Giáo trình Kết cấu hàn (Nghề Hàn)

LỜI GIỚI THIỆU Như chúng ta đã biết, hiện nay có rất nhiều phương pháp hàn khác nhau, ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp để chế tạo ra các sản phẩm từ nhỏ nhất như vi mạch điện

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: KẾT CẤU HÀN

NGHỀ:HÀN TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Lào Cai, năm 2019

LỜI GIỚI THIỆU

Như chúng ta đã biết, hiện nay có rất nhiều phương pháp hàn khác nhau, ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp để chế tạo ra các sản phẩm từ nhỏ nhất như

vi mạch điện tử đến lớn như tàu biển, dầm cầu,…

Để đảm bảo cho kết cấu hàn có được ” Độ tin cậy ” và ” Tính làm việc liên tục

” đòi hỏi người thiết kế kết cấu hàn phải có kiến thức chính xác để lựa chọn vật liệu hàn, tính toán độ bền cho mối hàn nói riêng và kết cấu hàn nói chung

Giáo trình môn học “Kết cấu hàn” sẽ giúp chúng ta có các kiến thức cơ bản để

giải quyết các vấn đề trên

Giáo trình được biên soạn cho đối tượng là sinh viên chuyên nghề hàn, trình độ cao đẳng

Quá trình biên soạn tác giả đã có nhiều cố gắng song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được ý kiến đóng góp để giáo trình hoàn thiện hơn Tác giả xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

1 Lời giới thiệu

2 Các loại vật loại thường dùng để chế tạo kết cấu hàn 10

3 Chương 2: Tính độ bền của mối hàn dưới tác dụng của tải trọng

1 Cơ sở tính toán độ bền của mối hàn chịu tác dụng của tải trọng tĩnh 18

2 Tính ứng suất và biến dạng do co dọc khi hàn đắp vào mép tấm 40

3 Tính ứng suất và biến dạng do co dọc khi hàn giáp mối 45

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Kết cấu hàn

Mã môn học: MH 14

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:

- Vị trí: Là môn học được bố trí cho sinh viên sau khi đã học xong các môn học, mô đun cơ sở; các môn học, mô đun chuyên môn từ MĐ 14 đến MH 21

- Tính chất: Là môn học chuyên môn

- Ý nghĩa và vai trò của môn học:’’Tính toán kết cấu hàn’’ là môn học chuyên môn

nghề hàn, đây là môn học cơ bản trong chương trình đào tạo, giúp người học được trang bị khả năng tính toán, chọn vật liệu hàn, sử dụng nhiều trong thực tế sản xuất

Mục tiêu của môn học:

- Về kiến thức:

+ Liệt kê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn;

+ Trình bày chính xác phương pháp tính toán vật liệu chế tạo kết cấu hàn;

+ Trình bày rõ các công thức tính toán độ bền, ứng suất và biến dạng khi hàn; + Trình bày được phương pháp giải các bài toán kiểm nghiệm độ bền và tính ứng

suất biến dạng khi hàn của các kết cấu hàn đơn giản

- Về kỹ năng:

+ Tính toán chính xác vật liệu gia công một kết cấu hàn cụ thể;

+ Giải đúng các bài toán về tính độ bền mối hàn, tính ứng suất và biến dạng hàn; + Tra bảng, tính toán vật liệu hàn chính xác;

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Tuân thủ quy trình tính toán kết cầu hàn;

+ Tự giác, rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, tỉ mỷ, cẩn thận, chính xác trong công việc

Nội dung của môn học:

Bài tập Kiểm tra

5 Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn 1,5

2 Chương 2: Tính độ bền của mối hàn dưới tác

3 Chương 3 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn 15 11 3 1

1 Tổng quan về ứng suất và biến dạng hàn 2

2 Tính ứng suất và biến dạng do co dọc khi hàn

hợp để chế tạo nên kết cấu hàn

Mục tiêu:

- Trình bày được tổng quan về kết cấu hàn;

- Nhận biết các loại thép định hình U, I, V , thép tấm, và các loại vật liệu khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn;

- Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu khi chế tạo kết cấu hàn;

- Trình bày được phương pháp tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao;

- Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng;

- Tuân thủ quy định, quy phạm trong phân loại vật liệu;

- Có ý thức tự giác, có tính kỷ luật cao, có tinh thần tập thể, có tránh nhiệm với công việc

N ội dung chính

1 T ổng quan về kết cấu hàn

1.1 Gi ới thiệu chung về kết cấu hàn

* Kết cấu hàn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

- Trong xây d ựng: Khung, vòm có khẩu độ lớn, khung nhà,

- Trong giao thông v ận tải: Cầu thép, vỏ tàu, ô tô, máy bay,

- Trong cơ khí CTM: Máy móc, cầu trục, khung, bệ máy,

- T rong ngành năng lượng, hoá chất: Hệ thống nồi hơi, đường ống, dàn khoan,

b ồn bể,

* Kết cấu hàn rất phong phú đa dạng về chủng loại, kích cỡ và khối lượng

* Kết cấu hàn có thể làm việc trong những điều kiện rất khác nhau:

- Dưới nước: tàu ngầm, dàn khoan, tàu thuỷ,

- Trên không và trong vũ trụ: máy bay, tàu liên hợp,

- Trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc rất thấp

- Trong điều kiện ăn mòn hoặc mài mòn cao,

Hình 1.1 Kết cấu dầm cầu

Hình 1.2 Kết cấu dàn khoan dầu tự nâng

cơ khí Có thể nhận thấy rằng khối lượng kết cấu hàn ngày càng lớn, đa dạng cả về hình thức, kiểu dáng và cả về chủng loại vật liệu Theo điều tra của Tổ chức Hàn Quốc

tế IIW( International Institute of Welding) năm 2007 sản lượng thép đã vượt quá một

tỷ tấn, trong đó ước tính hơn 2/3 sản lượng này được dùng để chế tạo kết cấu hàn- đây thực sự là một con số khổng lồ

1.2 Đặc điểm của kết cấu hàn

- Khả năng chịu lực lớn, có độ tin cậy cao khi sử dụng

- Do vật liệu kim loại có cơ tính tốt và ổn định về chất lượng,

- Khối lượng nhỏ: kết cấu hàn nhẹ nhất trong các loại kết cấu chịu lực khác như bêtông cốt thép, gỗ

- Cơ động trong lắp ráp và vận chuyển: Do có khối lượng bé việc vận chuyển từ nơi sản xuất tới nơi tổ hợp kết cấu rất dễ dàng và nhanh chóng Một kết cấu đồ sộ có thể chia thành các đơn vị vận chuyển hợp lý và tổ hợp nhanh chóng tại hiện trường Hơn thế nữa, kết cấu kim loại rất dễ sửa chữa, thay thế và di chuyển

- Có tính công nghiệp hoá cao, tức là có thể chế tạo hàng loạt trong điều kiện nhà máyvới thiết bị chuyên dùng có mức độ cơ khí hoá và tự động hoá cao

- Có thể tạo ra những kết cấu siêu trường, siêu trọng, phi tiêu chuẩn (không hạn chế về kích thước và khối lượng) mà các phương pháp công nghệ khác không thể thực

hiện được hoặc gặp nhiều khó khăn

- Có thể tạo ra những kết cấu nguyên khối và bền vững từ những vật liệu có tính chất khác nhau Điều này hết sức có ý nghĩa khi từng phần hoặc từng bộ phận của kết cấu phải làm việc trong những điều kiện rất khác nhau như mài mòn, ăn mòn, nhiệt độ

và áp suất rất cao hoặc rất thấp

- Các liên kết hàn không những có độ bền cao mà có độ kín tốt rất cần thiết cho nhiều loại kết cấu như nồi hơi, vỏ tàu thuỷ, bồn bể, đường ống,

- Đầu tư thiết bị nhà xưởng thấp

- Điều kiện lao động của công nhân được cải thiện

- Tiết kiệm vật liệu dùng để chế tạo kết cấu

Hình 1.4 So sánh liên kết hàn với liên kết đinh tán và ghép ren

1.3 Nh ững nhược điểm cơ bản của kết cấu hàn

Trong quá trình hàn thường phải sử dụng một nguồn nhiệt công suất lớn(hồ quang, khí cháy, chùm tia năng lượng cao, ) có độ tập trung cao, tác dụng trong một thời gian ngắn, do vậy khu vực hàn có tốc độ nguội lớn và trong vật hàn có sự phân bố nhiệt độ không đều Điều này có thể dẫn đến hậu quả :

- Tại khu vực mối hàn và vùng lân cận nhiệt, tổ chức kim loại và các tính chất khác có thể thay đổi theo chiều hướng xấu như tăng cứng và giảm dẻo, dai làm giảm khả năng làm việc của kết cấu hàn, đặc biệt khi kết cấu làm việc dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng va đập hoặc trong môi trường có nhiệt độ thấp

- Trong kết cấu hàn luôn tồn tại một trạng thái ứng suất dư

- Kết cấu hàn dễ bị biến dạng do tác dụng nhiệt, làm giảm độ chính xác tăng độ phức tạp cho quá trình lắp ráp, tổ hợp tiếp theo, giảm tính thẩm mỹ của sản phẩm và gây tốn kém thêm khi có nhu cầu loại bỏ biến dạng hàn

- Để tạo ra một kết cấu hàn đạt yêu cầu, thông thường người thiết kế phải giải quyết đồng thời 3 vấn đề lớn sau đây:

1 Chọn vật liệu hợp lý

2 Có giải pháp kết cấu tối ưu

3 Có công nghệ chế tạo phù hợp để đạt yêu cầu về chất lượng

Thực tiễn cho thấy, nếu giải quyết tốt những vấn đề đó thì kết cấu hàn cho phép Đáp ứng yêu cầu sử dụng

Tiết kiệm vật liệu

Chế tạo được bằng các công nghệ tiên tiến có chất lượng và năng suất cao

Vận chuyển, tổ hợp đơn giản

P, S ( Thông thường Mn<0,75%; Si<0,35%; P,S<0,05%)

- Thép C có cơ tính cao, giá thành hạ nên được sử dụng nhiều nhất trong các loại vật liệu kim loại C cứng, bền, dẻo, dai 

2.1.2 Phân loại và ký hiệu

Có nhiều cách phân loại thép cacbon, tuỳ theo mục đích của người sản xuất và người

( là tổ chức 2 pha: hỗn hợp cơ học của F và Xê)

 Thép sau cùng tích với C > 0,8% và tổ chức Xê+P

c- Phân loại theo phương pháp luyện:

Thép có thể được luyện bằng nhiều cách, trong các lò luyện khác nhau nên chất lượng của chúng cũng khác nhau:

 Thép luyện trong lò chuyển( thổi oxy sạch vào gang lỏng) thường có chất lượng không cao; N2 từ không khí hoà tan vào thép  thép dễ bị dòn; hàm lượng các nguyên thường kém chính xác; năng suất cao và giá thành thấp

 Thép luyện trong lò Mactanh( nấu chảy sắt vụn, gang, thêm chất khử oxy, trợ dung và các nguyên tố hợp kim): chất lượng cao hơn thép luyện trong lò chuyển, cấu trúc thuần nhất, thành phần thép có thể kiểm soát và điểu chỉnh trong khi luyện Tuy nhiên, năng suất thấp và giá thành cao

 Thép luyện trong lò điện: có chất lượng cao hơn so với 2 loại trên, đặc biệt là hàm lượng các tạp chất có hại( P, S) rất bé

d- Phân loại theo mức độ khử oxy trong thép

 Thép sôi: Người ta thường sử dụng thép sôi cho các kết cấu hàn làm việc ở các vùng có nhiệt độ dương, chịu tải trọng tĩnh với các mối hàn có chiều sâu ngấu không lớn

 Thép lặng: là thép có mức độ khử oxy triệt đểđược dùng nhiều để chế tạo kết cấu hàn

 Thép nửa lặng( nửa sôi): có các tính chất ở mức trung bình so với thép sôi và thép lặng

e- Theo công dụng của thép: (cách phân loại hay dùng nhất )

 Thép cacbon kết cấu thông dụng( thép thông dụng, thép thường)

Theo TCVN 1765- 75 thép cacbon kết cấu thông dụng được chia thành 3 nhóm:

 Nhóm A : được đảm bảo về tính chất cơ học( CT31, CT33, …, CT61)

 Nhóm B: được đảm bảo thành phần hoá học( BCT31, BCT33, , BCT61)

 NhómC: được đảm bảo cả về thành phần hoá học cả về tính chất cơ học(

CCT34, CCT38, …, BCT51)

 Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt( thép tốt)

Thép có hàm lượng các bon chính xác hơn, các tạp chất P, S rất thấp và các chỉ tiêu về cơ tính khá rõ ràng ở các trạng thái nhiệt luyện khác nhau Trong các chứng từ cung cấp thép được chỉ rõ cơ tính và thành phần hoá học

TCVN: C08, C10, C15, C20,…, C85

GOST : 08, 10, 15, 20,…, 85

 Thép cacbon dụng cụ: có hàm lượng cácbon khá cao( từ 0,7 đến 1,3 %)

TCVN 1822-76 : CD70, CD70A, CD80, , CD130

Tương ứng với GOST : Y7, Y7A, Y8, …, Y13

Chữ A chỉ thép có chất lượng cao Độ cứng của thép ở trạng thái cung cấp ( ủ)

bé hơn 200 HB, nhưng sau khi tôi có thể đạt tới 60- 62 HRC

Thép có độ cứng cao, tính hàn và tính gia công áp lực kém nên thường được dùng làm dụng cụ cắt mà ít được sử dụng trong các kết cấu hàn

f/ Phân loại theo giá trị b/ch của thép ( phổ biến trong kết cấu xây dựng):

C38/23 - thép có độ bền trung bình( thép cácbon thấp)

C44/29 ; C46/33 và C52/40 - thép có độ bền cao( thép hợp kim thấp)

C60/45; C70/60; C85/75,… - thép có độ bền rất cao

Tùy thuộc vào điều kiện chịu lực và chức năng của kết cấu, GOST chia ra 9 nhóm thép khác nhau

2 2 Thép hợp kim

2 2.1 Khái niệm và đặc điểm sử dụng

- Là hợp kim của Fe-C mà ngoài nguyên tố cácbon ra trong đó còn chứa một lượng các nguyên tố hợp kim khác đủ lớn có tác dụng quyết định đến các tính chất cơ bản của thép( ví dụ Cr, Ni, Mo, …) Hàm lượng của Mn và Si trong thép hợp kim thường cũng lớn hơn so với trong thép cácbon

- Nhờ có các nguyên tố hợp kim được đưa vào một cách cố ý, nên thép hợp kim

có một số tính chất đặc biệt như: cơ tính cao, bền và ổn định ở nhiệt độ cao, có khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn tốt,… rất cần thiết để các kết cấu hàn làm việc trong những điều kiện tương tự như vậy

2 2.2 Phân loại và ký hiệu thép hợp kim

* Theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim (HK ) chứa trong thép:

Tiêu chuẩn Mỹ( AISI) chỉ phân biệt 2 nhóm:

Khi sử dụng hợp kim nhẹ cần chú ý đến một số đặc điểm như sau:

- Môdun đàn hồi của hợp kim nhẹ khá bé so với thép, do đó các phần tử chịu nén

dễ bị mất ổn định Vì vậy các kết cấu hàn từ hợp kim nhẹ thường phải được gia cố nhiều gân cứng vững

- Cũng do môdun đàn hồi của hợp kim nhẹ bé nên độ cứng của kết cấu rất thấp

- Hợp kim nhẹ rất nhạy cảm với hiện tượng tập trung ứng suất dưới tác dụng của tải trọng động( trên biểu đồ ứng suất- biến dạng giai đoạn chảy không rõ ràng nên thường phải xác định giá trị khi biến dạng dư đạt được 0,2%) Để khắc phục ảnh hưởng xấu này, các liên kết hàn cần có sự chuyển tiếp đều đặn từ kim loại mối hàn sang kim loại cơ bản Khi cần thiết phải sử dụng các phương pháp gia công cơ tiếp theo để tạo cho liên kết có hình dáng bề mặt hợp lý

Ký hiệu, phân loại hợp kim nhẹ tham khảo giáo trình vật liệu học

Hình 1.5 Thông số kỹ thuật của thép góc đều cạnh

3.1.2 Thép góc không đều cạnh

Hình 1.6 Thông số kỹ thuật của thép góc không đều cạnh

3.2 Thép hình ch ữ “I”

Hình 1.7 Thông số kỹ thuật của thép chữ “I”

3.3 Thép hình ch ữ “U”

Hình 1.8 Thông số kỹ thuật của thép chữ “U”

+ Mác thép của Nhật: SS400, theo tiêu chuẩn: JIS G3101, SB410, 3010

+ Mác thép của Trung Quốc: SS400, Q235A, Q235B, Q235C, Q235D,

+ Mác thép của Mỹ: A570 GA, A570 GD,…theo tiêu chuẩn: ASTM A36,…

4.2 Quy cách chung của các loại tấm thép

- Độ dày : 3mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12

mm, 15 mm, 16 mm, 18mm, 20mm, 25 mm, 30 mm, 40mm, 50mm ,100 mm, 300

mm

- Xác định các kích thước ghi trên bản vẽ

+ Xác định kích thước tổng thể của kết cấu hàn (chiều dài, chiều rộng, …) + Xác định kích thước của các chi tiết trong kết cấu hàn Ví dụ: Trong một kết

cấu dàn cần xác định kích thước của thanh biên, thanh giằng, bản nối…

- Xác định các ký hiệu ghi trên bản vẽ

+ Ký hiệu về sai số kích thước, ký hiệu về độ nhám bề mặt…

+ Ký hiệu về vật liệu …

- Liệt kê đầu đủ các lại vật liệu chế tạo nên kết cấu hàn

Trong một kết cấu hàn có thể có các chi tiết được làm từ các loại vật liệu khác nhau và có kích thước khác nhau Ví dụ: Trong một kết cấu dàn thì thanh biên thường

có kích thước lớn hơn thanh giằng

5.2 Tính toán v ật liệu sẽ cấu thành nên kết cấu hàn

Thông thường khi tính toán vật liệu sẽ cấu thành nên kết cấu hàn người ta thường dựa vào bảng sau:

STT Tên chi tiết Hình vẽ chi tiết lượng Số Vật liệu Ghi chú

1

2

- Tên chi tiết có thể chỉ cần ghi ký hiệu của chi tiết đó mà trên bản vẽ đã ký hiệu

- Hình vẽ của chi tiết cần phải vẽ chính xác hình dạng và chi đầy đủ kích thước của chi tiết đó

- Số lượng chi tiết cần xác định chính xác tránh chuẩn bị thiếu hoạc thừa

- Vật liệu xác định đúng chi tiết đó được chế tạo từ vật liệu gì

C ÂU H ỎI ÔN TẬP, BÀI TẬP

Câu 1: Trình bày ưu, nhược điểm của kết cấu hàn?

Câu 2: Trình bày phương pháp tính vật liệu gia công két cấu hàn?

CHƯƠNG 2: TÍNH ĐỘ BỀN CỦA MỐI HÀN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI

TR ỌNG TĨNH

Gi ới thiệu:

Đối với kết cấu hàn, ngoài những yêu cầu về mặt tính năng sử dụng nhưđộ bền

ở các chế độ chịu tải tĩnh và động, ở các nhiệt độ và môi trường khác nhau, còn có

những đòi hỏi nhất định về mặt công nghệ hàn

Chương này trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản để tính toán độ bền của mối hàn dưới tác dụng của tải trọng tĩnh

Mục tiêu:

- Trình bày được cơ sở tính toán độ bền của mối hàn dưới tác dụng của tải trọng tĩnh;

- Trình bày được các phương pháp tính toán độ bền của mối hàn;

- Tính toán được độ bền của mối hàn giáp mối, độ bền của mối hàn chồng, độ bền của mối hàn chồng tổng hợp dưới tác dụng của tải trọng tĩnh;

- Tuân thủ quy định, quy phạm trong tính toán độ bền;

- Rèn luyện tính tự giác, kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc

N ội dung chính

1 Cơ sở tính toán độ bền của mối hàn chịu tác dụng của tải trọng tĩnh

1.1 Khái quát chung

Đánh giá độ bền của một kết cấu nói chung thường dựa vào việc tính toán và so sánh các giá trị ứng suất:

+ Một bên là ứng suất xuất hiện trong các phần tử hoặc tại một phần nào đó của kết cấu dưới tác dụng của hệ tải trọng

+ Một bên là giá trị giới hạn hay ứng suất cho phép đảm bảo cho kết cấu sử dụng được an toàn

Thực hiện sự so sánh các giá trị ứng suất nói trên chính là kiểm tra điều kiện bền

Các phương pháp tính toán bền hiện nay đều là các phương pháp gần đúng, do việc khi xây dựng chúng, người ta phải sử dụng hàng loạt các mô hình và giả thuyết gần đúng nhằm đơn giản hoá quá trình tính toán và tiện lợi cho việc áp dụng trong kỹ thuật

Để đánh giá độ bền của kết cấu một cách chính xác hơn đòi hỏi phải có điều kiện

kỹ thuật hiện đại với trình độ, phương tiện thí nghiệm và tính toán đủ mạnh Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, điều đó là rất phức tạp và có khi không thể thực hiện được Do vậy, việc sử dụng các phương pháp tính gần đúng sẽ giúp chúng ta thực hiện các bài toán kỹ thuật một cách dễ dàng

Về cơ bản, từ trước tới nay, trong tính toán độ bền kết cấu hàn, chúng ta vẫn sử dụng 2 phương pháp truyền thống sau đây:

1 – Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép

2 – Phương pháp tính toán theo trạng thái tới hạn

1.2 Tính toán kết cấu theo ứng suất cho phép

Khi tính toán kết cấu theo ứng suất cho phép, điều kiện bền được biểu diễn như sau:

< []

Trong đó:  - ứng suất tại tiết diện nguy hiểm nhất của phần tử kết cấu

[] - ứng suất cho phép của vật liệu

Đối với các vật liệu thường dùng (vật liệu có độ dẻo thoả mãn) [] được xác định theo giới hạn chảy(ch) và hệ số an toàn (k):

[] = ch/k

Giá trị này tương ứng với ứng suất cho phép khi kéo []k = [] và được gọi là

ứng suất cho phép cơ sở, tức là dùng nó làm giá trị cơ sở để xác định các loại ứng suất

cho phép khác, cụ thể là:

Đối với các phần tử chịu nén:

- Không có hiện tượng uốn dọc: []n = []

- Khi có hiện tượng uốn dọc: []n = .[]

trong đó - hệ số uốn dọc (   1 )

Đối với các phần tử chịu uốn: []u = []

Đối với các phần tử chịu cắt: [ ]= (0,5- 0,6)[], tuỳ thuộc vào lý thuyết bền nào được sử dụng để tính toán

Hệ số an toàn( k) là một thông số kinh tế – kỹ thuật quan trong, bởi lẽ:

Nếu k càng cao thì mức độ an toàn càng lớn nhưng [] sẽ càng bé, kích thước kết cấu tăng và do vậy giá thành vật liệu, công chế tạo và giá thành chung của sản phẩm tăng Ngược lại, nếu k càng bé thì mức độ an toàn càng giảm và giá thành sản phẩm càng thấp Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, thường k = 1,4 - 1,6

Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép thật đơn giản Đó là ưu điểm nổi bật của nó Phương pháp truyền thống này đã được sử dụng trong một thời gian dài và

tỏ ra là một phương pháp rất thuận lợi và đủ tin cậy

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của nó là dùng chung một giá trị [] đối với một loại vật liệu mà không có sự cân nhắc cụ thể đến từng yếu tố thiết kế – kết cấu – công nghệ của kết cấu, đặc biệt là từng phần, từng bộ phận riêng biệt của nó( trong cùng một kết cấu, các bộ phận có thể làm việc trong những điều kiện khác nhau) dẫn đến việc tính toán có thể không thực sự chính xác và gây lãng phí về vật liệu và chi phí chế tạo Trong những thập kỷ gần đây, trong một số lĩnh vực xuất hiện một phương pháp tính toán khác dưới tên gọi: “ tính toán theo trạng thái tới hạn”

1.3 Tính toán kết cấu theo phương pháp trạng thái tới hạn

Đây là phương pháp khá phổ biến trong các tiêu chuẩn và quy phạm thiết kế kết cấu thép thuộc lĩnh vực xây dựng và giao thông vận tải,…

1.3.1 Khái niệm về trạng thái tới hạn

Trạng thái tới hạn của kết cấu được hiểu là trạng thái khi mà kết cấu bắt đầu không đáp ứng được các yêu cầu sử dụng nữa, tức là không còn khả năng chống lại tác dụng của tải trọng hoặc đã xuất hiện những hỏng hóc cục bộ hoặc đã có những biến dạng vượt quá mức cho phép

Có thể phân biệt 3 trạng thái tới hạn như sau:

Trạng thái tới hạn thứ nhất: Được xác định bằng khả năng chịu lực của phần tử kết

cấu: độ bền tĩnh, độ bền mỏi, độ ổn định,…

Trạng thái tới hạn thứ hai: Được đặc trưng bằng sự phát triển các loại biến dạng lớn:

độ võng cực đại của dầm khi uốn,…

Trạng thái tới hạn thứ ba: Được đặc trưng bằng những hỏng hóc cục bộ không cho

phép: độ mở hay kích thước của các vết nứt,…

Thông thường, các phần tử kết cấu kim loại được tính toán theo trạng thái tới hạn thứ nhất trạng thái tới hạn thứ hai thường được dùng để tính toán kết cấu kim loại

ở dạng tổng thể Còn trạng thái tới hạn thứ ba chủ yếu sử dụng để tính toán các kết cấu

Trong đó: N - tải trọng tính toán( có thể là lực hay mômen)

Tải trọng N có trị số bằng tải trọng định mức nhân với hệ số quá tải n:

N = n.N đ với n≥ 1 Như vậy có thể hiểu tải trọng tính toán N là tải trọng lớn nhất có thể xảy ra trong thời

gian kết cấu sử dụng và lấy làm cơ sở trong các sơ đồ tính toán Còn tải trọng định

mức N đ( hay tải trọng tiêu chuẩn) là tải trọng lớn nhất có thể xuất hiện trong điều kiện làm việc bình thường Nó được xác định bằng phương pháp thống kê xác suất và đưa vào các tiêu chuẩn thiết kế

F - đặc trưng hình học của tiết diện( diện tích, mômen chống uốn,…);

m - hệ số điều kiện làm việc;

R - độ bền tính toán của vật liệu;

Độ bền tính toán của vật liệu R được xác định theo độ bền định mức R đ( đối với thép là kết cấu thường lấy bằng giới hạn chảych) và hệ số đồng nhất của vật liệu

a, Hệ số điều kiện làm việc m ước định mức độ quan trọng của từng phần tử kết cấu,

của các nút liên kết, khả năng xuất hiện biến dạng trong các phần tử thành mỏng,…

+ Đối với phần lớn kết cấu: m =1

+ Đối với kết cấu loại trụ, cột: m = 0,9

+ Đối với các loại bể chứa, bồn, bình: m = 0,8

Dễ nhận thấy nếu kết cấu càng quan trọng thì giá trị m lấy càng bé

b, Hệ số không đồng nhất của vật liệu K ước định những khả năng sai lệch về đặc tính bền của vật liệu so với những giá trị định mức Giá trị của K phụ thuộc chủ yếu

vào loại vật liệu và quá trình công nghệ sản xuất ra loại vật liệu đó

Ví dụ:

- T hép cán cacbon thấp: K = 0,90

- Thép cán hợp kim thấp: K = 0,85

- Thép đúc: K = 0,75

c, Hệ số quả tải n: Đối với từng loại tải trọng tác dụng lên kết cấu, người ta quy định

một hệ số quá tải tương ứng Ví dụ:

+ Tự trọng: - Nhà công nghiệp, bồn bình chứa khí: n = 1,1

Tuy vậy, hiện nay phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép vẫn được sử dụng rộng rãi trong tính toán bền các chi tiết và kết cấu máy Phương pháp tính toán theo trạng thái tới hạn được dùng chủ yếu được dùng để tính toán các loại kết cấu trong xây dựng và giao thông vận tải

Như vậy, theo phương pháp trạng thái tới hạn hay ứng suất cho phép, chúng ta

có thể gặp một trong ba lớp bài toán sau đây:

1.Theo tải trọng cho trước (Ni) và đặc trưng hình học của phần tử kết cấu( Fi) cần kiểm tra điều kiện bền

2.Theo vật liệu [] hay độ bền tính toán( R) cho trước và đặc trưng hình học của phần tử kết cấu (Fi ), xác định tải trọng lớn nhất cho phép tác dụng lên kết cấu

3.Theo tải trọng( Ni) và vật liệu với [] hay( R) cho trước xác định kích thước

và các đặc trưng hình học của mặt cắt ngang (Fi ) của phần tử kết cấu

Sử dụng trạng thái tới hạn thứ hai để tính toán kết cấu là nhằm đảm bảo độ cứng cần thiết của nó, sao cho biến dạng gây ra dưới tác dụng của hệ tải trọng không vượt quá giá trị cho phép

1.4 Độ bền tính toán và ứng suất cho phép của liên kết hàn

Liên kết hàn có tính nguyên khối không tháo rời được và là một bộ phận quan trọng của kết cấu hàn Dưới tác dụng của ngoại lực trong các tiết diện của mối hàn sẽ xuất hiện nội lực gây ra trạng thái ứng suất biến dạng cho nó Vì thế tất cả các công thức được sử dụng trong các phương pháp truyền thống nêu trên đều ứng dụng để tính toán bền cho cả kết cấu và cho cả các liên kết hàn Điều đáng chú ý là khi tính toán các liên kết hàn, ứng suất cho phép và độ bền tính toán của liên kết hàn và của kim loại cơ bản có thể rất khác nhau

Để tiện sử dụng, trong những phần tiếp theo, chúng ta quy ước như sau:

 Đối với kim loại cơ bản: R; R c   ,  

 Đối với liên kết hàn: R’; R’c  ,'   '

1.4.1 Độ bền tính toán R’ của liên kết hàn

Được xác lập trên cơ sở:

- Loại vật liệu cơ bản

- Loại mối hàn: giáp mối, góc,

- Trạng thái chịu lực: kéo, nén, cắt,…

- Chất lượng của qui trình công nghệ hàn: tức là phụ thuộc vào chất lượng của mối hàn và mức độ tin cậy trong kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn

1.4.2 Ứng suất cho phép

Cũng như độ bền tính toán của liên kết hàn, các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến ứng suất cho phép là trạng thái chịu lực và chất lượng của quy trình công nghệ hàn( phương pháp hàn và phương pháp kiểm tra chất lượng hàn) Theo đó, các liên kết hàn được phân thành 2 nhóm:

- Nhóm thứ nhất: gồm các liên kết hàn được thực hiện bằng các phương pháp hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc hay trong môi trường khí bảo vệ cũng như hàn hồ quang tay bằng que hàn có chất lượng tốt ( N42A, N50A,…)

- Nhóm thứ hai: gồm các liên kết hàn hồ quang tay bằng que hàn chất lượng thường

Căn cứ vào loại liên kết thuộc nhóm nào, trong kỹ thuật người ta quy định giá trị ứng suất cho phép của nó theo một tỷ lệ nhất định so với ứng suất cho phép của vật liệu cơ bản   ' f   , với f 1

Ví dụ, ứng suất cho phép của liên kết hàn trong các kết cấu thép cacbon thấp, hợp kim thấp và trung bình( 14CrMnSi, 15MnSi, 9Mn2,…) được quy định như sau:

Nhóm liên kết ứng suất cho phép của liên kết hàn khi:

- Khi kéo:  , k  144MPa

- Với các liên kết hàn tiếp xúc điểm và đường, ứng suất cho phép khi cắt của điểm hàn được xác lập theo cơ tính của kim loại cơ bản và mức độ hoàn thiện của quy trình công nghệ hàn Thông thường  , 0,5  

Với các loại vật liệu đặc biệt: thép bền nhiệt, thép không gỉ,… do cơ tính của vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại mối hàn thấp hơn so với kim loại cơ bản nên ứng suất cho phép của liên kết hàn thường được xác định trên cơ sở thử nghiệm kết cấu trong các điều kiện làm việc cụ thể về áp suất, nhiệt độ, môi trường,…

1.5 Tính toán liên kết hàn theo phương pháp đồng bền

Trong nhiều trường hợp kích thước và hình dáng của các phần tử đã được chọn theo giá trị của ứng lực tính toán, tức là đã tính toán và thiết kế xong kết cấu cơ bản Nhiệm vụ tiếp theo là phải xác định kích thước cần thiết cho mối hàn sao cho khả năng chịu lực của nó không kém hơn kim loại cơ bản Nói cách khác, mối hàn phải có độ bền tương đương( hay còn gọi là đồng bền )với vật liệu cơ bản,

Giả sử Pmax, Mmax - là yếu tố lực lớn nhất cho phép tác dụng lên một

phân tử nào đó của kết cấu

P’max, M’max - là yếu tố lực lớn nhất cho phép tác dụng lên liên

Ví dụ: Thép cacbon thấp liên kết hàn nhóm 2 làm việc trong điều kiện chịu kéo

với  , 0,9  , 

  0,99

,0

Như vậy, nếu so sánh với 3 lớp bài toán bền thông thường thì có thể xếp bài toán đồng bền thuộc loại thứ 4: chỉ cần biết trước kích thước hình học của phần tử chịu lực, ta có thể xác định được kích thước yêu cầu của các liên kết hàn

2 Tính toán độ bền mối hàn giáp mối

2.1 Cơ sở tính toán

Liên kết hàn giáp mối(trong xây dựng còn gọi là đối đầu, giáp mép) :

Đặc điểm: Các chi tiết cùng nằm trong một mặt phẳng nên điều kiện truyền lực tốt, không bị uốn, hệ số tập trung ứng suất bé, cấu tạo đơn giản và ít chi phí vật liệu

Có 2 loại: thẳng góc và xiên

2.1.1 Liên kết hàn thẳng góc với ngoại lực F

Ứng lực cho phép (lực kéo lớn nhất mà liên kết hàn có thể chịu được) tác dụng lên liên kết giáp mối sẽ là:

khi kéo F k(max) = []’.l.h khi nén F n(max) = []’.l.h

trong đó:

l- chiều dài tính toán của mối hàn, lấy bằng chiều rộng b của liên kết trong

trường hợp phần đầu và phần cuối mối hàn được điền đầy hoàn toàn

Trên thực tế, vị trí gây hồ quang và nơi kết thúc hồ quang thường không được điền đầy, hình thành loại khuyết tật gọi là lõm đầu và lõm cuối mối hàn ở đây cũng thường tập trung các tạp chất có hại có thể gây rỗ và nứt Vì thế để lấy chiều dài mối hàn bằng chiều rộng chi tiết khi hàn cần phải áp dụng các biện pháp công nghệ cần thiết Ví dụ, dùng các bản nối công nghệ để gây hồ quang và kết thúc hồ quang và cắt

bỏ sau khi hàn Trong trường hợp không khắc phục được thì có thể lấy l=b-2t

h- chiều dày tính toán , được xác định trong hai trường hợp:

+ Nếu mối hàn thấu hoàn toàn: xác định theo chiều dày của các chi tiết mối nối:

h= t 1 hoặc h= t 2 ( trường hợp các chi tiết có sự khác nhau về chiều dày)

+ Nếu mối hàn thấu một phần( hình 2.3) thì giá trị h lấy theo chiều sâu thấu a hoặc 2a

như trong các hình vẽ minh hoạ

Hình 2.1: Tính toán liên kết hàn giáp mối

Hình 2.2: Chiều dày tính toán của mối hàn giáp mối

Như vậy phần nhô( phần lồi) của mối hàn không được tính vào tiết diện làm

việc của mối hàn Điều đó giúp chúng ta hiểu rằng: phần nhô mối hàn là không cần

thiết và quan niệm cho rằng mối hàn có phần nhô càng cao thì càng bền là sai lầm!

Trong các tiêu chuẩn người ta quy định phần nhô mối hàn là nhằm tránh sự hụt

hững về kích thước mối hàn do những biến đổi và sự không ổn định khi hàn của các

thông số như: điện áp, dòng điện, chiều dài hồ quang, vận tốc hàn,

Nếu     '  có nghĩa là kim loại mối hàn có độ bền tương đương với kim

loại cơ bản Tuy nhiên, đối với một số vật liệu, đặc biệt là thép có độ bền cao, vùng

yếu nhất trong liên kết hàn chính là vùng ảnh hưởng nhiệt - nơi có thể có sự thay đổi

về tổ chức và cơ tính của vật liệu theo xu thế xấu hơn Trong trường hợp đó, việc

kiểm tra bền của liên kết cần phải tiến hành đối với tiết diện yếu nhất thuộc vùng ảnh

hưởng nhiệt với các giá trị ứng suất cho phép được xác định qua các thí nghiệm chuẩn

* Ví d ụ: Cho mối hàn giáp mối như hình vẽ.Biết lực kéo F=260KN ,

[]’=28KN/cm2, chiều dày s = 8mm Hãy xác định chiều rộng của tấm ghép

để kết cấu đảm bảo điều kiện bền?

l: chiều dài tính toán của mối hàn, lấy bằng chiều rộng b của liên kết Trong

trường hợp trên coi như phần đầu và phần cuối mối hàn được điền đầy hoàn toàn

h: chiều dày tính toán, từ hình vẽ trên coi mối hàn thấu hoàn toàn

Ví d ụ: Cho mối hàn giáp mối như hình vẽ:

Biết rằng lực kéo N=260 KN,   '=28 KN/cm2, Vật liệu có S = 8 mm,  = 600 Hãy xác định chiều rộng của tấm ghép để kết cấu đảm bảo điều kiện bền?

l s



Với lực Nkđã biết

l: chiều dài tính toán của mối hàn

h: chiều dày tính toán, từ hình vẽ trên coi mối hàn thấu hoàn toàn Vậy h = s

Để kết cấu đảm bảo điều kiện bền

'

3 Tính toán độ bền mối hàn chồng

3.1 Cơ sở tính toán

Liên kết hàn chồng được tạo nên từ các mối hàn góc

Các mối hàn góc thường có hình dáng khác nhau:

- loại bình thường: có dạng là 1 tam giác vuông cân cạnh huyền thẳng

- lồi: tam giác vuông cân cạnh huyền lồi

- lõm: tam giác vuông cân cạnh huyền lõm

- tam giác vuông với các cạnh góc vuông khác nhau

Chiều sâu ngấu của mối hàn phụ thuộc rất nhiều vào quá trình hàn được sử dụng:

Ví dụ, hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc có chiều sâu ngấu lớn hơn nhiều so với hàn hồ quang tay, hàn bằng diện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ

Hình 2.5: Chiều sâu ngấu phụ thuộc vào quá trình hàn

a) hàn hồ quang tay; b) hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

Khả năng chịu lực của liên kết hàn chồng phụ thuộc vào kích thước của tiết diện

tính toán của mối hàn góc( còn gọi là tiết diện nguy hiểm) Tiết diện tính toán chứa chiều dày tính toán mối hàn góch p

Chiều dày tính toán mối hàn góc phụ thuộc vào chiều sâu ngấu và quy trình hàn được áp dụng nên việc xác định hình dạng và kích thước thực của nó rất khó khăn và phức tạp Chính vì thế trong tính toán bền, chiều dày tính toán mối hàn góc có thể xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

h p = K

Tiêu chuẩn GOST lấy hệ số  lấy như sau:

- Hàn hồ quang tay, hàn tự động nhiều lớp , bán tự động nhiều lớp: =0,7

- Hàn bán tự đông 2->3 lớp: =0,8

- Hàn tự động 2->3 lớp và hàn bán tự động 1 lớp : = 0,9

- Hàn tự động 1 lớp : =1,0 -1,1

Chiều dày tính toán mối hàn góc h p tối thiểu trong kết cấu máy là 3mm, trừ khi vật

liệu có chiều dày mỏng hơn 3mm Chiều dày tính toán mối hàn góc h p tối đa không bị hạn chế, nhưng loại mối hàn có cạnh K>20mm ít gặp trong thực tế

Với lý do công nghệ, chiều dày tính toán của mối hàn góc có thể lấy trong giới hạn sau đây:

Và chiều dày tính toán của mối hàn góc tối đa cũng không thể vượt quá 0,7 lần chiều

dày chi tiết hàn, tức là maxh p = 0,7 minS

Trong liên kết hàn chồng, các chi tiết được đặt chồng lên nhau Phụ thuộc vào phương trục của các mối hàn góc so với phương của lực tác dụng, nguời ta phân biệt:

- Mối hàn ngang: nằm thẳng góc với lực tác dụng

- Mối hàn dọc: cùng phương với lực tác dụng

- Mối hàn xiên: hợp với chiều của lực tác dụng 1 góc nào đó

Lực P chuyển qua 2 mối hàn nghĩa là có hai mối hàn tham gia chịu lực

Do liên kết không nằm trên 1 mặt phẳng do đó có hiện tượng uốn (do lệch tâm)

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, nếu c ≥ ( 4 -> 5)s thì có thể bỏ qua ảnh hưởng

của hiện tượng uốn

5,0maxminh p  S 

Hình 2.7 Tiết diện tính toán của mối hàn góc

Hãy xem xét khả năng chịu lực của các mối hàn góc: Trong mối hàn xuất hiện hai thành phần ứng suất: ứng suất pháp  trên mặt đứng và ứng suất tiếp  trên mặt nằm ngang của mối hàn

Có nhiều quan điểm tính toán khác nhau, tuy nhiên phổ biến nhất là quy tắc: Độ

bền của mối hàn góc phải đượckiểm tra theo chế độ cắt trên tiết diện được coi là nguy hiểm nhất

Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh , trên hình vẽ, tiết diện được coi là nguy hiểm

nhất chính là tiết diện 0-3 có với chiều dày tính toán h p = .K Theo điều kiện bền,

ứng suất xuất hiện trên đó không được lớn hơn ứng suất cho phép khi cắt của liên kết hàn góc Như vậy, công thức để xác định ứng lực cho phép đối với liên kết hàn chồng có 1 mối hàn ngang sẽ là:

* Ví d ụ:Cho kết cấu chịu lực như hình vẽ:

Biết lực kéo N = 450KN,   '= 28KN/cm2, B = 260mm Sử dụng phưng pháp hàn hồ quang tay, tiết diện ngang của mối hàn là loại bình thường (có dạng là 1 tam giác vuông cân cạnh huyền thẳng)

Xác định bề dày (s) của tấm ghép để kết cấu đảm bảo điều kiện bền?

Bài gi ải:

Theo thuyết bền:

 

l: chiều dài tính toán của mối hàn, lấy bằng chiều rộng B của liên kết

2.(0, 65.28).0, 7.26

Kết luận: Bề dày của tấm ghép để kết cấu đảm bảo điều kiện bền S ≥ 0,67cm

(Trong thực tế không có loại thép theo tính toán, ta chọn lên loại thép có chiều dày gần nhất)

3.2.2 Mối hàn dọc trong liên kết hàn chồng

Trong liên kết xuất hiện 2 loại ứng suất:

- Do kim loại cơ bản và kim loại mối hàn cùng biến dạng với nhau trong các mối hàn dọc xuất hiện ứng suất dính kết Như đã nói ở trên loại ứng suất này ta

sẽ không xét đến khi kiểm tra bền của liên kết

- Theo các mặt phẳng tiếp xúc của kim loại mối hàn với từng chi tiết hàn xuất hiện ứng suất cắt Đây là loại ứng suất làm việc của liên kết

Hình 2.8 Liên kết hàn dọc

Tính toán độ bền các mối hàn tiến hành theo mặt phẳng cắt nguy hiểm nhất (trùng với đường phân giác của góc vuông) Khả năng chịu lực của liên kết dựa trên giả thuyết cho rằng ứng suất dọc theo mối hàn phân bố đều Đối với liên kết đã giới thiệu, công thức tính sẽ có dạng:

P max = 2  '.K.l

Nếu xét đến ảnh hưởng của sự tập trung ứng suất ( ta sẽ xem xét sau) chiều dài

tính toán của các mối hàn dọc l≤50K

3.2.3 Mối hàn xiên

Loại này thường được thiết kế cùng với các mối hàn ngang và các mối hàn dọc

Tính toán bền mối hàn xiên cũng tiến hành theo công thức:

P =   '.K.l

Hình 2.9 Mối hàn xiên

4 Tính toán độ bền mối hàn hỗn hợp

4.1 Cơ sở tính toán

Thực ra sự phân bố ứng lực trong từng mối hàn của liên kết là không giống nhau Tuy nhiên có thể sử dụng nguyên tắc độc lập tác dụng của ngoại lực để tính toán khả năng chịu lực cho loại liên kết này

x d

K K K

K n  d  x  thì : P KL   '

trong đó L – là tổng chiều dài của các mối hàn

Với liên kết bất đối xứng, ví dụ một thanh thép góc được liên kết với một tấm phẳng ( hình vẽ ), ta cần chú ý tới sự phân bố ứng lực trong các mối hàn dọc là không giống nhau

Hình 2.11: Ví dụ tính toán

Tải trọng P sẽ làm xuất hiện nội lực trong mối hàn ngang và các mối hàn dọc

Trong đó, mối hàn ngang sẽ chịu một ứng lực là : P n      '.K l n.n.

Và các mối hàn dọc phải chịu phần ứng lực còn lại:

P d = P - P n

Rõ ràng P d sẽ phân bố không đều trong 2 mối hàn dọc mà phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng đến trục trọng tâm, do đó yêu cầu về chiều dài của các mối hàn dọc cũng

sẽ khác nhau

Trong mối hàn dọc chiều dài l1 ứng lực sẽ là:

Trong mối hàn dọc chiều dài l2ứng lực sẽ là:

n

n d d

l

l P

1 1

l K

2 2

l K