bài giảng kết cấu thép chương 1 Đại cương về kết cấu thép

Chương mở đầu
ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP
Khái niệm “Kết cấu thép” (KCT) dùng để chỉ những
kết cấu chòu lực của các công trình xây dựng làm
bằng thép hoặc kim loại khác nói chung.
0.1. ƯU VÀ KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP
0.1.1. Ưu Điểm

Khả năng chòu lực lớn, độ tin cậy cao;
•
Khả năng chòu lực lớn: vật liệu thép có cường độ
lớn;
•
Độ tin cậy cao: cấu trúc thuần nhất của vật liệu,
sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu gần sát
nhất với các giả thiết tính toán.

Trọng lượng nhẹ;
1
Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chòu lực
như: BTCT, gạch đá, gỗ.
(0.1)
Trong đó:
γ: trọng lượng riêng thép;
f: cường độ tính toán thép;
•
Đối với thép: c=3.7*10
-4
1/m
•
Đối với bê tông: c=2.4*10

-3
1/m
•
Đối với gỗ: c=5.4*10
-4
1/m

Tính công nghiệp hóa cao;

Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp;

Tính kín.
2
f
c
γ
=
0.1.2. Nhược Điểm

Bò ăn mòn;

Chòu lửa kém.
Thép không cháy nhưng ở nhiệt độ t=(500÷600)
0
C,
thép chuyển sang dẻo, mất khả năng chòu lực, kết
cấu bò sụp đổ dễ dàng.
0.2. PHẠM VI ỨNG DỤNG
+ Nhà công nghiệp.
+ Nhà nhòp lớn.

+ Khung nhà nhiều tầng.
+ Cầu đường bộ - đường sắt.
+ Kết cấu tháp cao.
+ Kết cấu bản.
+ Kết cấu di động.
3
0.3. YÊU CẦU ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP

Yêu cầu về sử dụng.
•
Thỏa mãn các yêu cầu về chòu lực đề ra do điều
kiện sử dụng;
•
Đảm bảo độ bền lâu thích đáng của công trình;
•
Đẹp, đặc biệt quan trọng đối với nhà công cộng có
kết cấu lộ ra ngoài;

Yêu cầu về kinh tế.
•
Tiết kiệm vật liệu;
•
Tính công nghệ khi chế tạo;
•
Lắp ráp nhanh;
•
Điển hình hóa KCT;
4
Chương 1
VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP

1.1. THÉP XÂY DỰNG
1.1.1. Phân Loại Thép Xây Dựng
+ Thép và gang là hợp kim đen của Fe và C, ngoài ra
còn các chất khác có tỉ lệ không đáng kể như: O, P,
Si, v.v…
+ Quá trình luyện gang và thép
Từ quặng sắt (Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
) → luyện trong lò cao →
gang (hợp kim Fe, C với lượng C chiếm trên 1,7%) →
qua lò luyện thép để khử bớt C trong gang → thép.
5
a. Theo thành phần hóa học của thép
+ Thép cacbon, với lượng C<1.7%, không có các thành
phần hợp kim khác.
Thép xây dựng là loại thép C thấp, với lượng C<0.22%.
+ Thép hợp kim, có thêm các thành phần kim loại khác
như Cr, Ni, Mn, v.v… 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.
b. Theo phương pháp luyện thép
+ Luyện bằng lò quay;

+ Luyện bằng lò bằng;
c. Theo mức độ khử oxy
+ Thép sôi: thép khi nguội, bốc ra nhiều bọt khí như
oxy, cacbon oxyt. Các bọt khí tạo thành những chỗ
không đồng nhất trong cấu trúc của thép, khiến thép
sôi có chất lượng không tốt, dễ bò phá hoại giòn và bò
lão hóa.
6
+ Thép tónh: trong quá trình nguội không có hơi bốc
ra như thép sôi, do đã được thêm những chất khử
oxy như Si, Al, Mn, v.v… Loại thép này chòu lực động
tốt, khó bò phá hoại giòn.
+ Thép nửa tónh: là trung gian giữa thép tónh và thép
sôi, trong đó oxy không được khử hoàn toàn.
1.1.2. Cấu Trúc Và Thành Phần Hóa Học Của Thép
a. Cấu trúc của thép
Thép có cấu trúc tinh thể, thép gồm có hai tổ chức
chính:
+ Ferit (là sắt nguyên chất), chiếm 99% thể tích, màu
sáng, có tính mềm và dẻo.
+ Xementit, là hợp chất Fe
3
C, rất cứng và giòn.
7
b. Thành phần hóa học của thép
Thép cacbon, ngoài hai thành phần chính là sắt và
cacbon, còn có các thành phần phụ khác như Mn,
Si, P, S, v.v…
+ Mn, làm tăng cường độ và độ dai của thép. Nếu
hàm lượng Mn vượt quá 1.5%, thép trở nên giòn.

+ Si, làm tăng cường độ của thép nhưng làm giảm
tính chống gỉ, tính dễ hàn. Hàm lượng Si không quá
0.3% đối với thép cacbon thấp.
+ P, làm giảm tính dẻo và độ dai va chạm của thép,
đồng thời làm thép trở nên giòn nguội (giòn ở nhiệt
độ thấp).
+ S, làm thép trở nên giòn nóng (giòn ở nhiệt độ
cao), nên dễ bò nứt khi hàn và rèn.

8
1.2. QUY CÁCH THÉP CÁN DÙNG TRONG XÂY
DỰNG
Kết cấu xây dựng được chế tạo từ các thép tấm,
thép hình có nhiều loại kích thước khác nhau. Thép
cán nóng bao gồm các loại thép sau:
+ Thép hình;
+ Thép tấm;
+ Thép hình dập, cán nguội;
+ Thép phổ thông;

9
10
x x
y
y
x
0
0
x
y

0
y
0
b
b
z
0
d
B
x
y
y
b
0
y
d
u
x
0
Hình 1.2.a : thép góc đều cạnh Hình 1.2.b : thép góc không đều cạnh
y
Hình 1.2.c : thép chữ I
y
x x
b
h
d
t
y
x

y
z
0
b
h
d
Hình 1.2.d : thép chữ [
d
Hình 1.2.e : thép ống
D
1.2.1. Thép Hình
a. Thép góc
•
Có 2 loại: đều cạnh và không đều cạnh, với tỉ lệ hai
cạnh khoảng 1:1.5 đến 1:2.
•
Thép góc đều cạnh gồm 50 loại tiết diện từ nhỏ
nhất là L20x20x3 đến lớn nhất là L250x250x35.
•
Thép góc không đều cạnh gồm 72 loại tiết diện từ
nhỏ nhất là L30x20x3 đến lớn nhất là L200x150x25.
•
Đặc điểm: cánh có hai mép song song với nhau,
tiện cho việc cấu tạo liên kết, chiều dài thanh thép
góc từ 4÷13m.
•
Phạm vi sử dụng: thanh của dàn, thanh của hệ
giằng, liên kết với các loại thép khác để tạo nên các
cấu kiện tổ hợp như ghép với các bản thép thành
tiết diện cột rỗng, tiết diện dầm chữ I,…v.v

11
b. Thép chữ I
•
Gồm có 23 loại tiết diện, chiều cao từ 100÷600mm
•
Kí hiệu I30 (cao 30cm), I30a (cao 30cm, cánh rộng và dày hơn
I30), chiều dài từ 4÷13m.
•
Có độ cứng theo phương trục x rất lớn so với phương trục y.
•
Phạm vi sử dụng: làm dầm chòu uốn, hoặc cột (nên tăng độ
cứng đối với trục y bằng cách mở rộng thêm cánh hoặc ghép
hai thép I lại).
c. Thép chữ [
•
Gồm có 22 loại tiết diện, từ 5 đến 40. Ký hiệu [ 22 (cao
22cm), chiều dài từ 4÷13m.
•
Thép chữ [ có một mặt bụng phẳng và các cánh vươn rộng
nên tiện liên kết với các cấu kiện khác.
•
Phạm vi sử dụng: làm dầm chòu uốn, đặc biệt hay dùng làm
xà gồ mái chòu uốn xiên hoặc được ghép thành thanh tiết
diện đối xứng, dùng làm cột, làm thành dàn cầu…v.v.
12
d. Thép ống
•
Có hai loại: không có đường hàn dọc và có đường
hàn dọc.
•

