Giáo trình Kết cấu hàn Trường CĐ Nghề Cơ điện và xây dựng Bắc Ninh

V Ậ T LI Ệ U CH Ế T Ạ O K Ế T C Ấ U HÀN

Nhôm và h ợ p kim nhôm

Nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến trong chế tạo kết cấu hàn, đặc biệt là cho các ứng dụng yêu cầu trọng lượng nhẹ và khả năng chống rỉ Hợp kim nhôm Duya-ra thường được lựa chọn cho các kết cấu cần độ bền nhiệt cao, trong khi hợp kim nhôm - ma nhê thích hợp cho vỏ tàu nhỏ tốc độ cao, kết cấu xây dựng, và thùng chứa thực phẩm Nhôm và hợp kim nhôm thường được sản xuất dưới dạng tấm.

TÍNH TOÁN ĐỘ B Ề N M Ố I HÀN

Tính độ b ề n kéo, nén c ủ a m ố i hàn

1.1 Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối :

Mối hàn giáp mối là một loại mối hàn phổ biến trong các kết cấu hàn nhờ vào những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm kim loại cơ bản, giảm ứng suất tập trung và quy trình thực hiện đơn giản Đặc biệt, đối với mối hàn chịu kéo và chịu nén, độ bền của chúng tương đương, vì vậy chỉ cần kiểm tra điều kiện bền cho trường hợp chịu kéo là đủ Để thực hiện điều này, ta có thể xem xét một mối ghép hàn giáp mối như trong hình 1.

Ta có chiều rộng của tấm nối là

Chiều dài cần hàn được ký hiệu là B, trong khi chiều dày của chi tiết hàn là S và lực kéo là N Theo lý thuyết bền, để đảm bảo độ bền cho mối ghép hàn, biểu thức Ơmax phải được thỏa mãn với F h.

Trong công thức N ≤ [Ơ] k (2-1), Ơmax đại diện cho ứng suất lớn nhất xảy ra khi kết cấu chịu lực tác dụng N là lực tác dụng, và Fh là diện tích mặt cắt của mối hàn Các thông số này được xác định để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của kết cấu.

F h = B  S với S là chiều dày chi tiết hàn

Nhƣ vậy ta có : Ơmax=   k

Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau :

Hình 1: Mối hàn giáp mối

- Bài toán 1 : Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức

- Bài toán 2 : Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức sau

- Bài toán 3 :Tính toán các kích thước mối hàn theo công thức sau :

Nếu kích thước kết cấu không thay đổi nhưng cần tăng khả năng chịu tải, chúng ta có thể thiết kế các mối hàn xiên như trong hình 2-2 Trong hình vẽ, N biểu thị lực tác dụng lên kết cấu.

B là chiều rộng của tấm nối, còn  là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn

Nhƣ vậy điều kiện bền của mối hàn lúc này sẽ là :

Từ đó ta có : Ơmax = S B

=    K mà  luôn luôn nhỏ hơn 900 cho nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy điều kiện bền tăng lên

1.2 Tính độ bền kéo ( nén ) của mối hàn góc :

Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình kiểmmối hàn theo các dạng sau : a- Tính mối hàn đối xứng ngang

Xét mối hàn ngang chịu lực nhƣ hình vẽ

2-3 ta có biểu thức xác địmh độ bền nhƣ sau h B   h

Trong đó N là lực tác dụng, h là chiều cao của mối hàn, B là chiều dài đường hàn; b

Hình 2-2: m ố i hàn giáp m ố i xiên b S ối hàn đố

Tính độ bền uốn của mối hàn

có chiều dày không bằng nhau, thì k đƣợc chọn theo tấm có chiều dày nhỏ hơn cho nên :

1 (2-9) b - Mối hàn đối xứng dọc : Đối với mối hàn dọc đối xứng hình 2-4 khi chịu lực thì điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau h l   h

2 (2-10) trong đó l là chiều dài đường hàn, h là chiều cao mối hàn.

Trong trường hợp mối hàn không đối xứng thì k l  50 điều kiện bền đƣợc xác định theo công thứ sau: h  l l    h

2 Tính độ bền uốn của mối hàn

2.1 Mối hàn giáp mối chịu uốn : Điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau h

M   (2-12) rong đó ơ là ứng suất sinh ra do uốn ; M là mô men uốn, L S w là mô men chống uốn đƣợc tính nhƣ sau : w = 6

P thay vào (2-12) biểu thức tính độ bền ta có.  = B S l P

2.2 Mối hàn góc chịu uốn (hình 2-6)

Khi mối hàn góc chịu uốn điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau :   h

trong đó M là mô men uốn h là chiều cao mối hàn ; l là chiều dài mối hàn cả

Hình 2-5: m ố i hàn giáp m ố i Hình 2-4: M ối hàn đố i x ứ ng d ọ c

2phía, B là chiều cao của tấm hàn.

Khi mối hàn mối hàn chịu uốn và kéo hoặc nén thì điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau : h l   h

trong đó M là mô men uốn ; N là lự kéo ; w là mô men chống uốn ; h là chiều cao

Mmối hàn ; l là tổng chiều dài đường hàn

- Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn nhƣ hình vẽ 2-7 thì điều kiện bền sẽ là : M

2 (2-16) khi tính toán ta chọn trước ln cạnh của mối hàn k để xác định mối hàn ld

- Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén hình 2-16 thì điều kiện bền sẽ là :

2.3 Mối hàn chịu xoắn Đối với mối hàn chịu xoắn nhƣ hình 2-9 thì điều kiện bền sẽ là :

(2-18) trong đó MX là mô men xoắn ; wX là mô men chống xoắn

2.4 Các ví dụ tính toán :

Để xác định chiều dài đường hàn cho mối ghép hàn trong ví dụ 1, với lực kéo N = 260 KN và ứng suất cho phép σh = 28 KN/cm², cần tính toán dựa trên vật liệu có tiết diện S = 8 mm Điều này đảm bảo kết cấu đáp ứng điều kiện bền vững.

Từ điều kiện bền của mối hàn giáp mối ta thấy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức sau phải đƣợc thoả mãn :

 Nhƣ vậy để đảm bảo điều kiện bền thì chiều dài của mối

Hàn L =  116 mm , cho nên ta chọn tấm thép có chiều rộng B 6 mm.

Để xác định độ bền của mối ghép hàn chịu lực, cần xem xét hình vẽ và vật liệu chế tạo kết cấu, cụ thể là thép các bon thấp với giá trị    k (KN/cm²) Việc phân tích này giúp đảm bảo mối hàn đáp ứng yêu cầu về độ bền và an toàn trong ứng dụng thực tế.

Bài giải : Đây là mối hàn đối xứng ngang, do vậy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức sau phải đƣợc thoả mãn công thức 2-8:

Trong đó    h  0 , 65    k thay vào biểu thức trên ta có: 0 , 65 28

Nhƣ vậy để mối hàn đảm bảo độ bền ta chọn chiều cao mối hàn h = 5mm

Để kiểm tra điều kiện bền của mối hàn trong kết cấu hàn chịu lực, cần xem xét các thông số như lực tác dụng P = 0 KN, chiều dài B = 260mm, và độ dày của chi tiết hàn Việc phân tích các yếu tố này sẽ giúp đảm bảo mối hàn đáp ứng được yêu cầu bền vững trong quá trình sử dụng.

L=.400mm,vật liệu có   28 2 cm

Bài giải : Để mối hàn đảm bảo điều kiện bền thì phải thoả mãn công thức 2-4:

Nhƣ vậy để đảm bảo điều kiện bền ta chọn mối hàn có chiều cao h= 4 mm

Ứ NG SU Ấ T VÀ BI Ế N D Ạ NG KHI HÀN

Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn

1.1 Nội ứng suất khi hàn :

Là ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi đã kết thúc hàn

Do sự tồn tại của nội ứng suất mà không có tác động của ngoại lực, cần phải có sự cân bằng tương ứng Để đảm bảo sự cân bằng này, các điều kiện cân bằng tĩnh học phải được tuân thủ.

z = 0 ; Mx = 0 ; My= 0 (3-1 ) hay :   dF = 0 ;   dF x = 0 ;   dF y = 0

1.2 Phân loại ứng suất: các loại nội ứng suất đƣợc chia làm 3 nhóm nhƣ sau a- Nhóm 1 : Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó

- ứng suất nhiệt : Sinh ra do sự nung nóng khôngđều trên toàn chi tiết

- ứng suất dƣ : Là ứng suất còn lại trong vật thể sau khi loại bỏ nguyên nhân sinh ra nó Đây là loại ứng suất thường gặp nhất

- ứng suất do chuyển biến pha : Do sự biến dạng không đều của chi tiết.

Nhóm 2 đề cập đến ứng suất sinh ra từ sự cân bằng giữa các kích thước và thể tích khác nhau của các phần tử trong vật thể, bao gồm ba loại tổ chức: tổ chức tế vi, tổ chức thô đại và tổ chức siêu tế vi Nhóm 3 tập trung vào ứng suất theo các hướng trong không gian, phân loại thành ứng suất một chiều (ứng suất đơn), ứng suất hai chiều (ứng suất mặt) và ứng suất ba chiều (ứng suất khối).

