Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề Hàn)

CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI II GIÁO TRÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀN NGHỀ HÀN (Ban hành theo định số 397/QĐ-CĐHHII, ngày tháng năm 2021 Hiệu trưởng Trường Cao Đẳng Hàng Hải II) ( Lưu hành nội bộ) TP.HCM, năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên 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 nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để đáp ứng tình hình chuyển biến đào tạo, mở rộng phát huy tính độc lập học tập sinh viên Khoa Cơ khí tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên dạy hướng dẫn thực hành v v Giáo trình “Tính tốn kết cấu hàn” biên soạn với nội dung tuân theo chương trình khung kết hợp với điều kiện giảng dạy có, đáp ứng nhu cầu học tập sinh viên, mang tính đại, tính phong phú lĩnh vực tính tốn kết cấu hàn nói riêng sản xuất khí nói chung Bố cục giáo trình trình bày theo thứ tự chương trình khung bao gồm sau: Bài 01: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Bài 02: Tính độ bền mối hàn Bài 03: Tính ứng suất biến dạng hàn Bài 04: Tính tốn kết cấu dầm trụ Bài 05: Tính tốn kết cấu dàn Mặc dù cố gắng chắn tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cơ, bạn sinh viên có ý kiến đóng góp để việc biên soạn bổ sung cho giáo trình hồn thiện Mọi chi tiết vui lịng gửi về: Khoa Cơ Khí– Trường Cao Đẳng Hàng Hải II, 232 Nguyễn Văn Hưởng, Phường Thảo Điền, TP Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Lời tựa……………………………………………………………… 2 Mục lục…………………………………………………………… 3 Bài 01: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn……………………………… 4 Bài 02: Tính độ bền mối hàn…………………… ……………… Bài 03: Tính ứng suất biến dạng hàn……………………… 14 Bài 04: Tính tốn kết cấu dầm, trụ………………………………… 24 Bài 05: Tính tốn kết cấu dàn, vỏ………………………………34 Tài liệu tham khảo………………………………………………… 43 BÀI 01: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN Giới thiệu: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn yếu tố quan trọng định đến chất lượng cơng trình, yếu tố ảnh hưởng lớn đến q trình cơng nghệ, tính kinh tế cơng trình, việc lựa chọn vật liệu chế tạo kết cấu hàn hợp lý mang lại tính hiệu kinh tế kỹ thuật to lớn, tiêu chí vơ quan trọng Mục tiêu: - 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 chính: I Thép định hình 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 thép định hình khác cách ghép thép góc lại với Ví dụ: Ghép thép góc lại với ta có loại kết cấu chữ [ chữ T, ghép thép góc ta có kết cấu chữ I Do loại thép có phạm vi sử dụng lớn thực tế Thép hình chữ L có loại : L cạnh L cạnh lệch - Thép chữ L cạnh đều: gồm có 67 loại quy định TCVN 165675.loại nhỏ có kích thước L20 x 3,nghĩa cạnh có kích thước 20 mm ,chiều dày có kích thước mm, loại lớn có kích thước L250 x 20 Đây loại thép sư dụng để chế tạo kết cấu nhiều tính chất cơng nghệ cao Trong q trình gia cơng người thợ khơng cần ý đến cạnh thép (do cạnh Đây đặc tính ưu việt loại thép góc - Thép chữ L cạnh khơng đều: Gồm có 47 loại quy định tiêu chuẩn TCVN 1657-75 ,loại nhỏ L25 x16 x3, có nghĩa cạnh thứ 25 mm, cạnh thứ hai 16 mm, chiều dày mm Loại lớn có kích thước L250 x160 x20 Đây loại thép góc mà 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) Do