Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:1991 về kết cấu thép - tiêu chuẩn thiết kế

TIÊU CHUẨN VIỆT NAM

TCVN 5575 : 1991

KẾT CẤU THÉP - TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
Steel structures – Design standard

1. Quy định chung

1.1. Tiêu chuẩn này dùng để thiết kế các kết cấu thép của nhà và công trình.

Tiêu chuẩn này dùng để thiết kế các kết cấu thép của cầu, đường hầm giao thông, đường ống dưới đất.

Chú thích: khi thiết kế các kết cấu thép ở trong những điều kiện sử dụng đặc biệt (ví dụ: kết cấu lò cao, các đường ống dẫn chính, các đường ống dẫn chính, các đường ống công nghệ, bể chứa có chức năng riêng biệt, kết cấu nhà chịu tác động của động đất, của nhiệt độ lớn hoặc của môi trường xâm thực, các công trình thuỷ công ở biển…) vỏ kết cấu nhà và công trình đặc biệt, và các dạng kết cấu đặc biệt (kết cấu ứng suất trước, kết cấu không gian, kết cấu treo…) cần phải xét thêm những yêu cầu riêng, thể hiện đặc điểm làm việc của kết cấu đó.

1.2. Khi thiết kế các kết cấu thép ngoài những quy định trong tiêu chuẩn này phải tuân theo những quy định của các tiêu chuẩn hiện hành khác có liên quan.

1.3. Phải chú ý bảo vệ các kết cấu thép chống ăn mòn và chống cháy. Không được phép tăng bề dày của thép cán và của thép ống với mục đích đề phòng ăn mòn và nâng cao khả năng chống cháy.

Các cấu tạo cần phải bảo đảm lộ rõ để dễ theo dõi, làm sạch, sơn, không để tụ hơi nước và phải thông thoáng gió.

Những thép định hình rỗng, tiết diện kín phải được bịt kín.

1.4. Khi thiết kế các kết cấu thép cần:

- Tiết kiệm kim loại;

- Lựa chọn sơ đồ tối ưu của công trình và tiết diện của các cấu kiện trên cơ sở kinh tế-kĩ thuật;

- Dùng các thép cán định hình và những mác thép có hiệu quả kinh tế;

- Dùng các kết cấu đã được điển hình hoá và tiêu chuẩn hoá;

- Dùng các kết cấu tiên tiến (hệ không gian từ những cấu kiện tiêu chuẩn hoá, những kết cấu có chức năng chịu lực kết hợp với bao che, kết cấu ứng suất trước, kết cấu hỗn hợp dây mảnh và dầm cứng, kết cấu tấm mỏng và kết cấu liên hợp từ hai mác thép…)

- Phải xét đến yêu cầu công nghiệp hoá việc chế tạo và lắp ghép kết cấu;

- Dùng các kết cấu tốn ít nhất công chế tạo, vận chuyển và lắp ráp;

- Xét đến tính sản xuất hàng loạt dây chuyền và lắp ghép khối lớn của kết cấu;

- ưu tiên sử dụng những dạng liên kết tiên tiến được thực hiện tại nhà máy (hàn tự động, hàn bán tự động, liên kết mặt bích những đầu tì được bào nhẵn, bu lông trong đó có bu lông cường độ cao…).

- Dùng những liên kết lắp ghép bằng bu lông, đặc biệt chú ý tới bu lông cường độ cao; liên kết hàn lắp ghép được dùng trong những điều kiện phù hợp.

1.5. Khi thiết kế các kết cấu thép cho nhà và công trình phải sử dụng những sơ đồ kết cấu bảo đảm tính bền, tính ổn định và tính bất biến hình không gian của chúng trong quá trình vận chuyển, lắp ráp và sử dụng.

1.6. Mác của thép kết cấu và thép làm liên kết cũng như các yêu cầu riêng đối với loại thép đó lấy theo những tiêu chuẩn kĩ thuật nhà nước hoặc của nước ngoài, cần được ghi trong các bản vẽ thiết kế, bản vẽ chế tạo kết cấu thép và trong các văn bản đặt hàng vật liệu.

1.7. Sơ đồ tính toán và những giả thiết tính toán cơ bản phải thể hiện được điều kiện làm việc thực tế của kết cấu thép.

Kết cấu thép cần được khảo sát như một hệ thống không gian hoàn chỉnh.

Khi phân chia những hệ thống không gian hoàn chỉnh thành các kết cấu phẳng riêng biệt phải kể đến tác động tương hỗ giữa các bộ phận với nền móng. Trong điều kiện có thể, cần sử dụng máy tính điện tử để lựa chọn sơ đồ tính và thiết kế tiết diện kết cấu thép.

1.8. Khi tính toán kết cấu thép cho phép kể đến biến dạng không đàn hồi của thép.

Đối với các kết cấu siêu tĩnh không thiết lập, phương pháp tính toán kể đến biến dạng không đàn hồi của thép. Nội lực tính toán (mômen uốn và xoắn, các lực dọc và ngang) được xác định theo giả thiết biến dạng đàn hồi của thép trên sơ đồ không biến dạng.

Khi đảm bảo những cơ sở kinh tế- kĩ thuật phù hợp, việc tính toán cho phép tiến hành theo sơ đồ biến dạng có kể đến ảnh hưởng chuyển vị của kết cấu do tải trọng.

1.9. Các cấu kiện kết cấu thép bằng thép cán hoặc thép cán hoặc thép ống phải có tiết diện nhỏ nhất, thoả mãn các yêu cầu của tiêu chuẩn này. Trong các tiết diện tổ hợp được thiết lập theo tính toán, ứng suất tính toán không nên thấp hơn 95% cường độ tính toán của vật liệu.

2. Vật liệu cho kết cấu và liên kết

2.1. Tất cả các kết cấu được chia làm bốn nhóm, tuỳ theo mức độ quan trọng của nhà và công trình cũng như điều kiện sử dụng của chúng. Các mác thép cho từng nhóm kết cấu nhà và công trình lấy theo bảng 49 (phụ lục 1).

2.2. Khi hàn kết cấu thép dùng:

- Que hàn hồ quang: nếu hàn tay;

- Dây hàn: nếu hàn tự động hoặc bán tự động cháy dưới lớp thuốc hàn;

- Dây hàn cháy trong hơi các bon.

Các vật liệu hàn lấy theo bảng 54 (phụ lục 2).

2.3. Khối đúc (phần gối…) dùng trong kết cấu thép được thiết kế từ thép các bon (xem bảng 52 phụ lục 2) tương ứng các yêu cầu đối với nhóm đúc II và III, hoặc từ gang xám (xem bảng 53 phụ lục 2).

2.4. Đối với liên kết bu lông dùng bu lông và đai ốc (êcu) bằng thép cần tuân theo các quy định của các tiêu chuẩn: “Bu lông và đai ốc - TCVN 1876:1976 đến TCVN 1915:1976”.

Cấp độ bền của vật liệu làm bu lông được xác định theo bảng 57.

Đối với bu lông ở cấp bền 4.6; 4.8; 5.6 và 5.8 dùng đai ốc, cấp độ bền 4 đối với bu lông ở cấp độ bền 6.6 và 6.8 dùng đai ốc cấp độ bền 5 và 6.

2.5. Mác của thép để làm bu lông móng lấy theo bảng 60-a, cấu tạo và kích thước của chúng lấy theo bảng 60-b.

Mác của thép làm bu lông (hình chữ U) để giữ dây neo của các cột thông tin vô tuyến, cột điện và những thiết bị phân phối điện lấy theo bảng 60-a (phụ lục 2).

2.6. Việc sử dụng bulông cường độ cao cho phép tham khảo lựa chọn dựa trên cơ sở của các tiêu chuẩn Liên Xô tương ứng. (Xem bảng 61phụ lục 3). Đai ốc và vòng đệm xem giới thiệu các tiêu chuẩn Liên Xô tương ứng trong phụ lục 9

2.7. Đối với các bộ phận chịu lực của mái tua, dây neo cột điện và cột đỡ các thiết bị của trạm phân phối điện, trụ vỏ thép, cũng như các bộ phận chịu kéo trong kết cấu ứng xuất cho trước cho phép tham khảo các tiêu chuẩn Liên Xô tương ứng (xem giới thiệu trong phụ lục 9).

2.8. Những đặc trưng vật lý của vật liệu dùng trong kết cấu thép được ghi trong phụ lục 3

2.9. Khi chọn vật liệu cho kết cấu và liên kết cần chú ý:

- Nếu dùng vật liệu của Liên Xô có thể hoàn toàn sử dụng các số liệu trong tiêu chuẩn này.

- Nếu dùng vật liệu trong nước hoặc của các nước khách cần có những quy đổi tương ứng về đặc trưng cơ lý và các yêu cầu khác so với thép của Liên Xô.

3. Các đặc trưng tính toán của vật liệu và liên kết

3.1. Cường độ tính toán của thép cán và thép ống đối với những dạng khác nhau của trạng thái ứng suất được xác định theo các công suất của bảng 1

Bảng 1

Trạng thái ứng suất		Kí hiệu	Cường độ tính toán của thép cán và thép ống
1		2	3
Kéo nén và uốn	Theo giới hạn chảy	R	R=Ơc/yvl
	Theo sức bền tức thời	Rb	Rb= σb/yvl
Trượt		Rc	Rc= 0,58σc/yvl
ép  mặt  theo  mặt  phẳng  tì  đầu  (khi  có  gia  công phẳng)		Rcm	Rcm= σb/yvl
ép  mặt  cục  bộ  trong  các  khớp  trụ  (cổ  trục)  khi tiếp xúc chặt			R’cm= 0,5σb/yvl
ép theo đường kính của con lăn(khi tiếp xúc tự do trong các kết cấu có độ di động hạn chế		Rclăn	R’clăn=0,025σb/yvl
Kéo theo hướng chiều dầy của thép cán		RG	R’δ = 0,5σb/yvl

 

Chú thích: y_vl – hệ số độ tin cậy của vật liệu, xác định theo mục 3,2

3.2. Giá trị hệ số độ tin cậy của vật liệu thép cán và thép ống cho phép tham khảo các tiêu chuẩn Liên Xô tương ứng (Xem bảng 48 phụ lục 1). Cường độ tính toán của thép cán và thép ống cho phép tham khảo các tiêu chuẩn Liên Xô tương ứng (xem bảng 50 và 51 phụ lục 1).

3.3. Cường độ tính toán của khối đúc từ thép các bon và Gang xám lấy theo bảng 52 và 52 phụ lục 2

3.4. Cường độ tính toán của liên kết hàn đối với những dạng liên kết và trạng thái ứng xuất khác nhau được xác định theo công thức trong bảng 2.

Bảng 2

Dạng liên kết	Trạng thái ứng xuất		Kí hiệu	Cường độ tính toán
Đầu nối	Nén kéo và uốn khi hàn tự động. Nửa tự động hàn tay có kiểm tra chất lượng của đường hàn	Theo giới hạn chảy	Rh	Rh=R
		Theo sức bền tức thời		=Rb
	Kéo và uốn khi hàn tự động tự động hàn và hàn tay	Theo giới hạn chảy	Rh	Rh=0,85R
	Cắt		Rhc	Rhc =Rc
Góc	Cắt (quy ước)	Theo kim loại của đường hàn	Rg	Rg =0,55
		Theo kim loại của biên nóng chảy	Rbg	Rbg =0,45σb

 

Chú thích:

1. Đối với những đường hàn bằng tay giá trị cường độ tiêu chuẩn của kim loại đường hàn được chỉ dẫn theo bảng 55-a (phụ lục2)

2. Đối với những đường hàn tự động hoặc nửa tự động giá trị của Rrtcg lấy theo bảng 55 b (phụ lục 2)

3. Giá trị hệ số độ tin cậy theo vật liệu của đưòng hàn y_vth lấy bằng: 1,25 khi giá trị của R_tch không lớn hơn 490 MP_a (5000kg/cm² ); 1,35MP_a (6000kg/cm² ) và lớn hơn.

Cường độ tính toán của liên kết đối đầu các cấu kiện bằng thép có cường độ tiêu chuẩn khác nhau được lấy theo trường hợp liên kết đối đầu của thép có cường độ tiêu chuẩn nhỏ hơn.

Cường độ tính toán của thép hàn trong liên kết có dạng đường hàn góc được ghi trong bảng 55 - a (phụ lục 2)

3.5. Cường độ tính toán của liên kết một bulông được xác định theo các công thức ở trong bảng 3.

Bảng 3

 

 

Trạng thái ứng suất	Ký hiệu	Cường độ tính toán của liên kết một Bulông
		Cắt và kéo các bulông khớp			ép mật của các cấu kiện từ thép có giới hạn chảy nhỏ hơn 440 MPa (4500 kg/cm2)
		4.6;5.6;6.6	4.8;5.8	8.8
Cắt	Rblc	Rblc =38σblb c          b	Rblc =0,4 σblb c          b	Rblc =0,4 σblb c          b	-
kéo	Rblk	Rblk =0,42 σblb k           b	Rblk =0,4 σblb k           b	Rblk =0,5 σblb k           b	-
ép mặt a) Bulông độ chính xác cao b) Bulông độ chính xác bình thường và bulông thô	Rblcm	-   -	-   -	-   -	Rblcm =(0,5+340Vb/E) σb   Rblcm =(0,5+280Vb/E) σb

 

Cường độ tính toán chịu cắt và kéo của các bu lông trong liên kết được lấy theo bảng 58, cường độ tính toán chịu ép mặt của các cấu kiện lấy theo bảng 59 (phụ lục 2).

3.6. Cường độ tính toán chịu kéo (R^m_.bl) của bu lông móng được xác định theo công thức:

R^m_k,bl =0,4σ_b                            (1)

Cường độ tính toán chịu kéo (R^u_k.bl) của bu lông hình chữ U (trong mục 2.5) được tính theo công thức:

                          (2)

Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông móng và bu lông hình chữ U lấy theo bảng 60-a (phụ lục 2).

3.7. Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông cường độ cao R^ble_k được xác định theo công thức:

                           (3)

Trong đó: σ^bl – sức bền tức thời nhỏ nhất của bulong khi đứt lấy theo bảng 61 (phụ lục 3)

3.8. Cường độ tính toán chịu kéo (R_đ) của dây thép cường độ cao có dạng bó (sợi thẳng) hoặc bên được tính theo công thức:

R_d = 0,63 σ_b                                                                         (4)

3.9. Giá trị của cường độ tính toán (lực) chịu kéo của dây thép lấy bằng giá trị của lực kéo đứt cáp (xác định theo các tiêu chuẩn Nhà Nước hoặc các điều kiện kĩ thuật) chia cho hệ số độ tin cậy ybl(ybl= 1,6)

4. Điều kiện làm việc và chức năng của kết cấu

4.1. Khi tính toán kết cấu thép cần tính đến:

- Hệ số độ tin cậy theo chức năng của kết cấu (ycn) (lấy theo bảng 4);

- Mức độ quan trọng của nhà và công trình.

Khi thiết kế sẽ chia giá trị giới hạn của khả năng chịu lực, giá trị tính toán của cường độ, giá trị giới hạn của biến dạng cho hệ số độ tin cậy ycn hoặc nhân giá trị của tải trọng tính toán, nội lực hoặc các tác động blốc với ycn

Bảng 4

Loại nhà và công trình	Hệ số độ tin cậy theo chức năng ycn
Loại 1 Nhà và công trình có ý nghĩa kinh tế quốc dân hoặc xã hội đặc biệt quan trọng như: Nhà máy nhiệt điện; những khu trung tâm của lò luyện kim; ống khói cao hơn 200m; tháp vô tuyến bể chứa dầu và các sản phẩm dầu có thể tính lớn hơn 10.000m3; những công trình thể thao có mái che với khán đài; nhà hát hộ sinh; viện bảo tàng; kho lưu trữ Nhà nước Loại 2 Nhà và công trình có ý nghĩa kinh tế quốc dân hoặc xã hội quan trọng như: các cơ sở công nghiệp nông nghiệp, nhà dân dụng và thông tin liên lạc không ghi loại 1 và 3 Loại 3 Nhà và công trình có ý nghĩa xã hội và kinh tế quốc dân hạn chế như: kho không có quá trình phân loại và đóng gói để giữ các sản phẩm nông nghiệp, phân bón, sản phẩm hoá học, than… nhà kính trồng trọt, nhà ở 1 tầng, cột dây thông tin liên lạc, cột đỡ đèn chiếu sáng các khu dân cư hàng rào của nhà và các công trình tạm…	1           0,95     0,9
Chú thích: Đối với những nhà và công trình tạm có thời hạn phục vụ nhỏ hơn 5 năm lấy gen bằng 0,8

 

- Hệ số độ tin cậy yb= 1,3 đối với các cấu kiện của kết cấu được tính toán độ bền theo sức bền tức thời.

- Hệ số điều kiện làm việc y và hệ số điều kiện làm việc liên kết ylk lấy theo bảng 5, bảng 34 và phụ lục 4.

Bảng 5

Các cấu kiện của kết cấu	Hệ số điều kiện làm việc γ
1. Dầm đặc và các thanh chịu nén trong giàn của sàn dưới các phòng của nhà hát, câu lạc bộ, rạp chiếu bóng, khán đài, cửa hàng, kho giữ sách và kho lưu trữ …khi trọng lượng của sàn bằng hoặc lớn hơn tải trọng tạm thời 2. Cột của các nhà công cộng và gối đỡ của tháp nước 3. Các thanh chịu nén chính (trừ thanh ở gối) của hệ thanh bụng tiết diện chữ T tổ hợp từ các thép góp của giàn hàn ở mái và sàn (thí dụ: vì kèo và những giàn tương tự) khi độ mảnh lớn hơn hoặc bằng 60) 4. Dầm đặc khi tính toán ổn định tổng thể 5. Các thanh căng, thanh kéo, thanh neo, thanh treo, được làm từ thép cán 6. Các cấu kiện của kết cấu thanh ở mái và sàn a) Thanh chịu nén (trừ loại tiết diện ống kín) khi tính toán ổn định; b) Thanh chịu kéo trong kết cấu hàn; c) Các thanh chịu kéo, nén và các bản nối trong kết cấu bu lông (trừ kết cấu dùng bu lông cường độ cao) từ thép có giới hạn chảy nhở hơn 440Mpa (4500kg/cm2), chịu tải trọng lĩnh khi tính toán về độ bền 7. Dầm tổ hợp đặc,cột và các bảng nối bằng thép có giới hạn chảy nhỏ hơn 440Mpa(4500kg/cm2) chịu tải trọng tĩnh, được làm bằng liên kết bu lông cường độ cao, khi tính toán theo độ bền 8. Tiết diện của các cấu kiện cán, hàn và các bản nối bằng thép có giới hạn chảy nhỏ hơn 440Mpa (4500kg/cm2) ở những chỗ nối bằng bu lông (trừ bu lông cường độ cao), chịu tải trọng tĩnh, khi tính toán theo độ bền: a) Dầm đặc và cột; b) kết cấu thanh cửa mái và sàn 9. Các thanh bụng chịu nén của kết cấu không gian rỗng từ các thép góc đơn đều cạnh hoặc không đều cạnh (được liên kết bằng cạnh lớn): a) được liên kết trực tiếp với thanh cạnh trên một cạnh bằng các đường hàn hoặc bằng hai bu lông trở lên, đặc dọc theo thép góc: - thanh xiên theo hình 9,a,b, - thanh chống theo hình 9,c - thanh xiên theo hình 9,c - thanh chống theo hình 9,d,e b) Được liên kết trực tiếp với thanh cánh trên một cạnh bằng một bu lông (trừ các chỉ dẫn trong điều 9,c của bảng), cũng như liên kết qua bản mắt không phụ thuộc dạng liên kết; c) khi hệ thanh bụng hình chữ thập với một bu lông liên kết theo hình 9,h 10. Các thanh chịu nén bằng thép góc đơn, được liên kết theo một cạnh (đối với thép góc không đều cạnh chỉ theo cạnh nhỏ), trừ các cấu kiện của kết cấu đã nêu trong điều 9 của bảng, và dàn phẳng bằng thép góc đơn	0,9   0,95 0,80     0,95 0,9 0,95 0,95 1,05   1,10         1,10 1,05     0,90 0,90 0,85 0,80   0,75 0,70     0,75
Chú thích: 1. Các hệ số điều kiện làm việc (γ <1) khi tính toán sẽ không xét cùng lúc 2. Các hệ số điều kiện làm việc trong các mục 1 và 6, c; 1 và 7; 1 và 8;2 và 7; 2 và 8, a; 3 và 6, c; 6, b; khi tính toán sẽ không xét cùng lúc. 3. Các hệ số điều kiện làm việc trong các mục 3; 4; 6, a, c; 7; 8; 9 và 10 cũng như trong các điều 5 và 6,b (trừ các liên kết hàn đối đầu). Sẽ không xét đến khi tính liên kết của các cấu kiện được khảo sát. 4. Các trường hợp không nêu ở trên khi tính toán lấy y bằng1

 

5. Tính toán các cấu kiện kết cấu thép chịu lực dọc trục và uốn

Các cấu kiện chịu kéo đúng tâm và nén đúng tâm

5.1. Tính toán độ bền các cấu kiện chịu kéo hoặc nén đúng tâm do lực dọc trục (N) theo công thức:

                                                    (5)

Tính toán bộ bền của tiết diện tại nơi liên kết có các cấu kiện chịu kéo là những thép góc chịu đơn, được liên kết bằng những bulông trên một cạnh theo công thức (5) và (6). Giá trị của hệ số điều kiện làm việc (y) trong công thức (6) lây theo phụ lục 4.

5.2. Đối với những cấu kiện chịu kéo bằng thép có tỉ số giữa cường độ chịu kéo theo sức bền tức thời (R_b) và hệ số tin cậy (y_g) lớn hơn cường độ tính toán theo giới hạn chảy (R) (R_b/y_g>R), có thể sử dụng khi thép đã đạt giới hạn chảy tính theo công thức

                                                   (6)

5.3. Tính toán ổn định các cấu kiện đặc chịu nén đúng tâm theo công thức :

                                                    (7)

φ- Hệ số tròn dọc được xác định theo công thức sau:

Khi o <λ≤ 2,5:

                           (8)

Khi 2,5 < λ ≤ 4,5:

            (9)

Khi λ > 4,5

                                                (10)

Giá trị của hệ số uốn dọc (φ) lấy theo bảng 72

5.4. Tính toán những thanh từ những thép góc đơn chịu nén đúng tâm theo các chỉ dẫn ở điều 5.3, khi xác định độ mảnh của các thanh đó bán kính (r) của tiết diện thép góc và chiều dài tính toán l₀ lấy theo các quy định của điều 6.1 đến 6.7

Tính toán các thanh của kết cấu không gian từ những thép góc đơn được tiến hành theo các chỉ dẫn cảu điều 15.10

5.5. Những cấu kiện chịu nén có bản bụng đặc, tiết diện hở hình chữ ∏ với λ_x<3λ_y (λ_x, λ_y) - độ mảnh tính toán của cấu kiện với trục x và trục y cần phai tăng cường bằng các bản giằng; và cần tuân theo các chỉ dẫn của điều 5.6 và 5.8(xem hình 1).

Khi không có các bản giằng hoặc thanh giằng thì cấu kiện này ngoài việc kiểm tra theo công thức (7), phải kiểm tra tính ổn định ở trạng thái uốn xoắn theo công thức:

Trong đó:

φ_y - Hệ số uốn dọc được tính theo các chỉ dẫn ở điều 5.3;

c - Hệ số, xác định theo công thức :

                   (12)

α = a_x /h - Khoảng cách tương đối giữa trọng tâm chịu kéo và trọng tâm chịu uốn.

ở đây:

j_w - Mô men quán tính quạt của tiết diện

b_i, δ_i - Bề rộng và chiều dày của bản trong tiết diện

Đối với tiết diện có dạng như trên hình 1.a, các giá trị J_W,J_Y H² Và α được xác định theo những công thức:

Trong đó :β =b/h.

5.6. Đối với những thanh tổ hợp chịu nén có các thanh liên kết bằng bản giằng hoặc thanh giằng, hệ số uốn dọc M với trục ảo (trục thẳng góc với mặt phẳng của bản giằng hoặc thanh giằng) cần xác định theo công thức (8) đến (10), trong đó thay  bằng _tgdg ; _{tgdg = tgdg}  Giá trị của _tgdg được tính theo bảng 6, phụ thuộc vào _tgdg.