Giáo trình tính toàn kết cấu hàn (nghề hàn trình độ cao đẳng)

VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN

TÍNH ĐỘ BỀN MỐI HÀN

Mối hàn giáp mối

2.1 Mối hàn giáp mối chịu kéo, nén

Mối hàn giáp mối là một trong những loại mối hàn phổ biến trong kết cấu hàn nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Loại mối hàn này tiêu tốn ít kim loại cơ bản, giảm thiểu ứng suất tập trung và có quy trình thực hiện đơn giản hơn.

Do độ bền của mối hàn chịu kéo và chịu nén là tương đương, nên chỉ cần tính toán và kiểm tra điều kiện bền cho trường hợp chịu kéo là đủ.

- Để kiểm tra điều kiện bền kéo ta xét một mối ghép hàn giáp mối như sau:

Hình 2.1 Mối hàn giáp mối chịu kéo

- Ta có chiều rộng của tấm nối là B cũng chính là chiều dài cần hàn, chiều dày của chi tiết hàn là

Như vậy theo lý thuyết bền ta có:

- Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền thì biểu thức sau phải được thõa mãn: Ϭ max : là ứng suất sinh ra khi kết cấu chịu lực tác dụng

Fh là diện tích mặt cắt của mối hàn, nó được xác định như sau : F h =BxS

Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau:

- Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức trên

- Bài toán 2: Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức:

- Bài toán 3: Tính toán các kích thước mối hàn theo công thức sau:

Để tăng khả năng chịu tải trọng của kết cấu mà không thay đổi kích thước, chúng ta có thể thiết kế các mối hàn xiên như hình vẽ dưới đây.

Hình 2.2 Mối hàn giáp mối xiên chịu kéo

Trong đó : - N: là lực tác dụng

- B: là chiều rộng tấm nối

- α: là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn

Như vậy điều kiện bền của mối hàn lúc này sẽ là:

Mà α là góc luôn nhỏ hơn 90 0 nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy mà điều kiện bền tăng lên

2.2.Mối hàn giáp mối chịu uốn

Hình 2.3 Mối hàn giáp mối chịu uốn Điều kiện bền được xác định như sau:

- σ là ứng suất sinh ra do uốn

- W là mô men chống uốn được xác định như sau:

- Thay vào biểu thức tính độ bền ta có:

2.3.Mối hàn giáp mối chịu mômen uốn M và lực kéo F:

Các chi tiết được thiết kế nằm trên cùng một mặt phẳng, giúp cải thiện điều kiện truyền lực và giảm hệ số tập trung ứng suất Điều này không chỉ mang lại cấu trúc đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí vật liệu.

Mối hàn giáp chịu uốn và kéo đồng thời, với ứng lực cho phép là lực kéo lớn nhất mà liên kết hàn có thể chịu đựng.

L – là chiều dài tính toán của mối hàn

Để xác định chiều dài của liên kết hàn, cần lấy chiều dài khi phần đầu và cuối mối hàn được điền đầy hoàn toàn Công thức tính chiều dài liên kết hàn là L = b – 2.δ, trong đó b là chiều dài liên kết hàn và δ là chiều dài phần đầu và cuối của mối hàn cần bỏ qua.

* h – là chiều dày tính toán

+ h = δ nếu mối hàn ngấu hoàn toàn

+ h = δ 1 ( δ 1 là độ ngấu của mối hàn ) nếu mối hàn không ngấu hoàn toàn

* W – là Mômen chống uốn của tiết diện ngang

3.Tính toán mối hàn góc

3.1.Mối hàn góc chịu kéo, nén

- Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình kiểm tra mối hàn theo các dạng sau

3.1.1.Tính mối hàn góc đối xứng ngang

Hình 2.5 Mối hàn góc đối xứng ngang xét mối hàn ngang chịu lực như hình vẽ ta có biểu thức xác định độ bền như sau:

N là lực tác dụng h là chiều cao của mối hàn

B là chiều dài đường hàn

Do chiều cao mối hàn : h = k.cos450 = 0,7.k và k = S

(trong trường hợp các tấm có chiều dày không bằng nhau thì k được chọn theo tấm có chiều dày nhỏhơn) cho nên:

3.1.2.Tính mối hàn đối xứng dọc Đối với mối hàn đối xứng dọc khi chịu lực thì điều kiện bền được xác định như sau:

Hình 2.6 Mối hàn góc đối xứng dọc

Trong đó: L là chiều dài đường hàn h: chiều cao mối hàn

Trong trường hợp mối hàn không đối xứng thì điều kiện được xác định theo công thức sau:

3.1.3 Mối hàn cạnh không đối xứng

Trong trường hợp mối hàn cạnh không đối xứng, mỗi mối hàn cần được tính toán dựa trên tải trọng tác dụng riêng Khi tải trọng F tác động lên thép góc, mỗi mối hàn sẽ chịu tải trọng F1 và F2, được xác định theo công thức cụ thể.

Khi cùng tiết diện mặt cắt ngang mối hàn giữa F1, F2 và l1,l2 có sự liên hệ sau :

F l l   Sau khi xác định tải trọng F 1 và F2 ta tiến hàn tính toán chiều dài mối hàn l 1 và l2

Hình 2.7 Mối hàn cạnh không đối xứng

3.2.Mối hàn góc chịu uốn

- Khi mối hàn góc chịu uốn, điều kiện bền được xác định theo công thức sau :

Hình 2.8 Mối hàn góc chịu uốn

Trong đó : - M là mô men uốn

- H là chiều cao mối hàn

- L là chiều dài mối hàn cả 2 phía

- B là chiều cao của tấm hàn

- Khi mối hàn góc chịu uốn và kéo hoặc nén điều kiện bền được xác định theo công thức sau :

Hình 2.9 Mối hàn góc chịu uốn hoặc kéo

Trong đó : - M là mô men uốn

- W là mô men chống uốn

- h là chiều cao mối hàn

- L là tổng chiều dài đường hàn

- Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn như hình vẽ thì điều kiện bền sẽ là :

Hình 2.10 Mối hàn tổng hợp chịu uốn

- Khi tính toán ta chọn trước l n cạnh của mối hàn k để xác định mối hàn l d

Hình 2.11.Mối hàn tổng hợp chịu uốn l d , , l n

- Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén thì điều kiện bền sẽ là :

Giải Bài tập

Cho liên kết hàn như hình vẽ

Để xác định chiều dài các mối hàn của thanh giằng với bản nối nhằm tối ưu hóa tuổi thọ kết cấu, cần sử dụng phương pháp hàn hồ quang tay với que hàn vỏ thuốc Vật liệu được sử dụng trong quá trình hàn là thép các bon.

- Khả năng chịu lực của thanh giằng bằng thép góc 70 x 70 x 7 là:

- Ứng suất kéo cho phép của vật liệu là:

Trong đó: K là hệ số an toàn về độ bền, K = 1,5

- Tiết diện mặt cắt của thanh thép góc 70 x 70 x 7 là: F = (7cm + 6,3cm) 0,7 = 9,31 cm 2

- Khả năng chịu tải của thanh giằng: N = 16 9,31 = 148,96 kN

- Tính toán chiều dài các mối hàn

+ Thanh giằng liên kết với bản nối bằng 3 mối hàn L 1 , L2, L3

- Mối hàn ngang L 1 được hàn hết chiều dài cạnh của thép góc, L 1 = 7cm, vì thanh thép góc có chiều dày là 7mm nên ta chọn cạnh mối hàn K1 = 0,7cm

- Mối hàn L 2 là mối hàn giữa bản nối và sống của thép góc, ta chọn cạnh của mối hàn K 2 = 1cm

- Mối hàn L3 là mối hàn giữa bản nối và cạnh của thanh thép góc, ta chọn cạnh của mối hàn

- Ta xác định khả năng chịu tải của mối hàn ngang L 1

- Mối hàn dọc chịu ứng lực: N d = N - N1 = 148,9 - 32,9 = 116 (kN)

- Do độ lệch của trọng tâm thép góc so với cánh thép nên: N 2 2/3 Nd và N3 = 1/3 Nd

Kết luận:Với L 1 = 7 cm, L2 = 11,5 cm, L3 = 8,2 cm kết cấu có tổi thọ tối ưu

YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 2 1.Nội dung:

- Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu khi chế tạo kết cấu hàn

- Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao

+ Về kỹ năng: Tính toán và kiểm tra độ bền cho từng kết cấu hàn khác nhau

- Về kiến thức: được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm

Kỹ năng được đánh giá thông qua các bài tập cá nhân và nhóm, cho phép người học thể hiện khả năng thuyết trình hoặc phân tích và giải quyết vấn đề trước lớp.

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập

Bài 1.Cho mối hàn giáp mối như hình vẽ Biết rằng lực kéo N&0KN, vật   h  28 kN cm / 2 liệu có S = 8mm Hãy xác định chiều rộng của tấm ghép để kết cấu đảm bảo điều kiện bền

Bài 2 Cho mối hàn giáp mối như hình vẽ Biết rằng lực kéo N&0 KN,  h  28 kN cm / 2 , Vật liệu có S = 8 mm,  = 60 0 Hãy xác định chiều rộng của tấm ghép để kết cấu đảm bảo điều kiện bền Biết vật liệu là thép các bon có: T = 20kN/cm

TÍNH Ứ NG SU Ấ T VÀ BI Ế N D Ạ NG KHI HÀN

Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp

TT Tên các bài trong mô đun

Thực hành, bài tập thảo luận

3 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu thép chữ T

4 Chương 4 Tính toán kết cấu dầm trụ 8 3 5

1 Khái niệm về dầm trụ

3 Ứng suất và biến dạng khi hàn dầm trụ

4 Tính vật liệu gia công dầm trụ

5 Chương 5 Tính toán kết cấu dàn 13 3 9 1

1 Khái niệm về kết cấu dàn, tấm vỏ

2 Tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ

3 Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu tấm vỏ 4 Tính vật liệu gia công dàn, tấm vỏ

6 Kiểm tra kết thúc Mô đun

YÊU CẦU VỀĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ ĐUN/MÔN HỌC

1 Kiểm tra đánh giá trước khi thực hiện mô đun:

- Kiến thức: Vấn đáp hoặc trắc nghiệm kiến thức đã học liên quan đến MĐ28;

- Kỹ năng: Được đánh giá qua kết quả thực hiện các bài tập thực hành đã học

2 Kiểm tra đánh giá trong khi thực hiện mô đun:

Giáo viên hướng dẫn cần thường xuyên quan sát và chuẩn bị công tác, thao tác cơ bản cũng như bố trí nơi làm việc Việc ghi sổ theo dõi giúp đánh giá kết quả thực hiện mô đun liên quan đến kiến thức, kỹ năng và thái độ của học viên.

3 Kiểm tra sau khi kết thúc mô đun:

Căn cứ vào mục tiêu môđun để đánh giá kết quả qua bài kiểm tra viết, kiểm tra vấn đáp, hoặc trắc nghiệm đạt các yêu cầu sau:

- Các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn

- Cách tính vật liệu chế tạo kết cấu hàn

- Các công thức tính toán độ bền, ứng suất và biến dạng khi hàn

6 Được đánh giá bằng kiểm tra trực tiếp qua quá trình thực hiện các bài tập đạt các yêu cầu sau:

- Nhận biết đúng các loại vật liệu chế tạo các kết cấu hàn

- Tra bảng, tính toán vật liệu hàn chính xác

- Giải các bài toán nghiệm bền và tính ứng suất biến dạng khi hàn của các kết cấu hàn đơn giản

- Kiểm tra đánh giá tính toán các kết cấu hàn

- Sắp xếp thiết bị dụng cụ hợp lý, bố trí nơi làm việc khoa học

3.3.Vềthái độ: Được đánh giá qua quan sát, qua sổ theo dõi đạt các yêu cầu sau:

- Chấp hành quy định bảo hộ lao động;

- Chấp hành nội quy thực tập;

- Tổ chức nơi làm việc hợp lý, khoa học;

- Ý thức tiết kiệm nguyên vật liệu;

- Tinh thần hợp tác làm việc theo tổ, nhóm

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN

Vật liệu chế tạo kết cấu hàn đóng vai trò quyết định trong chất lượng công trình và ảnh hưởng lớn đến các quy trình công nghệ cũng như tính kinh tế của dự án Việc lựa chọn vật liệu hợp lý không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn đảm bảo chất lượng kỹ thuật cao Đây là tiêu chí quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế và thi công.

Nhận biết các loại thép định hình như U, I, V và thép tấm, cũng như các vật liệu khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng và hợp kim đồng, cùng với thép hợp kim, là rất quan trọng trong việc chế tạo kết cấu hàn.

1 Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn

Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm có:

1.1.Các loại thép các bon thấp

Vật liệu này được ưa chuộng trong chế tạo kết cấu hàn nhờ khả năng hàn dễ dàng, cho phép đạt được chất lượng mối hàn cao mà không cần áp dụng các biện pháp công nghệ phức tạp.

- Trong thực tế thép các bon thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn được chia ra làm 2 nhóm chính là thép định hình và thép tấm

Thép hợp kim thấp có tính hàn tốt, chỉ sau thép các bon thấp, nên thường được sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao hoặc làm việc trong các điều kiện đặc biệt.

- Thép hợp kim thấp thường được dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm các loại như thép Manggan; thép Cr –Si –Mn; Cr-Mn-Môlipđen

- Thép hợp kim thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn

1.3 Các loại thép không rỉ

Các kết cấu hàn được chế tạo để hoạt động hiệu quả trong những điều kiện đặc biệt, bao gồm nhiệt độ cao, tiếp xúc với hóa chất, và trong các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm cũng như dụng cụ y tế.

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các kết cấu từ thép không rỉ ngày càng tăng cao, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của nhiều công nghệ gia công hiện đại cho các thiết bị dạng tấm.

Các loại thép không rỉ phổ biến hiện nay bao gồm Cr-Ni, Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, cùng với một số loại thép có khả năng chống ăn mòn hóa học, chịu nhiệt và bền nhiệt.

1.4 Nhôm và hợp kim nhôm

Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu phổ biến trong chế tạo kết cấu hàn, đặc biệt là hợp kim nhôm, nhờ vào trọng lượng nhẹ và khả năng chống rỉ, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính năng này.

Hợp kim nhôm phổ biến nhất bao gồm Duy-ra, được sử dụng cho các kết cấu yêu cầu độ bền nhiệt cao, và hợp kim nhôm – magiê, thích hợp cho vỏ tàu nhỏ tốc độ cao, kết cấu xây dựng, cũng như thùng chứa thực phẩm, nước và đồ ăn Nhôm và hợp kim nhôm thường được chế tạo dưới dạng tấm.

Hình 1.1 Thép góc và ứng dụng

Bảng tra thép hình là công cụ thiết yếu trong ngành xây dựng, giúp đảm bảo độ bền cho công trình Việc hiểu rõ thông số thép và cách sử dụng bảng tra là rất quan trọng để giảm thiểu sai sót trong quá trình thi công Các nhà thiết kế đã tổng hợp những số liệu chính xác nhất để phục vụ cho việc này Bảng tra thép được phân loại thành các hình dạng như I, H, U, V, và L.

Cụ thể hơn, các công dụng mà bảng tra thép hình I, H, U, V, L đem lại là:

 Tiết kiệm chi phí sử dụng lật liệu

 Dễ dàng hơn trong việc tính toán định lượng sử dụng sao cho phù hợp với công trình

 Tăng độ bền và mức an toàn của công trình xây dựng

 Từ bảng tra thép tính toán được các thông số cần thiết khác

Thép chữ L (thép góc) là loại thép hình phổ biến, thường được sử dụng trong chế tạo kết cấu hàn như khung, dàn và các liên kết khác Với khả năng ghép nối, thép góc có thể tạo ra nhiều hình dạng khác nhau, chẳng hạn như kết cấu chữ [, chữ T, hoặc chữ  khi ghép các thanh lại với nhau Loại thép này có ứng dụng rộng rãi trong thực tế Thép hình chữ L được chia thành hai loại: L cánh đều và L cánh lệch.

Thép chữ L cạnh đều bao gồm 67 loại theo quy định trong TCVN 1656-75, với kích thước nhỏ nhất là L20 × 3 (20mm x 20mm, dày 3mm) và lớn nhất là L250 × 20 Loại thép này được sử dụng phổ biến trong chế tạo kết cấu nhờ vào tính công nghệ cao, cho phép thợ gia công không cần chú ý đến các cạnh của thanh thép, vì các cạnh đều bằng nhau, đây là đặc tính ưu việt của thép góc.

Thép chữ L cạnh không đều bao gồm 47 loại theo tiêu chuẩn TCVN 1657-75, với kích thước nhỏ nhất là L25  16  3 (cạnh 25mm, 16mm và độ dày 3mm) và lớn nhất là 250  160  20 Loại thép này có phạm vi ứng dụng hạn chế do công nghệ gia công không cao, yêu cầu thợ phải chú ý đến các cạnh không đều, ảnh hưởng đến năng suất lao động Do đó, khi thiết kế kết cấu, cần cân nhắc đặc điểm này để lựa chọn thép góc hợp lý.

B ả ng 1 B ả ng tra thép góc đề u cánh L

Bảng 2 Bảng tra thép góc không đều cánh L

Thép chữ là loại vật liệu xây dựng được phân loại theo TCVN 1654-75, bao gồm 22 loại với chiều cao từ 50mm đến 400mm Ví dụ, thép chữ loại 22 có chiều cao là h 220mm Chiều dài của thép chữ dao động từ 4m đến 13m Đặc biệt, một số loại thép chữ được ký hiệu với chữ "a" phía dưới, như thép 22a, để phân biệt các loại đặc thù.

Hình 1.2 Thép chử [ và ứng dụng.

Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ T

Kết cấu chữ Tgồm 2 tấm, một tấm đế và một tấm vách, hàn với nhau bằng 2 mối hàn góc như hình vẽ 3-5

Vùng ứng suất tác dụng sinh ra mối hàn chử T được xác định như sau :

Fc= (2b1+ 2b21 + S2 ) S1 + ( b1 + b22 )S2 +K 2 Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng được xác dịnh như sau :

Các lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ Nếu biến do uốn ngang rất nhỏ không đáng kể, lúc này ta có : P = 2P1 + P2

P1 là nội lực phản kháng là nội lực phản kháng của tấm đế ,được xác định như sau :

P2 là nội lực phản kháng của tấm vách và được xác định như sau :

Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu là :

Trong đó, y1 và y2 đại diện cho khoảng cách từ các điểm đạt lực phản kháng 2P1 và P2 đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng, đồng thời cũng là điểm đạt của tác dụng P.

Khi kết cấu hàn được tự do trong quá trình hàn, mô men uốn M sẽ gây ra hiện tượng uốn, dẫn đến việc hình thành ứng suất uốn Ứng suất này có thể được xác định theo các công thức cụ thể.

- Do ảnh hưởng của mô men uốn mà liên kết bị cong sau khi hàn, tạo ra độ võng và độ võng được xác định như sau : fmax= (3-27)

Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn

a Các biến dạng về kết cấu và công nghệ

Trong quá gia công các kết cấu để hạn chế các biến dạng xảy ra khi thiết kế các kết cấu hàn cần chú ý một số vấn đề sau :

Để đảm bảo chất lượng trong quá trình hàn, cần sử dụng vật liệu có tính hàn tốt và độ dẻo cao Nên tránh bố trí các đường hàn giao nhau và giảm thiểu tối đa các mối hàn góc, thay vào đó là sử dụng các mối hàn giáp mối để tăng cường độ bền cho sản phẩm.

Khi lắp ghép kết cấu, cần tránh sử dụng mối hàn đính để không tạo ra mối ghép cứng Việc sử dụng đồ gá hợp lý sẽ giúp kim loại có khả năng co giãn tự do trong quá trình hàn.

Khi hàn cần chú ý một số vấn đề sau :

Đối với các tấm chế tạo từ các tấm nhỏ, quy trình hàn cho kết cấu thùng chứa bể hình trụ bao gồm việc hàn các đường hàn dọc của các tấm vòng, sau đó kết nối các vòng lại với nhau Trước tiên, cần hàn các mối hàn ngang để hình thành các dải hàn riêng biệt, sau đó hàn các dải hàn này lại với nhau để tạo thành tấm lớn.

Khi tiến hành hàn các kết cấu dầm, trước tiên cần hàn các mối nối giữa tấm đế và tấm vách Sau đó, tiến hành hàn các mối hàn góc liên kết giữa tấm đế và tấm vách để đảm bảo tính ổn định và độ bền của kết cấu.

- Khi hàn nhiều đường nhiều lớp thì các hướng hàn lớp sau có hướng ngược với các lớp hàn trước b Các biện pháp khử biến dạng

Khi các đường hàn được bố trí đối xứng, việc hàn cả hai phía đồng thời sẽ tạo ra biến dạng ngược chiều, giúp triệt tiêu hoặc giảm thiểu biến dạng xuống mức tối thiểu Đối với một số kết cấu, có thể tận dụng biến dạng ngược bằng cách lắp ghép hợp lý trong quá trình hàn Phương pháp này thường dễ thực hiện nhất đối với hàn kết cấu tấm.

34 c Kẹp chặt chi tiết hàn

Chi tiết được kẹp chặt bằng các đồ gá có độ cứng vững đủ để kiểm soát biến dạng trong quá trình hàn Cần lưu ý rằng việc sử dụng phương pháp này trong gia công sẽ dẫn đến sự gia tăng nội ứng suất Các phương pháp kiểm soát nội ứng suất cũng cần được xem xét.

Phương pháp tạo lực ép lên mối hàn là biện pháp hiệu quả để triệt tiêu ứng suất tồn tại sau khi hàn, có thể thực hiện bằng cách sử dụng máy cán mối hàn Nung nóng trước và trong quá trình hàn giúp nhiệt được phân bố đều, giảm thiểu ứng suất, đặc biệt khi hàn các vật liệu có tính hàn kém, thường sử dụng nguồn nhiệt từ dòng điện cao tần hoặc ngọn lửa khí đốt Nung sau khi hàn là phương pháp loại bỏ ứng suất còn lại bằng cách sử dụng nhiệt độ từ 600 – 650 độ C trong khoảng thời gian 2-3 phút cho mỗi 1mm chiều dày chi tiết hàn, phù hợp cho các chi tiết có kích thước nhỏ.

Nắn sữa kết cấu sau khi hàn là phương pháp phổ biến, có thể thực hiện bằng nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt Nắn cơ khí sử dụng các thiết bị như máy búa, máy ép, máy cán và có thể thực hiện ở trạng thái nóng hoặc nguội Trong khi đó, nắn nhiệt sử dụng nhiệt để tạo ra ứng suất tự cân bằng trong quá trình hàn, đòi hỏi người thợ và kỹ thuật viên phải hiểu rõ về biến dạng do nhiệt và có kinh nghiệm để xác định các điểm nung hợp lý.

Xác định độ võng của kết cấu hàn giáp mối bằng thép các bon thấp với ứng suất tối đa 24 KN/cm² Các kích thước của kết cấu bao gồm: chiều cao hàn (ha) là 300mm, chiều cao trung tâm (hc) là 250mm, chiều dày (S) là 6mm, chiều dài (l) là 1500mm, và các kích thước bna không bằng bnc.

- Đường kính điện cực hàn : d = 

- Tính cường độ dòng điện hàn : I h = 4060.d = 160 200 chọn

- Chọn điện áp hàn : Uh = 30 (v)

- Tính vận tốc hàn : Vh = 12 , 5 m h

( trong đó d = 10 g A h ; Fd = 0,2 cm 2 ;   7 , 85 g cm 3 )

- Tính công suất hồ quang : q = 0,24.Ih Uh  = 0,24.200.30.0,7580cal/s

2 Tính nội lực tác dụng

( k2được chọn theo biểu đồ k 2 = 0,224 )

- Tính bnc : bnc = b1 + b2c trong đó b 1 được tính như trên và có giá trị đúng bằng b 1 của tấm c vì vậy ta có b 1 = 3,62 cm b2c = k2 ( hc - b1 ) = 0,224.( 25 - 3,62 ) = 4,79 cm

Thay vào biểu thức tính nội lực tác dụng ta có :

Từ công thức 3-7 mô men uốn được tính :

 Trong đó : b 0 = bna + bnc = 9,53 + 8,41 = 17,93 cm ; h = ha + hc = 30 +25 = 55cm a = ha - bna = 30 - 9,53 = 20,47cm c = hc - bnc = 25 - 8,41 = 16,59 cm

2 Tính ứng suất uốn. Ứng suất uốn được xác định theo công thức 3-8 :  

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :

3 Tính độ võng : độ võng được xác địnhtheo công thức 3-10 : f J E 8 l.

Thay các giá trị trên vào công thức tính độ võng ta có : f.= 4 2 3 

YÊU CẦU VỀĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 3 1.Nội dung:

- Xây dựng được các đồ thị, các biểu đồ về ứng suất và biến dạng của một số kết cấu hàn

Kỹ năng vận dụng kiến thức đã học để tính toán giúp giảm ứng suất và biến dạng hàn cho các kết cấu hàn sử dụng thép định hình là rất quan trọng Việc này không chỉ nâng cao hiệu quả của quá trình hàn mà còn đảm bảo độ bền và ổn định cho sản phẩm cuối cùng.

Kỹ năng được đánh giá thông qua các bài tập cá nhân và nhóm, cho phép người học thể hiện khả năng thuyết trình hoặc phân tích giải quyết vấn đề trước lớp.

Bài 1 Cho tấm thép có kích thước 1500x350x6 mm, tấm thép được hàn đắp vào phần mép, vật liệu có  T  24 KN cm / 2 , C = 0,16 cal/g 0C , d = 10 g/A.h, E = 2.1.10 4 KN/em 2 , lớp đắp có Fđ 2mm kết cấu bị biến dạng thế nào ? tính độ võng của kết cấu

Bài 2 Cho chi tiết có kích thước như hình vẽ:

Biết: Vật liệu cơ bản là thép cacbon có giới hạn chảy σ T = 25kN/cm 2 ; Môdul đàn hồi E

=2,1.10 4 kN/cm 2 ; Nhiệt dung khối C. = 1,25calo/cm 3 0 C; Hàn tự động dưới thuốc với chế độ hàn:

I = 600A; U = 32V; V = 40m/h; Hệ số nhiệt hữu ích  = 0,85; Tính độ võng dư lớn nhất sau khi hàn đắp vào mép tấm theo chiều dài?

TÍNH TOÁN KẾ T C Ấ U D Ầ M TR Ụ

Khái niệm và phân loại dầm

- Dầm là một phần tử của kết cấu hàn, làm việc chủ yếu chịu uốn, dầm được liên kết tạo thành các kết cấu khung, bệ

- Trong thực tế dầm được sử dụng nhiều trong các kết cấu cầu, kết cấu khung nhà bằng thép, khung sườn tàu thuỷ, ô tô, cầu trục

Trong thực tế, có nhiều loại dầm khác nhau, và việc lựa chọn loại dầm phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng công trình Tuy nhiên, dầm chủ yếu hoạt động trong trạng thái chịu uốn, do đó, các dạng mặt cắt ngang chính của dầm thường được chia thành 4 loại cơ bản.

Dầm có mặt cắt ngang hình chữ I là loại dầm phổ biến trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông, chế tạo máy và đóng tàu thủy Kết cấu của dầm này bao gồm hai tấm đế và một tấm vách, được liên kết với nhau bằng bốn mối hàn góc.

Dầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật là loại dầm phổ biến trong ngành chế tạo máy, xây dựng và đóng tàu thủy Kết cấu của dầm này bao gồm bốn tấm thép được ghép lại với nhau thông qua các mối hàn góc, tạo nên độ bền và khả năng chịu lực cao.

Hình 4.2 Mặt cắt chử nhật

Dầm chữ U là loại dầm phổ biến trong ngành chế tạo máy, ô tô và xây dựng Kết cấu của dầm này bao gồm ba tấm thép được ghép lại với nhau thông qua ba mối hàn góc, tạo nên độ bền và chắc chắn cho sản phẩm.

Các loại dầm khác nhau như dầm hình chữ T, hình vuông và hình tròn được sử dụng trong những trường hợp thiết kế đặc biệt, mặc dù chúng không phổ biến.

Hình 4.4 Mặt cắt hình T, vuông, tròn

1 3 Tính toán thiết kế dầm.

1.3.1 Tính chọn chiều cao của dầm.

Để đảm bảo độ cứng cho dầm làm việc ở chế độ chịu uốn, chiều cao của dầm cần được xác định và thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật Trong thực tế, chiều cao tính toán của dầm có thể được xác định theo công thức thực nghiệm, cụ thể là đối với dầm chữ I, chiều cao h được tính bằng 1,3 đến 1,4 lần diện tích mặt cắt S V.

40 Đối với dầm hình hộp: h = S V   K

Trong thiết kế dầm, M là mô men uốn tính toán, còn S b là chiều dày của tấm vách Giá trị của S b thường chưa xác định ban đầu, vì vậy ta cần chọn một giá trị thích hợp Đối với các kết cấu xây dựng, S b thường được chọn trong một giới hạn hẹp để đảm bảo tính ổn định và an toàn của công trình.

SV= 5  10 mm khi chịu tải trọng nhẹ (4- 2)*

SV= 10 18 mm khi chịu tải trọng nặng

1.3.2.Tính toán các thông số khác của dầm a Tính mô men chống uốn: Mô men chống uốn của dầm được xác định theo công thức sau:

 (4-3 ) trong đó M được xác định ở trên b Tính mô men quán tính của tiết diện Mô men quán tính được tính như sau

Trong đó: - Wy đã tính ở trên

Chiều cao của dầm được tính theo công thức thực nghiệm (4-2) Để tính mô men quán tính của tấm vách đứng có chiều cao hb và chiều dày Sb, cần áp dụng các phương pháp xác định phù hợp Mô men quán tính của tấm vách đứng sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.

Trong đó : h V được lấy gần đúng theo công thức sau h V = 0,95h d Tính mô men quán tính của 2 tấm đế

- Mô men quán tính của 2 tấm đế được tính như sau :

Nhưng theo lý thuyết bền ta có :

Mô men quán tính J0 của tấm đế được xác định theo trục riêng của nó thường có giá trị rất nhỏ, do đó trong quá trình tính toán, chúng ta có thể bỏ qua trị số này.

- h1 là khoảng cách giữa trọng tâm của 2 tấm đế, thường được chọn như sau h1=( 0,95 0,98 ) h ( 4-8)

Từ biểu thức (4-7) ta có tiết diện của một tấm đế là :

J d e Tính ứng suất do uốn

Dưới tác dụng của mô men uốn M sẽ gây ra mô ứng suất uốn và được xác định như sau :

Dưới tác dụng của lực cắt Q trên mặt cắt ngang sẽ xuất hiện ứng suất cắt, ứng suất này được xác định như sau :

- Q là lực cắt ngang lớn nhất của dầm

- S là mô men tĩnh của 1/2 mặt cắt ngang lấy đối với trọng tâm của dầm

SV là chiều dày của tấm vách Tính ứng suất tương đương được xác định khi giá trị của M và Q đạt cực đại tại một mặt cắt, thường là ở cạnh trên của tấm vách Công thức tính ứng suất tương đương được áp dụng trong trường hợp này.

 với S là mô men tĩnh của tiết diện ngang lấy đối với trục trung tâm của tiết diện dầm

Trong một số trường hợp  td nhỏ hơn ứng suất gây ra do uốn do vậy trong mọi trường hợp thì:

 td  1 , 05    k (4-12) f Tiết diện được coi là hợp lý khi :

1.3.2 Tính toán thiết kế các mối hàn dầm.

Phần lớn các phần tử của dầm được liên kết bằng các đường hàn góc giữa tấm đế và tấm vách Khi dầm hoạt động, thường xuất hiện cả hai loại ứng suất pháp và tiếp Trong đó, ứng suất cắt dọc theo mối hàn giữa tấm vách và tấm đế là nguy hiểm nhất Ứng suất này có thể được xác định qua các phương pháp phân tích kỹ thuật.

- Các mối hàn có cạnh là k thì : k J

- Trường hợp tải trọng di động trên mặt dầm thì : k z

Trong đó : - P là trị số tải trọng tập trung

- n là trị số phụ thuộc vào đặc trưng gia công cạnh tấm đứng

- z là chiều dài mối hàn tính toán trên đó áp lực truyền từ tấm đế sang tấm đứng

Sau khi xác định được  và  k ta tiến hành xác định ứng suất tổng hợp theo công thức sau :

Khi sử dụng dầm có chiều dài lớn, việc nối dầm là cần thiết Để đảm bảo độ bền và ổn định, các mối nối giữa các tấm dầm cần phải được bố trí lệch nhau, như minh họa trong hình vẽ 4-3.

- Độ bền của mối hàn nối dầm được xác định như sau :

Nếu mô men quán tính  lớn hơn mô men quán tính chuẩn   h, cần hàn thêm vào vị trí nối tấm ốp phụ để tăng cường mô men quán tính và mô men chống uốn.

Mô men chống uốn W' của tiết diện khi có tấm đệm cần được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế Việc hạn chế sử dụng tấm đệm là cần thiết, vì chúng có thể gây ra ứng suất tập trung, ảnh hưởng đến độ bền và ổn định của kết cấu.

Để thiết kế mặt cắt ngang của dầm chịu tải trọng P = 50 kN với chiều dài l = 8,0 m, cần đảm bảo mặt cắt có hình dạng chữ I và đáp ứng điều kiện bền Bước đầu tiên là tính toán phản lực tại các gối đỡ để xác định ứng suất và đảm bảo an toàn cho cấu trúc.

Kết cấu trụ

2.1 Khái niệm, phân loại, trạng thái chịu tải trọng của trụ.

Trụ là kết cấu chịu lực chính, chủ yếu chịu lực nén, thường được sử dụng làm cột chống cho khung nhà, các bộ phận của khung máy, toa xe, trụ cầu và cột điện Lực tác động lên trụ có thể là đúng tâm hoặc lệch tâm.

Kết cấu trụ thép hàn thường có dạng trụ hình chữ I, được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo nhà và hệ thống cầu trục Kết cấu này bao gồm hai tấm đế và một tấm vách, liên kết với nhau qua các mối hàn góc Trụ hình chữ I được đánh giá là loại kết cấu hiệu quả nhất, tiết kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu tải trọng tốt Hình dạng của loại trụ này được minh họa trong hình 5-1.

Trụ hình chữ I là loại trụ phổ biến trong xây dựng nhà công nghiệp và dân dụng, cũng như trong chế tạo máy Loại trụ này được cấu tạo từ ba tấm kim loại liên kết với nhau qua các đường hàn góc, giúp đảm bảo độ bền và ổn định Trụ thường được bố trí để chịu các tải trọng đúng tâm, mang lại hiệu quả tối ưu cho công trình.

Hình 4.7 Trụ hình chữ thập c.Trụ có mặt cắt ngang hình

Hình 4.8 Trụ hình chữ ngang

Trụ công nghiệp được sử dụng phổ biến trong xây dựng nhà xưởng có hệ thống cầu trục, cũng như trong ngành chế tạo máy và một số lĩnh vực khác Kết cấu của trụ này bao gồm bốn tấm kim loại được liên kết bằng các mối hàn góc, cho phép trụ chịu được tải trọng đúng tâm và lệch tâm.

2.2.Tính toán thiết kế trụ

2.2.1 Tính toán thiết kế mặt cắt ngang của trụ. Độ bền và độ ổn định của trụ khi chịu nén đúng tâm được xác định theo công thức sau đây :

- N : là lực nén dọc trục (N).

- F : Là diẹn tích mặt cắt ngang của trụ (m 2 )

-  : Là hệ số uốn dọc , hệ số này luôn luôn nhỏ hơn 1

Khi tính toán thiết kế chúng ta dùng hệ số  để đảm bảo tính ổn định của phần tử chịu nén do bị uốn dọc

Tỷ số giữa chiều dài tự do L của phần tử và bán kính quán tính r của tiết diện ngang phần tử cong được gọi là hư số.

 ( 5 - 2) Trong đó r là bán kính quán tính được xác định theo công thức sau : r F

Với J là mô men quán tính của tiết diện ngang của trụ F

Khi xác định chiều dài của trụ, cần lưu ý rằng chiều dài này phụ thuộc vào dạng liên kết của trụ Trong thực tế, các trụ thường được liên kết theo ba dạng chính.

Sau khi xác định được  ta có thể tra bảng để chọn được , dựa vào  để tính F theo công thức

Để chọn giá trị  phù hợp, chúng ta cần dựa vào F Việc giải bài toán này yêu cầu áp dụng phương pháp gần đúng liên tục Bước đầu tiên là chọn một giá trị  1 trong khoảng 0,5 - 0,8, tùy thuộc vào từng loại kết cấu.

1 ta thay vào công thức kiểm tra điều kiện bền để xác định F 1 theo công thức sau :

Sau khi xác định F1, chúng ta thiết kế mặt cắt ngang hợp lý dựa trên F1, dẫn đến việc tạo ra mặt cắt ngang mới F2, trong đó F2 luôn được chọn lớn hơn F1.

Từ F 2 ta tính mô men quán tính cực tiểu để thay vào công thức ( 5 - 3) để xác định bán kính cực tiểu như sau : rmin 2 min

Từ r min ta có: min max r

Với giá trị của maxđược xác định ở trên ta tiến hành tra bảng để xác định hệ số , hệ số này ta gọi là  2

Thay  2 để kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức :

Nếu độ sai số trong công thức nằm trong phạm vi ±50/0, điều kiện bền được thỏa mãn và các kích thước tính toán cùng mặt cắt thiết kế hợp lý Nếu kết quả tính toán vượt quá giới hạn cho phép, cần phải thực hiện tính toán lại từ đầu.

Khi thiết kế một kết cấu trụ, cần thực hiện các bước quan trọng Bước đầu tiên là chọn một giá trị , thường nằm trong khoảng từ 0,5 đến 0,8 Trong một số trường hợp, giá trị này có thể được xác định trước.

B3: Thiết kế mặt cắt hợp lý, trên cơ sở của F 1 từ đó xác định F 2 của mặt cắt vừa thiết kế

B4: Tính mô men quán tính JX và JY sau đó chọn mô men quán tính nào có giá trị nhỏ hơn để tính bán kính quán tính cực tiểu

B5:Tính bán kính quán tính cực tiểu theo công thức ( 5- 5 )

B6:Tính độ cong lớn nhất maxtheo công thức (5 - 6 )

B8: Kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức ( 5 - 7 )

B9: So sánh kết quả tính toán với các điều kiện cho phép để rút ra kết luận

B10: Tính toán lại nếu không thoả mãn các yêu cầu

2.2.2 Tính toán thiết kếmối hàn liên kết các phần tử của trụ.

Trong quá trình chịu tác dụng của lực, khi lực tác dụng không đạt đúng tâm, lực ngang Q sẽ không bằng 0 Thực tế cho thấy, khi trụ bị nén, nó thường cong đi một chút, dẫn đến lực tác dụng không hoàn toàn đạt đúng tâm Do đó, lực ngang Q sẽ khác không, và theo thực nghiệm, lực ngang được xác định dựa trên các yếu tố này.

F là diện tích mặt cắt ngang của trụ, được đo bằng cm² Công thức này chỉ áp dụng cho vật liệu chế tạo là các loại carbon thấp và hợp kim nhôm.

Trường hợp vật liệu sử dụng chế tạo trụ là các loại thép hợp kim thì công thức tính sẽ là :

- Với những kết cấu mà khi làm việc xuất hiện cả lực dọc và lực ngang thì ta có công thức xác định :

- Trong đó e là khoảng cách từ điểm đặt lực đến tâm của mặt cắt ngang; l là chiều cao của trụ

Hình 4.9 Trụ hình chữ ngang

- Ứng suất sinh ra tại các mối hàn dưới tác dụng của lực ngang xác định như sau :

- J là mô men quán tính của toàn tiết diện lấy đối với trục Y

- K là chiều cao mối hàn.

- S là mô men tỉnh lấy đối với trục đứng như hình vẽ (hình 5-5)

Hình 4.10 Trụ hình chữ ngang Độ cong phần tử λ Vật liệu dùng

CT3, CT4 CT5 Thép hợp kim hợp kim nhôm

Giải bài tập

Cho một trụ chịu tác dụng của tải trọng như hình vẽ Hãy :

49 a).Tính toán thiết kế mặt cắt ngang đảm bảo yêu cầu ? b) Tính toán thiết kế mối hàn thoả mãn điều kiện bền ?

Biết rằng lực nén đúng tâm P= 940 KN ;   K $ KN/cm 2 ;vật liệu là thép hợp kim thấp

1 Chọn = 0,6 nằm trong giới hạn cho phép từ 0,5 - 0,8 Giải

2 Tính diện tích mặt cắt theo ( 5- 4) ta có : 

3 Thiết kế mặt cắt hợp lý F2 trên cơ sở của mặt cắt F1 đã tính toán ở trên

Ta có thể chọn mặt cắt chữ I để chế tạo trụ, quá trình tính toán thực hiện theo nguyên tắc đúng dần

Do vậy ta có thể tạm thiết kế các kích thước của trụ như sau : hd = 280 mm ; Sd mm hV = 200 mm ; SV = 8 mm

Với các kích thước trên ta có mặt cắt ngang của trụ như hình vẽ sau

Như vậy F 2 sẽ được xác định:

4 Tính mô men quán tính a Tính mô men quán tính đối với trục X

- Mô men quán tinh đối với trục X của mặt cắt ngang được xác định như sau :

3 d d S h  là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trọng tâm của tấm đế

- JXdT = Fd yd = hd Sd (

S  ) 2 là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trục trọng tâm X của mặt cắt ngang trụ

S  là mô men quán tính của tấm vách lấy đối với trục trọng tâm X của mặt cắt ngang

Thay các giá trị vào ta có :

JX = 6711 cm 4 b Tính mô men quán tính đối với trục Y

Mô men quán tính đối với trục Y được xác dịnh như sau :

S  là mô men quán tính của tấm đế lấy đôi với trục trọng tâm Y của mặt cắt ngang

Là mô men của tấm vách lấy đối với trục Y của mặt cắt ngang.

Thay các giá trị vào ta có :

5 Tính bán kính quán tính cực tiểu

Bán kính quán tính cực tiểu được xác định theo công thức ( 5- 5 ), ta có : rY 2 min

J Trong đó Jmin = JY = 3659 cm 4 còn F2 = 72 cm 2 Cho nên : rY 72

6 Tính độ cong lớn nhất Độ cong lớn nhất được xác định theo công thức (5 - 6 ), ta có : min max r

 ở đây l= 800 cm ; rmin= rY = 7,13 cm

Với giá trị của độ cong max 112 ta có thể chọn gần đúng = 0,37

8 Kiểm tra lại điều kiện bền

Theo công thức (5 - 7 ) ta có :   K

. Thay các giá trị vào biêu thức trên

9 Ta nhận thấy giá trị này rất lớn so với ứng suất cho phép, cho nên phải tính lại

Việc tính toán bắt đầu từ việc chọn kích thước mặt cắt ngang F2 Với phương pháp đúng dần, ta có thể tăng kích thước của F2 Kích thước mới được chọn là: hd = 320 mm, Sd = 10 mm, hV = 250 mm, và SV = 8 mm.

* Xác định F theo các kích thước dã chọn ở trên, ta có :

* Tính mô men quán tính nhỏ nhất.

Mô men quán tính nhỏ nhất là J Y được xác định như sau :

* Tính bán kính quán tính nhỏ nhất

Bán kính quán tính nhỏ nhất được xác định như sau : rY =  

*Tính độ cong max Độ cong lớn nhất được xác định theo công thức 100

* Tra bảng xác định hệ số 

Với giá trị độ cong lớn nhất  max  100   0 , 46

* Kiểm tra điều kiện bền

Thay các giá trị vào công thức kiểm tra điều kiện bền ta có :

* So sánh với   K ta nhận thấy ứng suất tính toán nằm trong giới hạn cho phép

Như vậy diện tích tính toán lần thứ 2 của mặt cắt ngang đạt yêu cầu

Do kết cấu trụ chịu nén đúng tâm cho nên, lực ngang được xác định như sau :

* J = 2 Jdd + 2JdY + JVY là mô men quán tính của mặt cắt ngang lấy đối với trục Y như hình vẽ

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :

 = 1,73 KN/cm 2 ứng suất này rất nhỏ so với ứng suất cho phép, cho nên kết cấu đảm bảo yêu cầu

YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 4

- Trình bày đầy đủ khái niệm về dầm trụ, phân loại dầm trụ

- Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dầm trụ đơn giản, thường dùng

- Giải thích các ứng suất và biến dạng khi hàn các loại dầm trụ đơn giản

+ Về kỹ năng: Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dầm trụ

Kỹ năng được đánh giá thông qua các bài tập cá nhân và nhóm, cho phép người học thể hiện khả năng thuyết trình hoặc phân tích giải quyết vấn đề trước lớp.

- Vềnăng lực tự chủ và trách nhiệm: Đánh giá phong cách học tập

Bài 1.cho một dầm chịu tải trọng như hình vẽ hãy thiết kế mặt cắt ngang của dầm đảm bảo điều kiện bền, yêu cầu mặt cắt ngang có dạng chữ I, biết rằng [ σ] k = 26KN/cm 2 , l = 8m

Bài 2 Cho một trụ chịu tác dụng của tải trọng nén đúng tâm, P = 940KN, l=8m, [σ] k = 24KN/cm 2 , yêu cầu thiết kế mặt cắt ngang chữ I, vật liệu chế tạo là thép hợp kim thấp

TÍNH TOÁN KẾT CẤU DÀN, TẤM VỎ

Tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ

3 Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu tấm vỏ 4 Tính vật liệu gia công dàn, tấm vỏ

6 Kiểm tra kết thúc Mô đun

YÊU CẦU VỀĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ ĐUN/MÔN HỌC

1 Kiểm tra đánh giá trước khi thực hiện mô đun:

- Kiến thức: Vấn đáp hoặc trắc nghiệm kiến thức đã học liên quan đến MĐ28;

- Kỹ năng: Được đánh giá qua kết quả thực hiện các bài tập thực hành đã học

2 Kiểm tra đánh giá trong khi thực hiện mô đun:

Giáo viên cần thường xuyên hướng dẫn và quan sát quá trình chuẩn bị, thao tác cơ bản, cũng như bố trí nơi làm việc Việc ghi sổ theo dõi là cần thiết để đánh giá kết quả thực hiện mô-đun liên quan đến kiến thức, kỹ năng và thái độ của học viên.

3 Kiểm tra sau khi kết thúc mô đun:

Căn cứ vào mục tiêu môđun để đánh giá kết quả qua bài kiểm tra viết, kiểm tra vấn đáp, hoặc trắc nghiệm đạt các yêu cầu sau:

- Các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn

- Cách tính vật liệu chế tạo kết cấu hàn

- Các công thức tính toán độ bền, ứng suất và biến dạng khi hàn

6 Được đánh giá bằng kiểm tra trực tiếp qua quá trình thực hiện các bài tập đạt các yêu cầu sau:

- Nhận biết đúng các loại vật liệu chế tạo các kết cấu hàn

- Tra bảng, tính toán vật liệu hàn chính xác

- Giải các bài toán nghiệm bền và tính ứng suất biến dạng khi hàn của các kết cấu hàn đơn giản

- Kiểm tra đánh giá tính toán các kết cấu hàn

- Sắp xếp thiết bị dụng cụ hợp lý, bố trí nơi làm việc khoa học

3.3.Vềthái độ: Được đánh giá qua quan sát, qua sổ theo dõi đạt các yêu cầu sau:

- Chấp hành quy định bảo hộ lao động;

- Chấp hành nội quy thực tập;

- Tổ chức nơi làm việc hợp lý, khoa học;

- Ý thức tiết kiệm nguyên vật liệu;

- Tinh thần hợp tác làm việc theo tổ, nhóm

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN

Vật liệu chế tạo kết cấu hàn đóng vai trò quyết định đến chất lượng công trình và ảnh hưởng lớn đến các quy trình công nghệ cũng như tính kinh tế Việc lựa chọn vật liệu phù hợp không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn đảm bảo tính kỹ thuật, là tiêu chí quan trọng trong xây dựng công trình.

Nhận diện các loại thép định hình như U, I, V và thép tấm, cũng như các vật liệu khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng và hợp kim đồng, cùng với thép hợp kim, là rất quan trọng trong việc chế tạo kết cấu hàn Những loại vật liệu này thường được sử dụng để đảm bảo độ bền và tính ổn định cho các công trình xây dựng.

1 Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn

Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm có:

1.1.Các loại thép các bon thấp

Vật liệu này được ưa chuộng trong chế tạo kết cấu hàn nhờ vào khả năng hàn dễ dàng và chất lượng mối hàn đạt yêu cầu mà không cần các biện pháp công nghệ phức tạp.

- Trong thực tế thép các bon thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn được chia ra làm 2 nhóm chính là thép định hình và thép tấm

Thép hợp kim thấp là loại thép có tính hàn tốt, chỉ đứng sau thép các bon thấp Nhờ vào tính hàn vượt trội, thép hợp kim thấp thường được sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao và hoạt động trong các điều kiện đặc biệt.

- Thép hợp kim thấp thường được dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm các loại như thép Manggan; thép Cr –Si –Mn; Cr-Mn-Môlipđen

- Thép hợp kim thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn

1.3 Các loại thép không rỉ

Các kết cấu hàn được chế tạo để hoạt động hiệu quả trong điều kiện đặc biệt, bao gồm nhiệt độ cao và tiếp xúc với hóa chất Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, cũng như trong ngành y tế với các dụng cụ y tế chuyên dụng.

Hiện nay, nhu cầu sử dụng kết cấu từ thép không rỉ ngày càng tăng, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ gia công hiện đại cho loại vật liệu này Phần lớn các thiết bị trong lĩnh vực này đều có dạng tấm, phản ánh sự đa dạng và ứng dụng rộng rãi của thép không rỉ trong nhiều ngành công nghiệp.

Các loại thép không rỉ phổ biến hiện nay bao gồm: Cr-Ni, Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, cùng với một số loại thép chuyên dụng có khả năng chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt và bền nhiệt.

1.4 Nhôm và hợp kim nhôm

Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu phổ biến trong chế tạo kết cấu hàn, đặc biệt là các hợp kim nhôm được ưa chuộng cho những kết cấu yêu cầu trọng lượng nhẹ và khả năng chống rỉ tốt.

Hợp kim nhôm phổ biến nhất bao gồm Duy-ra, được sử dụng cho các kết cấu yêu cầu độ bền nhiệt cao, và hợp kim nhôm-magiê, thích hợp cho vỏ tàu nhỏ có tốc độ cao, cấu trúc xây dựng, cũng như thùng chứa thực phẩm, nước và thức ăn Nhôm và hợp kim nhôm thường được sản xuất dưới dạng tấm.

Hình 1.1 Thép góc và ứng dụng

Bảng tra thép hình là công cụ quan trọng trong ngành xây dựng, giúp đảm bảo độ bền cho công trình Việc hiểu rõ thông số thép và cách sử dụng bảng tra là điều cần thiết để tránh sai sót trong quá trình thi công Các nhà thiết kế đã nghiên cứu và tổng hợp những số liệu chính xác nhất để phục vụ cho việc này Bảng tra thép được phân loại thành các hình dạng như I, H, U, V, và L.

Cụ thể hơn, các công dụng mà bảng tra thép hình I, H, U, V, L đem lại là:

 Tiết kiệm chi phí sử dụng lật liệu

 Dễ dàng hơn trong việc tính toán định lượng sử dụng sao cho phù hợp với công trình

 Tăng độ bền và mức an toàn của công trình xây dựng

 Từ bảng tra thép tính toán được các thông số cần thiết khác

Thép chữ L, hay còn gọi là thép góc, là loại thép hình phổ biến trong việc chế tạo kết cấu hàn, thường được sử dụng để làm khung, dàn và các liên kết trong kết cấu Bằng cách ghép các thanh thép góc, người ta có thể tạo ra nhiều hình dạng khác nhau như chữ [, chữ T hay hình chữ , cho thấy tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi của thép chữ L trong thực tế Thép hình chữ L được chia thành hai loại: L cánh đều và L cánh lệch.

Thép chữ L cạnh đều, theo TCVN 1656-75, bao gồm 67 loại với kích thước nhỏ nhất là L20 × 3 (20mm x 20mm, độ dày 3mm) và lớn nhất là L250 × 20 Loại thép này rất phổ biến trong chế tạo kết cấu nhờ vào tính công nghệ cao, cho phép thợ gia công không cần chú ý đến các cạnh của thanh thép, vì tất cả các cạnh đều bằng nhau Đây chính là ưu điểm nổi bật của thép góc này.

Thép chữ L cạnh không đều bao gồm 47 loại theo tiêu chuẩn TCVN 1657-75, với kích thước nhỏ nhất là L25  16  3 và lớn nhất là 250  160  20 Loại thép này có ứng dụng hạn chế do công nghệ gia công không cao, yêu cầu thợ phải chú ý đến các cạnh không đều, ảnh hưởng đến năng suất lao động Do đó, khi thiết kế kết cấu, cần cân nhắc đặc điểm này để lựa chọn thép góc một cách hợp lý.

B ả ng 1 B ả ng tra thép góc đề u cánh L

Bảng 2 Bảng tra thép góc không đều cánh L

Thép chữ [ theo TCVN 1654-75 có 22 loại, với chiều cao từ 50mm đến 400mm, trong đó loại nhỏ nhất là 50mm và loại lớn nhất là 400mm, ví dụ như thép [ 22 có chiều cao h 220mm Chiều dài của thép chữ [ dao động từ 4m đến 13m Ngoài ra, một số loại đặc biệt được ký hiệu bằng chữ "a" phía dưới, như thép [ 22 a.

Hình 1.2 Thép chử [ và ứng dụng.

Tính toán k ế t c ấ u t ấ m

Kết cấu thùng chứa hình trụ đứng bao gồm ba phần chính: thân thùng, nắp thùng và đáy thùng Đây là loại kết cấu đơn giản nhất trong các loại kết cấu tấm, với việc tính toán được thực hiện cho cả ba phần này Vật liệu chế tạo thùng chứa thường là các loại thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp.

3.1 Tính toán phần thân thùng

Thân thùng được thiết kế dưới dạng hình trụ đứng, thường được chế tạo từ nhiều đoạn ống nối ghép bằng các đường hàn giáp mối Các đoạn ống này được làm từ tấm thép cuộn tròn, với các mối hàn dọc liên kết chúng lại Đặc biệt, các đoạn ống phía dưới có chiều dày lớn hơn so với các đoạn phía trên, giúp gia tăng độ bền cho kết cấu Trong kết cấu trụ đứng, các mối hàn bao gồm cả mối hàn dọc và ngang, trong đó mối hàn dọc chịu lực chủ yếu Độ dày của vỏ thùng là yếu tố quyết định đến độ bền của chúng.

Quá trình tính toán được thực hiện như sau:

- Tính áp lực bên trong của thùng xác định theo công thức sau :

Trong đó : - ρ là trọng lượng đơn vị thể tích của chất lỏng

- y là độ sâu của lớp xét so với mặt phẳng nằm ngang

- Theo lý thuyết về ứng suất vành ta có thể dùng công thức sau đây để xác định bề dày cần thiết cho một đoạn ống bất kỳ

Trong đó : R là bán kính của hình trụ

P là áp lực tính theo công thức trên và thường tính cho điểm ở cách mép dưới của tấm 300 mm cho phù hợp với điều kiện kỹ thuật

Khi khoan lỗ trên một đoạn ống để lắp ống dẫn, độ bền của ống tại vị trí khoan sẽ bị giảm Do đó, cần kiểm nghiệm tại vị trí này theo công thức phù hợp để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của hệ thống.

Trong công thức trên ta có :

- P : là áp lực trong thùng chứa

- R: là bán kính của hình trụ

- h: là chiều cao đoạn ống

- d : là đường kính lổ khoan

Phần lớn các lỗ khoan không gây ra nguy hiểm, nhưng nếu ứng suất tính toán vượt quá mức cho phép, cần phải gia cố lỗ khoan bằng cách thêm một miếng vật liệu để tăng tiết diện chịu lực, từ đó giảm ứng suất tính toán.

3.2.Tính toán đáy thùng Đáy thùng được thiết kế là đáy phẳng hoặc đáy lồi tùy theo từng trạng thái làm việc của kết cấu

Đáy phẳng là loại đáy phổ biến, thường được lắp đặt trên nền xi măng hoặc cát, không chịu lực làm việc Chất liệu đáy được chế tạo từ thép tấm có độ dày từ 4 – 8 mm, phụ thuộc vào đường kính của thùng Đối với thùng chứa có dung tích lớn, phần ngoài biên đáy sẽ có tấm dày hơn phần giữa để gia tăng độ bền Mối liên kết giữa đáy và phần trụ rất quan trọng, nơi xuất hiện mô men uốn, phụ thuộc vào độ dày tấm đứng và chiều dài nhô ra của tấm đáy Tuy phạm vi ảnh hưởng của mô men này không lớn, nhưng liên kết giữa phần trụ và đáy được thực hiện bằng hai mối hàn liên tục, đảm bảo độ bền mà không cần kiểm tra thêm.

Đáy dạng cầu là loại đáy chuyên dụng được áp dụng trong các trường hợp đặc biệt, nơi mà sử dụng đáy phẳng không hợp lý, chẳng hạn như tháp chứa nước hoặc các thùng chứa chịu áp suất cao Do quá trình chế tạo đáy dạng cầu phức tạp và khó khăn, nên loại đáy này chỉ được sử dụng khi thực sự cần thiết để tránh lãng phí.

- Khi tính toán đáy cầu, ứng suất ở đáy cầu được xác định theo công thức sau :

- P: là áp suất tại điểm xét trên đáy, được tính như ở trên

- S0: là chiều dày của đáy

- R0 : là bán kính trong của đáy, theo lý thuyết bền R 0 ≤ 2R

Nắp thùng thường được cấu tạo từ khung bên trong và các tấm thép bên ngoài được hàn liên kết với nhau Một số thùng có trụ chứa giúp khung tựa lên, với khung bao gồm các thanh biên trên và dưới tạo thành hình tam giác hoặc hình thang Thanh biên trên liên kết với vỏ, trong khi các thanh biên dưới tựa lên trụ Độ dày của tấm thép làm vỏ nắp thường dao động từ 2 đến 3 mm, và các thanh của khung thường là thép chữ I hoặc chữ L Khi tính toán độ bền, các tấm thép làm nắp được coi là bị ngàm cả chu vi, gần đúng với hình chữ nhật có các cạnh a và b, từ đó xác định ứng suất sinh ra trong tấm.

Trong đó :- q là tự trọng của nắp, trọng lượng của người và thiết bị trên nắp

S : là chiều dày tấm thép ( cm ) α: là hệ số điều chỉnh (α = 0,192 khi a = b, α = 0,407 khí a ≠b )

3.3.Tính các kết cấu bình chứa chất lỏng, chất khí áp suất cao

Các loại bình chứa chất lỏng và khí có áp suất cao cần tuân thủ quy trình nghiêm ngặt trong quá trình làm việc, vì chúng dễ xảy ra cháy nổ, gây hậu quả nghiêm trọng cho con người và thiết bị Do đó, việc tính toán chiều dày của bình phải đảm bảo hệ số an toàn cao.

Chiều dày của bình có thểđược xác định theo công thức sau;

Trong đó : - S : là chiều dày bình

- P : là áp suất làm việc của bình

- Dt : là đường kính trong của bình

- Φ : là hệ số bền của mối hàn, thường chọn từ 0,7 – 1

- C : là trị số bổ sung chiều dày, thường chọn C= 1,7

( do ăn mòn, chiều dày định mức told cơ bản, do công nghệ chế tạo )

+ Tính chiều dày đáy bình

Xác định theo công thức sau :

Trong đó : P, Dt , C, [Ϭ]k được chọn theo công thức trên

- Z: là hệ số làm yếu đáy thường chọn Z ≤ 1

- ht: là chiều cao đáy bình

+ Các bình làm việc trong điều kiện dễ gây ra cháy nổ

Khi thiết kế các bình áp lực, cần tính toán với hệ số an toàn do áp suất khi nổ có thể tăng từ 10-12 lần so với áp suất làm việc Vì vậy, trong quá trình tính toán, áp suất làm việc cần được nhân lên gấp 12 lần để đảm bảo an toàn.

Bình chứa khí nén được thiết kế với mối ghép hàn, có đường kính ngoài D 320mm và đường kính trong d 300mm Vật liệu chế tạo bình chứa là thép C35, với ứng suất kéo cho phép đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.

Áp suất chịu lực của mối hàn được xác định là $ \sigma_k = 190 \, \text{N/mm}^2 $, trong đó ứng suất của mối hàn là $ \sigma_k' = 0,6 \sigma_k $ Để kiểm nghiệm độ bền của mối hàn, cần biết áp suất khí nén p (N/mm²) Đồng thời, cũng cần xác định áp suất lớn nhất cho phép của bình chứa khí.

Giải a) Kiểm nghiệm bền mối hàn

Nhận xét: đây là mối hàn giáp mối, mặt cắt nguy hiểm là hai mặt cắt kề miệng hàn hình vành khăn

- Lực tác dụng lên mối hàn: F p A b p d x 1059750 N

- Ứng suất xuất hiện trong mối hàn:

- Do   108 , 9 N / mm 2    k '  114 N / mm 2 nên mối hàn đảm bảo bền b Xác định áp suất lớn nhất cho phép bình chứa khí

- Điều kiện bền mối hàn

Suy ra lực lớn nhất cho phép

2 max       Áp suất lớn nhất cho phép bình chứa max max 2 2 15 , 7  / 2 

YÊU CẦU VỀĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP CHƯƠNG 5 1.Nội dung:

- Trình bày đầy đủ khái niệm về dàn, kết cấu tấm vỏ

- Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ

Khi hàn tấm vỏ, các ứng suất biến dạng có thể xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ và quá trình làm nguội không đồng đều Để giảm thiểu các ứng suất này, cần áp dụng các biện pháp như điều chỉnh nhiệt độ hàn, sử dụng kỹ thuật hàn thích hợp và thiết kế cấu trúc hợp lý Ngoài ra, việc tính toán chính xác vật liệu là rất quan trọng để gia công các kết cấu dàn và tấm vỏ, đảm bảo tính ổn định và độ bền của sản phẩm trong quá trình sử dụng.

+ Về kỹ năng: Vận dụng kiến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt

Kỹ năng được đánh giá thông qua các bài tập cá nhân và nhóm, cho phép người học thể hiện khả năng thuyết trình hoặc phân tích và giải quyết vấn đề trước lớp.

Bài 1 Tính lực dọc trong các thanh dàn đánh dấu như trên hình vẽ sau:

Biết vật liệu chế tạo dàn là thép cacbon thấp có   k  24 KN cm / 2 , P = 20KN, a = 1,5 m

Bài 2: Xác định đường kính D nhỏ nhất cho phép khi áp suất trong bình thay đổi theo chu kỳ từ áp suất p min = 5kN (N/mm 2 ) đến áp suất p max N/mm 2 , với d = 300mm, lấy k t =1.5, [σ k ]0 N/mm 2

Tiêu đề	Giáo Trình Tính Toàn Kết Cấu Hàn
Tác giả	Nguyễn Nhật Minh, Hồ Anh Sĩ
Trường học	Cao đẳng nghề Cần Thơ
Chuyên ngành	Nghề hàn
Thể loại	sách giáo trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Cần Thơ

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	2,49 MB