Kết cấu thép - Chương 2: Liên kết kết cấu thép

*KẾT CẤU THÉP Chương 0 Tổng quan về Kết Cấu Thép Chương 1 Vật Liệu và Sự Làm Việc của KC Thép Chương 2 Liên Kết Kết Cấu Thép Chương 3 Dầm Thép Chương 4 Cột Thép Chương 5 Dàn Thép*KẾT CẤU THÉPChương 2LIÊN KẾT KCTA – Liên kết hànB – Liên kết bu lôngC – Liên kết đinh tánNỘI DUNG*Các phương pháp hàn trong KCTCác loài đường hàn và cường độ tính toánCác loại liên kết hàn và phương pháp tính toánỨng suất hàn và biến hình hàn*A - LIÊN KẾT HÀNPhương pháp hàn chính là hàn hồ quang điện gồm: 1. Hàn hồ quang điện bằng tay 2. Hàn hồ quang điện tự động và bán tự độngKhi khối lượng hàn nhỏ: dùng hàn hơiCác yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra*I. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KCTDưới tác dụng của dòng điện, hồ quang điện sẽ xuất hiện giữa 2 cực là kim loại cần hàn và que hànNhiệt độ của ngọn lửa hồ quang (2000oC) làm nóng chảy mép của thép cơ bản (sâu 1,5-2mm) và que hàn*Hàn hồ quang điện bằng tay1. Hàn hồ quang điện bằng tayBản chất của đường hàn là sự liên kết giữa các phân tử của các kim loại bị nóng chảyĐường hàn có thể chịu lực tương đương như thép cơ bảnQue hàn: + Dài 200 – 450mm + Lõi kim loại đường kính 1,6-6mm + Lớp thuốc hàn dày 1-1,5mm bọc xung quanh (~80% CaCO3)Tác dụng của lớp thuốc hàn: + Khi cháy tạo lớp xỉ cách ly, ngăn cản oxy và nitơ lọt vào kim loại làm đường hàn trở nên giòn + Tăng sự ion hóa xung quanh làm hồ quang được ổn định + Tăng độ bền của đường hàn*1. Hàn hồ quang điện bằng tayQue hàn được phân loại theo cường độ tức thời của kim loại đường hàn VD: Que hàn N42 có b = 4100 daN/cm2Chọn que hàn sao cho: độ bền kéo tức thời của kim loại que hàn không được nhỏ hơn của thép được hànVới thép cacbon và thép hợp kim thấp, que hàn lấy theo TCVN 3223 - 2000*Que hàn dùng ứng với mác thépMác thépLoại que hàn có thuốc bọcTCVN 3223 : 2000CCT34; CCT38; CCT42; CCT52N42; N4609Mn2; 14Mn2; 09Mn2Si; 10Mn2Si1N46; N501. Hàn hồ quang điện bằng tayNguyên lý giống hàn tayCuộn dây hàn trần + thuốc hàn được rải trước trên rãnh hànDây hàn sẽ nhả dần theo tốc độ di chuyển đều của máy hànKhi máy hàn di chuyển bằng tay  Hàn nửa tự động*2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự độngƯu điểm: + Tốc độ hàn nhanh (gấp 5-10 lần hàn tay) + Chất lượng đường hàn tốt + Hồ quang chìm  bảo vệ sức khỏeKhuyết điểm: + Chỉ hàn được các đường hàn nằm thẳng, tròn + Không hàn được các đường hàn đứng, các đường hàn ở vị trí trật hẹp trên cao*2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự độngDùng hàn những tấm thép mỏng dưới 3mm.Dùng để cắt những tấm thép dày mà máy không cắt được *axetylenoxy3200oC3. Hàn hơi (hàn khí 0xy – axetylen)Các yêu cầu chính khi hàn: + Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn + Cường độ dòng điện thích hợp + Gia công mép bản thép theo đúng quy định + Chọn que hàn phù hợp + Phòng ngừa biến hình hàn*4. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm traCác phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn: + Kiểm tra bằng trực quan: chỉ để phát hiện những khuyết tật bên ngoài của đường hàn như nứt rạn, lồi lõm không đều + Kiểm tra bằng phương pháp vật lý (điện từ, quang tuyến, siêu âm): cho kết quả chính xác hơn  áp dụng cho các công trình đặc biệt như bể chứa, đường ống*Thiết bị siêu âm kiểm tra đường hàn4. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra1. Các loại đường hàn a. Đường hàn đối đầu b. Đường hàn góc2. Các cách phân loại đường hàn khác*II. CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN & CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁNa. Đường hàn ĐỐI ĐẦULiên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm trong một mặt phẳngKhe hở đối đầu giữa 2 cấu kiện có tác dụng để các chi tiết hàn biến dạng tự do khi hàn, tránh cong vênhĐường hàn đối đầu có thể thẳng góc hoặc xiên góc so với trục cấu kiện1. Các loại đường hàn*a. Đường hàn ĐỐI ĐẦUKhi bản thép dày (t > 8 mm, đối với hàn tay), cần gia công mép của bản thép để: + Có thể đưa que hàn xuống sâu + Đảm bảo sự nóng chảy trên suốt chiều dày bản thépHình thức gia công mép và kích thước khe hở phụ thuộc vào chiều dày bản thép và phải tuân thủ theo quy định 1. Các loại đường hàn*1. Các loại đường hànDạng gia công mépMăt cắt t, a, b, mm, α, độHàn tay có hàn thêm mặt sauHàn tư động có hàn thêm mặt sauKhông gia công mépat1-22-82-200Dạng chữ Vtabα3-50225514-240660Dạng chữ Ktabα12-60215020-300645a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU*1. Các loại đường hànDạng gia công mépMăt cắt t, a, b, mm, α, độHàn tay có hàn thêm mặt sauHàn tư động có hàn thêm mặt sauDạng chữ Xtabα12-60225520-6006-860Dạng chữ Utabα15-100221024-10006-810-13a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU*a. Đường hàn ĐỐI ĐẦUÑöôøng haøn ñoái ñaàu truyeàn löïc toát, öùng suaát taäp trung raát nhoû, ñöôïc coi nhö phaàn keùo daøi cuûa thanh cô baûnCöôøng ñoä tính toaùn cuûa ñöôøng haøn ñoái ñaàu phuï thuoäc: + Vaät lieäu que haøn + Phöông phaùp kieåm tra chaát löôïng ñöôøng haøn1. Các loại đường hàn*a. Đường hàn ĐỐI ĐẦUKhi chịu nén: cường độ tính toán không phụ thuộc vào phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn  fwc = f : cường độ tính toán thép cơ bản.Khi chịu kéo:Kiểm tra bằng phương pháp vật lý: fwt = fKiểm tra bằng phương pháp thông thường: fwt = 0,85fKhi chịu cắt: fwv = fv : cường độ chịu cắt của thép cơ bản1. Các loại đường hàn*b. Đường hàn GÓC Đường hàn góc nằm ở góc vuông tạo bởi 2 cấu kiệnTiết diện đường hàn: tam giác vuông cân, hơi phồng ở giữa, cạnh của tam giác gọi là chiều cao đường hàn1. Các loại đường hàn*b. Đường hàn GÓC Khi chịu tải trọng động: dùng đường hàn lõm hay đường hàn thoải  giảm ứng suất tập trung trong đường hàn góc đầu1. Các loại đường hàn*Dạng gia công mépMăt cắt t, a, b, mm, α, độHàn tay có hàn thêm mặt sauHàn tư động có hàn thêm mặt sauKhông gia công méptt12-302-306-143-40tt1L2-602-602(t+t1)1-20-20-90Dạng chữ Ktt1abα4-264-2621-2508-20-2250-40tt1abα12-6012-60215016-40-0450*b. Đường hàn GÓC Chiều cao đường hàn hf min  hf  1,2 tminvới tmin là chiều dày nhỏ nhất trong số các bản được liên kết chồng, hoặc chiều dày bản đứng t trong liên kết chữ Tvới hf min là chiều cao tối thiểu của đường hàn góc1. Các loại đường hànPhương pháp hànhfmin khi chiều dày của bản thép dày tmax mm4-66-1011-1617-2223-3233-4041-80Tay 45678910Tự động Nửa tự động3456789*b. Đường hàn GÓC Tùy theo vị trí của đường hàn so với phương của lực tác dụng, chia ra: + Đường hàn GÓC CẠNH + Đường hàn GÓC ĐẦU1. Các loại đường hàn*b. Đường hàn GÓC Đường hàn góc cạnh khi truyền lực: + Đường lực thay đổi phức tạp + Ứng suất phân bố không đều 1. Các loại đường hàn+ Hai mút của đường hàn có max  để giảm bớt sự phân bố không đều của ứng suất, không được dùng đường hàn quá dài*b. Đường hàn GÓCTrong tính toán đường hàn góc chỉ chịu cắt quy ước và phá hoại theo một trong hai tiết diện: + Dọc theo kim loại đường hàn (tiết diện 1)  cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn : fwf + Dọc theo biên nóng chảy của thép cơ bản (tiết diện 2)  cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy: fws = 0,45fu1. Các loại đường hàn*1. Các loại đường hànLoại que hàn TCVN 3223 : 1994Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun (daN/cm2)Cường độ tính toán fwf (daN/cm2)N42, N42 – 6B41001800N46, N46 – 6B45002000N50, N50 – 6B49002150Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính toán fwf của kim loại hàn trong mối hàn gócb. Đường hàn GÓC**Theo công dụng: + Đường hàn chịu lực (để truyền lực) + Đường hàn không chịu lực (chỉ để cấu tạo)Theo vị trí không gian:2. Các cách phân loại đường hàn khác*Theo địa điểm chế tạo: + Đường hàn nhà máy + Đường hàn công trườngTheo tính liên tục của đường hàn: + Đường hàn liên tục + Đường hàn không liên tục2. Các cách phân loại đường hàn khác*2. Các cách phân loại đường hàn khácTên gọi Đường hàn nhà máyĐường hàn công trườngĐường hàn đối đầuĐường hàn gócĐường hàn góc đứt đoạn*III. CÁC LOẠI LIÊN KẾT & PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GÓC3. Liên kết có BẢN GHÉP4. Liên kết HỖN HỢP5. Tính toán liên kết hàn với ĐƯỜNG HÀN GÓC chịu M và Q*Thường dùng để NỐI, ít dùng để liên kết thép hình vì khó gia công mépƯU: truyền lực tốt; cấu tạo đơn giản; không tốn thép làm bản ghépNHƯỢC: phải gia công mép các bản thép1. Liên kết ĐỐI ĐẦU*Với đường hàn đối đầu thẳng góc, kiểm tra bền theo công thức: lw = b - 2t : chiều dài tính toán đường hàn c : hệ số điều kiện làm việc fwt : cường độ tính toán của đường hàn khi chịu kéo1. Liên kết ĐỐI ĐẦU*Với đường hàn đối đầu xiên:Khi tg  2:1 (  67o), đường hàn xiên có độ bền bằng độ bền của thép cơ bản  không cần kiểm tra độ bền của đường hàn1. Liên kết ĐỐI ĐẦU*Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M:Ww: moment kháng uốn của đường hàn1. Liên kết ĐỐI ĐẦU*Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M và Q: hệ số 1,15 kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo trong đường hàn1. Liên kết ĐỐI ĐẦU*NMQMối hàn chịu M và Q:Mối hàn chịu M, N và Q:1. Liên kết ĐỐI ĐẦU*Mối hàn chịu M và N:Ví dụ : Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu 2 bản thép có tiết diện 280x14mm chịu M=25kNm, Q=240kN, γc = 1Thép có cường độ tính toán f = 2100daN/cm2, que hàn N42, hàn tay, phương pháp kiểm tra thông thườngĐường hàn chịu tác dụng đồng thời của mômen và lực cắt nên được kiểm tra bền theo:*Hai cấu kiện đặt chồng lên nhau, dùng đường hàn góc liên kết chúng lại. Chú ý: đoạn chồng lên nhau a ≥ 5tmin2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨCÍt dùng cả 2 đường hàn GÓC ĐẦU + GÓC CẠNH để liên kết khi chịu lực Lớn vì có ứng suất hàn và ứng suất tập trung lớnThường để nối các thép bản có chiều dày nhỏ t = 2-5mm; lk thép hình và thép bản*Khi chịu lực trục N, coi ứng suất phân bố đều dọc đường hàn và bị phá hoại do cắtĐộ bền của đường hàn được kiểm tra đồng thời theo 2 tiết diện: tiết diện 1 (theo vật liệu đường hàn) và tiết diện 2 (theo vật liệu của thép cơ bản trên biên nóng chảy)2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC*hf: chiều cao đường hàn góclw = ltt – 10mmf, s : hệ số chiều sâu nóng chảy – theo tiêu chuẩnhàn tay: f = 0,7 và s = 1Thiết kế:2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC Tiết diện 1 (vật liệu đường hàn)- Tiết diện 2 (vật liệu của thép cơ bản trên biên nóng chảy)lw ≥ max(4hf , 40mm) lw  85fhf: đường hàn góc cạnh*2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨCPhương pháp hàn và đường kính dây hànVị trí của đường hàn trong không gian khi hànHệ sốGiá trị của βt và βs khi chiều cao của đường hàn hfx mm3-89-1214-16≥18Hàn tự động khi d = 3 – 5Trong máng (liên kết cánh I với bản bụng)βf βs1,11,150,71,0Hàn tự động và nửa tự động khi d = 1,4 – 2Nằm βf 0,90,80,7βs1,051,0Hàn tay, nửa tự động với dây hàn đặc d ≤ 1,4 hoặc rỗng nhồi thuốc hànTrong máng, nằm, đứng, ngang, ngượcβf 0,7βs1,0*Trường hợp liên kết thép hình bằng đường hàn gócSự phân bố lực dọc trục N trên các đường hàn: M = 0  N1e1 = N2e2  N1/e2 = N2/e1 = N/(e1+e2)  N1 = [e2/(e1+e2)]N = k.N N2 = (1-k).N2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨCCách liên kếtk1 - k0,70,30,750,250,60,4*Thiết kế liên kết hàn tay giữa 2 thép góc số hiệu L100x10 với bản thép có d=12mm, N=700kN, thép CT34 f =2100daN/cm2, fu =3450daN/cm2, c = 1- Thép CT34  dùng que hàn N42, có fwf = 1800daN/cm2 fws = 0,45.fu = 1552daN/cm2- Hàn tay: f=0,7, s=1 Kiểm tra đường hàn đi qua tiết diện? *Ví dụ- Chọn hf=10mm (hfmin=5mm ≤ hf ≤ 1,2tmin=12mm)- Lực tác dụng: + đường hàn sống: N1=0,7N + đường hàn mép: N2=0,3N- Chiều dài cần thiết của đường hàn Chọn lw1=20cm, lw2=9cm*Ví dụLực truyền qua các bản ghép bằng đường hàn góc đầu, góc cạnh hoặc cả hai Ưu: Không gia công mépKhuyết: + Tốn thép làm bản ghép + Lk có US tập trung lớn  Không dùng để chịu tải trọng động Thường vát cạnh và để lại đoạn 50mm không hàn3. Liên kết cĩ bản ghép*Kiểm tra bền của liên kết có bản ghép theo 2 điều kiện:Kiểm tra bền các bản ghép:∑Abg≥A Abg – tổng diện tích tiết diện các bản ghép A - diện tích tiết diện cấu kiện cơ bảnKiểm tra bền các đường hàn gĩc: Khi thiết kế, chọn bản ghép  tính lw 3. Liên kết cĩ bản ghép*Giả thuyết: khi chịu N hàn đối đầu = bản ghépĐiều kiện bền:Khi tính toán: chọn bản ghép có bbg = b bố trí đường hàn đối đầu tính lực truyền qua bản ghép tính tổng chiếu dài đường hàn góc để liên kết một bản ghép4. Liên kết HỖN HỢP*Ba trường hợp tính toán: + Chỉ có M + Chỉ có Q + Có cả M và Q 5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC chịu M và Q*Khi chỉ có M tác dụng: + Tính theo tiết diện 1: + Tính theo tiết diện 2: Wwf, Wws: moment kháng uốn của tiết diện đường hàn 1 và 25. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC chịu M và Q*Khi chỉ có V tác dụng: + Tính theo tiết diện 1: + Tính theo tiết diện 2: Awf, Aws: diện tích tính tốn của tiết diện đường hàn 1 và 25. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC chịu M và Q*Khi có M và V cùng tác dụng: + Tính theo tiết diện 1: + Tính theo tiết diện 2:5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC chịu M và Q*Đường hàn GÓC*Tính liên kết bản thép 500x12mm vào cột bằng các đường hàn góc chịu lực V=700kN đặt lệch tâm so với đường hàn đoạn e=150mm. Thép có f=2100daN/cm2 , fu=3450daN/cm2 . Dùng que hàn N 42, hàn tay. c=1- Chọn hf=12mm; lf=50-1=49cm- Với que hàn tay có fwf=1800daN/cm2 , βf = 0,7 fws=1550daN/cm2, βs=1  (βff)min = ?  tiết diện tính toán?*Ví dụ- Mômen lệch tâm: M = V.e = 70000.15 = 1050000daN cm Đường hàn đủ khả năng chịu lực*Ví dụ1. Sự phát sinh Ứng Suất Hàn và Biến Hình HànKhi hàn xong, do ảnh hưởng của nhiệt độ, cấu kiện thường bị cong vênh  Hiện tượng biến hình hànLúc đĩ, trong thép cơ bản và trong đường hàn nảy sinh nội ứng suất  Ứng suất hàn (ứng suất nhiệt, ứng suất co ngĩt)ƯS co ngót DỌCƯs co ngót NGANGỞ trạng thái ứng suất Phẳng và ứng suất Khối: + ứng suất hàn làm tăng khả năng phá hoại dòn của kết cấu + Làm mất công sửa chữa cấu kiện.Nên tìm cách làm giảm US HÀN và BIẾN HÌNH HÀNIV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN*2. Các biện pháp làm giảm Ưùng Suất Hàn và Biến Hình Hàn- BIỆN PHÁP CẤU TẠO: + Giảm số lượng đường hàn đến mức tối đa + Không nên dùng đường hàn quá dày + Tránh tập trung đường hàn vào một chỗ, tránh đường hàn kín hoặc cắt nhau làm cản trở biến dạng tự do của vật liệu- BIỆN PHÁP THI CÔNG: + Chọn trình tự hàn thích hợp + Tạo biến dạng ngược khi hàn + Dùng khuôn cố định không cho kết cấu biến dạng khi hànIV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN*