Giáo trình Cấu tạo thép - Chương 2: Liên kết kết cấu thép

hình hàn A - LIÊN KẾT HÀN 4  Phương 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 động  Khi khối lượng hàn nhỏ: dùng hàn hơi  Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra I. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG KCT 5 - Dưới tác dụng của dịng điện, hồ quang điện sẽ xuất hiện giữa 2 cực là kim loại cần hàn và que hàn - Nhiệt độ của ngọn lửa hồ quang (2000oC) làm nĩng chảy mép của thép cơ bản (sâu 1,5-2mm) và que hàn Hàn hồ quang điện bằng tay 6 1. Hàn hồ quang điện bằng tay - Bản chất của đường hàn là sự liên kết giữa các phân tử của các kim loại bị nĩng chảy - Đường hàn cĩ thể chịu lực tương đương như thép cơ bản - Que 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 hàn 1. Hàn hồ quang điện bằng tay 7 - Que hàn được phân loại theo cường độ tức thời của kim loại đường hàn VD: Que hàn N42 cĩ b = 4100 daN/cm 2 - Chọn que hàn sao cho: độ bền kéo tức thời của kim loại que hàn khơng được nhỏ hơn của thép được hàn - Với thép cacbon và thép hợp kim thấp, que hàn lấy theo TCVN 3223 - 2000 Que hàn dùng ứng với mác thép Mác thép Loại que hàn cĩ thuốc bọc TCVN 3223 : 2000 CCT34; CCT38; CCT42; CCT52 N42; N46 09Mn2; 14Mn2; 09Mn2Si; 10Mn2Si1 N46; N50 8 1. Hàn hồ quang điện bằng tay - 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 9 - Ưu điểm: + Tốc độ hàn nhanh (gấp 5-10 lần hàn tay) + Chất lượng đường hàn tốt + Hồ quang chìm  bảo vệ sức khỏe - Khuyết 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 cao 2. Hàn hồ quang điện tự động và nửa tự động 10 - Dùng hàn những tấm thép mỏng dưới 3mm. - Dùng để cắt những tấm thép dày mà máy khơng cắt được axetylen oxy 3200oC 3. Hàn hơi (hàn khí 0xy – axetylen) 11 - Các 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 hàn 12 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 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 ống Thiết bị siêu âm kiểm tra đường hàn 4. Các yêu cầu khi hàn & phương pháp kiểm tra 13 1. Các loại đường hàn a. Đường hàn đối đầu b. Đường hàn gĩc 2. Các cách phân loại đường hàn khác II. CÁC LOẠI ĐƯỜNG HÀN & CƯỜNG ĐỘ TÍNH TỐN 14 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 cĩ tác dụng để các chi tiết hàn biến dạng tự do khi hàn, tránh cong vênh - Đường hàn đối đầu cĩ thể thẳng gĩc hoặc xiên gĩc so với trục cấu kiện 1. Các loại đường hàn 15 a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU - Khi 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 thép - Hình 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 hàn 16 1. Các loại đường hàn Dạng gia cơng mép Măt cắt t, a, b, mm, α, độ Hàn tay cĩ hàn thêm mặt sau Hàn tư động cĩ hàn thêm mặt sau Khơng gia cơng mép a t 1-2 2-8 2-20 0 Dạng chữ V t a b α 3-50 2 2 55 14-24 0 6 60 Dạng chữ K t a b α 12-60 2 1 50 20-30 0 6 45 a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU 17 1. Các loại đường hàn Dạng gia cơng mép Măt cắt t, a, b, mm, α, độ Hàn tay cĩ hàn thêm mặt sau Hàn tư động cĩ 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 a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU 18 a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU - Đường hàn đối đầu truyền lực tốt, ứng suất tập trung rất nhỏ, được coi như phần kéo dài của thanh cơ bản - Cường độ tính toán của đường hàn đối đầu phụ thuộc: + Vật liệu que hàn + Phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn 1. Các loại đường hàn 19 a. Đường hàn ĐỐI ĐẦU - Khi 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 = f  Kiểm tra bằng phương pháp thơng thường: fwt = 0,85f - Khi chịu cắt: fwv = fv : cường độ chịu cắt của thép cơ bản 1. Các loại đường hàn 20 b. Đường hàn GĨC - Đường hàn gĩc nằm ở gĩc vuơng tạo bởi 2 cấu kiện - Tiết diện đường hàn: tam giác vuơng cân, hơi phồng ở giữa, cạnh của tam giác gọi là chiều cao đường hàn 1. Các loại đường hàn 21 b. 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 đầu 1. Các loại đường hàn 22 Dạng gia cơng mép Măt cắt t, a, b, mm, α, độ Hàn tay cĩ hàn thêm mặt sau Hàn tư động cĩ hàn thêm mặt sau Khơng gia cơng mép t t1 2-30 2-30 a)6-14 b)3-40 t t1 L 2-60 2-60 2(t+t1) 1-20 - 20-90 Dạng chữ K t t1 a b α 4-26 4-26 2 1-2 50 8-20 - 2 2 50-40 t t1 a b α 12-60 12-60 2 1 50 16-40 - 0 4 50 23 b. Đường hàn GĨC Chiều cao đường hàn hf min  hf  1,2 tmin 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 gĩc 1. Các loại đường hàn 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 4 5 6 7 8 9 10 Tự động Nửa tự động 3 4 5 6 7 8 9 24 b. 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 ĐẦU 1. Các loại đường hàn 25 b. 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 dài 26 b. Đường hàn GĨC - Trong 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 = 0,45fu 1. Các loại đường hàn 27 1. Các loại đường hàn Loại que hàn TCVN 3223 : 1994 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun (daN/cm2) Cường độ tính tốn fwf (daN/cm 2) N42, N42 – 6B 4100 1800 N46, N46 – 6B 4500 2000 N50, N50 – 6B 4900 2150 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính tốn fwf của kim loại hàn trong mối hàn gĩc b. Đường hàn GĨC 28 29 - Theo 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 khác 30 - Theo địa điểm chế tạo: + Đường hàn nhà máy + Đường hàn cơng trường - Theo tính liên tục của đường hàn: + Đường hàn liên tục + Đường hàn khơng liên tục 2. Các cách phân loại đường hàn khác 31 2. Các cách phân loại đường hàn khác Tên gọi Đường hàn nhà máy Đường hàn cơng trường Đường hàn đối đầu Đường hàn gĩc Đường hàn gĩc đứt đoạn 32 III. CÁC LOẠI LIÊN KẾT & PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC 3. Liên kết cĩ BẢN GHÉP 4. Liên kết HỖN HỢP 5. Tính tốn liên kết hàn với ĐƯỜNG HÀN GĨC chịu M và Q 33 - Thường dùng để NỐI, ít dùng để liên kết thép hình vì khĩ gia cơng mép - ƯU: truyền lực tốt; cấu tạo đơn giản; khơng tốn thép làm bản ghép - NHƯỢC: phải gia cơng mép các bản thép 1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 34 - Với 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 kéo w wt c w w N N f A tl     1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 35 - Với đường hàn đối đầu xiên:   sin sin cos cos 2 sin w cwt wc w w w wv c w w w N N f A tl N N f A tl b l t                  - 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 hàn 1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 36 - Liên kết hàn đối đầu chịu tác dụng của M: 2 6 w wt c ww M M f tlW     Ww: moment kháng uốn của đường hàn 1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 37 - Liên 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 hàn 2 23 1,15td w w wt cf      ;w w w w M Q W A    1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 38 N M Q w wt c w N f A    w wA tl 2 6 w w tl W  2wl b t  w wv c w Q f A    w wt c w M f W    Mối hàn chịu M và Q: 2 23 1,15td w w wt cf      Mối hàn chịu M, N và Q:   2 23 1,15td wM wN w wt cf        1. Liên kết ĐỐI ĐẦU 39 Mối hàn chịu M và N: td wN wM wt cf      Ví dụ : Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu 2 bản thép cĩ tiết diện 280x14mm chịu M=25kNm, Q=240kN, γc = 1 • Thép cĩ cường độ tính tốn f = 2100daN/cm2, que hàn N42, hàn tay, phương pháp kiểm tra thơng thường • Đường hàn chịu tác dụng đồng thời của mơmen và lực cắt nên được kiểm tra bền theo:   2 2 6.250000 1687,13 / 1,4. 28 1, 4.2 w w M daN cm W        224000 680,27 / 1,4 28 1,4.2 w w Q daN cm A          2 2 2 2 1687,13 3. 