http://www.ebook.edu.vn
Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
19
Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp c ường
độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép n ày, các biểu đồ ứng suất-biến dạng giai đoạn
đầu và đường cong gỉ phụ thuộc thời gian đ ược cho, tương ứng, trong các hình 1.5 và 1.6.
Thép các bon công trình
Tên gọi như vậy thật ra không đặc tr ưng lắm vì tất cả thép công trình đều có các bon. Đây
chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Các ti êu chuẩn để định loại thép các bon có thể tham khảo
trong mục 8.2.5, tài liệu [4].
Một trong những đặc trưng chủ yếu của thép các bon công tr ình là có điểm chảy được
nhận biết rõ và tiếp theo là một thềm chảy dài. Điều này được miêu tả trong hình 1.5 và
nó biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ m à 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 t ốt 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 1.6 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 ph ần hoá học được hạn chế để phát triển c ường độ chảy và cường
độ kéo đứt lớn hơn thép các bon nhưng lư ợng kim loại bổ sung nhỏ h ơn trong thép hợp
kim. Cường độ chảy cao h ơn (Fy= 345 MPa) đạt được trong điều kiện cán nóng h ơn 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 1.5.
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 1.6. Do có các ph ẩm 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 đ ược cường độ chảy
cao hơn (Fy = 485 MPa). Thành ph ần hoá học cho các cấp 345W v à 485W là gần như
nhau. Việc xử lý nhiệt (tôi thép) l àm thay đổi cấu trúc vi mô của thép v à làm tăng cường
độ, độ rắn và độ dai.
Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao l ên như cho thấy trong
hình 1.5. 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 gi ãn bằng 0,2% theo định nghĩa b ù (xem hình 1.5).
Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể h àn, tuy nhiên chỉ thích hợp cho tấm.
Sức kháng gỉ trong không khí củ a chúng là giống như thép hợp kim thấp cường độ cao.
http://www.ebook.edu.vn
Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
20
Hình 1.5 Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển h ình đối với thép công trình
Hình 1.6 Các đường cong gỉ cho một v ài loại thép trong môi tr ường công nghiệp
Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao
Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải nh ư trong thép hợp kim thấp
cường độ cao. Phương pháp gia công nhi ệt tôi nhúng được thực hiện tương tự như đối với
thép hợp kim thấp nhưng thành phần khác nhau của các nguy ên tố hợp kim làm phát triển
cường độ cao hơn (Fy= 690 MPa) và tính dai l ớn hơn ở nhiệt độ thấp.
http://www.ebook.edu.vn
Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
21
Đường cong gỉ trong không khí đối với các thép hợp kim ( cấp 690) được cho trong
hình 1.6 và thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép.
Ở đây, cường độ chảy cũng đ ược xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải
trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định ngh ĩa bù như miêu tả trong hình 1.5. Khi xem
xét đường cong ứng suất-biến dạng đầy đủ trong hình 1.4, 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 h ơn này có thể gây ra vấn đề trong một số t ình huống khai
thác và, do vậy, cần phải thận trọng khi sử dụng thép gia công nhiệt .
1.3.5 Ảnh hưởng của ứng suất lặp (sự mỏi)
Khi thiết kế kết cấu cầu thép, người thiết kế phải nhận thức đ ược ảnh hưởng của ứng suất
lặp. Xe cộ đi qua bất kỳ vị trí xác định n ào đều lặp đi lặp lại theo thời gian. Tr ên đường
cao tốc xuyên quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất có thể h ơn một triệu lần mỗi năm.
Các ứng suất lặp này được gây ra bởi tải trọng sử dụng v à giá trị lớn nhất của ứng
suất trong thép cơ bản của mặt cắt ngang n ào 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 h ình
học, ứng suất tại nơi gián đoạn có thể dễ dàng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất đ ược tính
toán từ tải trọng sử dụng. Ngay cả khi ứng suất cao n ày tác dụng không liên tục, nếu nó
lặp đi lặp lại nhiều lần th ì hư hỏng sẽ tích luỹ, vết nứt sẽ h ình 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 d ưới tác động của
tải trọng sử dụng, mà nếu tự bản thân nó th ì không đủ gây ra phá hoại, được gọi là mỏi.
Thép bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung b ình nhưng lặp lại nhiều lần. Mỏi là một từ xác
đáng để mô tả hiện tượng này.
