Đây là một loại kết cấu thép nhẹ đã được sử dụng từ hàng chục năm ở các nước, mới được áp dụng ở Việt Nam thời gian gần đây.. Kết cấu thép nhẹ khác biệt với kết cấu thép thông dụng ở nhữ
Trang 1
2 Kết cấu thanh thành mỏng tạo hình nguội
2.1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng
Đây là một loại kết cấu thép nhẹ đã được sử dụng từ hàng chục năm ở các nước, mới được áp dụng ở Việt Nam thời gian gần đây Kết cấu thép nhẹ khác biệt với kết cấu thép thông dụng ở những điểm cơ bản sau :
sử dụng các thanh thép tạo hình nguội từ các tấm thép rất mỏng (tới 1 mm trở lên) ;
sử dụng các loại tiết diện không có trong kết cấu thông thường như tiết diện kín, tiết diện vuông, tiết diện tròn ;
sử dụng các phương pháp liên kết không dùng trong kết cấu thường
Đặc điểm quan trọng nhất là sử dụng các thanh thép tạo hình nguội từ các tấm thép
mỏng, sau này ta sẽ gọi là thanh thành mỏng hoặc thép hình uốn nguội Bên cạnh
các loại thép hình cán nóng thông thường, hiện nay các nước đã chế tạo rộng rãi thép hình uốn nguội Việc sử dụng thanh thành mỏng tạo ra một cách tiếp cận khác
của kết cấu thép trong mọi giai đoạn xây dựng : thiết kế, chế tạo, dựng lắp
So với kết cấu thép thông thường, kết cấu bằng thanh thành mỏng có một loạt các
ưu và khuyết điểm sau :
Ưu điểm :
• giảm lượng thép từ 25 - 50% ; về lí thuyết có thể giảm nhiều hơn nữa nhưng sẽ kèm theo khó khăn tốn kém về chế tạo, và không còn kinh tế nữa ;
• dựng lắp nhanh, ví dụ tới 30% đối với mái nhà ; đối với cấu kiện có các thanh
và nút thống nhất hoá như dàn mái không gian thì còn nhanh hơn nhiều nữa ;
• hình dạng tiết diện được chọn tự do, đa dạng theo yêu cầu ;
• đặc trựng chịu lực của tiết diện là có lợi, do sự phân bố vật liệu hợp lí, nhất là khi dùng tiết diện kín ;
• dùng tiết diện kín tạo vẻ đẹp kết cấu; bớt che lấp diện tích kính lấy ánh sáng
Khuyết điểm :
• giá thành thép uốn nguội cao hơn thép cán nóng ;
• chi phí phòng gỉ cao hơn, vì bề mặt của tiết diện thép lớn hơn, cần nhiều diện tích phủ bảo vệ
• việc vận chuyển, bốc xếp dựng lắp tuy nhanh chóng nhưng đòi hỏi những iện pháp và phương tiện riêng vì cấu kiện dễ bị hư hại ;
• việc thiết kế khó khăn hơn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện Tiết diện cấu kiện được chọn tự do nên không có bảng tính toán sẵn
Sử dụng thanh thành mỏng đương nhiên giảm nhẹ trọng lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu nhưng không hẳn có nghĩa là kinh tế hơn Tiết diện thanh thép uốn nguội đắt
Trang 2
hơn thép cán nhiều (có thể tới 30%) vì phải dùng thép tấm mỏng cán nóng và gia công uốn nguội
Các hãng sản xuất thanh thành mỏng hiện nay đều cố gắng tiêu chuẩn hoá và điển hình hoá cao độ các loại tiết diện Một tiết diện thành mỏng có thể được áp dụng cho nhiều loại nhà có công dụng khác nhau và sơ đồ kết cấu khác nhau Tất nhiên
là tiêu chuẩn hoá cao sẽ dẫn đến làm tăng lượng thép, vì có những trường hợp vật liệu chưa làm việc hết khả năng, nhưng không có nghĩa là bất lợi về kinh tế Việc tiêu chuẩn hoá các cấu kiện nhẹ sẽ cho phép : giảm sự đa dạng của tiết diện, nên tăng số lượng sản xuất hàng loạt ; nghiên cứu những nút liên kết thống nhất, giảm công chế tạo và dựng lắp
2.2.Các dạng cấu kiện tạo hình nguội
Bằng cách gập nguội, có thể tạo từ tấm thép mỏng tiết diện hình bất kì Tiết diện
được chia ra loại hở như chữ C, chữ L, chữ U và loại kín như ống, hộp Hàn các tiết diện đơn với nhau có thể tạo nên tiết diện phức hợp Bề dày của thành tiết diện là không đổi, trừ một số chỗ có thể là bề dày gấp đôi do gập bản thép lại Cấu kiện dạng thanh dùng làm kết cấu chịu lực chính như cột, khung hoặc cấu kiện phụ như
xà gồ, dầm tường Cấu kiện dạng tấm dùng để làm panen mái hay tường Kích thước các tiết diện uốn nguội được tiêu chuẩn hoá tại một số nước sử dụng nhiều
Hình 9.9 Các loại tiết diện uốn nguội a - tiết diện hở ; b- tiết diện kín ; c tiết diện phức hợp
Xà gồ, dầm tường thường có tiết diện chữ C hoặc chữ Z Tiết diện chữ Z thuận tiện cho việc xếp để chuyên chở Tiết diện chữ Z cũng dễ lồng lên nhau để tăng thành tiết diện kép chịu được mômen lớn tại gối tựa của dầm liên tục (hình 9.5) Cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội là loại cấu kiện đặc biệt, việc tính toán hết sức phức tạp Khi một cấu kiện thành mỏng chịu uốn hay xoắn, thường xuất hiện những ứng suất
và biến dạng gây nên sự vênh của tiết diện, do một đại lượng lực tên là bimômen (Hình 9.10,a) Ngoài ra, do thành mỏng, cấu kiện rất dễ mất ổn định cục bộ tại
Trang 3
cánh và bụng ; một số bộ phận của cánh và bụng không làm việc, không được xét trong tính toán, phần còn chịu lực được gọi là tiết diện hữu hiệu và nhiệm vụ tính toán là xác định tiết diện hữu hiệu này (hình 9.10,b) Nước ta chưa có quy phạm tính toán thanh thành mỏng, và thực tế rất ít kết cấu thành mỏng đã được tự thiết kế trong nước
Hình 9.10 Sự làm việc của cấu kiện thành mỏng
a) Tiết diện bị vênh do bimômen b) Tiết diện hữu hiệu : 1- Dầm ; 2- Cột
Cấu kiện thành mỏng cũng có thể dùng để làm kết cấu chính của nhà có nhịp đến 20m, số tầng 2 đến 3 tầng Hình 9.11 thể hiện một nhà xưởng làm hoàn toàn bằng cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội đang được dựng lắp ơ Việt Nam
Hình 9.11 Nhà xưởng làm hoàn toàn bằng cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội
Trang 4
2.3 Công nghệ chế tạo thanh thành mỏng
Dùng phương pháp gia công nguội, có thể làm được cấu kiện thành mỏng mà không thể dùng phương pháp cán nóng ; cấu kiện này có bề mặt nhẵn, có thể quét ngay sơn bảo vệ lên ; cường độ thép được tăng lên Các phương pháp : gấp bằng máy gấp mép ; dập khuôn bằng máy ép và cán liên tục
+ Máy gấp mép Thân máy gồm hai thớt, thớt dưới gắn thước tạo hình bên dưới,
thớt trên cố định gắn thước tạo hình bên trên và kẹp chặt bản thép Thớt dưới đi lên, gấp mép và tạo góc cho bản thép Thay đổi thước tạo hình thì tạo được các hình dạng khác nhau Phải nhiều động tác mới tạo được hình hoàn chỉnh, ví dụ, hình máng sau đây cần 6 động tác
1
2
3,4
5
6
Hình 9.12 Máy gập mép 1- Dầm gấp đặt dưới 2-Vít chỉnh thước gấp 3-Đối trọng 4-Dầm tạo hình 5- Bánh xe di chuyển dầm để ép bản thép 6- Thước tạo hình dưới 7- Thước tạo hình trên 8 Dầm ép 9- Bản thép 10- Bệ chặn
Trang 5
Cách chế tạo này có nhược điểm sau :
- năng suất thấp, nhiều thao tác ;
- độ chính xác kém ;
- chỉ gập được bản thép dày không quá 3mm, chiều dài không quá 6 m
Đồng thời giá thiết bị rẻ, dễ có Có thể đạt được nhiều hình dạng bằng việc thay đổi
