›
›

Giáo trình Kết cấu thép 1 - Chương 2: Liên kết - Nguyễn Văn Hiếu

pdf 71 trang huongle 1700
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kết cấu thép 1 - Chương 2: Liên kết - Nguyễn Văn Hiếu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_ket_cau_thep_1_chuong_2_lien_ket_nguyen_van_hieu.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kết cấu thép 1 - Chương 2: Liên kết - Nguyễn Văn Hiếu

  1. KẾT CẤU THẫP 1 CCHHƯƯƠƠNNGG 22:: LLIIấấNN KKẾẾTT GV: NGUYỄN VĂN HIẾU Tp. HCM, Thỏng 02/2013 1
  2. thép hình liên kết cấu kiện liên kết công trình thép tấm === cấu kiện === Liên kết trong kết cấu thép: liên kết hàn; liên kết bulông; liên kết đinh tán. ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI LIấN KẾT a. Liờn kết hàn:  Ưu: - tiết kiệm từ 15ữ20% trọng lượng thộp do tiết diện cấu kiện khụng bị khoột lỗ; - kớn, liờn tục; - khả năng tự động húa cao, ớt tốn cụng chế tạo.  Nhược: - khú kiểm tra chất lượng; - chịu tải trọng nặng và tải trọng động kộm, thường sinh ra ứng suất phụ → biến hỡnh hàn, thộp giũn. 2
  3. b. Liờn kết bulụng:  Ưu: -thi cụng đơn giản, cho phộp thỏo lắp dễ dàng nhất là cỏc cụng trỡnh tạm thời.  Nhược: - tốn vật liệu; - do lỗ tra bulụng > bu lụng nờn khi chịu tải sẽ cú hiện tượng biến dạng do trượt tại liờn kết. Cỏc bu lụng khụng làm việc đồng bộ → giảm khả năng chịu lực. c. Liờn kết đinh tỏn:  Ưu: - chất lượng liờn kết đảm bảo, dễ kiểm tra; - chịu được tải trọng nặng và chấn động;  Nhược: - tốn vật liệu; - tiết diện thộp cơ bản bị giảm yếu; - chế tạo và thi cụng phức tạp. 3
  4. A. LIấN KẾT HÀN Đ1. Các phương pháp hàn trong kết cấu thép Trong kết cấu thép dùng phương - hàn hồ quang điện bằng tay pháp hàn: - hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động - hàn hơi 1. Hàn hồ quang điện bằng tay a. Nguyên lý Dưới tác dụng của dòng điện, xuất hiện hồ quang điện giữa hai cực là kim loại cần hàn và que hàn. Hai kim loại lỏng hòa lẫn với nhau, nguội lại tạo thành Hỡnh- 2.1: - Sơ đồ hàn tay đường hàn. hồ quang điện Vậy bản chất của đường hàn là sự liên kết giữa các phân tử của các kim loại bị nóng chảy. Đường hàn có thể chịu lực tương đương như thép cơ bản. 4
  5. b. Que hàn Hàn hồ quang điện bằng tay dùng que hàn lõi kim loại có thuốc bọc (thuốc hàn, 80% là CaCO3). Đường kính lõi kim loại của que hàn từ 1,66mm, chiều dài que hàn 200450mm. Lớp thuốc bọc dày 11,5mm có các tác dụng sau: - Khi cháy tạo nên lớp xỉ cách ly không khí xung quanh với kim loại lỏng, ngăn cản oxy và nitơ lọt vào kim loại làm đường hàn trở nên giòn; - Tăng cường sự ion hóa không khí xung quanh làm hồ quang được ổn định; - Trong thuốc hàn còn có bột của một số hợp kim làm tăng độ bền của đường hàn. 5
  6. 2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động dưới lớp thuốc hàn Phễu rải thuốc hàn ống hút thuốc hàn Về nguyên lý hàn tự động Dây hàn Dây hàn trần Má y hàn giống hàn tay, chỉ khác là que Thuốc hàn Thuốc hàn hàn bọc thuốc được thay Hồ quang chìm bằng cuộn dây hàn trần Hình 2.2 Sơ đồ hàn hồ quang (đường kính 25 mm) và quá điện tự động trình hàn được thực hiện bằng máy tự động. Ưu điểm: - Tốc độ hàn nhanh (gấp 5  10 lần hàn tay) - Rãnh chảy sâu nên chất lượng đường hàn tốt. - Kim loại lỏng được phủ lớp thuốc dày nên nguội dần, tạo điều kiện cho bọt khí thoát ra làm đường hàn đặc hơn. - Hồ quang cháy chìm dưới lớp thuốc nên không hại sức khỏe 6
  7. thợ hàn. Nhược điểm: - Chỉ hàn được các đường hàn nằm thẳng hoặc tròn, không dùng được cho các đường hàn đứng và ngược hoặc ở vị trí chật hẹp, trên cao Trong các trường hợp đó dùng phương pháp hàn nửa tự động: máy hàn được di chuyển bằng tay. 7
  8. 3. Hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ Cuộn dây hàn trần được nhả tự Cuộn dây hàn động qua thiết bị hàn dạng khẩu Đ iện cực hàn Khí súng. Khí dẫn từ bình phun ra Bình khí đồng thời khi hàn sẽ bảo vệ kim Khí bảo vệ Cửa khí loại lỏng. Má y hàn Có hai loại khí được dùng: nếu là khí trơ như argon, helium thì Kim loạ i cơ bản phương pháp hàn này gọi tên là Hình 2.3 Hàn hồ quang điện MIG (metal inert gas) nếu dùng trong khí bảo vệ khí cacbonic thì gọi là MAG (metal active gas). Đối với thép thông thường dùng cacbonic, hoặc hỗn hợp với khí trơ. Phương pháp này cho hồ quang ổn định, vùng chảy sâu, rộng, tốc độ hàn nhanh. Các dây hàn dùng theo qui định riêng. 8
  9. 4. Hàn hơi Hàn hơi thường dùng để hàn những tấm kim loại mỏng hoặc để cắt thép. Hỗn hợp cháy là khí oxy và axêtylen. Oxy và axêtylen được nén ở hai bình riêng biệt, dùng ống mềm dẫn chúng đến mỏ hàn. Khi hỗn hợp khí này cháy, nhiệt độ lên tới 3200oC làm nóng chảy kim loại cần hàn và thanh kim loại phụ (thay que hàn để lấp đầy rãnh hàn). Khi kim loại lỏng nguội đi tạo thành đường hàn. 9
  10. 5. Các yêu cầu chính khi hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn a. Các yêu cầu chính khi hàn Để đảm bảo chất lượng đường hàn, khi hàn cần thực hiện một số qui định chính sau đây: - Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn; - Cường độ dòng điện phải thích hợp. - Đảm bảo các qui định về gia công mép bản thép; - Có các phương pháp phòng ngừa biến hình hàn; - Chọn que hàn phù hợp. 10
  11. b. Các phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn Đường hàn cần được kiểm tra chất lượng bằng các phương pháp sau: - Kiểm tra bằng mắt: thông thường chỉ phát hiện được những sai sót bên ngoài như mặt đường hàn không đều, lồi lõm, nứt rạn - Dùng các phương pháp vật lý để kiểm tra như: điện từ, quang tuyến, siêu âm các phương pháp này cho kết quả chính xác hơn, được áp dụng cho các loại công trình chịu lực đặc biệt như: bể chứa, đường ống cao áp 11
  12. Đ2. Các loại đường hàn và cường độ tính toán 1. Các loại đường hàn 1.1. Đường hàn đối đầu a) c) a. Cấu tạo: Đường hàn đối đầu liên kết trực tiếp hai cấu kiện b) cùng nằm trong một mặt phẳng. Đường hàn đối đầu có thể Hình 2.4. đường hàn đối thẳng góc hoặc xiên góc với trục đầu của cấu kiện. Khi hàn các bản thép dày (t > 8 mm, đối với hàn tay), cần gia công mép của bản. Rãnh hình chữ X hoặc K được hàn ở hai phía. Với rãnh hình chữ V hay chữ U cần Gia cụng mộp hàn thêm ở mặt sau để tránh hiện tượng rónh hàn không hàn đầy. 12
  13. b. Sự làm việc và cường độ tính toán của đường hàn đối đầu. ưu điểm đường hàn đối đầu là truyền lực tốt, đường lực không bị dồn ép uốn cong, nên ứng suất tập trung rất nhỏ. Khi đó cư- ờng độ tính toán của đường hàn đối đầu được lấy như sau: - chịu nén, không phụ thuộc vào phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn: f wc f . - chịu kéo, nếu dùng các phương pháp vật lý kiểm tra chất lượng đường hàn: f wt f ; bằng các phương pháp thông thường đơn giản: f wt 0,85 f . - chịu cắt: f wv fv . 2 Ví dụ: đối với thép CCT34 có f wc = 2100 daN / cm ; f wt = 1800 2 2 daN / cm ; f wv = 1200 daN / cm . 13
  14. 1.2. Đường hàn góc a.Cấu tạo. Đường hàn góc nằm a) b) t ở góc vuông tạo bởi hai cấu f  f t h t h  kiện cần hàn, tiết diện là một t tam giác vuông cân, hơi phồng h f Hình 2.5. Đường hàn góc ở giữa, cạnh của tam giác gọi là chiều cao đường hàn.  a)  b) f h f h f Khi chịu tải trọng động, để f f giảm ứng suất tập trung trong h đường hàn góc đầu dùng đường h f 1,5hf hàn lõm hoặc đường hàn thoải Hình 2.6. Đường hàn lõm và với tỷ số giữa hai cạnh của đ- đường hàn thoải ường hàn là 1:1,5 (hình 2.6b). 14
  15. Chiều cao h 1,2t ; h h . f min f f min Bảng 2.3. Chiều cao nhỏ nhất của đường hàn góc h , mm f min hf min khi chiều dày của bản thép dày t mm max 6 - 11 - 17 - 23 - 33 - 41 - 4 - 6 10 16 22 32 40 80 Tay 4 5 6 7 8 9 10 Tự động, nửa 3 4 5 6 7 8 9 tự động l w Tùy theo vị trí của đường hàn a) b) N N N N w so với phương của lực tác l dụng mà chia ra: Hình 2.7. Các loại đường hàn - Đường hàn góc cạnh. góc - Đường hàn góc đầu. a) đường hàn góc cạnh; b) 15
  16. đường hàn góc đầu. b) Sự làm việc của đường hàn góc Đường hàn góc cạnh khi A B A - A B - B truyền lực thì hướng của đường N N lực trong liên kết thay đổi phức   A B  tạp. ứng suất phân bố không  đều theo chiều rộng, chiều dài Hình 2.8. Sự phân bố ứng suất của bản thép cũng như dọc trong đường hàn góc cạnh a) b) 2 f hf theo đường hàn. Hai mút của 1 N f h s đường hàn chịu  . Để giảm N  max hf bớt sự phân bố không đều của Hình 2.9. Dạng phá hoại và ứng suất, không được dùng tiết diện làm việc của đường đường hàn quá dài. Thực chất hàn đường hàn góc cạnh chịu đồng a) dạng phá hoại của đường 16
  17. thời cả ứng suất cắt và uốn. hàn góc cạnh; b) các tiết diện làm việc Đường hàn góc đầu truyền lực đều theo bề rộng của liên kết nhưng trong đường hàn lực bị uốn cong và dồn ép ở phía chân đường hàn, vì vậy tại đây ứng suất tập trung rất lớn. Khi làm việc, đường hàn góc đầu chịu đồng thời cả cắt, kéo, uốn. Trong tính toán coi như đường hàn góc đầu và góc cạnh chỉ chịu cắt qui ước và phá hoại theo một trong hai tiết diện dọc theo kim loại đường hàn (TD 1) hoặc theo biên nóng chảy của 17
