Đang tải... (xem toàn văn)
giáo trình Thiết kế kết cấu thép giáo trình Thiết kế kết cấu thép giáo trình Thiết kế kết cấu thép giáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thépgiáo trình Thiết kế kết cấu thép
GS TS ĐOÀN ĐỊNH KIẾN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP ( T H E O Q U Y P H Ạ M H O A KÌ A I S C / A S D ) DESIGN OF STEEL STRUCTURES (AISC/ASD METHOD) (Tái bản) NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I-2 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua, với phát triển nhanh chóng kinh t ế đất nước ta theo đường lối đổi Đảng, hàng nghìn công trình công nghiệp, dân dụng đ ã xây dựng mà phần lớn làm thép Các nhà thép thiết k ế theo tiêu chuẩn nhiều nước: Việt Nam, Nga, Mĩ, Anh, úc , với cho phép Nhà nước ta Trong tiêu chuẩn thiết k ế nêu quy phạm thiết kê'của Hoa Kì, Anh hay áp dụng ntuừìg cồn xa lạ với kĩ sư Việt Nam Đ ể giúp bạn đọc có tài liệu d ể tham khảo sử dụng thiết k ế thẩm tra công trình làm theo Quy phạm Hoa Kì Anh, Chúng dự định viết m ột sô' tập sách lẩn lượt đưa xuất sau: Tập ì ; Thiết kề kết cấu thép theo Quy phạm Hoa Kì A1SC/ASD; Tập 2: Thiết k ể kết cấu nhà thép tiền chế; Tập 3: Thiết k ể kết cấu thép theo Tiêu chuẩn Anh BS 5950 : 2000; Tập 4: Thiết k ế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội Cuốn sách tập sách, với nội dung phương pháp thiết k ế theo ứng suất cho phép Viện AỈSC Sách trình bày phương pháp công thức tính toán cấu kiện bản: cấu kiện chịu uốn, chịu kéo, chịu nén, chịu lực kết hợp, dầm tổ hợp liên kết hàn bulông Một sô' vấn đề Quy phạm tính toán mỏi, tính cấu kiện vát, s ẽ đề cập Tập Đ ây sách giáo khoa vê kết cấu thép, không trình bày dạng kết cấu mà nhằm giải thích hướng dẫn sử dụng phương pháp công thức Quy phạm Tuy nhiên chừng mực có thể, s ẽ c ố gắng nêu yêu cầu cấu tạo cấu kiện, c ố gắng làm rỗ nguồn gốc, ý nghĩa vật lý công thức, hệ số Mỗi vấn đ ề lý thuyết đểu có kèm theo thí dụ minh hoạ Các thí dụ sử dụng vật liệu thép loại thép hình tiêu chuẩn Hoa Kì Hệ đơn vị đo lường thí dụ hệ đo lường hợp pháp Việt Nam, vân Quy phạm đương nhiên phải hệ đo lường Hoa K ì có ghi đơn vị SI cố thể Đặc biệt, Tập viết dạng song ngữ tiếng Việt tiếng Anh nhảm giúp bạn đọc có thuật ngữ khái niệm ngôn ngữ gốc, đồng thời giúp bạn muốn làm quen với văn khoa học kĩ thuật tiếng Anh Hai Việt Anh hoàn toàn giống Cuối sách phần Phụ lục gồm bảng quy cách thép hình cán nóng Mĩ, cần thiết đ ể sử dụng với Quy phạm Hoa Kì D o thời gian trình độ người viết hạn chế, đặc biệt trình độ Anh ngữ d ể viết sách song ngữ, tập sách chắn sai sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc r p / _ _• Tác già THIẾT KẾ KẾT CẤU TH ÉP (THEO QUY PHẠM HOA KÌ AISC/ASD) Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CÂU THÉP I PHẠM VI ÁP DỤNG Sách trình bày cách thiết kế kết cấu thép theo phương pháp ứng suất cho phép Quy định kĩ thuật AISC/ASD Tên đầy đủ Quy định kĩ thuật đ ể thiết k ế nhà thép theo phương pháp ứng suất cho phép phương pháp thiết k ế dẻo (The Speciíications for Structural Steel Buildings - Allovvable Stress Design and Plastic Design) (sau gọi ngắn gọn Quy phạm AISC Quy phạm) Quy phạm Viện kết cấu thép Hoa Kì (American Institute of Steel Construction, viết tắt AISC) biên soạn xuất nãm 1989 để sử dụng thiết kế nhà khung thép Từ 1993, phương pháp khác AISC ban hành phương pháp thiết k ế theo hệ số tải trọng hệ sô' đ ộ bền (Load and Resistance Factor Design) Cả hai phương pháp hiên sử dụng nhau, tuỳ theo lựa chọn người thiết kế Quy phạm AISC sử dụng sô' thuật ngữ cần hiểu sau : Thuật ngữ thép kết cấu (structural Steel) có hai nghĩa : Nghĩa thứ thép cacbon, loại thép ASTM A36, A53, A529, A570, V.V Nghĩa thứ hai dùng Quy phạm cấu kiện thép kết cấu dMng để mang tải trọng thiết kế Các cấu kiện bao gồm : - Dầm, dầm ; cột chống đứng ; hệ giằng ; giàn ; khung phận khung như: lanh tô, khuôn cửa, treo, chống, nối - Tấm sàn gắn với khung thép ; cấu kiện mônôray, ray cầu trục mô' chắn cầu trục ; - Các loại liên kết để nối cấu kiện : đinh tán, bulông vĩnh cửu, chốt trục, bulông neo, chêm chịu cắt Những thứ không nêu không coi thép kết cấu "Structural Steel" là: - Dây cáp mái treo, thép tạo hình nguội, phận thép chôn b ê t ô n g , tấ m sà n k h ô n g g ắ n v i k h u n g th é p ; - Liên kết tạm để lắp ráp hay dựng lắp ; - Thang, cầu thang, mặt sàn kim loại hay kiểu lưới, dấm bụng rỗng ; - Bể chứa bình áp lực; Đó giới hạn phạm vi áp dụng cúa Quy phạm II VẬT LIỆU 2.1 Thép Quy phạm liệt kê 16 loại thép cúa tiêu chuấn ASTM sử dụng kết Cấu nhà Có phân loại thép nàv vào nhóm sau : Thép cacbon (hay thép kết cấu) : - A36, loại thép cacbon thấp phổ thông dùng rộng rãi xây dựng Điểm cháy thấp : 36 ksi hay 24,8 kN/cm2 Cường độ kéo biến đổi phạm vi rộng từ 58 đến 80 ksi hay 40 đến 55 kN /cm (Chú thích ; ỉ ksi = 0,6895 kN/cm2) - A53, loại thép cacbon thấp dùng làm ống hàn không mạch nối, đế trần ha) mạ kẽm Dùng nhiều nhà, đặc biệt làm cột hay giàn - A500 A501, ống thép tròn, vuông hay chữ nhật, tạo hình nguội (A500) cân nóng (A 501), dùng cho kết cấu phổ thông hàn hay liên kết bulông - A529 thép cacbon, làm nhó Tính nãng học cao, dùng nhà, đặc biệt nhà tiêu chuán hơá A570, thép cacbon chất lượng cao dạng sản phấm ỵếu thép dải hoãc cuộn thcp móng Chuyên dùng làm câu kiện tạo hình nguội nhà Bao gồm cấp từ cấp 30 (tức giới hạn chảy 30 ksi) đến cấp 50 (giới hạn chùy 50 ksi) Thép hợp kim thấp cườníỊ độ cao: A572, thép thông dụne, thành phần hợp kim côlombì vanađi, sán phẩm thép hình, Có cấp : 42, 50, 60, 65 Dùng cho kết cấu hàn, liên kết bulông đinh tán với cấp : dùng cho cầu hàn hai cấp 42 50 - A441, thép tương tự, ngày thay bới A572 - Bốn loại hựp kim thấp cường độ cao A242, A588, A606, A607, có độ bền chống xâm thực cúa khí trời cao thép cacbon nhiều lần Được gọi thép chịu thời tiết, sản phẩm lliép hình thép Dùng làm kết cấu hàn, bulông hay đinh tán nhà cầu Tlìép hợp Um hợp kim thấp nhiệt luyện : A852, A514 Các thép nàv có tính học cao : cường độ chảy đạt tới 80 đến 110 ksi (55 đến 76 kN /cm 2) Có thè hàn phương pháp thích hợp Chí có sản phấm thép tấm, dùng chủ yếu cho cẩu hàn Thép kết cấu clìmx làm cầu: A709 Nhóm thép bao gồm nhiều loại thép khúc n h a u : ih é p c a c b o n , th é p hựp k im th ấ p c n g đ ộ c a o , th é p h ợ p k im , th é p n h iệ t lu y ệ n Các cấp cường độ hao gồm cấp A36, A572, A588 A514, độ bền chịu va chạm cao Bảng cho tính chất cúa 16 loại thép chấp thuận sử dụng theo Quy phạm AISC Báng 1.1 Tính chất cua 16 loại thép cháp thuận sứ dụng theo Quy phạm AISC Tên gọi theo ASTM ứng suất cháy tối thiếu Fv, ksi (kN/cnr) 32 (22) \Ĩ Cường độ kéo đứt Fu, ksi (kN/cnr) 58-80(40-55) 36(25) Ghi Dày 200 mm Đến 200 mm A.53 cấp B 35 (24) 60 (41,5) A242 42 (29) 63 (43,5) Dày 40 đến 200 mm 46(31,5) 67(46) 20 đến 40 mm 50 (34,5) 70(48) Đến 20 mm A441 không sử dụng từ 1989 ; thay bời A572 33 (22,8) 45 (310) cấp B 42(29) 58 (40) cấp c 46 (317) 62 (42,7) A500 cấp A 39 (26,9) 45 (310) cấp B 46(317) 58 (40) cấp c 50 (34,5) 62 (42,7) A501 36 (25) 58 (40) A5I4 90 (62) 100-130 (69-89.5) Dày 65 đến 150 mm 100(69) 110-130(76-89,5) Đến 65 mm A529 42 (29) 60-85 (41,4-58,6) Dày đến 13 mm A570cấp 40 40 (27,5) 55 (38) cấp 45 45 (31) 60 (41,5) cấp 50 50(34,5) 65(45) 42 (29) 60 (41.5) Dày đến 150 mm cấp 50 50 (34,5) 65 (45) Đến 100 ram cấp 60 60(41,5) 75 (52) Đến 32 mm cấp 65 65(45) 80 (55) Đến 32 mm 42 (29) 63 (43,5) Dày 125 đến 200 mm 46 (31.5) 67 (46) 100 đến 125 mm 50(34,5) 70 (48,5) Đến 100 mm 45(31) 65 (45) 50 (34,5) 70(48) A500cấp A A572 cấp 42 A588 A606 Thép tròn Thép hình j Tên gọi theo ASTM A607 cấp 45 Úng suất chảy tối thiểu Fyi ksi (kN/cm2) Cường độ kéo đứt Fu, ksi (kN/cm2) Ghi 45 (31) 60(41,5) cấp 50 50(34,5) 65(45) cấp 55 55 (38) 70 (48) cấp 60 60(41.5) 75 (52) cấp 65 65(45) 80(55) cấp 70 70 (48) 85(59) A618 cấp ỉ & II 50 (34,5) 70(48,5) cấp III 50 (34,5) 65 (45) A709 cấp 36 36 (50) 58-80 (40-55) Dày đến 100 mm cấp 50 50 (34,5) 65(45) Dày đến 100 mm cấp 50W 50 (34,5) 70 (48.5) Dày đến 100 mm 90 (62) 100-130(69-89,5) Trên 65 đến 100 mm 100(69) 110-130 (76-89,5) Đến 65 mm C ấ p l0 & 100W cấp 100& 100W A852 70 (48,5) Dày đến 20 mm Dày đến 100 mm 2.2 Thép hình thép Các sản phẩm thép kết cấu chế tạo thành dạng thép hình, thép dẹt thép Thép hình cán nóng thông dụng thép góc (chữ L), thép máng (chữ C) chữ I Thép I dùng rộng rãi loại cánh rộng, gọi thép w (W từ "wide-flange", cánh rộng) Thép w cánh rộng kí hiệu chữ w kèm theo bể cao tiết diện tính in trọng lượng tính fút, ví dụ w 18x60 có bề cao 18 in nặng 60 pounds/foot (trong hệ đơn vị SI có nghĩa bề cao danh nghĩa 460 mm khối lượng 89,2 kg/m) (Ghi : ỉ lb/ft = ỉ ,487 kg/m) Có nhiều loại kích cỡ tiết diện w : loại lớn nặng W 44x285, W 36x848 ; loại nhỏ nhẹ W x l3 W6x9 Thép hình s (S chữ "Standard"- tiêu chuấn) gọi dầm I tiêu chuẩn, có cánh mặt dốc hẹp bụng dày so với thép w Kích cỡ bao gồm phạm vi từ S24x 106 đến S x Thép hình I khác gọi thép M (M từ chữ "miscellaneous" pha tạp), có kích thước trọng lượng khác với thép s thép w Dùng làm cột dầm công trình thép nhẹ Kích cỡ bao gồm phạm vi từ M I4x18 tới M6x4.4 Thép máng, gọi thép c (C từ chữ "channel"), có mặt cánh dốc nghiêng Kí hiệu C15x50 (lớn nhất) đến c 3x4.1 (nhỏ nhất) Thép máng pha tạp hay MC loại không xêp vào loại c Kí hiệu M C18x58 (lớn nhất) tới MC 6x 12 (nhó nhất) 10 Thép góc (đều cạnh không đểu cạnh) kí hiệu chữ L; bề rộng bể dày cánh tính in Cạnh dài viết bề dày viết sau Cỡ lớn L9x4x5/8 thép góc không đểu cạnh L8x8x 11/8 thép góc đểu cạnh ; cỡ nhỏ L lx lx l/8 Còn có loại thép hình khác thép T cắt từ thép hình w hay M hay s shape (được kí hiệu WT, MT, ST) Ví dụ thép W T5x44 bể cao danh nghĩa in trọng lượng 44 pounds/foot cắt từ W 10x88 Tiết diện ông tròn gọi ià "Standard" tiêu chuẩn, "extra strong" dày, "double-extra strong"cực dày, tuỳ theo bể dày ống, kí hiệu theo đường kính Ví dụ ống in, double-extra strong có đường kính 8,625 in bể dày thành ống 0,875 in; ống in Standard kích thước tương ứng 8,625 0,322 in Ô ng chữ nhật kí hiệu kích thước bề dày, ví dụ ống chữ nhật 14x6x1/2 Thép dẹt cán từ phôi phân loại thành dẹt tấm, tuỳ theo bể rộng bể dày Thép tròn thép vuông chê tạo cách kéo tuốt Thông thường dẹt phân loại sau : Thanh d ẹ t : rộng in ; dày từ 0,230 in trớ lên rộng từ in tới in ; dày từ 0,203 in trở lên Tấm : rộng in ; dày từ 0,230 in trở lên rộng 48 in ; dày từ 0.180 in trở lên V í dụ m ột sô kí hiệu vuông 1cp ; tròn Vĩ O; dẹt 2Vi X ‘/ ; p / 1/2 X TZ2ZZ7ZZZZP — — ár/777/?/sssr\ vy Thép Icánh rộng Thép Itiêuchuẩn Thép máng tiêu chuẩn Thép góc a) b) c) d) yỵr.hayST ThépT cắt từ w hay s e) ezzz2zzzzzzzzzz2zzzzzzzza óng vuông Thanh 9) h) Tàm ') Hình 1.1 Thép cán hình tiêu chuẩn 11 Rn = 2t M ) t' Trong xu cường độ cắt thép, lấy 0,70 cường độ kéo Như R„ = 2t L - Ể (0,70FU) = ,4 Fu dt L_ d viết gần (7-8) Rn = Fu dt ~ = LtFu d Theo kinh nghiệm thông lệ, người ta khuyến nghị khoảng cách tim đến tim cua bulông phải 22/3 đường kính Khi dùng L = 2,67d R n thành Rn = ,0 d tF u Để cho lỗ bulông khống bị dãn dài quá, AISC dùng công thức sau : Trong lỗ tiêu chuẩn rãnh ngắn : Rn = 2,4 dtFu (7-9) Trong rãnh dài vuông góc với t ả i : Rn = 2,0 dtFu (7-10) ứng suất cho phép bulông a ứng suất cắt Tải trọng làm việc bulỏng chịu cắt cường độ cất danh nghĩa chia cho hệ số an toàn : p< í n FS Chia hai vế cho diện tích tiết diện nguyên bulông, vế đầu cho ứng suất tính toán gây tải trọng làm việc, vế sau cho ứng suất cho phép r l f= p ì < F„ = R m A b(FS) mAb J FS lấy 2,5 cắt Khi đường ren nằm mặt phẳng c ắ t : Fv = mAb “ “ T T m A b2,5 = ^ - F 2,5 v = 0,25FÍ (7-11) Áp dụng vào bulông A325 với Fy = ksi, AISC/ASD cho : Fv = 30 ksi ; bulông A490 với Fub = 150 ksi, AISC/ASD cho : Fv = 40 ksi 94 Khi đường ren nằm mặt phẳng c ắ t: Fv = m A b 45Fb 45Fb = -4 ~ r-^ mAb2,5 2,5 _ Fv = 0,18F ub Áp dụng vào bulông A325 với Fub =120 ksi, AISC/ASD cho : F v = 21ksi A 490 với Fub = 150 ksi, AISC/ASD cho : Với bulông A307, Fv - 0,18Fub = 0,18 (7-12) ;bulông Fv = 28 ksi X 58 = 10 ksi, Không phụ thuộc đường ren nằm hay mặt phẳng cắt h ủng suất ép Như nói, ứng suất ép tính tải trọng truyền qua chia cho diện tích ép giả định Tải trọng truyền qua cường độ ép chua cho hệ số an toàn FS fp = < F = Rn p dt(FS) dt đó: d = đường kính danh nghĩa bulông ; t = bề dày mà bulông ép vào ; fp = ứng suất ép gây tải trọng làm việc ; Fp = ứng suất ếp cho phép Dùng hệ số an toàn theo thông lệ dối với ép, ứng suất ép cho phép là, lỗ tiêu chuẩn : F = M IA p 2,0dt = 12 F (7-13) Đối với lô rãnh dài trục vuông góc với phương t ả i : Fp = = 1,0 Fu (7-14) Khoảng cách nhỏ từ tâm bulông đến mép lỗ liền kể tính phương trình (7-8): L= — Fut Thêm bán kính lỗ —, khoảng cách nhỏ từ tâm đến tâ.m : _ Rn d s= ^ + Fut Thay cường độ danh nghĩa Rn 2P với p tải trọng lànn việc bulông hệ số an toàn, được: 2P d s = —— + — F„t (7-15) 95 đó: Fu = cường độ bền kéo thép ; t = bề dày thép ; d = đường kính lỗ bulông, công thức dùng đường kính bulông Trong trường hợp, khoảng cách s tâm lỗ không nhỏ 22/3 lần đường kính bulông d Khi Fp xác định theo công thức (7-13) (7-14), s không dược nhỏ 3d Khoảng cách nhỏ đến mép, theo (7-8), không nhỏ 2P L'=ệ- (7-16) F„t không nhỏ l,5d Bảng J3.5 AISC/ASD cho khoảng cách nhỏ đến mép c Liên kết không trượt Liên kết không trượt phải có đủ độ bền thoả mãn điểu kiện ứng suất cho phép cắt ép liên kết tì ép, phải thoả mãn yêu cầu sử dụng không trượt Liên kết chịu tải nhờ ma sát gây lực ép liên kết (lực ép lục căng bulông) Chống lại lực cắt lực ma sát |iN, hệ số ma sát (còn gọi hệ số trượt), Giá trị |i biến đổi từ 0,2 đến 0,6 tuỳ theo điều kiện mặt tiếp xúc, có hay gỉ cán, dầu mỡ, sơn hay phương pháp xử lí bề mặt, v.v Để việc thiết kế liên kết không trượt theo cách liên kết tì ép, mang chia lực |iN cho diện tích tiết diện nguyên để giá trị gọi "ứng suất cắt" bulông Theo định nghĩa, ứng suất cho phép liên kết không trượt ứng suất cắt lớn mà không xảy trượt chia cho hệ số an toàn Điều kiện không trư ợ t: < F„ = (7-17) (FS)Ab , K hoáng an toàn lấy thấp yêu cầu sử dụng yêu cầu độ bền AISC áp dung cho trường hợp hệ số an toàn khoảng 70% hệ số tính bền G iá trị FS từ 1,1 đến 1,3 Lực cãng nhó bulông xiết hết mức lấy theo bảng 7-3 Trên có sớ phương pháp này, Quy phạm AISC Hội đồng Nghiên cứu Liên kết Kết cấu (Research Council on Structural Connections - RCSC) cho giá trị ứng suất cho phép liên kết không trượt ghi bảng 7-4 96 Bảng 7-4 ứng suất cho phép liên kết không trượt, ksi - ' ■ ' - Lỗ rãnh dài Diện tích tiếp xúc Lỗ tiêu Lô lớn Ngang Song song loại bulông chuẩn !ỗ rãnh ngắn phương lực phương lực A325 17 15 12 10 A490 11 lí 18 15 13 A325 28 24 20 17 A490 34 29 24 20 A325 22 19 16 14 A490 27 23 19 16 Lớp A Lớp B Lớp c Ghi chú: Lớp A (hệ số trượt 0,33) - Không có vảy cáhỉ mặt dược phun lớp phủ A Lớp B (hệ số trượt 0,5) Mật dược thổi phun biằrng ỉớp phủ B Lớp c : mặt mạ nhúng làm nhám Các lớp phủ dược xè'p A hay B lớp phủ có hệ số trượt trung bình lần IU(/Ĩ không nhỏ 0,33 0,50, xác định bằng’cúc thể nghiệm thích hợp d Bulông chịu kéo dọc ỊìĩỊC Trỏng cấu kiện kẽo, bulôn.g chịu kéo dọc trục không kèm theo cắt đường tác dụng lưc vuông góc với cấu kiện liên kết Cường độ (lanh nghĩa buỉông chịu kéo dọc trục : Rn = Fub (An) = Fub fO,75Ab) Trong Ab tiết diện nguyên buỉỏng ; Fub = cường độ kéo bulông (120 ksi dối với bulông A325 150 ksi bulông A490) Dùng hệ số an toàn FS = 2, nãng chịu lực làm việc củ.a bu lông : R = 0,5 Fub (0,75Ab) = 0,375 Fub Ab hay R = F, Ab (7-18) Ft ứng suất kéo cho phép tiết diện nạuvên cù.a bulông : F, = 0,375 Fub (7-19) Có giá trị 0,375x120 ss 44 ksi bulông A325 (3,375x150 » 54 ksi bulông A490 (xem chi tiết bảng J3.2 AISC7ASD) Bulỏng chịu kéo dọc trục phải xiết đèn lực căng theơ' bảng 7-3 dù liên kết loại lì ép hay loại không trượt e Kéo cắt kết hợp Thiết kế bulông chịu kéo cắt kết hợp xét Quyển vể Thiết kế nhà thép tiền chế 97 Thí dụ 7-3 Kiểm tra độ liên kết loại tì ép hai 16 X 150 mm thép A572 (cấp 50) để truyền lực kéo 310 kN Dùng bulông A325 đường kính 22 mm 3 in and over in Ithickness plates: over in in vvidth ; 0.230 aind ơver in thíckness over48 in in width ; 0.180 im and over in thiickness D esignation : íbrexam ple square bare ìcp ; round bar 1*/4; 2'/2 x2'/2 flat bar ; plate P l /2 X 18 7ỢZZ2ZZP w wíde - tlange shape 3) ổrZ7777S7777?\ s £ZZZỈ/7Ĩ\ c American A.merican Standard beam S tandard channel b) 0) L Angle d) WT or ST structural tee e) 105 III RECALL ON MECHANICAL PROPERTIES OF STRUCTURAL STEEL To determ ine the most important mechanical properties of a Steel, such as yield point, ultimate strength and elongation, one should use the tensile test of a Standard specimen The detailed test procedures are prescribed in ASTM A370 The typical stress-strain curves for tension are shown in Fig 1-2 for the three c a te g o r ie s of Steel : low -carb on Steel, h igh -stren gth lo w a llo y Steel and heat-treated alloy Steel (or high-carbon Steel) Fig.l.2 Typical stress-strain curves The curves show a straight line relaúonship up to a point known as the prơportionơl ìimit This straight line region is the elastic range, where loading and unloading results in no permanent deformation The ratio of stress to strain in this straight line region is known as the modulus fìf elasticity, or Young modulus, E, which for structural steels may be taken approximately as 20,000 kN/cm (29,000 ksi) The proportional limit, on the two lower curves, practically coincides with the yieìd point which is the stress at which there is a marked increase in strain with no increase in load The increase in strain may be as large as 1.5 to percenl ; this region is called plastic range In high-carbon or heat-treated a llo y Steel, after the proportional lim it, a d ev ia tio n from the straight line occurs gradually (curve c) ; the tensile stress continue to grow, though with lower raie The vield point is not well deíined In this case, yieiding is deĩined arbitrary by a yieìd 106 strenẹth which is taken to be that stress which leaves the specimen with a perm anent set (plastic elongation) of 0.2 percent when the specimen is unloaded (see Fig.2-3 where the bcginning of the curves is enlarged), This yield strength is called 0.2% offset yield strength, to distinguish with the 0.5% extension under load yield strength, another alternative deíinition by ASTM A370 The term yield stress is the general term to mean either yield point or yield strength when it is not necessary to make the distinction After the plastic range, for two curves (a) and (b), the stress again increases until the highest stress before the break, which is called tensiìe strength This subsequent increase in stress is called strưin hardening range The strain hardening range is not used in design The strain-stress curve also indicates the ductiỉity Ductility is deíined as the amount o f permanent strain (i.e strain exceeding proportional limit) up to the point of rupture It is measured by the elongation in percent of the specimen Fig 1.3 Enỉarged typical stress-strain curves for different yield stress IV DESÍGN BASIS This AISC Spec prescribes the method of Allowable Stress Design (ASD) (also called M'orking stress design) The basis of this method is : all structural members, comnections and connectors shaỉl be proportioned so the stresses due to the working 107 loads not excess the predesignated allowable stresses The allowable stress is prescribed by this Spec to provide a íactor of saíety against attainm ent of some limit stress, such as the minimum speciíied yield stress , or the buckling stress at which íailure occurs The allowable stress is obtained by dividing the limit stress such as the yield stress F , or the buckling stress Fcr, by a factor o f saíety FS The factor safety is required to assure a reserve capacity