Bài giảng môn Kết cấu thép 1 - Cấu kiện cơ bản

1
1
M
M
ÔN HỌC
ÔN HỌC
KẾT CẤU THÉP 1
KẾT CẤU THÉP 1
CẤU KIỆN CƠ BẢN
2
Yêu cầu SV học môn Kết cấu thép

Yêu cầu SV có giáo trình Kết cấu thép - Cấu kiện
cơ bản;

Yêu cầu SV tự học từ các Slides bài giảng và Giáo
trình trước khi đến lớp nghe giảng;

Khuyến khích SV đặt các câu hỏi về nội dung bài
giảng trong giờ học;

Yêu cầu SV làm bài tập lớn ở nhà và GV sẽ kiểm
tra và hướng dẫn sau mỗi chương môn học;

Yêu cầu SV phải tham gia tối thiểu 80% số tiết học;
Cuối kỳ học sẽ có bài kiểm tra cho toàn bộ nội dung
môn học;
3
MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP
a) Khái niệm:
Kết cấu thép là cụm từ chỉ Kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng

được làm bằng vật liệu thép xây dựng.
Kết cấu thép: gồm các “Cấu kiện thép” như dầm thép, cột thép, …. được
liên kết với nhau tạo thành hệ kết cấu để cùng chịu lực.
b) Ưu điểm chính của KC thép:
- Khả năng chịu lực lớn: vì vật liệu thép có cường độ lớn; lớn hơn hàng
chục lần cường độ chịu nén của vật liệu bê tông.
- Độ tin cậy cao khi chịu lực: vì vật liệu thép có cấu trúc khá thuần nhất
nên các giả thiết trong tính toán khá sát với sự làm việc thực tế của vật
liệu thép.
- Tính công nghiệp hoá cao: vì được chế tạo sẵn hàng loạt, theo các
môđun ở trong các nhà máy.
- Tính linh hoạt cao: vì dễ dàng sửa chữa, dễ thay thế, dễ tháo gỡ, dễ
dàng vận chuyển, có thể tái sử dụng nhiều lần cho mục đích khác nhau.
4
MỞ ĐẦU: ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP
c) Nhược điểm của KC thép:
- Dễ bị ăn mòn, dễ bị gỉ: nên chi phí cho bảo dưỡng (chi phí cho sơn,
mạ) cần theo định kỳ;
- Khả năng chịu lửa kém: nên cần phải bọc thép bằng một lớp vật liệu
chịu lửa;
d) Phạm vi ứng dụng của KC thép:
Với ưu điểm chính về khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao nên kết cấu
thép luôn là giải pháp hữu hiệu cho những kết cấu công trình đặc biệt, như:
Kết cấu nhà công nghiệp có nhịp lớn;
Kết cấu các công trình thể thao có nhịp lớn và hình dáng đặc biệt;
Kết cấu dầm cầu;
Kết cấu giàn khoan trên biển;
Kết cấu khung nhà cao tầng, đặc biệt ở những nơi có động đất mạnh;
Kết cấu tháp truyền hình;
Kết cấu bể chứa xăng dầu.

(tiếp 2/2)
5
CHƯƠNG 1. VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
1. Khái quát chung:
Thép xây dựng là hợp kim của sắt (Fe), cacbon (C), và một số chất khác;
trong đó thành phần :
Fe chiếm chủ yếu
C chiếm < 1,7%
Một số chất khác như O, P, Si, … chiếm không đáng kể.
Quy trình luyện thép:
Quặng sắt Gang lỏng Thép lỏng Phôi thép
(Sắt oxýt Fe2O3 và (Fe và C > 1,7%) (Fe và C < 1,7%)
Fe3O4 là chủ yếu)
(luyện trong lò) (Khử bớt C) (để nguội)
Thép cán nóng
Thép sợi Thép hình Thép tấm
L, I, C, O, T …
6
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
2. Các phương pháp phân loại chính đối với thép Xây dựng
2.1. Theo thành phần hoá học của thép:
a) Thép cacbon:
Gồm Fe; hàm lượng C < 1,7% ; và một số chất khác chiếm không đáng
kể; không có các thành phần hợp kim khác;
Hàm lượng C quyết định đặc trưng tính chất cơ học của thép: thép mềm
dẻo hay cứng giòn, dễ hàn hay khó hàn, …
Thép cacbon cao: hàm lượng 1,7% > ; thép rất cứng, rất
giòn, khó hàn => rất ít dùng trong xây dựng.
Thép cacbon vừa: hàm lượng 0,6% > ; thép khá giòn, ít dẻo

