Bài giảng Kết cấu thép 1 Chương 2 - Nguyễn Văn Hiếu

1



KẾT CẤU THÉP 1



C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


2
2
:
:


L
L

I
I
Ê
Ê
N
N


K
K
Ế
Ế
T
T

G
G
V
V
:
:


N
N
G
G
U
U
Y
Y
Ễ
Ễ
N
N

V
V
Ă
Ă
N
N


H
H
I
I
Ế
Ế
U
U

T
T
p
p
.
.


H
H
C
C
M
M
,
,


T
T
h
h
á
á
n
n
g
g

0
0
2
2
/
/
2
2
0
0
1
1
3
3


2





thÐp h×nh

thÐp tÊm
liªn kÕt

====
cÊu kiÖn

cÊu kiÖn
liªn kÕt

====
c«ng tr×nh

Liªn kÕt trong kÕt cÊu thÐp: liªn kÕt hµn; liªn kÕt bul«ng; liªn
kÕt ®inh t¸n.

ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI LIÊN KẾT
a. Liên kết hàn:
 Ưu: - tiết kiệm từ 15÷20% trọng lượng thép do tiết
diện cấu kiện không bị khoét lỗ;
- kín, liên tục;
- khả năng tự động hóa cao, ít tốn công chế tạo.
 Nhược: - khó kiểm tra chất lượng;
- chịu tải trọng nặng và tải trọng động kém, thường
sinh ra ứng suất phụ → biến hình hàn, thép giòn.

3
b. Liên kết bulông:
 Ưu: -thi công đơn giản, cho phép tháo lắp
dễ dàng nhất là các công trình tạm thời.
 Nhược: - tốn vật liệu;
- do lỗ tra bulông > bu lông nên khi chịu tải sẽ có
hiện tượng biến dạng do trượt tại liên kết. Các bu
lông không làm việc đồng bộ → giảm khả năng chịu
lực.
c. Liên kết đinh tán:

 Ưu: - chất lượng liên kết đảm bảo, dễ kiểm tra;
- chịu được tải trọng nặng và chấn động;
 Nhược: - tốn vật liệu;
- tiết diện thép cơ bản bị giảm yếu;
- chế tạo và thi công phức tạp.

4
A. LIấN KT HN
Đ1. Các phơng pháp hàn trong kết cấu thép
Trong kết cấu thép dùng phơng - hàn hồ quang điện bằng tay
pháp hàn: -
hàn hồ quang điện tự động và
nửa tự động
- hàn hơi
1. Hàn hồ quang điện bằng tay
a. Nguyên lý
Dới tác dụng của dòng điện, xuất
hiện hồ quang điện giữa hai cực là kim
loại cần hàn và que hàn. Hai kim loại lỏng
hòa lẫn với nhau, nguội lại tạo thành
đờng hàn.
Vậy bản chất của đ
ờng hàn là sự liên kết
giữa các phân tử của các kim loại bị nóng
chảy. Đ
ờng hàn có thể chịu lực tơng
đơng nh thép cơ bản.

Hỡnh

- 2.1: - S



hn tay
h

quang

i

n

5
b. Que hàn
Hàn hồ quang điện bằng tay dùng que hàn lõi kim loại có
thuốc bọc
(thuốc hàn, 80% là CaCO
3
)
. Đờng kính lõi kim loại
của que hàn từ 1,66mm, chiều dài que hàn 200450mm. Lớp
thuốc bọc dày 11,5mm có các tác dụng sau:
- Khi cháy tạo nên lớp xỉ cách ly không khí xung quanh với
kim loại lỏng, ngăn cản oxy và nitơ lọt vào kim loại làm đờng
hàn trở nên giòn;
- Tăng cờng sự ion hóa không khí xung quanh làm hồ
quang đợc ổn định;
- Trong thuốc hàn còn có bột của một số hợp kim làm tăng
độ bền của đờng hàn.

