Bài giảng Kết cấu thép - Chương 1: Đại cương về kết cấu thép

1KẾT CẤU THÉPChương 1ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP	Kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm bằng THÉP KẾT CẤU THÉP LÀ GÌ?Nhà thi đấu TDTT Phú ThọTháp Eiffel - ParisƯu khuyết điểm của KCTPhạm vi ứng dụngYêu cầu đối với KCTVật liệu thépSự làm việc của thép khi chịu tải trọngQuy cách cán thép dùng trong xây dựngPhương pháp tính tốn KCTNỘI DUNG3Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy caoThép cĩ cường độ cao: fy = 220 – 400 MPaCấu trúc đồng nhất của vật liệu Trọng lượng nhẹ“Nhẹ nhất” so với kết cấu chịu lực khác như bê tơng, gạch, đá, gỗ  c = /f+ Thép: c = 3,7.10-4 m-1+ Gỗ: c = 5,4.10-4 m-1+ Bê tơng : c = 2,4.10-3 m-1Cơng nghiệp hĩa caoVật liệu, kết cấu thực hiện trong nhà máyƯuCấu trúc vi mơ thép (µm)Cấu trúc bê tơng [cm]I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉPTính cơ động trong vận chuyển và lắp rápTính kínKhơng thấm nướcKhơng thấm khí Bể chứaKết cấu Loggia KCTBể chứa xăng dầuI. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉPƯuChịu gỉ kém	 Bảo vệ bằng: sơn, mạ kẽm, mạ nhơm, KhuyếtI. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉPChịu lửa kémVật liệu khơng cháyVật liệu chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực từ t=500-600oC	 Bảo vệ bằng : sơn chống lửa, bê tơng, KCT thích hợp với cơng trình:Nhịp lớnChiều cao lớnTải trọng nặngCần trọng lượng nhẹCần độ kín khơng thấmII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP1. NHÀ CƠNG NGHIỆPThơng thường:Kết cấu khungPhần tử: thanh (kéo, nén)dầm (uốn)cột (nén, uốn) dây (kéo)II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP2. NHÀ NHỊP LỚNKết cấu vịm, L=100mNhà thi đấu TDTT, nhà triển lãm, kết cấu đỡ mái SVĐ, SVĐ San siro - Kết cấu dầm dànII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP2. NHÀ NHỊP LỚNKết cấu dàn khơng gianPhần tử kết cấu chịu lực theo 3 phương, các phân tử dàn dựa theo cấu trúc phân tử hĩa họcPhù hợp kết cấu nhịp lớnII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP3. NHÀ CAO TẦNGVách cứngII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP3. NHÀ CAO TẦNG kết cấu liên hợp thép-bê tơng (composite)Millennium Tower (Vienna - Austria) – 51 tầngCột compositeLõi bê tơngDầm sàn compositeSàn bê tơng42,3 mKhung composite33,05 m- Thi cơng :2-2,5 lầu/1 tuầnII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP4. KẾT CẤU TRỤ THÁP TRỤ Tháp Eiffel - ParisTháp Eiffel:Chiều cao lầu 1: 57,63mChiều cao lầu 2: 115,73mChiều cao lầu 3: 276,13mChiều cao tổng cộng bao gồm anten: 324mXây dựng 1887 – 1889Khối lượng : 10100TLiên kết: 2 500 000 đinh tánII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP5. BỂ CHỨA – ĐƯỜNG ỐNGBể chứa chất lỏngII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP6. CẦUViaduc Gabarit (Pháp) xây dựng bởi Gustave Eiffel- 1884KC vịm: L=165mII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP6. CẦU- Viaduc de Mileau (Pháp), 2001-2003 : cầu cao nhất thế giới- 320M euros, xây dựng cơng ty EiffagecápII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP7. DÀN KHOANKết cấu dàn khoanII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP8. KẾT CẤU KHÁC MÁI DÂYII. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP1. Yêu cầu về sử dụng:	- Đảm bảo yêu cầu về chịu lực	- Đảm bảo về độ bền vững, khả năng bảo dưỡng	- Đẹp2. Yêu cầu về kinh tế	- Tiết kiệm vật liệu	- Cơng nghiệp khi chế tạo	- Lắp ghép nhanh Điển hình hĩa kết cấuIII. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉPBiểu đồ kéo thép – quan hệ -IV. VẬT LIỆU THÉP20Định nghĩaPhân loại thépCấu trúc và thành phần hĩa họcThép xây dựng1. Định nghĩaLuyện quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4) 	 Gang (hợp kim của Fe và C) với C ≥ 1,7%. Khử bớt C  ThépNếu: 	+ Lượng C ≥ 1,7% 	 GANG	+ Lượng C 10%)	Vd: thép Mn cao 13%  dùng cho mơi trường chịu ăn 	mịn 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 giịnSi: chất khử oxy, cho vào thép tĩnh làm tăng cường độ, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn  440MPa, Giới hạn bền > 590MPaDùng thép cường độ cao  tiết kiệm vật liệu 25-30%314. Thép xây dựngV. SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉPSự làm việc chịu kéoSự phá hoại giịn của thép32OA: giai đoạn tỉ lệ  tlA’B: gđ đàn hồi dẻoBC: gđ chảy dẻoCD: gđ củng cốBiểu đồ kéo của thép các bon thấp1. Sự làm việc chịu kéoa. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo33Thép cac bon cao:Khơng cĩ thềm chảy dẻoGiới hạn chảy c ứng với biến dạng dư  = 0,2%1- Biểu đồ kéo của thép các bon cao2- Biểu đồ kéo của thép các bon thấpa. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo341. Sự làm việc chịu kéob. Các đặc trưng cơ học chủ yếuCác đặc trưng cơ học chủ yếu: Giới hạn tỉ lệ: 	 tlGiới hạn chảy: c  fyGiới hạn bền: 	 b  fu : vùng dự trữ giữa trạng thái làm 	 việc và trạng thái phá hoạiBiến dạng khi đứt: o: đặc trưng độ dẻo và độ dai của thépLý thuyết tính tốn:   tl : lý thuyết đàn hồi với E = constanttl 1500oC 	: thép bắt đầu chuyển sang thể lỏngNhiệt độ âm: t = - 45  - 60oC  thép dịn, dễ nứt402. Sự phá hoại giịn của thépHiện tượng cứng nguộiTrạng thái ứng suất phức tạpChịu tải trọng lặpẢnh hưởng của nhiệt độSự hĩa già của thépĐộ giai va đập2. Sự phá hoại giịn của thép41VI. QUY CÁCH THÉP CÁN TRONG XÂY DỰNGThép hìnhThép tấmThép hình dập, cán nguội42Thép gĩc và các ứng dụng1. Thép hìnha. Thép gĩc: dài 4÷13mThép gĩc đều cạnh theo TCVN 7571-1:2006Vd: L40x4Số hiệu từ L20x3 - L250x35Thép gĩc khơng đều cạnh theo TCVN 7571-2:2006Vd: L63x40x4BTừ L30x20x3 - L200x150x25Cấp chính xác khi chế tạo:A : cấp chính xác caoB : cấp chính xác thường43Dùng làmDầm 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 hợpBất lợi: bản cánh hẹp và vát bên trong  khĩ liên kếtThép chữ I và các ứng dụngb. Thép chữ I : dài 4÷13mThép chữ I theo TCVN 7571-15:2006Vd: I30Số hiệu từ I10 - I60Từ I18 – I30 cĩ thêm tiết diện cánh rộng, vd : I22a1. Thép hình44Thép chữ [ và các ứng dụngc. Thép chữ [ : dài 4÷13mThép chữ [ theo TCVN 7571-11:2006Vd: [ 22[5 - [40, từ [14 – [24 cĩ thêm tiết diện cánh rộng và dày hơn, vd : [22aThép [ được dùng làmLiên kết thuận lợi, liên kết cánh bất lợiDầm chịu uốn, đặc biệt xà gồ mái, cột – tiết diện tổ hợp1. Thép hình45Thép hình khácd. Các loại thép hình khácThép chữ I cánh rộngh cĩ thể lên đến 1000mmCánh cĩ mép song song 	 dễ liên kếtDùng làm dầm, cộtGiá thành caoThép ống:Chịu lực tốt, chống xoắn tốt Dùng trong kết cấu thanh dàn, cột1. Thép hình46Thép tấm phổ thơng: kết cấu tấm bản, dày 4-60mmrộng 160-1050mmdài 6 – 12 mThép tấm dày: kết cấu tấm bản, dày 4 – 160 mmrộng 600 – 3000 mmdài 4 – 8 mThép tấm mỏng: tạo các thanh thành mỏng bằng cán nguộidày 0,2 – 4 mmrộng 600 – 1400 mmdài 1,2 – 4 m2. Thép tấm47Cán nguội từ thép tấm mỏng (1-8mm)  kết cấu thành mỏngDùng các cấu kiện chịu lực nhỏ : xà gồ mái, tơn lợp mái, Tham khảo tiêu chuẩn nước ngồi  eurocode 3Thép tấm cán nguội3. Thép hình dập, cán nguội48VII. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KCT1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính tốn3. Tải trọng và tác động491. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn	TTGH: trạng thái mà kết cấu thơi khơng thỏa mãn các yêu cầu đặt raTTGH 1: mất khả năng chịu lực hoặc khơng 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 cấuTTGH 2: kết cấu khơng sử dụng bình thường đươc- Bị võng, lún, bị nứt, bị rung	  []	: biến dạng, chuyển vị kết cấu	[]: biến dạng, chuyển vị cho phép50Cường độ tiêu chuẩnXác định dựa trên phương pháp thống kê, độ tin cậy > 0,95Thép cĩ biến dạng chảy dẻo: fy=cThép khơng cĩ biến dạng chảy hoặc trường hợp cho phép kết cấu làm việc chảy dẻo  fy=bSự thay đổi cường độ đàn hồi thép Fe E355Thực hiện trên 60 thí nghiệm kéo2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính tốn51C. độ tính tốn = C. độ tiêu chuẩn / hệ số an tồn vật liệu MM= 1,05 đối với thép cĩ c  380MPa Trạng thái làm việcKý hiệuCường đơ tính tốnKéo, nén, uốn - theo giới hạn chảy - theo giới hạn bềnfftf=fy/gMft=fu/gMTrượtfvfv=0,58fy/gMÉp mặt lên đầu mút (khi tì sát)fcfc=fu/gMÉp mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặtfccfcc=0,5fy/gMÉp mặt theo đường kính con lănfcdfcd=0,025fy/gM2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính tốn52