Xác định cường độ mỏi
Cường độ mỏi không phải l à một hằng số vật liệu nh ư cường độ chảy hay mô đun đ àn
hồi. Nó phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể của mối nối v à, thực tế, chỉ có thể được xác định
bằng thực nghiệm. V ì hầu hết các vấn đề tập trung ứng suất do sự không li ên tục về hình
học và vật liệu có liên quan đến liên kết hàn nên hầu hết các thí nghiệm về c ường 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 bi ên độ
ứng suất S nhỏ hơn cường độ chảy của thép c ơ bản và lặp lại ứng suất này với N chu kỳ
cho tới khi liên kết phá hoại. Khi giảm bi ên độ ứng suất, số chu kỳ lặp dẫn đến phá hoại
tăng lên. Kết quả thí nghiệm th ường được biểu diễn bằng biểu đồ quan hệ giữa log S và
log N. Một biểu đồ S-N điển cho môt liên kết hàn được cho trong hình 1.7. Tại một điểm
bất kỳ trên biểu đồ, giá trị ứng suất l à 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 tr ưng, số chu kỳ
ứng suất có thể tăng không giới hạn m à không gây ra phá ho ại. Ứng suất giới hạn n ày
được gọi là giới hạn mỏi của liên kết.
http://www.ebook.edu.vn
Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
22
Hình 1.7 Biểu đồ S-N điển hình cho các mối nối hàn
Ảnh hưởng của cường độ của vật liệu cơ bản
Cường độ mỏi của các bộ phận không h àn tăng theo cường độ chịu kéo của vật liệu c ơ
bản. Cường độ mỏi này được biểu diễn trên hình 1.8 cho cả các mẫu tròn đặc và mẫu có
lỗ. Tuy nhiên, nếu thép cường độ cao được sử dụng trong các cấu ki ện hàn thì không có
sự tăng trong cường độ mỏi.
Hình 1.8 Cường độ mỏi so sánh với c ường độ tĩnh
Sở dĩ có sự khác nhau trong ứng xử n ày 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, c ường độ mỏi của mối h àn không phụ thuộc vào loại thép
được liên kết.
http://www.ebook.edu.vn
Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
23
Ảnh hưởng của ứng suất dư
Nói chung, mối hàn sẽ không được giảm ứng suất nên có thể giả thiết rằng, ứng suất d ư sẽ
tồn tại ở đâu đó trong li ên kết. Nếu một chu kỳ ứng suất có bi ên độ S tác dụng thìbiên độ
ứng suất thực tế sẽ chạy từ
r
tới
rS
và biên độ ứng suất danh định l àS. Do đó, có thể
biểu diễn ứng xử mỏi của một mối h àn chỉ phụ thuộc vào biên độ ứng suất, không cần biết
ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất thực tế. Trong Ti êu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, mỏi
do tải trọng gây ra được xem xét phụ thuộ c vào biên độ ứng suất vàứng suất dư được bỏ
qua.
Nhận xét kết luận về mỏi
Mỏi là nguyên nhân phổ biến nhất gây phá hoại thép, chủ yếu l à 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 nh ư hiểu biết về các yêu cầu của tải trọng sử dụng có thể
loại trừ hầu hết các vết nứt phá hoại, trong khi sự bỏ qua các nhân tố n ày có thể dẫn đến
thảm hoạ.
1.3.6 Sự phá hoại giòn
Một kỹ sư thiết kế cầu phải hiểu những điều kiện l à nguyên nhân gây ra phá ho ại giòn
trong thép kết cấu. Phải tránh phá hoại gi òn vì chúng không d ẻo và có thể xảy ra ở ứng
suất tương đối thấp. Khi có những điều kiện n ày, vết nứt có thể lan truyền rất nhanh v à 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, r ãnh trong một bộ phận hoặc do sự không liên tục bị cản trở
trong một liên kết hàn.
Phá hoại giòn còn có thể xảy ra do nhiệt độ môi tr ường thấp. Thép công tr ình thểhiện
tính dẻo ở nhiệt độ trên 0oC nhưng chuyển thành giòn khi nhiệt độ giảm.
Liên kết hàn cần được cấu tạo để tránh ứng suất kéo ba chiều v à 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
và được hàn cả vào biên nén và biên kéo. N ếu sườn tăng cường được hàn vào biên kéo
như trong hình 1.9 thì sự cản trở biến dạng của mối h àn khi nguội theo ba phương sẽ sinh
ra ứng suất căng ba chiều trong vách, là điều kiện thuận lợi để dẫn đến phá hoại gi òn, đặc
biệt khi đồng thời có sự giảm nhiệt độ hoặc có sự không ho àn hảo về vật liệu.Vì vậy, ngày
nay, sườn tăng cường ngang không được phép hàn vào biên kéo.