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

1



KẾT CẤU THÉP 1

C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


1
1
:
:

T
T
H
H
É
É

P
P


&
&


S
S
Ự
Ự


L
L
À
À
M
M


V
V
I
I
Ệ
Ệ
C
C

C
C
Ủ
Ủ
A
A


T
T
H
H
É
É
P
P

G
G
V
V
:
:


N
N
G
G
U
U
Y
Y
Ễ
Ễ

N
N


V
V
Ă
Ă
N
N


H
H
I
I
Ế
Ế
U
U

T
T
p
p
.
.


H
H
C
C
M
M
,
,


T
T
h
h
á
á
n
n

g
g


0
0
2
2
/
/
2
2
0
0
1
1
3
3


2
Đ1. VT LIU THẫP TRONG XY DNG

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, nh oxy
(O), phốtpho (P), silic (Si), v.v
Quặng sắt,
thành phần
chính là sắt
oxyt (Fe

2
O
3
,
Fe
3
O
4
)
luyện trong
lò cao
======

Gang là
hợp kim Fe
và C, lợng
C chiếm
trên 1,7%.

lò luyện
thép để
khử bớt C
======

Thép,
lợng
C <
1,7%.

3
1. Phân loại thép xây dựng
a. Theo thành phần hóa học của thép

Thép

cacbon
, với lợng cacbon dới 1,7%, không có các
thành phần hợp kim khác. Theo hàm lợng cacbon, lại
chia ra: thép cacbon cao, vừa, thấp (thép xây dựng lợng
cacbon < 0,22%).

Thép hợp kim,
có thêm các thành phần kim loại khác nh
Cr, Ni, Mn, nhằm nâng cao chất lợng thép nh tăng độ
bền, tăng tính chống gỉ. Thép hợp kim thấp là thép có tỉ lệ
của tổng các nguyên tố phụ thêm dới 2,5%, đây là loại
thép đợc dùng trong xây dựng. Thép hợp kim vừa và hợp
kim cao không dùng làm kết cấu xây dựng.



4
b. Theo phơng pháp luyện thép:
Luyện thép từ gang là nhằm khử bớt cacbon và các chất phụ
khác trong gang để đa về hàm lợng yêu cầu đối với thép. Có
hai phơng pháp luyện chính: bằng lò quay và bằng lò bằng.

Luyện bằng lò quay:
Không khí đợc thổi qua đáy vào nớc
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 nhợc điểm:
Năng suất cao, thời gian luyện mỗi mẻ chỉ chừng 30 phút,
nhng chất lợng 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
già.

5
Phơng pháp luyện bằng lò quay tiên tiến mới đợc áp dụng
trong mấy chục năm gần đây là lò thổi oxy. Thép đợc sản
xuất bằng phơng pháp này có chất lợng tốt tơng đơng nh
thép lò bằng, nhng rẻ hơn nhiều vì năng suất cao, thời gian
luyện nhanh (40 - 50 phút). Hiện nay, các lò Bessmer và lò
Thomas hầu nh không đợc dùng nữa.

Luyện bằng lò bằng (lò Martin):
Trong lò bằng, nớc gang
lỏng đợc trộn lẫn với thép vụn và đợc đốt nóng bằng khí
đốt. Các chất của gang đợc 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. Nhng thép có chất
lợng tốt cấu trúc thuần nhất và thành phần thép có thể
điều chỉnh đợc trong quá trình luyện.

6




7
c. Theo mức độ khử oxy
Thép lỏng từ lò luyện đợc rót vào các khuôn và để nguội cho
kết tinh lại. Tùy theo phơng pháp để lắng nguội, chia ra:

Thép sôi:
thép khi nguội, bốc ra nhiều bọt khí nh oxy,
cacbon oxyt; các bọt khí làm cho cấu trúc của thép không
đồng nhất.

Thép tĩnh:
thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc
ra, do đã đợc thêm những chất khử oxy nh 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 đợc khử hết.


8
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
- Xementit là hợp chất sắt cacbua (Fe
3
C), rất cứng và giòn.
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 nh một màng
đàn hồi, quyết định sự làm việc dới tải trọng và các tính chất
dẻo của thép. Thép càng nhiều C thì màng peclit càng dày và
thép càng cứng, kém dẻo.

9
b. Thành phần hóa học của thép
Thép cacbon, ngoài hai thành phần chính là Fe và C, còn có
các thành phần phụ khác nh Mn, Si, S, P.
Mn, làm tăng cờng độ và độ dai của thép, làm giảm ảnh
hởng có hại của S. Nếu % Mn > 1,5%, thép trở nên
giòn.
Si là chất khử oxy. Si làm tăng cờng độ của thép nhng
làm giảm tính chống gỉ, tính hàn, %Si < 0,3% đối với thép
cacbon thấp.

10
Những hợp chất có hại, ảnh hởng xấu đến chất lợng 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 cờng độ thép.
Đối với thép hợp kim ngời ta cho thêm vào thép cacbon các
nguyên tố kim loại nh Cu, Ni, Cr, Ti, vanađi (V), Molipđen
(Mo) v.v làm tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của
thép.

11
3. Các mác thép dùng trong xây dựng
a. Thép cacbon thấp cờng độ thờng: (
y
f
290
2
N/mm
)
Hai loại chính:
+ thép cácbon thờng
(hàm lợng C từ 0,14%0,22%)
, là thép sôi
hoặc nửa tĩnh
+ thép cácbon thờng có thêm hàm lợng Mn 0,8% 1,1% .

Tùy theo yêu cầu sử dụng các thép này dợc chia làm ba nhóm:
+ Nhóm A: thép đợc đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học;
+ Nhóm B: thép đợc đảm bảo chặt chẽ về thành phần hoá học;
+ Nhóm C: thép đợc đảm bảo về tính chất cơ học và cả thành
phần hoá học.
Các loại thép cacbon thấp có
y
f
vào khoảng 2200 2700
2
daN/cm
(giá trị lớn nhất ứng với chiều dầy t 20mm, khi chiều
dầy thép càng tăng, các đặc trung cơ học càng giảm),
u
f
từ 3300
đến 5400
2
daN/cm
.

12
Bảng 1 - Thép các bon TCVN 1765 : 1975
Mác thép
Độ bền
kéo
f
u
,
2

N/mm

Giới hạn chảy
f
y
, N/mm
2
cho độ dày
t
, mm
Độ dãn dài
0
,%,
cho độ dày
t
, mm
20

20 <
t

40
40 <
t

100
20

20 <
t

40
> 40

Không nhỏ hơn

Không nhỏ hơn

CT34s


220

210 200 33 32 30
CT34n,
CT34

230

220 210 32 31 29
CT38s


240

230 220 27 26 24
CT38n,
CT38

250

240 230 26 25 23
CT38nMn


250

240 230 26 25 23
CT42s


260

250 240 25 24 22
CT42n,
CT42

270

260 250 24 23 21
Thép dùng trong kết cấu thép thuộc nhóm C nên ở đầu mác thép có thêm ký
hiệu C, thí dụ: CCT34, CCT38, CCT42.

13
b. Thép cờng độ khá cao: Là thép cacbon thấp mang nhiệt
luyện hoặc thép hợp kim thấp.
y
f
từ 3100 - 4000
2

daN/cm
,
u
f
từ
4500 - 5400
2
daN/cm
.
c. Thép cờng độ cao
Gồm các loại thép hợp kim có nhiệt luyện,

y
f
4400
2
daN/cm

và

u
f
5900
2
daN/cm
nh các mác 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV
v.v Dùng thép cờng độ cao, tiếp kiệm đợc vật liệu tới 25 -
30%.

14
§2. QUY CÁCH THÉP TRONG XÂY DỰNG
KÕt cÊu x©y dùng ®îc chÕ t¹o tõ c¸c thÐp tÊm, thÐp h×nh cã nhiÒu
lo¹i kÝch thíc kh¸c nhau.
1. ThÐp h×nh (TCVN 1656:
1993)
a. ThÐp gãc
-
ThÐp gãc ®Òu c¹nh gåm 50
lo¹i tiÕt diÖn tõ nhá nhÊt lµ
L20 x20
3 ®Õn lín nhÊt lµ
L250 x 250 x 35.
-
ThÐp gãc kh«ng ®Òu c¹nh
gåm 72 lo¹i tiÕt diÖn tõ nhá
nhÊt lµ L30  20 
3 ®Õn lín
nhÊt lµ L200  150  25.


ThÐp gãc vµ øng dông
B
d
x
y
B

d
a)
B
d
x
y
b
d
c)
d)
x
y
x
b)

15
b. Thép chữ I (TCVN 1655: 1975)
-
Thép hình chữ I gồm có 23
loại tiết diện, chiều cao từ
100 đến 600 mm (hình 1.10,
a).
-
Từ các số hiệu 18 đến 30,
còn có thêm tiết diện phụ,
cùng chiều cao nhng cánh
rộng và dày hơn, ký hiệu
thêm chữ a
, ví dụ I 22a.
Chiều dài đợc sản xuất từ 4

đến 13m.

Thép chữ I và ứng dụng

a) b)
y
y
xx
h
b
d

16
c. ThÐp ch÷ [ (TCVN 1654: 1975)
ThÐp h×nh ch÷ [ gåm cã
22 lo¹i tiÕt diÖn, tõ sè
hiÖu 5 ®Õn 40.
Tõ sè hiÖu 14 ®Õn 24
còng cã thªm lo¹i tiÕt
diÖn phô “a”, c¸nh réng
vµ dµy h¬n, vÝ dô [ 22a.
ChiÒu dµi tõ 4 ®Õn 13 m.



ThÐp ch÷ [ vµ øng dông
h
y
y
xx

d
y
y
xx
d
a)
b)
c)

17
d. C¸c lo¹i thÐp h×nh kh¸c
 ThÐp I c¸nh réng, cã t
Ø
lÖ bÒ réng c¸nh trªn bÒ cao

b:h lµ 1:1,65 ®Õn
1:2,5,
chiÒu cao tiÕt diÖn
h
cã th
Ó
tíi 1000 mm.
-
ThÐp èng cã hai lo¹i:
kh«ng cã ®êng hµn däc vµ
cã ®êng hµn däc.
- Ngoµi ra, cßn cã nh÷ng
lo¹i kh¸c: thÐp ch÷ T, thÐp
ray, thÐp vu«ng, thÐp trßn
v.v

C¸c lo¹i tiÕt diÖn thÐp h×nh
kh¸c
y
y
xx
a)
y
y
xx
y
y
xx
b)
c)
d)
h
b

18
2. ThÐp tÊm
- ThÐp tÊm phæ th«ng, cã bÒ dµy 4 - 60 mm réng 160 - 1050
mm chiÒu dµi 6 - 12 m.
- ThÐp tÊm dµy, cã bÒ dµy 4 - 160 mm, bÒ réng tõ 600 ®Õn
3000 mm, dµi 4 - 8 m.
- ThÐp tÊm máng, cã bÒ dµy 0,2 - 4 mm, réng 600 -1400 mm,
dµi 1,2 - 4 m.
- 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.

19
3. Thép hình dập, cán nguội
-

Từ các thép tấm mỏng, thép
d
ải,
dày 2 -
16 mm, mang dập, cán
nguội.
- T
hép góc đều cạnh, không đều
cạnh, chữ [, tiết diện hộp v.v
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 nhng cần có độ cứng
lớn.
- Khuyết điểm là có sự cứng nguội ở những góc bị uốn; chống gỉ
kém hơn.

B
B
y
y
xx
t
B

b
y
y
xx
t
h
b
y
y
xx
r = 1,5
t
t

20
Đ3. S LM VIC CA THẫP KHI CHU TI TRNG
1. Sự làm việc chịu kéo của thép
a. Biểu đồ ứng suất
-

biến dạng
khi kéo
Kéo một mẫu thép mác CCT38
bằng tải trọng tĩnh tăng dần và
vẽ đồ thị quan hệ giữa và .
- OA (
giai đoạn tỉ lệ )
, là một
đờng thẳng, - tuyến tính, vật

liệu làm việc theo định luật
Hook: =
E
.
tơng ứng với
điểm A gọi là
tl
.

Biểu đồ kéo của thép cacbon
thấp
- AA, không còn giai đoạn tỉ lệ nữa, nhng thép vẫn làm việc
đàn hồi. tơng ứng với điểm A gọi là
đh

(


0,05%).

O
O'
84 12 16 20

l


2
A
A'

B
C
20
10
30
40
50
D




b
c
d
h
tl

l

100%

P
A
,
kN/cm

21
-

A

B (
giai đoạn đàn hồi dẻo
)
.
Thép không còn làm việc đàn
hồi nữa;
E

giảm dần đến bằng 0
ở điểm B, ứng với

2400

daN/cm
2
.

- BC (
giai đoạn chảy dẻo
). Đoạn nằm ngang, ứng với = 0,2%
đến = 2,5% đợc gọi là thềm chảy. tơng 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 đợc lực. Quan hệ ứng - là

một đờng cong thoải,

tăng nhanh. Mẫu thép bị thắt lại, tiết
diện thu nhỏ và bị kéo đứt ứng với ở điểm D
4000daN/cm
2

đối với CCT38. ứng suất này gọi là
b
,
o
=20% 25%.

O
O'
84 12 16 20

l


2
A
A'
B
C
20
10
30
40
50

D




b
c
d
h
tl

l

100%

P
A
,
kN/cm

22
-

Hiện tợng thềm chảy chỉ
có ở thép có hàm lợng C

từ 0,1-
0,3%. Nếu ít cacbon,
các mạng peclit không đủ
để giữ các hạt ferit bị trợt.

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
(CT38).
luôn ngăn cản không cho các hạt ferit trợt.
Biểu đồ - của thép cacbon cao hầu nh không có thềm
chảy: sau giai đoạn đàn hồi, đờng cong chuyển ngay sang
giai đoạn củng cố. ở các loại thép này, giới hạn chảy đợc qui
ớc lấy ứng với biến dạng d là = 0,2%.
o
42 6 8 10



kN/cm
2
20
10
30
40
50
12 14 16 18 20 22 24 26
60
70
80
90

tl
c
b
1
2



tl

c

b


23
b. Các đặc trng cơ học chủ yếu của thép:
- Biểu đồ kéo của thép cho ta các đặc trng cơ học chủ yếu
của thép: giới hạn tỉ lệ
tl
; giới hạn chảy
c
; giới hạn bền
b
;
biến dạng khi đứt
o
; môđun đàn hồi.
- Quan trọng nhất là
giới hạn chảy

c

đó là ứng suất lớn
nhất có thể có trong vật liệu, không đợc phép vợt 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.

24
- 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 đợc phép có biến dạng lớn, ngời ta có thể
lấy ứng suất làm việc vợt quá
c
và bằng
b
chia cho một hệ số
an toàn nhất định.
- Biến dạng khi đứt
o
, đặc trng 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.
-
Sự làm việc chịu nén của thép không khác sự làm việc chịu
kéo: cùng E,

tl
,

đh
,

c
. Chỉ có trong giai đoạn củng cố thì không
xác định đợc
b
ở thép cacbon thấp, mẫu thép bị phình ra và tiếp
tục chịu đợc tải lớn. Trong giai đoạn làm việc đàn hồi và đàn hồi
dẻo, các đặc trng cơ học tính toán của thép chịu kéo và chịu nén
là giống nhau.


25
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 tơng 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 trợt giữa các phân
tử (hạt tinh thể) khi mà ngoại lực lớn hơn lực chống trợt giữa
các phân tử.