Tải bản đầy đủ

Kết Cấu Thép 1 ĐH Kiến Trúc

9/22/2017

HỌC PHẦN
KẾT CẤU THÉP 1

CẤU KIỆN CƠ BẢN
TS. HOÀNG BẮC AN
Anhoangbac@mail.ru
1

Kỹ năng:
 Biết vận dụng lý thuyết tính, nguyên lý cấu tạo.
 Biết cách tính toán các liên kết (liên kết hàn, liên kết
bulông... ). Thành thạo thiết kế và cấu tạo các cấu kiện cơ
bản của kết cấu thép.
 Biết vận dụng hiểu quả những nội dung cơ bản của bài học
để áp dụng vào thực tiễn. Bước khởi đầu cho công tác thiết
kế, thi công các công trình.
Thái độ:
 Nhận thức được vai trò quan trọng vật liệu thép. Tầm quan
trọng của tính toán, thiết kế các cấu kiện cơ bản của kết cấu

thép.
 Nhận thức được việc vận dụng các kiến thức đã học ứng
dụng vào thiết kế cấu kiện thép.

HBA

1. Tên học phần:
KẾT CẤU THÉP 1
(Tên tiếng Anh:STEEL STRUCTURES – PART 1)
2. Mã học phần:
0500370
3. Dạng học phần: Lý thuyết (LT 3.3.0.9)
4. Số tín chỉ: 3
5. Phân bổ thời gian:
6. Điều kiện ràng buộc:
Học phần học trước: Vật liệu xây dựng, Sức bền vật liệu 1, Sức bền
vật liệu 2, Cơ học kết cấu 1, Cơ học kết cấu 2
7. Mục tiêu của học phần:
Sau khi học Học phần này, sinh viên đạt được:
Kiến thức:
 Nắm vững được các đặc điểm chính về vật liệu thép, cách tính
toán và cấu tạo các liên kết.
 Nắm được các nguyên lý cấu tạo và tính toán các cấu kiện cơ bản
như dầm , sàn , cột và dàn thép

8. Mô tả vắn tắt nội dung học phần:
Cung cấp cho sinh viên kiến thức lý thuyết về vật liệu thép. Quy trình, cách thiết
kế, tính toán và cấu tạo các cấu kiện cơ bản của KCT thép như dầm, sàn, cột và
mái.
9. Nhiệm vụ của sinh viên:
 Đến lớp học tập 45 tiết
 Làm bài tập ở lớp, bài luyện tập ở nhà.
 Tham dự kiểm tra giữa học kỳ và thi kết thúc môn học.
10. Tài liệu học tập:
Tài liệu chính:
Bộ môn Kết cấu công trình - UAH, Kết cấu thép – Phần Cấu kiện cơ bản, đề tài
cấp bộ,2015.
Trần Thị Thôn, Bài tập thiết kế kết cấu thép, NXB ĐHQG TPHCM, 2007.
Tài liệu chính tham khảo thêm:
TCVN 4613 : 1988; Hệ thống tài liệu thiết kế xây dựng. Kết cấu thép. Ký hiệu


quy ước và thể hiện bản vẽ.
TCVN 5575 : 2012 ; Kết cấu Thép. Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 2737 : 1995 ; Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 5889 : 1995 ; Bản vẽ kết cấu kim loại

1


9/22/2017

CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM CHUNG
§ 1 – ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP
1. Đặc điểm, phạm vi sử dụng
1.1. Vị trí môn học Kết cấu thép:
- Kết cấu thép quan trọng bởi nó được sử dụng rộng rãi
trong xây dựng hiện đại, làm bộ phận chịu lực chính
trong công trình.
- Cùng với các môn học kết cấu xây dựng như: Bê tông
cốt thép, kết cấu gạch đá, kết cấu gỗ…
- Kết hợp với một số môn học khác như: sức bền vật
liệu, cơ học kết cấu, vật liệu xây dựng, kiến trúc dân
dụng, kiến trúc công nghiệp…

1.2. Ưu và nhược của kết cấu thép.
Ưu điểm:
Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao.
Trọng lượng nhẹ. Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các
kết cấu chịu lực, đánh giá phẩm chất “nhẹ” của vật liệu
thường dùng hệ số C=γ/f; CCT3 = 3,7.10-4(m-1) < CGỗ nhóm VI =
4,3.10-4 (m-1)Tính công nghiệp hóa cao.
Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp.
Tính kín.
Nhược điểm:
Bị ăn mòn.
Chịu lửa kém.

1.3. Phạm vi áp dụng.
Nhà công nghiệp
Nhà nhịp lớn
Khung nhà nhiều tầng
Cầu đường bộ,cầu đường sắt
Kết cấu tháp cao
Kết cấu bản
Các loại kết cấu di động.
Ở nước ta thép phần lớn nhập ngoại. Xét về giá vật liệu
thì kết cấu thép đắt hơn bê tông khoảng 3 lần; tính theo
đơn vị thể tích thép đắt hơn bê tông khoảng 70 lần,
cường độ thép cao hơn bê tông 20 lần. Cần cân nhắc
một cách toàn diện để đưa ra phương án kết cấu hợp lý.

HBA

2


9/22/2017

HBA

3


9/22/2017

HBA

4


9/22/2017

HBA

5


9/22/2017

Cầu Long Biên là cây cầu thép đầu tiên bắc qua sông Hồng tại Hà Nội, do Pháp
xây dựng (1899-1902)

HBA

Cầu Thăng Long, dạng cầu giàn thép. Từ năm 1972-1977 do
chuyên gia Trung Quốc thực hiện và từ năm 1978-1982 cầu
được hoàn thành với sự giúp đỡ của chuyên gia Liên Xô.

6


9/22/2017

HBA

7


9/22/2017

HBA

8


9/22/2017

35

HBA

9


9/22/2017

HBA

10


9/22/2017

Steel
structure

Ba nguyên tắc cơ bản của thiết kế đưa tới lợi ích kinh
tế:
Tiết kiệm thép
Nâng cao lao động sản suất trong gia công
Giảm công lao động và thời gian lắp ráp.
Để đạt được những điều trên, việc sử dụng thép hợp
kim thấp và cường độ cao, hình dạng thép cán, uốn
dập một cách kinh tế trong các kết cấu không gian,
ứng suất trước, mái treo, trụ … Sử dụng phương pháp
tính hiện đại, lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu; điển
hình hóa cấu kiện theo nhiều mức độ (cột, dầm, dầm
cầu trục…); điển hình hóa kết cấu (khung nhà, tháp,
cột điện, bể chứa…).

HBA

2. Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép:
Khi thiết kế kết cấu thép cần thỏa mãn các yêu cầu
sau:
Điều kiện sử dụng;
Tính kinh tế;
Tính chuyên chở;
Tính công nghệ;
Thời gian lắp ráp nhanh chóng;
Tuổi thọ;
Tính thẩm mỹ.

3. Lịch sử phát triển
- Kết cấu kim loại được tìm ra sớm nhất ở Trung Quốc, so
với kết cấu gỗ - gạch đá, kết cấu thép ra đời muộn hơn
và gặp nhiều khó khăn do kỹ thuật chế tạo kim loại còn
hạn chế. Châu Âu, mãi đến thế kỷ 17 mới có kết cấu bằng
gang.
- Sang thời kỳ phát triển của chủ nghĩa Tư bản, kỹ thuật
luyện kim và gia công kim loại bắt đầu phát triển tạo điều
kiện cho kết cấu gang, thép phát triển nhanh. Từ thế kỷ
17, nhiều công trình xây dựng bằng gang thép ra đời
như: mái nhà cung điện và nhà thờ ở Nga, cầu bằng
gang đầu tiên ở châu Âu nhịp dài 30m ở Anh năm 17761779… Đến đầu thế kỷ 19, nhiều nhà xưởng bằng sắt
định hình nhịp khá lớn (15,16,34m) ra đời với hình thức
liên kết đã biết dùng đinh tán.

11


9/22/2017

- Đến giữa thế kỷ 19, các phương pháp luyện thép mới ra

- Từ những năm 50 trở về sau, ở Liên Xô, trường phái kết

đời: ÔBuNốp (Nga – 1853), Betsme (Anh – 1856), Mactanh

cấu thép ra đời và phát triển theo 3 nguyên tắc trên. Liên

(Pháp – 1865)… Năm 1885, N. BênácĐốt tìm ra phương

xô cũng là nước đầu tiên nghiên cứu và áp dụng phương

pháp hàn hồ quang điện bằng điện cực kim loại… Kết cấu

pháp tính theo TTGH, hợp lý hơn và tiết kiệm vật liệu.

thép dùng liên kết hàn phát triển và trở nên phổ biến.

- Việt Nam với tiềm năng to lớn về nguyên liệu quặng sắt

Bên cạnh đó, lý thuyết tính toán cũng đạt những tiến bộ:

đã sớm xây dựng nhà máy gang thép, học hỏi và vận

Đ.I. Giurapxki (1822-1891) nghiên cứu và đưa ra lý luận tính

dụng những tiến bộ về kết cấu thép của Liên Xô và thế

dàn có thanh xiên, P.S. Daxinski nghiên cứu phương pháp

giới, nhờ đó mà cũng đạt được kết quả đáng kích lệ

tính toán cấu kiện chịu nén…

HBA

trong việc sử dụng kết cấu thép.

12


9/22/2017

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU KẾT CẤU THÉP
§ 2.1. ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA THÉP
2.1.1. Cấu trúc thép

Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe) và cacbon
(C), ngoài ra còn một số các chất khác có tỉ lệ không
đáng kể, như oxy (O), phốtpho (P), silic (Si), v.v..
Quặng sắt,
thành phần
chính là sắt
oxyt (Fe2O3,
Fe3O4)

luyện
trong lò
cao

Gang là hợp
kim Fe và C,
lượng C
chiếm trên
1,7%.

lò luyện
thép để
khử bớt
C

Thép,
lượng
C
<
1,7%.

Thép trước cùng tích, có %C< 0,8% (0,10 ÷ 0,70), phần lớn

thép thường dùng nằm trong loại này nhưng tập trung hơn cả
vào loại ≤0,2 %C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C.
Quan sát tế vi thép dưới kính hiển vi, thấy hai tổ chức chính:
- ferrit, hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích, có tính mềm và
dẻo;
- peclit (màu tối), thành phần trung gian giữa xenmentit (hợp
chất sắt cacbua - Fe3C, rất cứng và giòn) và ferrit (hình 2.3).
Peclit là các lớp bao quanh các hạt ferrit mềm dẻo như một
màng đàn hồi, quyết định các tính chất dẻo và sự làm việc của
thép khi chịu tải trọng. Khi l%C tăng lên thì tỷ lệ phần peclit
tăng lên, còn ferrit lại giảm - màng peclit càng dày, thép càng
cứng, kém dẻo.

Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon và sắt có thể
hình thành nên nhiều cấu trúc với những đặc tính khác nhau,
dẫn tới chất lượng thép khác nhau. Ở nhiệt độ thường, dạng
ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm
khối (BCC – h.2.2a), có thể hòa tan một lượng nhỏ cacbon
(không quá 0,02% ở nhiệt độ 911°C). a)
b)
200C
9110C 13920C
15390C
Fe-α
Fe-γ
Fe-δ
Hình 2.1. Sơ đồ pha hòa tan cacbon của thép

Hình 2.2. Mạng tinh thể: a-lập phương tâm
khối; b- lập phương tâm mặt

Thép với %C cao có thể tăng f, nhưng lại giòn hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa
%C trong thép là 2,14% xảy ra ở 1.1470C (Austenit-Feγ), nếu %C cao hơn
hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ
là xementit có f kém hơn. Dựa vào các tổ chức khác nhau trên giản
đồ trạng thái Fe - Fe3C, phân thép ra làm ba loại: thép trước cùng tích,
thép cùng tích và thép sau cùng tích.

Nếu %C quá ít (0,02 ÷0,05%) có thể coi hợp kim này như thép
nguyên chất với tổ chức hầu như toàn ferrit tức là có màu
sáng hoàn toàn.
Tỉ lệ giữa peclit và ferrit thay đổi theo %C trong thép:
- %C 0,1% thì peclít (phần tối màu) khoảng 1/8 (hình 2.3,a);
- %C 0,4% thì peclít (phần tối màu) khoảng 1/2 (hình 2.3,b);
- %C 0,6% thì peclít (phần tối màu) khoảng 3/4 (hình 2.3,c).
Còn thép cùng tích với thành phần 0,80%C có tổ chức chỉ
gồm peclit, thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C
(thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0 - 2,2%) có tổ
chức peclit + xementit, là những loại hầu như không dùng trong
xây dựng.

Hình 2.3. Cấu trúc của thép cacbon thấp

HBA

1


9/22/2017

Thép được luyện từ gang theo hai phương pháp sau:
lò quay và lò bằng – chủ yếu để tạo ra phôi thép.
Phôi cán này chưa thể tạo nên chất lượng cuối cùng của thép
vì còn phải qua giai đoạn cán luyện.
Trong cán luyện thì các yếu tố quyết định chất lượng và cơ
tính: số lượt cán thô, mức độ biến dạng và nhiệt độ kết thúc
cán. Lúc này thép được tinh luyện ở trạng thái kết tinh lại
(recrystalisation) - còn gọi là quá trình tái cấu trúc sau biến
dạng dẻo.
Khi cán thô, các bọng khí kẹt xỉ bị làm bẹp, kéo dài và đùn đẩy
ra đầu phôi để cắt bỏ đi, do đó lượt và chiều cán thô sẽ cải
thiện tính đồng nhất của phôi cán trước khi định hình.
Khi cán định hình thì mức độ biến dạng và nhiệt độ sẽ làm hạt
mịn và đồng đều hơn nhằm bảo đảm tính đồng nhất và cải
thiện cơ tính.

2.1.2. Tính chất của thép
Sự làm việc, độ tin cậy, tuổi thọ của công trình kết cấu
thép phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của thép. Những
tính chất cơ học quan trọng của thép ảnh hưởng đến
sự làm việc của kết cấu:
Độ bền chỉ cường độ vật liệu không bị phá hoại khi chịu tải
trọng, theo các mác thép khác nhau thép có các lớp độ
bền khác nhau;
Đàn hồi là tính chất vật liệu thép tự hồi phục lại hình
dáng ban đầu sau khi dỡ tải trọng ngoài;
Tính dẻo là tính chất vật liệu thay đổi hình dạng bên
ngoài sau khi dỡ tải trọng ngoài, trong cấu kiện tồn tại
biến dạng dư. Sự thay đổi từ trạng thái đàn hồi sang
trạng thái chảy dẻo được gọi là sự chảy dẻo (yield);

Độ dai va đập. cấu kiện dù có độ bền, độ cứng cao vẫn có thể bị phá hỏng

σx
2

10

σy
2
40
60

10

Hình 2.4. Mẫu thí nghiệm độ
dai va đập: a-sơ đồ thí nghiệm;
b,c,d- hình dạng tiết diện chữ
U, chữ V, có vết nứt

σx
2

10

σy

H

trọng không tăng;
Độ cứng - là thước đo của vật liệu khi bị va chạm hay
bị trầy xước và được đo bằng các kỹ thuật thực nghiệm
khác nhau (ví dụ theo Thang độ cứng Mohs, thép có độ
cứng từ 7-8).

do các lực va đập dù lực đó không lớn lắm (gối chắn cầu trục...). Vì vậy
ngoài xét khả năng làm việc của nó ở trạng thái tĩnh, còn phải xét khả
năng của nó ở trạng thái động.

ΔH

Tính giòn – khả năng phá hoại ở biến dạng nhỏ;
Từ biến – vật liệu biến dạng theo thời gian mặc dù tải

45

10

σx
1,5
10

1,5

σy

Trong đó: P-trọng lượng của
búa; H,h- chiều cao búa trước
và sau khi thử va đập; A: tiết
diện tại vị trí bị gãy.

10

Thí nghiệm mẫu 10x10x55mm có cắt khấc kích thước khác nhau
(h.2.4.b,c,d). Mẫu thử được đặt trên máy thử và nằm trên đường rơi của
búa, khi thử nâng đầu búa lên độ cao H cho búa chuyển động theo quỹ đạo
vòng tròn, trên đường đi đập vào mẫu làm gãy mẫu thử sau đó đi tiếp sang
bên kia ứng với độ cao h, hiệu số thế năng trứơc sau khi đập gẫy mẫu chính
bằng công phá hoại mẫu, độ dai va đập có giá trị bằng công phá hoại mẫu
chia cho diện tích tiết diện mẫu, được tính như sau:
P( H − h )
ah =
A

HBA

2


9/22/2017

HBA

Thí nghiệm độ dai va đập để đánh giá mức độ thép dễ
chuyển sang giòn và ảnh hưởng của ứng suất tập trung.
Tại tiết diện cắt khấc (chữ U hay V) hay vết nứt, ứng suất
phân bố không đều, xuất hiện ứng suất tập trung; tác
dụng va chạm làm tăng khả năng vật liệu thép chuyển
sang giòn.
Vật liệu càng giòn thì độ dai va đập càng nhỏ, đối với
thép cacbon thấp, độ dai va đập ở trong khoảng 70 –
100Nm/cm2 ([1], bảng A.3) đó là một chỉ tiêu cơ học cần
phải đảm bảo theo tiêu chuẩn thiết kế.

