Bài giảng kết cấu thép - Đào Văn Dinh

Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2011 1 BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP (THEO 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998) MỤC LỤC 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ................................................................. 5 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG................................................................................................... 5 1.1.1 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng....................................................................... 5 1/ Ưu điểm : .......................................................................................................................... 5 2/ Nhược điểm : .................................................................................................................... 5 3/ Phạm vi sử dụng : ............................................................................................................. 6 1.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép....................................................................... 6 1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 .......................... 6 1.2.1 Quan điểm chung về thiết kế .................................................................................. 6 1.2.2 Sự phát triển của quá trình thiết kế ......................................................................... 7 1.2.3 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn 22TCN 272-05............................................... 10 1.2.4 Giới thiệu về tải trọng và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05.......... 17 1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG.................................................................................. 21 1.3.1 Thành phần hoá học và phân loại thép ................................................................. 22 1.3.2 Khái niệm về ứng suất dư ..................................................................................... 27 1.3.3 Gia công nhiệt....................................................................................................... 28 1.3.4 Ảnh hưởng của ứng suất lặp ( sự mỏi) ................................................................. 28 1.3.5 Sự phá hoại giòn ................................................................................................... 31 2 LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP .............................................................................. 33 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP............................ 33 2.1.1 Liên kết dạng đinh: ( đinh tán, bu lông) ............................................................... 33 2.1.2 Liên kết hàn .......................................................................................................... 33 2.1.3 Phân loại liên kết theo tính chất chịu lực.............................................................. 33 2.2 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG .............................................................................. 34 2.2.1 Cấu tạo , phân loại bu lông ................................................................................... 34 2.2.2 Các hình thức cấu tạo của liên kết bu lông........................................................... 37 2.2.3 Bố trí bu lông ........................................................................................................ 39 2.3 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU CẮT ............................................................................. 42 2.3.1 Các trường hợp phá hoại trong liên kết bu lông thường....................................... 42 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2011 2 Có hai dạng phá hoại chủ yếu trong liên kết bu lông chịu cắt: phá hoại của bu lông và phá hoại của bộ phận được liên kết. .............................................................................................. 42 2.3.2 Cường độ chịu ép mặt và cường độ chịu cắt của liên kết ..................................... 44 1/ Cường độ chịu cắt của bu lông ........................................................................................... 44 2/ Cường độ chịu ép mặt của bu lông..................................................................................... 44 2.3.3 Cường độ chịu ma sát của liên kết bu lông cường độ cao .................................... 48 1/ Đặc điểm chế tạo và đặc điểm chịu lực của liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát, các phương pháp xử lý bề mặt thép: ................................................................................................. 48 2/ Tính toán sức kháng trượt ...................................................................................................... 48 2.3.4 Tính toán liên kết bu lông chịu cắt ....................................................................... 50 2.4 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU KÉO ............................................................................. 58 2.5 LIÊN KẾT HÀN .......................................................................................................... 59 2.5.1 Cấu tạo liên kết hàn .............................................................................................. 60 2.5.2 Sức kháng tính toán của mối hàn.......................................................................... 62 2.5.3 Liên kết hàn lệch tâm chỉ chịu cắt ........................................................................ 66 2.6 CẮT KHỐI................................................................................................................... 70 2.6.1 Cắt khối trong liên kết bu lông ............................................................................. 70 2.6.2 Cắt khối trong liên kết hàn.................................................................................... 71 3 CẤU KIỆN CHỊU KÉO ..................................................................................................... 72 3.1 Đặc điểm cấu tạo :........................................................................................................ 72 3.1.1 Các hình thức mặt cắt : ......................................................................................... 72 3.1.2 Các dạng liên kết : ................................................................................................ 72 3.2 Tính toán cấu kiện chịu kéo đúng tâm ......................................................................... 73 3.2.1 Tổng quát : ........................................................................................................... 73 3.2.2 Sức kháng kéo chảy .............................................................................................. 74 3.2.3 Sức kháng kéo đứt ................................................................................................ 74 3.2.4 Giới hạn độ mảnh ................................................................................................. 79 4 CẤU KIỆN CHỊU NÉN ..................................................................................................... 81 4.1 Đặc điểm cấu tạo.......................................................................................................... 81 4.1.1 Hình thức mặt cắt kín ........................................................................................... 82 4.1.2 Hình thức mặt cắt hở ............................................................................................ 83 4.2 Khái niệm về ổn định của cột....................................................................................... 83 4.2.1 Khái niệm về mất ổn định đàn hồi........................................................................ 83 4.2.2 Khái niệm về mất ổn định quá đàn hồi ................................................................. 87 4.3 Tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm ......................................................................... 89 4.3.1 Sức kháng nén danh định...................................................................................... 89 4.3.2 Tỷ số độ mảnh giới hạn ........................................................................................ 92 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2011 3 4.3.3 Các dạng bài toán.................................................................................................. 93 5 CẤU KIỆN CHỊU UỐN TIẾT DIỆN CHỮ I..................................................................... 96 5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO.......................................................................... 96 5.1.1 Các loại dầm và phạm vi sử dụng:........................................................................ 96 1/ Dầm thép hình ................................................................................................................ 96 2/ Dầm ghép ( dầm tổ hợp)................................................................................................. 96 5.1.2 Các kích thước cơ bản của dầm............................................................................ 97 5.2 TỔNG QAN VỀ ỨNG XỬ CỦA DẦM ( DẦM I KHÔNG LIÊN HỢP) ................... 97 5.2.1 Các giai đoạn làm việc của mặt cắt dầm chịu uốn thuần túy. Khái niệm mô men chảy và mô men dẻo ........................................................................................................... 97 5.2.2 Sự phân bố lại mômen .......................................................................................... 99 5.2.3 Khái niệm về ổn định của dầm ........................................................................... 101 5.2.4 Phân loại tiết diện ............................................................................................... 102 5.2.5 Độ cứng .............................................................................................................. 103 5.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN............................................................................... 103 5.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ.............................................................................. 103 5.3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng................................................................................ 104 5.3.3 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy..................................................................... 105 5.4 MÔ MEN CHẢY VÀ MÔ MEN DẺO...................................................................... 117 5.4.1 Mô men chảy của tiết diện liên hợp.................................................................... 118 5.4.2 Mômen chảy của tiết diện không liên hợp.......................................................... 121 5.4.3 Trục trung hoà dẻo của tiết diện liên hợp ........................................................... 122 5.4.4 Trục trung hoà dẻo của tiết diện không liên hợp ................................................ 125 5.4.5 Mômen dẻo của tiết diện liên hợp ...................................................................... 125 5.4.6 Mômen dẻo của tiết diện không liên hợp ........................................................... 127 5.4.7 Chiều cao của vách chịu nén .............................................................................. 128 5.5 ẢNH HƯỞNG ĐỘ MẢNH CỦA VÁCH ĐỨNG ĐỐI VỚI SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM 128 5.5.1 Mất ổn định thẳng đứng của vách....................................................................... 128 5.5.2 Mất ổn định uốn của vách................................................................................... 131 5.5.3 Yêu cầu của tiết diện chắc đối với vách ............................................................. 132 5.5.4 Tóm tắt hiệu ứng độ mảnh.................................................................................. 133 5.5.5 Hệ số chuyển tải trọng ........................................................................................ 134 5.6 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MẢNH CỦA CÁNH CHỊU NÉN ĐẾN SỨC KHÁNG UỐN CỦA DẦM............................................................................................................................ 135 5.6.1 Yêu cầu về biên chịu nén của tiết diện chắc....................................................... 136 5.6.2 Giới hạn của biên chịu nén đối với tiết diện không chắc.................................... 136 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2011 4 5.6.3 Tóm tắt ảnh hưởng độ mảnh của biên chịu nén.................................................. 138 5.7 LIÊN KẾT DỌC CỦA CÁNH CHỊU NÉN............................................................... 139 5.7.1 Sự cân xứng của phần tử..................................................................................... 141 5.7.2 Hệ số điều chỉnh Cb khi mômen thay đổi........................................................... 141 5.7.3 Tiết diện I không liên hợp đàn hồi...................................................................... 143 5.7.4 Tiết diện không liên hợp không chắc.................................................................. 145 5.7.5 Tiết diện chắc không liên hợp............................................................................. 146 5.7.6 Tiết diện liên hợp đàn hồi ................................................................................... 146 5.7.7 Tiết diện liên hợp không chắc............................................................................. 147 5.7.8 Tiết diện liên hợp chắc........................................................................................ 147 5.8 TÓM TẮT VỀ TIẾT DIỆN CHỮ I CHỊU UỐN ....................................................... 149 5.9 SỨC KHÁNG CẮT CỦA MẶT CẮT CHỮ I ........................................................... 156 5.9.1 Sức kháng cắt tác động lên dầm ......................................................................... 156 5.9.2 Sức kháng cắt do tác động trường căng.............................................................. 158 5.9.3 Sức kháng cắt tổ hợp .......................................................................................... 161 5.9.4 Sức kháng cắt của vách không có sườn tăng cường ........................................... 162 5.9.5 Sức kháng cắt của vách được tăng cường........................................................... 164 5.10 SƯỜN TĂNG CƯỜNG ......................................................................................... 172 5.10.1 Sườn tăng cường đứng trung gian ...................................................................... 172 5.10.2 Sườn tăng cường gối........................................................................................... 178 5.11 MỐI NỐI DẦM...................................................................................................... 181 5.11.1 Các loại mối nối dầm.......................................................................................... 181 5.11.2 Mối nối công trường bằng bu lông ..................................................................... 182 6 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................ 190 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2011 5 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng 1/ Ưu điểm : Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng do có những ưu điểm cơ bản như sau: Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do cường độ của thép cao nên các kết cấu thép có thể chịu được những lực khá lớn với mặt cắt không cần lớn lắm, vì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả. Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn hồi lớn. Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết cơ bản của sức bền vật liệu đàn hồi (như tính đồng chất, đẳng hướng của vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng). Kết cấu thép “nhẹ” nhất so với các kết cấu làm bằng vật liệu thông thường khác (bê tông, gạch đá, gỗ). Độ nhẹ của kết cấu được đánh giá bằng hệ số c = / Fγ , là tỷ số giữa tỷ trọng γ của vật liệu và cường độ F của nó. Hệ số c càng nhỏ thì vật liệu càng nhẹ. Trong khi bê tông cốt thép (BTCT) có 1 m 424.10c −= , gỗ có 1 m 44,5.10c −= thì hệ số c của thép chỉ là 1 m 43,7.10− (Tài liệu [1]) Kết cấu thép có tính công nghiệp hoá cao: Nó thích hợp với thi công lắp ghép và có khả năng cơ giới hoá cao trong chế tạo. Các cấu kiện thép dễ được sản xuất hàng loạt tại xưởng với độ chính xác cao. Các liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản, dễ thi công. Kết cấu thép có tính kín : Vật liệu và liên kết kết cấu thép không thấm chất lỏng và chất khí nên rất thích hợp để làm các kết cấu chứa các chất lỏng, chất khí. Ngoài ra thép còn là vật liệu có thể tái chế sử dụng lại sau khi công trình đã hết thời hạn sử dụng , do vậy có thể xem thép là vật liệu thân thiện với môi trường. So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa và tăng cường. 2/ Nhược điểm : Bên cạnh các ưu điểm chủ yếu kể trên, kết cấu thép cũng có hai nhược điểm: Kết cấu thép dễ bị han gỉ: Trong môi trường ẩm ướt, có các tác nhân ăn mòn thép dễ bị han gỉ, từ han gỉ bề mặt đến phá hỏng có thể chỉ sau một thời gian ngắn. Do vậy khi thiết kế cần cân nhắc dùng thép ở nơi thích hợp, đồng thời kết cấu thiết kế phải thông thoáng, phải tiện Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2011 6 cho việc kiểm tra sơn bảo dưỡng .Trong thiết kế phải luôn đưa ra biện pháp chống gỉ bề mặt cho thép như sơn, mạ.Từ nhược điểm này dẫn đến hệ quả là chi phí duy tu bảo dưỡng thường xuyên của các kết cấu thép thông thường là khá cao.Để chống gỉ người ta cũng có thể dùng thép hợp kim . Thép chịu nhiệt kém. Ở nhiệt độ trên 4000C, biến dạng dẻo của thép sẽ phát triển dưới tác dụng của tĩnh tải (từ biến của thép). Vì thế, trong những môi trường có nhiệt độ cao, nếu không có những biện pháp đặc biệt để bảo vệ thì không được phép sử dụng kết cấu bằng thép. 3/ Phạm vi sử dụng : Thép được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng nói chung cũng như trong xây dựng cầu đường nói riêng. Trong thực tế chúng ta có thể thấy thép được dùng làm dầm, giàn cầu, khung, giàn vì kèo của các nhà công nghiệp, dân dụng, các cột điện, các bể chứa… Tuy nhiên, kết cấu thép đặc biệt có ưu thế trong các kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ thanh mảnh cao, chịu tải trọng nặng và những kết cấu đòi hỏi tính không thấm. 1.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép 1/ Yêu cầu về mặt sử dụng, đây là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế. - Kết cấu thép phải được thiết kế để đủ sức kháng lại các tải trọng trong suốt thời gian sử dụng . - Kết cấu thép đảm bảo tuổi thọ đề ra. Hình dáng, cấu tạo phải sao cho tiện bảo dưỡng, kiểm tra và sơn bảo vệ. - Đẹp cũng là một yêu cầu về mặt sử dụng. Kết cấu thép phải có hình dáng hài hòa thanh thoát, phù hợp với cảnh quan chung của khu vực. 2/ Yêu cầu về mặt kinh tế: - Tiết kiệm vật liệu.Thép cần được dùng một cách hợp lý. Khi thiết kế cần chọn giải pháp kết cấu hợp lý, dung các phương pháp tính toán tiên tiến. - Tính công nghệ khi chế tạo. Kết cấu thép cần được thiết kế sao cho phù hợp với việc chế tạo trong xưởng, sử dụng những thiết bị chuyên dụng hiện có, để giảm công chế tạo. - Lắp ráp nhanh Để đạt được hai yêu cầu cơ bản trên đây cần điển hình hóa kết cấu thép. Điển hình hóa từng cấu kiện hoặc điển hình hóa toàn bộ kết cấu. 1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 1.2.1 Quan điểm chung về thiết kế Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có trách