=> ít dùng trong xây dựng.
Thép cacbon thấp: hàm lượng 0,14 % < ; thép mềm, dẻo,
dễ hàn => dùng phổ biến trong xây dựng. (dùng cho kết cấu chịu lực)
Có 3 loại Thép cacbon:
%6,0
≥
C
%22,0
≥
C
%22,0
<
C
7
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
2. Các phương pháp phân loại chính đối với thép XD
2.1. Theo thành phần hoá học của thép:
b) Thép hợp kim:
Gồm Fe và C là 2 thành phần hoá học chính, ngoài ra còn có thêm các
thành phần hợp kim khác như: Cr, Ni, Mn, Ti, …
Đó là những thành phần hợp kim có lợi cho thép, được cho thêm vào =>
nhằm nâng cao chất lượng của thép: như tăng độ bền, tăng độ dẻo khi chịu
lực tác dụng động; tăng khả năng chịu va đập; tăng khả năng chống gỉ,
Thép hợp kim thấp: có tổng hàm lượng các hợp kim => được dùng chủ
yếu trong xây dựng;
Thép hợp kim vừa và cao: có tổng hàm lượng của các hợp kim =>
không dùng trong xây dựng;
(tiếp 2/3)
Có 3 loại Thép hợp kim :
8

§1.1 THÉP XÂY DỰNG
2. Các phương pháp phân loại chính đối với thép XD
2.2. Theo mức độ khử oxy:
Thép sôi: Không sử dụng biện pháp khử oxy, thép để nguội tự nhiên, nên
bọt khí còn tồn tại trong thép nhiều và phân bố không đều.
=> Chất lượng thép không tốt, thép dễ bị phá hoại giòn và lão hoá.
Có 3 loại :
Trong quá trình luyện thép, Nếu bọt khí còn tồn tại trong thép sẽ làm giòn
thép. Bọt khí thường không được khử triệt để vì làm tăng giá thành, thường
khử 50% ~ 70%.
Thép tĩnh (thép lặng): Khử oxy một cách triệt để bằng cách trong quá trình
luyện, cho vào những chất khử như Si, Au, Mn, nên không còn bọt khí
trong thép. => Chất lượng thép rất tốt, nhưng giá thành cao.
Sử dụng cho các công trình quan trọng, hoặc công trình chịu tải trọng
động vì thép rất khó phá hoại giòn.
Thép nửa tĩnh (thép nửa lặng): Khử oxy không hoàn toàn, khử khoảng
50% oxy => chất lượng thép trung bình, trung gian giữa 2 loại thép sôi và
thép tĩnh. Sử dụng trong xây dựng công trình.
(tiếp 3/3)
9
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
3. Cấu trúc và thành phần hoá học của thép XD
Trong điều kiện bình thường, thép có cấu trúc
tinh thể, gồm 3 thành phần chính:
Xementit
Ferit
Peclit
Ferit: là sắt nguyên chất (Fe), chiếm tới 99% thể
tích, rất mềm dẻo, dễ dát mỏng, dễ tác dụng với
oxy.

Xementit: là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), nằm
xen kẽ giữa các hạt Ferit; rất cứng và giòn.
Peclit: là hỗn hợp của Ferit và Xementit tạo
thành màng mỏng bao xung quanh hạt Ferit.
Cường độ của màng Peclit là trung gian giữa Xementit và Ferit, quyết định
tính dẻo của thép, và đóng vai trò chịu lực của thép.
Thép càng nhiều C => màng Peclit càng dầy và thép càng cứng, càng kém
dẻo.
(Tự xem tài liệu)
10
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
4. Các mác thép dùng trong xây dựng
4.1 Mác của thép cacbon thấp (có cường độ thường):
Thép cường độ thường là thép cacbon thấp: Có hàm lượng
có giới hạn chảy daN/cm2 ;
%22,014,0
÷=
C
2900≤
y
f
Thép cacbon thấp được chia thành 3 nhóm:
Nhóm A: Thép được đảm bảo về tính chất cơ học.
Nhóm B: Thép được đảm bảo về thành phần hoá học.
Nhóm C: Thép được đảm bảo về cả tính chất cơ học và thành phần
hoá học. => được sử dụng trong xây dựng làm thép chịu lực.
11
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
4. Các mác thép dùng trong xây dựng
4.1 Mác của thép cacbon thấp (có cường độ thường):

Ký hiệu mác thép cacbon thấp sử dụng trong xây dựng gồm 2 phần: phần
chữ CCT đứng trước và phần Số đứng sau (theo TCVN 1765: 1976).
Phần chữ chỉ loại thép các bon thấp loại C và phần số chỉ độ bền kéo đứt
của thép với đơn vị là daN/mm2.
Ví dụ:



38CTC
độ bền kéo đứt của thép fu = 38 daN/mm2 = 3800 daN/cm2;
thép cacbon thấp.
thép nhóm C.


238nCCT
thép hạng 2
thép nửa tĩnh
s : cho thép sôi
n : cho thép nửa tĩnh
không ghi gì : cho thép tĩnh
Các ký hiệu biểu thị về mức độ khử oxy:
12
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
4. Các mác thép dùng trong xây dựng
4.2 Mác của thép cường độ khá cao:
Thép cường độ khá cao là thép hợp kim thấp hay thép cacbon thấp có nhiệt
luyện: Có hàm lượng hợp kim < 2,5 % ; có giới hạn chảy fy = 3100 ~ 4000
daN/cm2 ; giới hạn bền fu = 4500 ~ 5400 daN/cm2.
Ký hiệu mác thép gồm 2 phần: phần chữ và phần số.
Phần Số đứng đầu tiên: chỉ hàm lượng C tính bằng phần vạn.

Phần Chữ: chỉ ký hiệu hoá học của các nguyên tố có mặt, trừ Fe và C không
ghi.
Phần Số đứng sau chữ: chỉ hàm lượng % của các chất đứng trước đó. Nếu
hàm lượng <1% thì không ghi.
VD: 10Mn2Si
Có hàm lượng C chiếm 0,1% ; Mn chiếm 2% và Si chiếm < 1%
(ngoài Fe và C chiếm < 0,22%).
(tiếp 2/3)
13
§1.1 THÉP XÂY DỰNG
4. Các mác thép dùng trong xây dựng
4.3 Mác của thép cường độ cao:
Thép cường độ cao là thép hợp kim có nhiệt luyện: có giới hạn chảy fy trên
4400 daN/cm2 ; giới hạn bền fu trên 5900 daN/cm2.
VD: 12Mn2SiMoV
(tiếp 3/3)
14
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
Kết cấu thép được tính toán theo Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH)
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
TTGH về khả năng chịu lực (TTGH 1):
Là trạng thái (ngưỡng) nếu vượt qua nó thì kết cấu được coi như mất khả
năng chịu lực, kết cấu không còn sử dụng được nữa (bị phá hoại, sụp đổ).
TTGH 1 bao gồm trạng thái kết cấu bị phá hoại về bền, mất ổn định, mất
cân bằng vị trí, biến đổi hình dạng.
TTGH về biến dạng (TTGH 2):
Là trạng thái (ngưỡng) nếu vượt qua nó thì kết cấu không thoả mãn được
điều kiện sử dụng bình thường (kết cấu bị biến dạng quá lớn).
TTGH 2 bao gồm trạng thái kết cấu bị võng, chuyển vị ngang, lún, rung,
nứt.

Mọi kết cấu đều phải thoả mãn cả TTGH 1 và TTGH 2.
15
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:
[ ]
SS
≤
max
Smax là nội lực lớn nhất có thể có của cấu kiện kết cấu được xét trong
suốt thời gian sử dụng công trình.
[S] là giới hạn khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu được xét.
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
16
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
Biểu thức tổng quát để
xác định nội lực S:
cnQi
c
i
nNPS
⋅⋅⋅⋅=
∑
γγ
là tải trọng tiêu chuẩn thứ i; Tải trọng tiêu chuẩn là tải trọng lớn nhất
có thể tác dụng lên công trình trong điều kiện sử dụng bình thường
(được xác định bằng thống kê xác xuất và được qui định trong tiêu
chuẩn thiết kế của mỗi nước).
là nội lực do tải trọng tiêu chuẩn gây ra ;
là nội lực do tải trọng tiêu chuẩn thứ i gây ra ;
là hệ số độ tin cậy của tải trọng thứ i; xét đến khả năng tải trọng thực

tế có thể biến đổi khác với tải trọng tiêu chuẩn một cách bất lợi,
được qui định trong Tiêu chuẩn thiết kế cho từng loại tải trọng.
là hệ số an toàn về sử dụng; xét đến mức độ quan trọng của công
trình ; do từng quốc gia, chủ đầu tư qui định,
là nội lực do tải trọng tính toán thứ i gây ra;
c
i
P
i
N
i
c
i
NP
⋅
Q
γ
n
γ
nQi
c
i
NP
γγ
⋅⋅⋅
1
=
c
i
P

1
≥
Q
γ
a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
[ ]
SS
≤
max
17
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
Biểu thức tổng quát để
xác định nội lực S:
cnQi
c
i
nNPS
⋅⋅⋅⋅=
∑
γγ
Nội lực S được xác định theo tải trọng tính toán.
Tải trọng tính toán = tải trọng tiêu chuẩn x hệ số an toàn
là hệ số tổ hợp tải trọng, để xét đến xác xuất tác dụng đồng thời của
nhiều tải trọng mang giá trị lớn nhất, ;
)(
nQ
γγ
⋅
c

n
1
≤
c
n
Giá trị của nội lực S phụ thuộc vào:
- Tải trọng tác dụng: giá trị, qui luật, tần suất tác dụng của tải trọng;
- Sơ đồ tính toán kết cấu: liên kết ở 2 đầu cấu kiện;
-
Đặc trưng hình học của tiết diện;
-
Tổ hợp tải trọng, tổ hợp nội lực: các tải trọng có thể tác dụng đồng thời.
a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
[ ]
SS
≤
max
18
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
Biểu thức tổng quát để xác định
khả năng chịu lực của kết cấu:
[ ]
c
fAS
γ
⋅⋅=
A là đặc trưng hình học của tiết diện cấu kiện kết cấu: hoặc là diện tích
A, mô men quán tính I, mô men kháng uốn W của tiết diện;
f là cường độ tính toán của vật liệu thép;

là hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện ; xét đến các điều kiện làm
việc khác nhau của cấu kiện;
c
γ
Khả năng chịu lực [S] của kết cấu phụ thuộc vào :
- Đặc trưng hình học của tiết diện,
- Đặc trưng cơ học của vật liệu;
- Điều kiện làm việc của kết cấu.
a) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 1:
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
[ ]
SS
≤
max
19
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
là biến dạng lớn nhất của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng tiêu
chuẩn;
là giới hạn về biến dạng lớn nhất cho phép để kết cấu có thể sử dụng
được bình thường.
[ ]
∆≤∆
max
max
∆
[ ]
∆
Giá trị của được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế, phụ thuộc vào:
- Tầm quan trọng của công trình: loại công trình, vị trí xây dựng công
trình, từng quốc gia, chủ đầu tư,

-
Loại cấu kiện: cột, dầm sàn, dầm cầu chạy, xà gồ,
-
Vị trí của cấu kiện trong công trình: phòng họp, phòng ở,
[ ]
∆
b) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 2:
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
20
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
Biểu thức tổng quát để xác định biến dạng :
cni
c
i
nP
⋅⋅∆⋅=∆
∑
γ
i
∆
i
c
i
P
∆⋅
là biến dạng do tải trọng tiêu chuẩn gây ra ;
là biến dạng do tải trọng tiêu chuẩn thứ i gây ra.
1
=
c

i
P
Giá trị của phụ thuộc vào:
- Tải trọng tác dụng: giá trị, qui luật, tần suất tác dụng của tải trọng;
- Sơ đồ tính toán kết cấu: liên kết ở 2 đầu cấu kiện;
-
Đặc trưng hình học của tiết diện;
-
Tổ hợp tải trọng, tổ hợp nội lực : các tải trọng có thể tác dụng đồng
thời.
max
∆
b) Biểu thức kiểm tra theo TTGH 2:
1. Các trạng thái giới hạn của kết cấu:
[ ]
∆≤∆
max
21
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán
a) Cường độ tiêu chuẩn:
5%
f
c
Tần suất
Cường độ
95%
Do đặc trưng của vật liệu
luôn biến đổi nên giá trị
cường độ tiêu chuẩn fc

được xác định theo phương
pháp thống kê, với điều kiện
đảm bảo 95% mẫu được
thí nghiệm có cường độ lớn
hơn giá trị fc.
Cường độ tiêu chuẩn của các vật liệu được qui định trong các tiêu chuẩn
thiết kế kết cấu.
22
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
0,2%
ε
σ
qu
σ
Khi tính theo giới hạn chảy (ƯS không cho phép vượt quá giới hạn chảy):
Đối với thép cacbon thấp (có giới hạn chảy):
y
c
ff
=
Đối với thép cacbon cao (không có cường độ
chảy): thì cường độ tiêu chuẩn lấy theo giá trị qui
ước ứng với biến dạng dư là 0,2% :
VD: CCT38 có fc = fy = 2400 daN/cm2.
%2,0
=
==
ε
σ
qu

y
c
ff
Khi cho phép tính theo giới hạn bền
(có hoặc không có giới hạn chảy):
bu
c
ff
σ
==
2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán
a) Cường độ tiêu chuẩn:
dựa theo xác xuất của các mẫu thí nghiệm
c
σ
23
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
b) Cường độ tính toán:
Cường độ tính toán khi tính theo giới hạn chảy:
M
c
f
f
γ
=
M
γ
là hệ số an toàn của vật liệu, xét đến ảnh hưởng của các yếu tố
trong thực tế làm việc của kết cấu, dẫn đến làm giảm thấp khả năng
chịu lực của kết cấu,

Thép có cường độ cao vừa có 3800 daN/cm2 như CCT34,
CCT38:
Thép cường độ cao : (có nhiều hợp chất khác, mức độ
tin cậy không cao)
1
≥
M
γ
05,1
=
M
γ
1,1
=
M
γ
≤
c
σ
Cường độ tính toán khi tính theo giới hạn bền:
u
u
t
f
f
γ
=
3,1
=
u

γ
Cường độ tính toán khi chịu cắt:
M
y
v
f
ff
γ
58,058,0
==
2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán
24
§1.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP
3. Tải trọng và tác động (TCVN 2737-1995)
a) Phân loại tải trọng:
Tuỳ theo thời gian tác dụng, tải trọng được phân thành tải trọng tác dụng
thường xuyên và tải trọng tác dụng tạm thời.
Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải):
Là tải trọng không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều tác dụng
trong suốt quá trình sử dụng công trình.
Gồm trọng lượng bản thân của kết cấu, vật liệu kiến trúc, vật liệu trang
trí, để tạo nên công trình.
Luôn tồn tại trong suốt quá trình sử dụng. VD:
25
§1.5 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
CẤU KIỆN KẾT CẤU THÉP
1. Cấu kiện chịu kéo đúng tâm
2. Cấu kiện chịu uốn (Dầm)
3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm (cột, thanh giàn)