  18. thép cơ bản (TD 2). c) Cường độ tính toán của đường hàn góc. ứng với tiết diện 1 cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn là f wf , ứng với tiết diện 2 cường độ chịu cắt tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy là f ws =0,45 fu . Bảng 2.4 - Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn f wun và cường độ tính toán f wf của kim loại hàn trong mối hàn góc Cường độ kéo đứt Loại que hàn Cường độ tính toán theo TCVN tiêu chuẩn f ( 2 wun f (daN / cm ) 3223:1994 daN / cm2) wf N42, N42 - 6B 4100 1800 N46, N46 - 6B 4500 2000 N50, N50 - 6B 4900 2150 Ký hiệu que hàn trong bảng 2.4 như sau: chữ N ở đầu chỉ loại 18
  19. que hàn. Nhóm hai chữ số sau chỉ độ bền kéo thấp nhất của mối hàn (daN / mm2 ). Sau gạch ngang là chữ số chỉ dòng điện, chữ cái cuối cùng chỉ nhóm thuốc bọc (axit, bazơ ) 1.3. Các cách phân loại đường hàn khác - Theo công dụng có đường    IV  II        hàn chịu lực và đường hàn   I không chịu lực. III - Theo vị trí trong không gian. Hình 2.11. Vị trí đường hàn - Theo địa điểm chế tạo có trong không gian đường hàn nhà máy và đường I- đường hàn nằm; II- đường hàn công trường. hàn đứng; III- đường hàn ngược; IV- đường hàn ngang. - Theo tính liên tục của đường hàn. Trong đường hàn không liên tục khoảng cách amax giữa hai đường hàn như sau: 19
  20. amax ≤ 15.tmin đối với các cấu kiện chịu nén; amax ≤ 30.tmin đối với các cấu kiện chịu kéo . Bảng 2.5. Ký hiệu các loại đường hàn Tên gọi Đường hàn nhà Đường hàn công máy trường Đường hàn đối đầu Đường hàn góc Đường hàn góc đứt a a a a a a a a đoạn 20
  21. Đ3. Các loại liên kết hàn và phương pháp tính toán Theo cách cấu tạo chia ra liên kết đối đầu, liên kết ghép chồng, liên kết có bản ghép, liên kết hỗn hợp. 1. Liên kết đối đầu 1.1. Cấu tạo a) b) t t w NN NNl w l  t  t t t Hình 2.12. Liên kết hàn đối đầu chịu lực trục a) đường hàn đối đầu thẳng; b) đường hàn đối đầu xiên. - dùng để liên kết trực tiếp hai cấu kiện. - thường dùng để nối các bản thép, ít dùng để liên kết các thép hình vì khó gia công mép cấu kiện. - ưu điểm: truyền lực tốt, cấu tạo đơn giản và không tốn thép. 21
  22. - nhược điểm: phải gia công mép các bản thép. 1.2. Tính toán liên kết hàn đối đầu a) Khi chịu lực kéo, nén dọc trục: Dưới tác dụng của lực dọc trục N ứng suất sẽ phân bố đều trên tiết diện của đường hàn. a) Đường hàn đối đầu thẳng góc công thức t NN w kiểm tra bền: l  N N t  w = f wt . c (2.1) t Aw ( tlw ) trong đó: Aw t.lw;t - bề dày tính toán của đường hàn; lw= l - 2t; f wt – cường độ tính toán của đường hàn đối đầu khi chịu kéo (nếu N là lực nén thì dùng f wc ). Khi f wt <f, ta tăng độ bền của nó bằng cách dùng đường hàn xiên. 22
  23. Đường hàn đối đầu xiên được kiểm tra bền b) t w theo các công thức sau: NNl t  N sin  w = f wt( wc ). c t ( tlw ) (2.2); N cos  w = fwv . c ( tlw ) b (2.3); l = -2t w sin b) Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của mômen uốn M đ- ược kiểm tra bền theo công thức: M  w = f wt c (2.4) Ww c) Khi liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng đồng thời của 23
  24. mômen uốn M và lực cắt V độ bền của nó được kiểm tra theo b) V w t ứng suất tương đương  tđ 2 2 w  tđ = w 3  w 1,15.f wt c(2.5) l M M M 6M trong đó:  = t w 2 w W tl V w w (2.6); Hình 2.13. Liên kết hàn V V đối đầu chịu M và Q  w= (2.7) Aw lw .t Hệ số 1,15 kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo trong đường hàn. 24
  25. 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn góc   t 2.1. Cấu tạo t a) c) Hai cấu kiện đặt chồng lên N N nhau, dùng đường hàn góc a>5t min   t liên kết chúng lại. Đoạn t d) chồng lên nhau a lấy theo b) yêu cầu bố trí đường hàn, a ≥ 5tmin. Hình 2.15. Liên kết ghép chồng Trong liên kết ghép chồng có thể dùng đường hàn góc cạnh hoặc đường hàn góc đầu. Liên kết ghép chồng thường dùng để nối các thép bản có chiều dày nhỏ (t=25mm), để liên kết thép hình và thép bản. 25
