Giáo trình Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản | Phạm Văn Hội (chủ biên) - NXB Khoa học và Kỹ thuật

Bài viết cung cấp kiến thức chuyên sâu về kết cấu thép, tập trung vào các cấu kiện cơ bản. Tài liệu hữu ích cho kỹ sư, sinh viên và người quan tâm đến lĩnh vực

• Tác giả: Phạm Văn Hội
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình KCT 1 Kết cấu thép Cấu kiện cơ bản

Giáo trình KCT 1 Kết cấu thép Cấu kiện cơ bản là tài liệu học tập quan trọng do Bộ môn Công trình thép - gỗ Trường Đại học Xây dựng biên soạn. Cuốn sách được xuất bản bởi Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, nằm trong bộ sách chính thức về kết cấu thép. Giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng về kết cấu thép, bao gồm các cấu kiện cơ bản như dầm, cột, dàn và các loại liên kết. Nội dung được xây dựng theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 338:2005 về yêu cầu thiết kế kết cấu thép. Tài liệu hướng dẫn người học cách tính toán, cấu tạo và sử dụng vật liệu thép một cách khoa học. Giáo trình này phục vụ cho việc đào tạo kỹ sư xây dựng, giúp nắm vững nguyên lý thiết kế các công trình bằng thép. Bộ sách gồm hai tập: tập một về cấu kiện cơ bản và tập hai về công trình dân dụng và công nghiệp.

1.1. Thông tin tác giả và xuất bản

Giáo trình KCT 1 được biên soạn bởi nhóm tác giả uy tín trong lĩnh vực kết cấu thép. PGS.TS. Phạm Văn Hội giữ vai trò chủ biên, viết chương mở đầu, chương 1 và chương 2. PGS.TS. Nguyễn Quang Viên viết chương 3. Giảng viên chính Phạm Văn Tư viết chương 4. Giảng viên Lưu Văn Tường viết chương 5. ThS. Hoàng Văn Quang đọc và sửa chữa toàn bộ nội dung. Cuốn sách được xuất bản năm 2005 bởi Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, đánh dấu 50 năm đào tạo và 40 năm thành lập trường Đại học Xây dựng.

1.2. Vai trò của giáo trình trong đào tạo

Giáo trình KCT 1 đóng vai trò thiết yếu trong chương trình đào tạo kỹ sư xây dựng tại Việt Nam. Tài liệu cung cấp nền tảng kiến thức cơ bản về kết cấu thép, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các cấu kiện chịu lực. Giáo trình phục vụ cho nhiều đối tượng: sinh viên đại học, cán bộ kỹ thuật xây dựng và các kỹ sư hành nghề. Nội dung sách được xây dựng theo hướng thực tiễn, gắn liền với tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho việc thiết kế các công trình thép từ đơn giản đến phức tạp.

II. Phân tích nội dung và cấu trúc giáo trình KCT 1

Giáo trình KCT 1 được cấu trúc logic theo trình tự từ cơ bản đến nâng cao. Chương mở đầu giới thiệu tổng quan về kết cấu thép và ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng. Các chương tiếp theo trình bày chi tiết về thép và các tính chất cơ học cơ bản, bao gồm giới hạn bền, độ dẻo và tính chất đàn hồi. Nội dung phần tính toán tiết diện chịu lực được trình bày cụ thể cho các trường hợp chịu cắt, chịu uốn và chịu lực dọc. Giáo trình cũng giới thiệu các ký hiệu chính sử dụng trong sách như diện tích tiết diện nguyên, tiết diện thực, tiết diện bản cánh và bản bụng. Phần tính toán liên kết bao gồm bulông, đinh tán và mối hàn với các công thức và bảng tra cứu chi tiết. Nội dung về cột và tính ổn định được phân tích kỹ lưỡng, đặc biệt là cột rỗng bản giằng với ưu điểm tiết kiệm vật liệu và tăng độ cứng.

2.1. Nội dung các chương chính

Giáo trình KCT 1 bao gồm năm chương chính được biên soạn công phu. Chương 1 và 2 do PGS.TS. Phạm Văn Hội phụ trách, trình bày về vật liệu thép và tính toán tiết diện chịu lực cơ bản. Chương 3 của PGS.TS. Nguyễn Quang Viên tập trung vào tính toán tiết diện chịu lực dọc và lực ngang kết hợp. Chương 4 do Giảng viên chính Phạm Văn Tư biên soạn, đề cập đến tính toán cột và tính ổn định. Chương 5 của Giảng viên Lưu Văn Tường trình bày về tính toán các loại liên kết trong kết cấu thép như bulông, đinh tán và mối hàn.

