Kết Cấu Thép 1 ĐH Kiến Trúc

Để đạt được những điều trên, việc sử dụng thép hợp kim thấp và cường độ cao, hình dạng thép cán, uốn dập một cách kinh tế trong các kết cấu không gian, ứng suất trước, mái treo, trụ … Sử

HỌC PHẦN KẾT CẤU THÉP 1

1

CẤU KIỆN CƠ BẢN

TS HOÀNG BẮC AN Anhoangbac@mail.ru

1 Tên học phần: KẾT CẤU THÉP 1 (Tên tiếng Anh:STEEL STRUCTURES – PART 1)

2 Mã học phần: 0500370

3 Dạng học phần: Lý thuyết (LT 3.3.0.9)

4 Số tín chỉ: 3

5 Phân bổ thời gian:

6 Điều kiện ràng buộc:

Học phần học trước: Vật liệu xây dựng, Sức bền vật liệu 1, Sức bền vật liệu 2, Cơ học kết cấu 1, Cơ học kết cấu 2

 Biết vận dụng lý thuyết tính, nguyên lý cấu tạo.

 Biết cách tính toán các liên kết (liên kết hàn, liên kết bulông ) Thành thạo thiết kế và cấu tạo các cấu kiện cơ bản của kết cấu thép.

 Biết vận dụng hiểu quả những nội dung cơ bản của bài học

để áp dụng vào thực tiễn Bước khởi đầu cho công tác thiết

kế, thi công các công trình.

Thái độ:

 Nhận thức được vai trò quan trọng vật liệu thép Tầm quan trọng của tính toán, thiết kế các cấu kiện cơ bản của kết cấu thép.

 Nhận thức được việc vận dụng các kiến thức đã học ứng dụng vào thiết kế cấu kiện thép.

8 Mô tả vắn tắt nội dung học phần:

Cung cấp cho sinh viên kiến thức lý thuyết về vật liệu thép Quy trình, cách thiết

kế, tính toán và cấu tạo các cấu kiện cơ bản của KCT thép như dầm, sàn, cột vàmái

9 Nhiệm vụ của sinh viên:

 Đến lớp học tập 45 tiết

 Làm bài tập ở lớp, bài luyện tập ở nhà

 Tham dự kiểm tra giữa học kỳ và thi kết thúc môn học

10 Tài liệu học tập:

Tài liệu chính:

Bộ môn Kết cấu công trình - UAH, Kết cấu thép – Phần Cấu kiện cơ bản, đề tài

cấp bộ,2015

Trần Thị Thôn, Bài tập thiết kế kết cấu thép, NXB ĐHQG TPHCM, 2007.

Tài liệu chính tham khảo thêm:

TCVN 4613 : 1988; Hệ thống tài liệu thiết kế xây dựng Kết cấu thép Ký hiệu quy ước và thể hiện bản vẽ

TCVN 5575 : 2012 ; Kết cấu Thép Tiêu chuẩn thiết kế

TCVN 2737 : 1995 ; Tải trọng và tác động Tiêu chuẩn thiết kếTCVN 5889 : 1995 ; Bản vẽ kết cấu kim loại

§ 1 – ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP

1 Đặc điểm, phạm vi sử dụng

1.1 Vị trí môn học Kết cấu thép:

- Kết cấu thép quan trọng bởi nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại, làm bộ phận chịu lực chính trong công trình.

- Cùng với các môn học kết cấu xây dựng như: Bê tông cốt thép, kết cấu gạch đá, kết cấu gỗ…

- Kết hợp với một số môn học khác như: sức bền vật liệu, cơ học kết cấu, vật liệu xây dựng, kiến trúc dân dụng, kiến trúc công nghiệp…

CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM CHUNG

1.2 Ưu và nhược của kết cấu thép.

Ưu điểm:

 Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao.

 Trọng lượng nhẹ Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực, đánh giá phẩm chất “nhẹ” của vật liệu

thường dùng hệ số C= γ /f; CCT3= 3,7.10-4(m-1) < CGỗ nhóm VI= 4,3.10-4(m-1)<CBTM200= 2,4.10-3(m-1);.

 Tính công nghiệp hóa cao.

 Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp.

Cầu Long Biên là cây cầu thép đầu tiên bắc qua sông Hồngtại Hà Nội, do Pháp

xây dựng (1899-1902) Cầu Thăng Long, dạng cầu giàn thép Từ năm 1972-1977 do

chuyên gia Trung Quốc thực hiện và từ năm 1978-1982 cầu được hoàn thành với sự giúp đỡ của chuyên gia Liên Xô.

35

Steel structure

2 Yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép:

Khi thiết kế kết cấu thép cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Nâng cao lao động sản suất trong gia công

 Giảm công lao động và thời gian lắp ráp.

Để đạt được những điều trên, việc sử dụng thép hợp kim thấp và cường độ cao, hình dạng thép cán, uốn dập một cách kinh tế trong các kết cấu không gian, ứng suất trước, mái treo, trụ … Sử dụng phương pháp tính hiện đại, lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu; điển hình hóa cấu kiện theo nhiều mức độ (cột, dầm, dầm cầu trục…); điển hình hóa kết cấu (khung nhà, tháp, cột điện, bể chứa…).

3 Lịch sử phát triển

- Kết cấu kim loại được tìm ra sớm nhất ở Trung Quốc, so với kết cấu gỗ - gạch đá, kết cấu thép ra đời muộn hơn và gặp nhiều khó khăn do kỹ thuật chế tạo kim loại còn hạn chế Châu Âu, mãi đến thế kỷ 17 mới có kết cấu bằng gang.

- Sang thời kỳ phát triển của chủ nghĩa Tư bản, kỹ thuật luyện kim và gia công kim loại bắt đầu phát triển tạo điều kiện cho kết cấu gang, thép phát triển nhanh Từ thế kỷ

17, nhiều công trình xây dựng bằng gang thép ra đời như: mái nhà cung điện và nhà thờ ở Nga, cầu bằng gang đầu tiên ở châu Âu nhịp dài 30m ở Anh năm 1776- 1779… Đến đầu thế kỷ 19, nhiều nhà xưởng bằng sắt định hình nhịp khá lớn (15,16,34m) ra đời với hình thức liên kết đã biết dùng đinh tán.

- Đến giữa thế kỷ 19, các phương pháp luyện thép mới ra đời: ÔBuNốp (Nga – 1853), Betsme (Anh – 1856), Mactanh (Pháp – 1865)… Năm 1885, N BênácĐốt tìm ra phương pháp hàn hồ quang điện bằng điện cực kim loại… Kết cấu thép dùng liên kết hàn phát triển và trở nên phổ biến.

Bên cạnh đó, lý thuyết tính toán cũng đạt những tiến bộ:

Đ.I Giurapxki (1822-1891) nghiên cứu và đưa ra lý luận tính dàn có thanh xiên, P.S Daxinski nghiên cứu phương pháp tính toán cấu kiện chịu nén…

- Từ những năm 50 trở về sau, ở Liên Xô, trường phái kết cấu thép ra đời và phát triển theo 3 nguyên tắc trên Liên

xô cũng là nước đầu tiên nghiên cứu và áp dụng phương pháp tính theo TTGH, hợp lý hơn và tiết kiệm vật liệu.

- Việt Nam với tiềm năng to lớn về nguyên liệu quặng sắt

đã sớm xây dựng nhà máy gang thép, học hỏi và vận dụng những tiến bộ về kết cấu thép của Liên Xô và thế giới, nhờ đó mà cũng đạt được kết quả đáng kích lệ trong việc sử dụng kết cấu thép.

§ 2.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA THÉP 2.1.1 Cấu trúc thép

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, như oxy (O), phốtpho (P), silic (Si), v.v

Quặng sắt, thành phần chính là sắt oxyt (Fe2O3,

Fe3O4)

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

Thép, lượng

C <

1,7%.

luyện trong lò cao

lò luyện thép để khử bớt C

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU KẾT CẤU THÉP Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn hình thành nên nhiều cấu trúc với những đặc tính khác nhau, cacbon và sắt có thể

dẫn tới chất lượng thép khác nhau Ở nhiệt độ thường, dạng

ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC – h.2.2a), có thể hòa tan một lượng nhỏ cacbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911°C). a) b)

Hình 2.2 Mạng tinh thể: a-lập phương tâm khối; b- lập phương tâm mặt

20 0 911 0 1392 0 1539 0 Fe-α Fe-γ Fe-δ

Hình 2.1 Sơ đồ pha hòa tan cacbon của thép

Thép với %C cao có thể tăng f, nhưng lại giòn hơn Tỷ lệ hòa tan tối đa

%C trong thép là 2,14% xảy ra ở 1.1470C (Austenit-Feγ), nếu %C cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ

là xementit có f kém hơn Dựa vào các tổ chức khác nhau trên giản

đồ trạng thái Fe - Fe3C, phân thép ra làm ba loại: thép trước cùng tích, thép cùng tích và thép sau cùng tích.

thép thường dùng nằm trong loại này nhưng tập trung hơn cả vào loại ≤0,2 %C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C.

Quan sát tế vi thép dưới kính hiển vi, thấy hai tổ chức chính:

- ferrit, hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích, có tính mềm và dẻo;

- peclit (màu tối), thành phần trung gian giữa xenmentit (hợp chất sắt cacbua - Fe3C, rất cứng và giòn) và ferrit (hình 2.3).

Peclit là các lớp bao quanh các hạt ferrit mềm dẻo như một màng đàn hồi, quyết định các tính chất dẻo và sự làm việc của thép khi chịu tải trọng Khi l%C tăng lên thì tỷ lệ phần peclit tăng lên, còn ferrit lại giảm - màng peclit càng dày, thép càng cứng, kém dẻo.

Hình 2.3 Cấu trúc của thép cacbon thấp

Nếu %C quá ít (0,02 ÷0,05%) có thể coi hợp kim này như thép nguyên chất với tổ chức hầu như toàn ferrit tức là có màu sáng hoàn toàn.