2.1.3. Phân loại thép xây dựng
a. Theo thành phần hóa học
- Thép cacbon, với lượng cacbon <1,7%, không có các
thành phần hợp kim khác.
Theo hàm lượng cacbon, lại chia ra:
 Thép cacbon cao: hàm lượng 1,7% > C ≥0,6%;
thép rất cứng, rất giòn, khó hàn => rất ít dùng trong
xây dựng.
 Thép cacbon vừa: hàm lượng 0,6% > C
≥0,22%; thép khá giòn, ít dẻo => ít dùng trong xây
dựng.
 Thép cacbon thấp: hàm lượng 0,14 %
dùng phổ
biến trong xây dựng. (dùng cho kết cấu chịu lực)

Thép cacbon, ngoài hai thành phần chính là sắt và cacbon, còn
có các thành phần phụ khác như mangan (Mn), silic (Si), lưu
huỳnh (S), phôtpho (P).
Mangan (Mn), được cho vào thép khi tinh luyện ở dưới dạng fero
mangan nhằm mục đích khử O2 và S. Khi hòa tan vào ferit
mangan có tác dụng nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, nên
làm tăng cơ tính của thép. Nhưng do %Mn trong thép nhỏ
(<0,8%) nên tác dụng này không đáng kể và tác dụng chủ yếu
của nó chỉ để khử ôxy và hạn chế sự có mặt của S. Nếu %Mn
>1,5%, thép trở nên giòn.
Silic (Si), được cho vào thép nhằm khử O2 triệt để hơn. Cũng như
Mn, khi được hòa tan vào pha ferít, nguyên tố silic nâng cao độ
bền và độ cứng cho pha này. Si làm tăng f nhưng làm giảm tính
chống gỉ, tính dễ hàn, cho nên %Si cũng cần hạn chế, <=0,3%
đối với thép cacbon thấp.

Những hợp chất có hại, ảnh hưởng xấu đến chất lượng của thép
là:
Phốtpho (P), dù ở dạng hòa tan trong ferít hay ở dạng liên kết
Fe3P đều làm cho thép bị giòn, đặc biệt là ở trạng thái nguội do
đó nó là nguyên tố có hại cần phải hạn chế.
Đối với thép cácbon thông thường %P<0,06%. P có mặt trong
thép từ các quặng hay từ nhiên liệu than trong quá trình luyện
gang ban đầu.
Lưu huỳnh (S), có mặt trong thép từ các quặng và đặc biệt là từ
than khi nấu luyện gang, làm cho thép giòn nóng (giòn ở nhiệt
độ cao), nên dễ bị nứt khi hàn và rèn.
Các khí nitơ (N), oxy (O2), trong không khí hòa vào kim loại lỏng
và không được khử hết, làm cho thép bị giòn, giảm cường độ
thép. Do đó, cần phải khử hết các khí này, và ngăn không cho
kim loại lỏng tiếp xúc với không khí (khi hàn).

3


9/22/2017

Tùy thuộc vào chất lượng luyện kim (tùy theo mức độ đồng
nhất của thành phần hóa học, của tổ chức và tính chất của
thép và nhất là tùy theo hàm lượng các tạp chất có hại là phốt
pho và lưu huỳnh) có trong thép, người ta chia thép ra mấy

loại sau:
- Thép có chất lượng thường khi chứa tới 0,05%S và P thường
dùng cho các yêu cầu không cao như thép xây dựng.
- Thép có chất lượng tốt khi chứa không quá 0,04%S và P
dùng trong chế tạo máy thông dụng.
- Thép có chất lượng cao khi chứa không quá 0,025%S và P.
- Thép có chất lượng đặc biệt cao khi chứa không quá
0,015%S và 0,025%P.
Đối với thép hợp kim người ta cho thêm vào thép cacbon các
nguyên tố kim loại như đồng (Cu), Niken (Ni), crôm (Cr), titan
(Ti), vanađi (V), Molipđen (Mo) v.v... làm tăng tính năng cơ
học, tăng độ bền chống gỉ của thép.

b. Phương pháp khử oxy
Trong quá trình luyện thép, nếu có bọt khí 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%.
Tùy theo phương pháp để lắng nguội, chia ra:
Thép sôi: là thép được khử ôxy không triệt để, chỉ dùng fero
mangan (chất khử không mạnh).
Do vẫn còn FeO trong thép lỏng nên nó có thể tác dụng với
cácbon theo phản ứng: FeO + C → Fe + CO↑.
Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động giống như
nó bị sôi vì thế loại thép này mang tên thép sôi. Khí CO vẫn
còn ngay cả khi rót thép lỏng vào khuôn nên chúng tạo thành
một số bọt khí trong thỏi thép đúc, làm cho cấu trúc của thép
không đồng nhất. Chất lượng thép không tốt, thép dễ bị phá hoại
giòn và lão hoá.

HBA

Thép hợp kim, có thêm các thành phần kim loại khác như Cr,
Ni, Mn, ... nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền,
tăng tính chống gỉ.
Thép hợp kim thấp là thép có tỉ lệ của tổng các nguyên tố phụ
thêm dưới 2,5%, đây là loại thép được dùng trong xây dựng.
Thép hợp kim vừa và cao không dùng cho kết cấu xây dựng.

