kết cấu thép, đại học bách khoa, đại học đà nẵng

Chương mở đầu: KẾT CẤU THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG ξ1.Vị trí môn học Kết cấu Thép: - Kết cấu thép quan trọng bới nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại, làm bộ phận chịu lực tro

Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp

Giáo trình:

KẾT CẤU THÉP

2004 - 2005

Mục lục:

Chương mở đầu: Kết cấu thép dùng trong Xây dựng Trang 3

Chương 1: Những tính chất cơ bản của thép xây dựng Trang 7

Chương 4: Cột và thanh nén đúng tâm Trang 78

Chương mở đầu:

KẾT CẤU THÉP DÙNG TRONG

XÂY DỰNG

ξ1.Vị trí môn học Kết cấu Thép:

- Kết cấu thép quan trọng bới nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại,

làm bộ phận chịu lực trong công trình, không chỉ trong xây dựng dân dụng và công

nghiệp mà còn cả trong các ngành cầu đường, thủy lợi, thủy điện

- Nằm trong hệ thống các môn học kết cấu của chương trình như: Bê tông cốt thép,

kết cấu gạch đá, kết cấu gỗ môn học kết cấu thép cần thiết cho mọi kỹ sư, cán bộ kỹ

thuật trong các ngành xây dựng, trang bị cho họ những kiến thức cơ bản để thiết kế, thi

công, sửa chữa bảo dưỡng kết cấu, công trình có liên quan đến kết cấu thép

- Việc kết hợp, vận dụng đúng đắn và đầy đủ các kiến thức của một số môn học

khác như: Sức bền vật liệu, cơ học kết cấu, vật liệu xây dựng, kiến trúc dân dụng, kiến

trúc công nghiệp cũng như nếu có sự liên hệ so sánh với phương pháp nghiên cứu,

tính toán các loại kết cấu khác sẽ giúp cho quá trình học tập nghiên cứu môn học thuận

lợi, đạt kết quả

ξ2.Sơ lược lịch sử phát triển KC Thép:

- Kết cấu kim loại được tiìm ra sớm nhất ở Trung Quốc, song so với kết cấu gỗ,

gạch đá, kết cấu thép ra đời muộn hơn và gặp nhiều khó khăn do kỹ thuật chế tạo kim

loại còn hạn chế Châu Âu, mãi đến thế kỷ 17, mới có kết cấu bằng gang

- Bước sang thời kỳ phát triển của chủ nghĩa tư bản, cùng với sự phát triển của

công thương nghiệp và giao thông vận tải, kỹ thuật luyện kim và gia công kim loại bắt

đầu phát triển tạo điều kiện cho kết cấu gang, thép phát triển nhanh Từ thế kỷ 17,

nhiều công trình xây dựng bằng gang thép ra đời như: mái nhà cung điện và đền thờ ở

Nga (Thế kỷ 17), cầu bằng gang đầu tiên ở Châu Âu nhịp dài 30m ở Anh năm

1776-1779 Đến đầu thế kỷ 19,nhiều nhà xưởng bằng sắt định hình nhịp khá lớn (15, 16,

34m) ra đời với hình thức liên kết đã biết dùng đinh tán

- Đến giữa thế kỷ 19,các phương pháp luyện thép mới ra đời: Phương pháp

Ô-Bu-Nốp (Nga - 1853), Phương pháp Bet-sme (Anh - 1856), phương pháp Mác-tanh

(Pháp -1865) Từ đó kết cấu thép bắt đầu phát triển mạnh mẽ Năm 1885, N.Bê -nác-

Đốt tìm ra phương pháp hành hồ quang điện dùng điện cực bằng than và đến năm

1888, N G.Sla-via-Nốp đưa ra phương pháp hàn điện bằng điện cực kim loại Kết cấu

thép dùng liên kết hàn phát triển và trở nên phổ biến Bên cạnh đó, lý thuyết tính tóan

cũng đạt những tiến bộ lớn: Đ.I.Giu-ráp-xki (1822-1891) nghiên cứu và đưa ra lý luận

tính dàn có thanh xiên, P.S Da-xin-ski nghiên cứu phương pháp tính toán cấu kiện chịu

nén Cùng với sự phát triển của kỹ thuật luyện kim và chế tạo cơ khí, kết cấu thép dần

dần đáp ứng yêu cầu nhà công nghiệp, đòi hỏi cần trục lớn, sườn phân xưởng bằng

khung cứng

- Từ những năm 50 trở về sau, ở Liên Xô (cũ), trường phái kết cấu thép ra đời và

phát triển theo 3 nguyên tắc: Tiết kiệm thép, giảm công chế tạo và nâng cao tốc độ thi

công công trình kết cấu thép Nhờ đó đã đạt được những thành tựu lớn trong việc

thống nhất hóa và tiêu chuẩn hóa kết cấu dựa trên hệ môdun thống nhất, đạt chỉ tiêu

kinh tế cao Liên Xô cũng là nước đầu tiên nghiên cứu và áp dụng phương pháp tính

theo trạng thái giói hạn, hợp lý hơn và tiết kiệm vật liệu thép Trên cơ sở những ưu

điểm nổi bật của vật liệu và kết cấu thép, những thành tựu của nó tiếp tục phát huy tác

dụng to lớn trong xây dựng và công nghiệp nhờ những dạng vật liệu thép tốt hơn (thép

hợp kim nhẹ và bền hơn), hình thức kết cấu đơn giản, hợp lý cùng với phương pháp thi

công nhanh và tiên tiến

-Việt Nam với tiềm năng to lớn về nguyên liệu quặng sắt đã sớm xây dựng nhà

máy gang thép (Thái Nguyên), học hỏi và vận dụng những tiến bộ về kết cấu thép của

Liên Xô và thế giới vào điều kiện của mình, nhờ đó cũng đạt được những kết quả đáng

khích lệ trong việc sử dụng kết cấu thép, đã và đang đáp ứng những yêu cầu của sự

nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

ξ3.Đặc điểm Kết Cấu Thép:

1.Ưu điểm:

- Kết cấu an toàn nhất vì:

* Khả năng chịu lực lớn: Cường độ vật liệu thép lớn nhất

Thép CT3: R K,N,U = 2100kg/cm 2 ; R C = 1300 kg/cm 2 , R EM = 3200 kg/cm 2

* Độ tin cậy cao: Cấu trúc thuần nhất, vật liệu đàn hồi-dẻo phù hợp với giả thiết

tính toán và kết cấu thép làm việc phù hợp với lý thuyết tính toán

- Kết cấu nhẹ nhất: Giảm tải trọng nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu chịu lực Đặc

trưng bởi hệ số:

c= γ/R ( γ: Trọng lượng riêng vật liệu; R: Cường độ vật liệu )

Thép c= 3,7.10 - 4 m -1 ; Gỗ c= 4,5.10 - 4 m -1 ;

Bê tông c= 2,4.10 - 3 m -1 (Một vì kèo thép nhịp 18m nặng 1,5 tấn so với vì kèo cùng kích thước bê tông cốt thép

nặng 8 tấn)

- Đạt trình độ công nghiệp hóa cao trong sản xuất chế tạo, dựng lắp: Sản xuất hàng

loạt cấu kiện riêng lẻ, giảm thời gian sản xuất và thi công, giảm giá thành, phù hợp sản

xuất công nghiệp

- Thi công nhanh: Thuận tiện, cơ động trong vận chuyển, lắp ráp

- Có tính “ kín”: Không thấm nước, khí phù hợp cho các công trình bể chứa khí,

chất lỏng

2.Nhược điểm:

- Dễ han gỉ: Tốn nhiều chi phí bảo vệ trong quá trình sử dụng

Ư Khắc phục:

-Chọn hình thức cấu tạo hạn chế khe rãnh, chỗ lõm vì dễ đọng chất bẩn,

hơi nước làm thép chóng gỉ ;

-Chọn loại sơn và công nghệ sơn phù hợp;

-Tráng kim loại hoặc dùng thép hợp kim khi cần

- Tính phòng hỏa kém: Ở nhiệt độ 500÷600oC, thép chuyển dẻo và mất khả năng

chịu lực

Ư Khắc phục: Tạo lớp bảo vệ kết cấu thép bằng vật liệu khó cháy như: Bê tông,

gốm, sơn phòng hỏa

ξ4.Phạm vi sử dụng KC Thép:

Thông thường, kết cấu thép được sử dụng khi công trình lớn (nhịp, chiều cao

hay tải trọng lớn ) hay công trình có yêu cầu sử dụng đặc biệt (đòi hỏi kín, nhẹ, công

trình tạm )

Phạm vi sử dụng như sau:

- Khung nhà công nghiệp:

* Rất nặng: Nhịp l ≥ 24m hoặc H ≥ 15m hoặc Q ≥ 50 tấn và có chấn động

* Rất nhẹ: Nhịp l≤ 15m hoặc Q ≤ 5 tấn

- Công trình công cộng : Chủ yếu là nhịp lớn l ≥ 30÷40m mà kết cấu BTCT không

thích ứng (Nhà triển lãm, vì kèo nhà thi đấu; ga máy bay )

- Cầu đường sắt, đường bộ:

- Kết cấu cột, tháp trụ: Tháp truyền hình, tháp dàn khoan

- Kết cấu bản: Bể chứa chất lỏng, khí, vỏ lò cao, ống dẫn đường kính lớn

- Kết cấu di động: Cửa van, cửa cống, các loại cầu trục có trọng lượng bản thân

không lớn nên rất phù hợp tính chất thép

ξ5.Những yêu cầu cơ bản đối với KC Thép:

1.Yêu cầu sử dụng:

- Thỏa mãn yêu cầu chịu lực quy định bởi điều kiện sử dụng : Kết cấu phải an toàn:

Đủ độ bền, độ cứng và ổn định

- Thỏa mãn yêu cầu kiến trúc: Thỏa mãn dây chuyền công năng, hình thức gọn,

đẹp, hài hòa và cân đối, thỏa mãn yêu cầu thông gió chiếu sáng

- Đảm bảo độ bền lâu của công trình: Bảo vệ kết cấu chống gỉ, chống cháy, thuận

tiện khi bảo dưỡng, đảm bảo niên hạn sử dụng

2.Yêu cầu kinh tế:

-Tiết kiệm thép: Gía thành vật liệu thép cao nên cần cân nhắc giải pháp kết cấu,

cần thiết mới sử dụng vật liệu thép Chọn hình thức và cấu tạo kết cấu hợp lý Dùng

phương pháp tính thích hợp

-Tiết kiệm thời gian thiết kế, công chế tạo, vận chuyển, cẩu lắp : Lắp ráp nhanh chóng,

thuận tiện, các mối nối ở hiện trường đơn giản góp phần hạ giá thành

3.Yêu cầu điển hình hóa kết cấu thép:

- Theo nhiều mức độ: Điển hình hóa cấu kiện (xà gồ, dầm ,dàn ) ; điển hình hóa

kết cấu (khung nhà, cột điện, bể chứa, nhịp cầu )

- Mục đích: Tránh thiết kế lặp lại, chọn được nhiều dạng kết cấu tối ưu về vật liệu

và giá thành Chế tạo số lượng lớn cấu kiện, sử dụng được thiết bị chuyên dùng, tăng

năng suất, giảm thời gian chế tạo Sử dụng thiết bị dựng lắp chuyên dùng, tiện lợi,

nhanh chóng Ư hoàn thiện quá trình dựng lắp

Chương 1:

NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA THÉP XÂY DỰNG

ξ1.Thép xây dựng:

Từ quặng (Fe2O3, Fe3O4) luyện trong lò dưới tác dụng to được gang (%C > 1,7%),

tiếp tục luyện và khử bớt C trong gang sẽ được thép (%C < 1,7%) Căn cứ vào hàm

lượng C% để phân biệt gang và thép Vật liệu chủ yếu làm kết cấu thép là thép than

(thép C) và thép hợp kim thấp, ngoài ra đôi khi còn dùng gang đúc làm gối tựa hoặc

hợp kim nhôm (rất hạn chế vì giá thành cao)

1.1.Phân loại thép xây dựng

1.Theo thành phần hóa học :

Dựa vào hàm lượng C% trong thép và các thành phần khác:

- Thép C : ( %C< 1,7% ) chia ra làm 3 loại:

* Thép C thấp ( %C < 0,22%): Dẻo, mềm và dễ hàn Thép xây dựng là thép

C thấp

* Thép C vừa (0,22 < %C < 0,6 %): Cường độ cao hơn nhưng dòn

* Thép C cao ( 0,6% < %C< 1,7% )

- Thép hợp kim: Có thêm các thành phần kim loại khác: Cr,Ni,Mn để cải thiện

tính chất thép Thép hợp kim thấp có hàm lượng các kim loại < 2,5%

2.Theo phương pháp luyện:

Có 2 loại

- Thép lò quay (Lò Bessmer, Thomas): Dung tích lớn 50-60 tấn/mẻ; thời gian luyện

nhanh 10-20 phút/lò Khó khống chế và điều chỉnh thành phần, không loại hết tạp chất

có hại, cấu trúc không thuần nhất nên chất lượng thấp , không dùng làm kết cấu chịu

tải trọng nặng , tải trọng động

- Thép lò bằng (Lò Martin): Dung tích nhỏ hơn 30÷35 tấn/mẻ,thời gian luyện lâu

8÷12h/lò Có thể khống chế và điểu chỉnh thành phần, đủ thời gian khử hết tạp chất,

cấu trúc thuần nhất nên chất lượng cao, dùng làm kết cấu chịu lực.Tuy nhiên, năng suất

thấp, giá thành cao

Ư Khắc phục:Luyện bằng lò thổi ôxy chất lượng tương đương lò bằng, giá thành

thấp hơn do năng suất cao, thời gian luyện nhanh hơn (40÷50 phút/mẻ)

3.Theo phương pháp khử ôxy:

Có 3 loại

- Thép tĩnh: Thép lỏng ra lò được khử ôxy và tạp chất, tránh được bọt khí trong

thép nên cấu trúc thuần nhất, chất lượng cao nên được dùng làm kết cấu chịu tải trọng

nặng, tải trọng động

- Thép sôi:Thép lỏng ra lò đổ vào khuôn, bọt khí O2 , CO2 chưa ra hết đã nguội,

tạo những chỗ khuyết tật, dễ sinh ứng suất tập trung khi chịu lực và bị lão hóa, dẫn đến

phá hoại dòn, không nên dùng làm kết cấu chịu lực chính

- Thép nửa tĩnh: Chất lượng và giá thành trung gian giữa 2 loại trên

1.2.Cấu trúc và thành phần hóa học của thép:

1.Cấu trúc tinh thể:

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc thép (hình 1.1) tạo bởi:

- Ferit: Fe nguyên chất, chiếm 99% thể tích , dẻo

và mềm

- Ximentic: Hợp chất Fe3C, cứng và dòn do

thành phần C

- Màng peclit: Hổn hợp Fe và Fe3C, là màng đàn

hồi, bao quanh ferit Màng càng dày, thép càng cứng và

kém dẻo

2.Thành phần hóa học:

- C: Có hàm lượng nhỏ hơn 1,7% Lượng C càng cao, thép có cường độ lớn nhưng

dòn nên khó hàn và khó gia công Yêu cầu thép xây dựng có: %C < 0,22%

- Các thành phần có lợi:

* Mn: 0,4 ÷ 0,65 % Tăng cường độ,độ dai, nhưng làm thép dòn

Ư %Mn < 1,5%

* Si:0,12 ÷ 0,35% Tăng cường độ nhưng giảm tính chống gỉ, khó hàn

Ư %Si < 0,3%

- Các thành phần có hại:

* P: Giảm tính dẻo và độ dai va chạm, thép dòn ở nhiệt độ thấp

* S: Làm thép dòn ở nhiệt độ cao, dễ nứt khi rèn và hàn

* O2 ,N2: Làm thép dòn, cấu trúc không thuần nhất

Ư %O2< 0,05 %; %N2< 0,0015%

Ngoài ra trong thép hợp kim còn có thêm một số thành phần Ni, Cr,Cu để cải

thiện tính chất thép

1.3.Số hiệu của thép xây dựng:

1.Thép C:

Theo ký hiệu Liên Xô (cũ) từ CTO÷ CT7 Chỉ số càng cao hàm lượng C càng lớn,

thép có cường độ cao nhưng kém dẻo khó hàn và gia công

* CTo: Dẻo, dùng làm kết cấu không chịu lực: Bulông thường, đinh tán, chi tiết

* CT1 ,CT2: Mềm , cường độ thấp, dùng trong kết cấu vỏ

* CT3: Phổ biến nhất trong xây dựng, thường là thép lò bằng-sôi hoặc thép nửa

tĩnh Kết cấu chịu tải trọng nặng, động dùng thép lò bằng-tĩnh

* CT4: Cường độ cao, dùng trong công nghiệp đóng tàu

* CT5: Khó gia công chế tạo, khó hàn chỉ dùng cho kết cấu đinh tán

* CT6, CT7: Qúa cứng, dòn không dùng được trong xây dựng, chỉ dùng làm máy

công cụ

2.Thép hợp kim thấp:

Ngày càng phổ biến trong xây dựng nhờ cường độ cao, bền và chống gỉ tốt

Theo ký hiệu LiênXô (cũ), các chỉ số chỉ thành phần hóa học và hàm lượng C

Ví dụ: 15XCHΓΠ: 0,15% C, C: Silic, H:Ni , Π: Cu

ξ2.Sự làm việc của thép chịu kéo:

Sự làm việc chịu kéo là dạng chịu lực cơ bản của thép, qua đó có thể thấy được

các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép như : ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn,

môduyn đàn hồi

2.1.Biểu đồ ứng suất - biến dạng:

- Kéo một nẩu thép mềm CT3 tiêu chuẩn bằng tải trọng tĩnh tăng dần Vẽ biểu

đồ quan hệ ứng suất (σ) - biến dạng tương đối (ε), hình 1.2: Trục tung Oy biểu thị ứng

suất σ = N/ F (KN/cm2) Trục hoành Ox biểu thị biến dạng tương đối ε = ∆l /l % ( F,l:

Tiết diện và chiều dài ban đầu của mẫu thép )

- Biểu đồ gồm 4 giai đoạn:

1.Giai đoạn 1 ( Giai đoạn đàn hồi )

Hình 1.2: Biểu đồ kéo của thép carbon thấp

* Đoạn OA: Đoạn thẳng Quan hệ σ - ε tuyến tính Vật liệu làm việc theo định

luật Hooke:

σ = E.ε ( E: Môduyn đàn hồi, thép CT3 có E=2,1.106 Kg/cm2 )

Đến A, thôi tác dụng, vật liệu khôi phục lại trạng thái ban đầu Giai đoạn này gọi

là: Giai đoạn tỷ lệ Ứng suất tỷ lệ σtl = σA= 2000 Kg/cm2 ε A = ε tl= 0,2 %

* Đoạn AA’: Hơi cong Không còn giai đoạn tỷ lệ nhưng thép vẫn làm việc đàn

hồi, biến dạng sẽ mất đi khi không còn tải trọng

2.Giai đoạn 2 ( Giai đoạn đàn hồi - dẻo)

* Đoạn A’B: Đoạn cong.Vật liệu làm việc đàn hồi - dẻo E ≠ const và giảm dần

đến 0 Đến B thôi tác dụng, biểu đồ sẽ qua A trở về 0 σB = σc = 2400 Kg/cm2

3.Giai đoạn 3 ( Giai đoạn chảy dẻo)

* Đoạn BC: Hầu như nằm ngang Biến dạng tăng nhưng ứng suất không tăng

Đến C, thôi tác dụng, vật liệu trở về theo đường giảm tải C0’ // A0 Ư Thép có biến

dạng dư 00’ σC= σB= σc = 2400 Kg/cm2 ε = 0,2 %÷ 2,5%

Hình 1.3: Biểu đồ kéo của thép

carbon cao

4.Giai đoạn 4 ( Giai đoạn tự gia cường, củng cố)

