Bài giảng Kết cấu thép (Theo 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998)

Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015<br /> <br /> BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP<br /> (THEO 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998)<br /> <br /> MỤC LỤC<br /> 1<br /> <br /> ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ................................................................. 5<br /> 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................... 5<br /> 1.1.1<br /> Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng....................................................................... 5<br /> 1/ Ưu điểm : .......................................................................................................................... 5<br /> 2/ Nhược điểm : .................................................................................................................... 5<br /> 3/ Phạm vi sử dụng : ............................................................................................................. 6<br /> 1.1.2<br /> Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép ....................................................................... 6<br /> 1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 .......................... 7<br /> 1.2.1<br /> Quan điểm chung về thiết kế .................................................................................. 7<br /> 1.2.2<br /> 1.2.3<br /> <br /> Sự phát triển của quá trình thiết kế ......................................................................... 7<br /> Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn 22TCN 272-05 ............................................... 10<br /> <br /> 1.2.4<br /> Giới thiệu về tải trọng và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 .......... 17<br /> 1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG .................................................................................. 21<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1.3.1<br /> 1.3.2<br /> <br /> Thành phần hoá học và phân loại thép ................................................................. 22<br /> Khái niệm về ứng suất dư ..................................................................................... 27<br /> <br /> 1.3.3<br /> 1.3.4<br /> <br /> Gia công nhiệt ....................................................................................................... 28<br /> Ảnh hưởng của ứng suất lặp ( sự mỏi).................................................................. 28<br /> <br /> 1.3.5<br /> Sự phá hoại giòn ................................................................................................... 31<br /> LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP .............................................................................. 33<br /> 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP ............................ 33<br /> 2.1.1<br /> Liên kết dạng đinh: ( đinh tán, bu lông) ............................................................... 33<br /> 2.1.2<br /> 2.1.3<br /> <br /> Liên kết hàn .......................................................................................................... 33<br /> Phân loại liên kết theo tính chất chịu lực .............................................................. 33<br /> <br /> 2.2 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG .............................................................................. 34<br /> 2.2.1<br /> Cấu tạo , phân loại bu lông ................................................................................... 34<br /> 2.2.2<br /> 2.2.3<br /> 2.3<br /> <br /> Các hình thức cấu tạo của liên kết bu lông ........................................................... 37<br /> Bố trí bu lông ........................................................................................................ 39<br /> <br /> LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU CẮT ............................................................................. 42<br /> <br /> 1<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015<br /> 2.3.1<br /> 2.3.2<br /> <br /> Các trường hợp phá hoại trong liên kết bu lông thường ....................................... 42<br /> Cường độ chịu ép mặt và cường độ chịu cắt của liên kết ..................................... 44<br /> <br /> 1/ Cường độ chịu cắt của bu lông ........................................................................................... 44<br /> 2/ Cường độ chịu ép mặt của bu lông ..................................................................................... 44<br /> 2.3.3<br /> Cường độ chịu ma sát của liên kết bu lông cường độ cao .................................... 48<br /> 1/ Đặc điểm chế tạo và đặc điểm chịu lực của liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát, các<br /> phương pháp xử lý bề mặt thép: ................................................................................................. 48<br /> 2/ Tính toán sức kháng trượt ...................................................................................................... 49<br /> 2.3.4<br /> Tính toán liên kết bu lông chịu cắt ....................................................................... 50<br /> 2.4 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU KÉO ............................................................................. 59<br /> 2.4.1<br /> 2.4.2<br /> <br /> Liên kết bu lông chịu kéo ..................................................................................... 59<br /> Liên kết bu lông chịu kéo và cắt kết hợp .............................................................. 61<br /> <br /> 2.5 LIÊN KẾT HÀN .......................................................................................................... 62<br /> 2.5.1<br /> Cấu tạo và chế tạo liên kết hàn ............................................................................. 62<br /> 2.5.2<br /> 2.5.3<br /> <br /> Sức kháng tính toán của mối hàn .......................................................................... 72<br /> Liên kết hàn lệch tâm chịu cắt ............................................................................. 76<br /> <br /> 2.6 CẮT KHỐI................................................................................................................... 80<br /> 2.6.1<br /> Cắt khối trong liên kết bu lông ............................................................................. 80<br /> 3<br /> <br /> 2.6.2<br /> Cắt khối trong liên kết hàn.................................................................................... 81<br /> CẤU KIỆN CHỊU KÉO ..................................................................................................... 84<br /> 3.1 Đặc điểm cấu tạo : ........................................................................................................ 84<br /> 3.1.1<br /> Các hình thức mặt cắt : ......................................................................................... 84<br /> 3.1.2<br /> Các dạng liên kết : ................................................................................................ 84<br /> 3.2 Tính toán cấu kiện chịu kéo đúng tâm ......................................................................... 85<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3.2.1<br /> 3.2.2<br /> <br /> Tổng quát : ........................................................................................................... 85<br /> Sức kháng kéo chảy .............................................................................................. 86<br /> <br /> 3.2.3<br /> 3.2.4<br /> <br /> Sức kháng kéo đứt ................................................................................................ 86<br /> Giới hạn độ mảnh ................................................................................................. 91<br /> <br /> CẤU KIỆN CHỊU NÉN ..................................................................................................... 93<br /> 4.1 Đặc điểm cấu tạo .......................................................................................................... 93<br /> 4.1.1<br /> 4.1.2<br /> <br /> Hình thức mặt cắt kín ........................................................................................... 94<br /> Hình thức mặt cắt hở ............................................................................................ 95<br /> <br /> 4.2 Khái niệm về ổn định của cột....................................................................................... 96<br /> 4.2.1<br /> Khái niệm về mất ổn định đàn hồi ........................................................................ 96<br /> 4.2.2<br /> Khái niệm về mất ổn định quá đàn hồi ............................................................... 100<br /> 4.3 Tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm ....................................................................... 102<br /> 4.3.1<br /> <br /> Sức kháng nén ..................................................................................................... 102<br /> <br /> 2<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015<br /> 4.3.2<br /> 4.3.3<br /> 5<br /> <br /> Tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn ............................................................................ 104<br /> Tỷ số độ mảnh giới hạn ...................................................................................... 105<br /> <br /> 4.3.4<br /> Các dạng bài toán................................................................................................ 106<br /> CẤU KIỆN CHỊU UỐN TIẾT DIỆN CHỮ I ................................................................... 111<br /> 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO ........................................................................ 111<br /> 5.1.1<br /> Các kích thước cơ bản của dầm .......................................................................... 111<br /> 5.1.2<br /> Các loại dầm và phạm vi sử dụng: ...................................................................... 112<br /> 1/ Dầm thép hình .............................................................................................................. 112<br /> 2/ Dầm ghép ( dầm tổ hợp) ............................................................................................... 112<br /> 5.2 SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM I............................................................... 113<br /> 5.2.1<br /> Các giai đoạn làm việc của mặt cắt dầm chịu uốn thuần túy. Khái niệm mô men<br /> chảy và mô men dẻo ......................................................................................................... 113<br /> 5.2.2<br /> 5.2.3<br /> <br /> Mômen chảy và mô men dẻo .............................................................................. 115<br /> Sự phân bố lại mômen ........................................................................................ 126<br /> <br /> 5.2.4<br /> 5.2.5<br /> <br /> Khái niệm về ổn định của dầm ........................................................................... 128<br /> Phân loại tiết diện ............................................................................................... 130<br /> <br /> 5.2.6<br /> Độ cứng .............................................................................................................. 131<br /> 5.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN ............................................................................... 132<br /> 5.3.1<br /> 5.3.2<br /> <br /> Trạng thái giới hạn cường độ.............................................................................. 132<br /> Trạng thái giới hạn sử dụng ................................................................................ 132<br /> <br /> 5.3.3<br /> Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy..................................................................... 133<br /> 5.4 SỨC KHÁNG UỐN CỦA MẶT CẮT DẦM I.......................................................... 146<br /> 5.4.1<br /> 5.4.2<br /> <br /> Ảnh hưởng của độ mảnh của vách đứng đến sức kháng uốn của dầm ............... 146<br /> Ảnh hưởng của độ mảnh cánh nén đến sức kháng uốn của dầm ........................ 153<br /> <br /> 5.4.3<br /> 5.4.4<br /> <br /> Ảnh hưởng của chiều dài tự do của cánh nén đến sức kháng uốn của dầm ....... 157<br /> Sức kháng uốn của tiết diện I ............................................................................. 166<br /> <br /> 5.5 SỨC KHÁNG CẮT CỦA MẶT CẮT CHỮ I ........................................................... 174<br /> 5.5.1<br /> Sức kháng cắt tác động lên dầm ......................................................................... 174<br /> 5.5.2<br /> 5.5.3<br /> <br /> Sức kháng cắt do tác động trường căng .............................................................. 176<br /> Sức kháng cắt tổ hợp .......................................................................................... 180<br /> <br /> 5.5.4<br /> 5.5.5<br /> <br /> Sức kháng cắt của vách không có sườn tăng cường ........................................... 181<br /> Sức kháng cắt của vách được tăng cường........................................................... 183<br /> <br /> 5.6 SƯỜN TĂNG CƯỜNG ............................................................................................. 191<br /> 5.6.1<br /> Sườn tăng cường đứng trung gian ...................................................................... 191<br /> 5.6.2<br /> Sườn tăng cường gối ........................................................................................... 197<br /> 5.7 MỐI NỐI DẦM ......................................................................................................... 201<br /> 5.7.1<br /> <br /> Các loại mối nối dầm .......................................................................................... 201<br /> <br /> 3<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015<br /> <br /> 6<br /> <br /> 5.7.2<br /> Mối nối công trường bằng bu lông ..................................................................... 202<br /> CẤU KIỆN CHỊU UỐN, LỰC DỌC TRỤC KẾT HỢP .................................................. 207<br /> 6.1<br /> 6.2<br /> <br /> Cấu kiện chịu uốn và chịu kéo kết hợp ...................................................................... 207<br /> Cấu kiện chịu uốn và chịu nén kết hợp ...................................................................... 208<br /> <br /> 6.2.1<br /> Mô men uốn sơ cấp và mô men uốn thứ cấp ...................................................... 208<br /> Tài liệu tham khảo .................................................................................................................... 210<br /> <br /> 4<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015<br /> <br /> 1<br /> <br /> ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP<br /> <br /> 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG<br /> 1.1.1<br /> <br /> Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng<br /> <br /> 1/ Ưu điểm :<br /> Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng do có những ưu điểm cơ<br /> bản như sau:<br /> Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do cường độ của thép cao nên các kết cấu thép có<br /> thể chịu được những lực khá lớn với mặt cắt không cần lớn lắm, vì thế có thể lợi dụng được<br /> không gian một cách hiệu quả.<br /> Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn<br /> hồi lớn. Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết cơ bản của<br /> sức bền vật liệu đàn hồi (như tính đồng chất, đẳng hướng của vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng,<br /> nguyên lý độc lập tác dụng).<br /> Kết cấu thép “nhẹ” nhất so với các kết cấu làm bằng vật liệu thông thường khác (bê tông,<br /> gạch đá, gỗ). Độ nhẹ của kết cấu được đánh giá bằng hệ số c = γ / F , là tỷ số giữa tỷ trọng<br /> <br /> γ của vật liệu và cường độ F của nó. Hệ số c càng nhỏ thì vật liệu càng nhẹ. Trong khi bê tông<br /> cốt thép (BTCT) có c = 24.10 −4<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> , gỗ có c = 4, 5.10 −4<br /> thì hệ số c của thép chỉ là<br /> m<br /> m<br /> <br /> 1<br /> (Tài liệu [1])<br /> m<br /> Kết cấu thép có tính công nghiệp hoá cao: Nó thích hợp với thi công lắp ghép và có khả<br /> <br /> 3, 7.10 −4<br /> <br /> năng cơ giới hoá cao trong chế tạo. Các cấu kiện thép dễ được sản xuất hàng loạt tại xưởng với<br /> độ chính xác cao. Các liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản,<br /> dễ thi công.<br /> Kết cấu thép có tính kín : Vật liệu và liên kết kết cấu thép không thấm chất lỏng và chất khí<br /> nên rất thích hợp để làm các kết cấu chứa các chất lỏng, chất khí.<br /> Ngoài ra thép còn là vật liệu có thể tái chế sử dụng lại sau khi công trình đã hết thời hạn sử<br /> dụng , do vậy có thể xem thép là vật liệu thân thiện với môi trường.<br /> So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa và tăng cường.<br /> <br /> 2/ Nhược điểm :<br /> Bên cạnh các ưu điểm chủ yếu kể trên, kết cấu thép cũng có hai nhược điểm:<br /> Kết cấu thép dễ bị han gỉ: Trong môi trường ẩm ướt, có các tác nhân ăn mòn thép dễ bị<br /> han gỉ, từ han gỉ bề mặt đến phá hỏng có thể chỉ sau một thời gian ngắn. Do vậy khi thiết kế<br /> cần cân nhắc dùng thép ở nơi thích hợp, đồng thời kết cấu thiết kế phải thông thoáng, phải tiện<br /> <br /> 5<br /> <br />