Tỉ lệ giữa peclit và ferrit thay đổi theo %C trong thép:

- %C 0,1% thì peclít (phần tối màu) khoảng 1/8 (hình 2.3,a);

- %C 0,4% thì peclít (phần tối màu) khoảng 1/2 (hình 2.3,b);

- %C 0,6% thì peclít (phần tối màu) khoảng 3/4 (hình 2.3,c).

Còn thép cùng tích với thành phần 0,80%C có tổ chức chỉ gồm peclit, thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C

(thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0 - 2,2%) có tổ chức peclit + xementit, là những loại hầu như không dùng trong xây dựng.

Thép được luyện từ gang theo hai phương pháp sau:

lò quay và lò bằng – chủ yếu để tạo ra phôi thép.

Phôi cán này chưa thể tạo nên chất lượng cuối cùng của thép

vì còn phải qua giai đoạn cán luyện.

Trong cán luyện thì các yếu tố quyết định chất lượng và cơ tính: số lượt cán thô, mức độ biến dạng và nhiệt độ kết thúc cán Lúc này thép được tinh luyện ở trạng thái kết tinh lại (recrystalisation) - còn gọi là quá trình tái cấu trúc sau biến dạng dẻo.

Khi cán thô, các bọng khí kẹt xỉ bị làm bẹp, kéo dài và đùn đẩy

ra đầu phôi để cắt bỏ đi, do đó lượt và chiều cán thô sẽ cải thiện tính đồng nhất của phôi cán trước khi định hình.

Khi cán định hình thì mức độ biến dạng và nhiệt độ sẽ làm hạt mịn và đồng đều hơn nhằm bảo đảm tính đồng nhất và cải thiện cơ tính.

2.1.2 Tính chất của thép

Sự làm việc, độ tin cậy, tuổi thọ của công trình kết cấu thép phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của thép Những tính chất cơ học quan trọng của thép ảnh hưởng đến

sự làm việc của kết cấu:

Độ bền chỉ cường độ vật liệu không bị phá hoại khi chịu tải trọng, theo các mác thép khác nhau thép có các lớp độ bền khác nhau;

Đàn hồi là tính chất vật liệu thép tự hồi phục lại hình dáng ban đầu sau khi dỡ tải trọng ngoài;

Tính dẻo là tính chất vật liệu thay đổi hình dạng bên ngoài sau khi dỡ tải trọng ngoài, trong cấu kiện tồn tại biến dạng dư Sự thay đổi từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái chảy dẻo được gọi là sự chảy dẻo (yield);

Tính giòn – khả năng phá hoại ở biến dạng nhỏ;

Từ biến – vật liệu biến dạng theo thời gian mặc dù tải trọng không tăng;

Độ cứng - là thước đo của vật liệu khi bị va chạm hay

bị trầy xước và được đo bằng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau (ví dụ theo Thang độ cứng Mohs, thép có độ cứng từ 7-8)

Độ dai va đập cấu kiện dù có độ bền, độ cứng cao vẫn có thể bị phá hỏng

do các lực va đập dù lực đó không lớn lắm (gối chắn cầu trục ) Vì vậy ngoài xét khả năng làm việc của nó ở trạng thái tĩnh, còn phải xét khảnăng của nó ở trạng thái động

A ) h H ( P

Thí nghiệm độ dai va đập để đánh giá mức độ thép dễ chuyển sang giòn và ảnh hưởng của ứng suất tập trung.

Tại tiết diện cắt khấc (chữ U hay V) hay vết nứt, ứng suất phân bố không đều, xuất hiện ứng suất tập trung; tác dụng va chạm làm tăng khả năng vật liệu thép chuyển sang giòn.

Vật liệu càng giòn thì độ dai va đập càng nhỏ, đối với thép cacbon thấp, độ dai va đập ở trong khoảng 70 – 100Nm/cm2([1], bảng A.3) đó là một chỉ tiêu cơ học cần phải đảm bảo theo tiêu chuẩn thiết kế.

2.1.3 Phân loại thép xây dựng

a Theo thành phần hóa học

- Thép cacbon, với lượng cacbon <1,7%, không có các thành phần hợp kim khác.

Theo hàm lượng cacbon, lại chia ra:

 Thép cacbon cao: hàm lượng 1,7% > C ≥0,6%;

thép rất cứng, rất giòn, khó hàn => rất ít dùng trong xây dựng

 Thép cacbon vừa: hàm lượng 0,6% > C

≥0,22%; thép khá giòn, ít dẻo => ít dùng trong xây dựng.

<C<0,22%; thép mềm, dẻo, dễ hàn => dùng phổ biến trong xây dựng (dùng cho kết cấu chịu lực)

Thép cacbon, ngoài hai thành phần chính là sắt và cacbon, còn

có các thành phần phụ khác như mangan (Mn), silic (Si), lưu huỳnh (S), phôtpho (P).

Mangan (Mn) , được cho vào thép khi tinh luyện ở dưới dạng fero mangan nhằm mục đích khử O2 và S Khi hòa tan vào ferit mangan có tác dụng nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, nên làm tăng cơ tính của thép Nhưng do %Mn trong thép nhỏ (<0,8%) nên tác dụng này không đáng kể và tác dụng chủ yếu của nó chỉ để khử ôxy và hạn chế sự có mặt của S Nếu %Mn

>1,5%, thép trở nên giòn.

Silic (Si) , được cho vào thép nhằm khử O2triệt để hơn Cũng như

Mn, khi được hòa tan vào pha ferít, nguyên tố silic nâng cao độ bền và độ cứng cho pha này Si làm tăng f nhưng làm giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn, cho nên %Si cũng cần hạn chế, <=0,3%

đối với thép cacbon thấp.

Những hợp chất có hại, ảnh hưởng xấu đến chất lượng của thép là:

Phốtpho (P) , dù ở dạng hòa tan trong ferít hay ở dạng liên kết

Fe3P đều làm cho thép bị giòn, đặc biệt là ở trạng thái nguội do

đó nó là nguyên tố có hại cần phải hạn chế.

Đối với thép cácbon thông thường %P<0,06% P có mặt trong thép từ các quặng hay từ nhiên liệu than trong quá trình luyện gang ban đầu.

Lưu huỳnh (S) , có mặt trong thép từ các quặng và đặc biệt là từ than khi nấu luyện gang, làm cho thép giòn nóng (giòn ở nhiệt

độ cao), nên dễ bị nứt khi hàn và rèn.

Các khí nitơ (N), oxy (O2) , trong không khí hòa vào kim loại lỏng

và không được khử hết, làm cho thép bị giòn, giảm cường độ thép Do đó, cần phải khử hết các khí này, và ngăn không cho kim loại lỏng tiếp xúc với không khí (khi hàn).

Tùy thuộc vào chất lượng luyện kim (tùy theo mức độ đồng nhất của thành phần hóa học, của tổ chức và tính chất của thép và nhất là tùy theo hàm lượng các tạp chất có hại là phốt pho và lưu huỳnh) có trong thép, người ta chia thép ra mấy

- Thép có chất lượng cao khi chứa không quá 0,025%S và P.

- Thép có chất lượng đặc biệt cao khi chứa không quá 0,015%S và 0,025%P.

Đối với thép hợp kim người ta cho thêm vào thép cacbon các nguyên tố kim loại như đồng (Cu), Niken (Ni), crôm (Cr), titan (Ti), vanađi (V), Molipđen (Mo) v.v làm tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của thép.

Ni, Mn, 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.

Thép hợp kim vừa và cao không dùng cho kết cấu xây dựng.

b Phương pháp khử oxy

Trong quá trình luyện thép, nếu có bọt khí tồn tại trong thép

sẽ làm giòn thép Bọt khí thường không được khử triệt để vì làm tăng giá thành, thường khử 50% ÷ 70%.

Tùy theo phương pháp để lắng nguội, chia ra:

Thép sôi: là thép được khử ôxy không triệt để, chỉ dùng fero

mangan (chất khử không mạnh).

Do vẫn còn FeO trong thép lỏng nên nó có thể tác dụng với

cácbon theo phản ứng: FeO + C → Fe + CO↑.

Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động giống như

nó bị sôi vì thế loại thép này mang tên thép sôi Khí CO vẫn còn ngay cả khi rót thép lỏng vào khuôn nên chúng tạo thành một số bọt khí trong thỏi thép đúc, làm cho cấu trúc của thép không đồng nhất Chất lượng thép không tốt, thép dễ bị phá hoại giòn và lão hoá.

Thép tĩnh : được khử O2triệt để hơn do ngoài fero mangan, còn

sử dụng fero silic và nhôm nên trong thép còn rất ít FeO, vì thế mặt thép lỏng phẳng lặng Trong thỏi phôi thép lặng hầu như không có bọt khí, không có sự phân lớp như thép sôi nhưng lại

có lõm co khá lớn (hình 2.5,b).

Thép lặng có chất lượng cao hơn thép sôi nhưng không kinh tế bằng vì phải cắt bỏ phần lõm co chiếm tới 10 – 15% trọng lượng của thỏi đúc và chi phí cho việc khử ôxy lớn Trong thép lặng pha ferrit có chứa nhiều Si hơn (khoảng 0,15 – 0,30%) nên chúng cứng hơn so với thép sôi, sử dụng cho các công trình quan trọng, hoặc công trình chịu tải trọng động vì thép rất khó phá hoại giòn.

Hình 2.5 Cấu tạo thỏi đúc: a- thép sôi; b- thép lặng

Thép nửa tĩnh : khử oxy không hoàn toàn - khoảng 50% oxy, chất lượng thép trung bình, là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi Sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình.

c Mác thép theo tiêu chuẩn Việt Nam c.1 Thép cacbon thấp :

Thép cường độ thường:

+ có hàm lượng C=0,14÷0,22%, có fy≤290MPa, là thép sôi hoặc nửa tĩnh

+ thép cácbon thường có thêm hàm lượng Mn 0,8% ÷ 1,1%.

Thép cacbon thấp được chia thành 3 nhóm:

Nhóm A: Thép được đảm bảo về tính chất cơ học.

Nhóm B: Thép được đảm bảo về thành phần hoá học.

thành phần hoá học => được sử dụng trong xây dựng làm thép chịu lực.

Ký hiệu mác thép cacbon thấp sử dụng trong xây dựng gồm 2 phần: phần chữ CCT đứng trước và phần Số đứng sau (theo TCVN 1765: 1976)

Phần chữ chỉ loại thép các bon thấp loại C và phần số chỉ độ bền kéo đứt của thép với đơn vị là daN/mm2.

Ví dụ:

   CT 38

C

độ bền kéo đứt của thép fu = 38daN/mm2= 380MPa;

thép cacbon thấp viết tắt của từст аль

không ghi gì : cho thép tĩnh

Các ký hiệu biểu thị về mức độ khử oxy:

C2 Thép cường độ khá cao

Thép cường độ khá cao làthép hợp kim thấphaythép cacbon thấp

có nhiệt luyện: Có hàm lượng hợp kim <2,5%; có fy=310~ 400MPa;

fu = 450 ~ 540MPa

Ký hiệu mác thép gồm 2 phần: phần chữ và phần số

Phần Số đứng đầu tiên:chỉ hàm lượng C tính bằng phần vạn

Phần Chữ:chỉ ký hiệu hoá học của các nguyên tố có mặt, trừ Fe và

C không ghi

Phần Số đứng sau chữ:chỉ hàm lượng % của các chất đứng trước

đó Nếu hàm lượng <1% thì không ghi

d Mác thép theo tiêu chuẩn nước ngoài

d.1 Mác thép theo tiêu chuẩn của Liên Bang Nga GOST

Hiện nay LB Nga và các quốc gia SNG vẫn dùng ký hiệu này làm kýhiệu tiêu chuẩn cho quốc gia mình Phương pháp biểu thị mác théptheo GOST cơ bản là phương pháp biểu thị mác thép của Việt Nam vàTrung Quốc đang dùng, chỉ có một số ít mác thép là ngoại lệ(phần lớn

TC Việt Nam và Trung Quốc đều dựa vào GOST) Trong một số GOST

được công bố trong những năm gần đây đã sử dụng giới hạn dưới của

fy để kết hợp với mác thép tiêu chuẩn quốc tế ISO Ví dụ đối chiếu mácthép mới và mác thép cũ theo tiêu chuẩn GOST 27772-88 (Bảng 2.1)

Ví dụ: mác thép mới C235, biểu thịσc≥235Mpa.

d.2 Mác thép theo tiêu chuẩn của Trung Quốc

Tên gọi là thép kết cấu cacbon thông dụng Trước đây, mác thép này theo tiêu chuẩn GB 221-79 được chia thành ba nhóm: A, B và đặc biệt.

Hiện nay, theo tiêu chuẩn quốc tế, mác thép trong tiêu chuẩn

GB 700-88 được biểu thị như sau:

Qxxx OO

Trong đó: Q – lấy giới hạn chảy của vật liệu thép để đặt tên;

- xxx – biểu thị giá trị của giới hạn chảy (MPa) Ví dụ: Q235, là thép có σc=235Mpa;

- OO: khi cần thiết, sau mác thép có thể có ký hiệu cấp chất lượng và mức độ khử ôxy Ký hiệu chất lượng chia thành các loại A, B, C, D; Ký hiệu phương pháp khử ôxy như sau: F – thép sôi; b – thép nửa tĩnh; Z – thép lặng; TZ – thép lặng đặc biệt Ví dụ: Q235-AF là thép sôi loại A.

d.3 Mác thép theo tiêu chuẩn quốc tế ISO

ISO là ký hiệu tiêu chuẩn của tổ chức Tiêu chuẩn quốc tế(International Organization for Standardization) Biểu thị các mác thép chủ yếu theo

hệ thống ký hiệu của tiêu chuẩn Châu Âu (EN)

Tiêu chuẩn ISO dùng cơ tính để biểu thị mác thép như sau:

Chữ cái tiền tố + giá trị độ bền cơ học (chữ số)

Ví dụ: S235, chữ cái tiền tố của thép kết cấu phi hợp kim là chữ cái “S”

Chữ số biểu thị giới hạn chảy ≥235MpaKhi cần thiết có thể thêm chữ cái hậu tố A, B, C, D, E để biểu thị cấpchất lượng khác nhau, đồng thời biểu thị giá trị va đập đặc trưng AKVdưới các nhiệt độ khác nhau (Bảng 2.2)

Bảng 2.2 Chữ cái hậu tố biểu thị cấp chất lượng khác nhau trong tiêu

d.4 Mác thép theo tiêu chuẩn của Nhật JIS

JIS là ký hiệu của tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản

(Japanese Industrial Standard) Đặc điểm: không những biểu thị loại thép mà còn biểu thị chủng loại vật liệu thép,

d.5 Mác thép theo tiêu chuẩn của Mỹ

Mỹ có khoảng hơn 400 tổ chức làm công việc tiêu chuẩn hóa Một số tổ chức tiêu chuẩn nổi tiếng có liên quan đến vật liệu kim loại: AISI (Hội gang thép Mỹ) , ANSI (Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ) , ASM (Hội kim loại Mỹ), ASTM (Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ) , AWS (Hội hàn Mỹ) Các tổ chức này đều có hệ thống mác thép và tiêu chuẩn riêng của mình.

Tiêu chuẩn ASTM ( American Society for Testing and Materials) , được sử dụng rộng rãi, nhiều nước trên thế giới

áp dụng:

- Thép cacbon thấp: A36, có fy khoảng 36Ksi = 250MPa (1Ksi=0,6895kN/cm2) Còn có A53, A501 cường độ tương đương A36, dùng làm thép ống hàn hay không hàn;

- Thép cacbon cường độ khá cao: ví dụ A529, A570, dùng làm thép hình uốn nguội, có các cấp cường độ 40 đến 65, là giới hạn chảy (Ksi);

- Thép hợp kim thấp, cường độ cao: gồm nhiều loại thép có các chất hợp kim, với fy từ 40÷70Ksi Loại thông dụng có A441, A572 các cấp đến 65; loại chống

rỉ tốt có A242, A606, A588, chống rỉ cao hơn thép A36 tới 4 lần Loại chuyên làm thép tấm, thép dải như A606

có độ chống gỉ cao, A607 có hợp kim Vanađi;

- Thép cường độ rất cao (thép hợp kim, được nhiệt luyện): ví dụ A852, A514, fy tới 90÷100Ksi , fu

Hình 2.6 Sự cứng nguội của thép: a-trong giới hạn đàn hồi; b-có nghỉ; c-không nghỉ

- Hiện tượng tăng tính giòn của thép sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt

độ thường

- Thép sau khi đã bị biến dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, σđàn hồicaohơn và ε khi phá hoại nhỏ hơn,thường gặp khi gia công nguội: uốnnguội, cắt bằng máy cắt, đột lỗ

- Cứng nguội tuy làm tăng cường độ của thép (fy, fu) nhưng làm thépgiòn (ε giảm) Ví dụ (h.2.6,a) kéo nguội thép gần tới fyrồi dỡ tải, trongthép còn εđàn hồinên trở về hình dáng ban đầu, nếu kéo một lần quágiai đoạn chảy, sang giai đoạn củng cố Lúc này, cấu trúc tinh thể thépbiến đổi, thép trở thành một loại thép khác, cứng hơn, trong thép cóbiến dạng dư Δ (hình 2.6,b), thềm chảy ngắn lại

Khi thép bị làm cứng nguội nhiều lần, cả fyvà fuđều tăng cao.

Ví dụ với thép CT3, qua uốn nguội, fytăng tới 80%, futăng tới 35%, (H.2.7).

Nói chung nên coi cứng nguội là bất lợi đối với kết cấu thép (chỉ trong một số trường hợp khi mà việc giảm độ giãn phá hoại không quan trọng lắm, thì có thể sử dụng sự cứng nguội

để tăng cường độ thép, ví dụ sợi thép kéo nguội).

MPa 520 458 370 240

25 11,2 0

a b

Hình 2.7 Sự tăng cường độ thép: a- trước khi uốn nguội; b- sau uốn nguội

Sự tăng cường độ này diễn ra không đều trên tiết diện, tùy thuộc vào phương pháp, dụng cụ uốn nguội Hình 2.8 - sự phân bố cường độ của các thớ, của tiết diện thép góc và chữ

C, chế tạo trên máy cán (đường liền) và máy uốn gập (đường đứt) Để tránh hiện tượng trên có những qui định riêng khi gia công nguội kết cấu thép.

Hình 2.8

2.2.2 Sự hóa già của thép

Già hóa –gọi là sự hoá già của thép, tínhchất của thép thay đổi nhưng không có

sự thay đổi cấu trúc tinh thể Già hóa

làm giảm tính dẻo, f tăng một chút, độ

giãn và độ dai va đập giảm đi, thép trởnên giòn hơn, kém dẻo

Nguyên nhân là giảm sự hòa tan C và N

từ nhiệt độ 650-700 o C (luyện cán thép,

hàn ) xuống nhiệt độ thường Các chấtnày dần dần tách ra nhóm lại, tạo nêncác hạt cứng giữa các hạt ferrit

,MPa

ε

a b

100 200 300 400 500

4 8 12 16 20 Hình 2.9 Cường độ thép: a-điều kiện bình thường; b-sau khi hóa già

Ảnh hưởng cơ học, đặc biệt là biến dạng dẻo, thay đổi nhiệt độ dẫnđến thay đổi sự hòa tan và tốc độ khuếch tán của các chất (già hóa

nhiệt) Ở nhiệt độ 150-200ºC, sự già hóa tăng lên đáng kể Thép sôi có

cấu trúc hạt kém thuần nhất, dễ bị lão hóa hơn cả Sự lão hóa tự nhiên

dù có làm tăng cường độ thép nhưng không được kể đến trong tínhtoán vì nó đồng thời làm cho thép kém dẻo, tăng giòn

2.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ và giải pháp phòng chống

T0 từ 2000C ÷2500C tính chất của thép thay đổi không đáng kể

σ ,σ b c

ε(%)

Hình 2.10 Sự thay đổi tính chất cơ học thép cacbon thấp thay đổi theo nhiệt độ: 1- E; 2-σb ; 3-σc ;

4-hệ số giãn nở nhiệt α; 5-độ dãn dài tương đối ε

T0 <0, fy tăng nhưng thép

giòn hơn, xu hướng giòn ở T0thấp phụ thuộc vào kích thước hạt, tạp chất có hại (P,

S, N, H), chiều dày thép Xu hướng gãy giòn dễ xảy ra với thép sôi.

T0 từ 2500C ÷3000C cấu trúc

của thép bắt đầu thay đổi, thép trở nên giòn hơn, trên các mặt đứt gẫy có cấu trúc hạt lớn Ở T0này không nên cho thép chịu lực rung động, xung kích.

σ ,σb c

ε(%)

Khi T0> 4000C, fyvà fugiảm rất nhanh,

nếu ở 5000C có σc= 140MPa,

σb= 250Mpa

thì chỉ cần ở T0= 6000C các giới hạn trên đã giảm rất nhanh σc = 40Mpa, σb = 50Mpa.

Nhiệt độ t = 6000C ÷ 6500C

được gọi là nhiệt độ dẻo, kết cấu thép mất khả năng chịu lực.

Hình 2.10 Sự thay đổi tính chất cơ học thép cacbon thấp thay đổi theo nhiệt độ: 1- E; 2-σb ; 3-σc ;

4-hệ số giãn nở nhiệt α; 5-độ dãn dài tương đối ε

Khi T0 >4000C, KCT bắt mất ổn định dẫn đến phá hoại công trình.

Yêu cầu bắt buộc với KCT là phải được bao bọc chống cháy, “mặc” cho KCT 1 lớp “áo giáp” bảo vệ trước nhiệt độ cao trong một thời gian nhất định, tạo cơ hội để dập tắt đám cháy thoát hiểm khỏi đám cháy an toàn.

Theo QCVN 06-2010, yêu cầu chống cháy cho KC chịu lực công trình cấp 1, 2 lần lượt là 150’ và 120’, do đó KCT cần phải được bảo vệ trong thời gian tương ứng.

Hiện nay, để bọc chống cháy cho kết cấu thép, có 3 giải pháp chính:

1 Sơn chống cháy:

2 Phun bọt chống cháy (Fire Stop Spray):

3 Bọc bằng tấm chống cháy chuyên dụng:

2.2.4 Ăn mòn do môi trường và giải pháp phòng chống

Trong môi trường xâm thực, thép bị gỉ, gỉ từ bề mặt cho đến phá hoại hoàntoàn, có thể chỉ sau vài ba năm

Sự gỉ của kết cấu kim loại chủ yếu là do ăn mòn điện hóa Trên bề mặt kim loại

có những phân tử vi mô hoạt động như những điện cực, chúng tiếp xúc với hơinước không khí, có chứa các hợp chất, khí cacbonic Dòng điện xuất hiện, cựcdương bị tan trong chất điện phân Hiệu thế giữa các cực càng lớn, dòng điệncàng mạnh và sự ăn mòn càng nhanh Bởi vậy, cần bảo vệ chống ăn mòn chothép, nhất là ở những nơi ẩm ướt, nơi có hàm lượng các chất ăn mòn cao

Theo mức độ ăn mòn của môi trường được chia thành:

f) e)

Hình 2.11 Dạng ăn mòn:a- ăn mòn đều; b- không đều: c-đốm, vết; d-hang hốc: điểm, lỗ: f-ăn mòn ven tinh thể; g-dưới bề mặt (chọn lọc); h-ăn mòn ứng lực (do

e-nứt kim loại)

Ăn mòn có thể trên toàn bộ tiết diện hoặc ăn mòn cục bộ (hình 2.11).

Tốc độ ăn mòn xác định bằng bề sâu ăn mòn của thép mm/năm hoặc trọng lượng thép mất đi trên một đơn vị diện tích g/m2/năm.

Tốc độ này thay đổi phụ thuộc trước hết vào môi trường, ví dụ:

- vùng nông thôn 0,004mm/năm ;

- thành phố 0,03÷0,06mm/năm ;

- vùng biển 0,06÷0,16mm/năm ;

- nhà máy hóa chất 1mm/năm

Hình 2.12 Hình dáng tiết diện ảnh hưởng tới tốc độ ăn mòn

Trong thiết kế có thể áp dụng một số biện pháp cấu tạo, để tăng độ chống ăn mòn:

- Dùng loại tiết diện chống ăn mòn cao (hình 2.13);

- Tiết diện đặc chống ăn mòn tốt hơn tiết diện rỗng;

- Triệt để áp dụng nguyên tắc tập trung vật liệu: tăng bước kết cấu lên để làm tiết diện cấu kiện lớn hơn, thành dày hơn;

- Chọn dùng loại vật liệu chống gỉ cao, ví dụ thép hợp kim thấp, tuy nhiên giá thành cao;

- Tìm các giải pháp cấu tạo để cấu kiện không tích bụi, tích ẩm, ví dụ đặt nghiêng dốc, tạo các lỗ thoát nước.

Bên cạnh đó, để chống ăn mòn còn sử dụng một số biện pháp:

- dùng sơn phủ bảo vệ, tạo một lớp màng chắn cách ly kim loại với môi trường nhưng khi lớp bảo vệ này bị hỏng thì hơi ẩm thâm nhập và ăn mòn tấn công vào bên dưới lớp sơn gây phồng rộp và ăn mòn nên có tuổi thọ thấp;

- mạ kẽm nhúng nóng (biện pháp chống ăn mòn catốt), được sử dụng rộng rãi trên thế giới như các giàn khoan biển, cầu cảng,

hệ thống bồn bể đường ống… Chống ăn mòn catốt là sử dụng bản chất của quá trình ăn mòn điện hóa để xây dựng thành một

hệ gồm catốt (kim loại cần bảo vệ) và anốt Anốt như Mg, Al, Zn làm vật liệu hy sinh thay thế cho thép cần bảo vệ vì các kim loại này đều đứng trước Fe trong bảng tuần hoàn hóa học.

- phun lớp phủ Polyurea bảo vệ, đã được sử dụng trên thế giới hơn 50 năm, là lớp màng phủ chống ăn mòn bảo vệ gần như tuyệt đối các công trình ven, trên biển, những nơi thường xuyên phải tiếp xúc trực tiếp với axít, ba-zơ, muối và các hoạt chất ăn mòn khác Nó có độ dính bám rất cao trên hầu hết các loại bề mặt, với dải nhiệt độ phục vụ ưu việt tuyệt đối từ 80 – 1200C, chịu tia cực tím, phong hóa trực tiếp mà không cần phải sử dụng bất cứ loại vật liệu nào che phủ hoặc bảo vệ.

- phương pháp bọc Composite FRP bảo vệ Đây là biện pháp rất tối ưu vì vừa bảo bảo vệ chống ăn mòn, vừa gia cường cho kết cấu thép Chịu được các loại axit đậm đặc và các bazo mạnh mà các loại vật liệu trên không đáp ứng được.

2.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP KHI CHỊU TẢI TRỌNG 2.3.1 Dạng phá hoại của kết cấu thép

Sự phá hoại kết cấu thép phụ thuộc vào mức độ phát triển biến dạng dẻo,

có hai hình thức phá hoại:

- Phá hoại giòn (hình 2.14a) 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 tương tác giữa các phân tử bị mất đi, các phân tử bị xa rời nhau

- Phá hoại dẻo (hình 2.14b) là sự phá hoại với biến dạng lớn, vật liệu làm việc trong giai đoạn dẻo, xảy ra do sự trượt giữa các phân tử (hạt tinh thể) khi

mà ngoại lực lớn hơn lực chống trượt giữa các phân tử.

Hình 2.14 Dạng phá hoại: a-kéo đứt; b-cắt, trượt; c- sự trượt lớp nguyên tử

• Vật liệu thép có thể phá hoại theo giòn hoặc dẻo phụ thuộc điều kiện làm việc khác nhau (trạng thái ứng suất, chịu ứng suất cục bộ, nhiệt độ môi trường).

• Các mối liên kết nguyên tử bị phá hoại khi kéo đứt Biết lực liên kết giữa các nguyên tử, có thể xác định độ bền kéo đứt của tinh thể Độ bền kéo đứt tinh thể thép theo lý thuyết vào khoảng 3300kN/cm2, còn lực chống trượt giữa các phân tử trong mạng tinh thể (1300kN/cm2) là nhỏ hơn, nên về lý thuyết chỉ có phá hoại dẻo đối với thép.

• Chỉ trong phòng thí nghiệm thép có thể đạt tới độ bền

100kN/cm2 Sự khác nhau giữa lý thuyết và thực tế được giải thích do khuyết tật tinh thể thép.

Phân ra bốn dạng khuyết tật: điểm (tinh thể) (hình 2.15); đường (hình 2.16); mặt, khối.

Hình 2.15 Dạng khuyết tật tinh thể

Với khuyết tật điểm – thiếu nguyên tử ở nút lưới (hình 2.15,a), có nguyên tử khác, lạ trong mắt lưới (hình 2.15,b), phân bố nguyên tử ngoài mắt lưới (hình 2.15,c) Sẽ dẫn tới khuyết tật trong cả mạng tinh thể như: Khuyết tật đường – sự biến vị ở biên (hình 2.16,a), biến vị xoắn (hình 2.16,b)

b)

Hình 2.16 Khuyết tật ở biên (a), xoắn - vặn (b)

2.3.2 Sự làm việc của thép khi chịu kéo

Sự làm việc của thép theo trạng thái ứng suất một trục, đặc trưng cho sựchịu lực của thép dưới tải trọng có thể nghiên cứu bằng thí nghiệm kéomẫu thép Kéo một mẫu thép (vuông hoặc tròn – gia công theo [24]) mácCT38 bằng tải trọng tĩnh tăng dần, vẽ đồ thị quan hệ giữa ứng suất σ vàbiến dạng tỉ đối ε, ta được biểu đồ kéo của thép như trên hình 2.17

Hình 2.17 Biểu đồ kéo của thép cacbon: a– Thép cacbon thấp; b- khá cao; c- cao

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 100

200 300 500 700 900

a b c

Giai đoạn 1: ứng với σ từ 0 đến khoảng200MPa, là một đường thẳng

Trong giai đoạn này, σ - ε có quan hệ tuyến tính, biến dạng đàn hồi do sailệch mạng tinh thể sẽ mất khi dỡ tải, vật liệu làm việc tuân theo định luậtHook: σ =Eε, trong đóElà hệ số góc của đường thẳng OA Đối với thépcacbon thông thường,E = 2,06.105MPa Giai đoạn này gọi làgiai đoạn tỉ

lệ ;ứng suất tương ứng gọi làgiới hạn tỉ lệσtl

Giai đoạn 2: Tiếp tục tăng tải, xuất hiện sự tách rời của các hạt ferrit,đường thẳng hơi cong đi, không còn giai đoạn tỉ lệ nữa, nhưng thép vẫnlàm việc đàn hồi, nghĩa là ε sẽ hoàn toàn mất đi khi không còn tải trọng σứng với điểm A’ gọi làgiới hạn đàn hồiσđh(ứng với ε dư tương đối khoảng0.05%), là giới hạn của vùng làm việc đàn hồi của thép Thực tế, σđhkhácrất ít với σtl, nên nhiều khi người ta đồng nhất hai giai đoạn làm việc này

Khi đường σ cong rõ rệt Thép không còn làm việc đàn hồi nữa;Egiảmdần đến bằng 0 với σ khoảng240MPa Giai đoạn này gọi là giai đoạn đànhồi dẻo

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 100

200 300 500 700 900

a b c

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 100

200 300 500 700 900

a b c

25%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 100

200 300 500 700 900

a b c

Thấy rằng, hiện tượng thềm chảy chỉ có ở thép có %C từ 0,1 - 0,3%.

Nếu ít cacbon, các mạng peclit không đủ để giữ các hạt ferrit bị trượt Nếu nhiều cacbon, mạng peclit nhiều và dày sẽ luôn luôn ngăn cản không cho các hạt ferrit trượt Biểu đồ σ – ε của thép cacbon cao (hình 2.17,c) hầu như không có thềm chảy Ở các loại thép này, giới hạn chảy được qui ước lấy ứng với biến dạng dư là ε = 0,2% ký hiệu là

ε02.

Từ biểu đồ kéo của thép cho ta các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép, được qui định trong tiêu chuẩn đối với mỗi mác thép: σtl, σc, σb, εovà E.

Giới hạn chảy σc- quan trọng nhất, đó là ứng suất lớn nhất

có thể có trong vật liệu, không được phép vượt qua (ứng với ε = 0,2%).

Tùy thuộc trị số của σ, có thể áp dụng các lí thuyết tính toán:

+ khi σ ≤ σtl: dùng lí thuyết đàn hồi, với E = const;

+ khi σtl< σ < σc: dùng lý thuyết đàn hồi dẻo, với E ≠ const;

+ khi σ = σc: dùng lí thuyết dẻo – xem xét sự làm việc của vật liệu trong vùng chảy dẻo, với trị số giới hạn là σc Vật liệu thép được tận dụng cao nhất.

Giới hạn bền σb, còn gọi là cường độ tức thời của thép, xác định một khoảng dự trữ giữa trạng thái làm việc và trạng thái phá hoại Đối với thép không có σcthì σblà trị

số giới hạn cho ứng suất làm việc, tuy nhiên là được chia cho một hệ số an toàn tương ứng Ngay với thép cacbon thấp, có thềm chảy, khi mà kết cấu được phép có biến dạng lớn, có thể lấy ứng suất làm việc vượt quá σcvà bằng σbchia cho một hệ số an toàn.

Biến dạng khi đứt εo, đặc trưng cho độ dẻo và độ dai của thép Đối với thép cacbon thấp, εo rất lớn, tới 200 lần biến dạng khi làm việc đàn hồi.

Kết cấu thép có một lượng dự trữ an toàn lớn như vậy nên có thể nói kết cấu thép không bao giờ bị phá hoại ở trạng thái dẻo, chỉ có thể có phá hoại khi thép đã chuyển thành giòn.

Ngoài ra, còn có thể đánh giá một số chỉ tiêu của thép qua các tỷ số σc/ σbvà σtl/ σc:

- Tỷ số σc/ σbđặc trưng cho độ bền giới hạn của thép, vì vậy khi tính toán, ứng suất trong các cấu kiện kết cấu thép không được vượt quá σc.

- Đối với thép cường độ thường và khá cao tỷ số này xấp

xỉ 0,6, có độ dự trữ vừa đủ cho sự làm việc của vật liệu

và cho phép sử dụng trong giới hạn dẻo của thép.

- Với thép cường độ cao tỷ số σ02/ σb là 0,8 0,9, là giới

hạn sử dụng trong giai đoạn đàn hồi dẻo của thép.

2.3.3 Sự làm việc của thép trong trạng thái ứng suất phức tạp

Trong kết cấu kiểm tra sự làm việc bằng cách so sánh σ với f Tuy nhiên, trong kết cấu thực tế, vật liệu làm việc trong trạng thái ứng suất nhiều thành phần phức tạp Cần có phương pháp quy đổi ứng suất phức tạp về trạng thái ứng suất tương đương.

Trạng thái ứng suất phức tạp là trường hợp có hai hoặc ba ứng suất pháp σ1, σ2và σ3tồn tại đồng thời (hình 2.19).

Hình 2.19 Trạng thái ứng suất phức tạp của thép

Hình 2.20 Sự làm việc của thép trong trạng thái ứng suất phức tạp: 1-có tập trung ứng suất; 2-không có tập trung ứng suất; 3-có tập trung ứng suất

Nếu chỉ có trạng thái ứng suất đơn (σ1 ≠ 0; σ2 = σ3 =0) , ứng suất đạt tới σc xuất hiện biến dạng dẻo, trong trạng thái ứng suất phức tạp để đạt tới trạng thái dẻo phụ thuộc vào dấu, tương quan của các ứng suất.

Trong một trường ứng suất, có thể là kéo hoặc nén, ứng suất σ2 và σ3 gây biến dạng theo hướng σ1 Trong trường hợp này sự phát triển biến dạng dẻo sẽ chậm hơn, σc được tăng lên, thềm chảy ngắn lại, xuất hiện nguy cơ phá hoại dòn (hình 2.20,1).

ε

1

σ

500 400 300 200 100

3 2

Hình 2.20 Sự làm việc của thép trong trạng thái ứng suất phức tạp: 1-có tập trung ứng suất; 2-không

có tập trung ứng suất;

3-có tập trung ứng suất

Trường hợp ứng suất có các giá trị khác nhau (nén theo một phương, phương kia là kéo), nhận thấy biến dạng dẻo xuất hiện sớm trước khi ứng suất chính đạt tới σccủa trường hợp kéo một trục Thép trở nên “dẻo” hơn (hình 2.20,2).

Một cách chấp nhận quy đổi tương đương là sử dụng thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng: vật liệu bị phá hoại là do thế năng biến đổi hình dạng của phân tố ở trạng thái ứng suất phức tạp đạt đến thế năng biến đổi hình dạng ở trạng thái ứng suất nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn Điều này đã được thể hiện trong tiêu chuẩn.

Hình 2.20 Sự làm việc của thép trong trạng thái ứng suất phức tạp: 1-có tập trung ứng suất; 2- không có tập trung ứng suất; 3-có tập trung ứng suất

2.3.4 Sự làm việc của thép khi ứng suất phân bố không đều-ứng suất tập trung

Khi kéo mẫu, ở những vị trí tiết diện thay đổi gây bởi các biến đổi đột ngột của hình dạng cấu kiện (có lỗ khoét, rãnh cắt, vết nứt ) quĩ đạo các ứng suất chính uốn cong xung quanh chỗ cắt (hình 2.21)

Α Β

Α Β Α Β

a-đồ thay đổi làm việc của thép; 1–

không có sự tập trung ứng suất; 2–

có sự tập trung ứng suất;3– có sự tập trung ứng suất do rãnh cắt (làm việc giòn).

Đường lực tập trung chứng tỏ ứngsuất chỗ đó tăng cao, còn đườnglực uốn cong chứng tỏ có ứng suấthai phương (nếu thép dày xuấthiệnσz- ứng suất khối) Sự tồn tạitrạng thái ứng suất theo haiphươngσxvàσylàm cho thép trởnên giòn

Α Β

Α Β Α Β

Đặc trưng cho sự phân bố ứng suất không đều, sử dụng hệ số tập trung ứng

suất k= σmax/ σN, trong đó:

σmax- ứng suất tập trung lớn nhất;

σN=N/Ao- ứng suất trong thanh ở tiết diện giảm

yếu; Ao– tiết diện giảm yếu.

ε

σ

100 200 300 400 500 600

4 8 12 16 20

1 2

Trong tính toán thường không kể đến hiện tượng ứng suất cục bộ này Tuy nhiên, với kết cấu chịu tải trọng động thì sự tập trung ứng suất là nguy hiểm vì làm cho thép

dễ bị phá hoại giòn.

