KẾT CẤU THÉP KẾT CẤU THÉP
1
Chương 1 Chương 1
ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐẠI CƯƠNG VỀ
KẾT CẤU THÉP KẾT CẤU THÉP
KẾT CẤU THÉP LÀ GÌ? KẾT CẤU THÉP LÀ GÌ?
Kết cấu chịu lực công trình
xây dựng làm bằng THÉP
Nhà thi đấu TDTT Phú Thọ Tháp Eiffel - Paris
NỘI DUNG 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 toán KCT
ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP I.I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP
Öu
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
•
Cấu trúc vi mô thép (µm)
/f
“Nhẹ nhất” so với kết cấu chịu lực khác như bê tông, gạch, đá, gỗ c = (cid:0) + Thép: c = 3,7.10-4 m-1
+ Gỗ: c = 5,4.10-4 m-1
Công nghiệp hóa cao
+ Bê tông : c = 2,4.10-3 m-1
• Vật liệu, kết cấu thực hiện trong nhà máy
Cấu trúc bê tông [cm]
ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP I.I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP
Öu
Tính cơ động trong vận chuyển
và lắp ráp
Tính kín
• Không thấm nước
• Không thấm khí
Bể chứa
Bể chứa xăng dầu Kết cấu Loggia KCT
ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP I.I. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP
Chịu gỉ kém
Bảo vệ bằng: sơn, mạ
kẽm, mạ nhôm, …
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, …
Khuyết
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
KCT thích hợp với
công trình:
•
•
Nhịp lớn
•
Chiều cao lớn
•
Tải trọng nặng
•
Cần trọng lượng nhẹ
Cần độ kín không
thấm
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
Thông thường:
Kết cấu khung
Phần tử:
•
thanh (kéo, nén)
• dầm (uốn)
• cột (nén, uốn)
• dây (kéo)
1. NHAØ COÂNG NGHIEÄP
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
Nhà thi đấu TDTT, nhà triển lãm, kết cấu đỡ mái SVĐ, …
2. NHAØ NHÒP LÔÙN
Kết cấu vòm, L=100m SVĐ San siro - Kết cấu dầm dàn
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
Kết cấu dàn không gian
•
2. NHAØ NHÒP LÔÙN
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. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
3. NHAØ CAO TAÀNG
Vách cứng
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
3. NHAØ CAO TAÀNG
42,3 m
kết cấu liên hợp thép-bê tông (composite)
- Thi công :
m 5 0 , 3 3
Sàn bê tông
Lõi bê tông
ầ
D m sàn composite
Khung composite
ộ
C t composite
2-2,5 lầu/1 tuần
Millennium Tower (Vienna - Austria) – 51 tầng
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
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
4. KEÁT CAÁU TRUÏ THAÙP TRUÏ
• Liên kết: 2 500 000 đinh tán
Tháp Eiffel - Paris
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
5. BEÅ CHÖÙA – ÑÖÔØNG OÁNG
Bể chứa chất lỏng
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
6. CAÀU
KC vòm: L=165m
Viaduc Gabarit (Pháp) xây dựng bởi Gustave Eiffel- 1884
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
6. CAÀU
cáp
- Viaduc de Mileau (Pháp), 2001-2003 :
cầu cao nhất thế giới
- 320M euros, xây dựng công ty Eiffage
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
7. DAØN KHOAN
Kết cấu dàn khoan
II. PII. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU HAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP THEÙP
8. KẾT CẤU KHÁC MÁI DÂY
III. CAÙC YEÂU CAÀU ÑOÁI VÔÙI KEÁT III. CAÙC YEÂU CAÀU ÑOÁI VÔÙI KEÁT CAÁU THEÙP 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
IV. VẬT LIỆU THÉP IV. VẬT LIỆU THÉP
20
1. Định nghĩa
2. Phân loại thép
3. Cấu trúc và thành phần hóa học
4. Thép xây dựng
Biểu đồ kéo thép – quan hệ (cid:0) -(cid:0)
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 hóa học, phương pháp luyện nhiều loại thép
khác nhau
2. Phân loại thép
22
a. Theo thành phần hóa học
- Thép cacbon: %C < 2,0%, không có 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 lò xo,
nhíp xe …
+ Thép cacbon vừa (C=0,3-0,6%): chống bào mòn 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
2. Phân loại thép
23
a. Theo thành phần hóa học
- Thép hợp kim: Cr (chống gỉ), Ni (chống ăn mòn), 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 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 < 2,5%)
2. Phân loại thép
24
b. Theo phương pháp luyện thép
- Luyện bằng lò quay
- Luyện thép bằng lò bằng (lò Martin)
c. Theo mức độ khử oxy
Thép lỏng rót vào khuôn để nguội cho kết tinh lại
Tùy phương pháp để lắng nguội:
- Thép sôi: chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại dòn và lão hóa
- Thép tĩnh: đắt hơn thép sôi, dùng trong các công trình chịu tải
trọng động, những công trình quan trọng
- Thép nửa tĩnh: là trung gian của hai thép trên
3. Cấu trúc và thành phần hóa học thép
a. Cấu trúc thép
- Cấu trúc vi mô của thép bao gồm 2 thành phần chính sau:
Ferit (99% thể tích): các hạt màu sáng, có tính mềm, dẻo
Xementit (hợp chất sắt cacbua Fe3C): rất cứng và dòn
- 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
Cấu trúc thép carbon thấp [µm]
3. Cấu trúc và thành phần hóa học thép
26
b. Thành phần hóa học thép
- Thép cacbon ngoài 2 thành phần chính là Fe và C, còn có:
Mn: tăng cường độ, độ giai của thép, > 1,5% thép giòn
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 giòn ở nhiệt độ thấp
S: làm thép giòn nóng ở to cao dễ bị nứt khi hàn, rèn
N, O2: làm thép bị giòn, 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, …
4. Thép xây dựng
27
a. Thép cacbon thấp cường độ thường
- Thép xây dựng: 3 nhóm (TCVN 338:2005): thép cacbon thấp
cường độ thường, khá cao và cao
Có 3 loại: sôi, tĩnh, nửa tĩnh
Chia thành 3 nhóm
Nhóm A: đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học
Nhóm B: đảm bảo chặt chẽ về thành phần hóa học
Nhóm C: đảm bảo đặc tính cơ học và thành phần hóa học
Chỉ dùng loại này cho các kết cấu chịu lực
Chia thành 6 hạng theo yêu cầu về độ dai xung kích
4. Thép xây dựng
28
a. Thép cacbon thấp cường độ thường
Ký hiệu thép xây dựng, vd: CT38n2
CT : Cacbon thường
38 : độ bền kéo đứt 38 KN/cm2 = 380MPa
n : nửa tĩnh
2 : hạng 2
Thép dùng trong xây dựng thuộc nhóm C, ở đầu có thêm chữ
C CCT38n2 CCT38 (TCVN 338:2005)
4. Thép xây dựng
29
a. Thép cacbon thấp cường độ thường
Theo TCVN 338:2005
Cường độ tiêu chuẩn fy (N/mm2),
cường độ tính toán f (N/mm2)
của thép với độ dày t (mm)
Cường độ kéo đứt
t ≤ 20 20< t ≤ 40 40< t ≤ 100 tiêu chuẩn fu (N/mm2)
Mác thép không phụ thuộc
bề dày t (mm)
f f f fy fy fy
CCT34 220 210 210 200 200 190 340
CCT38 240 230 230 220 220 210 380
CCT42 260 245 250 240 240 230 420
4. Thép xây dựng
30
b. Thép cacbon cường độ khá cao
Theo TCVN 338:2005
Độ dày, mm
t ≤ 20 20 < t ≤ 30 30 < t ≤60 Mác thép
f f f
09Mn2 fu 450 fy 310 295 fu 450 fy 300 285 fu □ fy □ □
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
M trường hợp này là 1,1;
540 400* 540 400* 360 520 400* 360
10CrSiNiCu 360 GHI CHÚ: đơn vị N/mm2; *Hệ số (cid:0) bề dày tối đa là 40mm
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%
V. SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉP
32
1. Sự làm việc chịu kéo
2. Sự phá hoại giòn của thép
1. Sự làm việc chịu kéo
33
a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo
OA: giai đoạn tỉ lệ (cid:0)
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
34
a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo
Thép cac bon cao:
Không có thềm chảy
dẻo
Giới hạn chảy (cid:0)
c
ứng với biến dạng dư (cid:0) = 0,2%
1- Biểu đồ kéo của thép các bon cao 2- Biểu đồ kéo của thép các bon thấp
1. Sự làm việc chịu kéo
35
b. Các đặc trưng cơ học chủ yếu
Các đặc trưng cơ học chủ yếu:
tl
c fy
Giới hạn tỉ lệ: (cid:0) Giới hạn chảy: (cid:0) Giới hạn bền: (cid:0)
b fu : vùng dự trữ giữa trạng thái làm việc và trạng thái phá hoại
Biến dạng khi đứt: (cid:0)
o: đặc trưng độ dẻo và độ dai của thép
Lý thuyết tính toán:
(cid:0)
(cid:0)
constant
(cid:0)
(cid:0) tl < (cid:0) = (cid:0)
tl : lý thuyết đàn hồi với E = constant c : lý thuyết đàn hồi dẻo với E (cid:0) < (cid:0) c : lý thuyết dẻo, vật liệu làm việc trong vùng chảy dẻo
(cid:0)
2. Sự phá hoại giòn của thép
36
a. Hiện tượng cứng nguội
Hiện tượng tăng tính dòn 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
2. Sự phá hoại giòn của thép
37
2 )
b. Trạng thái ứng suất phức tạp Xét 1 trạng thái ứng suất phẳng ((cid:0) Sự chảy của vật liệu: (cid:0) = ((cid:0) 1- (cid:0) 1, (cid:0) (1): Khi (cid:0) không có thềm chảy, (cid:0)
1, (cid:0) 2)/2 2 cùng dấu (cid:0) nhỏ tl tăng cao, (cid:0)
o
giảm Khi (cid:0)
1 = (cid:0)
2 (cid:0) = 0 không chảy
dẻo phá hoại dòn
1, (cid:0) 1, (cid:0)
2 cùng dấu 2 khác dấu
(2): Khi (cid:0)
1, (cid:0)
2 khác dấu (cid:0) lớn
thép dẻo hơn: (cid:0)
tl giảm, thềm chảy lớn,
1- (cid:0) 2- (cid:0) 3- biểu đồ chuẩn khi kéo 1 hướng
o tăng
(cid:0)
2. Sự phá hoại giòn của thép
38
b. Trạng thái ứng suất phức tạp
Sự tập trung ứng suất vật liệu giòn hơn.
