CHƢƠNG 1 ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP 1. Định nghĩa Khái niệm “kết cấu thép” dùng để chỉ những kết cấu chịu lực của những công trình xây dựng làm bằng thép hoặc kim loại khác nói chung. Đó là loại kết cấu công trình quan trọng trong nền xây dựng hiện đại, đặc biệt đối với xây dựng công nghiệp. Kết cấu thép được tạo nên bởi những cấu kiện khác nhau: các thanh, các tấm; chúng liên kết với nhau tạo nên những kết cấu và công trình đáp ứng nhiệm vụ sử dụng.
Ƣu nhƣợc điểm của kết cấu thép Kết cấu thép có những ưu điểm sau khiến nó được sử dụng rộng rãi trong công trình xây dựng. Khả năng chịu lực lớn độ tin cậy cao. Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn do vật liệu thép có cư ờng độ lớn, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng. Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát nhất với các giả thiết tính toán.
Trọng lƣợng nhẹ. Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực: Bê tông cốt thép, gạch đá, gỗ. Để đánh giá phẩm chất nhẹ của một vật liệu, người ta thường dùng hệ số c (hệ số phẩm chất) là tỷ lệ giữa trọng lượng riêng và cường độ tính toán gốc của nó c . Đối với thép c= 3,7.10 l/m và nhiều lần nhẹ hơn Bê tông c = 2,4.
-4 Tính công nghiệp hóa cao. Do sự sản xuất vật liệu (thép cán) hoàn toàn trong các nhà máy luyện kim, và sự chế tạo kết cấu thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành, hoặc ít ra thì cũng dùng những loại máy móc thiết bị chuyên dụng. Kết cấu thép thích hợp nhất với điều kiện xây dựng công nghiệp hóa. Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp.
Do trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển và lắp ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. Kết cấu thép dễ sửa chữa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển. Điều này đặc biệt quan trọng khi cần cải tạo các cơ sở sản xuất cho phù hợp với dây chuyền công nghệ mới, các công trình phải di chuyển khi cần thiết, hoặc để khôi phục sửa chữa cầu, nhà máy.đã bị hư hỏng, xuống cấp. Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm khí, nên thích hợp nhất cho các công trình bể chứa chất lỏng, chất khí; điều này khó thực hiện đối với các vật khác.
1-1 Đồng thời, kết cấu thép cũng có những khuyết điểm hạn chế việc sử dụng: Bị ăn mòn. Trong môi trường không khí ẩm, nhất là trong môi trường xâm thực, thép bị gỉ, từ gỉ bề mặt cho đến bị phá hoại hoàn toàn, có thể chỉ sau vài ba năm. Bởi vậy, cần bảo vệ chống ăn mòn cho thép, nhất là ở những nơi ẩm ướt, nơi có hàm lượng chất ăn mòn cao. Tùy mức độ ăn mòn mà sử dụng các lớp bảo vệ khác nhau cho thép: Sơn thông thường, sơn tĩnh điện, mạ kẽm, mạ nhôm, mạ crôm.Chi phí bảo dưỡng KCT (kết cấu thép) là khá cao.
Nhôm và một số hợp kim nhôm có khả năng chống gỉ cao; gang cũng là vật liệu chống gỉ tốt. Chịu lửa kém. Thép không cháy nhưng ở nhiệt độ t = 500 6000 C, thép chuyển sang trạng thái dẻo, mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng. Độ chịu lửa của KCT thậm chí kém cả kết cấu gỗ dán.
Bởi vậy, đối với những công trình nguy hiểm về mặt phòng cháy như: kho chất cháy, nhà ở, nhà công cộng, khung thép nhà cao tầng. thép phải được bọc bằng lớp chịu lửa (bêtông, tấm gốm, sơn phòng lửa. Phạm vi áp dụng Do các đặc điểm nói trên, KCT thích hợp với các công trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước hoặc khí. Phạm vi ứng dụng của KCT rất rộng, có thể chia làm các loại công trình như sau: Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp là toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cầu trục nặng, hoặc có thể là hỗn hợp cột bêtông cốt thép, dàn và dầm thép.
Nhà nhịp lớn, là những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khá lớn trên 30 40 m, như nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay.dùng KCT là hợp lý nhất. Có những trường hợp nhịp đặc biệt lớn, ví dụ trên 100m thì KCT là duy nhất áp dụng được. Có thể giảm trọng lượng kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn nhờ dùng thép cường độ cao hoặc sử dụng ứng suất trước. Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt kiểu nhà dạng tháp ở thành phố.
Khi nhà trên 20 30 tầng nội lực trong cột sẽ rất lớn, yêu cầu dộ cứng cao, dùng khung thép có lợi hơn khung bêtông cốt thép. Với các nhà siêu cao tầng thì KCT chịu lực là biện pháp duy nhất. Hiện nay đối với nhà cao tầng thường dùng KCT liên hợp thép - bêtông (cột thép hình bọc hoặc nhồi bê tông cùng chịu lực, sàn liên hợp dầm thép cùng làm việc với bản sàn bê tông), loại kết cấu này có nhiều ưu điểm khi chịu lực và có khả năng chống cháy tốt. Cầu đường bộ, cầu đường sắt, làm bằng thép thi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh.
Cầu treo bằng thép có thể vượt được nhịp rất lớn, trên 1000m. 1-2 Kết cấu tháp cao, như các loại cột điện, cột ăngten vô tuyến, tháp trắc đạc, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như tháp khoan dầu. Sử dụng thép ở đây có lợi vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ dựng lắp. Kết cấu bản, như các loại bể chứa dầu, bể chứa khí, các thiết bị của lò cao, của nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu.
Đây là phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, nhiều khi là duy nhất của kết cấu thép, vì tính kín, chống thấm của KCT, vì khả năng làm việc trong những điều kiện bất lợi về nhiệt độ và áp suất. Các loại kết cấu di động, như cần trục, cửa van, gương ăngten parabôn.cần trọng lượng nhẹ để có thể di chuyển nâng cất được dễ dàng. Ngày nay KCT còn được ứng dụng trong công trình của một số ngành công nghiệp hiện đại như dàn khoan dầu trên biển, kết cấu lò phản ứng hạt nhân v. Nói chung, đối với nhiều nước trên thế giới, thép là vật liệu quý và hiếm, vì thép cần dùng cho mọi ngành của nền kinh tế quốc dân.
Do đó trong những trường hợp có thể, người ta vẫn tìm cách thay thế thép bằng những vật liệu khác như bêtông cốt thép, gỗ dán. ở nước ta, phần lớn thép xây dựng là phải nhập ngoại nên việc sử dụng KCT hay bằng vật liệu khác lại càng phải cân nhắc, so sánh trong từng trường hợp cụ thể. Xét riêng về mặt giá vật liệu thì KCT đắt hơn kết cấu bêtông cốt thép khoảng ba lần: một đơn vị thể tích bêtông khoảng 70 lần, trong khi cường độ của thép cao hơn bêtông khoảng 20 lần. Tuy nhiên, nếu xét toàn diện giá thành xây dựng, kể cả hiệu quả kinh tế của việc thi công nhanh thì nhiều trường hợp dùng KCT có lợi hơn ngay cả với công trình nhỏ.
Các yêu cầu đối với KCT Khi thiết kế KCT, cũng phải đạt được các yêu cầu sau đây như đối với mọi loại kết cấu khác. yêu cầu về sử dụng, đó là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế. KCT phải thỏa mãn các yêu cầu chịu lực đề ra do điều kiện sử dụng: phải đảm bảo độ an toàn như kết cấu phải đủ độ bền, độ cứng, đủ sức chịu mọi tải trọng sử dụng. Kết cấu phải đảm bảo độ bền lâu thích đáng của công trình.
Hình dạng cũng như cấu tạo của kết cấu phải đảm bảo sao cho tiện bảo dưỡng, tiện kiểm tra và sơn bảo vệ. Đẹp cũng là một yêu cầu sử dụng, đặc biệt quan trọng đối với nhà công cộng có kết cấu lộ ra ngoài. KCT dễ có hình dạng hài hòa thanh thoát. Yêu cầu về kinh tế thể hiện ở các mặt Tiết kiệm vật liệu.
Thép cần được sử dụng một cách hợp lý, đúng chỗ, thay thế thép bằng vật liệu khác khi có thể được. Việc tiết kiệm vật liệu 1-3 còn đạt được bằng cách chọn giải pháp kết cấu hợp lý, dùng thép cường độ cao, dùng phương pháp tính toán tiên tiến. KCT được chế tạo trong nhà máy, sau đó phải dễ dàng vận chuyển đến nơi lắp dựng, bằng cách chia thành từng đơn vị vận chuyển hay để nguyên cả kết cấu. Tại công trường, kết cấu phải có thể được lắp ráp nhanh chóng với thiết bị sẵn có, liên kết khi dựng lắp phải dễ dàng thuận tiện.
Điển hình hóa KCT. Điển hình hóa có nhiều mức độ: điển hình hóa từng cấu kiện như xà gồ, dầm, dàn; điển hình hóa cả kết cấu như cột điện, bể chứa, nhịp cầu, khung nhà v. Việc điển hình hóa tránh được thiết kế lặp lại có thể nghiên cứu các dạng kết cấu tối ưu, lợi về các mặt vật liệu và giá thành. Mặt khác có thể chế tạo hàng loạt lớn những cấu kiện.
ở nước ta đã có nhiều tiến bộ trong việc thiết kế điển hình KCT, áp dụng trong cả nước hoặc trong từng ngành như: vì kèo mái nhà, cột đường dây tải điện, cầu khẩu độ nhỏ, bể chứa dầu v. Khung nhà bằng thép trong xây dựng 1. Thép xây dựng 1. Phân loại thép xây dựng - Theo thành phần hóa học thép được chia ra: + Thép các bon: hàm lượng các bon dưới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác.
Tùy theo hàm lượng các bon lại chia ra: thép các bon thấp, thép các bon vừa và thép các bon cao. + Thép hợp kim: có thêm các thành phần kim loại khác như crôm (Cr), kền (Ni), mangan (Mn),. nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ. Trong xây dựng dùng thép hợp kim thấp với tỷ lệ của tổng các nguyên tố phụ dưới 2,5%.
- Theo phương pháp luyện thép: + Luyện bằng lò quay + Luyện bằng lò bằng - Theo mức độ khử ôxy + Thép sôi + Thép tĩnh (thép lặng) + Thép nửa tĩnh (thép nửa lặng) 1-4 1. Các mác thép dùng trong xây dựng - Thép cac bon thấp (hàm lượng cacbon dưới 0,22%) cường độ thường (giới hạn chảy fy < 290 N/mm2). Tùy theo yêu cầu sử dụng, thép nhóm này được chia ra: + Nhóm A: đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học.