Đang tải... (xem toàn văn)
(NB) Giáo trình Tính toán kết cấu hàn cung cấp cho người học những kiến thức như: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn; Tính độ bền của mối hàn; Tính ứng suất và biến dạng khi hàn; Tính toán kết cấu dầm trụ; Tính toán kết cấu dàn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.
ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN VĂN NINH (Chủ biên) LÊ TRỌNG HÙNG - VŨ TRUNG THƯỞNG GIÁO TRÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀN Nghề: Hàn Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua, sách đổi mở cửa, chủ động hội nhập kinh tế Đảng Nhà nước mang lại thành tựu to lớn phát triển kinh tế - xã hội Nước ta, làm thay đổi hình ảnh Việt Nam Trường quốc tế Tồn cầu hố kinh tế xu hướng khách quan tạo nhiều hội phát triển cho quốc gia, cho ngành cơng nghiệp, có ngành Cơng nghệ khí chế tạo nói chung ngành Cơng nghệ hàn nói riêng Xuất phát từ nhu cầu đó, Trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – TP Hà Nội luôn đầu việc đổi nội dung, phương pháp dạy học, tổ chức biên soạn giáo trình, thiết kế mơ hình đồ dùng dạy học, đầu tư thiết bị, công nghệ nhằm trang bị cho người học kiến thức, kỹ ứng dụng vào sống Cuốn giáo trình kết cấu hàn biên soạn dựa luận khoa học, kinh nghiệm thực tiễn nhà khoa học chuyên ngành hàn cung cấp nằm chương trình đào tạo nhà trường chương trình khung Bộ lao động Thương binh Xã hội ban hành Nội dung giáo trình tài liệu hữu ích cán quản lý, thiết kế sản xuất; đặc biệt sử dụng cho giáo viên, học sinh - sinh viên Nhà trường lĩnh vực Công nghệ hàn Tuy nhiên sách tránh khỏi hạn chế, chúng tơi đóng góp ý kiến đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày tháng 09 năm 2019 Chủ biên MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn 1.1 Thép định hình 1.2 Thép 11 1.3 Các loại vật liệu thường dùng chế tạo kết cấu hàn 12 Bài 2: Tính tốn độ bền mối hàn 21 2.1 Tính toán kết cấu theo ứng suất cho phép 22 2.2 Tính tốn kết cấu theo phương pháp trạng thái tới hạn 23 2.3 Tính độ bền kéo, nén mối hàn giáp mối 24 2.4 Tính độ bền kéo (nén) mối hàn góc 27 2.5 Tính độ bền uốn mối hàn 28 2.6 Các ví dụ tính tốn 30 Bài 3: Tính ứng suất biến dạng hàn 33 3.1 Các khái niệm ứng suất biến dạng hàn 33 3.2 Tính ứng suất biến dạng hàn giáp mối 34 3.3 Tính ứng suất biến dạng hàn góc 39 3.4 Các biện pháp giảm ứng suất biến dạng hàn 42 Bài 4: Tính tốn kết cấu dầm trụ 44 4.1 Kết cấu dầm 44 4.2 Kết cấu trụ 62 Bài 5: Tính tốn kết cấu dàn 80 5.1 Khái niệm, đặc điểm phân loại dàn 80 5.2 Tính tốn dàn 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Tính tốn kết cấu hàn Mã số mô đun: MĐ 21 Thời gian thực mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 42 giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun: - Vị trí: Mơ đun tính tốn kết cấu hànđược bố trí sau học sinh học xong tất môn học: MH07 - MH13 học song song với mô đun MĐ14 – MĐ 20 - Tính chất: Là mơ đun chun ngành bắt buộc II Mục tiêu mô đun: - Kiến thức: + Nhận biết xác loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn + Giải thích rõ cơng dụng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn Tính tốn vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn gia công kết cấu hàn + Trình bày đầy đủ bước tính ứng suất biến dạng hàn - Kỹ năng: + Tính tốn nghiệm bền cho mối hàn đơn giản như: Mối hàn giáp mối, mối hàn góc, mối hàn hỗn hợp phù hợp với tải trọng kết cấu hàn + Vận dụng linh hoạt kiến thức tình tốn kết cấu hàn vào thực tế sản xuất - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Tuân thủ quy định, quy phạm tính tốn + Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, xác, trung thực sinh viên III Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Số TT Thời gian (giờ) Tên mô đun Tổng số Lý thuyết Thực hành/thực tập/thí nghiệm/bài tập/thảo luận Vật liệu chế tạo kết cấu hàn 2 Tính độ bền mối hàn 15 10 Tính ứng suất biến dạng hàn 15 12 Tính tốn kết cấu dầm trụ 15 12 Tính toán kết cấu dàn 6 Kiểm tra kết thúc Mô đun Cộng 60 Kiểm tra 1 15 42 Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Mục tiêu: Sau học xong này, người học có khả năng: - Nhận biết loại thép định hình U, I, V , thép tấm, loại vật liệu khác nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn - Giải thích cơng dụng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao - Thực tốt cơng tác an tồn vệ sinh phân xưởng - Tuân thủ quy định, quy phạm phân loại vật liệu - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, xác cơng việc Nội dung 1.1 Thép định hình 1.1.1 Thép bon a Phân loại - Thép gang hợp kim đen sắt (Fe), cacbon (C) lượng nhỏ chất oxy (O), phốtpho (P), silic (Si) - Quá trình luyện thép sau: Quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4) luyện lò cao, gang (được hợp kim sắt cacbon với hàm lượng cacbon lớn 1,7%), đưa gang vào luyện lò luyện thép để khử bớt cacbon ta thép b Phân loại theo thành phần hoá học thép Thép cacbon: Hàm lượng cacbon 1,7% khơng có thành phần hợp kim khác Tuỳ theo hàm lượng cacbon chia ra: - Thép cacbon thấp: Lượng cacbon 0,22% Đây loại thép mềm, dẻo, dễ gia công, sử dụng ngành xây dựng - Thép cacbon vừa: Lượng cacbon từ 0,22% đến 0,6% - Thép cacbon cao: Lượng cacbon từ 0,6% đến 1,7% - Thép cacbon vừa cao sử dụng ngành công nghiệp khác - Thép hợp kim: Thêm thành phần kim loại khác Crôm (Cr), kền (Ni), mănggan (Mn) có tác dụng nâng cao chất lượng thép (tăng độ bền, tăng tính chống gỉ ) Tuỳ theo hàm lượng kim loại khác chia ra: - Thép hợp kim thấp: Lượng kim loại thêm vào 2,5% Được sử dụng ngành kết cấu xây dựng - Thép hợp kim vừa cao: Lượng kim loại thêm vào 2,5% c Theo phương pháp luyện thép - Luyện lò (Lò Martin): Thép luyện phương pháp có chất lượng tốt có cấu trúc nhất, nhược điểm phương pháp suất thấp (thời gian luyện mẻ từ đến 12 giờ), giá thành thép cao - Luyện lò quay (lò Bessmer, lò Thomas): Phương pháp có suất cao, chất lượng khơng tốt lẫn tạp chất, bọt khí (thời gian luyện mẻ khoảng 30 phút) nên giá thành thép giảm Để khắc phục nhược điểm phương pháp trên, người ta sử dụng lò quay tiên tiến, vừa cho thép chất lượng tốt, vừa cho suất cao d Theo phương pháp để lắng thép - Thép sơi: Chất lượng thép khơng tốt có nhiều bọt khí làm thép dễ bị phá hoại giịn, lão hoá - Thép tĩnh: Chất lượng thép tốt có thêm chất khử oxy (như silic, mănggan, nhôm) giá thành thép cao - Thép nửa tĩnh: loại thép trung gian thép tĩnh thép sơi 1.1.2 Cấu trúc thành phần hố học thép a Cấu trúc - Thép xây dựng có cấu trúc tinh thể, hợp chất sau tạo thành: - Ferit (Chiếm 99% thể tích): Là sắt nguyên chất, mềm dẻo - Xementit: Là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), cứng giòn - Peclit: Là hợp chất Ferit Xementit - Màng Peclit nằm hạt ferit định làm việc, tính dẻo thép Thép nhiều cacbon màng pelit dày thép cứng b Thành phần hoá học thép - Thép cacbon: Ngoài sắt cacbon, thép xây dựng cịn có thêm thành phần: Mănggan (Mn): Mănggan có tác dụng tăng cường độ độ dai thép Thông thường lượng mănggan chiếm 0,4 – 0,65%, nên khơng lớn q 1,5% thép trở nên giịn - Silic (Si): Silic có tác dụng tăng cường độ thép có nhược điểm làm giảm khả chống ăn mịn tính dễ hàn thép Vì vậy, nên khống chế lượng silic khoảng 0,12 – 0,3% - Lưu huỳnh (S): Chất làm cho thép giịn nóng nên nhiệt độ cao thép chịu tải trọng kém, đồng thời dễ bị nứt hàn - Phốtpho (P): Phốtpho làm cho thép giòn, làm giảm tính dẻo thép - Lưu huỳnh phốtpho hai tạp chất có hại, phải đảm bảo hàm lượng chúng theo quy định: không 0,07% kết cấu thông thường, không 0,05% kết cấu quan trọng - Ngoài cịn có chất khí nitơ (N), oxy (O) khơng khí hồ vào kim loại lỏng làm thép giịn, giảm cường độ thép, cần khử hết chất c Ký hiệu * Thép cacbon thấp, cường độ thường - Thép cacbon thấp chia làm loại: CT0, CT1, CT2, CT3, CT4, CT5 Thép CT3 loại thép mềm, có cường độ cao, có độ dẻo độ dai, nên hợp lý dùng làm thép xây dựng Thép CT1, CT2 loại thép mềm, độ dẻo lớn nên xây dựng dùng làm thân đinh tán, bulông Thép CT4, CT5 cứng, nên dùng chủ yếu công nghiệp đóng tàu, dùng xây dựng - Thép cacbon thấp có giới hạn chảy: 2200 – 2500 daN/cm2, giới hạn bền: 3700 – 4200 daN/cm2 * Thép cường độ cao - Thép cường độ cao thép hợp kim thấp, ký hiệu: 09∋2C, 10∋2C1, 15XCH) - Ý nghĩa ký hiệu: Đầu tiên số phần vạn hàm lượng cacbon, tên thành phần hợp kim: ∋ mănggan, C silic, X crôm, H niken - Thép cường độ cao có giới hạn chảy: 2900 – 3900 daN/cm2, giới hạn bền: 4300 – 5400 daN/cm2 * Thép cường độ cao Thép cường độ cao loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy 4400 daN/cm2, giới hạn bền 5900 daN/cm2 1.1.3 Thép hình a Khái niệm Thép hình loại thép công nghiệp sử dụng chủ yếu thị trường xây dựng cơng trình Được sản xuất dây chuyền công nghệ đại theo tiêu chuẩn chất lượng JIS3101 – Ss400 qua nhiều công đoạn xử lý như: Xử lý quặng, tạo quặng, tạo dịng thép nóng chảy, đúc trực tiếp nguyên liệu, cán tạo thành phẩm Chính vậy, chất lượng sản phẩm thép hình ln đảm bảo điều kiện thiết kế thời gian sử dụng Thêm vào đó, điểm đặc biệt sản phẩm so với sản phẩm thép khác, sản phẩm thép hình có khả chịu lực tốt nhờ bề mặt rộng kết cấu vững b Phân loại - Thép chữ L (thép góc): Đây loại thép hình sử dụng nhiều để chế tạo loại kết cấu hàn, thép chữ L thường dùng để chế tạo loại khung, dàn, liên kết khác kết cấu Từ thép góc ta chế tạo loại hình khác cách ghép thép góc lại với nhau, ví dụ ghép hai thép góc lại ta có kết cấu chữ C, chữ T, ghép góc ta có kết vấu chữ , loại thép hình có phạm vi sử dụng lớn thực tế Thép hình chữ L có loại L cánh L cánh lệch Hình 1.1: Thép chữ L + Thép chữ L cạnh đều: Gồm có 67 loại qui định TCVN 1656-75 Loại nhỏ có kích thước L20 3, nghĩa cạnh có kích thước 20mm, chiều dày có kích thước 3mm Loại lớn có kích thước L250 20 Đây loại thép sử dụng nhiều để chế tạo kết cấu nhiều tính cơng nghệ cao, q trình gia cơng người thợ khơng cần ý đến cạnh thép (do cạnh nhau, dặc tính ưu việt loại thép góc + Thép chữ L cạnh khơng đều: Gồm có 47 loại qui định tiêu chuẩn TCVN 1657-75 Loại nhỏ L25163, có nghĩa cạnh thứ 25mm, cạnh thứ hai 16mm, chiều dày 3mm Loại lớn có kích thước 250 160 20 Đây loại thép góc mà phạm vi ứng dụng khơng lớn, tính cơng nghệ thép khơng cao q trình gia cơng người thợ cần phải ý đến cạnh thép (do cạnh không nhau) ảnh hưởng đến suất lao động Vì thiết kế kết cấu cần ý đến đặc điểm để lựa chọn thép góc cho hợp lý - Thép chữ : Đây loại thép sử dụng nhiều để chế tạo loại kết cấu chịu uốn, nén Theo TCVN 1655-75 thép chữ có 23 loại, chiều cao loại nhỏ 100mm, loại lớn 600mm Ngoài cịn có thêm số loại đặc biệt ký hiệu có thêm chữ "a" phía Thép chữ loại thép khó liên kết với để tạo loại Hình 1.2: Thép chữ I - Thép chữ U: Theo TCVN 1654-75 thép chữ C có 22 loại, chiều cao loại nhỏ 50, loại lớn 400mm (đây chiều cao tiết diện), ví dụ U22 loại có chiều cao h= 220mm Chiều dài thép chữ U từ 13m Ngồi cịn có số loại đặc biệt ký hiệu có thêm chữ "a" phia dưới, ví dụ thép U22 a + Thép hình chữ U có đặc tính cứng vững, chắn bền bỉ có cường độ chịu lực cao chịu rung động mạnh Thép hình chữ U tồn điều kiện mơi trường khắc nghiệt với tác động hóa chất nhiệt độ Vì lẽ đó, thép hình chữ U ứng dụng phổ biến cơng trình xây dựng, sản xuất thiết bị máy móc sử dụng lĩnh vực công nghiệp dân dụng + Thép hình chữ U có nhiều loại với kích thước khối lượng khác nhau, loại có đặc tính kỹ thuật riêng biệt sử dụng chuyên biệt cho công - Theo tiêu chuẩn ГOCT Nga, nhôm nguyên chất ký hiệu chữ A số mức độ Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có 99,995% Al b Hợp kim nhơm - Hợp kim nhơm phân làm nhóm hợp kim nhôm biến dạng hợp kim nhôm đúc - Theo TCVN hợp kim nhôm ký hiệu ký hiệu hóa học nguyên tố theo sau ký hiệu số hàm lượng theo % Nếu hợp kim nhôm đúc, cuối ghi thêm chữ Đ - Theo tiêu chuẩn AA Mỹ Hợp kim nhôm ký hiệu AA xxxx, số có nghĩa bảng, ba số xxx dùng để tra bảng để biết cụ thể tính chất Bảng 1.1: Ký hiệu nhôm hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn Mỹ Loại biến dạng Loại đúc 1xxx Al (>99%) 1xx.x Al thỏi 2xxx Al-Cu Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu 3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg Al-Si-Cu 4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si 5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg 6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Khơng có 7xxx Al-Zn-Mg Al-ZnMg-Cu 7xx.x Al-Zn 8xxx Al-các nguyên tố khác 8xx.x Al-Sn * Đura - Khái niệm: Là hợp kim nhôm biến dạng điển hình dùng rộng rãi kỹ thuật hàng khơng * Thành phần, tính chất - Thành phần: hợp kim chủ yếu nguyên tố Al-Cu-Mg với Cu < 5%, Mg < 2% Ngoài thành phần cịn có thêm Fe, Si, Mn - Tính chất + Nói chung đura có độ bền cao sau nhiệt luyện σb=42 - 47 Kg/mm2 18 + Do có độ bền cao nhẹ (2,8g/cm3) nên đura có độ bền riêng lớn Độ bền riêng tỷ số σb/2,8, độ bền riêng đura 15 - 16 thép CT51 - 6,5 gang 1,5 - - Ký hiệu, công dụng + Ký hiệu: AlCu4Mg (có 95% Al, 4% Cu 1% Mg) AA 2014 + Cơng dụng: có độ bền riêng cao nên đura sử dụng phổ biễn kỹ thuật hàng không (kết cấu máy bay, tàu vũ trụ…), giao thông vận tải (dầm chịu lực xe tải, sườn tàu biển…) làm dụng cụ thể thao… * Silumin - Khái niệm: Là hợp kim nhôm đúc dùng rộng rãi Nó hợp kim tạo nên từ sở hệ hợp kim Al - Si Ngoài thành phần cịn có thêm Mg, Mn, Cu, Zn… - Phân loại: theo thành phần hóa học người ta chia silumin làm nhóm: + Silumin đơn giản: Là hợp kim nhôm đúc mà thành phần nhơm silic (Ví dụ: AlSi13 có 87% Al 13% Si, theo tiêu chuẩn Liên Xô AЛ2 hay theo tiêu chuẩn Mỹ AA 423.0 ) Silumin đơn giản có tính đúc tốt (độ chảy loãng cao, khả điền đầy khuôn lớn, độ nhẵn bề mặt cao) nên dùng để đúc định hình chi tiết có hình dạng phức tạp Nhược điểm có rỗ khí, tính thấp,khơng có khả hóa bền nhiệt luyện Dạng nhiệt luyện ủ khoảng 3000C, làm nguội khơng khí Thường dùng làm vật liệu để đúc chi tiết máy có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng nhẹ + Silumin phức tạp: Là hợp kim nhôm với - 10% Si có thêm nguyên tố hợp kim đặc biệt Cu, Mg, Zn, Mn… Ví dụ: AlSi8Mg, AlSi6MgMnCu7, AlSi5MnCu3…) Do có thêm nguyên tố hợp kim mà độ bền silumin phức tạp cao hẳn sau nhiệt luyện Thường dùng làm chi tiết máy quan trọng như: thân máy nén, thân nắp động ô tô Nhôm hợp kim nhôm ứng dụng nhiều để chế tạo kết cấu hàn Đặc biệt hợp kim nhôm dùng để chế tạo kết cấu yêu cầu có trọng lượng nhỏ, kết cấu yêu cầu chống gỉ Thông thường hợp kim nhôm hay dùng Duya-ra dùng cho kết cấu địi hỏi có độ bền 19 nhiệt cao; cịn hợp kim nhơm - ma nhê dùng cho loại kết cấu vỏ tàu loại nhỏ có tốc độ cao, kết cấu xây dựng, thùng chứa thực phẩm,chứa thức ăn, chứa nước v.v Nhôm hợp kim nhôm thường chế tạo dạng 20 Bài 2: Tính tốn độ bền mối hàn Mục tiêu Sau học xong này, người học có khả năng: Nắm sở tính tốn độ bền kết cấu hàn Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao Đánh giá độ bền kết cấu hàn (mối hàn giáp mối, mối hàn chồng, mối hàn góc chữ T) Thực tốt cơng tác an tồn vệ sinh phân xưởng Tn thủ quy định, quy phạm tính tốn độ bền Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, xác cơng việc Nội dung - Đánh giá độ bền kết cấu kết cấu nói chung thường dựa vào việc tính tốn so sánh giá trị ứng suất: - Một bên ứng suất xuất phần tử phần kết cấu tác dụng hệ tải trọng - Một bên giá trị giới hạn hay ứng suất cho phép đảm bảo cho kết cấu sử dụng an toàn Thực so sánh giá trị ứng suất nói kiểm tra điều kiện bền Việc tính tốn liên kết hàn phương pháp gần để đánh giá độ bền kết cấu cách xác địi hỏi phải có điều kiện kỹ thuật đại với trình độ, phương tiện thí nhiệm tính tốn đủ mạnh Tuy nhiên nhiều trường hợp điều phức tạp có khơng thể thực Trong thực tế kết cấu thiết kế lần đầu, kết cấu quan trọng người ta phải tiến hành xác định khả làm việc chúng kết cấu thực, tức chế tạo kết cấu nhiệm vụ đặt tiến hành cấp tải thực, đo đạc, thu thập kết quả, kiểm tra, đánh giá chế tạo theo nguyên mẫu (cùng loại vật liệu, quy trình chế tạo ) Về từ trước đến tính toán kết cấu hàn chung ta sử dụng hai phương pháp sau: + Phương pháp tính tốn theo ứng suất cho phép + Phương pháp tính tốn theo trạng thái tới hạn 21 2.1 Tính tốn kết cấu theo ứng suất cho phép - Ứng suất cho phép xác định phụ thuộc điều kiện sau: - Tính chất vật liệu: Cơ tính vật liệu cao ứng suất cho phép lớn - Độ xác tính tốn: Tính xác, xác định thật đầy đủ tải trọng tác dụng lên kết cấu giảm hệ số an tồn tăng ứng suất cho phép - Loại lực tác dụng: kéo, nén, uốn… - Chất lượng trình cơng nghệ chế tạo kết cấu: Điều có ý nghĩa quan trọng xác định ứng suất cho phép kết cấu hàn - Đặc tính tải trọng: Khi chịu tải trọng động ứng suất cho phép thấp chịu tải trọng tĩnh - Ứng suất cho phép [σ] lấy làm sở để xác định ứng suất cho phép khác - Khi tính tốn theo ứng suất cho phép, điều kiện bền biểu diễn sau: σ < [σ] Trong đó: σ - Ứng suất tiết diện nguy hiểm phần tử kết cấu [σ] - Ứng suất cho phép vật liệu - Đối với vật liệu thường dùng (vật liệu có tính dẻo thoả mãn), [σ] xác định theo giới hạn chảy σch hệ số an toàn (n0) [σ] = σch/n0 - Giá trị tương ứng với ứng suất cho phép kéo [σ]k = [σ] gọi ứng suất cho phép sở tức dùng làm sở để xác định loại ứng suất cho phép khác, cụ thể là: - Đối với phần tử chịu nén: + Khơng có tượng uốn dọc: [σ]n = [σ] + Khi có tượng uốn dọc: [σ]n = φ.[σ] Trong đó: φ hệ số uốn dọc (φ ≤ ) - Đối với phần tử chịu uốn: [σ]u = [σ] - Đối với phần tử chịu cắt: [τ] = ( 0,5 – 0,6 )[σ] - Hệ số an tồn n0 thơng số kinh tế, kỹ thuật quan trọng vì: + Nếu n0 cao mức độ an tồn lớn [σ] bé, kích thước kết cấu tăng giá thành vật liệu, công chế tạo giá thành chung 22 sản phẩm tăng Ngược lại n0 bé mức độ an tồn giảm giá thành sản phẩm thấp + Chính giá trị [σ] không tuý số bền vật liệu trường hợp khác cịn phản ánh chất lượng q trình tính tốn cơng nghệ chế tạo 2.2 Tính tốn kết cấu theo phương pháp trạng thái tới hạn 2.2.1 Khái niệm trạng thái tới hạn - Trạng thái tới hạn kết cấu hiểu trạng thái mà kết cấu bắt đầu không đáp ứng yêu cầu sử dụng nữa, tức không khả chống lại tác dụng tải trọng xuất hỏng hóc cục có biến dạng vượt mức cho phép - Theo phân biệt trạng thái tới hạn như: + Trạng thái tới hạn thứ nhất: Được xác định khả chịu lực phần tử kết cấu: độ bền tĩnh, độ bền mỏi, độ ổn định + Trạng thái tới hạn thứ hai: Được đặc trưng phát triển loại biến dạng lớn: độ võng cực đại dầm uốn, + Trạng thái tới hàn thứ ba: Được đặc trưng hỏng hóc cục khơng cho phép: độ mở hay kích thước vết nứt, - Thơng thường việc tính tốn kết cấu hàn dựa theo trạng thái giới hạn thứ nhất, tức theo điều kiện bền Song vài trường hợp kích thước số phận kết cấu phụ thuộc vào biến dạng giới hạn cho phép Khi việc tính tốn theo điều kiện cứng 2.2.2 Điều kiện bền - Khi tính tốn kết cấu theo trạng thái tới hạn điều kiện bền biểu diễn sau: N m.R F Trong đó: N - tải trọng tính tốn (tải trọng N có trị số tải trọng định mức nhân với hệ số tải n: N = n.Nđ ) - Hệ số tải n: Đối với loại tải trọng tác dụng lên kết cấu, người ta quy định hệ số tải tương ứng: + Tự trọng: - Nhà công nghiệp, bồn bình chứa khí: n = 1,1 - Cầu thép: n = 1,25 23 + Áp lực thuỷ tĩnh: n = 1,1 + Tải trọng gió: n = 1,2 - F đặc trưng hình học tiết diện (diện tích, mơmem chống uốn, ) - m Hệ số điều kiện làm việc: + Đối với phần lớn kết cấu: m=1 + Đối với kết cấu loại trụ cột: m = 0,9 + Đối với loại bể chứa, bồn, bình: m = 0,8 - R độ bền tính tốn vật liệu Bảng 2.2.2: Ứng suất cho phép độ bền tính tốn số loại vật liệu Trạng thái chịu lực Ký hiệu Mác vật liệu (MPA) CT38 15CrSiNi AlMn6 Kéo , nén, uốn [σ] 160 225 140 Cắt [τ] 96 135 84 Trạng thái chịu lực Ký hiệu Mác vật liệu (MPA) Kéo , nén, uốn R 210 260 290 340 380 Cắt Rc 130 150 170 200 230 C3823 C44/29 C46/33 C52/40 C60/45 2.3 Tính độ bền kéo, nén mối hàn giáp mối Khi thiết kế mối hàn kết cấu kim loại ta có hai phương pháp xác định ứng suất cho phép: - Phương pháp thứ nhất: Ứng suất cho phép mối hàn lấy trị số cho sẵn dựa theo độ bền tính tốn mối hàn - Phương pháp thứ hai: Ứng suất cho phép mối hàn xác định theo tỷ lệ với ứng suất cho phép kim loại Theo liên kết hàn chia làm nhóm: + Nhóm thứ nhất: gồm liên kết hàn thực phương pháp hàn tự động bán tự động lớp thuốc hay mối trường khí bảo vệ hàn hồ quang tay que hàn chất lượng cao + Nhóm thứ hai: gồm liên kết hàn hồ quang tay que hàn chất lượng thường 24 - Căn vào liên kết thuộc nhóm kỹ thuật người ta quy định ứng suất cho phép theo tỉ lệ định so với ứng suất cho phép vật liệu Bảng 2.3: Ứng suất cho phép mối hàn Nhóm liên kết Ứng suất cho phép liên kết hàn Kéo [σ’] Nén [σ’]n Cắt [τ’] Nhóm [σ] [σ] 0,65.[σ] Nhóm 0,9.[σ] [σ] 0,60.[σ] - Trị số cho bảng thép bon thấp, trung bình thép hợp kim thấp Ví dụ: Thép CT3 có ứng suất cho phép [σ] = 16 (kN/cm2) Vậy ứng suất cho phép mối hàn là: - Khi hàn que hàn э 42A thì: [σ] = [σ’] = [σ’]n = 16 (kN/cm2) [τ’] = 0,65.[σ] = 0,65.16 = 10,4 (kN/cm2) - Khi hàn que hàn э 42 thì: [σ’] = 0,9[σ] = 0,9 16 = 14,4 (kN/cm2) [σ’] = [σ] = 16 (kN/cm2) [τ’] = 0,60.[σ] = 0,6.16 = 9,6 (kN/cm2) - Đặc điểm: Mối hàn giáp mối loại mối hàn ứng dụng nhiều kết cấu hàn, mối hàn có nhiều ưu điểm tốn kim loại bản, ứng suất tập trung, cơng nghệ thực dễ dàng Do mối hàn chịu kéo chịu nén độ bền giống nên ta cần tính tốn, kiểm tra điều kiện bền cho trường hợp chịu kéo đủ, để kiểm tra điều kiện bền kéo ta xét mối ghép hàn giáp mối hình 2.1 Hình 2.1: Mối hàn giáp mối Ta có chiều rộng nối B chiều dài cần hàn, chiều dày chi tiết hànlà S, lực kéo N Như theo lý thuyết bền ta có: Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền biểu thứcsau phải thoả mãn 25 N σmax= Fh ≤ [σ]k (2-1) Trong đó: σmax ứng suất lớn sinh kết cấu chịu lực tác dụng, N lực tác dụng, F h diện tích mặt cắt mối hàn xác định sau: F h = B S với S chiều dày chi tiết hàn N k σmax = B S Như ta có : (2-2) Từ công thức ta suy toán sau : - Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng cơng thức (2-2) - Bài tốn 2: Xác định tải trọng, lúc ta dùng công thức sau N B S [σ]k (2-3) - Bài toán 3:Tính tốn kích thước mối hàn theo cơng thức sau: B S k N Và: S B N k S N k B (2-4) (2-5) Trong trường hợp kích thước kết cấu không thay đổi, muốn tăng khả chịu tải trọng kết cấu thiết kế mối hàn xiên hình 2-2 α Hình 2.2: Mối hàn giáp mối xiên Trên hình vẽ ta có N lực tác dụng B chiều rộng nối, cịn góc vát nghiêng chi tiết hàn Như điều kiện bền mối hàn lúc : σmax = N Fh N B S sin (2-6) Từ ta có : N sin σmax = ≤ K S B 26 (2-7) Mà α luôn nhỏ 900 ứng suất tác dụng lúc bị giảm xuống, điều kiện bền tăng lên 2.4 Tính độ bền kéo (nén) mối hàn góc Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực q trình kiểm mối hàn theo dạng sau: 2.4.1 Tính mối hàn đối xứng ngang Xét mối hàn ngang chịu lực hình vẽ 2.3 ta có biểu thức xác địmh độ bền sau (2-8) N S B N N h 2.h.B Hình 2.3: Mối hàn đối xứng ngang Trong N lực tác dụng, h chiều cao mối hàn, B chiều dài đường hàn; chiều cao mối hàn h = k.cosin450 = 0,7 k = S trường hợp có chiều dày khơng nhau, k chọn theo có chiều dày nhỏ N h 1,4.S B (2-9) 2.4.2 Mối hàn đối xứng dọc Đối với mối hàn dọc đối xứng hình 2-4 chịu lực điều kiện bền xác định sau: N h 2.h.l (2-10) Trong l chiều dài đường hàn, h chiều cao mối hàn Trong trường hợp mối hàn không đối xứng l≥50k điều kiện bền xác định theo công thứ sau: N h hl1 l 27 (2-11) Hình 2.4: Mối hàn đối xứng dọc 2.5 Tính độ bền uốn mối hàn 2.5.1 Mối hàn giáp mối chịu uốn Điều kiện bền xác định sau M h = w (2-12) B P L S Hình 2.5: Mối hàn giáp mối Trong σ ứng suất sinh uốn M mô men uốn w mơ men chống uốn tính sau: w= h B S mô men M = P.l Thay vào (2-12) biểu thức tính độ bền ta có: 6.P.l B S = h (2-13) 28 2.5.2 Mối hàn góc chịu uốn Khi mối hàn góc chịu uốn điều kiện bền xác định sau: M h h.l.B Trong M mơ men uốn h chiều cao mối hàn l chiều dài mối hàn phía B chiều cao hàn Hình 2.6: Mối hàn góc chịu uốn Khi mối hàn mối hàn chịu uốn kéo nén điều kiện bền xác định sau: M N h w h.l Trong đó: M mô men uốn N lự kéo w mô men chống uốn h chiều cao mối hàn l tổng chiều dài đường hàn - Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn hình vẽ 2.7 điều kiện bền là: M h.l h.l d l n n h (2-16) 29 - Khi tính tốn ta chọn trước ln cạnh mối hàn ngang, ld cạnh mối hàn dọc Hình 2.7 Mối hàn tổng hợp - Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo nén điều kiện bền N h.L M h.l h.l n .l d n h (2-17) ( L = ld + ln ) 2.6 Các ví dụ tính tốn - Ví dụ 1: Cho mối ghép hàn hình vẽ 2.8 biết lực kéo N = 260 kN, [σ]h = 28 kN/cm2, vật liệu có S = mm Hãy xác định chiều dài đường hàn để kết cấu đảm bảo điều kiện bền Hình 2.8: Mối hàn giáp mối Bài giải: Từ điều kiện bền mối hàn giáp mối ta thấy để đảm bảo điều kiện bền biểu thức sau phải thoả mãn : Fh Do : L N h mà Fh = S B 260 116mm 0,8.28 Như để đảm bảo điều kiện bền chiều dài mối hàn B 116 mm, ta chọn thép có chiều rộng B =116 mm 30 - Ví dụ 2: cho mối ghép hàn chịu lực hình vẽ 2.9 xác định độ bền mối hàn, vật liệu chế tạo kết cấu thép bon thấp có N=450 kN, S =8 mm, B=300 mm, k =28 kN/cm2 N S B N Hình 2.9: Mối hàn góc chồng Bài giải: Đây mối hàn đối xứng ngang, để đảm bảo điều kiện bền biểu thức sau phải thoả mãn: N h 2.h.B Trong h 0,65 k thay vào biểu thức ta có: 450 0,65.28 2h.30 450 h 2.30.0,65.28 h 0,41 cm Như để mối hàn đảm bảo độ bền ta chọn chiều cao mối hàn: h = 0,5 cm = mm -Ví dụ 3: Cho kết cấu hàn chịu lực hình vẽ 2.10 Hãy kiểm tra điều kiện bền mối hàn, lực tác dụng P =120 kN, B = 260 mm, chiều dày chi tiết hàn L=.400 mm, vật liệu có k =28 kN/cm2 Hình 2.10: Mối hàn góc 31 Bài giải : Để mối hàn đảm bảo điều kiện bền phải thoả mãn công thức 2-4: Cho nên M h wu mà h 0,65. k P.50 0,65.28 h.L.B 120.50 0,34cm h 40.28.0,65.28 Như để đảm bảo điều kiện bền ta chọn mối hàn có chiều cao h= mm 32 ... mối hàn 15 10 Tính ứng suất biến dạng hàn 15 12 Tính tốn kết cấu dầm trụ 15 12 Tính tốn kết cấu dàn 6 Kiểm tra kết thúc Mô đun Cộng 60 Kiểm tra 1 15 42 Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Mục tiêu:... đúc 1xxx Al (>99%) 1xx.x Al thỏi 2xxx Al-Cu Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu 3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg Al-Si-Cu 4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si 5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg 6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Khơng có 7xxx Al-Zn-Mg Al-ZnMg-Cu... giá thành thép cao - Thép nửa tĩnh: loại thép trung gian thép tĩnh thép sôi 1. 1.2 Cấu trúc thành phần hoá học thép a Cấu trúc - Thép xây dựng có cấu trúc tinh thể, hợp chất sau tạo thành: - Ferit