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

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

1. KẾT CẤU THÉP 1 Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP
2. KẾT CẤU THÉP LÀ GÌ? Kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm bằng THÉP Nhà thi đấu TDTT Phú Thọ Tháp Eiffel - Paris
3. NỘI DUNG 3 I. Ưu khuyết điểm của KCT II. Phạm vi ứng dụng III. Yêu cầu đối với KCT IV. Vật liệu thép V. Sự làm việc của thép khi chịu tải trọng VI. Quy cách cán thép dùng trong xây dựng VII. Phương pháp tính tốn KCT
4. I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP Ưu ❖ Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao • Thép cĩ 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 Cấu trúc vi mơ thép (µm) 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-1 ❖ Cơng nghiệp hĩa cao • Vật liệu, kết cấu thực hiện trong nhà máy Cấu trúc bê tơng [cm]
5. I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP Ưu ❖ Tính cơ động trong vận chuyển và lắp ráp ❖ Tính kín • Khơng thấm nước • Khơng thấm khí → Bể chứa Bể chứa xăng dầu Kết cấu Loggia KCT
6. I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP Khuyết ❖ Chịu gỉ kém → Bảo vệ bằng: sơn, mạ kẽm, mạ nhơm, ❖ Chịu lửa kém • Vật liệu khơng cháy • Vật liệu chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực từ t=500-600oC → Bảo vệ bằng : sơn chống lửa, bê tơng,
7. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP ❖ KCT thích hợp với cơng trình: • Nhịp lớn • Chiều cao lớn • Tải trọng nặng • Cần trọng lượng nhẹ • Cần độ kín khơng thấm
8. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 1. NHÀ CƠNG NGHIỆP Thơng thường: ❖ Kết cấu khung ❖ Phần tử: • thanh (kéo, nén) • dầm (uốn) • cột (nén, uốn) • dây (kéo)
9. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 2. NHÀ NHỊP LỚN ❖ Nhà thi đấu TDTT, nhà triển lãm, kết cấu đỡ mái SVĐ, Kết cấu vịm, L=100m SVĐ San siro - Kết cấu dầm dàn
10. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 2. NHÀ NHỊP LỚN ❖ Kết cấu dàn khơng gian • Phần tử kết cấu chịu lực theo 3 phương, các phân tử dàn dựa theo cấu trúc phân tử hĩa học • Phù hợp kết cấu nhịp lớn
11. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 3. NHÀ CAO TẦNG Vách cứng
12. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 3. NHÀ CAO TẦNG → kết cấu liên hợp thép-bê tơng (composite) 42,3 m - Thi cơng : 2-2,5 lầu/1 tuần Sàn bê tơng Lõi bê tơng Dầm sàn composite Khung composite Cột composite Millennium Tower (Vienna - Austria) – 51 tầng
13. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 4. KẾT CẤU TRỤ THÁP TRỤ 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 Tháp Eiffel - Paris • Liên kết: 2 500 000 đinh tán
14. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 5. BỂ CHỨA – ĐƯỜNG ỐNG Bể chứa chất lỏng
15. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 6. CẦU KC vịm: L=165m Viaduc Gabarit (Pháp) xây dựng bởi Gustave Eiffel- 1884
16. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 6. CẦU cáp - Viaduc de Mileau (Pháp), 2001-2003 : cầu cao nhất thế giới - 320M euros, xây dựng cơng ty Eiffage
17. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 7. DÀN KHOAN Kết cấu dàn khoan
