Chương 1 Đại cương về kết cấu thép

* KẾT CẤU THÉP Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP Kết cấu chịu lực công trình xây dựng làm bằng THÉP KẾT CẤU THÉP LÀ GÌ? Nhà thi đấu TDTT Phú Thọ Tháp Eiffel - Paris Ưu khuyết điểm của KCT Phạm vi ứng dụng Yêu cầu đối với KCT Vật liệu thép Sự làm việc của thép khi chịu tải trọng Quy cách cán thép dùng trong xây dựng Phương pháp tính toán KCT NỘI DUNG * Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao Thép có cường độ cao: fy = 220 – 400 MPa Cấu trúc đồng nhất của vật liệu Trọng lượng nhẹ “Nhẹ nhất” so với kết cấu chịu lực khác như bê tông, gạch, đá, gỗ  c = /f + Thép: c = 3,7.10-4 m-1 + Gỗ: c = 5,4.10-4 m-1 + Bê tông : c = 2,4.10-3 m-1 Công nghiệp hóa cao Vật liệu, kết cấu thực hiện trong nhà máy Ưu Cấu trúc vi mô thép (µm) Cấu trúc bê tông [cm] I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP Tính cơ động trong vận chuyển và lắp ráp Tính kín Không thấm nước Không thấm khí  Bể chứa Kết cấu Loggia KCT Bể chứa xăng dầu I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP Ưu Chịu gỉ kém  Bảo vệ bằng: sơn, mạ kẽm, mạ nhôm, … Khuyết I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP Chịu lửa kém Vật liệu không cháy Vật liệu chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực từ t=500-600oC  Bảo vệ bằng : sơn chống lửa, bê tông, … KCT thích hợp với công trình: Nhịp lớn Chiều cao lớn Tải trọng nặng Cần trọng lượng nhẹ Cần độ kín không thấm II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 1. NHÀ CÔNG NGHIỆP Thông thường: Kết cấu khung Phần tử: thanh (kéo, nén) dầm (uốn) cột (nén, uốn) dây (kéo) II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 2. NHÀ NHỊP LỚN Kết cấu vòm, L=100m Nhà thi đấu TDTT, nhà triển lãm, kết cấu đỡ mái SVĐ, … SVĐ San siro - Kết cấu dầm dàn II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 2. NHÀ NHỊP LỚN Kết cấu dàn không gian Phần tử kết cấu chịu lực theo 3 phương, các phân tử dàn dựa theo cấu trúc phân tử hóa học Phù hợp kết cấu nhịp lớn II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 3. NHÀ CAO TẦNG II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 3. NHÀ CAO TẦNG  kết cấu liên hợp thép-bê tông (composite) Millennium Tower (Vienna - Austria) – 51 tầng - Thi công : 2-2,5 lầu/1 tuần II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 4. KẾT CẤU TRỤ THÁP TRỤ Tháp Eiffel - Paris Tháp Eiffel: Chiều cao lầu 1: 57,63m Chiều cao lầu 2: 115,73m Chiều cao lầu 3: 276,13m Chiều cao tổng cộng bao gồm anten: 324m Xây dựng 1887 – 1889 Khối lượng : 10100T Liên kết: 2 500 000 đinh tán II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 5. BỂ CHỨA – ĐƯỜNG ỐNG Bể chứa chất lỏng II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 6. CẦU Viaduc Gabarit (Pháp) xây dựng bởi Gustave Eiffel- 1884 KC vòm: L=165m II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 6. CẦU - Viaduc de Mileau (Pháp), 2001-2003 : cầu cao nhất thế giới - 320M euros, xây dựng công ty Eiffage II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 7. DÀN KHOAN Kết cấu dàn khoan II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 8. KẾT CẤU KHÁC MÁI DÂY II. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP 1. Yêu cầu về sử dụng: - Đảm bảo yêu cầu về chịu lực - Đảm bảo về độ bền vững, khả năng bảo dưỡng - Đẹp 2. Yêu cầu về kinh tế - Tiết kiệm vật liệu - Công nghiệp khi chế tạo - Lắp ghép nhanh  Điển hình hóa kết cấu III. CAÙC YEÂU CAÀU ÑOÁI VÔÙI KEÁT CAÁU THEÙP Biểu đồ kéo thép – quan hệ - IV. VẬT LIỆU THÉP * Định nghĩa Phân loại thép Cấu trúc và thành phần hóa học Thép xây dựng 1. Định nghĩa Luyện quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4…)  Gang (hợp kim của Fe và C) với C ≥ 1,7%. Khử bớt C  Thép Nếu: + Lượng C ≥ 1,7%  GANG + Lượng C 10%) Vd: thép Mn cao 13%  dùng cho môi trường chịu ăn mòn cao như răng gầu xúc, xích xe tăng, … + Thép hợp kim vừa : tổng hàm lượng các hợp kim 2,5-10% + Thép hợp kim thấp  THÉP XÂY DỰNG (%hk 1,5%  thép giòn Si: chất khử oxy, cho vào thép tĩnh làm tăng cường độ, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn  440MPa, Giới hạn bền > 590MPa Dùng thép cường độ cao  tiết kiệm vật liệu 25-30% * 4. Thép xây dựng V. SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉP Sự làm việc chịu kéo Sự phá hoại giòn của thép * OA: giai đoạn tỉ lệ  tl A’B: gđ đàn hồi dẻo BC: gđ chảy dẻo CD: gđ củng cố Biểu đồ kéo của thép các bon thấp 1. Sự làm việc chịu kéo a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo * Thép cac bon cao: Không có thềm chảy dẻo Giới hạn chảy c ứng với biến dạng dư  = 0,2% 1- Biểu đồ kéo của thép các bon cao 2- Biểu đồ kéo của thép các bon thấp a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo * 1. Sự làm việc chịu kéo b. Các đặc trưng cơ học chủ yếu Các đặc trưng cơ học chủ yếu: Giới hạn tỉ lệ: tl Giới hạn chảy: c  fy Giới hạn bền: b  fu : vùng dự trữ giữa trạng thái làm việc và trạng thái phá hoại Biến dạng khi đứt: o: đặc trưng độ dẻo và độ dai của thép Lý thuyết tính toán:   tl : lý thuyết đàn hồi với E = constant tl 1500oC : thép bắt đầu chuyển sang thể lỏng Nhiệt độ âm: t = - 45  - 60oC  thép dòn, dễ nứt * 2. Sự phá hoại giòn của thép Hiện tượng cứng nguội Trạng thái ứng suất phức tạp Chịu tải trọng lặp Ảnh hưởng của nhiệt độ Sự hóa già của thép Độ giai va đập 2. Sự phá hoại giòn của thép * VI. QUY CÁCH THÉP CÁN TRONG XÂY DỰNG Thép hình Thép tấm Thép hình dập, cán nguội * Thép góc và các ứng dụng 1. Thép hình a. Thép góc: dài 4÷13m Thép góc đều cạnh theo TCVN 7571-1:2006 Vd: L40x4 Số hiệu từ L20x3 - L250x35 Thép góc không đều cạnh theo TCVN 7571-2:2006 Vd: L63x40x4B Từ L30x20x3 - L200x150x25 Cấp chính xác khi chế tạo: A : cấp chính xác cao B : cấp chính xác thường * Dùng làm Dầm chịu uốn, cột: độ cứng theo phương trục x lớn, tăng cường độ cứng theo trục y bằng cách mở rộng bản cánh hoặc tổ hợp Bất lợi: bản cánh hẹp và vát bên trong  khó liên kết Thép chữ I và các ứng dụng b. Thép chữ I : dài 4÷13m Thép chữ I theo TCVN 7571-15:2006 Vd: I30 Số hiệu từ I10 - I60 Từ I18 – I30 có thêm tiết diện cánh rộng, vd : I22a 1. Thép hình * Thép chữ [ và các ứng dụng c. Thép chữ [ : dài 4÷13m Thép chữ [ theo TCVN 7571-11:2006 Vd: [ 22 [5 - [40, từ [14 – [24 có thêm tiết diện cánh rộng và dày hơn, vd : [22a Thép [ được dùng làm Liên kết thuận lợi, liên kết cánh bất lợi Dầm chịu uốn, đặc biệt xà gồ mái, cột – tiết diện tổ hợp 1. Thép hình * Thép hình khác d. Các loại thép hình khác Thép chữ I cánh rộng h có thể lên đến 1000mm Cánh có mép song song  dễ liên kết Dùng làm dầm, cột Giá thành cao Thép ống: Chịu lực tốt, chống xoắn tốt Dùng trong kết cấu thanh dàn, cột 1. Thép hình * Thép tấm phổ thông: kết cấu tấm bản, … dày 4-60mm rộng 160-1050mm dài 6 – 12 m Thép tấm dày: kết cấu tấm bản, … dày 4 – 160 mm rộng 600 – 3000 mm dài 4 – 8 m Thép tấm mỏng: tạo các thanh thành mỏng bằng cán nguội dày 0,2 – 4 mm rộng 600 – 1400 mm dài 1,2 – 4 m 2. Thép tấm * Cán nguội từ thép tấm mỏng (1-8mm)  kết cấu thành mỏng Dùng các cấu kiện chịu lực nhỏ : xà gồ mái, tôn lợp mái, … Tham khảo tiêu chuẩn nước ngoài  eurocode 3 Thép tấm cán nguội 3. Thép hình dập, cán nguội * VII. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KCT 1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán 3. Tải trọng và tác động * 1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn TTGH: trạng thái mà kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra TTGH 1: mất khả năng chịu lực hoặc không sử dụng được nữa. - Phá hoại bền - Mất ổn định, mất cân bằng vị trí, kết cấu bị biến đổi hình dạng N  S N: nội lực trong kết cấu S: khả năng chịu lực của kết cấu TTGH 2: kết cấu không sử dụng bình thường đươc - Bị võng, lún, bị nứt, bị rung   [] : biến dạng, chuyển vị kết cấu []: biến dạng, chuyển vị cho phép * Cường độ tiêu chuẩn Xác định dựa trên phương pháp thống kê, độ tin cậy > 0,95 Thép có biến dạng chảy dẻo: fy=c Thép không có biến dạng chảy hoặc trường hợp cho phép kết cấu làm việc chảy dẻo  fy=b Sự thay đổi cường độ đàn hồi thép Fe E355 Thực hiện trên 60 thí nghiệm kéo 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán * C. độ tính toán = C. độ tiêu chuẩn / hệ số an toàn vật liệu M M= 1,05 đối với thép có c  380MPa 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán *