Chương 1. Vật liệu và sự làm việc của kết cấu thép

* MÔN HỌCKẾT CẤU THÉP 1 CẤU KIỆN CƠ BẢN * Yêu cầu SV học môn Kết cấu thép Yêu cầu SV có giáo trình Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản; Yêu cầu SV tự học từ các Slides bài giảng và Giáo trình trước khi đến lớp nghe giảng; Khuyến khích SV đặt các câu hỏi về nội dung bài giảng trong giờ học; Yêu cầu SV làm bài tập lớn ở nhà và GV sẽ kiểm tra và hướng dẫn sau mỗi chương môn học; Yêu cầu SV phải tham gia tối thiểu 80% số tiết học; Cuối kỳ học sẽ có bài kiểm tra cho toàn bộ nội dung môn học; * MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP a) Khái niệm: Kết cấu thép là cụm từ chỉ Kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng được làm bằng vật liệu thép xây dựng. Kết cấu thép: gồm các “Cấu kiện thép” như dầm thép, cột thép, …. được liên kết với nhau tạo thành hệ kết cấu để cùng chịu lực. b) Ưu điểm chính của KC thép: - Khả năng chịu lực lớn: vì vật liệu thép có cường độ lớn; lớn hơn hàng chục lần cường độ chịu nén của vật liệu bê tông. - Độ tin cậy cao khi chịu lực: vì vật liệu thép có cấu trúc khá thuần nhất nên các giả thiết trong tính toán khá sát với sự làm việc thực tế của vật liệu thép. - Tính công nghiệp hoá cao: vì được chế tạo sẵn hàng loạt, theo các môđun ở trong các nhà máy. - Tính linh hoạt cao: vì dễ dàng sửa chữa, dễ thay thế, dễ tháo gỡ, dễ dàng vận chuyển, có thể tái sử dụng nhiều lần cho mục đích khác nhau. * MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP c) Nhược điểm của KC thép: - Dễ bị ăn mòn, dễ bị gỉ: nên chi phí cho bảo dưỡng (chi phí cho sơn, mạ) cần theo định kỳ; - Khả năng chịu lửa kém: nên cần phải bọc thép bằng một lớp vật liệu chịu lửa; d) Phạm vi ứng dụng của KC thép: Với ưu điểm chính về khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao nên kết cấu thép luôn là giải pháp hữu hiệu cho những kết cấu công trình đặc biệt, như: Kết cấu nhà công nghiệp có nhịp lớn; Kết cấu các công trình thể thao có nhịp lớn và hình dáng đặc biệt; Kết cấu dầm cầu; Kết cấu giàn khoan trên biển; Kết cấu khung nhà cao tầng, đặc biệt ở những nơi có động đất mạnh; Kết cấu tháp truyền hình; Kết cấu bể chứa xăng dầu. (tiếp 2/2) * CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP §1.1 THÉP XÂY DỰNG 1. Khái quát chung: Thép xây dựng là hợp kim của sắt (Fe), cacbon (C), và một số chất khác; trong đó thành phần : Fe chiếm chủ yếu C chiếm 1,7%) (Fe và C ; thép rất cứng, rất giòn, khó hàn => rất ít dùng trong xây dựng. Thép cacbon vừa: hàm lượng 0,6% > ; thép khá giòn, ít dẻo => ít dùng trong xây dựng. Thép cacbon thấp: hàm lượng 0,14 % dùng phổ biến trong xây dựng. (dùng cho kết cấu chịu lực) Có 3 loại Thép cacbon: * §1.1 THÉP XÂY DỰNG 2. Các phương pháp phân loại chính đối với thép XD 2.1. Theo thành phần hoá học của thép: b) Thép hợp kim: Gồm Fe và C là 2 thành phần hoá học chính, ngoài ra còn có thêm các thành phần hợp kim khác như: Cr, Ni, Mn, Ti, … Đó là những thành phần hợp kim có lợi cho thép, được cho thêm vào => nhằm nâng cao chất lượng của thép: như tăng độ bền, tăng độ dẻo khi chịu lực tác dụng động; tăng khả năng chịu va đập; tăng khả năng chống gỉ, ... Thép hợp kim thấp: có tổng hàm lượng các hợp kim => được dùng chủ yếu trong xây dựng; Thép hợp kim vừa và cao: có tổng hàm lượng của các hợp kim => không dùng trong xây dựng; (tiếp 2/3) Có 3 loại Thép hợp kim : * §1.1 THÉP XÂY DỰNG 2. Các phương pháp phân loại chính đối với thép XD 2.2. Theo mức độ khử oxy: Thép sôi: Không sử dụng biện pháp khử oxy, thép để nguội tự nhiên, nên bọt khí còn tồn tại trong thép nhiều và phân bố không đều. => Chất lượng thép không tốt, thép dễ bị phá hoại giòn và lão hoá. Có 3 loại : Trong quá trình luyện thép, Nếu bọt khí còn tồn tại trong thép sẽ làm giòn thép. Bọt khí thường không được khử triệt để vì làm tăng giá thành, thường khử 50% ~ 70%. Thép tĩnh (thép lặng): Khử oxy một cách triệt để bằng cách trong quá trình luyện, cho vào những chất khử như Si, Au, Mn, ... nên không còn bọt khí trong thép. => Chất lượng thép rất tốt, nhưng giá thành cao. Sử dụng cho các công trình quan trọng, hoặc công trình chịu tải trọng động vì thép rất khó phá hoại giòn. Thép nửa tĩnh (thép nửa lặng): Khử oxy không hoàn toàn, khử khoảng 50% oxy => chất lượng thép trung bình, trung gian giữa 2 loại thép sôi và thép tĩnh. Sử dụng trong xây dựng công trình. (tiếp 3/3) * §1.1 THÉP XÂY DỰNG 3. Cấu trúc và thành phần hoá học của thép XD Trong điều