dễ dàng thước tạo hình Công nghệ này thích hợp với việc sản xuất theo quy mô nhỏ, nhiều loại hình khác nhau
+ Máy ép khuôn : máy dùng cho dây chuyền sản xuất hàng loạt nhỏ Máy gồm có
thân máy, bàn máy, dầm ép Khuôn cối tạo hình đặt trên bàn máy Dầm ép ở bên trên đi xuống, có gắn chày tạo hình Lực ép từ 40 đến 150 tấn, ép trên toàn bộ chiều dài thanh (Hình 9.13)
Phương pháp này có thể tạo được thanh dài tới 6 m, rộng 250 - 500mm, dày tới 16
mm Bằng cách di chuyển dải thép theo chiều dài, có thể làm được thanh dài tới 12
m, tất nhiên với các sai lệch về kích thước tiết diện, về độ phẳng của mặt Để tạo
được một tiết diện, cũng phải nhiều nguyên công : mỗi lần ép chỉ tạo được một góc
Do đó năng suất thấp, khó cơ giới hoá toàn bộ
Ưu điểm của phương pháp : thay thế các khuôn tạo hình giá rẻ, có thể tạo được nhiều hình dạng Có lợi khi sản xuất hàng loạt nhỏ, đặc biệt hay được dùng để chế tạo các cấu kiện không điển hình
Hình 9.13 Máy ép khuôn
Trang 6
3 Máy cán trục lăn Đây là loại máy năng suất cao nhất, dùng ở các nhà máy luyện
kim, nhà máy sản xuất hàng loạt lớn Máy gồm một dãy các trục cán, có hình dạng khác nhau (hình 9.14) Dải thép đi qua các trục cán, dần dần được thay đổi hình dạng Có thể cán được dải thép dày 0,3 đến 18 mm, rộng 20 đến 2000 mm Tốc độ cán 10 đến 30 m/phút
Loại máy có năng suất cao, sử dụng ít nhân công, mỗi năm có thể sản xuất hàng triệu mét cấu kiện Tuy nhiên mỗi bộ trục cán chỉ dùng cho một loại tiết diện , muốn đổi tiết diện phải thay đổi trục cán, do đó giá thành cao Hiện nay ở Việt Nam , bên cạnh các máy cán lớn của các công ty nước ngoài, nhiều công ty nhỏ trong nước cũng đã có nhiều máy cán, sản xuất hàn loạt tiết diện thành mỏng, ống
có mối hàn để sử dụng trong xây dựng
Hình 9.14 Máy cán trục lăn
3 Kết cấu dàn không gian
Một loại kết cấu mới được áp dụng nhiều trong thời gian gần đây, mặc dù ở nước ngoài đã được sử dụng trên 30 năm, là kết cấu dàn không gian, hoặc còn gọi là kết cấu cấu trúc tinh thể Công trình nhà ga T1 Nội Bài , hàng chục công trình nhà thể thao, nhà triển lãm, hội trường đã ap dụng loại kết cấu không gian này
Trang 7
4.1 Đặc điểm kết cấu Đặc điểm của loại kết cấu này là nó gồm một hệ thống dàn giao nhau theo 2 hoặc 3 phương ; những dàn này không thẳng đứng mà đặt nghiêng nên các thanh bụng tạo nên một hệ không gian có độ cứng chống xoắn (hình 9.15)
Về cấu tạo, hệ dàn không gian có thể coi như gồm nhiều cấu trúc giống nhau (gọi
là cấu trúc tinh thể) ghép lại Do tự do ghép thêm các tinh thể một cách tuỳ ý nên kết cấu có mặt bằng rất linh hoạt, coi là bất kì Sự làm việc của kết cấu giống như một tấm phẳng tựa lên các cột Mômen uốn của tấm (gồm mômen uốn theo hai phương và mômen xoắn) được phân phối cho các thanh cánh và bụng
Hình 9.15 Sơ đồ kết cấu và chi tiết
Chi tiết
Trang 8
Kết cấu dàn không gian có những ưu khuyết điểm sau :
- độ cứng không gian lớn, làm được nhịp rộng ; chiều cao dàn nhỏ chỉ 1/14 đến 1/20 nhịp (bằng nửa dàn thông thường) nên tiết kiệm không gian của nhà
- có thể dùng cho mặt bằng bất kì, gối tựa bố trí bất kì ;
- các cấu kiện thanh và nút được dùng lặp lại, tiện việc chế tạo tiêu chuẩn hoá
- làm việc an toàn do có độ siêu tĩnh cao, không sợ bị phá hoại cục bộ
- chế tạo khó, đặc biệt là các nút Cần có công nghệ riêng để chế tạo hàng loạt với chất lượng đảm bảo Sai số chế tạo yêu cầu thật nhỏ như ở sản phẩm cơ khí
- muốn chỉ dùng ít loại thanh để thống nhất hoá sẽ dẫn đến việc nhiều thanh không sử dụng hết khả năng Nếu dùng một loại tiết diện thanh thì chỉ có 1% só thanh là làm việc hết khả năng, dẫn đến lãng phí vật liệu
4.2 Đặc điểm cấu tạo : Quan trọng nhất là nút dàn Yêu cầu của nút dàn là sao cho
có thể liên kết được rất nhiều thanh theo các góc khác nhau, mà đảm bảo thi công
dễ dàng và đủ chịu lực Có đến hàng trăm kiểu cấu tạo nút dàn khác nhau đã được
đăng kí bản quyền trên thế giới Có thể gộp thành các nhóm như sau :
- nút cầu, gồm khối hình cầu đúc, có các lỗ sâu có ren, đầu thanh có bulông vặn vào khối cầu Nút dùng với thanh tiết diện ống, có thể liên kết tới 18 thanh (hình 9.16) Tiêu biểu là nút nổi tiếng Merot của Đức Kiểu nút này có ưu điểm là đẹp, dễ lắp ghép nhưng khả năng chịu lực không cao, trọng lượng khối cầu lớn (chiếm tới 20% trọng lượng kết cấu) Khi đường kính quả cầu lớn, có thể dùng quả cầu rỗng, tạo từ hai nửa cầu hàn lại, các thanh ống hàn trực tiếp vào khối cầu Loại này có khả năng chịu lực lớn nhưng lắp ráp phức tạp
Hình 9.16 Nút cầu và các thanh thép ống
Trang 9
-nút bulông gồm một hay nhiều bulông bắt trực tiếp vào đầu mút các thanh đã được gia công cho có hình thích hợp Một loại nút tiêu biểu là nút của hệ thống Harley (Uc) (hình 9.17)
-nút các kiểu nút dùng bản mã được tạo hình, các thanh liên kết vào bản mã bằng bulông
Hình 9.17 Nút kiểu Harley
Tại Việt Nam chỉ mới áp dụng chủ yếu loại nút cầu đúc và một số loại khác có liên kết bulông.Việc áp dụng loại kết cấu này sẽ có triển vọng rất lớn trong tương lai gần Hiện tại một số nhà máy lớn nước ta đã có nhập những dây chuyền để chuyên sản xuất các bộ phận của kết cấu và đã tiến hành thực thi công trình Hình 9.18 thể hiện thiết kế của mái dàn không gian của một nhà thể thao đang được xây dựng
phục vụ Seagames 2003
4.3 Những vấn đề thiết kế, chế tạo và dựng lắp
Việt Nam chưa có những tiêu chuẩn quy phạm tương ứng về các vấn đề này Hiện tại, mọi công trình đã được xây dựng đều dựa vào quy phạm nước ngoài, đặc biệt là của Trung Quốc.Việc chọn sơ đồ kết cấu và chọn sơ bộ kích thước thanh được làm theo các phương pháp gần đúng, coi kết cấu như một tấm Việc tính toán nội lực kết cấu và chọn tiết diện thanh được thực hiện bằng các phần mềm máy tính quen thuộc, nên không mấy phức tạp Ta đã có một số đề tài nghiên cứu lớn và đã làm nhiều thí nghiệm về nút cầu, về bulông cường độ cao nhưng các kết quả chưa được phổ biến áp dụng Vấn đề lớn hiện nay là các quy định kĩ thuật về chế tạo, về dung sai chế tạo và dựng lắp v.v chưa có và do đó được chọn dùng không nhất quán tại các đơn vị khác nhau Bộ Xây dựng và vài địa phương đã có kế hoạch biên soạn gấp các văn bản này trong thời gian tới
Trang 11
IV Liên kết hμn
1 Các phương pháp hàn :
1.1 Hàn hồ quang tay : Còn gọi là hàn hồ quang kim loại có bảo vệ SMAW shielded metal arc welding, là loại hàn lâu đời nhất Que hàn có bọc thuốc được hồ quang làm nóng chảy để chuyển kim loại vào mối hàn Thuốc hàn khi cháy thì tạo
ra luồng hơi bao bọc kim loại lỏng, một phần tạo nên lớp xỉ phủ trên mặt Luồng hơi và lớp xỉ bảo vệ cho kim loại lỏng không tiếp xúc với khí trời ngăn các chất có hại như O, N hoà tan vào kim loại lỏng Sơ đồ mạch điện và cấu tạo hồ quang được
vẽ trên hình 9.19
Hình 9.19 Hàn hồ quang tay (SMAW)
Que hàn tay có các loại :
- của Việt Nam , theo TCVN 3223:2000, có hai loại cho thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp, kí hiệu E43 và E51, con số này là độ bền kéo nhỏ nhất bằng kN/cm2
; mỗi loại gồm 6 nhóm đánh số từ 0 đến 5 đặc trưng bằng giá trị độ dai va đập và
độ dãn giới hạn (nhóm số 0 không có quy định, nhóm 5 có giá trị lớn nhất) ; cuối cùng kí hiệu là loại vỏ thuốc, ví dụ A chỉ axit, B chỉ bazơ, v.v Trên thị trường cũng thông dụng loại que hàn Việt Đức với các số hiệu N42, N42-6B, N46, N46-6B, N50, N50-6B với số là giới hạn bền daN/mm2 của kim loại Tương đương với các que hàn Liên xô được nêu trong Tiêu chuẩn thiết kế E42, E42 A và E50, E50A
- của Mĩ, có que hàn cho thép cacbon E60XX (với giới hạn chảy 60 ksi = 345Mpa ; que hàn cho thép hợp kim thấp E70XX ( giới hạn chảy 490 MPa) và các cấp khác cho tới E110XX Hai chữ XX là con số cho biết vị trí hàn công thức được và loại thuốc hàn, ví dụ E6018 thì 1 là có thể dùng cho mọi vị trí, 8 là thuốc hàn loại bột sắt, có thể hàn với điện một chiều và xoay chiều
Trang 12
- của Pháp có các loại EDx, E40, E48, E56, E65 tương ứng với các mầu hồng, đỏ, vàn, lơ và xanh lá cây ; con số chỉ giới hạn bền 40 đến 65 kG/mm2
- của Trung quốc, giống của Mĩ, có các loại : E42XX dùng cho thép số 3 ; E50XX dùng cho thép 16Mn, 16Mnq và E65XX dùng cho thép 15MnV, 15MnVq
1.2 Hàn tự động hồ quang chìm : còn gọi là SAW submerged arc welding (hình 9.20) Trong phương pháp này, que hàn không ở dạng thanh có bọc thuốc mà là một cuộn dây trần Thuốc hàn được trải trước bên trên mối hàn Hồ quang không nhìn thấy được vì cháy ngầm dưới lớp thuôc hàn Thuốc hàn bảo vệ cho rãnh kim loại chảy, làm sạch kim loại hàn và cải thiện thành phần hoá học của kim loại hàn Mối hàn của phương pháp này có chất lượng cao, đồng chất, độ dai, độ bền tương
đương với kim loại cơ bản
Tiêu chuẩn Việt Nam dùng kí hiệu của Tiêu chuẩn Liên xô cho dây hàn và thuốc hàn Ví dụ : dây thép hàn CB-08GA là loại thép CT3 ; tương ứng với thuốc hàn AH-348A
Vật liệu của Mĩ có kí hiệu : thuốc hàn là FXX chỉ cường độ kéo và cường độ thử nghiệm va chạm ; dây hàn là EXXX tương ứng với thuốc hàn Dùng cho thép các bon là F6X-EXXX, 6 là cường độ kéo đứt 60 ksi = 4130 daN/cm2, thép hợp kim thấp là F7X-EXXX, 7 là cường độ kéo đứt 70 ksi = 4830 daN/cm2,
Hình 9.20 Hàn tự động hồ quang chìm
1.3 Hàn trong lớp khí bảo vệ - GMAW gas metal arc welding (hình 9.21) Dây hàn
được quấn thành cuộn để cấp tự động qua một thiết bị hình khẩu súng, thiết bị này
đồng thời phun luồng khí Việc bảo vệ lớp kim loại lỏng hoàn toàn do luồng khí, không cần dùng thuốc hàn Khí được dùng : các loại khí trơ như argon, helium, (khi
đó phương pháp hàn còn gọi là MIG -metal inert gas) khí hoạt động như khí cacbonic, (khi đó phương pháp hàn còn gọi là MAG –metal active gas), các khí này
đều nặng hơn không khí Khí trơ dùng để hàn mọi thứ kim loại nhưng ít được dùng
để hàn thép vì giá thành cao Để hàn thép thường dùng khí cacbonic, một mình hoặc hỗn hợp với khí trơ Phương pháp hàn này còn có những chức năng sau : dễ