Liên kết trong kết cấu thép

1
CHƯƠNG 2.
LIÊN KẾT
TRONG KẾT CẤU THÉP
A. LIÊN KẾT HÀN
B. LIÊN KẾT BULÔNG
2
CHƯƠNG 2. LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP
Các loại liên kết :
Liên kết hàn:
ƯĐ: Đơn giản, tốn ít công chế tạo, giảm khối lượng kim loại, kinh tế, liên kết
kín,…
NĐ: Do ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong quá trình hàn nên dễ bị biến hình
hàn và ứng suất hàn; làm tăng tính giòn của vật liệu; Khó kiểm tra chất
lượng đường hàn. Khả năng chịu tải trọng động kém;
Liên kết bulông:
ƯĐ: Không bị biến hình hàn; Chịu được tải trọng động tốt; thuận tiện khi
lắp dựng và tháo lắp.
NĐ: Liên kết phức tạp; Tốn vật liệu và công chế tạo hơn so với liên kết
hàn.
Liên kết đinh tán: Phức tạp hơn liên kết bulông. Chịu tải trọng động rất tốt.
3
A. LIÊN KẾT HÀN
§2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KẾT CẤU THÉP
§2.2 CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN
CỦA ĐƯỜNG HÀN
§2.3 TÍNH TOÁN CÁC LIÊN KẾT HÀN
4
A. LIÊN KẾT HÀN
1. Hàn hồ quang điện
§2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KẾT CẤU THÉP

a) Nguyên lý:







 
Các thép cơ bản và thép lõi que hàn chảy lỏng và dính với nhau do lực hút
điện từ. Độ sâu nóng chảy của thép cơ bản khoảng 1,5 ~ 2 mm.
Kim loại đường hàn là hỗn hợp của kim loại các thép cơ bản và kim loại lõi
que hàn.
Sử dụng nguồn điện 1
chiều để tạo hồ quang
điện xuất hiện tại vị trí
cần nối các thanh thép
cơ bản với que hàn.
Máy
hàn
ĐN: Hàn là quá trình dùng nguồn nhiệt để làm nóng chảy 2 kim loại cần hàn
cộng với một kim loại thứ 3 (kim loại que hàn) được bù vào; 3 kim loại này
hoà lẫn vào nhau rồi cứng lại để tạo thành đường hàn.
5
1. Hàn hồ quang điện
b) Các yếu tố ảnh hưởng Chất lượng đường hàn
Khoảng cách giữa đầu que hàn và vị trí cần hàn: Khoảng cách được duy trì
không đổi => hồ quang điện ổn định.
Nguồn điện: Nguồn điện ổn định => hồ quang ổn định.
Cách li kim loại lỏng với không khí: Để kim loại lỏng không tiếp xúc với

không khí (tiếp xúc với O2 và N) => que hàn cần phải được bọc thuốc
(chứa khoảng 80% CaCO3 đối với hàn hồ quang điện bằng tay).
Lớp thuốc bọc que hàn cháy tạo thành xỉ nổi trên bề mặt để tránh thép lỏng
tiếp xúc với không khí.
Chất lượng của lớp thuốc bọc que hàn: Lớp thuốc bọc que hàn chứa bột
của một số hợp kim như Mn, Ti,… Khi cháy sẽ hoà vào thép lỏng để làm
tăng chất lượng đường hàn (tăng độ bền của đường hàn).
Trình độ của người hàn: hàn bằng tay hay hàn bằng máy.
(tiếp 2/3)
6
1. Hàn hồ quang điện
c) Que hàn (theo TCVN 3223-1994):
Chiều dài que hàn 200 ~ 450 mm ; đường kính lõi kim loại que hàn 1,6 ~ 6
mm; lớp thuốc bọc dầy 1 ~ 1,5 mm.
Loại que hàn : được phân theo cường độ tức thời của kim loại đường hàn;
Ví dụ: N42 có cường độ kéo đứt tiêu chuẩn daN/cm2.
Loại que hàn sử dụng phải phù hợp với mác của thép cơ bản:
-
có độ bền kéo đứt tức thời của kim loại que hàn lớn hơn của thép cơ bản;
-
có các tính chất cơ lý của kim loại que hàn và kim loại thép cơ bản là
tương tự nhau => giảm bớt khối lượng thép nóng chảy, giảm bớt ứng suất
hàn và biến hình hàn.
CCT34, CCT38, CCT42, CCT52 N42, N46
9Mn2, 14Mn2, 9Mn2Si, 10Mn2Si1 N46, N50
4100
=
wun
f
Mác thép

Loại que hàn
(tiếp 3/3)
7
2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động:
Nguyên lý cơ bản giống như hàn bằng tay, chỉ khác :
- Sử dụng cuộn dây hàn không bọc thuốc, đường kính dây hàn 2 ~ 5 mm.
- Phễu đựng thuốc hàn được gắn với máy hàn.
- Thuốc hàn được rải trước thành lớp dầy trên rãnh hàn; dây hàn được nhả
tự động dần dần theo tốc độ di chuyển đều của máy hàn.
!

"
#$%&"
"
'(
&% 
")&&"
Ray cố định máy hàn
8
2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động:
ƯĐ:
- Do nguồn điện ổn định, khoảng cách giữa đầu que hàn và vị trí cần hàn
luôn được duy trì không thay đổi, tốc độ hàn được duy trì ổn định => Hồ
quang điện luôn ổn định.
- Đưòng hàn luôn nằm sâu trong lớp thuốc bọc => kim loại nóng nguội từ từ,
tạo điều kiện cho bọt khí thoát ra ngoài.
⇒
chất lượng đường hàn tốt hơn hàn bằng tay.
NĐ:
- Chỉ thực hiện được cho các đường hàn thẳng hoặc tròn. Không hàn được

cho các đường hàn gấp khúc, đứng, ngược, ở vị trí chật hẹp,…
=> Khắc phục bằng cách hàn bán thủ công, máy hàn được kết hợp di
chuyển bằng tay.
9
3. Hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ:
Lớp khí bảo vệ được phun ra trong khi hàn;
Kim loại lỏng được bảo vệ bởi môi trường khí, bị ngăn cản tiếp xúc với
không khí.
Có 2 phương pháp hay được dùng:
- Phương pháp MIG (metal inert gas) : sử dụng khí trơ (như argon hay
helium); => sử dụng được cho mọi kim loại, nhưng giá thành cao.
- Phương pháp MAG (metal active gas) : sử dụng khí cacbonic hoặc hỗn
hợp với khí trơ; => sử dụng cho các loại thép thông thường.
4. Hàn hơi
Sử dụng mỏ hàn để tạo ra ngọn lửa axêtylen, là hỗn hợp cháy của khí
oxy và axetylen. Nhiệt độ nóng chảy có thể đến 3200oC.
Chất lượng đường hàn kém.
Thực hiện ở những nơi không có điện.
Thường dùng để hàn những tấm kim loại mỏng, hoặc để cắt thép.
10
5. Các yêu cầu chính khi hàn và phương pháp kiểm tra đường hàn
11
§2.2 CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN VÀ CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN
1. ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU
b)
a) c)
Đường hàn đối đầu dùng để liên kết trực tiếp 2 cấu kiện cùng nằm trong 1
mặt phẳng.
Khi hàn, cần phải đảm bảo sự nóng chảy trên suốt bề dầy của bản thép.
Khi bề dầy của các bản thép liên kết lớn, cần phải gia công đầu các bản thép

nối. Qui cách gia công được qui định trong tiêu chuẩn thiết kế.
a. Đặc điểm
Đường hàn có thể thẳng góc hoặc xiên góc với trục của cấu kiện.
12
Qui cách gia công đầu các bản thép nối :
Khi mm : không cần gia công đầu các bản nối;
(hàn trực tiếp).
mm : cần gia công 1 phía, dạng chữ V.
mm : cần gia công 2 phía, dạng chữ K, X
mm : cần gia công dạng cốc.
t
a
t
a
b
α
t
a
b
α
t
a
b
α
δ
a
b
α
10
<