6
2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động dới lớp thuốc hàn
Về nguyên lý hàn tự động
giống hàn tay, chỉ khác là que
hàn bọc thuốc đợc
thay
bằng cuộn dây hàn trần
(đờng kính 2
5 mm) và quá
trình hàn đợc thực hiện bằng
máy tự động.

Hình 2.2 Sơ đồ hàn hồ quang
điện tự động

Ưu điểm:
- Tốc độ hàn nhanh (gấp 5 10 lần hàn tay)
- Rãnh chảy sâu nên chất lợng đờng hàn tốt.
- Kim loại lỏng đợc phủ lớp thuốc dày nên nguội dần, tạo
điều kiện cho bọt khí thoát ra làm đờng hàn đặc hơn.
- Hồ quang cháy chìm dới lớp thuốc nên không hại sức khỏe
Hồ quang chìm
Dây hàn
Thuốc hàn
Phễu r ải thuốc hàn
Thuốc hàn
Má y hàn
Dây hàn trần
ống hút t huốc hàn

7
thợ hàn.
Nhợc điểm:
- Chỉ hàn đợc các đờng hàn nằm thẳng hoặc tròn, không
dùng đợc cho các đờng hàn đứng và ngợc hoặc ở vị trí chật
hẹp, trên cao
Trong các trờng hợp đó dùng phơng pháp hàn nửa tự
động: máy hàn đợc di chuyển bằng tay.










8
3. Hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ
Cuộn dây hàn trần đ
ợc nhả tự
động qua
thiết bị hàn dạng khẩu
súng. Khí dẫn từ bình phun ra
đồng thời khi hàn sẽ bảo vệ k
im
loại lỏng.
Có hai loại khí đợc dùng: nếu là

khí trơ nh
argon, helium thì
ph
ơng pháp hàn này gọi tên là
MIG (metal inert gas)

nếu dùng
khí cacbonic thì gọi là MAG
(metal
active gas)
.



Hình 2.3 Hàn hồ quang điện
trong khí bảo vệ

Đối với thép thông thờng dùng cacbonic, hoặc hỗn hợp với khí trơ.
Phơng pháp này cho hồ quang ổn định, vùng chảy sâu, rộng, tốc
độ hàn nhanh.
Các dây hàn dùng theo qui định riêng.
Khí
Bình khí
Má y hàn
Cửa khí
Kim loạ i cơ bản
Khí bảo vệ
Đ iện cực hàn
Cuộn dây hàn

9
4. Hàn hơi
Hàn hơi thờng dùng để hàn những tấm kim loại mỏng hoặc để
cắt thép. Hỗn hợp cháy là khí oxy và axêtylen. Oxy và axêtylen
đợc nén ở hai bình riêng biệt, dùng ống mềm dẫn chúng đến
mỏ hàn. Khi hỗn hợp khí này cháy, nhiệt độ lên tới 3200
o
C làm
nóng chảy kim loại cần hàn và thanh kim loại phụ (thay que
hàn để lấp đầy rãnh hàn). Khi kim loại lỏng nguội đi tạo thành
đờng hàn.







10
5. Các yêu cầu chính khi hàn và phơng pháp kiểm tra chất
lợng đờng hàn
a. Các yêu cầu chính khi hàn
Để đảm bảo chất lợng đờng hàn, khi hàn cần thực hiện một
số qui định chính sau đây:
- Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn;
- Cờng độ dòng điện phải thích hợp.
- Đảm bảo các qui định về gia công mép bản thép;
- Có các phơng pháp phòng ngừa biến hình hàn;
- Chọn que hàn phù hợp.

11
b. Các phơng pháp kiểm tra chất lợng đờng hàn
Đờng hàn cần đợc kiểm tra chất lợng bằng các phơng
pháp sau:
- Kiểm tra bằng mắt: thông thờng chỉ phát hiện đợc những
sai sót bên ngoài nh mặt đờng hàn không đều, lồi lõm, nứt
rạn
- Dùng các phơng pháp vật lý để kiểm tra nh: điện từ,
quang tuyến, siêu âm các phơng pháp này cho kết quả
chính xác hơn, đợc áp dụng cho các loại công trình chịu lực
đặc biệt nh: bể chứa, đờng ống cao áp


12
Đ2. Các loại đờng hàn và cờng độ tính toán
1. Các loại đờng hàn
1.1. Đ
ờng hàn đối đầu

a. Cấu tạo:
Đ
ờng hàn đối đầu
liên kết trực tiếp hai cấu kiện
cùng nằm trong một mặt phẳng.


Đờng hàn đối đầu có thể
thẳng góc hoặc xiên góc với trục
của cấu kiện.

Hình 2.4. đờng hàn đối
đầu



Khi hàn các bản thép dày (t > 8 mm, đối
với hàn tay), cần gia công mép của bản.
Rãnh hình chữ X hoặc K đ
ợc hàn ở hai
phía. Với rãnh hình chữ V hay chữ U cần
hàn thêm ở mặt sau để tránh hiện t
ợng
không hàn đầy.


Gia cụng mộp
rónh hn
b)
a) c)

13
b. Sự làm việc và cờng độ tính toán của đờng hàn đối đầu.

u điểm đờng hàn đối đầu là truyền lực tốt, đờng lực không
bị dồn ép uốn cong, nên ứng suất tập trung rất nhỏ. Khi đó c-
ờng độ tính toán của đờng hàn đối đầu đợc lấy nh sau:
- chịu nén, không phụ thuộc vào phơng pháp kiểm tra chất
lợng đờng hàn:
f
f

wc

.
- chịu kéo, nếu dùng các phơng pháp vật lý kiểm tra chất
lợng đờng hàn:
f
f
wt

;
bằng các phơng pháp thông thờng đơn giản:


f
85
,
0
f
wt

.
- chịu cắt:
v
wv
f
f

.
Ví dụ: đối với thép CCT34 có
wc

f
= 2100
2
cm
/
daN
;
wt
f
= 1800
2
cm
/
daN
;
wv
f
= 1200
2
cm
/
daN
.

14
1.2. Đờng hàn góc
a.
Cấu tạo.

Đ

ờng hàn góc nằm
ở góc vuông tạo bởi hai cấu
kiện cần hàn, t
iết diện là một
tam giác vuông cân, hơi phồng
ở giữa, cạnh của tam giác gọi là
chiều cao đờng hàn.


Hình 2.5. Đờng hàn góc



Khi chịu tải trọng động, để
giảm
ứng suất tập trung trong
đ
ờng hàn góc đầu dùng đờng
hàn lõm hoặc đờng hàn thoải
với tỷ số giữa hai cạnh của đ-
ờng hàn là 1:1,5 (hình 2.6b).

Hình 2.6. Đ
ờng hàn lõm và
đờng hàn thoải

h
f
f
h

a)
t

t
h
f
b)
t

t
1,5h
f
h
h

a)
f
h
f

b)
f
h
f
f
f

15
Chiều cao
f

h

min
t
2
,
1

;
f
h



min
f
h
.
Bảng 2.3. Chiều cao nhỏ nhất của đờng hàn góc
min
f
h
, mm

h
f min
khi chiều dày của bản thép dày
t
max
mm

4 - 6

6 -
10
11 -
16
17 -
22
23 -
32
33 -
40
41 -
80
Tay
4 5 6 7 8 9 10
Tự động, nửa
tự động
3 4 5 6 7 8 9
Tùy theo vị trí của đờng hàn
so với ph
ơng của lực tác
dụng mà chia ra:
- Đờng hàn góc cạnh.
- Đờng hàn góc đầu.

Hình 2.7. Các loại đờng hàn
góc

a) đờng hàn góc cạnh; b)

b)
N
a)
N N
l
w
w
l
N

16
đờng hàn góc đầu.

b) Sự làm việc của đờng hàn góc

Đ
ờng hàn góc cạnh khi
truyền lực thì hớng của đờng
lực trong liên kết
thay đổi phức
tạp. ứn
g suất phân bố không
đều theo chiều rộng, chiều dài
của bản thép cũng nh
dọc
theo đờng hàn.
Hai mút của
đờng hàn chịu
max

. Để giảm
bớt sự phân bố không đều của
ứng suất, không đ
ợc dùng
đờng hàn quá dài.
Thực chất
đ
ờng hàn góc cạnh chịu đồng

Hình 2.8. Sự phân bố ứng suất
trong đờng hàn góc cạnh

Hình 2.9. Dạng phá hoại và
tiết diện làm việc của đờng
hàn
a) dạng phá hoại của đờng
N
A B
BA B - BA - A
N




f
a)
f
h
s

h
b)

f
h
f
N
N
1
2

17
thời cả ứng suất cắt và uốn
.

hàn góc cạnh; b) các tiết diện
làm việc


Đ
ờng hàn góc đầu truyền
lực đều theo bề rộng của liên
kết nhng trong đ
ờng hàn lực
bị uốn cong và dồn ép ở phía
chân đ
ờng hàn, vì vậy tại đây
ứng suất tập trung rất lớn.

Khi làm việc, đờng hàn góc đầu chịu đồng thời cả cắt, kéo,

uốn.
Trong tính toán coi nh đờng hàn góc đầu và góc cạnh chỉ
chịu cắt qui ớc và phá hoại theo một trong hai tiết diện dọc
theo kim loại đờng hàn (TD 1) hoặc theo biên nóng chảy của

18
thép cơ bản (TD 2).
c) Cờng độ tính toán của đờng hàn góc.
ứng với tiết diện 1
cờng độ tính toán chịu cắt của thép đờng hàn là
wf
f
, ứng với
tiết diện 2 cờng độ chịu cắt tính toán của thép cơ bản trên
biên nóng chảy là
ws
f
=
0,45
u
f
.
Bảng 2.4 - Cờng độ kéo đứt tiêu chuẩn
wun
f
và cờng độ tính
toán
wf
f
của kim loại hàn trong mối hàn góc

Loại que hàn
theo TCVN
3223:1994
C

ờng độ kéo đứt
tiêu chuẩn
wun
f
(
2
cm
/
daN
)

Cờng độ tính toán


wf
f
(
2
cm
/
daN
)

N42, N42
-

6B

4100

1800

N46, N46
-

6B

4500

2000

N50, N50
-

6B

4900

2150

Ký hiệu que hàn trong bảng 2.4 nh sau: chữ
N
ở đầu chỉ loại

19

que hàn. Nhóm hai chữ số sau chỉ độ bền kéo thấp nhất của
mối hàn (
2
mm
/
daN
). Sau gạch ngang là chữ số chỉ dòng điện,
chữ cái cuối cùng chỉ nhóm thuốc bọc (axit, bazơ )
1.3. Các cách phân loại đờng hàn khác
-

Theo công dụng

có đ

ờng
hàn chịu lực và đ
ờng hàn
không chịu lực.
-
Theo vị trí trong không gian
.
-
Theo địa điểm chế tạo

có
đờng hàn nhà máy và đ
ờng
hàn công trờng.

Hình 2.11. Vị trí đờng hàn
trong không gian
I- đờng hàn nằm; II- đờng
hàn đứng; III- đờng hàn
ngợc; IV- đờng hàn ngang.

-
Theo tính liên tục của đờng hàn
. Trong đờng hàn không
liên tục khoảng cách
a
max
giữa hai đờng hàn nh sau:

II
I
III
IV

20
a
max


15.t
min
đối với các cấu kiện chịu nén; a
max


30.t
min
đối
với các cấu kiện chịu kéo .
Bảng 2.5. Ký hiệu các loại đờng hàn
Tên gọi

Đ

ờng hàn nhà
máy
Đ

ờng hàn công
trờng
Đ

ờng hàn

đối đầu



Đ
ờng

hàn góc




Đ

ờng hàn

góc đứt
đoạn




aa a a a aa a

21

Đ3. Các loại liên kết hàn và phơng pháp tính toán
Theo cách cấu tạo chia ra liên kết đối đầu, liên kết ghép chồng,

liên kết có bản ghép, liên kết hỗn hợp.
1. Liên kết đối đầu
1.1. Cấu tạo

Hình 2.12. Liên kết hàn đối đầu chịu lực trục
a) đờng hàn đối đầu thẳng; b) đờng hàn đối đầu xiên
.
- dùng để liên kết trực tiếp hai cấu kiện.
- thờng dùng để nối các bản thép, ít dùng để liên kết các thép
hình vì khó gia công mép cấu kiện.
-
u điểm
: truyền lực tốt, cấu tạo đơn giản và không tốn thép.
NN
t
l
w
t
t
a)

N N
t
b)
w
l
t


t

22
-
nhợc điểm
: phải gia công mép các bản thép.
1.2. Tính toán liên kết hàn đối đầu
a) Khi chịu lực kéo, nén dọc trục: Dới tác dụng của lực dọc
trục
N
ứng suất sẽ phân bố đều trên tiết diện của đờng hàn.
Đ
ờng hàn đối đầu thẳng góc công thức
kiểm tra bền:

w

=
)tl(
N
A
N
w
w



c
wt
.
f

(2.1)

trong đó:
w
w
l
.
t
A

;t - bề dày tính toán của đờng hàn;
w
l
= l - 2t;

wt
f


cờng độ tính toán của đờng hàn đối đầu khi chịu kéo
(nếu N là lực nén thì dùng
wc
f
).
Khi
wt
f
<
f

, ta tăng độ bền của nó bằng cách dùng đờng hàn
xiên.
NN
t
l
w
t
t
a)


23
Đ
ờng hàn đối đầu xiên đ
ợc kiểm tra bền
theo các công thức sau:
w

=
)tl(
sin
N
w


c)wc(wt
.
f

(2.2);
w

=
)tl(
cos
N
w


c
wv
.
f


(2.3);

w
l
=







sin
b

-2t

b) Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của mômen uốn
M
đ-
ợc kiểm tra bền theo công thức:

w

=
cwt
w
f
W
M


(2.4)
c) Khi liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng đồng thời của

N N
t
b)
w
l
t

t

24

mômen uốn
M
và lực cắt
V
độ bền của nó
đ
ợc kiểm tra theo
ứng suất tơng đơng
t




t


=
2
w
2
w
3



c
wt
f
.
15

,
1


(2.5)
trong đó:
w

=

2
w
w
tl
M
6
W
M


(2.6);
w

=

t.l
V
A
V
w

w

(2.7)


Hình 2.13. Liên kết hàn
đối đầu chịu M và Q

Hệ số 1,15 kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo trong
đờng hàn.
M
V
t
l
w
V
t
b)
M

w

w

25
2. Liên kết ghép chồng dùng đờng hàn góc
2.1. Cấu tạo

Hai cấu kiện đặt chồng lên
nhau, dùng đ

ờng hàn góc
liên kết chúng lại. Đoạn
chồng lên nhau
a

lấy theo
yêu cầu bố trí đờng hàn,
a


5t
min
.

Hình 2.15. Liên kết ghép chồng

Trong liên kết ghép chồng có thể dùng đờng hàn góc cạnh
hoặc đờng hàn góc đầu.
Liên kết ghép chồng thờng dùng để nối các thép bản có chiều
dày nhỏ (t=25mm), để liên kết thép hình và thép bản.

N
b)
a) c)
d)
N
a>5

t
t

min
t


t
t