  26. 2.2. Tính toán liên kết ghép chồng chịu lực trục   t Khi chịu lực trục N. Đối với liên kết t các thép bản trong cả hai trường hợp a) đường hàn góc cạnh và góc đầu coi N N như ứng suất phân bố đều dọc theo đ- a>5t min   ường hàn và bị phá hoại do cắt. Độ t t bền của đường hàn được kiểm tra: b) N Tiết diện 1: fwf. c (2.8)  fh f l w N Tiết diện 2: f ws . c (2.9)  sh f l w trong đó: hf : chiều cao đường hàn góc; lw - tổng chiều dài tính toán của các đường hàn, lw=l-10mm;  f ,  s – các hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn ứng với các tiết diện 1 và 2 lấy theo bảng 2.6. Khi hàn tay  f =0,7;  s =1; 26
  27. Khi thiết kế nên chọn trước hf , từ đó tính ra tổng chiều dài N cần thiết của các đường hàn: lw , (2.10) hf ( f w ) min  c Chiều dài lw cần thỏa mãn các yêu cầu sau: - lwmin≥ {4 hf ,40 mm}; - riêng với đường hàn góc cạnh lw ≤85 f hf Trường hợp liên kết thép hình do l w1 lực trục N được đặt theo trục của thép 1 N1 e góc, lệch tâm giữa hai đường hàn nên N 2 lực tác dụng vào mỗi đường hàn sẽ e N2 l w2 chia ra N1 và N2. Hình 2.16. Liên kết thép Giá trị của lực N1 = kN để tính góc với thép bản đường hàn sống, và N2 = (1 - k)N để tính đường hàn mép. 27
  28. Bảng 2.7. Hệ số phân phối nội lực N khi liên kết các thép góc với thép bản Cách liên Loại thép góc k 1 - k kết Đều cạnh 0,70 0,30 Không đều cạnh hàn 0,75 0,25 theo cạnh ngắn Không đều cạnh hàn 0,60 0,40 theo cạnh dài 28
  29. 3. Liên kết có bản ghép 3.1. Cấu tạo Liên kết có bản ghép có ưu điểm là không phải gia công mép cấu kiện nhưng lại tốn thép làm bản ghép. Ngoài ra, trong liên kết có ứng suất tập trung lớn vậy không nên dùng để chịu tải trọng động. Để giảm ứng suất tập trung ở các góc vuông người ta cắt vát cạnh của bản ghép (hình2.18.d) và để lại đoạn 50mm không hàn. Liên kết có bản ghép có thể dùng cho thép bản hay thép hình.   a)   t t a) c)   t b) 10-20   Cắt vá t  b b) d)  0 5 c) Cắt vá t b >5t 1 50mm Hình 2.18. Liên kết có bản ghép đối với thép Hình 2.19. Liên kết cơ bản ghép đối với tấm thép hình 29
  30. 3.2. Tính toán liên kết hàn có bản ghép chịu lực trục Việc kiểm tra bền của liên kết có bản ghép được tiến hành theo hai điều kiện: - Kiểm tra độ bền của các bản ghép:  Abg A, (2.11) trong đó: Abg : tổng diện tích tiết diện các bản ghép; A :diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản; - Kiểm tra độ bền các đường hàn góc theo hai tiết diện 1 và 2 bằng các công thức (2.8), (2.9). 30
  31. 4. Tính toán liên kết hàn với đường hàn góc chịu M và Q Điều kiện bền của đường hàn được kiểm tra: Khi chỉ có mômen uốn M tác dụng: - tính theo tiết diện 1: l 2 M  w Wwf =  fh. f ;  1M = fwf . c (2.14) 6 Wwf 2 lw - tính theo tiết diện 2: Wws =  sh. f 6 M  1M = fws . c (2.15) Awf = fh. f lw ; Aws =  sh. f lw Wws Khi chỉ có lực cắt V tác dụng: V - tính theo thép đường hàn (tiết diện 1):  1V = fwf . c Awf (2.16) 31
  32. V - thép cơ bản trên biên nóng chảy (TD 2):  2V = fws . c Aws (2.17) Khi cả mômen uốn M và lực cắt V tác dụng đồng thời: 2 2 M V - theo tiết diện 1 :  = f . (2.18) tđ wf c Wwf Awf 2 2 M V - theo tiết diện 2 :  tđ = fws . c (2.19) Wws Aws 32
  33. 5. Liên kết hỗn hợp 5.1. Cấu tạo a) b) 0 Liên kết hỗn hợp là liên kết đối đầu 5 50mm  t có thêm các bản ghép với các đường t  hàn góc. Bản ghép dùng tăng cường t cho đường hàn đối đầu khi nó không Hình 2.20. Liên kết hỗn đủ chịu lực. hợp 5.2. Tính toán liên kết hỗn hợp chịu lực trục - Khi tính toán liên kết hỗn hợp chịu lực trục N coi như ứng suất trong đường hàn đối đầu bằng ứng suất trong các bản ghép. Điều kiện bền của liên kết được kiểm tra theo công thức: N  w = f wt( c ). c (2.12) AA  bg A – diện tích tiết diện thép cơ bản;  Abg - tổng diện tích tiết diện 33
  34. các bản ghép a) b) 0 5 50mm  t t  t - Khi thiết kế, chọn trước bản ghép, bố trí đường hàn đối đầu, sau đó tính lực truyền qua bản ghép Nbg =  w. Abg. Tổng chiều dài cần thiết của đường hàn góc để liên kết một bản Nbg ghép ở một phía của liên kết: lw (2.13) ( fw ) min h f  c 34
  35. Đ4. ứng suất hàn và biến hình hàn a) 1. Sự phát sinh ứng suất hàn và b) biến hình hàn Khi hàn xong, do ảnh hưởng Hình 2.22. ứng suất hàn và của nhiệt độ, cấu kiện thường bị biến hình hàn a) ứng suất co ngót ngang; b) cong vênh, hiện tượng đó gọi là ứng suất co ngót dọc biến hình hàn. Trong thép cơ bản và trong đường hàn nảy sinh nội ứng suất gọi là ứng suất hàn. 35
