Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn) - CĐ Nghề Việt Đức, Hà Tĩnh

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ TĨNH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT - ĐỨC HÀ TĨNH

GIÁO TRÌNH
Mơ đun/Mơn học: TÍNH TỐN KẾT CẤU HÀN
Nghề: HÀN
Trình độ: CAO ĐẲNG
Biên soạn: Nguyễn Văn Trúc
Tài liệu lưu hành nội bộ

Năm 2017

1


MỤC LỤC
Bài 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN ........................................................ 6
1. Thép đinh hình................................................................................................... 6
2. Thép tấm. ........................................................................................................... 7
3. Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn. ..................................... 7
3.1. Thép các bon thấp....................................................................................... 7
3.2. Thép hợp kim thấp. .................................................................................... 7
3.3. Thép không rỉ.............................................................................................. 7
3.4. Nhôm và hợp kim nhơm. ............................................................................ 8
4. Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn. ........................................................... 8
Bài 2: TÍNH TỐN ĐỘ BỀN MỐI HÀN ................................................................. 8
1. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối. .................................................... 8
2. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn góc. .......................................................... 10
2.1. Tính mối hàn đối xứng ngang. ................................................................. 10
2.2. Mối hàn đối xứng dọc. .............................................................................. 11
3. Tính độ bền uốn tổng hợp của các mối hàn. ................................................... 12

3.1. Mối hàn giáp mối chịu uốn. ..................................................................... 12
3.2. Mối hàn góc chịu uốn (hình 2-6)...................................................... 12
3.3. Mối hàn chịu xoắn. .................................................................................. 14
3.4. Các ví dụ tính tốn.................................................................................... 14
4. An tồn lao động - Vệ sinh phân xưởng.......................................................... 16
Bài 3: ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN .................................................... 17
1. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp. ....................................................... 17
2. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối. ............................................... 18
2.1. Tính nội lực tác dụng. ............................................................................. 19
2.2. Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng khi hàn 2 tấm có kích
thước khác nhau (hình 3-2). ............................................................................ 20
2.2.1. Nội lực phản kháng ở 2 tấm hàn được tính như sau:....................... 20
2.2.2. Ứng suất phản kháng được tính như sau. ........................................ 20
2.3. Tính mơ men uốn. ..................................................................................... 20
2.4. Tính ứng suất uốn. .................................................................................... 21
2.5. Tính độ võng. ............................................................................................ 21
2.6. Các ví dụ và bài tập. ................................................................................. 22
3. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu thép góc. ................................... 23
3.1. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ L. (hình 4- 4) ......... 24
3.1.1. Tính lực tác dụng. .............................................................................. 24
2


3.1.2. Tính ứng suất phản kháng. ............................................................... 24
3.1.3. Tính mơ men uốn. .............................................................................. 24
3.2. Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ T. ........................................ 25
4. Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn. ..................................... 26
4.1. Các biện pháp về kết cấu và công nghệ. .................................................. 26
4.2. Các biện pháp khử biến dạng................................................................... 27
4.3. Kẹp chặt chi tiết khi hàn. ......................................................................... 27

4.4. Các phương pháp giảm ứng suất. ............................................................ 27
4.4.1. Phương pháp tạo lực ép lên mối hàn. ............................................... 27
4.4.2. Nung nóng trước khi hàn và trong quá trình hàn............................ 27
4.4.3. Nung sau khi hàn. .............................................................................. 27
4.4.4. Nắn, sửa.............................................................................................. 27
5. An toàn lao động và vệ sinh phân xưởng. ....................................................... 28
I. Tính tốn kết cấu dầm. .................................................................................... 28
1. Khái niệm và phân loại dầm............................................................................ 28
1.1. Khái niệm. ................................................................................................. 28
1.2. Phân loại dầm. .......................................................................................... 28
2. Tính tốn thiết kế dầm. ................................................................................... 29
2.1. Tính chọn chiều cao của dầm. .................................................................. 30
2.2. Tính tốn các thơng số khác của dầm. ..................................................... 30
2.2.1. Tính mơ men chống uốn. ................................................................... 30
2.2.2. Tính mơ men qn tính của tiết diện. ............................................... 30
2.2.3. Tính mơ men qn tính của tấm vách đứng có chiều cao hb chiều
dày Sb. .......................................................................................................... 30
2.2.4. Tính mơ men quán tính của 2 tấm đế. .............................................. 31
2.2.5. Tính ứng suất do uốn......................................................................... 31
2.2.7. Tính ứng suất tương đương. ............................................................. 31
2.3. Tính tốn các mối hàn dầm. ..................................................................... 32
3. Ứng suất và biến dạng khi hàn dầm. .............................................................. 33
4. Ứng dụng tính vật liệu gia cơng dầm. ............................................................. 37
4.1. Tính phản lực tại các gối đỡ. .................................................................... 38
4.2. Tính mơ men uốn M. ................................................................................ 38
4.3. Tính chiều cao của dầm. ........................................................................... 38
4.4. Tính mơ men chống uốn Wy. .................................................................... 39
4.5. Tính mơ men qn tính J y. ....................................................................... 39
4.6. Tính mơ men qn tính của tấm vách Jb. ................................................ 39
4.7. Tính mơ men qn tính của tấm đế J d. .................................................... 39

4.8. Tính chiều cao hd. ..................................................................................... 39
3


4.9. Kiểm tra độ bền uốn. ................................................................................ 40
4.10. Tính ứng suất tiếp lớn nhất. ................................................................... 40
II. Tính tốn kết cấu trụ. ..................................................................................... 40
1. Khái niệm, phân loại, trạng thái chịu tải trọng của trụ. ................................ 40
1.1. Khái niệm. ................................................................................................. 40
1.2. Phân loại trụ. ........................................................................................... 41
1.2.1. Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ I. .............................................. 41
1.2.2. Trụ có mặt cắt hình chữ . .................................................................. 41
1.2.3. Trụ có mặt cắt ngang hình................................................... 41
2. Tính tốn thiết kế trụ....................................................................................... 42
2.1. Tính tốn thiết kế mặt cắt ngang của trụ. ............................................... 42
2.2. Tính toán mối hàn liên kết các phần tử của trụ. ..................................... 44
3. Ứng suất và biến dạng khi hàn trụ.................................................................. 45
3.1. Các biện pháp giảm ứng suất khi hàn trụ. .............................................. 45
3.2. Các biện pháp giảm biến dạng khi hàn trụ. ............................................ 47
4. Ứng dụng tính tốn vật liệu gia cơng trụ. ....................................................... 48
5. An tồn lao động - vệ sinh mơi trường............................................................ 52
Bài 5: TÍNH TỐN KẾT CẤU TẤM, DÀN ......................................................... 53
I. Tính tốn kết cấu tấm. ..................................................................................... 53
1. Khái niệm, phân loại, trạng thái làm việc về kết cấu tấm. ............................. 53
1.1. Khái niệm chung về kết cấu tấm. ............................................................. 53
1.2. Phân loại kết cấu tấm và trạng thái làm việc của kết cấu tấm. .............. 53
1.2.1. Nhóm 1. .............................................................................................. 54
1.2.2. Nhóm 2. .............................................................................................. 54
2. Tính tốn kết cấu tấm. ..................................................................................... 54
2.1. Kết cấu thùng chứa hình trụ đứng. ......................................................... 54

2.1.1. Tính tốn phần thân thùng. .............................................................. 54
2.1.2. Tính tốn đáy thùng. ......................................................................... 55
2.1.3. Tính tốn nắp thùng. ......................................................................... 56
2.2. Tính các kết cấu bình chứa chất lỏng, chất khí áp suất cao. ................. 57
2.2.1. Tính chiều dày của bình. ................................................................... 57
2.2.2. Tính chiều dày đáy bình. ................................................................... 57
2.2.3. Các bình làm việc trong điều kiện dễ gây ra cháy nổ. ..................... 57
3. Ứng suất và biến dạng khi hàn tấm. ............................................................... 57
3.1. Ứng suất và biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối các tấm tự do. .... 58
3.2. Ứng suất biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối có gá kẹp. ................ 67
4. Các ứng dụng tính tốn vật liệu gia cơng tấm. ............................................... 69
II. Tính tốn kết cấu dàn. .................................................................................... 70
1. Khái niệm, phân loại, trạng thái làm việc về kết cấu dàn. ............................. 70
4


1.1. Khái niệm về dàn. ..................................................................................... 71
1.2. Phân loại và các trạng thái làm việc của dàn. ......................................... 71
1.2.1. Dàn kèo nhà. ...................................................................................... 71
1.2.2. Các dàn cần trục thường có dạng như hình 5-14. ............................ 72
1.2.3. Dàn cầu. ............................................................................................. 73
2. Tính tốn kết cấu dàn. ..................................................................................... 73
2.1. Tính tải trọng và ứng suất trong các thanh của dàn. .............................. 73
2.1.1. Tính tải trọng. .................................................................................... 73
2.1.2. Tính nội lực trong các thanh của dàn. .............................................. 73
2.2. Xác định tiết diện ngang các thanh của dàn. ........................................... 74
2.3. Tính tốn nút dàn. .................................................................................... 75
2.3.1. Tính nút đế. ........................................................................................ 75
2.3.2. Tính nút đỉnh. .................................................................................... 76
2.4. Nối các thanh biên. .................................................................................. 76

3. Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu dàn.................................................... 76
4. Ứng dụng tính vật liệu gia cơng dàn. .............................................................. 80
5. An tồn lao động - vệ sinh mơi trường............................................................ 84

5


Bài 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN
1. Thép đinh hình.
Thép đình hình là những loại có hình dạng đặc biệt hoặc có tiết diện ngang thay
đổi chu kỳ theo chiều dài, loại này ít dùng trong kết cấu hàn.
- 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 [, 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.
+ Thép chữ L cạnh đều: Gồm có 67 loại được qui định trong TCVN 165675. 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 không cần chú ý 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 không lớn, do tính cơng nghệ của
thép khơng cao vì trong q 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 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.
- Thép chữ [: Theo TCVN 1654-75 thép chữ [có 22 loại, chiều cao loại nhỏ nhất
là 50, loại lớn nhất là 400mm ( đây là chiều cao của tiết diện ), ví dụ [ 22 chỉ loại này
có chiều cao là h = 220mm. Chiều dài của thép chữ [ từ 4 - 13m. Ngồi ra cịn có một
số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ "a" phia dưới, ví dụ thép [ 22 a .
6


Trong thực tế cịn có cácloại thép hình khác như thép ống không hàn được dùng
trong các kết cấu đường dẫn chất lỏng,chất khí. Đối với loại này thường chỉ thực, thép
trịn, thép vng. v.v. cũng thường được sử dụng.
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 chưa 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
3. Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn.
3.1. Thép các bon thấp.

Đây là loại vật liệu được sử rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn, do loại vật
liệu này rất dể hàn và mối hàn dể đạt được chất lượng theo u cầu mà khơng cần phải
có những biện pháp cơng nghệ phức tạp nào. Trong thực tế, thép các bon thấp sử dụng
để chế tạo kết cấu hàn được chia ra hai nhóm chính là thép hình và thép tấm, và được
tiêu chuẩn hoá theo Tiêu chuẩn Việt nam (TCVN). Đối với các loại thép này của các
nước khác cũng đều được tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc tế.
3.2. 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 kêt 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 Măng gan; thép
Crơm - Silíc - Măng gan; Crôm - Măng gan - Môlipđen. Thép hợp kim thấp gồm các
loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn .
3.3. Thép không rỉ.
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
7


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 thếp không rỉ hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép
không rỉ được sử dụng nhiều hiện nay đó là Crơm - Ni ken; Crơm - Ni ken - Bo; Niken
- Mơlíp đen - Crơm. Và một số loại thép chịu ăn mịn hố học, chịu nhiệt, bền nhiệt.
3.4. Nhôm và hợp kim nhôm.
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 rỉ. Thông thường hợp kim nhôm hay được dùng
nhất là Duya-ra dùng cho các kết cấu địi hỏi có độ bền 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.
4. Tính tốn vật liệu gia cơng kết cấu hàn.

Bài 2: TÍNH TỐN ĐỘ BỀN MỐI HÀN
1. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối.
8


Mối hàn giáp mối là loại mối hàn được ứng dụng rất nhiều trong các kết cấu hàn,
do mối hàn có nhiều ưu điểm như tốn ít kim loại cơ bản, ít ứng suất tập trung, cơng
nghệ thực hiện dễ dàng hơn.
Do mối hàn chịu kéo và chịu nén thì độ bền giống nhau nên ta chỉ cần tính tốn,
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 (hình 1).

N

b

N

Hình 2-1: Mối hàn giáp mối

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 thoả mãn.
Ơmax =

N

 [Ơ] k
Fh

(2-1)

Trong đó: Ơmax là ứng suất lớn nhất sinh ra khi kết cấu chịu lực tác dụng, N là
lực tác dụng, F h là diện tích mặt cắt của mối hàn, và được xác định như sau:
F h = b  S với S là chiều dày chi tiết hàn
Như vậy ta có:
Ơmax =

N
  k
BS

(2-2)

Từ cơng thức trên ta suy ra các bài tốn cơ bản sau:
- Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức (2-2).
- Bài toán 2: Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức sau:
N  b  S  [ơ]k

(2-3)

- Bài tốn 3: Tính tốn các kích thước mối hàn theo công thức sau:
B  S   k  N  B 

N   k
S

(2-4)

Và:
9


S

N   k
B

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 2-2

N

b

N

s



Hình 2-2: Mối hàn giáp mối xiên
Trên hình vẽ ta có: N là lực tác dụng
b là chiều rộng của tấm nối
 là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn

Như vậy điều kiện bền của mối hàn lúc này sẽ là:

 max 

N

Fh

N
=  k
B
s
sin 

Từ đó ta có:
 max 

N .sin   K

s.b

Mà α luôn luôn nhỏ hơn 90 0 cho nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy
điều kiện bền tăng lên.
2. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn góc.
Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện q trình kiểm mối hàn theo các
dạng sau:
2.1. Tính mối hàn đối xứng ngang.
Xét mối hàn ngang chịu lực như hình vẽ 2-3

N

S

h

N

10


Ta có biểu thức xác định độ bền như sau:


N
  h
2.h.B

(2-8)
N

Hình 2-4: Mối hàn đối xứng dọc
Trong đó N là lực tác dụng, h là chiều cao của mối hàn, B là chiều dài đường hàn,
do chiều cao của mối hàn h = k.Cosin450 = 0,7 và k = S trường hợp các tấm có chiều
dày khơng bằng nhau, thì k được chọn theo tấm có chiều dày nhỏ hơn cho nên:


N
  h
1,4.S.B

(2-9)

2.2. Mối hàn đối xứng dọc.
Đối với mối hàn dọc đối xứng hình 2- 4 khi chịu lực thì điều kiện bền được xác
định như sau.


Trong đó:

N
  h
2.h.l

(2-10)

l- là chiều dài đường hàn.
h- là chiều cao mối hàn.
11


Trong trường hợp mối hàn khơng đối xứng thì l  50.k điều kiện bền được xác
định theo công thứ sau:


N
  h
hl1  l 2 

(2-11)

3. Tính độ bền uốn tổng hợp của các mối hàn.
3.1. Mối hàn giáp mối chịu uốn.

B

P

`

Hình 2-5: Mối hàn giáp mối
Điều kiện bền được xác định như sau:
 =

M
  h
w

(2-12)

Trong đó:
ơ là ứng suất sinh ra do uốn.
M là mô men uốn.
w là mơ men chống uốn được tính như sau:
B 2 .S
P.l




h và mô men M = 4
w= 6

thay vào (2-12) biểu thức tính độ bền ta có.
6.P.l
 = B 2 .S

  h

(2-13)

3.2. Mối hàn góc chịu uốn (hình 2-6).
N

M
l
12

Hình 2-6:


Khi mối hàn góc chịu uốn điều kiện bền được xác định như sau:


Trong đó:

M
  h
h.l.B

M -là mơ 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 mối hàn chịu uốn và kéo hoặc nén thì điều kiện bền được xác định
như sau:


Trong đó:

M N

  h
w h.l

M -là mơ men uốn
N -là lự kéo
w- là mô men chống uốn
h- là chiều cao

ln

ld

Id

l -là tổng chiều dài đường hàn
- Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn như hình vẽ 2-7 thì điều kiện bền sẽ
M là:



M

Hình 2-7:
  h
2

(2-16)

h.l
h.l d .l n  n
6

Khi tính tốn ta chọn trước ln cạnh của mối hàn k để xác định mối hàn ld .
N
l.n

M

l

d

Hình 2-8:

13


- Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén hình 2-16 thì điều kiện
bền sẽ là:


N

h.L

M
h.l n. .l d 

h.l n
6

2

  h

(2-17)

( L = 2 ld + ln )
3.3. Mối hàn chịu xoắn.

MX

Hình 2-9:
Đối với mối hàn chịu xoắn như hình 2-9 thì điều kiện bền sẽ là:


Mx
  h
wx

(2-18)

Trong đó: MX là mơ men xoắn
wX là mơ men chống xoắn
3.4. Các ví dụ tính tốn.
- Ví dụ 1: Cho mối ghép hàn như hình vẽ 2 - 10 biết rằng lực kéo N = 260 KN,

 h  28KN / cm 2

vật liệu có S = 8 mm. Hãy xác định chiều dài đường hàn để kết cấu

đảm bảo điều kiện bền.
N

S

14

Hình 2-10:


Bài giải:
Từ điều kiện bền của mối hàn giáp mối ta thấy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu
thức sau phải được thoả mãn:
Fh  N mà Fh = S. L.
  h
Do vậy:
L

260
 116mm . Như vậy để đảm bảo điều kiện bền thì chiều dài của mối hàn

0,8.28

L =  116 mm, cho nên ta chọn tấm thép có chiều rộng B = 116 mm.
-

Ví dụ 2: Cho mối ghép hàn, chịu lực như hình vẽ, hãy xác định độ bền của mối

hàn, nếu vật liệu chế tạo kết cấu là thép các bon thấp có  k = 28 KN/cm 2,
N = 450 KN, S = 8 mm, B = 300 mm.
N

B

N

S
Bài giải:
Hình 2-11
Đây là mối hàn đối xứng ngang, do vậy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức
sau phải được thoả mãn cơng thức 2-8:


N
  h
2.h.B

Trong đó:  h  0,65 k thay vào biểu thức trên ta có.


450

 0,65.28
2h.30

 h

450
2.30.0,65.28

h  0,48 cm
Như vậy để mối hàn đảm bảo độ bền ta chọn chiều cao mối hàn h = 5 mm
15


- Ví dụ 3: Cho kết cấu hàn chịu lực như hình vẽ. Hãy kiểm tra điều kiện bền của mối
hàn, nếu lực tác dụng P = 120 KN, B = 260 mm, chiều dày của chi tiết hàn L = 400
cm 2

B

mm,vật liệu có  k  28 KN

500mm

Hình 2-12:

Bài giải:
Để mối hàn đảm bảo điều kiện bền thì phải thoả mãn công thức 2- 4:


M

  h mà  h  0,65. k
wu

Cho nên


P.50
 0,65.28
h.L.B

 h

120.50
 0,34cm
40.28.0,65.28

Như vậy để đảm bảo điều kiện bền ta chọn mối hàn có chiều cao h = 4 mm
4. An tồn lao động - Vệ sinh phân xưởng.
Trong phân xưởng thường gặp nhiều trường hợp mất an toàn lao động cho người
và trang thiết bị. Các nguyên nhân chủ yếu gồm:
- Sự bất cẩn trong khi làm việc, thực hiện không đúng các thao tác .
- Không tuân thủ triệt để các nguyên tắc quy định về an toàn lao động.
- Sắp xếp công việc, vật tư,............. nơi làm việc không hợp lý. Ngồi ra, nguy cơ
về tai nạn, khí độc hại, cháy nổ,....có thể xảy ra trong xưởng hàn, xưởng gị do đặc
trưng cơng việc có thể có các nguy cơ tai nạn riêng, cần đặc biệt chú ý để đảm bảo
năng suất lao động, chất lượng sản phẩm, an toàn cho người và trang thiết bị, các yêu
cầu cơ bản về an toàn trong phân xưởng bao gồm:
- Trang bị bảo hộ lao động: Quần áo, giày, găng tay, kính bảo hộ....bảo đảm đúng
quy định.
- Khi sử dụng các dụng cụ máy móc có bộ phận quay ( máy khoan, máy cưa, máy

uốn ống, máy cắt.....). Các bộ phân quay hoặc truyền động phải có che chắn an tồn.
16


- Dụng cụ trong khi làm việc phải được sắp xếp gọn gàng, đúng nơi quy định, theo
thứ tự sử dụng, sử dụng đúng công cụ, đúng phương pháp,......kiểm tra dụng cụ trước
khi làm việc.
- Bảo quản và sử dụng hợp lý các loại dầu mỡ, dung dịch làm nguội, sơn.
- Khơng được sử dụng máy móc khi chưa được chỉ dấn rõ ràng, chưa nắm vững
các quy định an tồn về máy móc đó. Chỉ được sử dụng đúng theo yêu cầu công việc.
- Trong khi sử dụng máy, phải đứng đúng vị trí, thao tác máy đúng quy định, dụng
cụ phải sắp xếp đúng theo thứ tự. Kiểm tra máy móc trước khi cho máy hoạt động.
Dừng máy và kiểm tra lại sau khi máy sau khi sử dụng.
- Kết thúc công việc, phải làm vệ sinh sạch sẽ máy móc, nơi làm việc, dụng
cụ....các phế liệu phải được đưa vào nơi quy định.
- An toàn bản thân, an toàn cho mọi người, an toàn nơi làm việc là quyền lợi, trách
nhiệm, nghĩa vụ, và lương tâm của người lao động.

Bài 3: ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN
1. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn đắp.
Phụ thuộc vào kích thước tấm dài hay ngắn, tốc độ hàn, có kẹp chặt hay khơng
mà có những dạng khác nhau, song nói chung sau khi nguội và để tự do thì đều bị
cơng lõm về phía mối hàn.

Hình 3-1: Ứng suất biến dạng khi hàn đắp
17


Khi các cạnh bị giới hạn thì khơng có hiện tượng cong và ứng suất dư do nội lực
tác dụng dọc trục gây ra sẽ phân bố theo tiết diện ngang của tấm và có vùng ứng suất

tác dụng bn thì ứng suất kéo sẽ đạt đến giới hạn chảy nếu:
b n = 0,5.h
Ta có nội lực tác dụng dọc trục là:
P = F0 . σT = b n.δ.σT
Theo điều kiện cân bằng của các nội lực dọc trục ta có
P = b n.δ.σT = σ2.(h-bn).δ
Trong đó: σ2 là ứng suất phản kháng ở ngoài vùng ứng suất tác dụng
σ2 =

( T .b n ).
P

(h  bn ). F  F

Moomen gây ra bởi nội lực tác dụng là:
M=

P.h
2

Nếu tấm đế tự do thì nó bị uốn cong theo mơmen trên và độ võng dư được xác
định theo công thức sức bền thơng thường:
ƒ=

M .l 2
8.E.J

J=

 .h 3

12

Trong đó: E = 2,1.106 (KN/cm2)

Do đó: ƒ =

3. T .bn .l 2
3. 2 .(h  b2 )l 2
hoặc
ƒ
=
4.E.h 2
4.E.h 2

Ta cũng có thể tính ngay được ứng suất gây ra do uốn là
σu =

M
6.P.h 2 3. T .bn


W
2. .h
h

bn

b0

b1

h

b2

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

Hình 3-1: Mối hàn giáp mối

S
18


2.1. 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 5500C, vùng này cịn gọi
là vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng được tính như sau.
P =  T .Fc

(3-2 )

Trong đó:
 T là ứng suất sinh ra khi hàn và theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu

thường chọn bằng giới hạn chảy.
Fc là vùng ứng suất tác dụng khi hàn, vùng này được xác định như sau.
Fc = b 0.S

(3- 3 )

Trong đó:
S là chiều dày của chi tết hàn
b 0 là chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng được xác định như sau:
b0 = b1 + b2
b 1 là vùng mối hàn và lân cận bao gồm vùng nóng chảy, vùng chảy dẻo.
b 2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi
b1 =

0,484.q
v.S 0 .c..550 0 c

(3- 4)

Trong đó: - q là năng lượng hữu ích của nguồn nhiệt
q = 0,24.u h. Ih. 

(calo/s )

(3- 5)

(   0,75 khi hàn hồ quang tay,   0,9 khi hàn tự động )
- v là vận tốc hàn ( cm / s.)
- S0 là chiều dày tính toán của kết cấu hàn .
- c là nhiệt dung của kim loại ( calo/ g.0c )
-  là khối lượng riêng của kim loại ( g/cm 3 )
Việc xác định b 2 phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như năng lượng riêng q0, chiều
rộng tấm hàn h0 và các thơng số khác, b2 có thể được xác định như sau :
b2 = K2.( h - b 1 )
Trong đó:
- K2 là hệ số phụ thuộc vào q0 và vật liệu chế tạo chi tiết

- h là chiều rộng tồn bộ phần ứng suất tính tốn, đối với hàn hồ quang tay thì
h = 250 mm, đối với hàn tự động thì h = 300  350 mm.
Thay b 1, b2 vào biểu thức (3 - 2 ) ta tính được nội lực tác dụng P.
19


Trong trường hợp nếu hàn 2 tấm có chiều rộng khơng bằng nhau hình 3-2 thì ta tính
tốn như sau :

bnc

c.

Pc

a.

bna

h

Pa

S

Hình 3-2: Hai tấm hàn có chiều rộng bằng nhau

P =   . Fc =   . ( bna + b nc ). S trong đó bna  bnc
2.2. Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng khi hàn 2 tấm có kích
thước khác nhau (hình 3-2).

2.2.1. Nội lực phản kháng ở 2 tấm hàn được tính như sau:
P a =  2 .a. S
P c =  2 .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
2.2.2. Ứng suất phản kháng được tính như sau.
Theo nguyên lý cân bằng lực thì: P = Pa + Pc Thay các giá trị của chúng vào ta có.
  b0. S =  2 . ( a+ c ).S

Từ đó ta có:
2 

  .b na  b nc    .b 0

ac
h  b0

(3- 6 )

2.3. Tính mơ men uốn.
20


Các lực P a và Pc sẽ tạo ra mô men uốn khi quay quanh tâm của vùng ứng suất tác
dụng, các mô men này được xác định như sau:
a  b0
2

Ma = Pa

;

Mc = Pc

c  b0
2

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

a  b0
c  b0
a  b0
c  b0
 Pc
  2 .a.S
  2 .c.S
2
2
2
2

Thay giá trị của ứng suất phản kháng vào ta có:
M=

  .b 0 .S
( a+ b0 + c) ( a- c )
2h  b 0 

M =

P.h a  c 
2h  b 0 

(3- 7 )

Từ công thức trên ta nhận thấy rằng nếu c = 0 tức là hàn vào mép tấm, khi đó mơ
men uốn M có giá trị lớn nhất, khi c = a tức là hàn 2 tấm có kích thước bằng nhau thì
mơ 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.
2.4. 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:
u 

M
M
6.P.h a  c 


2
w S.h
2h  b 0 .Sh 2
6

Vậy ta có:
u 

3  b  a  c 
h h  b  

(3 -8 )

2.5. Tính độ võng.
Độ võng lớn nhất được xác định theo cơng thức sau:
fmax =

M.l 2
8.E.J

(3-9)

Trong đó:
M là mơ men uốn lớn nhất
l là chiều dài của chi tiết hàn
E là mơ đun đàn hồi
J là mơ men qn tính được xác định như sau:
21


J =

S.h 3
12

thay vào biểu thức tính độ võng ta có.
fmax =

12.M.l 2
3M.l 2
=
8.E.S.h 3
2.E.S.h 3

Vậy ta có:
fmax =

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

( 3 - 10 )

2.6. Các ví dụ và bài tập.
-Ví dụ 1. Cho kết cấu hàn giáp mối như hình vẽ. Hãy xác định độ võng của kết cấu
sau khi hàn biết rằng vật liệu chế tạo là thép các bon thấp có   = 24 KN/cm 2 ,các kích

S

b2a

a.

ha

bo

bna.

b1.

hc

bnc

b2c

c

thước cho trên hình vẽ.

Hình 3-3
ha = 300 mm, hc = 250 mm
S = 6 mm, l = 1500 mm.
Bài giải.
1 - Tính chế độ hàn.
- Đường kính điện cực hàn: d =

S
 1 = 4 mm
2

- Tính cường độ dong điện hàn: Ih = 40  60  .d = 160  200 chọ Ih= 200(A)
- Chọn điện áp hàn: Uh = 30 (v)
- Tính vận tốc hàn: Vh =
( trong đó d = 10 g

 d .I h
10.200

 12,5 m
h
Fd .
0,2.7,85

A.h

; Fd = 0,2 cm2 ;   7,85 g

cm 3

)

- Tính cơng suất hồ quang: q = 0,24.Ih. Uh.  = 0,24.200.30.0,75 = 1080cal/s.
2- Tính nội lực tác dụng.
P =   .Fc    .b na  b nc .S
- Tính bna:

bna = b1 + b2a.
22


b1 =

0,484.q
0,484.1080


 3,62 cm
S.v h .c..550 0,6.0,347.0,16.7,85.550

b2a = k2. (ha - b 1 ) = 0,224.( 30 - 3,62 ) = 5,91 cm
( k2 được chọn theo biểu đồ k2 = 0,224 )
 bna = 3,62 + 5,91 = 9,53 cm

- Tính b nc:
b nc = b1 + b2c trong đó b1 được tính như trên và có giá trị đúng bằng
b1 của tấm c vì vậy ta có b 1 = 3,62 cm.
b 2c = k2 ( hc - b1 ) = 0,224.( 25 - 3,62 ) = 4,79 cm.
 b nc = 3,62 + 4,79 = 8,41 cm

Thay vào biểu thức tính nội lực tác dụng ta có:
P = 24. ( 9,53 + 8,41 ). 0,6 = 258,3 KN
3 - Tính mơ men uốn.
Từ cơng thức 3-7 mơ men uốn được tính: M =

P.h a  c  258,3.5520,47  16,59 

2h  b 0 
255  17,93

Trong đó: b0 = bna + bnc = 9,53 + 8,41 = 17,93 cm; h = ha + hc = 20 +25 = 55cm
a = ha - bna = 30 - 9,53 = 20,47cm; c = h c - bnc = 25 - 8,41 = 16,59 cm.
Vậy M = 744 KN cm.
4 - Tính ứng suất uốn.
Ứng suất uốn được xác định theo công thức 3-8:  u 

3  .b 0 a  c 

h h b 0 

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có:
u 

3.24.17,9320,47  16,59 
 3,4 KN/cm2
5555  17,93

5- Tính độ võng: Độ võng được xác định theo công thức 3-10: f =
Trong đó J =

S.h 3 0,8.55 3

12
12

M.l 2
8.E.J

; E = 2,1.10 4 KN/cm2

Thay các giá trị trên vào cơng thức tính độ võng ta có:
f.=

744.150 2 .12
 9.10-3 cm.
8.2,1.10 4.0,8.55 3

Bài tập:

Tính độ võng khi hàn đắp có kích thước như sau: S = 8 mm; l = 1500 mm
h.= 150 mm; lớp đắp có c = 2 mm; vật liệu chế tạo là thép các bon thấp có
   24 KN

cm 2

3. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu thép góc.
23


3.1. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ L. (hình 4- 4)

Hình 4-4

Khi hàn kết cấu chữ L thường phát sinh ứng suất và biến dạng, các ứng suất và
biến dạng được xác định như sau:
3.1.1. Tính lực tác dụng.
P =   .Fc    .b n .S .2

(3- 11)

( Vì Fc = 2 b n. S )
3.1.2. Tính ứng suất phản kháng.
Theo lý thuyết về lực tác dụng và lực phản kháng ta có P = Pk =   .FC   2 .FK
2 

vậy:  2 

  .FC
 .2.b n .S

 .b
= 
  n
FK
2.h  b n .S h  b n

  .b n
h  bn

( 3- 12)

3.1.3. Tính mơ men uốn.
Mơ men uốn được xác định như sau:
M1 =

P1 .h
Trong đó P1 là lực tác dụng lên mỗi tấm, được xác định như sau:
2

P1= P
2

Mômen tác dụng là tổng hình học của các mơ men nội lực mỗi tấm.
M = 2 M1 cos
M=

2 p1 .h
 ph

. cos 

cos
2
2
2
2


2

(3-13)
24


- Khi   0 Giốngnhư hàn đắp vào mép tấm, lúc này ta có M =

ph
2

- Khi   1800 giống như hàngiáp mối nếu 2 tấm bằng nhau, lúc này M = 0. Ứng suất
do mô men uốn sinh ra được tính như sau:
 

M
w

Độ võng được xác định như sau:
f=

Ml 2
8EJ

(3-14)

Trong đó:
M là mơ men uốn
l là chiều dài kết cấu
E là mô dun đàn hồi
J là mô men tĩnh.
3.2. Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ T.
Kết cấu chữ T gồm 2 tấm, một tấm đế và một tấm vách, hàn với nhau bằng 2 mối
hàn góc như hình vẽ 3-5

Hình 3-5:
Vùng ứng suất tác dụng sinh ra được xác định như sau:
Fc= (2b1+ 2b21 + S2 ) S1 + ( b1 + b22 )S2 +K2
(3-15)
Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng được xác dịnh như sau:
P=   .Fc
2 

(3-16)

P
F  Fc

(3-17)

Các lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ. Nếu biến do uốn ngang rất nhỏ
khơng đáng kể, lúc này ta có:
P = 2P1 + P2

25