Bài giảng Kết cấu thép 1 - Chương 1: Vật liệu và sự làm việc của kết cấu thép

Nội dung text: Bài giảng Kết cấu thép 1 - Chương 1: Vật liệu và sự làm việc của kết cấu thép

1. CHÖÔNG 1: VAÂT LIEÄU THEÙP TRONG XD CHÖÔNG 1:VAÄT LIEÄU VAØ SÖÏ LAØM 1.1. Sô löôïc quaù trình saûn xuaát VIEÄC CUÛA KEÁT CAÁU THEÙP gang vaø theùp  1.1. Sô löôïc quaù trình saûn xuaát gang vaø theùp Theùp vaø gang : ñeàu laø hôïp chaát cuûa Fe vaø C , coøn caùc chaát khaùc coù tæ leä khoâng ñaùng keå : O,  1.2. Phaân loaïi theùp duøng trong xaây döïng. Caáu truùc vaø thaønh phaàn hoùa hoïc cuûa theùp P, Si ,. . .   1.3. Qui caùch theùp duøng trong xaây döïng Quaù trình luyeän gang vaø theùp :  Quaëng saét ( Fe O , Fe O ) luyeän trong loø cao  1.4. Söï laøm vieäc cuûa theùp khi chòu taûi troïng 2 3 3 4 Gang (hôïp kim Fe , C vôùi löôïng C treân 1,7%)  1.5. Caùc hieän töôïng phaù hoaïi gioøn cuûa theùp Qua loø luyeän theùp ñeå khöû bôùt C Theùp .  1.6. Tính toaùn KCT theo traïng thaùi giôùi haïn  Nhö vaäy theùp vaø gang ñöôïc phaân bieät döïa vaøo haøm löôïng C :  C > 1,7% Gang  C < 1,7% Theùp 1.2.1.Phaân loaïi theùp trong XD  Theo phöông phaùp luyeän theùp caùc lôùp nguyeân lieäu  Theùp loø quay oáng caáp gioù  Theùp loø baèng vaønh cöùng thaân loø  Theo phöông phaùp ñuùc khuoân oáng thoâng nhau  Theùp tónh  Theùp nöûa tónh coät ñôõ loø  Theùp soâi  Theo thaønh phaàn hoùa hoïc loã ra gang  Theùp than thaáp (C<0.22%): duøng chuû yeáu trong XD loã ra xæ  Theùp cacbon vöøa vaø cao Hình 1.1 : Sô ñoà luyeän gang baèng loø cao Hình 1.2 : Bình thoâng nhau  Theùp hôïp kim thaáp (Al,Cu, Zn, Ni,Cr,Mn,Si <2.5%): duøng chuû yeáu trong XD  Theùp cöôøng ñoä cao
2. CHÖÔNG 1: VAÂT LIEÄU THEÙP TRONG XD 1.2.2. Caáu truùc vaø thaønh phaàn 1.3: Quy caùch theùp duøng trong XD x0 d hoùa hoïc cuûa theùp y d u y y x  Caáu truùc 0 0 B  Ferit : chieám 97% theå tích , laø saét nguyeân chaát , maøu saùng xb x x z y , coù tính meàm vaø deûo 0 0 b b x0 y  Maøng xementit bao quang haït Ferit : laø hôïp chaát Fe3C , y 0 y cöùng vaø doøn . Hình 1.3.a : theùp goùc ñeàu caïnh Hình 1.3.b : theùp goùc khoâng ñeàu caïnh  Thaønh phaàn hoùa hoïc y y z0 t  Saét d d  Caùc bon x x x h h  Mn d  Silic y y  Ñoàng b b D  Moät soá nguyeân toá khaùc : N, P, S, Ni, Cr Hình 1.3.c : theùp chöõ I Hình 1.3.d : theùp chöõ C Hình 1.3.e : theùp oáng 6 Theùp hình  Theùp OÁng  Theùp goùc  Tieát dieän ñoái xöùng, vaät lieäu naèm xa truïc trung hoøa, chòu  Laø loaïi theùp caùn noùng. Coù 2 loaïi : ñeàu caïnh vaø khoâng löïc vaø oån ñònh toát ñeàu caïnh. Kí hieäu L50x4 ; L160x125x8  PVSD : laøm thanh daøn, ñaëc bieät laø daøn khoâng gian, keát  Coù 2 meùp song song, daøi töø 4-12m caáu coät thaùp cao.  PVSD : thanh daøn, TD gheùp laøm daàm, coät, coät ñieän Ngoaøi ra coøn coù theùp hoäp, theùp ray,Theùp vuoâng ñaëc  Theùp chöõ I Theùp baûn:  Kí hieäu I 40 (cao 40cm), I 40a (cao 40cm, caùnh roäng vaø daøy hôn I 40), daøi 4-12m  Goàm 3 loaïi :    Coù ñoä cöùng theo phöông x raát lôùn so vôùi phöông y Theùp taám phoå thoâng =4-60mm  Theùp taám daøy =4-160mm, coù beà roäng lôùn laøm keát caáu  PVSD: laøm keát caáu chòu uoán phaúng nhö daàm, hoaëc coät baûn  Theùp chöû C  Theùp taám moûng =0.2-4mm.  Kí hieäu C30 (cao 30cm), daøi 4-12m.  PVSD: laøm baûn saøn, keát caáu chòu löïc daïng toå hôïp.  Maët buïng phaúng, caùnh vöôn roäng neân. Coù söï oån ñònh theo phöông y khaù toát.  Ngoaøi ra coøn coù theùp baûn vaân duøng laøm saøn NCN,  PVSD: daàm uoán xieân nhö xaø goà, TD gheùp laøm coät, taám baäc thang. Theùp taám löôïn soùng laøm taám lôïp . thanh daøn caàu 7 8
3. CHÖÔNG 1: VAÂT LIEÄU THEÙP TRONG XD Theùp hình daäp nguoäi & theùp phoå thoâng 1.4: Söï laøm vieäc cuûa theùp khi chòu taûi  Theùp hình daäp nguoäi  Caùc taám theùp moûng =2-16mm mang daäp nguoäi maø 1.4.1 : Söï laøm vieäc cuûa theùp khi chòu keùo thaønh theùp goùc, theùp C, theùp Z, tieát dieän hoäp .  PVSD ; vaønh moûng nheï nhaøng neân duøng cho KC chòu f löïc nheï nhöng yeâu caàu ñoä oån ñònh lôùn E  Theùp phoå thoâng 40 fu 38  Coù ñöôøng kính töø 6-80mm. fy 24 CD  Coù 2 loaïi : trôn vaø coù gaân f 21 l tl B  PVSD: thanh caêng cuûa voøm, bu loâng neo, bu loâng l chòu löïc. Thöôøng duøng trong keát caáu beâ toâng coát theùp. l+ 0 4 16 22 %  0 l Hình 1. Bieåu ñoà quan heä giöõa öùng suaát vaø bieán daïng 9 10 Caùc ñaëc tröng cô hoïc cuûa theùp khi keùo 2 1.4.2 : Söï laøm vieäc cuûa theùp khi chòu neùn  Giôùi haïn tæ leä (B) : ftl = 2000 (daN/cm )=200 (MPa) 2 2  Caùc ÑT cô hoïc tính toaùn trong giai ñoaïn laøm vieäc  Giôùi haïn chaûy (C) : fy = 2400 (daN/cm )=240 (N/mm )  Ñaây laø giôùi haïn raát quan troïng ñeå ñaùnh giaù KNCL cuûa ñaøn hoài vaø ñaøn hoài deûo gioáng söï laøm vieäc chòu theùp, khi tính trong gñ ñaøn hoài : f > fy : theùp khoâng laøm keùo : cuøng E , ftl , fy , fu vieäc ñöôïc, vôùi E = const  Thí nghieäm vôùi Maãu ngaén (daïng khoái) : Quan heä  Giôùi haïn beàn ÖS – BD gioáng maãu chòu keùo  Laø giôùi haïn cuoái cuøng tröôùc khi theùp bò phaù hoaïi  Thí nghieäm vôùi Maãu daøi (daïng thanh ): Thanh seõ  Vôùi theùp CT3 f = 380 (MPa) : cho VL moät ñoä döï tröõ u bò phaù hoaïi do hieän töôïng maát oån ñònh. an toaøn cao veà cöôøng ñoä giöõa TT laøm vieäc vaø TT phaù 2 hoaïi. EImin  Löïc tôùi haïn theo Euler: Pth 2  Bieán daïng khi ñöùt 0 : l  Ñaëc tröng cho ñoä deûo vaø ñoä dai cuûa theùp  Ñieàu kieän oån ñònh: P < P hay f < f = . f  BD khi laøm vieäc ñaøn hoài: y = 0,2%; BD khi ñöùt: u=22% th th nghóa laø cho VL moät löôïng döï tröõ an toaøn cao veà BD N  Moâñun ñaøn hoài E : neân : f (neùn ñuùng taâm) 5 2 A  E = tg . Trong Gñ ñaøn hoài ; E = 2,1 . 10 (N/mm ) 11 12
4. CHÖÔNG 1: VAÂT LIEÄU THEÙP TRONG XD  Khi löïc P nhoû, boû taùc duïng löïc 1.4.3: Söï laøm vieäc cuûa theùp khi chòu uoán ngang: trôû veà vò trí cuõ oån ñònh  Tính caáu kieän trong giai ñoaïn ñaøn hoài  Taêng P: thanh khoâng trôû veà vò trí cuõ M VS. thanh maát oån ñònh. f f . c  f .  c  Taïi vò trí thanh baét ñaàu maát oån ñònh Wn I. t seõ öùng vôùi löïc Pth  Tính caáu kieän khi coù bieán daïng deûo  Tieát dieän chöõ nhaät : Wd =1.5W  Tieát dieän chöõ I : Wd =1.15W  Tieát dieän chöõ C : Wd =1.2W  Tieát dieän troøn ñaëc : Wd = 1.3W  Chæ tính caáu kieän trong giai ñoaïn deûo khi caáu kieän ñaït ñöôïc ñoàng thôøi 3 ñieàu kieän sau:  Daàm ñaûm baûo ñieàu kieän oån ñònh toång theå. Theùp caùn noùng vaø TD ñoái xöùng  Daàm chæ chòu taûi troïng tónh  Taïi choã coù Mmax , öùng suaát tieáp :  <= 0.4f 13 14  Khi löïc P nhoû, taêng daàn P ñeán moät luùc naøo ñoù, öùng suaát thôù 1.5: Söï phaù hoaïi gioøn cuûa theùp bieân ñaït tôùi giôùi haïn chaûy, caùc thôù beân trong TD ñeàu nhoû hôn giôùi haïn chaûy (TD laøm vieäc trong giai ñoaïn ñaøn hoài) Söï phaù hoaïi cuûa KCT coù theå xaûy ra döôùi 2 HT:  Phaù hoaïi deûo: khoâng ñoät ngoät vaø nguy hieåm  Tieáp tuïc taêng P, fy lan daàn vaøo caùc thôù trong vaø daàn daàn bieåu ñoà öùng suaát coù daïng chöõ nhaät toaøn boä TD laøm vieäc  Phaù hoaïi doøn: khoâng baùo tröôùc vaø nguy hieåm trong Gñ chaûy (Traïng thaùi II). Ñaây laø giôùi haïn cuoái cuøng cuûa Coù 5 hieän töôïng phaù hoaïi doøn cuûa theùp theùp. Neáu tieáp tuïc taêng P thì taïi tieát dieän Mmax seõ hình thaønh  HT cöùng nguoäi: khôùp deûo vaø daàm töø töø bò guïc xuoáng  Laø HT theùp trôû neân cöùng sau khi bò bieán daïng deûo ôû P nhieät ñoä thöôøng fy fy fy  Keùo maãu theùp quaù giai ñoaïn chaûy thì theàm chaûy cuûa L theùp khoâng coøn, theùp haàu nhö laøm vieäc trong GÑ deûo vôùi BD phaù hoaïi nhoû. Khi ñoù laøm taêng cöôøng ñoä chòu löïc fy nhöng  < y . Mmax  Söï cöùng nguoäi laøm taêng cöôøng ñoä theùp nhöng laøm theùp doøn. f fy fy y khôùp deûo  Nguyeân nhaân : khi gia coâng nguoäi caùc caáu kieän uoán, traïng thaùi I traïng thaùi II caét, ñoät loã Hình 1.5 : Söï laøm cuûa vieäc theùp khi chòu uoán 15 16
5. CHÖÔNG 1: VAÂT LIEÄU THEÙP TRONG XD  HT laõo hoaù HT Ös phaân boá khoâng ñeàu  Laø HT theùp trôû neân giaø theo thôøi gian  Khi trong caáu kieän coù loã khuyeát, raõnh caét thì caùc ñöôøng  Keùo maãu theùp ñeå sau vaøi chuïc naêm: fy vaø fu taêng; ñoä giaõn söùc (quó ñaïo caùc öùng suaát chính) coù daïng taäp trung vaø daøi vaø ñoä dai xung kích giaûm, theùp trôû neân gioøn hôn, tính uoán quanh choã caét. Chöùng toû öùng suaát choã ñoù taêng cao deûo maát daàn vaø taïi ñoù toàn taïi öùng suaát theo hai phöông laøm theùp trôû  Nguyeân nhaân: khi luyeän theùp, moät soá taïp chaát coøn laãn neân doøn. Ñoù laø hieän töôïng öùng suaát phaân boá khoâng ñeàu trong haït ferit, qua thôøi gian chuùng ra khoûi haït ferit vaø laøm  Hieän töôïng öùng suaát taäp trung khoâng ñeàu chæ nguy hieåm daøy maøng pectit laøm taêng cöôøng ñoä chòu löïc khi keát caáu chòu taûi troïng ñoäng löïc. Caàn traùnh baèng  Khoâng neân lôïi duïng HT giaø cuûa theùp ñeå taêng cöôøng ñoä caùch giaûm khoeùt loã, raõnh caét , maët ngoaøi caáu kieän nhaün maãu keùo sau vaøi chuïc naêm Nhieät ñoä coù aûnh höôûng raát lôùn ñeán tính chaát cô    hoïc cuûa theùp c 0 c  ÔÛ t = 200 – 250 C : tính chaát cô hoïc thay ñoåi ít c 0 maãu keùo sau khi ra loø  ÔÛ t = 300 - 350 C: theùp doøn, chòu löïc xung kích keùm 0  ÔÛ t = 350 – 650 C : tính doøn maát ñi, cöôøng ñoä haï xuoáng 0    ÔÛ t > 650 C: chaûy deûo, khoâng coøn chòu löïc ñöôïc.   bñ 0  ÔÛ t < -45 C : raát doøn, phaûi duøng theùp ñaëc bieät chòu nhieät Hình 1.6 : Hieän töôïng cöùng nguoäi Hình 1.7 : Hieän töôïng giaø cuûa theùp ñoä thaáp 17 18 Theùp laøm vieäc chòu taûi troïng laëp 1.6: PP tính toaùn KC theùp theo TTGH  Taûi troïng laëp laø taûi troïng coù chieàu hay trò soá taùc duïng  TTGH : laø TT maø taïi ñoù KC thoâi khoâng thoûa maõn ñaët ra ñoái thay ñoåi laëp ñi laëp laïi nhieàu laàn vôùi CT khi söû duïng vaø xaây laép.  Khi chiuï taûi troïng laëp, keát caáu theùp giaûm cöôøng ñoä, coù  Muïc ñích: ñaûm baûo cho KC laøm vieäc bình thöôøng khoâng theå bò phaù hoaïi ôû cöôøng ñoä nhoû hôn giôùi haïn beàn ñoù vöôït quaù TTGH duø coù xaûy ra ÑK baát lôïi nhaát nhö taûi troïng laø hieän töôïng moûi cuûa theùp. vöôït quaù TT cho pheùp, ÑTcô hoïc VL keùm nhaát nhöng vaãn  Söï moûi laøm theùp bò phaù hoaïi doøn, thöôøng ñoät ngoät vaø ñaûm baûo tieát kieäm VL nhaát. TCVN 338 coù 3 nhoùm TTGH: keøm theo veát nöùt.  Nhoùm TTGH 1  Öùng suaát phaù hoaïi moûi goïi laø cöôøng ñoä rung ñoäng :  rñ  Goàøm caùc TT: Phaù hoaïi beàn, maát oån ñònh, maát caân baèng  Khi tính toaùn keát caáu theùp chòu chaán ñoäng phaûi tính vôùi vò trí, KC bò bieán ñoåi hình daùng.  (tra baûng) vaø phuï thuoäc vaøo: rñ  Ñieàu kieän giôùi haïn tính toaùn : N <S  Tính chaát thay ñoåi cuûa taûi troïng : chu kyø ñoái xöùng deã gaây cho  Nhoùm TTGH 2 theùp bò moûi nhaát  Goàm caùc TT ; bò voõng , rung , luùn  Soá chu kyø laëp : vôùi theùp CT3, cöôøng ñoä oån ñònh vôùi soá laàn laëp leân ñeán 2x106 laàn  Ñieàu kieän giôùi haïn tính toaùn : < gh  Traïng thaùi maët ngoaøi cuûa caáu kieän : maët ngoaøi caøng nhaün thi rñ  Nhoùm TTGH 3 caøng cao.  Söï hình thaønh vaø phaùt trieån khe nöùt. KCT khoâng tính theo TTGH naøy 19 20
6. CHÖÔNG 1: VAÂT LIEÄU THEÙP TRONG XD Cöôøng ñoä tieâu chuaån vaø cöôøng ñoä tính toaùn  Taûi troïng gioù : gioù tónh vaø gioù ñoäng  Cöôøng ñoä tieâu chuaån : kí hieäu laø fy  Taûi troïng ñaëc bieät : ñoäng ñaát, noå , suït lôõ  Ñöôïc qui ñònh trong caùc qui phaïm thieát keá  TT tieâu chuaån vaø TT tính toaùn:  Xaùc ñònh do xöû lyù thoáng keâ caùc chæ tieâu cô hoïc töø thöïc  TT tieâu chuaån: laø TT laáy theo caùc giaù trò treân nghieäm  TT tính toaùn= TT tieâu chuaån x heä soá ñoä tin caäy veà taûi  Cöôøng ñoä tính toaùn: kí hieäu laø f troïng q  Coâng thöùc xaùc ñònh: f= fy/m (m -heä soá ñoä tin caäy veà taûi troïng) vaø phuï thuoäc traïng thaùi: keùo, caét, eùp maët;  Khi tính KC theo TTGH 1 duøng TT tính toaùn.  Ñoái vôùi theùp CT3 : fy=240 (MPa); f= 210 (MPa);  Khi tính KC theo TTGH 2 duøng TT tieâu chuaån  f vaø fy cuûa theùp caùc bon thaáp vaø theùp hôïp kim tham khaûo  Toå hôïp TT vaø NL: baûng 5,6  Muïc ñích : tìm ra NL nguy hieåm gaây baát lôïi cho KC nhaát Taûi troïng vaø taùc ñoäng  Ng taéc toå hôïp TT: tónh taûi luoân luoân coù, hoaït taûi luùc coù luùc Laáy theo TCVN 2737-1995 . goàm caùc loaïi: khoâng, chæ keå vaøo khi noù gaây theâm nguy hieåm cho KC  TT thöôøng xuyeân (tónh taûi): laø TT khoâng bieán ñoåi giaù trò, ñang xeùt. phöông chieàu, vò trí taùc duïng trong quaù trình söû duïng.  