* Đoạn CD: Đoạn cong thoải Thép không chảy nữa mà lại như có vẻ chịu được

lực Ư Thép tự gia cường Sau đó, biến dạng tăng nhanh, tiết diện mẫu thép bị thu hẹp

và bị kéo đứt ở σD= σb= 3800÷4000 Kg/cm2 εD= ε b= 20 ÷25 %

Giải thích: Dựa vào cấu trúc hạt của thép và cấu trúc tinh thể của các hạt ferit Mạng

nguyên tử của các tinh thể hạt ferit có những khuyết tật (biến vị) làm cho các phần tinh thể

ferit khi chịu lực dễ bị trượt tương đối với nhau Trong giai đoạn tỷ lệ, biến dạng của thép là do

biến dạng hồi phục được của các mạng nguyên tử Sau đó, một số hạt feri tcó biến vị xuất hiện

trượt làm biến dạng tăng nhanh hơn ứng suất (giai đoạn đàn hồi dẻo) Khi ứng suất tiếp tục

tăng, sự trượt các hạt riêng lẻ phát triển thành đường trượt làm thép biến dạng lớn với ứng suất

không đổi (giai đoạn chảy dẻo) Sau đó, màng peclit cứng hơn so với ferit nguyên chất ngăn cản

biến dạng của các tinh thể Ứng suất do đó tiếp tục tăng (giai đoạn tự gia cường) Khi ứng suất

tập trung chỗ tiết diện thu hẹp vượt quá lực tương tác nguyên tử, thép mới bị đứt

Nhận xét:

- Về quan niệm tính : Khi ứng suất trong thép vượt quá giới hạn chảy, thép coi

như không còn khả năng làm việc bình thường do biến dạng quá lớn Ư Lấy giới hạn

chảy σc làm giới hạn không được phép vượt qua Mặt khác, khi σ < σc , biến dạng kết

cấu nhỏ nên phù hợp với các giả thiết của sức bền vật liệu

Giai đoạn 1: Giai đoạn đàn hồi

σ < σtl : Dùng lý thuyết đàn hồi E= const

Giai đoạn 2: Giai đoạn đàn hồi-dẻo

σtl < σ < σc: Dùng lý thuyết đàn hồi - dẻo E ≠ const

σ = σc : Dùng lý thuyết dẻo E= 0

- Hiện tượng “thềm chảy”: Chỉ xảy ra ở thép có hàm lượng C% = 0,1÷0,3% Nếu

không, sau giai đoạn đàn hồi, đường cong chuyển ngay sang giai đoạn tự gia cường

Đối với thép này, quy ước lấy giới hạn chảy tương ứng với biến dạng ε = 0,2 %

Biểu đồ vật liệu dòn có dạng như hình 1.3

2.2.Tính toán cấu kiện chịu kéo:

Tính theo điều kiện bền

* Cấu kiện không cho phép biến dạng dẻo:

σ =

th F

N

≤ γ R (1.1)

F th : Diện tích tiết diện thu hẹp

γ : Hệ số điều kiện làm việc

* Cấu kiện cho phép biến dạng dẻo:

σ =

th F

N

≤ γ Rb / γb (1.2 ) Với: γb = 1,3

2.3.Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép

Biểu đồ kéo cho thấy các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép quy định trong quy

phạm tùy mác thép, đó là:

- Mođun đàn hồi E: Độ dốc của đoạn thẳng OA E= σ /ε = tg α (α: Góc nghiêng

của biểu đồ đàn hồi - Thép CT3 E= 2 106 Kg/cm2) Giai đoạn tỷ lệ E= const, giai đoạn

chảy E=0, giai đoạn tự gia cường, E rất nhỏ và E ≈ 0

- Giới hạn tỷ lệ σtl : Giá trị ứng suất giới hạn vật liệu làm việc theo định luật

Hooke

-Giới hạn chảy σc: Quan trọng nhất vì đó là ứng suất lớn nhất có thể có trong vật

liệu mà không được phép vuợt qua Khi ứng suất trong kết cấu đạt σc (Thép CT3, σc =

2400 Kg/cm2 ), coi như kết cấu đạt trạng thái giới hạn về cường độ Ư là căn cứ xác định

cường độ tính toán của thép

- Giới hạn bền σb: Cường độ tức thời của thép khi bị kéo đứt, Đối vói thép CT3, σb

> σc do đó nó xác định vùng an toàn dự trữ giữa hai trạng thái làm việc và phá hoại Đối

với thép không có thềm chảy, σb là trị số giới hạn ứng suất làm việc (kể thêm hệ số an toàn) Đối

với thép có thềm chảy nhưng cho phép biến dạng dẻo có thể lấy ứng suất giới hạn theo σb (kể

thêm hệ số an toàn)

- Biến dạng khi đứt: Đặc trưng cho độ dẻo và độ dai của thép Thép CT3 có

εb=20÷25% >> εc= 0,2% chứng tỏ thép không bao giờ bị kéo đứt khi còn ở trạng thái dẻo

Thép chỉ bị phá hoại khi đã chuyển sang dòn

Giải thích: Nếu ít C, màng peclit không đủ để ngăn các hạt ferit trượt Ngược lại,

màng peclit dày luôn luôn ngăn cản không cho các hạt ferit trượt nên biểu đồ sẽ hầu

như không có thềm chảy

ξ3.Sự làm việc của thép chịu nén:

Thép chịu nén bị phá hoại dưới 2 dạng: Mất khả năng chịu lực hoặc mất ổn định

- Đối với mẫu ngắn: (Chiều cao mẫu l không lớn hơn 5 đến 6 lần so với bề rộng) Sự làm

việc chịu nén không khác mấy so với khi chịu kéo, cũng có các giai đoạn đàn hồi, chảy

và tự gia cường, tức là có cùng các đặc trưng cơ học như : Giới hạn tỷ lệ σtl , giới hạn

chảy σc ,εc ,môdun đàn hồi E Tuy nhiên, trong giai đoạn tự gia cường không xác định

được giới hạn bền σb vì thép không bị kéo đứt mà bị phình ra và tiếp tục chịu được tải

trọng lớn Ư Thép bị phá hoại là do biến dạng lớn

- Đối với mẫu dài: Thường thép mất khả năng chịu lực chủ yếu là do mất ổn định

3.1.Hiện tượng mất ổn định:

Xét thanh thẳng chịu tác dụng lực nén đúng tâm P

- Khi P còn nhỏ, dưới tác dụng của lực ngẫu nhiên H, thanh lệch khỏi vị trí ban

đầu (lực P vẫn đúng tâm), thôi tác dụng H, thanh trở về trạng thái ban đầu Ư thanh ở

trạng thái cân bằng ổn định

- Khi P đạt giá trị giới hạn Pth , dưới tác dụng của H ngẫu nhiên dù nhỏ khi thôi

tác dụng, thanh không thể trở về trạng thái ban đầu Ư Thanh đã bị mất ổn định

Hình 1.4: Hiện tượng mất ổn định

3.2.Tính toán ổn định thanh chịu nén:

- Hiện tượng: Khi lực nén P = Pth , thanh không còn thẳng mà bị uốn cong trong

mặt phẳng có độ cứng nhỏ nhất Sau đó dù tăng P lên rất ít thanh vẫn bị cong nhanh và

mất khả năng chịu lực. Đối với thanh chịu nén, tính toán ổn định là xác định Pth, từ đó

l

EJ

π

(1.3)

E: Môdun đàn hồi của vật liệu

J min: Mômen quán tinh nhỏ nhất của tiết diện

l o : Chiều dài tính tóan của thanh l o = µ l (1.4 )

µ : Hệ số phụ thuộc hình thức liên kết 2 đầu thanh

Hình 1.5: Hệ số µ theo dạng liên kết 2 đầu thanh nén

Ứng suất tới hạn: σth =

EJ

2 0 min 2π

π E

(1.7)

-Nhận xét: * σth phụ thuộc độ mảnh λ và E (đặc trưng cơ học vật liệu) mà không

phụ thuộc ngoại lực tác dụng

* Thanh có r min càng lớn, σth càng lớn tức khả năng chịu lực của thanh

càng cao Ư Cùng diện tích thép, tiết diện có bán kính quán tính r lớn nhất là hình thức

tiết diện hợp lý nhất

Chứng minh công thức Euler:

Bỏ qua trọng lượng bản thân thanh, mômen tiết diện x khi thanh mất ổn định:

M x = P th y Giả thiết khi mất ổn định thép còn làm việc đàn hồi (E= const) phương trình vi phân

gần đúng của đường đàn hồi thanh chịu nén là:

-min

.J E

M X

= -

min

)(

J E

x y

P th

hay y’’(x)+

min

)(

J E

x y

P th

Ư y’’(x)+ α2 y (x) = 0

Nghiệm tổng quát phương trình:

y(x) = Asinαx +Bcosαx

Điều kiện biên: x=0, y=0 Ư B=0; x=l, y=0 Ư Asinα =0 A≠0 (Vì nếu A=0 thì luôn có

y(x)=0 trái giải thiết ban đầu thanh đã mất ổn định (y(x)≠ 0) Ư sinαl = 0

Ư α = n.π/ l So sánh công thức α2 Ư P th= 2 min

2 2

l

J E

n π

Khi thanh mất ổn định, chỉ cần P th đạt trị số nhỏ nhất n=1Ư Pth= 2 min

2

l

J E

π

2.Công thức Euler mở rộng:

- Công thức (1.3) (1.7) chỉ đúng khi thanh làm việc trong miền đàn hồi σth < σtl :

E= const

Đối với thép CT3 : σth = 2

2λ

Khi thanh có λ < 105: trước khi mất ổn định đã có một phần vật liệu chuyển sang

làm việc ở giai đoạn dẻo E= dσ/dε

Eq : Môđun đàn hồi quy ước

E, Ed: Môdun đàn hồi và môđun biến dạng dẻo

J1, J2: Mômen quán tính của phần tiết diện làm việc đàn hồi và phần tiết diện

biến dạng dẻo

J: Mômen quán tính của cả tiết diện

Chứng minh E q :

1

11

F

dF y

2 2 2

F

dF y

F

dF y P

E

+∫

2

.2

F

d dF y P E

- Thực tế thanh nén dọc trục luôn chịu các tác nhân gây uốn (độ lệch tâm ngẫu

nhiên, độ cong ban đầu ) do đó không có nén dọc trục hoàn toàn mà phải kể đến độ

lệch tâm nhỏ, đặc trưng bởi hệ số uốn dọc: ϕ =

c

th

σ

σ (1.10)

Nếu lấy cường độ tính toán của thép R= σc

Ư σth= ϕ.R

Mặt khác: σth= 2

2λ

π E

2.λ

πϕ

R

E

=

(1.11)Nên ϕ phụ thuộc mác thép và độ mảnh cấu kiện (λ): ϕ = f (λ)Ư Tra phụ lục I.2

3.Tính toán thanh chịu nén:

Phải tính cả 2 điều kiện:

- Điều kiện bền: σ =

th F

N

≤ R (1.12)

Fth :Diện tích tiết diện thu hẹp

- Điều kiện ổn định: σ =

ng

F N ≤ ϕ.R (1.13)

Fng: Diện tích tiết diện nguyên

Giải thích: Sở dĩ tính ổn định được lấy F ng , bỏ qua giảm yếu vì sự giảm yếu cục bộ trên

mặt cắt ngang chỉ ảnh hưởng đến độ bền mà không ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định

ξ4.Sự làm việc của thép chịu uốn:

4.1.Sự làm việc của cấu kiện chịu uốn:

Hình 1.6: Sự làm việc của cấu kiện chịu uốn

1 Trong giai đoạn đàn hồi:

- Khi P nhỏ, biểu đồ ứng suất dạng tam giác Các thành phần nội lực M sinh ra

ứng suất pháp σ và Q sinh ra ứng suất tiếp τ

- Điều kiện bền của dầm chịu uốn trong giai đoạn đàn hồi :

σ =

th W

M

≤ γ R (1.14)

c

R b J

S Q

M, Q: Mômen và lực cắt do tải trọng tính tóan

W th : Mômen kháng uốn của tiết diện giảm yếu

S : Mômen tĩnh của phần tiết diện nguyên trượt đối với trục trung hòa

b : Bề rộng cấu kiện

- Khi P lớn, mômen tăng, ứng suất σ tăng theo, khi các thớ biên đạt giới hạn chảy

σ = σc , giai đoàn đàn hồi kết thúc (I)

M gh đh = σc W th (1.16)

2 Trong giai đoạn có biến dạng dẻo:

-Tiếp tục tăng P, do tính chất “thềm chảy” nên dù biến dạng tăng, ứng suất các

thớ biên vẫn không tăng, chỉ có ứng suất các thớ bên trong tiếp tục tăng và đạt giới hạn

chảy, vùng dẻo lan dần vào các thớ trong Khi toàn bộ tiết diện đạt giới hạn chảy σ = σc

, biểu đồ ứng suất có dạng hình chữ nhật (II) Tại tiết diện đặt lực P xuất hiện “khớp

dẻo” làm hai phần dầm có thể xoay được Ở trạng thái này, toàn bộ tiết diện dầm làm

việc trong giới hạn dẻo Mômen đạt giá trị giới hạn và không tăng được nữa, dầm bị

phá hoại

Mghđ = σc ∫ = σ

F dF

y. c Wd (1.17)

- Điều kiện bền của dầm chịu uốn có xét đến biến dạng dẻo là :

σ =

d W

M

≤ γ R (1.18)

W d = S t + S d : Mômen kháng uốn dẻo

S t , S d: Mômen tĩnh của phần trên, dưới đối với trục trung hòa của tiết diện

* Tiết diện hình chữ nhật:

dh gh

d gh M

.σ

σ

=

6/

4/.2 2

h b

h b

= 1,5 Ư Wd = 1,5 W

* Tiết diện chữ I, [ : Wd = (1,12 ÷ 1,13) W

Ư Khả năng chịu uốn khi hình thành khớp dẻo lớn hơn khi làm việc đàn hồi

- Điều kiện cho phép kể đến biến dạng dẻo:

* Dầm phải đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể

* Tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh

* Tại vị trí Mmax (xuất hiện khớp dẻo) có ứng suất tiếp τ ≤ 0,3.R

Nên sử dụng việc tính khớp dẻo ở dầm liên tục

- Nếu trên tiết diện dầm có cả ứng suất pháp σ và ứng suất tiếp τ đồng thời tác

dụng thì tiết diện sẽ nhanh chóng đạt giới hạn chảy khi:

σtđ = σ2 +3τ2 = σc Biểu đồ ứng suất có dạng hình cong Sự chảy không chỉ bắt đầu từ các thớ biên

khi σ = σc mà có thể bắt đầu từ các thớ bên trong khi τ =

3

c

σ(ứng suất chảy khi trượt thuần túy)

Quy phạm cho phép tính gần đúng cấu kiện chịu uốn đồng thời với chịu cắt có

kể đến biến dạng dẻo theo công thức: :

σtđ = σ2 +3τ2 ≤ 1,15 γ R (1.19) Đối với tiết diện chữ I, hiện tượng chảy có thể xảy ra trước tiên ở chỗ nối giữa

bản bụng và bản cánh vì có σ và τ lớn nên kiểm tra theo (1.19)

4.2.Tính toán cấu kiện chịu uốn:

- Tính theo điều kiện cường độ: σ =

th W

M

≤ γ R (1.14)

δ

J

S Q

≤ γ RC (1.15)

- Tính theo điều kiện biến dạng: f ≤ [ f ] (1.20)

f: Biến dạng do tải trọng tiêu chuẩn gây ra trong cấu kiện

[f]: Biến dạng giới hạn Tra phụ lục I.3.

ξ5.Phá hoại dòn:

Sự phá hoại của thép khi làm việc có 2 loại:

- Phá hoại dẻo: Phá hoại khi biến dạng lớn, xảy ra do sự trượt của các phân tử khi

ngoại lực tác dụng lớn hơn lực chống trượt giữa chúng

- Phá hoại dòn: Phá hoại khi biến dạng còn nhỏ, đột ngột và kèm theo vết nứt do các

phân tử tách rời nhau khi lực tương tác giữa chúng mất đi Ư Nguy hiểm hơn nhiều so

với phá hoại dòn

- Thép luôn có lực chống trượt nhỏ hơn lực kéo đứt nên bình thường thép chỉ có thể

bị phá hoại dẻo (mất khả năng chịu lực do biến dạng quá lớn) Trong những điều kiện

đặc biệt (thép bị lão hóa,biến cứng, chịu ứng suất cục bộ, chịu tải trọng lặp ) thép mới

bị phá hoại dòn (đứt gãy, sụp đổ ) rất nguy hiểm:

5.1.Hiện tượng cứng nguội:

-Kéo một mẫu thép đến giai đoạn

dẻo, bỏ tải, thép có biến dạng dư εb Gia

tải lần thứ hai, thép lập lại theo đường

giảm tải lần thứ nhất, thềm chảy của thép

do đó giảm đi Nếu lần đầu kéo thép đến

quá biến dạng dẻo thì những lần chịu tải

sau, thép làm việc hầu như trong giai

đoạn đàn hồi, giới hạn đàn hồi tăng,

nhưng biến dạng phá hoại giảm đi rất

nhiều

- Vậy sau khi thép bị biến dạng dẻo ở

t o thường, khi chịu lực trở lại trở nên cứng

hơn, giới hạn đàn hồi cao hơn nhưng biến

dạng khi phá hoại lại thấp hơn, thép đã chuyển sang dòn Hiện tượng tăng giới hạn đàn

hồi do bị biến dạng dẻo trước gọi là hiện tượng “cứng nguội” Nó làm tăng cường độ của

thép nhưng làm thép dòn không có lợi cho kết cấu thép Ví dụ: uốn nguội cấu kiện, cắt

máy, đột lỗ Ư Cần chú ý hạn chế các nguyên nhân gây cứng nguội thép khi chế tạo

Giải thích: Sau khi thép làm việc ở ngoài giới hạn đàn hồi, khi không chịu lực

nữa sẽ có biến dạng dư làm giảm biến dạng khi thép chịu lực lại và thép trở nên dòn

Tuy nhiên, có trường hợp khi giảm biến dạng lúc phá hoại không quan trọng lắm, có

thể lợi dụng hiện tượng này để tăng cường độ thép : Kéo nguội thép để làm cốt thép

cho cấu kiện BTCT

Hình 1.7: Hiện tượng cứng nguội của thép

5.2.Hiện tượng già thép:

- Lấy hai mẫu thép sản xuất cùng

một mẻ, mẫu thứ nhất kéo ngay (I), mẫu

thứ hai để vài chục năm sau mới kéo

(II), thì mẫu thứ hai sẽ có giới hạn chảy

(cường độ) cao hơn nhưng độ dẻo thấp

hơn mẫu thứ nhất Ư Mẫu thứ hai đã

chuyển sang dòn Hiện tượng cường độ

thép tăng lên theo thời gian nhưng độ

biến dạng và dai giảm đi gọi là hiện

tượng “già thép “

Giải thích: Khi sản xuất trong hạt ferit

còn lẫn tạp chất, qua thời gian, tạp chất

tách khỏi hạt ferit và làm đầy màng peclit

khiến cho thép có cường độ tăng nhưng biến dạng lại giảm đi Khi tính toán không đuợc kể đến

sự tăng cường độ do già thép vì bên cạnh tác dụng tăng cường độ, nó còn làm thép dòn

Hình 1.8: Hiện già của thép

5.3.Hiện tượng chịu ứng suất phân bố không đều

- Khi thép chịu tải, nếu tiết diện không có khuyết tật ứng suất trong tiết diện sẽ

phân bố đều Nếu thép có khuyết tật (bị khóet lỗ,cắt rãnh ) thì ứng suất trên tiết diện

phân bố không đều, xung quanh mép chỗ khuyết sẽ có ứng suất tập trung Tại đó,

đường lực (quỹ đạo ứng suất chính) tập trung (thể hiện ứng suất tăng ) và uốn cong (chứng

tỏ ứng suất theo hai phương σ1 , σ2 )

Hình 1.9: Sự tập trung ứng suất do lỗ khóet, rẵnh cắt

- Mức độ tập trung ứng suất đặc trưng bởi hệ số tập trung ứng suất:

0

maxσ

σ

σmax: ứng suất lớn nhất ở mép lỗ

σ0 :ứng suất trung bình khi thanh không bị khóet lỗ

- Ơ trạng thái ứng suất phẳng, khi có ứng suất hai phương σ1 , σ2 cùng dấu,

giới hạn tỷ lệ tăng , thép không còn “thềm chảy”, biến dạng khi phá hoại giảm nhiều

ƯThép trở nên dòn

- Hiện tượng này không phụ thuộc tải trọng, chỉ phụ thuộc hình thức tiết diện

Ư khi thiết kế, cần hạn chế tối đa các lỗ khoét, khe rãnh có ứng suất tập trung dễ hình

thành phát triển khe nứt dẫn đến kết cấu có thể bị phá hoại đột ngột khi biến dạng nhỏ

Ư phá hoại dòn

- Thường đối với kết cấu chịu tải trọng tĩnh, ít chịu ảnh hưởng sự tập trung ứng

suất do khi biến dạng dẻo, ứng suất cục bộ lại được phân bố đều trên tiết diện Ư bỏ

qua ứng suất cục bộ khi tính toán kết cấu chịu tải trọng tĩnh Đối với kết cấu chịu tải

trọng động, sự tập trung ứng suất rất nguy hiểm vì dễ làm thép bị phá hoại dòn Đánh

giá bởi độ dai xung kích (thể hiện mức độ thép dễ bị phá hoại dòn dưới ảnh hưởng ứng

suất tập trung)

Giải thích: Dựa vào lý thuyết ứng suất tiếp.Sự chảy của thép chủ yếu do trượt dưới tác dụng

ứng suất tiếp Ở trạng thái ứng suất phẳng, ứng suất tiếp lớn nhất sẽ là: τ =

Khi σ1 , σ2 cùng dấu và có trị số đều lớn, τ sẽ nhỏ, vật liệu sẽ khó trượt hơn (biến dạng giảm)

trong khi σ1 rất lớn do ứng suất tập trung có thể đạt σcƯ Thép bị phá hoại khi biến dạng nhỏƯ

Phá hoại dòn Khi σ1 = σ2 , τ = 0, sự chảy không xảy ra, thép bị đứt dòn

5.4.Thép chịu tải trọng lặp:

1. Tải trọng lặp : Là tải trọng có chiều cũng như trị số thay đổi nhiều lần Khi chịu tải

trọng lặp thép có thể bị phá hoại ở ứng suất thấp hơn giới hạn chảy σc (do tải trọng

tĩnh), phá hoại đột ngột khi biến dạng còn rất nhỏ, kèm theo vết nứt Ư Thép “bị mỏi” và

bị phá hoại dòn Ví dụ: Gió tác dụng vào cột thép cao, hoạt động của cầu chạy gây ra

lực chấn động tác dụng lên dầm

Hình 1.10: Các đặc trưng biến đổi ứng suất

2 Ứng suất phá hoại khi chịu tải trọng lặp: Gọi là cường độ mỏi hay cường độ

chấn động σcđ σcđ phụ thuộc 3 yếu tố chủ yếu:

- Loại tải trọng: Mức độ thay đổi tải trọng đặc trưng bới hệ số:

max

minσ

σ (1.23 )

* Khi ρ có giá trị từ 0 ÷ +1Ư σcđ = σc

* Khi ρ có giá trị -1Ư σcđ = 0,4.σ b hay 0,75.σ c

- Số lần chấn động: càng lớn thì σ cđ càng giảm và ổn định khi số lần lặp đạt trên

2.106 lần

- Trạng thái bề mặt ngoài của cấu kiện: Tại vị trí khuyết tật (khe, rãnh ,lỗ ) sẽ có tập

trung ứng suất, khi chịu chấn động sẽ hình thành và phát triển khe nứt làm kết cấu bị

phá hoại đột ngột do ứng suất chấn động σcđ chỉ còn 0,17 σc Ư Rất nguy hiểm cần chú ý

phòng tránh

Ư Đối với kết cấu chịu tải trọng chấn động phải dùng hệ số γ <1 để giảm cường

độ tính toán

Gỉai thích thêm: Công thức:σcđ được tính theo công thức:

σcđ = γ σc Với: γ =

max min1σ

σ

⋅

− b a

≤ 1 (Thép CT 3 a=1; b=0,5 )

5.5.Thép chịu chịu ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của thép

Khi t0 =300-3500C: thép có nhiều hạt to và trở nên dòn Ư Không nên để thép chịu

va chạm xung kích Tiếp tục tăng nhiệt độ thì tính chất đó thay đổi, độ dẻo tăng lên

nhưng giới hạn chảy giảm nhanh (cường độ giảm)

Ở nhiệt độ 600-6500C: giới hạn chảy của thép ≈ 0 Ư Thép không còn khả năng

chịu lực

Khi nhiệt độ dưới 00C: cường độ thép có tăng đôi chút nhưng thép trở nên dòn

Dưới -100C: tính dẻo của thép giảm rõ rệt, đến -450C, thép rất dòn và dễ nứt

ξ6.Quy cách thép dùng trong xây dựng

Thép dùng trong xây dựng có 2 loại chủ yếu: Thép hình và thép bản

- Thép góc không đều cạnh: Ký hiệu B×b×d (mm) (B, b: bề rộng cánh, d: bề dày

Hình 1.12: - Thép I và ứng dụng

- Loại phổ thông: Gồm 23 loại Từ N010÷N060 (chiều cao từ 100 ÷ 600mm)

- Loại mở rộng cánh: Từ N018a÷N030a

- Chiều dài thanh: l = 4 ÷13m

Gồm 22 loại Ký hiệu U , từ U5 ÷ U40 ( chiều cao từ 50÷400mm) Từ U14a÷ U24a

cánh rộng và dày hơn

* Chiều dài thanh l = 4÷13m

- Đặc điểm:

Hình 1.13: - Thép U và ứng dụng

* Chịu uốn xiên tốt

* Có mặt bụng phẳng, nên dễ liên kết với các cấu kiện khác

- Sử dụng: Xà gồ, thanh dàn nặng (dàn cầu), cột, ghép tạo tiết diện đối xứng

4.Các loại thép hình khác:

- Thép vuông: Cạnh a=80 ÷150mm

- Thép tròn: Đường kính d=4 ÷250mmƯ Thanh chịu kéo, bulông, đinh tán

- Thép ống không hàn: Ký hiệu d×δ (d: Đường kính ngoài, δ: bề dày) Từ 42×2,5

÷500×15

Tiết diện đối xứng, thoáng gió, bán kính quán tính lớn, chịu lực tốt Ư Dùng làm

thanh dàn, thanh trong các tháp trụ cao

- Thép ray:

Hình 1.14: - Các dạng thép hình khác

6.2.Thép bản:

- Được dùng nhiều trong xây dựng chiếm 40 ÷ 60% trọng lượng công trình, dễ

tạo ra các cấu kiện theo thiết kế Có các loại sau:

ξ7.Phương pháp tính kết cấu thép:

7.1.Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn (TTGH):

1.Định nghĩa:

TTGH là trạng thái mà kết cấu không thể sử dụng được nữa do mất khả năng

chịu lực hay biến dạng vượt quá giới hạn cho phép

2.Các trạng thái giới hạn:

Có 3 trạng thái giới hạn:

a TTGH thứ nhất (về cường độ):

Gồm các trạng thái kết cấu mất khả năng chịu lực hoặc không sử dụng được nữa

do: Bị phá hoại về bền, mất ổn định, mỏi hay bị biến đổi hình dạng

Điều kiện làm việc: N≤ Φ (1.24)

p

1α

* Pitc: Tải trọng tiêu chuẩn tác dụng lên công trình

* αi: Nội lực sinh ra trong kết cấu khi có tải trọng tiêu chuẩn đơn vị

Pitc=1 tác dụng

* ni: Hệ số vượt tải tương ứng tải trọng Pitc nhằm kể đến khả năng tải trọng thực tế lớn hơn tải trọng tiêu chuẩn trong quá trình làm việc của kết cấu

* n: Số tải trọng tác dụng lên công trình

- Φ: Khả năng chịu lực của kết cấu phụ thuộc vào đặc trưng hình học tiết diện và tính chất cơ học của vật liệu Công thức tổng quát:

Φ = γ F.R (1.26)

* γ : Hệ số điều kiện làm việc

* F: Đặc trưng hình học tiết diện (Diện tích F, mômen chống uốn

W, mômen quá tính J, mômen tĩnh S )

* R: Cường độ tính tóan của vật liệu

b.TTGH thứ hai (về biến dạng):

Là trạng thái mà kết cấu không thể sử dụng bình thường do biến dạng vượt quá

biến dạng giới hạn

Điều kiện làm việc: ∆ ≤ ∆gh (1.27 )

- ∆: Biến dạng (võng, lún, rung , nứt ) của kết cấu do tải trọng tiêu chuẩn

p

1δ

P i tc: Tải trọng tiêu chuẩn tác dụng lên công trình

δi : Biến dạng của kết cấu khi có tải trọng tiêu chuẩn đơn vị P i tc=1 tác dụng

- ∆gh: Biến dạng giới hạn của kết cấu cho trong quy phạm

Chú ý: Khi tính toán kết cấu theo TTGH thứ hai, việc tính biến dạng sử dụng tải

trọng tiêu chuẩn (không kể đến hệ số vượt tải) vì tính chất thay đổi giá trị nhất thời của

tải trọng không làm ảnh hưởng đến biến dạng của kết cấu (chỉ sinh ra do tác động lâu

dài, ổn định của tải trọng)

3.Cường độ tính toán - Hệ số điềukiện làm việc:

a.Cường độ tính toán R : Là cường độ đảm bảo kết cấu làm việc với xác suất an

toàn 95 %

R= R tc /γm (1.29)

- γm : Hệ số an toàn của vật liệu tính đến các yếu tố bất lợi làm giảm cường độ kết cấu k < 1

Ví dụ: Thép cường độ thường, vừa có σc ≤ 3800kg/cm2 Ư γm= 1,05; thép cường

* Thép có vùng chảy, không cho phép biến dạng dẻo Rtc = σc

Ví dụ: Thép CT3 có σc=2400 kg/cm2 ; R:=2100 kg/cm2

Trạng thái ứng suất Ký hiệu CT3; CT4 CT5 Đơn vị

b.Hệ số điều kiện làm việc: (γ)

- Là hệ số kể đến mức độ làm việc của kết cấu thuận lợi hay bất lợi so với điều

kiện bình thường (Tải trọng dài hạn tác dụng lặp nhiều lần, các giả thiết tính toán là

gần đúng, ảnh hưởng của môi trường t o ,ω) Tra phụ lục I.1

Ví dụ: Dầm bụng đặc và các thanh nén trong dàn γ = 0,9; dầm bụng đặc khi tính

ổn định tổng thể γ = 0,95; cột nhà dân dụng, cột trụ tháp nước γ = 0,95 vỏ ngoài hay

đáy bể chứa γ = 0,8;

Ngoài ra, còn có tải trọng hay nội lực phải nhân với hệ số an toàn sử dụng γ n phụ

thuộc mức độ quan trọng, cấp và độ bền công trình

Công trình dân dụng công nghiệp thông thường: γn= 0,98;

Công trình đặc biệt quan trọng như công trình công cộng, tháp truyền hình : γn = 1

Công trình không quan trong như nhà kho, nhà tạm: γn = 1

4.Tải trọng - Tổ hợp tải trọng:

a.Tải trọng: Bao gồm:

- Tải trọng thường xuyên (Tĩnh tải): Là tải trọng không đổi về phương, chiều, giá

trị như: Trọng lượng bản thân kết cấu, tác dụng ứng lực trước, trọng lượng đất đắp

- Tải trọng tạm thời (Hoạt tải): Là tải trọng không tác dụng thường xuyên trên

b.Tải trọng tiêu chuẩn - tải trọng tính toán:

- Tải trọng tiêu chuẩn : Xác lập trên cơ sở xác suất thống kê, được cho

trong tiêu chuẩn, đó là trị số tải trọng lớn nhất có thể có trong công trình khi sử dụng

bình thường

- Tải trọng tính tóan : Kể đến thay đổi giá trị của tải trọng tiêu chuẩn do

những sai lệch ngẫu nhiên khác với những điều kiện bình thường, đặc trưng bởi hệ số

vượt tải n quy định trong quy phạm Ví dụ: Trọng lượng kết cấu chế tạo ở công xưởng n

= 1,1; ở công trường n = 1,2; tải trọng gió n = 1,3, hoạt tải sàn n = 1,2 ÷1,4

c Tổ hợp tải trọng: Gồm các loại sau:

-Tổ hợp cơ bản: Gồm tĩnh tải + hoạt tải dài hạn + nc.hoạt tải ngắn hạn

-Tổ hợp đặc biệt: Gồm tĩnh tải+hoạt tải dài hạn + nc.(hoạt tải ngắn hạn + 1 tải

trọng đặc biệt)

Với: n c là hệ số tổ hợp (được dùng vì xác suất xảy ra đồng thời các loại tải trọng

tác dụng lên công trình với trị số lớn nhất là ít hơn so với trường hợp một hay vài tải

trọng riêng lẻ)

* Tổ hợp cơ bản: nc =1 khi có một loại hoạt tải ngắn hạn; nc = 0,9 khi có nhiều hơn hai loại hoạt tải ngắn hạn;

* Tổ hợp đặc biệt: nc =0,8 đối với mọi hoạt tải ngắn hạn

7.2.Phương pháp tính theo ứng suất cho phép:

-Theo phương pháp này, ứng suất lớn nhất do tải trọng tiêu chuẩn sinh ra trong

kết cấu không vượt quá ứng suất cho phép trong quy phạm

σ : Ứng suất do tải trọng tiêu chuẩn sinh ra trong kết cấu [σ ]: Ứng suất cho phép theo quy phạm

k0: Hệ số an toàn phụ thuộc nhiều yếu tố:

* Tải trọng thực tế có thể lớn hơn tổ hợp tải trọng tính toán

* Lúc dựng lắp sử dụng kết cấu có khuyết tật

* Giới hạn chảy và tính chất cơ học thực tế có thể nhỏ hơn trị số tiêu chuẩn

* Kết cấu thực có sai khác so với kết cấu tính toán

* Điều kiện làm việc thực tế phức tạp hơn so với điều kiện tính oán

t

7.3.So sánh hai phương pháp:

-Xét dầm chịu uốn

* Theo TTGH: M = n M tc≤ Φ = γ k σc.W Ư σ =

W

M tc ≤

k n

c

.γ

* Theo ứng suất cho phép: σ =

- Nhận xét: So sánh (*) và (**) về hình thức tương tự song lại khác ở các trị số an

oàn k

t 0≠ k ’

0

* Trong phương pháp TTGH, k 0 là tổ hợp của các hệ số (hệ số vượt tải n, hệ số

điều kiện làm việc, hệ số đồng chất k), hệ số vượt tải n cho phép đánh giá ảnh hưởng

của từng loại tải trọng trong những điều kiện làm việc cụ thể do đó kết cấu làm việc với

độ an toàn cao

* Trong phương pháp ứng suất cho phép, k 0 là hệ số trung bình nên phương

pháp TTGH chính xác hơn và tiết kiệm vật liệu, có cơ sở khoa học, sát với thực tế nên

được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, trong một số trường hợp, xác định các hệ số n, γ , k

của một số kết cấu đặc biệt (cầu, của van ) khá phức tạp nên vẫn còn sử dụng phương

pháp ứng suất cho phép để tính tóan

Chương 2:

LIÊN KẾT

A KHÁI NIỆM CHUNG:

1.Khái niệm:

Thép hình Liên kết Cấu kiện Liên kết Công trình

- Liên kết đóng vai trò quan trọng trong kết cấu thép (khối lượng thiết kế và thi

công lớn) Từ thép hình, thép bản thông qua liên kết thì được cấu kiện và các cấu kiện

thông qua liên kết được công trình

- Các loại liên kết: Liên kết hàn, liên kết bulông, liên kết đinh tán, liên kết dán, liên

kết chốt, trong đó liên kết hàn sử dụng rộng rãi nhất chiếm hơn 85%

2.Đặc điểm các loại liên kết

a.Liên kết hàn:

-Ưu: * Liên kết hàn tiết kiệm được từ 15 ÷20% trọng lượng thép do tiết diện cấu

kiện không bị khoét lỗ, cũng do vậy mà khả năng chịu lực tăng

* Liên kết hàn kín, liên tục Ư có thể thực hiện với các công trình bể chứa

* Khả năng tự động hóa cao, ít tốn công chế tạo

-Nhược:

* Khó kiểm tra chất lượng đường hàn

* Chịu tải trọng nặng và tải trọng động kém, thường sinh ra ứng suất phụ (do co ngót không đều vì nhiệt )Ư biến hình hàn, mặt khác khi dùng nhiệt để nóng

chảy thép hàn dễ làm thép trở nên dòn

Ư Khắc phục: Cải thiện tính chất que hàn bằng cách thêm hợp kim màu

b.Liên kết đinh tán:

-Ưu: * Chất lượng liên kết đảm bảo, dễ kiểm tra

* Chịu được tải trọng nặng và chấn động

* Sử dụng nhiều với kết cấu chịu tải trọng nặng và động như: Dầm cầu chạy, dầm cầu đường sắt

-Nhược:

* Tốn vật liệu

* Tiết diện thép cơ bản bị giảm yếu (khoảng 15%) do khoét lỗ

* Chế tạo và thi công phức tạp

Ư Khắc phục: Thay bằng liên kết bu lông cường độ cao

c.Liên kết bu lông:

-Ưu: Thi công đơn giản, cho phép tháo lắp dễ dàng nhất là các công trình tạm

thời, lắp các kết cấu trước khi hàn hay tán, lắp các trụ tháp cao

-Nhược:

* Tốn vật liệu (bu lông , bản ghép )

* Do lỗ tra bulông > bu lông nên khi chịu tải sẽ có hiện tượng biến dạng

do trượt tại liên kết Mặt khác, do lỗ tra lớn nên các bu lông không làm việc đồng bộ Ư

giảm khả năng chịu lực

Ư Khắc phục: Dùng buông tinh chế, bu lông cường độ cao (làm bằng thép hợp

kim và siết chặt bằng máy), lực ma sát lớn Ư không có hiện tượng trượt tại liên kết

B LIÊN KẾT HÀN

ξ1.KHÁI NIỆM CHUNG:

1.1.Định nghĩa:

Bản chất của liên kết hàn là dùng vật liệu cùng loại để liên kết những cấu kiện rời

rạc thành cấu kiện mới có khả năng chịu lực như cấu kiện nguyên

1.2.Các phương pháp hàn:

Trong xây dựng thường gặp: hàn xì, hàn điện, hàn tiếp xúc hồ quang điện mà phổ

biến nhất là phưong pháp hồ quang điện

1.Hàn tay hồ quang điện:

-Dưới tác dụng dòng điện, do chênh lệch điện thế nên giữa que hàn và kim loại

cần hàn, có ngọn lửa hồ quang (nhiệt độ lên đến 2500 0 C) làm nóng chảy que hàn và thép

cơ bản đồng thời vùng xung quanh hồ quang sinh ra từ trường Lực điện trường hút

những giọt kim loại ở que hàn vào rãnh hàn tạo nên đường hàn khi nguội Nhờ đó có thể

hàn ngược, rãnh hàn ở trên, que hàn ở dưới, giọt kim loại vẫn bị hút rơi vào rãnh hàn

Hình 2.1: - Sơ đồ hàn tay hồ quang điện

- Ưu: * Thiết bị gọn nhẹ, dùng tiện lợi nhất đối với các đường hàn ngắn, cong

queo hay ở những vị trí khó hàn

- Nhược: * Cường độ dòng điện nhỏ nên rãnh hàn không sâu

* Chất lượng mối hàn kém do hồ quang không ổn định (vì không đảm bảo khoảng cách giữa que hàn và thép cơ bản), tốc độ hàn không đềuƯ đường hàn chỗ

dày, chỗ mỏng

* Năng suất thấp

2.Hàn tự động hồ quang điện:

- Nguyên lý: Tương tự hàn tay nhưng quá trình hàn thực hiện tự động bằng máy

Trước khi hàn, thuốc hàn ở dạng bột vụn được rải trên đường hàn Que hàn được thay

bằng cuộn dây hàn trần ngập sâu vào thuốc hàn để tiếp xúc với thép cơ bản tạo thành

hồ quang điện Dây hàn tự động nhả và dịch chuyển theo rãnh hàn với tốc độ của máy

àn Thuốc hàn sau khi hàn được hút đưa vào thùng để rải tiếp

h

Hình 2.2: - Sơ đồ hàn tự động hồ quang điện

- Ưu : Hàn tự động khắc phục được một số hạn chế của hàn tay:

* Bảo đảm chất lượng đường hàn: Khoảng cách giữa que hàn và thép cơ

bản đều đặn

* Tốc độ đường hàn ổn định, mối hàn đều, không có chỗ dày, chỗ mỏng

* Không bị hiện tượng non hay quá già

* Hàn nhanh 40 ÷50m/h gấp 5÷10 lần hàn tay

* Hồ quang cháy dưới lớp thuốc nên không gây hại cho sức khỏe thợ hàn

-Nhược: Chỉ hàn được những đường hàn thẳng hoặc tròn

Ư Khắc phục : hàn bán tự động (máy hàn di chuyển bằng tay)

3.Hàn xì:

- Nguyên tắc: Dùng t0 = 32000 C do đốt cháy oxy và axêtylen để nung nóng chảy

kim loại hàn

- Đặc điểm: Tốc độ chậm, năng suất thấp, thường dùng để hàn những tấm mỏng,

cắt thép

1.3.Que hàn:

- Có các loại ∋ 42, ∋ 42A, ∋50, ∋50 A

* Các chỉ số là ứng suất bền của mối hàn khi kéo đứt (Ví dụ: Rb= 4200

kg/cm2)

* Chữ A: Có kim loại màu để tăng chất lượng, dùng cho kết cấu chịu tải

trọng động

- Que hàn có 2 phần: lõi kim loại và thuốc hàn bao quanh

* Lõi kim loại lấp rãnh hàn nên có tính chất cơ lý và thành phần tương tự

thépcơ bản

* Thuốc hàn bao quanh dày 1 ÷ 1,5mm Thành phần gồm:

Phần tạo xỉ: phủ lên mặt đường hàn: bột đá, để cách ly hồ quang với không khí,

tránh cho nito và ôxy không hòa tan vào rãnh hàn đang chảy lỏng làm đường hàn trở

nên dòn đồng thời đủ cho đường hàn nguội từ từ, tránh hiện tượng nứt khi nguội đột

ngột

Các chất để cải thiện chất lượng đường hàn: bột các hợp kim

Các chất tăng quá trình ion hóa: tạo hồ quang ổn định và nâng cao tốc độ hàn

1.4.Yêu cầu khi hàn & phpháp ktra chất lượng đường hàn:

1.Yêu cầu:

- Trước khi hàn:

* Cạo sạch gỉ trên mặt rẵnh hàn Khi hàn nhiều lớp, cần cạo sạch xỉ những lớp hàn trước, trước khi hàn lớp sau

* Kiểm tra khe hở, mép rãnh hàn để đảm bảo quy định gia công mép

* Chọn que hàn phù hợp

- Khi hàn:

* Dùng cường độ dòng điện hợp lý để không có đường hàn non lửa hay

quá lửa

(Non lửa, nhiệt độ thấp, rãnh hàn không đủ chảyƯ liên kết kim loại que hàn và thép cơ

bản yếuƯ chất lượng thấp Qúa lửa, nhiệt độ cao làm ôxy không khí lọt vào thép tạo ôxít khi đốt

cháy C,Mn.Ư giảm độ bền đường hàn.)

* Chọn trình tự hàn hợp lý để tránh biến hình và ứng suất hàn quá lớn

* Khoảng cách giữa que hàn và mối hàn từ 1 ÷ 2mm và giữ tốc độ đều

* Giữ mặt trên của đường hàn phẳng đều, không lỗi lõm

2.Kiểm tra chất lượng đường hàn:

- Kiểm tra trong khi hàn: Đường hàn phẳng, tiết diện đều, không rứt rạn

- Sau khi hàn : Dùng búa gõ, nếu nghe đều thì tốt

- Phương pháp vật lý: Rải bột kim loại trên mối hàn rồi cho từ trường đi qua, nếu

có bột vụn tập trung có thể có rạn nứt Hoặc dùng máy siêu âm, quang tuyến (Công

trình quan trọng như bể chứa, ống cao áp )

1.5.Ứng suất hàn - Biến hình hàn:

1.Hiện tượng:

Xét thanh thép AB được ngàm chặt bằng 1 khung thép bên ngoài, khi nung nóng

riêng thanh AB thì thanh AB giãn ra, tăng chiều dài, làm khung bên ngoài biến dạng

Khi t0 > 6000C: thanh AB hoá dẽo, không chịu lực được, khung bên ngoài trở về trạng

thái ban đầu, khi đó các tinh thể trong thanh AB sắp xếp lại Sau đó cho thanh AB

nguội lại nhiệt độ ban đầu, thanh thép sẽ co lại một đoạn ∆l, khung bên ngoài giữ lại

nên xuất hiện ứng suất kéo trong thanh và khung bên ngoài bị biến dạng

Hình 2.3: Ứng suất hàn và biến hình hàn

- Quá trình hàn cũng có hiện tượng như vậy Khi nguội, đường hàn co ngót,

nhưng vùng thép lân cận đường hàn còn nguội tạo thành ngàm tự nhiên cản trở sự co

ngót của vùng nóng chảy quanh đường hàn Ư từ đó sinh ra ứng suất hàn (ứng suất nhiệt,

ứng suất do co ngót) Ư làm tăng khả năng phá hoại dòn (nhất là trong trạng thái ứng suất phẳng và

ứng suất khối, khó biến dạng dẻo) Mặt khác, cũng do ảnh hưởng nhiệt độ, cấu kiện bị cong

vênh gọi là biến hình hàn Ư mất công sửa chữa

2.Biện pháp khắc phục:

- Thiết kế đường hàn vừa đủ yêu cầu, tránh các đường hàn kín, tập trung và cắt

nhau cản trở biến dạng tự do của vật liệu khi hàn, không nên dùng đường hàn quá dày

làm tăng biến hình hàn

- Trong chế tạo và thi công: Chọn qui trình hàn hợp lý hoặc chia nhỏ các đoạn

cần hàn

Hình 2.4: - Biến hình ngược

- Dùng biến hình ngược để sau khi hàn không

xuất hiện biến hình (hình 2.4)

- Dùng biến hình nóng nghĩa là dùng t0 để cho

thép nở căng theo phương ngược lại rồi mới hàn

- Nung nóng vùng xung quanh đường hàn trước khi hàn (giảm bớt sự phân bố

không đều của t0 trong khu vực hàn và giảm thấp tốc độ nguội lại của kim loại) Ư phân

bổ ứng suất đều hơn

- Hàn nhiều lớp với những đường hàn lớn để t0 ở đường hàn không quá cao và ở

một phần đường hàn, ứng suất triệt tiêu lẫn nhau bớt

- Dùng khuôn cố định cấu kiện khi hàn

ξ2.CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN - CƯỜNG ĐỘ Đ.HÀN:

2.1.Các loại đường hàn:

Hình 2.5: - Hàn đối đầu

1 Theo cấu tạo: Có 2 loại:

a.Đường hàn đối đầu:

Thép cơ bản cần hàn được đặt đối đầu nhau trên

một mặt phẳng rồi hàn lại Đường hàn coi như phần

kéo dài của thép cơ bản nên làm việc như thép cơ bản

- Ưu : * Truyền lực tốt

* Tiết kiệm thép và không tốn thép làm bản ghép

* Ứng suất phân bố đều đặn, không có sự thay đổi đột ngột tiết diện ở đường hàn nên hạn chế được ứng suất tập trung và ứng suất nhiều chiều Ư chịu được

tải trọng động và nặng

- Nhược: Với thép có bề dày δ > 10mm, không thể hàn từ trên xuống mà phải gia

công mép để đưa que hàn xuống sâu đảm bảo nóng chảy trên toàn bộ bề dày Ư tốn

công chế tạo

* Khi 10mm < δ < 20mm: Gia công mép một phía: Chữ V, chữ Y và chữ U

* Khi 20mm < δ: Gia công mép hai phía: Chữ K, chữ X

Hình 2.6: - Gia công mép rảnh hàn

b Đường hàn góc:

Hình 2.7: - Đường hàn góc

Hai cấu kiện cần hàn được đặt

chồng lên nhau hay thẳng góc với nhau

- Tùy theo vị trí của đường hàn so

với phương của lực tác dụng mà chia ra:

* Đường hàn góc cạnh : Đường

hàn góc song song với phương của lực

tác dụng

* Đường hàn góc đầu : Đường hàn góc vuông với phương của lực tác dụng

Hình 2.8: - Đh góc cạnh, đh góc đầu

- Sự làm việc: Hướng của đường lực trong liên

kết thay đổi phức tạp, ứng suất phân bố không đều Ư

không dùng đường hàn quá dài Đường hàn góc cạnh

chịu cả ứng suất cắt và uốn; đường hàn góc đầu chịu

cả ứng suất cắt, kéo, uốn Ư Khi tính toán, coi như chỉ

chịu cắt, phá hoại theo một trong hai tiết diện quy ước:

Hình 2.9: - Tiết diện làm việc của đh góc

* Tiết diện 1: Dọc theo kim loại đường

hàn

* Tiết diện 2: Dọc theo biên nóng chảy

của thép cơ bản

Ưu: * Đơn giản, không tốn công gia công

mép

-Nhược:* Tốn vật liệu

* Đường sức đi qua đường hàn bị dồn ép và uốn cong do đó sinh ra ứng

suất tập trung và nhiều chiều tại đường hàn nên chỉ được dùng cho kết cấu chịu tải

trọng tĩnh Để giảm bớt ứng suất tập trung, khi chịu tải trọng động, ta dùng đường hàn

góc sâu hay góc thoải

Hình 2.10: - Đường hàn góc sâu và đường hàn góc thoải

- Điều kiện cấu tạo: Theo quy phạm

* h h min = 4 mm : để tránh hiện tượng hàn không được sâu

* h hmax = 1,5 δmin đối với kết cấu chịu tải trọng tĩnh

h hmax = 1,2 δmin đối với kết cấu chịu tải trọng động

h h ≤ 25mm (δmin : bề dày nhỏ nhất của cấu kiện liên kết )

* l h min = 4 h h và l h ≥ 40mm : tránh ảnh hưởng lệch tâm gây uốn

* l h ≤ 60.h h. ; Đường hàn góc cạnh l h ≤ 85.β h h h : tránh ứng suất phân bố không đều

2.Phân loại theo các hình thức khác:

- Theo điều kiện làm việc: Đường hàn cấu tạo, đường hàn chịu lực, đường hàn kín

- Theo chiều dài : Đường hàn liên tục, đường hàn gián đoạn

- Theo điều kiện chế tạo: Đường hàn công xưởng, đường hàn công trường Đường

hàn công xưởng chất lượng cao hơn, làm việc gần như thép cơ bản

- Theo vị trí không gian : Đường hàn nằm, ngang, đứng ngược

Chú ý: Trong khâu thiết kế cần quan tâm đến công nghệ làm để tránh những đường hàn

bất lợi (đường hàn ngược).

3.Ký hiệu đường hàn:

2.2.Cường độ tính toán đường hàn:

Phụ thuộc vào chất lượng que hàn, thép cơ bản, loại đường hàn, phương pháp

hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

1 Đường hàn đối đầu:

Phụ thuộc vật liệu đường hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

Khi chịu nén: không ảnh hưởng bởi phương pháp hàn cũng như phương pháp

kiểm tra Cường độ đường hàn bảo đảm: Rnh = R

Khi chịu kéo:

- Dùng phương pháp vật lý để kiểm tra chất lượng đường hàn Cường độ đường hàn bảo đảm: Rkh = R

- Dùng phương pháp thông thường, đơn giản để kiểm tra chất lượng đường hàn Cường độ đường hàn không bảo đảm: Rkh = 0,85R

2 Đường hàn góc:

Cường độ đường hàn góc cạnh và góc đầu là như nhau

Do đường hàn góc có thể bị phá hoại theo 2 tiết diện khác nhau đi qua hai miền

thép có độ bền khác nhau nên có hai cường độ tính toán chịu cắt (quy ước) như nhau

Tương ứng với tiết diện 1-1 (hình 2.9) có cường độ tính toán chịu cắt của thép

đường hàn: Rgh (phụ thuộc vào vật liệu que hàn);

Tương ứng với tiết diện 2-2 (hình 2.9) có cường độ tính toán của thép cơ bản trên

biên nóng chảy: Rgt = 0,45.Rtcb (Rtcb: cường độ tức thời tiêu chuẩn của thép cơ bản)

Nên chọn que hàn sao cho Rgh ≈ Rgt

ξ3.PH.PHÁP TÍNH TOÁN CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN:

3.1.Đường hàn chịu lực dọc trục:

1.Đường hàn đối đầu thẳng góc với phương lực:

Hình 2.11: - Đường hàn đối đầu thẳng góc với phương chịu lực

- Đường hàn đối đầu làm việc gần giống thép cơ bản nhưng khả năng chịu lực

khi chịu kéo kém hơn chịu nén

- Điều kiện bền : Ứng suất trong đường hàn phải thỏa:

* Chịu kéo: σk =

h F

N

=

h h l

N

δ ≤ γ Rh

k (2.1)

* Chịu nén: σn =

h F

N

=

h h l

N

δ ≤ γ Rh

n (2.2) Trong đó: γ : Hệ số điều kiện làm việc (γ = 1)

N : Nội lực kéo hoặc nén tác dụng lên liên kết

δh= δmin: Chiều dày tính toán đường hàn bằng chiều dày nhỏ nhất của các cấu kiện

l h = b - 2δ : Chiều dài tính toán đường hàn

R n h , R k h : Cường độ tính toán của mối hàn đối đầu chịu nén, kéo

Chú ý: Ở đầu đường hàn do chất lượng kém (bị cháy) nên mỗi đầu đường hàn

phải trừ một đoạn δ Ư lh = b - 2δ

Ư Để tránh hiện tượng trên có thể đưa thêm 2 tấm đệm vào 2 đầu, sau khi hàn

thì cắt nó ra: l h = b

2.Đường hàn đối đầu xiên góc với phương lực:

Hình 2.12: - Đường hàn đối đầu xiên góc với phương chịu lực

Dùng đường hàn xiên góc để tăng chiều dài đường hàn khi đường hàn thẳng góc

không đủ chịu lực

- Điều kiện bền :

* Chịu kéo: σk =

h F

N

sin α =

h h l

N

δ .sin α ≤ γ Rh

k (2.3)

* Chịu nén: σn =

h F

N

sin α =

h h l

N

δ .sin α ≤ γ Rh

n (2.4)

* Chịu cắt: τc =

h F

N

cos α =

h h l

N

δ .cos α ≤ γ Rh

c (2.5) Trong đó: γ = 1

3.Đường hàn góc:

Hình 2.9: - tiết diện làm việc của đường hàn góc

- Đường hàn góc cạnh và góc đầu tính như nhau

Phá hoại chủ yếu là do cắt trên hai tiết diện quy ước 1 và 2

Hàn tay :β h = 0,7; βt =1 Ư thường bị phá hoại theo tiết diện 1

∑l h: Tổng chiều dài đường hàn góc

Rgh,Rgt: Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép đường hàn và thép cơ bản

Khi thiết kế, nếu chọn trước hh dựa vào chiều dày δmin

N

minβ

3.2.Đường hàn chịu mômen M:

1.Đường hàn đối đầu:

Hình 2.13: - Đường hàn đối đầu chịu M

Điều kiện bền:

σh =

h W

M

.6

2.Đường hàn góc cạnh:

Hình 2.14: - Đh góc cạnh chịu M

Mômen gây ra cặp ngẫu lực:

N M =

h

M

Điều kiện bền :

τ1M=

∑ h h h

M l h

N

β ≤ γ Rgh (2.10)

τ2M=

∑ h h t

M l h

N

t (2.11)

3 Đường hàn góc đầu:

Ứng suất trên đường hàn là ứng suất

tiếp phân bố dưới dạng ứng suất pháp do

mômen tác dụng

h h l

β

Hình 2.15: - Đh góc đầu chịu M

Wgt: Mômen chống uốn của thép cơ bản trên tiết diện 2: Wgt = ( )

6

h h2

t h l

β

3.3.Đường hàn chịu mômen M, lực cắt Q và lực dọc N:

- Nguyên tắc: Tính ứng suất cho mỗi loại nội lực rồi dùng nguyên lý cộng tác

dụng để kiểm tra bền

Hình 2.16: - Đh đối đầu chịu M,N,Q

σM =

h W

W h = δh l 2

h /6

Hình 2.17: - Đh góc đầu chịu M, Q

3.Đường hàn góc đầu:

τM =

h W M

h

F Q

g

R

γ

≤

2 2

Q

(2.15)

ξ4.PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIÊN KẾT HÀN:

4.1 Liên kết đối đầu:

- Dùng đường hàn đối đầu (thẳng góc hay xiên góc)

- Dùng để nối các thép bản + thép bản

- Các bước tính (khi chịu lực dọc trục N )

* Kiểm tra thép cơ bản:

σcb =

cb F

* Chọn đường hàn: δh = δ; l h = b - 2δ

* Kiểm tra đường hàn:

Khi thép cơ bản có bề rộng khác nhau phải cắt vát để hạn chế ứng suất tập trung

Hình 2.19: - Lk chồng dùng đh góc đầu

chồng dùng đường hàn góc:

Hình 2.18: - Liên kết đối đầu

- Dùng để nối thép bản + thép bản; thép bản + thép hình

1.Nối thép bản với thép bản:

Có chiều rộng thép bản b

Ư Σl h = 2(b - 1)

Ư h h

Hình 2.20: Lk chồng dùng đh góc cạnh

- Đường hàn góc cạnh:

Chọn: h h = δmin

ƯΣl h

2.Nối thép hình với thép bản:

- Khi liên kết thép góc với thép bản,

đường hàn góc ở sống thép góc chịu lực nhiều

hơn đường hàn góc ở mép Gọi k là hệ số phân

phối lực cho đường hàn sống

Hình 2.21: -Lk nối thép hình + bản

k = ' ''

''

e e

.min '

g h h

R h

N k l

.min ''

g h h

R h

N k l

β

4.3 Liên kết dùng bản ghép:

Dùng để nối thép bản + thép bản; thép hình + thép hình

1 Nối thép bản với thép bản:

Có các cách:

Hình 2.24: -Lk đối đầu dùng đh góc cạnh Hình 2.23: -Lk đối đầu dùng đh góc đầu

Hình 2.25: -Lk đối đầu dùng đh vòng

50 mm không hàn: Để tránh ứng suất hàn

10 mm: Tránh chế tạo không chính xác

Bản ghép vát góc để tránh ứng suất tập trung

- Các bước tính toán:

* Kiểm tra thép cơ bản: σ =

cb F

N

≤ R (2.20)

* Chọn bản ghép:

Đường hàn góc đầu : chọn bề rộng bản ghép b bg = b

Đường hàn góc cạnh: chọn bề rộng bản ghép b bg = b -(20 ÷30)mm (đủ bố trí

đường hàn)

Ư Chọn bề dày bản ghép δbg theo điều kiện:

ΣF bg≥ F cb (2.21)

* Tính đường hàn:

Đường hàn 1 nửa bản ghép chịu toàn bộ lực N

Đường hàn góc đầu: Có Σl h Ư Chiều cao đường hàn h h

Đường hàn góc cạnh, đường hàn vòng: Chọn chiều cao đường hàn h h≤δbg

Ư Tính chiều dài đường hàn Σl h Ư Chiều dài bản ghép L bg

Có thể dùng 1 hay 2 bản ghép Loại 1 bản ghép có hiện tượng lệch tâm nên ít dùng