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. [...]... diện thép hình khác 17 2 Thép tấm - Thép tấm phổ thông, có bề dày 4 - 60 mm rộng 16 0 - 10 50 mm chiều dài 6 - 12 m - Thép tấm dày, có bề dày 4 - 16 0 mm, bề rộng từ 600 đến 3000 mm, dài 4 - 8 m - Thép tấm mỏng, có bề dày 0,2 - 4 mm, rộng 600 -1 4 00 mm, dài 1, 2 - 4 m - Ngoài ra, còn có loại thép tấm khác như: thép dải, rộng < 200 mm, thép tấm mặt có vân hình sóng 18 3 Thép hình dập, cán nguội - Từ các thép. .. ví dụ [ 22a Chiều dài từ 4 đến 13 m x y c) d x y x x y Thép chữ [ và ứng dụng 16 d Các loại thép hình khác c) b) h Thép I cánh rộng, có tỉ lệ bề rộng cánh trên bề cao b:h là 1: 1,65 đến 1: 2,5, chiều cao tiết diện h có thể tới 10 00 mm - Thép ống có hai loại: không có đường hàn dọc và có đường hàn dọc - Ngoài ra, còn có những loại khác: thép chữ T, thép ray, thép vuông, thép tròn v.v y a) x y x x x y... loại kích thước khác nhau 1 Thép hình (TCVN 16 56: 19 93) a Thép góc - Thép góc đều cạnh gồm 50 loại tiết diện từ nhỏ nhất là L20 x20 3 đến lớn nhất là L250 x 250 x 35 - Thép góc không đều cạnh gồm 72 loại tiết diện từ nhỏ nhất là L30 20 3 đến lớn nhất là L200 15 0 25 B a) c) d y x x y d B b) d) B d y x x d b Thép góc và ứng dụng 14 b Thép chữ I (TCVN 16 55: 19 75) b) d x h - Thép hình chữ I gồm có 23... thép hợp kim thấp f y từ 310 0 - 4000 daN/cm 2 , f u từ 4500 - 5400 daN/cm 2 c Thép cường độ cao Gồm các loại thép hợp kim có nhiệt luyện, f y 4400 daN/cm 2 và f u 5900 daN/cm 2 như các mác 16 Mn2NV, 12 Mn2SiMoV v.v Dùng thép cường độ cao, tiếp kiệm được vật liệu tới 25 30% 13 Đ2 QUY CCH THẫP TRONG XY DNG Kết cấu xây dựng được chế tạo từ các thép tấm, thép hình có nhiều loại kích thước khác nhau 1. .. tính giòn của thép sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường a) kN/cm 2 b) c) kN/cm2 kN/cm 2 d) kN/cm2 K3 K1 o % o o1 1 K2 % o 2 o2 % o o3 3 % Hình 1. 4 Sự cứng nguội của thép - Hiện tượng tăng giới hạn đàn hồi của thép do bị biến dạng dẻo trước gọi là hiện tượng cứng nguội Sự cứng nguội tuy làm tăng cường độ của thép nhưng làm cho thép giòn nên coi là bất lợi đối với kết cấu thép 26 b Thép chịu trạng... loại tiết diện, chiều cao từ 10 0 đến 600 mm (hình 1. 10, a) - Từ các số hiệu 18 đến 30, còn có thêm tiết diện phụ, cùng chiều cao nhưng cánh rộng và dày hơn, ký hiệu thêm chữ a, ví dụ I 22a Chiều dài được sản xuất từ 4 đến 13 m y a) x b y Thép chữ I và ứng dụng 15 c Thép chữ [ (TCVN 16 54: 19 75) a) b) y d h Thép hình chữ [ gồm có 22 loại tiết diện, từ số hiệu 5 đến 40 Từ số hiệu 14 đến 24 cũng có thêm loại... mỏng, thép dải, dày 2 - 16 mm, mang dập, cán nguội - Thép 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 nhưng cần có độ cứng lớn - Khuyết điểm là có sự cứng nguội ở những góc bị uốn; chống gỉ kém hơn y y y x B B h x x x y B 19 ... 40 10 0 N/mm Không nhỏ hơn 210 200 220 230 220 210 20 40 Không nhỏ hơn 33 32 30 CT34s CT34n, 32 31 29 CT34 CT38s 230 220 27 26 24 240 CT38n, 250 240 230 26 25 23 CT38 CT38nMn 240 230 26 25 23 250 CT42s 250 240 25 24 22 260 CT42n, 270 260 250 24 23 21 CT42 Thép dùng trong kết cấu thép thuộc nhóm C nên ở đầu mác thép có thêm ký hiệu C, thí dụ: CCT34, CCT38, CCT42 12 b Thép cường độ khá cao: Là thép. .. tạp - sự tập trung ứng suất - Trạng thái ứng suất phức tạp là trường hợp ứng suất cục bộ, gây bởi các biến đổi đột ngột của hình dạng cấu kiện max ở vị trí lỗ cắt >> tb ứng suất theo hai phương x và y làm cho thép trở nên giòn x a) 1 1 b) kN/cm 2 3 y 2 50 40 1 30 x y 20 x 10 = x x y o y % 4 8 12 16 20 Sự tập trung ứng suất a) các quĩ đạo ứng suất khi kéo; b) biểu đồ thay đổi làm việc của thép 1- không... + + + 40 + max + max min max 20 ~17 10 0 = + 6 8 = 0,33 t min =0 = + min + max =0 t t min min = = -1 + max 6 4 min + max 10 n 2 + max + tb 1 = 3 10 12 14 Cường độ mỏi a) quan hệ ff và số chu kỳ; b) các đặc trưng biến đổi ứng suất 29 d Sự hoá già của thép - Theo thời gian, tính chất của thép thay đổi dần; c và b tăng lên, độ giãn và độ dai va đập giảm đi, thép trở nên giòn hơn (gọi là sự hoá . 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 16 0 - 10 50 mm chiÒu dµi 6 - 12 m. - ThÐp tÊm dµy, cã bÒ dµy 4 - 16 0 mm, bÒ réng tõ 600 ®Õn 3000 mm, dµi 4 - 8 m. - ThÐp. 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. 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%,