Đang tải... (xem toàn văn)
tổng quan kết cấu thép
chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Đại cương về kết cấu thép. Kết cấu thép là những kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng làm bằng thép hoặc bằng kim loại khác nói chung. Đó là loại kết cấu công trình hiện đại trong ngành xây dựng, đặc biệt đối với công trình xây dựng công nghiệp. 1.1.1. Ưu và nhược của kết cấu thép. 1) Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao. Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao do vật liệu thép có cường 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 kết cấu thép gần sát với lý thuyết tính toán. Sự làm việc thực tế của kết cấu thép phù hợp với lý thuyết tính toán. 2) Trọng lượng nhẹ. Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực, để đánh giá phẩm chất “nhẹ” của vật liệu người ta thường dùng hệ số c là tỷ số giữa trọng lượng riêng và cường độ chịu lực của nó: Rc / γ = . 3) Tính công nghiệp hóa cao. Do sự sản xuất vật liệu hoàn toàn trong nhà máy, và sự chế tạo kết cấu thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành hoặc ít ra cũng dùng những loại máy mọc thiết bị chuyên dụng. Kết cấu thép thích hợp nhất với điều kiện xây dựng ccông nghiệp hóa. 4) Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp. Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp dựng kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. Kết cấu thép dể sửa chũa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển. 5) Tính kín. Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín ,không thấm nước, không thấm khong khí, nên thích hợp nhất cho các công trình bể chứa chất lỏng, chất khí. 6) Bị xâm thực. Trong môi trương không khí ẩm, nhất là môi trường xâm thực , thép bị gỉ, từ gỉ bề mặt cho đến phá hoại hoàn toàn chỉ trong vài ba năm.Bởi vậy tránh dùng thép ở nơi ẩm ướt, nơi các chất ăn mòn . 7) Chịu lửa kém. Thép không cháy ở nhiệt độ 500 đén 600 0 C, thép chuyển sang dẻo mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng . 1.1.2 Phạm vi áp dụng. Do các đặc điểm nói trên, kết cấu thép thích hợp với những công trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trong nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước.Phạm vi ứng dụng của kết cấu rất rộng, có thể chia làm các loại sau: Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp là toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cần trục nặng, hoặc có thể là hỗn hợp cột bê tông cốt thép, dàn, và dầm thép. Nhà nhịp lớn, là những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khá lớn tẻen 30-40m như nhà biểu diễn,nhà thi đấu thể dục thể thao , nhà triển lãm, nhà chứa máy bay…dùng kết cấu thép là hợp lý nhất.Có những trường hợp nhịp đặc biệt lớn trên 100m thì kết cấu thép là duy nhất áp dụng được. Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt là các loại nhà kiểu tháp ở thành phố . Nhà trên 15 tầng thì dùng kết cấu thép có lợi hơn bê tông cốt thép. Cầu đường bộ,cầu đường sắt, làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh. Ccàu treo bằng thép có thể vượt nhịp trên 1000m. Kết cấu tháp cao, như các loại cột điện , cột ăng ten vô tuyến, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như kết cấu tháp khoan dầu,. Kết cấu bản, như các loại bể chứa dầu chứa khí các thiết bị lò cao của nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu. Các loại kết cấu di động, như cần trục cửa van. 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. 