Bài giảng Kết cấu công trình - Bài 1: Ưu, nhược điểm & phạm vi sử dụng kết cấu thép

1CẤU KIỆN CƠ BẢN CỦA KẾT CẤU THÉP  Ưu điểm - nhược điểm. Phạm vi sử dụng  Vật liệu thép dùng trong xây dựng  Tính toán các cấu kiện cơ bản bằng thép định hình tiết diện nguyên  Liên kết kết cấu thép Môn học : Kết cấu công trình Ngành : Kiến trúc - Quy họach 2ƯU, NHƯỢC ĐIỂM & PHẠM VI SỬ DỤNG KẾT CẤU THÉP  Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao  an toàn (Vật liệu cường độ cao,đồng nhất, đẳng hướng, phù hợp với nhiều giả thiết tính tóan)  Trọng lượng bản thân kết cấu nhẹ nhất so với các kết cấu chịu lực khác ( BTCT, gạch đá, gỗ)  Đạt được trình độ công nghiệp hóa cao  Thời gian dựng lắp nhanh nhất  Có tính kín không thấm nước, khí  bể chứa 1. ƯU ĐIỂM Bài 1 3 Dễ bị xâm thực, trong môi trường ẩm  thép bỉ gỉ  Chịu lửa kém, mặc dù thép không cháy. Khi t = 500 - 6000C  thép chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực kết cấu sụp đổ. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM & PHẠM VI SỬ DỤNG KẾT CẤU THÉP 2. NHƯỢC ĐIỂM 4 5 Kết cấu nhà công nghiệp  Kết cấu mái nhà nhịp lớn (nhà thi đấu, biểu diễn) L = 30-40m : dùng KC thép là hợp lý; L >100m  thép là kết cấu duy nhất áp dụng được  Kết cấu cầu đường bộ,cầu đường sắt (VD:Golden Gate)  Kết cấu tháp cao, tháp tải điện, cột ăng-ten (KC thép nhẹ, dễ vận chuyển và dựng lắp)  Khung nhà cao tầng  Kết cấu bản vỏ (bể chứa dầu, khí)  Kết cấu di động (cần trục) 3. PHẠM VI SỬ DỤNG ƯU, NHƯỢC ĐIỂM & PHẠM VI SỬ DỤNG KẾT CẤU THÉP 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 VẬT LIỆU THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG 1. CÁC LỌAI THÉP  Thép và gang : đều là hợp chất của Fe và C  Quặng sắt ( Fe2O3 , Fe3O4 )  luyện trong lò cao  Gang  Qua lò luyện thép để khử bớt C  Thép .  Hàm lượng C > 1,7%  Gang  Hàm lượng C < 1,7%  Thép  Phân lọai theo thành phần hóa học của thép:  Thép than C < 1,7%; không có các thành phần hợp kim khác. XD dùng thép cacbon thấp (C≤0,22%)  mềm, dẻo, dễ hàn  Thép hợp kim * thêm Cr, Mn, Ni,  tăng độ bền và tính chống gỉ *XD dùng thép hợp kim thấp (tỷ lệ các nguyên tố <5%) Bài 2 16 VẬT LIỆU THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG 2. SỐ HIỆU THÉP Thép Cabon thấp cường độ thường : CT3 c = 2200 ÷ 2500 kG/cm2 ; b = 3700 ÷ 4200 kG/cm2  Thép cường độ khá cao : * là thép cacbon mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp * c = 2900 ÷ 3900 kG/cm2 ; b = 4300 ÷ 5400 kG/cm2 * Dùng thép cường độ khá cao tiết kiệm vật liệu 20 ÷ 25%  Thép cường độ cao : * là thép hợp kim có nhiệt luyện * c ≥ 4400 kG/cm2 ; b ≥ 5900 kG/cm2 * Dùng thép cường độ cao tiết kiệm vật liệu 25 ÷ 30% 17 3. QUY CÁCH THÉP DÙNG TRONG XD  Thép hình  Thép bản (thép tấm)  Thép hình dập nguội VẬT LIỆU THÉP 18 x x y y x0 0xy0 y0 b b z0 d B x y y b 0 y d u x0 Hình 1.3.a : thép góc đều cạnh Hình 1.3.b : thép góc không đều cạnh y Hình 1.3.c : thép chữ I y x x b h d t y x y z0 b h d Hình 1.3.d : thép chữ C d Hình 1.3.e : thép ống D 3.1. Thép hình 3. QUY CÁCH THÉP DÙNG TRONG XD 19 3.1. Thép hình Các tiết diện tổ hợp 20  Thép góc  Có 2 loại: đều cạnh (L20x3 L250x20)và không đều cạnh (L25x16x3 L250x160x20)  Có 2 mép song song, dài 4-13m  PVSD : thanh chống, thanh dàn, TD ghép (T,I) làm dầm cột, liên kết dầm với cột,  Thép chữ I  I10 I60 (cao 10 60 cm); dài 4-13m  Tiết diện phụ I18a I30a có cánh rộng và dày hơn  Có độ cứng theo phương x rất lớn so với phương y  PVSD: làm kết cấu chịu uốn phẳng như dầm, hoặc cột nhưng TD ghép (cần tăng độ cứng phương y) 3.1. Thép hình 3. QUY CÁCH THÉP DÙNG TRONG XD 21  Thép chữ C  C5 I40 (cao 5 40 cm); dài 4-13m  Tiết diện phụ I14a I24a có cánh rộng hơn  3 mặt ngòai phẳng, cánh vươn rộng  ổn định theo phương y khá tốt, dễ liên kết với các cấu kiện khác  PVSD: ck uốn xiên như xà gồ, ghép thành tiết diện cột, dàn cầu...  Thép ống  Tiết diện đối xứng, vật liệu nằm xa trục trung hòa, ổn định theo mọi phương như nhau.  Dx = 42x2,5  500x15  PVSD: thanh dàn, đặc biệt là dàn không gian, kết cấu cột tháp cao.  Thép ray, thép T, thép vuông đặc, thép hộp, 3.1. Thép hình 3. QUY CÁCH THÉP DÙNG TRONG XD 22 23  Thép tấm phổ thông : dày  = 4 ÷ 60mm, bốn cạnh phẳng, dễ sử dụng  Thép tấm dày :  =4 ÷ 160mm; có bề rộng lớn (600 ÷ 3000mm) làm kết cấu bản  Thép tấm mỏng: = 0.2 ÷ 4 mm dập thành thanh thành mỏng, lợp mái Thép tấm được dùng rộng rãi: o làm bản sàn, kết cấu chịu lực dạng tổ hợp. o Ngoài ra còn có thép bản vân dùng làm sàn nhà công nghiệp, tấm bậc thang. Thép tấm lượn sóng làm tấm lợp. 3. QUY CÁCH THÉP DÙNG TRONG XD 3.2. Thép bản (thép tấm) 24 3.3.Thép hình dập nguội  Thép hình dập nguội  Các tấm thép mỏng =2-16mm mang dập nguội mà thành thép góc, thép C, thép Z, tiết diện hộp.  PVSD ; vành mỏng nhẹ nhàng dùng cho kết cấu chịu lực nhẹ nhưng yêu cầu độ cứng lớn 3. QUY CÁCH THÉP DÙNG TRONG XD 25 4. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP 4.1. Sự làm việc chịu kéo của thép tl c 21 24 38 40 0 0 4 22 %16   b B C D E l l +  l  l Biểu đồ ứng suất- biến dạng khi kéo thép 26 4.2. Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép  Giới hạn tỉ lệ ( B) : tl = 2000 (kG/cm2)  Giới hạn chảy ( C) : c = 2400 (kG/cm2)  c là giới hạn rất quan trọng để đánh giá KNCL của thép , là ứng suất làm việc lớn nhất không được vượt qua  Ở giai đọan củng cố, KC chưa bị phá họai, nhưng biến dạng quá mức  không sử dụng được nữa  Giới hạn bền :  Xác định vùng dự trữ an tòan giữa trạng thái làm việc và trạng thái phá họai.  KC thép có một lượng dự trữ an tòan rất lớn, không bao giờ bị phá họai ở trạng thái dẻo, chỉ có thể bị phá họai khi đã chuyển thành giòn. 4. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP 27  Biến dạng khi đứt 0 :  Đặc trưng cho độ dẻo và độ dai của thép  Biến dạng khi làm việc đàn hồi : c = 0,2% ; Biến dạng khi đứt : b = 22% , gấp 100 lần c  an toàn  Môđun đàn hồi E :  Trong giai đoạn đàn hồi E = tg = 2,1x106 (kG/cm2) 4.2. Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép 4. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP 28 Bài 3 TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN (THÉP HÌNH TIẾT DIỆN NGUYÊN) NHẮC LẠI:  Phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn.Hai nhóm trạng thái giới hạn.  Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán  Tải trọng và tác động 29 mR A N th  mR NA  Ath _ diện tích tiết diện thực (đã trừ giảm yếu) m _ hệ số điều kiện làm việc. Bình thường m=1 ( Tăng A khoảng 10÷15% nếu kể thêm sự giảm yếu ) TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN 1. KÉO ĐÚNG TÂM Bài toán chọn tiết diện : 2. NÉN ĐÚNG TÂM mR A N th  Rm A N   VD: cột, thanh cánh thượng của vì kèo mái Điều kiện ổn định tổng thểĐiều kiện bền toán tính độ cường địnhổnmất về hạntớisuất ứng 30 Bài toán chọn tiết diện: Rm NA  Hệ số uốn dọc  được tra bảng từ độ mảnh max TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN NÉN ĐÚNG TÂM (tt) max = max (x, y) ≤ ghx = l0x / rxy = l0y / ry Độ mảnh giới hạn oThanh chịu lực chính (cột; thanh cánh, thanh đứng và thanh xiên ở gối truyền lực của vì kèo) : gh = 120 o Các thanh bụng khác : gh = 150 31 3. UỐN PHẲNG TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN mR W M th  cmRJ QS   ghl f l f    Theo trạng thái giới hạn 1 f ≤ fgh Theo trạng thái giới hạn 2 hoặc Độ võng giới hạn : Dầm, sàn của nhà sản xuất không có đường ray và dầm sàn giữa các tầng: * Dầm chính (f/l)gh = 1/400 * Dầm phụ (f/l)gh = 1/250 * Bản sàn (f/l)gh = 1/150 yEJ Mlf 2 48 5 32 4. UỐN XIÊN TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN mR W M W M y y x x  22 yx fff  ghl f l f    qx = qsin gây ra My và fx qy = qcos gây ra Mx và fy cos 88 22 qllqM yx  sin88 22 qllqM xy  y c y x EJ lM f 2 48 5 x c x y EJ lMf 2 48 5 Với dầm đơn giản : Bài toán chọn tiết diện : Thép I : giả thiết Wx / Wy = 7 ÷ 10 Thép C : giả thiết Wx / Wy = 5 ÷ 8 mRM W WM W yy x x x     1 33 LIÊN KẾT KẾT CẤU THÉPBài 4 1. KHÁI NIỆM CHUNG trình côngkiện cấu Tấm Thanh kết liênkết liên      Các loại liên kết : * Hàn * Đinh tán * Bulông 34  Hàn là liên kết phân tử; đốt nóng làm chảy hai mép thép cơ bản kim lọai bị chảy  hòa lẫn vào nhau nguội  đường hàn.  Ưu điểm:  Giảm công chế tạo và khối lượng kim loại  Hình thức cấu tạo liên kết đơn giản  Bền, có tính kín cao  Tiết diện không cần khoét lỗ nên không giảm yếu  Khuyết điểm  Khó kiểm tra chất lượng đường hàn bằng pp thông thường  Quá trình hàn gây biến hình hàn và ứng suất hàn trong liên kết  làm tăng tính giòn của vật liệu, KC dễ bị cong vênh  Không có tính dai, chịu tải trọng động kém 1. KHÁI NIỆM CHUNG a. Liên kết hàn LIÊN KẾTBài 4 35 1. KHÁI NIỆM CHUNG b. Liên kết đinh tán LIÊN KẾTBài 4 Nung đinh, gia công một đầu trước  ráp vào cấu kiện rồi tán thân đinh thành đầu đinh thứ hai. Ưu điểm : Có tính dai, chịu được tải trọng động  dùng để chế tạo dầm cầu trục nặng, cầu đường sắt, . Khuyết điểm : giảm yếu do khóet lỗ; tốn vật liệu và công chế tạo  hiện nay ít dùng 36 1. KHÁI NIỆM CHUNGc. Liên kết bulông LIÊN KẾTBài 4  Ưu điểm :  Thuận tiện khi tháo lắp ctrình tạm  không cần máy móc và năng lượng (nhiệt, điện) khi thi công công trình trên cao  Chịu được tải trọng động  Khuyết điểm :  Giảm yếu do khoét lỗ  Với bulông thường: vẫn còn khe hở giữa lỗ bulông và thân bulông nên liên kết không thật chặt  dùng bulông cường độ cao  Dễ bị tuột ốc ( do vặn ecrou không chặt )  Tốn vật liệu và công chế tạo hơn so với LK hàn. 37 2. LIÊN KẾT HÀN LIÊN KẾTBài 4 a. Các phương pháp hàn HÀN HỒ QUANG ĐIỆN BẰNG TAY * Dòng điện  hồ quang điện giữa hai điện cực (thép cơ bản & que hàn) * Nhiệt độ cao của ngọn lửa hồ quang (20000C) nóng chảy mép thép cơ bản và que hàn  Kim loại que hàn chảy thành từng giọt rơi xuống rãnh hàn do lực hút của điện trường * 2 kim loại lỏng hòa lẫn vào nhau  nguội  đường hàn (liên kết phân tử) 38 2. LIÊN KẾT HÀN LIÊN KẾTBài 4 HÀN HỒ QUANG ĐIỆN BẰNG TAY -Tác dụng của lớp thuốc bọc: * Tạo lớp xỉ  cách ly không khí với kim lọai lỏng •* Làm hồ quang ổn định •* có một số hợp kim  tăng độ bền đường hàn •- Que hàn : làm kim lọai bù & điện cực -Que hàn: lõi kim lọai có lớp thuốc bọc dày 1÷1.5mm -Thép than: dùng que hàn E42, E42A -Thép hợp kim: dùng que hàn E50, E50A, E55 39 2. LIÊN KẾT HÀN LIÊN KẾTBài 4 a. Các phương pháp hàn HÀN HỒ QUANG ĐIỆN TỰ ĐỘNG VÀ NỬA TỰ ĐỘNG 40 2. LIÊN KẾT HÀN LIÊN KẾTBài 4 HÀN HỒ QUANG ĐIỆN TỰ ĐỘNG VÀ NỬA TỰ ĐỘNG Rải trước thuốc hàn trên rãnh hàn. Dây hàn trần (không bọc thuốc) được tự động nhả dần theo tốc độ di chuyển đều của máy hàn.  Ưu điểm  Chất lượng đường hàn tốt  Tốc độ nhanh (gấp 5 – 10 lần hàn tay)  Không hại sức khỏe thợ hàn do hồ quang cháy chìm dưới lớp thuốc.  Nhược điểm :  Không hàn được : đường hàn đứng hoặc ngược, ơÛ vị trí chật hẹp, trên cao. Đường hàn ngắn , gãy khúc , đường hàn tròn bán kính cong bé. 41 2. LIÊN KẾT HÀN LIÊN KẾTBài 4 HÀN HƠI ( HÀN GIÓ ĐÁ )  Tốc độ hàn chậm (sử dụng khi mất điện)  Hàn những tấm kim loại mỏng, để cắt thép Hỗn hợp cháy (32000C) nóng chảy kim lọai cần hàn và que hàn (kim lọai bù) 42 2. LIÊN KẾT HÀN LIÊN KẾTBài 4 b. Các loại đường hàn Phân loại theo cấu tạo: ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU VÀ ĐƯỜNG HÀN GÓC ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU -Thực hiện trên hai mép đầu của thép cơ bản được đặt trên cùng một mặt phẳng. -Chiều dày đường hàn= chiều dày thép cơ bản - Khe hở nhỏ giữa hai cấu kiện cần hàn  các chi tiết hàn có thể biến dạng tự do  tránh cong vênh. 43 ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU 44 ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU  Ưu điểm :  Truyền lực tốt (ứng suất tập trung nhỏ) vì đường lực khi qua mối hàn không bị dồn ép và uốn cong  Làm việc giống như thanh cơ bản vì liên kết mang tính liên kết tinh thể.  Nhược điểm :  Tốn công gia công mép.  Đặt khoảng cách mép cho đúng  cần tay nghề thợ (bậc 4). 2. LIÊN KẾT HÀN 45 ĐƯỜNG HÀN GÓC Phân loại theo cấu tạo: ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU VÀ ĐƯỜNG HÀN GÓC - Nằm ở góc vuông tạo bởi hai cấu kiện cần hàn đặt chồng lên nhau. - Tiết diện đường hàn là một tam giác vuông cân, hơi phồng ở gữa, cạnh tam giác là chiều cao đường hàn hh đường hàn mép đường hàn đầu Đường hàn góc cạnh Đường hàn góc đầu hh min =4mm ≤ hh ≤ hh max =1,2 46  Ưu điểm  Thích hợp với đại đa số liên kết.  Không cần gia công mép, dễ hàn, vị trí đặt không cần quá chính xác  cần thợ bậc1, 2.  Nhược điểm :  Đường sức qua đường hàn thay đổi phức tạp hoặc bị uốn cong  ứng suất phân bố không đều theo chiều rộng, chiều dài của thép cơ bản và dọc đường hàn dễ bị phá hoại dòn chịu lực chấn động không cao. ĐƯỜNG HÀN GÓC Phân loại theo cấu tạo: ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU VÀ ĐƯỜNG HÀN GÓC 47 2. LIÊN KẾT HÀN b. Các loại đường hàn Các cách phân loại khác -Theo công dụng : đường hàn chịu lực (truyền lực) và đường hàn không chịu lực (cấu tạo) -Theo vị trí đường hàn trong không gian: đường hàn nằm, đường hàn ngang, đường hàn đứng, đường hàn ngược -Theo tính liên tục của đường hàn : đường hàn liên tục, đường hàn gián đọan -Theo địa điểm chế tạo: đường hàn nhà máy (công xưởng), đường hàn công trường amax  15min : cấu kiện chịu nén amax  30min : cấu kiện chịu kéo, bộ phận cấu tạo 48 2. LIÊN KẾT HÀN c. Cường độ tính toán của đường hàn 49 2. LIÊN KẾT HÀN d. Tính toán đường hàn đối đầu thẳng góc chịu lực dọc trục h k h k h kk h Rl N F N  . h n h n h nn h Rl N F N  . Kéo : Nén : h= ; lh = b 2 Bài tập: Tính liên kết hàn đối đầu liên kết hai bản thép 250x12mm chịu lực kéo dọc trục bằng 45 T. Thép CT3; que hàn E42, hàn tay không bản lót, phuơng pháp kiểm tra thông thường. Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu bằng 0,95. 50 2. LIÊN KẾT HÀN d. Tính toán đường hàn góc chịu lực trục Chiều dài thực tế của đường hàn = lh+ 1cm h g hh R lh N ..7,0 h gh h Rh Nl 7,0  Yêu cầu về đường hàn: lh  4hh lh  40 mm lh ≤ 60hh Khi chịu lực dọc trục, ứng suất tiếp trong đường hàn góc xem như phân bố đều 51 2. LIÊN KẾT HÀN d. Tính toán đường hàn góc chịu lực trục Bảng phân phối nội lực cho đường hàn sống (N1) và đường hàn mép (N2) khi liên kết thép góc và thép bản 52 3. LIÊN KẾT BULÔNG  Qui định về khoảng cách  Khoảng cách min: đảm bảo độ bền của bản thép không bị khoét lỗ quá nhiều và không gian tối thiểu để vặn êcu  Khoảng cách max: Đảm bảo ổn định của phần bản thép giữa 2 bulông, Độ chặt của liên kết, tránh không cho bụi, hơi, nước lọt vào trong gây ăn mòn thép.  Liên kết chịu lực: bố trí theo k/c min  liên kết gọn, đỡ tốn thép 53 3. LIÊN KẾT BULÔNG 54 There are two modes of action in shear: “Bearing type” action Plates slip over each other in the direction of the force until the edges of the holes bear on the bolt. BoltEdge of holebears on boltBearing “Friction type” action (mainly for Grade 8.8/TF bolts) A high strength bolt is tightened with sufficient force that the friction between the surfaces of the plates is large enough to resist the serviceability Tension in bolt forcesFriction betweensurfaces resists slipplates together 55 56 Sự làm việc của bulơng thường và bulơng cường độ cao