TÍNH TOÁN LIÊN KẾT
TÍNH TOÁN LIÊN KẾT THEO TCVN 5575: 2012
I.1.1 Cường độ tính toán mối hàn
Cường độ tính toán của đường hàn đối đầu chịu ảnh hưởng bởi loại vật liệu que hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng Để xác định cường độ đường hàn, cần thực hiện các bước kiểm tra và đánh giá phù hợp.
Khi chịu nén, phương pháp hàn tự động, nửa tự động hoặc hàn tay đều không ảnh hưởng đến việc kiểm tra chất lượng đường hàn, với f wc f, trong đó f là cường độ tính toán của thép cơ bản.
Khi kiểm tra chất lượng đường hàn dưới tác động kéo, nếu áp dụng các phương pháp vật lý, ta có công thức wt = f Ngược lại, khi sử dụng phương pháp thông thường, công thức sẽ là wt = 0,85f.
- Khi chịu cắt: f wv f v với f v là cường độ tính toán khi chịu cắt của thép cơ bản
Khi tính toán cường độ chịu cắt của đường hàn góc, cần xác định hai tiết diện khác nhau: tiết diện đi qua thép đường hàn f wf và tiết diện đi qua biên nóng chảy của thép cơ bản f ws Cường độ chịu cắt của thép đường hàn f wf phụ thuộc vào loại vật liệu que hàn, trong khi cường độ chịu cắt tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy được xác định theo công thức f ws = 0,45f u.
I.1.2 Tính toán các liên kết hàn
I.1.2.1 Liên kết dùng đường hàn đối đầu chịu lực dọc
Khi chịu lực kéo và nén dọc trục, đường hàn đối đầu được tính toán tương tự như thép cơ bản, với ứng suất phân bố đều trên tiết diện của đường hàn.
Liên kết hàn đối đầu chịu lực dọc trục bao gồm hai loại: đường hàn góc đối đầu thẳng và đường hàn đối đầu xiên Để kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu thẳng góc, công thức kiểm tra được sử dụng là: w w ( ) w wt c.
Diện tích tính toán của đường hàn đối đầu (A w) được xác định bằng công thức A w = t * l w, trong đó t là bề dày tính toán của đường hàn, tương ứng với bề dày của thép cơ bản Nếu các cấu kiện liên kết có bề dày khác nhau, t sẽ được lấy bằng bề dày nhỏ nhất Chiều dài tính toán của đường hàn (l w) được tính bằng l w = -b/2t, với b là chiều dài thực tế của đường hàn, tương ứng với chiều rộng của thép cơ bản.
Hệ số điều kiện làm việc (c) và cường độ tính toán của đường hàn đối đầu khi chịu kéo (f wt) là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá độ bền của đường hàn Khi áp lực là lực nén (N), cần sử dụng cường độ tính toán khi chịu nén (f wc) Đường hàn đối đầu xiên chịu lực dọc trục N được kiểm tra bền thông qua ứng suất pháp (σ w) và ứng suất tiếp (τ w) theo các công thức cụ thể.
: góc nghiêng của đường hàn so với phương của lực dọc trục N; sin 2 w l b t
: chiều dài tính toán của đường hàn xiên;
Ví dụ I-1: Xác định khả năng chịu lực của lên kết hàn đối đầu xiên như hình vẽ (đơn vị mm), biết:
Vật liệu thép CCT34 có f u 340MPa, f u 220MPa f 210MPa
Que hàn N42, hàn tay, kiểm tra bằng phương pháp thường Hệ số điều kiện làm việc c 1,0
Cường độ tính toán chịu kéo của mối hàn:
Cường độ tính toán chịu kéo của bản thép:
Cường độ chịu cắt của mối hàn f w v f v 121,5MPa
Chiều dài tính toán của đường hàn:
Ứng suất pháp trong đường hàn đối đầu: w
Ứng suất tiếp trong đường hàn đối đầu: w
Vậy liên kết chịu được lực dọc lớn nhất N 668713N
I.1.2.2 Liên kết dùng đường hàn đối đầu chịu mô men uốn và lực cắt
Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của mômen uốn M được kiểm tra bền theo công thức: w wt c w
W w : mômen kháng uốn của tiết diện đường hàn, 2
Khi liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng đồng thời của mômen uốn M và lực cắt V, độ bền của liên kết cần được kiểm tra thông qua ứng suất tương đương td.
Kiểm tra liên kết hàn đối đầu trong ví dụ I-2 chịu mô men uốn M = 300000 N.m và lực V = 200000 N Vật liệu sử dụng là thép CCT34 với giới hạn bền f = 210 MPa Que hàn N42 được hàn bằng tay và kiểm tra theo phương pháp thông thường, với hệ số điều kiện làm việc γc = 1,0.
Chiều dài tính toán của đường hàn:
Xác định ứng suất tương đương:
Cường độ tính toán chịu kéo của mối hàn:
Vậy td w 2 3 w 2 1,15f wt c , liên kết không đảm bảo
I.1.2.3 Liên kết dùng đường hàn góc chịu lực dọc
Khi chịu lực dọc trục N, ứng suất phân bố đều dọc theo đường hàn và có thể bị phá hoại do cắt Độ bền của đường hàn được kiểm tra đồng thời qua hai tiết diện.
- Tiết diện 1 (theo vật liệu đường hàn) wf c f f w
- Tiết diện 2 ( theo vật liệu của thép cơ bản trên biên nóng chảy) ws c s f w
h f : chiều cao đường hàn góc; l w
: tổng chiều dài tính toán của các đường hàn, l w lấy bằng chiều dài thực tế của đường hàn trừ đi 10 mm
c : hệ số điều kiện làm việc của liên kết;
Các hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn cho các tiết diện 1 và 2 phụ thuộc vào phương pháp hàn và vị trí của đường hàn trong không gian Khi thực hiện hàn tay, hệ số này có giá trị là 0,7 đối với f s.
; wf , ws f f : cường độ tính toán chịu cắt qui ước của thép đường hàn và thép cơ bản trên biên nóng chảy
Một thanh thép dẹt có tiết diện 140x8 được liên kết hàn vào bản mã với đường hàn góc có chiều cao hf = 8mm, sử dụng que hàn N42 và phương pháp hàn tay Thép kết cấu sử dụng là loại CCT34 Cần xác định cường độ thiết kế của liên kết hàn với hệ số điều kiện làm việc c = 1.
Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn: fu = 3400 daN/cm 2
Cường độ tính toán: f = 2100 daN/cm 2
Cường độ vật liệu que hàn: fwf = 1800 daN/cm 2
Cường độ biên nóng chảy thép cơ bản: fws = 0,45.fu = 1530 daN/cm 2
Hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn:
f = 0,7 và s = 1 (.fw)min = 1260 daN/cm 2
- Khả năng chịu lực của đường hàn:
Nw = hf lw (.fw)min c = 0,8 2 (10-1) 1260 1 = 18114 daN
- Khả năng chịu lực của thép cơ bản
Vậy khả năng chịu lực của liên kết hàn N = 18114 daN
Trong ví dụ I-4, chúng ta tiến hành kiểm tra liên kết sử dụng đường hàn góc chịu lực dọc với tải trọng N = 600kN, như hình vẽ đã mô tả Giả thiết rằng bản thép đáp ứng đầy đủ các điều kiện làm việc Vật liệu thép CT34 có giới hạn bền kéo f u = 340MPa Chiều cao đường hàn được xác định là h f = 10mm, sử dụng que hàn N42 và thực hiện hàn bằng tay, kiểm tra theo phương pháp thông thường.
Hệ số điều kiện làm việc c 1,0
Bản ghép đảm bảo điều kiện bền
- Kiểm tra khả năng chịu lực dọc N của liên kết hàn góc
Chiều dài tính toán của đường hàn:
Diện tích tính toán của đường hàn:
Cường độ vật liệu que hàn: fwf = 180 MPa
Cường độ biên nóng chảy thép cơ bản: fws = 0,45.fu = 153 MPa
Hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn:
- Khả năng chịu lực của đường hàn:
N hf lw (.fw)min c = 10 480 126 1 = 604800 N = 604,8 kN
Vậy liên kết đảm bảo
Trong trường hợp liên kết thép hình không đối xứng bằng các đường hàn góc, lực dọc trục N không nằm giữa hai đường hàn, dẫn đến lực tác dụng vào mỗi đường hàn sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ trọng tâm đặt lực đến mỗi đường hàn, cụ thể là khoảng cách e1 và e2.
TÍNH TOÁN LIÊN KẾT THEO 22 TCN – 272 – 05
I.3.1.1 Mối hàn rãnh ngấu hoàn toàn
Sức kháng tính toán của các liên kết hàn có rãnh ngấu hoàn toàn chịu kéo hoặc nén trực giao với diện tích hữu hiệu hoặc song song với trục đường hàn cần được xác định dựa trên sức kháng tính toán của kim loại cơ bản.
Sức kháng tính toán của các liên kết hàn rãnh ngấu hoàn toàn chịu cắt trên diện tích hữu hiệu phải được xác định theo trị số nhỏ hơn giữa trị số tính toán hoặc 60% sức kháng tính toán của kim loại cơ bản chịu kéo.
F exx : cường độ phân loại của kim loại hàn (MPa)
e : hệ số sức kháng đối với kim loại hàn ( e 1 0,8)
I.3.1.2 Mối hàn rãnh ngấu không hoàn toàn
Sức kháng tính toán của các liên kết hàn rãnh ngấu không hoàn toàn chịu kéo hoặc nén phải được xác định theo sức kháng tính toán của kim loại cơ bản, khi tính toán song song với trục của đường hàn hoặc nén trực giao với diện tích hữu hiệu.
Sức kháng tính toán đối với các liên kết hàn rãnh ngấu không hoàn toàn chịu kéo trực giao với diện tích hữu hiệu cần được xác định theo trị số nhỏ hơn giữa trị số được tính từ công thức R_r = 0,6φ_e1 F_exx và sức kháng tính toán của kim loại cơ bản.
e : hệ số sức kháng đối với kim loại hàn ( e 1 0,8)
Sức kháng tính toán của các liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn chịu cắt song song với trục của đường hàn phải được xác định theo trị số nhỏ hơn giữa sức kháng danh định tính toán của vật liệu liên kết theo Điều 6.13.5 (Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05) và sức kháng tính toán của kim loại hàn.
e : hệ số sức kháng đối với kim loại hàn ( e 2 0,8)
Sức kháng tính toán của các liên kết hàn với đường hàn góc chịu kéo hoặc nén song song với trục đường hàn cần được xác định dựa trên sức kháng tính toán của kim loại cơ bản.
Các liên kết hàn sử dụng đường hàn góc chịu cắt trên diện tích hiệu dụng cần được xác định theo trị số nhỏ hơn giữa sức kháng tính toán của vật liệu liên kết theo Điều 6.13.5 và sức kháng tính toán của kim loại hàn.
Các liên kết bản bụng của dầm đua ra cùng với tất cả các liên kết chịu kéo, như các bản liên kết, bản nối và bản tiết điểm, cần được phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo lựa chọn vật liệu liên kết phù hợp, nhằm nâng cao sức kháng tính toán của các liên kết này.
Để nghiên cứu liên kết, cần xem xét tất cả các mặt phẳng có thể bị hư hỏng trong bộ phận và các bản liên kết Các mặt phẳng này bao gồm cả các bản song song và vuông góc với các lực tác động Những mặt phẳng song song với lực tác động chỉ chịu các ứng suất cắt, trong khi các mặt phẳng vuông góc với lực tác động chỉ chịu các ứng suất kéo.
Sức kháng tính toán của tổ hợp các mặt phẳng song song và thẳng góc phải được lấy như sau: Nếu A tn 0,58A vn thì R r bs (0,58F A y vg F A u tn )
Nếu A tn 0,58A vn thì R r bs (0,58F A u vn F A y tg )
A vg : diện tích nguyên dọc theo mặt phẳng chịu ứng suất cắt (mm 2 )
A vn : diện tích thực dọc theo mặt phẳng chịu ứng suất cắt (mm 2 )
A tg : diện tích nguyên dọc theo mặt phẳng chịu ứng suất kéo (mm 2 )
A tn : diện tích thực dọc theo mặt phẳng chịu ứng suất kéo (mm 2 )
F y : cường độ chảy nhỏ nhất quy định của vật liệu liên kết (MPa)
F u : cường độ kéo nhỏ nhất quy định của vật liệu liên kết (MPa)
bs : hệ số sức kháng đối với cắt khối quy định trong Điều 6.5.4.2
Diện tích nguyên được xác định bằng chiều dài của mặt phẳng nhân với chiều dày của chi tiết Diện tích thực là diện tích nguyên trừ đi tổng số lỗ trên mặt phẳng, bao gồm lỗ phân đoạn, được tính bằng kích thước của các lỗ trong phương của mặt phẳng cộng 2,0 mm và nhân với chiều dày của chi tiết.
