Thiết kế kết cấu thép theo quy định của hoa kỳ AISC ASD

GS TS ĐOÀN ĐỊNH KIẾN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ( T H E O Q U Y P H Ạ M H O A KÌ A I S C / A S D ) DESIGN OF STEEL STRUCTURES (AISC/ASD METHOD) (Tái bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I-2 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua, với phát triển nhanh chóng kinh t ế đất nước ta theo đường lối đổi Đảng, hàng nghìn cơng trình cơng nghiệp, dân dụng đ ã xây dựng mà phần lớn làm thép Các nhà thép thiết k ế theo tiêu chuẩn nhiều nước: Việt Nam, Nga, Mĩ, Anh, úc , với cho phép Nhà nước ta Trong tiêu chuẩn thiết k ế nêu quy phạm thiết kê'của Hoa Kì, Anh hay áp dụng ntuừìg cồn xa lạ với kĩ sư Việt Nam Đ ể giúp bạn đọc có tài liệu d ể tham khảo sử dụng thiết k ế thẩm tra cơng trình làm theo Quy phạm Hoa Kì Anh, Chúng tơi dự định viết m ột sô' tập sách lẩn lượt đưa xuất sau: Tập ì ; Thiết kề kết cấu thép theo Quy phạm Hoa Kì A1SC/ASD; Tập 2: Thiết k ể kết cấu nhà thép tiền chế; Tập 3: Thiết k ể kết cấu thép theo Tiêu chuẩn Anh BS 5950 : 2000; Tập 4: Thiết k ế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội Cuốn sách tập sách, với nội dung phương pháp thiết k ế theo ứng suất cho phép Viện AỈSC Sách trình bày phương pháp cơng thức tính tốn cấu kiện bản: cấu kiện chịu uốn, chịu kéo, chịu nén, chịu lực kết hợp, dầm tổ hợp liên kết hàn bulông Một sô' vấn đề Quy phạm tính tốn mỏi, tính cấu kiện vát, s ẽ đề cập Tập Đ ây sách giáo khoa vê kết cấu thép, khơng trình bày dạng kết cấu mà nhằm giải thích hướng dẫn sử dụng phương pháp công thức Quy phạm Tuy nhiên chừng mực có thể, s ẽ c ố gắng nêu yêu cầu cấu tạo cấu kiện, c ố gắng làm rỗ nguồn gốc, ý nghĩa vật lý công thức, hệ số Mỗi vấn đ ề lý thuyết đểu có kèm theo thí dụ minh hoạ Các thí dụ sử dụng vật liệu thép loại thép hình tiêu chuẩn Hoa Kì Hệ đơn vị đo lường thí dụ hệ đo lường hợp pháp Việt Nam, vân Quy phạm đương nhiên phải hệ đo lường Hoa K ì có ghi đơn vị SI cố thể Đặc biệt, Tập viết dạng song ngữ tiếng Việt tiếng Anh nhảm giúp bạn đọc có thuật ngữ khái niệm ngôn ngữ gốc, đồng thời giúp bạn muốn làm quen với văn khoa học kĩ thuật tiếng Anh Hai Việt Anh hoàn toàn giống Cuối sách phần Phụ lục gồm bảng quy cách thép hình cán nóng Mĩ, cần thiết đ ể sử dụng với Quy phạm Hoa Kì D o thời gian trình độ người viết cịn hạn chế, đặc biệt trình độ Anh ngữ d ể viết sách song ngữ, tập sách chắn sai sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc r p / _ _• Tác già THIẾT KẾ KẾT CẤU TH ÉP (THEO QUY PHẠM HOA KÌ AISC/ASD) Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CÂU THÉP I PHẠM VI ÁP DỤNG Sách trình bày cách thiết kế kết cấu thép theo phương pháp ứng suất cho phép Quy định kĩ thuật AISC/ASD Tên đầy đủ Quy định kĩ thuật đ ể thiết k ế nhà thép theo phương pháp ứng suất cho phép phương pháp thiết k ế dẻo (The Speciíications for Structural Steel Buildings - Allovvable Stress Design and Plastic Design) (sau gọi ngắn gọn Quy phạm AISC Quy phạm) Quy phạm Viện kết cấu thép Hoa Kì (American Institute of Steel Construction, viết tắt AISC) biên soạn xuất nãm 1989 để sử dụng thiết kế nhà khung thép Từ 1993, phương pháp khác AISC ban hành phương pháp thiết k ế theo hệ số tải trọng hệ sô' đ ộ bền (Load and Resistance Factor Design) Cả hai phương pháp hiên sử dụng nhau, tuỳ theo lựa chọn người thiết kế Quy phạm AISC sử dụng sô' thuật ngữ cần hiểu sau : Thuật ngữ thép kết cấu (structural Steel) có hai nghĩa : Nghĩa thứ thép cacbon, loại thép ASTM A36, A53, A529, A570, V.V Nghĩa thứ hai dùng Quy phạm cấu kiện thép kết cấu dMng để mang tải trọng thiết kế Các cấu kiện bao gồm : - Dầm, dầm ; cột chống đứng ; hệ giằng ; giàn ; khung phận khung như: lanh tô, khuôn cửa, treo, chống, nối - Tấm sàn gắn với khung thép ; cấu kiện mônôray, ray cầu trục mô' chắn cầu trục ; - Các loại liên kết để nối cấu kiện : đinh tán, bulông vĩnh cửu, chốt trục, bulông neo, chêm chịu cắt Những thứ khơng nêu không coi thép kết cấu "Structural Steel" là: - Dây cáp mái treo, thép tạo hình nguội, phận thép chơn b ê t ô n g , tấ m sà n k h ô n g g ắ n v i k h u n g th é p ; - Liên kết tạm để lắp ráp hay dựng lắp ; - Thang, cầu thang, mặt sàn kim loại hay kiểu lưới, dấm bụng rỗng ; - Bể chứa bình áp lực; Đó giới hạn phạm vi áp dụng cúa Quy phạm II VẬT LIỆU 2.1 Thép Quy phạm liệt kê 16 loại thép cúa tiêu chuấn ASTM sử dụng kết Cấu nhà Có phân loại thép nàv vào nhóm sau : Thép cacbon (hay thép kết cấu) : - A36, loại thép cacbon thấp phổ thông dùng rộng rãi xây dựng Điểm cháy thấp : 36 ksi hay 24,8 kN/cm2 Cường độ kéo biến đổi phạm vi rộng từ 58 đến 80 ksi hay 40 đến 55 kN /cm (Chú thích ; ỉ ksi = 0,6895 kN/cm2) - A53, loại thép cacbon thấp dùng làm ống hàn không mạch nối, đế trần ha) mạ kẽm Dùng nhiều nhà, đặc biệt làm cột hay giàn - A500 A501, ống thép trịn, vng hay chữ nhật, tạo hình nguội (A500) cân nóng (A 501), dùng cho kết cấu phổ thông hàn hay liên kết bulông - A529 thép cacbon, làm nhó Tính nãng học cao, dùng nhà, đặc biệt nhà tiêu chuán hơá A570, thép cacbon chất lượng cao dạng sản phấm ỵếu thép dải hoãc cuộn thcp móng Chun dùng làm câu kiện tạo hình nguội nhà Bao gồm cấp từ cấp 30 (tức giới hạn chảy 30 ksi) đến cấp 50 (giới hạn chùy 50 ksi) Thép hợp kim thấp cườníỊ độ cao: A572, thép thông dụne, thành phần hợp kim cơlombì vanađi, sán phẩm thép hình, Có cấp : 42, 50, 60, 65 Dùng cho kết cấu hàn, liên kết bulông đinh tán với cấp : dùng cho cầu hàn hai cấp 42 50 - A441, thép tương tự, ngày thay bới A572 - Bốn loại hựp kim thấp cường độ cao A242, A588, A606, A607, có độ bền chống xâm thực cúa khí trời cao thép cacbon nhiều lần Được gọi thép chịu thời tiết, sản phẩm lliép hình thép Dùng làm kết cấu hàn, bulơng hay đinh tán nhà cầu Tlìép hợp Um hợp kim thấp nhiệt luyện : A852, A514 Các thép nàv có tính học cao : cường độ chảy đạt tới 80 đến 110 ksi (55 đến 76 kN /cm 2) Có thè hàn phương pháp thích hợp Chí có sản phấm thép tấm, dùng chủ yếu cho cẩu hàn Thép kết cấu clìmx làm cầu: A709 Nhóm thép bao gồm nhiều loại thép khúc n h a u : ih é p c a c b o n , th é p hựp k im th ấ p c n g đ ộ c a o , th é p h ợ p k im , th é p n h iệ t lu y ệ n Các cấp cường độ hao gồm cấp A36, A572, A588 A514, độ bền chịu va chạm cao Bảng cho tính chất cúa 16 loại thép chấp thuận sử dụng theo Quy phạm AISC Báng 1.1 Tính chất cua 16 loại thép cháp thuận sứ dụng theo Quy phạm AISC Tên gọi theo ASTM ứng suất cháy tối thiếu Fv, ksi (kN/cnr) 32 (22) \Ĩ Cường độ kéo đứt Fu, ksi (kN/cnr) 58-80(40-55) 36(25) Ghi Dày 200 mm Đến 200 mm A.53 cấp B 35 (24) 60 (41,5) A242 42 (29) 63 (43,5) Dày 40 đến 200 mm 46(31,5) 67(46) 20 đến 40 mm 50 (34,5) 70(48) Đến 20 mm A441 không sử dụng từ 1989 ; thay bời A572 33 (22,8) 45 (310) cấp B 42(29) 58 (40) cấp c 46 (317) 62 (42,7) A500 cấp A 39 (26,9) 45 (310) cấp B 46(317) 58 (40) cấp c 50 (34,5) 62 (42,7) A501 36 (25) 58 (40) A5I4 90 (62) 100-130 (69-89.5) Dày 65 đến 150 mm 100(69) 110-130(76-89,5) Đến 65 mm A529 42 (29) 60-85 (41,4-58,6) Dày đến 13 mm A570cấp 40 40 (27,5) 55 (38) cấp 45 45 (31) 60 (41,5) cấp 50 50(34,5) 65(45) 42 (29) 60 (41.5) Dày đến 150 mm cấp 50 50 (34,5) 65 (45) Đến 100 ram cấp 60 60(41,5) 75 (52) Đến 32 mm cấp 65 65(45) 80 (55) Đến 32 mm 42 (29) 63 (43,5) Dày 125 đến 200 mm 46 (31.5) 67 (46) 100 đến 125 mm 50(34,5) 70 (48,5) Đến 100 mm 45(31) 65 (45) 50 (34,5) 70(48) A500cấp A A572 cấp 42 A588 A606 Thép trịn Thép hình j Tên gọi theo ASTM A607 cấp 45 Úng suất chảy tối thiểu Fyi ksi (kN/cm2) Cường độ kéo đứt Fu, ksi (kN/cm2) Ghi 45 (31) 60(41,5) cấp 50 50(34,5) 65(45) cấp 55 55 (38) 70 (48) cấp 60 60(41.5) 75 (52) cấp 65 65(45) 80(55) cấp 70 70 (48) 85(59) A618 cấp ỉ & II 50 (34,5) 70(48,5) cấp III 50 (34,5) 65 (45) A709 cấp 36 36 (50) 58-80 (40-55) Dày đến 100 mm cấp 50 50 (34,5) 65(45) Dày đến 100 mm cấp 50W 50 (34,5) 70 (48.5) Dày đến 100 mm 90 (62) 100-130(69-89,5) Trên 65 đến 100 mm 100(69) 110-130 (76-89,5) Đến 65 mm C ấ p l0 & 100W cấp 100& 100W A852 70 (48,5) Dày đến 20 mm Dày đến 100 mm 2.2 Thép hình thép Các sản phẩm thép kết cấu chế tạo thành dạng thép hình, thép dẹt thép Thép hình cán nóng thơng dụng thép góc (chữ L), thép máng (chữ C) chữ I Thép I dùng rộng rãi loại cánh rộng, gọi thép w (W từ "wide-flange", cánh rộng) Thép w cánh rộng kí hiệu chữ w kèm theo bể cao tiết diện tính in trọng lượng tính fút, ví dụ w 18x60 có bề cao 18 in nặng 60 pounds/foot (trong hệ đơn vị SI có nghĩa bề cao danh nghĩa 460 mm khối lượng 89,2 kg/m) (Ghi : ỉ lb/ft = ỉ ,487 kg/m) Có nhiều loại kích cỡ tiết diện w : loại lớn nặng W 44x285, W 36x848 ; loại nhỏ nhẹ W x l3 W6x9 Thép hình s (S chữ "Standard"- tiêu chuấn) cịn gọi dầm I tiêu chuẩn, có cánh mặt dốc hẹp bụng dày so với thép w Kích cỡ bao gồm phạm vi từ S24x 106 đến S x Thép hình I khác gọi thép M (M từ chữ "miscellaneous" pha tạp), có kích thước trọng lượng khác với thép s thép w Dùng làm cột dầm cơng trình thép nhẹ Kích cỡ bao gồm phạm vi từ M I4x18 tới M6x4.4 Thép máng, gọi thép c (C từ chữ "channel"), có mặt cánh dốc nghiêng Kí hiệu C15x50 (lớn nhất) đến c 3x4.1 (nhỏ nhất) Thép máng pha tạp hay MC loại khơng xêp vào loại c Kí hiệu M C18x58 (lớn nhất) tới MC 6x 12 (nhó nhất) 10 Thép góc (đều cạnh khơng đểu cạnh) kí hiệu chữ L; bề rộng bể dày cánh tính in Cạnh dài viết bề dày viết sau Cỡ lớn L9x4x5/8 thép góc khơng đểu cạnh L8x8x 11/8 thép góc đểu cạnh ; cỡ nhỏ L lx lx l/8 Cịn có loại thép hình khác thép T cắt từ thép hình w hay M hay s shape (được kí hiệu WT, MT, ST) Ví dụ thép W T5x44 bể cao danh nghĩa in trọng lượng 44 pounds/foot cắt từ W 10x88 Tiết diện ơng trịn gọi ià "Standard" tiêu chuẩn, "extra strong" dày, "double-extra strong"cực dày, tuỳ theo bể dày ống, kí hiệu theo đường kính Ví dụ ống in, double-extra strong có đường kính 8,625 in bể dày thành ống 0,875 in; cịn ống in Standard kích thước tương ứng 8,625 0,322 in Ô ng chữ nhật kí hiệu kích thước ngồi bề dày, ví dụ ống chữ nhật 14x6x1/2 Thép dẹt cán từ phôi phân loại thành dẹt tấm, tuỳ theo bể rộng bể dày Thép tròn thép vuông chê tạo cách kéo tuốt Thông thường dẹt phân loại sau : Thanh d ẹ t : rộng in ; dày từ 0,230 in trớ lên rộng từ in tới in ; dày từ 0,203 in trở lên Tấm : rộng in ; dày từ 0,230 in trở lên rộng 48 in ; dày từ 0.180 in trở lên V í dụ m ột sô kí hiệu vuông 1cp ; tròn Vĩ O; dẹt 2Vi X ‘/ ; p / 1/2 X TZ2ZZ7ZZZZP — — ár/777/?/sssr\ vy Thép Icánh rộng Thép Itiêuchuẩn Thép máng tiêu chuẩn Thép góc a) b) c) d) yỵr.hayST ThépT cắt từ w hay s e) ezzz2zzzzzzzzzz2zzzzzzzza óng vng Thanh 9) h) Tàm ') Hình 1.1 Thép cán hình tiêu chuẩn 11 THÉP MÁNG TIỂU CHUẨN CÁC ĐẶC TRƯNG Grip Tít TL danh nghĩa ft X Lb In In 50 ,7 98 83 40 0,777 33,9 V ị trí tâm cắt eo T íịuc X - X d A, T rụ c Y -Y I s r I s r In II Un 3ĩ In In In.3 In 6,21 404 S3,© ,2 11,0 3,7 0,867 ,767 6.5 349 416,55 ,4 ,2 3,3 0,886 ,7 87 ,8 6 ,7 315 4t2,Q) ,6 ,1 3 11 0,904 30 ,6 74 ,6 18 ,5 162 27,(0 ,2 ,1 ,0 0,763 25 ,674 ,7 46 ,8 144 24,11