Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Tìm hiểu về kết cấu thép p1

Kết cấu thép là như thế nào? Kết cấu thép có những ưu điểm nào? Vì sao kết cấu khung thép được sử dụng nhiều trong xây dựng hiện đại? Chúng ta cùng tìm hiểu kết cấu thép trong xây dựng qua loạt bài viết dưới đây.

Tổng quan về kết cấu thép

Ưu điểm – khuyết điểm và phạm vi sử dụng của kết cấu thép

Ưu điểm của kết cấu thép

Kết cấu thép có những ưu điểm cơ bản.

Xem thêm>>> Lịch sử của vật liệu thép

Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do cường độ của thép cao nên các kết cấu thép có thể chịu được những lực khá lớn với mặt cắt không cần lớn lắm vì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả.

Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn hồi lớn. Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết cơ bản của sức bền vật liệu đàn hồi. Ví dụ như tính đồng chất, đẳng hướng của vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng.

Kết cấu thép “nhẹ” nhất so với các kết cấu làm bằng vật liệu thông thường khác (bê tông, gạch đá, gỗ). Độ nhẹ của kết cấu được đánh giá bằng hệ số c = g/F. Là tỷ số giữa tỷ trọng g của vật liệu và cường độ F của nó. Hệ số c càng nhỏ thì vật liệu càng nhẹ.

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Trong khi bê tông cốt thép có c = 24.10-4 1/m, gỗ có c = 4,5.10-4 1/m. Thì hệ số c của thép chỉ là c = 3,7.10-4 1/m.

Kết cấu thép thích hợp với thi công lắp ghép và có khả năng cơ giới hoá cao trong chế tạo. Các cấu kiện thép dễ được sản xuất hàng loạt tại xưởng với độ chính xác cao. Các liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản, dễ thi công.

Kết cấu thép không thấm chất lỏng và chất khí do thép có độ đặc cao nên rất thích hợp để làm các kết cấu chứa đựng hoặc chuyển chở các chất lỏng, chất khí.

So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa và tăng cường cũng như cơi nới mở rộng.

Nhược điểm của kết cấu thép

Bên cạnh các ưu điểm chủ yếu kể trên, kết cấu thép cũng có một số nhược điểm.

Kết cấu thép dễ bị han gỉ, đòi hỏi phải có các biện pháp phòng chống và bảo dưỡng. Đặc biệt, yêu cầu chống gỉ cao đặt ra cho các kết cấu cầu làm việc trong môi trường có độ ẩm cao hay trong nước.

Thép chịu nhiệt kém. Ở nhiệt độ trên 4000C, biến dạng dẻo của thép sẽ phát triển dưới tác dụng của tĩnh tải (từ biến của thép). Vì thế, trong những môi trường có nhiệt độ cao, nếu không có những biện pháp đặc biệt để bảo vệ thì không được phép sử dụng kết cấu bằng thép.

Phạm vi sử dụng của kết cấu thép

Kết cấu thép được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp, xây dựng GTVT, các lĩnh vực khác…. Do những ưu điểm nói trên, kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực xây dựng. Tuy nhiên, kết cấu thép đặc biệt có ưu thế trong các kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ thanh mảnh cao, chịu tải trọng nặng và những kết cấu đòi hỏi tính không thấm.

Kết cấu thép trong xây dựng

Các tính chất cơ học chủ yếu của thép

Các thuộc tính cơ bản của thép là thể hiện ở cường độ chảy, cường độ chịu kéo đứt, độ dẻo, độ rắn và độ dai. Thí nghiệm với mẫu thép chịu kéo một phương, ta có đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng điển hình như hình sau.

Đường cong biến dạng điển hình của kết cấu thép

Đường cong biến dạng điển hình của kết cấu thép

Cường độ chảy (Fy) là trị số ứng suất mà tại đó xảy ra sự tăng biến dạng mà ứng suất không tăng.

Cường độ chịu kéo (Fu) là trị số ứng suất lớn nhất đạt được trong thí nghiệm kéo.

Độ dẻo là chỉ số của vật liệu phản ánh khả năng giữ được biến dạng quá đàn hồi mà không xảy ra phá hoại. Nó có thể được tính bằng tỷ số giữa độ giãn khi phá hoại và độ giãn ở điểm chảy đầu tiên.

Độ rắn là thuộc tính của vật liệu cho phép chống lại sự mài mòn bề mặt.

Độ dai là thuộc tính của vật liệu cho phép tiêu hao năng lượng mà không xảy ra phá hoại.

Quá trình luyện thép

Luyện thép là quá trình nung nóng chảy các nguyên liệu thành phần bao gồm quặng sắt, than cốc, đá vôi và các phụ gia hóa học khác, tạo ra sản phẩm chính là phôi thép.

Phôi thép hay thép bán thành phẩm là một hợp chất có thành phần chính là sắt và các nguyên tố hóa học khác như Al, Cu, Zn, Ni, Mn, Cr, Si, C, S, P, N,…

Phân loại thép

Theo thành phần hoá học của thép có 2 loại
Thép các bon:

Là thép có chứa C ≤ 1,7% và không chứa các nguyên tố kim loại khác. Tùy theo hàm lượng C, người ta lại chia thép các bon làm 3 loại

+ Thép các bon thấp (C ≤ 0,22%): là loại được sử dụng chủ yếu trong xây dựng, nên nó còn được gọi là thép xây dựng hay thép công trình

+ Thép các bon vừa (0,22% < C ≤ 0,6%): là loại được sử dụng chủ yếu trong chế tạo

máy

+ Thép các bon cao (0,6% < C ≤ 1,7%): là loại được sử dụng chủ yếu trong chế tạo dụng cụ.

Thép hợp kim:

Là thép có chứa thêm các nguyên tố hóa học khác như Al, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, Si,…nhằm nâng cao chất lượng của thép, như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ. Tùy theo hàm lượng của các nguyên tố kim loại thêm vào thép, người ta chia thép hợp kim làm 3 loại: Thép hợp kim thấp, vừa và cao. Trong đó, thép hợp kim thấp (hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào ≤ 2,5%) được sử dụng chủ yếu trong xây dựng.

Theo phương pháp luyện thép: 2 loại
  • Phương pháp luyện bằng lò quay: Bessmer, Thomas
  • Phương pháp luyện bằng lò bằng: Martin
Theo phương pháp để lắng thép:

Thép nóng chảy từ lò luyện được rót qua các khuôn và để nguội cho kết tinh lại. Tùy theo phương pháp để nguội (lắng), ta chia thép làm 3 loại

Thép sôi:

Khi thép nguội, do có nhiều bọt khí như O2, CO2, N2,… bốc ra (trông như sôi). Các bọt khí này tạo nên những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép. Thép sôi có chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại giòn, lão hóa.

Thép tĩnh:

khi thép nguội, người ta đã cho thêm vào một số phụ gia hóa học. Các phụ gia hóa học này sẽ tác dụng với các bọt khí, tạo lên các lớp xỉ nổi trên bề mặt. Do vậy cấu trúc của thép rất đồng nhất và đặc chắc. Thép tĩnh có chất lượng tốt và chịu lực động tốt hơn.

Thép nửa tĩnh:

Là thép trung gian giữa 2 loại thép trên, do các bọt khí không được khử hoàn toàn.

Ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến chất lượng của thép

Các nguyên tố hóa học trong thép có ảnh hưởng rất lớn tới các tính chất cơ lý của thép. Do vậy, trong quá trình luyện thép người ta luôn luôn cố gắng kiểm tra và điều chỉnh chính xác hàm lượng của chúng. Ảnh hưởng của chúng có thể được tóm tắt như sau:

C: làm tăng cường độ và độ cứng của thép, nhưng lại làm giảm tính dẻo, tính dai và tính hàn Cr, Cu: nâng cao cường độ và tính chống gỉ của thép.

Al, Si: khử ôxi trong thép nóng chảy, làm cho thép đồng nhất hơn Mn: Kiềm chế ảnh hưởng xấu của S

S: có hại, làm giảm tính dẻo, tính dai, tính hàn và chất lượng bề mặt của thép P: nói chung là có hại,…

 Các sản phẩm thương mại của thép

Phôi thép hoặc thép lỏng của quá trình luyện thép sẽ qua các khuôn đúc hoặc các máy đúc liên tục. Sau đó được tái gia công nhiệt hoặc tôi để tạo ra các sản phẩm thương mại bao gồm:

  • Thép bản (thép tấm)
  • Thép thanh (tròn, hình chữ nhật)
  • Thép ống (tròn, hình chữ nhật)
  • Thép chữ L (thép góc)
  • Thép chữ I
  • Thép chữ C (chữ U hoặc thép máng)
  • Thép chữ T,…

Gia công nhiệt thép

Để nâng cao các tính chất cơ lý của kết cấu thép, người ta thường sử dụng phương pháp gia công nhiệt. Có 2 loại gia công nhiệt

Gia công nhiệt làm nguội chậm:

Đây là phương pháp tôi bình thường đã được tiêu chuẩn hóa. Nó bao gồm việc nung nóng chảy thép đến nhiệt độ nhất định. Giữ nhiệt một thời gian thích hợp. Tiếp theo làm nguội chậm trong không khí. Phương pháp này làm tăng tính dẻo, tính dai, giảm độ cứng và khử ứng suất dư.

