Bài giảng Kết cấu thép - Chương 1: Đại cương về kết cấu thép

CHƯƠNG 1ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP 
Ưu và khuyết điểm của Kết cấu thép: 
	a. Khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao. 
	b. Trọng lượng nhẹ: c = /f 
	c. Tính công nghiệp hóa cao 
	d. Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp 
	e. Tính Kín 
	f. Bị ăn mòn 
	g. Chịu lửa kém 
2. Phạm vi ứng dụng 
Nhà công nghiệp 
Nhà nhịp lớn 
Khung nhà nhiều tầng 
Cầu đường bộ, đường sắt 
Kết cấu tháp cao 
Kết cấu bản 
Các loại kết cấu di động 
* So sánh các phương án TK 
3. Yêu cầu đối với kết cấu thép 
Yêu cầu về sử dụng: an toàn, bền, đẹp 
Yêu cầu về kinh tế: Tiết kiệm, công nghệ chế tạo, thi công nhanh, điển hình hóa kết cấu thép 
4. Vật liệu thép xây dựng 
Thép (gang) = Fe + C 
Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 gang(trên 1.7% C) khử bớt C thép 
Thép Carbon: C<1.7% 
Thép XD là loại thép Carbon thấp (<0.22%) 
Thép Hợp kim: có Cr, Ni, Mn tăng bền, chống gỉ. 
Thép hợp kim XD: hợp kim thấp (phụ<2.5%) 
5. Các mác thép dùng trong XD 
Thép Carbon thấp cường độ thường: 
Nhóm A: chặt chẽ về tính chất cơ học 
Nhóm B: chặt chẽ về thành phần hóa học 
Nhóm C: cả hai 
Giới hạn chảy: 2200 – 2700daN/cm 2 
Giới hạn bền: 3300 – 5400 daN/cm 2 
b. Thép cường độ khá cao: 
C thấp, hợp kim thấp 
f y = 3100 – 4000 daN/cm 2 
f t = 4500 – 5400 daN/cm 2 
Giá thành cao hơn thép C 
c. Thép cường độ cao: 
f y > 4400daN/cm 2 
f t > 5900daN/cm 2 
Tiết kiệm vật liệu 25 – 30% 
6. Sự làm việc của thép khi chịu tải trọng 
Các đặc trưng cơ học chủ yếu: ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, module đàn hồi. 
Thép carbon cao không có thềm chảy dẻo rõ rệt giới hạn chảy lấy bao nhiêu? 
Các đặc trưng cơ học chủ yếu 
Giới hạn tỉ lệ  tl , giới hạn chảy  c , giới hạn bền  b , biến dạng khi đứt  0 và module đàn hồi E. 
Khi 	 <  tl : lý thuyết đàn hồi, E=const. 
	 tl <  <  c : lý thuyết đàn hồi dẻo, E const. 
	  =  c : lý thuyết dẻo. 
Các đặc trưng cơ học chủ yếu (tt) 
 b : cường độ tức thời. 
 0 : biến dạng khi đứt, đặc trưng cho độ dẻo dai.  0 lớn hơn  đh 200 lần. Khó bị phá hoại dẻo. 
Khi kết cấu thép chịu nén: giống nhau trong giai đoạn trước cũng cố. Khó xác định  b ở thép có C thấp. 
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. 
Một số điều kiện gây phá hoại giòn: hóa già, biến cứng, chịu ứng suất cục bộ dễ gây sụp đổ hơn khi bị phá hoại dẻo. 
Sự phá hoại giòn (tt) 
Sự phá hoại giòn (tt) 
Hiện tượng cứng nguội là hiện tượng tăng giới hạn đàn hồi của thép do biến dạng dẻo trước làm thép giòn, gây bất lợi . 
Cứng nguội khi: gia công nguội, uốn nguội, cắt bằng máy cắt, đột lổ. 
Thép chịu ứng suất phức tạp, tập trung ứng suất 
Thép chịu ứng suất phức tạp, tập trung ứng suất (tt) 
Sự chảy của vật liệu chủ yếu là do sự trượt dưới tác dụng của ứng suất tiếp 
Khi  1 =  2 thì  = 0, sự chảy không xuất hiện, sự phá hoại là đứt giòn. 
Thường gặp: trường hợp ứng suất cục bộ do biến đổi hình dạng đột ngột: lổ khoét, rãnh cắt, đường lực. 
Thép chịu tải trọng lặp 
Gây mỏi, ứng suất phá hoại <  b . 
Phá hoại giòn, đột ngột, kèm theo vết nứt. 
Sự hóa già của thép 
Tính chất của thép thay đổi dần theo thời gian. 
Độ giãn và độ dai va đập giảm đi, thép trở nên giòn hơn. 
Thép trở nên cứng hơn nhưng kém dẻo hơn. 
Độ dai va đập 
Để đánh giá mức độ thép dể chuyển sang giòn và ảnh hưởng của ứng suất tập trung. 
Độ dai va đập có giá trị bằng công phá hoại mẫu chia cho diện tích tiết diện mẫu. 
7. Quy cách thép cán dùng trong xây dựng 
Thép hình: 
Thép góc đều cạnh, không đều cạnh. 
Thép chữ I 
Thép chữ [ 
Thép I cánh rộng 
Thép ống 
Thép chữ T 
Thép ray 
Thép vuông 
Thép tròn 
b. Thép hình dập, cán nguội 
Thành mỏng, nhẹ, dùng cho kết cấu thép nhẹ, chịu lực nhỏ nhưng cần độ cứng lớn. 
Có sự cứng nguội ở những góc uốn, chống gỉ kém. 
NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KCT 
Lập sơ đồ kết cấu: 
Qui mô: kích thước, tải trọng, mục đích, tuổi thọ. 
Điều kiện nền móng, môi trường. 
Tình hình cung cấp vật tư. 
ĐK kỹ thuật, khả năng chế tạo, vận chuyển, lắp dựng. 
Module và thống nhất hóa, tận dụng thiết kế định hình, TK mẫu. 
Ảnh hưởng đến giá thành. 
NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KCT (tt) 
Mô hình thực tế và mô hình tính toán: 
Phản ánh khả năng làm việc chủ yếu nhất, khai thác tối đa khả năng chịu lực, làm việc an toàn. 
Đơn giản, thuận tiện trong thiết kế. 
NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN KCT (tt) 
Các giai đoạn tính toán: 
Giả định trước các thông số về hình học, tiết diện, độ cứng. 
Xác định nội lực và kiểm tra tiết diện đã giả định. Nếu không đạt, trở lại điều chỉnh giai đoạn 1. 
8. Phương pháp tính KCT 
Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH). 
TTGH: tại đó kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra khi sử dụng, thi công. 
Nhóm trạng thái giới hạn 1 
Mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa. 
Phá hoại về bền, mất ổn định, mất cân bằng vị trí, biến đổi hình dạng. 
N ≤ S 
N: nội lực trong cấu kiện đang xét. Có giá trị lớn nhất có thể xảy ra trong suốt thời gian sử dụng. 
S: Nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được. 
Nhóm trạng thái giới hạn 1 (tt) 
	N = P i c  Q  n n c 
	 f = S = A f  c 
	f t = S = A f t  c 
Dùng tải trọng tính toán 
Nhóm trạng thái giới hạn 2 
Làm cho kết cấu không sử dụng bình thường được nữa hoặc giảm tuổi thọ. 
Võng, lún, rung, nứt. 
	 ≤ 
Dùng tải trọng tiêu chuẩn 
Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán 
Thép Carbon & thép cường độ khá cao: f y =  c 
Đối với thép cường độ cao: 
	f u =  b 
Cường độ tính toán: 
	 f = f y / M 	f t = f u /  M 
 M : hệ số an toàn vật liệu 
 M = 1,05 đối với thép cường độ thường và cường độ khá cao. 
Với các dạng chịu lực khác, nhân thêm hệ số chuyển đổi 
 c : hệ số điều kiện làm việc 
Xét đến ảnh hưởng trong quá trình sử dụng: tải trọng tác dụng, giả thiết gần đúng, độ ẩm, nhiệt độ, ăn mòn. 
Chỉ áp dụng cho 1 số cấu kiện có điều kiện sử dụng riêng. 
Bảng I.14, phụ lục 1, trang 306 (Phạm Văn Hội) 
 n : hệ số an toàn về sử dụng 
Nhân vào tải trọng hoặc nội lực. 
Phụ thuộc vào mức độ quan