2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LIấN KẾT TRONG KẾT CẤU THẫP
Trong kết cấu thộp cỏc cấu kiện được nối với nhau bằng cỏc liờn kết như: liờn kết hàn , bu lụng , đinh tỏn .
Trong cỏc kết cấu thộp hiện nay, cú hai loại liờn kết thường được sử dụng: liờn kết đinh và liờn kết hàn. Hỡnh 2.1 giới thiệu một số dạng liờn kết phổ biến trong kết cấu thộp. 2.1.1 Liờn kết dạng đinh: ( đinh tỏn, bu lụng)
Liờn kết đinh là cụm từ chung dựng để chỉ cỏc loại liờn kết cú dạng thanh thộp trũn xõu qua lỗ của cỏc bộ phận cần liờn kết. Như vậy, đinh đại diện cho đinh tỏn, bu lụng, bu lụng cường độ cao, chốt …Cỏc loại liờn kết đinh được đề cập trong chương này là liờn kết bằng bu lụng thường và liờn kết bằng bu lụng cường độ cao.
Ưu điểm của liờn kết dạng đinh là : Chịu tải trọng động tốt, thuận tiện cho việc thỏo lắp. Đặc biệt hiện nay trong cỏc cụng trỡnh cầu người ta sử dụng bu lụng cường độ cao rất phổ biến. Nhược điểm : Tốn vật liệu và tốn cụng chế tạo , gõy ra hiện tượng giảm yếu tiết diện. 2.1.2 Liờn kết hàn
Liờn kết hàn cú thể được dựng cho cỏc mối nối ngoài cụng trường nhưng núi chung, chủ yếu được sử dụng để nối cỏc bộ phận trong nhà mỏy.
Tuỳ theo trường hợp chịu lực, cỏc liờn kết được phõn chia thành liờn kết đơn giản, hay liờn kết chịu lực đỳng tõm, và liờn kết chịu lực lệch tõm. Trong chương này, liờn kết đơn giản
Hỡnh 2.1
2.2 CẤU TẠO LIấN KẾT BU LễNG
2.2.1 Cấu tạo , phõn loại bu lụng
Bu lụng được phõn thành hai loại : Bu lụng thường và bu lụng cường độ cao ; 2.2.1.1 Bu lụng thường
Bu lụng thường được làm bằng thộp ớt cỏc-bon ASTM A307 cú cường độ chịu kộo 420 MPa. Bu lụng A307 cú thể cú đầu dạng hỡnh vuụng, lục giỏc hoặc đầu chỡm(hỡnh 2.2). Bu lụng thộp thường khụng được phộp sử dụng cho cỏc liờn kết chịu mỏi.
2.2.1.2 Bu lụng cường độ cao
Bu lụng cường độ cao phải cú cường độ chịu kộo nhỏ nhất 830 MPa cho cỏc đường kớnh d = 16 27 mm và 725 MPa cho cỏc đường kớnh d = 30 36 mm. Bu lụng cường độ cao cú thể dựng trong cỏc liờn kết chịu ma sỏt hoặc liờn kết chịu ộp mặt.
Hỡnh 2.2 Bu lụng thộp ớt cỏc bon A307 cấp A. Đầu bu lụng do nhà sản xuất quy định
a. Đầu và đai ốc hỡnh lục lăng ; b. Đầu và đai ốc hỡnh vuụng ; c. Đầu chỡm
Liờn kết chịu ộp mặt chịu được tải trọng lớn hơn nhưng gõy biến dạng lớn khi chịu ứng suất đổi dấu nờn chỉ được dựng trong những điều kiện cho phộp. Trong cầu, mối nối bu lụng chịu ộp mặt khụng được dựng cho cỏc liờn kết chịu ứng suất đổi dấu.
Liờn kết bu lụng cường độ cao chịu ma sỏt thường dựng trong kết cấu cầu chịu tải trọng thường xuyờn gõy ứng suất đổi dấu hoặc khi cần trỏnh biến dạng trượt của mối nối. Liờn kết bu lụng cường độ cao chịu ộp mặt chỉ được dựng hạn chế cho cỏc bộ phận chịu ứng suất một dấu và cho cỏc bộ phận thứ yếu.
Trong xõy dựng cầu, cả liờn kết bu lụng cường độ cao và liờn kết hàn đều cú thể được sử dụng cho cỏc mối nối ngoài cụng trường song liờn kết bu lụng cường độ cao được dựng là chủ yếu. Liờn kết hàn chỉ được sử dụng trong cỏc liờn kết thứ yếu, khụng chịu hoạt tải, dựng để liờn kết cỏc tấm mặt cầu hoặc cỏc bộ phận khụng chịu lực chớnh.
Trong thực tế, thường sử dụng hai loại bu lụng cường độ cao A325 và A490 với đầu mũ và đai ốc theo tiờu chuẩn ASTM như trờn hỡnh 2.3.
Thõn đinh Đai ốc Đầu Ren Chiều dài Chiều dài Đầu ẵ đường kớnh Đai ốc
Hỡnh 2.3 Bu lụng cường độ cao
Trong cỏc liờn kết bằng bu lụng cường độ cao chịu ma sỏt, cỏc bản nối được ộp vào nhau nhờ lực xiết bu lụng. Lực xiết bu lụng cần đủ lớn để khi chịu cắt, ma sỏt giữa cỏc bản thộp đủ khả năng chống lại sự trượt. Liờn kết chịu ma sỏt yờu cầu bề mặt tiếp xỳc của cỏc bản nối phải được làm sạch khỏi sơn, dầu mỡ và cỏc chất bẩn. Cũng cú thể dựng liờn kết trong đú bu lụng bị ộp mặt, sự dịch chuyển của cỏc bản nối được ngăn cản bởi thõn bu lụng.
Bảng 2.1 Chiều dài đường ren của bu lụng CĐC
Đường kớnh bu lụng (mm)
Chiều dài ren danh đinh (mm) Độ lệch ren (mm) Chiều dài tổng cộng ren (mm) 12.7 15.9 19.0 22.2 25.4 28.6 31.8 35.0 38.1 25.4 31.8 35.0 38.1 44.5 50.8 50.8 57.2 57.2 4.8 5.6 6.4 7.1 7.9 8.6 9.7 11.2 11.2 30.2 37.3 41.4 45.2 52.3 59.4 60.5 68.3 68.3 Bước ren
Cỏc kớch thước lỗ bu lụng khụng được vượt quỏ cỏc trị số trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Kớch thước lỗ bu lụng lớn nhất Đường kớnh
bu lụng Lỗ chuẩn Lỗ quỏ cỡ Lỗ ụ van ngắn Lỗ ụ van dài
d (mm) Đường kớnh Đường kớnh Rộng x Dài Rộng x Dài
16 18 20 18 22 18 40 20 22 24 22 26 22 50 22 24 28 24 30 24 55 24 26 30 26 33 26 60 27 30 35 30 37 30 67 30 33 38 33 40 33 75 36 39 44 39 46 39 90
Lỗ quỏ cỡ cú thể dựng trong mọi lớp của liờn kết bu lụng cường độ cao chịu ma sỏt. Khụng dựng lỗ quỏ cỡ trong liờn kết kiểu ộp mặt.
Lỗ ụ van ngắn cú thể dựng trong mọi lớp của liờn kết chịu ma sỏt hoặc ộp mặt. Trong liờn kết chịu ma sỏt, cạnh dài lỗ ụ van được dựng khụng cần chỳ ý đến phương tỏc dụng của tải trọng, nhưng trong liờn kết chịu ộp mặt, cạnh dài lỗ ụ van cần vuụng gúc với phương tỏc dụng của tải trọng.
Lỗ ụ van dài chỉ được dựng trong một lớp của cả liờn kết chịu ma sỏt và liờn kết chịu ộp mặt. Lỗ ụ van dài cú thể được dựng trong liờn kết chịu ma sỏt khụng cần chỳ ý đến phương tỏc dụng của tải trọng, nhưng trong liờn kết chịu ộp mặt, cạnh dài lỗ ụ van cần vuụng gúc với phương tỏc dụng của tải trọng.
Trong xõy dựng cầu, đường kớnh bu lụng nhỏ nhất cho phộp là 16 mm, tuy nhiờn khụng được dựng bu lụng đường kớnh 16 mm trong kết cấu chịu lực chớnh.
2.2.2 Cỏc hỡnh thức cấu tạo của liờn kết bu lụng
Tuỳ theo hỡnh thức cấu tạo cú liờn kết đối đầu cú bản ghộp hoặc liờn kết chồng 1/ Đối với thộp tấm
Cú thể dựng liờn kết đối đầu cú hai bản ghộp , hay cú một bản ghộp hoặc dựng liờn kết chồng.
Liờn kết đối đầu cú hai bản ghộp đối xứng, lực truyền đi đỳng tõm nờn cú khả năng truyền lực tốt.Liờn kết đối đầu cú một bản ghộp và liờn kết chồng lực truyền đi lệch tõm nờn cú mụ men uốn phụ gõy bất lợi cho sự làm việc của bu lụng .
2/ Đối với thộp hỡnh
Khi liờn kết đối đầu, cỏc thộp hỡnh được nối bằng cỏc bản ghộp và cú thể nối bằng thộp gúc, với chỳ ý tổng diện tớch tiết diện của thộp nối ( bản ghộp ) khụng được nhỏ hơn diện tớch
tiết diện của cấu kiện được liờn kết .Sự phõn bố của bản ghộp nờn phự hợp với thộp hỡnh cấu kiện.
Đường kớnh của bu lụng khụng được nhỏ hơn 16mm. Khụng được dựng bu lụng đường kớnh 16mm trong cỏc cấu kiện chủ yếu, trừ phi tại cỏc cạnh của thộp gúc 64mm và cỏc bản cỏnh của cỏc mặt cắt cú kớch thước yờu cầu cỏc bu lụng liờn kết 16mm phải thoả món cỏc quy định về cấu tạo khỏc quy định ở đõy.
Thộp hỡnh kết cấu khụng dựng được bu lụng 16mm thỡ chỉ nờn giới hạn dựng cho cỏc lan can. Cỏc thộp gúc mà quy cỏch của nú khụng yờu cầu phải xỏc định bằng tớnh toỏn thỡ cú thể dựng cỏc loại bu lụng như sau:
Bu lụng đường kớnh 16mm cho cạnh 50mm
Bu lụng đường kớnh 20mm cho cạnh 64mm
Bu lụng đường kớnh 24mm cho cạnh 75mm
Bu lụng đường kớnh 27mm cho cạnh 90mm
Đường kớnh bu lụng trong cỏc thộp gúc của cỏc thanh chủ yếu khụng được vượt quỏ một phần tư chiều rộng cạnh của thanh cú bố trớ chỳng.
(b) (c) (d) (e) (a) Hỡnh 2.4 Cỏc hỡnh thức liờn kết
2.2.3 Bố trớ bu lụng
Bố trớ bu lụng cần phải đảm bảo yờu cầu truyền lực tốt , cấu tạo và chế tạo đơn giản. Cú hai cỏch bố trớ : bố trớ song song ( hỡnh 2.5a) và bố trớ so le (hỡnh 2.5b ), việc lựa chọn cỏch bố trớ tuỳ thuộc vào cấu tạo liờn kết và số lượng bu lụng.
(a)
(b)
Hỡnh 2.5 Bố trớ bu lụng (a) bố trớ song song (b) bố trớ so le
Việc quy định khoảng cỏch nhỏ nhất, khoảng cỏch lớn nhất giữa cỏc bu lụng cũng như từ bu lụng tới mộp cấu kiện nhằm những mục đớch khỏc nhau.
Khoảng cỏch nhỏ nhất giữa cỏc bu lụng được quy định nhằm đảm bảo khoảng cỏch trống giữa cỏc đai ốc và khụng gian cần thiết cho thi cụng (xiết bu lụng). Khoảng cỏch nhỏ nhất từ bu lụng tới mộp cấu kiện được quy định nhằm mục đớch chống xộ rỏch thộp cơ bản.
Khoảng cỏch lớn nhất giữa cỏc bu lụng cũng như từ bu lụng tới mộp cấu kiện được quy định nhằm đảm bảo mối nối chặt chẽ, chống ẩm và chống lọt bụi cũng như chống cong vờnh cho thộp cơ bản.
Cỏc yờu cầu cơ bản về khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp theo Tiờu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 được túm tắt như sau:
Khoảng cỏch từ tim tới tim của cỏc bu lụng (theo mọi phương) khụng được nhỏ hơn 3d, với d là đường kớnh của bu lụng.
Khoảng cỏch nhỏ nhất từ tim lỗ tới mộp cấu kiện (theo mọi phương), là hàm của kớch thước bu lụng và dạng gia cụng mộp, được cho trong bảng 2.3. Khoảng cỏch từ tim lỗ tới mộp thanh (theo mọi phương), núi chung, khụng được lớn hơn 8 lần chiều dày của thanh nối mỏng nhất và khụng được lớn hơn 125 mm.
Khoảng cỏch giữa cỏc bu lụng và khoảng cỏch từ bu lụng tới mộp, ký hiệu tương ứng
là s và Le, được minh hoạ trờn hỡnh 2.5c.
Cỏc điều khoản đầy đủ và chi tiết về khoảng cỏch bu lụng và khoảng cỏch tới mộp cú thể được tham khảo trong Tài liệu [2], mục 6.13.2.6.
2.2.3.1 Khoảng cỏch tối thiếu
Khoảng cỏch từ tim đến tim bu lụng khụng được nhỏ hơn ba lần đường kớnh. Khi dựng bu lụng cú lỗ quỏ cỡ hoặc lỗ ụ van thỡ khoảng cỏch tĩnh tối thiểu giữa hai mộp lỗ kề nhau theo phương lực cũng như phương vuụng gúc khụng được nhỏ hơn 2 lần đường kớnh bu lụng.
2.2.3.2 Khoảng cỏch tối đa của cỏc bu lụng chống thấm (sealing bults)
Để đảm bảo chống thấm cho cỏc mối nối, cự ly bu lụng trờn một tuyến tim đơn 1 hàng kề liền với mộp tự do của bản tỏp ngoài hay thộp hỡnh phải thoả món:
S (100 + 4,0t) 175 (2.1) (6.13.2.6.2-1) Nếu cú một hàng thứ hai bố trớ đều so le với hàng gần mộp tự do cú khoảng cỏch nhỏ hơn 38+4.0t thỡ cự li so le giữa hai hàng đinh đú phải thoả món:
S 100+4.0 t(3.0 g / 4.0)175 (2.2) (6.13.2.6.2-2) Khoảng cỏch so le này khụng nhỏ hơn một nửa khoảng cỏch yờu cầu cho một hàng đơn. Trong đú:
t- Chiều dày nhỏ hơn của bản nối hay thộp hỡnh (mm) g- Khoảng cỏch ngang giữa cỏc bu lụng (mm)
2.2.3.3 Bước dọc lớn nhất cho bu lụng trong thanh ghộp
bu lụng ghộp dựng để liờn kết cỏc bộ phận của thanh gồm hai hoặc nhiều tấm bản hoặc thộp hỡnh ghộp lại với nhau.
Bước dọc cho bu lụng ghộp của thanh chịu nộn khụng vượt quỏ 12.0t. khoảng cỏch ngang giữa cỏc hàng bu lụng kề nhau khụng vượt quỏ 24.0t. Bước dọc so le giữa hai hàng lỗ so le phải thỏa món:
p 15.0t- (3.0 g / 8.0)12.0t (2.3)
Bước dọc trong thanh chịu kộo khụng vượt quỏ hai lần quy định cho thanh chịu nộn. Khoảng cỏch ngang cho thanh chịu kộo khụng vượt quỏ 24.0t
Bước dọc lớn nhất của bu lụng trong cỏc thanh ghộp khụng vượt quỏ trị số nhỏ hơn theo yờu cầu chống ẩm.
2.2.3.4 Bước dọc lớn nhất cho bu lụng ghộp ở đầu thanh chịu nộn
Bước dọc bu lụng liờn kột cỏc bộ phận của thanh chịu nộn khụng vượt bốn lần đường kớnh bu lụng trờn đoạn chiều dài bằng 1.5 lần chiều rộng lớn nhất của thanh. Ngoài đoạn này bước đinh cú thể tăng dần trờn đoạn chiều chiều dài bằng 1,5 lần chiều rộng lớn nhất của thanh cho đến khi đạt được bước lớn nhất theo cụng thức.
2.2.3.5 Khoảng cỏch đến mộp thanh
Khoảng cỏch đến mộp thanh là khoảng cỏch tớnh từ tim bu lụng đến đầu thanh khụng nhỏ hơn khoảng cỏch đến mộp cho trong bảng 2.3. Khi dựng lỗ quỏ cỡ hoặc lỗ ovan , khoảng cỏch tĩnh cuối nhỏ nhất khụng nhỏ hơn đường kỡnh bu lụng. Khoảng cỏch cuối lớn nhất sẽ là khoảng cỏch đến mộp lớn nhất khụng lớn hơn 8 lần chiều dày của bản nối mỏng nhất hay 125mm.
Bảng 2.3 Khoảng cỏch đến mộp thanh tối thiểu (mm)
Đường kớnh bu lụng (mm) Cỏc mộp cắt Cỏc mộp tấm, bản hay thộp hỡnh được cỏn hoặc cỏc mộp được cắt bằng khớ đốt 16 28 22 20 34 26 22 38 28 24 42 30 27 48 34 30 52 38 36 64 46
2.2.4 Phương phỏp xiết bu lụng thường và bu lụng cường độ cao
2.2.4.1. Bu lụng thường: được xiết đủ chặt để đảm bảo cú sự tiếp xỳc tốt giữa cỏc bề mặt, khụng cần khống chế lực xiết. Đủ chặt là do một cụng nhõn dựng clờ cỏn dài thụng thường (khoảng 300mm), hoặc khi dựng mỏy xoay đập thỡ là khi mỏy bắt đầu đập.
2.2.4.2. Bu lụng cường độ cao (Bu lụng lực xiết khống chế): cần xiết với toàn bộ lực căng P quy định. Cỏc phương phỏp khống chế lực xiết là:
-Phương phỏp dựng clờ đo lực (clờ mụmen), cú đồng hồ cho biết mụmen xoắn, từ đú cú cỏc bảng để tra ra lực căng của bu lụng. Bảng số dựa trờn cơ sở cụng thức hoặc trờn cở sở định chuẩn qua thực nghiệm.
Giỏ trị mụ men xoắn cần thiết cú thể được tớnh theo cụng thức:
M = kPd
Trong đú:
M- Mụ men xoắn, Nm;
P - Lực căng trong bu lụng, kN; d - Đường kớnh bu lụng, mm;
k - Hệ số xỏc định bằng thớ nghiệm, vào khoảng 0,2.
Núi chung, phương phỏp này nhanh và rẻ nhưng khụng chớnh xỏc vỡ cú nhiều nguyờn nhõn gõy ảnh hưởng đến ngẫu lực xoắn chứ khụng chỉ do lực xiết: chất lượng và độ chớnh xỏc của ren, chất lượng của ờ-cu, mức độ bụi trơn, sự ma sỏt giữa ờ-cu và mặt bản thộp, tớnh đàn hồi của tay đũn clờ đo lực.... Clờ phải được định chuẩn hàng ngày bằng kớch thủy lực, hoặc mỗi khi dựng với bu lụng cú cỏc đường kớnh khỏc.
-Phương phỏp quay thờm ờ-cu: Mới đầu dựng clờ lực xiết đến mụ men xoắn khoảng 40; 60 hoặc 70% lực kộo cần thiết P của bu lụng. Sau đú tăng lực kộo bằng cỏch vặn tiếp ờ-cu một gúc tương ứng 120o; 90o hoặc 60o so với vị trớ ban đầu. Khi vặn cần đỏnh dấu vị trớ ban đầu và vị trớ sau khi vặn thờm của ờ-cu.
Phương phỏp này cho độ chớnh xỏc cao hơn so với phương phỏp chỉ dựng clờ đo lực, đảm bảo lực căng đều hơn giữa cỏc bu lụng.
-Phương phỏp đo trực tiếp: dựng vũng nệm cứng, hỡnh dạng đặc biệt, cú cỏc mấu lồi, đặt vũng đệm này dưới mũ bu lụng, khi xiết ờ cu thỡ mấu bẹt ra và làm giảm khoảng cỏch giữa mũ bu lụng và vũng đệm; đo khoảng cỏch này, sẽ biết được lực căng. Khi sử dụng phương phỏp này, phải tuõn thủ rất kỹ quy trỡnh lắp đặt của hóng chế tạo.
2.3 LIấN KẾT BU LễNG CHỊU CẮT
Liờn kết bu lụng chịu cắt là loại liờn kết mà lực tỏc dụng trong liờn kết cú phương vuụng gúc với đường trục của thõn bu lụng.
2.3.1 Cỏc trường hợp phỏ hoại trong liờn kết bu lụng thường
Cú hai dạng phỏ hoại chủ yếu trong liờn kết bu lụng chịu cắt: phỏ hoại của bu lụng và phỏ hoại của bộ phận được liờn kết.
1/ Phỏ hoại của bu lụng :
Xột mối nối được biểu diễn trong hỡnh 2.6a. Sự phỏ hoại của bu lụng cú thể được giả thiết xảy ra như trong hỡnh vẽ. Ứng suất cắt trung bỡnh trong trường hợp này sẽ là
2 / 4 v P P f A d
trong đú, P là lực tỏc dụng lờn một bu lụng, A là diện tớch mặt cắt ngang của bu lụng và