bài giảng kết cấu thép bkdn

Cường độ đường hàn a Đường hàn đối đầu + Khi mối hàn chịu nén hay cắt, cường độ tính toán đường hàn được lấy bằng cường độ tính toán thép cơ bản: f f f f w = ; wv =+ Khi chịu kéo hay uố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG

KẾT CẤU THÉP 1

PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Đà Nẵng, 2017

Chương 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG

Vật liệu thép đã được phát hiện từ xa xưa và là mốc son trong quá trình tiến hóa của loài người Những ứng dụng của thép trong đời sống hiện đại có thể liệt kê bằng một số sự kiện lớn sau đây:

- Năm 1750: Công nghiệp hóa ngành luyện thép

- Năm 1799: Cầu gang đầu tiên thiết kế bởi Abraham Darby Kết cấu dạng vòm bắc qua sông Serven của nước Anh với nhịp 31m

- Năm 1801: Kết cấu khung thép đầu tiên được thử nghiệm tại Anh

- Năm 1881: Phát minh ra que hàn điện để liên kết

- Năm 1889: Xây dựng tháp Eiffel cao khoảng 300m

- Năm 1931: Xây dựng tòa nhà Empire ở New York, kết cấu khung cao 380m Cũng trong thời gian này, người ta đã bắt đầu sử dụng dây thép kéo nguội với cường độ lên đến 1500N/mm2 để xây dựng cầu George Washington nhịp 1067m

- Năm 1973: Xây dựng tòa tháp đôi WTC ở New York cao 410m (110 tầng)

- Năm 1974: Tòa nhà Sears Tower Chicago 109 tầng cao tổng cộng 442m

- Năm 1981: cầu treo Humber ở Hull, Anh có nhịp giữa dài 1410m

Trong những năm gần đây, nhờ vào sự tiến bộ vượt bậc trong ngành sản xuất, tính toán và thi công kết cấu thép, h àng loạt công trình độc đáo quy mô lớn và tháp có chiều cao không tưởng đã và đang xây dựng ở các nước trên thế giới như Trung Quốc, Đài Loan, các nước Trung Đông, …

- Yêu cầu về độ bền và ổn định: Kết cấu phải chịu được tác dụng của tất cả các loại tải trọng và tác động

trong quá trình thi công và sử dụng (không bị sụp đổ) Đây là yêu cầu cơ bản nhất trong thiết kế

- Yêu cầu về tính hữu dụng: kết cấu phải thỏa mãn những yêu cầu về sử dụng đặt ra trước khi thiết kế,

chẳng hạn yêu cầu giới hạn về độ võng của xà ngang, giới hạn độ rung động khi chịu tải động Đây là yêu cầu cơ bản thứ hai trong thiết kế

- Một số yêu cầu khác: chống ăn mòn, dễ thi công và bảo dưỡng, sửa chữa

Bài giảng này chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam về kết thiết kế cấu thép TCVN 5575: 2012, có

tham khảo thêm tiêu chuẩn Eurocode 3

cacbon phân thành thép cacbon thấp (% C<0,22%), thép cacbon vừa (0,22%<%C<0,6%) và thép cácbon cao (0,6%<%C<1,7%) Trong xây dựng dùng thép cacbon thấp do chúng có tính dẻo dễ gia công và dễ hàn

- Thép hợp kim là thép Cacbon có thêm các kim loại khác như Crom (Cr), Niken (Ni), Mn, … nhằm nâng

cao các tính chất cơ học của thép như độ bền, chống oxy hóa Trong kết cấu xây dựng chỉ dùng thép hợp kim thấp với tỉ lệ các kim loại khác dưới 2,5%

4.1 Thí nghiệm kéo thép

+ Biểu đồ dưới đây (hình 1.1a) thể hiện một cách tổng quát quan hệ ứng suất-biến dạng của một mẫu thử thép xây dựng trong thí nghiệm kéo một trục

Hình 1.1a Quan hệ ứng suất-biến dạng của thép xây dựng

+ Qua thí nghiệm có thể phân biệt bốn miền làm việc như sau :

- (1) Miền đàn hồi: trong miền này biến dạng tỉ lệ với ứng suất tuân theo luật Hooke

ε

σ : ứng suất

ε : biến dạng tỉ đối

E : môđun đàn hồi, với thép cacbon thấp E≈ 2,1x105 MPa

Giới hạn của ứng suất trong giai đoạn này gọi là giới hạn đàn hồi f y (đồng nhất với giới hạn chảy vì

không khác nhau nhiều) Nếu dỡ tải thì mẫu thử sẽ trở về trạng thái ban đầu

- (2) Thềm chảy : biến dạng tăng nhưng ứng suất không tăng Giai đoạn này còn được gọi là chảy

dẻo Đây là một đặc trưng của thép cacbon thấp ứng với biến dạng từ khoảng 0,2% đến 2,5% Nếu

dỡ tải thì mẫu thử sẽ không trở về trạng thái ban đầu mà sẽ có một lượng biến dạng không phục hồi được gọi là biến dạng dư

- (3) Giai đoạn củng cố : thép không chảy nữa, cần phải tăng ứng suất để tăng biến dạng Quan hệ

ứng suất biến dạng là đường cong Giới hạn trên của ứng suất gọi là giới hạn bền f u, biến dạng

tương ứng kí hiệu là ε u

- (4) Giai đoạn co thắt : ngay khi đạt đến giới hạn

bền, tiết diện mẫu thử bị thu hẹp rất nhanh một

cách cục bộ dẫn đến phá hủy (đứt) Biến dạng lúc

đứt ε r=20÷25%

Khi thí nghiệm nén thép ta cũng thu được kết quả tương

tự nhưng không xác định được giới hạn bền vì mẫu nén

bị phình to và tiếp tục chịu được lực rất lớn

+ Trong tính toán kết cấu thép, để đơn giản người ta

dùng biểu đồ lí tưởng (hình 1.1b):

- Khi tính toán đàn hồi thì biểu đồ σ-ε là một

đường thẳng tuân theo định luật Hooke

- Khi tính toán có kể đến biến dạng dẻo thì biểu Hình 1.1b Biểu đồ lí tưởng ứng suất - biến dạng

đồ là hai đoạn thẳng, đoạn thứ nhất làm việc trong miền đàn hồi được giới hạn bởi giới hạn chảy f y; vượt qua giới hạn fy là miền dẻo mà ứng suất không đổi (luôn bằng fy) nhưng biến dạng vẫn tăng

4.2 Các đặc trưng cơ học của thép

+ Các đặc trưng cơ học cơ bản của thép được quy định trong tiêu chuẩn tương ứng với mỗi nhóm thép như

giới hạn chảy f y , giới hạn bền f u , mô đun đàn hồi E, biến dạng khi chảy và khi đứt ε y và ε r

- Môđun đàn hồi E=σ/ε Trong miền đàn hồi E không đổi, trong miền chảy dẻo thì E=0 Với thép

cacbon thấp có thể lấy E=2,1x105MPa

- Giới hạn chảy f y : là đặc trưng quan trọng nhất trong tính toán kết cấu thép Đây là thông số dùng

để xác định CƯỜNG ĐỘ của thép chịu kéo/nén

- Giới hạn bền f u hay còn gọi là cường độ tức thời Đây là thông số dùng để xác định cường độ

γ

Trong đó γ m : hệ số an toàn vật liệu TCVN quy định đối với thép cacbon thấp thì γ m=1,05 với mọi mác thép;

thép hợp kim thấp có cường độ tiêu chuẩn f y > 360MPa thì γ m=1,1 Trong Eurocode 3 lấy γ m=1,1

- Cường độ của một số mác thép theo TCVN cho trong bảng 1.1 dưới đây

- Tùy theo dạng chịu lực (trạng thái ứng suất) mà cường độ tính toán tương ứng có thể suy ra từ cường độ khi kéo (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Cường độ tính toán theo trạng thái làm việc (thép cán và ống) Trạng thái làm việc Kí hiệu Cường độ tính toán

+ Dựa vào cường độ thép người ta phân thép thành:

- Thép cường độ thường: giới hạn chảy f y <310MPa, giới hạn bền f u <450MPa

Bảng 1.1 Cường độ tiêu chuẩn và tính toán của thép cacbon theo TCVN 5709:1993

- Thép cường độ khá cao (thường là hợp kim): giới hạn chảy f y = 310 ÷400 MPa, giới hạn bền

+ Gồm thép góc đều cạnh và không đều cạnh (tỉ lệ hai cạnh khoảng 1:1,6)

+ Đều cạnh: kí hiệu LAxAxd hoặc LAxd, ví dụ L50x50x5; TCVN gồm 67 loại tiết diện, nhỏ nhất là L20x3,

Cán thép tấm

Sơ cán

Cán vuông

Hình 1.2 C ác giai đoạn chính của cán nóng thép

+ TCVN Có 23 loại tiết diện, cao h=100÷600mm

+ Kí hiệu Ih, ví dụ I40 trong đó h là chiều cao tính bằng cm

+ Từ số hiệu 18 đến 30 thì mỗi loại có thêm 2 tiết diện phụ, cùng chiều cao nhưng cánh rộng và dày hơn

Kí hiệu thêm chữ ‘a’ ở cuối, ví dụ I40a

+ Ứng dụng: dầm chịu uốn, làm cột (nhưng phải tăng độ cứng theo phương y  tiết diện chữ H) Thép chữ I có cánh hẹp và vát chéo nên khó liên kết

+ Thực tế trên thị trường còn có thép chữ I cánh rộng, tỉ lệ chiều cao trên bề rộng cánh khoảng 1:1 đến 2:1 Trong tiêu chuẩn Châu Âu hay Mỹ kí hiệu là thép chữ H (HEA, HEB, HEM, HHD)

+ Trong TCVN có 22 loại tiết diện từ số 5 đến số 40

+ Kí hiệu: Ch, ví dụ C22 trong đó h là chiều cao tiết diện (cm)

+ Từ số hiệu 14 đến 24 có thêm tiết diện phụ ‘a’ có cánh rộng và dày hơn

+ Ứng dụng: dầm chịu uốn, xà gồ chịu uốn xiên, ghép thành tiết diện tổ hợp để làm cột, thanh dàn nặng Cấu tạo cánh rộng, bụng phẳng nên rất dễ liên kết

Hình 1.4 Thép chữ I và các tiết diện tổ hợp Hình 1.3 Thép góc và các tiết diện tổ hợp từ thép góc

+ Trên thị trường còn nhiều loại tiết diện khác phù hợp với các mục đích sử dụng riêng

- Thép chữ T: được cán nóng trực tiếp hoặc được cắt từ thép chữ I, dùng làm các cấu kiện phụ

- Thép ống không hàn: có (đường kính)x(bề dày) dxt = 42x2,5 ÷ 500x15mm Đây là tiết diện có đối xứng

tâm nên chịu lực tốt và hợp lí, dung làm các thanh dàn hay kết cấu trụ tháp cao

- Thép ống hàn: được tạo thành từ các thép tấm cuộn tròn rồi hàn kín, kích thước đa dạng

+ Ưu điểm: nhẹ, cứng  được dùng cho các kết cấu chịu lực nhỏ nhưng cần độ cứng lớn

+ Nhược: bị giòn ở các góc uốn, mỏng nên chóng gỉ kém và dễ bị mất ổn định cục bộ

Hình 1.6 Một số loại thép hình khác

Hình 1.12 Một số loại thép dập nguội

+ Theo tiêu chuẩn này tải trọng được phân thành các loại sau:

- Tải trọng thường xuyên (G): là tải trọng không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều trong quá trình sử dụng công trình như trọng lượng các bộ phận công trình, áp lực đất, ứng suất trước

- Tải trọng tạm thời (Q): là tải trọng có thể có hoặc không trong quá trình xây dựng và sử dụng Tải trọng tạm thời được phân thành tải trọng tạm thời dài hạn (vách ngăn tạm thời, trọng lượng máy cố định, tải trên sàn các gian kho, thư viện…) và tải trọng tạm thời ngắn hạn (trọng lượng người và đồ đạc trên sàn nhà, tải trọng sinh ra trong quá trình thi công vận hành, tải trọng gió…)

- Tải trọng đặc biệt (A): là các tải trọng gây bởi thiên tai hay sự cố như động đất, cháy nổ, sụt lở đất, đứt dây cáp neo…

+ Về giá trị, TCVN phân thành tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

- Giá trị tiêu chuẩn là trị số lớn nhất có thể có của tải trọng trong trường hợp sử dụng bình thường Giá trị này được xác lập bằng các phương pháp thống kê

- Giá trị tính toán bằng giá trị tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy về tải trọng γQ Giá trị của γQ được cho trong tiêu chuẩn, ví dụ trọng lượng cấu kiện chế tạo trong xưởng γQ=1,1; chế tạo tại công trường γQ=1,2; tải trọng tạm thời <200daN/m2 lấy γQ=1,3; tải trọng tạm thời ≥200daN/m2 lấy

+ Khi có nhiều tải trọng tác động đồng thời lên kết cấu thì phải tiến hành tổ hợp tác động của chúng Tổ hợp chính là xác định xác suất các tải trọng đồng thời xảy ra với giá trị bất lợi nhất tác dụng lên kết cấu + TCVN 2737: 1995 quy định hai loại tổ hợp, tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt:

- Tổ hợp cơ bản gồm các tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn và ngắn hạn) Khi chỉ có một loại tải trọng tạm thời tác dụng thì giá trị của tải trọng này được lấy toàn bộ, tức là hệ số

tổ hợp của nó ψ=1 Khi có hai tải trọng tạm thời trở lên thì giá trị của chúng phải nhân với hệ số tổ hợp ψ=0,9 Hệ số tổ hợp của tải trọng thường xuyên luôn bằng 1

hệ số tổ hợp ψ1=0,95; tải trọng tạm thời ngắn hạn nhân với hệ số tổ hợp ψ2=0,8

+ Một số trường hợp riêng khác xem thêm tiêu chuẩn chuyên biệt (tiêu chuẩn kháng chấn; cháy nổ)

2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO CÁC TRẠNG THÁI

GIỚI HẠN

Hiện dường như tất cả các tiêu chuẩn trên thế giới đều thiết kế theo trạng thái giới hạn Trước đây (thập niên 60) người ta thường thiết kế theo phương pháp ứng suất cho phép (ASD: allowable stress design), phương pháp này chúng ta đã được làm quen khi học về sức bền vật liệu, tức là khống chế ứng suất trong kết cấu không được vượt quá một ứng suất quy định trước (cường độ cho phép), vật liệu làm việc đàn hồi Tuy nhiên, vật liệu xây dựng là vật liệu có tính dẻo, cho phép biến dạng rất lớn và phân phối lại nội lực trong kết cấu cũng như ứng suất trên tiết diện; để tận dụng các yếu tố đó cũng như tận dụng các yếu tố về độ tin cậy người ta xây dựng nên phương pháp thiết kế tiến bộ hơn gọi là phương pháp trạng thái giới hạn

+ Tương ứng với 2 yêu cầu cơ bản của kết cấu mà có hai TTGH:

- Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (TTGH thứ nhất, Ultimate Limit State - ULS) là giới

hạn mà vượt qua trạng thái này thì kết cấu không còn khả năng chịu lực nữa (cong vênh, sụp đổ hay

ở trạng thái nguy hiểm theo quan điểm người thiết kế) Đó là các trường hợp kết cấu không đủ bền hoặc mất ổn định, bị phá hủy đột ngột do mỏi

- Trạng thái giới hạn về sử dụng (TTGH thứ hai, Serviceability Limit State - SLS) là giới hạn mà

vượt qua trạng thái này thì kết cấu có thể vẫn bền vững nhưng không thể sử dụng được do không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra Đó là các trường hợp kết cấu bị chuyển vị hay biến dạng quá mức, rung động vượt mức cho phép, không đủ khả năng cách âm…

2.2 TTGH thứ nhất

+ Điều kiện về khả năng chịu lực theo TTGH thứ nhất có thể viết dưới dạng:

gh c

N: nội lực trong kết cấu do tổ hợp bất lợi nhất của các trường hợp tải trọng gây ra

Ngh: khả năng giới hạn kết cấu có thể chịu được, khả năng này phụ thuộc vào cường độ thép, kiểu tiết diện, kích thước tiết diện và được xác định tùy vào từng trường hợp chịu lực cụ thể

γc (≤1) : hệ số điều kiện làm việc; xét đến một số trường hợp kết cấu làm việc trong điều kiện bất lợi

[∆]: giới hạn cho phép được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế hoặc bởi chủ đầu tư xây dựng

+ Chú ý giá trị tải trọng trong TTGH này là giá trị tải trọng tiêu chuẩn

Phần này sẽ trình bày cách xác định khả năng giới hạn Ngh mà một tiết diện thép có thể chịu được theo TTGH thứ nhất Vật liệu thép được coi là làm việc theo biểu đồ lí tưởng gồm giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo với giới hạn chảy là fy tương ứng với biến dạng khi chảy εy

Vì thép có hai giai đoạn làm việc khác nhau nên sẽ có 2 quan điểm về trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực:

- Trạng thái giới hạn đàn hồi: thép chỉ làm việc đàn hồi, TTGH đạt được khi một điểm bất kì nào đó trên tiết diện bắt đầu chảy dẻo (biến dạng ε= εy)

- Trạng thái giới hạn dẻo: cho phép thép làm việc trong miền dẻo, TTGH đạt được khi toàn bộ tiết diện chảy dẻo

3.1 Tiết diện chịu lực dọc trục (kéo/nén đúng tâm)

Hình 2.2 Tiết diện chịu lực dọc trục

Do lực đúng tâm nên biến dạng dọc ε là đều trên toàn bộ tiết diện, dẫn đến ứng suất pháp σ cũng phân bố đều Gọi A là diện tích tiết diện, lực dọc:

3.2 Tiết diện chịu lực cắt

Hình 2.3 Tiết diện chịu lực cắt

a) TTGH đàn hồi:

- Theo lí thuyết của sức bền vật liệu, ta có ứng suất tiếp tại một điểm trên tiết diện cách trục trung hòa đoạn y:

( )( )

( )

x

VS y y

I t y

S(y) : mômen tĩnh của tiết diện ở bên trên vị trí tính ứng suất trượt so với trục trung hòa đàn hồi (phần gạch chéo)

I x : mômen quán tính của tiết diện

t(y) : bề rộng (độ dày) của tiết diện tại vị trí xét

- Ứng suất tiếp lớn nhất:

ax

ax

( ) ( )

Chẳng hạn (tham khảo Eurocode 3):

- Tiết diện chữ nhật bxh, lực cắt song song với h:

- Tiết diện chữ I lực cắt song song bụng dầm:

Av =ΣA bụng Điều kiện bền:

pl c

V ≤V ⋅γ

3.3 Tiết diện chịu uốn đơn

+ Xét trường hợp uốn đơn gây bởi một mômen uốn Mx theo trục chính x-x của tiết diện Điều kiện cân bằng giữa nội lực và ứng suất được viết:

+ Coi rằng giả thiết Navier-Bernoulli luôn đúng với mọi giá trị của M x (tiết diện phẳng luôn phẳng khi biến

dạng) thì biến dạng ε là tuyến tính theo chiều cao tiết diện h

Để so sánh mômen giới hạn dẻo và mômen giới hạn đàn hồi, người ta dùng hệ số hình dạng c 1 định

nghĩa như sau:

Hệ số c 1 phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng tiết diện Khi tiết diện có hình dạng chịu uốn lí tưởng (vật

liệu xa trục trung hòa) thì c 1 rất gần với 1 Tiết diện chữ nhật c 1 =1,5; c1 vào khoảng 1,15 trong trường hợp

tiết diện chữ I (tra bảng C1 phụ lục C của TCVN 5575:2012)

3.4 Tiết diện chịu lực phức tạp

+ Khi có tác dụng đồng thời của lực dọc N, mômen uốn M hay lực cắt V thì tùy vào sự kết hợp mà tồn tại các trạng thái ứng suất khác nhau

M M

N f

+ Nếu tồn tại cả ứng suất pháp và ứng suất tiếp, dùng ứng suất tương đương để kiểm tra (tiêu chuẩn Von

3.4.2 TTGH dẻo

Khi có biến dạng dẻo, ứng suất trên tiết diện sẽ được phân phối lại TTGH dẻo là trạng thái mà ứng suất trên toàn bộ tiết diện đạt giới hạn chảy (toàn bộ tiết diện chảy dẻo) Khi có mặt nhiều loại lực tác dụng thì trạng thái này khá phức tạp

Biểu thức trên xác định được biểu đồ tương tác giữa M&N

Nếu xét tiết diện chữ I thì phương pháp thiết lập cũng hoàn toàn tương tự, chú ý đến vùng cao 2a có nằm

trọn trong bụng hay tràn ra cánh TCVN 5575:2012 quy định:

Với tiết diện chữ I, chịu Mx và V (V hướng theo trục y) thì TCVN không chỉ dẫn, có thể dùng quy

định của Eurocode 3 như sau: khi lực cắt V≤0,5Vpl thì lực cắt không làm ảnh hưởng đến khả năng chịu mômen của tiết diện, ngược lại khả năng chịu mômen của tiết diện là:

pl

V V

ρ = − 

Nhiều trường hợp phức tạp khác tham khảo thêm Eurocode 3, Part 1-1: General rules and rules for

buildings Mục 6 Ultimate limit states

Chương 3

LIẾN KẾT

+ Các cấu kiện thép thường được chế tạo sẵn trong xưởng, để tạo thành kết cấu hoàn chỉnh chúng cần phải liên kết lại với nhau Đối với kết cấu thép có các loại liên kết như liên kết hàn, liên kết bulông, liên kết đinh tán, chốt, dán…

+ Hiện nay liên kết hàn là cơ bản và phổ biến nhất vì có nhiều ưu điểm như ít tốn công chế tạo, cấu tạo đơn giản, liên kết nhẹ do tốn ít vật liệu, mối hàn bền và kín Tuy nhiên liên kết hàn có nhược điểm là gây biến hình hàn, các lỗi kĩ thuật khi hàn dễ gây phá hủy giòn nên khả năng chịu tải trọng động kém

