Bài giảng Kết cấu thép (Mới nhất)

CHƯƠNG 1ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP Ưu và khuyết điểm của Kết cấu thép: a. Khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao. b. Trọng lượng nhẹ: c = /f c. Tính công nghiệp hóa cao d. Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp e. Tính Kín f. Bị ăn mòn g. Chịu lửa kém 2. Phạm vi ứng dụng Nhà công nghiệp Nhà nhịp lớn Khung nhà nhiều tầng Cầu đường bộ, đường sắt Kết cấu tháp cao Kết cấu bản Các loại kết cấu di động * So sánh các phương án TK 3. Yêu cầu đối với kết cấu thép Yêu cầu về sử dụng: an toàn, bền, đẹp Yêu cầu về kinh tế: Tiết kiệm, công nghệ chế tạo, thi công nhanh, điển hình hóa kết cấu thép 4. Vật liệu thép xây dựng Thép (gang) = Fe + C Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4  gang(trên 1.7% C)  khử bớt C  thép Thép Carbon: C<1.7% Thép XD là loại thép Carbon thấp (<0.22%) Thép Hợp kim: có Cr, Ni, Mn tăng bền, chống gỉ. Thép hợp kim XD: hợp kim thấp (phụ<2.5%) 5. Các mác thép dùng trong XD Thép Carbon thấp cường độ thường: Nhóm A: chặt chẽ về tính chất cơ học Nhóm B: chặt chẽ về thành phần hóa học Nhóm C: cả hai Giới hạn chảy: 2200 – 2700daN/cm 2 Giới hạn bền: 3300 – 5400 daN/cm 2 b. Thép cường độ khá cao: C thấp, hợp kim thấp f y = 3100 – 4000 daN/cm 2 f t = 4500 – 5400 daN/cm 2 Giá thành cao hơn thép C c. Thép cường độ cao: f y > 4400daN/cm 2 f t > 5900daN/cm 2 Tiết kiệm vật liệu 25 – 30% 6. Sự làm việc của thép khi chịu tải trọng Các đặc trưng cơ học chủ yếu: ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, module đàn hồi. Thép carbon cao không có thềm chảy dẻo rõ rệt  giới hạn chảy lấy bao nhiêu? Các đặc trưng cơ học chủ yếu Giới hạn tỉ lệ  tl , giới hạn chảy  c , giới hạn bền  b , biến dạng khi đứt  0 và module đàn hồi E. Khi  <  tl : lý thuyết đàn hồi, E=const.  tl <  <  c : lý thuyết đàn hồi dẻo, E  const.  =  c : lý thuyết dẻo. Các đặc trưng cơ học chủ yếu (tt)  b : cường độ tức thời.  0 : biến dạng khi đứt, đặc trưng cho độ dẻo dai.  0 lớn hơn  đh 200 lần. Khó bị phá hoại dẻo. Khi kết cấu thép chịu nén: giống nhau trong giai đoạn trước cũng cố. Khó xác định  b ở thép có C thấp. Sự phá hoại giòn Là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Một số điều kiện gây phá hoại giòn: hóa già, biến cứng, chịu ứng suất cục bộ  dễ gây sụp đổ hơn khi bị phá hoại dẻo. Sự phá hoại giòn (tt) Sự phá hoại giòn (tt) Hiện tượng cứng nguội là hiện tượng tăng giới hạn đàn hồi của thép do biến dạng dẻo trước  làm thép giòn, gây bất lợi . Cứng nguội khi: gia công nguội, uốn nguội, cắt bằng máy cắt, đột lổ. Thép chịu ứng suất phức tạp, tập trung ứng suất Thép chịu ứng suất phức tạp, tập trung ứng suất (tt) Sự chảy của vật liệu chủ yếu là do sự trượt dưới tác dụng của ứng suất tiếp Khi  1 =  2 thì  = 0, sự chảy không xuất hiện, sự phá hoại là đứt giòn. Thường gặp: trường hợp ứng suất cục bộ do biến đổi hình dạng đột ngột: lổ khoét, rãnh cắt, đường lực. Thép chịu tải trọng lặp Gây mỏi, ứng suất phá hoại <  b . Phá hoại giòn, đột ngột, kèm theo vết nứt. Sự hóa già của thép Tính chất của thép thay đổi dần theo thời gian. Độ giãn và độ dai va đập giảm đi, thép trở nên giòn hơn. Thép trở nên cứng hơn nhưng kém dẻo hơn. Độ dai va đập Để đánh giá mức độ thép dể chuyển sang giòn và ảnh hưởng của ứng suất tập trung. Độ dai va đập có giá trị bằng công phá hoại mẫu chia cho diện tích tiết diện mẫu. 7. Quy cách thép cán dùng trong xây dựng Thép hình: Thép góc đều cạnh, không đều cạnh. Thép chữ I Thép chữ [ Thép I cánh rộng Thép ống Thép chữ T Thép ray Thép vuông Thép tròn b. Thép hình dập, cán nguội Thành mỏng, nhẹ, dùng cho kết cấu thép nhẹ, chịu lực nhỏ nhưng cần độ cứng lớn. Có sự cứng nguội ở những góc uốn, chống gỉ kém. NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KCT Lập sơ đồ kết cấu: Qui mô: kích thước, tải trọng, mục đích, tuổi thọ. Điều kiện nền móng, môi trường. Tình hình cung cấp vật tư. ĐK kỹ thuật, khả năng chế tạo, vận chuyển, lắp dựng. Module và thống nhất hóa, tận dụng thiết kế định hình, TK mẫu. Ảnh hưởng đến giá thành. NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KCT (tt) Mô hình thực tế và mô hình tính toán: Phản ánh khả năng làm việc chủ yếu nhất, khai thác tối đa khả năng chịu lực, làm việc an toàn. Đơn giản, thuận tiện trong thiết kế. NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KCT (tt) Các giai đoạn tính toán: Giả định trước các thông số về hình học, tiết diện, độ cứng. Xác định nội lực và kiểm tra tiết diện đã giả định. Nếu không đạt, trở lại điều chỉnh giai đoạn 1. 8. Phương pháp tính KCT Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH). TTGH: tại đó kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra khi sử dụng, thi công. Nhóm trạng thái giới hạn 1 Mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa. Phá hoại về bền, mất ổn định, mất cân bằng vị trí, biến đổi hình dạng. N ≤ S N: nội lực trong cấu kiện đang xét. Có giá trị lớn nhất có thể xảy ra trong suốt thời gian sử dụng. S: Nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được. Nhóm trạng thái giới hạn 1 (tt) N = P i c  Q  n n c f = S = A f  c f t = S = A f t  c Dùng tải trọng tính toán Nhóm trạng thái giới hạn 2 Làm cho kết cấu không sử dụng bình thường được nữa hoặc giảm tuổi thọ. Võng, lún, rung, nứt.  ≤ Dùng tải trọng tiêu chuẩn Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán Thép Carbon & thép cường độ khá cao: f y =  c Đối với thép cường độ cao: f u =  b Cường độ tính toán: f = f y / M f t = f u /  M  M : hệ số an toàn vật liệu  M = 1,05 đối với thép cường độ thường và cường độ khá cao. Với các dạng chịu lực khác, nhân thêm hệ số chuyển đổi  c : hệ số điều kiện làm việc Xét đến ảnh hưởng trong quá trình sử dụng: tải trọng tác dụng, giả thiết gần đúng, độ ẩm, nhiệt độ, ăn mòn. Chỉ áp dụng cho 1 số cấu kiện có điều kiện sử dụng riêng. Bảng I.14, phụ lục 1, trang 306 (Phạm Văn Hội)  n : hệ số an toàn về sử dụng Nhân vào tải trọng hoặc nội lực. Phụ thuộc vào mức độ quan trọng, cấp độ bền của công trình. Sử dụng trong mọi tính toán. Cấp đặc biệt:  n = 1 Cấp thông thường:  n = 0,98 Cấp ít quan trọng:  n = 0,9 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG Theo TCVN 2737:1995. Tải trọng thường xuyên: không biến đổi giá trị, vị trí, phương chiều. Tải trọng tạm thời: Tạm thời dài hạn. Tạm thời ngắn hạn. Tải trọng đặc biệt.  Q : hệ số độ tin cậy về tải trọng Do sự biến thiên tải trọng khác thường. Vật liệu thép:  Q = 1,05 Tải trọng gió:  Q =1,2 Tải trọng tạm thời trên sàn:  Q = 1,2 hoặc 1,3 TỔ HỢP TẢI TRỌNG TH cơ bản: TX + DH + NH TH đặc biệt: TX + DH + NH + 1 ĐB Hệ số tổ hợp n c : thể hiện xác xuất xảy ra đồng thời nhiều tải trọng đều với trị số lớn nhất là ít. TỔ HỢP TẢI TRỌNG (tt) Khi trong TH cơ bản chỉ có 1 tải trọng ngắn hạn : n c = 1 Khi trong TH cơ bản có nhiều tải trọng ngắn hạn: n c = 0,9 TH đặc biệt: mọi tải trọng ngắn hạn nhân với n c = 0,8 TX và DH không nhân n c 9. TÍNH TOÁN CẤU KiỆN Cấu kiện chịu kéo đúng tâm: Cấu kiện chịu uốn: Đàn hồi: b. Tính cấu kiện chịu uốn Có xét đến biến dạng dẻo: b. Tính cấu kiện chịu uốn (tt) Moment uốn giới hạn: W d = 2S : moment chống uốn dẻo W d = 1,5W n đối với tiết diện chữ nhật W d = 1,2W n đối với tiết diện chữ I b. Tính cấu kiện chịu uốn (tt) Tại điểm có  và  tác dụng đồng thời khá lớn sẽ làm tăng biến dạng dẻo c. Tính cấu kiện theo TTGH 2  ≤ [] 3. Cấu kiện nén đúng tâm Tính về bền: thanh ngắn Tính ổn định: khi N đạt tới N cr thì thanh bắt đầu cong. Công thức Euler: ĐK: E = const ,  ≤  tl 3. Cấu kiện nén đúng tâm (tt) Độ mãnh nhỏ nhất để vẫn dùng được công thức Euler: Khi  nhỏ hơn, sự mất ổn định xảy ra khi đã có biến dạng dẻo: 3. Cấu kiện nén đúng tâm (tt) Thực tế có lệch tâm nhỏ: lệch tâm ngẫu nhiên, độ cong ban đầu Hệ số uốn dọc: Hệ số  tra bảng II.1 phụ lục II, hoặc công thức sau: 3. Cấu kiện nén đúng tâm (tt) 4. Cấu kiện kéo, nén lệch tâm Vừa chịu lực dọc (kéo, nén) vừa chịu moment. Lực dọc đặt lệch tâm so với trục. Quan hệ giữa độ lệch tâm và moment uốn: 4. Cấu kiện kéo, nén lệch tâm (tt) Cấu kiện chịu kéo lệch tâm, cấu kiện ngắn chịu nén lệch tâm (tính theo độ bền): Tính ổn định thanh chịu nén lệch tâm (nén-uốn): Ngay khi đặt tải, thanh đã bị cong do moment: M = N.e Khi N tăng, biến dạng tăng không tuyến tính với N, do moment: M = N.(e+f) 4. Cấu kiện kéo, nén lệch tâm (tt) 4. Cấu kiện kéo, nén lệch tâm (tt) Ứng suất tới hạn  cr e phụ thuộc vào: Độ mãnh  của thanh. Độ lệch tâm e của lực dọc. Hình dạng của tiết diện. Kiểm tra ổn định trong mặt phẳng uốn Hệ số giảm cường độ tính toán uốn lệch tâm, nén uốn (tra bảng II.2): 4. Cấu kiện kéo, nén lệch tâm (tt) 4. Cấu kiện kéo, nén lệch tâm (tt) Kiểm tra ổn định trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng uốn: CHƯƠNG 2 LIÊN KẾT Liên kết hàn: Giảm công chế tạo, khối lượng kim loại. Hình thức cấu tạo liên kết đơn giản. Bền và kín. Nhiệt độ cao, gây giòn vật liệu, chịu tải trọng động kém. Khó kiểm tra chất lượng đường hàn. Liên kết bu lông Tốn công và vật liệu nhiều. Chịu được tải trọng động. Thuận tiện trong tháo, lắp, có thể chỉ sử dụng thủ công. A. LIÊN KẾT HÀN Các phương pháp hàn: - Hàn hồ quang điện bằng tay - Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động dưới lớp thuốc hàn. - Hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ Hàn Hơi ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU (tt) Cường độ tính toán của đường hàn: Khi chịu nén: f wc = f Khi chịu kéo: f wt = f hay f wt = 0,85f Khi chịu cắt : f wv = f v Công thức kiểm tra bền Công thức kiểm tra bền (tt) Hàn đối đầu thẳng góc chịu kéo, nén: Đường hàn xiênchịu kéo, nén: Công thức kiểm tra bền (tt) Đối đầu thẳng góc chịu moment: Đối đầu thẳng góc chịu M và V: ĐƯỜNG HÀN GÓC Cường độ chịu cắt tính toán của thép đường hàn : f wf - Cường độ tính toán chịu cắt của thép cơ bản trên biên nóng chảy: f ws = 0,45f u Tính toán liên kết ghép chồng chịu lực dọc trục: Tính toán liên kết ghép chồng chịu lực dọc trục (tt): Liên kết có bản ghép Liên kết có bản ghép (tt) Tính toán Liên kết có bản ghép Thiết kế bản ghép: chọn trước diện tích bản ghép, tính chiều dài cần thiết của đường hàn. Liên kết hỗn hợp Kiểm tra điều kiện bền: Liên kết hỗn hợp (tt) Thiết kế: chọn trước chiều rộng bản ghép gần bằng chiều rộng thép cơ bản  bố trí đường hàn đối đầu  tính lực truyền qua bản ghép:  Tính tổng chiều dài cần thiết của đường hàn: Đường hàn góc chịu moment và lực cắt: Đường hàn góc chỉ chịu moment Theo tiết diện 1: Theo tiết diện 2: Đường hàn góc chỉ chịu lực cắt Theo tiết diện 1: Theo tiết diện 2: Đường hàn góc chịu M và V đồng thời Theo tiết diện 1: Theo tiết diện 2: LIÊN KẾT BULONG Đường kính : 12 - 48 mm Đường kính Bulong neo: 100mm Chiều dài phần ren: l 0  2,5d Chiều dài bulong: l = 35 – 300mm LIÊN KẾT BULONG (tt) Bulong thô và thường Sản xuất từ thép C bằng cách rèn, dập. Đường kính thân nhỏ hơn đường kính lổ 2 – 3mm. Không nên dùng trong các công trình quan trọng với thép cơ bản có cường độ f y > 3800daN/cm 2 Bulong tinh SX từ thép C, thép hợp kim bằng cách tiện, độ chính xác cao. Đường kính lổ lớn hơn đường kính bulong không quá 0,3mm. Độ bền tương tự bu long thô và bulong thường. Làm việc chịu trượt Bulong bị ép mặt Bulong chịu kéo Bulong cường độ cao Làm từ thép hợp kim, sau đó cho gia công nhiệt. Độ chính xác giống bulong thường. Lực xiết mạnh, tạo ma sát lớn, chịu lực cao hơn. Cấu tạo liên kết bulong Đối với thép tấm: liên kết có 1 bản ghép và LK chồng có độ lệch tâm nên chịu moment uốn phụ, cần tăng số bulong thêm 10% so với tính toán. Đối với thép hình: Khi LK không đối xứng với cấu kiện mềm, cần tăng số bulong thêm 10% so với tính toán. Bố trí bulong Bố trí bulong (tt) Bố trí bulong (tt) TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BULONG LK bulong chịu lực dọc trục: Thông thường dùng loại có d=20-24mm Các công trình nặng: dùng loại có d=24 – 30mm Kích thước bản ghép: A bg  A Nên bố trí số bulong theo hàng tối đa để truyền lực đều theo chiều ngang cấu kiện (vuông góc với phương của lực) LK bulong chịu lực dọc trục: Tính toán số lượng bulong theo chịu cắt và ép mặt Tính toán số lượng bulong theo ĐK chịu kéo Tính toán số lượng bulong theo ĐK moment và lực cắt Tính toán số lượng bulong theo ĐK moment và lực cắt (tt) Tính toán số lượng bulong theo ĐK moment và lực cắt (tt)