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

1KẾT CẤU THÉP
 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
2KẾT CẤU THÉP
Chương 1
VẬT LIỆU & SỰ LÀM VIỆC 
CỦA KCT
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
NỘI DUNG
3
Biểu đồ kéo thép – quan hệ -
I. VẬT LIỆU THÉP
4
1. Định nghĩa
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