Bài giảng Kết cấu thép gỗ - Chương 1: Cơ sở thiết kế kết cấu thép

ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI 
BỘ MÔN KẾT CẤU THÉP, GỖ 
BÀI GIẢNG 
KẾT CẤU THÉP GỖ 
THÔNG TIN CHUNG VỀ MÔN HỌC 
1. Thời lượng môn học: 3 tín chỉ 
 Số tín chỉ lý thuyết: 2 
 Số tín chỉ tự học: 1 
2. Hình thức thi: 
 Thi 1 lần. Thi trắc nghiệm chung toàn khóa. 
3. Tiêu chuẩn đánh giá kết quả học phần: 
 Điểm quá trình: 20% Điểm danh: 5/10 
 Kiểm tra : 5/10 
 Điểm thi : 80% 
GIÁO TRÌNH HỌC 
TIÊU CHUẨN, SÁCH THAM KHẢO 
NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH 
CHƯƠNG 1 – CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG 2 – CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN TRONG KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG 3 - LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
1.1. Đại cương về kết cấu thép 
 Khái niệm 
 Kết cấu thép là kết cấu của công trình xây dựng bằng thép 
hoặc bằng kim loại khác. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Ưu nhược điểm của kết cấu thép 
1. Ưu điểm 
 Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao. 
 Trọng lượng nhẹ. 
 Có tính công nghiệp hóa cao. 
 Có tính cơ động trong vận chuyển lắp ráp. 
 Tính kín. 
2. Nhược điểm 
 Bị xâm thực. 
 Chịu lửa kém: ở T =500  600°C thép chuyển sang dẻo. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Phạm vi ứng dụng 
 Nhà công nghiệp 
 Nhà nhịp lớn 
 Bể chứa 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Tháp thép 
Nhà cao tầng 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Cầu thép 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Kết cấu cầu di động 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
 Phạm vi ứng dụng 
 Nhà công nghiệp 
 Nhà nhịp lớn 
 Khung nhà nhiều tầng 
 Cầu đường bộ, đường sắt 
 Kết cấu tháp cao: cột điện, ăng ten vô tuyến 
 Kết cấu bản: Bể chứa dầu, bể chứa khí ... 
 Các loại kết cấu di dộng: Cần trục, cửa van,gương ăng ten 
parabol... 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Yêu cầu đối với kết cấu thép 
1. Yêu cầu về sử dụng 
 Đảm bảo độ bền, độ cứng, độ ổn định, độ bền lâu và thẩm mỹ. 
2. Yêu cầu về kinh tế: (Giá thành thấp) 
 Tiết kiệm vật liệu, tính công nghệ khi chế tạo, lắp ráp nhanh ... 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Vật liệu sử dụng trong kết cấu thép 
Thép = Fe + C + Hợp kim + Tạp chất 
Một số hình ảnh lò luyện thép 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Cán thép sợi 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Cán thép 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Cán nóng thép hình 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Phân loại Thép 
1. Theo thành phần hóa học 
 Thép Cácbon: Fe + C 
• % C < 1,7% 
• Thép Cácbon thấp (%C <0,22%) mềm, dẻo, dễ hàn dùng trong xây 
dựng 
• Thép Cácbon vừa và cao dùng trong các ngành công nghiệp khác 
 Thép hợp kim: Fe + C + Hợp kim 
• Thép hợp kim thấp (% kim loại khác < 2,5%) được dùng trong xây dựng 
• Thép hợp kim vừa và cao: Không được dùng trong kết cấu xây dựng 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
2. Theo phương pháp luyện thép 
• Lò quay (Besmer, Thomas) 
• Lò bằng (Martin) 
• Lò quay cải tiến 
3. Phân loại theo mức độ khử ôxy 
• Thép sôi 
• Thép tĩnh 
• Thép nửa tĩnh 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Cấu trúc và thành phần hóa học của thép 
1. Cấu trúc: 
Thép có cấu trúc tinh thể, bao gồm: 
- Hạt pherit: (Fe) có tính dẻo, mềm chiếm 99% trong lượng thép. 
- Màng xementit: (Fe3C) có tính chất cứng và giòn. 
- Màng peclit: do xementit hỗn hợp với ferit tạo thành. 
2. Thành phần hoá học: gồm có Fe và C. 
- Mn: làm tăng cường độ, tăng độ dai. (%Mn > 1,5% thép trở nên 
giòn). 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
- Si: làm tăng cường độ thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn.(% Si 
< 0,3%). 
- P: làm giảm tính dẻo và độ dai của thép. 
- S: Làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao, dễ bị nứt khi hàn và rèn. 
- Đối với thép hợp kim, đưa thêm vào các nguyên tố kim loại như 
Cu, Ni, Cr, Ti ... tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của 
thép. 
- Ôxy, Nitơ làm thép bị giòn, giảm cường độ 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Số hiệu thép xây dựng 
1. Thép các bon thấp cường độ thường 
- Thép cácbon thấp, giới hạn chảy không quá 360 MPa. 
- Số hiệu thường dùng: 
 CCT34, CCT34s, CCT34n 
 CCT38, CCT38s, CCT38n, CCT38nMn 
 CCT42, CCT42s, CCT42n 
- Ý nghĩa kí hiệu: CCT38s 
C 
Nhóm thép 
• A - Cơ học 
• B - Hóa 
học 
• C - Cơ hóa 
CT 
Các 
bon 
thấp 
38
Giới hạn bền 
daN/cm2 
s 
Phương pháp 
khử 
• s - Sôi 
• n - Nửa tĩnh 
• Không ghi - Tĩnh 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
2. Thép cường độ khá cao 
- Thép các bon thấp qua nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp, giới 
hạn chảy không quá 400 MPa, giới hạn bền 450-540 MPa. 
- Số hiệu thường dùng: 
 09Mn2,14Mn2,16Mn2Si, 09Mn2Si, 10Mn2Si1, 10CrSiNiCu. 
- Ý nghĩa kí hiệu: 
Hai chữ số đầu chỉ phần vạn hàm lượng cácbon. 
Các chữ cái chỉ tên hợp kim có trong thép. 
Các chữ số đứng sau tên hợp kim chỉ % hàm lượng hợp kim (nếu 
hàm lượng 1%). 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
3. Thép cường độ cao 
- Thép hợp kim thấp qua nhiệt luyện, giới hạn chảy trên 440 MPa, 
giới hạn bền trên 590 MPa. 
- Số hiệu thường dùng: 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV... 
- Ý nghĩa kí hiệu: N - nitơ, Mo - môlípđen, V - vanađi 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Các tính chất cơ học của thép 
Sự làm việc chịu kéo - Dạng làm việc cơ bản 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Biểu đồ ứng suất biến dạng và các giai đoạn chịu lực 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
 OA' - Giai đoạn đàn hồi: Bỏ lực, mẫu thép trở lại hình dạng ban 
đầu. 
 OA - Giai đoạn tỉ lệ: biểu đồ là đoạn thẳng,  -  có quan hệ tỉ lệ, 
tuân theo định luật Húc. 
 AA' - đồ thị hơi cong đi, không còn quan hệ tỉ lệ, nhưng thép vẫn 
làm việc đàn hồi. 
 A'B - Giai đoạn đàn hồi dẻo: Biểu đồ là đường cong rõ rệt, thép 
không còn làm việc đàn hồi. 
 BC - Giai đoạn chảy dẻo: Là đoạn thẳng nằm ngang. Biến dạng 
tăng khi P không đổi. đoạn BC gọi là thềm chảy. 
 CD - Giai đoạn củng cố: Biểu đồ là đường cong thoải. Lực tăng, 
biến dạng tăng nhanh. Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ và bị 
kéo đứt tại D. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Thềm chảy chỉ có ở thép các bon thấp. Biểu đồ kéo của thép các 
bon cao hoặc thép cường độ cao không có thềm chảy. Sau giai 
đoạn đàn hồi thép chuyển ngay sang giai đoạn củng cố. Vì vậy, giới 
hạn chảy là quy ước và lấy bằng ứng suất khi biến dạng dư đạt giá 
trị 0,2%. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Các đặc trưng cơ học chủ yếu 
 c – Giới hạn chảy: Cường độ 
 b – Giới hạn bền: Hệ số an toàn 
 0 – Độ giãn dài khi đứt: Dấu hiệu báo sự phá hoại 
Sự làm việc chịu nén 
 Tương tự như chịu kéo, có cùng tl ,c và E. 
 Trong giai đoạn củng cố không xác định được giới hạn bền ở thép 
cácbon thấp (mẫu thép bị phình to ra và vẫn tiếp tục chịu được tải 
trọng). 
 Trong giai đoạn làm việc đàn hồi hoặc đàn hồi dẻo, các đặc trưng 
cơ học tính toán của thép chịu nén lấy giống chịu kéo. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Sự phá hoại giòn 
Phá hoại giòn: sự phá hoại với biến dạng nhỏ kèm theo những vết 
nứt, xảy ra đột ngột khi kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi. 
Một số nguyên nhân gây phá hoại giòn: 
• Sự biến cứng nguội. 
• Sự tập trung ứng suất. 
• Sự mỏi của thép. 
• Sự lão hoá. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
, 
, 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY DỰNG 
I. Thép hình 
1. Thép góc 
- Dùng làm thanh chịu lực như thanh 
chống, thanh dàn hoặc dùng làm cấu 
kiện liên kết các kết cấu khác. 
- Có hai loại : đều cánh và lệch cánh. 
- Kí hiệu : 
 Ví dụ : Thép đều cánh L 50x50x5, 
thép lệch cánh L 63x40x4. 
- Chiều dài l = 4 – 13 m. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
2. Thép chữ I 
- Dùng làm dầm, làm cột . 
- Có tất cả 23 loại chiều cao từ 100 – 600 mm. 
- Kí hiệu : Ví dụ : I 30 
Chiều dài l = 4 – 13 m. 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
3. Thép chữ C 
- Dùng làm tiết diện cột, dầm chịu uốn xiên, thanh dàn trong dàn 
cầu. 
- Có tất cả 22 loại tiết diện từ C5 đến C40 
- Kí hiệu : C22 
Chiều dài l = 4 – 13 m 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
II. Thép tấm 
Có tính vạn năng 
• Thép tấm phổ thông 
• Thép tấm mỏng 
• Thép tấm dày 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
III. Thép hình dập nguội 
 Dập nguội từ những tấm thép mỏng (2 – 16 mm) 
 Nhẹ hơn nhiều so với thép hình 
 Hiện tượng tập trung ứng suất và phá hoại giòn 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
Thép Z và C dập nguội 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
§ 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP 
I. Phương pháp trạng thái giới hạn 
1. Trạng thái giới hạn I - khả năng chịu lực (cường độ, ổn định) 
 N S 
 N - Tải trọng, nội lực, ứng suất (tải trọng tính toán) 
 S - Tải trọng cho phép, nội lực giới hạn, cường độ 
2. Trạng thái giới hạn II - Biến dạng 
 [ ] 
 - Độ võng, độ lún, lún lệch, độ nghiêng, góc xoay, gia tốc, 
chuyển vị đỉnh... 
 [ ] - biến dạng cho phép trong tiêu chuẩn 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
II. Tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 
1. Phân loại tải trọng 
- Tải trọng thường xuyên : Trọng lượng kết cấu, đất 
- Tải trọng tạm thời: 
• Ngắn hạn: Con người, gió 
• Dài hạn: Thiết bị (quạt, bàn ghế) 
• Đặc biệt: Động đất, nổ 
2. Tải trọng tiêu chuẩn và tính toán 
- Tải trọng tiêu chuẩn Pc: xác lập trên cơ sở thống kê 
- Tải trọng tính toán P: xét đến sự biến thiên của tải trọng do những 
sai lệch ngẫu nhiên khác với điều kiện sử dụng bình thường 
 P =Pcp 
III. Cường độ tiêu chuẩn và tính toán 
Cường độ chịu kéo xem bảng 1.1, 1.2 phụ lục 1 trang 284 
Cường độ khác xem bảng 1.2 trang 38 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
3. Hệ số độ tin cậy của tải trọng 
 Tải trọng p < 2 kN/m2 p = 1,3 
 Tải trọng p 2 kN/m2 p = 1,2 
 Tải trọng gió : p = 1,2 
 Vật liệu thép p = 1,05 
4. Tổ hợp tải trọng 
Xét đến tính không đồng thời để các tải trọng cùng đạt giá trị lớn 
nhất 
 THCB 1: 
 THCB 2: 
 THĐB: 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
p0,1g0,1q 
 p9,0g0,1q
 p9,0p0,1g0,1q db
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CƠ BẢN 
I. Cấu kiện chịu kéo đúng tâm 
Kiểm tra bền 
II. Cấu kiện chịu uốn 
1. Kiểm tra bền 
 Trường hợp không cho phép có biến dạng dẻo 
c
n
.f
A
N
 
)1(
c
n
max .f
W
M
 
cv
w
max .f
t.I
S.V
 
)2(
)3(
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
 Trường hợp cho phép có biến dạng dẻo 
c
n1
.f
Wc
M
 
c
2
1
2
1td .f.15,13    
)4(
)5(
2. Kiểm tra võng 
ll
)6(
W.cW 1d 
IV. Cấu kiện chịu (kéo) nén lệch tâm 
1. Kiểm tra bền 
Cấu kiện chịu kéo hoặc cấu kiện chịu nén có me>20 
 Không biến dạng dẻo: 
 Có biến dạng dẻo: 
2. Kiểm tra ổn định 
 Trong mặt phẳng 
 Ngoài mặt phẳng 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
c
nn
.f
W
M
A
N
 
1
.f.W.c
M
.f.A
N
cnx
2
3
cn


c
e
crx .f
A
N
 
 
c
yy
cry .f
A..c
N
 
 
CHƯƠNG I - CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 
III. Cấu kiện chịu nén đúng tâm 
1. Kiểm tra bền 
2. Kiểm tra ổn định 
- : là hệ số uốn dọc, tra bảng theo ( , f ) 
c
n
.f
A
N
 
ccr .f
A.
N
 
 
N
)7(
)8(