Bài giảng Kết cấu thép: Chương 2 - ThS. Cao Tấn Ngọc Thân

KẾT CẤU THÉP KẾT CẤU THÉP

 Chương 0 Tổng quan về Kết Cấu Thép

 Chương 1 Vật Liệu và Sự Làm Việc của KC Thép

 Chương 2 Liên Kết Kết Cấu Thép

 Chương 3 Dầm Thép

 Chương 4 Cột Thép

 Chương 5 Dàn Thép

KẾT CẤU THÉP KẾT CẤU THÉP

Chương 2

LIÊN KẾT KCT

NỘI DUNG NỘI DUNG

A – Liên kết hàn

B – Liên kết bu lông C – Liên kết đinh tán

A - LIÊN KẾT HÀN A - LIÊN KẾT HÀN

I. Các phương pháp hàn

trong KCT

II. Các loài đường hàn và

cường độ tính toán

III. Các loại liên kết hàn và

phương pháp tính toán

IV. Ứng suất hàn và biến

hình hàn

I. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KCT I. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KCT

 Phương pháp hàn chính là hàn hồ quang điện gồm:

1. Hàn hồ quang điện bằng tay

 Khi khối lượng hàn nhỏ: dùng hàn hơi

 Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra

2. Hàn hồ quang điện tự động và bán tự động

1. Hàn hồ quang điện bằng tay

- Dưới tác dụng của dòng điện, hồ quang điện sẽ xuất hiện

- Nhiệt độ của ngọn lửa hồ quang (2000oC) làm nóng chảy

giữa 2 cực là kim loại cần hàn và que hàn

- Bản chất của đường hàn là sự

mép của thép cơ bản (sâu 1,5-2mm) và que hàn

liên kết giữa các phân tử của

- Đường hàn có thể chịu lực

các kim loại bị nóng chảy

Hàn hồ quang điện bằng tay

tương đương như thép cơ bản

1. Hàn hồ quang điện bằng tay

- Que hàn:

+ Dài 200 – 450mm

+ Lõi kim loại đường kính 1,6-6mm

+ Lớp thuốc hàn dày 1-1,5mm bọc xung quanh (~80%

- Tác dụng của lớp thuốc hàn:

CaCO3)

+ Khi cháy tạo lớp xỉ cách ly, ngăn cản oxy và nitơ lọt vào kim

loại làm đường hàn trở nên giòn

+ Tăng sự ion hóa xung quanh làm hồ quang được ổn định

+ Tăng độ bền của đường hàn

1. Hàn hồ quang điện bằng tay

- Que hàn được phân loại theo cường độ tức thời của kim loại

đường hàn

VD: Que hàn N42 có b = 4100 daN/cm2 - Chọn que hàn sao cho: độ bền kéo tức thời của kim loại que

- Với thép cacbon và thép hợp kim thấp, que hàn lấy theo

hàn không được nhỏ hơn của thép được hàn

Loại que hàn có thuốc bọc

Mác thép

TCVN 3223 : 2000

CCT34; CCT38; CCT42; CCT52

N42; N46

N46; N50

09Mn2; 14Mn2; 09Mn2Si; 10Mn2Si1

Que hàn dùng ứng với mác thép

TCVN 3223 - 2000

2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động

- Nguyên lý giống hàn tay

- Cuộn dây hàn trần + thuốc hàn được rải trước trên rãnh hàn

- Dây hàn sẽ nhả dần theo tốc độ di chuyển đều của máy hàn

- Khi máy hàn di chuyển bằng tay  Hàn nửa tự động

2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động

- Ưu điểm: + Tốc độ hàn nhanh (gấp 5-10 lần

hàn tay)

+ Chất lượng đường hàn tốt + Hồ quang chìm  bảo vệ sức

- Khuyết điểm: + Chỉ hàn được các đường hàn

khỏe

nằm thẳng, tròn

+ Không hàn được các đường hàn đứng, các đường hàn ở vị trí trật hẹp trên cao…

3. Hàn hơi (hàn khí 0xy – axetylen)

- Dùng hàn những tấm thép mỏng dưới 3mm.

- Dùng để cắt những tấm thép dày mà máy không cắt được

axetylen

3200oC

oxy

4. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra

- Các yêu cầu chính khi hàn:

+ Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn

+ Cường độ dòng điện thích hợp

+ Gia công mép bản thép theo đúng quy định

+ Chọn que hàn phù hợp

+ Phòng ngừa biến hình hàn

4. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra

- Các phương pháp kiểm tra chất lượng

đường hàn:

+ Kiểm tra bằng trực quan: chỉ để phát hiện

những khuyết tật bên ngoài của đường hàn

như nứt rạn, lồi lõm không đều…

+ Kiểm tra bằng phương pháp vật lý (điện từ,

quang tuyến, siêu âm): cho kết quả chính xác

hơn

 áp dụng cho các công trình đặc biệt như

Thiết bị siêu âm kiểm tra đường hàn

bể chứa, đường ống

II. CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN & II. CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN & CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ TÍNH TOÁN

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn đối đầu b. Đường hàn góc

2. Các cách phân loại đường hàn khác

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU

- Liên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm trong một mặt phẳng

- Khe hở đối đầu giữa 2 cấu kiện có tác dụng để các chi tiết hàn biến

dạng tự do khi hàn, tránh cong vênh

- Đường hàn đối đầu có thể

thẳng góc hoặc xiên góc

so với trục cấu kiện

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU

- Khi bản thép dày (t > 8 mm, đối với hàn tay), cần gia công mép của

bản thép để:

+ Có thể đưa que hàn xuống sâu

+ Đảm bảo sự nóng chảy trên suốt chiều dày bản thép

- Hình thức gia công mép và kích thước khe hở phụ thuộc vào chiều

dày bản thép và phải tuân thủ theo quy định

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU

Dạng gia công mép

Măt cắt t, a, b, mm, α, độ

Hàn tay có hàn thêm mặt sau

Hàn tư động có hàn thêm mặt sau

2-20 0

a t

1-2 2-8

Không gia công mép

Dạng chữ V

14-24 0 6 60

t a b α

3-50 2 2 55

Dạng chữ K

20-30 0 6 45

t a b α

12-60 2 1 50

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU

Măt cắt t, a, b, mm, α, độ

Dạng gia công mép

Hàn tay có hàn thêm mặt sau

Hàn tư động có hàn thêm mặt sau

Dạng chữ X

t a b α

12-60 2 2 55

20-60 0 6-8 60

Dạng chữ U

t a b α

15-100 2 2 10

24-100 0 6-8 10-13

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU

- Ñöôøng haøn ñoái ñaàu truyeàn löïc toát, öùng suaát taäp trung raát

nhoû, ñöôïc coi nhö phaàn keùo daøi cuûa thanh cô baûn

- Cöôøng ñoä tính toaùn cuûa ñöôøng haøn ñoái ñaàu phuï thuoäc:

+ Vaät lieäu que haøn

+ Phöông phaùp kieåm tra chaát löôïng ñöôøng haøn

1. Các loại đường hàn

a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU

- Khi chịu nén: cường độ tính toán không phụ thuộc vào

phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

 fwc = f : cường độ tính toán thép cơ bản.

- Khi chịu kéo:

 Kiểm tra bằng phương pháp vật lý: fwt = f

 Kiểm tra bằng phương pháp thông thường: fwt = 0,85f

- Khi chịu cắt: fwv = fv : cường độ chịu cắt của thép cơ bản

1. Các loại đường hàn

b. Đường hàn GÓC

- Đường hàn góc nằm ở góc vuông tạo bởi 2 cấu kiện

- Tiết diện đường hàn: tam giác vuông

cân, hơi phồng ở giữa, cạnh của tam

giác gọi là chiều cao đường hàn

1. Các loại đường hàn

b. Đường hàn GÓC

 giảm ứng suất tập trung trong đường hàn góc đầu

- Khi chịu tải trọng động: dùng đường hàn lõm hay đường hàn thoải

Măt cắt t, a, b, mm, α, độ

Dạng gia công mép

Hàn tay có hàn thêm mặt sau

Hàn tư động có hàn thêm mặt sau

Không gia công mép

2-30 2-30

a)6-14 b)3-40

t t1

t t1 L

1-20 - 20-90

2-60 2-60 2(t+t1)

t t1 a b α

4-26 4-26 2 1-2 50

8-20 - 2 2 50-40

Dạng chữ K

t t1 a b α

12-60 12-60 2 1 50

16-40 - 0 4 50

1. Các loại đường hàn

b. Đường hàn GÓC

min  hf  1,2 tmin

Chiều cao đường hàn hf

với tmin là chiều dày nhỏ nhất trong số các bản được liên kết chồng,

hoặc chiều dày bản đứng t trong liên kết chữ T

với hf min là chiều cao tối thiểu của đường hàn góc

Phương pháp hàn

hfmin khi chiều dày của bản thép dày tmax mm 4-6

6-10 11-16 17-22 23-32 33-40 41-80

Tay

Tự động Nửa tự động

1. Các loại đường hàn

b. Đường hàn GÓC

- Tùy theo vị trí của đường hàn so với phương của lực tác dụng,

chia ra:

+ Đường hàn GÓC CẠNH

+ Đường hàn GÓC ĐẦU

1. Các loại đường hàn

b. Đường hàn GÓC

- Đường hàn góc cạnh khi truyền lực:

+ Đường lực thay đổi phức tạp

+ Ứng suất phân bố không đều

+ Hai mút của đường hàn có max  để giảm bớt sự phân bố không đều

của ứng suất, không

được dùng đường hàn

quá dài

1. Các loại đường hàn

b. Đường hàn GÓC - Trong tính toán đường hàn góc chỉ chịu cắt quy ước và phá hoại

theo một trong hai tiết diện:

 cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn : fwf

+ Dọc theo biên nóng chảy của thép cơ bản (tiết diện 2)

 cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy: fws = 0,45fu

+ Dọc theo kim loại đường hàn (tiết diện 1)

1. Các loại đường hàn

Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính

toán fwf của kim loại hàn trong mối hàn góc

b. Đường hàn GÓC

Cường độ kéo đứt

Loại que hàn

Cường độ tính

tiêu chuẩn fwun

TCVN 3223 : 1994

toán fwf (daN/cm2)

(daN/cm2)

N42, N42 – 6B

4100

1800

N46, N46 – 6B

4500

2000

N50, N50 – 6B

4900

2150

2. Các cách phân loại đường hàn khác

- Theo công dụng:

+ Đường hàn chịu lực (để truyền lực)

+ Đường hàn không chịu lực (chỉ để cấu tạo)

- Theo vị trí không gian:

2. Các cách phân loại đường hàn khác

- Theo địa điểm chế tạo:

+ Đường hàn nhà máy

+ Đường hàn công trường

- Theo tính liên tục của đường hàn:

+ Đường hàn liên tục

+ Đường hàn không liên tục

2. Các cách phân loại đường hàn khác

Tên gọi

Đường hàn nhà máy

Đường hàn công trường

Đường hàn đối đầu

Đường hàn góc

Đường hàn góc đứt đoạn

III. CÁC LOẠI LIÊN KẾT & III. CÁC LOẠI LIÊN KẾT &

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU

2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GÓC

3. Liên kết có BẢN GHÉP

4. Liên kết HỖN HỢP

5. Tính toán liên kết hàn với ĐƯỜNG HÀN GÓC

chịu M và Q

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU

- Thường dùng để NỐI, ít dùng để liên kết thép hình vì khó

gia công mép

- ƯU: truyền lực tốt; cấu tạo

đơn giản; không tốn thép làm

bản ghép

- NHƯỢC: phải gia công mép

các bản thép

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU





 w

 c

N tl

N A w

- Với đường hàn đối đầu thẳng góc, kiểm tra bền theo công thức:

 lw = b - 2t : chiều dài tính toán đường hàn

 c : hệ số điều kiện làm việc

 fwt : cường độ tính toán của đường hàn khi chịu kéo

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU







  c

 wt wc

- Với đường hàn đối đầu xiên:

sin tl







 w

 c

w cos tl

sin A w cos A w





t 2

b  sin

 w

- Khi tg  2:1 (  67o), đường hàn xiên có độ bền bằng độ bền của

thép cơ bản  không cần kiểm tra độ bền của đường hàn

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU





 w

 c

M M  2 tl W w w 6

- Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M:

Ww: moment kháng uốn của đường hàn

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU





1,15

23    w

2 w

 c

- Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M và Q:



 w

 ; w

M W w

Q A w

 td

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

hàn

t 2

W  w

1. Liên kết ĐỐI ĐẦU

  b tl

2 tl w 6

wl A w

N





 w

 c

N A w

M





 w

 c

Mối hàn chịu M và N:

Q





 w

 c

M W w Q A w

  







 c





1,15

 td

23    w

2 w

 c

Mối hàn chịu M và Q:





1,15

  

2

 td

23  w

 c

Mối hàn chịu M, N và Q: 