  36. Xét một tấm thép có đường hàn tại mép. Khi hàn thép bị đốt nóng đến nhiệt độ nóng chảy. Biến dạng dài của thép: l .l. t ( - hệ số giãn nở nhiệt; t = t1 - t2) Hiệu số giữa biến dạng quy ước (e- e) và biến dạng thực (m-m) chính là biến dạng dư của dải li = le- lm. Các biến dạng này gây nên ứng suất khi Hình 2.23. a) biến hình E l hàn và ứng suất hàn khi hàn ( E. = i ). Nơi có t 0 600oC l hàn; b) biến hình và ứng i suất hàn thép hóa dẻo, mất tính bền (các dải biến dạng tự do),  f =0. 36
  37. Khi nguội, đường cong nhiệt độ e - e sẽ giảm và san đều dần. Phần thép sát đường hàn chịu kéo và vùng lân cận chịu nén. Khi hàn đối đầu hai tấm thép, biểu đồ ứng suất co ngót dọc  y sẽ là cộng của hai biểu đồ ứng suất. a) x b) 4 y Đồng thời do đường hàn ngăn cản 3 x 2 sự biến dạng của hai tấm thép nên 1 phát sinh ứng suất co ngót ngang y  . Vùng giữa tấm thép, xu hướng Hình 2.24. Biểu đồ ứng suất x hàn trong đường hàn đối đầu 37
  38. uốn cong lõm của tấm thép bị ngăn cản nên phát sinh ứng suất kéo, hai đầu tấm là ứng suất nén. 2. Các biện pháp làm giảm ứng suất hàn và biến hình hàn ứng suất hàn tự cân bằng và trong giai đoạn làm việc dẻo của vật liệu, chúng sẽ bị san đều, vì vậy không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của liên kết. Tuy nhiên, ở trạng thái ứng suất phẳng và ứng suất khối ứng suất hàn làm tăng khả năng phá hoại giòn của kết cấu. Biến hình hàn làm mất công sửa chữa cấu kiện. Để thực hiện điều đó có thể dùng các biện pháp sau: Biện pháp cấu tạo - Giảm số lượng đường hàn đến mức tối đa; - Không nên dùng đường hàn quá dày; - Tránh tập trung đường hàn vào một chỗ, tránh đường hàn kín hoặc cắt nhau. 38
  39. Biện pháp thi công - Chọn trình tự hàn thích hợp; - Tạo biến dạng ngược trước khi hàn; - Dùng khuôn cố định không cho kết cấu biến dạng khi hàn. 39
  40. B. LIấN KẾT BU LễNG Đ5. Các loại bulông dùng trong kết cấu thép 1. Cấu tạo chung của bulông h=0,6d Đường kính bulông thường d = 12 30° d d  7 48 mm, với bulông neo d tới , o d 1 2 d = 100mm. Đường kính trong của D h=0,6d l o S phần bị ren là do, chiều dài của l phần thân không ren nhỏ hơn Hình 2.26. Cấu tạo của bulông chiều dày tập bản thép liên kết khoảng 23 mm. lo≈2,5d. Chiều dài bulông l = 35300 mm. Mũ, êcu của bulông thường có dạng hình lục giác. Long đen hình tròn. Theo cách sản xuất, vật liệu và tính chất làm việc của bulông 40
  41. chia loại sau: bulông thô, bulông độ chính xác bình thường (bulông thường), bulông độ chính xác cao (bulông tinh, bulông chính xác), bulông cường độ cao, bulông neo. Bulông cho các công trình thông thường nên dùng cấp độ bền 4.6; 4.8; 5.6. 2. Bulông thô và bulông thường Được sản xuất từ thép cacbon bằng cách rèn, dập. Độ chính xác thấp nên đường kính thân bulông phải làm nhỏ hơn đường kính lỗ 23 mm. Lỗ của loại bulông này được làm bằng cách đột hoặc khoan từng bản riêng rẽ. Đột thì mặt lỗ không phẳng, phần thép xung quanh lỗ 23mm 41
  42. bị giòn vì biến cứng nguội. Độ chính xác không cao, bulông không thể tiếp xúc chặt với thành lỗ (ký hiệu lỗ loại C). Loại bulông này rẻ, sản xuất nhanh và dễ đặt vào lỗ nhưng chất lượng không cao. 3. Bulông tinh Được sản xuất từ thép cacbon, thép hợp kim thấp bằng cách tiện, độ chính xác cao. Đường kính lỗ không lớn hơn đường kính bulông quá 0,3mm. Để tạo lỗ, dùng máy khoan từng bản riêng rẽ hoặc khoan cả chồng bản theo khuôn mẫu đến đường kính thiết kế. Khi bản thép mỏng có thể đột từng bản riêng tới đường kính lỗ nhỏ hơn đường kính thiết kế từ 23mm, sau đó khoan mở rộng cả chồng bản đã đột đến đường kính thiết kế. 42
  43. Lỗ bulông tinh nhẵn, chất lượng cao (ký hiệu lỗ loại B). Khe hở giữa bulông và lỗ nhỏ nên liên kết chặt, có thể làm việc chịu cắt tuy không bằng bulông cường độ cao hoặc đinh tán. Do tính phức tạp khi sản xuất và lắp đặt bulông nên loại bulông này ít dùng. Bulông tinh có các lớp độ bền tương tự bulông thô và bulông thường. 4. Bulông cường độ cao Bulông cường độ cao được làm từ thép hợp kim (40Cr; 38CrSi; 40CrVA; 30Cr 3MoV), sau đó cho gia công nhiệt. Cách sản xuất bulông cường độ cao giống bulông thường, có độ chính xác thấp, nhng do được làm bằng thép cường độ cao nên có thể vặn êcu rất chặt làm thân bulông chịu kéo và 43
  44. gây lực ép rất lớn lên tập bản thép liên kết. Khi chịu lực, giữa mặt tiếp xúc của các bản thép có lực ma sát lớn chống lại sự trượt tương đối giữa chúng. Lực truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác chủ yếu do lực ma sát. Cần gia công mặt các cấu kiện liên kết để tăng tính ma sát. Bulông cường độ cao dễ chế tạo, khả năng chịu lực lớn, liên kết ít biến dạng nên được dùng rộng rãi và thay thế cho liên kết đinh tán trong các kết cấu chịu tải trọng nặng và . 44
  45. Đ6. Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông 1. Sự làm việc chịu trượt của liên kết bulông thô, bulông thường và bulông tinh (chế tạo từ thép thường) 1.1 Các giai đoạn chịu lực Do vặn êcu nên bulông chịu kéo và a) b) các bản thép bị xiết chặt, giữa mặt tiếp xúc của các bản thép hình b) thành lực ma sát. Với bu lông thường, lực ma sát này không đủ lớn để tiếp nhận hoàn toàn lực trượt do Hình 2.27. Sự làm việc tải trọng ngoài gây nên. Khi chịu lực của liên kết bulông trượt sự làm việc của các loại bulông này chia làm bốn giai đoạn. 45
  46. Giai đoạn 1: lực trượt do ngoại lực gây ra còn nhỏ hơn lực ma sát, các bản thép chưa bị trượt, bulông chưa chịu tải ngoài lực kéo ban đầu. Giai đoạn 2: tăng tải trọng ngoài, lực trượt bắt đầu lớn hơn lực ma sát, các bản thép trượt tương đối với nhau, thân bulông tì sát vào thành lỗ. Giai đoạn 3: lực trượt truyền qua liên kết chủ yếu bằng sự ép của thân bulông lên thành lỗ. Thân bulông chịu cắt, uốn và kéo. Giai đoạn 4: lực trượt tăng tiếp, độ chặt của liên kết giảm dần, lực ma sát yếu đi, liên kết chuyển sang làm việc trong giai đoạn dẻo. Liên kết có thể bị phá hoại do cắt ngang thân đinh hoặc đứt bản thép. 46
  47. a) b) b) Từ đó có thể xác định khả năng chịu lực của bulông theo một trong hai trường hợp sau: - Khả năng chịu cắt. - Khả năng chịu ép mặt quy ước. 1.2. Khả năng làm việc chịu cắt của bulông Khả năng chịu cắt của một a) b) bulông được tính theo công thức: Hình 2.28. Sự phá hoại do cắt của bulông Nvb fvb . b .A.nv (2.20) trong đó: fvb - cường độ tính toán chịu cắt của vật liệu bulông; 47
  48.  b- hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulông;. d 2 A = - diện tích tiết diện ngang của thân bulông (phần 4 không bị ren), lấy theo bảng 2.9; nv - số lượng mặt cắt tính toán của bulông. 1.3. Khả năng làm việc chịu ép mặt của bulông Nếu khoảng cách giữa các lỗ bulông hoặc từ lỗ bulông đến mép bản thép quá ngắn thì bản thép có thể bị phá hoại trượt. Sự ép mặt này có ứng suất cục bộ  cb phân bố không đều theo chu vi lỗ, tại điểm 1 có  cb max , tại điểm 2 có  cb = 0. Đồng thời trong bản thép tồn tại các ứng suất  x ,  y và cũng phân bố không đều, ở mép lỗ có sự tập trung ứng suất  x lớn nhất. 48
  49. Khả năng chịu ép mặt của một bulông l 3 khi kể cả hệ số điều kiện làm việc là: x 2 em Ncb = S. b = d.t.fcb. b 1 x 2 Trường hợp tổng quát khi liên kết có y nhiều bản thép: Ncb= d t min fcb  b 3 a (2.22) y Khi chịu lực, sự tập trung ứng suất Hình 2.29. Sự làm việc quanh lỗ bulông thô và bulông thường ép mặt của bulông lớn hơn, vì vậy fcb của chúng bé hơn của bulông tinh. 2 Ví dụ: với CT34, fcb= 3950daN/cm đối với bulông thô và thường; fcb = 4350daN/cm2 đối với bulông tinh. 49
  50. 2. Sự làm việc chịu trượt của liên kết bulông cường độ cao Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào lực kéo P của N N bulông do xiết chặt êcu (chính là lực ép lên mặt bản thép) Hình 2.30. Sự làm việc chịu trượt của bulông cường độ cao P = fhb . Abn (2.23) Khả năng chịu trượt của một bulông cường độ cao được xác  định bằng công thức: N b = fhb. Abn . b1 n f ,  b2 (2.24) trong đó: fhb – cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu bulông, fhb = 0,7 fub; Abn – diện tích thực của tiết diện thân bulông lấy theo bảng 2.9;  b1– hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulông, giá trị phụ thuộc số lượng bulông chịu lực na trong liên kết:  b1= 0,8 nếu na<5; b1 50
  51.  b1 =0,9 nếu 5 na<10; = 1,0 nếu na 10.  - hệ số ma sát lấy theo bảng 2.10;  b2 – hệ số độ tin cậy của liên kết lấy theo bảng 2.10; n f – số lượng mặt phẳng ma sát tính toán. 3. Sự làm việc của bulông khi chịu kéo Chất lượng của lỗ và bề mặt thân bulông N không ảnh hưởng đến khả năng chịu kéo của bulông. Lực kéo ban đầu (N0 ) trong thân bulông do xiết êcu cũng không làm giảm khả năng N/2 N/2 chịu ngoại lực kéo của bulông. Khi tác dụng Hình 2.31. Sự làm vào liên kết ngoại lực kéo N, làm cho lực ép việc chịu kéo của giữa các bản thép giảm xuống chỉ còn bulông ' NNN0 0 . 51
