Bai giang ket cau thep

BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP
NGÀNH: Máy xây dựng
Giáo viên: ThS. Vũ Văn Trung
Bộ môn: Máy xây dựng - Xếp dỡ


CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CHUNG

1.Khái niệm chung về kết cấu thép Máy xây
dựng và xếp dỡ.
•Kết cấu thép nói chung, Kết cấu thép máy xây
dựng nói riêng là những kết cấu chịu lực được tạo
nên bằng cách nối ghép các loại thép định hình, các
bản thép bằng mối liên kết hàn, liên kết định tán
hoặc liên kết bu lông tạo thành một kết cấu có hình
dạnh nhất định và đủ khả năng chịu lực và được
dùng cho một mục đích chịu lực cụ thể.
•Kết cấu thép gồm các loại chính sau:
Dạng dầm (dầm định hình và dầm tổ hợp)
Dạng dàn (dàn phẳng và dàn không gian)
Dạng cột (cột kín và cột hở)
Dạng khung (khung phẳng và khung không
gian)


2. Ưu nhược điểm của kết cấu thép.
2.1. Ưu điểm của kết cấu thép:
Cũng như các kết cấu thép trong các công trình xây
dựng, kết cấu thép máy xây dựng có những ưu điểm sau:
•Khả năng chịu lực và độ tin cậy làm việc của kết cấu
thép cao.

•Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn vì vật liệu thép
có cường độ lớn, lớn nhất trong các loại vật liệu chịu lực.
Do vật liệu thép có cấu trúc đồng nhất và đẳng hướng, sự
làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát với các
giả thiết tính toán, nên kết cấu thép làm việc với độ tin cậy
cao. Sự làm việc thực tế phù hợp với lý thuyết tính toán.
•Trọng lượng của kết cấu nhẹ: Kết cấu thép là loại kết
cấu nhẹ nhất trong tất cả các loại kết cấu chịu lực. Vì tỉ lệ
giữa trọng lượng riêng và cường độ tính toán của nó nhỏ
nhất:
Thép có: C = 3,7.10-4
Gỗ có:
C = 5.4.10-4
Bê tông có:
C = 24.10-4


•Tính công nghiệp hoá của kết cấu cao: Thép

được sản xuất trong
ngành nên các bản
chuẩn, rất phù hợp
nghiệp hoá.

các nhà máy cán thép chuyên
thép được chế tạo theo tiêu
với quá trình xây dựng công

•Tính cơ động trong vận chuyển và lắp ráp: Do

trọng lượng của kết cấu thép nhẹ 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
và di chuyển.

•Tính kín khít của kết cấu thép cao: Vật liệu và

liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nước,
không thấm khí nên thích hợp với cho các công trình
bể chứa chất lỏng, chất khí.


2.2. Khuyết điểm của kết cấu thép
Ngoài những ưu điểm trên thì trong quá trình
làm việc kết cấu thép cũng thể hiện rõ các khuyết
điểm:

• Kết cấu thép thường bị xâm thực (ăn mòn điện

hóa): Trong môi trường không khí ẩm, nhất là trong
các môi trường bị xâm thực thì thép bị ôxy hoá dẫn
đến bị gỉ, có thể bị gỉ từ bên ngoài bề mặt cho đến
bị phá huỷ hoàn toàn, vì vậy tránh dùng thép ở nơi
không khí ẩm ướt, nơi có các chất ăn mòn. Và khi
dùng kết cấu thép thì người ta phải sơn bề mặt và
các chất chống ăn mòn cho thép, do đó mà chi phí
cho việc bảo dưỡng cao.


không cháy nhưng ở

• Thép chịu lửao kém: Thép
o

nhiệt độ từ 300 oC đến 600oC thì thép chuyển sang
dẻo, mất khả năng chịu lực, kết cấu dễ bị suy sụp.
Độ chịu lửa của kết cấu thép kém, nên không dùng
trong các công trình nguy hiểm về mặt phòng chống
cháy.

• Giá thành của kết cấu thép cao hơn so với các loại
kết cấu khác. Vì vậy ta cần phải tiết kiệm tối đa vật
liệu bằng cách cải tiến thiết kế, sáng tạo ra các kết
cấu có hình dạng mới.


