Bài giảng Kết cấu thép - Đào Văn Dinh
Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng do có những ưu điểm cơ bản như sau:
Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do cường độ của thép cao nên các kết cấu thép có thể chịu được những lực khá lớn với mặt cắt không cần lớn lắm, vì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kết cấu thép - Đào Văn Dinh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Kết cấu thép - Đào Văn Dinh
Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 1 BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP (THEO 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998) MỤC LỤC 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ................................................................. 5 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................... 5 1.1.1 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng ....................................................................... 5 1/ Ưu điểm : .......................................................................................................................... 5 2/ Nhược điểm : .................................................................................................................... 5 3/ Phạm vi sử dụng : ............................................................................................................. 6 1.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép ....................................................................... 6 1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 .......................... 7 1.2.1 Quan điểm chung về thiết kế .................................................................................. 7 1.2.2 Sự phát triển của quá trình thiết kế ......................................................................... 7 1.2.3 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn 22TCN 272-05 ............................................... 10 1.2.4 Giới thiệu về tải trọng và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 .......... 17 1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG .................................................................................. 21 1.3.1 Thành phần hoá học và phân loại thép ................................................................. 22 1.3.2 Khái niệm về ứng suất dư ..................................................................................... 27 1.3.3 Gia công nhiệt ....................................................................................................... 28 1.3.4 Ảnh hưởng của ứng suất lặp ( sự mỏi).................................................................. 28 1.3.5 Sự phá hoại giòn ................................................................................................... 31 2 LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP .............................................................................. 33 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP ............................ 33 2.1.1 Liên kết dạng đinh: ( đinh tán, bu lông) ............................................................... 33 2.1.2 Liên kết hàn .......................................................................................................... 33 2.1.3 Phân loại liên kết theo tính chất chịu lực .............................................................. 33 2.2 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG .............................................................................. 34 2.2.1 Cấu tạo , phân loại bu lông ................................................................................... 34 2.2.2 Các hình thức cấu tạo của liên kết bu lông ........................................................... 37 2.2.3 Bố trí bu lông ........................................................................................................ 39 2.3 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU CẮT ............................................................................. 42 Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 2 2.3.1 Các trường hợp phá hoại trong liên kết bu lông thường ....................................... 42 2.3.2 Cường độ chịu ép mặt và cường độ chịu cắt của liên kết ..................................... 44 1/ Cường độ chịu cắt của bu lông ........................................................................................... 44 2/ Cường độ chịu ép mặt của bu lông ..................................................................................... 44 2.3.3 Cường độ chịu ma sát của liên kết bu lông cường độ cao .................................... 48 1/ Đặc điểm chế tạo và đặc điểm chịu lực của liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát, các phương pháp xử lý bề mặt thép: ................................................................................................. 48 2/ Tính toán sức kháng trượt ...................................................................................................... 49 2.3.4 Tính toán liên kết bu lông chịu cắt ....................................................................... 50 2.4 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU KÉO ............................................................................. 59 2.4.1 Liên kết bu lông chịu kéo ..................................................................................... 59 2.4.2 Liên kết bu lông chịu kéo và cắt kết hợp .............................................................. 61 2.5 LIÊN KẾT HÀN .......................................................................................................... 62 2.5.1 Cấu tạo và chế tạo liên kết hàn ............................................................................. 62 2.5.2 Sức kháng tính toán của mối hàn .......................................................................... 72 2.5.3 Liên kết hàn lệch tâm chịu cắt ............................................................................. 76 2.6 CẮT KHỐI ................................................................................................................... 80 2.6.1 Cắt khối trong liên kết bu lông ............................................................................. 80 2.6.2 Cắt khối trong liên kết hàn .................................................................................... 81 3 CẤU KIỆN CHỊU KÉO ..................................................................................................... 84 3.1 Đặc điểm cấu tạo : .................................................................... ... tp được xác định theo PT 5.175 Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 200 6.13 250 20000048.048.0 ==≤ ysp t F E t b mm b t tp 3.136.13 180 6.13 ==≥ Thử chọn STC gối 15mm x 180mm Sức kháng tựa Diện tích của STC có thể tính từ PT 5.176 với Br=1750 kN , Φb=1.0 và Fys=250MPa r b pn ysB A F= φ =1.0*Apn*250 =1750*103 2 3 7000 250 10*1750 mmApn == Dùng hai đôi STC 15mm x 180mm đặt hai bên vách ( hình 5.41) và cho phép cắt vát cách vách 40 mm , ta có diện tích ép mặt bằng: 4*15*(180-40)=8400mm2 >7000mm2 Đạt Vậy chon STC gồm hai đôi 15mm x 180mm đặt hai bên vách .( Lưu ý rằng cắt vát 45o với 4tw một bên ngăn cản sự hình thành ứng suất kéo dọc gây bất lợi cho mối hàn ở chỗ tiếp giáp giữa vách đứng và bản biên). Sức kháng nén dọc trục : Đặt từng đôi STC cách nhau 200mm như trên hình 5.41 diện tích có hiệu của tiết diện ngang thanh nén là : A=4As +tw(18tw +200)=4*15*180+10*(180+200)=14600 mm2 Mô men quán tính : Ix = 4Io+4Aoy2 = 462 3 10*6.126)5 2 180(*180*15*4 12 180*154 mm=++ Bán kính quán tính rx của thanh STC : mm A I r xx 9314600 10*6.126 6 === Do đó tỷ số độ mảnh : 1201.12 93 1500*75.075.0 <=== r D r kL Đạt Độ mảnh theo PT 4.12 ( chương 4) : Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 201 25.20185.0 200000 2501.12 22 <= = = pipi λ E F r kL y Do vậy thanh nén thuộc loại cột dài trung gian, sức kháng nén được xác định bởi 4.14 ( ) NAFP syn 60185.0 10*622.3)14600)(250()66.0(66,0 === λ Sức kháng nén tính toán theo PT 5.177 với Φc=0.90 Pr = ΦcPn = 0.90*3.622*106 =3260*103 N =3260kN> 1750 kN Đạt 5.7 MỐI NỐI DẦM 5.7.1 Các loại mối nối dầm Do chiều dài cung cấp vật liệu có hạn,cánh và bụng ( bản biên ,vách đứng ) dầm có thể phải được nối từ hai hay nhiều hơn các bản thép . Các mối nối loại này thường được thực hiện trong xưởng hoặc nhà máy và được gọi là mối nối xưởng . Do điều kiện vận chuyển và cẩu lắp có hạn , dầm thường được chia thành vài đoạn .Các đoạn này có kích thước và trọng lượng phù hợp với điều kiện vận chuyển và cẩu lắp .Các đoạn đó được chế tạo trong xưởng sau đó vận chuyển tới công trường rồi nối chúng lại với nhau để được một dầm hoàn chỉnh .Các mối nối các đoạn dầm này lại với nhau được thực hiện tại công trường và gọi là mối nối công trường . Nguyên tắc bố trí mối nối : Mối nối phải được bố trí đối xứng qua mặt cắt giữa dầm Mối nối nên bố trí ở vị trí có nội lực nhỏ Với các mối nối công trường không nên dùng nhiều, khi thiết kế cấu tạo cần phải tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện . mèi nèi dÇm mèi nèi dÇm Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 202 (dµy 14mm) (dµy 14mm) TÊm 5 (dµy 14mm) TÊm 4 TÊm 5 (dµy 14mm) TÊm 3 (dµy 10mm) (dµy 14mm) TÊm 5 TÊm 4 (dµy 14mm) (dµy 14mm) TÊm 5 500 50 2@80 =160 80 502@80 =160 (dµy 14mm) TÊm 42@80 =160 2@80 =160 508050 500 75 95 0 75 50 10 @ 85 = 85 0 50 11 00 50 80 140 80 50 400 400 50801408050 75 95 0 75 50 10 @ 85 = 85 0 50 11 00 25 10 50 25 14 (dµy 10mm) TÊm 3 TÊm 4 Hình 5.35: Mối nối dầm 5.7.2 Mối nối công trường bằng bu lông Bước 1: Tiêu chuẩn thiết kế Bước 2: Lựa chọn vị trí mối nối công trường Bước 3: Tính toán các lực thiết kế trong mối nối cánh Bước 4 : Thiết kế mối nối cánh dưới Bước 5: Thiết kế mối nối cánh trên Bước 6: Tính toán các lực thiết kế trong mối nối bản bụng Bước 7 : thiết kế mối nối bụng Bước 8 : Đưa ra bản vẽ chi tiết mối nối công trường Chọn vị trí mối nối công trường Vị trí mối nối thường nên tránh chỗ có mô men lớn. Đối với dầm giản đơn, ta thường bố trí cách gối một đoạn (1/4 ÷ 1/3)L và đối xứng với nhau qua mặt cắt giữa dầm. Mối nối công trường bằng bung lông CĐC của dầm chữ I tổ hợp hàn có dạng điển hình như sau: Từ hình vẽ ta thấy mối nối gồm hai phần: + Mối nối bản cánh làm việc giống như mối nối đối đầu hai bản thép chịu lực dọc trục; + Mối nối bản bụng làm việc giống như mối mối đối đầu hai bản thép chịu tác dụng đồng thời của mômen, lực cắt và lực dọc. Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 203 Do vậy, việc đầu tiên là ta phải xác định được các lực thiết kế cho mối nối bản cánh và mối nối bản bụng. 5.7.2.1 Thiết kế mối nối cánh 5.7.2.1.1 Tính toán các lực thiết kế trong mối nối cánh Mối nối cánh chịu lực dọc trục do mô men gây ra. Có 3 quan điểm tính toán lực trong mối nối cánh : phương pháp nội lực, phương pháp dựa vào diện tích mặt cắt bản cánh và phương pháp kết hợp giữa hai phương pháp trên. Theo tiêu chuẩn AASHTO lực thiết kế trong mối nối cánh được tính tùy theo cánh khống chế hay cánh không khống chế và được tính như trình bày dưới đây : Ở trạng thái giới hạn cường độ, các bản nối và các mối nối trên cánh khống chế ( kiểm soát – Controling) phải cân xứng để cung cấp một sức kháng nhỏ nhất lấy theo ứng suất thiết kế Fcf nhân với diện tích tiết diện cánh có hiệu nhỏ hơn, Ae, trên cả hai phía của mối nối , ở đây Fcf lấy như sau: yf yf cf F0,752 F F f f h cf R f αϕ αϕ ≥ + = (5.178) Trong đó: fcf = ứng suất uốn lớn nhất do tải trọng có hệ số gây tại điểm giữa bản cánh kiểm soát, tại mối nối ; Rh – Hệ số lai; α- Hệ số giảm ứng suất cánh, α=1.0 ϕf = Hệ số kháng uốn theo quy định; (A6.5.4.2) Fyf- Cường độ kéo chảy của thép bản cánh Ae – Diện tích có hiệu của bản cánh (mm2), đối với cánh nén Ae là diện tích tiết diện nguyên, đối với cánh kéo Ae lấy như sau: gn yty uu e AAF FA ≤ = φ φ (5.179) φu Hệ số sức kháng kéo đứt của cấu kiện chịu kéo (A 6.5.4.2) φy Hệ số sức kháng kéo chảy của cấu kiện chịu kéo (A 6.5.4.2) Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 204 Fu Cường độ chịu kéo đứt của thép cánh kéo Fyt Cường độ chịu kéo chảy của thép cánh kéo An Diện tích thực của cánh kéo Ag Diện tích nguyên của cánh kéo Các bản nối và các mối nối của bản cánh không kiểm soát ( Noncontrolling flange)của TTGHCĐ phải cân xứng để cung cấp một sức kháng nhỏ nhất lấy theo ứng suất thiết kế Fncf nhân với diện tích hữu hiệu nhỏ hơn, Ae, trên cả hai phía của mối nối . Fncf được xác định theo công thức sau: ncf f yf F 0,75 Fncf cf h f R R αφ= ≥ (5.180) Trong đó: Rcf Giá trị của tỷ số Fcf và fcf đối với cánh kiểm soát . fncf - ứng suất uốn do tải trọng có hệ số gây ra tại điểm giữa bản cánh tại vị trí mối nối ; + Tại trạng thái giới hạn cường độ, lực thiết kế trong các bản nối ( bản ghép ) chịu kéo sẽ không vượt quá sức kháng kéo có hệ số như tính với cấu kiện chịu kéo. Lực thiết kế trong các bản nối chịu nén sẽ không vượt quá sức kháng nén có hệ số,Rr và được lấy như sau: sycr AFR φ= (5.181) Trong đó : φc Hệ số sức kháng nén của cấu kiện chịu nén (A 6.5.4.2) Fy Cường độ chảy của bản nối ( Mpa) Ay Diện tích nguyên của bản nối ( mm2) + Lực thiết kế trong mối nối cánh ở trạng thái giới hạn sử dụng dùng để kiểm tra trượt của bu lông được tính bằng tích số của ứng suất tại giữa cánh ở trạng thái giới hạn sử dụng nhân với diện tích mặt cắt ngang của cánh. 5.7.2.1.2 Chọn kích thước mối nối Mối nối được thiết kế theo phương pháp thử - sai, tức là ta lần lượt chọn kích thước mối nối dựa vào kinh nghiệm và các quy định khống chế của tiêu chuẩn thiết kế, rồi kiểm toán lại, Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 205 nếu không đạt thì ta phải chọn lại và kiểm toán lại. Quá trình được lặp lại cho đến khi thoả mãn. Các thông số mối nối: + Kích thước bản nối ngoài; + Kích thước bản nối trong; + Đường kính bu lông CĐC; + Lỗ bu lông CĐC sử dụng lỗ tiêu chuẩn; + Số bu lông CĐC một bên mối nối. 5.7.2.1.3 Kiểm toán mối nối Các kiểm toán : + Kiểm toán sức kháng cắt, sức kháng ép mặt và sức kháng trượt; + Kiểm toán cường độ của bản nối ( sức kháng dọc trục, sức kháng cắt khối); + Kiểm toán mỏi; 5.7.2.2 Thiết kế mối nối bụng 5.7.2.2.1 Tính toán các lực thiết kế trong mối nối bụng Mối nối bụng chịu đồng thời mô men, lực cắt và có thể có cả lực dọc trục. Lực cắt + Lực cắt thiết kế ở trạng thái giới hạn cường độ tại mối nối bụng Vuw được lấy như sau: − Nếu lực cắt 0.50V Vu v nφ< thì uw 1.5 uV V= (5.182) − Nếu không thì uw ( ) 2 u v nV VV φ+= (5.183) Trong đó Φv là hệ số sức kháng cắt ; Vu là lực cắt do tải trọng có hệ số gây ra tại vị trí mối nối bụng ; Vn là sức kháng cắt danh định ; + Lực cắt thiết kế ở trạng thái giới hạn sử dụng tại mối nối bụng được lấy bằng lực cắt thiết kế dưới tổ hợp tải trọng sử dụng tại vị trí mối nối. Mô men + Mô men thiết kế nhỏ nhất ở TTGHCĐI được xác định theo công thức sau: Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 206 M = Muw + Muv (5.184) Trong đó: Muv = Mô men do lực cắt thiết kế tại vị trí mối nối ở TTGHCĐI tác dụng lệch tâm với trọng tâm nhóm đinh ở mỗi bên mối nối gây ra: Muv = Vuw.e (5.185) Trong đó: Vuw = Lực cắt thiết kế tại vị trí mối nối ở TTGHCĐI (N); e = Độ lệch tâm của nhóm đinh ở mỗi bên mối nối, lấy bằng khoảng cách từ trọng tâm của nhóm đinh mỗi bên mối nối tới tim mối nối (mm); Muw là phần mô men uốn do phần bụng chịu. ( )2wuw t DM F F12 tbop cbot= + (5.186) Ftbot, Fctop = ứng suất thiết kế nhỏ nhất tại trọng tâm bản cánh dưới, cánh trên ở TTGHCĐI (N/mm2). + Mô men thiết kế ở trạng thái giới hạn sử dụng của mối nối bụng vẫn sử dụng công thức 5.184 nhưng với các giá trị lực cắt và ứng suất lấy ở tổ hợp tải trọng sử dụng. Lực dọc nằm ngang + Lực ngang thiết kế TTGHCĐI được xác định theo công thức sau: ( )ctoptbotw FF2 DtH −= (5.187) Trong đó: Ftbot, Fctop = ứng suất thiết kế nhỏ nhất tại trọng tâm bản cánh dưới, cánh trên ở TTGHCĐI (N/mm2). + Lực ngang thiết kế ở trạng thái giới hạn sử dụng của mối nối bụng vẫn sử dụng công thức 5.187 nhưng với các giá trị ứng suất lấy ở tổ hợp tải trọng sử dụng.: 5.7.2.2.2 Chọn kích thước mối nối Mối nối được thiết kế theo phương pháp thử - sai, tức là ta lần lượt chọn kích thước mối nối theo kinh nghiệm, rồi kiểm toán lại, nếu không đạt thì ta phải chọn lại và kiểm toán lại. Quá trình được lặp lại cho đến khi thoả mãn. Các thông số mối nối: + Kích thước bản nối; Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 207 + Đường kính bu lông CĐC; + Lỗ bu lông CĐC: Sử dụng lỗ tiêu chuẩn; + Số bu lông CĐC một bên mối nối. 5.7.2.2.3 Kiểm toán mối nối bụng + Kiểm toán sức kháng cắt, sức kháng ép mặt và sức kháng trượt; + Kiểm toán cường độ của bản nối ( sức kháng cắt, sức kháng cắt khối); + Kiểm toán mỏi; 6 CẤU KIỆN CHỊU UỐN, LỰC DỌC TRỤC KẾT HỢP 6.1 Cấu kiện chịu uốn và chịu kéo kết hợp Một vài loại cấu kiện chịu cả hai: mô men uốn và lực kéo doc như trong hình 6.1. Hình 6.1: cấu kiện chịu uốn và kéo kết hợp Theo quy định của LRFD các cấu kiện chịu uốn và kéo đồng thời phải thỏa mãn phương trình tương tác (A.6.8.2.3) như sau: Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 208 Nếu 0,2 u r P P < thì ux 1,0 2,0 uyu r rx ry MP M P M M + + ≤ (6.1) Nếu 0, 2 u r P P ≥ thì ux8,0 1,0 9,0 uyu r rx ry MP M P M M + + ≤ (6.2) Hình 6.2: Mặt cắt ngang và vị trí lực kéo dọc Trong đó: ux 2 uy 1 u u M P e M P e = = Pr = sức kháng kéo tính toán (N) Mrx, Mry= sức kháng uốn tính toán theo các trục X và Y, (Nmm) Sự ổn định của bản cánh chịu ứng suất nén thực do kéo và uốn phải được đảm bảo giữ ổn định cục bộ. 6.2 Cấu kiện chịu uốn và chịu nén kết hợp 6.2.1 Mô men uốn sơ cấp và mô men uốn thứ cấp Khi một dầm cột chịu mô men uốn trong chiều dài không giằng nó sẽ có chuyển vị ngang trong mặt phẳng uốn. Điều này dẫn đến phát sinh mô men thứ cấp bằng lực dọc nhân với chuyển vị ngang. Trong hình 6.3 chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng mô men tăng thêm một lượng Pδ. Mô men này sẽ làm tăng chuyển vị ngang, do đó làm tăng mô men trong cột cũng như độ lệch tâm cho tới khi cân bằng đạt được. Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 209 Trường hợp một khung lắc đầu cột sẽ có di chuyển sang hai bên đối với nhau, sẽ dẫn đến phát sinh thêm mô men thứ cấp, trong hình 6.3 mô men thứ cấp do lắc sinh ra là P∆. Hình 6.3 Cột không lắc ( có giằng) và cột lắc (không giằng) Sức kháng uốn yêu cầu phải tối thiểu bằng tổng mô men sơ cấp và mô men thứ cấp. Các dạng hư hỏng của dầm cột: - Mất ổn định cục bộ - Mất ổn định tổng thể - Cường độ của mặt cắt ngang. Phương trình tương tác Theo LRFD: Nếu 0,2 u r P P < thì ux 1,0 2,0 uyu r rx ry MP M P M M + + ≤ (6.1) Nếu 0, 2 u r P P ≥ thì ux8,0 1,0 9,0 uyu r rx ry MP M P M M + + ≤ (6.2) Pr = sức kháng nén tính toán (N) Mrx, Mry= sức kháng uốn tính toán theo các trục X và Y, (Nmm) Mux, Muy là mô men uốn do tải trọng có hệ số gây ra ( Nmm). Mux, Muy phải được xác định bằng cách: Phân tích đần hồi thứ cấp giải thích cho sự phóng đại của mô men do các tải trọng có hệ số gây ra hoặc một phương pháp xấp xỉ như trong phần 4 của tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Sự ổn định của bản cánh chịu ứng suất nén thực do nén và uốn phải được đảm bảo giữ ổn định cục bộ. Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 210 Tài liệu tham khảo [1] LRFD Steel Design. William T. Segui, 2003 [2] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 [3] Giáo trình Kết cấu thép. Nguyễn Quốc Thái, 1979 [4] Design of highway bridges. Richard M. Barker; Jay A. Puckett. NXB Wiley Interscience, 1997 [5] Structural Steel Design: LRFD Method. Jack C. McCormac; James K. Nelson, Jr., 2003 [6] LRFD Design Example for Steel Girder Superstructure Bridge- FHWA National Highway Institute Washington, DC December 2003
File đính kèm:
- bai_giang_ket_cau_thep_dao_van_dinh.pdf