Bài giảng môn Kết cấu thép 1 - Cấu kiện cơ bản

Kết cấu thép

KẾT CẤU THÉP 1

CẤU KIỆN CƠ BẢN

 Khuyến khích SV đặt các câu hỏi về nội dung bài

giảng trong giờ học;

 Yêu cầu SV làm bài tập lớn ở nhà và GV sẽ kiểm

tra và hướng dẫn sau mỗi chương môn học;

 Yêu cầu SV phải tham gia tối thiểu 80% số tiết học; Cuối kỳ học sẽ có bài kiểm tra cho toàn bộ nội dung môn học;

a) Khái niệm:

Kết cấu thép là cụm từ chỉ Kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng

được làm bằng vật liệu thép xây dựng

Kết cấu thép: gồm các “Cấu kiện thép” như dầm thép, cột thép, … được

liên kết với nhau tạo thành hệ kết cấu để cùng chịu lực

b) Ưu điểm chính của KC thép:

- Khả năng chịu lực lớn: vì vật liệu thép có cường độ lớn; lớn hơn hàng chục lần cường độ chịu nén của vật liệu bê tông

- Độ tin cậy cao khi chịu lực: vì vật liệu thép có cấu trúc khá thuần nhất nên các giả thiết trong tính toán khá sát với sự làm việc thực tế của vật liệu thép

- Tính công nghiệp hoá cao: vì được chế tạo sẵn hàng loạt, theo các môđun ở trong các nhà máy

- Tính linh hoạt cao: vì dễ dàng sửa chữa, dễ thay thế, dễ tháo gỡ, dễ dàng vận chuyển, có thể tái sử dụng nhiều lần cho mục đích khác nhau

c) Nhược điểm của KC thép:

- Dễ bị ăn mòn, dễ bị gỉ: nên chi phí cho bảo dưỡng (chi phí cho sơn, mạ) cần theo định kỳ;

- Khả năng chịu lửa kém: nên cần phải bọc thép bằng một lớp vật liệu chịu lửa;

d) Phạm vi ứng dụng của KC thép:

Với ưu điểm chính về khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao nên kết cấu thép luôn là giải pháp hữu hiệu cho những kết cấu công trình đặc biệt, như: Kết cấu nhà công nghiệp có nhịp lớn;

Kết cấu các công trình thể thao có nhịp lớn và hình dáng đặc biệt;

Kết cấu dầm cầu;

Kết cấu giàn khoan trên biển;

Kết cấu khung nhà cao tầng, đặc biệt ở những nơi có động đất mạnh;

Kết cấu tháp truyền hình;

Kết cấu bể chứa xăng dầu

§1.1 THÉP XÂY DỰNG

1 Khái quát chung:

Thép xây dựng là hợp kim của sắt (Fe), cacbon (C), và một số chất khác;

Quặng sắt Gang lỏng Thép lỏng Phôi thép

(Sắt oxýt Fe2O3 và (Fe và C > 1,7%) (Fe và C < 1,7%)

2 Các phương pháp phân loại chính đối với thép Xây dựng

2.1 Theo thành phần hoá học của thép:

Thép cacbon cao: hàm lượng 1,7% > ; thép rất cứng, rất

giòn, khó hàn => rất ít dùng trong xây dựng

Thép cacbon vừa: hàm lượng 0,6% > ; thép khá giòn, ít dẻo

=> ít dùng trong xây dựng

Thép cacbon thấp: hàm lượng 0,14 % < ; thép mềm, dẻo,

dễ hàn => dùng phổ biến trong xây dựng (dùng cho kết cấu chịu lực)

Có 3 loại Thép cacbon:

%6,0



C

%22,0



C

% 22 , 0



C

2 Các phương pháp phân loại chính đối với thép XD

2.1 Theo thành phần hoá học của thép:

b) Thép hợp kim:

Gồm Fe và C là 2 thành phần hoá học chính, ngoài ra còn có thêm các

thành phần hợp kim khác như: Cr, Ni, Mn, Ti, …

Đó là những thành phần hợp kim có lợi cho thép, được cho thêm vào => nhằm nâng cao chất lượng của thép: như tăng độ bền, tăng độ dẻo khi chịu lực tác dụng động; tăng khả năng chịu va đập; tăng khả năng chống gỉ,

Thép hợp kim thấp: có tổng hàm lượng các hợp kim => được dùng chủ yếu trong xây dựng;

Thép hợp kim vừa và cao: có tổng hàm lượng của các hợp kim =>

không dùng trong xây dựng;

(tiếp 2/3)

Có 3 loại Thép hợp kim :

2 Các phương pháp phân loại chính đối với thép XD

2.2 Theo mức độ khử oxy:

Thép sôi: Không sử dụng biện pháp khử oxy, thép để nguội tự nhiên, nên

bọt khí còn tồn tại trong thép nhiều và phân bố không đều

=> Chất lượng thép không tốt, thép dễ bị phá hoại giòn và lão hoá

Có 3 loại :

Trong quá trình luyện thép, Nếu bọt khí còn tồn tại trong thép sẽ làm giòn thép Bọt khí thường không được khử triệt để vì làm tăng giá thành, thường khử 50% ~ 70%

Thép tĩnh (thép lặng): Khử oxy một cách triệt để bằng cách trong quá trình

luyện, cho vào những chất khử như Si, Au, Mn, nên không còn bọt khí trong thép => Chất lượng thép rất tốt, nhưng giá thành cao

Sử dụng cho các công trình quan trọng, hoặc công trình chịu tải trọng động vì thép rất khó phá hoại giòn

Thép nửa tĩnh (thép nửa lặng): Khử oxy không hoàn toàn, khử khoảng 50% oxy => chất lượng thép trung bình, trung gian giữa 2 loại thép sôi và thép tĩnh Sử dụng trong xây dựng công trình

3 Cấu trúc và thành phần hoá học của thép XD

Trong điều kiện bình thường, thép có cấu trúc

tinh thể, gồm 3 thành phần chính:

Xementit

FeritPeclit

Ferit: là sắt nguyên chất (Fe), chiếm tới 99% thể

tích, rất mềm dẻo, dễ dát mỏng, dễ tác dụng với

oxy

Xementit: là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), nằm

xen kẽ giữa các hạt Ferit; rất cứng và giòn

Peclit: là hỗn hợp của Ferit và Xementit tạo

thành màng mỏng bao xung quanh hạt Ferit

Cường độ của màng Peclit là trung gian giữa Xementit và Ferit, quyết định tính dẻo của thép, và đóng vai trò chịu lực của thép

Thép càng nhiều C => màng Peclit càng dầy và thép càng cứng, càng kém dẻo

(Tự xem tài liệu)

4 Các mác thép dùng trong xây dựng

4.1 Mác của thép cacbon thấp (có cường độ thường):

Thép cường độ thường là thép cacbon thấp: Có hàm lượng

có giới hạn chảy daN/cm2 ; C  0 , 14  0 , 22 %

2900



yf

Thép cacbon thấp được chia thành 3 nhóm:

Nhóm A: Thép được đảm bảo về tính chất cơ học.

Nhóm B: Thép được đảm bảo về thành phần hoá học

Nhóm C: Thép được đảm bảo về cả tính chất cơ học và thành phần hoá học => được sử dụng trong xây dựng làm thép chịu lực

4 Các mác thép dùng trong xây dựng

4.1 Mác của thép cacbon thấp (có cường độ thường):

Ký hiệu mác thép cacbon thấp sử dụng trong xây dựng gồm 2 phần: phần chữ CCT đứng trước và phần Số đứng sau (theo TCVN 1765: 1976)

Phần chữ chỉ loại thép các bon thấp loại C và phần số chỉ độ bền kéo đứt

của thép với đơn vị là daN/mm2

s : cho thép sôi

không ghi gì : cho thép tĩnh

Các ký hiệu biểu thị về mức độ khử oxy:

4 Các mác thép dùng trong xây dựng

4.2 Mác của thép cường độ khá cao:

Thép cường độ khá cao là thép hợp kim thấp hay thép cacbon thấp có nhiệt luyện: Có hàm lượng hợp kim < 2,5 % ; có giới hạn chảy fy = 3100 ~ 4000 daN/cm2 ; giới hạn bền fu = 4500 ~ 5400 daN/cm2

Ký hiệu mác thép gồm 2 phần: phần chữ và phần số

Phần Số đứng đầu tiên: chỉ hàm lượng C tính bằng phần vạn

Phần Chữ: chỉ ký hiệu hoá học của các nguyên tố có mặt, trừ Fe và C không ghi

Phần Số đứng sau chữ: chỉ hàm lượng % của các chất đứng trước đó Nếu hàm lượng <1% thì không ghi

VD: 10Mn2Si

Có hàm lượng C chiếm 0,1% ; Mn chiếm 2% và Si chiếm < 1%

(ngoài Fe và C chiếm < 0,22%)

(tiếp 2/3)

4 Các mác thép dùng trong xây dựng

4.3 Mác của thép cường độ cao:

Thép cường độ cao là thép hợp kim có nhiệt luyện: có giới hạn chảy fy trên

4400 daN/cm2 ; giới hạn bền fu trên 5900 daN/cm2

VD: 12Mn2SiMoV

(tiếp 3/3)

Kết cấu thép được tính toán theo Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH)

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

TTGH về khả năng chịu lực (TTGH 1):

Là trạng thái (ngưỡng) nếu vượt qua nó thì kết cấu được coi như mất khả năng chịu lực, kết cấu không còn sử dụng được nữa (bị phá hoại, sụp đổ).TTGH 1 bao gồm trạng thái kết cấu bị phá hoại về bền, mất ổn định, mất cân bằng vị trí, biến đổi hình dạng

a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:

  S

Smax 

Smax là nội lực lớn nhất có thể có của cấu kiện kết cấu được xét trong

suốt thời gian sử dụng công trình

[S] là giới hạn khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu được xét

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

là tải trọng tiêu chuẩn thứ i; Tải trọng tiêu chuẩn là tải trọng lớn nhất

có thể tác dụng lên công trình trong điều kiện sử dụng bình thường (được xác định bằng thống kê xác xuất và được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế của mỗi nước)

là nội lực do tải trọng tiêu chuẩn gây ra ;

là nội lực do tải trọng tiêu chuẩn thứ i gây ra ;

là hệ số độ tin cậy của tải trọng thứ i; xét đến khả năng tải trọng thực

tế có thể biến đổi khác với tải trọng tiêu chuẩn một cách bất lợi,

được qui định trong Tiêu chuẩn thiết kế cho từng loại tải trọng

là hệ số an toàn về sử dụng; xét đến mức độ quan trọng của công trình ; do từng quốc gia, chủ đầu tư qui định,

là nội lực do tải trọng tính toán thứ i gây ra;

a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

  S

Smax 

Nội lực S được xác định theo tải trọng tính toán.

Tải trọng tính toán = tải trọng tiêu chuẩn x hệ số an toàn

là hệ số tổ hợp tải trọng, để xét đến xác xuất tác dụng đồng thời của nhiều tải trọng mang giá trị lớn nhất, ;

Giá trị của nội lực S phụ thuộc vào:

- Tải trọng tác dụng: giá trị, qui luật, tần suất tác dụng của tải trọng;

- Sơ đồ tính toán kết cấu: liên kết ở 2 đầu cấu kiện;

- Đặc trưng hình học của tiết diện;

- Tổ hợp tải trọng, tổ hợp nội lực: các tải trọng có thể tác dụng đồng thời

a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

  S

Smax 

Biểu thức tổng quát để xác định

khả năng chịu lực của kết cấu:   S  A  f  c

A là đặc trưng hình học của tiết diện cấu kiện kết cấu: hoặc là diện tích

A, mô men quán tính I, mô men kháng uốn W của tiết diện;

f là cường độ tính toán của vật liệu thép;

là hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện ; xét đến các điều kiện làm việc khác nhau của cấu kiện;

c



Khả năng chịu lực [S] của kết cấu phụ thuộc vào :

- Đặc trưng hình học của tiết diện,

- Đặc trưng cơ học của vật liệu;

- Điều kiện làm việc của kết cấu

a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

  S

Smax 

Giá trị của được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế, phụ thuộc vào:

- Tầm quan trọng của công trình: loại công trình, vị trí xây dựng công trình, từng quốc gia, chủ đầu tư,

- Loại cấu kiện: cột, dầm sàn, dầm cầu chạy, xà gồ,

- Vị trí của cấu kiện trong công trình: phòng họp, phòng ở,

 

b) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 2:

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

Biểu thức tổng quát để xác định biến dạng :

c n

là biến dạng do tải trọng tiêu chuẩn gây ra ;

là biến dạng do tải trọng tiêu chuẩn thứ i gây ra

1



c i

P

Giá trị của phụ thuộc vào:

- Tải trọng tác dụng: giá trị, qui luật, tần suất tác dụng của tải trọng;

- Sơ đồ tính toán kết cấu: liên kết ở 2 đầu cấu kiện;

- Đặc trưng hình học của tiết diện;

- Tổ hợp tải trọng, tổ hợp nội lực : các tải trọng có thể tác dụng đồng thời

max



b) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 2:

1 Các trạng thái giới hạn của kết cấu:

  



2 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

a) Cường độ tiêu chuẩn:

5%

fc

Tần suất

Cường độ95%

Do đặc trưng của vật liệu

luôn biến đổi nên giá trị

cường độ tiêu chuẩn fc

được xác định theo phương

pháp thống kê, với điều kiện

đảm bảo 95% mẫu được

thí nghiệm có cường độ lớn

hơn giá trị fc

Cường độ tiêu chuẩn của các vật liệu được qui định trong các tiêu chuẩn

thiết kế kết cấu

Khi tính theo giới hạn chảy (ƯS không cho phép vượt quá giới hạn chảy):

Đối với thép cacbon thấp (có giới hạn chảy):

y

c f

f 

Đối với thép cacbon cao (không có cường độ

chảy): thì cường độ tiêu chuẩn lấy theo giá trị qui

ước ứng với biến dạng dư là 0,2% :

VD: CCT38 có fc = fy = 2400 daN/cm2.

% 2 , 0

Khi cho phép tính theo giới hạn bền

(có hoặc không có giới hạn chảy): u b

f   

2 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

a) Cường độ tiêu chuẩn:

dựa theo xác xuất của các mẫu thí nghiệm c



M

 là hệ số an toàn của vật liệu, xét đến ảnh hưởng của các yếu tố

trong thực tế làm việc của kết cấu, dẫn đến làm giảm thấp khả năng chịu lực của kết cấu,

Thép có cường độ cao vừa có 3800 daN/cm2 như CCT34, CCT38:

Thép cường độ cao : (có nhiều hợp chất khác, mức độ tin cậy không cao)



M



1 , 1

f f

f f

f



58 , 0 58

3 Tải trọng và tác động (TCVN 2737-1995)

a) Phân loại tải trọng:

Tuỳ theo thời gian tác dụng, tải trọng được phân thành tải trọng tác dụng thường xuyên và tải trọng tác dụng tạm thời

Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải):

Là tải trọng không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều tác dụng trong suốt quá trình sử dụng công trình

Gồm trọng lượng bản thân của kết cấu, vật liệu kiến trúc, vật liệu trang trí, để tạo nên công trình

Luôn tồn tại trong suốt quá trình sử dụng VD:

§1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP

1 Cấu kiện chịu kéo đúng tâm

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

3 Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn)

1 Cấu kiện chịu kéo đúng tâm

Biểu thức kiểm tra bền:

An là diện tích thực của tiết diện đã trừ đi các giảm yếu;

f là cường độ tính toán của vật liệu thép (tính theo giới

hạn chảy hay giới hạn bền);

là hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện (xét đến

điều kiện làm việc thực tế)

c n

f A

2 Cấu kiện chịu uốn

(Dầm thép)

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

a) Khi tải trọng tác dụng còn nhỏ:

Vật liệu làm việc trong giai đoạn đài hồi,

biểu đồ ứng suất pháp có hình tam giác

c nx

x

f W

M



  ,max  

Tại tiết diện chỉ chịu Max:

Mx,max: là mô men uốn do tải trọng tính toán gây ra đối với trục x-x;

Wnx : là mômen kháng uốn của tiết diện thực đối với trục x-x;

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

a) Khi tải trọng tác dụng còn nhỏ:

Tại tiết diện chỉ chịu Vmax:

Vmax : là lực cắt do tải trọng tính toán gây ra;

Sx là mômen tĩnh của 1/2 tiết diện trượt đối với trục trung hoà x-x;

x

x f t

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

b) Tiếp tục tăng tải trọng:

Ứng suất pháp ở các thớ biên trên và dưới đạt đến giới hạn chảy ;

trong khi các thớ bên trong vẫn làm việc trong giai đoạn đàn hồi; biểu đồ ứng

suất pháp có dạng hình thang

c



Vùng chảy dẻo được hình thành, ăn sâu vào bên trong tiết diện và lan rộng

theo chiều dài dầm

Tiết diện dầm gồm 2 vùng: vùng chảy dẻo và vùng đàn hồi

P

Vùng chảy dẻo

(tiếp 3/7)

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

c) Tải trọng tăng đến khi toàn bộ tiết diện đạt đến

Giai đoạn này, dầm được coi là bị phá hoại

Khớp dẻo được tạo thành; dầm có thể quay được xung quanh trục khớp dẻo; biến dạng tăng vô hạn nếu không kể đến vật liệu làm việc trong giai đoạn

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

Xác định mô men dẻo Md:

x y dA

y

Khảo sát phân tố dA :

x c

A

c A

c

Sx là mômen tĩnh của 1 nửa tiết diện đối với trục trung hoà x-x

So sánh với trường hợp dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi :

xn c

M   

d c

Giai đoạn đàn hồi:

Giai đoạn chảy dẻo:

với Wxn  I xn /(h / 2 )

;

(tiếp 5/7)

2 Cấu kiện chịu uốn (Dầm)

Biểu thức kiểm tra bền đối với cấu kiện chịu uốn có xét đến biến dạng dẻo:

c d

f W

M



Tác dụng đồng thời của ứng suất pháp và

ứng suất tiếp làm tăng tính dẻo của thép

(ứng suất tiếp tăng nên thép dễ bị chảy

dẻo)

Chảy dẻo có thể xuất hiện ở các thớ biên

khi ứng suất pháp đạt ; và ở cả trên

đường trục trung hoà khi ứng suất tiếp đạt

l q

x

c

400

1 384

 là độ võng lớn nhất của dầm do tải trọng tiêu chuẩn gây ra

VD: dầm đơn giản chịu tải phân bố đều:

   là giới hạn độ võng lớn nhất của dầm, được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế (1/400 l)

3 Cấu kiện chịu nén đúng tâm

(Cột, thanh giàn thép)

Xét thanh liên kết khớp ở 2 đầu và chịu lực nén đúng tâm

Hiện tượng khác nhau giữa cấu kiện chịu kéo đúng tâm

và nén đúng tâm: Thanh bị kéo thẳng ra khi chịu kéo;

Thanh bị nén cong khi chịu nén

Mức độ cong của thanh phụ thuộc chủ yếu vào chiều

dài của thanh Thanh càng dài thì độ cong càng lớn

l

Tính toán cần xét đến độ cong của thanh; và việc tính

toán phức tạp hơn

Để đơn giản, chỉ cần xét đến độ cong của thanh khi chiều

dài l đủ dài, độ cong đủ lớn Nếu bé thì được bỏ qua cho

đơn giản trong tính toán