2.2. Hệ thống ký hiệu và quy ước

Giáo trình sử dụng hệ thống ký hiệu thống nhất theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép. Các ký hiệu chính bao gồm: diện tích tiết diện nguyên A, diện tích tiết diện thực A_mtt, diện tích tiết diện bản cánh A_c và diện tích bản bụng A_w. Đường kính tính toán bulông và đinh tán được ký hiệu là d_v. Cường độ tính toán của thép được xác định theo các mác thép CT3, CT344, CT3B, CT42, CT52 và thép hợp kim 09Mn2. Bảng tra cứu cường độ tính toán cho phép xác định ứng suất cắt, ép mặt và uốn của từng loại thép.

III. Phương pháp tính toán cấu kiện thép trong giáo trình

Giáo trình KCT 1 trình bày phương pháp tính toán dựa trên trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai. Tính toán tiết diện chịu cắt và uốn sử dụng nguyên lý xác định ứng suất trong tiết diện thép dưới tác dụng của lực cắt và momen uốn. Phương pháp tính toán cột rỗng bản giằng được trình bày chi tiết với công thức xác định độ mảnh tương đương. Giáo trình giới thiệu cách tính độ cứng của cột theo hai phương, trong đó cột rỗng có ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực. Phần tính toán liên kết bulông và đinh tán bao gồm hai nhóm: nhóm B với lỗ khoan theo khuôn mẫu và nhóm C với lỗ đột hoặc khoan không khuôn. Cường độ tính toán của đinh tán nhóm B cao hơn nhóm C do chất lượng lỗ tốt hơn. Phương pháp tính toán mối hàn góc dựa trên diện tích tính toán theo kim loại đường hàn và kim loại ở biên nóng chảy.

3.1. Tính toán tiết diện chịu lực

Phương pháp tính toán tiết diện chịu lực trong giáo trình dựa trên nguyên lý cơ học kết cấu. Tiết diện chịu cắt được tính toán bằng công thức xác định ứng suất cắt phân bố trên tiết diện thép. Tiết diện chịu uốn được kiểm tra theo điều kiện ứng suất uốn không vượt quá cường độ cho phép. Giáo trình cung cấp các bảng tra cứu hệ số giảm trừ và hệ số an toàn cho từng loại tải trọng. Việc tính toán kết hợp lực dọc và lực ngang sử dụng phương pháp tương tác nội lực. Các ví dụ minh họa được trình bày cụ thể giúp người học áp dụng vào thực tế thiết kế.

3.2. Tính toán liên kết và cột thép

Phần tính toán liên kết trong giáo trình bao gồm ba loại chính: bulông thường, bulông cường độ cao và đinh tán. Bulông và đinh tán được kiểm tra cường độ cắt và ép mặt trên tiết diện liên kết. Đường kính đinh tán nhỏ hơn đường kính lỗ 1,5mm, thường dùng các đường kính 17, 19, 21, 23, 25 và 28,5mm. Tính toán cột rỗng bản giằng sử dụng công thức xác định độ mảnh tương đương lambda_v dựa vào tỉ số độ cứng đơn vị của nhánh cột và bản giằng. Góc trượt gamma do lực cắt được xác định theo sơ đồ tính toán biến dạng cột.

IV. Ứng dụng thực tế và giá trị của giáo trình KCT 1

Giáo trình KCT 1 có giá trị ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn xây dựng tại Việt Nam. Kiến thức về kết cấu thép từ giáo trình được áp dụng thiết kế nhà công nghiệp, nhà nhịp lớn, kết cấu thép tấm và nhà cao tầng. Giáo trình cũng phục vụ thiết kế tháp, trụ và kết cấu ứng suất trước. Nội dung theo tiêu chuẩn TCVN 338:2005 đảm bảo tính pháp lý và khoa học cho các công trình thép. Việc hiểu rõ nguyên lý cấu kiện cơ bản giúp kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, tiết kiệm vật liệu và đảm bảo an toàn công trình. Giáo trình là cầu nối giữa lý thuyết và thực hành, trang bị cho người học khả năng phân tích và giải quyết vấn đề trong thiết kế kết cấu thép. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng Việt Nam càng khẳng định tầm quan trọng của giáo trình này.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế công trình

Kiến thức từ giáo trình KCT 1 được ứng dụng trực tiếp trong thiết kế nhiều loại công trình thép. Nhà công nghiệp với khung thép chịu tải trọng lớn đòi hỏi tính toán dầm, cột và dàn chính xác. Nhà nhịp lớn như nhà thi đấu, nhà triển lãm sử dụng kết cấu dàn thép có nhịp vượt nhịp lớn. Kết cấu thép tấm được áp dụng trong silo, bể chứa và ống dẫn. Nhà cao tầng sử dụng khung thép giúp giảm trọng lượng bản thân và tăng khả năng chịu động đất. Thiết kế tháp viễn thông, trụ điện và cầu thép đều cần kiến thức nền tảng từ giáo trình này.

