Bài giảng Kết cấu thép - Theo 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998 (2014)

Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2014<br /> <br /> BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP<br /> (THEO 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998)<br /> MỤC LỤC<br /> 1<br /> <br /> ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ............................................................... 4<br /> 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................... 4<br /> 1.1.1 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng .................................................................... 4<br /> 1/ Ưu điểm : ..................................................................................................................... 4<br /> 2/ Nhược điểm : ................................................................................................................ 4<br /> 3/ Phạm vi sử dụng : ......................................................................................................... 5<br /> 1.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép .................................................................... 5<br /> 1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 ......................... 5<br /> 1.2.1 Quan điểm chung về thiết kế ............................................................................... 5<br /> 1.2.2 Sự phát triển của quá trình thiết kế ...................................................................... 6<br /> 1.2.3 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn 22TCN 272-05 ............................................... 9<br /> <br /> 1.2.4 Giới thiệu về tải trọng và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 ......... 16<br /> 1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG ............................................................................... 20<br /> 1.3.1 Thành phần hoá học và phân loại thép ............................................................... 21<br /> 1.3.2 Khái niệm về ứng suất dư.................................................................................. 26<br /> 1.3.3 Gia công nhiệt ................................................................................................... 27<br /> 1.3.4 Ảnh hưởng của ứng suất lặp (sự mỏi) ................................................................ 27<br /> 1.3.5 Sự phá hoại giòn ............................................................................................... 31<br /> 2<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 Liên kết dạng đinh: (đinh tán, bu lông) .............................................................. 33<br /> 2.1.2 Liên kết hàn ...................................................................................................... 33<br /> 2.1.3 Phân loại liên kết theo tính chất chịu lực ........................................................... 33<br /> 2.2 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG ........................................................................... 34<br /> 2.2.1 Cấu tạo , phân loại bu lông ................................................................................ 34<br /> 2.2.2 Các hình thức cấu tạo của liên kết bu lông ......................................................... 37<br /> 2.2.3 Bố trí bu lông .................................................................................................... 39<br /> 2.3 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU CẮT .......................................................................... 42<br /> 2.3.1 Các trường hợp phá hoại trong liên kết bu lông thường ..................................... 42<br /> <br /> 1<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2014<br /> 2.3.2 Cường độ chịu ép mặt và cường độ chịu cắt của liên kết ................................... 44<br /> 2.3.3 Cường độ chịu ma sát của liên kết bu lông cường độ cao................................... 48<br /> 2.3.4 Tính toán liên kết bu lông chịu cắt..................................................................... 50<br /> 2.4 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU KÉO .......................................................................... 59<br /> 2.4.1 Liên kết bu lông chịu kéo .................................................................................. 59<br /> 2.4.2 Liên kết bu lông chịu kéo và cắt kết hợp ........................................................... 61<br /> 2.5 LIÊN KẾT HÀN ...................................................................................................... 62<br /> 2.5.1 Cấu tạo và chế tạo liên kết hàn .......................................................................... 62<br /> 2.5.2 Sức kháng tính toán của mối hàn ....................................................................... 72<br /> 2.5.3 Liên kết hàn lệch tâm chịu cắt .......................................................................... 76<br /> 2.6 CẮT KHỐI .............................................................................................................. 80<br /> 2.6.1 Cắt khối trong liên kết bu lông .......................................................................... 80<br /> 2.6.2 Cắt khối trong liên kết hàn ................................................................................ 81<br /> 3<br /> CẤU KIỆN CHỊU KÉO ................................................................................................. 84<br /> 3.1 Đặc điểm cấu tạo :.................................................................................................... 84<br /> 3.1.1 Các hình thức mặt cắt :...................................................................................... 84<br /> 3.1.2 Các dạng liên kết :............................................................................................. 84<br /> 3.2 Tính toán cấu kiện chịu kéo đúng tâm ...................................................................... 85<br /> 3.2.1 Tổng quát :....................................................................................................... 85<br /> 3.2.2 Sức kháng kéo chảy .......................................................................................... 86<br /> 3.2.3 Sức kháng kéo đứt............................................................................................. 86<br /> 3.2.4 Giới hạn độ mảnh.............................................................................................. 91<br /> 4<br /> CẤU KIỆN CHỊU NÉN ................................................................................................. 93<br /> 4.1 Đặc điểm cấu tạo ...................................................................................................... 93<br /> 4.1.1 Hình thức mặt cắt kín ........................................................................................ 94<br /> 4.1.2 Hình thức mặt cắt hở ......................................................................................... 95<br /> 4.2 Khái niệm về ổn định của cột ................................................................................... 96<br /> 4.2.1 Khái niệm về mất ổn định đàn hồi ..................................................................... 96<br /> 4.2.2 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 Sức kháng nén................................................................................................. 102<br /> 4.3.2 Tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn ......................................................................... 104<br /> 4.3.3 Tỷ số độ mảnh giới hạn ................................................................................... 105<br /> 4.3.4 Các dạng bài toán ............................................................................................ 106<br /> 5<br /> CẤU KIỆN CHỊU UỐN TIẾT DIỆN CHỮ I ................................................................ 111<br /> 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO ..................................................................... 111<br /> 5.1.1 Các kích thước cơ bản của dầm ....................................................................... 111<br /> <br /> 2<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2014<br /> 5.1.2 Các loại dầm và phạm vi sử dụng: ................................................................... 112<br /> 5.2 SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM I ............................................................ 113<br /> 5.2.1 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 Mômen chảy và mô men dẻo ........................................................................... 115<br /> 5.2.3 Sự phân bố lại mômen..................................................................................... 126<br /> 5.2.4 Khái niệm về ổn định của dầm ........................................................................ 128<br /> 5.2.5 Phân loại tiết diện............................................................................................ 129<br /> 5.2.6 Độ cứng .......................................................................................................... 130<br /> 5.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN ............................................................................ 130<br /> 5.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ .......................................................................... 130<br /> 5.3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng ............................................................................. 131<br /> 5.3.3 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy .................................................................. 132<br /> 5.4 SỨC KHÁNG UỐN CỦA MẶT CẮT DẦM I ....................................................... 144<br /> 5.4.1 Ảnh hưởng của độ mảnh của vách đứng đến sức kháng uốn của dầm .............. 144<br /> 5.4.2 Ảnh hưởng của độ mảnh cánh nén đến sức kháng uốn của dầm ....................... 151<br /> 5.4.3 Ảnh hưởng của chiều dài tự do của cánh nén đến sức kháng uốn của dầm ....... 155<br /> 5.4.4 Sức kháng uốn của tiết diện I .......................................................................... 164<br /> 5.5 SỨC KHÁNG CẮT CỦA MẶT CẮT CHỮ I......................................................... 172<br /> 5.5.1 Sức kháng cắt tác động lên dầm ...................................................................... 172<br /> 5.5.2 Sức kháng cắt do tác động trường căng ........................................................... 174<br /> 5.5.3 Sức kháng cắt tổ hợp ....................................................................................... 177<br /> 5.5.4 Sức kháng cắt của vách không có sườn tăng cường ......................................... 178<br /> 5.5.5 Sức kháng cắt của vách được tăng cường ........................................................ 180<br /> 5.6 SƯỜN TĂNG CƯỜNG ......................................................................................... 188<br /> 5.6.1 Sườn tăng cường đứng trung gian.................................................................... 188<br /> 5.6.2 Sườn tăng cường gối ....................................................................................... 194<br /> 5.7 MỐI NỐI DẦM ..................................................................................................... 197<br /> 5.7.1 Các loại mối nối dầm ...................................................................................... 197<br /> 5.7.2 Mối nối công trường bằng bu lông .................................................................. 198<br /> 6<br /> Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 206<br /> <br /> 3<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2014<br /> <br /> 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP<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 =  / F , là tỷ số giữa tỷ trọng<br /> <br />  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 /> năng cơ giới hoá cao trong chế tạo. Các cấu kiện thép dễ được sản xuất hàng loạt tại xưởng với<br /> 3, 7.10 4<br /> <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 /> 4<br /> <br /> Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2014<br /> cho việc kiểm tra sơn bảo dưỡng .Trong thiết kế phải luôn đưa ra biện pháp chống gỉ bề mặt<br /> cho thép như sơn, mạ.Từ nhược điểm này dẫn đến hệ quả là chi phí duy tu bảo dưỡng thường<br /> xuyên của các kết cấu thép thông thường là khá cao.Để chống gỉ người ta cũng có thể dùng<br /> thép hợp kim .<br /> Thép chịu nhiệt kém. Ở nhiệt độ trên 4000C, biến dạng dẻo của thép sẽ phát triển dưới tác<br /> dụng của tĩnh tải (từ biến của thép). Vì thế, trong những môi trường có nhiệt độ cao, nếu không<br /> có những biện pháp đặc biệt để bảo vệ thì không được phép sử dụng kết cấu bằng thép.<br /> <br /> 3/ Phạm vi sử dụng :<br /> Thép được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng nói chung cũng như trong xây dựng<br /> cầu đường nói riêng. Trong thực tế chúng ta có thể thấy thép được dùng làm dầm, giàn cầu,<br /> khung, giàn vì kèo của các nhà công nghiệp, dân dụng, các cột điện, các bể chứa… Tuy nhiên,<br /> kết cấu thép đặc biệt có ưu thế trong các kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ thanh mảnh cao, chịu<br /> tải trọng nặng và những kết cấu đòi hỏi tính không thấm.<br /> <br /> 1.1.2<br /> <br /> Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép<br /> <br /> 1/ Yêu cầu về mặt sử dụng, đây là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế.<br /> - Kết cấu thép phải được thiết kế để đủ sức kháng lại các tải trọng trong suốt thời gian<br /> sử dụng .<br /> - Kết cấu thép đảm bảo tuổi thọ đề ra. Hình dáng, cấu tạo phải sao cho tiện bảo<br /> dưỡng, kiểm tra và sơn bảo vệ.<br /> - Đẹp cũng là một yêu cầu về mặt sử dụng. Kết cấu thép phải có hình dáng hài hòa<br /> thanh thoát, phù hợp với cảnh quan chung của khu vực.<br /> 2/ Yêu cầu về mặt kinh tế:<br /> - Tiết kiệm vật liệu.Thép cần được dùng một cách hợp lý. Khi thiết kế cần chọn giải<br /> pháp kết cấu hợp lý, dung các phương pháp tính toán tiên tiến.<br /> - Tính công nghệ khi chế tạo. Kết cấu thép cần được thiết kế sao cho phù hợp với việc<br /> chế tạo trong xưởng, sử dụng những thiết bị chuyên dụng hiện có, để giảm công chế<br /> tạo.<br /> - Lắp ráp nhanh<br /> Để đạt được hai yêu cầu cơ bản trên đây cần điển hình hóa kết cấu thép. Điển hình hóa từng<br /> cấu kiện hoặc điển hình hóa toàn bộ kết cấu.<br /> <br /> 1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05<br /> 1.2.1<br /> <br /> Quan điểm chung về thiết kế<br /> <br /> Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có trách<br /> nhiệm thấy rằng, mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thỏa mãn. Quan điểm chung để<br /> <br /> 5<br /> <br />