680, 27 2057,8 / 1,15.1800 2070 / td daN cm daN cm       40 2 23 1,15td w w c f      - Hai cấu kiện đặt chồng lên nhau, dùng đường hàn gĩc liên kết chúng lại. Chú ý: đoạn chồng lên nhau a ≥ 5tmin 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC Ít 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 lớn Thường để nối các thép bản cĩ chiều dày nhỏ t = 2- 5mm; lk thép hình và thép bản 41 - 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 nĩng chảy) 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC 42  hf: chiều cao đường hàn gĩc  lw = ltt – 10mm  f, s : hệ số chiều sâu nĩng chảy – theo tiêu chuẩn  hàn tay: f = 0,7 và s = 1  Thiết 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) wf c f f w N f h l     ws c s f w N f h l           min min min , w f w c w f wf s ws N l h f f f f         lw ≥ max(4hf , 40mm) lw  85fhf: đường hàn gĩc cạnh 43 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC Phương pháp hàn và đường kính dây hàn Vị trí của đường hàn trong khơng gian khi hàn Hệ số Giá trị của βt và βs khi chiều cao của đường hàn hfx mm 3-8 9-12 14-16 ≥18 Hàn tự động khi d = 3 – 5 Trong máng (liên kết cánh I với bản bụng) βf βs 1,1 1,15 0,7 1,0 Hàn tự động và nửa tự động khi d = 1,4 – 2 Nằm βf 0,9 0,8 0,7 βs 1,05 1,0 Hàn tay, nửa tự động với dây hàn đặc d ≤ 1,4 hoặc rỗng nhồi thuốc hàn Trong máng, nằm, đứng, ngang, ngược βf 0,7 βs 1,0 44 - Trường hợp liên kết thép hình bằng đường hàn gĩc  Sự 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).N 2. Liên kết ghép chồng dùng đường hàn GĨC Cách liên kết k 1 - k 0,7 0,3 0,75 0,25 0,6 0,4 45 Thiết 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/cm 2, c = 1 - Thép CT34  dùng que hàn N42, cĩ fwf = 1800daN/cm 2 fws = 0,45.fu = 1552daN/cm 2 - Hàn tay: f=0,7, s=1  Kiểm tra đường hàn đi qua tiết diện?         min 2 min , min 0,7.1800;1.1552 min 1260;1552 1260 / w f wf s wsf f f daN cm       46 Ví 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=9cm  1 min 0,7 0,7.70000 19, 4 2 2.1.1260 w f w c N l cm h f      2 min 0,3 0,3.70000 8,3 2 2.1.1260 w f w c N l cm h f     47 Ví dụ - Lực truyền qua các bản ghép bằng đường hàn gĩc đầu, gĩc cạnh hoặc cả hai - Ưu: Khơng gia cơng mép - Khuyết: + 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 hàn 3. Liên kết cĩ bản ghép 48 - Kiểm 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 bản • Kiểm tra bền các đường hàn gĩc: - Khi thiết kế, chọn bản ghép  tính lw 3. Liên kết cĩ bản ghép wf c f f w N f h l     ws c s f w N f h l       min w f w c N l h f   49    min min ;w f wf s wsf f f   - Giả thuyết: khi chịu N hàn đối đầu = bản ghép - Điều 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 ghép 4. Liên kết HỖN HỢP  w cwt c bg N f A A     bg w bgN A 50 - Ba 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 Q 51 - Khi 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 2 5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC chịu M và Q 1M wf c wf M f W    2M ws c ws M f W    2 2 ; 6 6 w w wf f f ws s f l l W h W h    52 - Khi 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 2 5. Tính tốn liên kết hàn với đường hàn GĨC chịu M và Q 1V wf c wf V f A    2V ws c ws V f A    ;wf f f w ws s f wA h l A h l    53 - Khi 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 Q 2 2 td wf c wf wf M V f W A                    2 2 td ws c ws ws M V f W A                 54   minw c f w N f h l       1 2. ; 1 .N K N N K N    2 min 6 w c f f w M M f W h l        2 2 mintd w c w w M V f W A                  Đường hàn GĨC 55 Tính 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/cm 2 . Dùng que hàn N 42, hàn tay. c=1 - Chọn hf=12mm; lf=50-1=49cm - Với que hàn tay cĩ fwf=1800daN/cm 2 , βf = 0,7 fws=1550daN/cm 2, βs=1  (βff)min = ?  tiết diện tính tốn? 56 Ví dụ - Mơmen lệch tâm: M = V.e = 70000.15 = 1050000daN cm  Đường hàn đủ khả năng chịu lực 2 22 6.1050000 1561,8 / 2.0,7.1,2.49 2 6 M wf f f w M M daN cm W h l              2 70000 2 2.0,7.1,2.49 850,3 / V wf f f w V V A h l daN cm       2 2 2 2 2 2 1561,8 850,3 1778 / 1800 / td M V wfdaN cm f daN cm          57 Ví dụ 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 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) ƯS co ngĩt DỌC Ưs co ngĩt NGANG - Ở 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 HÀN IV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN 58 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 + 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 hàn IV. ỨNG SUẤT HÀN & BIẾN HÌNH HÀN 59