Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
Mô đun: TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN
Mã số: MĐ 30
Thời gian thực hiện : 90 h (Lý thuyết: 30 h; Thực hành: 60 h)
MỤC TIÊU MÔ-ĐUN:
Mô đun này nhằm trang bị cho người học kiến thức về tính toán ,xác định ứng suất và
biến dạng sinh ra khi hàn các kết cấu,biết được các biến dạng sinh ra khi hàn,đồng thời
biết tính toán,thiết kế các kết cấu hàn đơn giản.
MỤC TIÊU THỰC HIỆN:
Học xong mô-đun này người học sẽ có khả năng:
- Nhận biết chính xác các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn.
- Giải thích rõ công dụng của từng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn.
- Tính toán đúng vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn khi gia công các kết
- cấu hàn.
- Tính toán 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.
- Trình bày đầy đủ các bước tính ứng suất và biến dạng khi hàn.
- Vận dụng linh hoạt kiến thức tình toán kết cấu hàn vào thực tế sản xuất.
- Thực hiện được các nguyên tắc an toàn và vệ sinh phân xưởng.
NỘI DUNG CHÍNH
- Vật liệu chế tạo kết cấu hàn
-

Tính độ bền của mối hàn

-

Tính ứng suất và biến dạng khi hàn

-

Tính toán kết cấu dầm trụ

-

Tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ

-

Kiểm tra kết thúc mô đun

YÊU CẦU ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ-ĐUN
*)Về kiến thức:
Được đánh giá qua kiểm tra viết, kiểm tra vấn đáp đạt các yêu cầu sau:
- Liệt kê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn.
- Tính toán chích xác vật liệu chế tạo kết cấu hàn.
- Trình bày rõ các công thức tính toán độ bền, ứng suất và biến dạng khi hàn.
- Giải đúng các bài toán nghiệm bền và tính ứng suất biến dạng khi hàn của các kết cấu
hàn đơn giản.
*)Về kỹ năng:
Được đánh giá qua bài kiểm tra thực hành, qua quá trình thực hiện, qua kiểm tra chất
lượng sản phẩm đạt các yêu cầu sau.
- Nhận biết đúng các loại vật liệu chế tạo các kết cấu hàn.
- Tra bảng, tính toán vật liệu hàn chính xác.
- Kiểm tra đánh giá đúng công việc tính toán các kết cấu hàn.
- Bố trí nơi làm việc gọn gàng khoa học, an toàn.
*)Về thái độ:
Được đánh giá trong quá trình học tập, bằng quan sát có bảng kiểm thang điểm đạt các
yêu cầu sau:
- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc, có tinh thần
hợp tác giúp đỡ lẫn nhau. Cẩn thận tỉ mỉ, chính xác trong công việc.

1


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

BÀI 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN
MÃ BÀI: MĐ-30-01
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài học 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 toán vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu
cao.
™ Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng

Vật liệu chế tạo kết cấu hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng công trình
và là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình công nghệ,tính kinh tế của công
trình. Do vậy việc lựa chọn chế tạo kết cấu hợp lý sẽ mang lại tính hiệu quả kinh tế, kỹ
thuật to lớn. Đó là tiêu chí rất quan trọng.
I. NỘI DUNG CHÍNH :
1) Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn
Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm có:
™ Các loại thép các bon thấp:
Đây là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn, do loại
vật liệu này rất dễ hàn và mối hàn dễ đạt được chất lượng theo yêu cầu mà không
cần phải có những biện pháp công nghệ phức tạp nào. Trong thực tế thép các bon

thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn được chia ra làm 2 nhóm chính là thép định
hình và thép tấm.
™ Thép hợp kim thấp : Đây là loại thép có tính hàn tốt chỉ đứng sau thép các bon
thấp, do có tính hàn tốt cho nên các loại thép hợp kim thấp cũng rất hay được sử
dụng để chế tạo các kết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao hoặc làm việc trong các
điều kiện đặc biệt. Thép hợp kim thấp thường được dùng để chế tạo kết cấu hàn
gồm các loại như thép Manggan; thép Cr –Si –Mn; Cr-Mn-Môlipđen. Thép hợp
kim thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn.
• Các loại thép không rỉ: Được sử dụng để chế tạo các lọai kết cấu hàn làm việc
trong những điều kiện đặc biệt như: nhiệt độ cao, làm việc trong điều kiện tiếp
xúc với hóa chất, hoặc các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, thiết bị dụng
cụ y tế... 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 rỉ đang rất lớn
cho nên rất nhiều các công nghệ gia công kết cấu thép không rỉ hiện đại đã xuất
hiện trong thực tế. Các loại thép không rỉ được sử dụng nhiều hiện nay đó là: CrNi,Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, và một số loại thép chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt,
bền nhiệt.
• Nhôm và hợp kim nhôm: Nhôm và hợp kim nhôm cũng được sử dụng nhiều để
chế tạo kết cấu hàn đặc biệt là hợp kim nhôm được dùng để chế tạo các kết cấu
yêu cầu có trọng lượng nhỏ,hoặc các kết cấu yêu cầu chống rỉ. Thông thường
hợp kim nhôm hay được dùng nhất là: Duy-ra dùng cho các kết cấu đòi hỏi có độ
bền nhiệt cao, còn hợp kim nhôm –magiê dùng cho các loại kết cấu như: vỏ tầu
2


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
loại nhỏ có tốc độ cao, các kết cấu xây dựng, các thùng chứa thực phẩm,chứa
thức ăn, chứa nước...Nhôm và hợp kim nhôm thường được chế tạo ở dạng tấm.
2) Thép định hình.
™ 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 được dùng để chế tạo các loại khung

,dàn hoặc liên kết khác trong các kết cấu . từ thép góc ta có thể chế tạo ra các
loại thép định hình khác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau.
Ví dụ: ghép 2 thanh thép góc lại với nhau ta sẽ có loại kết cấu chữ [ hoặc chữ T
.nếu ghép 4 thanh thép góc ta sẽ có kết cấu chữ I. Do vậy đây là loại thép có
phạm vi sử dụng rất lớn trong thực tế. Thép hình chữ L có 2 loại là : L cạnh đều
và L cạnh lệch
- Thép chữ L cạnh đều: gồm có 67 loại được quy định trong TCVN 165675.loại nhỏ nhất có kích thước L20 x 3,nghĩa là mỗi cạnh có kích thước là
20 mm ,chiều dày có kích thước là 3 mm, loại lớn nhất có kích thước là
L250 x 20. Đây là loại thép được sư dụng để chế tạo kết cấu rất nhiều do
tính chất công nghệ của nó rất cao. Trong quá trình gia công người thợ
không cần chú ý đến các cạnh của thanh thép (do cạnh của các thanh đều
bằng nhau. Đây chính là đặc tính rất ưu việt của loại thép góc này.
- Thép chữ L cạnh không đều: Gồm có 47 loại được quy định trong tiêu
chuẩn TCVN 1657-75 ,loại nhỏ nhất là L25 x16 x3, có nghĩa là cạnh thứ
nhất 25 mm, cạnh thứ hai 16 mm, chiều dày 3 mm. Loại lớn nhất có kích
thước L250 x160 x20. Đây là loại thép góc mà hiện nay ứng dụng không
lớn do tính công nghệ của thép không cao vì trong quá trình gia công
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 cần chú ý đến đặc điểm này để lựa chọn thép góc cho hợp lý.
™ Thép chữ I: Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo kết cấu chịu uốn,
nén. Theo TCVN 1655-75 thì thép chữ I có 23 loại. Chiều cao loại nhỏ nhất là
100 mm ,loại lớn nhất là 600 mm. Ngoài ra còn có thêm một số loại thép đặc biệt
ký hiệu có thêm chữ “a” ở phía dưới. Thép chữ I là loại thép rất khó liên kết với
nhau để tạo ra một loại thép mới.
™ Thép chữ [: Theo TCVN 1654-75 thép chữ [ có 22 loại. Chiều cao loại nhỏ nhất
là 50 mm, lớn nhất là 400 mm ( Đây là chiều cao của tiết diện). Ví dụ [ 22 chỉ loại
này có chiều cao là h = 220 mm, chiều dài của thép chữ [ từ 4 ÷ 13 m. Ngoài ra
còn một số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ “a” phía dưới. Ví dụ : thép [ 22a.
Trong thực tế còn có nhiều loại thép hình khác nhau như thép ống, thép tròn, .....