Coù 2 toå hôïp CB. THCB1: tónh taûi + moät hoaït taûi; THCB2 :  TT khoâng thöôøng xuyeân (hoaït taûi): tra baûng phuï thuoäc tónh taûi + nhieàu hoaït taûi (giaù trò HT x vôùi heä soá 0.9) vaøo loaïi coâng trình, coâng naêng söû duïng 21 22  Khi tính toaùn KC theo TTGH phaûi söû duïng caùc heä soá sau:  HÖ sè ®é tin cËy vÒ c­êng ®é M (xem ®iÒu 4.1.4 vµ 4.2.2);  HÖ sè ®é tin cËy vÒ t¶i träng Q ( xem ®iÒu 3.2.2); B¶ng 5 C­êng ®é tiªu chuÈn fy , fu vµ c­êng ®é tÝnh to¸n f cña thÐp c¸c bon (Ьn vÞ tÝnh : N/mm2)  HÖ sè ®iÒu kiÖn lµm viÖc C (xem ®iÒu 3.4.1 vµ 3.4.2); (Trich TCVN 5709 : 1993)  Bieán daïng cuûa caùc CK chòu uoán khoâng ñöôïc vöôït quaù caùc giaù trò cho trong baûng 1 cuûa [1] C­êng ®é tiªu chuÈn fy vµ c­êng ®é tÝnh to¸n f cña thÐp víi ®é dµy t (mm) C­êng ®é kÐo ®øt  Ñoái vôùi theùp caùn noùng, theùp oáng cöôøng ñoä tieâu chuaån vaø tính toaùn cuûa tiªu chuÈn fu M¸c thÐp t 20 20 < t 40 40 < t 100 kh«ng phô thuéc bÒ dµy caùc Traïng thaùi öùng suaát khaùc nhau laáy theo baûng 4 cuûa [1] vaø M =0.5 vaø t (mm) f f f f f f cho moïi maùc theùp. y y y CCT34 220 210 210 200 200 190 340  Ñoái vôùi caùc loaïi theùp khoâng neâu trong TC338 hoaëc theùp nöôùc ngoaøi, CCT38 240 230 230 220 220 210 380 CCT42 260 245 250 240 240 230 420 cöôøng ñoä tieâu chuaån vaø tính toaùn cuûa theùp laáy theo baûng 4 cuûa [1] vaø M =1 vaø cho moïi maùc theùp.  Caùc VL nhö daây caùp phaûi söû duïng TC rieâng B¶ng 6 - C­êng ®é tiªu chuÈn fy , fu vµ c­êng ®é tÝnh to¸n f cña thÐp hîp kim thÊp (Ьn vÞ tÝnh : N/mm2) Baûng 4: Cñ tieâu chuaån vaø tính toaùn cuûa theùp caùn vaø theùp oáng §é dµy, mm t 20 20 < t 30 30 < t 60 M¸c thÐp Tr¹ng th¸i lµm viÖc Ký hiÖu C­êng ®é tÝnh to¸n fu fy f fu fy f fu fy f 09Mn2 450 310 295 450 300 285 ––– KÐo, nÐn, uèn f f = fy /M 14Mn2 460 340 325 460 330 315 ––– 16MnSi 490 320 305 480 300 285 470 290 275 Tr­ît fv fv = 0,58 fy /M 09Mn2Si 480 330 315 470 310 295 460 290 275 10Mn2Si1 510 360 345 500 350 335 480 340 325 Ðp mÆt lªn ®Çu mót (khi t× s¸t) fc fc = fu /M 10CrSiNiCu 540 400 * 360 540 400 * 360 520 400 * 360 Ðp mÆt trong khíp trô khi tiÕp xóc chÆt fcc fcc = 0,5 fu /M Ghi chó: * HÖ sè M ®èi víi tr­êng hîp nµy lµ 1,1; bÒ dµy tèi ®a lµ 40 mm. Ðp mÆt theo ®­êng kÝnh cña con l¨n fcd fcd = 0,025 fu /M 23