+ Liên kết bulông cũng khá phổ biến vì rất tiện lợi cho tháo lắp, không phải gia công bề mặt nên thi công nhanh, chịu tải động tốt Bất lợi là tốn công chế tạo (bulông, khoan lỗ) và liên kết nặng hơn, chiếm nhiều không gian hơn liên kết hàn

+ Liên kết đinh tán có tính chất chịu lực như bulông nhưng chất lượng rất đảm bảo, chịu được tải trọng rất lớn tuy nhiên tốn vật liệu, thi công khó nên ít được sử dụng Ngày nay liên kết đinh tán được thay thế bằng

liên kết bulông cường độ cao

2.1 Những khái niệm cơ bản về hàn

+ Định nghĩa: hàn là phương pháp nối hai phần thép với nhau bằng cách nung chảy vật liệu, sau khi nguội

hai phần sẽ kết nối liên tục với nhau

+ Đa số các phương pháp hàn thường dùng vật liệu phụ thêm để nung chảy tạo nên đường hàn, gọi là que hàn hoặc dây hàn

+ Que hàn: có tiết diện tròn, lõi bên trong là thép, bên ngoài bọc một lớp thuốc

hàn mỏng Lớp thuốc hạn có vai trò làm lớp màng bao phủ khối thép nóng chảy,

ngăn cản tiếp xúc không khí gây xấu đường hàn

+ TCVN kí hiệu que hàn bằng chữ N kèm theo số hiệu biểu diễn giới hạn bền

của thép làm que hàn (bảng 3.1) Cường độ của thép que hàn phải phù hợp với thép cơ bản, không nên dùng cường độ quá cao so với thép cơ bản để tránh mối hàn quá cứng, ngăn cản biến dạng gây tập trung ứng suất

- TCVN về kết cấu thép khuyên dùng que hàn N42 hoặc N46 cho thép có fu<430N/mm2 (thép cácbon thấp); N46 hoặc N50 cho thép có fu>430N/mm2(thép hợp kim thấp)

Bảng 2.1 Cường độ của que hàn theo TCVN 3223:1994 Loại que hàn Cường độ kéo đứt tiêu

a) Hàn h ồ quang điện: (Metal arc welding with covered electrode)

+ Khi phóng điện, giữa que hàn và thép cơ bản (thép cần hàn) có hồ quang điện nhiệt độ lên trên 20000C làm nóng chảy que hàn và lớp ngoài thép cơ bản Thép nóng chảy của que hàn bị lực hút điện trường hút

vào rãnh hàn và tạo thành đường hàn

+ Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay Tùy thuộc vào thiết bị mà có thể phân ra: phương pháp hàn thủ công (dùng que hàn) và phương pháp hàn tự động (dùng dây hàn) Chất lượng hàn thủ công kém hơn

Sơ đồ hàn tay hồ quang điện

b) Hàn tự động hồ quang điện với khí hàn: (MIG/MAG welding)

+ Giống hàn hồ quang điện nhưng thay thuốc hàn bằng khí trơ hoặc khí hoạt tính

+ Ngày nay phương pháp MIG/MAG khá phổ biến

Hàn hồ quang điện với khí hàn

c) Hàn xì (hàn hơi):

+ Dùng oxy để đốt cháy axêtylen tạo trường nhiệt độ lên đến 32000C, thép nóng chảy tạo thành đường hàn + Phương pháp này năng suất thấp, thường dùng để cắt thép

d) H àn điện trở (resistance spot welding)

- Coi các tấm thép cần hàn là điện trở, dưới tác dụng của dòng điện với cường độ lớn thép sẽ nóng chảy và liên kết với nhau, phương pháp này không cần que hàn

- Phương pháp này ít dùng trong xây dựng, chỉ dùng để sản xuất một số cấu kiện trong nhà máy yêu cầu độ chính xác cao

e) Một số phương pháp hàn khác: hàn plasma, micro-plasma, siêu âm hay laser

- Dùng các loại sóng rọi vào thép để gây nóng chảy: dường như không dùng trong xây dựng

2.1.2 Yêu cầu và các lỗi khi hàn

+ Khi hàn cần thực hiện một số yêu cầu sau để đảm bảo chất lượng đường hàn:

- Vệ sinh, làm sạch bề mặt rãnh cần hàn

- Gia công mép bản thép phù hợp với kiểu liên kết hàn

- Chọn loại que hàn thích hợp với thép cơ bản

- Nhiệt độ thích hợp Nếu nhiệt độ thấp sẽ không đủ để thép chảy hoàn toàn, liên kết phân tử rời rạc, chất lượng kém Nhiệt độ cao quá sẽ gây giòn thép vì một phần các chất trong thép bị đốt cháy

+ Ngoài các lỗi về hình học, các lỗi nguy hiểm gây phá hủy giòn có thể gặp sau khi hàn:

- Vết nứt

- Lỗi kết dính giữa thép mối hàn và thép cơ bản

- Không lấp đầy hoàn toàn rãnh hàn

- Bọt khí rỗng hoặc dị vật

2.1.3 Ứng suất hàn – biến hình hàn

+ Hiện tượng & nguyên nhân:

- Khi hàn thì nhiệt độ mối hàn rất cao, sau khi để nguội các thành phần của cấu kiện bị cong vênh

- Nguyên nhân: nguội không đều, tạo ra các ứng suất kéo và nén gọi là nội ứng suất (hay ứng suất dư)

- Tác hại: cong vênh, ứng suất dư gây phá hoại giòn

Biến dạng và ứng suất hàn

+ Biện pháp khắc phục:

- Giảm số lượng và chiều dày đường hàn một cách tối đa

- Tránh tập trung đường hàn vào một chỗ, tránh đường hàn kín và cắt nhau vì như vậy sẽ ngăn cản biến dạng tự do của các thành phần, dễ sinh trạng thái ứng suất phức tạp

- Chọn trình tự hàn thích hợp, chia nhỏ các đường hàn dài để hàn

- Tạo biến dạng ngược trước khi hàn …

2.1.4 Các phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

+ Phương pháp không phá hủy như:

- Kiểm tra bằng mắt thường (visual testing): chỉ phát hiện được những lỗi hình học đơn giản: lệch,

lồi lõm, nứt lớn

- Kiểm tra bằng từ trường (magnetic particles testing): phát hiện được vết nứt bề mặt, dễ thực hiện

với độ tin cậy cao

- Tia X quang (radiation testing): xác định được các lỗi nằm trong mối hàn như bọt khí, dị vật tuy nhiên tìm vết nứt không tốt Phương pháp này đắt và tốn nhiều công sức, nguy hiểm do phóng xạ

- Siêu âm (ultrasound testing): cho phép xác định được nhiều loại lỗi nhưng thiết bị phức tạp, đòi

hỏi nhiều kinh nghiệm

+ Phương pháp phá hủy được thực hiện trên các mẫu thử như:

Có hai loại đường hàn là đường hàn đối đầu và đường hàn góc

a) Đường hàn đối đầu:

- Các bản thép cơ bản cần hàn được đặt đối đầu nhau trên một mặt phẳng, đường hàn nằm ở khe hở nhỏ giữa hai cấu kiện Tùy theo phương tác dụng của lực mà có đường hàn đối đầu thẳng và đường hàn đối đầu xiên

- Ưu: truyền lực tốt, coi như phần kéo dài của thép cơ bản, không phải tốn thêm bản ghép, ứng suất phân bố đều, ít gây tập trung

- Nhược: khi bản thép cơ bản dày (t≥10mm) thì phải gia công mép  tốn công chế tạo

Đường hàn đối đầu

Một số dạng gia công mép trong hàn đối đầu

b) Đường hàn góc:

- Nằm ở góc tạo bởi hai cấu kiện cần hàn đặt chồng lên nhau

- Dạng cơ bản của tiết diện đường hàn: hình tam giác cân, cạnh cân của tam giác gọi là chiều cao

đường hàn h f, đường cao của tam giác s=h f / 2≈0, 7h f

- Trong một số tiêu chuẩn khác (Eurocode 3, AISC) người ta định nghĩa ngược lại: s là chiều cao đường hàn

Đường hàn góc

- Tùy theo vị trí của đường hàn so với phương tác dụng của lực người ta phân ra:

• Đường hàn góc đầu: vuông góc với phương tác dụng

• Đường hàn góc cạnh: song song với phương tác dụng

- Quy định: hf,min ≤ h f ≤ h f,max :

• hf,min ∈ tmax  tra bảng 43 TCVN, trong mọi trường hợp phải lấy hf không nhỏ hơn 4mm đối với hàn thủ công và không nhỏ hơn 3mm đối với hàn máy (tmax: chiều dày lớn nhất trong các bản thép liên kết)

• hf,max lấy giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị 1,2t min và 25mm(tmin: chiều dày bé nhất trong các bản thép liên kết)

- Chiều dài đường hàn l w được quy định như sau: l w,min ≤ l w ≤ l w,max

• lw,min lấy giá trị lớn hơn trong 2 giá trị 4h f và 40mm

• Đối với đường hàn góc cạnh: l w,max = 85 β f h f ( β f là hệ số nghiên cứu ở phần tiếp theo)

c) Kí hiệu đường hàn theo TCVN

Loại đường hàn Hàn trong nhà máy Hàn ngoài công trường

Đối đầu

Góc

2.2.3 Cường độ đường hàn

a) Đường hàn đối đầu

+ Khi mối hàn chịu nén hay cắt, cường độ tính toán đường hàn được lấy bằng cường độ tính toán thép cơ bản:

f f f

f w = ; wv =+ Khi chịu kéo hay uốn:

f

f w = : nếu kiểm tra đường hàn bằng phương pháp vật lí

f

f w =0,85 : kiểm tra bằng mắt thường

 V ậy: nếu hàn đối đầu đảm bảo chất lượng thì có thể coi như kết cấu liên tục, không bị nối và không cần

tính toán đường hàn nữa

b) Đường hàn góc

+ Thực tế:

- Làm việc rất phức tạp, có thể chịu cả cắt, kéo (nén) và uốn

- Ứng suất phân bố không đều, thường tập trung ở mép ngoài đường hànkhông nên dùng đường hàn quá dài

+ Tính toán: coi mối hàn góc chỉ chịu cắt  đơn giản, thiên về an toàn

- Chiều cao tiết diện 1-1 và 2-2 là βfh f và β s h f trong đó βf và β s là các hệ số kể đến sự ăn sâu của

đường hàn vào thép cơ bản do nóng chảy

- Với tiết diện đường hàn dạng cơ bản hình tam giác cân (thường là trường hợp hàn tay): chất lượng

đường hàn không tốt nên lấy β s =1, β =f 1/ 2=0,7 (hình a)

- Thực tế: tiết diện đường hàn có dạng cầu (hình b) do có sự ăn sâu của đường hàn vào thép cơ bản nóng chảy; do đó các hệ số ăn sâu của đường hàn được cho trong từng trường hợp cụ thể trong

bảng 2.2 (bảng 37 trong TCVN)

Tiết diện tính toán của đường hàn góc + Vì có hai khả năng phá hoại nên đối với hàn góc có hai cường độ tính toán chịu cắt quy ước:

- Theo kim loại mối hàn f wf (tiết diện 1-1): phụ thuộc vào vật liệu que hàn, f wf =0,55f wun /γ M trong đó

γ M là hệ số tin cậy về cường độ mối hàn; khi fwun ≤490MPa lấy γ M =1,25; khi f wun ≥590MPa lấy

γ M =1,35 Giá trị của cường độ tính toán f wf của một số que hàn tham khảo bảng 2.3

- Theo thép cơ bản f ws (tiết diện 2-2): f wf =0,45f u, fu là cường độ kéo đứt tức thời tiêu chuẩn (giới hạn bền) của thép cơ bản

- Trong thiết kế chọn que hàn sao cho fwf xấp xỉ f wslà hợp lí nhất

Bảng 2.2 Giá trị của các hệ sốβ f vàβ s

Bảng 2.3 Cường độ tính toán của đường hàn (bảng 7 trong TCVN)

2.3 Phương pháp tính toán các loại đường hàn

2.3.1 Đường hàn đối đầu

a) Chiều dài tính toán đường hàn đối đầu:

Thường các mép đầu đường hàn có chất lượng không tốt, nên có hai trường hợp như sau:

- Nếu có biện pháp kỹ thuật hàn bù mép thì chiều dài tính toán đường hàn bằng chiều dài thực tế của nó

- Nếu không có biện pháp kỹ thuật hàn bù mép thì:

(chiều dài tính toán đường hàn l w ) = ( chiều dài thực tế)-2.(bề dày bản thép cần hàn)

b) Tính toán đường hàn đối đầu:

- Tiết diện đường hàn: Aw=bw.lw

- Kiểm tra bền tiết diện phụ thuộc vào trạng thái chịu lực, phương pháp kiểm tra đã trình bày ở chương 2

- Chú ý: đối với đường hàn đối đầu xiên chịu lực

dọc trục  cho phép phân lực N thành 2 thành

phần vuông góc và song song với đường hàn; kiểm

tra bền đường hàn riêng biệt với hai trạng thái:

chịu lực dọc trục Nsinα và chịu lực cắt Ncosα

2.3.2 Đường hàn góc

Chú ý trong đường hàn góc, như đã quy ước chỉ có ứng suất trượt

a) Chiều dài tính toán đường hàn góc

Thường các mép đầu một đường hàn có chất lượng không tốt, nên chiều dài tính toán đường hàn góc lấy như sau:

(chiều dài tính toán đường hàn l w ) = (chiều dài thực tế)-10mm

b) Đường hàn chịu lực dọc trục đúng tâm N

+ Điều kiện bền theo vật liệu đường hàn (tiết diện 1-1):

wf c f

β f , β s : hệ số chiều sâu nóng chảy đường hàn

Σl w : tổng chiều dài tính toán đường hàn

f wf , f ws : cường độ tính toán đường hàn góc theo kim loại đường hàn và theo kim loại đường biên

N l

Đường hàn góc chịu mômen, (a): góc cạnh, (b): góc đầu

+ Chuyển mômen uốn M thành cặp ngẫu lực có giá trị:

+ Điều kiện bền theo tiết diện 2-2:

2

6

ws c s

W và W w slà các mômen chống uốn của các tiết diện phá hủy tương ứng

+ Khi tính toán, nên xét tìm trước (βfw)min để biết trước phá hủy theo tiết diện 1-1 hay 2-2

d3 ) Đường hàn góc cạnh và góc đầu cùng chịu M

Gọi Ixw và Iywlà mômen quán tính của tiết diện tính toán đường hàn đối với các trục chính của riêng

nó, ứng suất tiếp lớn nhất trong đường hàn xác định như sau:

e) Đường hàn chịu đồng thời lực dọc N, mômen M và lực cắt V

+ Nguyên tắc: tính ứng suất do từng tải trọng riêng rẽ gây ra rồi dùng nguyên lý cộng tác dụng để kiểm tra

bền

V

V

MN

MN

+ Xét trước (βfw)minđể biết đường hàn phá hoại theo tiết diện 1-1 hay 2-2

+ Ứng suất:

M

w

M W

τ =

∑ ; N

w

N A

τ =

w

V A

τ =

∑+ Điều kiện bền:

- Nếu (βf w ) min = β f f wf

wf c V

M

)()

- Nếu (βf w ) min = β s f ws

ws c V

M

)()(

2.4 Một số loại liên kết hàn và phương pháp tính toán

2.4.2 Liên kết ghép chồng dùng đường hàn góc

+ Cấu tạo:

- Hai cấu kiện đặt chồng lên nhau và liên kết với nhau bằng đường hàn góc đầu hoặc góc cạnh

- Đoạn chồng lên nhau được chọn theo yêu cầu chiều dài đường hàn và phải đảm bảo yêu cầu cấu

tạo a ≥ 5t min

+ Tính toán:

- Chọn chiều cao đường hàn h f

- Tính chiều dài tính toán đường hàn yêu cầu lw: tùy theo trạng thái chịu lực mà có thể tính theo các công thức tương ứng

+ Trường hợp nối thép góc với thép bản (hình b) chịu lực trục N

- Do lực N không nằm giữa hai đường hàn sống và mép  mỗi đường hàn chịu một phần lực tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến đường đặt lực:

- Lực do đường hàn sống chịu: N 1 =kN, k<1

- Lực do đường hàn mép chịu: N2=(1-k)N

- Có thể lấy giá trị của hệ số k theo hình dưới:

Hệ số phân phối lực k khi liên kết thép góc với thép bản

2.4.3 Liên kết dùng bản ghép

+ Cấu tạo:

- Dùng bản ghép để truyền lực từ cấu kiện này sang cấu kiện khác

- Các bản ghép liên kết với cấu kiện cơ bản bằng các đường hàn góc

- Dùng để liên kết thép bản với thép bản, thép hình với thép hình

+ Ưu khuyết điểm:

- Đỡ tốn công gia công mép nhưng liên kết nặng, tốn vật liệu

- Dễ gây tập trung ứng suất, không nên dùng để chịu tải động Để giảm ứng suất tập trung ở góc vuông của bản ghép có thể cắt vát cạnh bản ghép

- Khi dùng bản thép góc để nối thép góc, nếu bề rộng cánh thép cần nối ≥130mm thì nên cắt vát bản

nối để đường hàn truyền lực tốt hơn (hình c)

- Chọn chiều cao đường hàn góc h f

- Tính chiều dài tính toán đường hàn yêu cầu lw: tùy theo trạng thái chịu lực mà có thể tính theo các công thức tương ứng

- Bố trí đường hàn

3 LIÊN K ẾT BULÔNG

3.1 Khái niệm về bulông

+ Bulông là đoạn thép tròn có đường kính phổ biến 12-48mm dùng để liên kết các cấu kiện Với bulông

dùng để neo thì đường kính có thể lên 100mm

+ Cấu tạo của bulông gồm:

- Thân bulông có chiều dài l tùy theo yêu cầu, thân chia làm hai phần: phần không có ren đường

kính d có chiều dài nhỏ hơn chiều dày tập thép liên kết khoảng 2-3mm; phần có ren đường kính d 0

có chiều dài l 0 ≈2,5d

- Đầu bulông, đệm (rondelle) và ốc (écrou) có dạng hình lục giác đều

Cấu tạo bulông 3.2 Phân loại bulông

Theo sự làm việc, người ta phân thành hai dòng bulông: bulông phổ thông và bulông cường độ cao

Theo độ chính xác khi sản xuất, bulông phổ thông chia thành:

a) Bulông thô và bulông thường

+ Sản xuất từ thép cacbon bằng cách rèn và dập Độ chính xác không cao, đường kính thân d nhỏ hơn

đường kính lỗ 2-3mm

+ Lỗ của bulông được tạo bằng cách đột hay khoan, phương pháp đột gây cứng nguội xung quanh lỗ, bề mặt không phẳng

+ Độ chính xác thấp, liên kết lỏng lẻo và biến dạng nhiều (khi chịu trượt) => chỉ sử dụng làm việc chịu kéo

và định vị khi lắp ghép, không dùng cho công trình quan trọng Dễ thi công

+ Bulông neo (chân cột vào móng BTCT) được xếp vào loại bulông thô

b) Bulông tinh

+ Sản xuất từ thép cacbon và thép hợp kim thấp bằng phương pháp tiện

+ Đường kính lỗ bulông lớn hơn đường kính bulông d chỉ khoảng 0,3mm

+ Lỗ bulông được tạo bằng phương pháp khoan Khi bản thép mỏng có thể đột tạo lỗ trước rồi khoan đến đường kính thiết kế

+ Lỗ bulông tinh nhẵn, chất lượng cao, khe hở giữa bulông và lỗ nhỏ nên liên kết chặt, có thể làm việc chịu

cắt Nhược: Tốn công chế tạo, thi công khó

3.2.2 Bulông cường độ cao

+ Là loại bulông khi làm việc thân bulông được căng trước nhờ lực siết, các bản thép do đó bị ép chặt lên nhau và truyền lực liên kết dựa vào lực ma sát giữa chúng Trong các tiêu chuẩn của châu Âu và Mỹ người

ta gọi loại bulông này là bulông ứng suất trước Để chịu được lực căng trước lớn, bulông phải được làm từ thép có cường độ cao

+ Cách sản xuất giống bulông thường, không cần độ chính xác cao

+ Ưu: dễ chế tạo, khả năng chịu lực lớn, bulông cường độ cao ứng suất trước làm việc dựa trên lực ma sát

nên ít biến dạng  dùng chịu lực trong mọi trường hợp

3.3 Cấu tạo liên kết bulông

3.3.1 Các hình thức liên kết

Bao gồm: liên kết đối đầu có bản ghép và liên kết ghép chồng

a) Liên kết thép tấm

+ Liên kết đối đầu dùng hai bản ghép (b)

+ Liên kết đối đầu dùng một bản ghép (b): độ lệch tâm gây mômen phụ  cần tăng 10% số lượng bulông

so với tính toán

+ Liên kết ghép chồng: bản thép này đặt chồng lên bản thép kia (a)

Các kiểu liên kết thép bản bằng bulông

b ) Liên kết thép hình:

+ Liên kết đối đầu: bản ghép bằng thép hình (a) hoặc bằng thép bản (b) Các thép hình cứng nên bỏ qua sự lệch tâm khi dùng một bản ghép

+ Liên kết ghép chồng nối thép hình và thép bản: nếu sơ đồ không đối xứng thì cần tăng 10% số bulông

Liên kết thép hình bằng bulông

Liên kết thép hình và thép bản bằng bulông

3.3.2 Cách bố trí bulông trong liên kết

a) Một số khái niệm:

- Đường đinh: các bulông nằm trên một đường thẳng

- Dãy đinh: đường đinh song song với phương chịu lực

- Hàng đinh: đường đinh vuông góc với phương chịu lực

b ) Cách bố trí:

Có 2 hình thức:

- Bố trí song song: đơn giản, hình a

- Bố trí so le: phức tạp hơn nhưng tiết kiệm không gian và bản thép, hình b

Cách bố trí phải đảm bảo truyền lực tốt, cấu tạo đơn giản

c) Yêu cầu về cấu tạo:

Giữa các bulông phải đảm bảo khoảng cách theo quy định; ngoài ra còn phải chú ý đến khoảng cách từ tâm bulông đến mép bản thép theo các phương

- Khoảng cách tối thiểu (min) : đảm bảo khoảng cách giữa 2 bulông để đủ không gian thi công (vặn ê-cu),

khoảng cách từ bulông đến mép bản thép không quá bé để bản thép không bị rách mép Khi khoảng cách giữa bulông đến mép bản thép không thỏa mãn điều kiện này thì cần phải xem xét kiểm tra bền do bản thép

bị rách mép

Cấu tạo liên kết bulông - khoảng cách min (d là đường kính lỗ bulông)

- Khoảng cách lớn nhất (max) : đảm bảo độ chặt của liên kết, bulông làm việc đồng thời, khi cấu kiện chịu

nén thì khoảng cách giới hạn max đảm bảo độ ổn định của phần bản thép giữa hai bulông

CHÚ Ý: Nên bố trí bulông theo khoảng cách min để đỡ tốn thép và liên kết nhẹ

Bảng quy định các khoảng cách bulông trong liên kết theo TCVN Khoảng cách giữa trọng tâm của hai bulông hay đinh tán theo phương bất kỳ

a) nhỏ nhất

- đối với bulông

- đối với đinh tán

b) lớn nhất: trong các đường đinh ở biên khi không có thép góc viền đối với các cấu

kiện chịu kéo và nén

c) lớn nhất: trong các đường đinh ở giữa và biên khi có thép góc viền

- cấu kiện chịu nén

- cấu kiện chịu kéo

2,5d 3d 8d hay 12t

16d hay 24t 12d hay 18t

Khoảng cách từ trọng tâm bulông hay đinh tán đến mép biên cấu kiện

Chú thích: d : đường kính lỗ bulông; t: chiều dày bản mỏng nhất ở ngoài

3.3.3 Kí hiệu bulông trên bản vẽ

Kí hiệu bulông và đinh tán theo TCVN Dạng lỗ bulông, đinh tán Ký hiệu Dạng bulông, đinh tán Ký hiệu

tinh)

Dạng lỗ bulông, đinh tán Ký hiệu Dạng bulông, đinh tán Ký hiệu

3.4 Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông

3.4.1 Bulông phổ thông

+ Làm việc thực: trong liên kết chịu lực cắt, bulông chịu uốn và cắt đồng thời

+ Trong tính toán: bỏ qua sự làm việc chịu uốn, coi bulông chỉ chịu cắt

Sự làm việc thực của bulông trong liên kết a) Khả năng chịu trượt:

+ Ốc (ê-cu) chỉ có vai trò cố định vị trí cho bulông, không có vai trò trong sự làm việc

+ Vì lực xiết ốc bé  bỏ qua ứng suất trước trong bulông lực ép lên các bản thép liên kết bé  bỏ qua

ma sát giữa chúng

- Ban đầu khi chưa có lực tác dụng: giữa thân bulông và bản thép có khoảng hở do lỗ bulông to hơn thân

bulông

- Khi có lực tác dụng: các bản thép trượt tương đối với nhau, thân bulông bắt đầu tì sát vào thành lỗ và

truyển lực Lúc này thân bu lông chịu cắt còn các bản thép thì bị ép mặt

- Khi tăng lực đến giá trị giới hạn: Liên kết có thể bị phá hoại theo 2 khả năng: do thân bu lông bị cắt đứt

trên các mặt trượt hoặc do bản thép mất bền do ép mặt

Sự làm việc chịu trượt của liên kết bulông phổ thông

 Khả năng chịu cắt của bulông:

[ ]N vb =n Af v( vb)γb

- n v: số lượng mặt cắt tính toán phụ thuộc vào số lượng bản thép trong liên kết, vd: hình vẽ trên

có nv =2

- fvb: cường độ tính toán chịu cắt của bulông

- A: diện tích tiết diện ngang thân bulông (phần không ren, xem bảng dưới)

- γ b: hệ số điều kiện làm việc bulông

Diện tích tiết diện ngang bulông theo TCVN, mm 2

2,54 1,92

3,14 2,45

3,80 3,03

4,52 3,52

5,72 4,59

7,06 5,60

10,17 8,16

13,85 11,20

18,09 14,72

Hệ số điều kiện làm việc γbtheo TCVN Đặc điểm của liên kết Giá trị γb

1 Liên kết nhiều bulông khi tính toán chịu cắt và ép mặt:

- Đối với bulông tinh (độ chính xác cao)

- Bulông thô và bulông chính xác thường, bulông cường độ cao không điều

chỉnh lực xiết đai ốc

2 Liên kết có một hoặc nhiều bulông, được tính toán chịu ép mặt khi a=1,5d và b=

2d, thép được liên kết có giới hạn chảy:

- fy ≤ 28,5 kN/cm2

- fy > 28,5 kN/cm2

1,0 0,9

0,8 0,75

GHI CHÚ: Các hệ số điều kiện làm việc ở mục 1 và 2 lấy đồng thời;

a - khoảng cách dọc theo lực, từ mép cấu kiện đến trọng tâm lỗ gần nhất

b - khoảng cách giữa trọng tâm các lỗ

d - đường kính lỗ bulông

 Khả năng làm việc chịu ép mặt:

Khả năng chịu ép mặt của bản thép do thân bulông tì lên được xác định bằng diện tích ép mặt nhân với cường độ ép mặt của bản thép Công thức dưới đây đúng khi khoảng cách từ tâm bulông đến mép bản thép đảm bảo khoảng cách min:

- ( )Σt min : tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về cùng 1 phía

- fcb: cường độ tính toán ép mặt quy ước của bulông phụ thuộc vật liệu thép liên kết và phương pháp tạo lỗ, xem bảng dưới

Cường độ tính toán chịu ép mặt f cbcủa bulông, N/mm 2 theo TCVN Giới hạn bền kéo đứt của thép

c ấu kiện được liên kết

Vậy khi tính toán bulông chịu đẩy trượt thì khả năng chịu trượt của bu lông: là giá trị bé nhất

trong hai giá trị trên

[ ] [ ]

[ ]N b =min N vb; N cb

b) Khả năng chịu kéo:

+ Khi ngoại lực song song với thân bulông  bulông chịu kéo

+ Khả năng chịu lực kéo của bulông:

bn tb

- ftb là cường độ chịu kéo tính toán của bulông

Bulông chịu kéo 3.4.2 Bulông cường độ cao

+ Do bulông được làm từ thép cường độ cao nên cho phép thực hiện lực xiết bulông rất lớn, lực này làm thân bulông bị ứng suất kéo trước Ứng suất này gây lực ép rất lớn lên các bản thép trong liên kết  giữa các bản thép có lực ma sát tương ứng tiếp nhận hoàn toàn ngoại lực gây trượt

+ Lực ép mặt do bulông gây nên trên các bản thép (bằng ứng suất kéo trước trong thân bulông):

bn

hb A f

- fhb : cường độ tính toán chịu kéo của bulông, f hb =0,7f ub với f ub là cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của thép làm bulông cường độ cao (xem bảng)

- Abn : diện tích tiết diện thực của bulông (phần có ren)

+ Khả năng chịu trượt của một bulông cường độ cao:

b bn hb f

N

γ

γµ

- nf : số lượng mặt phẳng ma sát trong liên kết, liên kết có n bản thép thì n f =(n-1)