  52. ' Tổng lực kéo trong bulông Nbl = N + N0 = N + No - N = N0. ' Khi N = No có N0 = 0 nên Nbl = N. Vậy chỉ khi N > No bulông mới chịu kéo với tải trọng ngoài. Bulông bị phá hoại khi ứng suất trong thân bulông đạt đến cường độ tính toán chịu kéo của vật liệu làm thân bulông. Khả năng chịu kéo của một bulông được tính: Ntb = Abn . ftb (2.25) trong đó: Abn – diện tích thực của tiết diện thân bulông lấy theo bảng 2.9; ftb – cường độ tính toán của bulông khi làm việc chịu kéo. 52
  53. Đ7. Cấu tạo của liên kết bulông 1. Các hình thức cấu tạo của liên kết bulông a) b) a) Thép góc ghép d) c) b) Bản ghép c) d) Hình 2.32. Liên kết thép bản bằng Hình 2.33. Nối thép hình bằng bulông bulông a) b) Hình 2.34. Liên kết thép hình với thép bản 53
  54. - trên đường đinh. nhau cạnh bulông hai giữa - với phương của lực tác dụng. góc vuông nằm đinh - của lực tác dụng. với nằm phưsong song - nằm trên một đường thẳng. dãy đinh: dãy 2. ưn đinh đường b àg đinh: hàng le. so và song song trí bố ư c đinh: ớc Bố trí bulông: c ác đường đinh đường ác k : on cách hoảng á bulông các á đường các ơng )Kon ách max cá 2)Khoảng 1) Khoảng cá ch min ch cá 1) Khoảng N a) 54 N c) Cấu kiện chịu kéo 4d t12t 8t 1,5d 2,5d 2,5d 2,5d 2d e) Hình 2.35. Bố trí bulông 2.35. Bố Hình 8d 16d 2,5d b>100 b>100 b<100 24t 2,5d 16d 24t 2,5d 4d 16d 16d 8t 24t 24t N N a1 a2 a1 a2 a N b) 2 ,5 N d 4d d) Cấu d) kiện chịu nén 8t 1,5d 2,5d 2,5d 2d n 12t 8d 12d 2,5d n 18t a a 2,5d 16d 18t a 4d 16d 16d 8t 18t 18t N N
  55. 3. Phương pháp xiết bulông thường và bulông cường độ cao. a) Bulông thường được xiết đủ chặt để đảm bảo có sự tiếp xúc tốt giữa các bề mặt, không cần khống chế lực xiết. Đủ chặt là do một công nhân dùng clê cán dài thông thường (khoảng 300mm), hoặc khi dùng máy xoay đập thì là khi máy bắt đầu đập. b) Bulông cưòng độ cao (bulông lực xiết khống chế): cần xiết với toàn bộ lực căng P quy định. Các phương pháp khống chế lực xiết là: - Phương pháp dùng clê đo lực (clê mômen), có đồng hồ cho biết mômen xoắn, từ đó có các bảng để tra ra lực căng của bulông. Nói chung, phương pháp này nhanh và rẻ nhưng không chính xác. 55
  56. - Phương pháp quay thêm êcu. Mới đầu dùng clê lực xiết đến mômen xoắn khoảng 40; 60 hoặc 70% lực kéo cần thiết P của bulông. Sau đó tăng lực kéo bằng cách vặn tiếp êcu một góc tương Phương phỏp quay thờm ờcu ứng 1200; 900 hoặc 600 so với vị trí ban đầu. Phương pháp này cho độ chính xác cao hơn so với phương pháp chỉ dùng clê đo lực, đảm bảo lực căng đều hơn giữa các bulông. 56
  57. - Phương pháp đo trực tiếp: dùng vòng đệm cứng, hình dạng đặc biệt, có các mấu lồi Vòng đệm có mấu lồi Truớc khi xiết Sau khi xiết Hình 2.36. Vòng đệm có mấu lồi và nguyên tắc xiết bulông 57
  58. Đ8. Tính toán liên kết bulông 1. Tính liên kết bulông khi chịu lực trục a. Chọn đường kính bulông và kích thước các bản ghép Các liên kết trong cùng một cấu kiện chỉ nên dùng một loại đường kính bulông. Trong các công trình thông thường nên dùng bulông d = 2024 mm, công trình nặng dùng bulông có d= 2430 mm. Kích thước bản ghép chọn sao cho  Abg A, (2.26) trong đó: Agb – tổng diện tích tiết diện ngang của các bản ghép; A – diện tích tiết diện của cấu kiện được liên kết. Bản ghép Chiều rộng và dài của các bản ghép lấy N N theo điều kiện bố trí đủ số bulông cần thiết. Nên bố trí số bulông theo hàng tối đa để truyền lực đều theo chiều ngang N N cấu kiện (vuông góc với phương của lực). Hình 2.37. Liên kết bulông chịu lực trục 58
  59. b. Tính toán số lượng bulông theo chịu cắt và ép mặt Đối với bulông thô, bulông thường và bulông tinh, số lượng bulông cần thiết: N n (2.27); Nminb=min{Nvb ,Ncb} [N]minb c Công thức kiểm tra bền của liên kết: N [N]  (2.28) n minb c Cấu kiện cơ bản bị giảm yếu do lỗ 1 bulông, kiểm tra bền các bản thép theo N công thức: m N f. bl (2.29) An 1 Hình 2.38. Kiểm tra bền bản thép 59
  60. trong đó: An diện tích tiết diện thực của bản thép được lấy như sau: đối với bulông thô, bulông thường và bulông tinh: - Khi bulông bố trí song song, tiết diện kiểm tra là tiết diện 1-1: An= A- A1, trong đó A1=m.t.d1 là diện tích giảm yếu do các lỗ bulông gây ra, t- chiều dầy cấu kiện mỏng nhất; d1- đường kính lỗ bulông. s s - Khi bố trí bulông dạng a) b) 1 so le thì diện tích giảm 2 yếu lấy trị số lớn hơn u 3 trong hai trị số sau: u + Giảm yếu do các lỗ 4 u xếp trên đường thẳng 5 1-5; Hình 2.39 - Cách xác định diện tích thực + Tổng diện tích ngang của các lỗ nằm trên đường chữ chi 60
