Bài giảng Kết cấu thép 1 Chương 1 - Nguyễn Văn Hiếu

Theo thành phần hóa học của thép  Thép cacbon, với lượng cacbon dưới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác.. Cấu trúc của thép Thép có cấu trúc tinh thể, có hai thành phần chính: -

KẾT CẤU THÉP 1

CHƯƠNG 1:

THÉP & SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP

Đ1 VẬT LIỆU THẫP TRONG XÂY DỰNG

Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe) và cacbon (C), ngoài

ra còn một số các chất khác có tỉ lệ không đáng kể, như oxy (O), phốtpho (P), silic (Si), v.v

và C, lượng

C chiếm trên 1,7%

lò luyện thép để khử bớt C

======

Thép, lượng

C <

1,7%

1 Phân loại thép xây dựng

a Theo thành phần hóa học của thép

 Thép cacbon, với lượng cacbon dưới 1,7%, không có các

thành phần hợp kim khác Theo hàm lượng cacbon, lại chia ra: thép cacbon cao, vừa, thấp (thép xây dựng lượng cacbon < 0,22%)

Cr, Ni, Mn, nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ Thép hợp kim thấp là thép có tỉ lệ của tổng các nguyên tố phụ thêm dưới 2,5%, đây là loại thép được dùng trong xây dựng Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không dùng làm kết cấu xây dựng

b Theo phương pháp luyện thép:

Luyện thép từ gang là nhằm khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đưa về hàm lượng yêu cầu đối với thép Có hai phương pháp luyện chính: bằng lò quay và bằng lò bằng

gang lỏng để oxy hóa các hợp chất cần khử của gang (C, Si,

Mn, P) Tùy theo thành phần của quặng làm gang có ít hay nhiều phôtpho, mà cấu tạo lò quay khác nhau: lò Bessmer; lò Thomas

Ưu nhược điểm:

Năng suất cao, thời gian luyện mỗi mẻ chỉ chừng 30 phút, nhưng chất lượng thép không tốt vì N trong không khí hòa tan trong thép thành những bọt khí, làm thép giòn Ngoài ra không thể khử hết hoàn toàn P là thành phần có hại làm cho thép bị

Phương pháp luyện bằng lò quay tiên tiến mới được áp dụng trong mấy chục năm gần đây là lò thổi oxy Thép được sản xuất bằng phương pháp này có chất lượng tốt tương đương như thép lò bằng, nhưng rẻ hơn nhiều vì năng suất cao, thời gian luyện nhanh (40 - 50 phút) Hiện nay, các lò Bessmer và lò Thomas hầu như không được dùng nữa

lỏng được trộn lẫn với thép vụn và được đốt nóng bằng khí

đốt Các chất của gang được oxy hóa bằng các sắt oxyt trong thép vụn Thời gian luyện một mẻ từ 8 đến 12 giờ, năng suất thấp, giá thành thép cao Nhưng thép có chất lượng tốt cấu trúc thuần nhất và thành phần thép có thể

điều chỉnh được trong quá trình luyện

 Thép tĩnh: thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc

ra, do đã được thêm những chất khử oxy như Si, Al, Mn Những chất này khử hết oxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt

 Thép nửa tĩnh: là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó oxy không được khử hết

2 Cấu trúc và thành phần hóa học của thép

a Cấu trúc của thép

Thép có cấu trúc tinh thể, có hai thành phần

chính:

- Ferit, các hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích

(ferit là sắt nguyên chất), có tính mềm và dẻo;

Cấu trúc của thép cacbon

thấp

ở thép cacbon thấp, xenmentit hỗn hợp với ferit thành peclit, là lớp mỏng màu thẫm nằm giữa các hạt ferit

Các lớp peclit bao quanh các hạt ferit mềm dẻo như một màng

đàn hồi, quyết định sự làm việc dưới tải trọng và các tính chất

 Si là chất khử oxy Si làm tăng cường độ của thép nhưng làm giảm tính chống gỉ, tính hàn, %Si < 0,3% đối với thép cacbon thấp

Những hợp chất có hại, ảnh hưởng xấu đến chất lượng của thép:

 P, làm giảm tính dẻo và độ dai va chạm của thép, đồng thời làm thép trở nên giòn nguội

 S làm cho thép giòn nóng, nên dễ bị nứt khi hàn và rèn

 Các khí N, O2 trong không khí hòa vào kim loại lỏng làm cho thép bị giòn, giảm cường độ thép

Đối với thép hợp kim người ta cho thêm vào thép cacbon các nguyên tố kim loại như Cu, Ni, Cr, Ti, vanađi (V), Molipđen (Mo) v.v làm tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của

phÇn ho¸ häc

C¸c lo¹i thÐp cacbon thÊp cã f y vµo kho¶ng 2200 2700

2

daN/cm (gi¸ trÞ lín nhÊt øng víi chiÒu dÇy t  20mm, khi chiÒu

2

B¶ng 1 - ThÐp c¸c bon TCVN 1765 : 1975

M¸c thÐp

§é bÒn kÐo fu ,

b Thép cường độ khá cao: Là thép cacbon thấp mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp f y từ 3100 - 4000daN/cm , 2 f từ u

Đ2 QUY CÁCH THẫP TRONG XÂY DỰNG

Kết cấu xây dựng được chế tạo từ các thép tấm, thép hình có nhiều loại kích thước khác nhau

B

d a)

d

x y

x b)

thªm ch÷ ”a”, vÝ dô I 22a

ChiÒu dµi ®­îc s¶n xuÊt tõ 4

b d

diÖn phô “a”, c¸nh réng

vµ dµy h¬n, vÝ dô [ 22a

d

y

y

x x

d

x x

y

y

x x

- Ngoµi ra, cßn cã lo¹i thÐp tÊm kh¸c nh­: thÐp d¶i, réng < 200

mm, thÐp tÊm mÆt cã v©n h×nh sãng

ngoài ra, có thể có những tiết diện

rất đa dạng theo yêu cầu riêng

- Nhẹ hơn nhiều so với thép cán nóng, dùng chủ yếu cho các loại kết cấu thép nhẹ, cấu kiện chịu lực nhỏ nhưng cần có độ cứng lớn

- Khuyết điểm là có sự cứng nguội ở những góc bị uốn; chống gỉ kém hơn

r = 1,5 t

t

Đ3 SỰ LÀM VIỆC CỦA THẫP KHI CHỊU TẢI TRỌNG

1 Sự làm việc chịu kéo của thép

a Biểu đồ ứng suất - biến dạng

B C 20 10

30 40

- A’B (giai đoạn đàn hồi dẻo)

Thép không còn làm việc đàn

daN/cm2

đến  = 2,5% được gọi là thềm chảy  tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi là c

- CD (giai đoạn củng cố), ( = 2,5% đối với CCT38), thép không chảy nữa và lại có thể chịu được lực Quan hệ ứng - là một đường cong thoải,  tăng nhanh Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ và bị kéo đứt ứng với  ở điểm D≈4000daN/cm2

O O' 4 8 12 16 20  l

A A'

B C

20 10

30 40

Nếu nhiều cacbon, mạng

peclit nhiều và dày sẽ luôn

1 biểu đồ kéo của thép cacbon cao;

2 biểu đồ kéo của thép cacbon thấp

(CСT38)

luôn ngăn cản không cho các hạt ferit trượt

Biểu đồ  -  của thép cacbon cao hầu như không có thềm chảy: sau giai đoạn đàn hồi, đường cong chuyển ngay sang

o 2 4 6 8 10



 kN/cm2

20 10

30 40 50

12 14 16 18 20 22 24 26

60 70 80 90

b Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép:

- Biểu đồ kéo của thép cho ta các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép: giới hạn tỉ lệ tl; giới hạn chảy c; giới hạn bền b;

nhất có thể có trong vật liệu, không được phép vượt qua (ứng với  = 0,2%)

- Tùy thuộc trị số của , có thể áp dụng các lí thuyết tính

toán:

- khi   tl : dùng lí thuyết đàn hồi, với E = const;

- khi tl <  < c : dùng lý thuyết đàn hồi dẻo, với E  const;

- khi  = c : dùng lí thuyết dẻo

- Giới hạn bền b Đối với thép không có c thì b là trị số giới hạn cho ứng suất làm việc Ngay với thép cacbon thấp, có thềm chảy, khi mà kết cấu được phép có biến dạng lớn, người ta có thể

an toàn nhất định

- Biến dạng khi đứt o, đặc trưng cho độ dẻo và độ dai của thép Đối với thép cacbon thấp, o rất lớn, tới 200 lần biến dạng khi làm việc đàn hồi Có thể nói kết cấu thép không bao giờ bị phá hoại ở trạng thái dẻo Kết cấu chỉ có thể có phá hoại khi thép

đã chuyển thành giòn

kéo: cùng E, tl, đh, c Chỉ có trong giai đoạn củng cố thì không

tục chịu được tải lớn Trong giai đoạn làm việc đàn hồi và đàn hồi

2 Sự phá hoại giòn của thép:

- Sự phá hoại giòn là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi Sự phá hoại xảy ra là do bị đứt, lực tương tác giữa các phân tử bị mất đi, các phân tử bị xa rời nhau

- Sự phá hoại dẻo là sự phá hoại với biến dạng lớn, vật liệu làm việc trong giai đoạn dẻo, xảy ra do sự trượt giữa các phân

tử (hạt tinh thể) khi mà ngoại lực lớn hơn lực chống trượt giữa các phân tử

a Hiện tượng cứng nguội Đó là hiện tượng tăng tính giòn của thép sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường

Hình 1.4 Sự cứng nguội của thép

- Hiện tượng tăng giới hạn đàn hồi của thép do bị biến dạng dẻo trước gọi là hiện tượng cứng nguội Sự cứng nguội tuy làm tăng cường độ của thép nhưng làm cho thép giòn nên coi là bất

K1

K2

K3

  kN/cm2   kN/cm2   kN/cm2

b Thép chịu trạng thái ứng suất phức tạp - sự tập trung ứng suất

- Trạng thái ứng suất phức tạp là trường hợp ứng suất cục bộ, gây bởi các biến đổi đột ngột của hình dạng cấu kiện max ở vị trí lỗ cắt

>> tb ứng suất theo hai phương x và y làm cho thép trở nên giòn

Sự tập trung ứng suất a) các quĩ đạo ứng suất khi kéo; b) biểu đồ thay đổi làm việc của thép 1-không có sự tập trung ứng suất (làm việc đàn hồi dẻo); 2-có sự tập trung ứng suất; 3-có sự tập trung ứng suất do rãnh cắt (làm việc giòn).

30 40 50

- Sự tập trung ứng suất không nguy hiểm nếu thép chỉ chịu tải

tiết diện, và như vậy không ảnh hưởng đến P phá hoại

nhiên, với kết cấu chịu tải trọng động lực thì sự tập trung ứng suất là nguy hiểm vì làm cho thép dễ bị phá hoại giòn

c Thép chịu tải trọng lặp

Khi thép chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần nó có thể bị phá

mỏi mang tính chất phá hoại giòn, thường xảy ra đột ngột và kèm theo vết nứt ứng suất phá hoại mỏi của thép gọi là cường

Cường độ mỏi a) quan hệ f và số chu kỳ; b) các đặc trưng biến đổi ứng suất

 = 

max min

d Sự hoá già của thép

- Theo thời gian, tính chất của thép thay

sự hoá già) Nguyên nhân là trong các tinh

của thộp

Các chất này dần dần tách ra và tạo nên các lớp cứng giữa các hạt ferit Thép trở nên cứng hơn nhưng kém dẻo hơn Thép sôi có cấu trúc hạt kém thuần nhất, dễ bị lão hóa hơn cả

- Sự lão hóa tự nhiên dù có làm tăng cường độ thép nhưng

- Khi nhiệt độ tăng tiếp, c và b

6000C thì c = 400 daN/cm2, b =

- Nhiệt độ t = 6000C  6500C được gọi là nhiệt độ dẻo, khi đó c

phá hoại mẫu Tại tiết diện cắt khấc, ứng suất phân bố không

đều; tác dụng va chạm làm tăng khả năng vật liệu thép chuyển sang giòn Độ dai va đập có giá trị bằng công phá hoại mẫu chia cho diện tích tiết diện mẫu Đối với thép cacbon thấp, độ

TCXDVN 338:2005

Đ4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU THẫP

Mục đích: đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quá trạng thái giới hạn khiến cho chúng không thể sử dụng được nữa với hiệu quả kinh tế tương ứng

1 Phương pháp tính kết cấu thép theo trạng thái giới hạn

cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với công trình khi sử dụng cũng như khi xây lắp

- Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc không còn

sử dụng được nữa phá hoại về bền

b) Điều kiện tính toán:

 Đối với nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện an toàn về khả năng

+ Nội lực N gây bởi tải trọng tính toán P (P  P c .Q .n)

Khi có nhiều tải trọng (Pi) tác dụng đồng thời:

M

c y c

Af Af

Af

Af S

u m

c u u

c t

2 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

 Cường độ tiêu chuẩn là đặc trưng cơ bản của vật liệu được qui định trong TCVN thiết kế kết cấu

 Đối với thép cacbon và thép cường độ khá cao: cường độ tiêu

 Đối với thép không có biến dạng chảy (cường độ cao) và cả trong những trường hợp kết cấu có thể làm việc quá giới hạn

 Một số hệ số sử dụng trong việc xác định cường độ tính toán:

Bảng 2 - Cường độ tính toán của thép cán và thép ống

toán Kéo, nén, uốn

- theo giới hạn chảy

ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt fcc fcc = 0,5 fu /M

/M

b Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

 Đặc trưng cơ bản của tải trọng là giá trị tiêu chuẩn của chúng, được xác lập trên cơ sở thống kê và được cho trong tiêu chuẩn

 Tải trọng thường xuyên do trọng lượng các kết cấu được xác

định theo số liệu của các tiêu chuẩn và của các nhà máy chế tạo, theo kích thước và khối lượng thể tích của vật liệu

 Tải trọng tạm thời tác dụng lên sàn nhà được qui định theo tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737-1995

trọng do những sai lệch ngẫu nhiên

 Khi tính đến kết cấu theo nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất thì dùng tải trọng tính toán

 Khi tính kết cấu theo nhóm trạng thái giới hạn thứ hai thì chỉ

c Tổ hợp tải trọng

Các tải trọng tác dụng đồng thời lên công trình, tạo nên những

tổ hợp tải trọng, các tổ hợp tải trọng được chia ra:

 Tổ hợp cơ bản, bao gồm các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn

 Tổ hợp đặc biệt, gồm các tải trọng thường xuyên, các tải trọng tạm thời dài hạn và ngắn hạn, và một trong các tải trọng đặc biệt

 Sự xuất hiện đồng thời của nhiều tải trọng đều với trị số lớn nhất, là ít có xác suất xảy ra hơn là khi chỉ có ít tải trọng

 Khi trong tổ hợp cơ bản mà chỉ có một tải trọng ngắn hạn thì nc = 1 Còn trong tổ hợp cơ bản có hai hay nhiều tải

Đ5 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CƠ BẢN

1 Cấu kiện chịu kéo đúng tâm

n

f A

N



trong đó: N : nội lực dọc do tải trọng tính toán;

An : diện tích thực, đã trừ đi các giảm yếu của tiết diện cấu kiện;

c  hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện chịu kéo

Trong trường hợp cho phép có biến dạng dẻo lớn, hoặc đối với thép cường độ cao không có vùng chảy thì có thể tính theo

u

c t n

f A

N







2 Cấu kiện chịu uốn

a Tính cấu kiện chịu uốn trong giai đoạn đàn hồi

Độ bền của cấu kiện chịu uốn trong một mặt phẳng được kiểm tra bền theo TTGH thứ nhất bằng công thức

n

f W

b TÝnh cÊu kiÖn chÞu uèn cã biÕn d¹ng dÎo

Víi gi¶ thiÕt thÐp lµ

Sù lµm viÖc cña cÊu kiÖn chÞu uèn

M«men uèn giíi h¹n øng víi giai ®o¹n nµy lµ

So sánh công thức này với công thức của giai đoạn đàn hồi

dẻo Wd > W Đối với tiết diện chữ nhật, Wd = 1,5W; tiết diện chữ I, Wd = 1,12W

Công thức tính cấu kiện chịu uốn có

d

f W

M





sự biến dạng dẻo Sự chảy xuất hiện khi

2 2

Sự chảy có thể xuất hiện không chỉ ở các thớ biên, mà thậm

chí ngay cả ở trục trung hòa khi mà ứng suất tiếp đạt



Qui phạm cho dùng phương pháp tính gần đúng để tính cấu kiện chịu uốn đồng thời với cắt có xét đến biến dạng dẻo như sau:

 td   2  3 2  1 , 15 f c

c Tính cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai

Cấu kiện chịu uốn phải được kiểm tra về biến dạng như sau: Biến dạng đàn hồi  gây bởi tải trọng tiêu chuẩn không được

vượt quá độ võng giới hạn cho phép []   []

3 Cấu kiện nén đúng tâm

a Tính về bền

Tiến hành đối với những thanh ngắn, chiều dài không lớn quá 5 6

tính toán cũng giống như của thanh chịu kéo

b Tính về ổn định

Thanh chịu nén ở vào trạng thái cân bằng ổn

định khi lực nén < lực tới hạn Khi lực nén đạt

tới trị số tới hạn, thanh không còn thẳng nữa,

bị uốn cong trong mặt phẳng có độ cứng nhỏ

nhất ở trạng thái cân bằng cong Sau đó, dù

tải trọng chỉ tăng rất ít, thanh cũng bị cong rất

nhanh và mất khả năng chịu lực

Đối với thanh liên kết khớp hai đầu chịu

Hình 1.5 Hệ số  theo dạng liên kết 2 đầu thanh nén

Ứng suất tới hạn tương ứng: 2

2 2

min o

2

2 o

min

2 cr

cr

E

i l

E )

A l (

EI A

i min  min ; A - diện tích tiết diện nguyên;

Công thức trên chỉ đúng khi E có giá trị không đổi, tức là chỉ

dùng được công thức Ơle

2000

2100000 E

tl



 

Với độ mảnh nhỏ hơn, sự mất ổn định xảy ra khi đã có biến dạng dẻo Môđun biến dạng biến đổi

của tiếp tuyến với đường cong biểu đồ kéo, nên E t còn gọi là

2 E

4 Cấu kiện chịu kéo lệch tâm và nén lệch tâm

Những cấu kiện này vừa chịu lực dọc trục vừa chịu mômen uốn Trong hầu hết mọi trường hợp, các cấu kiện chịu lực dọc

đặt lệch tâm so với trục e  M / N

a Tính cấu kiện kéo lệch tâm và cấu kiện ngắn nén lệch tâm

Cấu kiện kéo lệch tâm và cấu kiện ngắn nén lệch tâm được tính theo độ bền:

n

M A

N

  f  c

Khi cấu kiện làm bằng thép (c5800 daN/cm2) và chỉ chịu tải trọng tĩnh thì trạng thái giới hạn về độ bền có thể xét đến sự phát triển của biến hình dẻo Công thức tính toán có xét đến

biến dạng dẻo theo tiêu chuẩn là:

f cW

M f

A

N

c n

2 / 3