Gia công nhiệt làm nguội nhanh:

Được sử dụng chủ yếu cho thép cầu, quá trình còn được gọi là tôi nhúng. Nó bao gồm việc nung nóng thép đến khoảng 9000C, giữ nhiệt độ một thời gian, sau đó làm lạnh nhanh bằng cách nhúng vào một bể dầu hoặc nước. Sau khi nhúng thép được đốt nóng khoảng 5000C, giữ nhiệt độ, sau đó làm nguội chậm. Tôi và nhúng làm thay đổi vi cấu trúc của thép, làm phát triển cường độ, độ cứng và độ dẻo dai của thép.

Ứng suất dư thép

Ứng suất tồn tại trong các bộ phận kết cấu thép mà không do tác động của bất kỳ ngoại lực nào được gọi là ứng suất dư. Điều quan trọng là nhận biết sự có mặt của nó vì ứng suất dư ảnh hưởng đến cường độ của các cấu kiện chịu lực. Ứng suất dư có thể phát sinh trong quá trình gia công nhiệt, gia công cơ học hay quá trình luyện thép. Ứng suất dư do gia công nhiệt hình thành khi sự nguội xảy ra không đều. Ứng suất dư do gia công cơ học xảy ra do biến dạng dẻo không đều khi bị kích ép. Ứng suất dư do luyện kim sinh ra do sự thay đổi cấu trúc phân tử của thép.

Khi mặt cắt ngang được chế tạo bằng hàn ba chiều, ứng suất dư xuất hiện ở cả ba chiều. Sự đốt nóng và nguội đi làm thay đổi cấu trúc của kim loại và sự biến dạng thường bị cản trở, gây ra ứng suất dư kéo có thể đạt tới 400 MPa trong mối hàn.

Nhìn chung, các mép của tấm và thép bình thường chịu ứng suất dư nén, khi được cắt bằng nhiệt thì chịu ứng suất dư kéo. Các ứng suất này được cân bằng với ứng suất tương đương có dấu ngược lại ở vị trí khác trong cấu kiện. Hình 1.4 biểu diễn một cách định tính sự phân bố tổng thể ứng suất dư trong các thanh thép hàn và cán nóng. Chú ý rằng, các ứng suất trong hình này là ứng suất dọc thanh.

Sơ họa ứng suất dư trong các mặt cắt kết cấu thép cán và ghép trong xưởng.

Minh họa ứng suất dư trong các mặt cắt kết cấu thép cán và ghép trong xưởng.

(a) mặt cắt cán nóng, (b) mặt cắt hình hộp hàn, (c) bản cán mép, (d) bản cắt mép bằng lửa, (e) mặt cắt I tổ hợp hàn cắt mép bằng lửa

Một nguyên tắc cơ bản để xác định ứng suất dư là thớ nguội lạnh trước chịu ứng suất dư nén, thớ nguội lạnh sau chịu ứng suất dư kéo.

Phân loại kết cấu thép

Các thuộc tính cơ học của các loại kết cấu thép điển hình được biểu diễn bằng bốn đường cong ứng suất – biến dạng trong hình 1.5. Mỗi đường cong đại diện cho một loại thép kết cấu với thành phần cấu tạo đáp ứng các yêu cầu riêng. Rõ ràng là các loại thép ứng xử khác nhau, trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc toạ độ.

Bốn loại thép khác nhau này có thể được nhận biết bởi thành phần hoá học và cách xử lý nhiệt của chúng. Đó là thép các bon (cấp 250), thép hợp  kim thấp cường độ cao (cấp 345). Thép hợp kim thấp gia công nhiệt (cấp 485) và thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao (cấp 690). Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép này được cho trong bảng 1.5.

Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép kết cấu

Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép kết cấu

Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán dùng trong công trình, cường độ và chiều dày

1.5. Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán dùng trong công trình, cường độ và chiều dày

Một tiêu chuẩn thống nhất hoá cho thép cầu được cho trong ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M-94a (M chỉ mét và 94a chỉ năm xét lại lần cuối). Sáu cấp thép tương ứng với bốn cấp cường độ được cho trong bảng trên. Cấp thép có ký hiệu “W” là thép chống gỉ, có khả năng chống gỉ trong không khí tốt hơn về cơ bản so với thép than thường và có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ.

Tất cả các cấp thép trong bảng trên đều có thể hàn. Tuy nhiên không phải với với cùng một quy cách hàn. Mỗi cấp thép có những yêu cầu riêng về hàn phải được tuân theo.

Trong hình 1.5, các số trong ngoặc ở bốn mức cường độ thép là ký hiệu theo ASTM của thép có cường độ chịu kéo và thuộc tính biến dạng giống thép A709M. Các con số này được nêu là vì chúng quen thuộc đối với những người thiết kế khung nhà thép và các công trình khác. Sự khác nhau cơ bản nhất giữa các thép này và thép A709M là ở chỗ thép A709M được dùng cho xây dựng cầu và phải có yêu cầu bổ sung về thí nghiệm xác định độ dai. Các yêu cầu này khác nhau đối với các cấu kiện tới hạn đứt gãy và không đứt gãy trong tính toán ở TTGH mỏi và đứt gãy.

Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép được coi là không đổi, là mô đun đàn hồi Es = 200 GPa = 2.105 MPa và hệ số giãn nở vì nhiệt bằng αs = 1,17.10-5 1/0C.

Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp cường độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép này, các biểu đồ ứng suất – biến dạng giai đoạn đầu và đường cong gỉ phụ thuộc thời gian được cho tương ứng, trong các hình 1.6 và 1.7.

Thép các bon công trình

Tên gọi như vậy thật ra không đặc trưng lắm vì tất cả thép công trình đều có các bon. Đây chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Một trong những đặc trưng chủ yếu của thép các bon công trình là có điểm chảy được nhận biết rõ và tiếp theo là một thềm chảy dài. Điều này được miêu tả trong hình 1.6 và nó biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ mà không đứt gãy. Thuộc tính này làm cho thép các bon đặc biệt phù hợp khi sử dụng làm chi tiết liên kết.

Thép các bon có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng. Chúng được dự kiến cho sử dụng trong nhiệt độ không khí. Mức độ gỉ trong hình 1.7 đối với thép các bon có đồng (Cu) bằng khoảng một nửa thép các bon thông thường.

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Các thép này có thành phần hoá học được hạn chế để phát triển cường độ chảy và cường độ kéo đứt lớn hơn thép các bon nhưng lượng kim loại bổ sung nhỏ hơn trong thép hợp kim. Cường độ chảy cao hơn (Fy = 345 MPa) đạt được trong điều kiện cán nóng hơn là qua gia công nhiệt. Kết quả là chúng có điểm chảy rõ ràng và tính dẻo tuyệt vời như được miêu tả trong hình 1.6.

Thép hợp kim thấp cường độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng. Các hợp kim này có sức kháng gỉ trong không khí cao hơn như cho thấy trong hình 1.7. Do có các phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thường là sự lựa chọn đầu tiên của người thiết kế các cầu có nhịp trung bình và nhỏ.

Thép hợp kim thấp gia công nhiệt

Thép hợp kim thấp cường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt được cường độ chảy cao hơn (Fy = 485 MPa). Thành phần hoá học cho các cấp 345W và 485W là gần như nhau. Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép và làm tăng cường độ, độ rắn và độ dai.

Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao lên như cho thấy trong hình 1.6. Có một sự chuyển tiếp rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử quá đàn hồi. Cường độ chảy của các thép này thường được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng hoặc ở  độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù (xem hình 1.6).

Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển hình đối với thép công trình

1.6 Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển hình đối với thép công trình

Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể hàn, tuy nhiên chỉ thích hợp cho tấm. Sức kháng gỉ trong không khí của chúng là giống như thép hợp kim thấp cường độ cao.

Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao

Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải như trong thép hợp kim thấp cường độ cao. Phương pháp gia công nhiệt tôi nhúng được thực hiện tương tự như đối với thép hợp kim thấp nhưng thành phần khác nhau của các nguyên tố hợp kim làm phát triển cường độ cao hơn (Fy = 690 MPa) và tính dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp.

Đường cong gỉ trong không khí đối với các thép hợp kim (cấp 690) được cho trong hình sau và thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép.

Các đường cong gỉ cho một vài loại thép trong môi trường công nghiệp

1.7 Các đường cong gỉ cho một vài loại thép trong môi trường công nghiệp

Ở đây, cường độ chảy cũng được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng. Hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù như miêu tả trong hình 1.6. Khi xem xét đường cong ứng suất-biến dạng đầy đủ trong hình 1.5. Rõ ràng các thép được gia công nhiệt đạt cường độ chịu kéo dạng chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so với thép không được xử lý nhiệt. Độ dẻo thấp hơn này có thể gây ra vấn đề trong một số tình huống khai thác. Do vậy, cần phải thận trọng khi sử dụng thép gia công nhiệt.

Ảnh hưởng của ứng suất lặp (sự mỏi)

Khái niệm về hiện tượng mỏi

Khi thiết kế kết cấu cầu thép, người thiết kế phải nhận thức được ảnh hưởng của ứng suất lặp. Xe cộ đi qua bất kỳ vị trí xác định nào đều lặp đi lặp lại theo thời gian. Trên đường cao tốc xuyên quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất có thể hơn một triệu lần mỗi năm.

Các ứng suất lặp này được gây ra bởi tải trọng sử dụng và giá trị lớn nhất của ứng suất trong thép cơ bản của mặt cắt ngang nào đó sẽ nhỏ hơn so với cường độ của vật liệu. Tuy nhiên, nếu có hiện tượng tăng ứng suất do sự không liên tục về vật liệu hoặc về hình học. Ứng suất tại nơi gián đoạn có thể dễ dàng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất được tính toán từ tải trọng sử dụng. Ngay cả khi ứng suất cao này tác dụng không liên tục, nếu nó lặp đi lặp lại nhiều lần thì hư hỏng sẽ tích luỹ. Vết nứt sẽ hình thành và sự phá hoại cấu kiện có thể xảy ra.

Cơ chế phá hoại này, bao gồm biến dạng và sự phát triển vết nứt dưới tác động của tải trọng sử dụng. Mà nếu tự bản thân nó thì không đủ gây ra phá hoại. Được gọi là mỏi. Thép bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung bình nhưng lặp lại nhiều lần. Mỏi là một từ xác đáng để mô tả hiện tượng này.

Xác định cường độ mỏi của kết cấu thép

Cường độ mỏi không phải là một hằng số vật liệu như cường độ chảy hay mô đun đàn hồi. Nó phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể của mối nối. Thực tế, chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm. Vì hầu hết các vấn đề tập trung ứng suất do sự không liên tục về hình học và vật liệu có liên quan đến liên kết hàn. Nên hầu hết các thí nghiệm về cường độ mỏi được thực hiện trên các loại mối hàn.

Quá trình thí nghiệm đối với mỗi liên kết hàn là cho một loạt mẫu chịu một biên độ ứng suất S nhỏ hơn cường độ chảy của thép cơ bản. Và lặp lại ứng suất này với N chu kỳ cho tới khi  liên kết phá hoại. Khi giảm biên độ ứng suất, số chu kỳ lặp dẫn đến phá hoại tăng lên. Kết quả thí nghiệm thường được biểu diễn bằng biểu đồ quan hệ giữa log S và log N. Một biểu đồ S-N điển hình cho môt liên kết hàn được cho trong hình sau.

Tại một điểm bất kỳ trên biểu đồ, giá trị ứng suất là cường độ mỏi và số chu kỳ là tuổi thọ mỏi tại mức ứng suất đó. Chú ý rằng, khi biên độ ứng suất giảm tới một giá trị đặc trưng. Số chu kỳ ứng suất có thể tăng không giới hạn mà không gây ra phá hoại. Ứng suất giới hạn này được gọi là giới hạn mỏi của liên kết.

Biểu đồ S-N điển hình cho các mối nối hàn

Biểu đồ S-N điển hình cho các mối nối hàn kết cấu thép

 Ảnh hưởng của cường độ của vật liệu cơ bản đến cường độ mỏi

Cường độ mỏi của kết cấu thép so sánh với cường độ tĩnh

Cường độ mỏi của kết cấu thép so sánh với cường độ tĩnh

Cường độ mỏi của các bộ phận không hàn tăng theo cường độ chịu kéo của vật liệu cơ bản. Cường độ mỏi này được biểu diễn trên hình trên cho cả các mẫu tròn đặc và mẫu có lỗ. Tuy nhiên, nếu thép cường độ cao được sử dụng trong các cấu kiện hàn thì không có sự tăng trong cường độ mỏi.

