Các đặc trưng vật liệu quan trọng nhất của thép: cường độ bền và mođun đàn hồi đều được giảm ở nhiệt độ cao. Eurocode 3: Phần 1.2 cho các hệ số giảm tùy thuộc vào tính chất của nhiệt độ.
Bảng 3.1 Hệ số giảm của quan hệ ứng suất – biến dạng của thép ở nhiệt độ cao theo Eurocode 3: Phần 1.2 (1995) và theo thí nghiệm của Outinen (2001).
Nhieọt độ [ oC}
Hệ số giảm của mođun đàn hồi theo
Eurocode 3
Hệ số giảm của cường độ chảy dẻo
theo Eurocode 3
Hệ số giảm của cường độ chảy dẻo theo thớ nghieọm Outinen 20
100 1.000
1.000 1.000
1.000 1.000
0.970 200
300
0.900 0.800
1.000 1.000
0.932 0.895 400
500
0.700 0.600
1.000 0.780
0.857 0.619 600
700 0.310
0.130 0.470
0.230 0.381
0.143 800
900 1000
0.090 0.0675 0.0450
0.110 0.060 0.040
0.105 0.067 0.029
Trong Outinen (2000,2001), các kết quả về đặc tính của vật liệu thép với fy=355N/mm2 (S355) và fy= 460 N/mm2 (S460), fy=350 N/mm2 (S350) được tiến hành thí nghiệm ở số lượng lớn ở Đại Học Kỹ Thuật Helsinki (the Helsinki University of Technology). Đối với kết cấu thép S355 và S460, các kết quả thí nghiệm cho thấy đặc trưng vật liệu của Eurocode 3 khá chính xác. Tuy nhiên, chúng lại không đúng cho kết cấu thép S350. trong khi mođun đàn hồi đo được trong thí nghiệm thép S350 tương tự giá trị Eurocode 3, thì cường độ bền đo được lại không tương tự. Mô hình Eurocode 3 cho thấy an toàn khi so sánh trong kết quả thí
nghiệm. Vì vậy, Outinen đã có đề xuất mới cho cường độ bền của thép S350 ở nhiệt độ cao dựa vào kết quả thí nghiệm (giá trị so sánh Eurocode 3 và Outinen được cho trong bảng 3.1).
Do đó, các giá trị dựa vào kết quả thí nghiệm của thép S350 về cường độ bền được sử dụng trong phương pháp PTHH và quá trình tính toán. Ngoại trừ các quy luật chung, thì quy luật sau luôn là song tuyến tính.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Nhiệt độ thép [0C]
Cường độ chảy dẻo [N/mm2 ]
Hình 3.1 Cường độ bền của cấu kiện thép S350 ở nhiệt độ cao.
So sánh giá trị cho bởi Eurocode 3 và kết quả thí nghiệm ( Outinen (2000)).
Đường cong ứng suất – biến dạng ở các nhiệt độ khác nhau được cho hình thành ở hình 3.2 (dựa vào kết quả thí nghiệm của Outinen (Outinen 2001)).
Hình 3.2 Đường cong Ứng suất – Biến dạng của cấu kiện thép S350 ở nhiệt độ khác nhau dựa trên kết quả thí nghiệm ( Outinen (2000)).
Một khía cạnh quan trọng trong đặc trưng về vật liệu của kết cấu thép ở nhiệt độ cao là chọn tiêu chuẩn chảy dẻo. Ở nhiệt độ bình thường đối với phần lớn kết cấu thép, giới hạn bền chảy dẻo lên đến 2.0% biến dạng tổng cộng theo Eurocode 3. Outinen và Myllymọki (1995), sử dụng 0,2% ứng suất chịu lực cho thiết kế ứng suất chảy dẻo ở nhiệt độ cao, và Ranby (1999) cũng đã thực hiện tương tự như vậy.
Giá trị mođun đàn hồi trong tiêu chuẩn Eurocode 3 trùng với kết quả thí nghiệm. Ở nhiệt độ bình thường, E=2.1x105 N/mm2 (theo Eurocode 3 : Phần 1.3 - 1995).
Mođun đàn hồi trượt được tính theo công thức G=E/(2(1+ν )), với hệ số Poisson ν =0,3 không phụ thuộc vào nhiệt độ. Trọng lượng thép được lấy là 7850kg/m3.
Giá trị của mođun đàn hồi và mođun đàn hồi trượt sử dụng trong luận văn được cho trong bảng 3.3.
Bảng 3.2 Giá trị của 0.2% ứng suất chịu lực fp0.2,θ [N/mm2} theo Eurocode 3 và kết quả thí nghiệm ( Outinen (2000)).
Nhiệt độ
[0C] Eurocode 3 (1995) Outinen (2001) 20
100
350.0 350.0
350.0 336.3 200
300
296.8 247.1
319.1 302.0 400
500 201.6
166.6 234.8
167.5 600
700 90.3
39.9 100.3
33.0 800
900
23.5 15.6
21.0 13.0 Bảng 3.3 Giá trị mođun đàn hồi, mođun đàn hồi trượt theo Eurocode 3.
Nhiệt độ [0C]
Mođun đàn hồi E [N/ mm2]
Mođun đàn hồi trượt G [N/mm2]
20
100 210000
210000 80769
80769 200
300 189000
168000 72692
64615 400
500
147000 126000
56536 48462 600
700
65100 27300
25038 10500 800
900 18900
14175 7269
5452
Ở hình 3.3, biểu đồ so sánh giữa 0,2% giá trị ứng suất bền theo Eurocode 3 và theo kết quả thí nghiệm (Outinen (2001)) trong khoảng 1400C – 5000C, 0.2%
ứng suất bền theo kết quả thí nghiệm cao hơn tiêu chuẩn Eurocode 3 (1995) mặc dù biến dạng bền thực nghiệm lại thấp hơn ở tất cả các nhiệt độ (xem hình 3.1).
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Nhiệt độ thép [0C]
Cường độ chảy dẻo [N/mm2 ]
Eurocode 3(1995) Outinen(2000)
Hình 3.3 Cường độ chảy dẻo tương ứng với 0.2% biến dạng tổng cộng của thép S350 ở nhiệt độ cao. So sánh giá trị Eurocode 3 và kết quả thí nghiệm (
Outinen (2000)).
Quá trình chế tạo, tạo hình thép thanh thành mỏng từ các cấu kiện thép tấm mỏng đã làm gia tăng ứng suất bền thực tế. Trong tiết diện hở, như tiết diện C, quá trình tạo hình tập trung ở góc của tiết diện ngang, và ứng suất bền của tấm không ảnh hưởng lớn bởi quá trình trên. Hơn nữa, ảnh hưởng của ứng suất dư nhỏ hơn khi ở nhiệt độ cao (Ranby(1999), Young và Rasmussen (1998)). Vì vậy, các ảnh hưởng trên không được xét đến trong luận văn.
Hệ số giãn nhiệt cũng rất quan trọng trong tính toán ở nhiệt độ cao, tuy nhiên không đuợc xét đến vì mục đích thí nghiệm.