Kết cấu thép – tiêu chuẩn thiết kế

Tiêu chuẩn này dùng để thiết kế kết cấu thép các công trình xây dựng dân dụng, công nghệ. Tiêu  chuẩn này không dùng để thiết kế các công trình giao thông, thủy lợi như các loại cầu, công trình trên đường, cửa van, đường ống, v.v…

Kết cấu thép – tiêu chuẩn thiết kế

Các tài liệu viện dẫn sau là cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này.Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi,bổ sung (nếu có).

TCVN 197:2002, Kim loại. Phương pháp thử kéo.

TCVN 198:2008, Kim loại. Phương pháp thử uốn.

TCVN 312:2007, Kim loại. Phương pháp thử uốn va đập ở nhiệt độ thường.

TCVN 313:1985, Kim loại. Phương pháp thử xoắn.

TCVN 1691:1975, Mối hàn hồ quang điện bằng tay. Kiểu, kích thước cơ bản.

TCVN 1765:1975, Thép các bon kết cấu thông thường. Mác thép và yêu cầu kỹ thuật.

TCVN 1766:1975, Thép các bon kết cấu chất lượng tốt. Mác thép và yêu cầu kỹ thuật.

TCVN 1916:1995: Bu lông,vít, vít cấy và đai ốc. Yêu cầu kỹ thuật.

TCVN 2737:1995, Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế.

TCVN 3104:1979, Thép kết cấu hợp kim thấp. Mác, yêu cầu kỹ thuật.

TCVN 3223:2000, Que hàn điện dùng cho thép các bon thấp và thép hợp kim thấp. Ký hiệu, kích thước và yêu cầu kỹ thuật chung.

TCVN 3909:2000, Que hàn điện dùng cho thép các bon thấp và thép hợp kim thấp. Phương pháp thử.

TCVN 5400:1991, Mối hàn. Yêu cầu chung về lấy mẫu để thử cơ tính.

TCVN 5401:1991, Mối hàn. Phương pháp thử uốn.

TCVN 5402:2010, Mối hàn. Phương pháp thử uốn va đập.

TCVN 5709:2009, Thép các bon cán nóng dùng làm kết cấu trong xây dựng. Yêu cầu kỹ thuật.

TCVN 6522:2008, Thép tấm kết cấu cán nóng.

Đơn vị đo và ký hiệu

Đơn vị đo : Tiêu chuẩn này sử dụng các đơn vị đo theo hệ SI, cụ thể là đơn vị dài: mét (m); đơn vị lực: niutơn (N); đơn vị ứng suất: pascan (Pa); đơn vị khối lượng: kilogam (kg); thời gian: giây (s).

Một số Ký hiệu thông dụng

a) Các đặc trưng hình học

A : diện tích tiết diện nguyên

An : diện tích tiết diện thực

Af : diện tích tiết diện cánh

Aw :  diện tích tiết diện bản bụng

Abn : diện tích tiết diện thực của buông

Ad  : diện tích tiết diện thanh xiên.

B :  chiều rộng

Bt :  chiều rộng cánh

bo : chiều rộng phần nhô ra của cánh

bs : chiều rộng của sườn ngang

h : chiều cao của tiết diện

hw : chiều cao của bản bụng

hf :  chiều cao của đường hàn gốc

htk : khoảng cách giữa trục của các cánh dầm

I : bán kính quán tính của tiết diện

ix, iy : bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục tương ứng x-x, y-y

imin “ bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện

If : mômen quán tính của tiết diện nhánh

Im, Id :  mômen quán tính của thanh cánh và thanh xiên của giàn

Ib : mômen quán tính tiết diện bản giằng

Is, Isl  : mômen quán tính tiết diện sườn ngang và dọc

It : mômen quán tính xoắn

Itr : mômen quán tính xoắn của ray, dầm

Ix, Iy : các mômen quán tính của tiết diện nguyên đối với các trục tương ứng x-x và y-y

Inx, Iny : các mômen quán tính của tiết diện thực đối với các trục tương ứng x-x, y-y

L chiều cao của thanh đứng, cột hoặc chiều dài nhịp dầm

l chiều dài nhịp

ld chiều dài của thanh xiên

lm : chiều dài khoang các thanh cánh của giàn hoặc cột rỗng

lo : chiều dài tính toán của cấu kiện chịu nén

lx, ly :  chiều dài tính toán của cấu kiện trong các mặt phẳng vuông góc với các trục tương ứng xx, y-y

lw : chiều dài tính toán của đường hàn

S mômen tĩnh

s bước lỗ bu lông

t chiều dày

tf, tw : chiều dài của bản cánh và bản bụng

u khoảng cách đường lỗ bu lông

Wnmin môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với trục tính toán

Wx, Wy : môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với trục tương ứng x-x, y-y

Wnx,min, Wny,min môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với các trục

tương ứng x-x, y-y

Ngoại lực và nội lực

F, P ngoại lực tập trung

M mômen uốn

Mx, My mômen uốn đối với trục tương ứng x-x, y-y

Mt mômen xoắn cục bộ

N lực dọc

Nd nội lực phụ

NM lực dọc trong nhánh do mômen gây ra

p áp lực tính toán

V lực cắt

Vt lực cắt qui ước tác dụng trong một mặt phẳng thanh (bản) giằng

Vs lực cắt qui ước tác dụng trong thanh (bản) giằng của một nhánh

Cường độ và ứng suất

E mô đun đàn hồi

Fy cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép

Fu cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt

f cường độ tính toán của thép chịu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn chảy

ft cường độ tính toán của thép theo sức bền kéo đứt

fv cường độ tính toán chịu cắt của thép

fc cường độ tính toán của thép khi ép mặt theo mặt phẳng tì đầu (có gia công phẳng)

fcc cường độ tính toán ép mặt cục bộ trong các khớp trụ (mặt cong) khi tiếp xúc chặt

fth cường độ tính toán chịu kéo của sợi thép cường độ cao

fub cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của bulông

ftb cường độ tính toán chịu kéo của bulông

fvb cường độ tính toán chịu cắt của bulông

fcb cường độ tính toán chịu ép mặt của bulông

fba cường độ tính toán chịu kéo của bulông neo

fhb cường độ tính toán chịu kéo của bulông cường độ cao

fcd cường độ tính toán chịu ép mặt theo đường kính con lăn

fw cường độ tính toán của mối hàn đối đầu chịu nén, kéo, uốn theo giới hạn chảy

fwu cường độ tính toán của mối hàn đối đầu chịu nén, kéo, uốn theo sức bền kéo đứt

fw v cường độ tính toán của mỗi mối hàn đối đầu chịu cắt

fwf cường độ tính toán của đường hàn góc (chịu cắt qui ước) theo kim loại mối hàn

fws cường độ tính toán của đường hàn góc (chịu cắt qui ước) theo kim loại ở biên nóng chảy

fwun cường độ tiêu chuẩn của kim loại đường hàn theo sức bền kéo đứt

Nguyên tắc chung

Các qui định chung

Khi thiết kế kết cấu thép của một số loại công trình chuyên dụng như kết cấu lò cao, công trình thủy công, công trình ngoài biển hoặc kết cấu thép có tính chất đặc biệt như kết cấu thành mỏng, kết cấu thép tạo hình nguội, kết cấu ứng lực trước, kết cấu không gian, v.v…, cần theo những yêu cầu riêng qui định trong các tiêu chuẩn chuyên ngành.

Kết cấu thép phải được thiết kế đạt yêu cầu chung qui định trong Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam là đảm bảo an toàn chịu lực và đảm bảo khả năng sử dụng bình thường trong suốt thời hạn sử dụng công trình.

Khi thiết kế kết cấu thép còn cần tuân thủ các tiêu chuẩn tương ứng về phòng chống cháy,về bảo vệ chống ăn mòn. Không được tăng bề dày của thép với mục đích bảo vệ chống ăn mòn hoặc nâng cao khả năng chống cháy của kết cấu.

Khi thiết kế kết cấu thép cần phải

Tiết kiệm vật liệu thép

Ưu tiên sử dụng các loại thép do Việt Nam sản xuất.Lựa chọn sơ đồ kết cấu hợp lí, tiết diện cấu kiện hợp lí về mặt kinh tế – kĩ thuật. Ưu tiên sử dụng công nghệ chế tạo tiên tiến như hàn tự động, hàn bán tự động, bulông cường độ cao

Chú ý việc công nghiệp hóa cao quá trình sản xuất và dựng lắp, sử dụng những liên kết dựng lắp liên tiếp như liên kết mặt bích, liên kết bulông cường độ cao; cũng có thể dùng liên kết hàn để lắp nếu có căn cứ hợp lí.Kết cấu phải có cấu tạo để dễ quan sát, làm sạch bụi, sơn, tránh tụ nước. Tiết diện hình ống phải được bịt kín hai đầu.

Các yêu cầu đối với thiết kế

Kết cấu thép phải được tính toán với tổ hợp tải trọng bất lợi nhất, kể cả tải trọng theo thời gian và mọi yếu tố tác động khác. Việc xác định nội lực có thể thực hiện theo phương pháp phân tích đàn hồi hoặc phân tích dẻo.

Trong phương pháp đàn hồi, các cấu kiện thép được giả thiết là luôn đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng tính toán, sơ đồ kết cấu là sơ đồ ban đầu không biến dạng. Trong phương pháp phân tích dẻo, cho phép kể đến biến dạng không đàn hồi của thép trong một bộ phận hay toàn bộ kết cấu, nếu thỏa mãn các điều kiện sau:

Giới hạn chảy của thép không được lớn quá 450 MPa, có vùng chảy dẻo rõ rệt.Kết cấu chỉ chịu tải trọng tác dụng tĩnh (không có tải trọng động lực hoặc va chạm hoặc tải trọng lặp gây mỏi.Cấu kiện sử dụng thép cán nóng, có tiết diện đối xứng.

Các cấu kiện thép hình phải được chọn theo tiết diện nhỏ nhất thỏa mãn các yêu cầu của Tiêu chuẩn này. Tiết diện của cấu kiện tổ hợp được thiết lập theo tính toán sao cho ứng suất không lớn hơn 95% cường độ tính toán của vật liệu.

Trong các bản vẽ thiết kế kết cấu thép và văn bản đặt hàng vật liệu thép, phải ghi rõ mác và tiêu chuẩn tương ứng của thép làm kết cấu và thép làm liên kết, yêu cầu phải đảm bảo tính năng cơ học hay về thành phần hóa học hoặc cả hai, cũng như những yêu cầu riêng đối với vật liệu được qui định trong các tiêu chuẩn kĩ thuật Nhà nước hoặc của nước ngoài.

Cơ sở thiết kế kết cấu thép

Nguyên tắc thiết kế

Tiêu chuẩn này sử dụng phương pháp tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn. Kết cấu được thiết kế sao cho không vượt quá trạng thái giới hạn của nó. Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu sử dụng hoặc khi dựng lắp được đề ra đối với nó khi thiết kế. Các trạng thái giới hạn gồm:

Các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực là các trạng thái mà kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư hỏng làm nguy hại đến sự an toàn của con người, của công trình. Đó là các trường hợp:kết cấu không đủ độ bền (phá hoại bền), hoặc kết cấu bị mất ổn định, hoặc kết cấu bị phá hoại dòn, hoặc vật liệu kết cấu bị chảy.

Các trạng thái giới hạn về sử dụng là các trạng thái mà kết cấu không còn sử dụng bình thường được nữa do bị biến dạng quá lớn hoặc do hư hỏng cục bộ. Các trạng thái giới hạn này gồm: trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng làm ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường của thiết bị máy móc, của con người hoặc làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu, do đó hạn chế việc sử dụng công trình; sự rung động quá mức; sự han gỉ quá mức.

Khi tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn phải dùng các hệ số độ tin cậy sau

Hệ số độ tin cậy về cường độ, Hệ số độ tin cậy về tải trọng, Hệ số điều kiện làm việc Cường độ tính toán của vật liệu là cường độ tiêu chuẩn nhân với hệ số YC và chia cho hệ số YM,tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số YQ.

Tải trọng

Tải trọng dùng trong thiết kế kết cấu thép được lấy theo TCVN 2737 : 1995 hoặc tiêu chuẩn thay thế tiêu chuẩn trên (nếu có). Khi tính kết cấu theo các giới hạn về khả năng chịu lực thì dùng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy về tải trọng Q (còn gọi là hệ số tăng tải hoặc hệ số an toàn về tải trọng ). Khi tính kết cấu theo các trạng thái giới hạn về sử dụng và tính toán về mỏi thì dùng trị số của tải trọng tiêu chuẩn.

Các trường hợp tải trọng đều được xét riêng rẽ và được tổ hợp để có tác dụng bất lợi nhất đối với kết cấu. Giá trị của tải trọng, các loại tổ hợp tải trọng, các hệ số tổ hợp, các hệ số độ tin cậy về tải trọng được lấy theo các điều của TCVN 2737 : 1995.

Với kết cấu trực tiếp chịu tải trọng động, khi tính toán về cường độ và ổn định thì trị số tínhtoán của tải trọng phải nhân với hệ số động lực. Khi tính toán về mỏi và biến dạng thì không nhân với hệ số này. Hệ số động lực được xác định bằng lý thuyết tính toán kết cấu hoặc cho trong các Qui phạm riêng đối với loại kết cấu tương ứng.

Khi thiết kế cho giai đoạn sử dụng và dựng lắp kết cấu, nếu cần xét đến sự thay đổi nhiệt độ, có thể giả thiết sự thay đổi nhiệt độ ở các vùng phía Bắc là từ 5 oC đến 40 oC, ở các vùng phía Nam là từ 10 oC đến 40 oC. Sự phân chia hai vùng Bắc và Nam dựa theo Qui chuẩn Xây dựng Việt Nam .Tuy nhiên, phạm vi biến động nhiệt độ có thể dựa theo số liệu khí hậu cụ thể của địa điểm xây dựng để xác định chính xác hơn.

Biến dạng cho phép của kết cấu

Biến dạn của kết cấu thép được xác định theo tải trọng tiêu chuẩn, không kể đến hệ số động lực và không xét sự giảm yếu tiết diện do các lỗ liên kết. Độ võng của cấu kiện chịu uốn không được vượt quá trị số cho phép trong Bảng Chuyển vị ngang ở mức mép mái của nhà công nghiệp kiểu khung một tầng, không cầu trục, gây bởi tải trọng gió tiêu chuẩn được giới hạn như sau:

Khi tường bằng tấm tôn kim loại: H/100.
Khi tường là tấm vật liệu nhẹ khác: H/150.
Khi tường bằng gạch hoặc bê tông: H/240.
Với H là chiều cao cột.

Nếu có những giải pháp cấu tạo để đảm bảo sự biến dạng dễ dàng của liên kết tường thì các chuyển vị giới hạn trên có thể tăng lên tương ứng. Chuyển vị ngang của đỉnh khung nhà một tầng (không thuộc loại nhà ở 3.3.3) không được vượt quá 1/300 chiều cao khung. Chuyển vị ngang của đỉnh khung nhà nhiều tầng không được vượt quá 1/500 của tổng chiều cao khung. Chuyển vị tương đối tại mỗi tầng của nhà nhiều tầng không được vượt quá 1/300 chiều cao mỗi tầng.

Đối với cột nhà xưởng có cầu trục chế độ làm việc nặng và cột của cầu tải ngoài trời có cầu trục chế độ làm việc vừa và nặng thì chuyển vị gây bởi tải trọng nằm ngang của một cầu trục lớn nhất tại mức đỉnh dầm cầu trục không được vượt quá trị số cho phép ghi trong Bảng

Độ võng cho phép của cấu kiện chịu uốn

Loại cấu kiện	Độ võng cho phép
Dầm của sàn nhà và mái: 1. Dầm chính 2. Dầm của trần có trát vữa, chỉ tính võng cho tải trọng tạm thời 3. Các dầm khác, ngoài trường hợp 1 và 2 4. Tấm bản sàn	L /400 L /350 L /250 L /150
Dầm có đường ray: 1. Dầm đỡ sàn công tác có đường ray nặng 35 kg/m và lớn hơn 2. Như trên, khi đường ray nặng 25 kg/m và nhỏ hơn	L /600 L /400
Xà gồ: 1. Mái nhà ngói không đắp vữa, mái tấm tôn nhỏ 2. Mái lợp ngói có đắp vữa, mái tôn múi và các mái khác	L /150 L /200
Dầm hoặc giàn đỡ cầu trục: 1. Cầu trục chế độ làm việc nhẹ, cầu trục tay, palăng 2. Cầu trục chế độ làm việc vừa 3. Cầu trục chế độ làm việc nặng và rất nặng	L /400 L /500 L /600
Sườn tường: 1. Dầm đỡ tường xây 2. Dầm đỡ tường nhẹ (tôn, fibro xi măng), dầm đỡ cửa kính 3. Cột tường	L /300 L /200 L /400
CHÚ THÍCH: L là nhịp của cấu kiện chịu uốn. Đối với dầm công xôn thì L lấy bằng 2 lần độ vươn của dầm.

Chuyển vị cho phép của cột đỡ cầu trục

Chuyển vị	Tính theo kết cấu phẳng	Tính theo kết cấu không gian
1. Chuyển vị theo phương ngang nhà của cột nhà xưởng	HT / 1250	HT / 2000
2. Chuyển vị theo phương ngang nhà của cột cầu tải ngoài trời	HT / 2500	–
3. Chuyển vị theo phương dọc nhà của cột trong và ngoài nhà	HT / 4000	–
CHÚ THÍCH 1: HT là độ cao từ mặt đáy chân cột đến mặt đỉnh dầm cầu trục hay giản cầu trục. CHÚ THÍCH 2: Khi tính chuyển vị theo phương dọc nhà của cột trong nhà hay ngoài trời, có thể giả định là tải trọng theo phương dọc của cầu trục sẽ phân phối cho tất cả các hệ giằng và hệ khung dọc giữa các cột trong phạm vi khối nhiệt độ. CHÚ THÍCH 3: Trong các nhà xưởng có cầu trục ngoạm và cầu trục cào san vật liệu, trị số chuyển vị cho phép của cột nhà tương ứng phải giảm đi 10%.

Vật liệu thép dùng trong kết cấu

Vật liệu thép dùng trong kết cấu phải được lựa chọn thích hợp tùy theo tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng và phương pháp liên kết,v.v…Thép dùng làm kết cấu chịu lực cần chọn loại thép lò Mactanh hoặc lò quay thổi oxy, rót sôi hoặc nữa tĩnh và tĩnh, có mác tương đương với các mác thép CCT34, CCT38 (hay CCT38Mn),CCT42, theo TCVN 1765:1975 và các mác tương ứng của TCVN 5709:1993 các mác thép hợp kim thấp theo TCVN 3104:1979. Thép phải được đảm bảo phù hợp với các tiêu chuẩn nêu trên về tính năng cơ học và cả về thành phần hóa học.

Không dùng thép sôi cho các kết cấu hàn làm việc trong điều kiện nặng hoặc trực tiếp chịu tải trọng động lực như dầm cầu trục chế độ nặng, dầm sát đặt máy, kết cấu hành lang băng tải,cột vượt của đường dây tải điện cao trên 60 mét, v.v…

Cường độ tính toán của vật liệu thép cán và thép ống đối với các trạng thái ứng suất khác nhau được tính theo các công thức của Bảng dưới. Trong bảng này, fy và fu là cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép và cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt, được đảm bảo bởi tiêu chuẩn sản xuất thép và được lấy là cường độ tiêu chuẩn của thép; YM là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,05 cho mọi mác thép.

Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán f của thép cácbon và thép hợp kim thấp cho trong Bảng dưới (với các giá trị lấy tròn tới 5 MPa).Đối với các loại thép không nêu tên trong Tiêu chuẩn này và các loại thép của nước ngoài được phép sử dụng trong Bảng , lấy fy là cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy nhỏ nhất và fu là cường độ tiêu chuẩn theo sức bền kéo đứt nhỏ nhất được đảm bảo của thép. YM là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,1 cho mọi mác thép.

Với các loại vật liệu kim loại khác như dây cáp, khối gang đúc, v.v…phải sử dụng các loại tiêu chuẩn riêng tương ứng. Cường độ tiêu chuẩn fy, fu cường độ tính toán f của thép các bon (TCVN 5709)

GMC đã trình bày với các bạn về tiêu chuẩn TCVN cho kết cấu thép trong xây dựng.Các đặc tính cần lưu ý,phần sau sẽ trình bày tiếp về tiêu chuẩn này các bạn đón đọc. Nếu có vấn đề cần tư vấn về tất cả các lĩnh vực liên quan đên kỹ thuật hàn và máy hàn. Các bạn Vui lòng gọi vào số hotline sẽ có chuyên gia sẵn sàng tư vấn cho bạn.