ sức kháng lại các tải trọng trong suốt thời gian sử dụng

- Kết cấu thép đảm bảo tuổi thọ đề ra Hình dáng, cấu tạo phải sao cho tiện bảo dưỡng, kiểm tra

và sơn bảo vệ

- Đẹp cũng là một yêu cầu về mặt sử dụng Kết cấu thép phải có hình dáng hài hòa, thanh thoát, phù hợp với cảnh quan chung của khu vực

b) Yêu cầu về mặt kinh tế:

- Tiết kiệm vật liệu Thép cần dc dùng 1 cách hợp lý Khi thiết kế cần chọn giải pháp kết cấu hợp

lý, dùng các phương pháp tính toán tiên tiến

- Tính công nghệ khi chế tạo Kết cấu thép cần dc thiết kế sao cho phù hợp với việc chế tạo trong xưởng, sủ dụng những thiết bị chuyên dụng hiện có, để giảm công chế tạo

- Lắp ráp nhanh

Để đạt dc hai yêu cầu cơ bản trên đây cần điển hình hóa kết cấu thép Điển hình hóa từng cấu kiện hoặc điển hình hóa toàn bộ kết cấu

3 Cách phân loại thép theo mức độ khử ô xy.

(Không biết cách nào nên tớ nêu hết cách “phân loại thép” ra vậy!)

a) Theo thành phần hóa học của thép: 2 loại

- Thép các bon: là thép có chứa C1,7% và không chưa các nguên tố kim loại khác Tùy theo hàm lượng C, người ta lại chia thép các bon làm 3 loại:

+ Thép các bon thấp (C0,22%): là loại thép sử dụng chủ yếu trong xây dựng, nên nó còn dcgọi là thép xây dựng hay thép công trình

+ Thép các bon vừa (0,22<C0,6%): là loại dc sử dụng chủ yếu trong chế tạo máy

+ Thép các bon cao (0,6<C1,7%): là loại chủ yếu dc sử dụng trong chế tạo dụng cụ

- Thép hợp kim: là thép có chứa thêm các nguyên tố hóa học khac như Al, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, Si,

… nhằm nâng cao chất lượng của thép, như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ Tùy theo hàm lượng của các nguyên tố kim loại thêm vào thép, người ta chia thép hợp kim làm 3 loại: Thép hợp kim thấp, vừa và cao Trong đó, thép hợp kim thấp (hàm lượng các nguyên tố kim loại them vào 

2,5%) dc sử dụng chủ yếu trong xây dựng

b) Theo phương pháp luyện thép:

- Phương pháp luyện bằng lò quay: Bessmer, Thomas

- Phương pháp luyện bằng lò: Martin

- Thép tĩnh: Khi thép nguội,người ta đã cho them vào một số phụ gia hóa học Các phụ gia hóa học này sẽ tác dụng với các bọt khí, tạo lên các lớp xỉ nổi trên bề mặt, do vậy cấu trúc của thép rất đồng nhất và đặc chắc Thép tĩnh có chất lượng tốt và chịu lực động tốt hơn

- Thép nữa tĩnh: Là thép trung gian giữa 2 loại thép trên, do các bọt khí không được khử hoàn toàn

Câu 3: Trình bày phương trình tổng quát của các trạng thái giới hạn, giải thích các đại lượng trong

công thức, nêu yêu cầu tính toán đối với các TTGH khi thiết kế thép theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu

= hệ số tải trọng theo thống kê

= sức kháng danh định của kết cấu

= hệ số sức kháng theo thống kê của sức kháng danh định

Rr sức kháng tính toán (có hệ số) của kết cấu

η hệ số điều chỉnh tải trọng ηi= ηD.ηR.ηI≥0,95

η D hệ số dẻo

η R hệ số dư thừa

η I hệ số xét tới tầm quan trọng của kết cấu hai hệ số đầu có liên quan tời cường độ của kết cấu,

hệ số thứ 3 có liên quan tới sự làm việc của kết cấu ở trạng thái giới hạn sử dụng

Trừ trạng thái giới hạn cường độ, đối với tất cả các TTGH khác, ηD = ηR = 1,0

Tính dẻo: Là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu Nhờ tính dẻo, khi một bộ phận

chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang các bộ phận khác, do đó kết cấu có dự trữ độ bền Nếuvật liệu không dẻo thì kết cấu sẽ bị phá hoại đột ngột khi bị quá tải ⇒ phá hoại giòn

Tính dư: Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu Một kết cấu

siêu

tĩnh được xem là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học Các kết cấu

có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được sử dụng trừ khi có những lý do bắt buộckhác Khái niệm nhiều đường truyền lực là tương đương với tính dư thừa Các đường truyền lựcđơn hay các kết cấu cầu không dư được khuyến cáo không nên sử dụng Các bộ phận hoặc cấukiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệkết cấu liên quan không có tính dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoạigiòn

Tầm quan trọng trong khai thác:

Điều quy định này chỉ dùng cho trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt Chủđầu tư có thể công bố một cầu hoặc bất kỳ cấu kiện hoặc liên kết nào của nó là loại cầu quan trọngtrong khai thác

Các trạng thái giới hạn theo 22 TCN 272-05

TTGH là trạng thái mà vượt qua nó kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành đượcnhiệm vụ mà thiết kế đề ra Tiêu chuẩn 05 đề cập tới 4 TTGH như sau:

1 TTGH sử dụng

TTGHSD phải xét đến như một biện pháp nhằm hạn chế đối với ứng suất, biến dạng và bề rộngvết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường

2 Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại giòn

Trạng thái giới hạn mỏi phải được xét đến trong tính toán như một biện pháp nhằm hạn chế vềbiên độ ứng suất do một xe tải thiết kế gây ra với số chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến Trạng tháigiới hạn phá hoại giòn phải được xét đến như một số yêu cầu về tính bền của vật liệu theo Tiêuchuẩn vật liệu

3 Trạng thái giới hạn cường độ

Trạng thái giới hạn cường độ phải được xét đến để đảm bảo cường độ và sự ổn định cục bộ và ổnđịnh tổng thể được dự phòng để chịu được các tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống kê, đượcđịnh ra để cầu chịu được trong phạm vi tuổi thọ thiết kế của nó

Trạng thái giới hạn cường độ I: Tổ hợp tải trọng cơ bản liên quan đến việc sử dụng cho xe tiêuchuẩn của cầu không xét đến gió

Trạng thái giới hạn cường độ II: Tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu chịu gió với vận tốc vượtquá25m/s

Trạng thái giới hạn cường độ III: Tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn củacầu với gió có vận tốc 25m/s

4 Trạng thái giới hạn đặc biệt

Trạng thái giới hạn đặc biệt phải được xét đến để đảm bảo sự tồn tại của cầu khi động đất hoặc lũlớn hoặc khi bị tầu thuỷ, xe cộ va Những sự cố này thường xảy ra với chu kỳ lớn tuổi thọ thiết kếcủa cầu, nên được coi là những sự cố đặc biệt và tại mỗi thời điểm, chỉ xét đến một sự cố Tuynhiên những sự cố này có thể được tổ hợp với lũ lụt lớn (T = 100 ÷ 500năm) hoặc với các ảnhhưởng của xói lở

Câu 4: So sánh các ưu nhược điểm của các hình thức liên kết chủ yếu trong kết cấu thép.

Trả lời:

a) Liên kết hàn

- Ưu điểm: + dễ thi công, đơn giản trong thiết kế

+ mặt cắt nguyên, ko bị đục lỗ, ko bị giảm yếu

- Nhược điểm: + mối nối bị cứng giòn do sử dụng nhiệt độ cao

+ sử dụng cho công trình vừa và nhỏ hoặc kết hợp.

b) Liên kết đinh tán

- Ưu điểm: tạo kết cấu có khả năng chịu lực cao

- Nhược điểm: + thi công khó, dễ xảy ra sự cố => tốn kém

+ mặt cắt thép bị giảm yếu (bị đục lỗ)

+ khó thay thế khi bị hỏng

=> Ngày nay lk này ít dc sử dụng

c) Liên kết bu lông

- Ưu điểm: + chịu lực cao, thi công đơn giản

+ dễ thay thế, sửa chữa

- Nhược điểm: + mặt cắt bị giảm yếu

+ dễ xảy ra hiện tượng cháy và trờn ren => tốn công duy tu bảo dưỡng

=> Hiện nay lk này dc sử dụng rộng rãi vì dễ thay thế

Câu 5: Trình bày cấu tạo liên kết bằng bu lông: các hình thức liên kết, cách bố trí bu lông, ý nghĩa

của các quy định về khoảng cách

Trả lời :

Bu lông trong kết cấu thép cho đến nay có nhiều loại như bu lông thường, bu lông tinh chế, bulôngcường độ cao Bu lông thường và bu lông cường độ cao là hai loại bu lông được sử dụng nhiềunhất hiện nay

Bu lông thường và bu lông cườg độ cao đều có hình dạng như sau:

Đặc điểm cấu tạo khác nhau:

Bu lông cường độ cao:

Bu lông cường độ cao được chế tạo theo ASTM A325/A325M hoặc A490/490M, thép làm bu lông

là thép cường độ cao Theo ASTM A325M thì cường độ chịu kéo của thép bu lông cường độ cao

là Fub = 830MPa cho các đường kính d = 16 ÷ 27 mm và Fub = 725 MPa cho các đường kính d = 30

÷ 36 mm Bu lông cường độ cao có thể dùng trong các liên kết chịu ma sát hoặc liên kết chịu épmặt

- Số bu lông trên một dãy đinh phải chọn tối thiểu là 2 bu lông.

Các loại khoảng cách và ý nghĩa của các quy định về khoảng cách trong liên kết bu lông:

S = bước dọc giữa các bu lông, là khoảng cách giữa 2 bu lông kề nhau trên cùng một dãy đinh

g = khoảng cách ngang giữa các bu lông, là khoảng cách giữa 2 dãy đinh kề nhau

Le = khoảng cách cuối, là khoảng cách từ bu lông ngoài cùng đến mép thanh đo theo phương // vớiphương tác dụng của tải trọng

h = đường kính lỗ bu lông

Tiêu chuẩn 05 quy định:

- Khoảng cách tối thiểu giữa các bu lông: Khoảng cách từ tim đến tim bu lông 2 bu

lông tối thiểu là 3d Khi lỗ bu lông không phải là lỗ chuẩn thì khoảng cách tĩnh giữa các mép lỗ bulông tối thiểu là 2d

- Khoảng cách tối đa giữa các bu lông bít: Khoảng cách giữa các bu lông của hàng bu lông đơnngoài kề với cạnh tự do của bản nối hay thép hình phải thỏa mãn:

t = chiều dày nhỏ hơn của bản nối hay thép hình

g = khoảng cách ngang giữa các bu lông

- Khoảng cách đến mép yêu cầu: khoảng cách từ mép lỗ bu long đến mép thanh (khoảng cách đếnmép) tối thiểu được quy định trong bảng 2.2 Khoảng cách đến mép tối đa không được lớn hơn 8lần chiều dày lớn nhất và 125mm.

Câu 6: Nêu các trường hợp phá hoại có thể xảy ra trong liên kết bu lông chịu cắt Trình bày cách

xác định sức kháng cắt và sức kháng ép mặt của liên kết bu lông (có hình vẽ minh họa)

Trả lời:

Cho tải trọng P tăng dần đến khi liên kết bị phá hoại, ta thấy liên kết làm việc qua 3 giai đoạn : + Gđ1: Khi P còn nhỏ, lực trượt ≤ lực ma sát, nên các bản nối chưa trượt lên nhau,bl chưa chịulực

+ Gđ2: Khi P tiết tục tăng lên, lực trượt > lực ma sát, nên các bản thép sẽ trượt lên nhau

Thân bl sẽ tỳ sát (ép mặt) vào thành lỗ bu lông, ngăn cản lại sự trượt của các bản thép;

nên thân bl sẽ chịu cắt, lỗ bl sẽ chịu ép mặt

+ Gđ3: Khi P tiếp tục tăng tới một trị số giới hạn nào đó, thì liên kết sẽ bị phá hoại theo

1 trong 2 trường hợp sau:

Trường hợp 1: Thân bu lông bị cắt đứt Trường hợp này xảy ra khi đường kính và

cường độ bu lông nhỏ tương đối so với chiều dày và cường độ các bản thép Sức kháng chốnglại sự phá hoại theo trường hợp này, gọi là sức kháng cắt của bu lông

Trường hợp 2: Lỗ bu lông bị xé rách Trường hợp này xảy ra khi chiều dày và cường

độ của các bản thép nhỏ tương đối so với đường kính và cường độ của bu lông Sức kháng

chống lại sự phá hoại theo trường hợp này, gọi là sức kháng ép mặt của bu lông

Xác định sức kháng cắt:

Khi L ≤ 1270mm, thì sức kháng cắt danh định của 1 bu lông được xác định như sau:

Đối với bu lông thường: Rns1 = 0,38 Ab Fub Ns

Đối với bu lông CĐC: Rns1 = 0,38 Ab Fub Ns (khi đường ren răng nằm trong mặt phẳng cắt), hoặc Rns1 =0,48AbFub Ns (khi đường ren răng không nằm trong mặt phẳng cắt)

Ab = diện tích tiết diện ngang bu lông

Fub = cường độ chịu kéo của thép làm bu lông

Ns = số mặt phẳng chịu cắt của 1 bu lông

Khi L > 1270mm thì sức kháng cắt danh định của một bu lông chỉ bằng 80% sức kháng cắt

của một bu lông khi L ≤ 1270mm

Sức kháng cắt tính toán của 1 bu lông: Rrs1 = Φs Rns1

Trong đó: Φs = hệ số sức kháng khi bu lông chịu cắt ta có Φs = 0,65 bl thường và Φs = 0,8 đốivới bl CĐC

Rnbb1 = 2,0 d t Fu khi Lc > 2d

Rnbb1 = 1,0 Lc t Fu khi Lc ≤ 2d

Trong đó:

Lc = Chiều dài chịu ép mặt của bulong

t = chiều dày cấu kiện (bản thép) bị ép mặt

d = đường kính bu lông

Fu = cường độ chịu kéo của bản thép bị ép mặt

Câu 7: Trình bày đặc điểm chế tạo, đặc điểm chịu lực và cách tính toán sức kháng trượt của

Bulong CĐC (có hình vẽ minh họa)

Trả lời:

Đặc điểm chế tạo

Liên kết bu lông cường độ cao khác liên kết bu lông thường ở chỗ là khi thực hiện liên kết thì liênkết bu lông CĐC sử dụng cờ lê đo lực để thực hiện Theo TC 05, mỗi bu lông CĐC phải được vặnbằng cờ lê đo lực để sao cho trong thân mỗi bu lông phải có một lực kéo tối thiểu theo quy định.Lực kéo trong thân bu lông CĐC sẽ làm ép xít (ép chặt) các bản nối lại với nhau, làm cho giữa cácbản nối có một lực ma sát rất lớn

Đặc điểm chịu lực

Khi tính toán liên kết bulông CĐC, TC 05 quy định phải xét liên kết ở 2 TH sau:

Trường hợp 1: Cho phép các bản nối trượt lên nhau (TTGHCĐ), khi đó sự làm việc

của liên kết bu lông CĐC giống liên kết bu lông thường

Trường hợp 2: Không cho phép các bản thép được trượt lên nhau (TTGHSD), khi đó liên kết bu

lông CĐC sẽ làm việc theo 2 giai đoạn như sau:

+ Gđ1: Khi tải trọng P còn nhỏ, lực trượt giữa các bản thép ≤ lực ma sát, các bản thép

chưa trượt lên nhau hay liên kết chưa bị phá hoại

+ Gđ2: Khi tải trọng P tăng tới một trị số nào đó, thì lực trượt giữa các bản thép > lực

ma sát, các bản thép sẽ trượt lên nhau hay liên kết bị phá hoại Sức kháng chống lại sự trượt

của các bản thép được gọi là sức kháng trượt hay sức kháng ma sát của bu lông CĐC

Tính toán sức kháng trượt của liên kết bu lông cường độ cao làm việc ma sát.γi.Qi ≤ φRn = Rr

Để ngăn ngừa sự trượt, Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 quy định việc tính toán phải

được tiến hành với tổ hợp tải trọng sử dụng Sức kháng trượt của bu lông cường độ cao, về cơ bản,

là một hàm của tích số giữa hệ số ma sát tĩnh và lực căng trước trong bu lông

Rn = kh ks Ns Pt

Trong đó:

Ns = số mặt ma sát của mỗi bu lông (thực tế bằng số mặt phẳng chịu cắt của mỗi bu lông),

Pt = lực kéo tối thiểu yêu cầu trong bu lông, được quy định trong bảng 2.3 dưới đây,

Kh = hệ số kích thước lỗ, được quy định trong bảng 2.4, và

Ks = hệ số điều kiện bề mặt, được quy định trong bảng 2.5

Câu 8: Trình bày cách tính toán liên kết bu lông chịu cắt dưới tác dụng đồng thời của mômen và

lực cắt (có hình vẽ minh họa)

Trả lời:

(Mọi người tự xem lại cách tính toán thầy cho ghi trong vở nhé! Câu này công thức dã man

quá nên… ^^)

Câu 9: Trình bày cấu tạo liên kết bằng đường hàn: các loại đường hàn, các giới hạn kích thước

của đường hàn Nêu cách tính toán sức kháng cắt của đường hàn góc (có hình vẽ minh họa)

Trả lời:

Các hình thức liên kết bằng đường hàn

Liên kết bằng đường hàn có các hình thức liên kết chính sau:

- Liên kết bằng (đường hàn đối đầu hay đường hàn rãnh)

- Liên kết chồng (đường hàn góc)

- Liên kết hỗn hợp (đường hàn đối đầu và đường hàn rãnh)

- Ngoài ra, còn có một số hình thức liên kết hàn khác như hàn đính, hàn đinh tán

Phân loại đường hàn:

Phân loại theo cấu tạo đường hàn: 2 loại (Hình 2.18)

- Đường hàn rãnh (đường hàn đối đầu): đối đầu thẳng và đối đầu xiên

- Đường hàn góc: đường hàn đầu và đường hàn mép

Phân loại theo chiều dài đường hàn:

- Đường hàn liên tục

- Đường hàn gián đoạn

Phân loại theo vị trí không gian:

- Đường hàn nằm

- Đường hàn ngược