t
5010 ≤< t
6050
≤<
t
60
>
t
13
Đường lực không bị dồn
ép, không bị uốn cong =>
Ứng suất tập trung nhỏ,
đảm bảo truyền lực tốt.
Đường hàn được coi như phần kéo dài của thép cơ bản.
Đường hàn đối đầu bị phá hoại giống như thép cơ bản: bị kéo đứt, bị nén,
bị cắt tuỳ theo lực tác dụng.
b. Sự làm việc của đường hàn đối đầu
1. ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU
b)
a) c)
N N
Đường truyền lực song song
14
Phụ thuộc vào vật liệu kim loại hàn (loại que hàn) và phương pháp kiểm tra
chất lượng đường hàn.
Đường hàn đối đầu chịu nén tốt hơn chịu kéo và chịu cắt .
Cường độ tính toán (về kéo, nén, cắt) của đường hàn được xác định theo
cường độ tính toán của bản thép được liên kết f .
c. Cường độ tính toán của đường hàn đối đầu
1. ĐƯỜNG HÀN ĐỐI ĐẦU

Khi chịu nén:
ff
wc
=
Khi chịu kéo:
ff
wt
85,0
=
ff
wt
=
hoặc
Khi chịu cắt:
fff
vwv
58.0
==
Ví dụ: thép CCT34 có:
2100
==
ff
wc
180085,0 == ff
wt
1200
==
vwv
ff
daN/cm2

daN/cm2
daN/cm2
15
Đường hàn góc nằm ở góc vuông
tạo bởi 2 cấu kiện cần hàn.
Tiết diện của đường hàn thường có hình dạng là 1/4 tiết diện đường tròn (tam
giác vuông cân, hơi phồng ở giữa).
a. Đặc điểm
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC (LIÊN KẾT 2 BẢN THÉP)

*
*

a)
&
1
&

*
b)
&
1
&
b)

a)
 

+
+



16
Cạnh của tam giác gọi là chiều cao đường hàn hf.
a. Đặc điểm
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC (LIÊN KẾT 2 BẢN THÉP)
Chiều cao đường hàn không quá cao và không được quá bé :
maxmin fff
hhh
≤≤
minmax
2,1 th
f
=
th
f
2,1
max
=
minff
hh
≥
);min(
21min
ttt
=

*
*


a)
&
1
&

*
b)
&
1
&
cho liên kết chồng.
với t là chiều dày bản đứng cho liên kết hình chữ T.
;
với hfmin được tra Bảng 2.3 phụ thuộc vào tmax và
phương pháp hàn.
(tiếp 2/3)
17
Tuỳ theo vị trí của đường hàn so với phương của lực tác dụng, chia ra:
a. Đặc điểm
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC
(tiếp 3/3)
b)

a)
 

+
+



l
l
Đường hàn góc cạnh: song song với phương của lực tác dụng.
Đường hàn góc đầu: vuông góc với phương của lực tác dụng.
Khi chịu tải trọng động, đường
hàn lõm hoặc đường hàn thoải
có thể được sử dụng, nhằm để
giảm ứng suất tập trung trong
đường hàn.
, 
*


β
a)
*

*
β
b)
*

*
*
*
Đường hàn thoải có cạnh lớn nằm dọc theo phương lực tác dụng.
18
b. Sự làm việc của đường hàn góc
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC


/ 0
0/ 010/1/

σ
σ
τ
τ
Đường truyền
lực trong liên
kết thay đổi
phức tạp, bị
uốn cong, bị
chèn ép, không
đều nhau.
Ứng suất pháp phân bố không đều theo chiều rộng của bản
thép và có giá trị thay đổi giữa 2 mặt cắt A-A và B-B:
Dọc theo đường hàn, ứng suất tiếp phân bố không đều: có giá
trị lớn nhất ở 2 đầu và nhỏ nhất ở giữa đường hàn.
Để giảm bớt sự phân bố không đồng đều của ứng suất tiếp dọc theo đường
hàn => Chiều dài đường hàn góc cạnh l không được dài quá.
Chiều dài l cũng không được ngắn quá vì không thể truyền lực được, đường
truyền lực bị gẫy khúc quá.
1
2
1
2
19
b. Sự làm việc của đường hàn góc
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC
Đối với đường hàn góc đầu, đường truyền lực phân bố đều theo bề rộng của

liên kết, nhưng bị uốn cong và dồn ép ở chân đường hàn (xem mặt cắt).
Đường hàn góc đầu và góc cạnh chịu lực không tốt bằng đường hàn đối đầu.
234

a) b)

(tiếp 2/3)
Đường hàn
góc đầu:
Phân bố ứng suấtĐường truyền lực
20
b. Sự làm việc của đường hàn góc
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC
Đường hàn góc đầu và góc cạnh thực tế chịu cả ứng suất do cắt, uốn và
kéo. Nhưng chịu cắt là chủ yếu.
Trong tính toán, coi đường hàn góc (cả góc cạnh và góc đầu) chỉ chịu lực cắt
qui ước và phá hoại do cắt (do trượt) theo một trong 2 tiết diện sau:
(tiếp 3/3)
*
a)
*

5
β

b)
β
*

*



,
6
Dọc theo kim loại đường hàn (Tiết diện 1-1) ; hoặc
Dọc theo biên nóng chảy của thép cơ bản (Tiết diện 2-2).
Hệ số và tương ứng với 2 mặt cắt phá hoại 1-1 và 2-2 là các hệ số
xét đến chiều sâu nóng chẩy của đường hàn. => để xác định chiều cao tính
toán của đường hàn.
f
β
s
β
21
c. Cường độ tính toán của đường hàn góc:
2. ĐƯỜNG HÀN GÓC
Đường hàn góc cạnh và góc đầu có cường độ tính toán như nhau.
*
a)
*

5
β

b)
β
*

*



,
6
Đường hàn góc có thể bị phá hoại theo 2
tiết diện khác nhau, cắt qua 2 loại vật liệu
kim loại thép khác nhau (kim loại thép
đường hàn và kim loại thép cơ bản trên
biên nóng chảy).
Đối với Tiết diện 1-1: cường độ chịu cắt tính toán của thép đường
hàn phụ thuộc vào vật liệu que hàn (tra Bảng 2.4).
Đối với Tiết diện 2-2: cường độ chịu cắt tính toán của thép cơ bản
ở trên biên nóng chảy lấy bằng:
wf
f
uws
ff 45,0
=

VD: Que hàn N42 có daN/cm2
Thép cơ bản CCT38 có = 1710 daN/cm2.
1800
=
wf
f
380045,0
×=
ws
f
22
a) Theo công dụng:

3. CÁC CÁCH KHÁC ĐỂ PHÂN LOẠI ĐƯỜNG HÀN
Đường hàn chịu lực.
Đường hàn cấu tạo.
b) Theo vị trí trong không gian:
Đường hàn nằm (I).
Đường hàn đứng (II).
Đường hàn ngược (III): rất khó hàn, khi thiết kế cần tránh.
Đường hàn ngang (IV).
77
7
777
78
0
−
6
0
°
60−120°
1
2
0
−
1
8
0
°
23
c) Theo địa điểm chế tạo:
3. CÁC CÁCH KHÁC ĐỂ PHÂN LOẠI ĐƯỜNG HÀN
Đường hàn trong nhà máy.

Đường hàn ngoài công trường .
d) Theo tính chất liên tục của đường hàn:
Đường hàn liên tục:
Đường hàn không liên tục.
  
  
đối với cấu kiện chịu nén. đối với cấu kiện chịu kéo.
min
15ta
≤
min
30ta
≤
Trong nhà máy
Ngoài công trường
24
§2.3 TÍNH TOÁN CÁC LIÊN KẾT HÀN
1. Liên kết đối đầu
Gia công đầu bản thép
25
1. TÍNH TOÁN LIÊN KẾT ĐỐI ĐẦU
a. LK đối đầu thẳng góc chịu N

&

+
&
&
a)
α

 
&
b)
+

&
σ
σ
&
Tiết diện đường hàn đã biết:
th
f
=
bl
=
tll
w
2
−=
cần trừ đi mỗi đầu đường hàn 1
khoảng là t, do kể đến chất lượng
không tốt ở 2 đầu.
Chiều cao:
Chiều dài tính toán (hiệu quả):
Tiết diện tính toán của
đường hàn có dạng hình
chữ nhật, kích thước lw x t.
Chiều dài thực tế cần hàn: