Bài giảng kết cấu thép chương 1 vật liệu và sự làm việc của kết cấu thép

KẾT CẤU THÉP
1



Chương 0 Tổng quan về Kết Cấu Thép



Chương 1 Vật Liệu và Sự Làm Việc của KC Thép



Chương 2 Liên Kết Kết Cấu Thép



Chương 3 Dầm Thép



Chương 4 Cột Thép



Chương 5 Dàn Thép


KẾT CẤU THÉP
2

Chương 1
VẬT LIỆU & SỰ LÀM VIỆC
CỦA KCT


NỘI DUNG
3

I.

Vật liệu thép

II.

Sự làm việc của thép khi chịu tải trọng

III.

Quy cách cán thép dùng trong xây dựng

IV.

Phương pháp tính toán KCT


I. VẬT LIỆU THÉP
4

1. Định nghĩa
2. Phân loại thép

3. Cấu trúc và thành phần hóa học
4. Thép xây dựng

Biểu đồ kéo thép – quan hệ -


1. Định nghĩa
5

-

Luyện quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4…)


Gang (hợp kim của Fe và C) với C ≥ 1,7%.

-

Khử bớt C  Thép

-

Nếu:
+ Lượng C ≥ 1,7%



GANG

+ Lượng C < 1,7%



THÉP

Thành phần hóa học, phương pháp luyện
khác nhau



nhiều loại thép


2. Phân loại thép
6

a. Theo thành phần hóa học
- Thép cacbon: %C < 2,0%, không có hợp kim khác
+ Thép cacbon đặc biệt cao (C=1,0-2,0%): độ cứng rất cao,
dùng làm các dụng cụ như dao cắt, búa, …
+ Thép cacbon cao (C=0,6-1,0%): độ bền cao, dùng làm lò xo,
nhíp xe …
+ Thép cacbon vừa (C=0,3-0,6%): chống bào mòn tốt, dùng
làm thép định hình và các ứng dụng trong cơ khí
+ Thép cacbon thấp (0,05-0,3%): thép mềm, dễ cán, rèn,
được dùng nhiều trong xây dựng: thép tấm cán nguội, …


THÉP XÂY DỰNG

2. Phân loại thép
7

a. Theo thành phần hóa học
- Thép hợp kim: Cr (chống gỉ), Ni (chống ăn mòn), Mn (độ
bền)…  nâng cao chất lượng thép, cứng hơn thép carbon
+ Thép hợp kim cao (tổng hàm lượng > 10%)
Vd: thép Mn cao 13%



dùng cho môi trường chịu ăn

mòn cao như răng gầu xúc, xích xe tăng, …
+ Thép hợp kim vừa : tổng hàm lượng các hợp kim 2,5-10%
+ Thép hợp kim thấp  THÉP XÂY DỰNG (%hk < 2,5%)


2. Phân loại thép
8

b. Theo phương pháp luyện thép
- Luyện bằng lò quay
- Luyện thép bằng lò bằng (lò Martin)
c. Theo mức độ khử oxy
Thép lỏng rót vào khuôn  để nguội cho kết tinh lại
Tùy phương pháp để lắng nguội:
- Thép sôi: chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại dòn và lão hóa
- Thép tĩnh: đắt hơn thép sôi, dùng trong các công trình chịu tải

trọng động, những công trình quan trọng
- Thép nửa tĩnh: là trung gian của hai thép trên


3. Cấu trúc và thành phần hóa học thép
Cấu trúc thép carbon thấp [µm]

a. Cấu trúc thép
- Cấu trúc vi mô của thép bao gồm 2 thành phần chính sau:


Ferit (99% thể tích): các hạt màu sáng, có tính mềm, dẻo



Xementit (hợp chất sắt cacbua Fe3C): rất cứng và dòn

- Xementit hỗn hợp với Ferit thành Peclit, là lớp mỏng màu
thẫm nằm giữa các hạt Ferit.


Lớp Peclit bao quanh các hạt Ferit quyết định sự làm việc
và các tính chất dẻo của thép



Thép nhiều C  màng Peclit dày, thép cứng


3. Cấu trúc và thành phần hóa học thép

10

b. Thành phần hóa học thép
- Thép cacbon ngoài 2 thành phần chính là Fe và C, còn có:


Mn: tăng cường độ, độ giai của thép, > 1,5%  thép giòn



Si: chất khử oxy, cho vào thép tĩnh làm tăng cường độ, giảm
tính chống gỉ, tính dễ hàn  < 0,3% với thép cacbon thấp



P: giảm tính dẻo, độ dai va đập, thép giòn ở nhiệt độ thấp



S: làm thép giòn nóng ở to cao  dễ bị nứt khi hàn, rèn



N, O2: làm thép bị giòn, giảm cường độ

- Thép hợp kim: thêm vào thép cacbon Cu, Ni, Cr, Ti, … làm tăng
tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ, …


4. Thép xây dựng

11

a. Thép cacbon thấp cường độ thường
- Thép xây dựng: 3 nhóm theo TCVN 1765 -1975 : thép cacbon
thấp cường độ thường, khá cao và cao


Có 3 loại: sôi, tĩnh, nửa tĩnh



Chia thành 3 nhóm


Nhóm A: đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học



Nhóm B: đảm bảo chặt chẽ về thành phần hóa học



Nhóm C: đảm bảo đặc tính cơ học và thành phần hóa học




Chỉ dùng loại này cho các kết cấu chịu lực

Chia thành 6 hạng theo yêu cầu về độ dai xung kích

4. Thép xây dựng
12

a. Thép cacbon thấp cường độ thường




Ký hiệu thép xây dựng, vd: CT38n2


CT : Cacbon thường



38 : độ bền kéo đứt 38 KN/cm2 = 380MPa



n : nửa tĩnh



2 : hạng 2

Thép dùng trong xây dựng thuộc nhóm C, ở đầu có thêm chữ
C  CCT38n2  CCT38 (TCVN 5709:1993)

4. Thép xây dựng
13

a. Thép cacbon thấp cường độ thường


Theo TCVN 5709:1993
Cường độ tiêu chuẩn fy (N/mm2),
Cường độ kéo đứt

cường độ tính toán f (N/mm2)
Mác
thép

tiêu chuẩn fu (N/mm2)

của thép với độ dày t (mm)
t ≤ 20

20< t ≤ 40

40< t ≤ 100

không phụ thuộc
bề dày t (mm)

fy

f

fy

f

fy

f

CCT34

220

210

210

200

200

190

340

CCT38

240

230

230

220

220

210

380

CCT42

260

245

250

240

240

230

420


4. Thép xây dựng
14

b. Thép cacbon cường độ khá cao


Theo TCVN 3104:1979
Độ dày, mm

Mác thép

t ≤ 20

20 < t ≤ 30

30 < t ≤60

fu

fy

f

fu

fy

f

fu

fy

f

09Mn2

450

310

295

450

300

285

□

□

□

14Mn2

460

340

325

460

330

315

□

□

□

16MnSi

490

320

305

480

300

285

470

290

275

09Mn2Si

480

330

315

470

310

295

460

290

275

10Mn2Si 1

510

360

345

500

350

335

480

340

325

10CrSiNiCu

540

400*

360

540

400*

360

520

400*

360

GHI CHÚ: đơn vị N/mm2; *Hệ số gM trường hợp này là 1,1;
bề dày tối đa là 40mm


4. Thép xây dựng
15

c. Thép cacbon cường độ khá cao
-

Giới hạn chảy > 440MPa,

-

Giới hạn bền > 590MPa

-

Dùng thép cường độ cao  tiết kiệm vật liệu 25-30%


II. SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉP
16

1. Sự làm việc chịu kéo
2. Sự phá hoại giòn của thép

1. Sự làm việc chịu kéo
17

a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo



OA: giai đoạn tỉ lệ  tl



A’B: gđ đàn hồi dẻo



BC: gđ chảy dẻo



CD: gđ củng cố

Biểu đồ kéo của thép các bon thấp


1. Sự làm việc chịu kéo
18

a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo



Thép cac bon cao:


Không

có thềm chảy

dẻo


Giới hạn chảy c
ứng với biến dạng
dư  = 0,2%
1- Biểu đồ kéo của thép các bon cao
2- Biểu đồ kéo của thép các bon thấp


1. Sự làm việc chịu kéo
19

b. Các đặc trưng cơ học chủ yếu


Các đặc trưng cơ học chủ yếu:


Giới hạn tỉ lệ:



Giới hạn chảy: c  fy



Giới hạn bền:

tl
b  fu : vùng dự trữ giữa trạng thái làm
việc và trạng thái phá hoại





Biến dạng khi đứt: o: đặc trưng độ dẻo và độ dai của thép

Lý thuyết tính toán:


  tl : lý thuyết đàn hồi với E = constant



tl <  < c : lý thuyết đàn hồi dẻo với E  constant



 = c : lý thuyết dẻo, vật liệu làm việc trong vùng chảy dẻo

2. Sự phá hoại giòn của thép
20

a. Hiện tượng cứng nguội
Hiện tượng tăng tính dòn của thép sau khi bị biến dạng dẻo


Thép trở nên cứng hơn



Giới hạn đàn hồi cao hơn



Biến dạng khi phá hoại nhỏ hơn

Sự cứng nguội
của thép


2. Sự phá hoại giòn của thép
21

b. Trạng thái ứng suất phức tạp
Xét 1 trạng thái ứng suất phẳng (1, 2 )


Sự chảy của vật liệu:  = (1- 2)/2



(1): Khi 1, 2 cùng dấu   nhỏ 
không có thềm chảy, tl tăng cao, o
giảm


Khi 1 = 2   = 0  không chảy
dẻo  phá hoại dòn



(2): Khi 1, 2 khác dấu   lớn



thép dẻo hơn: tl giảm, thềm chảy
lớn, o tăng

1- 1, 2 cùng dấu
2- 1, 2 khác dấu
3- biểu đồ chuẩn khi
kéo 1 hướng


2. Sự phá hoại giòn của thép
22

b. Trạng thái ứng suất phức tạp

Sự tập trung ứng suất
 vật liệu giòn hơn.

1- không có tập trung ứng suất
2- có tập trung ứng suất
3- tập trung ứng suất do rãnh cắt


2. Sự phá hoại giòn của thép
23

c. Chịu tải trọng lặp


Tải trọng lặp  mỏi của vật liệu


phá hoại dòn



ứng suất phá hoại ff (n,) < b


2. Sự phá hoại giòn của thép
24

d. Ảnh hưởng của nhiệt độ





Nhiệt độ dương:


t = 200-300oC

: đặc tính thép ít thay đổi



t = 300-330oC

: thép giòn hơn



t = 500oC

: c= 140MPa



t = 600oC

: c= 40MPa



t = 600-650oC

: c= 0MPa



t = 700oC

: thép đỏ hồng



t > 1500oC

: thép bắt đầu chuyển sang thể lỏng

Nhiệt độ âm: t = - 45  - 60oC  thép dòn, dễ nứt


2. Sự phá hoại giòn của thép
25

a.
b.
c.
d.
e.
f.

Hiện tượng cứng nguội
Trạng thái ứng suất phức tạp
Chịu tải trọng lặp
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Sự hóa già của thép
Độ giai va đập