4.2. Giá trị học thuật và đào tạo

Giáo trình KCT 1 có giá trị học thuật cao trong hệ thống đào tạo kỹ sư xây dựng Việt Nam. Tài liệu được biên soạn bởi đội ngũ giảng viên giàu kinh nghiệm từ Trường Đại học Xây dựng và các trường đại học liên quan. Nội dung giáo trình được đóng góp ý kiến từ nhiều chuyên gia, đồng nghiệp và sinh viên qua nhiều lần xuất bản. Giáo trình tạo nền tảng vững chắc cho việc học tập các môn nâng cao về kết cấu thép công trình dân dụng và công nghiệp. Đây là tài liệu tham khảo quan trọng cho việc thi lấy chứng chỉ hành nghề thiết kế kết cấu tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. VẬT LIỆU VÀ SỰ LÂM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP 21 đoạn đàn — dẻo). Ứng suất tăng nữa, sự trượt trong các hạt riêng lẻ phát triển thành những đường trượt, làm thép bị biến dạng lớn với ứng suất không đổi, tạo nên thẩm chảy. Sau giai đoạn chảy, mạng peclit xung quanh các tỉnh thể ferit bắt đầu ngăn cản sự biến đạng của các tinh thể này; đường trượt phải cắt qua các mạng peclit.

Do đó, phải tăng thêm ứng suất, tương ứng với giai đoạn củng cố. Tiết diện bị thốt lại, ứng suất tập trung ở chỗ thót, và khi thắng được lực tương tác nguyên tử thì thép đứt. Hiện tượng thểm chảy chỉ có ở thép có hàm lượng cacbon từ 0,1 đến 0,3%. Nếu ít cacbon, các mạng peclit không đủ để giữ các bạt ferit bị trượt.

Nếu nhiều cacbon, mạng peclit nhiều và dày sẽ luôn luôn ngăn cần không cho các bạt ferit trượt, Biểu đổ ø — e của thép cacbon cao (hình 1.3) hầu như không có thểm chảy: sau giai đoạn đàn hồi, đường cong chuyển ngay sang giai đoạn củng cố. Ở các loại thép này, giới hạn chảy được quy ước lấy ứng với biến dang dư là e = 0,2%. 2 ơ, kNÑ/cm Ơ 90 œ so Sự 70 =— ~*~ 60 50 40 % wy 30 yo 10 € 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 22 24 26 Hình 1. Biểu đồ kéo của thép cacbon cao 1~ biểu đổ kéo của thép cacbon cao; 2~ biểu đồ kéo của thép cacbon thấp (CCT38).

Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép Biểu để kéo của thép cho ta các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép, được quy định trong tiêu chuẩn đối với mỗi mác thép. Đó là: giới hạn tỉ lệ gụ, giới hạn chảy ơạ, giới hạn bển ơạ, biến dạng khi đứt | vA médun dan hai. 22 KET CAU THEP — CAU KIEN CO BAN Quan trọng nhất là giới hạn chảy a, — đó là ứng suất lớn nhất có thể có trong vật liệu, không được phép vượt qua (ứng với se = 0,2%). Tất nhiên với ứng suất làm việc ở trong giai đoạn củng cố, kết cấu vẫn chưa bị phá hoại nhưng đã bị biến dạng quá mức, không thể sử dụng được nữa.

Ở trạng thái ứng suất làm việc nhỏ dưới giới hạn chảy ơ„, thép làm việc đàn hồi hoặc đàn hồi dẻo, với biến dạng nhỏ nên các giả thuyết của sức bền vật liệu có thể áp dụng được. Tùy thuộc trị số của ø, có thể áp dụng các lí thuyết tính toán: ~ khi ơ < ø„ — dùng lí thuyết đàn hổi, với E = const; - khi øg < ø < ơ;— dùng lí thuyết đàn hồi dẻo, với E const; - khi ơ = ơ, — dùng lí thuyết dẻo. Lá thuyết này xét sự làm việc của vật liệu trong vùng chảy dẻo, với trị số giới hạn của ứng suất là ơ,. Vật liệu thép được tận dụng cao nhất.

‘ Giới hạn bên ơ,, còn gọi là cường độ tức thời của thép, xác định một vùng an toàn dự trữ giữa trạng thái làm việc và trạng thái phá hoại. Đối với thép không có giới hạn chảy thì ø là trị số giới hạn cho ứng suất làm việc, tuy nhiên là được chia cho một hệ số an toàn tương ứng. Ngay với thép cacbon thấp, có thềm chảy, khi mà kết cấu được phép có biến đạng lớn, người ta có thể lấy ứng suất làm việc vượt quá ơ, và bằng giới hạn bền ơy chia cho một hệ số an toàn nhất định. Biến dạng khi đứt «„ đặc trưng cho độ đểo và độ dai của thép.

Đối với thép cacbon thấp, s„ rất lớn, tới 200 lần biến dạng khi làm việc đàn hồi. Kết cấu thép có một lượng dự trữ an toàn lớn như vậy nên có thể nói kết cấu thép không bao giờ bị phá hoại ở trạng thái dẻo. Chỉ có thể có phá hoại kết cấu khi thép đã chuyển thành giòn điểu mà ta sẽ xét ở điểm 2 dưới đây. Ba trị số ø„, ơy (mà trong "TCXDVN 338:2005.

Kết cấu thép. Tiêu chuẩn thiết kế" ky hiéu 1a f, va f,), và so là ba chỉ tiêu cơ bản mà thép phân nhóm theo tính chất cơ học phải đảm bảo (xem bang 1. Sự làm việc chịu nén của thép không khác sự làm việc chịu kéo: cùng médun đàn hồi, cùng giới bạn tỉ lệ, giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy. Chỉ có trong giai đoạn củng cố thì không xác định được ơy ở thép cacbon thấp, mẫu thép bị phình ra và tiếp tục chịu được tải lớn.

Do đó, trong giai đoạn làm việc đàn hổi và đàn hồi dẻo, các đặc trưng cơ học tính toán của thép chịu kéo và chịu nén lấy giống nhau. VAT LIEU VA SY LAM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP 23 2. Sự phá hoại giòn của thép Sự phá hoại giòn là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi (hình 1. Sự phá hoại xây ra là do bị đứt, lực tương tác giữa các phân tử bị mất đi, các phân tử bị xa rời nhau.

Ngược lại, sự phá hoại dẻo là sự phá hoại với biến dạng lớn, vật liệu làm việc trong giai đoạn dẻo, xảy ra do sự trượt giữa các phân tử (hạt tỉnh thể) khi mà ngoại lực lớn hơn lực chống trượt giữa các phân tử. Đối với thép, lực chống trượt giữa các phân tử nhỏ hơn lực kéo đứt giữa chúng, nên luôn luôn chỉ có phá hoại đẻo đối với thép. Trong những điều kiện làm việc khác nhau, thép có thể chuyển sang giòn, ví dụ: thép bị hóa già, thép bị biến cứng, thép chịu ứng suất cục bộ, v. Trong thực tế, kết cấu thép chỉ có thể bị phá hoại (đứt gãy, sụt đổ.) khi có sự phá hoại giòn của thép.

Nếu thép vẫn ở trạng thái làm việc dẻo thì kết cấu thép không thể bị phá hoại được. Kết cấu chỉ có thể mất khả năng chịu lực do có biến dạng dẻo quá lớn mà thôi. Khi thiết kế và chế tạo kết cấu thép, cần tránh những nguyên nhân làm cho thép bị phá hoại giòn. Hiện tượng cứng nguội Đó là hiện tượng tăng tính giòn của thép sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường.

Thép sau khi đã bị biến dạng đẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đàn hồi cao hơn và biến dạng khi phá hoại nhỏ hơn, thực tế đã trở nên một loại thép khác. a) b) c) d) Ø, kN/cm? Oo, kN/cm” Ø, kN/cm” oO, kN/cm” Ị K T LẾt i ! i 1 ‡ ! l ' I 1 ! I \ o &% 94% e% ad O, E% 4 |2 e% 1" 2 As nh 1. Sự cứng nguội của thép Mang kéo một mẫu thép đến điểm K¡ nằm trong thẩm chảy, rồi bỏ tải thì biểu dé o-e sẽ đã xuống theo đường K¡O; song song với OK và có biến dạng 24 KẾT CẤU THÉP - CẤU KIỆN CƠ BẢN du A, (hình 1. Nếu kéo tiếp đường cong lại đi lên theo O¡K¡, nhưng thêm chảy bị ngắn lại.

Khi gia tải lần thứ hai nếu kéo mẫu đến điểm K; nằm cuối thềm chảy, cho giảm tải rồi lại tăng tải như lần một thì biểu đô đi theo đường O;K;, mẫu c6 bién dang du A, > Aj, thềm chẩy không còn nữa, tính dẻo của thép đã giảm hẳn (hình 1. Nếu kéo mẫu đến quá biến dạng dẻo, điểm K; nằm trong giai đoạn củng cố rồi mới bỏ tải thì thép sau đó làm việc hầu như hoàn toàn trong gia1 đoạn đàn hổi, với biến dạng phá hoại nhỏ (hình 1.4đ), biểu đồ phá hoại giống như phá hoại giòn ở hình 1. Hiện tượng tăng giới hạn đàn hồi của thép do bị biến dạng dẻo trước gọt là hiện tượng cứng nguội. Sự cũng nguội tuy làm tăng cường độ của thép nhưng làm cho thép giòn nên coi là bất lợi đối với kết cấu thép (chỉ trong một số trường hợp khi mà việc giảm độ giãn phá hoại không quan trọng lắm, thì có thể sử dụng sự cứng nguội để tăng cường độ thép, ví dụ: sợi thép kéo nguội dùng làm cốt của cấu kiện bêtông cốt thép).

Sự cứng nguội xảy ra khi gia công nguội các cấu kiện: uốn nguội, cắt bằng máy cắt, đột lỗ. Để tránh hiện tượng trên có những quy định riêng khi gia công nguội kết cấu thép. Thép chịu trạng thái ứng suất phức tạp - sự tập trung ứng suất GO trang thai ứng suất phẳng, khi có ứng suất chính theo hai , phương ơ; # 0, ø; # 0 và cùng œ% ` 3, dấu) ta thấy giới hạn tỉ lệ tăng ` —=— ——~ cao, không cồn thểm chảy, và độ 2 | : giãn phá hoại giảm đi nhiều © kN/em 2 (đường cong 1, hình 1. Ngược s0 | B PTTTT1.

j3 lại khi ơ; và ơ; khác đấu nhau, 40 ⁄ L2 thép trở nên dẻo hơn (đường cong 30 || IT] 2, hình 1. Hiện tượng này có — we 2 20 eae thé2 giải „ 3. thích bằng lí thuyết ứng suất tiếp. Ở trạng thái ứng suất phẳng, ứng suất tiếp lớn nhất bằng nửa hiệu số các ứng suất chính.

i0 o 4 8 12 II l6 202342 28 t,% > 4 ee ¬ ae Hình 1. Biểu đồ chịu lực của thép Sự chảy của vật liệu, chủ yếu là ở trạng thái ứng suất phức tạp do sự trượt dưới tác dụng của ứng 1~ ơ và ơ; cùng dấu; 2~ ơ; và øa khác dấu;' suất tiếp, Khi ơ; và ơ; cùng dấu, 3- biểu đồ tiêu chuẩn khi kéo một trục. VẬT LIỆU VÀ SỰ AM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP 25 + có trị số nhỏ, nên sự chảy trở nên khó hơn, giới hạn chảy tăng lên, tỉnh déo giảm đi. Khi ơy = ơa sẽ có + = 0, sự chảy không xuất hiện, sự phá hoại là đạng đứt giòn.

a) Oy °x <> ox od ° LAIN +, i Sel Wen 0°GER JY oo IIL Ne LIT ¡lần T Oy Oy Oy 5) G, kN/cm? Af 4 A 1-3 3 L~ a 1" Lư 20 10 €,% o 48 12 16 20. Su tap trang img suat a) Các quĩ đạo ứng suất khi kéo; b) biểu đồ thay đổi làm việc của thép 1— không có sự tập trung ứng suất (làm việc đàn hổi dẻo); 2— có sự tập trung ứng suất; 3~ có sự lập trung ứng suất do rãnh cất (làm việc giỏn). Một trường hợp hay gặp của trạng thái ứng suất phức tạp là trường hợp ứng suất cục bộ, gây bởi các biến đổi đột ngột của hình dạng cấu kiện. Nếu cấu kiện có lỗ khoét, rãnh cắt, đường lực (tức là quỹ đạo các ứng suất chính) sẽ không còn song song đều đặn, mà uốn cong xung quanh chỗ cắt 26 KET CẤU THÉP — CAU KIEN CO BAN (hình 1.