bài giảng kết cấu thép Chương 2 Liên Kết

+ Ưu và nhược điểmƯu điểm • Truyền lực tốt; • Làm việc giống như thanh cơ bản; Nhược điểm • Gia công mép bản thép khi bản thép dày, t =  > 8mm;mm; + Cường độ tính toán của đường hàn đối

Chương 2

LIÊN KẾT

Hiện nay, trong kết cấu thép dùng hai phương pháp liên kết

chính là:

+ Liên kết hàn;

+ Liên kết boulone;

2.1 LIÊN KẾT HÀN

Là sự liên kết giữa các phân tử của các kim loại bị nóng chảy

(kim loại cần hàn và que hàn)

2.1.1 Ưu Điểm

+ Giảm công chế tạo và khối lượng kim loại;

+ Hình thức cấu tạo liên kết đơn giản;

+ Bền, có tính kín cao;

1

2.1.2 Nhược Điểm

+ Gây biến hình hàn và ứng suất hàn trong liên kết làm

tăng tính giòn của vật liệu;

+ Khó kiểm tra chất lượng đường hàn;

2.1.3 Các Phương Pháp Hàn Trong Kết Cấu Thép

a Hàn hồ quang điện bằng tay

Tay cầm

Nguồn điện Dây dẫn

Que hàn

Hồ quang

Thép cơ bản

+ Nguyên lý

Dưới tác dụng của dòng điện  hồ quang điện  làm

nóng chảy mép của thép cơ bản và que hàn Hai kim

loại lỏng hòa lẫn với nhau, nguội lại tạo thành đường

hàn

+ Que hàn (TCVN 3223:1994)

Dùng que hàn (chiều dài L=200÷450mm) lõi kim loại

(đường kính D=1.6÷6mm) có thuốc bọc dày t=1÷1.5mm

(thuốc hàn, gồm khoảng 80% là CaCO 3)

b Hàn hồ quang điện tự động

+ Nguyên lý

Thuốc hàn được rải trước thành lớp dày trên rãnh hàn

Dây hàn được tự động nhả dần theo tốc độ di chuyển

đều của máy hàn

3

+ Ưu điểm

• Tốc độ hàn nhanh (gấp 5÷10 lần hàn tay);

• Chất lượng đường hàn tốt;

+ Nhược điểm

• Chỉ hàn được các đường hàn nằm thẳng hoặc tròn;

• Không hàn được các đường hàn đứng, ngược;

Hình 2.2 Sơ đồ hàn hồ quang điện tự động

Ống hút thuốc hàn

Dây hàn trần

Máy hàn Phễu rải thuốc hàn

Hồ quang chìm

Thuốc hàn

c Các yêu cầu chính khi hàn và phương pháp kiểm

tra chất lượng đường hàn

+ Các yêu cầu chính khi hàn

• Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn;

• Cường độ dòng điện phải thích hợp;

• Gia công mép bản thép đúng qui định;

• Chọn que hàn phù hợp;

• Phòng ngừa biến hình hàn;

+ Các phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

• Kiểm tra bằng mắt;

• Dùng các phương pháp vật lý như siêu âm, điện từ,

v.v…

5

2.1.4 Các Loại Đường Hàn Và Cường Độ Tính Toán

a Đường hàn đối đầu

+ Cấu tạo

• Là đường hàn liên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm

trong một mặt phẳng;

• Đường hàn đối đầu có thể thẳng góc hoặc xiên góc với trục

của cấu kiện;

Hình 2.3 Đường hàn đối đầu

+ Ưu và nhược điểm

Ưu điểm

• Truyền lực tốt;

• Làm việc giống như thanh cơ bản;

Nhược điểm

• Gia công mép bản thép (khi bản thép dày, t =  > 8mm);mm);

+ Cường độ tính toán của đường hàn đối đầu

• Khi chịu nén (không phụ thuộc vào phương pháp kiểm tra chất

lượng đường hàn)

fwc = f (f, cường độ tính toán của thép cơ bản);

• Khi chịu kéo

- Dùng phương pháp vật lý kiểm tra chất lượng

b Đường hàn góc

+ Cấu tạo

• Là đường hàn nằm ở góc vuông tạo bởi hai cấu kiện

cần hàn;

• Tiết diện đường hàn là một tam giác vuông cân, cạnh

của tam giác gọi là chiều cao đường hàn hf;

9

Hình 2.3 Đường hàn góc

+ Chiều cao đường hàn

Tùy theo vị trí của đường hàn so với phương của lực tác

dụng mà chia ra:

• Đường hàn góc cạnh là đường hàn góc song song với

phương của lực tác dụng;

• Đường hàn góc đầu là đường hàn góc vuông góc với

phương của lực tác dụng;

+ Sự làm việc của đường hàn góc cạnh

• Ứng suất phân bố không đều theo chiều rộng, chiều

dài bản thép;

• Hai mút của đường hàn chịu max;

Hình 2.5 Sự phân bố ứng suất trong đường hàn góc cạnh

• Chịu đồng thời cả ứng suất cắt và uốn Trong tính toán

coi như chúng chỉ chịu cắt quy ước và phá hoại theo hai

Hình 2.6 Dạng phá hoại và tiết diện làm việc của đường

hàn góc cạnh

dạng phá hoại các tiết diện làm việc

+ Sự làm việc của đường hàn góc đầu

• Truyền lực đều theo bề rộng của liên kết;

• Chịu đồng thời cả ứng suất cắt, kéo và uốn Trong tính

toán coi như chúng chỉ chịu cắt quy ước và bị phá hoại

theo tiết diện 1 và 2 giống đường hàn góc cạnh;

+ Cường độ tính toán của đường hàn góc

• Ứng với tiết diện 1 : cường độ tính toán chịu cắt của

thép đường hàn fwf;

Loại que hàn theo TCVN 3223 : 1994 f wf (daN/cm 2 )

• Ứng với tiết diện 2 : cường độ tính toán chịu cắt của thép cơ

bản fws = 0.45fu;

fu: cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt;

c Các cách phân loại đường hàn khác

+ Theo công dụng

• Đường hàn chịu lực (để truyền lực);

• Đường hàn không chịu lực (để cấu tạo);

+ Theo vị trí

• Đường hàn nằm;

• Đường hàn đứng;

• Đường hàn ngược;

+ Theo địa điểm chế tạo

• Đường hàn nhà máy;

• Đường hàn công trường;

15

+ Theo tính liên tục của đường hàn

• Đường hàn liên tục;

• Đường hàn không liên tục;

Khoảng cách lớn nhất giữa hai đường hàn, amax:

amax  15tmin: cấu kiện chịu nén;

amax  30tmin: cấu kiện chịu kéo hoặc các bộ phận cấu

tạo;

tmin: chiều dày của bản thép mỏng nhất;

Bảng 2.3 Ký hiệu các loại đường hàn

2.1.5 Các Loại Liên Kết Hàn Và Phương Pháp Tính

Toán

a.Liên kết đối đầu

+ Khi chịu lực trục

Kiểm tra bền:

c wt w

w

w

f

f tl

N A

N







Trong đó:

• N: lực kéo hoặc nén;

• Aw: diện tích tính toán của đường hàn đối đầu;

• t: bề dày tính toán của đường hàn, bằng bề dày của

thép cơ bản (t = tmin);

• lw: chiều dài tính toán của đường hàn, lw = b - 2t;

• b: chiều dài thực tế của đường hàn, chính là chiều

rộng thép cơ bản;

• c: hệ số điều kiện làm việc;

• fwt: cường độ tính toán của đường hàn đối đầu khi chịu

kéo;

• fwc: cường độ tính toán của đường hàn đối đầu khi chịu

nén;

19

Khi cường độ tính tốn chịu kéo của đường hàn fwt < f (f, cường

độ tính toán của thép cơ bản), dùng đường hàn xiên;

(2.2)

Hình 2.8 Liên kết hàn đối đầu xiên chịu lực trục

c wv w

c wc

c wt w

w

f tl

N

f

f tl

Hệ số 1.15 kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo

trong đường hàn.

6

2

w w

tl

W 

w w

w

w w

w

c wt w

w td

tl

V A

V

tl

M W

6

15 1 3

b.Liên kết ghép chồng dùng đường hàn góc

+Tính toán liên kết ghép chồng chịu lực trục

• Tiết diện 1 (theo vật liệu đường hàn)

(2.7)

• Tiết diện 2 (theo vật liệu của thép cơ bản)

(2.8mm);)

Trong đó:

+ hf: chiều cao đường hàn góc;

+ l ∑l w: tổng chiều dài tính toán của các đường hàn;

+ f, s: các hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn

ứng với các tiết diện 1 và 2;

+ fwf, fws: cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép

đường hàn và thép cơ bản;

c wf w

f

f

f l

f

s

f l

h

N



Khi thiết kế nên chọn trước hf,

f

w

f h

N l



 )min(





Bảng 2.5 Hệ số phân phối nội lực N khi liên kết các

thép góc với thép bản

Loại thép góc Cách liên kết k 1 - k

Không đều cạnh

hàn theo cạnh

Không đều cạnh

hàn theo cạnh

c.Liên kết có bản ghép

Để các bản ghép truyền được lực, yêu cầu:

∑Abg ≥ A (2.9)

Trong đó:

∑ Abg: tổng diện tích tiết diện các bản ghép;

A: diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản;

Tính toán tương tự liên kết ghép chồng.

Hình 2.12 Liên kết có bản ghép

Bản ghép

d.Liên kết hỗn hợp

Là liên kết đối đầu có thêm các bản ghép với các

đường hàn góc.

A A

fwt(c): cường độ tính toán của đường hàn đối đầu khi chịu

kéo (nén);

• Lực truyền qua bản ghép :

Nbg = wAbg (2.11)

• Tổng chiều dài cần thiết của đường hàn góc để liên kết

một bản ghép ở một phía của liên kết:

(2.12)

(fw)min = min(ffwf; sfws);

e.Tính toán liên kết hàn với đường hàn góc chịu

moment và lực cắt

c w

f

bg w

f h

N l



 )min(





+ Khi chỉ có M tác dụng

• Tính theo vật liệu đường hàn (tiết diện 1)

+ Khi chỉ có V tác dụng

• Tính theo vật liệu đường hàn (tiết diện 1)

(2.17)

• Tính theo vật liệu của thép cơ bản (tiết diện 2)

(2.18mm);)

Awf, Aws: diện tích tính toán của tiết diện đường hàn

tương ứng với các tiết diện 1, 2;

Awf = fhf∑lw (2.19)

Aws = shf∑l w (2.20)

+ Khi có M, V tác dụng đồng thời

c wf wf

• Tính theo vật liệu đường hàn (tiết diện 1)

wf

A

V W

c ws ws

ws

A

V W

B LIÊN KẾT BOULONE

2.5 CÁC LOẠI BOULONE DÙNG TRONG KẾT

 Thân boulone: đoạn thép tròn, d= 12 ÷ 48mm);mm;

boulone neo có d  100mm;

 d0: đường kính trong của phần bị ren;

 Chiều dài của phần ren: l0  2,5d;

 Chiều dài boulone : l = 35 ÷ 300 mm;

35

êcu (đai ốc)

long đen (đệm)

Hình 2.15 Liên kết boulone

Thép cơ bản

 Mũ, êcu (đai ốc) thường có hình lục giác;

 Long đen (đệm): hình tròn → phân phối áp lực

của êcu lên mặt thép cơ bản;

b Các loại boulone

Tùy theo cách sản xuất, vật liệu, tính chất làm

việc của boulone, có các loại sau:

2.5.2 Boulone thô và boulone thường

 Được sản xuất từ thép cacbon bằng cách rèn,

dập;

 Đường kính thân boulone phải nhỏ hơn đường

kính lỗ (lỗ loại C) từ 2 ÷ 3mm;

 Bị biến dạng nhiều khi làm việc chịu trượt;

Ứng dụng:

 Dùng boulone (thô, thường) khi chúng làm

việc chịu kéo hoặc để định vị các cấu kiện khi

lắp ghép;

 Không nên dùng chúng khi thép cơ bản có

giới hạn chảy fy > 38mm);00daN/cm2;

37

2.5.3 Boulone tinh

 Làm từ thép cacbon, thép hợp kim thấp bằng

cách tiện, độ chính xác cao;

 Đường kính thân boulone phải nhỏ hơn đường

kính lỗ (lỗ loại B)  0.3mm;

 Khe hở giữa boulone và lỗ nhỏ nên liên kết

chặt;

 Có thể làm việc chịu cắt;

Ứng dụng:

Do tính phức tạp khi sản xuất và lắp đặt

boulone vào lỗ (phải dùng búa gõ nhẹ) nên loại

boulone này ít dùng

2.5.4 Boulone cường độ cao

 Được làm từ thép hợp kim, sau đó gia công

nhiệt;

 Để đảm bảo khả năng chịu lực của liên kết

boulone cường độ cao, cần gia công mặt các

cấu kiện liên kết để tăng tính ma sát;

Ứng dụng:

 Dễ chế tạo, khả năng chịu lực lớn, liên kết ít

biến dạng nên được dùng rộng rãi;

 Thay thế cho liên kết đinh tán trong các kết

cấu chịu tải trọng nặng, tải trọng động;

39

2.6 SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BOULONE

VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BOULONE

2.6.1 Sự Làm Việc Chịu Trượt Của Liên Kết

Boulone (thô – thường – tinh)

a Khả năng làm việc chịu cắt của boulone

Hình 2.15 Sự phá hoại do cắt của boulone

a Khả năng làm việc chịu cắt của boulone

 Khi đường kính boulone nhỏ, bản thép dày,

boulone có thể bị phá hoại do cắt ngang thân;

 Khả năng chịu cắt của một boulone được tính

Bảng 2.5 Cường độ tính toán chịu cắt f vb và kéo f tb của

Cấp độ bền

 Khi có hai cấu kiện: nv = 1;

 Khi có ba cấu kiện: nv = 2;

Bảng 2.6 Hệ số điều kiện làm việc b

Bảng 2.7 Diện tích tiết diện của boulone A, A bn , cm 2

Abn: diện tích thực của tiết diện thân boulone (đã

trừ giảm yếu do ren);

b Khả năng làm việc chịu ép mặt của boulone

45

Hình 2.16 Sự làm việc ép mặt của boulone

b Khả năng làm việc chịu ép mặt của boulone

 Nếu khoảng cách giữa các lỗ boulone hoặc từ

lỗ boulone đến mép bản thép quá ngắn thì bản

thép có thể bị phá hoại trượt (cắt đứt theo các

đường trượt 2-3) do tác dụng ép mặt của

boulone lên thành lỗ;

 x, y: các ứng suất trong bản thép;

 Khả năng chịu trượt của bản thép khi xem

chiều dài trượt l = a,

S = 2atfv (2.24)

Trong đó:

a: khoảng cách từ trọng tâm lỗ boulone đến

mép bản thép;

t: chiều dày bản thép;

fv: cường độ tính toán chịu cắt của thép liên kết;

 Khả năng chịu ép mặt của một boulone được

tính theo công thức:

[N]cb = fcbbd(∑t)min (2.25)

Trong đó:

fcb: cường độ tính toán chịu ép mặt của boulone;

(∑t)min : tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản

thép cùng trượt về một phía;

47

Bảng 2.8 Cường độ tính toán chịu ép mặt f cb của boulone

2.6.2 Sự Làm Việc Chịu Trượt Của Liên Kết

Boulone Cường Độ Cao

 Lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp

nhận lực trượt do ngoại lực gây nên;

 Boulone chỉ chịu kéo do sự xiết chặt êcu;

49

Hình 2.17 Sự làm việc chịu trượt của boulone cường độ cao

 Khả năng chịu trượt của một boulone được

: hệ số ma sát;

nf: số lượng mặt phẳng ma sát tính toán;

 Khi có hai bản thép liên kết: nf = 1;

 Khi có ba bản thép liên kết: nf = 2;

b1 : hệ số điều kiện làm việc của liên kết

boulone, giá trị phụ thuộc vào số lượng boulone

Bảng 2.9 Hệ số ma sát  và hệ số độ tin cậy b2

2.6.3 Sự Làm Việc Của Boulone Khi Chịu

Kéo

 Khả năng chịu kéo của một boulone được tính

theo công thức:

ftb: cường độ tính toán của vật liệu boulone khi

Hình 2.18 Sự làm việc chịu kéo của boulone

2.7 TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BOULONE

2.7.1 Tính toán liên kết boulone chịu lực trục

Hình 2.19 Liên kết boulone chịu lực trục

a Chọn đường kính boulone và kích thước các

A: diện tích tiết diện của cấu kiện được liên kết;

 Nên bố trí boulone theo phương vuông góc với

phương của lực;

55

b Tính toán số lượng boulone theo điều kiện

chịu cắt và ép mặt

 Đối với boulone (thô, thường, tinh), số lượng

boulone cần thiết được tính theo công thức:

(2.28mm);)

Trong đó:

[N]minb = min([N]vb, [N]cb);

 Cấu kiện cơ bản bị giảm yếu do lỗ boulone,

kiểm tra bền các bản thép theo công thức:

(2.29)

N n



min



bl n

 Khi boulone bố trí song song, tiết diện kiểm

tra là tiết diện 1-1:

An = A – A1 (2.30)

Trong đó:

A1: diện tích giảm yếu do các lỗ boulone gây ra;

A1 = mtd1 (2.31)

m: số lượng lỗ trên một hàng boulone;

t: chiều dày cấu kiện mỏng nhất;

d1: đường kính lỗ boulone;

 Khi boulone bố trí so le thì,

A1 = max(A15; A12345 – s2t/4u) (2.32)

s: bước lỗ so le;

t: chiều dày thanh thép có lỗ;

u: khoảng cách đường lỗ;

bl: hệ số điều kiện làm việc, được lấy như sau;

+ bl = 1.1: dầm đặc, cột, bản nối;

+ bl = 1.05: kết cấu thanh của mái và sàn;

 Đối với boulone cường độ cao, số lượng

boulone cần thiết được tính theo công thức:





 Kiểm tra bền các bản thép theo công thức:

(2.34)

 Khi chịu tải trọng tĩnh: An = A nếu An ≥ 0.85A;

 Khi An < 0.8mm);5A, tính theo diện tích quy ước

f A





Trong đó:

N: lực kéo tác dụng vào liên kết;

[N]tb: khả năng chịu kéo của một boulone;

c: hệ số điều kiện làm việc;

2.7.3 Tính toán liên kết boulone chịu

moment và lực cắt

M = N∑l ili = N1l1 + N2l2 + …+ Nili (2.36)

Trong đó:

N1: lực tác dụng lên dãy đinh ngoài cùng;

Ni: lực tác dụng lên dãy đinh thứ i;

li: cánh tay đòn của các cặp ngẫu lực Ni;

Hình 2.22 Liên kết boulone chịu moment và lực cắt

Gọi m, số lượng boulone trên một dãy ở một

phía của liên kết;

 Lực tác dụng lên một boulone do M:

2 2

2 1 1

l

N l

l

l l

Ml m

N

N  max  max2  min 



 Đối với boulone (thô, thường, tinh)

n: số lượng boulone trên một nửa liên kết;

 Lực tác dụng lên một boulone do M, V:

(2.44)

65

blV blM

N  2  2  min 

Bảng 2.10 Quy định bố trí boulone

 Khoảng cách min

Hình 2.24 Bố trí boulone dạng so le

 Khoảng cách max (cấu kiện chịu kéo)

69

Hình 2.25 Bố trí boulone cho cấu kiện chịu kéo

 Khoảng cách max (cấu kiện chịu nén)

Hình 2.26 Bố trí boulone cho cấu kiện chịu nén

Hình 2.27 Bố trí boulone cho thép góc