3. Phạm vi sử dụng
3.1. Dùng cho các công trình xây dựng dân
dụng
•Nhà nhịp lớn là nhà có yêu cầu không gian sử
dụng lớn như: Rạp hát, nhà thi đấu thể thao, nhà
triển lãm... các công trình này có nhịp khá lớn
(khoảng 30-40m hoăc có thể lớn hơn 100m)
•Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt với loại nhà kiểu
tháp, khi số tầng lớn hơn 15 tầng thì kết cấu thép có
lợi hơn kết cấu bê tông cốt thép.

3.2. Dùng cho các công trình công nghiệp
Kết cấu thép được sử dụng nhiều trong các công
trình như nhà máy, nhà xưởng có nhịp lớn, bể chứa
dàn khoan...

3.3. Dùng trong lĩnh vực giao thông vận tải

•Kết cấu thép được dùng khi cần thi công nhanh,

công trình có nhịp lớn đặc biệt được sử dụng làm
cầu treo, có thể vượt được nhịp 1000m.

•Kết cấu thép sử dụng trong các Máy xây dựng-

xếp dỡ và các phương tiện giao thông.

•Ngoài ra,kết cấu thép còn được sữ dụng trong

các công trình tháp như: cột điện, tháp truyền
hình...


3. Những yêu cầu cơ bản của kết cấu thép máy
xây dựng và xếp dỡ.
Máy xây dựng xếp dỡ nói chung là chịu tải trọng
lớn, điều kiện nặng nhọc, tình trạng chịu lực của nó
phức tạp, đồng thời chúng thường là loại máy di
động. Do vậy, để đảm bảo cho máy làm việc bình
thường thì kết cấu thép trong Máy xây dựng xếp dỡ
phải thoả mãn một số yêu cầu sau:
Yêu cầu về sử dụng:
•Yêu cầu chịu lực: Kết cấu thép phải vững chắc,
phải đảm bảo khả năng chịu lực, tức là phải đảm

bảo đủ cường độ, độ ổn định và độ cứng cần thiết.
•Yêu cầu về tuổi thọ: Hình dáng kết cấu phải đảm
bảo thuận tiện cho việc bảo dưỡng, kiểm tra sơn,
bảo vệ.
•Kết cấu dễ sử dụng và có tính thẩm mỹ.


Yêu cầu kinh tế:
•Tiết kiệm vật liệu: Do thép có giá thành cao nên
đòi hỏi người thiết kế phải có các giải pháp để sử
dụng thép một cách hợp lý.
•Tính công nghệ trong xây dựng: Tính công nghệ
được thể hiện từ việc thiết kế sao cho phù hợp với
công việc chế tạo ở xưởng đến việc có thể nhanh
chóng lắp dựng.
⇒ Một phương pháp giúp đạt được những yêu
cầu trên là điển hình hóa kết cấu thép (có thể điển
hình hóa từng cấu kiện như dầm,dàn hoặc điển hình
hóa cả một kết cấu).
Phương pháp này có ưu điểm là tránh được việc
thiết kế lặp lại, từ đó giảm được thời gian thiết kế.
Đây cũng chính là các chỉ tiêu cơ bản để quyết định
lựa chọn dạng kết cấu hợp lý.


4. Giới thiệu các phương pháp tính kết cấu thép .
Hiện nay, để tính toán kết cấu thép chúng ta thường sử
dụng 3 phương pháp:
4.1. Phương pháp lực (tính theo ứng suất giới hạn) :
Đây là phương pháp tính ứng suất lớn nhất sinh ra tại mặt

cắt nguy hiểm nhất của đối tượng tính toán phải đảm bảo điều
kiện độ bền giới hạn, tức là giá trị lớn nhất này phải không vượt
quá giá trị độ bền cho phép của đối tượng đó. Nếu giá trị của
ứng suất sinh ra tại mặt cắt nguy hiểm của đối tượng tính toán
mà lớn hơn giá trị ứng suất cho phép của nó thì khi đó tiết diện
đó sẽ bị phá huỷ, và kết cấu thép sẽ không đảm bảo khả năng
làm việc của nó.
Theo phương pháp này từ lâu đã có nhiều lý thuyết (thuyết
bền) xây dựng công thức tính. Thuyết bền được xây dựng trên
cơ sở giả thiết là hai trạng thái ứng suất nào đó được coi là có
độ bền và độ nguy hiểm như nhau nếu cùng tăng tỷ lệ các ứng
suất chính lên cùng một số lần thì chúng đồng thời đạt đến
trạng thái giới hạn. Lý thuyết bền đươc sử dụng rộng rãi nhất
trong tính toán kết cấu thép Máy xây dựng-xếp dỡ là thuyết
bền “ứng suất tiếp lớn nhất” hay còn gọi là thuyết bền 3.


4. Giới thiệu các phương pháp tính kết cấu thép .
Hiện nay, để tính toán kết cấu thép chúng ta thường sử
dụng 3 phương pháp:
4.1. Phương pháp lực (tính theo ứng suất giới hạn) :
Đây là phương pháp tính ứng suất lớn nhất sinh ra tại mặt
cắt nguy hiểm nhất của đối tượng tính toán phải đảm bảo điều
kiện độ bền giới hạn, tức là giá trị lớn nhất này phải không vượt
quá giá trị độ bền cho phép của đối tượng đó. Nếu giá trị của
ứng suất sinh ra tại mặt cắt nguy hiểm của đối tượng tính toán
mà lớn hơn giá trị ứng suất cho phép của nó thì khi đó tiết diện
đó sẽ bị phá huỷ, và kết cấu thép sẽ không đảm bảo khả năng
làm việc của nó.
Theo phương pháp này từ lâu đã có nhiều lý thuyết (thuyết

bền) xây dựng công thức tính. Thuyết bền được xây dựng trên
cơ sở giả thiết là hai trạng thái ứng suất nào đó được coi là có
độ bền và độ nguy hiểm như nhau nếu cùng tăng tỷ lệ các ứng
suất chính lên cùng một số lần thì chúng đồng thời đạt đến
trạng thái giới hạn. Lý thuyết bền đươc sử dụng rộng rãi nhất
trong tính toán kết cấu thép Máy xây dựng-xếp dỡ là thuyết
bền “ứng suất tiếp lớn nhất” hay còn gọi là thuyết bền 3.


Thuyết bền này do Cu-lông đưa ra năm 1773.
Theo thuyết này thì nguyên nhân vật liệu bị phá
hoại là do ứng suất tiếp lớn nhất ở trạng thái ứng
suất phức tạp đạt đến ứng suất tiếp nguy hiểm ở
trạng thái ứng suất đơn. Nói một cách khác là độ
bền của vật liệu ở trạng thái ứng suất phức tạp sẽ
được đảm bảo nếu ứng suất tiếp chưa vượt quá giá
trị cho phép của ứng suất tiếp ở trạng thái ứng suất
đơn.
Do người ta phải dựa vào các thí nghiệm ở trạng
thái ứng suất đơn khi xây dựng công thức tính do đó
cần phải đưa trạng thái ứng suất phức tạp đang xét
về trạng thái ứng suất tương đương. Nghĩa là trạng
thái ứng suất giới hạn của trạng thái phức tạp cũng
chính là trạng thái ứng suất giới hạn của trạng thái
ứng suất tương đương.


Ứng suất chính của trạng thái ứng suất chính tương
đương gọi là ứng suất tương đương, ký hiệu:σ tđ

Phân tố B tương đương phân tố A
Và công thức xác định điều kiện bền của trạng thái
ứng suất phức tạp là:
2
2

σ td = σ + 4τ ≤ [ σ ]

Khi τ =0 ta có công thức dưới dạng đơn giản hơn:
σ tđ =σ ≤[σ]
Với là ứng suất cho phép xác định theo công thức :