1.3 Các biến dạng khi hàn:

Trong quá trình hàn, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các chi tiết hàn dẫn đến hai loại biến dạng chính Đầu tiên, biến dạng co dọc của mối hàn là sự thay đổi kích thước chiều dài sau khi hàn Thứ hai, biến dạng co ngang xảy ra khi kích thước của kim loại mối hàn và vùng lân cận giảm theo phương vuông góc với trục đường hàn, gây ra hiện tượng cong, vênh của kết cấu hàn, còn được gọi là biến dạng góc.

Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối

2.1 Tính nội lực tác dụng : nội lực tác dụng là nội lực sinh ra trong vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng phụ thuộc vào diện tích của vùng có nhiệt độ nóng chảy đến 550 0 c,vùng này còn gọi là vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng đƣợc tính nhƣ sau.

Công thức P =  T F c (3-2) mô tả ứng suất sinh ra khi hàn, trong đó  T được xác định bằng giới hạn chảy theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu Vùng ứng suất tác dụng khi hàn, ký hiệu là Fc, được xác định theo các tiêu chí cụ thể.

Fc = b0.S (3-3), trong đó S là độ dày của chi tiết hàn; b0 là chiều rộng của vùng ứng suất, được xác định bởi công thức b0 = b1 + b2 Ở đây, b1 là vùng mối hàn và khu vực lân cận, bao gồm vùng nóng chảy và vùng chảy dẻo, trong khi b2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi.

0  (3- 4 ) Trong đó : - q là năng lƣợng hữu ích của nguồn nhiệt q= 0,24.u h I h  (calo/s ) (3- 5 ) (   0 , 75 khi hàn hồ quang tay ;   0 , 9 khi hàn tự động )

- v là vận tốc hàn ( cm / s.)

- S0 là chiều dày tính toán của kết cấu hàn

- c là nhiệt dung của kim loại ( calo/ g 0 c )

-  là khối lƣợng riêng của kim loại ( g/cm 3 )

Việc xác định b2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như năng lượng riêng q0, chiều rộng tấm hàn h0 và các thông số khác Công thức tính b2 được đưa ra như sau: b2 = K2.(h - b1), trong đó K2 là hệ số phụ thuộc vào q0 và vật liệu chế tạo chi tiết Chiều rộng toàn bộ phần ứng suất tính toán h được xác định là 250mm đối với hàn hồ quang tay và từ 300 đến 350mm đối với hàn tự động.

Thay b1 ; b2 vào biểu thức (3 - 2 ) ta tính đƣợc nội lực tác dụng P

Trong trường hợp nếu hàn 2 tấm có chiều rộng không bằng nhau hình 3-2 thì ta tính toán nhƣ sau :

P =   Fc =   ( bna + bnc ) S trong đó bna  bnc

2.2 Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng

Khi hàn 2 tấm có kích thước khác nhau hình 3-2 bn a bn c

Hình 3-2: Hai t ấ m hàn có chi ề u r ộ ng b ằ ng nhau

S a- Nội lực phản kháng ở 2 tấm hàn đƣợc tính nhƣ sau :

Pa và Pc là lực phản kháng của tấm hàn 1 và tấm hàn 2, trong đó a và c là chiều rộng của vùng phản kháng 1 và vùng phản kháng 2 S là chiều dày của các tấm B- ứng suất phản kháng được tính theo công thức P c =  2 c S.

Theo nguyên lý cân bằng lực thì : P = Pa + P c Thay các giá trị của chúng vào ta có:   b0 S =  2 ( a+ c ).S

Các lực Pa và P c sẽ tạo ra mô men uốn khi quay quanh tâm của vùng ứng suất tác dụng, các mô men này đƣợc xác định nhƣ sau :

Vì các mô men này có chiều ngƣợc nhau cho nên :

Thay giá trị của ứng suất phản kháng vào ta có :

Khi c=0, tức là hàn vào mép tấm, mô men uốn M đạt giá trị lớn nhất Ngược lại, khi c=a, hàn hai tấm có kích thước bằng nhau dẫn đến mô men uốn M=0 Điều này cho thấy rằng hàn giáp mối các tấm có kích thước bằng nhau sẽ tạo ra biến dạng nhỏ nhất, trong khi hàn các tấm có kích thước khác nhau sẽ gây ra biến dạng.

Dưới tác dụng của mô men uốn M, sẽ sinh ra ứng suất uốn, ứng suất uốn này đƣợc xác định nhƣ sau :

2.5 Tính độ võng. Độ võng lớn nhất đƣợc xác định theo công thức sau : fmax J E 8 l.

Mô men uốn lớn nhất (M) được xác định dựa trên chiều dài chi tiết hàn (l), mô đun đàn hồi (E) và mô men quán tính (J).

S 3 thay vào biểu thức tính độ võng ta có fmax = 2 3 h S E 8 l.

2.6 Các vídụ và bài tập.

Để xác định độ võng của kết cấu hàn giáp mối như trong hình vẽ, chúng ta cần xem xét vật liệu chế tạo, cụ thể là thép các bon thấp với thông số σT = 24 Việc tính toán độ võng sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như tải trọng tác dụng, chiều dài kết cấu và các đặc tính cơ học của vật liệu.

KN/cm 2 ,các kích thước cho trên hình vẽ S hc bo ha ha = 300mm hc= 250mm

- Đường kính điện cực hàn : d = 

- Tính cường độ dong điện hàn : Ih =  40  60 .d = 160  200 chọ Ih= 200(A)

- Chọn điện áp hàn : Uh = 30 (v)

- Tính vận tốc hàn : Vh = 12 , 5 m h

( trong đó d = 10 g A h ; Fd = 0,2 cm 2 ; 3 cm

- Tính công suất hồ quang : q = 0,24.Ih Uh  = 0,24.200.30.0,7580cal/s

2- Tính nội lực tác dụng

( k 2 đƣợc chọn theo biểu đồ k2 = 0,224 )

- Tính bnc : bnc = b1 + b2c trong đó b1 đƣợc tính nhƣ trên và có giá trị đúng bằng b1 của tấm c vì vậy ta có b1 = 3,62 cm b2c = k2 ( hc - b1 ) = 0,224.( 25 - 3,62 ) = 4,79 cm

Thay vào biểu thức tính nội lực tác dụng ta có :

Từ công thức 3-7 mô men uốn đƣợc tính :

Trong đó: b 0 = b na + b nc = 9,53 + 8,41 = 17,93 cm; h = h a + h c = 20 +25 = 55cm a = h a - b na = 30 - 9,53 = 20,47cm; c = h c - b nc = 25 - 8,41 = 16,59cm Vậy M = 744 KN cm

4 - Tính ứng suất uốn. ứng suất uốnđƣợc xác định theo công thức 3-8 :  

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :

5- Tính độ võng: độ võng đƣợc xác định theo công thức 3-10 : f J E 8 l.

 ; E = 2,1.10 4 KN/cm 2 Thay các giá trị trên vào công thức tính độ võng ta có : f.= 4 2 3 

Tính độ võng khi hàn đắp có kích thước như sau : S = 8mm; l = 1500 mm; h.P mm; lớp đắp có c = 2mm; vật liệu chế tạo là thép các bon thấp có cm 2

Tính ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn góc

3.1 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ L, hình 3- 4:

Khi hàn kết cấu chữ L thường phát sinh ứng suất và biến dạng, các ứng suất và biến dạng đƣợc xác định nhƣ sau a - Tính lực tác dụng :

( Vì F c = 2 b n S ) b- Tính ứng suất phản kháng :

Theo lý thuyết về lực tác dụng và lực phản kháng ta có

  ( 3- 12) c- Tính mô men uốn : Mô men uốn đƣợc xác định nhƣ sau

P Trong đó P1 là lực tác dụng lên mỗi tấm, đƣợc xác định nhƣ sau

Mômen tác dụng là tổng hình học của các mô men nội lực mỗi tấm.

Khi   0Giốngnhƣ hàn đắp vào mép tấm, lúc này ta có M 2 ph

Khi  180 0 giống nhƣ hàngiáp mối nếu 2 tấm bằng nhau,lúc này M=0. ứng suất do mô men uốn sinh ra đƣợc tính nhƣ sau :

 Độ võng đƣợc xác định nhƣ sau : f EJ

2 (3-14) trong đó M là mô men uốn, l là chiều dài kết cấu, E là mô dun đàn hồi, J là mô men tĩnh

3.2 Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ T.

Kết cấu chữ T gồm 2 tấm, một tấm đế và một tấm vách, hàn với nhau bằng 2 mối hàn góc nhƣ hình vẽ 3-5

Vùng ứng suất tác dụng sinh ra đƣợc xác định nhƣ sau :

Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng đƣợc xác dịnh nhƣ sau : P=   F c (3-16)

Các lực tác dụng đƣợc biểu diễn nhƣ hình vẽ Nếu biến do uốn ngang rất nhỏ không đáng kể, lúc này ta có :

P1là nội lực phản kháng là nội lực phản kháng của tấm đế ,đƣợc xác định nhƣ sau :

P2 là nội lực phản kháng của tấm vách và đƣợc xác định nhƣ sau :

Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu là :

Khoảng cách y1 và y2 được xác định từ các điểm có lực phản kháng 2P1 và P2 đến trọng tâm của vùng ứng suất, đồng thời cũng là điểm tác dụng của lực P.

Nếu kết cấu hàn để tự do trong quá trình hàn thì dưới tác dụng của mô men uốn

M sẽ bị uốn và sẽ sinh ra ứng suất uốn đƣợc xác định nhƣ sau :

Do ảnh hưởng của mô men uốn mà liên kết bị cong sau khi hàn, tạo ra độ võng và độ võng đƣợc xác định nhƣ sau : fmax EJ l M

Các bi ệ n pháp gi ả m ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn

4.1 Các biện pháp về kết cấu và công nghệ.

Trong quá trình gia công kết cấu hàn, để hạn chế biến dạng, cần chú ý đến một số vấn đề quan trọng trong thiết kế.

Khi sử dụng vật liệu cơ bản, nên chọn các loại vật liệu có tính hàn tốt và độ dẻo cao Cần tránh bố trí các đường hàn giao nhau và giảm thiểu tối đa các mối hàn góc, thay vào đó, nên sử dụng các mối hàn giáp mối để đảm bảo độ bền và tính ổn định của sản phẩm.

Khi lắp ghép kết cấu, cần tránh việc tạo ra các mối hàn đính cứng, vì điều này có thể gây ra căng thẳng cho kết cấu Sử dụng đồ gá phù hợp sẽ giúp hàn kim loại có khả năng co giãn tự do, từ đó đảm bảo tính linh hoạt và độ bền cho sản phẩm.

Khi hàn, cần chú ý một số vấn đề quan trọng Đối với các tấm được chế tạo từ những tấm nhỏ, trước tiên hãy hàn các mối hàn ngang để tạo thành các giải riêng biệt, sau đó tiến hành hàn các giải này lại với nhau để tạo thành tấm lớn.

Khi thực hiện hàn cho các kết cấu dầm, trước tiên cần hàn các mối nối giữa các tấm đế và tấm vách Sau đó, tiến hành hàn các mối hàn góc liên kết giữa tấm đế và tấm vách để đảm bảo tính ổn định và độ bền của kết cấu.

Khi hàn các kết cấu thùng chứa bể chứa hình trụ cần hàn các đường hàn dọc của các tấm vòng, sau đó hàn các vòng lại với nhau.

Khi hàn nhiều lớp nhiều đường, thì các lớp sau có hướng ngược với các lớp hàn trước.

4.2 Các biện pháp khử biến dạng.

Khi hàn các đường hàn đối xứng, việc hàn đồng thời cả hai phía sẽ giúp giảm thiểu biến dạng, vì biến dạng ở hai phía sẽ triệt tiêu lẫn nhau Đối với một số kết cấu, nếu có thể tạo ra biến dạng ngược, cần cố gắng lắp ghép sao cho khi hàn, các biến dạng này được hình thành Phương pháp này thường dễ thực hiện hơn với các kết cấu tấm.

4.3 Kẹp chặt chi tiết khi hàn

Chi tiết được kẹp chặt bằng các đồ gá có độ cứng vững cao nhằm kiểm soát biến dạng trong quá trình hàn Việc sử dụng phương pháp này trong gia công cần lưu ý đến sự gia tăng nội ứng suất.

4.4 Các phương pháp giảmứng suất. a- Phương pháp tạo lực ép lên mối hàn : Đây là phương pháp mà sau khi hàn xong người ta dùng các biện pháp tác dụng lên mối hàn các lực ép đủ lớn để triệt tiêu các ứng suất tồn tại trong mối hàn, cũng có thể thực hiện bằng cách dùng máy cán để cán mối hàn sau khi đã hàn. b- Nung nóng trước khi hàn và trong quá trình hàn : Đây là biện pháp nhằm mục đích làm cho nhiệt sinh ra trong quá trình hàn được phân bố tương đối đồng đều cho nên ứng suất và biến dạng sinh ra sẽ giảm ở mức tối thiể Các phương pháp này được ứng dụng khi hàn những vật liệu có tính hàn kém Nguồn nhiệt được sử dụng thông thường dùng dòng điện cao tần, dùng nhiệt của các ngọn lửa khí đốt và một số nguồn nhiệt khác. c- Nung sau khi hàn : Đây là một phương pháp loại bỏ ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi hàn Có thể dùng các phương pháp ram thấp ở nhiệt độ khoảng 600-

Phương pháp nắn, sửa kết cấu sau hàn là một kỹ thuật phổ biến, có thể thực hiện bằng nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt Nắn cơ khí sử dụng các thiết bị như máy búa, máy ép, hoặc máy cán, và có thể được thực hiện ở trạng thái nóng hoặc nguội Trong khi đó, nắn nhiệt áp dụng nhiệt để tạo ra các ứng suất ngược lại với ứng suất sinh ra trong quá trình hàn, giúp tự cân bằng các ứng suất này Để thực hiện nắn nhiệt hiệu quả, người thợ và kỹ thuật viên cần có kiến thức sâu về quá trình biến dạng do nhiệt và kinh nghiệm thực tế để xác định các điểm nung hợp lý.

K Ế T C Ấ U D Ầ M

Khái niệm và phân loại dầm

Dầm là một phần tử của kết cấu hàn, làm việc chủ yếu chịu uốn, dầm đƣợc liên kết tạo thành các kết cấu khung, bệ

Trong thực tế dầm đƣợc sử dụng nhiều trong các kết cấu cầu, kết cấu khung nhà bằng thép, khung sườn tàu thuỷ, ô tô, cầu trục

Trong xây dựng, dầm có nhiều loại khác nhau, được lựa chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của công trình Tuy nhiên, dầm chủ yếu hoạt động trong trạng thái chịu uốn, do đó, có bốn loại mặt cắt ngang chính thường được sử dụng.

Dầm có mặt cắt ngang hình chữ I là loại dầm phổ biến trong xây dựng, giao thông, chế tạo máy và đóng tàu thủy Kết cấu của dầm bao gồm hai tấm đế và một tấm vách, được liên kết với nhau thông qua bốn mối hàn góc.

Dầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật là loại dầm phổ biến trong ngành chế tạo máy, xây dựng và đóng tàu thủy Kết cấu của dầm này bao gồm bốn tấm thép được ghép lại với nhau bằng các mối hàn góc, tạo nên độ bền và khả năng chịu lực cao.

Dầm chữ U, với mặt cắt ngang hình chữ U, là loại dầm phổ biến trong chế tạo máy, ô tô và xây dựng Kết cấu của dầm này bao gồm ba tấm thép được liên kết với nhau thông qua ba mối hàn góc, như hình minh họa.

Ngoài các loại dầm thông dụng, còn có dầm có mặt cắt ngang hình chữ T, hình vuông và hình tròn, được áp dụng trong những trường hợp thiết kế đặc biệt Tuy nhiên, việc sử dụng các loại dầm này không phổ biến.

Tính toán thi ế t k ế d ầ m

2.1 Tính chọn chiều cao của dầm.

Để đảm bảo độ cứng cho dầm làm việc ở chế độ chịu uốn, chiều cao của dầm cần được xác định và thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật Chiều cao tính toán của dầm có thể được tính theo công thức thực nghiệm, cụ thể là đối với dầm chữ I, chiều cao h nằm trong khoảng từ 1,3 đến 1,4.

 ( 4-1 ) Đối với dầm hình hộp : h =  

Hình 4-2: Mặt cắt hình chữ nhật

Hình 4-2: Mặt cắt hình chữ U

Hình 4-2: Mặt cắt hình T, vuông, tròn

Trong thiết kế dầm, mô men uốn tính toán được ký hiệu là M, trong khi chiều dày của tấm vách được ký hiệu là Sb Do Sb chưa được xác định ban đầu, chúng ta sẽ giả định một giá trị cho nó Thông thường, với các kết cấu xây dựng, Sb được chọn trong một giới hạn hẹp.

SV= 5  10 mm khi chịu tải trọng nhẹ (4- 2)*

S V = 10  18 mm khi chịu tải trọng nặng.

2.2 Tính toán các thông số khác của dầm : a- Tính mô men chống uốn : Mô men chống uốn của dầm đƣợc xác định theo công thức sau :

 (4-3 ) trong đó M đƣợc xác định ở trên. b - Tính mô men quán tính của tiết diện Mô men quán tính đƣợc tính nhƣ sau.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tính toán chiều cao của dầm theo công thức thực nghiệm đã đề cập Đồng thời, cần xác định mô men quán tính của tấm vách đứng với chiều cao hb và độ dày Sb.

Mô men quán tính của tấm vách đứng đƣợc xác định nhƣ sau :

Mô men quán tính của hai tấm đế được tính theo công thức gần đúng hV = 0,95h.

Nhƣng theo lý thuyết bền ta có :

Mô men quán tính J0 của tấm đế được xác định theo trục riêng của nó, thường có giá trị rất nhỏ, do đó trong quá trình tính toán, chúng ta có thể xem nhẹ yếu tố này.

- h 1 là khoảng cách giữa trọng tâm của 2 tấm đế, thường được chọn như sau h1=( 0,95  0,98 ) h ( 4-8)

Từ biểu thức (4-7) ta có tiết diện của một tấm đế là :

J d e - Tính ứng suất do uốn.

Dưới tác dụng của mô men uốn M sẽ gây ra mô ứng suất uốn và được xác định nhƣ sau :

Dưới tác dụng của lực cắt Q trên mặt cắt ngang sẽ xuất hiện ứng suất cắt, ứng suất này đƣợc xác định nhƣ sau :

- Q là lực cắt ngang lớn nhất của dầm.

- S là mô men tĩnh của 1/2 mặt cắt ngang lấy đối với trọng tâm của dầm.

Chiều dày của tấm vách được ký hiệu là S V, trong khi h đại diện cho tính ứng suất tương đương Ứng suất tương đương được xác định khi giá trị của M và Q đạt cực đại tại một mặt cắt, thường được tính ở cạnh trên của tấm vách Công thức tính ứng suất tương đương là: \( \sigma_{td} = \sigma + \frac{\tau}{2} \leq [\sigma_k] \).

 với S là mô men tĩnh của tiết diện ngang lấy đối với trục trung tâm của tiết diện dầm.

Trong một số trường hợp  td nhỏ hơn ứng suất gây ra do uốn do vậy trong mọi trường hợp thì :

Tiết diện đƣợc coi là hợp lý khi :

2.3 Tính toán thiết kế các mối hàn dầm.

Các phần tử của dầm thường được kết nối bằng các đường hàn góc giữa tấm đế và tấm vách Trong quá trình làm việc, dầm chịu cả ứng suất pháp và ứng suất cắt, trong đó ứng suất cắt dọc theo mối hàn giữa tấm vách và tấm đế là nguy hiểm nhất Ứng suất này có thể được xác định qua các phương pháp tính toán cụ thể.

Các mối hàn có cạnh là k thì : k J

Trường hợp tải trọng di động trên mặt dầm thì : k z

P là trị số tải trọng tập trung, n là trị số phụ thuộc vào đặc trưng gia công cạnh tấm đứng, và z là chiều dài mối hàn tính toán, nơi áp lực được truyền từ tấm đế sang tấm đứng.

Sau khi xác định đƣợc  và  k ta tiến hành xác định ứng suất tổng hợp theo công thức sau :

Khi sử dụng dầm có chiều dài lớn, việc nối dầm là cần thiết Khi thực hiện nối dầm, cần chú ý rằng các mối nối giữa các tấm phải được sắp xếp lệch nhau theo hình vẽ 4-3 Độ bền của mối hàn nối dầm sẽ được xác định dựa trên các yếu tố kỹ thuật cụ thể.

Nếu mô men quán tính  lớn hơn mô men chống uốn  h, cần hàn thêm vào chỗ nối tấm ốp phụ để tăng cường mô men quán tính và mô men chống uốn.

Mô men chống uốn W' của tiết diện có tấm đệm cần được xem xét cẩn thận trong thiết kế Để giảm thiểu ứng suất tập trung, nên hạn chế sử dụng tấm đệm trong quá trình tính toán.

Ứng dụng tính toán thiết kế

Để thiết kế mặt cắt ngang cho dầm chịu tải trọng theo hình vẽ, cần đảm bảo điều kiện bền cho cấu trúc Mặt cắt được yêu cầu có dạng hình chữ I, giúp tối ưu hóa khả năng chịu lực và giảm trọng lượng dầm Việc lựa chọn kích thước và vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của dầm trong quá trình sử dụng.

1- Tính phản lực tại các gối đỡ

Mô men uốn lớn nhất tại điểm đạt lực P có thể xác định bằng cách sử dụng mặt cắt để cắt dầm tại vị trí này Sau đó, lập phương trình cân bằng mô men cho phần dầm bị cắt bên phải hoặc bên trái, từ đó thu được phương trình cần thiết để phân tích.

3- Tính chiều cao của dầm :

Chiều cao của dầm đƣợc xác định theo công thức thực nghiệm h= 1,3

 Trong đó SV = 10mm đƣợc chọn theo

(4-2)*ứng dụng cho tải trọng nhẹ

Thay các giá trị vào biểu thức ta có : h= 1,3 170 cm

4- Tính mô men chống uốn W y

Mô men chống uốn đƣợc xác định theo công thức sau : Wy  

Thay các giá trị vào trong biểu thức ta có :

5- Tính mô men quán tính J y

Mô men quán tính đƣợc xác định theo công thức sau : Jy= Wx

Thay các giá trị vào công thức trên ta có :

170 = 1434375 cm 4 6- Tính mô men quán tính của tấm vách Jb

7- Tính mô men quán tính của tấm đế Jd

Theo công thức Jy = JV + 2 Jd

Theo lý thuyết bền ta có công thức tính mô men quán tính của tấm đế nhƣ sau :

Mô men quán tính tổng cộng J d được tính bằng tổng của mô men quán tính J dd của tấm đế tại trọng tâm của nó và mô men quán tính J dT của tấm đế tại trọng tâm của mặt cắt ngang của dầm.

Thay các giá trị vào ta có:

Trong biểu thức trên thì

3 d d S h rất nhỏ và đƣợc phép bỏ qua và 

= h1 nên lúc này biểu thức trên sẽ là :

Do S V = 0,8.S d cho nên ta có S d = S V 1 , 2 cm

0   Thay giá trị này vào biểu thức trên ta có biểu thức tính chiều rộng của tấm đế sẽ là. hd= cm h S

Như vậy kích thước mặt cắt ngang của dầm sẽ là :

9- Kiểm tra độ bền uốn :

Từ công thức (4-9) ta có

     K thay các trị số vào ta có.

 nhƣ vậy      K Kết cấu thoả mãn điều kiện bền uốn.

10- Tính ứng suất tiếp lớn nhất.

Từ công thức (4-10) ta có      

Thay vào biểu thức tính ứng suất tiếp ở trên ta có :

 ứng suất này rất nhỏ so với ứng suất tiếp cho phép.

Nhƣ vậy kết cấu thoả mãn điều kiện bền

K Ế T C Ấ U TR Ụ

Khái niệm, phân loại, trạng thái chịu tải trọng của trụ

Trụ là cấu trúc chịu lực chủ yếu từ lực nén, thường được sử dụng làm cột chống trong xây dựng nhà, các bộ phận của khung máy, toa xe, cầu và cột điện Lực tác động lên trụ có thể là đúng tâm hoặc lệch tâm.

Kết cấu trụ thép hàn thường có dạng trụ có mặt cắt ngang hình chữ I, rất phổ biến trong ngành chế tạo nhà công nghiệp và hệ thống cầu trục Kết cấu này bao gồm hai tấm đế và một tấm vách, được liên kết bằng các mối hàn góc Trụ hình chữ I được coi là cấu trúc tối ưu, tiết kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu tải trọng tốt Hình dạng của loại trụ này được thể hiện trong hình 5-1.

Trụ hình chữ I và trụ có mặt cắt hình chữ nhật là những loại trụ phổ biến trong xây dựng nhà công nghiệp và nhà dân dụng, cũng như trong chế tạo máy Các trụ này thường được cấu tạo từ ba tấm kim loại liên kết với nhau bằng các đường hàn góc, giúp đảm bảo khả năng chịu tải tốt Trụ thường được bố trí để chịu các tải trọng đúng tâm, mang lại sự ổn định cho công trình.

Trụ công nghiệp được sử dụng phổ biến trong xây dựng nhà xưởng lắp đặt hệ thống cầu trục và trong ngành chế tạo máy Kết cấu của loại trụ này bao gồm 4 tấm kim loại được liên kết bằng các mối hàn góc, cho phép trụ chịu được tải trọng đúng tâm và lệch tâm.

Tính toán thi ế t k ế tr ụ

2.1 Tính toán thiết kế mặt cắt ngang của trụ. Độ bền và độ ổn định của trụ khi chịu nén đúng tâm đƣợc xác định theo công thức sau đây :

- N : là lực nén dọc trục (N)

- F : Là diẹn tích mặt cắt ngang của trụ (m 2 )

-  : Là hệ số uốn dọc , hệ số này luôn luôn nhỏ hơn 1

Khi tính toán thiết kế chúng ta dùng hệ số  để đảm bảo tính ổn định của phần tử chịu nén do bị uốn dọc.

Tỷ số giữa chiều dài tự do L của phần tử và bán kính quán tính r của tiết diện ngang của phần tử cong được gọi là hư số.

 ( 5 - 2) Trong đó r là bán kính quán tính đƣợc xác định theo công thức sau : r F

J ( 5 - 3) Hình 5-2: Trụ hình chữ thập

Với J là mô men quán tính của tiết diện ngang của trụ F.

Khi xác định chiều dài của trụ, cần lưu ý rằng chiều dài này phụ thuộc vào dạng liên kết của trụ Trong thực tế, các trụ thường được liên kết theo ba dạng khác nhau.

