Nghiên cứu biện pháp để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ i

Sự phong phú và đa dạng của đồ gá hàn phụ thuộc vào quy mô sản xuất và việc ứng dụng các phương pháp hàn khác nhau, do đó có thể sử dụng đồ gá đơn chiếc dùng cho sản xuất nhỏ lẻ hay đồ g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

BÙI VĂN KHOẢN

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP ĐỂ GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG

KHI HÀN DẦM CHỮ I

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ HÀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

BÙI VĂN KHOẢN

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP ĐỂ GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG

KHI HÀN DẦM CHỮ I

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ HÀN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN TIẾN DƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện đang sử dụng và các công trình đã được công bố (ngoại trừ các bảng biểu

số liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép sử dụng)

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

Tác giả

Bùi Văn Khoản

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới TS Nguyễn Tiến Dương, người đã hướng dẫn trực tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc định hướng nghiên cứu, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí và Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện

thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả trân trọng cảm ơn lãnh đạo khoa cơ khí trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn này

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/ Cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

Tác giả

Bùi Văn Khoản

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

MỤC LỤC……… ……… 5

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 7

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài: 10

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11

2.1 Mục đích nghiên cứu 11

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả 11

4 Phương pháp nghiên cứu 12

Chương I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 13

1.1 Tổng quan về các loại dầm hàn 13

1.2 Ứng dụng của dầm hàn chữ I: 17

1.3.2 Tính công nghệ: 20

Chương 2: KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO DẦM CHỮ I 23 2.1 Kết cấu của dầm hàn chữ I: 23

2.2.Vật liệu chế tạo dầm chữ I: 27

2.3 Phương pháp hàn dầm chữ I: 32

2.4.Các phương án hàn dầm I 34

2.5 Chế độ hàn cho kết cấu dầm chữ I 39

2.5.1.Tổng quan về cách tính toán chế độ hàn TĐ và BTĐ: 39

2.5.2 Chế độ hàn cho các mối hàn của dầm: 46

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN KẾT CẤU DẦM CHỮ I 54

3.1 Các thành phần ứng suất và biến dạng trong kết cấu dầm chữ I: 55

3.1.1.Biến dạng theo truc X: 55

3.1.2.Biến dạng theo truc Y: 55

3.1.3.Biến dạng theo truc Z: 56

3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng 56

3.2.1 Ứng suất và biến dạng do co dọc đối với mối hàn giáp mối: 56

3.2.3 Ứng suất và biến dạng do co ngang trong liên kết hàn giáp mối: 62

3.2.4.Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn góc: 74

3.3.Tính toán ứng suất và biến dạng hàn trong kết cấu dầm chữ I: 77

3.3.1 Xác định ứng suất và biến dạng khi hàn nối bản bụng và bản cánh: 77

3.3.2 Xác định ứng suất và biến dạng toàn phần trong kết cấu hàn dầm chữ I: 81 3.3.2 Xác định nội lực và ứng suất phản kháng 84

3.3.3 Xác định ứng suất uốn và độ võng 84

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS ĐỂ MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT, ƯS&BD HÀN KẾT CẤU DẦM HỘP 88

4.1 Phương pháp mô phỏng dầm hàn: 88

4.1.1 Ứng dụng của phần mền ANSYS trong hàn: 88

4.1.2 Xây dựng sơ đồ tính toán cho kết cấu: 89

4.2 Kết mô phỏng quả dầm hàn: 91

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆN ĐO BIẾN DẠNG HÀN 94

5.1 Mẫu hàn thử 94

5.2 Thiết bị và vật liệu hàn 94

5.2.1 Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc: 94

5.2.2 Vật liệu hàn 95

5.3 Chế độ hàn các mẫu thử như bảng 1 97

5.4 Sơ đồ đo biến dạng 97

5.4.1 Sơ đồ đo biến dạng của dầm 98

5.5.Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng 99

5.5.1 Hàn các mẫu thử: 99

5.5.2 Chuẩn bị phôi chế tạo dầm 100

5.5.3 Gá đính, hàn, đo biến dạng 100

5.6.Kết quả đo biến dạng 105

5.6.1.Mẫu dầm D1 105

5.6.2.Mẫu dầm D2 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

1 Kết luận 108

2 Kiến nghị 109

TÓM TĂT LUẬN VĂN 111

PHỤ LỤC 1: 115

PHỤ LỤC 2: 126

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

b [mm] Kích thước các vùng tính toán

δ [mm] Chiều dày vật liệu

h [mm] Kích thước các chi tiết

F [mm2] Diện tích tiết diện

P [N] Lực tác dụng

J [mm] Mô men quán tính

б [N/m2] Ứng suất pháp

τ [N/m2] Ứng suất tiếp

E [N/m2] Mô đun đàn hồi

γ [g/cm3] Khối lượng riêng

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các loại dầm có biên dạng không thay đổi 14

Hình 1.2 Một loại dầm có biên dạng thay đổi trong thực tế sản xuất 15

Hình 1.3-1.5.Ứng dụng của dầm………17-18 Hình 1.6 Hình ảnh của dầm đúc 18

Hình 1.7 Ảnh dầm I chế tạo bằng hàn 19

Hình 1.8 Hình ảnh dầm I trong kết cấu cầu trục 19

Hình 1.9 Hình ảnh thiết bị và đồ gá hàn dầm 20

Hình 2.1 Các kích thước của dầm 24

Hình 2.2 Bản cánh của dầm 25

Hình 2.3 Bản vách của dầm 25

Hình 2.4-2.5 Gân tăng cứng 26

Hình 2.6 Gân tăng cứng ngang của dầm 27

Hình 2.7 Nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc 33

Hình 2.8 Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 34

Hình 2.9 Phương án thứ nhất hàn dầm chữ I 34

Hình 2.10 Phương án thứ hai khi hàn dầm chữ I 37

Hình 2.11 Phương án hàn dầm thứ ba 37

Hình 2.12 Kích thước mối hàn giáp mối không vát mép, không khe hở 39

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán kích thước mối hàn 40

Hnh 2.14 Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở 41

Hình 2.15 Kích thước mối hàn giáp mối vát mép có khe hở 43

Hình 2.16 Kích thước mối hàn góc trong không vát mép, hàn một lớp 44

Hình 2.17 Sơ đồ tính toán chiều cao toàn bộ kim loại đắp khi hàn nhiều lớp 45

Hình 2.18 Sơ đồ tính toán mối hàn chính 51

Hình 2.19 Kích thước mối hàn góc trong không vát mép, hàn một lớp 52

Hình 3.1 Biến dạng theo trục X 56

Hình 3.2 Biến dạng khi hai tấm có chiều rộng bằng nhau 57

Hình 3.3 Hiện tượng uốn ngang trong tấm hàn 59

Hình 3.4 Đường cong mỗi tấm sau khi cắt 59

Hình 3.5 Chuyển vị khi nắn thẳng 62

Hình 3.6 Biến dạng góc khi hàn 63

Hình 3.7 Sơ đồ tính toán biến dạng góc bằng lý thuyết 65

Hình 3.8 Sự phân bố nguồn nhiệt trong vật dày 69

Hình 3.9 Sự phản kháng quay tự do của các tấm 71

Hình 3.10 Sơ đồ tính toán biến dạng góc 71

Hình 3.11 Tạo biến dạng ngược trước khi hàn 74

Hình 3.12 Vùng ứng suất tác động khi hàn góc 74

Hình 3.13 Độ võng dư khi hàn mối hàn góc 77

Hình 3.14: Biểu thị vùng ứng suất biến dạng 83

Hình 3.15 Sơ đồ xác định nội lực và ứng suất 85

Hình 4.1.Bản vẽ chi tiết hàn 90

Hình 4.2.Hình các liên kết hàn 92

Hình 4.3 Ảnh mô phỏng quá trình chạy ANSYS 93

Hình 5.1: Nguồn điện hàn hồ quang TĐ sử dụng hàn mẫu thử 95

Hình 5.2: Nguồn điện hàn hồ quang TĐ sử dụng hàn mẫu thử 96

Hình 5 3 Sơ đồ đo co dọc 99

Hình 5.5: Gá đính dầm 102

Hình 5 4: Các mẫu thử kiểm tra chế độ hàn 101

Hình 5.5 Đo độ võng và co dọc trước khi hàn mối hàn 1&2 101

Hình 5.6: Hàn đồng thời hai mối hàn 1&2 103

Hình 5.7: Đo độ võng, co dọc của dầm sau khi hàn mối hàn 3&4 104

Trong sản xuất cơ khí nói chung khi thiết bị được cải tiến thì chất lượng sản phẩm cũng được cải thiện rất nhiều, riêng trong sản xuất hàn thì thiết bị không quyết định được nhiều về chất lượng sản phẩm Nhân tố ảnh hưởng nhiều tới chất lượng sản phẩm hàn là các yếu tố công nghệ hàn, rất đa dạng và phức tạp nhất là về ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn, nó cũng là một dặc trưng rất riêng của ngành hàn mà các nhà nghiên cứu, các chuyên viên cần quan tâm tới Để góp phần chia sẻ sư quan tâm trên mà tác giả chọn đề tài về lĩnh vực ứng suất biến dạng hàn, đề tài đóng một vai trò đặc biệt quan trọng, nó giúp cho quá trình gia công đạt chất lượng cao hơn

Mặt khác khi nghiên cứu đề tài còn cho thấy tác dụng của đồ gá hàn không chỉ có tác dụng định vị và kẹp chặt chi tiết trong quá trình gia công mà nó còn có nhiệm vụ giảm ứng suất và biến dạng trong hàn, giúp nâng cao tuổi thọ cho kết cấu khi sử dụng Sự phong phú và đa dạng của đồ gá hàn phụ thuộc vào quy mô sản xuất và việc ứng dụng các phương pháp hàn khác nhau, do đó có thể

sử dụng đồ gá đơn chiếc (dùng cho sản xuất nhỏ lẻ) hay đồ gá chuyên dùng (dùng trong sản xuất hàng loạt)…

Trong sản xuất cơ khí hàn nói chung và sản xuất kết cấu thép nói riêng nhu cầu về chế tạo các loại dầm hàn là vô cùng lớn cả về số lượng cũng như chủng loại Do dầm cán thường có kích thước nhỏ và độ cứng vững không cao

nên nó ít được sử dụng trong công nghiệp mà nhường chỗ cho các loại dầm có khối lượng và kích thước lớn được tổ hợp hay sản xuất bằng phương pháp hàn

Chất lượng của các tổ hợp dầm hàn thường phụ thuộc rất lớn vào hệ thống hàn Hiện nay, trong sản xuất tại các doanh nghiệp đã xuất hiện rất nhiều máy hàn hiện đại, nguồn hàn là vấn đề dễ dàng xử lý còn lại vấn đề ứng suất biến dạng khi hàn là vô cùng phức tạp và khó kiểm soát

Xuất phát từ tính cấp thiết và yêu cầu nêu trên, tác giả tiến hành chọn đề tài:

“Nghiên cứu biện Pháp để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I”

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ứng suất biến dạng hàn khi hàn dầm hàn chữ I

Nghiên cứu thực nghiệm ứng suất và biến dạng trong quá trình sản xuất dầm hàn chữ I

Đưa ra biện pháp làm giảm ứng suất viến dạng phù hợp với điều kiện thực tế của các doanh nghiệp, đảm bảo chất lượng khi chế tạo dầm hàn chữ I

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Ứng suất biến dạng hàn khi hàn dầm hàn chữ I

- Biện pháp làm giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là dựa vào quá trình nghiên cứu ứng suất

và biến dạng hàn dầm chữ I, thực nghiệm nghiên cứu ứng suất biến dạng khi hàn dầm chữ I, từ đó đưa ra biện pháp phù hợp để làm giảm ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Toàn bộ nội dung nghiên cứu được thể hiện trong các phần sau đây:

- Nghiên cứu tổng quan về dầm chữ I

- Kết cấu chung của dầm hàn

- Xây dựng chế độ hàn dầm

- Nghiên cứu thực nghiệm đo ứng suất và biến dạng hàn dầm

- Mô phỏng trường nhiệt, ứng suất và biến dạng trên phần mềm ansyt

- Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm

Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tế của luận văn sau khi hoàn thành

sẽ có những đóng góp đáng kể cho các doanh nghiệp và nhà sản xuất kết cấu thép

Ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với quá trình thực

nghiệm tại các cơ sở sản xuất, luận văn đưa ra được ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào

việc nâng cao chất lượng của sản phẩm dầm hàn chữ I tại các doanh nghiệp, rút ngắn đáng kể về thời gian và các công đoạn trong quá trình sản xuất

Làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tính toán ứng suất và biến dạng hàn cho các sản phẩm cơ khí khác

Đạt được năng suất cao nhất khi sản xuất dầm chữ I nhưng vẫn đảm bảo chất lượng của sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;

- Tiến hành thực nghiệm tại xưởng thực tập của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên

- Mô phỏng ứng suất và biến dạng khi hàn dầm trên phần mềm ansyt

Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các loại dầm hàn

Trong nền sản xuất cơ khí, sản lượng sản xuất bằng công nghệ hàn hoặc liên quan đến hàn chiếm một tỷ trọng rất lớn Công nghệ hàn đã và đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong ngành sản xuất cơ khí Tại một số ngành, có thể nói công nghệ hàn là không thể thiếu vì nó chiếm khối lượng rất lớn Điển hình

là các ngành công nghiệp như: Đóng tàu, Ôtô, Xây dựng…, Dầm là loại cấu kiện cơ bản trong kết cấu xây dựng.Về mặt chịu lực thì dầm chủ yếu chịu uốn

Ưu điểm nổi bật của dầm thép là cấu tạo rất đơn giản,chi phí cho chế tạo dầm

không lớn, do đó dầm được sử dụng rất phổ biến

Với loại kết cấu nhịp lớn như sân vận động,hănga máy bay,nhà thi đấu thì chỉ có

dầm thép mới đáp ứng được.Bằng chứng là đã có rất nhiều công trình như nhà

thi đấu, hănga máy bay sử dụng dầm thép đã được xây dựng ở nước ta cũng như nhiều nơi khác trên khắp thế giới

So với các loại dầm khác như dầm bê tông cốt thép thì để vượt được các nhịp lớn

, dầm thép cũng tốt hơn cả vì nó vừa có khối lượng bản thân nhẹ, vừa có khả

năng chịu lực lớn, Do đó khi vượt nhịp lớn thì chiều cao dầm thép sẽ không quá lớn,tạo không gian sử dụng lớn, không ảnh hưởng đến công năng của ngôi nhà

Với cách sử dụng tiết diện dầm thép thì việc thi công sẽ đơn giản hơn,thời gian

thi công nhanh ( vì chủ yếu chỉ là các liên kết bằng mối hàn và bu lông)công trình nhanh chóng được đưa vào sử dụng

Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì kết cấu thép ngày càng được nghiên cứu,phát triển, hoàn thiện hơn, sử dụng ngày càng rộng rãi hơn trong nhiều công trình khác nhau từ những công trình nhỏ như nhà ở, nhà máy, xí nghiệp cho đến các công trình đòi hỏi vượt nhịp lớn như nhà thi đấu, sân

dầm hình ( chữ I, C,hình tròn),dầm tổ hợp, dầm hộp,dầm có sườn lượn sóng,… Mỗi loại dầm đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó tùy thuộc các điều kiện về loại kết cấu công trình, về giải pháp kiến trúc, thi công, điều kiện về kinh tế kỹ thuật,…mà sử dụng các loại dàm khác nhau.Chẳng hạn với những

công trình cần vựot nhịp nhỏ ( thường là < 6m) thì có thể sử dụng dầm thép

hình, với những công trình lớn hơn ( < 18 m) thì có thể sử dụng loại dầm tổ hợp, với những công trình vượt nhịp > 36 m thì người ta có thể sử dụng dầm hộp,…

- Với dầm thép chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có mômen chống uốn đối với

trục x-x ( xem hình vẽ 2.4) khá lớn nên rất hợp lý với những dầm chịu uốn phẳng như dầm sàn nhà,dầm sàn công tác, dầm cầu,…

*Dầm chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng thì có thêm hiện tượng xoắn do đó không phải là cấu kiện hợp lý khi chịu uốn, nhưng do do thép hình chữ U có cánh rộng ( chịu uốn xiên tốt) và có mặt ngoài phẳng ( dễ liên kết với các cấu kiện khác) nên thường được dùng làm xà gồ mái nhà, dầm tường, dầm sàn khi nhịp và tải trọng bé

Thiết kế dầm hình bao gồm các vấn đề sau:

+ Chọn tiết diện dầm hình :

+ Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền

+ Kiểm tra tiết diện dầm về độ cứng

a) b) c) Hình 1.1 Các loại dầm có biên dạng không đổi trong thực tế sản xuất

Do giá trị W chỉ có giới hạn xác định do đó với những dầm đòi hỏi vượt nhịp lớn thì giá trị W rất lớn, nó vượt qua giá trị W lớn nhất trong bảng tra đã cho sẵn nên không sử dụng được.Sự áp dụng dầm hình còn rất nhiều hạn chế trong kết cấu nhà nhip lớn, nó chỉ được áp dụng rộng rãi trong kết cấu nhà nhịp nhỏ

*Dầm tổ hợp: Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và các thép hình.Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầm được gọi là dầm tổ hợp hàn, tương tự như vậy nếu dùng liên kết bằng đinh tán hay bu lông thì dầm gọi là dầm tổ hợp đinh tán hay bu lông

Dầm tổ hợp hàn gồm 3 bản thép, 2 bản đặt nằm ngang gọi là 2 cánh dầm, bản đặt thẳng đứng gọi là bụng dầm

Dầm tổ hợp đinh tán hoặc bulông cũng gồm 1 bản thép đặt đứng làm bụng dầm, còn mỗi cánh dầm còn 2 thép góc( thép chữ L) gọi là 2 thép góc cánh dầm và có thể có them 1 đến 2 bản thép được đặt nằm ngang gọi là bản phủ cánh dầm

So với dầm đinh tán , tổ hợp đinh tán thiết kế dầm tổ hợp gồm :Chọn tiết diện dầm, kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền, độ cứng, độ ổn định tổng thể, cấu tạo và tính toán chi tiết của dầm như liên kết cánh với bụng,…cụ thể như sau: + Chọn tiết diện dầm

+ Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài, dày

+ Kiểm tra độ bền, độ võng, độ ổn định của dầm tổ hợp

+ Ổn định tổng thể của dầm thép

Ngoài cách tính cổ điển trên ngày nay người ta còn sử dụng phần mềm tính toán

Hình 1.2 Một loại dầm có biên dạng thay đổi trong thực tế sản xuất

q > 2000 daN/m) nếu dùng dầm tổ hợp thì hoặc là không đủ bền hoặc là độ cứng không đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể, nếu đủ thì kết cấu sẽ nặng nề và tốn thép.Trong trường hợp này dung dầm tổ hợp sẽ kinh tế hơn Do đó phạm vi áp dụng của dầm tổ hợp sẽ rộng rãi hơn

*Dầm hộp: Dầm hộp là dầm được tạo từ các thanh thép(bản thép)ghép lại với nhau bằng liên kết hàn

So với hai loại dầm trên thì dầm hộp có một số ưu nhược điểm sau:

- Có thể tạo ra những dầm có tiết diện có độ cứng cao, độ ổn định theo các phương là như nhau

- Có thể chịu được tải trọng lớn, có thể vượt được nhịp lớn, nhịp của nó có thể lên tới hàng trăm mét Nhiều nước trên thế giới đã sử dụng tiết diện này để vượt nhịp lớn

- Việc chế tạo khó khăn

- Việc bảo dưỡng, sơn… khó khăn

- Việc chế tạo và gia công bằng đinh tán thường phức tạp

Hình 1.3.Ứng dụng của dầm I

nhằm tăng cường độ ổn định cho thanh bụng đồng thời tăng độ ổn định cho dầm

Do sườn được chế tạo theo hình lượn sóng làm mômen chống uốn của sườn tăng, làm tăng độ cứng tổng thể của dầm.tuy nhiên do việc chế tạo sườn theo hình lượn sóng nên việc chế tạo sẽ phức tạp hơn,công tác lien kết sườn với thanh bụng khó khăn hơn so với dầm hình thông thường

1.2 Ứng dụng của dầm hàn chữ I:

- Với dầm thép chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có mômen chống uốn đối với

trục x-x ( xem hình vẽ 2.4) khá lớn nên rất hợp lý với những dầm chịu uốn phẳng như dầm sàn nhà, dầm sàn công tác, dầm cầu,…

-Với dầm thép chữ I còn tham gia trong lĩnh vực kết cấu xây dựng, xây dựng nhà xưởng……

Hình 1.5 Hình ảnh dầm I trong kết cấu xây dựng

Hình 1.6 Hình ảnh của dầm đúc

Hình 1.7 Ảnh dầm I chế tạo bằng hàn

Hình 1.8 Hình ảnh dầm I trong kết cấu cầu trục

1.3.Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I: 1.3.1 Tính kinh tế:

Trong quá trình chế tạo dầm hàn chữ I, ứng suất và biến dạng hàn có vai trò quyết định khả năng làm việc của kết cấu

Những nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng của quá trình sản xuất như nguồn hàn, hàn … , chúng ta có thể khắc phục được một cách triệt để hơn còn riêng ứng suất ong quá trình hàn rất khó khống chế được triệt để

Vì vậy muốn đạt được năng suất và hiệu quả sản xuất cao ta phải hạn chế tốt được ứng suất và biến dạng hàn

Từ đó ta thấy được giá trị tiềm ẩn của việc tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó tìm ra biện pháp khắc phục chúng Điều này không chỉ xảy ra tại Việt Nam mà nó còn là tình trạng chung của toàn thế giới

Hình 1.9 Hình ảnh thiết bị và đồ gá hàn dầm

- Sản xuất bằng công nghệ hàn là một phương pháp gia công có độ biến dạng rất lớn Vì vậy trong và sau khi gia công, các chi tiết hoặc kết cấu thường

bị thay đổi về cả hình dáng cũng như kích thước Vấn đề này sẽ được giải quyết khi ta tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đưa ra biện pháp khắc phục

- Bên cạnh đó, trong thực tế sản xuất, có nhiều dạng chi tiết hay kết cấu

có những đường hàn phức tạp, có biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần người công nhân dù tay nghề rất cao cũng rất khó hoặc không thực hiện được một cách tốt nhất Vấn đề này sẽ được giải quyết thông qua quá trình tính toán ứng suất và biến dạng hàn để từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục như: tiết kế đồ gá hàn

giải quyết nhiệm vụ: “Luôn đưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất” để thực

hiện công việc hàn, một số biện pháp công nghệ và kết cấu khi hàn……

Ở Việt Nam hiện nay, hầu hết tại các Công ty, các doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép vẫn chưa chú trọng nhiều đến việc tính toán ứng suất và biến dạng hàn, hầu như vẫn sử dụng mang tính thừa kế, và dập khuôn, vì vậy giá trị của việc tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn là cần thiết Để giải quyết vấn đề này chúng ta rất cần có sự đầu tư nhiều hơn nữa cho việc nghiên cứu ứng suất

và biến dạng khi hàn nói chung và nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I cho các doanh nghiệp nói riêng

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:

1 Tổng quan về các loại dầm hàn

2 Ứng dụng của dầm hàn chữ I

3.Tính cấp thiết của đề tài

4 Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc nghiên cứu ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ I là phù hợp với khuôn khổ luận văn của mình

Chương 2 KẾT CẤU, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO DẦM CHỮ I

được tính toán dựa vào các tiêu chí sau:

- Điều kiện làm việc của các kết cấu đó ( yêu cầu về khả năng chịu lực của kết cấu, môi trường làm việc của kết cấu ) tùy vào yêu cầu chịu tải trọng mà ta thiết kế dầm theo, diện tích tiết diện của dầm thay đổi theo tải trọng mà kết cấu phải gánh

- Đảm tính kinh tế, thẩm mỹ của kết cấu, để đảm bảo tính kinh tế và tính thẩm mỹ của kết cấu ta phải tính toán thiết kế vừa đủ bền, chọn phương pháp chế tạo đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật, giá thành cạnh chanh

Việc đưa ra kết cấu của dầm có sự thừa kế các công trình nghiên cứu của một số chuyên gia hàng đầu trong và ngoài nước, kết cấu của dầm bao gồm 2 bản biên ( hay còn gọi là bản bụng ) và 1 bản vách ( hay còn gọi là bản cánh )

Dầm ghép tổ hợp chữ I gồm:

+ Hai bản cánh

• h: Chiều cao của dầm

Trong quá trình chế tạo kết cấu việc tính toán và lựa chọn các kích thước hợp lý sẽ tạo cho kết cấu sự hoàn hảo nhất đảm, bảo được các yêu cầu kỹ thuật

và kinh tế

Thường trong quá trình chế tạo kết cấu dầm chữ I chúng ta thường phải tính toán nhiều lần mới đảm bảo được yêu cầu về độ bền.Thông thường giữa các lần đó thì ta phải thay đổi các kích thước của bản cánh và bụng Tuy nhiên sự thay đổi này vẫn phải đảm bảo các kích thứớc tối thiểu đã được quy định

a.Bản cánh (bản biên):

Bản cánh gồm hai tấm, có thể có chiều dầy giống nhau hoặc khác nhau Bản

Hình 2.1 Các kích thước của dầm

cánh thường có chiều dầy mỏng hơn bản bụng (bản vách)

Bản cánh là một bộ phận cấu thành nên dầm hàn chữ I, có vai trò liên kết với bản bụng tạo thành khối liên kết cứng có khả năng chịu lực rất tốt

b.Bản vách (bản bụng)

Bản bụng cũng có cấu tạo giống như bản cánh, được chế tạo từ thép tấm Bản chất chịu lực trong kết cấu dần I của bản bụng là tốt hơn bản cánh khi nó chịu uốn, chính vì vậy bản bụng thường có chiều dầy lớn hơn bản cánh

Hình 2.2 Bản cánh của dầm

Hình 2.3 Bản vách của dầm

c Gân tăng cứng:

Gân tăng cứng được sử dụng khi chế tạo các dầm hàn có kích thước lớn, gân gồm có gân ngang và gân dọc Gân có vai trò tạo sự ốn định của dầm khi dầm

chịu tải trọng nhất là tải trọng động

Tùy thuộc vào chiều dài của dần mà ta bố trí số lượng gân cho phù hợp, gân được bố trí đối xứng nhau qua bản bụng

Hình vẽ mô tả gân tăng cứng dọc

Hình 2.4 Gân tăng cứng của dầm

Hình 2.5 Gân tăng cứng dọc dầm

Có thể bố trí hai hang gân tăng cứng ngang nếu chiều cao của dầm hàn lớn

2.2.Vật liệu chế tạo dầm chữ I:

*Chọn vật liệu- Kết cấu hàn là tổ hợp của nhiều chi tiết mà trong đó mỗi chi tiết

có chức năng và điều kiện làm việc không giống nhau Do đó phải căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết để lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản sao cho hợp lý Vừa phải đảm bảo chất lượng năng suất và giá thành chế tạo kết cấu Nói cách khác là vật liệu phải đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật

- Mặc dù các chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau song đều được chế tạo từ vật liệu kim loại thanh thép Qua gia công cơ khí sau đó đem hàn lại thành “Kết cấu dầm đỡ” Là kết cấu tấm được chết tạo sao cho đảm bảo chỉ tiêu

về cơ tính , độ tin cậy cao khi làm việc

- Vì vậy để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn , giá thành lại phù hợp ta chọn vật liệu là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC Nga ГOG380-71) Bởi vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường, nó vừa đảm bảo tính kính tế, tính hàn tốt cũng như đáp ứng được yêu

Hình 2.6 Gân tăng cứng ngang của dầm

cầu kỹ thuật của kết cấu khi làm việc

- CT38 có các thành phần và độ bền tương đương với các mác thép trên thế giới như: SS400 (Jis - Nhật); Q235 (GB – Trung Quốc); A570Gr.A (ASTM - Mỹ); S235JA (BS – Anh); S235JA (Din – Đức); CT3 (ГОСТ –Nga); S235JA (NF –

Ph áp)…

- Thành phần hóa học của thép CT38

Thành phần hóa học Chemical Composition

Tiêu

chuẩn

Standard

Mác thép

(max)

S (max) TCVN

(Yeild Point)(N/mm2)

Giới hạn bền kéo

(Tensile Strength) (N/mm2)

Độ giãn dài(Elongation) (%)

cầu phải dùng các công nghệ đặc biệt Tra bảng 5.1 cơ tính của thép thông dụng phân nhóm A ( TCVN 1765 – 25) trang 254 sách Vật liệu học cơ sở của Nghiêm Hùng ta có:

¾ Dây hàn tự động dưới lớp thuốc

Dựa vào thành phần hóa học và cơ tính của thép CT38 ta chọn dây hàn EM12 Tương đương với tiêu chuẩn AWS A5.17 và đăng kiểm Việt Nam: TCVN 6259-6: 2003 AW53; đồng thời tương đương với tiêu chuẩn của nhật: JIS W21

HV-Dây hàn HV-EM12 là loại dây hàn có hàm lượng carbon, sillic thấp, hàm lượng

Thành phần hoá học Nhãn hiệ

CT38 0,14÷0,22 0,4÷ 0,65 0,12÷0,3 <0,04 <0,05

hàn với nền kim loại tốt, có thể kết hợp với nhiều loại thuốc hàn khác nhau như

EG F7A0, EG F7A2,… tạo ra những mối hàn có chỉ tiêu cơ lý tương đối cao theo mong muốn

- HV-EM12 thích hợp sử dụng cho hàn các kết cấu thép carbon thấp và hợp kim trung bình như: bồn áp lực, đường ống, kết cấu thép chịu tải trọng nặng, các kết cấu dân dụng, cầu đường, ôtô, tàu thuyền ,

Dây hàn HV-EM12 do công ty NaHaVi (Nam Hà Việt) sản xuất

+ Cơ tính của mối hàn được xác định như sau:

Loại dây

hàn

Các chỉ tiêu về cơ tính

Giới hạn bền kéo

(σb) (Mpa)

Giới hạn chảy

(σc) (Mpa)

Độ dãn dài tương đối

(%)

Độ dai va đập

(J) HV-EM12

¾ Thuốc hàn tự động dưới lớp thuốc

Chọn thuốc hàn F7A0 (tương đương với AWS A5.17 F7A0) thuốc hàn F7A0 phù hợp khi hàn với dây hàn HV-EM12 thuốc hàn EG-F7A0 do công ty NaHaVi (Nam Hà Việt ) sản xuất

EG-EG F7A0 (Tương đương tiêu chuẩn Mỹ AWS A5.17 F7A0) là loại thuốc nền axit nhôm – rutin thiêu kết, hạt dạng tròn màu đen có kích thước 2.0~0.28mm (sang 10-60 /inch) Tính năng hàn tuyệt vời với hồ quang ổn định, dễ bong xỉ và mối hàn đẹp Kim loại hàn chịu được độ dai va đập cao ở nhiệt độ thấp, có thể dùng với dòng hàn AC hoặc DC Khi hàn dòng một chiều, dây hàn nên nối với điện cực dương

Thuốc hàn EG F7A0 được sử dụng kết hợp với nhiều loại dây hàn hồ quang chìm như EL12, EM12K…dùng cho kết cấu thép C và thép hợp kim thấp như nồi hơi, đường ống chịu áp lực cao, …

kéo (MPa)

Giới hạn chảy (MPa)

Độ dãn dài

(%)

Nhiệt độ phòng

- 200C

EM 12 ≥510 ≥400 ≥ 22 ≥ 50 ≥ 27

¾ Que hàn hồ quang tay

Dựa trên cơ sở về thành phần hóa học và cơ tính của thép CT38 ta chọn que hàn

hồ quang tay là que E7016

Thích hợp với mọi tư thế hàn với tính năng ưu việt

Thích hợp hàn các loại thép có hàm lượng cacbon, hợp kim thấp và trung bình, thép tấm dầy và các loại linh kiện làm từ thép

Hồ quang ổn định, tia lửa nhỏ, thuốc bọc hàn bảo vệ tốt, kiểm nghiệm tia X tốt, đặc biệt thích hợp hàn các kết cấu, bình áp lực…

Không bắn toé, ít khói, sỉ tự bong, bề mặt mối hàn đẹp

Que hàn E7016 chất lượng được áp dụng tiêu chuẩn Mỹ : ASME / AWS A5.1

E7016 và đăng kiểm theo tiêu chuẩn Việt Nam : TCVN 3223:2000 E513; tương

đương với tiêu chuẩn của Nhật Bản: D5016 ; Trung Quốc: GB: E5016

Hệ số an toàn

Trong quá trình thiết kế bất kỳ kết cấu nào, chúng ta luôn phải chú ý đến

hệ số an toàn ( hệ số vượt tải) n

Hệ số an toàn giúp cho kết cấu vẫn ổn định khi làm việc quá công suất đã thiết kế khi chúng ta chọn hệ số an toàn cần phải chú ý đến các vấn đề:

-Tích chất của vật liệu sử dụng chế tạo

-Điều kiện làm việc và phương pháp tính toán, yêu cầu mức độ tính toán

-Tính chất quan trọng của kết cấu và yêu cầu về tuổi thọ

-Tính chất của tải trọng tác dụng (tĩnh hay động) và mức độ phản ánh chính xác

2.3 Phương pháp hàn dầm chữ I:

Khi thực hiện hàn dầm chữ I,ta chọn phương pháp hàn là phương pháp hàn tự

động dưới lớp thuốc vì những lý do sau :

-Phương pháp hàn này đảm bảo kích thước hàn và thành phần hóa học đồng đều trên suốt chiều dài dầm

-Nhiệt lượng hồ quang tập trung và nhiệt độ rất cao cho phép hàn với tốc độ lớn

Chất lượng mối hàn cao, kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học -Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn tóe

-Giảm tiêu hao kim loại điện cực và điện năng

-Biến dạng của liên kết sau khi hàn nhỏ

-Điều kiện làm việc của thợ hàn tốt, ít phát sinh khí độc so với hàn hồ quang tay

-Tự động hóa quá trình hàn

Hình 2.7 Nguyên lý hàn TĐ dưới lớp thuốc

Biến dạng của liên kết chữ I phụ thuộc chủ yếu vào trình tự công nghệ thực hiện các mối hàn

* Xét trình tự công nghệ hàn như hình vẽ trên : hàn đồng thời 2 mối hàn 1,2 sau

Hình 2.8 Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc

J1 : mô men quán tính của dầm chữ T

- Sau khi hàn mối hàn 3 và 4, dầm I chịu mô men M2, độ võng :

2 1 01 2 2

2 1

.

J y J h P

J y P l M

EJ EJ

1 4

- Các mối hàn được thực hiện theo thứ tự chéo nhau

- Lúc này, chỉ có nội lực của mối hàn đầu tiên ( số1 ) gây ra hiện tượng uốn của dầm chữ T ( gồm biên dưới và vách)

- Nội lực của ba mối hàn còn lại sẽ tác động lên toàn bộ tiết diện của dầm chữ I

- Vì vậy độ võng dư cuối cùng không đáng kể do các độ võng dư:

1

2 1 1

8

.

J E

l M

f = ;

2

2 3 , 2 3 ,

2 8

.

J E

l M

f = ;

J E

l M f

8

2 4

4 = ( 4.43 ) triệt tiêu lẫn nhau

Kết luận:

- Theo phương án này, phải lật dầm nhiều lần ( hai lần quay 1800 )

- Nếu hàn dưới lớp thuốc, hợp lý nhất là để các mối hàn ở vị trí hàn sấp ( hình 4.20b ), sẽ bảo đảm nung đồng đều các tấm vách và biên, chân mối hàn ngấu tốt và dữ thuốc hàn thuận tiện Tuy nhiên, số lần lật dầm lại tăng lên ( ba lần )

1

- Đầu tiên người ta hàn các mối hàn 1và 2

- Sau đó xoay lật 1800 và hàn các mối hàn 3 và 4

- Độ võng dư f hầu như không đángkể vì các lý do sau:

+ Nội lực của hai cặp mối hàn ( 1và 2 ) và ( 3và 4 ) tác động lên toàn bộ dầm chữ I nên độ võng do mỗi mối hàn gây ra đều bị triệt tiêu bởi các mối hàn khác

-Để tăng khả năng chịu tải của kết cấu dầm hàn chữ I , cũng như dầm hộp người

ta tăng chiều cao của tấm vách

Mặt khác, giảm chiều dày vách và tằng chiều dầy hai tấm biên cũng có tác dụng tiết kiệm vật liệu Vì vậy sau khi hàn, do mỏng quá, tấm vách dễ bị mất

ổn định do không chịu được ứng suất nén của các mối hàn giáp biên gây ra,

và có thể suất hiện các chỗ lồi lõm trên tấm vách

- Để chống lại hiên tượng nói trên, người ta thường tiên hành kéo sơ bộ tấm vách trước khi hàn và chế tạo như sau:

1 Tấm vách được đưa lên thíêt bị kéo để kéo dài thêm một đoạn ( biến dạng đàn hồi )

2 Ghép nó với các tấm biên

3 Hàn đính bằng hai máy hàn tự động Kích thước các mối hàn đính là nhỏ

4 Tháo dầm đã lắp ghép ra khỏi thiết bị kéo sơ bộ

5 Hàn bằng hai máy hàn tự động theo phương án 3 vừa nêu

Đó là phương pháp sản suất với quy mô hàng loạt với dầm hàn chữ I

Kết luận chung:

Theo sự phân tích trên ta thấy phương án 1 và phương án 3 là ưu việt nhất, suất phát từ điều kiện thí nghiệm của bản thân tác giả chọn phương án 1 để chế tạo dầm chữ I vì phương án 3 cần có thiết bị kéo dầm sơ bộ

2.5 Chế độ hàn cho kết cấu dầm chữ I

2.5.1.Tổng quan về cách tính toán chế độ hàn TĐ và BTĐ:

a.xác định kích thước mối hàn:

kích thước mối hàn là cơ sở để chọn các thông số chế độ hàn phù hợp Thông số kích thước mối hàn có thể tra bảng hoặc thông qua tính toán

* Tính kích thước mối hàn giáp mối

- Trường hợp không vát mép và không có khe hở :

Để đảm bảo hàn ngấu toàn bộ chiều dầy chi tiết từ hai phía thi : h1 + h2 =

s + k

Kích thước và hình dạng mối hàn được xác định từ lượng nhiệt đưa vào cơ bản

Ta có :

max

2 2 2

2

4 2

2 2

.

q r

h

h h

b h

π π

I

U d I

k' 19 0 , 01

ψ

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán kích thước mối hàn