1.1.3 Phân loại thép xây dựng Thép và gang là hợp kim đen của sắt và cacbon, ngoài ra còn một số các chất khác có tỉ lệ không đáng kể như ôxy, phốt pho,silic, Từ quặng sắt với thành phần chính là sắt ôxyt Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , người ta luyện trong lò cao được gang là hợp kim Fe và C trong đó lượng C chiếm hơn 1.7%.Qua lò luyện thép để khử bớt C trong gang, người ta được thép.Có rất nhiều loại thép khác nhau do thành phần hóa học, do phương pháp luyện, phương pháp rót.Dưới đây là một số cách phân loại thép thường dùng trong xây dựng: a. Theo thành phần hoá học của thép - Thép cacbon:với hàm lượng C<1.7%, không có các thành phần hợp kim khác.Tùy theo hàm lượng cacbon lại chia ra : thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép cacbon thấp. - Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp với lượng C<0.22% là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn.Thép cacbon vừa và cao là loại thép sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. - Thép hợp kim, có thêm thành phần kim loại khác như crôm(Cr), kền(Ni), măng gan (Mn),…nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ.Kết cấu thép dược sử dụng thép hợp kim thấp,với tỷ lệ các nguyên tố khác dưới 2,5%.Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không dùng làm kết cấu xây dựng b. Theo phương pháp luyện thép Luyện thép từ gang là nhằm khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đưa về hàm lượng yêu cầu đối với thép, có 2 phương pháp luyện chính : - Luyện bằng lò quay Phương pháp này cho năng suất cao, thời gian luyện mỗi mẻ chỉ chừng 30 phút, nhưng chất lượng của thép không tốt vì nitơ của không khí hòa tan trong thép thành những bọt khí, làm thép giòn.Ngoài ra không thể khử hết thành phần phốt pho là thành phần có hại làm cho thép bị già. Trong mấy chục năm gần đây người ta áp dụng phương pháp luyện bằng lò quay tiên tiến là lò thổi ôxy. Ôxy nguyên chất đựơc thổi với áp lực cao từ trên xuống.Ngoài ra còn có thể trộn thêm bột vôi để khử phốt pho của gang. - Luyện bằng lò bằng Thời gian luyện 1 mẻ từ 8 đến 12 giờ, do thời gian kuyện lâu nên năng suất thấp, giá thành thép cao nhưng thép có chất lượng tốt , cấu trúc thuần nhất và thành phần thép có thể điều chỉnh được trong quá trình luyện. Với các phương pháp sản xuất hiện nay không cần phân biệt thép được luyện bằng lò bằng hay lò quay vì cả 2 phương pháp đều cho chất lượng thép tương đương nhau. c. Theo phương pháp để lắng thép: Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn và để nguội cho kết tinh lại.Tùy theo phương pháp để lắng nguội có các phương pháp: - Thép sôi: thép khi nguội bốc ra nhiều bọt khí tạo nên những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc thép khiến thép có chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại giòn và bị lão hóa. - Thép tĩnh: trong quá trình nguội không có hơi bốc ra cuồn cuộn như thép sôi, do đã được thêm những chất khử ôxy như silic, nhôm, măng gan.Những chất này khử hết ôxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt. - Thép nửa tĩnh:là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó ôxy không được khử hoàn toàn.Về chất lượng thép cũng như về giá thành của thép nửa tĩnh cũng là trung gian giữa 2 loại thép trên. 1.1.4 Số hiệu thép xây dựng Nước ta chưa có tiêu chuẩn đặt số hiệu cho thép xây dựng.Quy phạm thiết kế kết cấu thép của nước ta được biên soạn theo quy phạm của Liên Xô nên các tên thép cũng lấy theo tên thép của Liên Xô. Thép cacbon cường độ thường. 22 /42003700;/25002200 cmdaNcmdaN bc ÷=÷= σσ Thép cacbon cường độ khá cao. 22 /54004300;/39002900 cmdaNcmdaN bc ÷=÷= σσ Thép cacbon cường độ cao. 22 /5900;/4400 cmdaNcmdaN bc >> σσ 1.1.5 Sự làm việc của thép chịu tải trọng 1.2. Sự làm việc chịu kéo của thép 1.2.1. Biểu đồ ứng suất biến dạng khi kéo. Hình 1.1 Biểu đồ kéo của thép cácbon thấp Đoạn OA: 2 /20000 cmdaN÷= σ : - đường thằng gọi là giai đoạn tỉ lệ. Đoạn AA’ ứng suất tại A’ gọi là giới hạn đàn hồi. Đoạn A’B là đường cong rõ rệt E giảm dần đến 0 tại B 2 /2400 cmdaN= σ - gọi là giai đoạn đàn hồi dẻo. Đoạn BC hầu như nằm ngang gọi là giai đoạn chảy dẻo. Biến dạng tự động tăng khoảng %5.2%2.0 ÷= ε - gọi là thềm chảy. ứng suất tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi là giới hạn chảy. Đoạn CD quá giới hạn chảy, thép không chảy nữa và lại có thể chịu được lực. Thép được giai cường nên giai đoạn này gọi là giai đoạn củng cố. 2 /4000 cmdaN D = σ . 1.2 2 Sự phá hoại giòn của thép Sự phá hoại giòn là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt. Sự phá hoại xảy ra là do bị đứt. Hình 1.2 Sự cứng nguội của thép 1.3 Qui cách thép cán dùng trong xây dựng 1.3.1 Thép hình Hình 1.3 Thép góc và ứng dụng Hình 1.3 Thép I và ứng dụng 1.3.2 Thép tấm Thép tấm được dùng rộng rãi vì tính chất vạn năng, có thể tạo ra các loại tiết diện có hình dạng và kích thước bất kỳ. Trong kết cấu bản đều dùng thép tấm. 1.3.3 Thép hình dập nguội Hình 1.4. Tiết diện thép hình dập nguội Chương 2 : Chọn tiết diện dầm thép cho nhà nhịp lớn 2.1.Định nghĩa Dầm là loại cấu kiện cơ bản trong kết cấu xây dựng.Về mặt chịu lực thì dầm chủ yếu chịu uốn. Ưu điểm nổi bật của dầm thép là cấu tạo rất đơn giản,chi phí cho chế tạo dầm không lớn, do đó dầm được sử dụng rất phổ biến. Với loại kết cấu nhịp lớn như sân vận động,hănga máy bay,nhà thi đấu thì chỉ có dầm thép mới đáp ứng được.Bằng chứng là đã có rất nhiều công trình như nhà thi đấu, hănga máy bay sử dụng dầm thép đã được xây dựng ở nước ta cũng như nhiều nơi khác trên khắp thế giới. So với các loại dầm khác như dầm bê tông cốt thép thì để vượt được các nhịp lớn , dầm thép cũng tốt hơn cả vì nó vừa có khối lượng bản thân nhẹ, vừa có khả năng chịu lực lớn, Do đó khi vượt nhịp lớn thì chiều cao dầm thép sẽ không quá lớn,tạo không gian sử dụng lớn, không ảnh hưởng đến công năng của ngôi nhà. Với cách sử dụng tiết diện dầm thép thì việc thi công sẽ đơn giản hơn,thời gian thi công nhanh ( vì chủ yếu chỉ là các liên kết bằng mối hàn và bu lông)công trình nhanh chóng được đưa vào sử dụng. Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì kết cấu thép ngày càng được nghiên cứu,phát triển, hoàn thiện hơn, sử dụng ngày càng rộng rãi hơn trong nhiều công trình khác nhau từ những công trình nhỏ như nhà ở, nhà máy, xí nghiệp cho đến các công trnhf đòi hỏi vượt nhịp lớn như nhà thi đấu, sân vận động, hănga máy bay,… Dầm thép có rất nhiều loại tiết diện khác nhau như dầm hình ( chữ I, C,hình tròn),dầm tổ hợp, dầm hộp,dầm có sườn lượn sóng,… Hình 2.1 Thép góc và vài dạng ứng dụng Hình 2.2 Thép I và vài dạng ứng dụng Hình 2.3. Tiết diện thép hình dập nguội Mỗi loại dầm đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó tùy thuộc các điều kiện về loại kết cấu công trình, về giải pháp kiến trúc, thi công, điều kiện về kinh tế kỹ thuật,…mà sử dụng các loại dàm khác nhau.Chẳng hạn với những công trình cần vựot nhịp nhỏ ( thường là < 6m) thì có thể sử dụng dầm thép hình, với những công trình lớn hơn ( < 18 m) thì có thể sử dụng loại dầm tổ hợp, với những công trình vượt nhịp > 36 m thì ngườu ta có thể sử dụng dầm hộp,… 2.2. Các loại dầm a) Dầm hình Dầm hình là những dầm làm từ thép hình, có rất nhiều hình dáng khác nhau, thông thường có thép hình chữ I hoặc chữ U Hình 2.4. Tiết diện dầm hình Dầm hình được cán hoặc dập ngay trong nhà máy, chế tạo đơn giản nhưng kích thước tiết diện thường không lớn lắm. Với dầm thép chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có mômen chống uốn đối với trục x-x ( xem hình vẽ 2.4) khá lớn nên rất hợp lý với những dầm chịu uốn phẳng như dầm sàn nhà,dầm sàn công tác, dầm cầu,… Dầm chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng thì có thêm hiện tượng xoắn do đó không phải là cấu kiện hợp lý khi chịu uốn, nhưng do do thép hình chữ U có cánh rộng ( chịu uốn xiên tốt) và có mặt ngoài phẳng ( dễ liên kết với các cấu kiện khác) nên thường được dùng làm xà gồ mái nhà, dầm tường, dầm sàn khi nhịp và tải trọng bé. Thiết kế dầm hình bao gồm các vấn đề sau: + Chọn tiết diện dầm hình : R M W cy . max / γ = + Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền + Kiểm tra tiết diện dầm về độ cứng + Kiểm tra độ ổn định tổng thể. Do giá trị W chỉ có giới hạn xác định do đó với những dầm đòi hỏi vượt nhịp lớn thì giá trị W rất lớn, nó vượt qua giá trị W lớn nhất trong bảng tra đã cho sẵn nên không sử dụng được.Sự áp dụng dầm hình còn rất nhiều hạn chế trong kết cấu nhà nhip lớn, nó chỉ được áp dụng rộng rãi trong kết cấu nhà nhịp nhỏ. b)Dầm tổ hợp Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và các thép hình.Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầm được gọi là dầm tổ hợp hàn, tương tự như vậy nếu dùng liên kết bằng đinh tán hay bu lông thì dầm gọi là dầm tổ hợp đinh tán hay bu lông Hình 2.5 Đường hàn đối đầu Hình 2.6 Đường hàn góc Hình 2.7. Cấu tạo bulông Hình 2.8. Bố trí bulông Hình 2.9. Liên kết bulông chịu lực trục Hình 2.10. Liên kết bulông chịu mômen và lực cắt Hình 2.11. Mặt cắt ngang dầm Dầm tổ hợp hàn gồm 3 bản thép, 2 bản đặt nằm ngang gọi là 2 cánh dầm, bản đặt thẳng đứng gọi là bụng dầm. Dầm tổ hợp đinh tán hoặc bulông cũng gồm 1 bản thép đặt đứng làm bụng dầm, còn mỗi cánh dầm còn 2 thép góc( thép chữ L) gọi là 2 thép góc cánh dầm và có thể có them 1 đến 2 bản thép được đặt nằm ngang gọi là bản phủ cánh dầm. So với dầm đinh tán , tổ hợp đinh tán thiết kế dầm tổ hợp gồm :Chọn tiết diện dầm, kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền, độ cứng, độ ổn định tổng thể, cấu tạo và tính toán chi tiết của dầm như liên kết cánh với bụng,…cụ thể như sau: + Chọn tiết diện dầm + Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài, dày + Kiểm tra độ bền, độ võng, độ ổn định của dầm tổ hợp + Ổn định tổng thể của dầm thép Ngoài cách tính cổ điển trên ngày nay người ta còn sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Midas.Kinh nghiệm thiết kế cho thấy khi nhịp và tải trọng lớn ( l > 12m, q > 2000 daN/m) nếu dùng dầm tổ hợp thì hoặc là không đủ bền hoặc là độ cứng không đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể, nếu đủ thì kết cấu sẽ nặng nề và tốn thép.Trong trường hợp này dung dầm tổ hợp sẽ kinh tế hơn. Do đó phạm vi áp dụng của dầm tổ hợp sẽ rộng rãi hơn. c)Dầm hộp Dầm hộp là dầm được tạo từ các thanh thép(bản thép)ghép lại với nhau bằng liên kết hàn. So với hai loại dầm trên thì dầm hộp có một số ưu nhược điểm sau: - Có thể tạo ra những dầm có tiết diện có độ cứng cao, độ ổn định theo các phương là như nhau. - Có thể chịu được tải trọng lớn, có thể vượt được nhịp lớn, nhịp của nó có thể lên tới hàng trăm mét. Nhiều nước trên thế giới đã sử dụng tiết diện này để vượt nhịp lớn. - Việc chế tạo khó khăn. - Việc bảo dưỡng, sơn… khó khăn. - Việc chế tạo và gia công bằng đinh tán thường phức tạp. c)Dầm có sườn lượn sóng. Dầm có sườn lượn sóng là dầm có sườn được chế tạo theo hình lượn sóng nhằm tăng cường độ ổn định cho thanh bụng đồng thời tăng độ ổn định cho dầm. Do sườn được chế tạo theo hình lượn sóng làm mômen chống uốn của sườn tăng, làm tăng độ cứng tổng thể của dầm.tuy nhiên do việc chế tạo sườn theo hình lượn sóng nên việc chế tạo sẽ phức tạp hơn,công tác lien kết sườn với thanh bụng khó khăn hơn so với dầm hình thông thường. . chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Đại cương về kết cấu thép. Kết cấu thép là những kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng làm bằng thép hoặc bằng kim loại khác nói chung. Đó là loại kết cấu công. việc vận chuyển và lắp dựng kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. Kết cấu thép dể sửa chũa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển. 5) Tính kín. Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín ,không thấm. lượng thép như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ .Kết cấu thép dược sử dụng thép hợp kim thấp,với tỷ lệ các nguyên tố khác dưới 2,5% .Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không dùng làm kết cấu xây