Thép tĩnh: được khử O2 triệt để hơn do ngoài fero mangan, còn

sử dụng fero silic và nhôm nên trong thép còn rất ít FeO, vì thế
mặt thép lỏng phẳng lặng. Trong thỏi phôi thép lặng hầu như
không có bọt khí, không có sự phân lớp như thép sôi nhưng lại
có lõm co khá lớn (hình 2.5,b).
Thép lặng có chất lượng cao hơn thép sôi nhưng không kinh tế
bằng vì phải cắt bỏ phần lõm co chiếm tới 10 – 15% trọng lượng
của thỏi đúc và chi phí cho việc khử ôxy lớn. Trong thép lặng pha
ferrit có chứa nhiều Si hơn (khoảng 0,15 – 0,30%) nên chúng
cứng hơn so với thép sôi, 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: khử oxy không

hoàn toàn - khoảng 50% oxy, chất
lượng thép trung bình, là trung gian
giữa thép tĩnh và thép sôi. Sử dụng
rộng rãi trong xây dựng công trình.
Hình 2.5 Cấu tạo thỏi đúc: a- thép sôi; b- thép lặng

4


9/22/2017

c. Mác thép theo tiêu chuẩn Việt Nam
c.1. Thép cacbon thấp:
Thép cường độ thường:
+ có hàm lượng C=0,14÷0,22%, có fy≤290MPa, là thép sôi
hoặc nửa tĩnh
+ thép cácbon thường có thêm hàm lượng Mn 0,8% ÷ 1,1%.

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.
Ví dụ:

C
 CT
 38


Thép cacbon thấp được chia thành 3 nhóm:

thép cacbon thấp viết tắt của từ сталь

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

độ bền kéo đứt của thép fu = 38daN/mm2 = 380MPa;
thép nhóm C.

Các ký hiệu biểu thị về mức độ khử oxy:

s
n
không ghi gì

: cho thép sôi
: cho thép nửa tĩnh
: cho thép tĩnh

CCT 38 n 2

thép hạng 2
thép nửa tĩnh

thép chịu lực.

C2. 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 fy=310~ 400MPa;
fu = 450 ~ 540MPa.

Bảng 1 - Thép các bon TCVN 1765 : 1975
Giới hạn chảy fy , N/mm2
cho độ dày t, mm

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.

Mác thép

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%).
C3. Thép cường độ cao
Thép cường độ cao là thép hợp kim có nhiệt luyện: có fy > 440Mpa;
fu > 590Mpa.
VD: 12Mn2SiMoV

HBA

Độ bền
kéo fu ,

≤ 20

20 < t ≤ 40 < t ≤
40
100

Không nhỏ hơn

Độ dãn dài ε0,%,
cho độ dày t, mm
≤ 20

20 < t ≤ >
40
40

Không nhỏ hơn

CT34s

330÷420

220

210

200

33

32

30

CT34n, CT34

340÷440

230

220

210

32

31

29

CT38s

370÷470

240

230

220

27

26

24

CT38n, CT38

380÷490

250

240

230

26

25

23

CT38nMn

380÷500

250

240

230

26

25

23

5


9/22/2017

d. Mác thép theo tiêu chuẩn nước ngoài

d.1. Mác thép theo tiêu chuẩn của Liên Bang Nga GOST

Hiện nay LB Nga và các quốc gia SNG vẫn dùng ký hiệu này làm ký
hiệu tiêu chuẩn cho quốc gia mình. Phương pháp biểu thị mác thép
theo GOST cơ bản là phương pháp biểu thị mác thép của Việt Nam và
Trung Quốc đang dùng, chỉ có một số ít mác thép là ngoại lệ (phần lớn
TC Việt Nam và Trung Quốc đều dựa vào GOST). Trong một số GOST
được công bố trong những năm gần đây đã sử dụng giới hạn dưới của
fy để kết hợp với mác thép tiêu chuẩn quốc tế ISO. Ví dụ đối chiếu mác
thép mới và mác thép cũ theo tiêu chuẩn GOST 27772-88 (Bảng 2.1).
Bảng 2.1. So sánh mác thép cũ và mác thép mới
Mác thép mới

Mác thép cũ

C235

СТ.3КП2

C245

СТ.3ПС5, СТ.3СП5

C255

СТ.3ГПС, СТ.3ГСП

C275

СТ.3ПС

C285

СТ.3СП, СТ.3ГСП, СТ.3ГПС

d.2. Mác thép theo tiêu chuẩn của Trung Quốc
Tên gọi là thép kết cấu cacbon thông dụng. Trước đây, mác
thép này theo tiêu chuẩn GB 221-79 được chia thành ba
nhóm: A, B và đặc biệt.
Hiện nay, theo tiêu chuẩn quốc tế, mác thép trong tiêu chuẩn
GB 700-88 được biểu thị như sau:
Qxxx OO
Trong đó: Q – lấy giới hạn chảy của vật liệu thép để đặt tên;
- xxx – biểu thị giá trị của giới hạn chảy (MPa). Ví dụ: Q235, là
thép có σc=235Mpa;
- OO: khi cần thiết, sau mác thép có thể có ký hiệu cấp chất
lượng và mức độ khử ôxy. Ký hiệu chất lượng chia thành các
loại A, B, C, D; Ký hiệu phương pháp khử ôxy như sau: F – thép
sôi; b – thép nửa tĩnh; Z – thép lặng; TZ – thép lặng đặc biệt. Ví
dụ: Q235-AF là thép sôi loại A.

Ví dụ: mác thép mới C235, biểu thị σc≥235Mpa.

d.3. Mác thép theo tiêu chuẩn quốc tế ISO

ISO là ký hiệu tiêu chuẩn của tổ chức Tiêu chuẩn quốc tế (International
Organization for Standardization). Biểu thị các mác thép chủ yếu theo
hệ thống ký hiệu của tiêu chuẩn Châu Âu (EN).
Tiêu chuẩn ISO dùng cơ tính để biểu thị mác thép như sau:
Chữ cái tiền tố + giá trị độ bền cơ học (chữ số)

Ví dụ: S235, chữ cái tiền tố của thép kết cấu phi hợp kim là chữ cái “S”.
Chữ số biểu thị giới hạn chảy ≥235Mpa
Khi cần thiết có thể thêm chữ cái hậu tố A, B, C, D, E để biểu thị cấp
chất lượng khác nhau, đồng thời biểu thị giá trị va đập đặc trưng AKV
dưới các nhiệt độ khác nhau (Bảng 2.2).

