Ket cau thep co ban

I.2.3 Số hiệu thép trong các tiêu chuẩn Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải được lựa chọn cho phù hợp với tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng

Trường Đại học Giao thông vận tải Viện Kỹ thuật xây dựng- Bộ môn Kết cấu xây dựng

Lời nói đầu

Kết cấu thép là loại kết cấu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng Tại Việt Nam, các công trình sử dụng kết cấu thép cũng ngày càng phát triển cùng với sự lớn mạnh của nền kinh tế Bài giảng Kết cấu thép cơ bản được dùng cho sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng tại trường Đại học Giao thông vận tải Nội dung bài giảng dựa trên tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCXDVN 338:2005, gồm 5 chương:

- Chương 1 cung cấp những khái niệm đại cương về Kết cấu thép

- Chương 2 giới thiệu lý thuyết tính toán đối với các loại liên kết trong kết cấu thép

- Chương 3 trình bày khái niệm, lý thuyết và phương pháp tính đối với cấu kiện cột thép

- Chương 4 trình bày khái niệm, lý thuyết và phương pháp tính đối với cấu kiện dầm thép

- Chương 5 trình bày khái niệm, lý thuyết và phương pháp tính đối với cấu kiện giàn thép

Dù đã được đưa vào giảng dạy từ khóa 46 nhưng chắc chắn bài giảng còn có nhiều thiếu sót Các tác giả rất mong nhận được những góp ý và phản biện từ các thầy cô giáo cũng như các bạn sinh viên để bài giảng có thể hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

Chương I ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP 5

I.1 Khái niệm về kết cấu thép 5

I.1.1 Ưu khuyết điểm của kết cấu thép 5

I.1.2 Phạm vi sử dụng 5

I.2 Vật liệu thép trong xây dựng công trình 5

I.2.1 Cấu trúc và thành phần hóa học của thép 5

I.2.2 Phân loại thép 6

I.2.3 Số hiệu thép trong các tiêu chuẩn 7

I.2.4 Các loại thép cán nóng dùng trong xây dựng công trình 10

I.3 Tính chất cơ học của thép 12

I.3.1 Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi chịu kéo 12

I.3.2 Sự phá hoại giòn của thép 13

I.4 Phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép 17

I.4.1 Quan điểm chung về phương pháp tính kết cấu thép 17

I.4.2 Phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn 18

I.4.3 Tải trọng và tổ hợp tải trọng 21

Chương II LIÊN KẾT 24

II.1 Liên kết hàn 24

II.1.1 Phương pháp hàn trong kết cấu thép 24

II.1.2 Một số vấn đề của liên kết hàn 26

II.1.3 Các loại đường hàn 27

II.1.4 Tính toán mối hàn 31

II.1.5 Tính toán các liên kết hàn 33

II.2 Liên kết bu lông 42

II.2.1 Phân loại bu lông 42

II.2.2 Cấu tạo của liên kết bu lông 43

II.2.3 Tính toán khả năng chịu lực của bu lông 47

II.2.4 Tính toán liên kết bu lông 53

Chương III DẦM THÉP 58

III.1 Khái niệm về dầm thép 58

III.1.1 Phân loại dầm 58

III.1.2 Các kích thước chính của dầm 59

III.2 Thiết kế dầm hình 63

III.2.1 Chọn tiết diện dầm hình 63

III.2.2 Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền 64

III.2.3 Kiểm tra độ võng của dầm 66

III.2.4 Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm hình 67

III.3 Thiết kế dầm tổ hợp 68

III.3.1 Chọn tiết diện dầm 68

III.3.2 Kiểm tra độ bền, độ võng và ổn định của dầm tổ hợp 72

III.3.3 Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài 74

III.4 Ổn định tổng thể của dầm thép 76

III.4.1 Khái niệm 76

III.4.2 Tính toán theo điều kiện ổn định tổng thể 77

III.5 Ổn định cục bộ của dầm thép 79

III.5.1 Ổn định cục bộ của bản cánh nén 80

III.5.2 Ổn định cục bộ của bản bụng dầm 81

III.6 Cấu tạo và tính toán các chi tiết của dầm 87

III.6.1 Liên kết cánh dầm với bản bụng 87

III.6.2 Cấu tạo và tính toán mối nối dầm 89

III.6.3 Cấu tạo và tính toán phần dầm ở gối tựa 96

Chương IV CỘT THÉP 101

IV.1 Khái niệm về cột thép 101

IV.1.1 Phân loại cột thép 101

IV.1.2 Sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ mảnh của cột 102

IV.2 Cột đặc chịu nén đúng tâm 105

IV.2.1 Hình thức tiết diện 105

IV.2.2 Tính toán cột đặc chịu nén đúng tâm 106

IV.2.3 Xác định tiết diện cột đặc chịu nén đúng tâm 111

IV.3 Cột rỗng chịu nén đúng tâm 113

IV.3.1 Cấu tạo thân cột 113

IV.3.2 Sự làm việc của cột rỗng 116

IV.3.3 Tính toán cột rỗng chịu nén đúng tâm 123

IV.3.4 Xác định thân cột rỗng chịu nén đúng tâm 124

IV.4 Cột chịu nén lệch tâm 129

IV.4.1 Cấu tạo 129

IV.4.2 Tính toán cột đặc chịu nén lệch tâm 130

IV.4.3 Xác định tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm, nén uốn 139

IV.5 Cấu tạo và tính toán các chi tiết của cột 140

IV.5.1 Đầu cột và liên kết xà ngang vào cột 140

IV.5.2 Chân cột 144

Chương V DÀN THÉP 150

V.1 Khái niệm về dàn thép 150

V.1.1 Phân loại dàn 150

V.1.2 Hình dạng dàn 152

V.1.3 Hệ thanh bụng của dàn 154

V.1.4 Kích thước chính của dàn 155

V.1.5 Hệ giằng không gian 156

V.2 Tính toán dàn 157

V.2.1 Các giả thiết khi tính dàn 157

V.2.2 Tải trọng tác dụng lên dàn 158

V.2.3 Nội lực 158

V.2.4 Chiều dài tính toán các thanh dàn 159

V.2.5 Tiết diện hợp lý của các thanh dàn 161

V.2.6 Chọn và kiểm tra tiết diện thanh dàn 161

V.3 Cấu tạo và tính toán nút dàn 164

V.3.1 Nguyên tắc chung 164

V.3.2 Nút gối 164

V.3.3 Nút trung gian 166

V.3.4 Nút đỉnh 167

V.3.5 Nút giữa dàn cánh dưới 169

V.3.6 Nút có nối thanh cánh 170

V.3.7 Các cấu tạo khác của dàn 172

Tài liệu tham khảo 173

Chương I ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP

I.1 Khái niệm về kết cấu thép

Khái niệm kết cấu thép được sử dụng trong tài liệu này để chỉ những kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng làm bằng thép hoặc bằng kim loại khác nói chung Kết cấu thép được tạo nên bởi những cấu kiện khác nhau như các thanh, các tấm Những cấu kiện này liên kết với nhau tạo nên những kết cấu và công trình đáp ứng yêu cầu sử dụng

I.1.1 Ưu khuyết điểm của kết cấu thép

Kết cấu thép có rất nhiều ưu điểm so với các loại vật liệu xây dựng khác Do cấu trúc thuần nhất của vật liệu nên kết cấu thép độ tin cậy cao Sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát với các giả thiết tính toán Thép còn là loại vật liệu nhẹ có khả năng chịu lực lớn Phẩm chất nhẹ của vật liệu được đánh giá qua hệ số c, là tỷ lệ giữa trọng lượng riêng và cường độ tính toán của nó: c/ f Ta có thể tham khảo bảng so sánh dưới đây về phẩm chất nhẹ của thép với 1 số vật liệu khác

Tuy nhiên, kết cấu thép cũng có những hạn chế như dễ bị xâm thực trong điều kiện không khí ẩm gây nên hiện tượng gỉ Chính vì vậy khi sử dụng kết cấu thép cần có lớp bảo vệ cho thép như sơn phủ hoặc sử dụng thép hợp kim Ngoài ra, thép là loại vật liệu chịu lửa kém Ở

0

500 600

t  C, thép chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng Với các công trình có yêu cầu chống cháy nghiêm ngặt, thép phải được bọc bằng lớp chịu lửa (bê tông, tấm gốm, sơn phòng lửa…)

I.1.2 Phạm vi sử dụng

Thép có thể được sử dụng cho mọi loại kết cấu Kết cấu thép thích hợp với các công trình lớn (chiều cao lớn, chịu tải trọng lớn…), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước

I.2 Vật liệu thép trong xây dựng công trình

I.2.1 Cấu trúc và thành phần hóa học của thép

I.2.1.1 Cấu trúc của thép

Thép có cấu trúc tinh thể Quan sát một phiến thép mỏng dưới kính hiển vi, ta thấy thép gồm có hai tổ chức chính là ferit và xementit Ferit là các hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích có tính mềm và dẻo còn xementit, hợp chất sắt cacbua, rất cứng và giòn

I.2.1.2 Thành phần hóa học của thép

Ngoài hai thành phần chính là sắt và cacbon, thép còn có các thành phần phụ khác như măngan, silic, lưu huỳnh, phôt pho… Mỗi chất trên đều có ảnh hưởng nhất định đến tính chất của thép, ví dụ như măngan làm tăng cường độ và độ dai của thép, silic làm tăng cường độ thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn hay phôtpho, làm giảm tính dẻo và độ dai va chạm của thép, làm thép trở nên giòn ở nhiệt độ thấp

I.2.2 Phân loại thép

I.2.2.1 Theo thành phần hóa học của thép

Theo thành phần hóa học, thép được chia ra làm hai loại chính:

- Thép cacbon, với lượng cacbon dưới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác (thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép cacbon thấp) Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp, với lượng cacbon dưới 0,22%, đó là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn

- Thép hợp kim, có thêm các thành phần hợp kim khác như Crôm, Nikel, Mangan… nhằm nâng cao chất lượng thép (tăng độ bền, tăng tính chống gỉ)

I.2.2.2 Theo phương pháp luyện thép

Thép được luyện từ gang để khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đưa về hàm lượng yêu cầu đối với thép Có hai phương pháp luyện chính:

- Luyện bằng lò quay: Lò quay là một cái bầu, quay xung quanh một trục nằm ngang Không khí được thổi qua đáy lò vào nước gang lỏng để oxy hoá các hợp chất cần khử của gang (C, Si, Mn)

- Luyện bằng lò bằng (lò Martin): Trong lò bằng, nước gang lỏng được trộn lẫn với thép vụn và được đốt nóng bằng khí đốt (hoặc bằng điện trong lò điện) Các chất của gang được oxy hoá bằng các sắt oxyt trong thép vụn

I.2.2.3 Theo mức độ khử oxy

Tùy theo phương pháp để lắng nguội, chia ra:

- Thép sôi: thép khi nguội, bốc ra nhiều bọt khí như (oxy, cacbon oxyt) tạo thành những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép

- Thép tĩnh (thép lặng): thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra do đã được thêm những chất khử oxy (silic, nhôm, măngan.) Những chất này khử hết oxy có hại và

những tạp chất phi kim loại khác

- Thép nửa tĩnh (nửa lặng): là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó oxy không được khử hoàn toàn

I.2.3 Số hiệu thép trong các tiêu chuẩn

Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải được lựa chọn cho phù hợp với tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng, phương pháp liên kết… Phần này sẽ giới thiệu các loại thép thường dùng trong xây dựng công trình được chỉ dẫn trong Tiêu chuẩn Việt Nam và Tiêu chuẩn ngành 22TCN – 272 – 05

I.2.3.1 Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1976

Thép cacbon thấp cường độ thường

Thép cacbon thấp cường độ thường (giới hạn chảy f y 290MPa) được lấy theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1976, gồm hai loại chính: thép cacbon thông thường với hàm lượng cacbon từ 0,14% 0,22%, là thép sôi hoặc nửa tĩnh và thép cacbon thông thường có thêm hàm lượng mangan 0,8% 1,1% Tùy theo yêu cầu sử dụng các loại thép này được chia làm ba nhóm:

Giới hạn chảy fy , MPa , cho

độ dày t, mm

Độ dãn dài 0, % , cho độ dày t, mm

Vì thép làm kết cấu chịu lực phải đảm bảo cả về độ bền và tính dễ hàn, chịu được tác động xung kích, nên chỉ được dùng thép nhóm C Các loại thép cacbon thấp có giới hạn chảy vào khoảng 2200 – 2700 daN/cm2, giới hạn bền biến động từ 3300 đến 5400 daN/cm2

Các ký hiệu trên số hiệu thép có ý nghĩa như sau: CT có nghĩa là cacbon thường, con số đi sau chỉ độ bền kéo đứt (N/mm2), chữ s chỉ thép sôi (hoặc n là nửa tĩnh, nếu là thép tĩnh thì không ghi gì)

I.2.3.2 Theo Tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05

Căn cứ vào đường cong ứng suất - biến dạng và thành phần hoá học của thép, có thể phân

ra 4 loại thép sau:

+ Thép cacbon (cấp 250)

+ Thép hợp kim thấp cường độ cao (cấp 345)

+ Thép hợp kim thấp gia công nhiệt (Cấp 485)

+ Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao (Cấp 690)

Hình I-1: Các đường cong ứng suất biến dạng điển hình của 4 loại thép

Các đặc tính cơ học của kết cấu thép theo hình dáng, cường độ và chiều dày:

Thép cacbon

Thép cacbon có cường độ chảy và điểm chảy rõ ràng, có tính dẻo cao nên cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ mà không bị nứt do đó phù hợp khi sử dụng làm chi tiết liên kết Thép cacbon có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Các thép này có thành phần hoá học được hạn chế để phát triển cường độ chảy và cường

độ kéo đứt lớn hơn thép cacbon nhưng lượng kim loại bổ sung nhỏ hơn trong thép hợp kim Cường độ chảy cao hơn (fy = 345 MPa) đạt được trong điều kiện cán nóng hơn là qua gia

công nhiệt Thép hợp kim thấp cường độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng Các hợp kim này có sức kháng gỉ trong không khí cao hơn Do có các phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thường là sự lựa chọn đầu tiên của người thiết

kế các cầu có nhịp trung bình và nhỏ

Thép hợp kim thấp gia công nhiệt

Thép hợp kim thấp cường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt được cường độ chảy cao hơn (fy = 485 MPa) Thành phần hoá học cho các cấp 345W và 485W là gần như nhau Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép và làm tăng cường độ, độ rắn

và độ dai Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao Có một sự chuyển tiếp

rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử quá đàn hồi Cường độ chảy của các thép này thường

được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể hàn, tuy nhiên chỉ thích hợp cho tấm Sức kháng gỉ trong không khí của chúng là giống như thép hợp kim thấp cường

độ cao

Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao

Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải như trong thép hợp kim thấp cường độ cao Phương pháp gia công nhiệt tôi nhúng được thực hiện tương tự như đối với thép hợp kim thấp nhưng thành phần khác nhau của các nguyên tố hợp kim làm phát triển cường độ cao hơn (fy = 690 MPa) và tính dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp Đường cong gỉ trong

không khí đối với các thép hợp kim (cấp 690) thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép Ở đây, cường độ chảy cũng được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù Khi xem xét đường cong ứng suất-biến dạng đầy đủ trong Hình I-6, rõ ràng các thép được gia công nhiệt đạt cường độ chịu kéo dạng chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so với thép không được xử lý nhiệt Độ dẻo thấp hơn này

có thể gây ra vấn đề trong một số tình huống khai thác và, do vậy, cần phải thận trọng khi sử dụng thép gia công nhiệt

I.2.4 Các loại thép cán nóng dùng trong xây dựng công trình

Kết cấu xây dựng công trình được chế tạo từ các thép tấm, thép hình và có chủng loại cũng như kích thước khác nhau Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia về thép cán nóng bao gồm các loại thép góc, thép chữ I, thép chữ [, thép tấm, thép tròn, thép vuông, thép dẹt, thép ray Khi sử dụng thép nước ngoài cần phải lấy theo tiêu chuẩn tương ứng Sau đây giới thiệu một số thép hình cơ bản dùng để chế tạo các kết cấu thép trong xây dựng công trình

B d a)

d

x y

b d

Hình I-2: Thép góc và ứng dụng

Thép góc có hai loại: đều cạnh và không đều cạnh Đây là loại thép cán được dùng nhiều nhất trong kết cấu thép Đặc điểm của tiết diện thép góc là cánh có hai mép song song nhau, tiện cho việc cấu tạo liên kết Theo TCVN-1657: 1993, chiều dài thanh thép góc được sản xuất từ 4 đến 13m Thép góc được dùng làm:

- Thanh chịu lực như thanh của dàn, các thanh của hệ giằng…

- Liên kết với các loại thép khác để tạo nên các cấu kiện tổ hợp

b d

y

y

x x d

Hình I-4: Thép chữ [ và ứng dụng

Thép chữ [ có một mặt bụng phẳng và các cánh vươn rộng nên tiện liên kết với các cấu kiện khác Thép chữ [ được dùng làm dầm chịu uốn, đặc biệt hay dùng làm xà gồ mái chịu uốn xiên, hay được ghép thành thanh tiết diện đối xứng dùng làm cột, làm thành dàn cầu

Các loại thép hình khác

Ngoài những loại thép nêu trên còn có một số loại thép có tiết diện khác dùng cho các công trình Ta có thể kể ta đây một vài loại thép đặc biệt đó như thép chữ I cánh rộng, thép ống,

thép chữ T, thép ray, thép vuông, thép tròn

I.2.4.2 Thép tấm

Thép tấm được dùng rộng rãi vì tính chất vạn năng, có thể tạo ra các loại tiết diện có hình dạng và kích thước bất kì Đặc biệt trong kết cấu bản thì hầu như toàn bộ dùng thép tấm Theo TCVN-1657: 1993 có các loại sau:

- Thép tấm phổ thông, có bề dày từ 4 - 60mm, rộng 160 - 1050mm, chiều dài 6 - 12m

- Thép tấm dày, có bề dày 4 - 160mm, bề rộng từ 600 - 3000mm, dài 4 - 8m

r = 1,5 t

t

Hình I-5: Tiết diện thép hình dập nguội

I.3 Tính chất cơ học của thép

I.3.1 Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi chịu kéo

Sự làm việc chịu kéo là dạng làm việc cơ bản của thép, đặc trưng cho sự chịu lực của thép dưới tải trọng Qua nghiên cứu sự làm việc chịu kéo của thép, ta có các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép như: ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, mô đun đàn hồi

Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép có thể được chia thành 4 đoạn:

Đoạn AB được coi là thẳng nghĩa là, quan hệ ứng suất – biến dạng trong đoạn đó là tuyến

tính với mô đun đàn hồi là hằng số Mô đun đàn hồi của các loại thép phổ biến có giá trị là

200.000 MPa

s

E  Điểm kết thúc ứng với giới hạn chảy ứng với giới hạn chảy f y và biến dạng chảy  y f E y s Giới hạn chảy và biến dạng chảy có độ lớn phụ thuộc vào từng cấp thép

Đoạn BC được gọi là thềm chảy Trong đoạn này ứng suất trong cốt thép được giữ là hằng

số với giá trị f Chiều dài của thềm chảy, ứng với phạm vi biến dạng từ y  đến y  thể hiện h

độ dẻo của thép và cũng thay đổi tuỳ theo cấp thép

Đoạn CD được gọi là đoạn tái bền (hardening), cốt thép đạt đến ứng suất lớn nhất f và u

biến dạng tương ứng là  u

Đoạn DE được gọi là đoạn mềm (softening) với mô đun đàn hồi âm, cốt thép bị đứt ở ứng

suất f b và biến dạng tương ứng là  b

Hình I-6: Biểu đồ quan hệ – ứng suất biến dạng của thép

I.3.2 Sự phá hoại giòn của thép

Sự phá hoại giòn: là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt

Sự phá hoại dẻo: là sự phá hoại với biến dạng lớn xảy ra do lực trượt giữa các phần tử (hạt

tinh thể) khi mà ngoại lực lớn hơn lực chống trượt giữa các phân tử

Thực tế, kết cấu thép chỉ có thể bị phá hoại khi có sự phá hoại giòn của thép Nếu thép vẫn

ở trạng thái làm việc dẻo thì kết cấu thép không thể bị phá hoại Kết cấu chỉ có thể mất khả năng chịu lực do biến dạng dẻo quá lớn Khi thiết kế cần tránh những nguyên nhân làm cho thép bị phá hoại giòn

I.3.2.1 Hiện tượng cứng nguội

Là hiện tượng thép trở nên cứng sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường Thép sau khi

đã bị biến dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đàn hồi cao hơn và biến dạng khi phá hoại

nhỏ hơn

Mang kéo một mẫu thép đến giai đoạn dẻo rồi bỏ tải có biến dạng dư  Khi gia tải lần thứ hai thép vẫn làm việc đàn hồi lặp lại đường thẳng giảm tải, và sau đó tiếp tục làm việc theo biểu đồ kéo thông thường Nhận thấy, thềm chảy của thép giảm đi, và thậm chí không còn nữa Nếu kéo mẫu thép quá biến dạng dẻo mới bỏ tải thì thép sau đó làm việc hầu như hoàn toàn trong giai đoạn đàn hồi, với biến dạng phá hoại nhỏ Hiện tượng tăng giới hạn đàn hồi của thép do bị biến dạng dẻo trước gọi là hiện tượng cứng nguội Sự cứng nguội làm tăng cường độ của thép nhưng làm cho thép giòn

K1

K2

K3

Hình I-7: Sự cứng nguội của thép

I.3.2.2 Thép chịu trạng thái ứng suất phức tạp – sự tập trung ứng suất

Ở trạng thái ứng suất phẳng, khi có ứng suất kéo theo hai phương (10,2 0 và cùng dấu) ta thấy giới hạn tỉ lệ tăng cao, không còn thềm chảy, và độ giãn phá hoại giảm đi (đường cong 1) Khi  1, 2 khác dấu, thép trở nên dẻo hơn (đường cong 2) Hiện tượng này có thể giải thích bằng lý thuyết ứng suất tiếp như sau: ở trạng thái ứng suất phẳng, ứng suất tiếp lớn nhất bằng nửa hiệu số các ứng suất chính

Hình I-8: Biểu đồ chịu lực của thép ở trạng thái ứng suất phức tạp 1) 1, 2cùng dấu, 2) 1, 2

khác dấu, 3) kéo một trục

Sự chảy của vật liệu chủ yếu là do sự trượt dưới tác dụng của ứng suất tiếp Khi  1, 2

cùng dấu,  có trị số nhỏ, nên sự chảy khó hơn, giới hạn chảy tăng lên, tính dẻo giảm đi

Khi 12thì 0, sự chảy không xuất hiện, sự phá hoại là dạng đứt giòn

Một trường hợp hay gặp của trạng thái ứng suất phức tạp là trường hợp ứng suất cục bộ, gây bởi các biến đổi đột ngột của hình dạng cấu kiện khi chịu trạng thái ứng suất phức tạp Nếu cấu kiện có lỗ khoét, rãnh cắt thì quỹ đạo các ứng suất chính sẽ không còn song song đều đặn mà uốn cong xung quanh chỗ cắt Đường lực tập trung chứng tỏ ứng suất chỗ đó tăng cao, còn đường lực uốn cong chứng tỏ ứng suất hai phương Ứng suất lớn nhất ở vị trí lỗ cắt

có thể lớn hơn ứng suất trung bình tại tiết diện đó Sự tồn tại trạng thái ứng suất theo hai phương   x, y làm cho thép trở nên giòn

I.3.2.3 Thép chịu tải trọng lặp

Khi thép chiu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần (vài triệu lần) nó có thể bị phá hoại ở ứng suất nhỏ hơn giới hạn bền Người ta gọi đó là sự mỏi của thép Sự phá hoại về mỏi mang tính chất phá hoại giòn, thường xảy ra đột ngột và kèm theo vết nứt Ứng suất phá hoại mỏi của thép gọi là f cường độ mỏi Cường độ mỏi f f phụ thuộc vào số chu kì lặp (thông thường ổn f

định với số lần lặp trên 2 x 106) và tính chất thay đổi của tải trọng, được đặc trưng bởi tỉ số giữa ứng suất nhỏ nhất và ứng suất lớn nhất cùng dấu của chúng   min/max Khi  có trị

số từ 0 đến +1 (ứng suất không đổi dấu), f f bằng giới hạn chảy c Khi  1, tức là chu kì biến đổi phản xứng, f chỉ vào khoảng 0,4 giới hạn bền hay 0,75 giới hạn chảy Giá trị cường f

I.3.2.4 Sự hóa già của thép

Theo thời gian, tính chất của thép thay đổi dần: giới hạn chảy và giới hạn bền tăng lên, độ giãn và độ dai xung kích giảm đi, thép trở nên giòn hơn Hiện tượng này gọi là sự lão hóa Nguyên nhân là trong các tinh thể ferit vẫn còn các chất C, N hòa tan Các chất này dần dần tách ra và tạo nên các lớp cứng giữa các hạt ferit Thép trở nên cứng hơn nhưng kém dẻo hơn

I.3.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ làm thay đổi các đặc tính cơ học của thép

Nhiệt độ dương: Ở nhiệt độ t = 200 – 3000C, các đặc tính cơ học của thép cacbon thấp gần như không thay đổi Ở nhiệt độ từ 300 đến 3300C, thép suất hiện sự rạn nứt trên các phân tử

và trở nên giòn hơn Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ trên đây, giới hạn đàn hồi và giới hạn bền giảm xuống rất nhanh Khoảng 600 đến 6500C, thép trở nên chảy dẻo

Nhiệt độ âm: Khi ở trong nhiệt độ thấp, độ bền của thép tăng lên từ từ, nhưng tính dẻo của

thép giảm đi rất nhanh

I.3.2.6 Độ dai va đập

Để đánh giá mức độ thép dễ chuyển sang giòn và ảnh hưởng của ứng suất tập trung, người

ta thí nghiệm để tìm độ dai va đập của thép Dùng một mẫu có cắt khấc, đặt dưới búa đập dạng con lắc, nâng con lắc lên để rơi tự do đập gãy mẫu, hiệu số thế năng trước sau khi đập gãy mẫu chính bằng công phá hoại mẫu Tại tiết diện có cắt khấc, ứng suất phân bố không đều, tác dụng va chạm làm tăng khả năng vật liệu thép chuyển sang giòn Độ dai va đập có giá trị bằng công phá hoại mẫu chia cho diện tích tiết diện mẫu

Hình I-11: Mẫu thí nghiệm độ dai va đập (xung kích)

I.4 Phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép

I.4.1 Quan điểm chung về phương pháp tính kết cấu thép

Nguyên tắc chung của việc kiểm toán kết cấu nói chung và kết cấu thép nói riêng là đảm bảo sức kháng của vật liệu và mặt cắt phải lớn hơn hiệu ứng do tải trọng bên ngoài sinh ra Nguyên tắc này có thể được viết dưới dạng sau:

Sức kháng của vật liệu  Hiệu ứng của tải trọng

Khi áp dụng nguyên tắc trên, hai vế của bất đẳng thức phải được đánh giá trong cùng những điều kiện như nhau, hay nói cách khác, việc xác định hai vế của bất đẳng thức phải được thực hiện đối với cùng một trường hợp tải trọng

Kết cấu có thể được giả thiết là bị phá hoại khi một trường hợp tải trọng nào đó đạt tới mức giới hạn Trạng thái đó được định nghĩa là một trạng thái giới hạn và nếu vượt qua trạng thái

đó thì toàn kết cấu hoặc một cấu kiện nào đó sẽ không còn đảm bảo được chức năng thiết kế của nó Trạng thái giới hạn đối với một kết cấu có thể là các trạng thái giới hạn về uốn, cắt,

xoắn, mất ổn định dọc trục, lật, trượt hay các trạng thái giới hạn về võng, nứt, lún hay mỏi Mục đích của việc thiết kế kết cấu là để đảm bảo cho kết cấu không bị rơi vào trạng thái giới hạn, ngoài ra cũng cần đạt được các tiêu chí khác trong thiết kế tổng thể như khả năng sử dụng, tính thẩm mỹ và tính kinh tế Nếu một kết cấu được thiết kế quá an toàn để không bao giờ bị rơi vào bất kỳ trạng thái giới hạn nào thì sẽ không đảm bảo được tính kinh tế Do vậy, cần thiết phải xác định được một cấp độ rủi ro hay độ dự trữ an toàn nhất định có thể chấp nhận được trong thiết kế kết cấu Việc xác định những cấp độ hay giá trị như vậy thường phải được thực hiện dựa trên kinh nghiệm và phán xét của các nhóm chuyên gia tư vấn, nghiên cứu, thiết kế và các cơ quan chuyên trách

Hai phương pháp thiết kế được sử dụng rộng rãi từ trước tới nay là phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép (Allowable Stress Design, viết tắt là ASD) và phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design, viết tắt là LRFD) Trong nhiều tài liệu khác, hai phương pháp trên đã được giới thiệu chi tiết Dưới đây chỉ nhắc lại những nét cơ bản của phương pháp tính kết cấu theo trạng thái giới hạn

I.4.2 Phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn

Theo phương pháp này, kết cấu thép phải được thiết kế để không vượt quá các trạng thái giới hạn đã được quy định trong tiêu chuẩn Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn này dựa trên phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) Tuy vậy, việc chia nhóm của các trạng thái giới hạn là khác nhau đối với mỗi tiêu chuẩn

I.4.2.1 Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05

Phần này sẽ giới thiệu chi tiết hơn về các trạng thái giới hạn được quy định trong tiêu chuẩn 22 TCN-272-05 Các hệ số tải trọng tương ứng với các trạng thái này được được quy định như trong bảng

Trạng thái giới hạn về cường độ

Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 đưa ra 3 trạng thái giới hạn cường độ khác nhau phù hợp với điều kiện Việt Nam thay cho 5 trạng thái giới hạn như trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD Trong tất cả các tổ hợp tải trọng cường độ, để xét các hiệu ứng lực phi chuyển vị các tải trọng

TU, CR và CH đều được nhân với hệ số tải trọng 0,5 để xét đến việc giảm các ứng lực này

theo thời gian so với giá trị xác định theo phân tích đàn hồi Khi tính toán chuyển vị thì những tải trọng này được xét với hệ số tải trọng 1,2 để tránh các khe nối và gối không đủ kích thước

Trạng thái giới hạn cường độ I là tổ hợp tải trọng cơ bản khi có xe bình thường trên cầu

mà không có gió

Trạng thái giới hạn cường độ II là tổ hợp tải trọng xét đến cầu khi chịu tải trọng với vận

tốc gió lớn hơn 25 m/s Trong trường hợp này, sự có mặt của hoạt tải trên cầu là không đáng

kể

Trạng thái giới hạn cường độ III là tổ hợp tải trọng khi có xe bình thường trên cầu với vận

tốc gió 25 m/s Trạng thái giới hạn này khác với trạng thái giới hạn cường độ II ở sự có mặt của hoạt tải trên cầu, tải trọng gió lên xe cộ và tải trọng gió lên kết cấu đã được chiết giảm

Trạng thái giới hạn về sử dụng

Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 chỉ đưa ra 1 trạng thái giới hạn sử dụng thay cho 3 trạng thái như trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD Tổ hợp tải trọng này xét đến cẩu trong điều kiện khai thác bình thường với vận tốc gió 25 m/s và các tải trọng khác lấy bằng giá trị danh định Tổ hợp tải trọng này được sử dụng để kiểm toán võng, kiểm toán nứt và độ mở rộng vết nứt trong

kết cấu bê tông cốt thép cũng như kiểm toán ứng suất trong cốt thép dự ứng lực

Trạng thái giới hạn về mỏi và đứt gãy

Trong cầu đường bộ tải trọng lặp gây ra mỏi là các xe tải chạy trên cầu Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 không đưa ra số chu kỳ lặp của tải trọng để xác định cường độ mỏi đối với cấu kiện bê tông cốt thép Ở đây ẩn ý rằng, giá trị giới hạn ứng suất mỏi đưa ra là đủ thấp để có thể xem tuổi thọ chịu mỏi của kết cấu là vô hạn

Trạng thái giới hạn đặc biệt

Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 gộp 2 trạng thái giới hạn đặc biệt trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD thành 1 trạng thái với hệ số tải trọng cho hoạt tải được lấy bằng 0,5 do từng tổ hợp tải

trọng do các tải trọng EQ, CT và CV tác dụng riêng rẽ gây ra Các tải trọng này, tuy nhiên vẫn

có thể kết hợp với tải trọng WA, ví dụ như trong trường hợp xảy ra lũ lớn gây xói dưới chân

cầu làm giảm khả năng chịu lực của nền móng

I.4.2.2 Các trạng thái giới hạn theo TCXDVN 338-2005

Trạng thái giới hạn là trạng thái kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với công trình khi sử dụng cũng như khi xây lắp Đối với kết cấu chịu lực, người ta xét các TTGH sau:

- Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa Các trạng thái đó là: phá hoại về bền, mất ổn định, mất cân bằng vị trí, kết cấu bị biến đổi hình dạng

- Nhóm TTGH thứ hai: không còn sử dụng bình thường được Các trạng thái đó là: bị võng, lún, rung, nứt quá mức cho phép

Đối với nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện an toàn về mặt chịu lực có thể viết dưới dạng:

N S

Trong đó: N là nội lực trong cấu kiện đang xét; S là nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được

Nội lực N có giá trị lớn nhất có thể xảy ra trong suốt quá trình sử dụng Nội lực N gây ra

bởi tải trọng tính toán đó là tải trọng lớn nhất có thể xảy ra trong thời gian đó Tải trọng tính toán P là tích số của tải trọng tiêu chuẩn Pc (tức là tải trọng lớn nhất có thể có trong điều kiện

sử dụng bình thường, được xác định bằng cách thống kế xác suất và được qui định trong tiêu chuẩn) với hệ số độ tin cậy về tải trọng Q (xét đến khả năng tải trọng thực tế có thể biến đổi khác với tải trọng tiêu chuẩn một cách bất lợi) Ngoài ra, tải trọng tính toán P còn được nhân với hệ số an toàn về sử dụng n, xét đến mức độ quan trọng của công trình

Khi có nhiều tải trọng (Pi) tác dụng đồng thời, phải tính toán với tổ hợp bất lợi nhất của các tải trọng Xác suất để xuất hiện đồng thời nhiều tải trọng mang giá trị lớn nhất được xét bằng cách nhân tải trọng hoặc nội lực với hệ số tổ hợp n c

Như vậy, nội lực N có thể viết dưới dạng:

c

i Q n c i

N P N  n

Trong đó N i - nội lực do P i1

Khả năng chịu lực S là nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được Có thể viết S dưới dạng tích số của đặc trưng hình học tính diện A (diện tích, mô đun chống uốn ) với cường độ

tính toán f của vật liệu và với hệ số điều kiện làm việc c Cường độ tính toán f bằng cường

độ tiêu chuẩn của vật liệu chia cho hệ số an toàn vật liệu M Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu f chính là giới hạn chảy của thép y f y c hoặc trong trường hợp mà có thể sử dụng tính giới hạn bền thì lấy f u b

f  f  , khi tính theo giới hạn bền

Như vậy, khả năng chịu lực S viết là:

S Af Af  Hoặc trường hợp hai:

/ = /( )

S Af  Af   Trong đó u 1,3 - hệ số an toàn đối với cấu kiện tính theo giới hạn bền

Đối với nhóm TTGH thứ hai, điều kiện giới hạn phải đảm bảo là   

Trong đó  - biến dạng hay chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng tiêu chuẩn trong những tổ hợp bất lợi nhất Nếu gọi i là biến dạng gây bởi tải trọng đơn vị thì:

c

i c n i

P n 

 - biến dạng lớn nhất cho phép để có thể sử dụng bình thường, được quy định trong tiêu chuẩn hay trong nhiệm vụ thiết kế

I.4.2.3 Khái niệm về cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

Cường độ tiêu chuẩn là đặc trưng cơ bản của vật liệu được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu Đối với thép cacbon và thép cường độ khá cao, khi không cho phép làm việc quá giới hạn chảy, cường độ tiêu chuẩn lấy bằng trị số giới hạn chảy f y c Đối với thép không có biến dạng chảy (cường độ cao) và cả trong trường hợp kết cấu có thể làm việc quá giới hạn dẻo thì cường độ tiêu chuẩn có thể lấy bằng giới hạn bền: f u b

Cường độ tính toán f và f bằng cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số an toàn vật liệu t M

Với các dạng chịu lực khác, cường độ tính toán được xác định từ cường độ kéo, nén, uốn

cơ bản ( f và f ) nhân với các hệ số chuyển đổi t

Cường độ tính toán của một số loại thép thông dụng được cho trong bảng I.1 phụ lục 1 Như đã nói, để xác định khả năng chịu lực của cấu kiện, phải nhân vào công thức hệ số điều kiện làm việcc Trị sốc được cho trong bảng I.2 phụ lục I

Tiêu chuẩn qui định tải trọng hoặc nội lực phải nhân với hệ số an toàn về sử dụng n Những công trình đặc biệt quan trọng n1 Các công trình công nghiệp dân dụng thông thường có n0,98 Công trình ít quan trọng thì n0,9

Như vậy, hệ số n được sử dụng trong mọi tính toán, trong khi hệ số  chỉ áp dụng cho một số cấu kiện có điều kiện sử dụng riêng

I.4.3 Tải trọng và tổ hợp tải trọng

I.4.3.1 Phân loại tải trọng

Tùy theo thời gian tác dụng, tải trọng được chia thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn và ngắn hạn, tải trọng đặc biệt)

Tải trong thường xuyên

Tải trọng thường xuyên là tải trọng không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều trong quá trình sử dụng công trình

Tải trọng tạm thời

Tải trọng tạm thời là những tải trọng có thể có hoặc không có trong một giai đoạn nào đó

của quá trình xây dựng và sử dụng Tải trọng tạm thời có hai loại:

+ Tải trọng tạm thời dài hạn

+ Tải trọng tạm thời ngắn hạn

Tải trọng đặc biệt

Tải trọng đặc biệt gồm có: tải trọng do động đất và nổ; tải trọng do các sự cố sinh ra trong quá tình công nghệ và sử dụng như đứt dây (của đường dây tải điện), đất sụt

I.4.3.2 Theo tiêu chuẩn TCVN 2737 – 1995

Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

Đặc trưng cơ bản của tải trọng là giá trị tiêu chuẩn của chúng, được xác lập trên cơ sở thống kê và được cho trong tiêu chuẩn Đó là trị số lớn nhất có thể có của tải trọng trong trường hợp sử dụng bình thường

Hệ số độ tin cậy về tải trọng Q xét đến sự biến thiên của tải trọng do những sai lệch ngẫu nhiên khác với điều kiện sử dụng bình thường Ví dụ trọng lượng vật liệu, cấu kiện được chế tạo trong xưởng thì Q1,1, chế tạo ở hiện trường thì Q1, 2; với tải trọng gió thì Q1,3; tải trọng tạm thời trên sàn thì Q1,3 hay 1, 2 tuỳ trường hợp cụ thể (xem chi tiết trong TCVN 2737 – 1995)

Khi tính kết cấu trong nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất thì dùng tải trọng tính toán, tức là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số vượt tải Khi tính kết cấu theo nhóm trạng thái giới hạn thứ hai thì dùng tải trọng tiêu chuẩn

0,9

c

n  Khi tính với tổ hợp đặc biệt thì mọi tải trọng ngắn hạn nhân với n c0,8 Tải trọng

thường xuyên và tải trọng tạm thời dài hạn không nhân với n c

I.4.3.3 Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05

Do tải trọng nhất thời thường có thể thay đổi vị trí và hướng theo thời gian nên trách nhiệm của người kỹ sư là phải xác định trước được những tải trọng nào sẽ đồng thời tác động lên cầu cũng như độ lớn của chúng để tạo ra hiệu ứng tải trọng thực tế và nguy hiểm nhất Những tải trọng này được tập hợp lại trong những tổ hợp tải trọng với các hệ số tải trọng khác nhau và được xét cho các trạng thái giới hạn thích hợp Hệ số tải trọng cho các tổ hợp tải trọng khác nhau và cho tải trọng thường xuyên quy định trong tiêu chuẩn được trình bày trong các bảng dưới đây

Các hệ số tải trọng và sức kháng sử dụng trong tiêu chuẩn được xác định bằng các phương pháp sử dụng cấp độ thiết kế xác suất II và những phương pháp đơn giản hơn trong điều kiện không có đủ thông tin để sử dụng các phương pháp cấp độ II

Tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng theo 22 TCN 272-05

CƯỜNG ĐỘ I p 1,75 1,00 - - 1,00 0,5/1,20 TG SE - - - CƯỜNG ĐỘ II p - 1,00 1,40 - 1,00 0,5/1,20 TG SE - - - CƯỜNG ĐỘ III p 1,35 1,00 0,4 1,00 1,00 0,5/1,20 TG SE - - - ĐẶC BIỆT p 0,50 1,00 - - 1,00 - - - 1,00 1,00 1,00

SỬ DỤNG 1.0 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 1,0/1,20 TG SE - - -

MỎI CHỈ CÓ LL, IM

Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thường xuyên, p theo 22TCN-272-05

EL: Các ứng suất tích lũy trong thi công 1,00 1,00

N/A 1,00 0,90 0,90 0,90 0,90

Chương II LIÊN KẾT

Từ những thép hình, thép tấm riêng rẽ, người ta thường dùng liên kết để tạo nên các cấu kiện ghép Các cấu kiện ghép này sau đó lại được liên kết với nhau để tạo thành một công trình kết cấu thép hoàn chỉnh Hiện nay trong kết cấu thép thường dùng hai phương pháp liên kết chính là liên kết hàn và liên kết bu lông

Liên kết bằng bu lông là hình thức liên kết thường dùng chủ yếu để liên kết lắp ráp kết cấu

và trong các kết cấu tháo lắp được Liên kết bằng bu lông rất thuận tiện khi tháo lắp và lắp ráp Ngoài liên kết bằng bu lông thường, hiện nay còn xuất hiện liên kết bằng bu lông cường

độ cao, thường được sử dụng phổ biến trong các kết cấu chịu tải trọng lớn và tải trọng động Liên kết bằng đường hàn là hình thức liên kết chủ yếu trong kết cấu thép vì so với liên kết

bu lông liên kết hàn có ưu điểm giảm công chế tạo, khối lượng kim loại, hình thức cấu tạo liên kết đơn giản

II.1 Liên kết hàn

Hai phương pháp hàn chính thường được dùng trong kết cấu thép là hàn hồ quang điện, hàn hơi Hàn hơi thường chỉ dùng khi khối lượng hàn nhỏ

II.1.1 Phương pháp hàn trong kết cấu thép

II.1.1.1 Hàn hồ quang điện bằng tay

Dưới tác dụng của dòng điện, xuất hiện hồ quang điện giữa hai điện cực là kim loại cần hàn (thép cơ bản) và que hàn Nhiệt độ cao của ngọn lửa hồ quang (tới 20000

C) làm nóng chảy mép của thép cơ bản (độ sâu nóng chảy 1,5 – 2mm) và que hàn Kim loại que hàn chảy thành từng giọt rơi xuống rãnh hàn do lực hút của điện trường (vì thế có thể hàn ngược khi rãnh hàn ở trên) Hai kim loại lỏng hòa lẫn với nhau, nguội lại, tạo thành đường hàn Vậy bản chất của đường hàn là sự liên kết giữa các phân tử của các kim loại nóng chảy Đường hàn có thể chịu lực tương đương thép cơ bản

Hình II-1: Sơ đồ hàn hồ quang điện bằng tay

Que hàn dùng trong hàn hồ quang điện bằng tay là que hàn lõi kim loại có thuốc bọc (thuốc hàn, gồm khoảng 80% là CaCO3) Đường kính lõi kim loại của que hàn là 1,6  6mm, chiều dài que hàn 200  450mm Lớp thuốc bọc dày 1  1,5 mm có tác dụng sau:

- Khi cháy tạo nên lớp xỉ cách ly không khí xung quanh với kim loại lỏng, ngăn cản oxy

và nito lọt vào kim loại làm đường hàn trở nên giòn

- Tăng cường sự ion hóa không khí xung quanh làm hồ quang được ổn định

- Trong thuốc hàn có một số loại bột hợp kim làm tăng bộ bền của đường hàn

“TCXDVN 338:2005 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép” quy định dùng chủng loại que hàn đối với thép các bon và hợp kim thấp Ký hiệu một số loại que hàn thông dụng: N42; N46; N50 (cường độ và phạm vi ứng dụng xem chi tiết trong tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005)

II.1.1.2 Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động dưới lớp thuốc hàn

Về nguyên lý, hàn tự động cũng giống hàn tay nhưng khác là que hàn bọc thuốc được thay bằng cuộn dây hàn trần (đường kính 2  5mm) và quá trình hàn được thực hiện bằng máy tự động Thuốc hàn được rải ra trước thành lớp trên rãnh hàn Dây hàn được tự động nhả dần từ

bó theo tốc độ di chuyển của máy hàn

Hình II-2: Sơ đồ hàn hồ quang điện tự động

Hàn tự động có nhiều ưu điểm như: do cường độ dòng điện lớn (600  1200 ampe) nên tốc

độ hàn nhanh (gấp 5  10 lần hàn tay), rãnh sâu nên chất lượng đường hàn tốt Kim loại lỏng được phủ thuốc dày nên nguội dần, tạo điều kiện cho bọt khí thoát ra làm cho đường hàn đặc hơn Hồ quang cháy chìm dưới lớp thuốc nên không hại sức khỏe thợ hàn

Hàn hồ quang điện tự động có nhược điểm là chỉ hàn được các đường hàn nằm thẳng hoặc tròn (ở thân bể chứa)

II.1.1.3 Hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ

Đây là phương pháp hàn mới và được dùng khá phổ biến Thiết bị chính có dạng hình khẩu súng nhả tự động cuộn dây hàn cùng lúc với khí từ bình phun Kim loại lỏng được bảo vệ bởi môi trường khí và ngăn cản tiếp xúc với bên ngoài Tùy thuộc vào loại khí sử dụng mà người

ta chia ra làm hai phương pháp có tên gọi MIG (nếu dùng khí trơ) và MAG (nếu dùng khí cacbonic)

II.1.1.4 Hàn hơi

Hàn hơi thường dùng để hàn những tấm kim loại mỏng hoặc để cắt Hỗn hợp cháy là khí oxy và axêtylen Khi hỗn hợp này cháy, nhiệt độ tới 32000

C làm nóng chảy kim loại cần hàn

và thanh kim loại phụ (thay cho que hàn) Kim loại lỏng nguội đi tạo thành đường hàn

II.1.2 Một số vấn đề của liên kết hàn

II.1.2.1 Ứng suất hàn và biến hình hàn

Ứng suất hàn và biến hình hàn được hình thành trong quá trình hàn Tính chất và nguyên nhân gây ra ứng suất hàn rất phức tạp một phần là do ảnh hưởng của nhiệt độ khi hàn phân bố không đều gây nên ứng suất nhiệt, phần khác là vì trong quá trình hàn tổ chức nội bộ thép có

sự thay đổi dẫn đến hình thành nên ứng suất hạt tinh thể Trong quá trình hàn, một phần kim loại đạt đến trạng thái dẻo nóng, khi nguội thì co lại nhưng bị phần kim loại nhiệt độ thấp giữ lại do đó sinh ra nội ứng suất và biến hình hàn

Ứng suất hàn làm cho thép bị nứt hoặc bị phá hoại giòn còn biến hình hàn quá lớn sẽ làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu Vì vậy để hạn chế hoặc giảm bớt tác động của ứng suất hàn và biến hình hàn, khi thiết kế phải chọn những hình thức cấu tạo thích hợp và phải có trình tự hàn hợp lý

Một số biện pháp giảm ứng suất hàn và biến hình hàn:

 Biện pháp cấu tạo

- Giảm số lượng đường hàn đến mức tối đa;

- Không nên dùng đường hàn quá dày vì biến hình hàn tỉ lệ thuận với khối lượng thép nóng chảy;

- Tránh tập trung đường hàn vào một chỗ, tránh đường hàn kín hoặc cắt nhau làm cản trở biến dạng tự do của vật liệu khi hàn

 Biện pháp thi công

- Chia nhỏ các đường hàn quá dài thành các đoạn đường hàn ngắn hơn;

- Tạo biến dạng ngược trước khi hàn

- Dùng khuôn cố định không cho cấu kiện biến dạng tự do khi hàn

II.1.2.2 Các yêu cầu chính khi hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

a, Các yêu cầu chính khi hàn

Để đảm bảo chất lượng đường hàn, khi hàn cần thực hiện một số qui định sau đây:

- Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn

- Cường độ dòng điện phải thích hợp

- Đảm bảo các qui định về gia công mép bản

- Có các biện pháp phòng ngừa biến hình hàn

- Chọn que hàn phù hợp

b, Các phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

Đường hàn cần được kiểm tra chất lượng bằng một trong các phương pháp sau:

- Kiểm tra bằng mắt: thông thường chỉ phát hiện được những sai sót bên ngoài như mặt đường hàn không đều, lồi lõm, nứt rạn…

- Dùng các phương pháp vật lý để kiểm tra như: điện từ, quang tuyến, siêu âm… các phương pháp này cho kết quả chính xác hơn, được áp dụng cho các công trình chịu lực đặc biệt như: bể chứa, đường ống cao áp…

II.1.3 Các loại đường hàn

Dựa theo cấu tạo, đường hàn được chia ra các loại sau:

II.1.3.1 Đường hàn đối đầu (hàn rãnh)

- Cấu tạo

Đường hàn đối đầu liên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm trong một mặt phẳng Đường hàn đối đầu có dùng đường hàn thẳng góc hoặc xiên góc với trục của cấu kiện Khi hàn để đảm bảo cho mối hàn lấp đầy trên toàn bộ chiều dày các bản thép cần gia công mép của bản thép

Hình II-3: Đường hàn đối đầu

Khi liên kết đối đầu các cấu kiện không cùng kích thước (có chiều dày và chiều rộng khác nhau) thì phải cấu tạo sao cho tại vị trí mối nối kích thước của hai cấu kiện phải giống nhau, nhằm làm cho đường lực truyền qua mối nối được êm thuận

Ưu điểm của đường hàn đối đầu là tiết kiệm vật liệu, truyền lực đều, đường lực êm thuận không có ứng suất tập trung Tuy vậy, đường hàn đối đầu có nhược điểm là rất khó khi hàn phải giữ cho khoảng cách khe hở giữa hai cấu kiện hàn luôn không đổi, hơn nữa mép của cấu kiện phải được cắt gọt và gia công làm tăng chi phí giá thành

Với những ưu điểm và nhược điểm trên, đường hàn đồi đầu thường được áp dụng trong

nhà máy để mở rộng hoặc kéo dài các cấu kiện thép

II.1.3.2 Đường hàn góc

- Cấu tạo

Đường hàn góc nằm ở góc vuông tạo bởi hai cấu kiện cần hàn (Hình II-4) Tiết diện đường hàn là một tam giác vuông cân, hơi phồng ở giữa, cạnh của tam giác gọi là chiều cao đường hàn

Hình II-4: Đường hàn vuông góc

Đường hàn góc thông thường có chiều cao đường hàn bằng nhau nên đường lực tương đối dốc, xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất tại chân đường hàn vì thế tại góc chân đường hàn

dễ bị nứt vỡ Trong các chỗ liên kết chịu tải trọng động, dùng đường hàn này là không có lợi, nên thay bằng đường hàn lõm hoặc đường hàn thoải với tỷ số giữa hai cạnh của đường hàn là 1:1,5; cạnh lớn nằm dọc theo hướng lực tác dụng

Hình II-5: Đường hàn lõm và đường hàn thoải

Người ta chia ra hai loại đường hàn góc tùy theo vị trí của đường hàn so với phương của lực tác dụng đó là đường hàn góc cạnh và đường hàn góc đầu Đường hàn góc cạnh là đường hàn song song với phương của lực tác dụng, đường hàn góc đầu là đường hàn vuông góc với phương của lực tác dụng

Ưu điểm của đường hàn góc là dễ thực hiện vì không cần điều chỉnh khoảng cách giữa các cấu kiện hàn cũng như không cần gia công mép các cấu kiện này, nhưng sự làm việc của liên kết bằng đường hàn đối đầu tương đối kém hơn so với đường hàn đối đầu do hiện tượng tập trung ứng suất

- Yêu cầu về cấu tạo đối với đường hàn góc

Nếu đường hàn có chiều cao quá lớn so với chiều dầy của bản thép sẽ làm cho thép bị đốt quá nóng, ảnh hưởng đến chất lượng của liên kết hàn, ngược lại nếu kích thước đường hàn quá nhỏ thì lượng nhiệt của mối hàn không đủ để truyền sâu vào bản thép dày dẫn đến sự làm việc không đồng đều giữa mối hàn nóng chảy và bản thép nguội gây nên ứng suất kéo và làm nứt mối hàn Vì vậy trong các quy phạm thiết kế có quy định chặt chẽ giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của chiều cao đường hàn

Chiều cao h của đường hàn góc lớn nhất phải tuân theo điều kiện f h f 1, 2tmin, trong đó

min

t là chiều dày nhỏ nhất trong số các thép được liên kết chồng, hoặc chiều dày bản đứng t

trong liên kết chữ T Chiều cao h f nhỏ nhất không dưới h fmin, trong đó h fmin là chiều cao tối thiểu của đường hàn góc cho trong Bảng II.1

Ngoài ra còn quy định chiều dài tính toán ngắn nhất của đường hàn góc không được nhỏ hơn 4h và phải lớn hơn 40mm f

Bảng II.1: Chiều cao nhỏ nhất của đường hàn góc h f min , mm

II.1.4 Tính toán mối hàn

II.1.4.1 Mối hàn đối đầu

Sự làm việc và cường độ tính toán của đường hàn đối đầu:

Đường hàn đối đầu có ưu điểm là truyền lực tốt, đường lực không bị dồn ép và uốn cong, nên ứng suất tập trung rất nhỏ Do được coi như là phần kéo dài của thanh cơ bản nên sự làm việc của đường hàn giống như thanh cơ bản

Cường độ tính toán của đường hàn đối đầu phụ thuộc vào vật liệu que hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn Cường độ đường hàn được lấy như sau:

- Khi chịu nén: với phương pháp hàn tự động, nửa tự động hoặc hàn tay, không phụ thuộc vào phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn thì f wc  f ( f là cường độ tính toán của

Hình II-6: Sự phân bố ứng suất trong đường hàn góc cạnh

Khi làm việc đường hàn góc cạnh chịu ứng suất cắt và uốn, nhưng trong giả thiết tính toán coi đường hàn chỉ chịu cắt và phá hoại theo tiết diện như Hình II-7b

Hình II-7: Dạng phá hoại và tiết diện làm việc của đường hàn a) Dạng phá hoại của đường hàn

góc cạnh; b) Các tiết diện làm việc

Đối với đường hàn góc đầu thì sự làm việc dọc theo bề rộng của liên kết Do chiều dầy của các bản thép nên khi có lực tác dụng thì đường lực truyền qua liên hàn bị uốn cong và tập trung tại chân đường hàn, do đó ứng suất tại chân đường hàn rất lớn Khi làm việc đường hàn góc đầu chịu cắt, uốn, kéo còn trong tính toán coi như đường hàn chỉ chịu cắt và phá hoại theo tiết diện như Hình II-7

b Cường độ tính toán của đường hàn góc

Quan niệm về cường độ tính toán, tiết diện phá hoại của đường hàn góc cạnh và góc đầu là như nhau Khi tính toán cường độ chịu cắt của đường hàn góc cần phải tính đối với hai tiết

diện khác nhau, một là tiết diện đi qua thép đường hàn f wf, hai là tiết diện đi qua biên nóng

chảy của thép cơ bản f ws Khi chọn que hàn cần căn cứ vào cường độ của thép cơ bản để độ

bền của đường hàn theo các tiết diện phá hoại của đường hàn góc là gần bằng nhau

Trong đó:

wf

f : cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn phụ thuộc vào vật liệu que hàn được

lấy theo Bảng II.2

ws

f : cường độ chịu cắt tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy f ws 0, 45f u với f u

là cường độ tức thời tiêu chuẩn của thép cơ bản

Bảng II.2: Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn f wun và cường độ tính toán f wf của kim loại hàn trong

II.1.5 Tính toán các liên kết hàn

Tùy theo cách cấu tạo người ta chia ra các loại liên kết: đối đầu, ghép chồng, có bản ghép,

hỗn hợp để tính toán

II.1.5.1 Liên kết dùng đường hàn đối đầu

Cấu tạo

Liên kết đối đầu là liên kết dùng đường hàn đối đầu thẳng hoặc xiên để liên kết trực tiếp

hai cấu kiện cùng nằm trong một mặt phẳng (Hình II-8) Liên kết đối đầu thường dùng để nối

các bản thép, hầu như không dùng để liên kết các thép hình

Tính toán

Khi chịu lực kéo, nén dọc trục đường hàn đối đầu được tính toán như thép cơ bản và ứng

suất sẽ phân bố đều trên tiết diện của đường hàn

Đối với đường hàn đối đầu thẳng góc (Hình II-8a) công thức kiểm tra bền có dạng:

A : diện tích tính toán của đường hàn đối đầu, A w tl w;

t : bề dày tính toán của đường hàn, bằng bề dày của thép cơ bản Khi các cấu kiện được liên kết có các bề dày khác nhau t lấy bằng bề dày nhỏ nhất trong các bề dày đó;

f : cường độ tính toán của đường hàn đối đầu khi chịu kéo (nếu N là lực nén thì dùng

cường độ tính toán khi chịu nén f wc) Giá trị của chúng lấy theo II.1.4

Hình II-8: Liên kết hàn đối đầu chịu lực dọc trục a) Đường hàn góc đối đầu thẳng; b) Đường hàn

đối đầu xiên

Khi cường độ tính toán chịu kéo của đường hàn đối đầu f nhỏ hơn cường độ tính toán wt của thép cơ bản f , để đường hàn có khả năng chịu lực như thép cơ bản, ta tăng độ bền của nó

bằng cách dùng đường hàn xiên (Hình II-8b) hoặc dùng liên kết hỗn hợp

Đường hàn đối đầu xiên chịu lực dọc trục N được kiểm tra bền theo ứng suất pháp và tiếp



Trong đó:

w, w

  : ứng suất pháp và tiếp trong đường hàn;

 : góc nghiêng của đường hàn so với phương của lực dọc trục N;

2sin

Khi tg 2 :1, đường hàn xiên có độ bền bằng độ bền của thép cơ bản, không cần kiểm tra độ bền của đường hàn nữa

Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của mômen uốn M (Hình II-9a) được kiểm tra bền theo công thức:

w

M f W

tl

W  ;

Hình II-9: Liên kết hàn đối đầu chịu mômen uốn và lực cắt

Khi liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng đồng thời của mômen uốn M và lực cắt V (Hình II-9b) độ bền của nó được kiểm tra theo ứng suất tương đương td

Hệ số 1,15 kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo trong đường hàn

II.1.5.2 Liên kết dùng đường hàn góc

Cấu tạo

Hai cấu kiện đặt chồng lên nhau, dùng đường hàn góc liên kết chúng lại Đoạn chồng lên

nhau a lấy theo yêu cầu bố trí đường hàn, a5tmin Trong liên kết ghép chồng có thể dùng đường hàn góc cạnh (Hình II-10a) hoặc đường hàn góc đầu (Hình II-10b)

Khi liên kết chịu lực lớn, kết cấu chịu tải trọng động thì không nên dùng cả hai loại đường hàn (Hình II-10c)

Liên kết ghép chồng thường dùng để nối các thép bản có chiều dày nhỏ (t 2 5mm) để liên kết thép hình và thép bản (Hình II-10d)

Hình II-10: Liên kết ghép chồng

Tính toán

Đường hàn góc cạnh và góc đầu được tính toán như nhau Khi chịu lực dọc trục N (Hình II-9a) coi như ứng suất phân bố đều dọc theo đường hàn và bị phá hoại do cắt Độ bền của đường hàn được kiểm tra đồng thời theo hai tiết diện 1 và 2 (Hình II-7b)

- Tiết diện 1 (theo vật liệu đường hàn)

 : tổng chiều dài tính toán của các đường hàn, l lấy bằng chiều dài thực tế của đường w

hàn trừ đi 10mm kể đến chất lượng không tốt ở đầu và cuối đường hàn;

,

f f : cường độ tính toán chịu cắt qui ước của thép đường hàn và thép cơ bản trên biên

nóng chảy Giá trị của chúng được cho ở II.1.4.2;

Trong hai điều kiện (2.8) và (2.9) giá trị nhỏ nhất trong hai tích số f f wf và s f ws tương ứng với tiết diện có khả năng chịu lực yếu hơn (tiết diện phá hoại) Khi hàn tay thường điều kiện 2 là quyết định

Khi thiết kế nên chọn trước chiều cao đường hàn h f (dựa theo chiều dày nhỏ nhất của các kết cấu được liên kết tmin), từ đó tính ra tổng chiều dài cần thiết của các đường hàn

( f w) : giá trị nhỏ hơn hai giá trị f f wf và s f ws

Chiều dài tính toán đường hàn l cần thỏa mãn các điều kiện sau: w

- Chiều dài tối thiểu l w 4h f và l w 40mm;

- Riêng với đường hàn góc cạnh l w 85f h f;

Trường hợp liên kết thép hình không đối xứng bằng các đường hàn góc, ví dụ đối với thép góc (Hình II-11) do lực dọc trục N không nằm giữa hai đường hàn nên lực tác dụng vào mỗi đường hàn sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ trọng tâm đặt lực đến mỗi đường hàn e1và e 2

Bảng II.3: Hệ số f và s của đường hàn góc

Phương pháp hàn và

đường kính dây hàn d,

mm

Vị trí của đường hàn trong không gian khi

3 5

Trong máng (liên kết cánh I với bản bụng)

f

s

Giá trị của lực N1kN để tính đường hàn sống và N2  (1 k N) để tính đường hàn mép Giá trị k được lấy trong bảng II.4, phụ thuộc vào loại thép góc và cách bố trí chúng khi liên kết

Hình II-11: Liên kết thép góc với thép bản

Bảng II.4: Hệ số phân phối nội lực N khi liên kết các thép góc với thép bản

Liên kết bản ghép có ưu điểm là không phải gia công mép cấu kiện nhưng lại tốn thép làm bản ghép Ngoài ra, trong liên kết có ứng suất tập trung lớn vì vậy không nên dùng để chịu tải trọng động Để giảm bớt ứng suất tập trung ở các góc vuông người ta cắt vát cạnh của bản ghép (Hình II-12d) và để lại đoạn 50mm không hàn

Hình II-12: Liên kết có bản ghép đối với thép tấm

Liên kết có bản ghép có thể dùng cho thép bản (Hình II-12) hay thép hình (Hình II-13) Khi nối thép góc dùng bản ghép là thép góc (Hình II-13b), nếu bề rộng của cánh thép góc cần nối thép góc sẽ được cắt vát để các đường hàn gần trục truyền lực hơn, làm việc tốt hơn (Hình II-13c)

Hình II-13: Liên kết có bản ghép đối với thép hình

b Tính toán

Việc kiểm tra bền của liên kết có bản ghép được tiến hành theo hai điều kiện:

- Kiểm tra độ bền của các bản ghép Để các bản ghép truyền được lực giữa các cấu kiện cơ bản, yêu cầu

bg

A  A

Trong đó: A bg: tổng diện tích tiết diện các bản ghép;

A: diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản;

- Kiểm tra độ bền các đường hàn góc theo hai tiết diện 1 và 2 bằng các công thức (2.8),