Giá trị hệ số k còn phụ thuộc vào bán kính cong r của lỗ khoét Bán kính càng nhỏ, hệ số tập trung càng lớn Ví dụ với

lỗ tròn k=1,5 3, rãnh cắt, vết nứt k đạt 6-9.

2.3.5 Sự làm việc mỏi của thép

Thép chịu tải trọng lặp nhiều lần, nó có thể bị phá hoại ở σ <

σbthậm chí là σ < σc(hình 2.23) - sự phá hoại mỏi của thép.

Sự phá hoại về mỏi mang tính chất phá hoại giòn, thường xảy ra đột ngột và kèm theo vết nứt.

Cường độ mỏi f fphụ thuộc các yếu tố chủ yếu:

- số chu kì lặp, càng lớn thì f f càng giảm và ổn định khi số lần lặp đạttrên 2×106lần;

- tính chất thay đổi của tải trọng (theo TCVN tính toán độ bền mỏi là dotác động củaσmax), mức độ thay đổi tải trọng đặc trưng bởi hệ số ứngsuất không đối xứngρ=σmin /σmax

Phần lớn kết cấu xây dựng không chịu tải trọng lặp với chu kỳ đủ lớn đểxét tới mỏi Tuy nhiên, dầm cầu trục, dầm đỡ bệ máy, cầu băng tải lànhững kết cấu cần tính tới mỏi, khi đó phải dùng hệ sốγ<1 để giảm cường

B d a)

d

x y

b d

- Thép góc không đều cạnh gồm 72 loại tiết diện từ nhỏ nhất là L30 × 20 × 3 đến lớn nhất là L200 × 150 × 25.

4 đến 13m.

a) y b)

y

x x

b d

y

x x d a) b) c)

x x

y

y

x x b)

- Thép góc đều cạnh, không đều cạnh, chữ [, hộp v.v ngoài ra,

có thể có những tiết diện rất đa dạng theo yêu cầu riêng.

B y

y

x x t

b y

y

x x t

b y

y

x x

r = 1,5 t t

- 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.

- Việt Nam hiện nay chưa có các định hình cụ thể cho loại thép hình này Có thể tham khảo Tiêu chuẩn nước ngoài

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH KẾT CẤU THÉP

3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3.1.1 Mô hình thực tế của kết cấu công trình và

sơ đồ tính toán

Trong giai đoạn thiết kế, quan trọng nhất của người thiết kế là làm sao đưa được từ công trình thực tế thành các mô hình (sơ đồ) tính để từ đó có thể tính toán được Mô hình (sơ đồ) tính toán này đã được lý tưởng hóa, phản ánh đầy đủ trạng thái làm việc của kết cấu.

Mô hình cần đạt hai yêu cầu:

- phản ánh được những trạng thái làm việc chủ yếu nhất để khai thác tối đa khả năng chịu lực, đồng thời đảm bảo công trình làm việc an toàn;

- đơn giản để thuận tiện trong tính toán thiết kế.

Để thành lập sơ đồ kết cấu công trình dựa trên những yếu tố sau:

- Quy mô công trình;

- điều kiện của nền móng và tác động của môi trường;

- tình hình cung cấp vật tư.

Khi lập sơ đồ công trình đồng thời dự tính tiết diện kết cấu, liên kết nút, điều kiện kỹ thuật và khả năng về chế tạo kết cấu, về vận chuyển và dựng lắp.

Theo xu thế hiện đại, sơ đồ kết cấu công trình phải đồng thời thỏa mãn sự làm việc hợp lý về mặt kết cấu

và thể hiện phong phú về mặt kiến trúc Nói chung, giá thành công trình được quyết định bởi sơ đồ kết cấu.

3.1.2 Các giai đoạn tính toán kết cấu thép

Trên cơ sở sơ đồ tính đã được xác định, nội dung tính gồm có xác định nội lực, chọn tiết diện của kết cấu, tính các chi tiết và liên kết Trong một số trường hợp cần xác định chuyển vị, các thông số dao động… Đối với kết cấu thép hoặc kết cấu công trình nói chung, nội dung tính toán thực hiện qua hai giai đoạn:

- giả định trước các thông số về hình học, tiết diện, độ cứng của kết cấu, bộ phận hoặc chi tiết, cấu tạo liên kết;

- xác định nội lực và kiểm tra tiết diện đã giả định.

Việc quan trọng nữa trong tính toán kết cấu là dự tính sự tác động của tải trọng, cường độ đặc trưng vật liệu, sự làm việc của thép trong từng trường hợp cụ thể Tải trọng ngoài ở đây mang nghĩa rộng, có thể là tải trọng do công nghệ, áp suất khí quyển, tác dụng hóa học như ăn mòn kim loại, tác dụng do nhiệt độ ảnh hưởng tới tính chất vật liệu, chuyển vị gối ….

Từ 1946-1955: phương pháp tải trọng phá huỷ, vẫn dùng

hệ số an toàn có kể đến hiện tượng biến dạng dẻo của vật liệu trong quá trình tăng tải.

Năm 1955, N.X Xtreleskii (1885-1967, trường ĐH Xây dựng Mátxcơva) đã phát triển PP TTGH , trong PP này thay một hệ số bằng nhiều hệ số cơ bản, giá trị các hệ số này xác định dựa trên PP thống kê các tham số chính (tải trọng, độ bền vật liệu, kích thước hình học kết cấu, điều kiện làm việc) xem như là các đại lượng ngẫu nhiên và thể hiện thông qua các hàm phân phối phù hợp.

Từ 1962-1970: cùng với lý thuyết tính toán theo TTGH, phương pháp “bán tin cậy” với 5 nhóm hệ số đã được đưa vào tính toán Trong 5 nhóm hệ số có 1 nhóm kể đến tính chất quan trọng của công trình (ngoài phạm vi

kỹ thuật và kinh tế thông thường) Các nhóm hệ số này nói chung được gọi là hệ số ĐTC Giai đoạn này bắt đầu hình thành lý thuyết ĐTC và dự báo tuổi thọ để tính toán công trình.

Hiện nay phần lớn tiêu chuẩn các nước trên thế giới (Tây Âu, Mỹ, Úc…) đều áp dụng hoặc bản chất là phương pháp thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn.

3.1.3 Các tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế kết cấu thép

Việt nam đã áp dụng PP TTGH từ năm 1965 TCVN

5575-2012 Dẫn nguồn chủ yếu từ tiêu chuẩn Liên Xô SNIP 23-81 Một số điểm chú ý của TCVN: bản chất tiêu chuẩn thì dựa vào tiêu chuẩn Liên Xô cũ (LB Nga ngày nay), nhưng các chỉ số trong các công thức được ký hiệu theo phương Tây, như σc, σb thay bằng fy, fu (y: yield, u:

II-ultimate), Rhthay bằng fw(w: weld)…

Các công trình ở Việt nam còn được thiết kế theo các tiêu chuẩn nước ngoài, có thể do các công ty nước ngoài thiết

kế hoặc do yêu cầu chủ đầu tư thì các công ty trong nước cũng đã tự thiết kế theo các tiêu chuẩn tiên tiến hiện hành trên thế giới như tiêu chuẩn Mỹ, Châu Âu, Anh…

Sau đây giới thiệu một cách vắn tắt một số tiêu chuẩn nước ngoài sử dụng phổ biến ở Việt Nam:

Tiêu chuẩn Mỹ về thiết kế kết cấu thép áp dụng cho công trình nhà của Viện AISC (American Institute of Steel Construction) viết dựa trên phương pháp Ứng suất cho phép (Allowable Stress Design, ASD) và phương pháp Hệ số tải trọng và Hệ số độ bền (Load

& Resistance Factor Design, LRFD);

Song song với nó, vẫn tồn tại tiêu chuẩn riêng của từng nước, như Pháp: CM -66 tính theo ứng suất cho phép, Anh: BS 5950 tính theo trạng thái giới hạn;

Tiêu chuẩn Úc AS 4100-1990 Kết cấu thép, tính theo phương pháp trạng thái giới hạn, có nhiều điểm giống BS.

Tiêu chuẩn Trung Quốc GBJ 17-88 về thiết kế kết cấu thép, dựa theo tiêu chuẩn Liên Xô, nhưng có đưa một số công thức và ký hiệu theo phương Tây.

3.2 Trạng thái giới hạn của kết cấu

Mục đích: đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quá trạng thái giới hạn khiến cho chúng không thể sử dụng được nữa với hiệu quả kinh tế tương ứng.

3.2.1 Tổng quan

a Trạng thái giới hạn

a) Trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn là trạng thái

mà kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với công trình khi sử dụng cũng như khi xây lắp.

- Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa phá hoại về bền.

- Nhóm TTGH thứ hai: không còn sử dụng bình thường được.

b) Điều kiện tính toán:

Đối với nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện an toàn về khả năng chịu lực có dạng: N ≤ S

+ Nội lực N gây bởi tải trọng tính toán P ( )

Khi có nhiều tải trọng (Pi) tác dụng đồng thời:

, trong đó : nội lực do Pi= 1; nc: hệ số tổ hợp

+ Khả năng chịu lực S là nội lực giới hạn của cấu kiện, biểu

thị dạng tích số của đặc trưng hình học tiết diện (A, W ) với S viết là: hoặc

trong đó γu= 1,3 – hệ số an toàn đối với cấu kiện tính theo giới hạn bền.

Đối với nhóm TTGH thứ hai, điều kiện giới hạn phải đảm bảo:

Nếu δilà biến dạng gây bởi tải trọng đơn vị thì

n Q

c P

P = γ γ



= i Q n c c

Af Af S

c u

u

c t

γ γ

γ γ

i n

P γ δ Δ

ω(S,N) < 0 miền không an toàn

2 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

Cường độ tiêu chuẩn là đặc trưng cơ bản của vật liệu được qui định trong TCVN thiết kế kết cấu

Đối với thép cacbon và thép cường độ khá cao: cường

độ tiêu chuẩn fy= σc Đối với thép không có biến dạng chảy (cường độ cao)

và cả trong những trường hợp kết cấu có thể làm việc

quá giới hạn dẻo thì cường độ tiêu chuẩn fu= σc Cường độ tính toán f bằng cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số an toàn vật liệu γM.

Một số hệ số sử dụng trong việc xác định cường độ tính toán:

• Hệ số điều kiện làm việc γC.

• Hệ số an toàn về sử dụng γn : phụ thuộc vào mức độ quan trọng, cấp độ bền của công trình

Bảng 2 - Cường độ tính toán của thép cán và thép ống

Trạng thái làm việc Ký hiệu Cường độ tính

toán Kéo, nén, uốn

- theo giới hạn chảy

ép mặt lên đầu mút (khi tì sát) fc fc= fu/γM

ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt fcc fcc= 0,5 fu/ γM

ép mặt theo đường kính của con lănHBA 13 fcd fcd = 0,025 fu/γM

3 Tải trọng và tác động

Tải trọng và tác động để tính toán kết cấu được lấy theo

“TCVN 2737–1995 Tải trọng và tác động”.

a Phân loại tải trọng

Tải trọng thường xuyên;

Tải trọng tạm thời : + Tải trọng tạm thời dài hạn;

+ Tải trọng tạm thời ngắn hạn;

+ Tải trọng đặc biệt

b Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

Đặc trưng cơ bản của tải trọng là giá trị tiêu chuẩn của chúng, được xác lập trên cơ sở thống kê và được cho trong tiêu chuẩn.

Tải trọng thường xuyên do trọng lượng các kết cấu được xác định theo số liệu của các tiêu chuẩn và của các nhà máy chế tạo, theo kích thước và khối lượng thể tích của vật liệu.

Tải trọng tạm thời tác dụng lên sàn nhà được qui định theo tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737–1995.

Hệ số độ tin cậy về tải trọng γQxét đến sự biến thiên của tải trọng do những sai lệch ngẫu nhiên.

Khi tính đến kết cấu theo TTGH 1 thì dùng tải trọng tính toán.

Khi tính kết cấu theo TTGH 2 thì chỉ dùng tải trọng tiêu chuẩn.

Sự xuất hiện đồng thời của nhiều tải trọng đều với trị số lớn nhất là ít có xác suất xảy ra hơn là khi chỉ có ít tải

trọng Xét đến thực tế đó, dùng hệ số tổ hợp nc Khi trong tổ hợp cơ bản mà chỉ có một tải trọng ngắn

hạn thì nc= 1 Còn trong tổ hợp cơ bản có hai hay nhiều

tải trọng ngắn hạn thì nc= 0,9 Khi tính với tổ hợp đặc

biệt thì nc= 0,8.

3.3 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

1 Cấu kiện chịu kéo đúng tâm

Cấu kiện chịu kéo được kiểm tra bền công thức:

trong đó: N – nội lực dọc do tải trọng tính toán;

An– diện tích thực, đã trừ đi các giảm yếu của tiết diện cấu kiện;

γc− hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện chịu kéo.

Trong trường hợp cho phép có biến dạng dẻo lớn, hoặc đối với thép cường độ cao không có vùng chảy thì có thể tính theo giới hạn bền, nhưng có thêm hệ

số an toàn γu, lấy bằng 1,3:

c n

f A

N ≤ γ

u

c t

n

f A

- Khi bulông bố trí song song (hình 3.5), tiết diện kiểm tra là tiết

diện 1-1: An= A- Al, trong đó Al=mtdllà diện tích giảm yếu do các

lỗ bulông gây ra, với m là số lượng lỗ trên 1 hàng bulông; chiều dầy cấu kiện mỏng nhất; dl- đường kính lỗ bulông.

t Khi bố trí bulông dạng so le thì diện tích giảm yếu lấy trị số lớn hơn trong hai trị số sau (hình 3.6,a):

Hình 3.5 Kiểm tra bền bản thép Hình 3.6 - Cách xác định diện tích thực

Giảm yếu do các lỗ xếp trên đường thẳng 1-5:

Tổng diện tích ngang của các lỗ nằm trên đường 1-2-3-4-5 trừ đi

lượng s2t/(4u) cho mỗi đoạn đường chéo giữa các lỗ;

3.3.2 Cấu kiện chịu uốn

a Tính cấu kiện chịu uốn trong giai đoạn đàn hồi

Độ bền của cấu kiện chịu uốn trong một mặt phẳng được kiểm tra bền theo TTGH thứ nhất bằng công thức

c n

f W

b Tính cấu kiện chịu uốn có biến dạng dẻo

Với giả thiết thép là đàn hồi dẻo lý tưởng, biểu đồ ứng suất ở giai đoạn khớp dẻo

sẽ có dạng hai hình chữ nhật, mà hoành

độ là σc.

Mgiới hạnứng với giai đoạn này là

S ydA

So sánh công thức này với công thức của giai đoạn đàn hồi M = σcW, thấy 2S đóng vai trò của W, nhưng ở giai

đoạn dẻo, ta gọi là mômen chống uốn dẻo Wd = 2S.

Mômen chống uốn dẻo Wd > W Đối với tiết diện chữ

nhật, Wd= 1,5W; tiết diện chữ I, Wd= 1,12W.

Công thức tính cấu kiện chịu uốn có xét biến dạng dẻo là:

Tác dụng đồng thời của và làm tăng sự biến dạng dẻo Sự chảy xuất hiện khi

đạt

c d

f W

2 2

σc

Biểu đồ ứng suất tương đương

2

td σ 3 τ 1 , 15 f γ

c Tính cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai

Cấu kiện chịu uốn phải được kiểm tra về biến dạng như sau: Biến dạng đàn hồi Δ gây bởi tải trọng tiêu chuẩn không được vượt quá độ võng giới hạn cho phép [Δ].

Δ ≤ [Δ]

3 Cấu kiện nén đúng tâm

a Tính về bền Tiến hành đối với những thanh ngắn, lthanh≤5 – 6 lần bề rộng tiết diện Trạng thái giới hạn là khi ứng suất đạt σc, nên tính toán cũng giống như thanh chịu kéo.

b Tính về ổn định

Thanh chịu nén ở vào trạng thái cân bằng ổn định khi N< Ntới hạn Khi N đạt tới Nth, thanh không còn thẳng nữa, bị uốn cong trong mặt phẳng

có độ cứng nhỏ nhất ở trạng thái cân bằng cong Sau đó, dù tải trọng chỉ tăng rất ít, thanh cũng bị cong rất nhanh và mất khả năng chịu lực.

Đối với thanh liên kết khớp hai đầu chịu nén đúng tâm, Nth xác định bằng công thức Ơle:

min 2 th

l

EI

Hình 3.12 Chiều dài tính toán thanh

Ứng suất tới hạn tương ứng:

2

2 2

min o

2 2

o min

2 th th

E i

l

E )

A l (

EI A

N

λ

π π

Công thức trên chỉ đúng khi E có giá trị không đổi, tức là

chỉ trong biến dạng đàn hồi, khi σ< σtl khi đó cấu kiện sẽ mất ổn định trước khi mất bền ngoài đàn hồi Từ đó rút

ra λmaxđể vẫn dùng được công thức Ơle

105 2000

2100000 E

tl

=

=

≥ π σ π λ

4 Cấu kiện chịu kéo lệch tâm và nén lệch tâm

Những cấu kiện này vừa chịu lực dọc trục vừa chịu mômen uốn Trong hầu hết mọi trường hợp, các cấu kiện chịu lực dọc đặt lệch tâm so với trục e=M/N.

a Tính cấu kiện kéo lệch tâm và cấu kiện ngắn nén lệch tâm

Tính theo độ bền:

Khi cấu kiện làm bằng thép ( σc≤5800 daN/cm2) và chỉ chịu tải trọng tĩnh thì trạng thái giới hạn về độ bền có thể xét đến sự phát triển của biến hình dẻo Công thức tính toán có xét đến biến dạng dẻo theo tiêu chuẩn là:

Hệ số c tùy thuộc dạng tiết diện, cho trong tiêu chuẩn thiết kế KCT.

c n n

f W

M A

1 f cW

M f

A

N

c n

2 / 3

c n

≤ +

b Tính về ổn định của thanh nén lệch tâm (nén – uốn)

Ngay lúc mới đặt tải trọng, thanh đã bị cong do M = N.e.

không tuyến tính với N, do M

= N(e + f) gây nên Thanh sẽ

phải tính theo sơ đồ biến dạng và có thể lập được đường cong quan hệ giữa N

Ứng suất tới hạn phụ thuộc vào:

− Độ mảnh λ Để tiện tính toán cho nhiều loại thép khác nhau, .

− Độ lệch tâm e của lực dọc Trong tính toán, dùng độ

lệch tâm tương đối m=e/ ρ (ρ là bán kính lõi của tiết diện, ρ=W/Avới W là mômen chống uốn đối với thớ bị nén

nhiều nhất của tiết diện) Ứng suất biên được biểu diễn

đơn giản qua m

e th

eA 1 A

N W

M A

σ

− Hình dạng của tiết diện Độ lệch tâm tương đối tính

đổi me=η.m (η: hệ số hình dạng tiết diện xét đến mức

độ tiết diện bị giảm yếu bởi biến hình dẻo).

Tiết diện chữ I, chỉ cần vùng dẻo ăn sâu một ít vào tiết diện đã chuyển một phần diện tích đáng kể sang dẻo, lúc đó, lấy η> 1

Tiết diện chữ I, khi uốn song song với bản cánh thì chỉ một phần nhỏ diện tích chuyển sang dẻo, nên η < 1 σc

Với tiết diện chữ nhật thì η= 1 Trị số η cho trong bảng II.4 phụ lục II.

Để tiện tính toán, qui phạm dùng hệ số , hệ

số giảm cường độ tính toán khi nén lệch tâm, nén uốn.

f /

e th

e σ

ϕ =

f

N hay f A

N

e e

e th

Hệ số ϕephụ thuộc và độ lệch tâm tương đối tính đổi

međược cho trong bảng II.2 phụ lục II.

Kiểm tra ổn định thanh trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng uốn:

λ

c y

) A C (

C – hệ số <1, phụ thuộc hình dạng tiết diện, λyvà

độ lệch tâm tương đối tính đổi m1

CHƯƠNG 4 LIÊN KẾT

thép hình thép tấm

Trong xây dựng kết cấu thép dùng hai phương pháp liên kết chính là liênkết hàn và liên kết bulông Liên kết đinh tán (trước đây khá phổ biến)nay gần như không còn sử dụng nữa, thay bằng liên kết bulông cường

độ cao trong các kết cấu chịu tải trọng nặng và tải trọng động

Liên kết trong kết cấu thép thay đổi theo yêu cầu phát triển của xâydựng kết cấu thép (hình 4.1)

Ngày nay liên kết hàn được sử dụng chính trong kết cấu thép.

Hơn 90% kết cấu thép sử dụng liên kết hàn trong việc chế tạo, trong dựng lắp thì mức độ sử dụng khoảng trên 60%.

Việc ứng dụng liên kết hàn với những ưu điểm nổi bật về công nghệ và một số những hạn chế mà cần phải tính toán khi thiết kế liên kết hàn Cần quan tâm tới ứng suất tập trung, nguyên nhân dẫn tới mối hàn bị khuyết tật (undercut, mối hàn không thấu, bị

rỗ, mối hàn bị xỉ); mối hàn không đồng nhất; ứng suất hàn có thể làm thay đổi hình dạng kết cấu, biến dạng hàn Việc tính các yếu tố (đặc biệt là theo các tổ hợp nguy hiểm) có thể ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng làm việc của kết cấu hàn trong điều kiện tải trọng động và có chu kỳ, là nguyên nhân gây phá hủy giòn và mỏi của kết cấu.

ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI LIÊN KẾT

a Liên kết hàn:

Ưu: - tiết kiệm từ 15÷20% trọng lượng thép do tiết diện cấu kiện không bị khoét lỗ;

- kín, liên tục;

- khả năng tự động hóa cao, ít tốn công chế tạo.

Nhược: - khó kiểm tra chất lượng;

- chịu tải trọng nặng và tải trọng động kém, thường sinh ra ứng suất phụ → biến hình hàn, thép giòn.

c Liên kết đinh tán:

Ưu: - chất lượng liên kết đảm bảo, dễ kiểm tra;

- chịu được tải trọng nặng và chấn động;

Nhược: - tốn vật liệu;

- tiết diện thép cơ bản bị giảm yếu;

- chế tạo và thi công phức tạp.

4.2 LIÊN KẾT HÀN 4.2.1 Phân loại phương pháp hàn

Trong kết cấu thép dùng phương pháp hàn:

- hàn hồ quang điện bằng tay

- hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động

Hình 4.2 Hàn hồ quang điện bằng tay:

1- Thép cơ bản; 2 – vũng hàn; 3 - ; 4 –hồ quang

; 5- ngấu hàn; 6- kim loại nóng chảy; 7 –xỉ đặc

; 8- xỉ lỏng; 9- Vỏ bọc thuốc hàn; 10- lõi que hàn; 11- tay cầm; 12- ; 13- nguồn điện; 14 – khí bảo vệ

Vậy bản chất của đường hàn là

sự liên kết giữa các phân tử của

các kim loại bị nóng chảy Đường

hàn có thể chịu lực tương đương

10 9

11 12 13 A

A

b Que hàn

Hàn hồ quang điện bằng tay dùng que hàn lõi kim loại có

thuốc bọc (thuốc hàn, 80% là CaCO3) Đường kính lõi kim

loại của que hàn từ 1,6 ÷6mm, chiều dài que hàn 200÷450mm Lớp thuốc bọc dày 1÷1,5mm có các tác dụng sau:

- Khi cháy tạo nên lớp xỉ cách ly không khí xung quanh với kim loại lỏng, ngăn cản oxy và nitơ lọt vào kim loại làm đường hàn trở nên giòn;

- Tăng cường sự ion hóa không khí xung quanh làm hồ quang được ổn định;

- Trong thuốc hàn còn có bột của một số hợp kim làm tăng

độ bền của đường hàn.

Hình 4.3 Chi tiết que hàn:

1- lõi que hàn; 2- vỏ thuốc bọc

Mác thép

Loại que hàn có thuốc bọc

TCVN 3223 : 2000 CCT34;CCT38; CCT42; CCT52 N42; N46

Hình 4.4 Sơ đồ hàn tự động dưới lớp thuốc:

а – Sơ đồ; b – Quá trình hàn trong vùng hồ quang;1 – phễu chứa thuốc hàn; 2 – thuốc hàn; 3 – dây hàn; 4 – con lăn áp lực dẫn hướng; 5 – hồ quang; 6 – giá đỡ; 7 – cấu kiện hàn; 8 – xỉ lỏng; 9 – xỉ đặc; 10 – vũng hàn; 11

– khoang khí bảo vệ; 12 – mối hàn hoàn thiện

hướng hàn

hàn

hướng hàn hàn

Hình 4.4 Sơ đồ hàn tự động dưới lớp thuốc:

а – Sơ đồ; b – Quá trình hàn trong vùng hồ quang;1 – phễu chứa thuốc hàn; 2 – thuốc hàn; 3 – dây hàn; 4 – con lăn áp lực dẫn hướng; 5 – hồ quang; 6 – giá đỡ; 7 – cấu kiện hàn; 8 – xỉ lỏng; 9 – xỉ đặc; 10 – vũng hàn; 11 – khoang khí bảo vệ; 12 – mối hàn hoàn

thiện

hướng hàn

hàn

hướng hàn hàn

Ưu điểm:

- Tốc độ hàn nhanh (5÷10lần hàn tay)

- Rãnh chảy sâu nên chất lượng đường

hàn tốt

- Kim loại lỏng được phủ lớp thuốc dày

nên nguội dần, tạo điều kiện cho bọt

khí thoát ra làm đường hàn đặc hơn

- Hồ quang cháy chìm dưới lớp thuốc

nên không hại sức khỏe thợ hàn

Nhược điểm:

- Chỉ hàn được các đường hàn nằm thẳng hoặc tròn, không dùng được cho các đường hàn đứng và ngược hoặc ở vị trí chật hẹp, trên cao

Trong các trường hợp đó dùng phương pháp hàn nửa tự động:

máy hàn được di chuyển bằng tay

3 Hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ

Cuộn dây hàn trần được nhả tự động qua thiết bị hàn dạng khẩu súng Khí dẫn từ bình phun ra đồng thời khi hàn sẽ bảo vệ kim loại lỏng. bảo vệ: a- điện cực nóng chảy; b- điện Hình 4.6 Hàn hồ quang điện trong khí

cực không nóng chảy

Đối với thép thông thường dùng cacbonic, hoặc hỗn hợp với khí trơ Phương pháp này cho hồ quang ổn định, vùng chảy sâu, rộng, tốc độ hàn nhanh.

Các dây hàn dùng theo qui định riêng.

Có hai loại khí được dùng: nếu là khí trơ như argon,

helium thì phương pháp hàn này gọi tên là MIG (metal

inert gas) nếu dùng khí cacbonic thì gọi là MAG (metal active gas).

lửa có nhiệt độ cao, vùng cao nhất tới 3200oC làm nóng chảy kim

loại cần hàn và thanh kim loại phụ (thay que hàn để lấp đầy rãnh hàn) Khi kim loại lỏng nguội đi tạo thành đường hàn (còn ngọn

lửa giữa oxy và các chất khí cháy khác chỉ có nhiệt độ từ

2000-2200oC).

Hàn khí được sử dụng rộng rãi vì thiết bị hàn rẻ tiền, có thể hàn được nhiều loại kim loại và hợp kim, năng suất thấp, vật hàn bị nung nóng nhiều nên dễ cong vênh Ngọn lửa khi hàn cũng có thể dùng để cắt các loại thép mỏng, các kim loại màu và nhiều vật liệu khác.

4.2.2 Phân loại và cấu tạo mối hàn

Đường hàn là thành phần của liên kết hàn, là kết quả sự kết tinh kim loạihàn, nó sẽ xác định hình dáng, mật độ, độ bền và tính chất kim loại tại vịtrí hàn Đường hàn phân loại ra hàn đối đầu và hàn góc

a.Đường hàn đối đầu liên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm trong một

mặt phẳng, nằm ở khe hở nhỏ giữa hai cấu kiện cần hàn đặt đối đầunhau Khe hở này còn có tác dụng để các chi tiết hàn biến dạng tự do khihàn, tránh cong vênh Đường hàn đối đầu có thể thẳng góc hoặc xiêngóc với trục của cấu kiện (hình 4.7)

Liên kết đối đầu thường dùng để nối các bản thép, ít dùng để liên kếtcác thép hình vì khó gia công mép cấu kiện Ưu điểm là truyền lực tốt,cấu tạo đơn giản và không tốn thép để làm các chi tiết nối phụ, nhượcđiểm của liên kết hàn đối đầu là phải gia công mép các bản thép

Thực tế sử dụng đường hàn đối đầu cho thấy với góc nghiêng a=60 0là

đủ khả năng chịu lực của liên kết Mối hàn đối đầu khi làm việc chịu nénchỉ cần bố trí thẳng góc, không cần thiết yêu cầu kiểm tra bằng phươngpháp vật lý, ứng suất nén làm hạn chế sự phá hoại, khuyết tật nếu cótrong mối hàn sẽ trở nên ít nguy hiểm hơn Trong trường hợp này chỉcần kiểm tra bề mặt