Bảng 2.2. Chữ cái hậu tố biểu thị cấp chất lượng khác nhau trong tiêu
chuẩn ISO
Ký hiệu cấp chất lượng (*)

Nhiệt độ (oC)

Không quy định

A

HBA

AKV/J (không nhỏ hơn)

B

20

27

C

0

27

D

-20

27

E

-50

27

d.4. Mác thép theo tiêu chuẩn của Nhật JIS

JIS là ký hiệu của tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản
(Japanese Industrial Standard). Đặc điểm: không những
biểu thị loại thép mà còn biểu thị chủng loại vật liệu thép,
có những mác thép còn thể hiện công dụng.
Trong mác thép, tên đa số sử dụng chữ cái tiếng Anh,
một bộ phận nhỏ sử dụng chữ La Mã phiên âm.
Trong tiêu chuẩn của thép kết cấu cacbon thông dụng
(JIS G3101 – 1978), mác thép có ký hiệu như sau:
S S 400

Trong đó:
S – thép (Steel); S (tiếp theo)- dùng trong đầu của tiết diện cột rỗng
đối với trục ảo x-x khi không xét đến sự biến dạng
của bụng rỗng.
C

2.3 Xác định
độ mảnh tương đương của
cột rỗng

λ0 = ?

lx

I x = 2( I x 0 + A f ⋅

là độ mảnh tương đương của
cột rỗng đối với trục ảo x-x:

2

lx
=
ix

là độ mảnh ban đầu của cột rỗng đối với trục ảo x-x,
khi không xét đến sự biến dạng của hệ bụng rỗng.

π2 ⋅E⋅ A π2 ⋅E⋅ A
=
μt2 ⋅ λ2x
λ20

λ0 = μ t ⋅ λ x
μt = 1 + γ 1 ⋅

λx =

1
π 2 ⋅ E ⋅ A ⋅ i x2
1+ γ1 ⋅
λ2x ⋅ i x2

(tiếp 6/6)

C

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng
a) Cột rỗng thanh giằng:
Hệ cột rỗng thanh
giằng khi uốn dọc
quanh trục ảo x-x
được xem như
một hệ giàn
phẳng;
Chịu lực cắt V và
mômen gây kéo
nén cho các
nhánh cột.

N
a)

V
b)

Cắt

Nhánh cột
Kéo

Nén
Thanh giằng
Nhánh cột

N

V

Cột rỗng thanh giằng bị uốn cong đối với trục ảo x-x

HBA

14


9/22/2017

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng

a) Cột rỗng thanh giằng:

a) Cột rỗng thanh giằng:

γ1 ≈

δ
Δ
=
a l d ⋅ sin θ ⋅ cos θ
là độ giãn dài trong
thanh bụng xiên

1
Nb =
sin θ

là lực kéo dọc trục
trong thanh bụng
xiên.

Δ

C

μt = 1 + γ 1 ⋅

V=1

γ1

Tách 1 đoạn khoang
cột rỗng thanh giằng

μ t = 1 + α1 .

A

với

Ad 1λ2x

α1 =

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng
b) Cột rỗng bản giằng:

(tiếp 4/4)

α1 ⋅ A
Ad 1

lx
=
ix

V

N

π2
α1 = 2
sin θ ⋅ cosθ
λx =

π2
sin 2 θ ⋅ cosθ

At là diện tích tiết diện của thanh bụng xiên ở 1 mặt rỗng;

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng

λ0 = μ t ⋅ λ x = λ2x +

π2
A

sin θ ⋅ cos θ Ad 1 ⋅ λ2x
2

Ad 1 = 2 At

a) Cột rỗng thanh giằng:

Độ mảnh tương đương của cột rỗng thanh giằng 2 nhánh đối
với trục ảo x-x:

a

lx
I x /( 2 A f )

I x = 2( I x 0 + A f ⋅

HBA

μt = 1 +

Ad1 là tổng diện tích của các thanh bụng xiên ở 2 mặt rỗng của cột trên cùng
1 tiết diện cột :

V=1

V

π2 ⋅E⋅A
λ2x

δ

a

1
E ⋅ Ad 1 ⋅ sin 2 θ ⋅ cos θ

(tiếp 3/4)

Hệ số xét đến sự biến dạng của hệ bụng rỗng:

C

N ⋅l
δ= b d
E ⋅ Ad1

γ1 ≈

(tiếp 2/4)
V

C2
)
4

V

Hệ cột rỗng bản
giằng khi uốn
dọc quanh trục
ảo x-x được
xem như có mô
men uốn bằng
không tại các
điểm giữa của
các đoạn nhánh
cột và bản
giằng => coi là
khớp ở tại các
điểm đó.

C
N

15


9/22/2017

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng

(tiếp 2/7)

b) Cột rỗng bản giằng:

Hệ cột rỗng bản giằng khi uốn dọc quanh trục ảo x-x được xem như có mô
men uốn bằng không tại các điểm giữa của các đoạn nhánh cột và bản
giằng.
=> coi là khớp ở tại các điểm giữa đó.

