Giáo trình Kết cấu thép 1 - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội | Thông tin, tài liệu chính, tiêu chuẩn

• Trường học: Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
• Chuyên ngành: Kết cấu thép
• Đề tài: Kết cấu thép 1
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình kết cấu thép 1

Giáo trình kết cấu thép 1 là học phần cơ sở quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư xây dựng. Môn học cung cấp kiến thức nền tảng về vật liệu thép, nguyên lý làm việc và phương pháp tính toán các cấu kiện cơ bản. Thời lượng môn học gồm 4 tín chỉ, trong đó 3 tín chỉ lý thuyết và 1 tín chỉ tự học. Sinh viên cần nghiên cứu giáo trình, tham dự đầy đủ các buổi lên lớp và hoàn thành bài tập. Tài liệu học tập chính bao gồm sách giáo trình của tác giả Phạm Văn Hội và các tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 338:2005. Đánh giá kết quả học phần gồm 20% điểm quá trình và 80% điểm thi kết thúc. Giáo trình này đặt nền móng vững chắc cho việc học các môn chuyên sâu về kết cấu thép nâng cao và thiết kế công trình.

1.1. Khái niệm và định nghĩa kết cấu thép

Kết cấu thép là kết cấu của công trình xây dựng được chế tạo từ thép hoặc kim loại khác. Thép xây dựng là hợp kim đen của sắt (Fe) và cácbon (C), ngoài ra còn có các chất phụ gia nhằm tăng tính năng cơ lý. Thép xây dựng được phân loại thành thép cácbon thấp (CT3, CT4), thép cácbon trung bình và thép hợp kim. Mỗi loại thép có đặc tính chịu lực và ứng dụng riêng biệt trong xây dựng công trình.

1.2. Ưu nhược điểm của kết cấu thép

Kết cấu thép sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội. Khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao là lợi thế hàng đầu. Trọng lượng nhẹ giúp giảm tải trọng nền móng. Tính công nghiệp hóa cao cho phép sản xuất hàng loạt tại nhà máy. Tuy nhiên, kết cấu thép cũng tồn tại nhược điểm như bị xâm thực do tác động của môi trường. Khả năng chịu lửa kém, ở nhiệt độ 500-600 độ C thép chuyển sang trạng thái dẻo, mất khả năng chịu lực.

II. Phân tích vật liệu và sự làm việc của thép

Thép xây dựng là vật liệu có biểu đồ ứng suất biến dạng đặc trưng, thể hiện rõ qua các giai đoạn làm việc. Khi chịu tải trọng kéo, thép trải qua giai đoạn đàn hồi tuyến tính OA tuân theo định luật Húc, tiếp theo là vùng đàn hồi phi tuyến AA'. Giai đoạn chảy dẻo BC là thềm chảy nằm ngang, biến dạng tăng trong khi lực không đổi. Sau đó là giai đoạn củng cố CD, lực tăng kèm biến dạng lớn dẫn đến phá hủy. Giới hạn chảy fy là đại lượng quan trọng nhất trong tính toán kết cấu thép, được xác định bằng ứng suất tại điểm bắt đầu chảy dẻo. Đối với thép cường độ cao không có thềm chảy rõ ràng, giới hạn chảy quy ước lấy bằng ứng suất khi biến dạng dư đạt 0,2%. Hiểu rõ cơ chế làm việc của thép là cơ sở để áp dụng chính xác các phương pháp tính toán thiết kế.

2.1. Phân loại thép xây dựng và quy cách thép cán

Thép xây dựng được phân loại dựa trên hàm lượng cácbon và thành phần hợp kim. Thép cácbon thấp CT3 có giới hạn chảy 240 MPa, thường dùng cho kết cấu thông dụng. Thép CT4 có cường độ cao hơn, giới hạn chảy đạt 275 MPa. Thép hợp kim thấp như 16Mn2NV có giới hạn chảy trên 440 MPa, giới hạn bền trên 590 MPa, được dùng cho công trình yêu cầu cường độ cao. Quy cách thép cán bao gồm thép hình I, H, U, L và thép tấm theo tiêu chuẩn.