Ví dụ : Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu 2 bản thép có

tiết diện 280x14mm chịu M=25kNm, Q=240kN, γc = 1

• Thép có cường độ tính toán f = 2100daN/cm2, que hàn N42,

hàn tay, phương pháp kiểm tra thông thường

• Đường hàn chịu tác dụng đồng thời của mômen và lực cắt





1,15



 td

2 23    w

c f



1687,13

daN cm /

  w



1, 4. 28 1, 4.2

M W w





680, 27

daN cm /

  w

6.250000  24000  1, 4 28 1, 4.2





Q A w



3. 680, 27

 1687,13





  td



2057,8

daN cm /



1,15.1800



2070

daN cm /

nên được kiểm tra bền theo:

2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC

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

Ít dùng cả 2 đường hàn GÓC ĐẦU + GÓC CẠNH để liên kết khi chịu lực Lớn vì có ứng suất hàn và ứng suất tập trung lớn

Thường để nối các thép bản có chiều dày nhỏ t = 2- 5mm; lk thép hình và thép bản

lại. Chú ý: đoạn chồng lên nhau a ≥ 5tmin

2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC

- Khi chịu lực trục N, coi ứng suất phân bố đều dọc đường hàn và bị

phá hoại do cắt

- Độ bền của đường hàn được kiểm tra đồng thời theo 2 tiết diện: tiết

diện 1 (theo vật liệu đường hàn) và tiết diện 2 (theo vật liệu của thép

cơ bản trên biên nóng chảy)

2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC



 c

 f

N 

- Tiết diện 1 (vật liệu đường hàn)



 c

 s

N 

- Tiết diện 2 (vật liệu của thép cơ bản trên biên nóng chảy)

 hf: chiều cao đường hàn góc  lw = ltt – 10mm  f, s : hệ số chiều sâu nóng chảy – theo tiêu chuẩn  hàn tay: f = 0,7 và s = 1







N f



 c

min







f f wf

f s ws



 

 min min

 Thiết kế:

lw ≥ max(4hf , 40mm) lw  85fhf: đường hàn góc cạnh

2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC

Hệ số

Phương pháp hàn và đường kính dây hàn

Vị trí của đường hàn trong không gian khi hàn

Giá trị của βt và βs khi chiều cao của đường hàn hfx mm 9-12 14-16 ≥18

3-8

Hàn tự động khi d = 3 – 5

1,1 1,15

0,7 1,0

βf βs

Trong máng (liên kết cánh I với bản bụng)

0,9

0,8

0,7

βf

Nằm

1,05

1,0

βs

Hàn tự động và nửa tự động khi d = 1,4 – 2

0,7

βf

1,0

Trong máng, nằm, đứng, ngang, ngược

βs

Hàn tay, nửa tự động với dây hàn đặc d ≤ 1,4 hoặc rỗng nhồi thuốc hàn

2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC

- Trường hợp liên kết thép hình bằng đường hàn góc

 Sự phân bố lực dọc trục N trên các đường hàn:

M = 0  N1e1 = N2e2  N1/e2 = N2/e1 = N/(e1+e2)

Cách liên kết

k

1 - k

 N1 = [e2/(e1+e2)]N = k.N

0,7

0,3

0,75

0,25

0,6

0,4

N2 = (1-k).N

Ví dụ

Thiết kế liên kết hàn tay giữa 2 thép góc số hiệu L100x10 với

bản thép có d=12mm, N=700kN, thép CT34 f =2100daN/cm2,

fu =3450daN/cm2, c = 1

- Thép CT34  dùng que hàn N42, có



min





min 0, 7.1800;1.1552









fwf = 1800daN/cm2 fws = 0,45.fu = 1552daN/cm2

f s ws

min

min 1260;1552

1260

 



daN cm /



   Kiểm tra đường hàn đi qua tiết diện?

- Hàn tay: f=0,7, s=1  f f wf

Ví dụ

- Chọn hf=10mm (hfmin=5mm ≤ hf ≤ 1,2tmin=12mm)

- Lực tác dụng:

+ đường hàn sống: N1=0,7N



19, 4

w 1

+ đường hàn mép: N2=0,3N

0, 7 f



 c

min



8, 3

0,3.70000 2.1.1260

- Chiều dài cần thiết của đường hàn 0, 7.70000 2.1.1260 l

N  w N 0, 3  f



 c

min

 Chọn lw1=20cm, lw2=9cm

3. Liên kết cĩ bản ghép

- Lực truyền qua các bản ghép bằng đường hàn góc đầu, góc cạnh

hoặc cả hai

- Ưu: Không gia công mép - Khuyết:

+ Tốn thép làm bản ghép

 Không dùng để chịu tải trọng

+ Lk có US tập trung lớn

 Thường vát cạnh và để lại đoạn

động

50mm không hàn

3. Liên kết cĩ bản ghép

- Kiểm tra bền của liên kết có bản ghép theo 2 điều kiện:

• Kiểm tra bền các bản ghép:

∑Abg≥A Abg – tổng diện tích tiết diện các bản ghép

A - diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản



 c

 f

 s

N 

• Kiểm tra bền các đường hàn gĩc:





min



;







 l w

f f wf

f s ws





min

N f



 c

min

- Khi thiết kế, chọn bản ghép  tính lw

4. Liên kết HỖN HỢP

- Giả thuyết: khi chịu N





hàn đối đầu = bản ghép

 c

  wt c

A bg

N  

- Điều kiện bền:  w

Khi tính toán:

- chọn bản ghép có bbg = b

bố trí đường hàn đối đầu -

A w bg

tính lực truyền qua bản ghép -

- tính tổng chiếu dài đường hàn góc để liên kết một bản ghép

5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC

chịu M và Q

- Ba trường hợp tính toán:

+ Chỉ có M

+ Chỉ có Q

+ Có cả M và Q

5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC

chịu M và Q

- Khi chỉ có M tác dụng:







 c

M W

+ Tính theo tiết diện 1:







 c

M W

+ Tính theo tiết diện 2:



;



 f

 s

Wwf, Wws: moment kháng uốn của tiết diện đường hàn 1 và 2



2 l w 6

5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC

chịu M và Q

- Khi chỉ có V tác dụng:





 1V

 c

+ Tính theo tiết diện 1:





 2V

 c

V A wf V A



l A ; w

A wf

 f

 s

+ Tính theo tiết diện 2:

Awf, Aws: diện tích tính tốn của tiết diện đường hàn 1 và 2 



5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC

chịu M và Q







 td

 c

M W

V A wf

   

   

   

   

+ Tính theo tiết diện 1: + Tính theo tiết diện 2:







 td

 c

M W

V A

  

  

  

  

- Khi có M và V cùng tác dụng:

Đường hàn GÓC













 c

min

M M  2 W h l f w











 c

min

N 













 td

 c

min



K N N ;

   1

 K N .

N 1

M W w

V A w

  

  

  

  

Ví dụ

Tính liên kết bản thép 500x12mm vào cột bằng các đường hàn

góc chịu lực V=700kN đặt lệch tâm so với đường hàn đoạn

e=150mm. Thép có f=2100daN/cm2 , fu=3450daN/cm2 . Dùng

que hàn N 42, hàn tay. c=1

- Chọn hf=12mm; lf=50-1=49cm

- Với que hàn tay có

fwf=1800daN/cm2 , βf = 0,7 fws=1550daN/cm2, βs=1

 (βff)min = ?  tiết diện tính toán?

Ví dụ



1561,8

daN cm /



6.1050000 2.0, 7.1, 2.49

M W

 f

2 h l f w

- Mômen lệch tâm: M = V.e = 70000.15 = 1050000daN cm

   

   



 M

70000 2.0, 7.1, 2.49

V A wf

V  2 h l f w f

daN cm /



1561,8



2 850,3

2 M

2    V



daN cm /





1800

daN cm /

 V

 Đường hàn đủ khả năng chịu lực

850,3  td 1778

IV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN IV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN

tượng biến hình hàn

- Lúc đĩ, trong thép cơ bản và trong đường hàn nảy sinh nội ứng suất  Ứng suất

hàn (ứng suất nhiệt, ứng suất co ngĩt)

1. Sự phát sinh Ứng Suất Hàn và Biến Hình Hàn - Khi hàn xong, do ảnh hưởng của nhiệt độ, cấu kiện thường bị cong vênh  Hiện

ƯS co ngót DỌC

- Ở trạng thái ứng suất Phẳng và ứng suất Khối: + ứng suất hàn làm tăng khả năng phá hoại dòn của kết cấu + Làm mất công sửa chữa cấu kiện.  Nên tìm cách làm giảm US HÀN và BIẾN HÌNH HÀN

Ưs co ngót NGANG

IV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN IV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN

2. Các biện pháp làm giảm Ưùng 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

+ 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

- BIỆN PHÁP THI CÔNG:

+ Chọn trình tự hàn thích hợp

+ Tạo biến dạng ngược khi hàn

+ Dùng khuôn cố định không cho kết cấu biến dạng khi hàn