3) Thép tấm.
Là loại thép được sữ dụng rộng rãi vì có tính vạn năng cao, có thể chế tạo ra các loại
thép có hình dáng, kích thước bất kỳ. Thép tấm được dùng nhiều trong các loại kết
cấu như :vỏ tàu thủy, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chứa khí, các loại bồn chứa,
bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng, chất khí. Ngoài ra thép tấm còn được sử dụng để
chế tạo các loại chi tiết máy....Trong thực tế thép tấm có quy cách như sau:
™ Thép tấm phổ thông: có chiều dày s = 40÷ 60 mm, chiều rộng 160 ÷ 1050 mm,
chiều dài từ 600 ÷ 12000 mm
™ Thép tấm dày: có chiều dày s = 60÷ 160 mm, chiều rộng 600 ÷ 3000 mm, chiều
dài từ 4000 ÷ 6000 mm
™ Thép tấm mỏng: có chiều dày s = 0.2÷ 4 mm, chiều rộng 600 ÷ 1400 mm.

3


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

BÀI 2: TÍNH ĐỘ BỀN MỐI HÀN
MÃ BÀI: MĐ-30-02
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài học này người học sẽ có khả năng:

™ Tính toán được độ bền kéo,nén của mối hàn.
™ Xác định được kích thước của mối hàn khi biết tải trọng đặt lên kết cấu.
Độ bền mối hàn là một tiêu chí rất quan trọng trong quá trình gia công kết cấu hàn, độ bền
mồi hàn đảm bảo nghĩa là kết cấu hàn sẽ thõa mãn điều kiện làm việc với tải trọng được
quy định. Vì vậy yêu cầu của công tác thiết kế, kiểm tra, đánh giá độ bền mối hàn là một
công việc quan trọng của người thợ hàn ở trình độ cao.
I. NỘI DUNG CHÍNH :
II.

1) Tính toán mối hàn giáp mối.
1.1. Mối hàn giáp mối chịu kéo, nén
Mối hàn giáp mối là loại mối hàn được ứng dụng rất nhiều trong kết cấu hàn, do mối hàn
có nhiều ưu điểm như: tốn ít kim loại cơ bản, ít ứng suất tập trung, công nghệ thực hiện dễ
dàng hơn. Do mối hàn chịu kéo và chịu nén thì độ bền giống nhau nên ta chỉ cần tính toán,
kiểm tra điều kiện bền cho trường hợp
chịu kéo là đủ. Để kiểm tra điều kiện
bền kéo ta xét một mối ghép hàn giáp
mối như sau:
Ta có chiều rộng của tấm nối là B cũng
chính là chiều dài cần hàn, chiều dày
của chi tiết hàn là S, lực kéo là N.
Như vậy theo lý thuyết bền ta có:
Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền thì
biểu thức sau phải được thõa mãn:

σ max = FN ≤ [σ ]k

(2-1)

h

Trong đó :

σ max : Là ứng suất sinh ra khi kết cấu chịu lực tác dụng

N : Là lực tác dụng
Fh : Là diện tích mặt cắt của mối hàn, nó được xác định như sau:
Fh = B x S
Như vậy ta có:

(2-2)
σ
= N ≤ [σ ]
max

B .S

k

Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau:
Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức trên
Bài toán 2: Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức:
4


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

N ≤ B . S .[ δ ] k

(2-3)

Bài toán 3: Tính toán các kích thước mối hàn theo công thức sau:
N .[σ ]k
S

B.S ≥ N .[σ ]k ⇒ B ≥

(2-4)

Và:

(2-5)

N .[ σ ]k
B

B .S ≥ N .[σ ]k ⇒ S ≥

Trong trường hợp nếu kích thước của kết
cấu không thay đổi, nhưng muốn tăng khả
năng chịu tải trọng của kết cấu thì chúng ta
thiết kế các mối hàn xiên như hình vẽ sau
với:
N: là lực tác dụng
B: là chiều rộng tấm nối
α: là góc vát nghiêng của các chi tiết
hàn
Như vậy điều kiện bền của mối hàn lúc
này sẽ là:

σ max = FN ≤ [σ ]k
h

= S.NB ≤ [σ ]k
sinα

⇒ σ max = NB.sin.S α ≤ [σ ]k

(2-6)

Mà α là góc luôn nhỏ hơn 900 nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy mà

điều kiện bền tăng lên.
1.2. Mối hàn giáp mối chịu uốn.
Điều kiện bền được xác định như sau:

σ =

M
W

≤ [σ ]h

Trong đó:
σ là ứng suất sinh ra do uốn
M là mô men uốn:

M =

P.l
2

W là mô men chống uốn được xác định như sau:

W =B

2

.S
6

≤ [σ ]h

Thay vào biểu thức tính độ bền ta có:

σ =

6.P.l
B2 .S

≤ [σ ]h

(2-7)

2) Tính toán mối hàn góc.
2.1.Mối hàn góc chịu kéo, nén
5


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình kiểm tra mối hàn theo các
dạng sau
a- Tính mối hàn đối xứng ngang:
xét mối hàn ngang chịu lực như hình vẽ ta có biểu thức xác định độ bền như sau:

τ=

N
2.h.B

≤ [τ ]h

(2-8)

Trong đó:
N là lực tác dụng
h là chiều cao của mối hàn
B là chiều dài đường hàn.
Do chiều cao mối hàn :
h = k.cos450 = 0,7.k và k = S
(trong trường hợp các tấm có chiều dày
không bằng nhau thì k được chọn theo
tấm có chiều dày nhỏ hơn) cho nên:

τ=

N
1, 4.S .B

≤ [τ ]h

(2-9)

b- Tính mối hàn đối xứng dọc:
Đối với mối hàn đối xứng dọc khi chịu
lực thì điều kiện bền được xác định như sau:

τ=

N
2.h.L

≤ [τ ]h

(2-10)

Trong đó:
L là chiều dài đường hàn
h là chiều cao mối hàn

Trong trường hợp mối hàn không đối xứng thì điều kiện được xác định theo công thức
sau:

τ=

N
h.( L1 + L2 )

≤ [τ ]h

(2-11)

2.2.Mối hàn góc chịu uốn
Khi mối hàn góc chịu uốn, điều kiện bền được
sau:
xác định theo công thức
(2-12)
M

τ=

h.L.B

≤ [τ ]h

Trong đó:
6


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
M là mô men uốn
H là chiều cao mối hàn
L là chiều dài mối hàn cả 2 phía
B là chiều cao của tấm hàn

Khi mối hàn chịu uốn và kéo hoặc nén thì điều kiện bền được xác định như sau:

M
N
τ=
±
≤ [τ ]h
W h.L

(2-13)

Trong đó :
M là mô men uốn
N là lực kéo
W là mô men chống uốn
h là chiều cao mối hàn
L là tổng chiều dài đường hàn

-Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn như hình vẽ thì điều kiện bền sẽ là:

τ=

M
h.l n2
h.l d .l n +
6

≤ [τ ]h

Khi tính toán ta chọn trước ln , cạnh của mối hàn k để
xác định mối hàn ld

Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén thì
điều kiện bền sẽ là:

τ=

N
+
h.L

M
h.ln .ld +

2
n

h.l

6

≤ [τ ]h

7


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

BÀI 3: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN
MÃ BÀI: MD-30-03
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài học này người học sẽ có khả năng:

™ Trình bày được các khái niệm về ứng suất khi hàn,giải thích được các
nguyên nhân gây ra ứng suất khi hàn.
™ Tính được các biến dạng dọc,biến dạng ngang của mối hàn.
™ Xác định được các biện pháp làm giảm ứng suất,biến dạng sinh ra khi hàn.
Trong quá trình hàn, do nhiệt độ giữa các vùng kim loại chênh lệch nhau rất cao do vậy
thường sinh ra ứng suất và biến dạng các ứng suất và biến dạng này làm kết cấu hàn giảm
khả năng làm việc hoặc không đủ điều kiện để làm việc vì vậy trong quá trình hàn người
thợ phải biết được những nguyên nh6n sinh ra ứng suất và biến dạng để có thể hạn chế
hoặc triệt tiêu chúng .
I. NỘI DUNG CHÍNH :
1. Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn
a- Nội ứng suất khi hàn :
Là ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi đã kết thúc hàn.
Do nội ứng suất tồn tị mà không có tác dụng của ngoại lực cho nên chúng ta phải
tương ứng cân bằng. Và muốn đảm bảo sự cân bằng thì phải tuân theo các điều kiện
cân bằng tỉnh học, nghĩa là.

(3-1)
∑ mz = 0 ∑ mx = 0 ∑ my = 0
b- Phân loại ứng suất
Các loại nội ứng suất được chia ra làm 3 nhóm như sau
*Nhóm 1:
Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó
- Ứng suất nhiệt: sinh ra do sự nung nóng không đều trên toàn bộ chi tiết
- Ứng suất dư: là ứng suất còn lại trong vật thể sau khi loại bỏ nguyên nhân sinh ra
nó. Đây là loại ứng suất thường gặp nhất
- Ứng suất do chuyển biến pha: do sự biến dạng không đều của chi tiết
*Nhóm 2:
Ứng suất sinh ra do sự cân bằng giữa các kích thước thể tích khác nhau của các phần
tử khi liên kết tạo thành vật thể. Bao gồm 3 loại là tổ chức tế vi, tổ chức thô đại và tổ
chức siêu tế vi.
*Nhóm 3:
Ứng suất theo các hướng trong không gian, bao gồm các loại là ứng suất một chiều
(ứng suất đơn), ứng suất hai chiều (ứng suất mặt), ứng suất ba chiều (ứng suất khối).
c- Các biến dạng khi hàn :
Trong quá trình hàn do chi tiết bị nung nóng và làm nguội không đều cho nên sẽ
phát sinh các biến dạng là biến dạng co dọc của mối hàn và biến dạng co ngang của
mối hàn.
- Biến dạng co dọc của mối hàn : đó là sự thay đổi kích thước chiều dài mối hàn sau
khi hàn
- Biến dạng co ngang của mối hàn: đó là sự giảm kích thước của kim loại mối hàn
và vùng lân cận theo phương vuông góc với trục đường hàn, biến dạng co ngang sẽ
tạo nên sự cong, vênh của kết cấu hàn hay còn gọi là biến dạng góc.
8


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

2. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp.
a-Tính nội lực tác dụng:
Xét tấm kim loại như hình vẽ:
Khi hàn đắp vào mép tấm thì theo
lý thuyết hàn, trên mặt cắt ngang
của chi tiết hàn do tác động của
nhiệt khi hàn sẽ có 2 vùng:
™ Vùng ảnh hưởng nhiệt : là
vùng có nhiệt độ từ
5500C÷13500C.
Tại vùng này, dưới tác dụng của
nhiệt độ sẽ có sự thay đổi thành
phần hóa học, đồng thời là sự thay
đổi về kích thước hạt. hai thay đổi này dẫn đến sự thay đổi lớn về chất lượng kim loại.
Như vậy cơ tính mối hàn chỉ thay đổi trong vùng ảnh hưởng nhiệt. tại vùng này được chia
làm 2 vùng:
Vùng thứ nhất : Phần kim loại mối hàn và lân cận , phần này trong quá trình hàn kim loại
thường tồn tại ở trạng thái một pha lỏng và hai pha lỏng +rắn. Vùng này được gọi là vùng
b1 tức là vùng có sự thay đổi lớn nhất về thành phần hóa học.
Vùng thứ hai có nhiệt độ từ 5500C đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại. Vùng này
được gọi là vùng b2 , là vùng trong quá trình hàn, kim loại đạt đến trạng thái biến dạng
dẻo,do vậy sự thay đổi về thành phần hóa học là rất nhỏ, chủ yếu là sự thay đổi về kích
thước hạt.
™ Vùng còn lại (vùng phản kháng): là vùng không bi ảnh hưởng nhiệt.
Như vậy trong vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ xuất hiện biến dạng:
∆l = α. T. l

(3-2)

Trong đó:

α: là hệ số giản nở
T: nhiệt độ
l : Chiều dài
N.l
(3-3)
Δl =
E.F

Thực nghiệm chứng tỏ rằng với mỗi loại vật liệu thì có một giới hạn riêng và giới hạn này
được dùng để xác định nội lực và biến dạng khi hàn. Giới hạn này được gọi là ứng suất tới
hạn (ký hiệu là σT)
Các ứng suất tới hạn đều được xác định bằng thực nghiệm và là một trong những thông số
cho sẵn để tính toán, thông thường có trong các sổ tay tính toán thiết kế.
Do trong vùng ứng suất tác dụng có xuất hiện biến dạng cho nên nội lực tác dụng trên mặt
cắt ngang của chi tiết hàn được xác định trong vùng này, biểu thức xác định như sau:
P = σT. Fc
Trong đó:
P: Nội lực tác dụng
σT: Ứng suất tới hạn
Fc: Diện tích của vùng ảnh hưởng nhiệt
Fc = S(b1+b2) = S.bn
9

(3-4)


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
Như vậy vấn đề đặt ra là chúng ta phải xác định được các kích thước b1, b2. Việc xác định
các kích thước này rất khó khăn bởi nó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chế độ hàn,
chiều dày vật liệu hàn, nhiệt dung riêng

Vì vậy việc tính toán chính xác là rất khó khăn, cho nên ở mức độ chính xác vừ đủ, ta có
công thức sau:

b1 =

0,484.q
S0 .Vh .C.γ .T

Trong đó:
Q: là năng lượng của hồ quang hàn và q
η = 0,75 ÷ 1,0
S0:là chiều dày tính toán của chi tiết hàn
Vh :là vận tốc hàn
C: nhiệt dung riêng
γ: trọng lượng riêng của kim loại
T: nhiệt độ khảo sát

= 0,24.Uh.Ih.η

(3-5)

(cal/s)

(3-6)

(cm)
(cm/s)
(cal/g.0C)
(g/cm3)
(T=5500C)

(3-7)

b2 = k2.(h – b1)

Trong đó:
k2: Hệ số xác định theo đồ thị đường đẳng tính ứng với mỗi loại vật liệu. Đối với
thép cacbon thấp k = 0,224
h: Chiều rộng tấm hàn
Thay b1, b2 vào biểu thức Fc = S(b1+b2)
Vậy nội lực tác dụng:
P = σT. Fc hoàn toàn xác định được.
b-Tính ứng suất phản kháng và lực phản kháng:
Ứng suất phản kháng và lực phản kháng là hai yếu tố chống lại lực tác dụng.
-Lực phản kháng Pk
(3-8)
Pk = P = σT. Fc
- Ứng suất phản kháng σ2

σ2 =

P
Pk σ T .Fc
P
=
=
=
Fk F − Fc S.h − Sbn S.(h − bn )

c-Tính mô men uốn:
Mu = Mk-Mp

Nếu M > 0 Kết cấu hàn võng xuống
Nếu M > 0 Kết cấu hàn cong xuống
Mk = Pk.y1
Mp = P.y2
d-Tính ứng suất uốn:

σu =
Với

Mu

W

(3-11)
u

S.h2
Wu =
6
10

(3-10)

(3-9)


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
d-Tính độ võng:

M .l 2

f =
8 EJ

Với

(3-12)

S.h3
J=
12

3. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối.

a- Tính nội lực tác dụng:
Nội lực tác dụng là nội lực sinh ra trong vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng phụ
thuộc vào diện tích của vùng có nhiệt độ nóng chảy đến 5500 C, vùng này còn gọi là vùng
ứng suất tác dụng , nội lực tác dụng được tính như sau:
(3-13)
P = σT .Fc
Trong đó :
σT là ứng suất sinh ra khi hàn và theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu thường
được chọn bằng giới hạn chảy
Fc là vùng ứng suất tác dụng khi hàn, vùng này được xác định như sau:
Fc = b0.S
(3-14)
11


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
Trong đó

S là chiều dày của chi tiết hàn :
b0 là chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng được xác định như sau
b0 = (b1 + b2).2
b1 là vùng mối hàn và lân cận bao gồm vùng nóng chảy , vùng chảy dẻo
b2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi
b1 =

0,484.q
S 0 .v.c.γ .550 0 C

(3-15)

Trong đó :
q là năng lượng hữu ích của nguồn nhiệt
q = 0,24.Uh..Ih.η calo/s
η =0,65 khi hàn hồ quang tay.
η =0,9 khi hàn tự động
v :là vận tốc hàn cm/s
S :là chiều dày tính toán của kết cấu hàn
c :là nhiệt dung của kim loại calo/g 0C
y : là khối lượng riêng của kim loại g/cm3
Việc xác định b2 phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như năng lượng riêng q0 chiều rộng
tấm hàn h0 và các thông số khác b2 có thể được xác định như sau
b2 = K2 .(h –b1)
Trong đó :
K2 là hệ số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo chi tiết
h là chiều rộng toàn bộ phần ứng suất tính toán
Đối với hàn hồ quang tay thì h =250mm
Đối với hàn tự động thì
h =300 – 350mm

Thay b1 , b2 vào các biểu thức trên ta tính
được nội lực tác dụng P
Trong trường hợp nếu hàn hai tấm có
chiều rộng không bằng nhau thì ta tính
toán như sau:
P= σT.Fc = σT. (bna + bnc).S
Trong đó bna ≠ bnc

(3-17)

b- Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng khi hàn hai tấm có kích thước
khác nhau
- Nội lực phản kháng ở hai tấm hàn được tính như sau:
Pa = σ2. a . s
Pc = σ2. c . s
Trong đó :
Pa ,Pc là lực phản kháng của tấm hàn 1 và tấm hàn 2
a và c là chiều rộng của vùng phản kháng 1 và vùng phản kháng 2
S là chiều dày của các tấm
Ứng suất phản kháng được tính như sau
Theo nguyên lý cân bằng lực thì
P = P a + Pc
12


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
Thay các giá trị của chúng vào ta có
σT. b0.S = σ2 .(a+c). S
Từ đó ta có :

σ2 =

σ T .(bna + bnc )
a+c

=

σ T .b0
h − b0

(3-18)

c- Tính mô men uốn
Các lực Pa và Pc sẽ tạo ra mô men uốn khi quay quanh tâm của vùng ứng suất tác dụng , và
mô men quay này được xác định như sau:

a + bo
2
c + bo
Mc = Pc
2
Ma = Pa

Vì các mô men này có chiều ngược nhau cho nên :
M = Ma - Mc = Pa

a + bo
c + bo
c + bo
a + bo

.
.
.
.
σ
σ
a
s
−
c
s
Pc
= 2
2
2
2
2
2

Thay giá trị của ứng suất phản kháng vào ta có

M =

σ T .b0 .S
2(h − b0 )

(a + b0 + c)

⇒

M =

P.h.(a − c)
2(h − b0 )

(3-19)

Từ công thức trên ta nhận thấy rằng, nếu c=0 tức là hàn vào mép tấm, khi đó mô men uốn
M có giá trị lớn nhất, khi c=a tức là hàn hai tấm có kích thước bằng nhau thì mô men uốn
M=0. Như vậy khi hàn giáp mối những tấm hàn có kích thước bằng nhau thì biến dạng sẽ
nhỏ nhất, khi hàn những tấm hàn có kích thước khác nhau thì biến dạng sẽ xảy ra.
d- Tính ứng suất uốn
Dưới tác dụng của mô men uốn M, sẽ sinh ra ứng suất uốn, ứng suất uốn này được xác
định như sau:
M
M
6.P.h.(a − c)
σu =
=
=
2
2(h − b0 ).s.h 2
W S .h
6
Vậy ta có:

σu =

3.σ T .b0 (a − c)
h(h − b0 )

e- Tính độ võng :
Độ võng lớn nhất được xác định theo công thức sau.

M .l 2
f max =
8EJ

Trong đó:
M là mô men uốn lớn nhất
l là chiều dài của chi tiết hàn
E là mô đun đàn hồi
J là mô men quán tính được xác định như sau.
13

(3-20)


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
J =

S .h 3
12

Thay vào biểu thức tính độ võng ta có.

f max =

Vậy ta có:

12 .M .l 2
3 .M .l 2
=
8 ES .h 3
2 .E .S .h 3
f max

3 .M .l 2
=
( cm )
2 .E .S .h 3

(3-21)

4. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu thép chữ T.
Kết cấu thép chữ T gồm 2 tấm, một tấm đế và một tấm vách hàn với nhau bằng hai mối
hàn góc như hình vẽ.

Vùng ứng suất tác dụng sinh ra trong mối hàn góc chữ T được xác định như sau:
Fc = (2b1+2b21+S2).S1+(b1+b22). S2+ K2
Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng được xác định như sau:
P=σT.Fc
(3-22)
σ2 =

P
F − Fc

(3-23)

Các lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ. nếu biến dạng do uốn ngang rất nhỏ, không
đáng kể, lúc này ta có:
P = 2P1 +P2
Trong đó:
P1 là nội lực phản kháng của tấm đế, được xác định như sau:

S ⎞
⎛
P1 = σ 2 .⎜ h 1 − b n 1 − 2 ⎟ . S 1
2 ⎠
⎝
14


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
P2 là nội lực phản kháng của tấm vách và được xác định như sau:

P2 = σ 2 .(h 2 − b n 2 ). S 2

Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu là:
M= P2.y2-2P1.y1
Trong đó:
y1, y2 là khoảng cách từ các điểm đặt lực phản kháng 2P1, P2 đến trọng tâm của vùng
ứng suất tác dụng. Đồng thời điểm đó cũng là điểm đặt của lực tác dụng P.
Nếu kết cấu hàn để tự do trong quá trình hàn thì dưới tác dụng của mô men uốn M, kết
cấu sẽ bị uốn và sẽ sinh ra ứng suất được xác định như sau:
M
σ=
W
Do ảnh hưởng của mô men uốn mà các liên kết bị cong sau khi hàn tạo ra độ võng và độ

võng được xác định như sau:
f max =

M .l 2
8 EJ

(3-25)

5. Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn
a-Các biện pháp về kết cấu và công nghệ
Trong quá trình gia công các kêt cấu để hạn chế các biến dạng xảy ra khi thiết kế các
kết cấu hàn cần chú ý một số vấn đề sau :
Sử dụng vật liệu cơ bản nên dùng vật liệu có tính hàn tốt , có độ dẻo cao
Không nên bố trí các đường hàn giao nhau , cố gắng giảm tối đa các mối hàn góc và
thay thế bằng các mối hàn giáp mối .
Khi lắp ghép kết cấu cần tránh những mối hàn đính tạo thành mối ghép cứng , sử
dụng đồ gá sao cho khi hàn kim loại có thể tư do co giãn .
Khi hàn cần chú ý một số vấn đề sau :
Đối với các tấm được chế tạo từ các tấm nhỏ , trước hết phải hàn các mối hàn ngang
để tạo thành các dải hàn riêng biệt sau đó hàn các dải này với nhau tạo thành tấm lớn
Khi hàn các kết cấu dầm cần hàn các mối hàn nối các tấm đế , tấm vách sau đó mới
bắt đầu hàn các mối hàn góc liên kết giữa các tấm đế và tấm vách
Khi hàn các kết cấu thùng chứa bể hình trụ cần hàn các đường hàn dọc của các tấm
vòng , sau đó hàn các vòng lại với nhau
Khi hàn nhiều lớp nhiều đường , thì các hướng sau có hướng ngược với các lớp hàn
trước .
b-Các biện pháp khử biến dạng
Trong các trường hợp các đường hàn được bố trí đối xứng nhau thì cùng hàn cả hai
phiá đồng thời , như vậy biến dạng sinh ra cả hai phía sẽ có chiều ngược nhau , kết
quả là chúng sẽ bị triệt tiêu hoặc sẽ bị giảm xuống còn rất nhỏ . Nếu khi hàn một số

kết cấu có thể tạo ra được biến dạng ngược thì cố gắng lắp ghép để khi hàn tạo thành
các biến dạng ngược , thông thường hàn các kết cấu tấm dễ thực hiện phương pháp
này .
c-Kẹp chặt chi tiết khi hàn .
Chi tiết được kẹp chặt bằng các loại đồ gá có đủ độ cứng vững để trong quá trình
hàn biến dạng sinh ra sẽ bị khống chế cưỡng bức , sử dụng phương pháp này trong
quá trình gia công cần tính đến sự gia tăng nội ứng suất .
d-Các phương pháp nội ứng suất .
Phương pháp tạo luc ép lên mối hàn : Đây là phương pháp mà sau khi hàn xong
người ta dùng các biên pháp tác dụng lên mối hàn các lực ép dủ lớn để triệt tiêu các
15


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
ứng suất tồn tại trong mối hàn , cũng có thể thực hiện bằng cách dùng máy cán để
cán mối hàn sau khi đã hàn .
e-Nung nóng trước khi hàn và trong quá trình hàn:
Đây là biện pháp nhằm mục đích làm cho nhiệt sinh ra trong quá trình hàn được
phân bố tương đối đồng đều cho nên ứng suất sinh ra sẽ giảm ở mức tối thiểu , các
phương pháp này được ứng dụng khi hàn những vật liệu có tính hàn kém . Nguồn
nhiệt được sử dụng thông thường dùng dòng điện cao tần , dùng nhiệt của các ngọn
lửa khí đốt và một số nguồn nhiệt khác .
g-Nung sau khi hàn :
Đây là phương pháp loại bỏ ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi hàn , có thể dùng
các phương pháp ram thấp ở nhiệt độ khoảng 600-6500 C sau đó giữ nhiệt trong
khoảng thời gian từ 2 – 3 phút cho 1mm chiều dày chi tiết hàn. Phương pháp này chỉ
ứng dụng cho các chi tiết có kích thước nhỏ.
h-Nắn, sửa:
Nắn sửa kết cấu sau khi hàn là một phương pháp thông dụng, quá trình nắn sửa có
thể thực hiện bằng cách nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt. Nắn cơ khí được thực hiện trên

các máy búa, máy ép, máy cán...Quá trình này có thể thực hiện được ở các trạng thái
nóng hoặc nguội. Nắn nhiệt là phương pháp dùng nhiệt để tạo ra các ứng suất sinh ra
trong quá trình hàn, kết quả là các ứng suất này tự cân bằng nhau, quá trình nắn nhiệt
đòi hỏi người thợ, người cán bộ kỹ thuật phải am hiểu các quá trình biến dạng do
nhiệt, có kinh nghiệm thực tế để lựa chọn được các điểm nung hợp lý.

16


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

BÀI 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU DẦM, TRỤ
MÃ BÀI: MĐ-30-04
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài học này người học sẽ có khả năng:

™ Trình bày đầy đủ khái niệm về dầm trụ, phân loại dầm trụ.
™ Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dầm trụ đơn
giản, thường dùng.
™ Giải thích các ứng suất và biến dạng khi hàn các loại dầm trụ đơn giản.
™ Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dầm trụ.
™ Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng
-Dầm là một loại kết cấu được sử dụng rất rộng rải trong các nghành kỷ thuật xây dựng
cầu, chế tạo máy, chế tao ô tô, đóng tàu thủy, thiết bị nâng hạ ...Phần lớn các kết cấu dầm
thép đều được chế tạo bằng phương pháp hàn
-Trụ là một kết cấu chịu tải nén là chủ yếu, kết cấu được sử dụng rất nhiều trong các ngành
công nghiệp xât dựng, cơ khí chế tạo máy,công nghiệp chế tạo ô tô, công nghiệp chế tạo
tàu thủy và các ngành công nghiệp khác
I. NỘI DUNG CHÍNH :
1. Khái niệm về dầm, trụ.

™ Khái niệm:
-Dầm là một phần tử của kết cấu hàn , làm việc chủ yêu chịu uốn , dầm được liên kết tạo
thành các kết cấu khung, bệ .
Trong thực tế dầm được sử dụng nhiều trong các kết cấu cầu , kết cấu khung nhà bằng
thép, khung sườn tàu thủy, ô tô, cầu trục ...
-Trụ là một kết cấu chịu tải trọng nén là chủ yếu, thường được chế tạo để làm các cột
chống khung nhà, các phần tử của khung thân máy, của toa xe,các loại trụ cầu, các loại
cột điện..v..v. lực đặt lên trụ có thể là đúng tâm hoặc lệch tâm
™ Phân loại:
-Trong thực tế dầm có rất nhiều loại, tùy theo từng điều kiện cụ thể mà có thể sử dụng
các loại dầm có mặt cắt ngang khác nhau, tuy nhiên kết cấu dầm làm việc trong điều kiện
chịu uốn là chính cho nên các dạng mặt cắt ngang của dầm bao gồm 4 loại chính như sau
-Dầm có mặt cắt ngang hình chữ I
-Dầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật
-Dầm có mặt cắt ngang hình chữ U
-Các loại dầm khác gồm có dầm có mặt cắt ngang hình chữ T, hình vuông...
-Kết cấu trụ thép được chế tạo bằng phương pháp hàn trong các ngành kỹ thuật, thường
có các dạng sau đây:
Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ
Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ
Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ
2. Tính toán dầm, trụ.
*Tính toán thiết kế dầm
17


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
a- Tính chọn chiều cao của dầm.
Do dầm làm việc ở chế độ chịu uốn cho nên độ cứng của dầm phải được thỏa mãn,
muốn độ cứng của dầm được đảm bảo thì chiều cao của dầm phải được xác định

thỏa mãn được các điều kiện của nó. Trong thực tế chiều cao tính toán của dầm có
thể được tính theo công thức thực nghiệm sau :
Đối với dầm chữ I:

h = 1,3 ÷ 1,4

Đối với dầm hình hộp:

h=

M
Sv.[σ ] k

M
Sv.[σ ] k

(4-1)

(4-2)

Trong đó :
M :là mô men uốn tính toán của dầm
Sv :là chiều dày của tấm vách. Khi thiết kế dầm thì trị số của Sv là chưa biết,
vì vậy ban đầu ta chọn Sv một giá trị nào đó. Với các kết cấu xây dựng thì Sv
được chọn trong một giới hạn hẹp như sau:
Sv = 5 ÷ 10 khi chịu tải trọng nhẹ.
Sv = 10 ÷ 18 khi chịu tải trọng nặng.
b- Tính toán các thông số khác của dầm:
-Tính mô men chống uốn:
-Mô mô men chống uốn của dầm được xác định theo công thức sau:

M
Trong đó M đã được xác định.
Wy =
(4-3)
[σ ] k
-Tính mô men quán tính của tiết diện, moomen quán tính được tính như sau:
h
J y = Wy.
(4-4)
2
Trong đó
Wy đã tính
h là chiều cao dầm đã được tính theo công thức thực nghiệm ở trên.
-Tính mô men quán tính của tấm vách đứng có chiều cao hv , chiều dày Sv.
Mô men quán tính của tấm vách đứng được xác định như sau:
S v .h v3
Jv =
(4-5)
12
Trong đó:
hv được lấy gần đúng theo công thức sau: hv = 0,95.h
-Tính mô men quán tính của 2 tấm đế.
Mô men quán tính của 2 tấm đế được tính theo công thức sau:
Jd = JY – Jv (Áp dụng từ: JY = Jd+ Jv)
Nhưng theo lý thuyết bền ta lại có:

Jd =

2
⎡

⎛ h1 ⎞ ⎤
2 ⎢ J 0 + Fd ⎜ ⎟ ⎥
⎝ 2 ⎠ ⎦⎥
⎢⎣

(4-5)

Trong đó:
J0 :là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trục riêng của nó. Thường thì
trị số này rất nhỏ cho nên khi tính toán ta có thể bỏ qua
18


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
h1 :là khoảng cách giữa hai tấm đế, thường được chọn như sau:
h1 = (0,95÷ 0,98).h
Từ biểu thức trên ta có tiết diện của một tấm đế là:

Fd =

2 .J d
h12

(4-6)

-Tính ứng suất do uốn:
Dưới tác dụng của mô men uốn M sẽ gây ra một ứng suất uốn và được xác định như
sau:

σ =

M .h
≤ [σ ] k
2 .J Y

(4-7)

-Tính ứng suất cắt:
Dưới tác dụng của lực cắt Q trên mặt cắt ngang sẽ xuất hiện ứng suất cắt, ứng suất
cắt này được xác định như sau:
Q .S
(4-8)
τ =
≤ [τ ]
J .S v
Trong đó :
Q: là lực cắt ngang lớn nhất của dầm
S: là mô men tĩnh của ½ mặt cắt ngang lấy đối với trọng tâm của dầm
Sv: là chiều dày của tấm vách.
-Tính ứng suất tương đương.
Ứng suất tương đương được xác định khi giá trị của M và Q cùng cực đại tại một
mặt cắt, chúng được xác định ở cạnh trên của tấm vách, công thức tính như sau:

σ td = (σ 12 + 3.τ 12 ≤ [σ ]k

(4-9)

Trong đó:

M .hv

2. J
Q.S
τ1 =
J .S v

σ1 =

Với S là mô men tĩnh của tiết diện ngang lấy đối với trục trung tâm của tiết diện
dầm.
Trong một số trường hợp σtd nhỏ hơn ứng suất gây ra do uốn, do vậy trong mọi trường
hợp thì: σtd ≤ 1,05.[σ]k
Tiết diện được coi là hợp lý khi:
(4-10)
σmax = (0,95 ÷ 1,05) .[σ]k
c- Tính toán thiết kế các mối hàn dầm.
Phần lớn các phần tử của dầm liên kết với nhau bằng các đường hàn góc giữa các
tấm đế và các tấm vách. Khi dầm làm việc thường xuất hiện cả hai loại ứng suất
pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến, ứng suất cắt dọc theo mối hàn giữa tấm vách và
tấm đế là nguy hiểm nhất, ứng suất này được xác định như sau:

τ =

Q .S
J .S v

(4-11)
19


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

Các mối hàn có cạnh là K thì:

τ =

Q.S
J .2 .0,7 .K

(4-12)

Trường hợp tải trọng di động trên mặt dầm thì:

τk =

n.P
z .2 .0 ,7 .K

(4-13)

Trong đó:
P: là trị số tải trọng tập trung
n: là trị số phụ thuộc vào đặc trưng gia công cạnh tấm đứng
z: là chiều dài mối hàn tính toán trên đó áp lực truyền từ tấm đế sang tấm
đứng.
Sau khi xác định được T và Tk ta tiến hành xác định ứng suất tổng hợp theo công
thức sau:
(4-14)
τ th = τ 2 + τ k2 ≤ [ τ ] h .
*Trong thực tế khi yêu cầu sử dụng dầm có chiều dài lớn ta phải tiến hành nối dầm,
khi nối dầm cần lưu ý các mối nối ở các tấm phải lệch nhau như hình vẽ:
(Hình vẽ nối dầm)

Độ bền của mối hàn nối dầm được xác định như sau:

σ=

M
≤ [σ ] h
W

(4-15)

Nếu σ > [σ]h thì ta phải hàn thêm vào chỗ nối tấm ốp phụ để làm cho mô men quán
tính tăng và mô men chống uốn sẽ tăng, lúc này ta có:

σ=

M
≤ [σ ]h
W'

(4-16)

Trong đó:
W’ là mô men chống uốn của tiết diện khi có tấm đệm.
Khi tính toán thiết kế ta nên hạn chế dùng tấm đệm vì nó là nguồn gốc sinh ra
ứng suất tập trung.

*Tính toàn thiết kế trụ
a- Tính toán thiết kế mặt cắt ngang của trụ
Độ bền và độ ổn định của trụ khi chịu nén đúng tâm được xác định theo công thức sau
đây:

σ=

N
≤ [σ ]n = [σ ]k .ϕ
F

Trong đó:
N: là lực nén dọc trục
F : là diện tích mặt cắt ngang của trụ
20

(4-17)


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
φ: là hệ số uốn dọc, hệ số này luôn nhỏ hơn 1
Khi tính toán thiết kế ta dùng hệ số φ để đảm bảo tính ổn định của phần tử chịu nén
do bị uốn dọc.
Nếu gọi λ là tỷ số giữa chiều dài tự do L của phần tử với bán tính quán tính r của tiết diện
ngang của phần tử cong, nó là một hư số và:

λ=

L
r

(4-18)

Trong đó :

r là bán kính quán tính được xác định theo công thức sau:
r=

J
F

(4-19)

Ở công thức trên: J là mô men quán tính của tiết diện ngang của trụ (F)
Khi xác định chiều dài của trụ cần lưu ý một điều là, chiều dài này còn phụ thuộc vào
dạng liên kết của trụ.
Sau khi xác định được λ ta có thể tra bảng để xác định được φ, dựa vào φ để tính F theo
công thức (4- 1). Nhưng mặt khác ta cũng thấy rằng muốn chọn được φ thì phải căn cứ
vào F. Vì vậy khi giải bài toán náy ta phải sử dụng bài toán gần đúng liên tục.
Đầu tiên ta chọn trước một giá trị φ1 = 0,5÷ 0,8 tùy thuộc vào từng loại kết cấu ,sau khi
chọn được φ1 ta thay vào công thức kiểm tra điều kiện bền để xác định F1 theo công thức
sau đây:

F1 =

N
[σ ]k ϕ1

(4-20)

J min
F2

(4-21)

L

(4-22)

Sau khi xác định được F1 ta thiết kế mặt cắt ngang hợp lý trên cơ sở của F1 và sẽ có mặt
cắt ngang mới F2 ≈ F1 ( F2 luôn được chọn lớn hơn F1)
Từ F2 ta tính mô men quán tính nhỏ nhất để thay vào công thức (4-3) nhằm xác định bán
kính nhỏ nhất như sau:

rmin =
Từ rmin ta có:

λ max =

rmin

Với giá trị của λmax được xác định ở trên ta tiến hành tra bảng để xác định hệ số φ, hệ số
này ta gọi là φ2.
Thay φ2 để kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức:

σ=

N
≤ [σ ]k
F2 .ϕ 2

(4-23)

Nếu sai lệch trong ccong thức trên nằm trong phạm vi ±5% thì thõa mãn điều kiện bền,
các kích thước tính toán và mặt cắt thiết kế đảm bảo hợp lý.

Trong trường hợp kết quả tính toán vượt ra khỏi giới hạn cho phép trên thì phải tính toán
lại từ đầu.
Như vậy khi tính toán thiết kế một kết cấu trụ , chúng ta phải thực hiện các bước sau:
- Chọn trước một giá trị φ1, thông thường giá trị φ1 này nằm trong phạm vi từ 0,5÷
0,8. trong một số trường hợp người ta có thể cho trước giá trị này.
- Tính F1 theo công thức (4-20).
21


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
- Thiết kế mặt cắt hợp lý , trên cơ sở của F1 từ đó xác định F2 của mặt cắt vừa thiết
kế.
- Tính mô men quán tính Jx và Jy sau đó chọn mô men quán tính nào có giá trị nhỏ
hơn để tính bán kính quán tính cực tiểu.
- Tính bán kính quán tính cực tiểu theo công thức (4-21)
- Tính độ cong lớn nhất λmax theo công thức (4-22)
- Tra bảng và xác định φ2
- Kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức (4-23)
- So sánh kết quả tính toán với các điều kiện cho phép để rút ra kết luận.
- Tính toán lại nếu không thõa mãn các yêu cầu.
b- Tính toán thiết kế các mối hàn liên kết các phần tử của trụ
Trong quá trình chịu tác dụng của lực ,nếu lực tác dụng đặt đúng tâm thì lực ngang
Q = 0, tuy nhiên trong thực tế thì trụ nào khki bị nén cũng cong đi một ít và lực tác
dụng cũng không hoàn toàn đặt đúng tâm. Vì vậy lực ngang Q ≠ 0. theo thực nghiệm
thì lực ngang được xác định như sau:
(4-24)
Q = 0,2. F (KN )
Trong đó F là diện tích mặt cắt ngang của trụ có thứ nguyên là cm2. Công thức trên
chỉ áp dụng khi vật liệu chế tạo là thép các bon thấp, hợp kim nhôm.
Trường hợp vật liệu sử dụng chế tạo trụ là các loại thép hợp kim thì công thức tính

toán là:
Q = 0,4. F (KN ) (4-25)
Với những kết cấu mà khi làm việc xuất hiện cả lực dọc và lực ngang thì ta có công
thức xác định:

Q = P.

e
l

(4-26)

Trong đó :
e: là khoảng cách từ điểm đặt lực đến tâm của mặt cắt ngang
l: là chiều cao của trụ
Ứng suất sinh ra tại các mối hàn dưới tác dụng của lực ngang được xác định như sau:

τ=

Q.S
J .2.0,7.K

(4-27)

Trong đó:
Q là lực cắt ngang
J là mô men quán tính của toàn tiết diện lấy đối với trục Y
K là chiều cao mối hàn
S là mô men tỉnh lấy đối với trục đứng
Vật liệu sử dụng

Độ cong
phần tử
(λ)

CT3, CT4

CT5

Thép hợp kim

Hợp kim nhôm

10
20
30
40

0,99
0,97
0,95
0,92

0,98
0,96
0,93
0,89

0,98
0,95

0,92
0,89

0,973
0,946
0,890
0,770

22


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
50
0,89
0,85
60
0,86
0,80
70
0,81
0,74
80
0,75
0,67
90
0,69
0,59
100
0,60
0,50

110
0,52
0,43
120
0,45
0,37
130
0,40
0,32
140
0,36
0,28
150
0,32
0,26
160
0,29
0,25
170
0,26
0,21
180
0,23
0,19
190
0,21
0,17
200
0,19
0,15

23

0,84
0,78
0,71
0,63
0,54
0,46
0,39
0,33
0,29
0,25
0,23
0,21
0,19
0,17
0,15
0,13

0,664
0,542
0,458
0,387
0,322
0,280
0,243
0,213
0,183
0,162

0,152


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)

BÀI 5: TÍNH TOÁN KẾT CẤU DÀN, TẤM VỎ
MÃ BÀI: MĐ-30-05
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài học này người học sẽ có khả năng:

™ Trình bày đầy đủ khái niệm về dàn, kết cấu tấm vỏ.
™ Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ
™ Mô tả các ứng suất biến dạng khi hàn tấm vỏ và biện pháp chống ứng suất
và biến dạng đó.
™ Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dàn, tấm vỏ
™ Vận dụng kiến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt.
™ Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng.

™ Dàn là một kết cấu được sử dụng rất nhiều trong các ngành kỹ thuật, đặc biệt trong
công nghiệp xây dựng, giao thông, chế tạo thiết bị nâng hạ, các công trình điện, công
trình viễn thông v.v.
™ Các kết cấu tấm được sử dụng rất rộng rãi trong kỷ thuật, đó là các thùng chứa, bể
chứa, nồi hơi, vỏ tàu thủy, các loại thiết bị trong hóa chất.v.v. Các loại kết cấu này cần
có mối hàn đãm bảo độ bền, độ kín.
I. NỘI DUNG CHÍNH :
1. Khái niệm về kết cấu dàn, tấm vỏ.
a. Khái niệm chung :
-Dàn là một hệ thống các thanh liên kết với nhau ở các đầu mút bằng các khớp bản lề,
bất biến về hình dáng khi chịu tác dụng của tải trọng. Hệ thống được xem là bất biến về
hình dáng hình học là hệ thống mà khi chịu tải trọng thì các điểm của nó có chuyển vị,

song khi bỏ tải trọng thì các điểm của nó trở về vị trí ban đầu, nghĩa là hệ thống đó làm
việc ở trạng thái đàn hồi.
Các dàn liên kết bằng hàn không phải là dàn bản lề nhưng thực nghiệm chứng tỏ rằng
sự phân bố ứng lực trong các thanh của dàn hàn không khác nhau nhiều so với các dàn
bản lề-bu lông. Vì vậy các dàn hàn được xem như là một hệ thống bản lề và việc tính
toán thiết kế được thực hiện như hệ thống dàn liên kết bằng bu lông- bản lề
Cấu trúc dàn gồm các phần tử như sau: Thanh biên trên, thanh biên dưới, thanh chống,
thanh giằng, liên kết giữa các phần tử với nhau được gọi là nút dàn.
Kết cấu dàn được thể hiện như hình vẽ sau:
-Kết cấu tấm là những kết cấu được tạo thành bằng việc liên kết các tấm kim loại với
nhau tạo thành những dạng thùng chứa, bể chứa, vỏ tàu thủy, máy bay, xe ô tô, toa tàu,
các loại bình chứa khí, chứa các loại chất lỏng, các loại ống dẫn.v.v.Các loại yêu cầu
này thường có yêu cầu về độ kín, độ bền của mối hàn cao đảm bảo an toàn khi vận hành
sử dụng. Các liên kết hàn trong kết cấu tấm thường là những liên kết hàn giáp mối, liên
kết hàn góc. Các tấm kim loại trước khi hàn thường được tạo hình phù hợp với đặc
điểm làm việc của kết cấu. Các mối hàn sau khi hàn thường được kiểm tra chặt chẽ
theo quy định đã được tiêu chuẩn hóa.

24


Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ)
b. Phân loại :
Phân loại Dàn:
Dàn được phân loại theo công dụng, theo kết cấu tổ hợp của nó, trong kỹ thuật dàn
được xem là hợp lý nhất là dàn thõa mãn được các điều kiện như: kết cấu hợp lý nhất,
trọng lượng nhỏ nhất, chế tạo dễ dàng nhất. Kết cấu dàn được chia ra các loại như sau:
Dàn kèo nhà: bao gồm :Dàn kèo nhà dân dụng – Dàn kèo nhà công nghiệp.
Dàn kèo nhà dân dụng:

Dàn kèo nhà công nghiệp

Dàn cầu trục

Phân loại kết cấu tấm:
Trong thực tế hầu hết các loại kết cấu tấm đều có những yêu cầu khác nhau về độ kín và độ
bền tùy theo những điều kiện làm việc. Do vậy công nghệ gia công cũng có những yêu cầu
tương ứng để thỏa mãn được các điều kiện kỷ thuật.
Do những đặc điểm trên mà hầu hết các loại kết cấu đều được phân chia làm hai nhóm sau
a- Nhóm 1
Gồm các loại thùng chứa, và các loại kết cấu khác dùng để chứa các chất lỏng và chất
khí không nguy hiểm vì nổ, không có độc và có áp suất nhỏ trong phạm vi P ≤ 5 N/cm2
nhiệt độ khoảng T ≤ 1000C . Các loại kết cấu này thường làm việc trong những điều
kiện bình thường.
b- Nhóm 2
Gồm các loại kết cấu như vỏ tàu thủy, bình chứa oxy, bình chứa khí cháy, nồi hơi chịu
áp lực cao.v.v. Các loại kết cấu này trong quá trình làm việc luôn luôn ở trạng thái nguy
hiểm yêu cầu có hệ số an toàn rất cao vì vậy khi làm việc phải tuân theo những chỉ dẫn
đặc biệt.
25