kiện bình thường, thép có cấu trúc tinh thể, gồm 3 thành phần chính: Ferit: là sắt nguyên chất (Fe), chiếm tới 99% thể tích, rất mềm dẻo, dễ dát mỏng, dễ tác dụng với oxy. Xementit: là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), nằm xen kẽ giữa các hạt Ferit; rất cứng và giòn. Peclit: là hỗn hợp của Ferit và Xementit tạo thành màng mỏng bao xung quanh hạt Ferit. Cường độ của màng Peclit là trung gian giữa Xementit và Ferit, quyết định tính dẻo của thép, và đóng vai trò chịu lực của thép. Thép càng nhiều C => màng Peclit càng dầy và thép càng cứng, càng kém dẻo. (Tự xem tài liệu) * §1.1 THÉP XÂY DỰNG 4. Các mác thép dùng trong xây dựng 4.1 Mác của thép cacbon thấp (có cường độ thường): Thép cường độ thường là thép cacbon thấp: Có hàm lượng có giới hạn chảy daN/cm2 ; Thép cacbon thấp được chia thành 3 nhóm: Nhóm A: Thép được đảm bảo về tính chất cơ học. Nhóm B: Thép được đảm bảo về thành phần hoá học. Nhóm C: Thép được đảm bảo về cả tính chất cơ học và thành phần hoá học. => được sử dụng trong xây dựng làm thép chịu lực. * §1.1 THÉP XÂY DỰNG 4. Các mác thép dùng trong xây dựng 4.1 Mác của thép cacbon thấp (có cường độ thường): Ký hiệu mác thép cacbon thấp sử dụng trong xây dựng gồm 2 phần: phần chữ CCT đứng trước và phần Số đứng sau (theo TCVN 1765: 1976). Phần chữ chỉ loại thép các bon thấp loại C và phần số chỉ độ bền kéo đứt của thép với đơn vị là daN/mm2. Ví dụ: độ bền kéo đứt của thép fu = 38 daN/mm2 = 3800 daN/cm2; thép cacbon thấp. thép nhóm C. thép hạng 2 thép nửa tĩnh s : cho thép sôi n : cho thép nửa tĩnh không ghi gì : cho thép tĩnh Các ký hiệu biểu thị về mức độ khử oxy: * §1.1 THÉP XÂY DỰNG 4. Các mác thép dùng trong xây dựng 4.2 Mác của thép cường độ khá cao: Thép cường độ khá cao là thép hợp kim thấp hay thép cacbon thấp có nhiệt luyện: Có hàm lượng hợp kim Thanh đã bị mất ổn định tổng thể. * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) y l Lực nén gọi là lực nén tới hạn để đảm bảo thanh không bị mất ổn định tổng thể. b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: Để xác định Ncr cần thực hiện tăng N từng tí một. Thanh bị mất ổn định tổng thể trước khi bị phá hoại bền, ứng suất trong thanh vẫn nhỏ hơn giới hạn tỷ lệ (vật liệu làm việc trong giới hạn đàn hồi) : (tiếp 2/8) * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: N N N N (1) (2) (2) (1) N y So sánh 2 trường hợp: thanh dài và thanh ngắn chịu nén đúng tâm. Thanh bị mất ổn định tổng thể Thanh bị phá hoại về bền (tiếp 3/8) * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: Biểu thức xác định lực nén tới hạn (công thức Euler): E là mô đun đàn hồi; I là mô men quán tính của tiết diện; l0 là chiều dài tính toán của thanh ý nghĩa của l0 là để qui đổi hay điều chỉnh chiều dài của các loại thanh có liên kết khác khớp ở 2 đầu về thanh có liên kết khớp ở 2 đầu, từ đó áp dụng công thức Euler; l : là chiều dài hình học của thanh ; : là hệ số chiều dài tính toán phụ thuộc vào đặc điểm liên kết ở 2 đầu thanh. (tiếp 4/8) * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: Xác định hệ số chiều dài tính toán của thanh n = 1 n = 0,5 n = 1,5 n = 2 m = 1 m = 2 m = 0,7 m = 0,5 n là số nửa bước sóng hình Sine. N N N N (tiếp 5/8) * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: Ứng suất tới hạn để cột không bị mất ổn định tổng thể: là bán kính quán tính của tiết diện; A là diện tích tiết diện nguyên. là độ mảnh của thanh. Vì mômen quán tính I và hệ số theo các phương là khác nhau nên i và theo các phương cũng khác nhau. Thanh bị mất ổn định theo phương có : (tiếp 6/8) * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: Biểu thức kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể: Thực tế không thể có thanh chịu nén hoàn toàn đúng tâm, vì luôn có những nguyên nhân ngẫu nhiên nào đó gây thêm uốn dọc trong cấu kiện như: độ lệch tâm ngẫu nhiên, độ cong ban đầu (trục thanh không thẳng), … Cần phải kiểm tra cấu kiện chịu nén đúng tâm như cấu kiện chịu nén lệch tâm với độ lệch tâm nhỏ. (tiếp 7/8) y l * §1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn) b) Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm: Biểu thức kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể: : là ứng suất tới hạn có xét đến độ lệch tâm nhỏ; là hệ số uốn dọc, được tra Bảng phụ lục II.1, hoặc được xác định theo công thức 4.8 đến 4.10. - độ mảnh của thanh : - đặc trưng cơ học của vật liệu: E và f. Hệ số uốn dọc phụ thuộc vào: (tiếp 8/8)