2.2. Các giai đoạn làm việc của thép chịu kéo

Biểu đồ ứng suất biến dạng của thép chịu kéo gồm năm giai đoạn chính. Giai đoạn đàn hồi OA cho phép thép hồi phục hoàn toàn khi bỏ tải. Giai đoạn đàn hồi dẻo A'B đánh dấu sự xuất hiện biến dạng dư. Thềm chảy BC là đặc trưng của thép cácbon thấp, biến dạng tăng lớn mà lực không đổi. Giai đoạn củng cố CD thép bị thắt cổ chai rồi đứt. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy fy và giới hạn bền fu là cơ sở để xác định tính dẻo của vật liệu.

III. Phương pháp tính toán kết cấu thép theo giáo trình

Phương pháp tính toán kết cấu thép dựa trên trạng thái giới hạn, bao gồm trạng thái giới hạn承载能力và trạng thái giới hạn sử dụng. Tải trọng tính toán được xác định qua các tổ hợp tải trọng. Tổ hợp tải trọng bình thường bao gồm tải trọng thường xuyên và tạm thời ngắn hạn. Tổ hợp đặc biệt bổ sung thêm tải trọng đặc biệt. Cường độ tính toán được xác định bằng cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số an toàn. Các công thức kiểm tra bền và ổn định được áp dụng cho từng loại cấu kiện. Cấu kiện chịu kéo đúng tâm kiểm tra bằng điều kiện sigma nhỏ hơn f. Cấu kiện chịu nén cần kiểm tra cả bền và ổn định, trong đó hệ số uốn dọc phi được tra bảng theo độ mảnh lambda. Phương pháp tính toán này đảm bảo kết cấu hoạt động an toàn và kinh tế trong suốt thời gian sử dụng.

3.1. Tổ hợp tải trọng và cường độ tính toán

Tải trọng tác dụng lên kết cấu thép được phân loại thành tải trọng thường xuyên, tạm thời và đặc biệt. Tổ hợp tải trọng bình thường THCB1 được tính theo công thức q bằng tổng tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời ngắn hạn. Tổ hợp THCB2 áp dụng hệ số giảm 0.9 cho tổng các tải trọng tạm thời. Tổ hợp đặc biệt THĐB bao gồm tải trọng đặc biệt với hệ số giảm 0.5 cho các tải trọng khác. Cường độ tính toán f lấy từ bảng tra theo loại thép.

3.2. Kiểm tra bền và ổn định cấu kiện cơ bản

Cấu kiện chịu kéo đúng tâm được kiểm tra bền bằng điều kiện N chia tiết diện An nhỏ hơn f. Cấu kiện chịu uốn kiểm tra bền với mômen uốn lớn nhất Mmax chia Wn nhỏ hơn f. Cấu kiện chịu nén đúng tâm cần kiểm tra cả bền và ổn định, trong đó điều kiện ổn định là N chia tích phi với A nhỏ hơn f. Cấu kiện chịu nén lệch tâm sử dụng công thức kết hợp ứng suất pháp và ứng suất uốn, xét riêng trong và ngoài mặt phẳng uốn.

IV. Phạm vi ứng dụng và yêu cầu thiết kế thép

Kết cấu thép được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại công trình xây dựng. Nhà công nghiệp sử dụng khung thép cho khả năng vượt nhịp lớn và lắp ráp nhanh. Công trình nhịp lớn trên 30-40 mét áp dụng kết cấu thép là tối ưu. Khi nhịp vượt quá 100 mét, kết cấu thép là giải pháp duy nhất khả thi. Cầu đường bộ và đường sắt sử dụng thép cho trọng lượng nhẹ và độ bền cao. Kết cấu tháp cao như cột điện, ăng ten vô tuyến cần tính cơ động trong lắp ráp. Bể chứa dầu, khí sử dụng thép cho độ kín cần thiết. Cần trục, cửa van, gương ăng ten parabol thuộc loại kết cấu di động. Thiết kế kết cấu thép phải đảm bảo các yêu cầu về độ bền, độ cứng, độ ổn định, độ bền lâu và tính thẩm mỹ. Yêu cầu kinh tế đòi hỏi tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ trong chế tạo và tốc độ lắp ráp nhanh chóng.

4.1. Ứng dụng thực tế trong các loại công trình

Nhà công nghiệp là ứng dụng phổ biến nhất của kết cấu thép, tận dụng khả năng vượt nhịp lớn và lắp ráp nhanh. Nhà nhịp lớn trên 30 mét như nhà thi đấu, nhà triển lãm sử dụng khung thép hiệu quả. Khung nhà nhiều tầng áp dụng thép giúp giảm trọng lượng móng. Cầu đường bộ và đường sắt sử dụng dầm thép cho nhịp lớn. Kết cấu tháp cao như cột điện, tháp viễn thông cần thép cho tính cơ động. Bể chứa dầu khí đòi hỏi độ kín mà thép đáp ứng tốt.