for structures and structural members The reserve capacity is provided to account for the possibility of overload (the load may surpass that which is expected under normal use), and for the possibility o f understrength (this is caused by deviations in dim ensions of Steel sections, by the yield strength of Steel which may be in some cases below the minimum speciíied value) In determ ining the FS, various íactors m ust be involved One may State that the minimum resistance must exceed the stress caused by the m axim um applied load by some prescribed amount Suppose the actual stress (or actual load, this is similar) exceeds the d e sig n stress (or the Service load ) b y an am ou n t AS, and the actual resistance is less than the computed resistance by an am ount AR A structure that is just adequate would have : R - AR = s + AS, or (, AR 'ì = s 1+— 1- — l s J R , The saíety íactor is the ratio o f the nom inal strength to the design stress, or : R _ + A S/S FS =_ — = -— s -A R /R C C This equation illustrates the effect of overload AS/S and undercapacity AR/R, but not other íactors If One assumes that the occasional overload AS/S may be 40% greater than its nominal value and that an occasionaỉ understrength AR/R may be 15% less its nominal value, then FS = ± M = - The AISC Spec uses FS = 1.67 as the basic value in Allowable Stress Design The allowable stress is the limit stress d iv id ed by this FS, that means : Fy/1 67 = 0.6 Fy, used for tension mem bers or beams Other FS are used for other cases (columns, connections, etc) Article A5.2 of AISC Spec prescribes an im portant provision : allowable atresses may be increaseđ 1/3 above the values othervvise provided when produced by vvind o r seism ic lơading, actin g alo n e or in co m b in a tio n w ith the d e s ig n dead and liv e load s 108 [...]... hay kết hợp với tĩnh tải và hoạt tải 14 C hư ơ n g 2 CẤU KIỆN CHỊU KÉO I CÁC LOẠI CẤU KIỆN CHỊU KÉO Cấu kiện chịu kéo gập trong phần lớn kết cấu thép Chúng có thể là các thanh chính của dàn cầu và dàn mái, các thanh của kết cấu rỗng như cột tháp đường dây điện và trong các hệ thống giằng gió của nhà Chúng cũng hay gặp trong các cấu kiện thứ yếu, ví dụ thanh căng để gia cường cho hệ kết cấu dàn Cấu. .. thanh thép tròn hay vuông, thanh dẹt hay tấm Trong kết cấu nhà, dây cáp, thanh tròn, thanh dẹt được dùng chủ yếu trong hệ giằng và các thanh treo xà gồ của mái dốc Thép hình đơn như thép góc, tấm, thép w và s có thể dùng làm cấu kiện kéo Khi tiết diện m ột thép hình đơn không đủ thì cần dùng cấu kiện tổ hợp, gồm hai hay nhiều thép hình đơn liên kết với nhau Hình 2.1 cho một vài tiết diện của cấu kiện... biểu — Thép tròn L JL Jr Thanh det Théo góc Thép góc képThép r_ r_ r_ r_ r_ rj Thép máng ghép bản noi Thép L r L Thép máng kép r Thép máng w cánh rộng Thép s (I tiêu chuẩn) Tiết diện hộp tổ hợp Hình 2.1 Tiết diện cấu kiện kéo tiêu biếu 15 góc gh II DIỆN TÍCH THỰC VÀ DIỆN TÍCH H ũ u HIỆU 2.1 Tiết diện thực Khi cấu kiện chịu kéo có các lỗ liên kết (bulông, đinh tán), tiết diện ngang ại chỗ liên kết bị... 1.3 Các đường cong ứng suất -biến dạng được phóng to cho các ứng suất chảy khác nhau IV C ơ SỞ THIẾT KẾ Q u y phạm AISC/ASD áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép (cũng còn gọi là thiết k ế theo ứng suất làm việc) Cơ sở của phương pháp này là như sau : mọi cấu kiện, mối liên kết và các liên kết phải được chọn kích thước sao cho ứng suất gây 13 bởi tải irọng làm việc không vượt quá ứng... như trên hình 3.2, đó là một sự kết nối của đường cong oằn đàn hổi Euler (đường hyperbol) và đường cong oằn không đàn hồi theo công thức 3-3 Tuy nhiên trong cấu kiện thép, luôn luôn tồn tại các ứng suất dư do sự nguội không đều sau khi cán ứng suất dư làm giảm đáng kể độ bền của cấu kiện nén Quy phạm AISC sử dụng kết quả nghiên cứu của Hội đồng Nghiên cứu về ổn định kết cấu (Structural Stability Research... cận liên kết với ứng suất kéo cực hạn Fu trên tiết diện thực hoặc tiết diện thực hữu hiệu : Tn = FuAe Tn chia cho hệ số an toàn FS không được nhỏ hơn tải trọng sử dụng T Hệ số FS được lấy bằng 2,0 để thiết kế liên kết trong trường hợp này : FụAẹ FS < T 0,50FuAe < T hay f ,= ^ < 0 , 5 0 F u Ae (2.6) Ft = 0,50 Fu là ứng suất cho phép trên tiết diện thực hữu hiệu Ngoài ra, liên kết ở đầu của cấu kiện... phương cùa lực: u = 0,75 - Nếu mọi phẩn tử của tiết diện cấu kiện là được liên kết thì Ư = 1 Nếu tải trọng được truyền hởi các mối hàn ngang đến một số phần tử của tiết diện chứ không phải toàn tiết diện thì diện tích hữu hiệu Ae lấy bàng diện tích các phần tử được trực tiếp liên kết 17 III ÚNG SUẤT CHO PHÉP VÀ THIÊT KẾ CẤU KIỆN CHỊU KÉO Trong một cấu kiện chịu kéo, phá hoại có thể xảy ra do sự chảy của... hữu hiệu này Diện tích hữu hiệu đối với liên kết bulông và đinh tán được tính bằng công thức Ae = ƯAn (2.3) và đối với liên kết hàn được tính bằng A e = LÍAg (2.4) Trong đó: Ag = diện tích nguyên, An = diện tích hữu hiệu, u = hệ số hữu hiệu Giá trị cúa u lấy như sau : - Đối VỚI thép hình w , M, hay s có bể rộng cánh không nhỏ hơn hai phần ba bề cao, được liên kết tại các cánh bằng mối hàn hoặc bằng bulông,... kiểm tra về cắt theo khối (sẽ nói ở chương 7) Thí dụ 2.1 Thiết kế thanh kéo gồm hai thép góc A36, truyền lực 600kN do tĩnh tải và hoạt tải Thanh liên kết vào bản mã bằng các đường hàn góc Các ứng suất cho phép là : 0,60Fy = 0,6 X 36 = 22 ksi = 14,9 kN/cm 2 trên tiết diện nguyên 0,50FU= 0,5 X 58 = 29 ksi = 20,0 kN/cm 2trên tiết diện thực Liên kết là hàn nên tiết diện thực bằng tiết diện nguyên Giá trị... hơn độ bền danh nghĩa R một lượng AR Kết cấu muốn an toàn thì ít nhất phải có : R - AR = ( R 1- V s + AS, hay R ) V s J Hệ số an toàn chính là tỉ số của độ bền danh nghĩa trên ứng suất thiết kế : CC_ R _ 1 + A S/S FS = — = - ——— s 1 - A R /R Phương trình này cho thấy ảnh hưởng của việc quá tải AS/S và việc chịu lực kém AR/R, chứ chưa xét các yếu tố khác Nếu giả thiết rằng sự quá tải ngẫu nhiên AS/S ... ; Thiết kề kết cấu thép theo Quy phạm Hoa Kì A1SC/ASD; Tập 2: Thiết k ể kết cấu nhà thép tiền chế; Tập 3: Thiết k ể kết cấu thép theo Tiêu chuẩn Anh BS 5950 : 2000; Tập 4: Thiết k ế kết cấu thép. .. r p / _ _• Tác già THIẾT KẾ KẾT CẤU TH ÉP (THEO QUY PHẠM HOA KÌ AISC/ASD) Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CÂU THÉP I PHẠM VI ÁP DỤNG Sách trình bày cách thiết kế kết cấu thép theo phương pháp... Dày đến 100 mm 2.2 Thép hình thép Các sản phẩm thép kết cấu chế tạo thành dạng thép hình, thép dẹt thép Thép hình cán nóng thông dụng thép góc (chữ L), thép máng (chữ C) chữ I Thép I dùng rộng