  61. 1-2-3-4-5 trừ đi lượng s2t/(4u) cho mỗi đoạn đường chéo giữa các lỗ;  bl – hệ số điều kiện làm việc, cho phép kể đến sự làm việc dẻo của liên kết. Đối với bulông cường độ cao số lượng bulông cần thiết được N tính theo công thức:na (2.30) [N]tb  c trong đó Ntb - khả năng chịu lực trượt của một bulông. Kiểm tra bền bản thép bị giảm yếu do các lỗ bulông cũng được tiến hành theo (2.29) nhưng do một phần của lực trượt được tiếp nhận bằng lực ma sát nên diện tích tính toán An có khác đi: Khi chịu tải trọng tĩnh: An = A nếu An 0,85A; Khi An < 0,85A tính theo diện tích qui ước Ac =1,18 An. Khi chịu tải trọng động: dùng An để tính toán. 61
  62. Khi tính lấy  bl = 1 vì liên kết bulông cường độ cao không làm việc đàn dẻo. 2.Tính toán liên kết bulông chịu kéo Khi liên kết bulông làm việc chịu kéo N số lượng bulông cần thiết n được tính N theo công thức: n , (2.31) N tb  c trong đó N - lực kéo tác dụng vào liên N/2 N/2 kết; Ntb – khả năng chịu kéo của một Hình 2.31. Sự làm việc chịu bulông tính theo (2.25); kéo của bulông Trong bài toán kiểm tra bền, số lượng bulông n đã biết nên N công thức kiểm tra có dạng: N   (2.32) n tb c 62
  63. Khi bulông chịu cả cắt và kéo đồng thời, độ bền của chúng được kiểm tra riêng rẽ theo các công thức (2.28) và (2.32). 3. Tính toán liên kết bulông chịu mômen và lực cắt Các mối liên kết bulông chịu M a)V V b)  max thường có chiều cao >> bề rộng i 2 1 i l l l vùng liên kết. Gần đúng trong   tính toán coi M cân bằng với tổng các cặp ngẫu lực tác dụng lên Hình 2.40. Liên kết bulông những dãy đinh nằm đối xứng chịu mômen và lực cắt nhau qua trục của liên kết. M =  Nili = N1l1 + N2l2 + + Nili + , (2.33) N1l i Các lực Ni có thể được tính qua N1: Ni l1 63
  64. N1 2 2 2 Thay giá trị Ni vào (2.33): M l1 l2 li l1 Mlmax N1=Nmax= 2 li Gọi số lượng bulông trên một dãy ở một phía của liên kết là m, ta có lực lớn nhất tác dụng lên một bulông do M: N maxMl max NblM = 2 (2.35) m m li Mlmax Điều kiện bền: NblM 2 Nminb. c (2.36) m li Trong đó Nminb=min{Nvb ,Ncb}. 64
  65. Với bulông cường độ cao Nminb=N btính theo công thức (2.24). Khi liên kết bulông chịu đồng a)V V b)   thời cả M và V, trong tính toán coi  max như V tác dụng đều lên các i 2 1 i l l l V   bulông: N (2.37) blV n n -số lượng bulông trên một nửa liên kết. Hình 2.40. Liên kết bulông Công thức kiểm tra bền của chịu mômen và lực cắt bulông do tác dụng đồng thời cả M và V: 2 2 Nbl = NNblM blV Nminb. c (2.38) Khi thiết kế nên bố trí trước số bulông theo phương bề rộng của cấu kiện để xác định các li. Từ đó tính được giá trị Nmax tìm sơ 65
  66. N bộ số bulông cần thiết m= max (2.40) [N]minb 4. Ký hiệu bulông, đinh tán trên bản vẽ Bảng 2.12. Ký hiệu bulông, đinh tán Dạng lỗ Ký Dạng lỗ bulông, Ký bulông, hiệu đinh tán hiệu đinh tán d = 23 Bulông cố định Lỗ tròn (thô, thờng, tinh) 20 5 2 Bulông tạm (thô, Lỗ ôvan thường, tinh) d = 22 Đinh tán Bulông cường độ mũ cầu cao 66
  67. C - LIấN KẾT ĐINH TÁN Đ 1. KHÁI NIỆM CHUNG 1. Cấu tạo của đinh tỏn và liờn kết đinh tỏn: 1.1. Đinh tỏn: Là đoạn thộp trũn một đầu tạo mũ sẵn, một đầu tỏn thành mũ sau khi tra đinh vào liờn kết. Chế tạo: dựng thộp cắt thành từng đoạn rồi dựng phương phỏp Hỡnh 2.28. Liờn kết đinh tỏn dập hay rốn để chế tạo mũ đinh. Vật liệu: cỏc loại thộp dẻo CT2, CT3 hoặc thộp hợp kim thấp 09Mn2). 67
  68. 1.1.2. Cấu tạo đinh: - Chiều dài của đinh: Gồm 2 phần: * Phần lấp đầy lỗ đinh sau khi tỏn xong * Phần tạo mũ. lđ 1,12. 1,4d( mm ) (2.25) * Đường kớnh lỗ. d d0 (11,5 )( mm ) (2.26) Với: d0: Đường kớnh đinh. d0 12 14 16 18 20 22 24 27 30 d 13 15 17 19 21 23 25 28,5 31,5 (Kết cấu (Kết cấu (Kết cấu nhẹ) vừa) nặng) Đường kớnh liờn kết đinh tỏn là đường kớnh lỗ gọi là đường kớnh tớnh toỏn. Khi tớnh toỏn cho phộp lấy d dlụ 68
  69. 1.1.3. Cỏc loại đinh tỏn: Đinh tỏn gồm cỏc loại: - Đinh đầu bỏn cầu: Dựng phố biến nhất Hỡnh 2.29: Cỏc loại đinh - Đinh đầu chỡm; tỏn - Đinh đầu nửa chỡm; - Đinh đầu cao: Dựng khi tổng bề dày cỏc bản thộp  5d để trỏnh bị sứt mũ đinh. 69
  70. 1.2. Cỏc phương phỏp tạo lỗ: Cú 3 phương phỏp 1.2.1 Phương phỏp đột: Ký hiệu loại C. 1.2.2 Phương phỏp khoan: Ký hiệu lỗ loại C 1.2.3. Phương phỏp đột rồi khoan: Ký hiệu lỗ loại B 1.2.4. Kỹ thuật tỏn đinh: Cú 2 cỏch: Tỏn núng và tỏn nguội Đ 2. CẤU TẠO LIấN KẾT ĐINH TÁN 2.1 Cỏc hỡnh thức liờn kết đinh tỏn 2.1.1 Nối thộp bản. 2.1.2. Nối thộp hỡnh: 2.2. Bố trớ đinh: 70
  71. Hỡnh 2.34. Bố trớ đinh song Hỡnh 2.35. Bố trớ đinh so le song 71