Giáo trình Cấu tạo thép - Chương 1: Vật liệu và sự làm việc của kết cấu thép

2. Phân loại thép 3. Cấu trúc và thành phần hóa học 4. Thép xây dựng 1. Định nghĩa - 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  nhiều loại thép khác nhau 5 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 6 2. Phân loại thép 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%) 7 2. Phân loại thép 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 8 2. Phân loại thép 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 Cấu trúc thép carbon thấp [µm] 3. Cấu trúc và thành phần hóa học thép 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, 10 3. Cấu trúc và thành phần hóa học thép 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 11 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) 12 4. Thép xây dựng  Theo TCVN 5709:1993 a. Thép cacbon thấp cường độ thường Mác thép Cường độ tiêu chuẩn fy (N/mm 2), cường độ tính toán f (N/mm2) của thép với độ dày t (mm) Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fu (N/mm 2) không phụ thuộc bề dày t (mm) t ≤ 20 20< t ≤ 40 40< t ≤ 100 fy f fy f fy f CCT34 CCT38 CCT42 220 240 260 210 230 245 210 230 250 200 220 240 200 220 240 190 210 230 340 380 420 13 4. Thép xây dựng b. Thép cacbon cường độ khá cao  Theo TCVN 3104:1979 Mác thép Độ dày, mm 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 14 4. Thép xây dựng 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% 15 4. Thép xây dựng II. SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉP 1. Sự làm việc chịu kéo 2. Sự phá hoại giòn của thép 16  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 a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo 17  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 a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo 18 1. Sự làm việc chịu kéo b. Các đặc trưng cơ học chủ yếu  Các đặc trưng cơ học chủ yếu:  Giới hạn tỉ lệ: tl  Giới hạn chảy: c  fy  Giới hạn bền: 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 19 1. Sự làm việc chịu kéo Sự cứng nguội của thép 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 20 2. Sự phá hoại giòn của thép 1- 1, 2 cùng dấu 2- 1, 2 khác dấu 3- biểu đồ chuẩn khi kéo 1 hướng 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 21 2. Sự phá hoại giòn của thép 1- không có tập trung ứng suất 2- có tập trung ứng suất 3- tập trung ứng suất do rãnh cắt Sự tập trung ứng suất  vật liệu giòn hơn. b. Trạng thái ứng suất phức tạp 22 2. Sự phá hoại giòn của thép c. Chịu tải trọng lặp  Tải trọng lặp  mỏi của vật liệu  phá hoại dòn  ứng suất phá hoại ff (n,) < b 23 2. Sự phá hoại giòn của thép 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 24 2. Sự phá hoại giòn của thép a. Hiện tượng cứng nguội b. Trạng thái ứng suất phức tạp c. Chịu tải trọng lặp d. Ảnh hưởng của nhiệt độ e. Sự hóa già của thép f. Độ giai va đập 2. Sự phá hoại giòn của thép 25 III. QUY CÁCH THÉP CÁN TRONG XÂY DỰNG 1. Thép hình 2. Thép tấm 3. Thép hình dập, cán nguội 26 Thép góc và các ứng dụng 1. Thép hình a. Thép góc: dài 4÷13m  Thép góc đều cạnh theo TCVN 1656:1993  Vd: L40x4  Số hiệu từ L20x3 - L250x35  Thép góc không đều cạnh theo TCVN 1657 : 1993  Vd: L63x40x4B  Từ L30x20x3 - L200x150x25  Cấp chính xác khi chế tạo:  A : cấp chính xác cao  B : cấp chính xác thường 27  Dùng làm  Dầm chịu uốn, cột: độ cứng theo phương trục x lớn, tăng cường độ cứng theo trục y bằng cách mở rộng bản cánh hoặc tổ hợp  Bất lợi: bản cánh hẹp và vát bên trong  khó liên kết Thép chữ I và các ứng dụng b. Thép chữ I : dài 4÷13m  Thép chữ I theo TCVN 1655-75  Vd: I30  Số hiệu từ I10 - I60  Từ I18 – I30 có thêm tiết diện cánh rộng, vd : I22a 1. Thép hình 28 Thép chữ [ và các ứng dụng c. Thép chữ [ : dài 4÷13m  Thép chữ [ theo TCVN 1654- 75  Vd: [ 22  [5 - [40, từ [14 – [24 có thêm tiết diện cánh rộng và dày hơn, vd : [22a  Thép [ được dùng làm  Liên kết thuận lợi, liên kết cánh bất lợi  Dầm chịu uốn, đặc biệt xà gồ mái, cột – tiết diện tổ hợp 1. Thép hình 29 Thép hình khác d. Các loại thép hình khác  Thép chữ I cánh rộng  h có thể lên đến 1000mm  Cánh có mép song song  dễ liên kết  Dùng làm dầm, cột  Giá thành cao  Thép ống:  Chịu lực tốt, chống xoắn tốt  Dùng trong kết cấu thanh dàn, cột 1. Thép hình 30 - Thép tấm phổ thông: kết cấu tấm bản, - dày 4-60mm - rộng 160-1050mm - dài 6 – 12 m - Thép tấm dày: kết cấu tấm bản, - dày 4 – 160 mm - rộng 600 – 3000 mm - dài 4 – 8 m - Thép tấm mỏng: tạo các thanh thành mỏng bằng cán nguội - dày 0,2 – 4 mm - rộng 600 – 1400 mm - dài 1,2 – 4 m 2. Thép tấm 31 - Cán nguội từ thép tấm mỏng (1-8mm)  kết cấu thành mỏng - Dùng các cấu kiện chịu lực nhỏ : xà gồ mái, tôn lợp mái, - Tham khảo tiêu chuẩn nước ngoài  eurocode 3 Thép tấm cán nguội 3. Thép hình dập, cán nguội 32 IV. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KCT 1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán 3. Tải trọng và tác động 33 1. Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn TTGH: trạng thái mà kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra  TTGH 1: mất khả năng chịu lực hoặc không sử dụng được nữa. - Phá hoại bền - Mất ổn định, mất cân bằng vị trí, kết cấu bị biến đổi hình dạng N  S N: nội lực trong kết cấu S: khả năng chịu lực của kết cấu  TTGH 2: kết cấu không sử dụng bình thường đươc - Bị võng, lún, bị nứt, bị rung   [] : biến dạng, chuyển vị kết cấu []: biến dạng, chuyển vị cho phép 34  Cường độ tiêu chuẩn  Xác định dựa trên phương pháp thống kê, độ tin cậy > 0,95  Thép có biến dạng chảy dẻo: fy=c  Thép không có biến dạng chảy hoặc trường hợp cho phép kết cấu làm việc chảy dẻo  fy=b Sự thay đổi cường độ đàn hồi thép Fe E355 Thực hiện trên 60 thí nghiệm kéo 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán 35  C. độ tính toán = C. độ tiêu chuẩn / hệ số an toàn vật liệu gM  gM= 1,05 đối với thép có c  380MPa Trạng thái làm việc Ký hiệu Cường đô tính toán Kéo, nén, uốn - theo giới hạn chảy - theo giới hạn bền f ft f=fy/gM ft=fu/gM Trượt fv fv=0,58fy/gM Ép mặt lên đầu mút (khi tì sát) fc fc=fu/gM Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt fcc fcc=0,5fy/gM Ép mặt theo đường kính con lăn fcd fcd=0,025fy/gM 2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán 36 V. TÍNH TOÁN CẤU KIỆN 1. Cấu kiện chịu kéo đúng tâm 2. Cấu kiện chịu uốn 3. Cấu kiện chịu nén đúng tâm 4. Cấu kiện chịu kéo lệch tâm, nén lệch tâm 37