σ nc
[σ ] =
n

Trong đó:
σ nc : Ứng suất nóng chảy (ứng suất danh nghĩa
thường ghi trên mác thép). Đối với thép CT3
σ nc =2400Mpa


n: Hệ số an toàn, được thành lập như sau:
Giả sử ứng suất thực tế (hay tải trọng thực tế) vượt quá
ứng suất thiết kế σ tk (hay tải trọng sử dụng) một lượng ∆σ tk
và độ bền thực tế là nhỏ hơn độ bền danh nghĩa σ một
lượng ∆σ , kết cấu muốn an toàn thì ít nhất phải có:
σ - ∆σ = σ tk + ∆σ tk hay
 ∆σ tk 
 ∆σ 

σ 1 −
÷
÷ = σ tk  1 +
σ 
σ tk 


Hệ số an toàn n chính là
∆σtỷ số của độ bền danh nghĩa trên
1+
ứng suất thiết kế:σ
σ
n= σ = ∆σ tk
tk

1−

σ tk

Nếu giả sử sự quá tải ngẫu nhiên ∆σ tk/σ tk có thể lớn hơn
giá trị danh nghĩa 40%, sự chịu lực kém ∆σ /σ có thể nhỏ
1 + 0.4
hơn giá trị danh nghĩa 15% thì có:
= 1.65
n= 1 − 0.15
Trong thực tế tính toán thường chọn n=1.5.


Như vậy đối với thép CT3 ta có:

σ 240
[σ ] = =
= 160 Mpa
n 1.5

Phạm vi ứng dụng: Thuyết bền này áp dụng để
tính toán cho các loại vật liệu dẻo, đối với vật liệu
dòn ta sử dụng lý thuyết bền Morh


4.2. Phương pháp tính theo độ bền mỏi
Phương pháp này tính đối với các chi tiết của kết
cấu chịu tải trọng thay đổi khiến cho các chi tiết bị
phá hủy trong khi vẫn đảm bảo điều kiện bền.
Hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy dần dần sự
phá hỏng trong bản thân vật liệu dưới tác dụng của
ứng suất thay đổi theo thời gian.ứng suất thay đổi
làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt
mỏi cũng phát triển và dẫn tới sự phá hủy do mỏi.
Độ bền mỏi là tính chất của vật liệu chống lại quá
trình phá hỏng do mỏi.
Giới hạn mỏi của vật liệu ở một điều kiện nào đó
là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời
gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sỡ mà mẫu
chuẩn không bị phá hỏng. Mỗi loại vật liệu có quy
định số chu kỳ ứng suất cơ sở riêng. Gọi N0 là số chu
kỳ ứng suất cơ sở, bảng dưới đây nêu trị số N0 cho
một số loại vật liệu thường dùng:

T
T

Loại vật liệu

N0

1

Thép các bon thấp(σb=40÷60 kg/mm2)

2.106

2

Thép các bon trung bình(σb=50÷100 kg/mm2)

2.106

3

Thép hợp kim(σb=80÷180 kg/mm2)

2.106

4

Kim loại màu

5.106

5

Gang

1.5.106

6

Vật liệu Cômpzit
1.5.106
4.3. Phương pháp chuyển vị (hay phương pháp năng
lượng)
Chuyển vị của kết cấu: Khi kết cấu chịu tác dụng của ngoại
lực, nhiệt độ thay đổi hay chuyển vị cưỡng bức, bản thân vật
liệu tạo thành kết cấu sẽ có biến dạng (kéo nén,uốn..). Tổng
hợp các biến dạng đó thành những chuyển vị tại mỗi điểm, mỗi
vị trí hay mỗi mặt cắt trên kết cấu. Như vậy khi kết cấu bị biến
dạng, hầu hết các điểm trên kết cấu có sự di chuyến tới một
điểm mới. Sự dời chỗ (hay di chuyển) của một điểm khi kết cấu
bị biến dạng gọi là chuyển vị của điểm đó.


4.4. Phương pháp phần tử hữu hạn tính kết cấu
thép.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trong tính toán
kết cấu thép là coi một phần tử liên tục như là tổ hợp
của nhiều phần tử liên kết với nhau bởi một số các điểm
(nút) thì các phần tử được hình thành này gọi là phần tử
hữu hạn.

Việc phân chia số lượng các PTHH nhiều hay ít là phụ
thuộc vào từng kết cấu và yêu cầu độ chính xác cần đạt
được. Nếu càng chia nhỏ kết cấu thì độ chính xác càng
cao.


5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của
thép.
• Hiện tượng cứng nguôi
• Tính già của thép
• Ảnh hưởng của nhiệt độ
• Ảnh hưởng của ứng lực tập trung
• Ảnh hưởng của tải trọng lặp


CHƯƠNG 2. NỐI GHÉP KẾT CẤU THÉP

1. NỐI GHÉP BẰNG HÀN:
• Hàn đối đầu
-Hàn thẳng không vát mép
-Vát mép thành hình chữ V
-Vát mép hình chữ X
-Vát mép hình chữ K
• Hàn góc
2. NỐI GHÉP ĐINH TÁN:
• Mối ghép bằng (dùng bản nối ghép)
• Mối ghép chồng (có thể dùng bản nối ghép hoặc
không dùng)

3. NỐI GHÉP BU LÔNG

• Bu lông thô (được chế tạo với độ chính xác

không cao): Thường dùng trong các mối nối bu
lông liên kết lỏng

• Bu lông tinh và bu lông cường độ cao (được

chế tạo với độ chính xác cao): Thường dùng
trong các mối nối bu lông liên kết chặt


CHƯƠNG 3. DẦM THÉP
1. KHÁI NIỆM CHUNG:
•Khái niệm: Dầm là kết cấu chủ yếu chịu uốn, nó được
sử dụng rộng rải trong công nghiệp và dân dụng.
• Phân loại: theo cấu tạo mặt cắt dầm
+ Dầm định hình: Là loại dầm thép mà mặt cắt của
dầm được làm từ mặt cắt của một loại thép hình (I, C,
….).
+ Dầm tổ hợp: là loại dầm thép mà mặt cắt dầm được
cấu tạo bằng cách ghép các tầm thép bản bằng các liên
kết cơ khí (hàn, đinh tán) tạo thành một mặt cắt có hình
dạng nhất định và đủ khả năng chịu lực, có hai dạng mắt
cắt dầm tổ hợp thường dùng là mặt cắt dạng chứ I hoặc
mặt cắt hình hộp.
+ Dầm ghép: là loại dầm thép mà mặt cắt dầm có thể
được cấu tạo bằng cách ghép hai loại thép hình lại với
nhau hoặc ghép dầm tổ hợp với dầm định hình (I) nhằm

thỏa mãn những yêu cầu sử dụng cụ thể.


•Cấu tạo dầm:

Dầm định hình

• Phạm vi sử dụng:

Dầm tổ hợp

Do có ưu điểm cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo
thấp nên dầm được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh


+ Dầm định hình thường dùng cho những kết cấu có
khẩu độ nhỏ và tải trọng nhỏ hoặc trung bình (thông
thường dưới 10 tấn). Nhưng đây là kết cấu được ưu tiên
dùng (nếu có thể) trong quá trình thiết kế chế tạo dầm
vì nó có ưu điểm là không tốt công và thời gian chế tạo,
kết cấu đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm của mặt cắt
dầm định hình là trọng lượng lớn, các cấu kiện của mặt
cắt được định hình sẵn nên có thể một số bộ phận của
mặt cắt có thể thừa bền dẫn đến lãng phí vật liệu và
tăng trọng lượng dầm nên không dùng cho những kết
cấu chịu lực lớn.
+ Dầm tổ hợp: dùng cho các cấu kiện có sức chịu tải
lớn (lớn hơn 10 tấn), khẩu độ lớn hoặc những cấu kiện
có mô men tải lớn. Ưu điểm của dầm tổ hợp là mọi cấu
kiện của mặt cắt dầm đều được tính toàn phù hợp theo

điều kiện chịu lực thực tế của kết cấu nên rất tiết kiệm
vật liệu và trọng lượng nhẹ, nhưng nhươc điểm lớn nhất
là tình toán phức tạp và tốn công chế tạo nên giá thành
sản phẩm cao.