Những giá trị cơ học chính của thép xây dựng và đặc điểm làm việc của chúng dưới tác dụng của tải trọng
Những tính chất cơ học chính của thép
Việc sử dụng thép xây dựng trong những kết cấu có công dụng khác nhau được xác định bởi những tính chất cơ học và bởi giá thành.
Những tính chất cơ học chính của thép xây dựng là:
Độ bền [cường độ] tức khả năng chống được những tác động bên ngoài.
Độ đàn hồi, tức khả năng khôi phục hình dạng ban đầu của nó sau khi dỡ bở tải trọng;
Độ dẻo, tức tính chất không trờ về ưạng thái ban đầu sau khi dỡ bở tải trọng [hiên tượng như thế gọi là biến dạng dư];
Tính giòn, tuc bị phá hoại khi có biến dạng nhỏ.
Cường độ tạm thời σB [MPa] giới hạn chảy σr [MPa], độ dãn dài tương đối khi kéo đút ε, % [trong lý lịch về thép thường được ký hiệu bằng δ5 hay δ10 ] là những đặc trưng cơ học chính của thép, xác định mức độ bển, độ đàn hồi và độ dẻo.
Môđun đàn hồi lấy dối với tất cả các dạng thép xây dựng E = 2,1. 105 MPa, hệ số dãn nở do nhiệt đô α = 0,000012, hệ số biến dạng ngang v = 0,3 là những dặc trung vật lý được sử dụng khi tính toán kết cấu.
Sự làm việc của thép dưới tác dụng của tải trọng
Sự làm việc chịu kéo của thép. Những giá trị cơ học cơ bản thép xây dựng nhà ở dân dụng được xác định bằng thí nghiệm kéo các mẫu thép dẹt hay tròn tiêu chuẩn trên những máy kéo đứt chuyên dụng. Khi đó quan hệ giữa ứng suất và độ dãn dài của mẫu thí nghiệm xuất hiện dưới dạng biểu đồ kéo. Khi thí nghiêm các mẫu trên những máy hiên dại, thì biểu đồ kéo được vẽ tự động bằng máy.
Khi đặt tải, hay cốt thép dùng trong thi công nhà ở dân dụng, thép sẽ biến dạng, nghĩa là bị dãn dài hoặc co ngắn [tuỳ thuộc vào đặt tải như thế nào, kéo hay nén]. Gần đến ứng suất xác định ở mảu do tải trọng đặt vào, thì những biến dạng này sẽ là biến dạng đàn hồi, nghĩa là nó sẽ mất đi sau khi dỡ bỏ tải trọng. Khi ứng suất tiếp tục tăng thì những biến dạng dư xuất hiện, nó được bảo toàn sau khi dỡ bò tải trọng. Điều đó thấy rõ trên biểu đồ kéo thép ít cacbon [hình 1.1, a].
Biểu đồ kéo thép:
- Thép ít cacbon CT3; b] Biểu đồ lý tưởng hoá; c] Thép ít cacbon CT3; d] độ bền tăng cao [2] và độ bền cao [3]
Để thuân tiẻn cho việc xây dưng biểu đồ kéo, người ta biểu thi ứng suất σ = P/F đặt theo trục tung, và độ dãn dài tương đối ε = [Δl/lo ] đạt theo trục hoành. Trong những công thức này: σ - ứng suất pháp tuyến; P - tải trọng; F - diện tích tiết diện ban đầu của mẫu trước khi kéo nỏ; e - độ dãn dài lương dối; lo - chiều dài ban đầu của mẫu; Δl - độ dãn dài của mẫu. Ở phần đường thẳng của biểu đồ [từ điểm 0 đến điểm 1] ứng suất và độ dãn dài tương đối tỉ lệ với nhau, nghĩa là theo định luật Hook, nó dưọc biểu thị bằng phương trình σ = Eε.
Ứng suất ở điểm 1 được gọi là giới hạn tỷ lệ σư . Trên điểm 1, quan hệ đường thảng bị phá vỡ và trên biểu đồ xuất hiện phần đường cong. Từ điểm 1 đến điểm 2 vật liệu còn liếp tục làm việc đàn hồi [biến dạng hoàn toàn mát đi sau khi dỡ bở tải trọng]. Ở cao hơn điểm 2 vật liệu bắt đầu làm việc dẻo, nghĩa là sau khi dỡ bở tải trọng, biến dạng dư được bảo toàn, ứng suất ở điểm 2 được gọi là giới hạn đàn hồi σ T.
Ở điểm 3, sau bước nhảy không lớn, biểu đồ tạo thành đường nằm ngang [với dao động không lớn], ở đoạn đó vật liệu dãn dài không có sự tăng tải trọng, nghĩa là bắt đầu chảy. Ứng suất tạo thành diện chảy khi đó gọi là giới hạn chảy σ đh.
Ở điểm 4, vật liệu lại bất đầu tiếp nhận tải trọng [tự tăng bền] những biến dạng vượt trước ứng suất, đường cong nâng lên phía trên đến điểm 5, tại đó ứng suất đạt trị số lớn nhất, xảy ra trước khi vật liệu bị đứt, gọi là cường độ tạm thời σ B.
Biến dạng ở mẫu tiếp tục tăng nhanh tạo nèn cổ thắt, diện tích tiết diện ở chỗ đó giảm mạnh, và mẫu đứt xảy ra khi tải trọng nhỏ [điểm 6].
Độ dãn dài tương đối ε , xác dịnh sau khi có sự phá hoại của vật liệu là chỉ tiêu chính của độ dẻo. Độ dãn dài tương đối càng lớn thì lượng dự trữ làm việc dẻo của thép cũng càng lớn , có thể sử dụng nó khi tính toán kết cấu. Đối với thèp cacbon mềm ε = 22 - 26%. Thép có độ dãn dài tương đối nhỏ hơn 13 - 14% thường không đuợc sử dạng trong kết cấu kim loại.
Ở những thép chất lượng hạt nhỏ, giới hạn đàn hồi hầu như trùng với giới hạn chảy. Việc xác định đối với mỗi loại thép cụ thể rất khó khăn, vì thế trong tính toán không sử dụng giới hạn đàn hồi, coi như trước giới hạn chảy thép làm việc đàn hồi. Như vậy, giá trị giới hạn chảy là một trong những đặc trưng cơ học quan trọng của thép xây dựng nhà ở.
Trong thực tế tính tọán thường sử dụng biểu đồ kéo đơn giản hoá đối với vật liệu đàn dẻo lý tưởng [hình 1.1, b]. Theo biểu đồ này, vật liệu ở đoạn 0-1, nghĩa là trước giới hạn chảy, nó làm việc đàn hồi, sau đó làm việc dẻo tuyệt đối.
Ứng suất trong kết cấu thực, đứng ra cần phải ò trong giới hạn làm việc đàn hồi của vật liệu [đoạn 0-1 trên biểu đồ hình 1-1, b]. Nếu chúng vượt quá giới hạn chảy, thì sau khi dỡ bở tải trọng, ở vật liệu còn lại biến dạng dư, điều đó không phải túc nào cũng cho phép có ở kết cấu.
Diện chảy xuất hiện ở những loại thép mẻm, chứa 0,1 - 0,3% cacbon. Trong thép có độ bền lớn hơn, diện chảy được co ngắn lại, còn ở thép cường độ cao, nói chung không có diện chảy [hình 1.1, c]. Trong trường hợp này ứng suất tưcmg ứng với biến dạng dư bằng 0,2%, ký hiệu là σ 0.2 [trong thép mềm chò bắt đầu diện chảy cũng tương ứng với biến dạng dư 0,2%].
Sự làm việc của thép ở trạng thái ứng suất phức tạp
Trong thực tế xảy ra trạng thái ứng suất phức tạp khi mà ở một dìểm những ứng suất phát sinh có phương khác nhau [ví dụ sự làm việc của vở thép mỏng, nỡi mà ứng suất pháp σ1, và σ2 có phương vuông góc với nhau, hay ở bụng dầm khi mà yêu cầu đồng thời tính toán ứng suất pháp σx, và ứng suất tiếp τxy].
Trong trường hợp dó, sự chuyển tiếp vào giai đoạn dẻo phụ thuộc không chỉ vào một ứng suất mà vào hàm của một số ứng suất. Khi mà nãng lượng riêng biến đổi hình dạng của vật thể và khi biến dạng dạt đến mổt sđ giá trị giới hạn thì trạng chái dẻo bắt đầu được sử dụng vào thép kết cấu. Trên cơ sờ của chuẩn số dó, nhận được hàm của những ứng suất hữu ích gọi là ứng suất tính đổi σ tđ, chúng được cân bằng với giới hạn chảy của vật liệu σ T.
Đối với trạng thái ứng suất thể tích:
σ tđ = √ {σ12 + σ22 + σ32 - [ σ1 σ2 + σ2 σ3 + σ1 σ3 ]} = σ T ; [1-1]
Ở trạng thái ứng suất trục kép:
σ tđ = √ {σ12 + σ22 - σ1 σ2 } = σ T ; [1.2]
Khi uốn đơn thuần:
σ tđ = √ {σx2 + 3 τxy2 } = σ T ; [1-3]
Khi cắt đơn thuần
σ tđ = √ {3 τxy2 } = σ T ; hay τxy = σT /√{3} = 0.6 σT ; [1-4]
Độ giòn của thép
Khi thi công xây dựng nhà ở dân dụng với thép chịu kéo, thép bị phá hoại chậm và có biến dạng dẻo đáng kể. Sự phá hoại giòn của thép có thể xảy ra đột ngột khi giá trị biến dạng nhỏ trong giới hạn làm việc đàn hồi của vật liệu. Nó rất nguy hiểm.
Phá hoại giòn của thép: a] Biểu đồ phá hoại giòn; b] Mẫu để thí nghiệm độ dai và đập; c] Sự phụ thuộc của độ dai va đập của thép CT3 vào nhiệt độ; 1 Thép sôi; 2. Thép lặng.
Những yếu tố khác nhau có thể thúc đẩy chuyển thép sang trạng thái giòn: sử dụng ở nhiệt độ thấp, tác dụng xung kích, thành phần hoá học không lốt, hạt thô, có khuyết lật ở kết cấu v.v... Hiện tượng phá hoại giòn thường xảy ra khi ứng suất pháp cao, biểu đồ kéo không có diện chảy [thềm chảy] và giai đoạn dẻo.
Độ dai va đập, nghĩa là khả năng chống va đập dùng để đánh giá khuynh hướng thép dẫn tới bị phá hoại giòn. Để xác định nó, người ta chế tạo những mẫu bằng thép có cắt lõm ở một mặt, những mẫu nùy được đưa vào chịu va đập trên máy thử va đập kiểu con lắc. Công làm gãy mẫu đối với diện tích liết diện của nó tại mặt cắt lõm được gọi là độ dai va dập. Độ dai và đập được kí hiệu bằng chữ aH và đo bằng J/cm2 [ 1 kGm/cm2 = 9,8 J/cm2]. Đối với thép ít cacbon CT3, độ dai va đập khi ở nhiệt độ tiêu chuẩn [+ 20°C] aH = 70 - 100 J/cm2.
Độ dai va đập càng thấp thì khuynh hướng thép bị phá hoại giòn càng lớn. Ở nhiệt độ thấp, giá trị của độ dai va đập sụt giảm, điều đó thấy rõ từ đường cong aH đối với thép CT3.
Những yếu tố chính ảnh hường đến sự làm viêc của thép và thúc đẩy xuát hiên những vêì nứt giòn là: 1] Sự biến cứng nguội ; 2] Sự hoá già; 3] Mức độ phân bố ứng suất không đều; 4] Độ mỏi của thép; 5] ảnh hường của nhiệt độ.
Sự tăng cao giới hạn chảy và tính đàn hồi của thép cùng với sự giảm đồng thời độ dãn dài, gây ra bởi sự chất tải lại của thép vượt quá giới hạn chảy gọi là biến cứng nguội. Hiện tượng biến cứng nguội nguy hiểm đối với kết cấu thép và có thể xuất hiện khi uốn và cắt thép bằng dao, khi đột lỗ v.v... Trên hình 1.3, a, đường liên tục [nét liền] chi rõ dạng nối tiếp của biểu đồ kéo mẫu sau khi chất tải lại, dẫn tới biểu đồ phá hoại giòn. Ở lần chất tải đầu tiên, tải trọng đã dỡ bở ở điểm 1, ở lần chất tải thứ hai, tải trọng dỡ bở ở điểm 2, ở lần chất tải thứ ba, tải trọng được dỡ bở ở điểm 3.
Những yếu tố ảnh hưởng đến sự phá hoại giòn của thép: a] Biển cứng nguội; b] Tập trung ứng suất; c] Biểu đồ sự làm việc của mẫu với những máy tuyển tinh khác nhau; d] Đường cong độ bền mỗi của thép CT3
Sự hoá già là sự thay đổi tính chất của thép theo thời gian do sự thoát ra từ dung dịch rắn những Thành phần dư thừa [cacbon, nitơ v.v...] tạo thành hợp chất có sắt.
Trong quá trình hoá già, độ dẻo và độ dai giảm, độ giòn của thép tăng lên. Tính chất giá trị của vật liệu thi công nhà ở dân dụng thay đổi, không thay đổi cấu trúc vĩ mô của nó. Người ta phân biệt sự hoá già do nhiệt [sự hoá già nhân tạo khi nung nóng và sự hoá già tự nhiên ở nhiệt đô tiêu chuẩn] và sự hoá già do biến dạng.
Sự lập trung ứng suất. Ở trạng thái ứng suất một trục của mẫu nhẵn, dòng lực ở mẫu được phân bố đều [hình l.3, b]. Nếu ở chúng có lỗ, rãnh hay mối hàn đắp, thì đường của dòng lực sẽ uốn cong và ở đó phát sinh sự tập trung ứng suất.
Sự tập trung ứng suất được đăc trưng bởi hệ số tập trung: k = σmax / σ0 [l.5]
σmax ; ứng suất lớn nhất ở tiết diện mẫu tại chổ mẫu bị phá hoại;
σ0 = N/Fgi ; ứng suất pháp ở tiết diện [ở đây N là lưc dọc ; Fgi là diện tích của tiết diện tính có xét đến sự giảm yếu của tiết diện].
Trên hình 1.3, b cho thấy, hệ số k phụ thuộc vào dạng tập trung của đường lực.
Độ lệch của quỹ đạo đường lực so với đường thẳng chúng tở có ứng suấl tác dụng trong hai hướng. Sự phát sinh ưạng thái ứng suất phẳng đơn vị dẫn đến làm giảm phạm vi làm việc dẻo của thép và thúc đẩy phá hoại giòn. Mức độ tập trung ứng suất càng cao thì biến dạng dẻo khi phá hoại càng nhỏ và sự phụ thuộc của ứng suất vào biến dạng gần với biểu đồ phá hoại giòn [hình 1.3, c], điểu đó cần phải tính đến khi thiết kế kết cấu hàn, đặc biêt lừ thép cường độ cao và những kết cấu sử dụng ở nhiệt độ thấp.
Độ mỏi của thép. Nếu thép chịu tác dụng của tải trọng lặp, thì sẽ phát sinh hiện tượng mỗi làm giảm độ bền của thép. Sự giảm độ bền phụ thuộc vào số chu trình đặt tải. Số chu trình đặt tải càng lớn thì độ bền [giá trị cường dô] của thép dùng trong thi công xây dựng nhà ở dân dụng càng thấp. Độ bền của thép với sự tăng chu trinh đặt tải sẽ giảm đến trị số xác định, gọi là giới hạn độ bền chán động σBC hay giới hạn độ bền mỏi, nó tương ứng với khoảng hai triệu chu trình đặt tải. Nếu tiếp tục tảng số chu ưình của tải trọng, thì hầu như không ảnh hường đến độ bền chán động. Tải ừọng có thể thay đổi cả dấu lẫn trị số gây ra trong các bô phân của kết cấu lần lượt chịu nén và chịu kéo. Nguy hiểm nhát là tải trọng thay đổi dấu, khi đó độ bền của thép có thể giảm 0,3 - 0,4 σB. Trèn hình 1.3, d cho đường cong độ bền mỏi của thép CT3 phụ thuộc vào số chu trình đặt tải.
Sự tập trung ứng suất gây ra sự giảm rõ rêt giới hạn của độ bền mỗi Thép có độ bền mỏi lớn hơn, có trị số σBC lớn. Sự tâp trung ứng suất lớn đáng ké ảnh hường đến thép cường độ cao, σBC của nó có thể giảm đến cường độ chấn động nhỏ hơn độ bền của thép.
Vì thế trong những kết cấu chịu tác dụng của tải trọng thay đổi, việc sử dụng thép cường độ cao không phải lúc nào cũng hợp lí.
Hiện tượng mỏi xuất hiện trong những kết cấu chịu tác dụng xung kích như cầu, cầu cạn, dầm cầu trục cần phải được xét đến khi tính toán và thiết kế thi công nhà ở dân dụng.
Những bộ phận của kết cấu trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng lặp, tải trọng di động và tải trọng chấn động với số chu trình tải trọng lón hơn 105 cần phải kiểm tra về độ bền mỏi và trong kết cấu phải tránh sự tâp tning ứng suất.
Việc tính toán độ bền mỏi được thực hiộn theo cồng thức: σmax ≤ d Rm gm [1-6]
α - hê số tính đến số chu trình tải trọng;
Rm - cường độ mỏi tính toán;
gm - hệ số phụ chuộc vào dạng trạng thái ứng suất và hệ số ứng suất không đối xứng ρ = σmin /σmax Ở đây σmin và σmax theo trị số tuyệt đối của ứng suất trong những bồ phân tính toán.
Ảnh hưởng của nhiệt độ. Sự thay đổi của nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất cơ học của thép. Ở nhiệt độ âm, giá trị cường độ của thép tăng một chút, những độ dẻo giảm. Khi tăng nhiệt độ đến 250°c, tính chất cơ học của thép thực tế không thay đổi. Ở nhiệt đồ 300 - 330°c thép trở nên giòn, ở nhiệt độ cao hơn, tính giòn biến mất, những dẫn đến sụt giảm đáng kể và đột ngột σT và σB và ở nhiệt độ 600 - 650°c thì bất đầu gọi là độ dẻo nhiệt độ [khi mà giới hạn chảy gần về O]. Như vậy sự nung nóng kết cấu thép trong thời gian chảy rất nguy hiểm dẫn tới biến dạng nhanh của kết cấu và phá hoại chúng.
Ký hiệu độ dãn dài tương đối là gì?
4. Độ giãn dài tương đối [Percentage elongation: phần trăm dãn dài]: Độ giãn dài tính bằng phần trăm giữa độ giãn dài so với chiều dài cữ ban đầu [Lo]. Ký hiệu độ dãn dài tương đối: % dãn dài.
Gauge length là gì?
Chiều dài cữ [L] [Gauge length]: Chiều dài phần hình trụ hoặc lăng trụ của mẫu thử để đo độ giãn dài.
Elongation là gì trong thép?
Độ giãn dài: Độ giãn dài [elongation] là khả năng của thép kéo dài trước khi gãy. Nó thể hiện sự dẻo dai của thép. Độ giãn dài thường được tính dựa trên phần trăm gia tăng chiều dài ban đầu của mẫu thép trước khi gãy.
Độ bền kéo nghĩa là gì?
Độ bền kéo có thể được hiểu là khi một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị đứt. Ở giá trị lực kéo giới hạn cho sự đứt của vật liệu được ghi lại được ký hiệu σk. Độ bền kéo được ứng dụng rất nhiều cho các vật liệu trong các lĩnh vực như thiết kế chế tạo máy, xây dựng, khoa học vật liệu.