18. II. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KẾT CẤU THÉP 8. KẾT CẤU KHÁC MÁI DÂY
19. III. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP 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 - Cơng nghiệp khi chế tạo - Lắp ghép nhanh → Điển hình hĩa kết cấu
20. IV. VẬT LIỆU THÉP 20 1. Định nghĩa 2. Phân loại thép 3. Cấu trúc và thành phần hĩa học 4. Thép xây dựng Biểu đồ kéo thép – quan hệ -
21. 1. Định nghĩa 21 - 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 < 1,7% → THÉP Thành phần hĩa học, phương pháp luyện → nhiều loại thép khác nhau
22. 2. Phân loại thép 22 a. Theo thành phần hĩa học - Thép cacbon: %C < 2,0%, khơng cĩ hợp kim khác + Thép cacbon đặc biệt cao (C=1,0-2,0%): độ cứng rất cao, dùng làm các dụng cụ như dao cắt, búa, + Thép cacbon cao (C=0,6-1,0%): độ bền cao, dùng làm lị xo, nhíp xe + Thép cacbon vừa (C=0,3-0,6%): chống bào mịn tốt, dùng làm thép định hình và các ứng dụng trong cơ khí + Thép cacbon thấp (0,05-0,3%): thép mềm, dễ cán, rèn, được dùng nhiều trong xây dựng: thép tấm cán nguội, → THÉP XÂY DỰNG
23. 2. Phân loại thép 23 a. Theo thành phần hĩa học - Thép hợp kim: Cr (chống gỉ), Ni (chống ăn mịn), Mn (độ bền) → nâng cao chất lượng thép, cứng hơn thép carbon + Thép hợp kim cao (tổng hàm lượng > 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 < 2,5%)
24. 2. Phân loại thép 24 b. Theo phương pháp luyện thép - Luyện bằng lị quay - Luyện thép bằng lị bằng (lị Martin) c. Theo mức độ khử oxy Thép lỏng rĩt vào khuơn → để nguội cho kết tinh lại Tùy phương pháp để lắng nguội: - Thép sơi: chất lượng khơng tốt, dễ bị phá hoại dịn và lão hĩa - Thép tĩnh: đắt hơn thép sơi, dùng trong các cơng trình chịu tải trọng động, những cơng trình quan trọng - Thép nửa tĩnh: là trung gian của hai thép trên
25. 3. Cấu trúc và thành phần hĩa học thép Cấu trúc thép carbon thấp [µm] a. Cấu trúc thép - Cấu trúc vi mơ của thép bao gồm 2 thành phần chính sau: ◼ Ferit (99% thể tích): các hạt màu sáng, cĩ tính mềm, dẻo ◼ Xementit (hợp chất sắt cacbua Fe3C): rất cứng và dịn - Xementit hỗn hợp với Ferit thành Peclit, là lớp mỏng màu thẫm nằm giữa các hạt Ferit. ◼ Lớp Peclit bao quanh các hạt Ferit quyết định sự làm việc và các tính chất dẻo của thép ◼ Thép nhiều C → màng Peclit dày, thép cứng
26. 3. Cấu trúc và thành phần hĩa học thép 26 b. Thành phần hĩa học thép - Thép cacbon ngồi 2 thành phần chính là Fe và C, cịn cĩ: ◼ Mn: tăng cường độ, độ giai của thép, > 1,5% → thép giịn ◼ Si: chất khử oxy, cho vào thép tĩnh làm tăng cường độ, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn → < 0,3% với thép cacbon thấp ◼ P: giảm tính dẻo, độ dai va đập, thép giịn ở nhiệt độ thấp o ◼ S: làm thép giịn nĩng ở t cao → dễ bị nứt khi hàn, rèn ◼ N, O2: làm thép bị giịn, giảm cường độ - Thép hợp kim: thêm vào thép cacbon Cu, Ni, Cr, Ti, làm tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ,
27. 4. Thép xây dựng 27 a. Thép cacbon thấp cường độ thường - Thép xây dựng: 3 nhĩm (TCVN 338:2005): thép cacbon thấp cường độ thường, khá cao và cao ◼ Cĩ 3 loại: sơi, tĩnh, nửa tĩnh ◼ Chia thành 3 nhĩm ◼ Nhĩm A: đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học ◼ Nhĩm B: đảm bảo chặt chẽ về thành phần hĩa học ◼ Nhĩm C: đảm bảo đặc tính cơ học và thành phần hĩa học → Chỉ dùng loại này cho các kết cấu chịu lực ◼ Chia thành 6 hạng theo yêu cầu về độ dai xung kích
28. 4. Thép xây dựng 28 a. Thép cacbon thấp cường độ thường ◼ Ký hiệu thép xây dựng, vd: CT38n2 ◼ CT : Cacbon thường 2 ◼ 38 : độ bền kéo đứt 38 KN/cm = 380MPa ◼ n : nửa tĩnh ◼ 2 : hạng 2 ◼ Thép dùng trong xây dựng thuộc nhĩm C, ở đầu cĩ thêm chữ C → CCT38n2 → CCT38 (TCVN 338:2005)
29. 4. Thép xây dựng 29 a. Thép cacbon thấp cường độ thường ◼ Theo TCVN 338:2005 2 Cường độ tiêu chuẩn fy (N/mm ), cường độ tính tốn f (N/mm2) Cường độ kéo đứt 2 Mác của thép với độ dày t (mm) tiêu chuẩn fu (N/mm ) thép 40< t ≤ khơng phụ thuộc t ≤ 20 20< t ≤ 40 100 bề dày t (mm) fy f fy f fy f CCT34 220 210 210 200 200 190 340 CCT38 240 230 230 220 220 210 380 CCT42 260 245 250 240 240 230 420
30. 4. Thép xây dựng 30 b. Thép cacbon cường độ khá cao ◼ Theo TCVN 338:2005 Độ dày, mm Mác thép t ≤ 20 20 < t ≤ 30 30 < t ≤60 fu fy f fu fy f fu fy f 09Mn2 450 310 295 450 300 285 □ □ □ 14Mn2 460 340 325 460 330 315 □ □ □ 16MnSi 490 320 305 480 300 285 470 290 275 09Mn2Si 480 330 315 470 310 295 460 290 275 10Mn2Si 1 510 360 345 500 350 335 480 340 325 10CrSiNiCu 540 400* 360 540 400* 360 520 400* 360 2; GHI CHÚ: đơn vị N/mm *Hệ số M trường hợp này là 1,1; bề dày tối đa là 40mm
31. 4. Thép xây dựng 31 c. Thép cacbon cường độ khá cao - Giới hạn chảy > 440MPa, - Giới hạn bền > 590MPa - Dùng thép cường độ cao → tiết kiệm vật liệu 25-30%
32. V. SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉP 32 1. Sự làm việc chịu kéo 2. Sự phá hoại giịn của thép
33. 1. Sự làm việc chịu kéo 33 a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo ▪ 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
34. 1. Sự làm việc chịu kéo 34 a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo ◼ Thép cac bon cao: ◼ Khơng cĩ 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
35. 1. Sự làm việc chịu kéo 35 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 tốn: ◼  tl : lý thuyết đàn hồi với E = constant ◼ tl <  < c : lý thuyết đàn hồi dẻo với E constant ◼  = c : lý thuyết dẻo, vật liệu làm việc trong vùng chảy dẻo
36. 2. Sự phá hoại giịn của thép 36 a. Hiện tượng cứng nguội Hiện tượng tăng tính dịn của thép sau khi bị biến dạng dẻo ◼ Thép trở nên cứng hơn ◼ Giới hạn đàn hồi cao hơn ◼ Biến dạng khi phá hoại nhỏ hơn Sự cứng nguội của thép
37. 2. Sự phá hoại giịn của thép 37 b. Trạng thái ứng suất phức tạp Xét 1 trạng thái ứng suất phẳng (1, 2 ) ❖ Sự chảy của vật liệu:  = (1- 2)/2 ❖ (1): Khi 1, 2 cùng dấu →  nhỏ → khơng cĩ thềm chảy, tl tăng cao, o giảm ◼ Khi 1 = 2 →  = 0 → khơng chảy dẻo → phá hoại dịn 1- 1, 2 cùng dấu ❖ (2): Khi  ,  khác dấu →  lớn → 1 2 2- 1, 2 khác dấu 3- biểu đồ chuẩn khi thép dẻo hơn: tl giảm, thềm chảy kéo 1 hướng lớn, o tăng
38. 2. Sự phá hoại giịn của thép 38 b. Trạng thái ứng suất phức tạp Sự tập trung ứng suất 1- khơng cĩ tập trung ứng suất → vật liệu giịn hơn. 2- cĩ tập trung ứng suất 3- tập trung ứng suất do rãnh cắt
39. 2. Sự phá hoại giịn của thép 39 c. Chịu tải trọng lặp ❖ Tải trọng lặp → mỏi của vật liệu ◼ phá hoại dịn ◼ ứng suất phá hoại ff (n, ) < b
40. 2. Sự phá hoại giịn của thép 40 d. Ảnh hưởng của nhiệt độ ❖ Nhiệt độ dương: o ◼ t = 200-300 C : đặc tính thép ít thay đổi o ◼ t = 300-330 C : thép giịn hơn o ◼ t = 500 C : c= 140MPa o ◼ t = 600 C : c= 40MPa o ◼ t = 600-650 C : c= 0MPa o ◼ t = 700 C : thép đỏ hồng o ◼ t > 1500 C : thép bắt đầu chuyển sang thể lỏng ❖ Nhiệt độ âm: t = - 45  - 60oC → thép dịn, dễ nứt
41. 2. Sự phá hoại giịn của thép 41 a. Hiện tượng cứng nguội b. Trạng thái ứng suất phức tạp c. Chịu tải trọng lặp d. Ảnh hưởng của nhiệt độ e. Sự hĩa già của thép f. Độ giai va đập
42. VI. QUY CÁCH THÉP CÁN TRONG XÂY DỰNG 42 1. Thép hình 2. Thép tấm 3. Thép hình dập, cán nguội
43. 1. Thép hình 43 a. Thép gĩc: dài 4÷13m ◼ Thép gĩc đều cạnh theo TCVN 7571-1:2006 ◼ Vd: L40x4 ◼ Số hiệu từ L20x3 - L250x35 ◼ Thép gĩc khơng đều cạnh theo TCVN 7571-2:2006 ◼ Vd: L63x40x4B ◼ Từ L30x20x3 - L200x150x25 ◼ Cấp chính xác khi chế tạo: ◼ A : cấp chính xác cao Thép gĩc và các ứng dụng ◼ B : cấp chính xác thường
44. 1. Thép hình 44 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 cĩ thêm tiết diện cánh rộng, vd : I22a ◼ 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 → khĩ liên kết Thép chữ I và các ứng dụng
45. 1. Thép hình 45 c. Thép chữ [ : dài 4÷13m ◼ Thép chữ [ theo TCVN 7571- 11:2006 ◼ Vd: [ 22 ◼ [5 - [40, từ [14 – [24 cĩ thêm tiết diện cánh rộng và dày hơn, vd : [22a Thép chữ [ và các ứng dụng ◼ 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
46. 1. Thép hình 46 d. Các loại thép hình khác ◼ Thép chữ I cánh rộng ◼ h cĩ thể lên đến 1000mm ◼ Cánh cĩ 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 Thép hình khác
47. 2. Thép tấm 47 - Thép tấm phổ thơng: 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
48. 3. Thép hình dập, cán nguội 48 - Cán nguội từ thép tấm mỏng (1-8mm) → kết cấu thành mỏng - Dùng các cấu kiện chịu lực nhỏ : xà gồ mái, tơn lợp mái, - Tham khảo tiêu chuẩn Thép tấm cán nguội nước ngồi → eurocode 3
49. VII. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KCT 49 1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính tốn 3. Tải trọng và tác động
50. 1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn 50 TTGH: trạng thái mà kết cấu thơi khơng thỏa mãn các yêu cầu đặt ra ◼ TTGH 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 cấu ◼ TTGH 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 phép
51. 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính tốn 51 ◼ Cường độ tiêu chuẩn ◼ Xác định dựa trên phương pháp thống kê, độ tin cậy > 0,95 ◼ Thép cĩ biến dạng chảy dẻo: fy=c ◼ Thép khơng cĩ biến dạng chảy hoặc Sự thay đổi cường độ đàn hồi thép Fe E355 trường hợp cho phép Thực hiện trên 60 thí nghiệm kéo kết cấu làm việc chảy dẻo → fy=b
52. 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính tốn 52 ◼ C. độ tính tốn = C. độ tiêu chuẩn / hệ số an tồn vật liệu M Ký Cường đơ tính Trạng thái làm việc hiệu tốn Kéo, nén, uốn - theo giới hạn chảy f f=fy/M - theo giới hạn bền ft ft=fu/M Trượt fv fv=0,58fy/M Ép mặt lên đầu mút (khi tì sát) fc fc=fu/M Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt fcc fcc=0,5fy/M Ép mặt theo đường kính con lăn fcd fcd=0,025fy/M ◼ M= 1,05 đối với thép cĩ c 380MPa