Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN NINH (Chủ biên)
LÊ TRỌNG HÙNG - VŨ TRUNG THƯỞNG

GIÁO TRÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀN
Nghề: Hàn
Trình độ: Cao đẳng
(Lưu hành nội bộ)

Hà Nội - Năm 2019


LỜI NĨI ĐẦU
Trong những năm qua, chính sách đổi mới và mở cửa, chủ động hội nhập
kinh tế của Đảng và Nhà nước đã mang lại những thành tựu to lớn trong sự phát
triển kinh tế - xã hội Nước ta, làm thay đổi căn bản hình ảnh Việt Nam trên
Trường quốc tế. Tồn cầu hố kinh tế là một xu hướng khách quan tạo nhiều cơ
hội phát triển cho quốc gia, cho các ngành cơng nghiệp, trong đó có ngành Cơng
nghệ cơ khí chế tạo nói chung và ngành Cơng nghệ hàn nói riêng.
Xuất phát từ nhu cầu đó, Trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc –
TP Hà Nội luôn luôn đi đầu trong việc đổi mới nội dung, phương pháp dạy học,
tổ chức biên soạn giáo trình, thiết kế mơ hình đồ dùng dạy học, đầu tư thiết bị,
công nghệ mới nhằm trang bị cho người học những kiến thức, kỹ năng cơ bản
nhất ứng dụng vào cuộc sống.
Cuốn giáo trình kết cấu hàn được biên soạn dựa trên những luận cứ khoa
học, những kinh nghiệm thực tiễn do các nhà khoa học chuyên ngành hàn cung
cấp và nằm trong chương trình đào tạo của nhà trường cũng như chương trình
khung của Bộ lao động Thương binh và Xã hội ban hành.
Nội dung của giáo trình là tài liệu hữu ích nhất đối với cán bộ quản lý,

thiết kế và sản xuất; đặc biệt là được sử dụng cho giáo viên, học sinh - sinh viên
Nhà trường trong lĩnh vực Công nghệ hàn.
Tuy nhiên cuốn sách này sẽ không thể tránh khỏi những hạn chế, chúng tơi
rất được sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày tháng 09 năm 2019
Chủ biên

1


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU .............................................................................................. 1
MỤC LỤC .................................................................................................... 2
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN................................................................... 3
Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn............................................................ 5
1.1 Thép định hình .................................................................................. 5
1.2 Thép tấm......................................................................................... 11
1.3 Các loại vật liệu thường dùng chế tạo kết cấu hàn ............................. 12
Bài 2: Tính tốn độ bền mối hàn............................................................. 21
2.1 Tính tốn kết cấu theo ứng suất cho phép ......................................... 22
2.2 Tính tốn kết cấu theo phương pháp trạng thái tới hạn ...................... 23
2.3. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối ..................................... 24
2.4 Tính độ bền kéo (nén) của mối hàn góc ............................................ 27
2.5 Tính độ bền uốn của mối hàn ........................................................... 28
2.6 Các ví dụ tính tốn .......................................................................... 30
Bài 3: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn ............................................. 33
3.1 Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn .............................. 33
3.2 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối .................................... 34
3.3 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn góc ............................................ 39

3.4 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn ........................... 42
Bài 4: Tính tốn kết cấu dầm và trụ ....................................................... 44
4.1 Kết cấu dầm .................................................................................... 44
4.2 Kết cấu trụ ...................................................................................... 62
Bài 5: Tính tốn kết cấu dàn................................................................... 80
5.1 Khái niệm, đặc điểm và phân loại dàn .............................................. 80
5.2 Tính tốn dàn .................................................................................. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 108

2


CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN
Tên mơ đun: Tính tốn kết cấu hàn
Mã số của mô đun: MĐ 21
Thời gian thực hiện của mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí
nghiệm, thảo luận, bài tập: 42 giờ; Kiểm tra: 3 giờ)
I. Vị trí, tính chất mơ đun:
- Vị trí: Mơ đun tính tốn kết cấu hànđược bố trí sau khi học sinh đã học xong
tất cả các môn học: MH07 - MH13 hoặc học song song với các mô đun MĐ14 –
MĐ 20.
- Tính chất: Là mơ đun chun ngành bắt buộc.
II. Mục tiêu mô đun:
- Kiến thức:
+ Nhận biết chính xác các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn.
+ Giải thích rõ cơng dụng của từng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn. Tính
tốn đúng vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn khi gia cơng các kết cấu hàn.
+ Trình bày đầy đủ các bước tính ứng suất và biến dạng khi hàn.
- Kỹ năng:
+ Tính tốn nghiệm bền cho các mối hàn đơn giản như: Mối hàn giáp mối,

mối hàn góc, mối hàn hỗn hợp phù hợp với tải trọng của kết cấu hàn.
+ Vận dụng linh hoạt kiến thức tình tốn kết cấu hàn vào thực tế sản xuất.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Tuân thủ quy định, quy phạm trong tính tốn
+ Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác, trung thực trong sinh
viên.

3


III. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Số
TT

Thời gian (giờ)
Tên các bài trong mơ đun

Tổng
số

Lý
thuyết

Thực
hành/thực
tập/thí
nghiệm/bài
tập/thảo luận

1

Vật liệu chế tạo kết cấu hàn

5

3

2

2

Tính độ bền của mối hàn

15

4

10

3

Tính ứng suất và biến dạng
khi hàn

15

3

12

4

Tính tốn kết cấu dầm trụ

15

3

12

5

Tính tốn kết cấu dàn

9

2

6

6

Kiểm tra kết thúc Mơ đun

1

Cộng

60

Kiểm
tra

1

1
1

4

15

42

3


Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài này, người học sẽ có khả năng:
- Nhận biết các loại thép định hình U, I, V..., thép tấm, và các loại vật liệu
khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng
để chế tạo kết cấu hàn.
- Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu khi chế tạo kết cấu hàn.
- Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng
vật liệu cao.
- Thực hiện tốt cơng tác an tồn và vệ sinh phân xưởng.
- Tuân thủ quy định, quy phạm trong phân loại vật liệu.
- Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong cơng việc.
Nội dung

1.1 Thép định hình
1.1.1 Thép các bon
a. Phân loại
- Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe), cacbon (C) và một lượng rất
nhỏ các chất như oxy (O), phốtpho (P), silic (Si) ...
- Quá trình luyện thép như sau: Quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4) luyện trong lò
cao, được gang (được hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon lớn hơn
1,7%), đưa gang vào luyện trong lò luyện thép để khử bớt cacbon ta được thép.
b. Phân loại theo thành phần hoá học của thép
Thép cacbon: Hàm lượng cacbon dưới 1,7% khơng có các thành phần hợp
kim khác. Tuỳ theo hàm lượng cacbon chia ra:
- Thép cacbon thấp: Lượng cacbon dưới 0,22%. Đây là loại thép mềm,
dẻo, dễ gia công, được sử dụng trong ngành xây dựng.
- Thép cacbon vừa: Lượng cacbon từ 0,22% đến 0,6%.
- Thép cacbon cao: Lượng cacbon từ 0,6% đến 1,7%.
- Thép cacbon vừa và cao được sử dụng trong các ngành công nghiệp
khác.

5


- Thép hợp kim: Thêm các thành phần kim loại khác như Crơm (Cr), kền
(Ni), mănggan (Mn)... có tác dụng nâng cao chất lượng thép (tăng độ bền, tăng
tính chống gỉ...). Tuỳ theo hàm lượng các kim loại khác chia ra:
- Thép hợp kim thấp: Lượng kim loại thêm vào dưới 2,5%. Được sử dụng
trong ngành kết cấu xây dựng.
- Thép hợp kim vừa và cao: Lượng kim loại thêm vào trên 2,5%.
c. Theo phương pháp luyện thép
- Luyện bằng lò bằng (Lò Martin): Thép luyện bằng phương pháp này có
chất lượng tốt do có cấu trúc thuần nhất, nhưng nhược điểm của phương pháp

này là năng suất thấp (thời gian luyện một mẻ từ 8 đến 12 giờ), do vậy giá thành
thép cao.
- Luyện bằng lò quay (lò Bessmer, lị Thomas): Phương pháp này có năng
suất cao, nhưng chất lượng khơng tốt do lẫn tạp chất, bọt khí (thời gian luyện
một mẻ chỉ khoảng 30 phút) nên giá thành thép giảm. Để khắc phục nhược điểm
của các phương pháp trên, hiện nay người ta sử dụng lò quay tiên tiến, vừa cho
thép chất lượng tốt, vừa cho năng suất cao.
d. Theo phương pháp để lắng thép
- Thép sôi: Chất lượng thép khơng tốt do có nhiều bọt khí làm thép dễ bị
phá hoại giịn, lão hố.
- Thép tĩnh: Chất lượng thép tốt hơn do có thêm các chất khử oxy (như
silic, mănggan, nhôm) nhưng giá thành thép cao hơn.
- Thép nửa tĩnh: là loại thép trung gian giữa thép tĩnh và thép sơi.
1.1.2. Cấu trúc và thành phần hố học của thép
a. Cấu trúc
- Thép xây dựng có cấu trúc tinh thể, do các hợp chất sau tạo thành:
- Ferit (Chiếm 99% thể tích): Là sắt nguyên chất, mềm và dẻo.
- Xementit: Là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), cứng và giòn.
- Peclit: Là hợp chất của Ferit và Xementit.
- Màng Peclit nằm giữa hạt ferit quyết định sự làm việc, tính dẻo của thép.
Thép càng nhiều cacbon thì màng pelit càng dày và thép càng cứng.
b. Thành phần hoá học của thép
- Thép cacbon: Ngoài sắt và cacbon, thép xây dựng cịn có thêm các thành
phần: Mănggan (Mn): Mănggan có tác dụng tăng cường độ và độ dai của thép.
6


Thông thường lượng mănggan chiếm 0,4 – 0,65%, nên không lớn q 1,5% vì
khi đó thép trở nên giịn.
- Silic (Si): Silic có tác dụng tăng cường độ của thép nhưng có nhược điểm

là làm giảm khả năng chống ăn mịn và tính dễ hàn của thép. Vì vậy, nên khống
chế lượng silic trong khoảng 0,12 – 0,3%.
- Lưu huỳnh (S): Chất này làm cho thép giịn nóng nên khi ở nhiệt độ cao
thép chịu tải trọng kém, đồng thời dễ bị nứt khi hàn.
- Phốtpho (P): Phốtpho làm cho thép giịn, làm giảm tính dẻo của thép.
- Lưu huỳnh và phốtpho là hai tạp chất có hại, vì vậy phải đảm bảo hàm
lượng của chúng theo quy định: không quá 0,07% đối với kết cấu thông thường,
và không quá 0,05% đối với kết cấu quan trọng.
- Ngồi ra cịn có các chất khí như nitơ (N), oxy (O) trong khơng khí hồ
vào kim loại lỏng làm thép giịn, giảm cường độ của thép, do đó cần khử hết các
chất này.
c. Ký hiệu
* Thép cacbon thấp, cường độ thường
- Thép cacbon thấp được chia làm các loại: CT0, CT1, CT2, CT3, CT4,
CT5. Thép CT3 là loại thép mềm, có cường độ khá cao, có độ dẻo và độ dai, nên
hợp lý khi dùng làm thép xây dựng. Thép CT1, CT2 là loại thép mềm, độ dẻo
lớn nên trong xây dựng chỉ dùng làm thân đinh tán, bulông. Thép CT4, CT5 rất
cứng, chắc nên dùng chủ yếu trong cơng nghiệp đóng tàu, ít dùng trong xây
dựng.
- Thép cacbon thấp có giới hạn chảy: 2200 – 2500 daN/cm2, giới hạn bền:
3700 – 4200 daN/cm2.
* Thép cường độ khá cao
- Thép cường độ khá cao là thép hợp kim thấp, ký hiệu: 09∋2C, 10∋2C1,
15XCH)...
- Ý nghĩa ký hiệu: Đầu tiên là con số chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon,
tiếp theo là tên các thành phần hợp kim: ∋ là mănggan, C là silic, X là crôm, H
là niken...
- Thép cường độ khá cao có giới hạn chảy: 2900 – 3900 daN/cm2, giới
hạn bền: 4300 – 5400 daN/cm2.
* Thép cường độ cao

7


Thép cường độ cao là loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy trên
4400 daN/cm2, giới hạn bền trên 5900 daN/cm2.
1.1.3 Thép hình
a. Khái niệm
Thép hình là loại thép công nghiệp được sử dụng chủ yếu trên thị trường
xây dựng các cơng trình. Được sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại theo
tiêu chuẩn chất lượng JIS3101 – Ss400 qua nhiều công đoạn xử lý như: Xử lý
quặng, tạo quặng, tạo dịng thép nóng chảy, đúc trực tiếp ngun liệu, cán và tạo
thành phẩm. Chính vì vậy, chất lượng của các sản phẩm thép hình ln được
đảm bảo trong mọi điều kiện thiết kế cũng như thời gian sử dụng. Thêm vào đó,
điểm đặc biệt của sản phẩm này so với các sản phẩm thép khác, đó là sản
phẩm thép hình có khả năng chịu lực rất tốt nhờ bề mặt rộng và kết cấu vững
chắc
b. Phân loại
- Thép chữ L (thép góc): Đây là loại thép hình được sử dụng rất nhiều để
chế tạo các loại kết cấu hàn, thép chữ L thường dùng để chế tạo các loại khung,
dàn, hoặc các liên kết khác trong các kết cấu. Từ thép góc ta có thể chế tạo ra
các loại hình khác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau, ví dụ
ghép hai thanh thép góc lại ta sẽ có kết cấu chữ C, hoặc chữ T, nếu ghép 4
thanh góc ta sẽ có kết vấu chữ , do vậy đây là loại thép hình có phạm vi sử dụng
rất lớn trong thực tế. Thép hình chữ L có 2 loại là L cánh đều và L cánh lệch.

Hình 1.1: Thép chữ L

+ Thép chữ L cạnh đều: Gồm có 67 loại được qui định trong TCVN
1656-75. Loại nhỏ nhất có kích thước L20  3, nghĩa là mỗi cạnh có kích thước

là 20mm, chiều dày có kích thước là 3mm. Loại lớn nhất có kích thước L250 
20. Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo kết cấu rất nhiều do tính
cơng nghệ của nó rất cao, trong q trình gia cơng người thợ khơng cần chú ý
8


đến các cạnh của thanh thép (do cạnh của các thanh đều bằng nhau, chính đây là
dặc tính rất ưu việt của loại thép góc này.
+ Thép chữ L cạnh khơng đều: Gồm có 47 loại được qui định trong tiêu
chuẩn TCVN 1657-75. Loại nhỏ nhất là L25163, có nghĩa là cạnh thứ nhất
25mm, cạnh thứ hai 16mm, chiều dày 3mm. Loại lớn nhất có kích thước 250 
160  20. Đây là loại thép góc mà hiện nay phạm vi ứng dụng khơng lớn, do tính
cơng nghệ của thép khơng cao vì trong q trình gia cơng người thợ cần phải
chú ý đến các cạnh của thanh thép (do các cạnh không đều nhau) do vậy sẽ ảnh
hưởng đến năng suất lao động. Vì vậy khi thiết kế kết cấu cần chú ý đến đặc
điểm này để lựa chọn thép góc cho hợp lý.
- Thép chữ : Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại
kết cấu chịu uốn, nén. Theo TCVN 1655-75 thép chữ  có 23 loại, chiều cao loại
nhỏ nhất là 100mm, loại lớn nhất là 600mm. Ngồi ra cịn có thêm một số loại
đặc biệt ký hiệu có thêm chữ "a" ở phía dưới. Thép chữ  là loại thép rất khó
liên kết với nhau để tạo ra một loại mới.

Hình 1.2: Thép chữ I

- Thép chữ U: Theo TCVN 1654-75 thép chữ C có 22 loại, chiều cao loại
nhỏ nhất là 50, loại lớn nhất là 400mm (đây là chiều cao của tiết diện), ví dụ
U22 chỉ loại này có chiều cao là h= 220mm. Chiều dài của thép chữ U từ 4 13m. Ngồi ra cịn có một số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ "a" phia dưới,
ví dụ thép U22 a .
+ Thép hình chữ U có đặc tính cứng vững, chắc chắn và bền bỉ vì vậy có
cường độ chịu lực cao và chịu được những rung động mạnh. Thép hình chữ U có

thể tồn tại trong điều kiện mơi trường khắc nghiệt với những tác động của hóa
chất hoặc nhiệt độ. Vì lẽ đó, thép hình chữ U được ứng dụng phổ biến trong các
cơng trình xây dựng, sản xuất các thiết bị máy móc sử dụng trong các lĩnh vực
cơng nghiệp hoặc dân dụng.
+ Thép hình chữ U có nhiều loại với kích thước và khối lượng khác nhau,
mỗi loại có đặc tính kỹ thuật riêng biệt sử dụng chuyên biệt cho những công
9


trình, dự án, những cấu trúc máy móc trong nhiều lĩnh vực khác nhau tùy theo
yêu cầu kỹ thuật của mỗi cơng trình, dự án, thiết bị. Thép hình chữ U sẽ phát
huy được những ưu điểm của mình khi được sử dụng trong các cơng trình xây
dựng dân dụng, kết cấu nhà tiền chế, thùng xe, khung sườn xe, bàn ghế nội thất,
tháp ăng ten, cột điện cao thế và các loại hàng gia dụng khác.

Hình 1.3: Thép chữ U

- Thép ống: Thép ống là loại thép được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều
cơng trình xây dựng, thép ống cũng có rất nhiều loại để phù hợp với từng nhu
cầu sử dụng cũng như từng cơng trình khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến
nhất của thép ống là sử dụng để làm khung nhà tiền chế, làm giàn giáo, làm
đường ống dẫn nước trong các tòa nhà cao tầng, làm cột đèn chiếu sáng, và một
số những ứng dụng khác trong các nhà máy cơ khí. Kích thước từ 42 x 2,5 đến
500 x 15mm (ống không hàn, ống đúc). Thép ống có tiết diện đối xứng, bán kính
quán tính của tiết diện tương đối lớn nên chịu lực hợp lý đặc biệt được dùng
trong kết cấu chịu nén. Ngồi ra, thép ống có ưu điểm là chống gỉ tốt.

Hình 1.4: Thép ống

- Các loại thép ống đúc:

+ Ống thép đúc kết cấu: Loại ống thép này chủ yếu sử dụng trong cơ khí
chế tạo máy, kết cấu máy. Các mác thép lựa chọn để sử dụng thường là thép các
bon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr, 20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo,….

10


+ Ống thép đúc dùng trong lò áp: Loại ống thép này thường dùng
trong ngành công nghiệp luyện, làm đường ống dẫn áp lực như dẫn khí, dẫn
dầu.....Nguyên liệu sử dụng thường là thép 10 và thép 20.
+ Ống thép đúc trong lò cao áp: Loại ống thép này thường được sử
dụng để làm đường ống dẫn chất lỏng như nước, sử dụng ở các nhà máy cáp
thoát nước, nhà máy thủy điện, lò hạt nhân...
+ Ống thép đúc chịu áp cấp I và II: Loại ống thép đúc này chủ yếu
trong ngành cơng nghiệp đóng tàu, loại mác thép sử dụng thường là 360, 410,
460.
+ Ống thép đúc dẫn hóa chất: Là loại thép chuyên dùng để dẫn hóa
chất, các rác thải công nghiệp....
+ Ống thép đúc dẫn dầu: Loại ống thép này được hiệp hội dầu mỏ
quốc tế tại mỹ sử dụng để làm thành ống và giếng chứa và dẫn dầu. Nguyên liệu
thép thường được sử dụng là J55, N80, P110.
1.2 Thép tấm
Thép tấm được dùng rộng rãi vì có tính vạn năng cao, có thể chế tạo ra các
loại hình dáng, kích thước bất kỳ, thép tấm được dùng nhiều trong các loại kết
cấu như vỏ tàu thuỷ, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chứa khí, các loại bồn
chứa, bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng, chất khí. Ngồi ra thép tấm cịn được
dùng để chế tạo các loại chi tiết máy v.v. Trong thực tế thép tấm có qui cách
như sau.
- Thép tấm phổ thơng: Có chiều dày S = 4  60 mm; chiều rộng từ 160 
1050 mm chiều dài từ 6000  12000 mm.

- Thép tấm dày có chiều dày S= 4  160mm; chiều rộng từ 600  3000
mm; chiều dài từ 4000  6000mm.
- Thép tấm mỏng có chiều dày S= 0,2  4mm rộng từ 600  1400 mm
* Phân loại:
- Thép tấm cán nóng: Thép tấm cán nóng là loại phơi thép thành phẩm,
được đưa vào máy cán nóng ở nhiệt độ cao, nhiệt độ tầm khoảng trên 1000 độ C.
Lúc này tính chất vật lý và hóa học của thép đều có sự thay đổi. Thành phẩm
thép tấm cán nóng sau khi được tạo ra thường có màu xanh đen đặc trưng, các
góc cạnh của thép tấm thường không sắc cạnh.
- Sản phẩm thép tấm này rất dễ bảo quản, quý khách hàng có thể bảo quản
ở ngồi kho bãi mà khơng lo ảnh hưởng đến chất lượng của thép. Ứng dụng của
thép tấm cán nóng là sử dụng trong gia cơng cơ khí, sử dụng trong ngành công
11


nghiệp xe hơi và tơn lợp, đóng tàu, cán xà gồ và các cơng trình xây dựng dân
dụng khác.
- Thép tấm cán nguội: Sau khi phôi thép được tạo thành sẽ được đưa đến
nhà máy cán nguội, nhiệt độ để cán thường là nhiệt độ phòng hoặc chênh lệch
cao thấp khơng đáng kể. Với phương pháp cán nóng thì chỉ làm thay đổi tính
chất vật lý của thép chứ khơng làm thay đổi tính chất hóa học của sản phẩm. Sản
phẩm thép tấm sau khi hồn thành sẽ có màu sáng, độ bóng cao, các mép biên
rất gọn gàng và khơng bị xù xì.
1.3 Các loại vật liệu thường dùng chế tạo kết cấu hàn
1.3.1 Thép hợp kim
a. Thành phần hóa học
Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta đưa thêm vào
các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính
chất cơ lý hố. Các ngun tố có lợi được đưa vào với lượng đủ lớn gọi là các
nguyên tố hợp kim. Chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các

giới hạn cho từng nguyên tố như sau
Mn≥0,8÷ 1%
Ni ≥ 0,5÷ 0,8%
Ti ≥ 0,1%
Si:0,5-0,8
W: 0,1-0,5
Cu ≥ 0,3
Cr ≥ 0,5-0,8
Mo ÷ 0,05 ÷ 0,2
B ≥ 0,002%
b. Đặc tính thép hợp kim
* Cơ tính:
Do một số yếu tố mà chủ yếu là tính thấm tơi cao hơn nên thép hợp kim có
độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt ở thép sau khi
tôi + ram
- Ở trạng thái khơng tơi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ) độ bền của thép hợp
kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đã dùng thép hợp kim thì

12


phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp hay
ủ là sự lãng phí lớn về độ bền.
- Do tính thấm tơi tốt, dùng môi trường tôi chậm dầu nên khi tôi ít bị biến
dạng và nứt hơn so với thép cacbon ln phải tơi nước. Do vậy các chi tiết có
hình dạng phức tạp phải qua tơi (do địi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép
hợp kim.
- Khi tăng mức độ hợp kim hoá làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ
cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết
chỉ cần đảm bảo tôi thấu tiết diện đã cho là đủ, khơng nên dùng thừa. Do vậy có

ngun tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc tiết diện và kích
thước.
- Tuy có độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy
phải chú ý đến mối quan hệ này để có xử lý thích hợp (bằng ram)
Tuy có ưu điểm về độ bền nhưng nói chung thép hợp kim có tính cơng
nghệ kém hơn so với thép cacbon (trừ tính thấm tơi).
* Tính chịu nhiệt:
Các ngun tố hợp kim cản trở sự khuyếch tán của cacbon do đó làm
mactenxit khó phân hố và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200oC, do vậy
tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy
oxyt tạo thành ở nhiẹt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt.
* Tính chất vật lý, hoá học đặc biệt:
Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định
có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt: như khơng gỉ, chống ăn mịn trong
axit, muối, có từ tính hoặc khơng có từ tính, giãn nở nhiệt đặc biệt
c. Phân loại thép hợp kim
* Theo tổ chức cân bằng:
Theo tổ chức cân bằng với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các
thép với tổ chức sau:
- Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do
- Thép cùng tích peclit
- Thép sau cùng tích peclit + cacbit tự do
- Thép lêđêburit (cacbit) có lêđêburit
Riêng với thép hợp kim cao chủ yếu bằng 1 trong 2 nguyên tố Cr,
Mn hay Cr-Ni sẽ có:
13


- Thép ferit loại có Cr rất cao (>17%) và thường rất ít cacbon
- Thép austenit có Mn rất cao (>13%) và thường có C cao loại có Cr

(>18%) và Ni (>8%)
* Theo tổ chức thường hoá:
- Thép họ peclit: loại hợp kim thấp
- Thép họ mactenxit: loại hợp kim trung bình ( >4-6 )% và cao
- Thép họ austenit: loại có chứa Ni >8% hoặc Mn >13% cao
* Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim:
- Theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao
- Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng <2,5% (thường là thép peclit)
- Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 - 10%( thường là thép
họ từ peclit đến mactenxit )
- Thép hợp kim cao: loại có tổng >10% ( thường là họ mactenxit và
austenit )
* Theo công dụng:
- Thép hợp kim kết cấu
- Thép hợp kim dụng cụ
- Thép hợp kim đặc biệt
Trong đó hai nhóm đầu cũng có trong loại thép cacbon, cịn nhóm thứ 3
khơng có. Đây là nhóm với tính chất vật lý - hoá học đặc biệt, thường chứa tổng
lượng hợp kim cao và rất cao > 20%.
Cách phân loại trên thường có quan hệ với nhau và có biết một số đặc
trưng của thép. Thép austenit, ferit bao giờ cũng có loại thép đặc biệt, hợp kim
cao hoặc rất cao, đắt và khó gia cơng. Thép mactenxit là loại thép rất dễ tơi song
rất khó gia cơng cắt phơi ở trạng thái cung cấp. Thép ledeburit bao giờ cũng
thuộc nhóm hợp kim cao- cacbon cao, rất cứng để làm dụng cụ. Thép Cr - Ni
bao giờ cũng là thép kết cấu q vì có độ thấm tơi cao và độ dai tốt.
d. Tiêu chuẩn thép hợp kim
TCVN 1759-75 quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau:
- Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu ≥1% thì có thể
khơng cần biểu thị.

14


- Các nguyên tố hợp kim theo ký hiệu hoá học và ngay sau đó là hàm
lượng theo phần trăm trung bình (thường được quy trịn thành số ngun) xếp
theo trật tự từ cao đến thấp.
- Khi lượng chứa của ngun tố khoảng 1% thì khơng cần biểu thị bằng số:
VD: 40Cr: thép có 0,36÷ 0,44%C, 0,8÷ 1%Cr
90CrSi thép có 0,85-0,95%C, 1,2÷ 1,6%Si, 0,95÷ 1,25%Cr
1.3.2 Thép khơng gỉ
- Inox thực chất là thép hợp kim không gỉ (Thép không gỉ), thành phần của
thép chủ yếu là crôm (Cr) và Niken (Ni). Vì Cr và Ni có trong thép kết hợp với
oxy tạo thành một lớp màng oxít mỏng trên bề mặt nên có tác dụng ngăn cản sự
ăn mịn của nước, muối, Bazơ và Axít. Inox nói chung có tính chịu mài mòn, va
chạm tốt, được sử dụng rộng rãi trong các nghành cơng nghiệp như: Điện khí,
máy vận tải, y tế, ôtô và xây dựng.
- Trong ngành luyện kim, thuật ngữ thép không gỉ (inox) được dùng để chỉ
một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm. Tên gọi là “thép khơng gỉ”
nhưng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt không bị biến màu hay bị ăn mịn dễ
dàng như là các loại thép thơng thường khác. Vật liệu này cũng có thể gọi là
thép chống ăn mịn. Thơng thường, có nhiều cách khác nhau để ứng dụng inox
cho những bề mặt khác nhau để tăng tuổi thọ của vật dụng. Trong đời sống,
chúng xuất hiện ở khắp nơi như những lưỡi dao cắt hoặc dây đeo đồng hồ…
- Được sử dụng để chế tạo các loại kết cấu hàn làm việc trong những điều
kiện đặc biệt, như làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao, làm việc trong điều kiện
tiếp xúc với hoá chất, hoặc các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, thiết bị
dụng cụ y tế .v.v. Phần lớn các loại thiết bị thuộc các loại này thuộc dạng tấm,
hiện nay do nhu cầu sử dụng các loại kết cấu được chế tạo từ thép không gỉ
đang rất lớn cho nên rất nhiều các công nghệ gia công kết cấu thếp không gỉ
hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép khơng gỉ được sử dụng nhiều

hiện nay đó là Crôm - Ni ken; Crôm - Ni ken - Bo; Niken – Mơ líp đen - Crơm.
Và một số loại thép chịu ăn mịn hố học, chịu nhiệt, bền nhiệt.
- Khả năng chống lại sự oxy hố từ khơng khí xung quanh ở nhiệt độ thông
thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crơm có trong hợp kim (nhỏ
nhất là 13% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường
làm việc khắc nghiệt). Trạng thái bị oxy hố của crơm thường là crôm ôxit III.
Khi crôm trong hợp kim thép tiếp xúc với khơng khí thì một lớp chrom III oxit
rất mỏng xuất hiện trên bề mặt vật liệu; lớp này mỏng đến mức khơng thể thấy
bằng mắt thường, có nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng. Tuy nhiên, chúng
15


lại hồn tồn khơng tác dụng với nước và khơng khí nên bảo vệ được lớp thép
bên dưới. Hiện tượng này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu. Có
thể thấy hiện tượng này đối với một số kim loại khác như ở nhôm và kẽm.
- Niken cũng như mơ-lip-đen và vanađi cũng có tính năng oxy hố chống
gỉ tương tự nhưng khơng được sử dụng rộng rãi.
Bên cạnh crôm, niken cũng như mô-lip-đen và ni tơ cũng có tính năng oxi
hố chống gỉ tương tự.
- Niken (Ni) là thành phần thông dụng để tăng cường độ dẻo, dễ uốn, tính
tạo hình của thép khơng gỉ. Mơ-lip-đen (Mo) làm cho thép khơng gỉ có khả năng
chịu ăn mịn cao trong mơi trường axit. Ni tơ (N) tạo ra sự ổn định cho thép
không gỉ ở nhiệt độ âm (môi trường lạnh).
- Sự tham gia khác nhau của các thành phần crôm, niken, mô-lip-đen, ni tơ
dẫn đến các cấu trúc tinh thể khác nhau tạo ra tính chất cơ lý khác nhau của thép
không gỉ.
Phân loại thép khơng gỉ theo cấu tạo kim loại: Có 3 loại thép không gỉ.
* Thép không gỉ Mactenitic (Loại thép Fe-Cr)
- Hàm lượng Cr có trong thép từ (11,5 18)%, hàn lượng Cacbon từ
(0,060,75)% Sau khi được nhiệt luyện có độ cứng cao và độ chịu mài mòn tốt

- Ký hiệu theo tiêu chuẩn của Nhật bản (JIS) Ta có:
- Thép khơng gỉ: Mactensitic SUS 410
Mactensitic SUS 630
- Tính chất của thép khơng gỉ Máctensitic:
+ Là thép có từ tính, có khả năng biến cứng nên cứng dịn dễ gẫy, khó uốn cong.
+ Khi hàn nên hàn với cường độ dòng điện hàn nhỏ.
* Thép không gỉ Feritic (Loại thép Fe-Cr)
- So với thép Mactensitic thì hàm lượng cacbon nhỏ hơn. Thép này khơng
có sự chuyển biến về trạng thái nên sau khi được làm nguội nó hầu như khơng bị
cứng hố.
- Sau khi bị nung nóng trong một khoảng thời gian dài ở nhiệt độ từ
4255250C thì ở nhiệt độ 4750C sẽ xuất hiện tính giịn.
- Với thép có hàm lượng Cr cao hơn 16% thì sau khi bị nung nóng trong
một thời gian dài ở nhiệt độ từ 5408150C tính bền sẽ bị giảm.
- Tính chất của thép khơng gỉ Feritic:
16


+ Là loại thép có từ tính, khơng có khả năng làm cứng, tính hàn tốt hơn so
với thép Mactensitic.
VD: Thép không gỉ Feritic SUS 430
* Thép không gỉ Austenitic (Loại thép Fe-Cr-Ni)
- Thép khơng gỉ Austenitic có tính chống chịu ăn mịn, tính gia cơng, tính
hàn rất tốt do đó ngày nay được sử dụng rất rộng rãi.
- Do khơng có sự chuyển biến về tính chất nên cho dù vận tốc nguội nhanh
cũng không làm chúng bị biến cứng (cứng hố). Do thép này có hàm lượng
Crơm và Niken (18% là Cr; 8% là Ni) nên rất nhậy với nhiệt độ.
- Khi nung nóng ở nhiệt độ 55008000C nó sẽ xuất hiện kết tủa cacbon và
độ bền sẽ giảm.
- Tính chất của thép khơng gỉ Austenitic:

+ Là loại thép khơng có từ tính, khơng có khả năng biến cứng nên hàn rất tốt.
+ Loại thép này dễ bóp méo, uốn cong nên có thể hàn điểm
VD: Thép khơng gỉ Austenitic SUS 304
1.3.3 Nhôm và hợp kim nhôm
a. Nhôm
Nhôm là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với
thông số mạng a = 4,04 A0, có các tính chất như sau:
- Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3).
- Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ.
- Tính chống ăn mịn cao (vì có màng ơxit Al2O3 xít chặt bảo vệ).
- Nhiệt độ chảy thấp (6600C) có thể làm dễ ràng cho q trình nấu luyện
song các hợp kim nhơm khơng làm việc được ở nhiệt độ cao. Tính đúc khơng
cao do độ co ngót lớn (lên tới 6%).
- Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm2, HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến
dạng, tính gia cơng cắt thấp.
- TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của
nhơm, ví dụ Al99, Al99,5.
- Theo tiêu chuẩn AA (Aluminium Association) của Mỹ. Nhôm được ký
hiệu AA 1xxx, ba số xxx khi biết sẽ dùng để tra bảng để biết tính chất cụ thể. Ví
dụ AA 1100 có 99,00% Al.

17


- Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng
chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch. Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có
99,995% Al.
b. Hợp kim nhơm
- Hợp kim nhơm được phân làm 2 nhóm chính là hợp kim nhơm biến
dạng và hợp kim nhôm đúc.

- Theo TCVN hợp kim của nhôm được ký hiệu bằng các ký hiệu hóa học
của các nguyên tố và theo sau mỗi ký hiệu là số chỉ hàm lượng theo %. Nếu là
hợp kim nhôm đúc, ở cuối cùng ghi thêm chữ Đ.
- Theo tiêu chuẩn AA của Mỹ. Hợp kim nhôm được ký hiệu AA xxxx, số
đầu tiên có nghĩa như bảng, ba số xxx tiếp theo sẽ dùng để tra bảng để biết cụ
thể các tính chất.
Bảng 1.1: Ký hiệu nhơm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ
Loại biến dạng

Loại đúc

1xxx

Al sạch (>99%)

1xx.x

Al thỏi

2xxx

Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg

2xx.x

Al-Cu

3xxx

Al-Mn

3xx.x

Al-Si-Mg hoặc Al-Si-Cu

4xxx

Al-Si

4xx.x

Al-Si

5xxx

Al-Mg

5xx.x

Al-Mg

6xxx

Al-Mg-Si

6xx.x

Khơng có

7xxx

Al-Zn-Mg hoặc Al-ZnMg-Cu

7xx.x

Al-Zn

8xxx

Al-các ngun tố khác

8xx.x

Al-Sn

* Đura
- Khái niệm: Là hợp kim nhôm biến dạng điển hình được dùng rộng rãi
trong kỹ thuật hàng khơng.
* Thành phần, tính chất
- Thành phần: là hợp kim chủ yếu của 3 nguyên tố Al-Cu-Mg với Cu <
5%, Mg < 2%. Ngồi ra trong thành phần cịn có thêm Fe, Si, Mn.
- Tính chất
+ Nói chung đura có độ bền khá cao nhất là sau khi nhiệt luyện σb=42 - 47
Kg/mm2.

18


+ Do có độ bền cao và nhẹ (2,8g/cm3) nên đura có độ bền riêng lớn nhất.
Độ bền riêng là tỷ số σb/2,8, trong khi độ bền riêng của đura là 15 - 16 thì của

thép CT51 là 6 - 6,5 và của gang là 1,5 - 6.
- Ký hiệu, cơng dụng
+ Ký hiệu: AlCu4Mg (có 95% Al, 4% Cu và 1% Mg) hoặc AA 2014.
+ Cơng dụng: do có độ bền riêng cao nên đura được sử dụng phổ biễn
trong kỹ thuật hàng không (kết cấu máy bay, tàu vũ trụ…), giao thông vận tải
(dầm chịu lực xe tải, sườn tàu biển…) hoặc làm dụng cụ thể thao…
* Silumin
- Khái niệm: Là hợp kim nhôm đúc được dùng rộng rãi nhất. Nó là hợp
kim được tạo nên từ cơ sở hệ hợp kim Al - Si. Ngoài ra trong thành phần cịn có
thể có thêm Mg, Mn, Cu, Zn…
- Phân loại: theo thành phần hóa học người ta chia silumin ra làm 2 nhóm:
+ Silumin đơn giản:
Là hợp kim nhơm đúc mà thành phần chính của nó là nhơm và silic (Ví dụ:
AlSi13 có 87% Al và 13% Si, theo tiêu chuẩn của Liên Xô là AЛ2 hay theo tiêu
chuẩn của Mỹ là AA 423.0 ).
Silumin đơn giản có tính đúc rất tốt (độ chảy lỗng cao, khả năng điền đầy
khuôn lớn, độ nhẵn bề mặt rất cao) nên được dùng để đúc định hình các chi tiết
có hình dạng phức tạp. Nhược điểm của nó là có rỗ khí, cơ tính thấp,khơng có
khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Dạng nhiệt luyện duy nhất đối với nó là ủ ở
khoảng 3000C, làm nguội trong khơng khí. Thường dùng làm vật liệu để đúc các
chi tiết máy có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng nhẹ.
+ Silumin phức tạp:
Là hợp kim nhơm với 4 - 10% Si và có thêm các nguyên tố hợp kim đặc
biệt như Cu, Mg, Zn, Mn…
Ví dụ: AlSi8Mg, AlSi6MgMnCu7, AlSi5MnCu3…).
Do có thêm các ngun tố hợp kim mà độ bền của silumin phức tạp cao
hơn hẳn nhất là sau khi nhiệt luyện. Thường dùng làm các chi tiết máy quan
trọng như: thân máy nén, thân nắp động cơ ô tô.
Nhôm và hợp kim nhôm cũng được ứng dụng nhiều để chế tạo kết cấu hàn.
Đặc biệt là hợp kim nhôm được dùng trong để chế tạo các kết cấu yêu cầu có

trọng lượng nhỏ, hoặc các kết cấu yêu cầu chống gỉ. Thông thường hợp kim
nhôm hay được dùng nhất là Duya-ra dùng cho các kết cấu địi hỏi có độ bền
19


nhiệt cao; cịn hợp kim nhơm - ma nhê dùng cho các loại kết cấu như vỏ tàu loại
nhỏ có tốc độ cao, các kết cấu xây dựng, các thùng chứa thực phẩm,chứa thức
ăn, chứa nước .v.v. Nhôm và hợp kim nhôm thường được chế tạo ở dạng tấm.

20


Bài 2: Tính tốn độ bền mối hàn
Mục tiêu
Sau khi học xong bài này, người học sẽ có khả năng:
Nắm được cơ sở tính tốn độ bền của kết cấu hàn.
Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng
vật liệu cao.
Đánh giá được độ bền của kết cấu hàn (mối hàn giáp mối, mối hàn chồng,
mối hàn góc chữ T)
Thực hiện tốt cơng tác an toàn và vệ sinh phân xưởng.
Tuân thủ quy định, quy phạm trong tính tốn độ bền.
Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong cơng việc.
Nội dung
- Đánh giá độ bền của kết cấu của một kết cấu nói chung thường dựa vào
việc tính tốn và so sánh các giá trị ứng suất:
- Một bên là ứng suất xuất hiện trong các phần tử tại một phần nào đó của
kết cấu dưới tác dụng của hệ tải trọng.
- Một bên là giá trị giới hạn hay ứng suất cho phép đảm bảo cho kết cấu sử
dụng được an toàn.

Thực hiện sự so sánh các giá trị ứng suất nói trên chính là kiểm tra điều
kiện bền. Việc tính tốn liên kết hàn là các phương pháp gần đúng để đánh giá
độ bền của kết cấu một cách chính xác hơn địi hỏi phải có điều kiện kỹ thuật
hiện đại với trình độ, phương tiện thí nhiệm và tính tốn đủ mạnh. Tuy nhiên
trong nhiều trường hợp điều đó rất phức tạp và có khi khơng thể thực hiện được.
Trong thực tế nhất là những kết cấu được thiết kế lần đầu, những kết cấu
quan trọng người ta phải tiến hành xác định khả năng làm việc của chúng trên
kết cấu thực, tức là chế tạo ra những kết cấu như nhiệm vụ đặt ra rồi tiến hành
cấp tải như thực, đo đạc, thu thập kết quả, kiểm tra, đánh giá và chế tạo theo
nguyên mẫu (cùng loại vật liệu, quy trình chế tạo...).
Về cơ bản từ trước đến nay trong tính tốn kết cấu hàn chung ta vẫn sử
dụng hai phương pháp sau:
+ Phương pháp tính tốn theo ứng suất cho phép.
+ Phương pháp tính toán theo trạng thái tới hạn.

21


2.1 Tính tốn kết cấu theo ứng suất cho phép
- Ứng suất cho phép được xác định phụ thuộc các điều kiện sau:
- Tính chất của vật liệu: Cơ tính của vật liệu cao thì ứng suất cho phép lớn
- Độ chính xác khi tính tốn: Tính càng chính xác, xác định thật đầy đủ các
tải trọng tác dụng lên kết cấu thì sẽ giảm được hệ số an tồn như vậy tăng được
ứng suất cho phép.
- Loại lực tác dụng: kéo, nén, uốn…
- Chất lượng của q trình cơng nghệ chế tạo kết cấu: Điều đó có ý nghĩa
rất quan trọng khi xác định ứng suất cho phép trong các kết cấu hàn.
- Đặc tính của tải trọng: Khi chịu tải trọng động thì ứng suất cho phép thấp
hơn khi chịu tải trọng tĩnh.
- Ứng suất cho phép [σ] được lấy làm cơ sở để xác định các ứng suất cho

phép khác.
- Khi tính tốn theo ứng suất cho phép, điều kiện bền được biểu diễn như
sau: σ < [σ]
Trong đó: σ - Ứng suất tại tiết diện nguy hiểm nhất của phần tử kết cấu
[σ] - Ứng suất cho phép của vật liệu.
- Đối với các vật liệu thường dùng (vật liệu có tính dẻo thoả mãn), [σ]
được xác định theo giới hạn chảy σch và hệ số an toàn (n0).
[σ] = σch/n0
- Giá trị này tương ứng với ứng suất cho phép khi kéo [σ]k = [σ] và được
gọi là ứng suất cho phép cơ sở tức là dùng nó làm cơ sở để xác định các loại ứng
suất cho phép khác, cụ thể là:
- Đối với các phần tử chịu nén:
+ Khơng có hiện tượng uốn dọc: [σ]n = [σ]
+ Khi có hiện tượng uốn dọc: [σ]n = φ.[σ]
Trong đó: φ hệ số uốn dọc (φ ≤ 1 )
- Đối với các phần tử chịu uốn: [σ]u = [σ]
- Đối với các phần tử chịu cắt: [τ] = ( 0,5 – 0,6 )[σ]
- Hệ số an tồn n0 là thơng số kinh tế, kỹ thuật quan trọng vì:
+ Nếu n0 càng cao thì mức độ an tồn càng lớn nhưng [σ] sẽ càng bé, kích
thước kết cấu tăng và do vậy giá thành vật liệu, công chế tạo và giá thành chung
22


của sản phẩm tăng. Ngược lại nếu n0 càng bé thì mức độ an tồn càng giảm và
giá thành sản phẩm càng thấp.
+ Chính vì vậy giá trị của [σ] không thuần tuý chỉ là một chỉ số bền của
vật liệu trong những trường hợp khác nhau nó cịn phản ánh chất lượng của q
trình tính tốn cơng nghệ chế tạo ra nó.
2.2 Tính tốn kết cấu theo phương pháp trạng thái tới hạn
2.2.1 Khái niệm về trạng thái tới hạn

- Trạng thái tới hạn của kết cấu được hiểu là trạng thái khi mà kết cấu bắt
đầu không đáp ứng được yêu cầu sử dụng nữa, tức là không còn khả năng chống
lại tác dụng của tải trọng hoặc đã xuất hiện những hỏng hóc cục bộ hoặc đã có
những biến dạng vượt quá mức cho phép.
- Theo đó có thể phân biệt 3 trạng thái tới hạn như:
+ Trạng thái tới hạn thứ nhất: Được xác định bằng khả năng chịu lực của
phần tử kết cấu: độ bền tĩnh, độ bền mỏi, độ ổn định....
+ Trạng thái tới hạn thứ hai: Được đặc trưng bằng sự phát triển các loại
biến dạng lớn: độ võng cực đại của dầm khi uốn,..
+ Trạng thái tới hàn thứ ba: Được đặc trưng bằng những hỏng hóc cục bộ
khơng cho phép: độ mở hay kích thước các vết nứt,...
- Thơng thường việc tính tốn các kết cấu hàn là dựa theo trạng thái giới
hạn thứ nhất, tức là theo điều kiện bền. Song trong một vài trường hợp các kích
thước của một số bộ phận của kết cấu phụ thuộc vào biến dạng giới hạn cho
phép. Khi đó việc tính tốn là theo các điều kiện cứng.
2.2.2 Điều kiện bền
- Khi tính toán kết cấu theo trạng thái tới hạn điều kiện bền được biểu diễn
như sau:
N
 m.R
F

Trong đó: N - tải trọng tính tốn (tải trọng N có trị số bằng tải trọng định
mức nhân với hệ số quá tải n: N = n.Nđ )
- Hệ số quá tải n: Đối với từng loại tải trọng tác dụng lên kết cấu, người ta
quy định một hệ số quá tải tương ứng:
+ Tự trọng: - Nhà cơng nghiệp, bồn bình chứa khí: n = 1,1
- Cầu thép:

n = 1,25

23


+ Áp lực thuỷ tĩnh:

n = 1,1

+ Tải trọng gió:

n = 1,2

- F đặc trưng hình học của tiết diện (diện tích, mơmem chống uốn,...)
- m Hệ số điều kiện làm việc:
+ Đối với phần lớn kết cấu:

m=1

+ Đối với kết cấu loại trụ cột:

m = 0,9

+ Đối với các loại bể chứa, bồn, bình: m = 0,8
- R độ bền tính tốn của vật liệu.
Bảng 2.2.2: Ứng suất cho phép và độ bền tính tốn của một số loại vật liệu
Trạng thái chịu
lực

Ký
hiệu

Mác vật liệu (MPA)
CT38

15CrSiNi

AlMn6

Kéo , nén, uốn

[σ]

160

225

140

Cắt

[τ]

96

135

84

Trạng thái chịu
lực

Ký
hiệu

Mác vật liệu (MPA)

Kéo , nén, uốn

R

210

260

290

340

380

Cắt

Rc

130

150

170

200

230

C3823 C44/29 C46/33 C52/40 C60/45

2.3. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối
Khi thiết kế các mối hàn trong kết cấu kim loại ta có hai phương pháp xác
định ứng suất cho phép:
- Phương pháp thứ nhất: Ứng suất cho phép trong mối hàn lấy bằng trị số
cho sẵn dựa theo độ bền tính tốn của mối hàn.
- Phương pháp thứ hai: Ứng suất cho phép của mối hàn xác định theo một
tỷ lệ với ứng suất cho phép của kim loại cơ bản. Theo đó các liên kết hàn được
chia làm 2 nhóm:
+ Nhóm thứ nhất: gồm các liên kết hàn thực hiện bằng các phương pháp
hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc hay trong mối trường khí bảo vệ
cũng như hàn hồ quang tay bằng que hàn chất lượng cao.
+ Nhóm thứ hai: gồm các liên kết hàn hồ quang tay bằng que hàn chất
lượng thường.

24