Để xác định cường độ thiết kế của liên kết trong Hình I-19, ta cần xem xét sự cắt và ép mặt Bản nút có độ dày 10 mm và thanh kéo có mặt cắt ngang 12 × 120 mm² Sử dụng bu lông ASTM A307 với đường kính 20 mm và thép kết cấu M270 cấp 250.
Liên kết và bu lông đều có vai trò quan trọng trong việc chịu lực Để tính toán sức kháng cắt, trước tiên cần xác định cường độ của một bu lông, sau đó nhân với tổng số bu lông trong hệ thống.
Bu lông ASTM A307 có cường độ chịu kéo nhỏ nhất F ub 420MPa
Diện tích mặt cắt ngang bu lông 2 314 mm 2 b 4d
Số mặt chịu cắt của bu lông: N s 1
Sức kháng cắt danh định của một bu lông được tính như sau:
Sức kháng cắt có hệ số của hai bu lông là
b) Tính sức kháng ép mặt
Thép kết cấu M270 cấp 250 có cường độ chịu kéo F u = 400 MPa Đường kính lỗ bu lông để tính ép mặt h = d + 2 mm = 22 mm
Kiểm tra ép mặt trên bản nút (bản mỏng hơn)
Lỗ sát mép bản nút
Cường độ chịu ép mặt đối với bản nút là
Cường độ chịu ép mặt (245,76 kN) lớn hơn cường độ chịu cắt (65,149 kN) Như vậy, sức kháng cắt của bu lông quyết định cường độ liên kết
Đáp số : Xét về cắt và ép mặt, cường độ thiết kế của liên kết là 65,149 kN (chú ý rằng, một số
TTGH khác còn chưa được kiểm tra cũng như cường độ chịu kéo của mặt cắt thanh giảm yếu, thực tế có thể quyết định cường độ thiết kế)
Trong ví dụ I-12, một thanh thép dẹt chịu kéo dọc trục được liên kết vào một bản nút như Hình I-20 Đường hàn góc có độ dày 6 mm, sử dụng que hàn E70XX với cường độ F exx = 485 MPa Thép kết cấu loại M270 cấp 250 được áp dụng, với giả thiết rằng cường độ chịu kéo của thanh kéo là đảm bảo Mục tiêu là xác định cường độ thiết kế của liên kết hàn với t = 8.
Đường hàn được bố trí đối xứng với trục dọc của cấu kiện, tạo thành một liên kết đơn giản mà không chịu tải trọng bổ sung từ lệch tâm.
Chiều dày tính toán của đường hàn là (0,707 6)
Khả năng chịu cắt trên một đơn vị chiều dài (1 mm) đường hàn là
Khả năng chịu cắt trên một đơn vị chiều dài của thanh nối mỏng hơn (bản nút) là
→ Cường độ đường hàn là quyết định Khả năng chịu lực của toàn liên kết là
R r Đáp số : Cường độ thiết kế của liên kết hàn là 197,52 kN
Một thanh thép dẹt kích thước 12 100 mm² bằng thép M270 cấp 250 (A36) chịu lực kéo đúng tâm với lực kéo 210 kN Thanh kéo được hàn vào bản nút có chiều dày 10 mm, như mô tả trong Hình I-21 Cần thiết kế liên kết hàn cho cấu trúc này.
Lời giải Đối với thép cơ bản M270 cấp 250, thường dùng loại que hàn E70XX có F exx 485 MPa Thử chọn đường hàn có kích thước tối thiểu w = 6 mm
Khả năng chịu lực của một đơn vị chiều dài đường hàn, như đã được tính trong ví dụ 2.5, là 987,6 N/mm
Khả năng chịu cắt trên một đơn vị chiều dài của thanh nối mỏng hơn (bản nút) là
→ Cường độ đường hàn là quyết định
Chiều dài đường hàn cần thiết là
L thoả mãn yêu cầu về chiều dài tối thiểu của đường hàn là 4w = 24 mm và 40 mm Đáp số
Vậy, sử dụng hai đường hàn song song bằng nhau, mỗi đường hàn dài 110 mm
