Ket cau thep co ban

Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Viện Kỹ thuật xây dựng- Bộ môn Kết cấu xây dựng Bài giảng Kết cấu thép (Theo TCXDVN 338-2005) Nguyễn Xuân Huy - Vũ Văn Hiệp - Tạ Quốc Việt Lời nói đầu Kết cấu thép loại kết cấu đƣợc sử dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng Tại Việt Nam, cơng trình sử dụng kết cấu thép ngày phát triển với lớn mạnh kinh tế Bài giảng Kết cấu thép đƣợc dùng cho sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng trƣờng Đại học Giao thông vận tải Nội dung giảng dựa tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCXDVN 338:2005, gồm chƣơng: - Chƣơng cung cấp khái niệm đại cƣơng Kết cấu thép - Chƣơng giới thiệu lý thuyết tính tốn loại liên kết kết cấu thép - Chƣơng trình bày khái niệm, lý thuyết phƣơng pháp tính cấu kiện cột thép - Chƣơng trình bày khái niệm, lý thuyết phƣơng pháp tính cấu kiện dầm thép - Chƣơng trình bày khái niệm, lý thuyết phƣơng pháp tính cấu kiện giàn thép Dù đƣợc đƣa vào giảng dạy từ khóa 46 nhƣng chắn giảng cịn có nhiều thiếu sót Các tác giả mong nhận đƣợc góp ý phản biện từ thầy cô giáo nhƣ bạn sinh viên để giảng hồn thiện MỤC LỤC Lời nói đầu .1 Chƣơng I Khái niệm kết cấu thép .5 I.1 I.1.1 I.1.2 I.2 ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP Ƣu khuyết điểm kết cấu thép .5 Phạm vi sử dụng Vật liệu thép xây dựng công trình I.2.1 Cấu trúc thành phần hóa học thép I.2.2 I.2.3 Phân loại thép Số hiệu thép tiêu chuẩn .7 I.2.4 Các loại thép cán nóng dùng xây dựng cơng trình 10 I.3 Tính chất học thép 12 I.3.1 Biểu đồ ứng suất - biến dạng chịu kéo 12 I.3.2 Sự phá hoại giòn thép 13 I.4 Phương pháp tính tốn thiết kế kết cấu thép 17 I.4.1 Quan điểm chung phƣơng pháp tính kết cấu thép 17 I.4.2 Phƣơng pháp tính tốn thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn 18 I.4.3 Tải trọng tổ hợp tải trọng 21 Chƣơng II LIÊN KẾT 24 II.1 Liên kết hàn 24 II.1.1 Phƣơng pháp hàn kết cấu thép 24 II.1.2 II.1.3 II.1.4 II.1.5 Một số vấn đề liên kết hàn 26 Các loại đƣờng hàn 27 Tính tốn mối hàn 31 Tính tốn liên kết hàn 33 II.2 Liên kết bu lông 42 II.2.1 Phân loại bu lông 42 II.2.2 Cấu tạo liên kết bu lông 43 II.2.3 Tính tốn khả chịu lực bu lơng 47 II.2.4 Chƣơng III Tính tốn liên kết bu lơng 53 DẦM THÉP 58 III.1 Khái niệm dầm thép 58 III.1.1 Phân loại dầm 58 III.1.2 Các kích thƣớc dầm 59 III.2 Thiết kế dầm hình 63 III.2.1 Chọn tiết diện dầm hình 63 III.2.2 Kiểm tra tiết diện dầm chọn độ bền 64 III.2.3 III.2.4 Kiểm tra độ võng dầm 66 Kiểm tra ổn định tổng thể dầm hình 67 III.3 Thiết kế dầm tổ hợp 68 III.3.1 Chọn tiết diện dầm 68 III.3.2 III.3.3 Kiểm tra độ bền, độ võng ổn định dầm tổ hợp 72 Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài 74 III.4 Ổn định tổng thể dầm thép 76 III.4.1 Khái niệm 76 III.4.2 Tính toán theo điều kiện ổn định tổng thể 77 III.5 Ổn định cục dầm thép 79 III.5.1 III.5.2 Ổn định cục cánh nén 80 Ổn định cục bụng dầm 81 III.6 Cấu tạo tính tốn chi tiết dầm 87 III.6.1 Liên kết cánh dầm với bụng 87 III.6.2 III.6.3 Chƣơng IV Cấu tạo tính tốn mối nối dầm 89 Cấu tạo tính tốn phần dầm gối tựa 96 CỘT THÉP 101 IV.1 Khái niệm cột thép 101 IV.1.1 Phân loại cột thép 101 IV.1.2 Sơ đồ tính, chiều dài tính tốn độ mảnh cột 102 IV.2 Cột đặc chịu nén tâm 105 IV.2.1 Hình thức tiết diện 105 IV.2.2 Tính tốn cột đặc chịu nén tâm 106 IV.2.3 Xác định tiết diện cột đặc chịu nén tâm 111 IV.3 Cột rỗng chịu nén tâm 113 IV.3.1 Cấu tạo thân cột 113 IV.3.2 Sự làm việc cột rỗng 116 IV.3.3 IV.3.4 Tính tốn cột rỗng chịu nén tâm 123 Xác định thân cột rỗng chịu nén tâm 124 IV.4 Cột chịu nén lệch tâm 129 IV.4.1 Cấu tạo 129 IV.4.2 Tính tốn cột đặc chịu nén lệch tâm 130 IV.4.3 Xác định tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm, nén uốn 139 IV.5 Cấu tạo tính tốn chi tiết cột 140 IV.5.1 Đầu cột liên kết xà ngang vào cột 140 IV.5.2 Chân cột 144 Chƣơng V DÀN THÉP 150 V.1 Khái niệm dàn thép 150 V.1.1 Phân loại dàn 150 V.1.2 V.1.3 V.1.4 Hình dạng dàn 152 Hệ bụng dàn 154 Kích thƣớc dàn 155 V.1.5 Hệ giằng không gian 156 V.2 Tính tốn dàn 157 V.2.1 V.2.2 Các giả thiết tính dàn 157 Tải trọng tác dụng lên dàn 158 V.2.3 V.2.4 Nội lực 158 Chiều dài tính toán dàn 159 V.2.5 V.2.6 Tiết diện hợp lý dàn 161 Chọn kiểm tra tiết diện dàn 161 V.3 Cấu tạo tính tốn nút dàn 164 V.3.1 Nguyên tắc chung 164 V.3.2 Nút gối 164 V.3.3 Nút trung gian 166 V.3.4 Nút đỉnh 167 V.3.5 Nút dàn cánh dƣới 169 V.3.6 Nút có nối cánh 170 V.3.7 Các cấu tạo khác dàn 172 Tài liệu tham khảo 173 Chƣơng I ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP I.1 Khái niệm kết cấu thép Khái niệm kết cấu thép đƣợc sử dụng tài liệu để kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm thép kim loại khác nói chung Kết cấu thép đƣợc tạo nên cấu kiện khác nhƣ thanh, Những cấu kiện liên kết với tạo nên kết cấu cơng trình đáp ứng u cầu sử dụng I.1.1 Ƣu khuyết điểm kết cấu thép Kết cấu thép có nhiều ƣu điểm so với loại vật liệu xây dựng khác Do cấu trúc vật liệu nên kết cấu thép độ tin cậy cao Sự làm việc đàn hồi dẻo vật liệu thép gần sát với giả thiết tính tốn Thép cịn loại vật liệu nhẹ có khả chịu lực lớn Phẩm chất nhẹ vật liệu đƣợc đánh giá qua hệ số c, tỷ lệ trọng lƣợng riêng cƣờng độ tính tốn nó: c   / f Ta tham khảo bảng so sánh dƣới phẩm chất nhẹ thép với số vật liệu khác c / f Thép Gỗ Bê tông 3,7.104 1/ m 5, 4.104 1/ m 2, 4.103 1/ m Vật liệu thép có tính cơng nghệ hố cao đƣợc chế tạo hoàn toàn nhà máy Ngoài ra, kết cấu thép có tính động vận chuyển, lắp ráp, dễ sửa chữa, thay Thép nhƣ liên kết kết cấu thép có tính kín, khơng thấm nƣớc, khơng thấm khí có khả tái sử dụng cao Tuy nhiên, kết cấu thép có hạn chế nhƣ dễ bị xâm thực điều kiện khơng khí ẩm gây nên tƣợng gỉ Chính sử dụng kết cấu thép cần có lớp bảo vệ cho thép nhƣ sơn phủ sử dụng thép hợp kim Ngoài ra, thép loại vật liệu chịu lửa Ở t  500  6000 C , thép chuyển sang dẻo, khả chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng Với cơng trình có u cầu chống cháy nghiêm ngặt, thép phải đƣợc bọc lớp chịu lửa (bê tơng, gốm, sơn phịng lửa…) I.1.2 Phạm vi sử dụng Thép đƣợc sử dụng cho loại kết cấu Kết cấu thép thích hợp với cơng trình lớn (chiều cao lớn, chịu tải trọng lớn…), cơng trình cần trọng lƣợng nhẹ, cơng trình cần độ kín khơng thấm nƣớc I.2 I.2.1 Vật liệu thép xây dựng cơng trình Cấu trúc thành phần hóa học thép I.2.1.1 Cấu trúc thép Thép có cấu trúc tinh thể Quan sát phiến thép mỏng dƣới kính hiển vi, ta thấy thép gồm có hai tổ chức ferit xementit Ferit hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích có tính mềm dẻo cịn xementit, hợp chất sắt cacbua, cứng giịn I.2.1.2 Thành phần hóa học thép Ngồi hai thành phần sắt cacbon, thép cịn có thành phần phụ khác nhƣ măngan, silic, lƣu huỳnh, phôt pho… Mỗi chất có ảnh hƣởng định đến tính chất thép, ví dụ nhƣ măngan làm tăng cƣờng độ độ dai thép, silic làm tăng cƣờng độ thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn hay phơtpho, làm giảm tính dẻo độ dai va chạm thép, làm thép trở nên giòn nhiệt độ thấp I.2.2 Phân loại thép I.2.2.1 Theo thành phần hóa học thép Theo thành phần hóa học, thép đƣợc chia làm hai loại chính: - Thép cacbon, với lƣợng cacbon dƣới 1,7%, khơng có thành phần hợp kim khác (thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép cacbon thấp) Thép xây dựng loại thép cacbon thấp, với lƣợng cacbon dƣới 0,22%, loại thép mềm, dẻo, dễ hàn - Thép hợp kim, có thêm thành phần hợp kim khác nhƣ Crôm, Nikel, Mangan… nhằm nâng cao chất lƣợng thép (tăng độ bền, tăng tính chống gỉ) I.2.2.2 Theo phương pháp luyện thép Thép đƣợc luyện từ gang để khử bớt cacbon chất phụ khác gang để đƣa hàm lƣợng yêu cầu thép Có hai phƣơng pháp luyện chính: - Luyện lị quay: Lò quay bầu, quay xung quanh trục nằm ngang Khơng khí đƣợc thổi qua đáy lị vào nƣớc gang lỏng để oxy hố hợp chất cần khử gang (C, Si, Mn) - Luyện lò (lò Martin): Trong lò bằng, nƣớc gang lỏng đƣợc trộn lẫn với thép vụn đƣợc đốt nóng khí đốt (hoặc điện lị điện) Các chất gang đƣợc oxy hoá sắt oxyt thép vụn I.2.2.3 Theo mức độ khử oxy Tùy theo phƣơng pháp để lắng nguội, chia ra: - Thép sơi: thép nguội, bốc nhiều bọt khí nhƣ (oxy, cacbon oxyt) tạo thành chỗ không đồng cấu trúc thép - Thép tĩnh (thép lặng): thép tĩnh q trình nguội khơng có bốc đƣợc thêm chất khử oxy (silic, nhơm, măngan.) Những chất khử hết oxy có hại tạp chất phi kim loại khác - Thép nửa tĩnh (nửa lặng): trung gian thép tĩnh thép sơi, oxy khơng đƣợc khử hoàn toàn I.2.3 Số hiệu thép tiêu chuẩn Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải đƣợc lựa chọn cho phù hợp với tính chất quan trọng cơng trình, điều kiện làm việc kết cấu, đặc trƣng tải trọng, phƣơng pháp liên kết… Phần giới thiệu loại thép thƣờng dùng xây dựng cơng trình đƣợc dẫn Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn ngành 22TCN – 272 – 05 I.2.3.1 Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1976 Thép cacbon thấp cường độ thường Thép cacbon thấp cƣờng độ thƣờng (giới hạn chảy f y  290MPa ) đƣợc lấy theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1976, gồm hai loại chính: thép cacbon thơng thƣờng với hàm lƣợng cacbon từ 0,14%  0,22%, thép sôi nửa tĩnh thép cacbon thơng thƣờng có thêm hàm lƣợng mangan 0,8%  1,1% Tùy theo yêu cầu sử dụng loại thép đƣợc chia làm ba nhóm: Nhóm A: thép đƣợc bảo đảm tính chất học Nhóm B: thép đƣợc bảo đảm thành phần hoá học Nhóm C: thép đƣợc bảo đảm tính chất học thành phần hoá học Mác thép Độ kéo N/mm2 Giới hạn chảy fy , MPa , cho Độ dãn dài 0, % , cho độ bền độ dày t, mm dày t, mm  20 20< t 40 40 40 Không nhỏ CT34s 330-420 220 210 200 33 32 30 CT34n, CT34 340-440 230 220 210 32 31 29 CT38s 370-470 240 230 220 27 26 24 CT38n, CT38 380-490 250 240 230 26 25 23 CT38nMn 380-500 250 240 230 26 25 23 CT42s 410-520 260 250 240 25 24 22 CT42n, CT42 420-540 270 260 250 24 23 21 Vì thép làm kết cấu chịu lực phải đảm bảo độ bền tính dễ hàn, chịu đƣợc tác động xung kích, nên đƣợc dùng thép nhóm C Các loại thép cacbon thấp có giới hạn chảy vào khoảng 2200 – 2700 daN/cm2, giới hạn bền biến động từ 3300 đến 5400 daN/cm2 Các ký hiệu số hiệu thép có ý nghĩa nhƣ sau: CT có nghĩa cacbon thƣờng, số sau độ bền kéo đứt (N/mm2), chữ s thép sôi (hoặc n nửa tĩnh, thép tĩnh khơng ghi gì) Thép cường độ cao Là thép cacbon mang nhiệt luyện thép hợp kim thấp Thép cƣờng độ cao có giới hạn chảy khoảng 3100 – 4000 daN/cm2, giới hạn bền từ 4500 – 5400 daN/cm2 Thép cường độ cao Thép cƣờng độ cao gồm loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao 4400 daN/cm2 giới hạn bền 5900 daN/cm2 I.2.3.2 Theo Tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05 Căn vào đƣờng cong ứng suất - biến dạng thành phần hố học thép, phân loại thép sau: + Thép cacbon (cấp 250) + Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao (cấp 345) + Thép hợp kim thấp gia công nhiệt (Cấp 485) + Thép hợp kim gia cơng nhiệt cƣờng độ cao (Cấp 690) Hình I-1: Các đường cong ứng suất biến dạng điển hình loại thép Các đặc tính học kết cấu thép theo hình dáng, cƣờng độ chiều dày: Thép cacbon Thép cacbon có cƣờng độ chảy điểm chảy rõ ràng, có tính dẻo cao nên cho phép phân phối lại ứng suất cục mà khơng bị nứt phù hợp sử dụng làm chi tiết liên kết Thép cacbon có tính hàn tốt thích hợp cho bản, thép cán định hình xây dựng Thép hợp kim thấp cường độ cao Các thép có thành phần hố học đƣợc hạn chế để phát triển cƣờng độ chảy cƣờng độ kéo đứt lớn thép cacbon nhƣng lƣợng kim loại bổ sung nhỏ thép hợp kim Cƣờng độ chảy cao (fy = 345 MPa) đạt đƣợc điều kiện cán nóng qua gia công nhiệt Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao có tính hàn tốt thích hợp cho bản, thép cán định hình xây dựng Các hợp kim có sức kháng gỉ khơng khí cao Do có phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thƣờng lựa chọn ngƣời thiết kế cầu có nhịp trung bình nhỏ Thép hợp kim thấp gia công nhiệt Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao đƣợc gia cơng nhiệt để đạt đƣợc cƣờng độ chảy cao (fy = 485 MPa) Thành phần hoá học cho cấp 345W 485W gần nhƣ Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô thép làm tăng cƣờng độ, độ rắn độ dai Sự gia công nhiệt làm điểm chảy thép dịch chuyển cao Có chuyển tiếp rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử đàn hồi Cƣờng độ chảy thép thƣờng ... suất giới hạn, biến dạng giới hạn, mô đun đàn hồi Đƣờng cong quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép đƣợc chia thành đoạn: Đoạn AB đƣợc coi thẳng nghĩa là, quan hệ ứng suất – biến dạng đoạn tuyến... giới hạn tỉ lệ tăng cao, không thềm chảy, độ giãn phá hoại giảm (đƣờng cong 1) Khi 1 , 2 khác dấu, thép trở nên dẻo (đƣờng cong 2) Hiện tƣợng giải thích lý thuyết ứng suất tiếp nhƣ sau: trạng... cắt quỹ đạo ứng suất khơng cịn song song đặn mà uốn cong xung quanh chỗ cắt Đƣờng lực tập trung chứng tỏ ứng suất chỗ tăng cao, đƣờng lực uốn cong chứng tỏ ứng suất hai phƣơng Ứng suất lớn vị trí