- μ : hệ số ma sát (xem bảng)

- γ b1 : hệ số điều kiện làm việc của liên kết, phụ thuộc vào số lượng bulông làm việc n a trong

liên kết (xem bảng)

- γ b2: hệ số độ tin cậy (xem bảng)

Sự làm việc của liên kết bulông cường độ cao CHÚ Ý:

+ Nếu liên kết dùng bulông cường độ cao nhưng không có ứng suất trước, lực xiết bulông nhỏ thì tính toán giống bulông phổ thông

+ Khi ngoại lực lớn hơn lực ma sát, liên kết lại làm việc giống liên kết dùng bulông phổ thông

Đặc trưng cơ học của bulông cường độ cao theo TCVN Đường kính

danh nghĩa của

ren, mm

Mác thép

Độ bền kéo nhỏ nhất f ub, N/mm 2

Đường kính danh nghĩa của ren, mm

Hệ số ma sát μ và hệ số độ tin cậy γb2 theo TCVN

Phương pháp làm sạch mặt phẳng

của Các cấu kiện được liên kết

Phương pháp điều chỉnh lực xiết bulông

Hệ số

ma sát µ

Hệ số γb2 khi tải trọng và độ dung sai giữa đường kính bulông và lỗ δ, mm Động và δ=3÷6;

Tĩnh và δ=5÷6 Động và δ=1Tĩnh và δ=1÷4 ;

1 Phun cát thạch anh hoặc bột kim

1,35 1,20

1,12 1,02

2 Phun cát hoặc bột kim loại sau đó

phun sơn kẽm hoặc nhôm Theo M Theo α 0,50 0,50

1,35 1,20

1,12 1,02

3 Bằng ngọn lửa hơi đốt, không có lớp

1,35 1,20

1,12 1,02

4 Bằng bàn chảy sắt, không có lớp sơn

1,35 1,25

1,17 1,06

0,25

1,70 1,50

1,30 1,20

Ghi chú: Phương pháp điều chỉnh theo M tức là mômen xoắn; theo α tức là theo góc quay êcu

Hệ số điều kiện làm việcγ b1 của liên kết bulông cường độ cao

Số lượng bulông trong liên kết n a γ b1

Liên kết bulông chịu lực dọc trục

+ Chọn đường kính bulông và kích thước bản ghép:

- Đường kính bulông d: nên chọn từ 12÷30mm, lực càng lớn chọn d càng lớn

- Kích thước bản ghép: chọn đủ bền, nên chọn tổng tiết diện ngang của các bản ghép không nhỏ hơn tiết diện của cấu kiện được liên kết,

A

A bg ≥Σ

+ Tính toán số lượng bulông cần thiết:

c N

N n

γ

min

][

- γchệ số điều kiện làm việc của liên kết

- Với bulông cường độ cao thì thay [N]min bằng [N]b

+ Bố trí bulông:

- Theo các quy định về cấu tạo (nên bố trí theo khoảng cách min)

- Nên bố trí sao cho có số hàng tối đa, từ đó xác định được chiều dài của bản ghép

+ Kiểm tra bền bản thép bị giảm yếu :

- Bản thép cần liên kết bị đục lỗ giảm yếu

- Do giảm yếu  bản thép có thể bị phá hủy theo một số mặt cắt (xem hình dưới)

- Gọi A: tiết diện nguyên bản thép, An : tiết diện thực của mặt cắt tính toán

- Công thức kiểm tra bền:

d c

f A

• γ d : hệ số cho phép kể đến sự làm việc dẻo của liên kết ; dầm đặc, cột bản nối lấy

γ d =1,1 ; thanh của mái và sàn γ d =1,05 Đối với bulông cường độ cao thì lấy γ d =1

• Ac : diện tích tiết diện quy ước

- Đối với bulông thường, thô, tinh: Ac=A n

- Đối với bulông cường độ cao, do một phần lực được truyền bằng ma sát nên diện tích quy ước Ac

lấy như sau :

• Đối với tải trọng động: A c =A n

• Đối với tải tĩnh : A c =A nếu A n ≥0,85A; A c =1,18A n nếu A n <0,85A

NN

Kiểm tra bền bản thép liên kết bulông

3.5.2 Liên kết chịu mômen M

a) Nguyên lí: lực trượt do mômen gây ra trên 1 bu lông tỉ lệ thuận với khoảng cách từ tâm bulông đó tới

tâm liên kết; xét liên kết bố trí đối xứng như hình vẽ

+ Gọi li là khoảng cách của bulông thứ (i) trong liên kết đến trục đối xứng

+ Lực cắt N i tác dụng lên bulông thứ (i) tỉ lệ với khoảng cách l i : N1×l1 =N2×l2 =const

+ Mômen: =∑m=

i N i l i

Liên kết bulông chịu mômen và lực cắt b) Các bước tính toán thiết kế

Xét trường hợp điển hình, bulông bố trí đối xứng, số bulông trên 1 dãy là như nhau

+ Chọn trước đường kính bulông, tiết diện bản ghép đủ bền

+ Bố trí trước số dãy: tối đa có thể theo chiều cao của cấu kiện

+ Tính lực dọc tác dụng lên dãy ngoài cùng (lớn nhất):

- Cân bằng mômen với các ngẫu lực :

N

1 2

max 1

max

+ Tính số bulông trên 1 dãy của ½ liên kết (trên hình vẽ thì nd=3) :

N l n

Ml n

N

i i d d

M

1 2 max max

][

Ml n

γ

min 1

2 max

][

+ Coi lực cắt V truyền đều cho các bulông trong liên kết, tính tương tự chịu N

+ Tính số bulông cần thiết cho ½ liên kết:

N n

V

N bl V = ≤[ ]minγc 

c N

V n

γ

min

][

≥

+ Bố trí bulông theo những quy định về cấu tạo

3.5.4 Liên kết chịu đồng thời mômen M và lực cắt V

+ Trình tự thiết kế giống như liên kết chịu mômen, trong đó số bulông được chọn và bố trí trước

+ Kiểm tra :

] [

≤ +

+ Nếu không thỏa  bố trí và kiểm tra lại

3.5.5 Tính toán bulông chịu kéo

Số lượng bulông cần thiết:

c tb N

N n

γ][

CHÚ Ý:

+ TCVN cho phép khi bulông chịu cắt và chịu kéo đồng thời thì kiểm tra chịu cắt và kéo riêng biệt

- Chữ I: (hình a) chịu uốn phẳng tốt  làm dầm sàn nhà, sàn công tác, dầm cầu…

- Chữ U: (hình b) chịu uốn xiên tốt, có 1 mặt phẳng nên dễ liên kết  làm xà gồ, dầm sườn tường + Đặc điểm:

- Thép cán sẵn, ítt tốn công chế tạo

- Kích thước hạn chế, bản bụng dầm dày nên tốn thép  Khắc phục: thép hình dập nguội từ thép tấm mỏng (hình c,d)

Dầm định hình b) Dầm tổ hợp

+ Được làm từ các bản thép hoặc bản thép kết hợp với các thép hình bằng phương pháp hàn hoặc đinh tán (bulông)

- Dầm tổ hợp hàn: (hình a) gồm bản bụng nằm đứng và 2 bản cánh dầm nằm ngang, bụng và cánh liên kết hàn góc

- Dầm tổ hợp đinh tán (bulông) (hình b) thép bản bụng đứng, cánh dầm làm bằng 2 thép góc (có thể gia cường thêm bản phủ)