Thép ống có tiết diện đối xứng, vật liệu nằm xa
trục trung hòa nên độ cứng tăng, chòu lực khỏe,
ngoài ra chống gỉ tốt.
•
Phạm vi sử dụng: dùng làm các thanh dàn, kết cấu
cột tháp cao.
1.2.2. Thép Tấm
Được dùng rộng rãi vì tính chất vạn năng, có thể tạo
ra các loại tiết diện có hình dạng và kích thước bất
kỳ. Có các loại sau:
+ Thép tấm phổ thông, có bề dày δ=4÷60mm, rộng
B=160÷1050mm, dài L=6÷12m. Thép tấm phổ thông
có bốn cạnh phẳng nên sử dụng rất thuận tiện.
13
+ Thép tấm dày, có δ=4÷160mm, B=600÷3000mm,
L=4÷8m. Thép tấm dày có bề rộng lớn nên hay dùng
cho kết cấu bản.
+ Thép tấm mỏng, có δ=0.2÷4mm, B=600÷1400mm,
L=1.2÷4m. Thép tấm mỏng dùng để tạo các thanh
thành mỏng bằng cách dập, cán nguội, dùng lợp
mái,…v.v.
1.2.3. Thép Hình Dập, Cán Nguội
Đây là loại thép hình mới so với thép cán. Từ các
thép tấm mỏng, dày δ=2÷16mm, mang dập, cán
nguội mà thành.
+ Có các loại tiết diện: thép góc đều cạnh-không
đều cạnh, thép chữ [, thép tiết diện hộp, …v.v.
+ Thép hình dập, uốn nguội có thành mỏng, nên nhẹ
hơn nhiều so với thép cán nóng.
14

+ Phạm vi sử dụng: dùng chủ yếu cho các loại kết
cấu thép nhẹ, cho những cấu kiện chòu lực nhỏ
nhưng cần có độ cứng lớn.
+ Khuyết điểm: Có sự cứng nguội ở những góc bò
uốn, chống gỉ kém. Chưa có tiêu chuẩn cho loại thép
này, cần tham khảo thêm các tiêu chuẩn của Nga,
Anh, Eurocode, …v.v.
1.2.4. Thép Phổ Thông
+ Có đường kính từ 6÷80mm.
+ Có 2 loại: trơn và có gân.
+ Phạm vi sử dụng: thanh căng của vòm, boulone
neo, boulone chòu lực. Thường dùng trong kết cấu bê
tông cốt thép.
15
1.3. SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI
TRỌNG
1.3.1. Sự Làm Việc Chòu Kéo Của Thép
a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo (thép C
thấp)
16
tl
σ
σ
c
21
24
38
40
0
0

ε
4 22
ε
%16
α
σ
b
σ
B
C D
E
Hình 1. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng
Hình 1.3.1. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo
kN/cm
2
Ứng suất σ=P/A, kN/cm
2
;
Biến dạng tỉ đối: ε=∆l/l, %;
Trong đó:
P: tải trọng;
A: tiết diện ban đầu của mẫu;
L: chiều dài ban đầu của mẫu;
∆l: độ dãn dài của mẫu ứng với từng cấp
tải trọng;
+ Đoạn từ 0 đến B: (σ, ε) có quan hệ tuyến
tính, σ=Eε, giai đoạn tỉ lệ, σ
tl
(σ
đh

);
E: module đàn hồi;
Với thép cacbon thông thường, E=2.06e6 daN/cm
2
;
17
l
l+∆l
∆l
Hình 1.3.2. Chiều dài mẫu trước
và sau khi kéo
+ Đoạn từ B đến C: (σ, ε) có quan hệ phi tuyến, thép
không còn làm việc đàn hồi nữa, giai đoạn đàn hồi–
dẻo;
+ Đoạn từ C đến D: hầu như là đoạn nằm ngang, giai
đọan chảy dẻo. ε tăng, σ=const, giới hạn chảy σ
c
;
+ Đoạn từ D đến E: thép không chảy nữa, giai đoạn
củng cố, giới hạn bền σ
b
, ε
0
=20÷25%;
b. Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép
+ Giới hạn tỉ lệ, σ
tl
≅ σ
hđ
;

+ Giới hạn chảy σ
c
, đó là ứng suất lớn nhất có thể có
trong vật liệu, không được phép vượt qua (ε=0.2%);
+ Giới hạn bền σ
b
: còn gọi là cường độ tức thời của
thép, xác đònh một vùng an toàn dự trữ giữa trạng
thái làm việc và trạng thái phá hoại;
18
+ Biến dạng khi đứt ε
0
: đặc trưng cho độ dẻo, độ dai
của thép;
+ Module đàn hồi E;
Tùy thuộc vào trò số của σ, có thể áp dụng các lí
thuyết tính toán sau:
•
Khi σ ≤ σ
tl
: dùng lí thuyết đàn hồi, với E=const;
•
Khi σ
tl
<σ < σ
c
: dùng lí thuyết đàn hồi dẻo, với
E≠const;
•
Khi σ= σ

c
: dùng lí thuyết dẻo;
Theo TCXDVN 338:2005 thì,
σ
c
= f
y
: cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy
của thép;
σ
b
= f
u
: cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền
kéo đứt;
19
* Sự làm việc chòu nén của thép không khác sự làm
việc chòu kéo, cùng E, σ
tl
, σ
đh
, σ
c
. Chỉ có trong giai
đoạn củng cố thì không xác đònh được σ
b
. Do đó,
trong giai đoạn làm việc đàn hồi và đàn hồi dẻo, các
đặc trưng cơ học tính toán của thép chòu kéo – chòu
nén lấy giống nhau.

1.3.2. 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.
a. Hiện tượng cứng nguội
Đó là hiện tượng tăng tính giòn của thép sau khi bò
biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường. Thép sau khi bò biến
dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đàn hồi cao
hơn và biến dạng khi phá hoại nhỏ hơn.
20
+ Sự cứng nguội xảy ra khi gia công nguội các cấu kiện:
uốn nguội, cắt bằng máy cắt, đột lỗ, v.v…
b. Thép chòu trạng thái ứng suất phức tạp - sự tập trung
ứng suất
Trường hợp hay gặp của trạng thái ứng suất phức tạp là
trường hợp ứng suất cục bộ, gây bởi các biến đổi đột
ngột của hình dáng cấu kiện.
+ Khi cấu kiện có lỗ khuyết, rãnh cắt thì đường lực (qũy
đạo các ứng suất chính) sẽ không còn song song đều
đặn, mà uốn cong xung quanh chỗ cắt. Đường lực tập
trung chứng tỏ ứng suất chỗ đó tăng cao và tại đó tồn
tại ứng suất theo hai phương σ
x
và σ
y
làm thép trở nên
giòn.
+ Kết cấu chòu tải trọng động lực thì sự tập trung ứng
suất là nguy hiểm vì làm cho thép dễ bò phá hoại giòn.
21
22

Hình 1.3.3. Các quỹ đạo ứng suất khi kéo
1.3.3. Thép Chòu Tải Trọng Lặp
+ Khi thép chòu tải trọng lặp, nó có thể bò phá hoại ở
ứng suất nhỏ hơn giới hạn bền → đó là sự mỏi của
thép.
+ Sự phá hoại về 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 độ
mỏi f
f
, f
f
phụ thuộc vào số chu kỳ lặp, tính chất thay
đổi của tải trọng và mức độ tập trung ứng suất. Giá
trò của f
f
, tra bảng.
1.3.4. Sự hóa già của thép
+ Theo thời gian, tính chất của thép thay đổi dần: σ
c
,
σ
b
tăng lên, độ giãn và độ dai va đập giảm đi, thép
trở nên giòn hơn.
23
+ Nguyên nhân: trong các tinh thể ferit vẫn còn các
chất C, N hòa tan. Các chất này dần dần tách ra và
tạo nên các lớp cứng giữa các hạt ferit.
1.3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ

+ Ở nhiệt độ t=200÷300
0
C: tính chất của thép thay đổi
rất ít;
+ Ở nhiệt độ t=300÷330
0
C: thép trở nên giòn hơn;
+ Ở nhiệt độ t>330
0
C: σ
c
, σ
b
giảm rất nhanh;
+ Ở nhiệt độ t=600÷650
0
C: σ
c
=0;
+ Ở nhiệt độ t>1500
0
C: thép bắt đầu chuyển sang thể
lỏng;
+ Ở nhiệt độ t<0
0
C: σ
c
tăng nhưng thép giòn hơn;
24
1.4. TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

1.4.1. Cấu Kiện Chòu Kéo Đúng Tâm
Cấu kiện chòu kéo được kiểm tra bền theo công thức:
Trong đó:
+ N: nội lực dọc do tải trọng tính toán;
+ A
n
: diện tích thực cấu kiện (đã trừ đi các giảm yếu);
+ γ
c
: hệ số điều kiện làm việc, tra bảng;
+ f: cường độ tính toán của thép lấy theo giới hạn chảy;
+ f
t
: cường độ tính toán của thép lấy theo sức bền kéo
đứt;
25





≤=
bền hạn giới theo
chảy hạn giới theo
-
-
u
c
t
c

n
f
f
A
N
γ
γ
γ
σ
(1.1)
(1.2)