Bài giảng Kết cấu thép - Chương 2: Liên kết kết cấu thép

1KẾT 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 Thép2KẾT CẤU THÉPChương 2LIÊN KẾT KCTA – Liên kết hànB – Liên kết bu lơngC – Liên kết đinh tánNỘI DUNG3Các phương pháp hàn trong KCTCác lồi đường hàn và cường độ tính tốnCác loại liên kết hàn và phương pháp tính tốnỨng suất hàn và biến hình hànA - LIÊN KẾT HÀN4Phương pháp hàn chính là hàn hồ quang điện gồm:	1. Hàn hồ quang điện bằng tay	2. Hàn hồ quang điện tự động và bán tự độngKhi khối lượng hàn nhỏ: dùng hàn hơiCác yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm traI. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KCT5Dưới tác dụng của dịng điện, hồ quang điện sẽ xuất hiện giữa 2 cực là kim loại cần hàn và que hànNhiệt độ của ngọn lửa hồ quang (2000oC) làm nĩng chảy mép của thép cơ bản (sâu 1,5-2mm) và que hànHàn hồ quang điện bằng tay61. Hàn hồ quang điện bằng tayBản chất của đường hàn là sự liên kết giữa các phân tử của các kim loại bị nĩng chảyĐường hàn cĩ thể chịu lực tương đương như thép cơ bảnQue hàn:	+ Dài 200 – 450mm	+ Lõi kim loại đường kính 1,6-6mm	+ Lớp thuốc hàn dày 1-1,5mm bọc xung quanh (~80% CaCO3)Tác dụng của lớp thuốc hàn:	+ Khi cháy tạo lớp xỉ cách ly, ngăn cản oxy và nitơ lọt vào kim loại làm đường hàn trở nên giịn	+ Tăng sự ion hĩa xung quanh làm hồ quang được ổn định	+ Tăng độ bền của đường hàn1. Hàn hồ quang điện bằng tay7Que hàn được phân loại theo cường độ tức thời của kim loại đường hàn	VD: Que hàn N42 cĩ b = 4100 daN/cm2Chọn que hàn sao cho: độ bền kéo tức thời của kim loại que hàn khơng được nhỏ hơn của thép được hànVới thép cacbon và thép hợp kim thấp, que hàn lấy theo TCVN 3223 - 2000Que hàn dùng ứng với mác thépMác thépLoại que hàn cĩ thuốc bọcTCVN 3223 : 2000CCT34; CCT38; CCT42; CCT52N42; N4609Mn2; 14Mn2; 09Mn2Si; 10Mn2Si1N46; N5081. Hàn hồ quang điện bằng tayNguyên lý giống hàn tayCuộn dây hàn trần + thuốc hàn được rải trước trên rãnh hànDây hàn sẽ nhả dần theo tốc độ di chuyển đều của máy hànKhi máy hàn di chuyển bằng tay  Hàn nửa tự động2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động9Ưu điểm:	+ Tốc độ hàn nhanh (gấp 5-10 lần hàn tay)	+ Chất lượng đường hàn tốt	+ Hồ quang chìm  bảo vệ sức khỏeKhuyết điểm:	+ Chỉ hàn được các đường hàn nằm thẳng, trịn	+ Khơng hàn được các đường hàn đứng, các đường hàn ở vị trí trật hẹp trên cao2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động10Dùng hàn những tấm thép mỏng dưới 3mm.Dùng để cắt những tấm thép dày mà máy khơng cắt được	axetylenoxy3200oC3. Hàn hơi (hàn khí 0xy – axetylen)11Các yêu cầu chính khi hàn:	+ Làm sạch gỉ trên mặt rãnh hàn	+ Cường độ dịng điện thích hợp	+ Gia cơng mép bản thép theo đúng quy định	+ Chọn que hàn phù hợp	+ Phịng ngừa biến hình hàn124. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm traCác phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn:	+ Kiểm tra bằng trực quan: chỉ để phát hiện những khuyết tật bên ngồi của đường hàn như nứt rạn, lồi lõm khơng đều	+ Kiểm tra bằng phương pháp vật lý (điện từ, quang tuyến, siêu âm): cho kết quả chính xác hơn 	 áp dụng cho các cơng trình đặc biệt như bể chứa, đường ốngThiết bị siêu âm kiểm tra đường hàn4. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra131. Các loại đường hàn	a. Đường hàn đối đầu	b. Đường hàn gĩc2. Các cách phân loại đường hàn khácII. CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN & 	CƯỜNG ĐỘ TÍNH TỐN14a. Đường hàn ĐỐI ĐẦULiên kết trực tiếp hai cấu kiện cùng nằm trong một mặt phẳngKhe hở đối đầu giữa 2 cấu kiện cĩ tác dụng để các chi tiết hàn biến dạng tự do khi hàn, tránh cong vênhĐường hàn đối đầu cĩ thể thẳng gĩc hoặc xiên gĩc so với trục cấu kiện1. Các loại đường hàn15a. Đường hàn ĐỐI ĐẦUKhi bản thép dày (t > 8 mm, đối với hàn tay), cần gia cơng mép của bản thép để:	+ Cĩ thể đưa que hàn xuống sâu	+ Đảm bảo sự nĩng chảy trên suốt chiều dày bản thépHình thức gia cơng mép và kích thước khe hở phụ thuộc vào chiều dày bản thép và phải tuân thủ theo quy định 1. Các loại đường hàn161. Các loại đường hànDạng gia cơng mépMăt cắt t, a, b, mm, α, độHàn tay cĩ hàn thêm mặt sauHàn tư động cĩ hàn thêm mặt sauKhơng gia cơng mépat1-22-82-200Dạng chữ Vtabα3-50225514-240660Dạng chữ Ktabα12-60215020-300645a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU171. Các loại đường hànDạng gia cơng mépMăt cắt t, a, b, mm, α, độHàn tay cĩ hàn thêm mặt sauHàn tư động cĩ hàn thêm mặt sauDạng chữ Xtabα12-60225520-6006-860Dạng chữ Utabα15-100221024-10006-810-13a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU18a. Đường hàn ĐỐI ĐẦUĐường hàn đối đầu truyền lực tốt, ứng suất tập trung rất nhỏ, được coi như phần kéo dài của thanh cơ bảnCường độ tính toán của đường hàn đối đầu phụ thuộc:	+ Vật liệu que hàn	+ Phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn1. Các loại đường hàn19a. Đường hàn ĐỐI ĐẦUKhi chịu nén: cường độ tính tốn khơng phụ thuộc vào phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn 	 fwc = f : cường độ tính tốn thép cơ bản.Khi chịu kéo:Kiểm tra bằng phương pháp vật lý: fwt = fKiểm tra bằng phương pháp thơng thường: fwt = 0,85fKhi chịu cắt: fwv = fv : cường độ chịu cắt của thép cơ bản1. Các loại đường hàn20b. Đường hàn GĨC Đường hàn gĩc nằm ở gĩc vuơng tạo bởi 2 cấu kiệnTiết diện đường hàn: tam giác vuơng 	cân, hơi phồng ở giữa, cạnh của tam 	giác gọi là chiều cao đường hàn1. Các loại đường hàn21b. Đường hàn GĨC Khi chịu tải trọng động: dùng đường hàn lõm hay đường hàn thoải  giảm ứng suất tập trung trong đường hàn gĩc đầu1. Các loại đường hàn22Dạng gia cơng mépMăt cắt t, a, b, mm, α, độHàn tay cĩ hàn thêm mặt sauHàn tư động cĩ hàn thêm mặt sauKhơng gia cơng méptt12-302-306-143-40tt1L2-602-602(t+t1)1-20-20-90Dạng chữ Ktt1abα4-264-2621-2508-20-2250-40tt1abα12-6012-60215016-40-045023b. Đường hàn GĨC Chiều cao đường hàn hf min  hf  1,2 tminvới tmin là chiều dày nhỏ nhất trong số các bản được liên kết chồng, hoặc chiều dày bản đứng t trong liên kết chữ Tvới hf min là chiều cao tối thiểu của đường hàn gĩc1. Các loại đường hànPhương pháp hànhfmin khi chiều dày của bản thép dày tmax mm4-66-1011-1617-2223-3233-4041-80Tay 45678910Tự động Nửa tự động345678924b. Đường hàn GĨC Tùy theo vị trí của đường hàn so với phương của lực tác dụng, chia ra:	+ Đường hàn GĨC CẠNH	+ Đường hàn GĨC ĐẦU1. Các loại đường hàn25b. Đường hàn GĨC Đường hàn gĩc cạnh khi truyền lực: 	+ Đường lực thay đổi phức tạp	+ Ứng suất phân bố khơng đều 	1. Các loại đường hàn+ Hai mút của đường hàn cĩ max  để giảm bớt sự phân bố khơng đều của ứng suất, khơng được dùng đường hàn quá dài26b. Đường hàn GĨCTrong tính tốn đường hàn gĩc chỉ chịu cắt quy ước và phá hoại theo một trong hai tiết diện:	+ Dọc theo kim loại đường hàn (tiết diện 1)	 cường độ tính tốn chịu cắt của thép đường hàn : fwf	+ Dọc theo biên nĩng chảy của thép cơ bản (tiết diện 2)	 cường độ tính tốn của thép cơ bản trên biên nĩng 	chảy: fws = 0,45fu1. Các loại đường hàn271. Các loại đường hànLoại que hàn TCVN 3223 : 1994Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun (daN/cm2)Cường độ tính tốn fwf (daN/cm2)N42, N42 – 6B41001800N46, N46 – 6B45002000N50, N50 – 6B49002150Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính tốn fwf của kim loại hàn trong mối hàn gĩcb. Đường hàn GĨC2829Theo cơng dụng:	+ Đường hàn chịu lực (để truyền lực) 	+ Đường hàn khơng chịu lực (chỉ để cấu tạo)Theo vị trí khơng gian:2. Các cách phân loại đường hàn khác30Theo địa điểm chế tạo:	+ Đường hàn nhà máy	+ Đường hàn cơng trườngTheo tính liên tục của đường hàn:	+ Đường hàn liên tục	+ Đường hàn khơng liên tục2. Các cách phân loại đường hàn khác312. Các cách phân loại đường hàn khácTên gọi Đường hàn nhà máyĐường hàn cơng trườngĐường hàn đối đầuĐường hàn gĩcĐường hàn gĩc đứt đoạn32III. CÁC LOẠI LIÊN KẾT & 	PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC3. Liên kết cĩ BẢN GHÉP4. Liên kết HỖN HỢP5. Tính tốn liên kết hàn với ĐƯỜNG HÀN GĨC chịu M và Q33Thường dùng để NỐI, ít dùng để liên kết thép hình vì khĩ gia cơng mépƯU: truyền lực tốt; cấu tạo đơn giản; khơng tốn thép làm bản ghépNHƯỢC: phải gia cơng mép các bản thép1. Liên kết ĐỐI ĐẦU34Với đường hàn đối đầu thẳng gĩc, kiểm tra bền theo cơng thức: lw = b - 2t : chiều dài tính tốn đường hàn c : hệ số điều kiện làm việc fwt : cường độ tính tốn của đường hàn khi chịu kéo1. Liên kết ĐỐI ĐẦU35Với đường hàn đối đầu xiên:Khi tg  2:1 (  67o), đường hàn xiên cĩ độ bền bằng độ bền của thép cơ bản  khơng cần kiểm tra độ bền của đường hàn1. Liên kết ĐỐI ĐẦU36Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M:Ww: moment kháng uốn của đường hàn1. Liên kết ĐỐI ĐẦU37Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M và Q:	hệ số 1,15 kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo trong đường hàn1. Liên kết ĐỐI ĐẦU38NMQMối hàn chịu M và Q:Mối hàn chịu M, N và Q:1. Liên kết ĐỐI ĐẦU39Mối hàn chịu M và N:Ví dụ : Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu 2 bản thép cĩ tiết diện 280x14mm chịu M=25kNm, Q=240kN, γc = 1Thép cĩ cường độ tính tốn f = 2100daN/cm2, que hàn N42, hàn tay, phương pháp kiểm tra thơng thườngĐường hàn chịu tác dụng đồng thời của mơmen và lực cắt nên được kiểm tra bền theo:40Hai cấu kiện đặt chồng lên nhau, dùng đường hàn gĩc liên kết chúng lại. Chú ý: đoạn chồng lên nhau a ≥ 5tmin2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨCÍt dùng cả 2 đường hàn GĨC ĐẦU + GĨC CẠNH để liên kết khi chịu lực Lớn vì cĩ ứng suất hàn và ứng suất tập trung lớnThường để nối các thép bản cĩ chiều dày nhỏ t = 2-5mm; lk thép hình và thép bản41Khi chịu lực trục N, coi ứng suất phân bố đều dọc đường hàn và bị phá hoại do cắtĐộ 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 nĩng chảy)2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC42hf: chiều cao đường hàn gĩclw = ltt – 10mmf, s : hệ số chiều sâu nĩng chảy – theo tiêu chuẩnhàn tay: f = 0,7 và s = 1Thiết kế:2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC Tiết diện 1 (vật liệu đường hàn)- Tiết diện 2 (vật liệu của thép cơ bản trên biên nĩng chảy)lw ≥ max(4hf , 40mm) lw  85fhf: đường hàn gĩc cạnh432. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨCPhương pháp hàn và đường kính dây hànVị trí của đường hàn trong khơng gian khi hànHệ sốGiá trị của βt và βs khi chiều cao của đường hàn hfx mm3-89-1214-16≥18Hàn tự động khi d = 3 – 5Trong máng (liên kết cánh I với bản bụng)βf βs1,11,150,71,0Hàn tự động và nửa tự động khi d = 1,4 – 2Nằm βf 0,90,80,7βs1,051,0Hàn tay, nửa tự động với dây hàn đặc d ≤ 1,4 hoặc rỗng nhồi thuốc hànTrong máng, nằm, đứng, ngang, ngượcβf 0,7βs1,044Trường hợp liên kết thép hình bằng đường hàn gĩcSự phân bố lực dọc trục N trên các đường hàn:	M = 0  N1e1 = N2e2  N1/e2 = N2/e1 = N/(e1+e2)	  N1 = [e2/(e1+e2)]N = k.N	 N2 = (1-k).N2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨCCách liên kếtk1 - k0,70,30,750,250,60,445Thiết kế liên kết hàn tay giữa 2 thép gĩc số hiệu L100x10 với bản thép cĩ d=12mm, N=700kN, thép CT34 f =2100daN/cm2, 	fu =3450daN/cm2, c = 1- Thép CT34  dùng que hàn N42, cĩ 	fwf = 1800daN/cm2	fws = 0,45.fu = 1552daN/cm2- Hàn tay: f=0,7, s=1 Kiểm tra đường hàn đi qua tiết diện? 46Ví dụ- Chọn hf=10mm (hfmin=5mm ≤ hf ≤ 1,2tmin=12mm)- Lực tác dụng:	+ đường hàn sống: N1=0,7N	+ đường hàn mép: N2=0,3N- Chiều dài cần thiết của đường hàn Chọn lw1=20cm, lw2=9cm47Ví dụLực truyền qua các bản ghép bằng đường hàn gĩc đầu, gĩc cạnh hoặc cả hai	Ưu: Khơng gia cơng mépKhuyết:	+ Tốn thép làm bản ghép	+ Lk cĩ US tập trung lớn  Khơng dùng để chịu tải trọng động Thường vát cạnh và để lại đoạn 50mm khơng hàn3. Liên kết cĩ bản ghép48Kiểm tra bền của liên kết cĩ 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 bảnKiểm tra bền các đường hàn gĩc:	Khi thiết kế, chọn bản ghép  tính lw	3. Liên kết cĩ bản ghép49Giả thuyết: khi chịu N	hàn đối đầu = bản ghépĐiều kiện bền:Khi tính tốn: chọn bản ghép cĩ bbg = b bố trí đường hàn đối đầu tính lực truyền qua bản ghép tính tổng chiếu dài đường hàn gĩc để liên kết một bản ghép4. Liên kết HỖN HỢP50Ba trường hợp tính tốn:	+ Chỉ cĩ M	+ Chỉ cĩ Q	+ Cĩ cả M và Q 	5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC	chịu M và Q51Khi chỉ cĩ M tác dụng:	+ Tính theo tiết diện 1:	+ Tính theo tiết diện 2:	Wwf, Wws: moment kháng uốn của tiết diện đường hàn 1 và 25. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC	chịu M và Q52Khi chỉ cĩ V tác dụng:	+ Tính theo tiết diện 1:	+ Tính theo tiết diện 2:	Awf, Aws: diện tích tính tốn của tiết diện đường hàn 1 và 25. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC	chịu M và Q53Khi cĩ M và V cùng tác dụng:	+ Tính theo tiết diện 1:	+ Tính theo tiết diện 2:5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC	chịu M và Q54Đường hàn GĨC55Tính liên kết bản thép 500x12mm vào cột bằng các đường hàn gĩc chịu lực V=700kN đặt lệch tâm so với đường hàn đoạn e=150mm. Thép cĩ 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 cĩ 	fwf=1800daN/cm2 , βf = 0,7	fws=1550daN/cm2, βs=1	 (βff)min = ?  tiết diện tính tốn?56Ví dụ- Mơmen lệch tâm: M = V.e = 70000.15 = 1050000daN cm Đường hàn đủ khả năng chịu lực57Ví dụ1. Sự phát sinh Ứng Suất Hàn và Biến Hình HànKhi hàn xong, do ảnh hưởng của nhiệt độ, cấu kiện thường bị cong vênh  Hiện tượng biến hình hànLúc đĩ, trong thép cơ bản và trong đường hàn nảy sinh nội ứng suất  Ứng suất hàn (ứng suất nhiệt, ứng suất co ngĩt)ƯS co ngĩt DỌCƯs co ngĩt NGANGỞ trạng thái ứng suất Phẳng và ứng suất Khối: 	+ ứng suất hàn làm tăng khả năng phá hoại dịn của kết cấu	+ Làm mất cơng sửa chữa cấu kiện.Nên tìm cách làm giảm US HÀN và BIẾN HÌNH HÀNIV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN582. 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	+ Khơng 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 CƠNG:	+ Chọn trình tự hàn thích hợp	+ Tạo biến dạng ngược khi hàn	+ Dùng khuơn cố định khơng cho kết cấu biến dạng khi hànIV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN59