Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Mô đun: TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN Mã số: MĐ 30 Thời gian thực : 90 h (Lý thuyết: 30 h; Thực hành: 60 h) MỤC TIÊU MÔ-ĐUN: Mô đun nhằm trang bị cho người học kiến thức tính toán ,xác định ứng suất biến dạng sinh hàn kết cấu,biết biến dạng sinh hàn,đồng thời biết tính toán,thiết kế kết cấu hàn đơn giản MỤC TIÊU THỰC HIỆN: Học xong mô-đun người học có khả năng: - Nhận biết xác loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Giải thích rõ công dụng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Tính toán vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn gia công kết - cấu hàn - Tính toán nghiệm bền cho mối hàn đơn giản như: Mối hàn giáp mối, mối - hàn góc, mối hàn hỗn hợp phù hợp với tải trọng kết cấu hàn - Trình bày đầy đủ bước tính ứng suất biến dạng hàn - Vận dụng linh hoạt kiến thức tình toán kết cấu hàn vào thực tế sản xuất - Thực nguyên tắc an toàn vệ sinh phân xưởng NỘI DUNG CHÍNH - Vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Tính độ bền mối hàn - Tính ứng suất biến dạng hàn - Tính toán kết cấu dầm trụ - Tính toán kết cấu dàn, vỏ - Kiểm tra kết thúc mô đun YÊU CẦU ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ-ĐUN *)Về kiến thức: Được đánh giá qua kiểm tra viết, kiểm tra vấn đáp đạt yêu cầu sau: - Liệt kê đầy đủ loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Tính toán chích xác vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Trình bày rõ công thức tính toán độ bền, ứng suất biến dạng hàn - Giải toán nghiệm bền tính ứng suất biến dạng hàn kết cấu hàn đơn giản *)Về kỹ năng: Được đánh giá qua kiểm tra thực hành, qua trình thực hiện, qua kiểm tra chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu sau - Nhận biết loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn - Tra bảng, tính toán vật liệu hàn xác - Kiểm tra đánh giá công việc tính toán kết cấu hàn - Bố trí nơi làm việc gọn gàng khoa học, an toàn *)Về thái độ: Được đánh giá trình học tập, quan sát có bảng kiểm thang điểm đạt yêu cầu sau: - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc, có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn Cẩn thận tỉ mỉ, xác công việc Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) BÀI 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN Mà BÀI: MĐ-30-01 Mục tiêu: Sau học xong học người học có khả năng: ™ Nhận biết loại thép định hình U, I, V , thép tấm, loại vật liệu khác nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn ™ Giải thích công dụng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn ™ Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao ™ Thực tốt công tác an toàn vệ sinh phân xưởng Vật liệu chế tạo kết cấu hàn yếu tố quan trọng định đến chất lượng công trình yếu tố ảnh hưởng lớn đến trình công nghệ,tính kinh tế công trình Do việc lựa chọn chế tạo kết cấu hợp lý mang lại tính hiệu kinh tế, kỹ thuật to lớn Đó tiêu chí quan trọng I NỘI DUNG CHÍNH : 1) 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 không cần phải có biện pháp công 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: CrNi,Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, số loại thép chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt, bền nhiệt • Nhôm 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 đòi hỏi có độ bền nhiệt cao, hợp kim nhôm –magiê dùng cho loại kết cấu như: vỏ tầu Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 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 2) 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 công nghệ cao Trong trình gia công người thợ không cần ý đến cạnh thép (do cạnh Đây đặc tính ưu việt loại thép góc - Thép chữ L cạnh không 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 không lớn tính công nghệ thép không cao trình gia công 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 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 Ngoài số loại đặc biệt ký hiệu có thêm chữ “a” phía Ví dụ : thép [ 22a Trong thực tế có nhiều loại thép hình khác thép ống, thép tròn, 3) 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 Ngoài thép sử dụng để chế tạo loại chi tiết máy Trong thực tế thép có quy cách sau: ™ Thép phổ thông: 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 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) BÀI 2: TÍNH ĐỘ BỀN MỐI HÀN Mà BÀI: MĐ-30-02 Mục tiêu: Sau học xong học người học có khả năng: ™ Tính toán độ bền kéo,nén mối hàn ™ Xác định kích thước mối hàn biết tải trọng đặt lên kết cấu Độ bền mối hàn tiêu chí quan trọng trình gia công 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 I NỘI DUNG CHÍNH : II 1) Tính toán mối hàn giáp mối 1.1 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 toán, 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 Như theo lý thuyết bền ta có: Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền biểu thức sau phải thõa mãn: σ max = FN ≤ [σ ]k (2-1) h Trong : σ max : Là ứng suất sinh kết cấu chịu lực tác dụng N : Là lực tác dụng Fh : Là diện tích mặt cắt mối hàn, xác định sau: Fh = B x S Như ta có: (2-2) σ = N ≤ [σ ] max B S k Từ công thức ta suy toán sau: Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức Bài toán 2: Xác định tải trọng, lúc ta dùng công thức: Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) N ≤ B S [ δ ] k (2-3) Bài toán 3: Tính toán kích thước mối hàn theo công thức sau: N [σ ]k S B.S ≥ N [σ ]k ⇒ B ≥ (2-4) Và: (2-5) N [ σ ]k B B S ≥ N [σ ]k ⇒ S ≥ Trong trường hợp kích thước kết cấu không thay đổi, muốn tăng khả chịu tải trọng kết cấu thiết kế mối hàn xiên hình vẽ sau với: N: lực tác dụng B: chiều rộng nối α: góc vát nghiêng chi tiết hàn Như điều kiện bền mối hàn lúc là: σ max = FN ≤ [σ ]k h = S.NB ≤ [σ ]k sinα ⇒ σ max = NB.sin.S α ≤ [σ ]k (2-6) Mà α góc nhỏ 900 nên ứng suất tác dụng lúc bị giảm xuống, mà điều kiện bền tăng lên 1.2 Mối hàn giáp mối chịu uốn Điều kiện bền xác định sau: σ = M W ≤ [σ ]h Trong đó: σ ứng suất sinh uốn M mô men uốn: M = P.l W mô men chống uốn xác định sau: W =B S ≤ [σ ]h Thay vào biểu thức tính độ bền ta có: σ = 6.P.l B2 S ≤ [σ ]h (2-7) 2) Tính toán mối hàn góc 2.1.Mối hàn góc chịu kéo, nén Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực trình kiểm tra mối hàn theo dạng sau a- Tính mối hàn đối xứng ngang: xét mối hàn ngang chịu lực hình vẽ ta có biểu thức xác định độ bền sau: τ= N 2.h.B ≤ [τ ]h (2-8) Trong đó: N lực tác dụng h chiều cao mối hàn B chiều dài đường hàn Do chiều cao mối hàn : h = k.cos450 = 0,7.k k = S (trong trường hợp có chiều dày không k chọn theo có chiều dày nhỏ hơn) cho nên: τ= N 1, 4.S B ≤ [τ ]h (2-9) b- Tính mối hàn đối xứng dọc: Đối với mối hàn đối xứng dọc chịu lực điều kiện bền xác định sau: τ= N 2.h.L ≤ [τ ]h (2-10) Trong đó: L chiều dài đường hàn h chiều cao mối hàn Trong trường hợp mối hàn không đối xứng điều kiện xác định theo công thức sau: τ= N h.( L1 + L2 ) ≤ [τ ]h (2-11) 2.2.Mối hàn góc chịu uốn Khi mối hàn góc chịu uốn, điều kiện bền sau: xác định theo công thức (2-12) M τ= h.L.B ≤ [τ ]h Trong đó: Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) M mô men uốn H chiều cao mối hàn L chiều dài mối hàn phía B chiều cao hàn Khi mối hàn chịu uốn kéo nén điều kiện bền xác định sau: M N τ= ± ≤ [τ ]h W h.L (2-13) Trong : M mô men uốn N lực kéo W mô men chống uốn h chiều cao mối hàn L tổng chiều dài đường hàn -Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn hình vẽ điều kiện bền là: τ= M h.l n2 h.l d l n + ≤ [τ ]h Khi tính toán ta chọn trước ln , cạnh mối hàn k để xác định mối hàn ld Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo nén điều kiện bền là: τ= N + h.L M h.ln ld + n h.l ≤ [τ ]h Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) BÀI 3: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN Mà BÀI: MD-30-03 Mục tiêu: Sau học xong học người học có khả năng: ™ Trình bày khái niệm ứng suất hàn,giải thích nguyên nhân gây ứng suất hàn ™ Tính biến dạng dọc,biến dạng ngang mối hàn ™ Xác định biện pháp làm giảm ứng suất,biến dạng sinh hàn Trong trình hàn, nhiệt độ vùng kim loại chênh lệch cao thường sinh ứng suất biến dạng ứng suất biến dạng làm kết cấu hàn giảm khả làm việc không đủ điều kiện để làm việc trình hàn người thợ phải biết nguyên nh6n sinh ứng suất biến dạng để hạn chế triệt tiêu chúng I NỘI DUNG CHÍNH : Các khái niệm ứng suất biến dạng hàn a- Nội ứng suất hàn : Là ứng suất tồn mối hàn sau kết thúc hàn Do nội ứng suất tồn tị mà tác dụng ngoại lực phải tương ứng cân Và muốn đảm bảo cân phải tuân theo điều kiện cân tỉnh học, nghĩa (3-1) ∑ mz = ∑ mx = ∑ my = b- Phân loại ứng suất Các loại nội ứng suất chia làm nhóm sau *Nhóm 1: Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh - Ứng suất nhiệt: sinh nung nóng không toàn chi tiết - Ứng suất dư: ứng suất lại vật thể sau loại bỏ nguyên nhân sinh Đây loại ứng suất thường gặp - Ứng suất chuyển biến pha: biến dạng không chi tiết *Nhóm 2: Ứng suất sinh cân kích thước thể tích khác phần tử liên kết tạo thành vật thể Bao gồm loại tổ chức tế vi, tổ chức thô đại tổ chức siêu tế vi *Nhóm 3: Ứng suất theo hướng không gian, bao gồm loại ứng suất chiều (ứng suất đơn), ứng suất hai chiều (ứng suất mặt), ứng suất ba chiều (ứng suất khối) c- Các biến dạng hàn : Trong trình hàn chi tiết bị nung nóng làm nguội không phát sinh biến dạng biến dạng co dọc mối hàn biến dạng co ngang mối hàn - Biến dạng co dọc mối hàn : thay đổi kích thước chiều dài mối hàn sau hàn - Biến dạng co ngang mối hàn: giảm kích thước kim loại mối hàn vùng lân cận theo phương vuông góc với trục đường hàn, biến dạng co ngang tạo nên cong, vênh kết cấu hàn hay gọi biến dạng góc Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Tính ứng suất biến dạng hàn đắp a-Tính nội lực tác dụng: Xét kim loại hình vẽ: Khi hàn đắp vào mép theo lý thuyết hàn, mặt cắt ngang chi tiết hàn tác động nhiệt hàn có vùng: ™ Vùng ảnh hưởng nhiệt : vùng có nhiệt độ từ 5500C÷13500C Tại vùng này, tác dụng nhiệt độ có thay đổi thành phần hóa học, đồng thời thay đổi kích thước hạt hai thay đổi dẫn đến thay đổi lớn chất lượng kim loại Như tính mối hàn thay đổi vùng ảnh hưởng nhiệt vùng chia làm vùng: Vùng thứ : Phần kim loại mối hàn lân cận , phần trình hàn kim loại thường tồn trạng thái pha lỏng hai pha lỏng +rắn Vùng gọi vùng b1 tức vùng có thay đổi lớn thành phần hóa học Vùng thứ hai có nhiệt độ từ 5500C đến gần nhiệt độ nóng chảy kim loại Vùng gọi vùng b2 , vùng trình hàn, kim loại đạt đến trạng thái biến dạng dẻo,do thay đổi thành phần hóa học nhỏ, chủ yếu thay đổi kích thước hạt ™ Vùng lại (vùng phản kháng): vùng không bi ảnh hưởng nhiệt Như vùng ảnh hưởng nhiệt xuất biến dạng: ∆l = α T l (3-2) Trong đó: α: hệ số giản nở T: nhiệt độ l : Chiều dài N.l (3-3) Δl = E.F Thực nghiệm chứng tỏ với loại vật liệu có giới hạn riêng giới hạn dùng để xác định nội lực biến dạng hàn Giới hạn gọi ứng suất tới hạn (ký hiệu σT) Các ứng suất tới hạn xác định thực nghiệm thông số cho sẵn để tính toán, thông thường có sổ tay tính toán thiết kế Do vùng ứng suất tác dụng có xuất biến dạng nội lực tác dụng mặt cắt ngang chi tiết hàn xác định vùng này, biểu thức xác định sau: P = σT Fc Trong đó: P: Nội lực tác dụng σT: Ứng suất tới hạn Fc: Diện tích vùng ảnh hưởng nhiệt Fc = S(b1+b2) = S.bn (3-4) Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Như vấn đề đặt phải xác định kích thước b1, b2 Việc xác định kích thước khó khăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: chế độ hàn, chiều dày vật liệu hàn, nhiệt dung riêng Vì việc tính toán xác khó khăn, mức độ xác vừ đủ, ta có công thức sau: b1 = 0,484.q S0 Vh C.γ T Trong đó: Q: lượng hồ quang hàn q η = 0,75 ÷ 1,0 S0:là chiều dày tính toán chi tiết hàn Vh :là vận tốc hàn C: nhiệt dung riêng γ: trọng lượng riêng kim loại T: nhiệt độ khảo sát = 0,24.Uh.Ih.η (3-5) (cal/s) (3-6) (cm) (cm/s) (cal/g.0C) (g/cm3) (T=5500C) (3-7) b2 = k2.(h – b1) Trong đó: k2: Hệ số xác định theo đồ thị đường đẳng tính ứng với loại vật liệu Đối với thép cacbon thấp k = 0,224 h: Chiều rộng hàn Thay b1, b2 vào biểu thức Fc = S(b1+b2) Vậy nội lực tác dụng: P = σT Fc hoàn toàn xác định b-Tính ứng suất phản kháng lực phản kháng: Ứng suất phản kháng lực phản kháng hai yếu tố chống lại lực tác dụng -Lực phản kháng Pk (3-8) Pk = P = σT Fc - Ứng suất phản kháng σ2 σ2 = P Pk σ T Fc P = = = Fk F − Fc S.h − Sbn S.(h − bn ) c-Tính mô men uốn: Mu = Mk-Mp Nếu M > Kết cấu hàn võng xuống Nếu M > Kết cấu hàn cong xuống Mk = Pk.y1 Mp = P.y2 d-Tính ứng suất uốn: σu = Với Mu W (3-11) u S.h2 Wu = 10 (3-10) (3-9) Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) BÀI 5: TÍNH TOÁN KẾT CẤU DÀN, TẤM VỎ Mà BÀI: MĐ-30-05 Mục tiêu: Sau học xong học người học có khả năng: ™ Trình bày đầy đủ khái niệm dàn, kết cấu vỏ ™ Trình bày rõ công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dàn, vỏ ™ Mô tả ứng suất biến dạng hàn vỏ biện pháp chống ứng suất biến dạng ™ Tính toán xác vật liệu để gia công kết cấu dàn, vỏ ™ Vận dụng kiến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt ™ Thực tốt công tác an toàn vệ sinh phân xưởng ™ Dàn kết cấu sử dụng nhiều ngành kỹ thuật, đặc biệt công nghiệp xây dựng, giao thông, chế tạo thiết bị nâng hạ, công trình điện, công trình viễn thông v.v ™ 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 I NỘI DUNG CHÍNH : Khái niệm kết cấu dàn, vỏ a 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 lông Vì dàn hàn xem hệ thống lề việc tính toán 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 24 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) b Phân loại : Phân loại Dàn: 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 yêu cầu khác độ kín độ bền tùy theo điều kiện làm việc Do công nghệ gia công có yêu 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 Gồm loại thùng chứa, loại kết cấu khác dùng để chứa chất lỏng chất khí không nguy hiểm nổ, 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 toàn cao làm việc phải tuân theo dẫn đặc biệt 25 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Tính toán kết cấu dàn, vỏ 2.1:Tính toán, 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 Tính mô men uốn lớn n Mmax= ∑ M t (5-1) (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 không đối xứng ta phải tính toán cho toàn 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 i-i’là điểm giao phần tử nút bị cắt ∑ M i ' = : Tổng mô men cuả lực lấy điểm i’ mặt cắt i-i’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 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) ∑ MY = 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: N (5-4) FYC = [σ ] k ϕ Trong đó: FYC :Là diện tích yêu cầu mặt cắt ngang N nội lực tính toán 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 công thức sau: 26 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) σ= N ≤ [σ ] k F ϕ (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: τ= Q.S J 2.0.7.K (5-6) Trong : Q: lực ngang S: mô men tĩnh biên lấy tâm tiết diện J mô men quán 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 không m ™ Tính tiết diện biên chịu kéo Thanh biên chịu kéo thường chế tạo loại vật liệu biên chịu nén, tính theo công thức sau: FYC = N [σ ] k (5-7) ™ Tính tiết diện giằng trụ: Các loại giằng, trụ dàn thường chọn hình dáng giống biên N (5-8) Với biên bị kéo : FYC = [σ ] k Với biên chịu nén thì: FYC = N [σ ] k ϕ (5-9) Trong đó: φ = 0,4 – 0,7 Để việc tính toán thiết kế đơn giản, ta chọn giằng, trụ có tiết diện Khi tính toán 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 toán 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 lông với kết cấu khác, lổ hình tròn hình elip tùy theo yêu cầu Ngoài có vách dọc, vách ngang để liên kết trụ, biên, giằng: Kết cấu nút đế hình vẽ: -Tính kích thước đế 27 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Kích thước đế phải đủ lớn để lắp ghép với kết cấu mà dàn liên kết Thông Thường kích thước đế lấy kích thước ,mặt cắt ngang trụ liên kết -Tính kích thước vách dọc 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 [τ ] h (5-10) -Tấm vách ngang: cách ngang bao gồm đặt vuông 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 toán 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 toán công thức trên.(5-10) ™ 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 công thức (5-10) d- Nối biên Trong trình gia công, 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 Việc tính toán kiểm tra mối hàn thực giống phần trước 2.2:Tính toán 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 toán thực cho ba phần giới thiệu Vật liệu chế tạo loại thép bon thấp, thép hợp kim thấp Tính toán 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 28 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 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 Quá trình tính toán 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 công thức sau để xác định bề dày cần thiết cho đoạn ống bất kỳ: Sy/c = P.R [σ ] h (5-12) Trong : R bán kính hình trụ P áp lực tính theo công 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 công 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 Phần lớn lổ khoan không gây nguy hiểm, nhiên tính toán ứng suất tính toán vượt 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 toán giảm xuống Tính toán 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 29 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 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 không 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 toán nắp thùng Nắp thùng thường có cấu tạo gồm khung phía trong, phía 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, 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 toán 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 , trình làm việc luôn phải tuân theo quy trình nghiêm ngặt, loại bình thường dễ xảy cháy nổ gây hậu nghiêm trọng cho người trang thiết bị Do tính toán cần phải đảm bảo hệ số an toàn cao Tính chiều dày bình Chiều dày bình xác định theo công thức sau; S= P.Dt +C 200.Φ.[σ ] 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 mòn, chiều dày định mức tôn , công nghệ chế tạo) Tính chiều dày đáy bình Chiều dày đáy bình xác định theo công thức sau; 30 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Sd = P.Dt D t +C 400.Z [σ ] 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 toán thiết kế , thực giống trên.Nhưng cần phải nhân thêm hệ số an toàn , tùy theo lý thuyết nổ áp suất tăng từ 10-12 lần so với áp suất làm việc Do tính toán ta phải tính tăng áp suất làm việc 12 lần 31 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 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 32 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 4.Cho dầm chịu lực hình vẽ Hãy xác định kích thước mặt cắt ngang dầm biết h 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 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.( = 300 mm, hc = 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/g0C, αd = 11 g/A.h, γ = 7,85 g/cm3), E = 2,1.104 KN/cm2, [σ]T = 24 KN/cm2 33 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 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 Cho dầm chữ I chịu lực hình vẽ sau Hãy tính toán, 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 toán thiết kế dầm biết vật liệu dầm có [σ]k = 26 KN/cm2 34 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 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 toán thiết kế dàn làm việc bảo đảm an toàn 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 toán thiết kế dàn trên( biên trên, biên dưới, giằng) 35 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) 15 Tính toán 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 36 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) TÀI LIỆU THAM KHẢO - Kết cấu thép-Cấu kiện (PGS-TS Phạm Quang Hội, Nguyễn Quang Viên.) - Sức bền vật liệu – Bùi Đức Tiển - Cẩm nang hàn – Nhà xuất khoa học kỹ thuật - Giáo trình công nghệ hàn - Nguyễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh - NXBGD- 2002 - Công nghệ hàn điện nóng chảy -Ngô Lê Thông (tập1- sở lý thuyết) NXBGD2004 - Chương trình dạy nghề hàn – Bộ lao động thương binh xã hội - Thực hành kỹ thuật Hàn Gò – Trần Văn Niên, Trần Thế San - Kỹ thuật hàn - Trương Công Đạt - Công nghệ hàn – Nguyễn Văn Siêm - Thực hành hàn hồ quang – Nhà xuất đại học quốc gia Hà nội - Thực hành hàn TIG, MIG-MAG 37 Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) MỤC LỤC Mục tiêu mô đun Trang Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Bài 2: Tính độ bền mối hàn 1.Tính toán mối hàn giáp mối 2.Tính toán mối hàn góc Bài 3: Tính ứng suất biến dạng hàn 1.Các khái niệm ứng suất biến dạng hàn 2.Tính ứng suất biến dạng hàn đắp 3.Tính ứng suất biến dạng hàn giáp mối 4.Tính ứng suất biến dạng hàn góc chữ T Bài 4: Tính toán kết cấu dầm-trụ 18 1.Khái niệm dầm – trụ 2.Tính toán dầm – trụ Bài 5: Tính toán kết cấu dàn-tấm vỏ 25 1.Khái niệm kết cấu dàn – vỏ 2.Tính toán kết cấu dàn – vỏ Bài tập ứng dụng 32 Tài liệu tham khảo 36 38