Giáo trình kết cấu hàn (nghề công nghệ hàn trình độ cao đẳng)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ QUY NHƠN GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU HÀN NGÀNH/NGHỀ: CƠNG NGHỆ HÀN TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng năm 2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghệ Quy Nhơn Bình Định, năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình lưu hành nội nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trong cơng nghiệp sản xuất khí ngày nay, xu hướng phát triển để đạt chất lượng sản phẩm cao, xuất lao động cao, giá thành cạnh tranh, sản xuất theo hướng ứng dụng thành tự khoa học kỹ thuật: sử dụng vật liệu hợp lý, tự động hố q trình sản xuất mức độ cao, công nghệ tiên tiến… Nhằm đáp ứng nhu cầu người học việc nghiên cứu lý thuyết kết cấu chuyên ngành Hàn, đầu tư nghiên cứu, siêu tầm biên soạn giáo trình Kết Cấu Hàn để cung cấp cho người học kiến thức từ tổng quát kết cấu hàn từ sở cho nghiên cứu học tâp ứng dụng thực tế sản xuất Giáo trình Kết Cấu Hàn cung cấp đầy đủ kiến thức tĩnh học, trường hợp chịu lực độ bền mối hàn sở nghiên cứu để người học tiếp tục nghiên cứu mơn học khác Giáo trình bao gồm chương: Tĩnh học Các trường hợp chịu lực vật rắn Tính độ bền mối hàn Ứng suất biến dạng hàn Dầm, dàn trụ hàn Trong trình biên soạn giáo trình khơng tránh thiếu sót, mong đóng góp ý kiến bạn đồng nghiệp em sinh viên để tơi hiệu chỉnh hồn thiện Cảm ơn tất bạn đồng nghiệp tham gia giúp đỡ để hoàn thành giáo trình Biên soạn KS Nguyễn Thanh Sang MỤC LỤC Trang BÀI MỞ ĐẦU Giới thiệu chương trình tài liệu tham khảo 1.1 Chương trình đào tạo 1.2 Tài liệu tham khảo Phạm vi ứng dụng Các nội dung tính tốn mơn học .8 CHƯƠNG 1: TĨNH HỌC 1.1 Các khái niệm định luật tĩnh học 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Các định luật tĩnh học 11 1.1.3 Các hệ 13 1.2 Hệ lực phẳng 13 1.2.1 Vectơ mơmen hệ lực phẳng 13 1.2.2 Định lý dời lực song song 14 1.2.3 Điều kiện cân phương trình cân hệ lực phẳng 16 1.2.4 Bài toán hệ lực phẳng với liên kết ma sát 17 1.3 Hệ lực không gian 22 1.3.1 Vectơ mơmen hệ lực khơng gian 22 1.3.2 Định lý dời lực song song 23 1.3.3 Điều kiện cân phương trình cân hệ lực 26 1.4 Ma sát .28 1.4.1 Khái niệm ma sát 28 1.4.2 Ma sát trượt .28 1.4.3 Ma sát lăn 30 CHƯƠNG 2: CÁC TRƯỜNG HỢP CHỊU LỰC CỦA VẬT RẮN 33 2.1 Nội lực, ngoại lực, ứng suất 33 2.1.1 Nội lực 33 2.1.2 Ngoại lực 35 2.1.3 Ứng suất 36 2.2 Kéo, nén tâm – cắt 37 2.2.1 Kéo, nén tâm 37 2.2.2 Thanh chịu cắt 41 2.3 Xoắn tuý 42 2.3.1 Khái niệm 42 2.3.2 Ứng suất mặt cắt ngang có mặt cắt tròn 43 2.3.3 Biến dạng chịu xoắn 44 2.3.4 Điều kiện bền điều kiện cứng – ba toán 44 2.5 Uốn phẳng thẳng 46 2.5.1 Định nghĩa 46 2.5.2 Nội lực biểu đồ nội lực 46 2.5.3 Dầm chịu uốn phẳng tuý – Điều kiện bền .47 CHƯƠNG 3: TÍNH ĐỘ BỀN CỦA MỐI HÀN 54 3.1 Tính tốn liên kết hàn tác dụng tải trọng tĩnh 54 3.1.1 Một số từ viết tắt 54 3.1.2 Một số thuật ngữ 54 3.1.3 Các loại ứng suất xuất liên kết hàn 55 3.1.4 Tính tốn liên kết hàn hồ quang theo ứng suất so sánh 55 3.2 Tính tốn mối hàn giáp mối 59 3.2.1 Tính tốn mối hàn giáp mối chịu lực kéo (lực pháp tuyến) 59 3.2.2 Tính tốn mối hàn song song với phương tác dụng lực 60 3.2.3 Tính tốn mối hàn giáp mối chịu mơmen uốn 61 3.2.4 Tính toán mối hàn giáp mối chịu lực phức tạp 63 3.2.5 Mối hàn chịu mômen xoắn 64 3.2.6 Mối hàn xiên 64 3.3 Tính tốn mối hàn góc 66 3.3.1 Đặc điểm 66 3.3.2 Chiều dài đường hàn góc 66 3.3.3 Diện tích làm việc mối hàn góc 67 3.3.4 Tính tốn mối hàn chồng 67 CHƯƠNG 4: ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG HÀN 75 4.1 Trường nhiệt độ 75 4.1.1 Khái niệm 75 4.1.2 Phân loại 75 4.2 Ứng suất biến dạng co dọc gây hàn giáp mối 77 4.2.1 Phương pháp tính theo nội lực tác dụng 77 4.2.2 Nội ứng suất biến dạng hàn vào cạnh kim loại 78 4.2.3 Xác định vùng ứng suất tác động 81 4.2.4 Ứng suất biến dạng dọc co dọc gây mối hàn giáp mối 84 4.2.5 Một số biện pháp giảm biến dạng co dọc hàn 85 4.3 Ứng suất biến dạng co ngang gây hàn giáp mối 86 4.3.1 Khái niệm 86 4.3.2 Ứng suất biến dạng ngang gây mối hàn giáp mối tự 86 4.3.3 Ảnh hưởng trình tự hàn 87 4.3.4 Ảnh hưởng hàn đính 88 4.4 Ứng suất biến dạng hàn góc 90 4.4.1 Ứng suất biến dạng hàn góc chữ L 90 4.4.2 Ứng suất biến dạng liên kết hàn chồng .92 4.4.3 Ứng suất biến dạng liên kết chữ T 95 4.4.4 Ứng suất biến dạng co dọc dầm hàn chữ I 98 4.5 Các biện pháp giảm ứng suất biến dạng trình hàn 100 4.5.1 Các biện pháp giảm ứng suất hàn 100 4.5.2 Các biện pháp làm giảm biến dạng hàn 102 CHƯƠNG 5: DẦM, DÀN, TRỤ HÀN 108 5.1 Dầm hàn 108 5.1.1 Khái niệm - đặc điểm 108 5.1.2 Phân loại 108 5.1.2 Đánh giá hiệu sử dụng theo tiết diện ngang dầm .110 5.1.3 Nội dung u cầu tính tốn thiết kế dầm 110 5.2 Dàn hàn 111 5.2.1 Khái niệm, đặc điểm 111 5.2.2 Phân loại dàn 112 5.2.3 Hình dạng dàn 112 5.2.4 Các kích thước dàn 113 5.3 Trụ hàn 114 5.3.1 Khái niệm 114 5.3.2 Phân loại 114 5.3.3 Nguyên tắc tính cột 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .116 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Tên mơn học: Kết Cấu Hàn Mã mơn học: MH11 Vị trí, tính chất mơn học/mơ đun: - Vị trí: Mơn học bố trí sau học xong mơn học Vẽ kỹ thuật, Vật liệu hàn - Tính chất: Là môn học lý thuyết sở cung cấp kiến thức học lực, mô men tác động gây vật rắn ứng suất, biến dạng dùng để áp dụng tính toán độ bền mối hàn Mục tiêu: - Về kiến thức: + Trình bày khái niệm học vật rắn tuyệt đối vật rắn biến dạng + Giải thích ứng suất biến dạng hàn - Về kỹ năng: + Giải toán tĩnh học liên kết thường gặp, toán chịu lực thanh: kéo (nén) tâm, uốn tuý, xoắn t, cắt dập + Tính tốn độ bền, ứng suất biến dạng liên kết hàn tác dụng tải trọng tĩnh - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Có ý thức tự giác, tìm hiểu tự học với tinh thần trách nhiệm cao, sẵn sàng hợp tác, giúp đỡ lẫn + Tham gia học tập làm đầy đủ BÀI MỞ ĐẦU Mục tiêu: - Hiểu bố cục nội dung chương trình lựa chọn tài liệu tham khảo - Trình bày phạm vi ứng dụng môn học thực tế - Hiểu nguyên tắc tính tốn Nội dung: Giới thiệu chương trình tài liệu tham khảo 1.1 Chương trình đào tạo Số TT Tên chương, mục Thời gian (giờ) T K LT TH S T 1 0 14 14 0 23 17 17 14 23 18 12 11 90 75 13 Bài mở đầu: Gới thiệu môn học Chương 1: Tĩnh học Chương 2: Các trường hợp chịu lực vật rắn Chương 3: Tính độ bền mối hàn Chương 4: Ứng suất biến dạng hàn Chương 5: Dầm, dàn trụ hàn Cộng 1.2 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Minh Vượng - Sức bền vật liệu - ĐHBK Hà Nội - 2015 [2] Kết cấu hàn- Trường ĐHBK Hà Nội- 2015 [3] Đồn Đình Kiến-Thiết kế kết cấu thép-NXB Xây dựng - 2016 [4] Hà Xuân Hùng- Kết cấu hàn- Trường ĐHSPKT Nam Định -2015 [5] Bùi Đức Phương- Sức bền vật liệu 1- Trường ĐHSPKT Nam Định - 2015 Phạm vi ứng dụng Chương trình mơ đun sử dụng để giảng dạy cho trình độ Cao đẳng Các nội dung tính tốn môn học - Vật rắn chịu nội lực - Các loại ứng suất xuất hàn - Cách tính ứng suất biến dạng hàn CHƯƠNG 1: TĨNH HỌC Mã bài: MH11-01 Giới thiệu: Tĩnh học phân nhánh vật lý liên quan đến việc phân tích tải (lực, mơ men lực) hệ vật trạng thái cân tĩnh, có nghĩa trạng thái mà vị trí tương đối thành phần hệ không thay đổi theo thời gian, thành phần cấu trúc trạng thái đứng yên Khi trạng thái cân tĩnh, hệ đứng yên, khối tâm di chuyển với vận tốc Mục tiêu: - Trình bày khái niệm định luật tĩnh học - Hiểu khái niệm vectơ chính, mơmen hệ hệ lực phẳng hệ lực không gian - Trình bày định lý dời lực song song hệ lực phẳng hệ lực không gian - Điều kiện cần phương trình cân hệ lực phẳng hệ lực khơng gian - Giải thích ý nghĩa chúng toán tĩnh học vật rắn - Rèn luyện tính tự giác, ý thức tham gia học tập Nội dung 1.1 Các khái niệm định luật tĩnh học 1.1.1 Các khái niệm Trong tĩnh học có ba khái niệm thường sử dụng: Vật rắn tuyệt đối, cân lực - Vật rắn tuyệt đối: tập hợp vô hạn chất điểm mà khoảng cách hai chất điểm luôn khơng đổi Vật rắn tuyệt đối mơ hình vật thể biến dạng bỏ qua q bé khơng đóng vai trị quan trọng q trình khảo sát Trong trường hợp biến dạng bé đóng vai trị quan trọng tức khơng thể bỏ qua cần thiết phải bổ sung giả thiết, tức xây dựng mơ hình gần Để đơn giản, vật rắn tuyệt đối thường gọi tắt vật rắn - Cân bằng: Vật rắn gọi cân vị trí khơng thay đổi so với vị trí vật chọn làm chuẩn Vật chọn làm chuẩn gọi hệ quy chiếu Trong tĩnh học hệ quy chiếu chọn hệ quy chiếu quán tính- hệ quy chiếu tiên đề qn tính thoả mãn Cân hệ quy chiếu quán tính gọi cân tuyệt đối Trong kỹ thuật hệ quy chiếu quán tính gần chọn đất Trong tính tốn người ta chọn hệ trục tọa độ gắn liền với hệ quy chiếu, gọi hệ trục tọa độ quy chiếu Với hệ quy chiếu gắn với nhiều hệ trục tọa độ quy chiếu khác - Lực: Từ quan sát đời sống với kinh nghiệm thực nghiệm người ta đến nhận xét rằng: nguyên nhân gây biến đối trạng thái chuyển động học, tức dời chỗ vật thể (bao gồm biến dạng) cân trường hợp riêng, tác dụng tương hỗ vật thể - tác dụng học (phân biệt với tác dụng tương hỗ khác hoá, nhiệt, điện,…) Tác dụng tương hỗ học gọi lực Các yếu tố đặc trưng lực: + Điểm đặt lực điểm mà vật truyền tác dụng tương hỗ học từ vật khác + Phương chiều lực phương chiều chuyển động từ trạng thái nghỉ chất điểm (vật có kích thước bé) chịu tác dụng lực + Cường độ lực số đo tác dụng học lực Đơn vị lực Niutơn, ký hiệu N + Có thể dùng vectơ biểu diễn đặc trưng lực, gọi vectơ lực, → → chẳng hạn: 𝐹, 𝑄,… gốc vectơ điểm đặt lực, phương chiều vectơ biểu diễn phương chiều lực, mô đun vectơ biểu diễn cường độ lực Giá mang vectơ lực gọi đường tác dụng lực (hình 1.1) Hình 1.1 Đường tác dụng lực - Các định nghĩa khác + Hệ lực: Hệ lực tập hợp nhiều lực tác dụng lên vật rắn Hệ → → → → → → lực gồm lực 𝐹1, 𝐹2, …𝐹𝑛 ký hiệu là: (𝐹1, 𝐹2, …𝐹𝑛) Dựa vào tác dụng học hệ lực ta có số khái niệm: + Hệ lực tương đương với hệ lực khác có tác dụng học hệ → → → → → → lực Hai hệ lực tương đương (𝐹1, 𝐹2, …𝐹𝑛) (∅1, ∅2, …∅𝑛) ký → → → → → → hiệu: (𝐹1, 𝐹2, …𝐹𝑛)≡ (∅1, ∅2, …∅𝑛) → + Hợp lực hệ lực lực tương đương với hệ lực Gọi → → → 𝑅 hợp lực hệ lực (𝐹1, 𝐹2, …𝐹𝑛), ta có: → → → → 𝑅≡(𝐹1, 𝐹2, …𝐹𝑛) + Hệ lực cân hệ lực tác dụng lên vật rắn không làm thay đổi trạng thái chuyển động vật có khơng chịu tác dụng hệ lực Nếu tác dụng hệ lực vật rắn cân hệ lực gọi hệ lực cân hay hệ lực tương đương với không ký hiệu là: 10 chỉnh Điều làm giảm ràng buộc lên co ngang mối hàn giảm trạng thái ứng suất phẳng - Các kết cấu hàn có hình dáng phức tạp nên dùng chi tiết từ thép dập khối thép đúc Các kết cấu hàn với kết cấu khác để tạo nên kết cấu hàn hoàn chỉnh - Cần tính đến khả bảo đảm dễ dàng việc giới hóa cơng việc hàn (thơng qua việc bố trí mối hàn) - Cần tăng cường sử dụng đồ gá để đảm bảo tính xác lắp ghép thực trình tự hàn 4.5.1.2 Về phương diện công nghệ - Nghiên cứu chống ứng suất phương diện cơng nghệ hàn nhằm tìm biện pháp cơng nghệ hợp lý để kết cấu hàn đảm bảo kích thước hình dáng hình học nằm phạm vi sai số cho phép đảm bảo tuổi thọ làm việc kết cấu hàn theo thiết kế Các biện pháp đa dạng phụ thuộc vào đặc trưng loại kết cấu, phương pháp hàn, chế độ hàn, tính thành phần hóa học KLCB - Kết trình nghiên cứu chia chúng làm loại: + Các biện pháp thực trình hàn + Các biện pháp thực sau hàn a Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất thực trình hàn - Tăng chế độ nhiệt (năng lượng đường) hàn chi tiết không kẹp thép dễ tơi nhằm tránh nứt (làm tăng thể tích vùng kim loại nung, giảm tốc độ nguội) - Nung nóng sơ hàn dày thép dễ - Giảm chế độ nhiệt hàn chi tiết kẹp chặt nhằm tránh nứt - Với chi tiết kẹp chặt có chiều dày lớn, nên hàn nhiều lớp - Kim loại đắp nên có tính dẻo cao - Trình tự nên đảm bảo cho chi tiết trạng thái tự do, đặc biệt với mối hàn giáp mối (có giá trị co ngang lớn) Trước tiên hàn mối hàn giáp mối sau đến mối hàn góc Với mối hàn trụ rỗng ta nên hàn mối hàn dọc trước sau hàn mối hàn theo chu vi - Mỗi mối hàn nên thực lượt thực từ đầu - Không bố trí mối hàn đính chỗ mối hàn giao - Để giảm ảnh hưởng co ngang, cần giảm khe hở hàn mối hàn giáp mối hàn ngấu chân mối hàn - Cần hàn nhanh để đảm bảo kim loại nguội theo chiều dày chiều dài mối hàn (hàn tự độngvà bán tự động) - Để giảm ứng suất riêng, số trường hợp, nên nung nóng cục vùng lân cận mối hàn b Các biện pháp công nghệ giảm ứng suất thực sau hàn - Với kết cấu quan trọng, để tăng khả làm việc chúng, người ta thường tiến hành khử ứng suất riêng sau hàn, đặc biệt thép hợp kim hay thép có hàm lượng carbon trung bình Các biện pháp là: 108 - Ram cao tồn phần lị, nhiệt độ ram khoảng 600 ÷ 650oC Thời gian giữ nhiệt độ cao khoảng phút/1mm chiều dày Sau chi tiết làm nguội tự lị - Ram cục tới 600oC phương pháp nung cao tần mỏ nung khí cháy Phương pháp khơng loại bỏ hồn tồn làm giảm ứng suất dư - Khử ứng suất dư phương pháp học kéo kết cấu tới giới hạn chảy, dùng rung động để phân bố lại ứng suất dư 4.5.2 Các biện pháp làm giảm biến dạng hàn - Sự hình thành ứng suất biến dạng dư hàn tác động nội lực kim loại nung nóng cục - Trong kết cấu khơng có tượng vênh rõ rệt, ứng suất dư kéo thường đạt tới giá trị cao - Ngược lại, kết cấu bị biến dạng mạnh sau hàn, ứng suất dư kéo khơng lớn - Vì vậy, số biện pháp giảm biến dạng dư đối nghịch với biện pháp giảm ứng suất dư - Có thể chia biện pháp làm giảm biến dạng dư thành loại: Biện pháp kết cấu Biện pháp công nghệ trước hàn Biện pháp công nghệ sau hàn 4.5.2.1 Các biện pháp kết cấu - Không thiết kế tiết diện mối hàn lớn mức cần thiết (xuất phát từ khía cạnh độ bền) làm tăng vùng ứng suất tác động nội lực tác động - Phân bố mối hàn gần trục qua trọng tâm kết cấu tốt trục để giảm mơmen uốn nội lực tác động gây - Mỗi cặp mối hàn song song cần bố trí mặt phẳng qua trục trọng tâm vật, cho mômen nội lực tác động mối hàn cân khơng gây vênh kết cấu so với trục - Số lượng mối hàn kết cấu tốt để giảm lực co tác động lên kết cấu - Lượng dư cho co mối hàn phải đảm bảo sau hàn, kích thước kết cấu thiết kế - Để hạn chế biến dạng góc, cần giảm góc vát mép cho mối hàn vát mép chữ V, dùng mối hàn vát mép chữ X hàn có chiều dày lớn 109 Hình 4.36 Thứ tự thực đường hàn 4.5.2.2 Các biện pháp công nghệ làm giảm biến dạng hàn - Chọn chế độ hàn cho chiều rộng vùng ứng suất tác động nhỏ Để nung kim loại theo chiều dày, cần tăng mật độ dòng điện hàn để hàn ngấu sâu - Việc hàn ngấu sâu mối hàn giáp biên liên kết hàn giáp mối cân co ngang theo chiều dày mối hàn giảm biến dạng góc - Trong số trường hợp, thực mối hàn thứ hai cặp mối hàn đối xứng qua trục vật hàn, nên tăng chế độ hàn để tăng vùng ứng suất tác động lực co mối hàn khử hoàn toàn độ võng dư mối hàn thứ gây - Trình tự thực mối hàn nên đảm bảo cho biến dạng mối hàn trước biến dạng mối hàn sau (có hướng ngược lại) khử hết - Các mối hàn đối xứng song song nên hàn đồng thời hàn theo thứ tự đoạn xen kẽ - Phương pháp hàn phân đoạn nghịch tạo biến dạng nhỏ - Việc rèn mối hàn trình hàn làm giảm đáng kể biến dạng Sau hàn lớp lót khơng cần rèn gây nứt bề mặt - Nung nóng tồn vật hàn giảm ứng suất biến dạng dư - Có thể uốn ngược để giảm độ võng dư - Các mối hàn giáp mối liên kết hàn mỏng cho bể chứa nên hàn bàn gá từ tính (chúng khơng cản trở co ngang ngăn biến dạng góc) - Khi hàn mỏng theo biên dạng kín, để tránh ổn định nén, nung cục phần trước hàn… - Các biện pháp công nghệ giảm biến dạng sau hàn: + Nắn nguội (hình 4.37): sở kéo đoạn kết cấu bị co tới kích thước hình dạng thiết kế a) Tấm cong vênh sau hàn; b) Cán phẳng Hình 37 Cán khử biến dạng sau hàn 110 Các đoạn chỗ bị co kết cấu hàn: Vùng ứng suất tác động mối hàn mà sau hàn xuất ứng suất kéo có giá trị σch Nắn nguội kết cấu hàn: Xảy giãn dẻo vùng ứng suất tác động mối hàn Có thể xảy nứt nắn nguội, làm ảnh hưởng đến khả làm việc kết cấu Chỉ giảm ứng suất nắn nguội kết cấu hàn kéo tới ứng suất giới hạn chảy σch Tuy nhiên làm tăng biến cứng kim loại vùng ứng suất tác động mối hàn (có thể gây nứt) Đây q trình cơng nghệ khó thực (cần có máy ép thuỷ lực cơng suất lớn đồ gá lớn) Do khả ứng dụng hạn chế + Nắn nóng: (hình 4.38) Là nung điện lửa (của mỏ nung) sử dụng rộng rãi thực tế Bản chất phương pháp: Dùng biện pháp nung cục để làm co đoạn, vùng kết cấu mà chiều dài chúng lớn chiều dài vùng ứng suất tác động mối hàn tương ứng kết cấu Hình 4.38 Phương pháp nắn nóng (Nét đậm đen vị trí nung) Tại chỗ nung nóng kết cấu hàn nắn nóng, hàn hình thành biến dạng dẻo nén Khi nguội sau đó, chỗ co lại cân với chỗ bị biến dạng Do đặc điểm đơn giản, rẻ tiền, dễ thao tác, phương pháp cho phép nắn loại biến dạng dư Việc nắn nóng chủ yếu dựa vào nghiên cứu số liệu thực nghiệm Có thể sử dụng cách có hiệu để khử ứng suất dư uốn nắn thẳng trục trọng tâm kết cấu hàn (hoặc khối chúng), để khử tượng lõm, lượn sóng vùng chịu nén phần tử dạng kết cấu Để khử độ võng dư kết cấu hàn, cần tạo mômen uốn ngược chiều cách nung dải kim loại dọc đường mm (hình 4.39a) nung theo hình nêm (hình 4.39b) Trường hợp đầu sử dụng co dọc, trường hợp hai sử dụng co ngang chỗ nung cục Trọng tâm tiếp diện ngang vùng ứng suất tác động nung dọc phải nằm mặt phẳng uốn 111 Hình 4.39 Một số phương pháp khử độ võng dư * Một số ưu điểm phương pháp nắn theo hình nêm (hình 4.39b) Các dải ngang nung nóng phân bố vùng ứng suất nén có phần vùng có ứng suất kéo liên kết hàn Do co ngang chúng đồng thời với ngắn lại vùng nung dẫn đến giảm ứng suất dư kết cấu hàn Độ co ngang mối hàn thường lớn độ co dọc từ đến lần, tính theo chiều dài mét mối hàn Giá trị tương đối độ co ngang, chiều dài nhỏ mối hàn ngang khả giảm ứng suất dư khiến cho phương pháp có ứng dụng rộng rãi thực tế Nắn nóng thường xảy thời gian ngắn, nhiệt độ nung vào khoảng 800 ÷ 850oC Có thể nung cục hồ quang điện cực khơng nóng chảy, lửa khí cháy Nên bắt đầu nung từ phía đỉnh nêm (nơi kim loại trạng thái nén) Ngồi hai phương pháp hình 4.39, để xử lý tượng lồi lõm, lượn sóng, phần tử chịu nén, người ta sử dụng phương pháp nắn nóng theo điểm Bản chất phương pháp việc nung điểm tới trạng thái dẻo làm nở gặp phải phản kháng từ phái xung quanh có nhiệt độ thấp Trong kim loại điểm xảy biến dạng dẻo nén Khi nguội, vùng kim loại nung nóng co lại gặp phải phản kháng từ xung quanh Do điểm hình thành ứng suất kéo, đạt tới giá trị σch Vùng kim loại nung co hướng tâm, làm giảm kích thước ngang tác động đến vùng bị nén lân cận, làm cho chỗ lồi dẹt bớt CÂU HỎI ƠN TẬP Câu 1: Trình bày nội dung việc tính tốn thiết kế dầm hàn có chiều dài nhịp (L) cho trước tác dụng hệ tải trọng (P, q) Câu 2: Trình bày biện pháp công nghệ làm giảm ứng suất dư trình hàn Câu 3: Hàn đắp vào mép thép Cacbon có σ𝑐ℎ = 28𝑘𝑁/𝑐𝑚 (Hình 1), mođun hồi E = 2,1.104 kN/cm2, kích thước hàn h = 250mm, chiều dày hàn S = 17mm, chiều dài đường hàn L=2,0m Hàn tự động lớp thuốc có Ih = 700A, Uh = 37V, Vh = 37m/h, nhiệt dung khối Cρ = 1,25 Cal/cm3.0C, hệ số truyền nhiệt ' hữu ích η = 0,9, hệ số 𝑘2 = 0,198 Sử dụng phương pháp đồ thị xác định diện tích vùng ứng suất tác động, ứng suất phản kháng nén dọc trục, độ võng độ có dọc sau hàn 112 Hình Câu 4: Hàn giáp mối hai thép Cacbon có σ𝑐ℎ = 24𝑘𝑁/𝑐𝑚 (Hình 2), kích thước h1 = 650mm, h2= 230mm, S1 = S2 = 25mm; chiều dài đường hàn L = 3,8m Hàn tự động lớp thuốc có Ih = 750A, Uh = 42V, Vh = 37m/h, nhiệt dung ' khối Cρ = 1,25 Cal/cm3.0C, hệ số truyền nhiệt hữu ích η = 0,85; hệ số 𝑘2 = 0,165 Sử dụng phương pháp đồ thị xác định diện tích vùng ứng suất tác động, nội lực phản kháng, ứng suất phản kháng nén dọc trục, độ võng độ có dọc sau hàn Hình Câu 5: Cho mối hàn ghép góc chữ T (hình 03) vị trí hàn 2F hai thép cacbon thấp biết h1 = h2 = 260 mm; L = 5000 mm; S1 = S2 = 16 mm Biết σch = 24 kN/cm2 Hàn tự động lớp thuốc theo chiều chiều dài L, với chế độ hàn: Ih = 650A, Uh = 40V, Vh = 40 m/h Nhiệt dung khối c.ρ = 1,25 cal/cm3.oC Hệ số truyền nhiệt hữu ích η = 0,90; k’2 = 0,198 Bỏ qua phần kim loại mối hàn, xác định Vẽ mã hóa vùng Chiều rộng diện tích vùng ứng suất tác động; Ứng suất phản kháng nén dọc trục Hình 113 CHƯƠNG 5: DẦM, DÀN, TRỤ HÀN Mã MH11-05 Giới thiệu: Dầm, dàn trụ hàn thực tế ứng dùng rộng rãi Chính linh hoạt thiết kế tạo nhiều loại dầm, dàn, trụ hàn có hình dáng khả chịu tải khác giá thành chế tạo thấp nên chúng có mặt hầu hết cơng trình từ xây dụng khí Mục tiêu: - Trình bày khái niệm đặc điểm phân loại dầm, dàn trụ hàn hàn - Đánh giá hiệu sử dụng dầm - Trình bày nội dung tính toán thiết kế dầm hàn - Phân biệt loại dàn hàn kích thước dàn hàn - Trình bày ngun tắc tính trụ hàn - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, xác công việc Nội dung 5.1 Dầm hàn 5.1.1 Khái niệm - đặc điểm Dầm loại kết cấu chịu uốn có bụng đặc Thơng thường nhận tải từ phần tử khác chuyển xuống gối tựa (tức phần đỡ dầm) Nội lực dầm moomen uốn M lực cắt Q Ưu điểm bật dầm cấu tạo đơn giản (do có phân tố tạo thành), chi phí cho gia công chế tạo không lớn nên sử dụng phổ biến nhiều thiết bị máy móc, đặc biệt kết cấu cơng trình xây dựng, giao thông: dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác, khung nhà thép, vỏ tàu thuỷ, khung máy, bệ máy, 114 5.1.2 Phân loại Theo tiết diện ngang dầm chia làm hai loại: dầm hình dầm tổ hợp 5.1.2.1 Dầm hình Là dầm từ loại thép hình phổ thơng thép I, thép U, thép góc loại thép hình thành mỏng chuyên dụng khác Hình 5.1 Các loại dầm hình - Dầm từ thép I (a) có tiết diện đối xứng, mômen chống uốn( Wx) lớn, dùng hợp lý trường hợp chịu uốn phẳng dầm cầu, dầm cầu trục, v.v - Dầm từ thép U có tiết diện khơng đối xứng nên chịu uốn phẳng dễ bị xoắn Tuy nhiên dầm chữ U (đặc biệt loại biên rộng) có khả chịu uốn xiên tốt dễ liên kết với phận khác kết cấu nên thường dùng làm khung vỏ tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, dầm sàn công tác với nhịp tải trọng bé - Để giảm khối lượng kết cấu, cơng nghiệp người ta cịn sản xuất loại dầm cán chữ I, chữ U biên rộng loại dầm thép công nghệ dập nguội, uốn nguội uốn nóng (hình 5.1,c,d) Những loại dầm đặc biệt có hiệu kinh tế kết cấu có độ lớn mà tải trọng bé - Theo GOST 8239-56 phần tử dầm chữ I thông dụng có phạm vi kích thước sau (hình 5.2): H= 100-700 mm ; B=55-210 mm; T1= 7,2-28,5 mm; T2= 4,5-17,5 mm L=5- 19 m Hình 5.2 Dầm cán chữ I Cần lưu ý nguyên nhân công nghệ tính chất sử dụng (vạn năng, phổ thơng) thép cán thơng dụng thường có chiều dày vách lớn so với yêu cầu chịu tải, nên nhiều trường hợp sử dụng chúng làm cho kết cấu nặng tốn 5.1.2.2 Dầm tổ hợp 115 Dầm tổ hợp chế tạo từ loại thép hình, thép thép định hình Nếu dùng phương pháp hàn để chế tạo quy ước gọi dầm hàn, cịn dùng liên kết đinh tán bulơng tương ứng gọi dầm đinh tán dầm bulông Ở đề cập đến loại dầm hàn Hình 5.3 Các loại dầm tổ hợp a,b,c- dầm hàn; d- dầm đinh tán Dầm hàn chữ I gồm ba phần tử bản: Hai biên (còn gọi cánh đế dầm) vách (còn gọi thành hay bụng dầm) Ngồi ra, dầm hàn cịn có phần tử kết cấu khác gân cứng vững, vách ngăn, nối, v.v So với dầm đinh tán dầm bulơng dầm hàn nhẹ hơn, chi phí chế tạo thấp nên sử dụng phổ biến thập kỷ gần Điều cần ý dầm tổ hợp cho phép tạo giải pháp kết cấu linh động hơn, là: giảm chiều dày vách dầm xuống mức tối thiểu thay đổi tiết diện dầm tuỳ thuộc vào giá trị nội lực cụ thể Điều đặc biệt có hiệu kinh tế dầm có độ tải trọng lớn Tuy nhiên, sử dụng dầm hình giảm số lượng chi tiết cấu thành, chi phí chế tạo giảm thời gian đưa cơng trình vào sử dụng ngắn Do vậy, trường hợp cần phải cân nhắc kĩ yếu tố kinh tế- kỹ thuật để chọn loại dầm hình hay loại dầm tổ hợp nhằm đạt hiệu tối ưu 5.1.2 Đánh giá hiệu sử dụng theo tiết diện ngang dầm Tiết diện ngang dầm đa dạng Để đánh giá hiệu sử dụng vật liệu, hay nói cách khác kiểm tra tính hợp lý chọn tiết diện dầm kỹ thuật người ta thường vào hệ số: ρ = 𝑊 𝐹 (5.1) Trong đó: W- mơmen chống uốn F- diện tích tiết diện ngang Giá trị ρ lớn hiệu sử dụng vật liệu cao, có nghĩa kim loại sử dụng triệt để So sánh vài tiết diện tiêu biểu: 116 Hình 5.4 Một vài tiết diện tiêu biểu Như vậy, uốn mặt phẳng đứng, dầm tiết diện chữ I coi có hiệu Nếu uốn ngang ( quanh trục y) dầm chữ I lại chịu lực hiệu (Wy«Wx) Trong trường hợp đó, nên ưu tiên chọn loại dầm có tiết diện khác (như hộp rỗng, v.v ) với Wy lớn Tóm lại, chọn tiết diện ngang dầm, người thiết kế phải vào điều kiện chịu lực cụ thể để chọn tiết diện phù hợp nhằm nâng cao hiệu sử dụng vật liệu khả chịu lực kết cấu 5.1.3 Nội dung yêu cầu tính tốn thiết kế dầm Nội dung việc tính tốn thiết kế dầm hàn có chiều dài nhịp (L) cho trước tác dụng hệ tải trọng (P, q) bao gồm: - Xác định chiều cao (h) dầm: - Xác định chiều dày chiều cao bụng dầm: 𝑆𝑏, ℎ𝑏 - Xác định chiều dày chiều rộng biên cánh dầm : 𝑆𝑐, 𝑏𝑐 - Bố trí hệ thống gân cứng vững chi tiết cấu tạo kèm theo (hình 5.5) Hình 5.5 Ví dụ dầm hàn chữ I Nếu vật liệu khơng cho trước phải sở phân tích, tính tốn khối lượng, giá thành, tính cơng nghệ, chi phí chế tạo để chọn phương án hợp lý Việc tính tốn thường việc xác định yếu tố lực tiết diện dầm: - Nếu tải trọng tải trọng tĩnh cần xây dựng biểu đồ momen uốn M biểu đồ lực ngang Q - Nếu có phận tải trọng di động sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng để xác định ứng lực lớn Mmax, Qmax tiết diện đặc trưng (ví dụ tiết diện cách gối tựa z = 0; 0,1L; 0,2L; v.v ) xây dựng biểu đồ momen tổng lực ngang lớn cho toàn dầm 117 Theo biểu đồ momen lực ngang xác định vị trí tiết diện chịu tải lớn thơng qua để xác định kích thước tiết diện dầm kích thước cần thiết liên kết hàn Khi thiết kế dầm hàn phải ý tới yêu cầu sau đây: Độ cứng vững dầm phải bé giá trị cho trước (xác định theo quy phạm tiêu chuẩn áp dụng): f/L ≤ [f/L] Đảm bảo độ bền tính kinh tế cho kết cấu với khối lượng vật liệu chi phí sản xuất bé Điều đạt việc chọn vật liệu, kích thước hình dáng mặt cắt dầm cách hợp lý, phương pháp chế tạo thích hợp có suất cao Đảm bảo ổn định tổng thể ổn định cục cho phần tử dầm Đảm bảo tính cơng nghệ cho dầm, tức tạo thuận tiện đơn giản chế tạo, giảm chi phí chế tạo tăng độ tin cậy làm việc kết cấu Có tính tổ hợp cao, tức khả liên kết thuận tiện với phận khác kết cấu tổng thể 5.2 Dàn hàn 5.2.1 Khái niệm, đặc điểm - Dàn kết cấu rỗng, gồm có nhiều liên kết với nút thông qua nút - Dàn gồm biên (gọi cánh trên) biên (thanh cánh dưới), lại nằm phạm vi cánh cánh gọi bụng Liên kết dàn thường dùng liên kết hàn, đinh tán (liên kết hàn dùng phổ biến) Nút dàn coi khớp - Dàn làm việc dầm, có nghĩa dàn phủ qua nhịp chịu uốn, nhận tải trọng truyền xuống kết cấu đỡ - Nội lực dàn chủ yếu lực dọc (nén kéo tâm) - Vượt độ lớn L dàn >> L dầm - Tiết kiệm vật liệu tận dụng làm việc vật liệu (Mọi thớ tiết diện chịu ứng suất chịu nén hay kéo.) - Hình thức nhẹ, đẹp, linh hoạt, phong phú, phù hợp yêu cầu chịu lực sử dụng - Do ghép lại từ nhiều nên dàn có biến dạng lớn dầm, để biến dạng dàn phải có chiều cao lớn dầm tương ứng 5.2.2 Phân loại dàn 5.2.2.1 Theo công dụng - Trong xây dựng dân dụng cơng nghiệp làm kèo mái, dàn đỡ sàn nhà, sàn công tác, dàn đỡ cầu chạy, dàn dỡ kèo; - Trong giao thơng vận tải làm cầu, cần trục; - Trong thủy lợi làm cửa van, cửa đập; - Trong công nghiệp điện vô tuyến điện làm cột tải điện, tháp phát sóng; - Trong cơng nghiệp dị địa chất làm dàn khoan (đất liền biển) 5.2.2.2 Theo khả chịu lực 118 - Dàn nhẹ: chịu tải trọng nhỏ, nhịp nhỏ, cấu tạo thép góc, thép trịn thép ống - Dàn thường: hay dùng, hai thép góc, nút kẹp - Dàn nặng: có nhịp tải trọng lớn, cấu tạo hai thép U, I hộp, nội lực đến 3000 ÷ 4000 kN 5.2.3 Hình dạng dàn 5.2.3.1 Dàn tam giác - Chỉ liên kết khớp với cột nên độ cứng khơng gian nhỏ - Góc hợp có nhiều góc nhọn nên khó chế tạo - Sơ đồ chịu lực không hợp lý nên nội lực không đều, bụng dàn dài mà chịu lực lớn Để khắc phục nhược điểm cấu tạo hạ thấp cánh dàn Nhưng cách làm không gian sử dụng bị hạn chế Hình 5.6 Dàn tam giác 5.2.3.2 Dàn hình thang - Có thể liên cứng / khớp với cột tạo khung ngang cứng chịu tải trọng ngang lớn mà biến hình ngang nhỏ - Phổ biến làm kèo nhà nhịp lớn, nhà cơng nghiệp có cầu trục Hình 5.7 Dàn hình thang 5.2.3.3 Dàn đa giác cánh cung - Hợp lý nhịp lớn, chịu tải trọng nặng dàn có dạng gần giống biểu đồ (M), nội lực cánh gần nhau, nội lực bụng nhỏ, nên tiết kiệm kim loại - Thanh cánh bị gãy khúc hay phải uốn cong nên gia công phức tạp - Sử dụng hợp lý nhịp lớn, tải trọng lớn 119 Hình 5.8 Dàn đa giác dàn cánh cung 5.2.3.4 Dàn có cánh song song - Các có chiều dài - Sơ đồ cấu tạo nút dàn giống nên dể cấu tạo - Sơ đồ không hợp lý dàn đơn giản, hợp lý dàn liên tục - Sử dụng hợp lý để làm dàn đở kèo, dàn cầu chạy, tháp trụ, dàn mái nhà, dàn cầu Hình 5.9 Dàn có cánh song song 5.2.4 Các kích thước dàn 5.2.4.1 Nhịp dàn Ld - Nhịp dàn (hay chiều dài dàn) xác định dựa sở kiến trúc, mục đích sử dụng bố trí kết cấu - Khi dàn mái tựa tự (liên kết khớp) lên cột Khoảng cách hai tâm gối tựa nhịp dàn xác định : L = L0 + a/2 (L0: khoảng cách thông thủy hai cột, a: chiều rộng gối tựa) - Khi dàn nhiều nhịp, nhịp có L = L0 + a - Khi dàn liên kết cứng vào cột (thường liên kết vào má cột thép), : L = L0 - Để thống hóa nhà cơng nghiệp: M = 3m Đ/v: L ≤ 18m M = 6m Đ/v: L > 18m Hình 5.10 Các kích thước dầm 5.2.4.2 Chiều cao dàn h - Dàn tam giác: chiều cao dàn phụ thuộc chủ yếu vào độ dốc cánh h = (1/4 ÷ 1/3)L - Dàn cánh song song dàn hình thang h = (1/7 ÷ 1/9) L Chiều cao dầu dàn hình thang phụ thuộc vào chiều cao dàn độ dốc mái 5.2.4.3 Khoảng cách nút dàn Là khoảng cách tâm nút cánh, khoảng cách xác định sau lựa chọn hệ bụng Thường d =1,5m; 3m 120 5.3 Trụ hàn 5.3.1 Khái niệm Cột kết cấu thẳng đứng dùng để truyền tải trọng từ kết cấu bên xuống kết cấu bên dưới, truyền xuống móng Cột đỡ nhà dân dụng, cột khung ngang nhà công nghiệp, cột đở sàn công tác, đỡ đường ống v.v - Tùy theo nội lực: cột chịu nén tâm (N) cột chịu nén lệch tâm (M, N) - Ba phận: thân cột, đầu cột chân cột Thân cột quan trọng nhất: tiếp nhận tải trọng đầu cột truyền xuống chân cột Đầu cột tiếp nhận tải trọng kết cấu bên Chân cột truyền tải trọng từ thân cột xuống móng, đồng thời giữ cột móng Hình 5.11 Cấu tạo cột 5.3.2 Phân loại - Theo hình dạng: tiết diện tiết diện thay đổi dọc chiều cao cột - Theo kết cấu: cột đặc cột rỗng - Theo liên kết: cột liên kết hàn cột liên kết đinh tán 5.3.3 Nguyên tắc tính cột Cột dùng phổ biến loại kết cấu cơng trình Tính cột dựa vào ngun lý tính tốn ổn định nén tâm lệch tâm Trường hợp nén tâm, cột ổn định theo phương trục có độ mảnh lớn λmax (từ độ mảnh hai trục x y tiết diện cột) Để tiết kiệm vật liệu, tiết diện cột nên bố trí cho độ mảnh theo hai phương cột xấp xỉ λx≈λy Trường hợp nén lệch tâm, nội dung tính tồn có phức tạp hơn, khả chịu lực cột cần kiểm tra theo phương ổn định mặt phẳng uốn mặt phẳng uốn cột Về cấu tạo, tiết diện cột bố trí đặc rỗng Theo nguyên lý tính ổn định, bụng đặc cột không bị biến dạng theo phương lực cắt q trình ổn định, nói chặt chẽ lượng biến dạng không đáng kể xem giá trị khơng; cịn bụng rỗng có giá trị biến dạng đáng kể làm giảm khả ổn định cột rỗng Vì tính ổn định cột đặc dùng độ mảnh λ – phụ thuộc J F tiết diện cột; tính ổn định cột rỗng dùng độ mảnh tương đương λtđ – 121 phụ thuộc J F tiết diện cột, phụ thuộc tiết diện sơ đồ bố trí giằng giằng bụng rỗng Tồn khả chịu lực nêu cịn gọi ổn định tổng thể Tiết diện cột cấu tạo từ mỏng (cột đặc) từ (cột rỗng) – gọi phân tố Khi phân tố chịu lực nén xảy ổn định – gọi ổn đinh cục Như vậy, ngồi việc tính tốn kiểm tra ổn định tổng thể, cần phải tính tốn kiểm tra ổn định cục Yêu cầu ứng suất ổn định cục không nhỏ ứng suất ổn định tổng thể CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày khái niệm u cầu cần phải ý thiết kế dầm hàn chữ I Câu 2: Trình bày kích thước dàn Câu 3: Trình bày ngun tắc tính trụ hàn Câu 4: Dàn hàn có kính thước nào? Hãy trình bày kích thước Câu 5: Hãy trình khái, đặc điểm phân loại dầm, dàn trụ hàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Minh Vượng - Sức bền vật liệu - ĐHBK Hà Nội - 2015 [2] Kết cấu hàn- Trường ĐHBK Hà Nội- 2015 [3] Đoàn Đình Kiến-Thiết kế kết cấu thép-NXB Xây dựng - 2016 [4] Hà Xuân Hùng- Kết cấu hàn- Trường ĐHSPKT Nam Định -2015 [5] Bùi Đức Phương- Sức bền vật liệu 1- Trường ĐHSPKT Nam Định - 2015 122