ảnh hưởng đến suất lao động Vì thiết kế cần ý đến đặc điểm để lựa chọn thép góc cho hợp lý Thép chữ I: Đây loại thép sử dụng nhiều để chế tạo kết cấu chịu uốn, nén Theo TCVN 1655-75 thép chữ I có 23 loại Chiều cao loại nhỏ 100 mm ,loại lớn 600 mm Ngoài cịn có thêm số loại thép đặc biệt ký hiệu có thêm chữ “a” phía Thép chữ I loại thép khó liên kết với để tạo loại thép Thép chữ [: Theo TCVN 1654-75 thép chữ [ có 22 loại Chiều cao loại nhỏ 50 mm, lớn 400 mm ( Đây chiều cao tiết diện) Ví dụ [ 22 loại có chiều cao h = 220 mm, chiều dài thép chữ [ từ ÷ 13 m Ngồi cịn số loại đặc biệt ký hiệu có thêm chữ “a” phía Ví dụ : thép [ 22a Trong thực tế cịn có nhiều loại thép hình khác thép ống, thép tròn II Thép Là loại thép sữ dụng rộng rãi có tính vạn cao, chế tạo loại thép có hình dáng, kích thước Thép dùng nhiều loại kết cấu :vỏ tàu thủy, vỏ bình chứa chất lỏng, bình chứa khí, loại bồn chứa, bể chứa, loại ống dẫn chất lỏng, chất khí Ngồi thép sử dụng để chế tạo loại chi tiết máy Trong thực tế thép có quy cách sau:  Thép phổ thơng: có chiều dày s = 40÷ 60 mm, chiều rộng 160 ÷ 1050 mm, chiều dài từ 600 ÷ 12000 mm  Thép dày: có chiều dày s = 60÷ 160 mm, chiều rộng 600 ÷ 3000 mm, chiều dài từ 4000 ÷ 6000 mm  Thép mỏng: có chiều dày s = 0.2÷ mm, chiều rộng 600 ÷ 1400 mm III Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm có: Các loại thép bon thấp: Đây loại vật liệu sử dụng nhiều để chế tạo loại kết cấu hàn, loại vật liệu dễ hàn mối hàn dễ đạt chất lượng theo yêu cầu mà khơng cần phải có biện pháp cơng nghệ phức tạp Trong thực tế thép bon thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn chia làm nhóm thép định hình thép Thép hợp kim thấp : Đây loại thép có tính hàn tốt đứng sau thép bon thấp, có tính hàn tốt loại thép hợp kim thấp hay sử dụng để chế tạo kết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao làm việc điều kiện đặc biệt Thép hợp kim thấp thường dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm loại thép Manggan; thép Cr –Si –Mn; Cr-Mn-Môlipđen Thép hợp kim thấp gồm loại thép hình thép tấm, chế tạo theo tiêu chuẩn Các loại thép không rỉ: Được sử dụng để chế tạo lọai kết cấu hàn làm việc điều kiện đặc biệt như: nhiệt độ cao, làm việc điều kiện tiếp xúc với hóa chất, thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, thiết bị dụng cụ y tế Phần lớn loại thiết bị thuộc loại thuộc dạng tấm, nhu cầu sử dụng loại kết cấu chế tạo từ thép không rỉ lớn nhiều công nghệ gia công kết cấu thép không rỉ đại xuất thực tế Các loại thép không rỉ sử dụng nhiều là: Cr-Ni,Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, số loại thép chịu ăn mịn hóa học, chịu nhiệt, bền nhiệt Nhơm hợp kim nhôm: Nhôm hợp kim nhôm sử 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,hoặc kết cấu yêu cầu chống rỉ Thông thường hợp kim nhôm hay dùng là: Duy-ra dùng cho kết cấu địi hỏi có độ bền nhiệt cao, cịn hợp kim nhơm –magiê dùng cho loại kết cấu như: vỏ tầu loại nhỏ có tốc độ cao, kết cấu xây dựng, thùng chứa thực phẩm,chứa thức ăn, chứa nước Nhôm hợp kim nhôm thường chế tạo dạng IV Tính tốn vật liệu gia công kết cấu hàn Việc chọn vật liệu cho kết cấu hàn phải dựa vào tính tốn cụ thể độ bền, giá thành tính cơng nghệ nó: Vật liệu phải thoả mãn yêu cầu sử dụng kết cấu, điều kiện bền, điều kiện ổn định, cứng vững, chịu mỏi,… Điều kiện bền đánh giá theo giới hạn bền giới hạn chảy vật liệu Đối với điều kiện ổn định, mơdun đàn hồi có ý nghĩa quan trọng, ứng suất tới hạn kết cấu ổn định tỉ lệ thuận với môdun đàn hồi    t h   E  Nói cách khác, E bé khả ổn định dễ xảy Độ cứng vững kết cấu phụ thuộc vào môdun đàn hồi: f   1 / E    f   E bé f lớn hay độ cứng vững thấp dẫn đến việc lãng phí vật liệu cách vơ ích để nâng cao độ cứng vững kết cấu VD: Hợp kim nhơm có giới hạn bền không bé thép bon thấp nhiều, vật liệu nhẹ( tỷ trọng 1/3 thép) có khả chống gỉ Tuy nhiên kết cấu hàn từ hợp kim nhôm dễ ổn định có độ cứng thấp, lý môdun đàn hồi nhôm 1/3 thép(bảng 1.1) Trên thực tế ta thấy kết cấu từ hợp kim nhơm thường có nhiều gân cứng vững Bảng 1.1: Khối lượng riêng mô đun đàn hồi số vật liệu Khối lượng riêng Môdun đàn hồi E T/m3 kG/cm2 Hợp kim nhôm 2,7 0,72.10 Hợp kim manhê 1,8 0,43.10 Hợp kim titan 4,5 1,08.10 Thép cácbon 7,85 2,05.10 Hợp kim nhẹ Cần lưu ý chọn vật liệu có giới hạn bền cao không đồng hành với việc giới hạn mỏi tăng lên tương ứng Vật liệu có độ bền cao nhạy cảm với tượng tập trung ứng suất tác dụng tải trọng biến đổi Một số kết nghiên cứu cho thấy rằng, dùng thép có độ bền cao thay cho thép cácbon thấp kết cấu hàn có hiệu phần tử chịu kéo chịu nén với độ mảnh bé; Đối với phần tử chịu nén với độ mảnh lớn việc thay hồn tồn khơng có lợi Cũng khơng có hiệu phần tử chịu uốn mà điều kiện ổn định điều kiện cứng vững giữ vai trị định Vật liệu phải có tính cơng nghệ( đặc biệt tính hàn) rõ ràng Như từ giai đoạn thiết kế, cần phải xác định tính hàn vật liệu thơng qua việc xác định thành phần hố học Theo quy ước, tính hàn vật liệu chia thành nhóm : tốt, thoả mãn, hạn chế xấu - - - Nhóm có tính hàn tốt: Bao gồm mác vật liệu cho phép hàn nhiều phương pháp hàn khác nhau, chế dộ hàn điều chỉnh phạm vi rộng, không cần sử dụng đến biện pháp cơng nghệ phức tạp( nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau hàn,…) mà tạo liên kết hàn có chất lượng tốt Nhóm có tính hàn thoả mãn: Bao gồm mác vật liệu cho phép hàn số phương pháp hàn định, chế dộ hàn thay đổi phạm vi hẹp, phải sử dụng loại vật liệu hàn phù hợp nhiều trường hợp cần tiến hành nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau hànmới nhận liên kết hàn có chất lượng tốt Nhóm có tính hàn hạn chế xấu: Bao gồm mác vật liệu có khuynh hướng tạo nứt hàn, tổ chức kim loại mối hàn xấu dễ xuất khuyết tật có nguồn gốc cơng nghệ Đói với hai nhóm này, cho phép hàn vài phương pháp hàn định, chế độ hàn phải khống chế phạm vi hẹp Để có mối hàn chất lượng cần phải sử dụng loại vật liệu hàn phù hợp cần tiến hành thủ thuật cơng nghệ bổ trợ khác hàn( nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau hàn) Theo kinh nghiệm, nhận xét sơ tính hàn thép theo hàm lượng nguyên tố cácbon C% tổng lượng nguyên tố hợp kim H.K bảng 1.2 Bảng 1.2: Tính hàn thép theo hàm lượng cacbon H.K Hàm lượng C% (Mn,Si,Cr, Ni, ) < 1% < 0,25 0,25  0,35 0,35  0,45 > 0,45 1%- 3% 0,40 > 3% 0,38 Tính hàn  Tốt Thoả mãn Hạn chế Xấu Khi chọn vật liệu cần vào điều kiện làm việc cụ thể kết cấu hàn Trong số trường hợp cụ thể vật liệu chọn phải có khả chống ăn mịn, khả bền nhiệt( không giảm bền nhiệt độ cao, khơng bị ơxy hố bề mặt nhiệt độ cao), … Chỉ tiêu kinh tế Căn vào giá thành để tính cho nhiều phương án để chọn phương án tối ưu để sản phẩm có giá thành thấp Chủng loại vật liệu (kích thước, hình dáng tiết diện ngang,…): phải phù hợp với điều kiện chịu lực lắp ghép để tận dụng cách tối đa vật liệu Trong kết cấu hàn dùng loại thép đúc, thép rèn chủ yếu thép cán:  Thép có loại băng dài( thép cuộn) với chiều dày từ 0,2- 10 mm, chiều rộng từ 200mm đến 2300mm; thép có chiều dày từ 4mm-160mm, rộng từ 200mm- 3800mm dài từ 1200mmm đến 12.000mmm  Thép hình: thường thép góc, thép chữ I, chữ U , trịn đặc , ống,…  Thép định hình loại có hình dạng đặc biệt tiết diện thay đổi theo chiều dài( loại dùng kết cấu hàn ) Khi thiết kế chọn chủng loại thích hợp ta vừa tiết kiệm vật liệu vùa giảm giá thành chế tạo kết cấu Tóm lại, việc chọn vật liệu dùng cho kết cấu hàn phức tạp, phải giải hàng loạt vấn đề đồng thời để tìm phương án tối ưu đáp ứng tiêu kinh tế- kỹ thuật V An toàn lao động - vệ sinh phân xưởng Chỉ sử dụng vật liệu giáo viên cho phép Tuyệt đối tuân thủ nội quy an toàn lao động phân xưởng BÀI 02: TÍNH ĐỘ BỀN MỐI HÀN Giới thiệu: Độ bền mối hàn tiêu chí quan trọng q trình gia cơng kết cấu hàn, độ bền mồi hàn đảm bảo nghĩa kết cấu hàn thõa mãn điều kiện làm việc với tải trọng quy định Vì yêu cầu công tác thiết kế, kiểm tra, đánh giá độ bền mối hàn công việc quan trọng người thợ hàn trình độ cao đẳng Mục tiêu: - Tính tốn độ bền kéo,nén mối hàn - Xác định kích thước mối hàn biết tải trọng đặt lên kết cấu Nội dung chính: I Tính tốn mối hàn giáp mối I.1 Mối hàn giáp mối chịu kéo, nén Mối hàn giáp mối loại mối hàn ứng dụng nhiều kết cấu hàn, mối hàn có nhiều ưu điểm như: tốn kim loại bản, ứng suất tập trung, công 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 sau: Ta có chiều rộng nối B chiều dài cần hàn, chiều dày chi tiết hàn S, lực kéo N  Các kết cấu sử dụng rộng rãi kỷ thuật, thùng chứa, bể chứa, nồi hơi, vỏ tàu thủy, loại thiết bị hóa chất.v.v Các loại kết cấu cần có mối hàn đãm bảo độ bền, độ kín Mục tiêu: - Trình bày đầy đủ khái niệm dàn, kết cấu vỏ - Trình bày rõ cơng thức liên quan đến việc tính tốn kết cấu dàn, vỏ - Mơ tả ứng suất biến dạng hàn vỏ biện pháp chống ứng suất biến dạng - Tính tốn xác vật liệu để gia cơng kết cấu dàn, vỏ - Vận dụng kiến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt - Thực tốt cơng tác an tồn vệ sinh phân xưởng Nội dung chính: I Khái niệm kết cấu dàn, vỏ Khái niệm chung : -Dàn hệ thống liên kết với đầu mút khớp lề, bất biến hình dáng chịu tác dụng tải trọng Hệ thống xem bất biến hình dáng hình học hệ thống mà chịu tải trọng điểm có chuyển vị, song bỏ tải trọng điểm trở vị trí ban đầu, nghĩa hệ thống làm việc trạng thái đàn hồi Các dàn liên kết hàn dàn lề thực nghiệm chứng tỏ phân bố ứng lực dàn hàn không khác nhiều so với dàn lề-bu lơng Vì dàn hàn xem hệ thống lề việc tính tốn thiết kế thực hệ thống dàn liên kết bu lông- lề Cấu trúc dàn gồm phần tử sau: Thanh biên trên, biên dưới, chống, giằng, liên kết phần tử với gọi nút dàn Kết cấu dàn thể hình vẽ sau: -Kết cấu kết cấu tạo thành việc liên kết kim loại với tạo thành dạng thùng chứa, bể chứa, vỏ tàu thủy, máy bay, xe ô tô, toa tàu, loại bình chứa khí, chứa loại chất lỏng, loại ống dẫn.v.v.Các loại yêu cầu thường có yêu cầu độ kín, độ bền mối hàn cao đảm bảo an toàn vận hành sử dụng Các liên kết hàn kết cấu thường liên kết hàn giáp mối, liên kết hàn góc Các kim loại trước hàn thường tạo hình phù hợp với đặc điểm làm việc kết cấu Các mối hàn sau hàn thường kiểm tra chặt chẽ theo quy định tiêu chuẩn hóa Phân loại : Phân loại Dàn: 35 Dàn phân loại theo công dụng, theo kết cấu tổ hợp nó, kỹ thuật dàn xem hợp lý dàn thõa mãn điều kiện như: kết cấu hợp lý nhất, trọng lượng nhỏ nhất, chế tạo dễ dàng Kết cấu dàn chia loại sau: Dàn kèo nhà: bao gồm :Dàn kèo nhà dân dụng – Dàn kèo nhà công nghiệp Dàn kèo nhà dân dụng: Dàn kèo nhà công nghiệp Dàn cầu trục Phân loại kết cấu tấm: Trong thực tế hầu hết loại kết cấu có u cầu khác độ kín độ bền tùy theo điều kiện làm việc Do cơng nghệ gia cơng có u cầu tương ứng để thỏa mãn điều kiện kỷ thuật Do đặc điểm mà hầu hết loại kết cấu phân chia làm hai nhóm sau a- Nhóm 36 Gồm loại thùng chứa, loại kết cấu khác dùng để chứa chất lỏng chất khí khơng nguy hiểm nổ, khơng có độc có áp suất nhỏ phạm vi P ≤ N/cm2 nhiệt độ khoảng T ≤ 1000C Các loại kết cấu thường làm việc điều kiện bình thường b- Nhóm Gồm loại kết cấu vỏ tàu thủy, bình chứa oxy, bình chứa khí cháy, nồi chịu áp lực cao.v.v Các loại kết cấu trình làm việc luôn trạng thái nguy hiểm yêu cầu có hệ số an tồn cao làm việc phải tuân theo dẫn đặc biệt II Tính tốn kết cấu dàn, vỏ Tính tốn, thiết kế Dàn a- Tính tải trọng ứng lực dàn Tính tải trọng Các tải trọng đặt lên dàn bao gồm lực tập trung, lực phân bố mô men uốn Tính phản lực gối đỡ Dùng phương trình cân tĩnh học để tính phản lực gối đỡ M A M 0 B 0 (5-1) Tính mơ men uốn lớn n Mmax=  M t (5-2) t 1 Tính nội lực dàn Để xác định nội lực dàn ta dùng phương pháp mặt cắt trước cần xác định xem dàn thuộc loại nào, đối xứng hay không đối xứng, đối xứng ta cần xét dàn, lại lấy đối xứng tương ứng cho phần tử Nếu dàn khơng đối xứng ta phải tính tốn cho tồn dàn Dùng mặt cắt để cắt dàn, lập phương trình cân cho phần dàn bị cắt sau:  M i  : Tổng mô men cuả lực lấy điểm i mặt cắt ii’là điểm giao phần tử nút bị cắt  M i '  : Tổng mô men cuả lực lấy điểm i’ mặt cắt ii’là điểm giao phần tử nút bị cắt M A  : Tổng mô men lực lấy với gối đỡ Khi thành lập phương trình cân xét điều kiện cân cho phần dàn 37 Số lượng mặt cắt phụ thuộc vào phần tử dàn, tất phần tử phải cắt để xác định nội lực Nếu sau cắt mà phần tử chưa xác định nội lực ta phải sử dụng thêm phương trình cân sau: (5-3) M 0 Y Giải phương trình cân thành lập để xác định nội lực phần tử dàn b- Xác định tiết diện ngang dàn  Tính tiết diện biên bị nén Thanh biên chịu nén phải cóa diện tích mặt cắt ngang xác định theo công thức sau: FYC  N [ ]k  (5-4) Trong đó: FYC :Là diện tích yêu cầu mặt cắt ngang N nội lực tính tốn φ hệ số uốn dọc, hệ số ước chọn trước Sau xác định FYC ta tiến hành xác định mặt cắt hợp lý, tính lại F, kiểm tra bền theo cơng thức sau:  N  [ ]k F  (5-5) Nếu hàn với cạnh mối hàn xác định sau: K= (0.4 90.6 ).S Ứng suất sinh mối hàn xác định theo công thức sau:  Q.S J 2.0.7.K (5-6) Trong : Q: lực ngang S: mô men tĩnh biên lấy tâm tiết diện J mơ men qn tính biên lấy trọng tâm mặt cắt ngang K cạnh mối hàn Đối với dàn chịu tải lớn biên thay đổi kích thước mặt cắt theo khung , khung có chiều dài khơng q m  Tính tiết diện biên chịu kéo 38 Thanh biên chịu kéo thường chế tạo loại vật liệu biên chịu nén, tính theo công thức sau: FYC  N [ ] k (5-7)  Tính tiết diện giằng trụ: Các loại giằng, trụ dàn thường chọn hình dáng giống biên Với biên bị kéo : FYC  N (5-8) [ ] k Với biên chịu nén thì: FYC  N (5-9) [ ]k  Trong đó: φ = 0,4 – 0,7 Để việc tính tốn thiết kế đơn giản, ta chọn giằng, trụ có tiết diện Khi tính tốn độ bền ta cần kiểm tra bền cho chịu nén chịu kéo thường thõa mãn bền Các mối hàn thường chọn kích thước chọn k = (0,4 – 0,6 ).S c- Tính tốn thiết kế nút dàn  Tính nút đế: Nút đế nút vừa làm nhiệm vụ liên kết phần tử dàn vừa làm nhiệm vụ liên kết dàn với kết cấu khác Nút đế gồm có chi tiết sau: Tấm đế : kích thước đế đủ để liên kết với kết cấu khác , mặt đế có khoan lổ để lắp ghép bu lơng với kết cấu khác, lổ hình trịn hình elip tùy theo u cầu Ngồi cịn có vách dọc, vách ngang để liên kết trụ, biên, giằng: Kết cấu nút đế hình vẽ: -Tính kích thước đế Kích thước đế phải đủ lớn để lắp ghép với kết cấu mà dàn liên kết Thơng Thường kích thước đế lấy kích thước ,mặt cắt ngang trụ liên kết -Tính kích thước vách dọc 39 Tấm vách dọc có chiều dài chiều dài đế, chiều cao vách dọc xác định tùy thuộc vào chiều dài đường hàn trụ, giằng, chiều dài mối hàn xác định thoe công thức sau: L N 0.7.K [ ] h (5-10) -Tấm vách ngang: cách ngang bao gồm đặt vng góc với vách dọc hình vẽ, chiều rộng vách ngang phụ thuộc vào kích thước lắp ghép vách dọc đế, chiều cao vách ngang chiều cao vách dọc  Tính nút đỉnh: Nút đỉnh nút dàn,nút đỉnh có dàn kèo nhà công nghiệp dàn kèo nhà dân dụng, nút làm nhiệm vụ liên kết biên trên, chống số trường hợp có liên kết với giằng Nút đỉnh thường có hình ngũ giác có hai cạnh dài ba cạnh ngắn, hai cạnh dài để liên kết với biên, chiều dài cạnh phụ thuộc vào chiều dài đường hàn tính tốn biên với nút đỉnh góc đỉnh dàn Chiều cao nút đỉnh phụ thuộc vào chiều cao nút đỉnh phụ thuộc vào chiều dài đường hàn liên kết trụ nút đỉnh Chiều dài đường hàn tính tốn cơng thức trên.(510)  Tính nút trung gian: Nút trung gian nút liên kết trụ, giằng biên Nút trung gian thường có hai kích thước chiều dài chiều rộng, kích thước phụ thuộc vào chiều dài đường hàn liên kết biên trụ, giằng, chiều dài đường hàn tính theo cơng thức (5-10) d- Nối biên Trong q trình gia cơng, yêu cầu thiết kế nhiều chiều dài vật liệu chế tạo biên không đủ lớn, cần phải nối biên Trong trường hợp biên nối giáp mối thẳng giáp mối xiên Trong trường hợp chịu lực sử dụng đệm phía phía ngồi Việc tính tốn kiểm tra mối hàn thực giống phần trước Tính tốn kết cấu a- Kết cấu thùng chứa hình trụ đứng Thùng chứa hình trụ đứng có cấu tạo gồm có ba phần thân thùng, nắp thùng, đáy thùng Đây loại kết cấu đơn giản loại kết cấu tấm, việc tính tốn thực cho ba phần giới thiệu 40 Vật liệu chế tạo loại thép bon thấp, thép hợp kim thấp Tính tốn phần thân thùng Do thân thùng hình trụ đứng , thường thiết kế sau Thân trụ thường chế tạo nhiều đoạn ống nối ghép lại với đường hàn giáp mối, đoạn ống tạo thành từ thép cuộn tròn liên kết đường hàn giáp mối dọc Các đoạn ống phía thường có chiều dày lớn đoạn ống phía Như kết cấu trự đứng mối hàn liên kết gồm có mối hàn dọc mối hàn ngang , theo lý thuyết mối hàn dọc chịu lực chủ yếu Chiều dày vỏ định độ bền chúng Q trình tính tốn thực sau: - Tính áp lực bên thùng Áp lực thùng xác định theo công thức sau (5-11) P = ρ.y Trong : ρ :là trọng lượng đơn vị thể tích chất lỏng y :là độ sâu lớp xét so với mặt phẳng nằm ngang Theo lý thuyết ứng suất vành ta dùng cơng thức sau để xác định bề dày cần thiết cho đoạn ống bất kỳ: Sy/c = P.R [ ] h (5-12) Trong : R bán kính hình trụ P áp lực tính theo cơng thức thường tính cho điểm cách mép 300 mm cho phù hợp với điều kiện kỷ thuật Nếu đoạn ống yêu cầu khoan lổ để lắp ống dẫn chỗ khoan lổ bị yếu đi, chổ ta kiểm nghiệm theo cơng thức sau đây: σ= P.R  hd    ≤ S  hd  d  [σ]h (5-13) Trong công thức ta có; P: áp lực thùng chứa R: bán kính hình trụ h : chiều cao đoạn ống d : đường kính lổ khoan 41 Phần lớn lổ khoan khơng gây nguy hiểm, nhiên tính tốn ứng suất tính tốn vượt q ứng suất cho phép cần phải vá thêm chổ lổ khoan miếng , nhằm làm cho tiết diện chịu lực tăng lên, làm cho ứng suất tính tốn giảm xuống Tính tốn đáy thùng Đáy thùng thường thiết kế đáy phẳng đáy lồi tùy theo trạng thái làm việc kết cấu -Đáy phẳng : Đây loại đáy thông dụng thường sử dụng nhiều, đáy đặt xi măng cát đáy không chịu lực làm việc loại đáy chế tạo thép có chiều dày từ 4÷8 mm phụ thuộc vào đường kính thùng Trong số trường hợp, thùng chứa có dung tích lớn, phần biên đáy nơi lắp ghép với vách đứng người ta bố trí có chiều dày lớn phần đáy Mối liên kết đáy phần trụ có tầm quan trọng đặc biệt kết cấu, chổ nối sẻ xuất mô men uốn , trị số mô men phụ thuộc vào chiều dày vách đứng chiều dài phần nhô khỏi vách đáy Tuy nhiên phạm vi ảnh hưởng mô men không lớn , mặt khác liên kết phần trụ đáy thực hai mối hàn liên tục thỏa mản điều kiện bền Vì mối hàn khơng cần kiểm tra điều kiện bền - Đáy dạng cầu : Đây loại đáy sử dụng số trường hợp đặc biệt mà dùng đáy phẳng không hợp lý tháp chứa nước, thùng chứa chịu áp suất cao.v.v Đáy dạng cầu khó chế tạo , trường hợp cần thiết sử dụng để tránh lãng phí Khi tính toán đáy cầu, ứng suất đáy cầu xác định theo công thức sau: σd = P.R0 S0 (5-14) Trong đó: P: áp suất điểm xét đáy , tính S0: chiều dày đáy R0: bán kính đáy, theo lý thuyết bền R0 ≤ 2R Tính tốn nắp thùng Nắp thùng thường có cấu tạo gồm khung phía trong, phía ngồi thép liên kết hàn với Một số thùng có trụ chứa để khung tựa lên được, khung gồm biên biên liên kết với tạo thành hình tam giác hình thang Thanh biên liên kết với vỏ, 42 biên tựa lên trụ Thông thường chiều dày thép làm vỏ nắp S= 2÷3mm, khung thép chữ [ chữ L Các thép làm nắp tính tốn độ bền coi bị ngàm chu vi, lấy gần hình chữ nhật có cạnh a b, ứng suất sinh là: σ = α 6.q.a s2 (5-15) Trong : q :là tự trọng nắp, trọng lượng người thiết bị nắp S: chiều dày thép (cm) α : hệ số điều chỉnh (α = 0.192 a=b ; α = 0.407 a ≠ b ) b- Tính kết cấu bình chứa chất lỏng , chất khí áp suất cao Các loại bình chứa chất lỏng chất khí có áp suất cao , q trình làm việc ln ln phải tn theo quy trình nghiêm ngặt, loại bình thường dễ xảy cháy nổ gây hậu nghiêm trọng cho người trang thiết bị Do tính tốn cần phải đảm bảo hệ số an tồn cao Tính chiều dày bình Chiều dày bình xác định theo cơng thức sau; S P.Dt C 200..[ ]k  P (5-16) Trong : S : chiều dày bình P: áp suất làm việc bình Dt: đường kính bình Φ : hệ số bền mối hàn , thường chọn từ 0,7÷1 C : trị số bổ sung chiều dày , thường chọn C=1,7 (Do ăn mịn, chiều dày định mức tơn , cơng nghệ chế tạo) Tính chiều dày đáy bình Chiều dày đáy bình xác định theo cơng thức sau; Sd  P.Dt D t C 400.Z [ ]k  P 2.ht (5-17) Trong : P; Dt; C; [σ]k : chọn công thức 6-6 Z : hệ số làm yếu đáy thường chọn Z ≤ ht: chiều cao đáy bình Các bình làm việc điều kiện dễ gây cháy nổ Đối với loại bình tính tốn thiết kế , thực giống trên.Nhưng cần phải nhân thêm hệ số an tồn , tùy theo lý thuyết 43 nổ áp suất tăng từ 10-12 lần so với áp suất làm việc Do tính tốn ta phải tính tăng áp suất làm việc 12 lần BÀI TẬP ỨNG DỤNG: 1.Cho mối ghép hàn hình vẽ, biết lực kéo N = 260 KN, [σ] h = 28 KN/cm2, vật liệu có chiều dày S = mm Hãy xác định chiều dài đường hàn để kết cấu đảm bảo điều kiện bền 2.Cho mối ghép hàn chịu lực hình vẽ Hãy xác định độ bền mối hàn vật liệu chế tạo kết cấu thép bon thấp có [σ] k = 28 KN/cm2 , N = 450 KN, S = mm, B = 300 mm 3.Cho kết cấu hàn chịu lực hình vẽ Hãy kiểm tra điều kiện bền mối hàn , lực tác dụng P = 120 KN, B = 260 mm, chiều dài mối hàn L = 400 mm, vật liệu có [σ]k = 28 KN/cm2 44 4.Cho dầm chịu lực hình vẽ Hãy xác định kích thước mặt cắt ngang dầm h biết rằng: b  , [σ]k = 25 KN/m2 5.Cho thép có kích thước 1500 × 350× Tấm thép hàn đắp vào phần mép , vật liệu có [σ]T = 24 KN/cm2 , C = 0,16 cal/g0C, E = 2,1.104 KN/cm2, lớp đắp có c= mm Kết cấu hàn bị biến dạng nào? Tính độ võng kết cấu 45 6.Cho kết cấu hàn giáp mối hình vẽ Hãy xác định độ võng kết cấu sau hàn biết vật liệu chế tạo thép bon thấp có [σ]T = 25 KN/cm2, E = 2,1.104 KN/cm2 Các kích thước cho hình vẽ.( h a = 300 mm, h c = 250 mm, S = mm, l = 1500 mm, C = 0,16 cal/g0C, αd = 10 g/A.h, γ = 7,85 g/cm3) Mối hàn giáp mối có bề rộng mm, chiều cao mối hàn 1,5 mm, khe hở ghép mm 7.Một kết cấu hàn có dạng hình vẽ Hãy tính ứng suất biến dạng hàn kết cấu đó, biết rằng: , l = 1000 mm, C = 0,16 cal/g C, αd = 11 g/A.h, γ = 7,85 g/cm3), E = 2,1.104 KN/cm2, [σ]T = 24 KN/cm2 Cho dầm chịu tải trọng hình vẽ Hãy thiết kế mặt cắt ngang dầm đảm bảo điều kiện bền, yêu cầu mặt cắt ngang có dạng chữ I, biết [σ]k = 26 KN/cm2, l = m 46 Cho dầm chữ I chịu lực hình vẽ sau Hãy tính tốn, thiết kế dầm vật liệu chế tạo dầm thép có [σ]k = 25 KN/cm2, P = 140 KN 10 Dầm chịu tải trọng hình vẽ.Hãy tính tốn thiết kế dầm biết vật liệu dầm có [σ]k = 26 KN/cm2 47 11 Cho trụ chịu tác dụng tải trọng nén tâm, P = 940 KN, l=8m, [σ]k = 24 KN/cm2, yêu cầu thiết kế mặt cắt ngang chữ I, vật liệu chế tạo thép hợp kim thấp 12 Kết cấu chịu tải trọng hình vẽ Hãy tính tốn thiết kế dàn làm việc bảo đảm an tồn biết vật liệu có [σ] k = 28 KN/cm2, d = 2,5 m, l = 10 m 14 Cho dàn chịu tải trọng hình vẽ Biết vật liệu chế tạo dàn thép cacbon thấp có [σ]k = 24 KN/cm2, P=20 KN, d=1,5 m, l=1,5 m Tính tốn thiết kế dàn trên( biên trên, biên dưới, giằng) 48 15 Tính tốn kích thước bình sinh có dung tích 40 lít, sản lượng khí 2000 lít/giờ, áp suất làm việc 1,5 át, vật liệu có [σ] k = 20 KN/cm2 -Kiểm tra độ bền bình dập lửa tạt ngược Biết đường kính bình dt = 60 mm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Tùng- Sổ tay hàn-NXBKHKT 2006 [2] Kết cấu hàn- Trường ĐHBK Hà Nội- 2006 [3] Đồn Đình Kiến-Thiết kế kết cấu thép-NXB xây dựng 2004 [4] Kết cấu hàn-Trường ĐHBK Hà Nội 1984 49