4.2. Yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong thiết kế

Yêu cầu sử dụng đối với kết cấu thép bao gồm độ bền, độ cứng và độ ổn định trong suốt thời gian khai thác. Độ bền lâu đảm bảo kết cấu hoạt động lâu dài dưới tác động của môi trường. Tính thẩm mỹ được quan tâm đặc biệt với công trình công cộng. Về mặt kinh tế, thiết kế phải tiết kiệm vật liệu thép có giá thành cao. Tính công nghệ trong chế tạo giúp giảm chi phí sản xuất. Tốc độ lắp ráp nhanh rút ngắn tiến độ thi công, giảm chi phí nhân công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

KẾT CẤU THÉP 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI BỘ MÔN KẾT CẤU THÉP, GỖ GIÁO TRÌNH KẾT CẤU THÉP 1 GIẢNG VIÊN: THÔNG TIN CHUNG VỀ MÔN HỌC 1. Thời lượng môn học: 4 tín chỉ Số tín chỉ lý thuyết: 3 Số tín chỉ tự học: 1 2. Đồ án đi kèm: Đồ án kết cấu thép 1 Thời lượng: 1 tín chỉ 3. Nhiệm vụ của sinh viên: - Phải nghiên cứu giáo trình bài giảng, chuẩn bị các ý kiến hỏi, đề xuất khi nghe giảng, đọc và sưu tầm các tư liệu có liên quan đến nội dung của học phần. - Dành thời gian cho việc nghiên cứu trước bài giảng dưới sự hướng dẫn trước của giảng viên. - Tham dự các buổi lên lớp, thảo luận, thực hành theo quy định. - Hoàn thành các bài tập ở nhà THÔNG TIN CHUNG VỀ MÔN HỌC 4. Tài liệu chính học tập: a) Sách giáo trình: - Kết cấu thép: Cấu kiện cơ bản - Phạm Văn Hội - Nxb khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 2006. b) Sách tham khảo: - Thiết kế hệ dầm sàn thép - Ts. Đoàn Tuyết Ngọc - Nxb xây dựng - Hà Nội, 2008. - Giáo trình kết cấu thép - Trường Đại học Xây dựng - Hà Nội, 1980. c) Tiêu chuẩn: - TCXDVN 338 : 2005 Kết cấu thép. Tiêu chuẩn thiết kế 5. Hình thức thi: : Thi viết chung toàn khóa 6. Tiêu chuẩn đánh giá kết quả học phần: - Điểm quá trình: 20% - Điểm thi kết thúc học phần: 80% GIÁO TRÌNH HỌC SÁCH THAM KHẢO CHƯƠNG MỞ ĐẦU - ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP § 1. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP § 2. PHẠM VI ỨNG DỤNG § 3. YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP CHƯƠNG MỞ ĐẦU - ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP KHÁI NIỆM  Kết cấu thép là kết cấu của công trình xây dựng bằng thép hoặc bằng kim loại khác. ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP I. Ưu điểm - Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao. - Trọng lượng nhẹ. - Có tính công nghiệp hóa cao. - Có tính cơ động trong vận chuyển lắp ráp. Nhược điểm - Bị xâm thực. - Chịu lửa kém: ở T =500  600°C thép chuyển sang dẻo. PHẠM VI ỨNG DỤNG Kết cấu thép phù hợp với công trình lớn, cần có trọng lượng nhẹ, độ kín. Sử dụng tốt trong các loại công trình sau : - Nhà công nghiệp - Nhà nhịp lớn: L > 30  40m. L > 100m: Kết cấu thép là duy nhất áp dụng được. - Khung nhà nhiều tầng. - Cầu đường bộ, đường sắt. - Kết cấu tháp cao: cột điện, ăng ten vô tuyến. - Kết cấu bản: Bể chứa dầu, bể chứa khí . - Các loại kết cấu di dộng: Cần trục, cửa van,gương ăng ten parabol. PHẠM VI ỨNG DỤNG Nhà công nghiệp Nhà nhịp lớn Bể chứa § 2. PHẠM VI ỨNG DỤNG Tháp thép Nhà cao tầng § 2. PHẠM VI ỨNG DỤNG Cầu thép § 2. PHẠM VI ỨNG DỤNG Kết cấu cầu di động § 3. YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP I. Yêu cầu về sử dụng. Đảm bảo độ bền, độ cứng, độ ổn định, độ bền lâu và thẩm mỹ. Yêu cầu về kinh tế: (Giá thành thấp) Tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ khi chế tạo, lắp ráp nhanh . VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP § 1. THÉP XÂY DỰNG § 1. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG § 1. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG § 1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP § 1. TÍNH TOÁN CẤU KIỆN § 1. THÉP XÂY DỰNG I. PHÂN LOẠI THÉP XÂY DỰNG Khái niệm: Thép là hợp kim đen của sắt (Fe) và cácbon (C), ngoài ra còn có một số chất đưa vào với mục đích tăng tính năng cho thép hoặc một số tạp chất không tách được trong quá trình luyện quặng. Một số hình ảnh lò luyện thép § 1. THÉP XÂY DỰNG Cán thép sợi § 1. THÉP XÂY DỰNG Cán thép § 1. THÉP XÂY DỰNG Cán nóng thép hình § 1. THÉP XÂY DỰNG Phân loại: 1. Phân loại thép thành phần hóa học: 2 loại • Thép Cácbon: (Fe + C) (% C < 1,7%), ko có hợp kim khác. Thép Cácbon thấp %C <0,22% mềm, dẻo, dễ hàn dùng trong xây dựng. Thép Cácbon vừa và cao dùng trong các ngành công nghiệp khác. • Thép hợp kim: (Fe + C) + kim loại khác (Cr, Ni, Mn .) Thép hợp kim thấp (% kim loại khác < 2,5%) được dùng trong xây dựng. Thép hợp kim vừa và cao: Không được dùng trong kết cấu xây dựng. Theo phương pháp luyện thép: Lò quay (Besmer, Thomas), Lò bằng (Martin) Lò quay cải tiến. Phân loại theo mức độ khử ôxy: Thép sôi, Thép tĩnh, Thép nửa tĩnh. Xây lò bằng gạch chịu lửa § 1. THÉP XÂY DỰNG II. CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA THÉP 1. Cấu trúc: thép có cấu trúc tinh thể, bao gồm: - Hạt pherit: (Fe) có tính dẻo, mềm chiếm 99% trong lượng thép. - Màng xementit: (Fe3C) có tính chất cứng và giòn. - Màng peclit: do xementit hỗn hợp với ferit tạo thành. Thành phần hoá học: gồm có Fe và C. Ngoài ra còn có các chất đưa thêm vào hoặc tạp chất chưa tách hết. - Mn: làm tăng cường độ, tăng độ dai. - Si: làm tăng cường độ thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn. - P: làm giảm tính dẻo và độ dai của thép. - S: Làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao, dễ bị nứt khi hàn và rèn. - Đối với thép hợp kim, đưa thêm vào các nguyên tố kim loại như Cu, Ni, Cr, Ti . tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của thép. - Ôxy, Nitơ làm thép bị giòn, giảm cường độ § 1. THÉP XÂY DỰNG III. SỐ HIỆU THÉP XÂY DỰNG Theo cường độ có 3 loại: 1. Thép các bon thấp cường độ thường - Thép cácbon thấp, giới hạn chảy không quá 360 MPa. - Số hiệu thường dùng: CCT34, CCT34s, CCT34n CCT38, CCT38s, CCT38n, CCT38nMn CCT42, CCT42s, CCT42n - Ý nghĩa kí hiệu: C - nhóm thép, A, B, C; Nhóm A: Đảm bảo tính chất cơ học. Nhóm B: Đảm bảo thành phân hóa học. Nhóm C: Đảm bảo tính chất cơ học và thành phần hóa học. CT - thép các bon thấp; 34,38,42 - độ bền kéo đứt (giới hạn bền), daN/mm2; s - Phương pháp khử ôxy: thép sôi, n - thép nửa tĩnh (thép tĩnh không ghi); § 1. THÉP XÂY DỰNG § 1. THÉP XÂY DỰNG 2. Cường độ khá cao: Thép các bon thấp qua nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp, giới hạn chảy không quá 400 MPa, giới hạn bền 450-540 MPa. - Số hiệu thường dùng: 09Mn2,14Mn2,16Mn2Si, 09Mn2Si, 10Mn2Si1, 10CrSiNiCu. - Ý nghĩa kí hiệu: Hai chữ số đầu chỉ phần vạn hàm lượng cácbon. Các chữ cái chỉ tên hợp kim có trong thép. Các chữ số đứng sau tên hợp kim chỉ % hàm lượng hợp kim (nếu hàm lượng  1%). Cường độ cao: Thép hợp kim thấp qua nhiệt luyện, giới hạn chảy trên 440 MPa, giới hạn bền trên 590 MPa. - Số hiệu thường dùng: 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV. - Ý nghĩa kí hiệu: N - nitơ, Mo - môlípđen, V - vanađi § 1. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG Thí nghiệm kéo thép § 1. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG 1. SỰ LÀM VIỆC CHỊU KÉO Dạng làm việc cơ bản, đặc trưng cho sự chịu lực của thép dưới tác dụng của tải trọng. Biểu đồ ứng suất – biến dạng - Kéo các mẫu thép CCT38 mềm có kích thước tiêu chuẩn bằng tải trọng tĩnh tăng dần. Vẽ đồ thị quan hệ  -  . SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG OA' - Giai đoạn đàn hồi: Bỏ lực, mẫu thép trở lại hình dạng ban đầu. OA - Giai đoạn tỉ lệ: biểu đồ là đoạn thẳng,  -  có quan hệ tỉ lệ, tuân theo định luật Húc. AA' - đồ thị hơi cong đi, không còn quan hệ tỉ lệ, nhưng thép vẫn làm việc đàn hồi. A'B - Giai đoạn đàn hồi dẻo: Biểu đồ là đường cong rõ rệt, thép không còn làm việc đàn hồi. BC - Giai đoạn chảy dẻo: Là đoạn thẳng nằm ngang. Biến dạng tăng khi P không đổi. đoạn BC gọi là thềm chảy. CD - Giai đoạn củng cố: Biểu đồ là đường cong thoải. Lực tăng, biến dạng tăng nhanh. Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ và bị kéo đứt tại D. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG - Thềm chảy chỉ có ở thép các bon thấp. Biểu đồ kéo của thép các bon cao hoặc thép cường độ cao không có thềm chảy. Sau giai đoạn đàn hồi thép chuyển ngay sang giai đoạn củng cố. Vì vậy, giới hạn chảy là quy ước và lấy bằng ứng suất khi biến dạng dư đạt giá trị 0,2%. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG , Các, đặc trưng cơ học chủ yếu: được Tiêu chuẩn quy định đối với từng mác thép, bao gồm tl ,c ,b ,0. Trong đó quan trọng nhất là c . Thép các bon thấp có E = 2,1. Sự làm việc chịu nén Tương tự như chịu kéo, có cùng tl ,c và E. Trong giai đoạn củng cố không xác định được giới hạn bền ở thép cácbon thấp (mẫu thép bị phình to ra và vẫn tiếp tục chịu được tải trọng). Trong giai đoạn làm việc đàn hồi hoặc đàn hồi dẻo, các đặc trưng cơ học tính toán của thép chịu nén lấy giống chịu kéo. Sự phá hoại giòn Phá hoại giòn: sự phá hoại với biến dạng nhỏ kèm theo những vết nứt, xảy ra đột ngột khi kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Một số nguyên nhân gây phá hoại giòn: Sự biến cứng nguội. Sự tập trung ứng suất. Sự mỏi của thép. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG , , § 1. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG 1. Thép hình Thép góc - Dùng làm thanh chịu lực như thanh chống, thanh dàn hoặc dùng làm cấu kiện liên kết các kết cấu khác. - Có hai loại : đều cánh và lệch cánh. - Kí hiệu : Ví dụ : Thép đều cánh L 50x50x5, thép lệch cánh L 63x40x4. Thép chữ I - Dùng làm dầm, làm cột . - Có tất cả 23 loại chiều cao từ 100 – 600 mm. - Kí hiệu : Ví dụ : I 30 Chiều dài l = 4 – 13 m. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG § 1. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG § 1. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG § 1. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG Thép chữ C - Dùng làm tiết diện cột, dầm chịu uốn xiên, thanh dàn trong dàn cầu. - Có tất cả 22 loại tiết diện từ C5 đến C40 - Kí hiệu : Ví dụ : C22 Chiều dài l = 4 – 13 m . Trường hợp dài hơn phải nối. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG § 1.