1- không có tập trung ứng suất 2- có tập trung ứng suất 3- tập trung ứng suất do rãnh cắt
2. Sự phá hoại giòn của thép
39
c. Chịu tải trọng lặp
Tải trọng lặp mỏi của vật liệu
phá hoại dòn ứng suất phá hoại ff (n,(cid:0) ) < (cid:0)
b
2. Sự phá hoại giòn của thép
40
d. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ dương:
t = 200-300oC
: đặc tính thép ít thay đổi
t = 300-330oC
t = 500oC
: thép giòn hơn : (cid:0)
c= 140MPa
t = 600oC
: (cid:0)
c= 40MPa
t = 600-650oC
: (cid:0)
c= 0MPa
t = 700oC
: thép đỏ hồng
t > 1500oC
: thép bắt đầu chuyển sang thể lỏng
Nhiệt độ âm: t = - 45 (cid:0)
- 60oC thép dòn, dễ nứt
2. Sự phá hoại giòn 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 hóa già của thép f. Độ giai va đập
VI. QUY CÁCH THÉP CÁN TRONG XÂY DỰNG
42
1. Thép hình
2. Thép tấm
3. Thép hình dập, cán nguội
1. Thép hình
43
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
Thép góc và các ứng dụng
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 có 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
Bất lợi: bản cánh hẹp và vát
hoặc tổ hợp
Thép chữ I và các ứng dụng bên trong khó liên kết
1. Thép hình
45
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
Thép chữ [ và các ứng dụng
Dầm chịu uốn, đặc biệt xà gồ
bất lợi
mái, cột – tiết diện tổ hợp
1. Thép hình
46
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
Thép hình khác dàn, cột
2. Thép tấm
47
Thép tấm phổ thông: kết cấu tấm bản, …
- dày 4-60mm
-
- dài 6 – 12 m
Thép tấm dày: kết cấu tấm bản, …
- dày 4 – 160 mm
-
rộng 160-1050mm
- dài 4 – 8 m
Thép tấm mỏng: tạo các thanh thành mỏng bằng cán nguội
- dày 0,2 – 4 mm
-
rộng 600 – 3000 mm
- dài 1,2 – 4 m
rộng 600 – 1400 mm
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, tôn
lợp mái, …
Tham khảo
tiêu chuẩn
nước ngoài eurocode 3
Thép tấm cán nguội
VII. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KCT
49
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
50
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 (cid:0)
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
(cid:0)
[(cid:0)
]
: biến dạng, chuyển vị kết cấu
[(cid:0)
]: biến dạng, chuyển vị cho phép
(cid:0) (cid:0)
2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán
51
Cường độ tiêu chuẩn
Xác định dựa
trên
phương pháp
thống
kê, độ tin cậy > 0,95
Thép có biến dạng
chảy dẻo: fy=(cid:0)
c
Thép không có biến
dạng
chảy
hoặc
trường hợp cho phép
kết cấu làm việc chảy dẻo fy=(cid:0)
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
52
C. độ tính toán = C. độ tiêu chuẩn / hệ số an toàn vật liệu (cid:0)
M
M
Trạng thái làm việc Ký hiệu Cường đô tính toán
M
Kéo, nén, uốn - theo giới hạn chảy - theo giới hạn bền f ft
M
Trượt fv
M
Ép mặt lên đầu mút (khi tì sát) fc f=fy/(cid:0) ft=fu/(cid:0) fv=0,58fy/(cid:0) fc=fu/(cid:0)
M
Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt fcc fcc=0,5fy/(cid:0)
M
(cid:0)
M= 1,05 đối với thép có (cid:0)
c (cid:0)
380MPa
Ép mặt theo đường kính con lăn fcd fcd=0,025fy/(cid:0)