I xo a I xo C
=

Ib C Ib a

t b ⋅ d b3
12

Ixo
: là mômen quán tính
của 1 tiết diện nhánh cột đối với
trục bản thân x0-x0;

a/2

a/2

a/2

a/2

a/2

a/2

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng
b) Cột rỗng bản giằng:
(tiếp 5/7)
Góc trượt của 1 đoạn khoang cột do lực cắt bằng đơn vị gây ra :

(tiếp 4/7)
Nếu n lớn => bản giằng bị biến dạng lớn, nhánh
cột biến dạng nhỏ ;
Nếu n nhỏ => bản giằng bị biến dạng nhỏ, nhánh
cột biến dạng lớn.

γ1 ≈

λ12 ⋅ (1 + n )
1 a 3 ⋅ (1 + n )
Δ
a 2 ⋅ (1 + n )
= ⋅
=
=
12 E ⋅ A
a
a 24 E ⋅ I xo
24 i xo2 ⋅ E ⋅ A f

với A = 2 A f

HBA

Ib =

a/2

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng

I xo a I xo C
=

Ib C Ib a

n=

a/2

b) Cột rỗng bản giằng:

n=

b) Cột rỗng bản giằng:
(tiếp 3/7)
Biến dạng của hệ bản giằng là do lực cắt gây ra và phụ thuộc vào tỉ số độ
cứng đơn vị giữa các đoạn nhánh cột và bản giằng:

a/2

a/2

a/2

a/2



λ1 ≈

a
i xo

γ1

a/2

a/2

16


9/22/2017

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng
b) Cột rỗng bản giằng:
(tiếp 6/7)

2.3 Xác định độ mảnh tương đương của cột rỗng
b) Cột rỗng bản giằng:
(tiếp 7/7)
Độ mảnh tương đương của cột rỗng bản giằng 2 nhánh đối với trục ảo x-x:

Hệ số xét đến sự biến dạng của hệ bụng rỗng:

λ ⋅ (1 + n ) π ⋅ E ⋅ A
π ⋅E⋅A
= 1+

λ2x
12 E ⋅ A
λ2x

μt = 1 + γ 1 ⋅

Với trường hợp:

μt ≈

2
1

2

I xo ⋅ C 1

Ib ⋅ a
5

n=

1+

Ta có

2

π 2 ⋅ (1 + n )
12

≈1

λ
λ

2
1
2
x

3. Thiết kế tiết diện
thân cột rỗng 2 nhánh chịu
nén đúng tâm

λ0 = μ t ⋅ λ x

λ0 ≈
trong đó

λ1 ≈

với

μt ≈

1+

λ12
λ2x

λ2x + λ12
a
i xo

ix0 la ban kinh quan tinh cua 1 tiet dien nhanh
cot doi voi truc banr than x0-x0
λ1 là độ mảnh của nhánh cột có chiều
dài tính toán là a đối với trục x0 .

x0

x0

x0

x0

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
- Vật liệu thép sử dụng: E, f;
-Sơ đồ kết cấu: Sơ đồ liên kết ở 2 đầu cột (

μx

, μy )

=> chiều dài tính toán của cột lx và ly ;
- Giá trị lực dọc N ;
- Dạng tiết diện cột: tiết diện rỗng.

3.1 Xác định tiết diện nhánh cột
3.2 Tính toán hệ bụng rỗng
a) Xác định lực cắt qui ước:
b) Tính toán bản giằng :
c) Tính toán thanh giằng :

HBA

y

y

Cần xác định :
- Diện tích các nhánh cột Af = ?;
- Khoảng cách giữa 2 nhánh cột C =?;
- Hệ thanh giằng hoặc bản giằng;

17


9/22/2017

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
a) Chọn hình dạng tiết diện nhánh cột:

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
d) Xác định độ mảnh ban đầu yêu cầu của cột đã chọn đối với trục ảo x-x :

Đối với cột rỗng chịu nén đúng tâm, thường chọn 2 nhánh cột có tiết diện
giống nhau.
b) Xác định diện tích tiết diện yêu cầu của nhánh cột Afyc = ?:
Theo điều kiện ổn định tổng thể đối với trục thực y-y:

A f , yc
ϕy

N
=
2 ϕy ⋅ f ⋅ γ c

ϕy

: là hệ số uốn dọc của
cột đối với trục thực y-y;

λygt ≤ [λ]

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
e) Xác định khoảng cách yêu cầu giữa 2 nhánh cột Cyc = ?:

2( I x 0 + A f ⋅

Af ⋅

C2
= i x2 ⋅ A − 2 I x 0
2

C yc = 2 i
i xyc =

lx

λ xyc

2
xyc

−i

1
5

nên ta có:

λ xyc = λ2y − λ12

Đối với cột rỗng thanh giằng:

α1 ⋅ A
Ad 1

= λy

λ xyc = λ2y −

α1 ⋅ A
Ad 1

trong đó α1 và
Ad1 chưa biết.

Cần phải chọn sơ bộ trước tiết diện thép góc làm thanh bụng xiên và bố trí hệ
thanh bụng xiên (chọn khoảng cách a) dựa theo các yêu cầu cấu tạo.

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
f) Kiểm tra tiết diện cột đã chọn:

C2
) ; I x = i x2 ⋅ A ; A = 2 A f
4

C2
) = i x2 ⋅ A
4

λ0 = λ2x + λ12 = λ y

λ0 = λ2x +

Từ λ gt và đặc trưng của vật liệu thép (f, E) => tra Bảng phụ lục II.1 hoặc tính
theo Công thức 4.8 – 4.11 để xác định ϕ y và Af,yc theo biểu thức trên.

I x = 2( I x 0 + A f ⋅

λ0 = λ y
Đối với cột rỗng bản giằng: Sơ bộ coi tỷ số n là nhỏ n ≤

chưa biết nên cần giả thiết trước độ mảnh của cột đối với trục thực y-y:

λygt = 40 ÷ 90 và

Dựa theo điều kiện làm việc hợp lý (điều kiện đồng ổn định) của cột rỗng:

Kiểm tra ổn định tổng thể của cột đối với trục ảo x-x :

y

y

Thực tế nên chọn khoảng cách C để

2
xo

ixo là bán kính quán tính của
nhánh đối với trục bản thân x0-x0.

Bố trí các nhánh cột phải đảm bảo yêu cầu cấu tạo:
Khe hở giữa 2 nhánh không nhỏ hơn 150 ~ 200 mm.

Nếu λ0 ≤ λ y thì không cần phải kiểm tra cột
theo điều kiện ổn định tổng thể và điều kiện về độ
mảnh. (đã thoả mãn vì đã kiểm tra đối với trục
thực y-y).

y

y

λ0 ≤ λ y

Kiểm tra điều kiện về độ mảnh của cột:

λmax = max{λ0 ; λy} ≤ [λ]

h ≥ C yc + 2Z 0

Chiều cao h chọn là số chẵn cm:

HBA

18


9/22/2017

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
f) Kiểm tra tiết diện cột đã chọn:

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
e) Xác định khả năng chịu nén đúng tâm của cột rỗng thanh giằng (hoặc
bản giằng) theo điều kiện bền:

Kiểm tra ổn định của nhánh cột đối với trục bản thân x0-x0:
Kiểm tra điều kiện ổn định của các đoạn nhánh
cột có chiều dài tính toán là a đối với trục bản
thân x0-x0:

y

Đối với cột rỗng bản giằng:

λ1 = l f ix 0

[N ]b = An ⋅ f ⋅ γ c

≤ 40 và đồng thời

y

y

y

λ1 < λy

Đối với cột rỗng thanh giằng:

λ1 = a ix 0 ≤ 80

và đồng thời

λ1 ≤ λy

Kiểm tra ổn định cục bộ của các nhánh cột: (nếu tiết diện tổ hợp hàn)

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
e) Xác định khả năng chịu nén đúng tâm của cột :rỗng thanh giằng theo
điều kiện ổn định tổng thể:

[N ]ϕ = ϕmin ⋅ A ⋅ f ⋅ γ c
λ0 = μ t ⋅ λ x = λ +
2
x

[N ]ϕ = ϕmin ⋅ A ⋅ f ⋅ γ c
y

α1 ⋅ A

y

Ad 1

λx =

lx
=
ix

lx

α1 =

π2
C2
I
I
A
=
2
(
+

)
x0
f
sin 2 θ ⋅ cosθ x
4

λ0 = μ t ⋅ λx ≈
λx =

I x /( 2 A f )

λ max = max( λ y ;λ 0 )

HBA

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm
e) Xác định khả năng chịu nén đúng tâm của cột :rỗng bản giằng theo điều
kiện ổn định tổng thể:

ϕ min

λy =

ly
iy

=

ly
i yo

lx
=
ix

lx
I x /( 2 A f )

I x = 2( I x 0 + A f ⋅

y

λ +λ
2
x

2
1

λ1 ≈

a
i xo

C2
)
4

λ max = max( λ y ;λ 0 )

y

λy =

ϕ min

ly
iy

=

ly
i yo

19


9/22/2017

3.2 Tính toán hệ bụng rỗng

3. Thiết kế tiết diện thân cột rỗng 2 nhánh chịu nén đúng tâm

Các dạng bài toán thường gặp:
- Xác định khoảng cách Cyc và chiều cao h
của tiết diện cột rỗng;

a) Xác định lực cắt qui ước:

y

y

y

- Kiểm tra khả năng chịu lực của cột đối với
trục ảo x-x;

b) Tính toán bản giằng :

- Xác định khả năng chịu lực của cột đối với
trục ảo x-x;

c) Tính toán thanh giằng :

y

- Xác định khả năng chịu lực của cột;

HBA

20


9/22/2017

7.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ GIÀN THÉP

CHƯƠNG 7:

GIÀN THÉP

y

Chiều cao tiết diện dầm h sẽ tăng khi nhịp L vượt khẩu độ
tăng => nhằm đảm bảo điều kiện về độ võng (TTGH 2).

x

Khi vượt nhịp vừa và nhỏ (L < 12 m) => sử dụng giải pháp
kết cấu dầm thép định hình (dầm đặc).

x

h

y

Khi vượt nhịp khá lớn (L = 12 ÷ 15 m) => sử dụng giải pháp
dầm thép tổ hợp hàn, BL, đinh tán (dầm đặc).

B¶n b
x

x

h

Khi vượt nhịp lớn (L > 15 m) => sử dụng giải pháp kết cấu
giàn thép (dầm rỗng).

y C¸n

L
So với dầm (dầm đặc) thì độ cứng uốn (trong mặt phẳng) của giàn thép là
rất lớn vì có chiều cao lớn, nhưng NĐ có cấu tạo phức tạp, tốn công chế tạo.

7.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ GIÀN THÉP

7.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ GIÀN THÉP

Các khái niệm về giàn thép:

Chi tiết nút giàn thép: Liên kết giữa các thanh giàn và bản mã thường dùng
là liên kết hàn (là phổ biến nhất), hoặc liên kết bulông, hoặc liên kết đinh tán.

Sơ đồ giàn thép: là một hệ kết cấu gồm các thanh thép được xếp đặt quy tụ
tại một điểm, gọi là nút giàn (hay mắt giàn), và các thanh giàn được liên kết
lại với nhau tại các nút giàn.

10

Các thanh giàn:
Thanh cánh trên,
thanh cánh thượng

10

Thanh bụng xiên

Thanh xiên
đầu giàn
Thanh cánh dưới,
thanh cánh hạ

Thanh đứng

Bản mã

Liên kết tại nút giàn: các thanh giàn có thể liên kết trực tiếp với nhau; hoặc
thông thường chúng liên kết với nhau thông qua các bản thép (hay bản mã).

HBA

1


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×