Sau khi xác định đƣợc  ta có thể tra bảng để chọn đƣợc  , dựa vào  để tính

F theo công thức ( 5 - 1) Nhƣng mặt khác ta cũng thấy rằng muốn chọn đƣợc

Để giải bài toán này, cần căn cứ vào giá trị F và áp dụng phương pháp gần đúng liên tục Bước đầu tiên là chọn một giá trị  1 trong khoảng 0,5 - 0,8, tùy thuộc vào loại kết cấu Sau khi xác định được  1, ta sẽ thay vào công thức kiểm tra điều kiện bền để thực hiện các bước tiếp theo.

Sau khi xác định F1, chúng ta thiết kế mặt cắt ngang hợp lý dựa trên F1, từ đó tạo ra mặt cắt ngang mới F2, với điều kiện F2 luôn lớn hơn F1.

Từ F2 ta tính mô men quán tính cực tiểu để thay vào công thức ( 5 - 3) để xác định bán kính cực tiểu nhƣ sau : r min 2 m in

Từ rmin ta có: min max r

Với giá trị của  m ax đƣợc xác định ở trên ta tiến hành tra bảng để xác định hệ số

 , hệ số này ta gọi là  2

Thay  2 để kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức :

Nếu độ sai số trong công thức nằm trong phạm vi ±5%, điều này cho thấy các kích thước tính toán và mặt cắt thiết kế là hợp lý và đáp ứng yêu cầu bền Tuy nhiên, nếu kết quả tính toán vượt quá giới hạn cho phép, cần phải tiến hành tính lại từ đầu.

Nhƣ vậy khi tính toán thiết kế một kết cấu trụ chúng ta cần phải thực hiện các bước sau :

1 - Chọn trước một giá trị  thông thường giá trị này nằm trong phạm vi từ 0,5  0,8 Trong một số trường hợp cho trước giá trị này

3 - Thiết kế mặt cắt hợp lý, trên cơ sở của F1 từ đó xác định F2 của mặt cắt vừa thiết kế.

4 - Tính mô men quán tính J X và J Y sau đó chọn mô men quán tính nào có giá trị nhỏ hơn để tính bán kính quán tính cực tiểu

5 - Tính bán kính quán tính cực tiểu theo công thức ( 5- 5 )

6 - Tính độ cong lớn nhất  m ax theo công thức (5 - 6 )

8 - Kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức ( 5 - 7 )

9 - So sánh kết quả tính toán với các điều kiện cho phép để rút ra kết luận

10 - Tính toán lại nếu không thoả mãn các yêu cầu.

2.2 Tính toán thiết kế mối hàn liên kết các phần tử của trụ.

Trong quá trình chịu tác dụng của lực, nếu lực tác dụng đạt đúng tâm thì lực ngang Q sẽ bằng 0 Tuy nhiên, trong thực tế, khi trụ bị nén, nó sẽ cong một ít và lực tác dụng không hoàn toàn đạt đúng tâm, dẫn đến việc lực ngang Q không bằng 0 Theo thực nghiệm, lực ngang được xác định như sau:

Diện tích mặt cắt ngang của trụ được ký hiệu là F, với đơn vị là cm² Công thức tính diện tích này áp dụng cho vật liệu chế tạo là các loại carbon thấp và hợp kim nhôm Nếu trụ được chế tạo từ các loại thép hợp kim, công thức tính sẽ khác.

Với những kết cấu mà khi làm việc xuất hiện cả lực dọc và lực ngang thì ta có công thức xác định :

Trong bài viết này, e được định nghĩa là khoảng cách từ điểm đặt lực đến tâm của mặt cắt ngang, trong khi l là chiều cao của trụ Ứng suất phát sinh tại các mối hàn do tác động của lực ngang được xác định theo công thức cụ thể.

 ( 5- 10 ) Trong đó : - Q là lực cắt ngang

Hình 5.4: Lực tác dụng lệch tâm

- J là mô men quán tính của toàn tiết diện lấy đối với trục Y.

- K là chiều cao mối hàn

- S là mô men tỉnh lấy đối với trục đứng nhƣ hình vẽ (hình 5-5) Độ cong phần tử

CT3, CT4 CT5 Thép hợp kim hợp kim nhôm

0,973 0,946 0,890 0,770 0,664 0,542 0,458 0,387 0,322 0,280 0,243 0,213 0,183 0,162 0,152 Hình 5-5: Mặt cắt ngang có lực lệch tâm

Tính mô men quán tính

5 - Tính bán kính quán tính cực tiểu theo công thức ( 5- 5 )

6 - Tính độ cong lớn nhất  m ax theo công thức (5 - 6 )

8 - Kiểm tra lại điều kiện bền theo công thức ( 5 - 7 )

9 - So sánh kết quả tính toán với các điều kiện cho phép để rút ra kết luận

10 - Tính toán lại nếu không thoả mãn các yêu cầu.

2.2 Tính toán thiết kế mối hàn liên kết các phần tử của trụ.

Trong quá trình chịu tác dụng của lực, nếu lực tác dụng đạt đúng tâm, lực ngang Q sẽ bằng 0 Tuy nhiên, trong thực tế, các trụ khi bị nén thường cong một ít và lực tác dụng không hoàn toàn đạt đúng tâm, dẫn đến lực ngang Q không bằng 0 Theo thực nghiệm, lực ngang được xác định như sau:

Diện tích mặt cắt ngang của trụ được ký hiệu là F và có đơn vị là cm² Công thức tính này chỉ áp dụng cho vật liệu chế tạo là các loại carbon thấp và hợp kim nhôm Đối với trụ được chế tạo từ các loại thép hợp kim, công thức tính sẽ có sự khác biệt.

Với những kết cấu mà khi làm việc xuất hiện cả lực dọc và lực ngang thì ta có công thức xác định :

Trong đó, e là khoảng cách từ điểm đặt lực đến tâm của mặt cắt ngang, và l là chiều cao của trụ Ứng suất sinh ra tại các mối hàn dưới tác dụng của lực ngang được xác định theo công thức cụ thể.

 ( 5- 10 ) Trong đó : - Q là lực cắt ngang

Hình 5.4: Lực tác dụng lệch tâm

- J là mô men quán tính của toàn tiết diện lấy đối với trục Y.

- K là chiều cao mối hàn

- S là mô men tỉnh lấy đối với trục đứng nhƣ hình vẽ (hình 5-5) Độ cong phần tử

CT3, CT4 CT5 Thép hợp kim hợp kim nhôm

0,973 0,946 0,890 0,770 0,664 0,542 0,458 0,387 0,322 0,280 0,243 0,213 0,183 0,162 0,152 Hình 5-5: Mặt cắt ngang có lực lệch tâm

3 Ứng dụng tính toán, thiết kế.

Cho một trụ chịu tác dụng của tải trọng nhƣ hình vẽ Hãy :

- Tính toán thiết kế mặt cắt ngang đãm bảo yêu cầu

- Tính toán thiết kế mối hàn thoả mãn điều kiện bền

Biết rằng lực nén đúng tâm P= 940 KN ;    K $ KN/cm 2 ; vật liệu là thép hợp kim thấp.

1- Chọn  = 0,6 nằm trong giới hạn cho phép từ 0,5 - 0,8

2- Tính diện tích mặt cắt theo ( 5- 4) ta có : 

3- Thiết kế mặt cắt hợp lý F2 trên cơ sở của mặt cắt F1 đã tính toán ở trên.

Chúng ta có thể sử dụng mặt cắt chữ I để chế tạo trụ, với quá trình tính toán được thực hiện theo nguyên tắc đúng dần Dựa trên đó, kích thước tạm thời của trụ được thiết kế như sau: chiều cao h d = 280 mm, chiều rộng S d = 200 mm và chiều dày hV = 8 mm.

Với các kích thước trên ta có mặt cắt ngang của trụ như hình vẽ sau.

Nhƣ vậy F2sẽ đƣợc xác định :

4 Tính mô men quán tính a- Tính mô men quán tính đối với trục X

Mô men quán tinh đối với trục X của mặt cắt ngang đƣợc xác định nhƣ sau:

3 d d S h  là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trọng tâm của tấm đế

JXdT = Fd yd = hd Sd (

S  ) 2 là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trục trọng tâm X của mặt cắt ngang trụ.

S  là mô men quán tính của tấm vách lấy đối với trục trọng tâm X của mặt cắt ngang.

Thay các giá trị vào ta có :

JX = 6711 cm 4 b- Tính mô men quán tính đối với trục Y.

Mô men quán tính đối với trục Y đƣợc xác dịnh nhƣ sau :

S  là mô men quán tính của tấm đế lấy đôi với trục trọng tâm Y của mặt cắt ngang.

Là mô men của tấm vách lấy đối với trục Y của mặt cắt ngang.

Thay các giá trị vào ta có :

5- Tính bán kính quán tính cực tiểu

Bán kính quán tính cực tiểu đƣợc xác định theo công thức ( 5- 5 ), ta có : rY 2 min

J Trong đó Jmin = JY = 3659 cm 4 còn F2 = 72 cm 2 Cho nên : rY 72

6 - Tính độ cong lớn nhất. Độ cong lớn nhất đƣợc xác định theo công thức (5 - 6 ), ta có : min max r

 ở đây l= 800 cm ; rmin= rY = 7,13 cm

Với giá trị của độ cong  max  112 ta có thể chọn gần đúng  = 0,37

8 - Kiểm tra lại điều kiện bền.

Theo công thức (5 - 7 ) ta có :   K

Thay các giá trị vào biêu thức trên

9 - Ta nhận thấy giá trị này rất lớn so với ứng suất cho phép, cho nên phải tính lại

Việc tính lại được thực hiện từ bước chọn kích thước mặt cắt ngang F2

Bài toán được thực hiện theo phương pháp đúng dần, cho phép tăng kích thước của F2 Kích thước mới được chọn là: h d = 320 mm, S d = 10 mm, hV = 250 mm, và SV = 8 mm.

* Xác định F theo các kích thước dã chọn ở trên, ta có :

* Tính mô men quán tính nhỏ nhất.

Mô men quán tính nhỏ nhất là JY đƣợc xác định nhƣ sau :

* Tính bán kính quán tính nhỏ nhất.

Bán kính quán tính nhỏ nhất đƣợc xác định nhƣ sau : r Y =  

*Tính độ cong  max Độ cong lớn nhất đƣợc xác định theo công thức 100

* Tra bảng xác định hệ số 

Với giá trị độ cong lớn nhất  max  100    0 , 46

* Kiểm tra điều kiện bền.

Thay các giá trị vào công thức kiểm tra điều kiện bền ta có :

So sánh với tiêu chuẩn, ứng suất tính toán nằm trong giới hạn cho phép, cho thấy diện tích tính toán lần thứ hai của mặt cắt ngang đã đạt yêu cầu.

Do kết cấu trụ chịu nén đúng tâm cho nên, lực ngang đƣợc xác định nhƣ sau :

* J = 2 Jdd + 2JdY + JVY là mô men quán tính của mặt cắt ngang lấy đối với trục Y nhƣ hình vẽ.

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :

 = 1,73 KN/cm 2 ứng suất này rất nhỏ so với ứng suất cho phép, cho nên kết cấu đảm bảo yêu cầu.

K Ế T C Ấ U T Ấ M

Khái ni ệ m chung v ề k ế t c ấ u t ấ m

Kết cấu tấm là các cấu trúc được hình thành từ việc liên kết các tấm kim loại, tạo ra những dạng như thùng chứa, bể chứa, vỏ tàu thuỷ, máy bay, xe ô tô, và các bình chứa khí, chất lỏng Những kết cấu này yêu cầu độ kín và độ bền mối hàn cao để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng Các liên kết hàn chủ yếu bao gồm liên kết hàn giáp mối và liên kết hàn góc Trước khi hàn, các tấm kim loại được tạo hình phù hợp với yêu cầu làm việc của kết cấu, và sau khi hàn, các mối hàn được kiểm tra nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn đã quy định.

Phân lo ạ i k ế t c ấ u t ấ m và tr ạ ng thái làm vi ệ c c ủ a k ế t c ấ u t ấ m

Hầu hết các loại kết cấu tấm đều yêu cầu độ kín và độ bền khác nhau tùy thuộc vào điều kiện làm việc Do đó, công nghệ gia công cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật tương ứng để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Do những đặc điểm trên mà hầu hết các loại kết cấu đều đƣợc phân chia làm hai nhóm sau : a- Nhóm 1

Các thùng chứa và kết cấu khác được thiết kế để chứa các chất lỏng và khí không nguy hiểm, không độc hại, có áp suất nhỏ (P ≤ 5 N/cm²) và nhiệt độ tối đa khoảng 100°C Những kết cấu này thường hoạt động trong điều kiện bình thường.

Các loại kết cấu như vỏ tàu thuỷ, bình chứa khí ô xy, bình chứa khí cháy và nồi hơi chịu áp lực cao đều hoạt động trong những điều kiện nguy hiểm, đòi hỏi hệ số an toàn rất cao Do đó, việc tuân thủ các chỉ dẫn đặc biệt trong quá trình làm việc là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn.

Tính toán kết cấu tấm

3.1 Kết cấu thùng chứa hình trụ đứng.

Thùng chứa hình trụ đứng bao gồm ba phần chính: thân thùng, nắp thùng và đáy thùng, tạo thành kết cấu đơn giản nhất trong các loại kết cấu tấm Việc tính toán cho thùng chứa được thực hiện cho cả ba phần này, sử dụng vật liệu chế tạo từ thép các bon thấp và thép hợp kim thấp Tính toán phần thân thùng là bước quan trọng trong quá trình thiết kế.

Thân thùng được thiết kế dưới dạng hình trụ đứng, thường được chế tạo từ nhiều đoạn ống nối ghép qua các mối hàn giáp mối Các đoạn ống này được hình thành từ tấm thép cuộn tròn và liên kết bằng hàn dọc Đặc biệt, đoạn ống phía dưới có chiều dày lớn hơn so với đoạn phía trên, tạo nên kết cấu vững chắc Trong cấu trúc trụ đứng, các mối hàn liên kết bao gồm cả mối hàn dọc và ngang, trong đó mối hàn dọc chịu lực chính Độ dày của vỏ thùng quyết định độ bền của sản phẩm, và quá trình tính toán thiết kế được thực hiện một cách chi tiết.

- Tính áp lực bên trong của thùng áp lực trong của thùng đƣợc xác định theo công thức sau :

Trong đó :  là trọng lƣợng đơn vị thể tích của chất lỏng

Y là độ sâu của lớp xét so với mặt phẳng nằm ngang.

Theo lý thuyết về ứng suất vành ta có thể dùng công thức sau đây để xác định chiều dày cần thiết cho một đoạn ống bất kỳ.

R là bán kính của hình trụ, trong khi P là áp lực được tính theo công thức đã nêu Áp lực này thường được xác định tại điểm cách mép dưới của tấm 300mm, nhằm đảm bảo phù hợp với các điều kiện kỹ thuật.

Khi cần khoan lỗ trên một đoạn ống để lắp ống dẫn, khu vực khoan sẽ trở nên yếu hơn Do đó, tại vị trí này, chúng ta có thể thực hiện kiểm nghiệm theo công thức phù hợp để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả.

Trong công thức trên ta có :

P : là áp lực trong thùng chứa.

R : là bán kính của hình trụ. hd : là chiều cao đoạn ống d : là đường kính lổ khoan

Phần lớn các lỗ khoan không gây nguy hiểm, nhưng nếu ứng suất tính toán vượt quá giới hạn cho phép, cần phải gia cố khu vực lỗ khoan bằng cách thêm một miếng vật liệu để tăng tiết diện chịu lực và giảm ứng suất tính toán Đáy thùng thường được thiết kế là đáy phẳng hoặc đáy lồi, tùy thuộc vào trạng thái làm việc của kết cấu.

Đáy phẳng là loại đáy phổ biến, thường được lắp đặt trên nền xi măng hoặc cát, không chịu lực làm việc Được chế tạo từ thép tấm dày từ 4-8 mm tùy thuộc vào đường kính thùng, đáy có thể có phần ngoài biên dày hơn để chịu tải tốt hơn Mối liên kết giữa đáy và trụ rất quan trọng, vì tại điểm nối sẽ xuất hiện mô men uốn, phụ thuộc vào độ dày của tấm vách và chiều dài phần nhô ra Tuy nhiên, phạm vi ảnh hưởng của mô men này không lớn Liên kết giữa trụ và đáy được thực hiện bằng hai mối hàn liên tục, đảm bảo độ bền và không cần kiểm tra điều kiện bền cho các mối hàn này.

Đáy dạng cầu là loại đáy được áp dụng trong những trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như tháp chứa nước hoặc các thùng chứa chịu áp suất cao, nơi đáy phẳng không phù hợp Do quá trình chế tạo đáy dạng cầu phức tạp, loại đáy này thường chỉ được sử dụng khi thật sự cần thiết để tránh lãng phí.

Khi tính toán đáy cầu, ứng suất ở đáy cầu đƣợc xác định theo công thức sau :

 (6- 4) Trong đó : P là áp suất tại điểm xét trên đáy, đƣợc tính nhƣ ở trên.

S 0 là chiều dày của đáy.

R 0 là bán kính trong của đáy, theo lý thuyết bền thì R0 2R c- Tính toán nắp thùng.

Nắp thùng thường được cấu tạo từ một khung bên trong và các tấm thép bên ngoài được hàn liên kết với nhau Một số thiết kế có trụ giữa để khung có thể tựa vào Khung bao gồm các thanh biên trên và dưới, tạo thành hình tam giác hoặc hình thang Thanh biên trên liên kết với vỏ nắp, trong khi các thanh biên dưới tựa lên trụ Độ dày của tấm thép vỏ nắp thường dao động từ 2-3mm, và các thanh khung thường là thép hình chữ [ hoặc chữ I Khi tính toán độ bền, các tấm thép nắp được coi như bị ngàm ở cả chu vi, gần đúng hình chữ nhật với các cạnh a và b, từ đó xác định ứng suất sinh ra trong tấm.

Trong đó : q : là tự trọng của nắp, trọng lượng của người và thiết bị công tác trênnắp s : là chiều dày của tấm thép (cm ).

 : là hệ số diều chỉnh (  =0,192 khi a=b ;  =0,407khi a= b )

3.2 Tính các kết cấu bình chứa chất lỏng, chất khí áp suất cao.

Các bình chứa chất lỏng và khí có áp suất cao cần tuân thủ quy trình nghiêm ngặt trong quá trình làm việc để tránh nguy cơ cháy nổ, gây hậu quả nghiêm trọng cho con người và thiết bị Do đó, việc tính toán chiều dày của bình phải đảm bảo hệ số an toàn cao.

Chiều dày của bình có thể đƣợc xác định theo công thức sau :

Trong đó : S là chiều dày bình

P là áp suất làm việc của bình

Dt là đường kính trong của bình

 là hệ số bền của mối hàn , thường chọn từ 0,7 - 1 c là trị số bổ sung chiều dày, thường chọn c=1,7

( Do ăn mòn, chiều dày định mức tôn cơ bản, do công nghệ chế tạo) b- Tính chiều dày đáy bình.

Chiều dày đáy bình đƣợc xác định theo công thức sau :

P, Dt, c,    K đƣợc chọn nhƣ trong công thức (6-6)

Hệ số Z là yếu tố làm yếu đáy, thường được chọn nhỏ hơn hoặc bằng 1, trong khi ht là chiều cao của đáy bình Đối với các bình làm việc trong điều kiện dễ gây ra cháy nổ, việc tính toán thiết kế cần được thực hiện tương tự, nhưng cần nhân thêm hệ số an toàn Lý thuyết cho thấy khi xảy ra nổ, áp suất có thể tăng từ 10 đến 12 lần so với áp suất làm việc, do đó, khi tính toán, cần tăng áp suất làm việc lên 12 lần để đảm bảo an toàn.

Các ứ ng d ụ ng tính toán thi ế t k ế

1- Tính toán các kích thước cơ bản của bình sinh khí có dung tích 40 lít, sản lƣợng khí 2000lit/giờ, áp suất làm việc 1,5 át, vật liệu có    K  20 KN / cm 2

Hướng dẫn tính toán. a- Xác định các kíchthước của bình.

* Xác định chiều cao của bình

Với các loại bình sinh khí loại nhỏ, ta có thể chọn trước chiều cao của bình, chiều cao bình có thể chọn trong giới hạn sau : h = 500  650 (mm)

Nhƣ vậy theo giới hạn này ta có thể chọn chiều cao bình h= 500 mm

* Tính đường kính của bình. Đường kính của bình được tính như sau :

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có. dm cm h

Vậy đường kính trong của bình Dt= 320 mm b - Tính chiều dày của bình

Theo công thức ( 6-6 ) ta có :

Vậy ta có thể chọn S = 2,5 - 3 (mm) để đãm bảo điều kiện bền. c- Tính chiều dày đáy bình

Chiều dày đáy bình đƣợc xác định theo công thức (6-7) nhƣ sau :

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :

 Để đảm bảo điều kiện bền ta chọn Sd = 2,5 - 3 (mm)

2- Kiểm tra độ bền của bình dập lửa tạt ngược Biết rằng đường kính trong của bình dt = 60mm a- Tính áp suất khi nổ

Khi nổ áp suất đƣợc xác định nhƣ sau :

Pn = 12 ( P + 1) - 1 Thay các giá trị vào ta có áp suất khi nổ sẽ là :

Pn = 12 ( 1,5 + 1 ) - 1 = 29 KG/cm 2 b- Tính chiều dày của bình

Chiều dày bình đƣợc xác định theo công thức :

Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :

 Để đảm bảo độ bền ta chọn Snl = 3mm.

K Ế T C Ấ U DÀN

Phân lo ạ i và các tr ạ ng thái làm vi ệ c c ủ a dàn

Dàn được phân loại dựa trên công dụng và cấu trúc tổ hợp của nó Trong kỹ thuật, dàn được xem là hợp lý nhất khi nó đáp ứng đầy đủ các điều kiện về kết cấu.

Hình 7.1: Kết cấu dàn hợp lý nhất, trọng lƣợng nhỏ nhất, chế tạo dễ dàng nhất Kết cấu dàn đƣợc chia ra các loại nhƣ sau :

Dàn kèo nhà bao gồm dàn kèo nhà dân dụng, dàn kèo nhà công nghiệp a- Dàn kèo nhà dân dụng.

Dàn kèo nhà dân dụng thường có cấu trúc bao gồm các thanh biên trên, thanh biên dưới, thanh giằng và thanh chống, tất cả được liên kết bằng các nút Nút đế nằm ở hai đầu dàn, có nhiệm vụ liên kết các phần tử của dàn và kết nối dàn với các trụ Nút đỉnh ở vị trí trên cùng, kết nối các thanh biên trên và thanh chống, trong khi nút giữa, nằm ở giữa thanh biên dưới, có nhiều phần tử liên kết nhất Các nút còn lại được gọi là nút trung gian.

Dàn kèo nhà dân dụng có yêu cầu sau :

Khoảng cách giữa các nút d = 2-3m ; Tỷ lệ giữa chiều cao và chiều dài của dàn là

 l h b- Dàn kèo nhà công nghiệp.

Dàn kèo nhà công nghiệp thường có hình dạng 7-3 và được sử dụng phổ biến cho các công trình có nhịp lớn Để đảm bảo tính ổn định, loại dàn này thường sử dụng thanh chống cứng Độ dài mỗi khung của dàn kèo dao động từ 1,5 đến 3,0 mét, với tỷ lệ giữa chiều cao và chiều dài được lựa chọn trong khoảng phù hợp.

Các thanh của dàn có thể là thanh đơn hoặc thanh kép.

Hình 7.2: dàn kèo nhà dân d ụ ng

Hình 7.3: Dàn kèo nhà công nghi ệ p d l h

Thường có dạng như hình 7-3

Khi làm việc các xe tời chuyển động ở các thanh biên, trên khoảng cách các nút d=1,5-2,5m, tỷ số giữa chiều cao và chiều dài

Tỷ số l/h được xác định bởi yêu cầu về độ cứng; tỷ số này càng lớn thì độ cứng và độ võng khi chịu tải càng nhỏ Để tăng tỷ số này, cần tăng chiều cao h, nhưng điều này phụ thuộc vào chiều cao của xưởng Do đó, khi thiết kế cầu trục, cần chú ý đến kết cấu của xưởng nơi cầu trục sẽ được lắp đặt.

Dàn cầu là loại dàn luôn chịu tảI trọng lớn, do vậy cần có độ cứng cao, nhƣng yêu cầu độ cứng của khung cũng lớn hơn nhiều.

Phần lớn các dàn cầu có d=3-4m, tỷ số giữa chiều cao và chiều dài

Nhiều dàn phẳng được kết nối với nhau để tạo thành các hệ dàn không gian, trong đó các dàn phẳng được liên kết thông qua các thanh giằng dọc và thanh giằng ngang.

Tính toán thi ế t k ế dàn

3.1 Tính tải trọng và ứng suất trong các thanh của dàn a) tính tải trọng.

Các tải trọngđặt lên dàn bao gồm các lực tập trung, lực phân bố, các mô men uốn.v.v.

- Tính các phản lực tại các gối đỡ, dùng phương trình cân bằng tĩnh học để tính các phản lực tại các gối đỡ

- Tính mô men uốn lớn nhất

B) Tính nội lực trong các thanh của dàn

Để xác định nội lực trong thanh của dàn, ta sử dụng phương pháp mặt cắt Trước tiên, cần xác định loại dàn là đối xứng hay không đối xứng Nếu dàn đối xứng, chỉ cần phân tích một nửa dàn, phần còn lại sẽ được lấy đối xứng tương ứng Ngược lại, nếu dàn không đối xứng, cần tính toán cho toàn bộ dàn.

- Dùng mặt cắt để cắt dàn, lập phương trình cân bằng cho phan fdàn bị cắt nhƣ sau:

- GiảI phương trình cân bằng đã thành lập để xác định nội lực trong các phần tử của dàn.

3.2 Xác định tiết diện ngang các thanh của dàn.

Thanh biên chịu nén phảI có diện tích mặt cắt ngang đƣợc xác định theo công thức sau:

FYC là diện tích yêu cầu của mặt cắt ngang

N là nội lực tính toán

: là hệ số uốn dọc, hệ số này được ước chọn trước.

Sau khi chọn đƣợc FYC ta tiến hành xác định mặt cắt hợp lý, tính lại F, kiểm tra bền theo công thức sau:

Nừu các thanh đƣợc hàn với nhau thì cạnh của mối hàn đƣợc xác định theo công thức sau:

K=(0,4-0,6) (7-3) Ƣng suất sinh ra trong mối hàn đƣợc xác định theo công thức:

S: Mô men tĩnh của thanh

J: Mô men quán tính của thanh biên lấy đối với trọng tâm mặt cắt ngang.Đối với những dàn chịu kéo thường được chế tạo cùng một loại vật liệu như thanh biên chịu nén , đƣợc tính theo công thức sau:

  (7-5) c- Tính tiết diện thanh giằng và thanh trụ

Các loại thanh giằng, thanh trụ của dàn thường được chọn giống như các thanh biên.Với loại thanh chịu kéo thì:

  (7-6) Đối với thanh chịu nén thì:

Trong đó =0,4-0,7 Để tính toán thiết kế đƣợc đơn giản ta chọn thanh giằng, thanh trụ có tiết diện nhƣ sau.

Khi đánh giá độ bền, chỉ cần kiểm tra các thanh chịu nén, vì các thanh chịu kéo thường đạt yêu cầu bền Đối với các mối hàn, kích thước thường được chọn với tỉ lệ k trong khoảng từ 0,4 đến 0,6 nhân với diện tích bề mặt.

3.3 Tính toán và thiết kế nút dàn. a- Tính nút đế;

Nút đế là nút vừa làm nhiệm vụ liên kết các phần tử của dàn vừa làm nhiệm vụ liên kết giữa dàn với các kết cấu khác

Nút đế bao gồm các thành phần chính như tấm đế, có kích thước đủ để liên kết với các kết cấu khác, trên bề mặt tấm đế được khoan các lỗ để lắp ghép bulông, với hình dạng lỗ có thể là tròn hoặc elíp tùy theo yêu cầu Ngoài ra, nút đế còn có tấm vách dọc và tấm vách ngang để kết nối các thanh trụ, thanh biên và thanh giằng, tạo nên một kết cấu vững chắc.

Khi tính kích thước tấm đế, cần đảm bảo rằng nó đủ lớn để ghép với các kết cấu của dàn liên kết Thông thường, kích thước tấm đế được xác định bằng kích thước của mặt cắt ngang của trụ liên kết.

Để tính kích thước của tấm vách dọc, chiều dài của tấm vách dọc phải bằng chiều dài của tấm đế Chiều cao của tấm vách dọc được xác định dựa trên chiều dài của đường hàn các thanh trụ và thanh giằng Chiều dài mối hàn được tính theo công thức cụ thể.

Hình 7-2: K ết cáu nút đế

Tấm vách ngang được cấu tạo từ hai tấm được đặt vuông góc với tấm vách dọc, tạo thành hình dạng như trong hình vẽ Chiều rộng của tấm vách ngang tương đương với chiều cao của tấm đế Việc tính toán nút đỉnh cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế.

Nút đỉnh là phần trên cùng của dàn, xuất hiện ở các dàn nhà công nghiệp và dàn kèo nhà dân dụng, có chức năng liên kết các thanh biên trên, thanh chống và có thể liên quan đến thanh giằng Nút đỉnh thường là một tấm ngũ giác với hai cạnh dài và ba cạnh ngắn; hai cạnh dài được sử dụng để kết nối các thanh biên, chiều dài của chúng phụ thuộc vào chiều dài đường hàn giữa thanh biên trên và nút đỉnh, cũng như góc đỉnh của dàn Chiều dài đường hàn được tính toán theo công thức (7-8).

Nút trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thanh trụ, thanh giằng và thanh biên Kích thước của nút trung gian chủ yếu bao gồm chiều dài và chiều rộng, và chúng phụ thuộc vào chiều dài đường hàn liên kết giữa các thành phần này Để tính toán chiều dài các đường hàn, có thể sử dụng công thức (7-8).

Trong quá trình gia công, chiều dài vật liệu chế tạo thanh biên thường không đủ lớn, dẫn đến việc cần phải nối các thanh biên lại với nhau Các phương pháp nối bao gồm nối giáp mối, nối thẳng hoặc giáp mối xiên Đối với những trường hợp chịu lực lớn, có thể sử dụng các tấm đệm ở phía trong hoặc phía ngoài Việc tính toán và kiểm tra các mối hàn được thực hiện tương tự như các phần trước.

Tính toán ứng dụng

Kết cấu chịu tảI trọng nhƣ hình 7-4 Hãy tính toán thiết kế dàn làm việc bảo đảm an toàn Cho trước các số liệu sau: d=2,5m; lm; vật liệu có

Hình 7-3: Các mối nối thanh biên

Hướng dẫn tính toán: a- Các giá trị ban đầu:

- Tính phản lực tại gói đỡ: Do dàn chịu các tảI trọng đối xứng cho nên ta có:

Do cấu trúc dàn làm việc đối xứng, khi thực hiện tính toán, chỉ cần tính cho một nửa dàn Sau đó, kết quả sẽ được áp dụng cho các phần tử đối xứng tương ứng trong dàn.

Theo lý thuyết bền ta có công thức tính ứng suất cho phép nhƣ sau:

- Tính chiều cao của dàn. Để xác định chiều cao của dàn ta chọn tỷ lệ h m l h 1

- Xác định góc  là góc hợp bởi giữa các thanh biên trên và thanh biên dưới Góc này được xác định như sau:

 d tg h b- Tính ứng lực trong các thanh của dàn.

Do cấu trúc dàn đối xứng, chúng ta có thể sử dụng hai mặt cắt 1-1 và 2-2 để xác định ứng lực trong các thanh của dàn Các mặt cắt này được minh họa trong hình vẽ Quá trình tính toán ứng lực được thực hiện theo các bước cụ thể.

- Lập điều kiện cân bằng tại mặt cắt 1-1

Ta có phương trình cân bằng như sau:

Giải phương trình (2) ta có

Giải phương trình (3) ta có

Thay S3 vào phương trình (1) ta có:

Lập điều kiện cân bằng tại mặt cắt 2-2 ta có phương trình cân bằng như sau:

Giải phương trình (4) ta có: h KN

Giải phương trình (5) ta có:

Để xác định nội lực trong các thanh chống của dàn, chúng ta áp dụng phương pháp tách nút Các nút tách bao gồm nút đỉnh và nút trung gian Sau khi thực hiện tách nút, chúng ta thiết lập các phương trình cân bằng để phân tích nội lực.

Lập phương trình cân bằng

GiảI phương trình (6) ta có:

Tách nút trung gian, Hình 7-8

GiảI phương trình (7) ta có:

S 7 =-178,5.0,16-30+255+75,6.0,16=6KN c- Tính toán nặt cắt ngang cho các phần tử của dàn.

Diện tích mặt cắt ngang của các phần tử của dàn đƣợc xác định nhƣ sau:

- Tính mặt cắt ngang của thanh biên chịu kéo.

- Tính thanh biên chịu nén:

- Tính các thanh giằng, thanh trụ

Các thanh giằng và thanh trụ được lựa chọn với kích thước đồng nhất để thuận tiện cho quá trình gia công Việc tính toán kích thước được thực hiện theo công thức đã định sẵn.

Khi thực hiện tính toán, cần chọn thanh giằng hoặc thanh chống có ứng lực lớn nhất để xác định tiết diện ngang cho tất cả các thanh Tiếp theo, xác định số hiệu mặt cắt ngang của các phần tử.

Các phần tử cấu tạo dàn kèo nhà thường được chế tạo từ thép góc L Để xác định mã số các loại thép L này, bạn có thể tham khảo bảng trong các sổ tay vật liệu cơ khí hoặc giáo trình về sức bền vật liệu.

- Đối với thanh biên chịu nén ta dùng L 100.100.10

- Đối với thanh biên chịu nén ta dùng L 70.70.7

- Đối với thanh giằng thanh trụ ta dùng L 63.63.6 e- Tính độ bền mối hàn.

- Chiều dàu mối hàn các thah giằng đƣợc xác định theo công thức.

Ta chọn chiều dài L cm Do thanh giằng thanh trụ đƣợc bố trí 2 mối hàn do vậy chiều dài này đƣợc xác định nhƣ sau. cm L cm L

(DO thép góc khi chịu tác dụng của lực kéo hoặc nén thì sẽ phân bố không đều ở

2 phía, ở phía gần góc vuông, tức là phía gần tâm hơn, lực tác dụng sẽ lớn hơn và đƣợc tính là N1=0,7N

- Chiều dài mối hàn giữa tấm nối đỉnh với thanh biên dưới được xác tính nhƣ sau:

- Chiều dài mối hàn giữa tấm nói với thanh biên dưới được xác định như sau:

(q là lực tổng hợp khi chiếu trục X, chính là lực gây ra kéo thanh biên dưới)

- Chiều dài mối hàn giữa thanh biên và nút đế

Chiều dài mối hàn giữa thanh biên và nút đến đƣợc tính theo công thức:

- Chiều dài mối hàn giữa thanh biên dưới và nút đế.

Nhưng do được hàn hai phía cho nên chiều dài các đường hàn số:

CƠ SỞ THI Ế T K Ế ĐỒ GÁ HÀN

ĐỒ ĐỊ NH V Ị

KẸP CHẶT VÀ CƠ CẤU KẸP CHẶT