Sở dĩ có sự khác nhau trong ứng xử này là vì trong vật liệu không hàn, vết nứt phải được hình thành trước khi chúng có thể phát triển. Trong khi ở các mối nối hàn, vết nứt đã có sẵn và tất cả chúng chỉ cần phát triển. Mức độ phát triển vết nứt không thay đổi nhiều theo cường độ chịu kéo. Do đó, cường độ mỏi của mối hàn không phụ thuộc vào loại thép được liên kết.

Ảnh hưởng của ứng suất dư đến cường độ mỏi của kết cấu thép

Mối hàn sẽ không được giảm ứng suất nên có thể giả thiết rằng, ứng suất dư sẽ tồn tại ở đâu đó trong liên kết. Nếu một chu kỳ ứng suất có biên độ S tác dụng thì biên độ ứng suất thực tế sẽ chạy từ sr tới sr ± S. Do vậy biên độ ứng suất danh định vẫn là S. Do đó, có thể biểu diễn ứng xử mỏi của một mối hàn chỉ phụ thuộc vào biên độ ứng suất. Mà không cần biết ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất thực tế. Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, mỏi do tải trọng gây ra được xem xét phụ thuộc vào biên độ ứng suất và ứng suất dư được bỏ qua.

Kết luận về mỏi trong kết cấu thép

Mỏi là nguyên nhân phổ biến nhất gây phá hoại thép. Chủ yếu là do vấn đề này không được nhận thức đầy đủ trong giai đoạn thiết kế. Sự chú ý thích đáng đến việc lựa chọn mối nối và cấu tạo chi tiết cũng như hiểu biết về các yêu cầu của tải trọng sử dụng. Ta có thể loại trừ hầu hết các vết nứt phá hoại. Trong khi sự bỏ qua các nhân tố này có thể dẫn đến thảm hoạ.

Sự phá hoại giòn trong kết cấu thép

Một kỹ sư thiết kế cầu phải hiểu những điều kiện là nguyên nhân gây ra phá hoại giòn trong kết cấu khhung thép. Phải tránh phá hoại giòn vì chúng không dẻo và có thể xảy ra ở ứng suất tương đối thấp. Khi có những điều kiện này, vết nứt có thể lan truyền rất nhanh và sự phá hoại đột ngột có thể xảy ra.

Một trong những nguyên nhân của phá hoại giòn là trạng thái ứng suất kéo ba trục. Có thể xuất hiện ở một khe, rãnh trong một bộ phận hoặc do sự không liên tục bị cản trở trong một liên kết hàn.

Nhà kết cấu thép thường sử dụng mối hàn và bu long để kết nối

Nhà kết cấu thép thường sử dụng mối hàn và bu long để kết nối

Phá hoại giòn còn có thể xảy ra do nhiệt độ môi trường thấp. Thép công trình thể hiện tính dẻo ở nhiệt độ trên 0oC nhưng chuyển thành giòn khi nhiệt độ giảm.

Liên kết hàn của kết cấu thép cần được cấu tạo để tránh ứng suất kéo ba chiều và khả năng phá hoại giòn. Một ví dụ là liên kết hàn của sườn tăng cường ngang trung gian với dầm ghép. Trước đây, sườn tăng cường này thường được thiết kế có chiều cao bằng chiều cao vách. Được hàn cả vào biên nén và biên kéo. Nếu sườn tăng cường được hàn vào biên kéo như trong hình trên. Thì sự cản trở biến dạng của mối hàn khi nguội theo ba phương sẽ sinh ra ứng suất căng ba chiều trong vách. Đây là điều kiện thuận lợi để dẫn đến phá hoại giòn trong kết cấu thép. Đặc biệt khi đồng thời có sự giảm nhiệt độ hoặc có sự không hoàn hảo về vật liệu. Vì vậy, ngày nay, sườn tăng cường ngang không được phép hàn vào biên kéo.

1 reply

Trackbacks & Pingbacks

  1. […] Thép là hợp kim bao gồm rất nhiều sắt và khoảng 0,2% carbon. Tỷ lệ carbon trong thép sẽ ảnh hưởng đến trọng lượng của nó nhưng thông thường nó là 2,1% trọng lượng. Đối với sắt, carbon là vật liệu hợp kim phổ biến nhất. Nhưng nó cũng sử dụng các nguyên tố khác như mangan, crom, vanadi và vonfram. […]

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *