Kết Cấu Thép (NXB Xây Dựng 2010) - Nguyễn Tiến Thu, 286 Trang

NGUYỄN TIẾM THU KET CAU THEP (Tá/ bằn) NHÀ XUẤT BÂNJ X Â Y DựNG HÀ NỘI! - 2(0110 LỜI NÓI ĐẦU Đ ấ t nước thời kỳ cơng nghiệp hố đ i hố N g n h X â y d ự n g đ ó n g góp m ột p h ầ n kh n g nhỏ vào q trìn h p h t triển c h u n g N h iề u n h m y , công xưởng, công trin h d ân d ụ n g h iện đ i đòi hỏi p h ả i s d ụ n g kết cấu thép Vi vậy, tác giả biên soạn "K ết c ấ u t h é p " n h ằ m cu n g cấp cho sin h viên N gành X ả y dự n g m tài liệu học tập N g o i ra, sách củng có th ể m tài liệu th a m khảo cho cán th iế t kế, cán k ỹ th u ậ t th i công xâ y dựng công trin h thép C uốn sách gồ m chương, viết p h ù hợp với T C X D V N 338 : 0 "Kết cấu thép - T iêu ch u ấ n th iết kề' Đ ể bạn đọc không bị p h â n tá n , tác g iả đ a to n n h ữ n g vấn đ ể có tín h chát tra cứu, th a m kh ả o th iết kê n â n g cao vào p h ầ n p h ụ lục Tác g iả x in chăn th n h cám ơn Khoa xăy dự ng T rường Đ ại học K iến trúc thành phố Hồ Chí Minh, Trường Cao đắng Xảy d ự n g số ly 2, 3, T rư ng Cao đ ắ n g X â y d ự n g M iền Tây đồng nghiệp đ góp n h iều ý kiến q u ý báu trình biên soạn sách Tác g iả chưa đ a n h iề u n h ữ n g kết cấu hệ th a n h th n h m ỏng đ ịn h h in h đ a n g s d ụ n g rộng rãi việc biên soạn sách cịn có n h iề u th iế u sót rà t m o n g n h ậ n ý kiến đóng góp, p h ê binh bạn đọc T c giả C hương ĐẶC ĐIỂM SỬ DỤNG VÀ VẬT LIỆU CỦA K ẾT CẤU TH ÉP s ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬDỤNG KẾT CẤU THÉP I Ưu, n hư ợ c điểm củ a kết cấu th ép ỉ u điểm a) K h ả Iìãní> chịII lực lớn Kết cấu thép có khả chịu lực lớn vật thép có cường độ cao b) Đ ộ tin cậv cao Kết cấu thép có độ tin cậy cao vật liệu thép có cấu trúc Sự làm việc dàn hổi dẻo vật liệu thép gần sát với giả thuyết tính tốn nên dễ làm phù hợp [ý thu vết thực tế làm việc kết cấu c) Trọn í; lượn tị nhẹ Đe đánh aiá phẩm chất "nhẹ" vật liệu người ta vào hệ số c tỷ số trọng lượng riêng (p) cường độ tính tốn ( f ) vật liệu đó: 1,1 10 /m - nhôm 3,7 10 ~4 /m -đôi với Ihép 4,5 ,10 /m -dối với gổ 24 10 ' /m -đối với bê tông cốt thép ( 1) Như vậy, thép nhẹ gỗ nhẹ bé tông cốt thép tới 6,5 lần Do có tính "nhẹ" mà kết cấu thép có diện tích tiết diện u cầu bé, hình dáng dẹp, (hanh cl) Tính c dộng Iroiỉịi vận chuyển thi cơng lắp dựng Do có tính "nhẹ" vật liệu mà kết cấu Ihép dễ vận chuyến, lắp dựng, dễ sửa chữa, thay ihế, tháo dỡ di chuyến c) Tính cơniỊ lìiịlỉiệp liố cao K ết cấu ihép dẻ m ơdun hố sản xuất thành cấu kiện điển hình theo dây chuyền giới hố (tự động nửa tự động) nhà máy, phân xưởng chun ngành nên thích hợp điều kiện cơng nghiệp hố xâv dựng f ) T ín h kín vật liệu liên kết Vật liệu mơi liên kết kết cấu thép có tính khơng thấm nước nèn thích hợp với cơng trình bể chứa đường ống dẫn chất lỏng, khí ga thường cao áp Nhược điểm a) Bị han g ỉ Kết cấu thép dễ bị ăn mòn mơi trường ẩm, xâm thực, địi hỏi chí phí tương đối lớn cho biện pháp chống gỉ sơn, phủ, mạ hợp kim bơi dầu, ẩm b) Kém chịu lửa Tuv khơng cháy nhiệt độ vượt 500°c thép chuyển sang trạng thái déo, biến dạng lớn, m ất khả chịu lực Độ chịu lửa thép chí gỗ dán, cơng trình đặc biệt kết cấu thép phải bọc vật liệu chịu nhiệt II Phạm vi sử dụng kết cấu thép Kết cấu thép sử dụng rộng rãi cơng trình sau: N h n g n g h iệp nước ta, kết cấu chịu lực nhà công nghiệp sử dụng chủ yếu hai loại vật liệu: thép bê tông cốt thép Chỉ có cơng trình vừa nhổ sử dụng hỗn hợp vật liệu thép bê tông cốt Ihép chắng hạn cột bê tông cốt thép, dàn thép, cịn cơng trình có kích thước lớn, cần trục nặng hệ kết cấu chịu lực làm toàn thép K ết cấu vỏ m ỏ n g Kết cấu - vỏ thép sử dụng rộng rãi bể chứa, dường ống dẫn chất lỏng, khí ga, phễu chứa vận chuyển vật liệu bột, silơ, lị cao v.v N h ữ n g n g trìn h dân dụ n g công nghiệp đặc biệt Kết cấu thép sử dụng có nhiều uru điểm cơng trình sau: - Cầu đường sất, đường bộ, cầu đỡ đường ống, máng dẫn Cầu treo vượt nhịp hàng kilỏm ét - Khung chịu lực nhà cao tầng - Nhà nhịp lớn rạp biểu diễn, nhà thi đấu thể thao, nhà triển lãm, gara xưởng lắp ráp máy bay, tàu điện Khi nhịp nhà lớn lOOm có kết cấu thép đáp ứng - Kết cấu cao tháp, trụ anten, cột điện, cột đèn biển, dàn khoan - Kết cấu di động máy xây dựng, cánh cửa van, cửa cống cơng trình điện thuỷ lợi thuỷ §2 TH ÉP XÂ Y DỤNG Thép gang hợp kim (ferit - Fe) với cácbon (C), ngồi cịn số tạp chất khác có tỷ lệ khơng đáng kể oxy (O), phốtpho (P), silic (Si), v.v Từ quặng sắt, thành phần oxyt sắt (Fe 20 , F e 30 4), người ta luyện lò cao gang hợp kim Fe c , hàm lượng cacbon c chiếm 1,7% Qua lò luyện thép để khử bớt c gang, người ta thép Thép có cấu trúc m ạng tinh thể, bao gồm tới 99% hạt ferit (sắt ngun chất Fe) màu sáng có tính mềm dẻo, giới hạn khoảng 25-Í-30 kN /cm gần 1% xementit (cacbua sắt Fe 7C) cứng dịn, giới hạn bền khoảng 80+100 kN/cm2 Hỗn hợp xem entit với ferit tạo thành peclit lớp m àng m ỏng đàn hồi, màu xẫm nằm hạt ferit, giới hạn bền khoảng kN/cm Peclit định tính chất dẻo thép: thép nhiều cacbon màng peclit dày thép dẻo II Phân loại thép xây dựng T h eo th n h p h ầ n hóa học thép Thép chia ra: - Thép cacbon - thép không chứa thành phần hợp kim khác Tùy theo hàm lượng cacbon, lại chia ra: thép cacbon thấp (chứa 0,22%C), cacbon vừa (chứa 0,22-i-0,6%C) cacbon cao (chứa 0,6-rl,7% C) Thép cacbon sứ dụng kết cấu thép loại thép cacbon thấp, loại thép mềm dẻo, dễ hàn, thép cacbon vừa cao loại thép sứ dụng ngành công nghiệp khác - Thép hợp kim - thép có chứa thêm ihành phán kim loại khác crôm (Cr), niken (Ni), m angan (Mn), silic (Si), đồng (Cu), Vanađi (V) Tùy theo hàm lượng kim loại khác m chia ra: thép hợp kim thấp (chứa 2,5% kim loại khác), thép hợp kim vừa (chứa 2,5-h10% kim loại khác) hợp kim cao (chứa 10% kim loại khác) Thép hợp kim sử dụng kết cấu thép loại thép hợp kim thấp T h eo p h n g p h p luyện Luvện thép từ gang nhằm khử bớt cacbon tạp chất khác gang đưa hàm lượng yêu cầu thép Tùy thuộc vào phương pháp tạo phản ứng oxy hóa tạp chất cần khử cấu trúc lò luyện mà người ta chia hai phương pháp luyện luyện bầng lị quay (lị Betxơme, Thomat lò thổi oxy) luyện lò (lị M actanh) Lị quay có suất 30-^45 phút đợt luyện cịn lị có suất 8+12 đợt luyện So với thép luyện lị quay thép luyện lị có nãng suất thấp hơn, giá thành thép cao hơn, ihép có chất lượng tốt có cấu trúc 3.Theo phương pháp để lắng thép Thép từ lị luyện rót vào khn để nguội cho kết tinh lại Tùy theo phương pháp để lắng nguội, chia ra: - Thép sôi: thép nguội, bốc nhiều bọt khí: oxy, cacbon oxyt (nên trơng sơi); bọt khí tạo nên chỗ khơng đồng cấu trúc thép, khiến cho thép dễ bị phá hoại dịn bị lão hóa - Thép tĩnh: có chất silic, nhơm , m angan khử oxy tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ lên bề m ặt nên q trình nguội khơng có bốc cuồn cuội thép sôi Phần xỉ loại bỏ đi, thép cịn lại có chất lượng tốt, cấu trúc đồng nhất, khó bị phá hoại dịn - Thép nửa tĩnh: trung gian thép tĩnh thép sôi chất lượng giá thành III M ác thép T h ép cacbon a) M ác thép cacbon kết cấu thông thường (T C V N 1765:1975) Theo công dụng, thép cacbon kết cấu thơng thường chia ba nhóm A, B, c ký hiệu sau: b (kN /cm 2) Phương pháp Nhóm thép cr "A" - nhóm A thép 31; 33; 34; 38; 42; 51; 61 "t"- thép tĩnh có Mn "1"- hạng "B" - nhóm B cacbon 31; 33; 34; 38; 42; 51; 61 "s"- thép sỏi nâng "2"- hạng "C" - nhóm c thơng thường 34; 38; 42; 52 lắng Ihép "n"- thép nửa tĩnh Mn Hạng thép cao "6"- hạng Ghi chú: - Hạng thép (ỊIIV định theo độ dai xung kícli - Thép sán xuất phương plìáp Betxơme khơng quy dinh cho mác thép cucban kết câu thông thườmỊ V í dụ: - BCT38s2 thép cacbon kết cấu thơng thường, nhóm B, có giới hạn bền kéo 38 kN /crrr, thép sôi, hạng C C T52nM n2 thép cacbon kết cấu thơng thường, nhóm c, có giới hạn bền - kéo 52 kN /cm 2, thép nửa tĩnh, có hàm lượng mangan nâng cao khử oxy, thép hạng b) M úc thép cachon kết cấu chất lượng tất (TCVN 1766:1975) Theo thành phần hoá học thép cacbon kết cấu chất lượng tốt chia nhóm nhóm dược ký hiệu sau: c xlO'2%C Phương pháp lắng thép Mn "ĩ"- thép tĩnh Nhóm , từ đến 85(cách 5) Thép cacbon chất lương tốt "s"- thép sồi ”nM- thép nửa tĩnh Nhóm từ 15 đến 70 (cách 5) Mn V í dụ: C l5 s thép cachon kết cấu chất lượng tốt, nhóm 1, có 0,15 % c , thép sôi C15M n thép cacbon kết cấu chất Iượna tốt, nhóm có 0,15 % c , có hàm lượng m angan nàng cao khứ oxv c) Thép cưcbon cún nóng dìtnịị làm kết cấu thép xây dựng Theo TCVN 5709:1993 có bốn mác thép cacbon cán nóng dùng làm kết cấu thép xây dựng XCT34, XCT38, XCT42 XCT52 Ở đây, XCT thcp cacbon xây dựng, cliữ số dứng sau giớihạn bền tối ké o ( k N /c r r r ) So sán h k ý h iệu m ác thếp x dựng V iệ t N a m vớ i thiểu k ý h iệ u thép nước dược nêu bảng A.2, phụ lục A M ác thép kết cấu hợp kim thấp TCVN 3104:1979 dựa vào công dụng yếu thành phần hợp kim hóa chia thép kết cấu hợp kim thấp làm hai nhóm: thép làm kết cấu kim loại thép cho bê tơng cốt thóp Thép làm kết cấu kim loại bao gồm: - Thép mangan: 14Mn 19Mn, 09M n2, 14Mn2, 18Mn2 - Thép m angan-silic: 12MnSi, 16MnSi, 17MnSi, 09Mn2Si ]0 M n S il - Thép m angan-vanadi: 15MnV - Thép crôm -m angan-silic: I4CrMnSi - Thép crôm -silic-niken-đồne: lOCrSiNiCu, 15CrSiNiCu đó: hai số đầu phần vạn hàm lượng cacbon Chữ tên hợp kim Nếu có số sau hợp kim gần % hợp kim đó, khơng có số đứng sau tên hợp kim hợp kim chiếm 0,8 H-1, 1% §3 S ự L À M VIỆC C Ủ A TH ÉP KHI CHỊU TẢI TRỌNG I Sự làm việc chịu kéo, nén thép Sự làm việc chịu kéo dạng thép, đặc trưng cho chịu lực thép tải trọng Qua nghiên cứu làm việc chịu kéo thép có đặc trưng học chủ yếu ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, m ôđun đàn hồi B iể u đồ ứ n g su ấ t - biến dạng thép k h i kéo - *«— - N L 1 “í í N - JU U L ^ H ý ' H ình 1.1 Mầu tliử cường độ cliịu kéo thép K éo m ột mẫu thép (hình 1.1) cacbon tải trọng tĩnh (N) tăng dần có diện tích tiết N diên (A) Đo biến dang A L vẽ đồ thi quan ứng suất = — biến dang A tương đối £ = ta đươc biểu đồ kéo thép (hình 1.2 ) đây: lực kéo N tính bàng kN; diện tích tiết diện A tính cm 2; ứng suất tính kN /cm 2; biến dạng tương đối E tính bầng % _ N ơ~ A (kN/cm2) 50 D 40 E 30 A’B c 20 'đh 10 r a 12 16 2Ũ 24 L e =— 100% H ình 1.2 Biểu ứng suất-biến dạnq thép cacbon thấp chịu kéo 10 Đ oạn o đến A tương ứng với ứng suất từ đến 20 kN /cm m ột đoạn thẳng, giai đoạn ứng suất tỷ lệ thuận với biến dạng, vật liệu làm việc tuân theo định luật Huc = E £ m ơđun đàn hồi E hệ số góc đoạn thẳng OA: E = tg (a ) « 2100000 kG /cm = 20600 kN /cm = const Giai đoạn gọi giai đoạn tỷ lệ, ứng suất tương ứng với điểm A gọi giới hạn tỷ lệ (ơ t/) Bên điểm A m ột chút ỉà điểm A' mà đoạn AA' cong m ột chút, ứng suất đoạn khơng cịn tỷ lệ thuận với biến dạng nữa, giảm tải N biểu đổ lại quay trớ lai điểm A, nghĩa thép làm việc đàn hồi ú n g suất tương ứng với điểm A' gọi giới hạn đàn hồi (ơ đh) Thực tế đh khác với nên nhiều người ta đồng hai giai đoạn làm việc g ia i đo ạn tãng tải trọng tiếp theo, đoạn A ’B đường co ng rõ rệt T h é p k h n g cị n làm việc đàn hồi nữa, m ôđun đàn hổi giảm đến điểm B, ứng suất tương ứng với điểm B đạt khoảng 24 kN /cm Giai đoạn gọi giai đoạn đàn hồi dẻo Đoạn BC hẩu đoạn nằm ngang: gọi giai đoạn chảy dẻo Biến dạng tự động tăng ứng suất không thay đổi Đoạn nằm ngang ứng với biến dạng từ £ = 0,2 đến £ = 2,5% gọi thềm chảy, ứ ng suất tương ứng với giai đoạn gọi giới hạn chảy (ơ c) N = — - (kl\l/cm A H ình 1.3 Biếu đồ ứng suất-biển dạng thép cacbon chịu kéo ỉ- biểu đồ ch ị II kéo thép cacbon cao; 2- biểu đồ chịu kéo thép cacbon tliấp Đoạn CD, giai đoạn chảy thép lại tiếp tục chịu lực kéo Thép gia cường nên giai đoạn gọi giai đoạn củng cố Quan hệ ứng suất - biến dạng m ột 11 ... lửa thép chí gỗ dán, cơng trình đặc biệt kết cấu thép phải bọc vật liệu chịu nhiệt II Phạm vi sử dụng kết cấu thép Kết cấu thép sử dụng rộng rãi cơng trình sau: N h n g n g h iệp nước ta, kết cấu. .. Peclit định tính chất dẻo thép: thép nhiều cacbon màng peclit dày thép dẻo II Phân loại thép xây dựng T h eo th n h p h ầ n hóa học thép Thép chia ra: - Thép cacbon - thép không chứa thành phần... loại thép cho bê tơng cốt thóp Thép làm kết cấu kim loại bao gồm: - Thép mangan: 14Mn 19Mn, 09M n2, 14Mn2, 18Mn2 - Thép m angan-silic: 12MnSi, 16MnSi, 17MnSi, 09Mn2Si ]0 M n S il - Thép m angan-vanadi: