V ậ t li ệ u ch ế t ạ o k ế t c ấ u hàn
Thép tấm
Thép tấm là vật liệu có tính vạn năng cao, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như chế tạo vỏ tàu thuỷ, bình chứa chất lỏng và khí, bồn chứa, bể chứa, cũng như ống dẫn chất lỏng và khí Ngoài ra, thép tấm còn được dùng để sản xuất các chi tiết máy Các qui cách của thép tấm rất đa dạng, phù hợp với nhiều nhu cầu khác nhau trong ngành công nghiệp.
- Thép tấm phổ thông: Có chiều dày S = 4 60 mm; chiều rộng từ 160
1050 mm chiều dài từ 6000 12000 mm
- Thép tấm dày có chiều dày S= 4 160mm; chiều rộng từ 600 3000 mm; chiều dài từ 4000 6000mm
- Thép tấm mỏng có chiều dày S= 0,2 4mm rộng từ 600 1400 mm
Thép tấm cán nóng là sản phẩm phôi thép được chế biến qua quá trình cán nóng ở nhiệt độ trên 1000 độ C, dẫn đến sự thay đổi về tính chất vật lý và hóa học của thép Thành phẩm thường có màu xanh đen đặc trưng và các góc cạnh không sắc nét.
Sản phẩm thép tấm cán nóng dễ dàng bảo quản, khách hàng có thể lưu trữ ngoài kho mà không lo ảnh hưởng đến chất lượng Thép tấm này thường được ứng dụng trong gia công cơ khí và nhiều ngành công nghiệp khác.
12 nghiệp xe hơi và tôn lợp, đóng tàu, cán xà gồ và các công trình xây dựng dân dụng khác
Thép tấm cán nguội được sản xuất từ phôi thép tại nhà máy cán nguội, nơi nhiệt độ thường duy trì ở mức phòng hoặc chênh lệch không đáng kể Phương pháp cán nguội chỉ thay đổi tính chất vật lý của thép mà không ảnh hưởng đến tính chất hóa học Sản phẩm cuối cùng có màu sáng, độ bóng cao và các mép biên gọn gàng, không bị xù xì.
Các lo ạ i v ậ t li ệu thườ ng dùng ch ế t ạ o k ế t c ấ u hàn
1.3.1 Thép hợp kim a Thành phần hóa học
Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép được bổ sung các nguyên tố hợp kim với hàm lượng đủ lớn, nhằm cải thiện tổ chức và tính chất cơ lý hoá Những nguyên tố này được đưa vào để tạo ra các đặc tính ưu việt hơn cho thép, vượt qua các giới hạn thông thường của từng nguyên tố.
B ≥ 0,002% b Đặc tính thép hợp kim
Thép hợp kim có độ bền vượt trội so với thép cacbon nhờ vào một số yếu tố, đặc biệt là tính thấm tôi cao Sự khác biệt này được thể hiện rõ rệt ở thép sau khi trải qua quá trình tôi và ram.
Ở trạng thái không tôi và ram, độ bền của thép hợp kim không cao hơn nhiều so với thép cacbon Do đó, khi sử dụng thép hợp kim, cần cân nhắc kỹ lưỡng về tính chất và ứng dụng của nó.
13 phải qua nhiệt luyện tôi + ram Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền
Do tính thấm tốt và môi trường tôi chậm dầu, thép hợp kim ít bị biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon thường phải tôi nước Vì vậy, các chi tiết có hình dạng phức tạp, yêu cầu độ bền cao, đều cần được chế tạo từ thép hợp kim.
Khi tăng mức độ hợp kim hóa, độ cứng và độ bền của vật liệu sẽ được cải thiện, nhưng độ dẻo và độ dai thường bị giảm Do đó, lượng hợp kim cần thiết chỉ nên đảm bảo đủ cho tiết diện đã cho mà không nên sử dụng thừa Nguyên tắc chọn mác thép hợp kim cao hay thấp phụ thuộc vào tiết diện và kích thước của sản phẩm.
Mặc dù vật liệu có độ bền cao, nhưng thường đi kèm với độ dẻo và độ dai thấp hơn Vì vậy, cần chú ý đến mối quan hệ này để có phương pháp xử lý phù hợp, chẳng hạn như sử dụng ram.
Tuy có ưu điểm về độ bền nhưng nói chung thép hợp kim có tính công nghệkém hơn so với thép cacbon (trừ tính thấm tôi)
Các nguyên tố hợp kim trong thép có tác dụng cản trở sự khuyếch tán của cacbon, khiến mactenxit khó phân hoá và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ trên 200°C Điều này giúp thép hợp kim duy trì độ bền cao hơn tại các nhiệt độ này Thêm vào đó, một số loại thép hợp kim còn hình thành lớp vảy oxyt ở nhiệt độ cao, tạo ra lớp bảo vệ hiệu quả.
* Tính chất vật lý, hoá học đặc biệt:
Bằng cách bổ sung các nguyên tố khác nhau vào thép với tỷ lệ phù hợp, người ta có thể tạo ra những loại thép với các tính chất đặc biệt như khả năng chống gỉ sét, chống ăn mòn trong môi trường axit và muối, cũng như tính từ tính hoặc không từ tính Việc phân loại thép hợp kim dựa trên các đặc điểm này rất quan trọng trong ứng dụng công nghiệp.
* Theo tổ chức cân bằng:
Theo tổ chức cân bằng với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau:
- Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do
- Thép sau cùng tích peclit + cacbit tự do
- Thép lêđêburit (cacbit) có lêđêburit
Riêng với thép hợp kim cao chủ yếu bằng 1 trong 2 nguyên tố Cr,
Mn hay Cr-Ni sẽ có:
- Thép ferit loại có Cr rất cao (>17%) và thường rất ít cacbon
- Thép austenit có Mn rất cao (>13%) và thường có C cao loại có Cr (>18%) và Ni (>8%)
* Theo tổ chức thường hoá:
- Thép họ peclit: loại hợp kim thấp
- Thép họ mactenxit: loại hợp kim trung bình ( >4-6 )% và cao
- Thép họ austenit: loại có chứa Ni >8% hoặc Mn >13% cao
* Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim:
- Theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao
- Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng 10% ( thường là họ mactenxit và austenit )
- Thép hợp kim kết cấu
- Thép hợp kim dụng cụ
- Thép hợp kim đặc biệt
Hai nhóm đầu trong bài viết thuộc loại thép cacbon, trong khi nhóm thứ ba không có Nhóm này nổi bật với các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, thường chứa tổng lượng hợp kim cao, vượt quá 20%.
Thép được phân loại dựa trên các đặc trưng quan trọng, bao gồm thép austenit và ferit, thường có tính chất đặc biệt và khó gia công Thép mactenxit dễ tôi nhưng khó cắt phôi trong trạng thái cung cấp Thép ledeburit thuộc nhóm hợp kim cao và cacbon cao, có độ cứng cao, thích hợp cho việc chế tạo dụng cụ Thép Cr - Ni được coi là thép kết cấu quý giá nhờ vào độ thấm tôi cao và độ dai tốt Tiêu chuẩn thép hợp kim đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất và ứng dụng của các loại thép này.
TCVN 1759-75 quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau:
- Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu ≥1% thì có thể không cần biểu thị
Các nguyên tố hợp kim được trình bày theo ký hiệu hóa học, kèm theo hàm lượng trung bình tính theo phần trăm, thường được làm tròn thành số nguyên và sắp xếp theo thứ tự từ cao đến thấp.
- Khi lượng chứa của nguyên tố khoảng 1% thì không cần biểu thị bằng số: VD: 40Cr: thép có 0,36÷ 0,44%C, 0,8÷ 1%Cr
90CrSi thép có 0,85-0,95%C, 1,2÷ 1,6%Si, 0,95÷ 1,25%Cr
Inox, hay còn gọi là thép không gỉ, là một loại thép hợp kim chủ yếu chứa crôm (Cr) và niken (Ni) Nhờ vào sự kết hợp của Cr và Ni với oxy, inox hình thành một lớp màng oxít mỏng trên bề mặt, giúp ngăn chặn sự ăn mòn từ nước, muối, bazơ và axít Với tính năng chịu mài mòn và va chạm tốt, inox được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như điện khí, vận tải, y tế, ô tô và xây dựng.
Trong ngành luyện kim, thép không gỉ (inox) là hợp kim sắt chứa ít nhất 10,5% crôm, giúp ngăn chặn sự biến màu và ăn mòn so với thép thông thường Vật liệu này còn được gọi là thép chống ăn mòn và có nhiều ứng dụng khác nhau để tăng tuổi thọ của sản phẩm Thép không gỉ xuất hiện phổ biến trong đời sống hàng ngày, từ lưỡi dao cắt đến dây đeo đồng hồ.
Thép không gỉ được sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn chịu được điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và tiếp xúc với hóa chất, cũng như trong các thiết bị bảo quản và chế biến thực phẩm, dụng cụ y tế Nhu cầu sử dụng kết cấu từ thép không gỉ ngày càng tăng, dẫn đến sự phát triển của nhiều công nghệ gia công hiện đại Các loại thép không gỉ phổ biến hiện nay bao gồm Crôm - Niken, Crôm - Niken - Bo và Niken – Mô lip đen - Crôm.
Và một số loại thép chịu ăn mòn hoá học, chịu nhiệt, bền nhiệt
Thép không gỉ có khả năng chống oxy hóa nhờ vào tỷ lệ crôm trong hợp kim, thường từ 13% đến 26% cho môi trường khắc nghiệt Khi crôm tiếp xúc với không khí, một lớp crôm ôxit III rất mỏng hình thành trên bề mặt, đủ mỏng để không thể nhìn thấy bằng mắt thường, giữ cho bề mặt kim loại luôn sáng bóng.
T ính toán độ b ề n m ố i hàn
Tính toán k ế t c ấ u theo ứ ng su ấ t cho phép
- Ứng suất cho phép được xác định phụ thuộc các điều kiện sau:
- Tính chất của vật liệu: Cơ tính của vật liệu cao thì ứng suất cho phép lớn
Độ chính xác trong tính toán là yếu tố then chốt; khi xác định đầy đủ các tải trọng tác động lên kết cấu, hệ số an toàn có thể giảm, từ đó tăng được ứng suất cho phép.
- Loại lực tác dụng: kéo, nén, uốn…
Chất lượng của quá trình công nghệ chế tạo kết cấu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng suất cho phép trong các kết cấu hàn.
- Đặc tính của tải trọng: Khi chịu tải trọng động thì ứng suất cho phép thấp hơn khi chịu tải trọng tĩnh
- Ứng suất cho phép [σ] được lấy làm cơ sở đểxác định các ứng suất cho phép khác
- Khi tính toán theo ứng suất cho phép, điều kiện bền được biểu diễn như sau: σ < [σ]
Trong đó: σ - Ứng suất tại tiết diện nguy hiểm nhất của phần tử kết cấu [σ] - Ứng suất cho phép của vật liệu
- Đối với các vật liệu thường dùng (vật liệu có tính dẻo thoả mãn), [σ] được xác định theo giới hạn chảy σch và hệ số an toàn (n0)
Giá trị này tương ứng với ứng suất cho phép khi kéo, ký hiệu là [σ]k = [σ], và được gọi là ứng suất cho phép cơ sở Đây là cơ sở để xác định các loại ứng suất cho phép khác.
- Đối với các phần tử chịu nén:
+ Không có hiện tượng uốn dọc: [σ]n = [σ]
+ Khi có hiện tượng uốn dọc: [σ]n = φ.[σ]
Trong đó: φ hệ số uốn dọc (φ ≤ 1 )
- Đối với các phần tử chịu uốn: [σ]u = [σ]
- Đối với các phần tử chịu cắt: [τ] = ( 0,5 – 0,6 )[σ]
- Hệ số an toàn n0 là thông số kinh tế, kỹ thuật quan trọng vì:
Mức độ an toàn của cấu trúc tỷ lệ thuận với n0; tuy nhiên, khi n0 tăng cao, độ lệch chuẩn [σ] sẽ giảm, dẫn đến kích thước kết cấu lớn hơn Hệ quả là chi phí vật liệu, chi phí chế tạo và tổng chi phí cũng sẽ tăng lên.
23 của sản phẩm tăng Ngược lại nếu n0 càng bé thì mức độ an toàn càng giảm và giá thành sản phẩm càng thấp
Giá trị của [σ] không chỉ đơn thuần là chỉ số bền của vật liệu trong các trường hợp khác nhau, mà còn phản ánh chất lượng của quá trình tính toán công nghệ chế tạo ra vật liệu đó.
Tính toán k ế t c ấu theo phương pháp trạ ng thái t ớ i h ạ n
2.2.1 Khái niệm về trạng thái tới hạn
Trạng thái tới hạn của kết cấu là giai đoạn mà kết cấu không còn đáp ứng được yêu cầu sử dụng, tức là không đủ khả năng chịu đựng tải trọng, xuất hiện hỏng hóc cục bộ hoặc biến dạng vượt quá giới hạn cho phép.
- Theo đó có thể phân biệt 3 trạng thái tới hạn như:
+ Trạng thái tới hạn thứ nhất: Được xác định bằng khả năng chịu lực của phần tử kết cấu: độ bền tĩnh, độ bền mỏi, độổn định
+ Trạng thái tới hạn thứ hai: Được đặc trưng bằng sự phát triển các loại biến dạng lớn: độ võng cực đại của dầm khi uốn,
+ Trạng thái tới hàn thứ ba: Được đặc trưng bằng những hỏng hóc cục bộ không cho phép: độ mở hay kích thước các vết nứt,
Thông thường, việc tính toán các kết cấu hàn dựa trên trạng thái giới hạn thứ nhất, tức là theo điều kiện bền Tuy nhiên, trong một số trường hợp, kích thước của các bộ phận kết cấu lại phụ thuộc vào biến dạng giới hạn cho phép, dẫn đến việc tính toán theo các điều kiện cứng.
- Khi tính toán kết cấu theo trạng thái tới hạn điều kiện bền được biểu diễn như sau:
Trong đó: N - tải trọng tính toán (tải trọng N có trị số bằng tải trọng định mức nhân với hệ số quá tải n: N = n.Nđ )
- Hệ số quá tải n: Đối với từng loại tải trọng tác dụng lên kết cấu, người ta quy định một hệ số quá tải tương ứng:
+ Tự trọng: - Nhà công nghiệp, bồn bình chứa khí: n = 1,1
- F đặc trưng hình học của tiết diện (diện tích, mômem chống uốn, )
- m Hệ sốđiều kiện làm việc:
+ Đối với phần lớn kết cấu: m = 1
+ Đối với kết cấu loại trụ cột: m = 0,9
+ Đối với các loại bể chứa, bồn, bình: m = 0,8
- R độ bền tính toán của vật liệu
Bảng 2.2.2: Ứng suất cho phép và độ bền tính toán của một số loại vật liệu
Tính độ b ề n kéo, nén c ủ a m ố i hàn giáp m ố i
Khi thiết kế các mối hàn trong kết cấu kim loại ta có hai phương pháp xác định ứng suất cho phép:
- Phương pháp thứ nhất: Ứng suất cho phép trong mối hàn lấy bằng trị số cho sẵn dựa theo độ bền tính toán của mối hàn
Phương pháp thứ hai xác định ứng suất cho phép của mối hàn dựa trên tỷ lệ với ứng suất cho phép của kim loại cơ bản Theo phương pháp này, các liên kết hàn được phân chia thành hai nhóm.
Nhóm thứ nhất bao gồm các liên kết hàn được thực hiện qua các phương pháp hàn tự động và bán tự động, dưới lớp thuốc hoặc trong môi trường khí bảo vệ Đồng thời, nhóm này cũng bao gồm hàn hồ quang tay sử dụng que hàn chất lượng cao.
+ Nhóm thứ hai: gồm các liên kết hàn hồ quang tay bằng que hàn chất lượng thường
Dựa vào loại liên kết trong kỹ thuật, ứng suất cho phép của nó được quy định theo tỷ lệ nhất định so với ứng suất cho phép của vật liệu cơ bản.
Bảng 2.3: Ứng suất cho phép của mối hàn
Nhóm liên kết Ứng suất cho phép của liên kết hàn khi
- Trị số cho trong bảng là đối với thép các bon thấp, trung bình và thép hợp kim thấp
Ví dụ: Thép CT3 có ứng suất cho phép [σ] = 16 (kN/cm2) Vậy ứng suất cho phép ở mối hàn sẽ là:
- Khi hàn bằng que hàn э 42A thì:
- Khi hàn bằng que hàn э 42 thì:
Mối hàn giáp mối là loại hàn phổ biến trong các kết cấu, nhờ vào những ưu điểm nổi bật như tiết kiệm kim loại cơ bản, giảm ứng suất tập trung và dễ thực hiện Đặc biệt, độ bền của mối hàn giáp mối khi chịu kéo và nén là tương đương, vì vậy chỉ cần kiểm tra điều kiện bền cho trường hợp chịu kéo là đủ Để thực hiện kiểm tra này, ta sẽ xem xét một mối ghép hàn giáp mối như trong hình 2.1.
Để đảm bảo độ bền của mối ghép hàn, ta cần xem xét các yếu tố như chiều rộng tấm nối B, chiều dày chi tiết hàn S và lực kéo N Theo lý thuyết bền, mối ghép hàn phải thỏa mãn một biểu thức cụ thể để đạt được độ bền cần thiết.
Trong đó: σmax là ứng suất lớn nhất sinh ra khi kết cấu chịu lực tác dụng,
N là lực tác dụng, F h là diện tích mặt cắt của mối hàn và được xác định như sau:
F h = B S với S là chiều dày chi tiết hàn
Như vậy ta có : σmax = k
Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau :
- Bài toán 1: Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cường độ, ta dùng công thức (2-2)
- 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 của kết cấu không thay đổi nhưng cần tăng khả năng chịu tải trọng, chúng ta có thể thiết kế các mối hàn xiên như hình 2-2.
Trong hình vẽ, N đại diện cho lực tác dụng, B là chiều rộng của tấm nối, và α là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn Do đó, điều kiện bền của mối hàn trong trường hợp này được xác định như sau:
Từ đó ta có : σ max B S
Mà α luôn luôn nhỏ hơn 90 0 cho nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy điều kiện bền tăng lên.
Tín h độ b ề n kéo (nén) c ủ a m ố i hàn góc
Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình kiểm mối hàn theo các dạng sau:
2.4.1 Tính mối hàn đối xứng ngang
Xét mối hàn ngang chịu lực như hình vẽ 2.3 ta có biểu thức xác địmh độ bền như sau
Hình 2.3: M ối hàn đố i x ứ ng ngang
N là lực tác dụng, h là chiều cao của mối hàn, và B là chiều dài đường hàn Chiều cao của mối hàn được tính bằng h = k.cos(45°) = 0,7, trong đó k được xác định dựa trên tấm có chiều dày nhỏ hơn khi các tấm không bằng nhau.
2.4.2 Mối hàn đối xứng dọc Đối với mối hàn dọc đối xứng hình 2-4 khi chịu lực thì điều kiện bền được xác định như sau:
Trong đó l là chiều dài đường hàn, h là chiều cao mối hàn
Trong trường hợp mối hàn không đối xứng thì l≥50k điều kiện bền được xác định theo công thứ sau:
Hình 2.4: M ối hàn đố i x ứ ng d ọ c
2.5 Tính độ bền uốn của mối hàn
2.5.1 Mối hàn giáp mối chịu uốn Điều kiện bền được xác định như sau
Trong đó σ là ứng suất sinh ra do uốn
M là mô men uốn w là mô men chống uốn được tính như sau: w = h và mô men M
Thay vào (2-12) biểu thức tính độ bền ta có:
2.5.2 Mối hàn góc chịu uốn
Khi mối hàn góc chịu uốn điều kiện bền được xác định như sau:
Trong đó M là mô men uốn h là chiều cao mối hàn l là chiều dài mối hàn cả 2 phía
B là chiều cao của tấm hàn
Hình 2.6: M ố i hàn góc khi ch ị u u ố n
Khi mối hàn mối hàn chịu uốn và kéo hoặc nén thì điều kiện bền được xác định như sau:
N là lự kéo w là mô men chống uốn h là chiều cao mối hàn l là tổng chiều dài đường hàn
- Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn như hình vẽ 2.7 thì điều kiện bền sẽ là:
- Khi tính toán ta chọn trước ln cạnh của mối hàn ngang, ld cạnh mối hàn dọc
- Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén thì điều kiện bền sẽ là
2.6 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, ứng suất cho phép [σ]h = 28 kN/cm2 và vật liệu có chiều dày S = 8 mm, cần tính toán sao cho kết cấu đảm bảo điều kiện bền.
Từ điều kiện bền của mối hàn giáp mối ta thấy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức sau phải được thoả mãn :
Như vậy đểđảm bảo điều kiện bền thì chiều dài của mối hàn B 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 như trong hình vẽ 2.9, cần xem xét vật liệu chế tạo kết cấu là thép carbon thấp với NE0 kN.
Hình 2.9: M ố i hàn góc ch ồ ng
Bài giải: Đây là mối hàn đối xứng ngang, do vậy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức sau phải được thoả mãn:
2 Trong đó h 0 , 65 k thay vào biểu thức trên ta có:
Như vậy để mối hàn đảm bảo độ bền ta chọn chiều cao mối hàn: h = 0,5 cm = 5 mm
Để kiểm tra điều kiện bền của mối hàn trong cấu trúc hàn chịu lực như hình vẽ 2.10, cần xác định các thông số sau: lực tác dụng P là 0 kN, chiều rộng B là 260 mm, và chiều dày của chi tiết hàn L là 400 mm Vật liệu sử dụng có giới hạn bền là k (kN/cm²) Việc kiểm tra này giúp đảm bảo mối hàn đáp ứng yêu cầu về độ bền và an toàn trong quá trình sử dụng.
Bài giải : Để mối hàn đảm bảo điều kiện bền thì phải thoả mãn công thức 2-4:
Như vậy đểđảm bảo điều kiện bền ta chọn mối hàn có chiều cao h= 4 mm
Tính ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn
Các khái ni ệ m v ề ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn
3.1.1 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
3.1.2 Phân loại ứng suất các loại nội ứng suất được chia làm 3 nhóm như sau a Nhóm 1: Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó.
- Ứng suất nhiệt: Sinh ra do sựnung nóng không đều trên toàn chi tiết
- Ứng suất dư: 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 xảy ra do sự biến dạng không đều của chi tiết Nhóm 2 liên quan 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 đề cập đến ứng suất theo các hướng trong không gian, bao gồm ứng suất một chiều (ứng suất đơn) và ứng suất hai chiều (ứng suất mặt).
3.1.3 Các biến dạng khi hàn
Trong quá trình hàn, chi tiết hàn bị nung nóng và làm nguội không đều, dẫn đến sự phát sinh biến dạng Hai loại biến dạng chính bao gồm biến dạng co dọc và biến dạng co ngang của mối hàn.
- Biến dạng co dọc của mối hàn: Đó là sựthay đổi kích thước chiều dài của mối hàn sau khi hàn
Biến dạng co ngang của mối hàn là hiện tượng giảm kích thước của kim loại tại mối hàn và khu vực xung quanh theo phương vuông góc với trục đường hàn Hiện tượng này dẫn đến sự cong, vênh của kết cấu hàn, thường được gọi là biến dạng góc.
Tính ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn giáp m ố i
3.2.1 Tính nội lực tác dụng:
Nội lực tác dụng là lực sinh ra trong vùng ứng suất chịu tác động, và nó phụ thuộc vào diện tích của khu vực có nhiệt độ nóng chảy lên đến 5500°C Vùng này được gọi là vùng ứng suất tác dụng, và nội lực tác dụng có thể được tính toán theo một công thức nhất định.
Trong quá trình hàn, ứng suất T được tạo ra và thường được xác định theo giới hạn chảy theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu Vùng ứng suất Fc tác dụng khi hàn được xác định dựa trên các tiêu chí cụ thể.
Chiều dày của chi tiết hàn được ký hiệu là S, trong khi b0 đại diện cho chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng, được xác định bằng công thức b0 = b1 + b2 Trong đó, b1 là vùng mối hàn và khu vực lân cận, bao gồm cả vùng nóng chảy và vùng chảy dẻo, còn b2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi.
0 (3- 4) Trong đó: - q là năng lượng hữu ích của nguồn nhiệt q= 0,24.uh Ih (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.0c)
- là khối lượng riêng của kim loại (g/cm3)
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 xác định là 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 có giá trị khác nhau tùy theo loại hàn: đối với hàn hồ quang tay, h = 250mm; còn đối với hàn tự động, h có thể dao động từ 300 đến 350mm.
Thay b1; b2 vào biểu thức (3 - 2) ta tính được 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 như sau:
P = Fc = ( bna + bnc ) S trong đó bna bnc
3.2.2 Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng
Khi hàn 2 tấm có kích thước khác nhau hình 3-2 a Nội lực phản kháng ở 2 tấm hàn được tính như sau
Hình 3-2: Hai t ấ m hàn có chi ề u r ộ ng b ằ ng nhau
Trong đó, Pa và Pc đại diện cho lực phản kháng của tấm hàn 1 và tấm hàn 2; 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 toán theo công thức cụ thể.
Theo nguyên lý cân bằng lực thì: P = Pa + Pc thay các giá trị của chúng vào ta có: b0 S = 2 ( a+ c ).S
Các lực Pa và Pc sẽ tạo ra mô men uốn khi quay quanh tâm của vùng ứng suất tác dụng Các mô men này được xác định dựa trên các lực tác động và vị trí của chúng trong hệ thống.
Vì các mô men này có chiều ngược nhau cho nên:
Thay giá trị của ứng suất phản kháng vào ta có:
Theo công thức đã nêu, khi c = 0 (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), mô men uốn M = 0 Điều này cho thấy rằng khi hàn giáp mối các tấm có kích thước bằng nhau, biến dạng sẽ nhỏ nhất Trong khi đó, khi hàn các tấm có kích thước khác nhau, biến dạng sẽ xảy ra.
Dưới tác dụng của mô men uốn M, sẽ sinh ra ứng suất uốn, ứng suất uốn này được xác định như sau:
3.2.5 Tính độ võng Độ võng lớn nhất được xác định theo công thức sau: fmax = 8 E J l.
M là mô men uốn lớn nhất, l là chiều dài của chi tiết hàn, E là mô đun đàn hồi, và J là mô men quán tính được xác định theo công thức cụ thể.
S 3 thay vào biểu thức tính độ võng ta có fmax = 3
Bài tập 1 yêu cầu xác định độ võng của kết cấu hàn giáp mối với vật liệu thép các bon thấp có độ bền kéo = 24 KN/cm2 Các kích thước cần thiết cho tính toán bao gồm: S hc bo ha ha = 300mm, hc = 250mm, S = 6 mm, và l = 1500mm.
- Đường kính điện cực hàn: d = 2
- Tính cường độdong điện hàn: Ih = 40 60 d = 160 200
Hình 3-3: Kết cấu hàn giáp mối b2c b1 b2a bna
- Chọn điện áp hàn: Uh = 30 (v)
- Tính vận tốc hàn: Vh = h
(trong đó d = 10 g A h ; Fd = 0,2 cm2 ; 7 , 85 g cm 3 )
- Tính công suất hồ quang: q = 0,24.Ih Uh q= 0,24.200.30.0,7580cal/s
* Tính nội lực tác dụng
(k2 được chọn theo biểu đồ k2 = 0,224)
- Tính bnc: bnc = b1 + b2c trong đó b1 được tính như 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 bnc = 3,62 + 4,79 = 8,41 cm
Thay vào biểu thức tính nội lực tác dụng ta có :
Từ công thức 3-7 mô men uốn được tính :
Trong đó: b0 = bna + bnc = 9,53 + 8,41 = 17,93 cm h = ha + hc = 20 +25 = 55 cm a = ha - bna = 30 - 9,53 = 20,47 cm c = hc - bnc = 25 - 8,41 = 16,59 cm
* Tính ứng suất uốn Ứng suất uốn được xác định theo công thức 3-8:
Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có:
* Tính độ võng: Độvõng được xác định theo công thức 3-10 : f = 8 E J l.
; E = 2,1.104 KN/cm2 Thay các giá trị trên vào công thức tính độ võng ta có: f.= 4 3
Bài tập 2 yêu cầu tính độ võng khi hàn đắp với các thông số cụ thể: kích thước S = 8mm, chiều dài l = 1500mm, chiều cao hP mm, lớp đắp có chiều dày c = 2mm Vật liệu sử dụng là thép carbon thấp với độ bền kéo T = 24 KN/cm².
Tính ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn góc
3.3.1 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 được xác định như sau. a - Tính lực tác dụng :
(Vì Fc = 2 bn 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 được xác định như sau
Trong đó P1 là lực tác dụng lên mỗi tấm, được xác định như sau P1= 2
Mômen tác dụng là tổng hình học của các mô men nội lực mỗi tấm
Khi 0 giống như hàn đắp vào mép tấm, lúc này ta có M= 2 ph
Khi 180 0 giống như hàn giáp mối nếu 2 tấm bằng nhau, lúc này M=0 Ứng suất do mô men uốn sinh ra được tính như sau: w
Độvõng được xác định như sau: f= EJ
Trong đó M là mô men uốn, l là chiều dài kết cấu, E là mô dun đàn hồi, J là mô men tĩnh
3.3.2 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 như hình vẽ 3-5
Vùng ứng suất tác dụng sinh ra được xác định như sau:
Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng được xác dịnh như sau:
Các lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ Nếu biến do uốn ngang rất nhỏ không đáng kể, lúc này ta có:
P1 là nội lực phản kháng là nội lực phản kháng của tấm đế, được xác định như sau:
(3-18) P2 là nội lực phản kháng của tấm vách và được xác định như sau:
Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu là:
Trong đó, y1 và y2 đại diện cho khoảng cách từ các điểm chịu lực phản kháng 2P1 và P2 đến trọng tâm của vùng ứng suất Đồng thời, những điểm này cũng là vị trí đạt được của tác dụng P.
Khi kết cấu hàn được tự do trong quá trình hàn, mô men uốn M sẽ gây ra hiện tượng uốn, dẫn đến việc hình thành ứng suất uốn.
Do ảnh hưởng của mô men uốn mà liên kết bị cong sau khi hàn, tạo ra độ võng và độvõng được xác định như sau: fmax= EJ l
Các bi ệ n pháp gi ả m ứ ng su ấ t và bi ế n d ạ ng khi hàn
3.4.1 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, cần chọn các loại vật liệu có tính hàn tốt và độ dẻo cao Tránh bố trí các đường hàn giao nhau và cố gắng giảm thiểu tối đa các mối hàn góc, thay vào đó nên sử dụng các mối hàn giáp mối để nâng cao chất lượng kết cấu.
Khi lắp ghép kết cấu, cần tránh việc tạo ra các mối hàn đính cứng, vì điều này có thể gây ra căng thẳng trong vật liệu Sử dụng đồ gá hợp lý sẽ giúp hàn kim loại có thể co giãn tự do, từ đó tăng cường độ bền và độ ổn định cho kết cấu.
- Khi hàn càn chú ý một số vấn đề sau:
Để chế tạo các tấm lớn từ những tấm nhỏ, trước tiên cần hàn các mối hàn ngang để tạo thành các giải riêng biệt, sau đó tiến hành hàn các giải này lại với nhau.
Khi thực hiện hàn các kết cấu dầm, trước tiên cần hàn các mối nối giữa các tấm đế và tấm vách, sau đó mới tiến hành hàn các mối hàn góc liên kết giữa chúng.
+ 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
3.4.2 Các biện pháp khử biến dạng
Khi hàn các đường hàn đối xứng, việc hàn cả hai phía đồng thời sẽ giúp giảm thiểu biến dạng Biến dạng sinh ra ở hai phía sẽ có chiều ngược nhau, dẫn đến việc chúng triệt tiêu lẫn nhau hoặc giảm xuống mức tối thiểu.
Khi hàn các kết cấu, việc tạo ra biến dạng ngược là điều có thể xảy ra Để giảm thiểu biến dạng, cần lắp ghép sao cho khi hàn, các biến dạng ngược được hình thành Phương pháp này thường dễ dàng áp dụng cho các kết cấu tấm.
3.4.3 Kẹp chặt chi tiết khi hàn
Chi tiết được kẹp chặt bằng các đồ gá có độ cứng vững cao để kiểm soát biến dạng trong quá trình hàn Phương pháp này cần lưu ý đến sự gia tăng nội ứng suất trong quá trình gia công.
3.4.4 Các phương pháp giảm ứng suất. a - Phương pháp tạo lực ép lên mối h àn: 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
Có nhiều phương pháp để giảm ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn Một trong số đó là sử dụng máy cán để cán mối hàn sau khi hoàn tất Ngoài ra, việc nung nóng trước và trong quá trình hàn giúp phân bố nhiệt đều, giảm thiểu ứng suất, đặc biệt khi hàn các vật liệu có tính hàn kém Nguồn nhiệt thường sử dụng bao gồm dòng điện cao tần và nhiệt từ các ngọn lửa khí đốt Sau khi hàn, phương pháp nung nóng cũng được áp dụng để loại bỏ ứng suất tồn tại, thường sử dụng nhiệt độ khoảng 600-650°C trong thời gian từ 2-3 phút cho mỗi mm độ dày của chi tiết hàn, tuy nhiên chỉ phù hợp với các chi tiết nhỏ Cuối cùng, nắn và sửa cũng là một phương pháp quan trọng trong quá trình xử lý mối hàn.
Nắn sửa kết cấu sau hàn là một phương pháp phổ biến, có thể thực hiện bằng nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt Nắn cơ khí sử dụng các thiết bị như búa, máy ép, máy cán và có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc nguội Trong khi đó, nắn nhiệt sử dụng nhiệt để tạo ra các ứng suất ngược lại với ứng suất sinh ra trong quá trình hàn, giúp cân bằng các ứng suất này Phương pháp nắn nhiệt yêu cầu người thợ và kỹ thuật viên có kiến thức sâu về quá trình biến dạng do nhiệt và kinh nghiệm thực tế để xác định các điểm nung hợp lý.
Tính toán k ế t c ấ u d ầ m và tr ụ
K ế t c ấ u d ầ m
4.1.1 Khái niệm, đặc điểm và phân loại a Khái niệm, đặc điểm
Dầm là kết cấu chịu uốn với bản bụng đặc, nhận tải từ các phần tử khác và chuyển xuống các gối tựa Nội lực chính trong dầm bao gồm mô men uốn M và lực cắt Q Với cấu tạo đơn giản và chi phí gia công thấp, dầm được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị máy móc và kết cấu công trình xây dựng như dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác, khung nhà thép, vỏ tàu thuỷ, khung máy và bệ máy.
Theo tiết diện ngang dầm có thể chia làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp
Là dầm từ một loại thép hình phổ thông như thép I, thép U, thép góc hoặc các loại thép hình thành mỏng chuyên dụng khác
Dầm từ thép I (a) với tiết diện đối xứng và mômen chống uốn lớn (Wx) là lựa chọn hợp lý cho các ứng dụng chịu uốn phẳng, như dầm cầu và dầm cầu trục.
Dầm từ thép U có tiết diện không đối xứng, dễ bị xoắn khi chịu uốn phẳng Tuy nhiên, dầm chữ U, đặc biệt là loại biên rộng, lại có khả năng chịu uốn xiên tốt và dễ dàng liên kết với các bộ phận khác trong kết cấu Do đó, chúng thường được sử dụng làm khung vỏ tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm sàn công tác với nhịp và tải trọng nhỏ.
Để tối ưu hóa khối lượng kết cấu, ngành công nghiệp hiện nay sản xuất các loại dầm cán chữ I, chữ U biên rộng và dầm thép thông qua công nghệ dập nguội, uốn nguội hoặc uốn nóng Những loại dầm này đặc biệt hiệu quả về mặt kinh tế cho các kết cấu có khẩu độ lớn nhưng tải trọng nhẹ.
Cần lưu ý rằng thép cán thông dụng thường có chiều dày vách lớn hơn so với yêu cầu chịu tải do công nghệ và tính chất sử dụng đa năng Điều này có thể dẫn đến việc kết cấu trở nên nặng nề và tốn kém hơn trong nhiều trường hợp.
- Theo GOST 8239-56 các phần tử của dầm chữ I thông dụng có phạm vi kích thước như sau (hình 4.2)
Dầm tổ hợp được chế tạo từ thép hình, thép tấm hoặc thép định hình, với hai phương pháp chính là hàn và liên kết Nếu sử dụng phương pháp hàn, sản phẩm được gọi là dầm hàn, trong khi dầm được chế tạo bằng liên kết đinh tán hoặc bulông sẽ lần lượt được gọi là dầm đinh tán và dầm bulông Bài viết này chỉ tập trung vào loại dầm hàn.
Hình 4 3 Các loại dầm tổ hợp hàn
Dầm hàn chữ I bao gồm ba thành phần chính: hai biên (cánh hoặc đế dầm) và vách (thành hay bụng dầm) Bên cạnh đó, dầm hàn còn có các yếu tố kết cấu bổ sung như gân cứng vững, vách ngăn và bản nối.
Dầm hàn nhẹ hơn và có chi phí chế tạo thấp hơn so với dầm đinh tán hoặc dầm bulông, vì vậy chúng được sử dụng phổ biến trong những thập kỷ gần đây Dầm tổ hợp cho phép tạo ra các giải pháp kết cấu linh động hơn, như giảm chiều dày vách dầm xuống mức tối thiểu và thay đổi tiết diện dầm tùy thuộc vào giá trị nội lực cụ thể Điều này đặc biệt mang lại hiệu quả kinh tế cho các dầm có khẩu độ và tải trọng lớn.
Sử dụng dầm hình giúp giảm số lượng chi tiết cấu thành, từ đó giảm chi phí chế tạo và rút ngắn thời gian hoàn thành công trình Vì vậy, cần cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố kinh tế và kỹ thuật để lựa chọn giữa dầm hình và dầm tổ hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu nhất.
4.1.2 Đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu theo tiết diện ngang của dầm
Tiết diện ngang của dầm rất phong phú và đa dạng Để đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu, người ta thường dựa vào hệ số để kiểm tra tính hợp lý trong việc lựa chọn tiết diện dầm trong kỹ thuật.
Trong đó: W- mômen chống uốn
F- diện tích của tiết diện ngang
Giá trị ρ càng lớn, hiệu quả sử dụng vật liệu càng cao, cho thấy kim loại được sử dụng một cách triệt để hơn Việc so sánh một số tiết diện tiêu biểu giúp minh chứng cho điều này.
Hình 4 4 Một vài tiết diện tiêu biểu
Khi uốn trong mặt phẳng đứng, dầm tiết diện chữ I mang lại hiệu quả tối ưu Ngược lại, khi uốn ngang quanh trục y, dầm chữ I lại chịu lực kém hơn Do đó, trong trường hợp này, nên ưu tiên lựa chọn các loại dầm có tiết diện khác như dầm hộp rỗng với giá trị Wy lớn hơn để đảm bảo khả năng chịu lực tốt hơn.
Khi lựa chọn tiết diện ngang của dầm, người thiết kế cần dựa vào điều kiện chịu lực cụ thể để xác định tiết diện phù hợp, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sử dụng vật liệu và nâng cao khả năng chịu lực của kết cấu.
4.1.3 Nội dung, yêu cầu tính toán và thiết kế dầm hàn
Nội dung của việc tính toán và thiết kế dầm hàn có chiều dài nhịp (L) cho trước dưới tác dụng của một hệ tải trọng (P, q) bao gồm:
- Xác định chiều cao (h) của dầm:
- Xác định chiều dày và chiều cao của bụng dầm: S b , h b
- Xác định chiều dày và chiều rộng của biên cánh dầm : S c, b c
- Bố trí hệ thống gân cứng vững và các chi tiết cấu tạo kèm theo (hình 4.5)
Hình 4 5 Ví dụ dầm hàn chữ I
Nếu không có vật liệu cơ bản được chỉ định, cần thực hiện phân tích và tính toán về khối lượng, giá thành, tính công nghệ và chi phí chế tạo để lựa chọn phương án tối ưu nhất.
Việc tính toán thường được bắt đầu từ việc xác định các yếu tố lực tại các tiết diện của dầm:
- Nếu tải trọng là tải trọng tĩnh thì cần xây dựng biểu đồ momen uốn M và biểu đồ lực ngang Q
Để xác định ứng lực lớn nhất Mmax và Qmax tại các tiết diện đặc trưng của dầm có bộ phận tải trọng di động, phương pháp đường ảnh hưởng là một công cụ hữu ích Phương pháp này cho phép tính toán ứng suất tại các vị trí như z = 0; 0,1L; 0,2L, từ đó xây dựng biểu đồ momen tổng và lực ngang lớn nhất cho toàn bộ dầm.
K ế t c ấ u tr ụ
Cột là một cấu trúc thẳng đứng có chức năng truyền tải trọng từ các phần trên xuống các phần dưới hoặc xuống móng Chúng thường được sử dụng trong các công trình dân dụng như cột đỡ nhà ở, cột trong khung ngang của nhà công nghiệp, và cột hỗ trợ cho sàn công tác cũng như đường ống.
- Tùy theo nội lực: cột chịu nén đúng tâm (N) và cột chịu nén lệch tâm (M, N)
- Ba bộ phận: thân cột, đầu cột và chân cột
Thân cột quan trọng nhất: tiếp nhận tải trọng ở đầu cột và truyền xuống chân cột Đầu cột tiếp nhận tải trọng kết cấu bên trên.
Chân cột truyền tải trọng từ thân cột xuống móng, đồng thời giữ cột và móng Hình 4 10 Cấu tạo cột
- Theo hình dạng: tiết diện đều và tiết diện thay đổi dọc chiều cao cột
- Theo kết cấu: cột đặc và cột rỗng
- Theo liên kết: cột liên kết hàn và cột liên kết đinh tán.
Cột là thành phần thiết yếu trong các kết cấu và công trình xây dựng, được tính toán dựa trên nguyên lý ổn định của thanh nén, cả trong trường hợp chịu lực đúng tâm và lệch tâm.
Khi cột bị nén đúng tâm, cột sẽ trở nên không ổn định theo phương trục có độ mảnh lớn nhất λ max, được xác định từ độ mảnh của hai trục chính x và y Để tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu, tiết diện cột cần được thiết kế sao cho độ mảnh theo hai phương xấp xỉ bằng nhau, tức là λ x ≈ λ y.
Trong trường hợp nén lệch tâm, việc tính toán tính toàn vẹn trở nên phức tạp hơn Cần kiểm tra khả năng chịu lực của cột theo hai phương: ổn định trong mặt phẳng uốn và ngoài mặt phẳng uốn của cột.
Cột có thể được thiết kế với tiết diện đặc hoặc rỗng Theo nguyên lý tính ổn định, cột đặc không bị biến dạng đáng kể dưới tác động của lực cắt, trong khi cột rỗng lại có biến dạng đáng kể, làm giảm khả năng ổn định Khi tính toán ổn định cho cột đặc, sử dụng độ mảnh λ phụ thuộc vào J và F của tiết diện, còn với cột rỗng, sử dụng độ mảnh tương đương λtđ, cũng phụ thuộc vào J và F của tiết diện cùng sơ đồ bố trí thanh giằng và bản giằng của bụng rỗng.
Khả năng chịu lực của cấu trúc được gọi là ổn định tổng thể, bao gồm các cột cấu tạo từ bản mỏng (cột đặc) hoặc thanh (cột rỗng), được gọi là các phân tố Khi các phân tố này chịu lực nén, hiện tượng mất ổn định cục bộ có thể xảy ra Do đó, bên cạnh việc tính toán ổn định tổng thể, cần thiết phải kiểm tra ổn định cục bộ Yêu cầu về ứng suất ổn định cục bộ phải không nhỏ hơn ứng suất ổn định tổng thể.
4.2.3 Sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ mảnh của cột a Sơ đồ tính toán
Sơ đồ tính của cột được xác định bởi trục dọc của cột với các liên kết ở chân và đầu cột theo hai trục chính x và y Các liên kết này có thể là khớp cố định, ngàm, ngàm trượt hoặc đầu tự do, tùy thuộc vào điều kiện cấu tạo cụ thể giữa cột và móng cũng như giữa cột và các xà ngang Chẳng hạn, đầu cột theo phương x không có chuyển dịch ngang và liên kết khớp với dầm, do đó sơ đồ liên kết theo phương x là khớp cố định Ngược lại, theo phương y, đầu cột có thể di chuyển ngang nhưng không xoay, dẫn đến sơ đồ liên kết là ngàm trượt.
Móng được giả định là khối cứng không có chuyển vị khi chịu tải từ cột, với sơ đồ liên kết cột-móng có thể là khớp cố định hoặc ngàm tùy thuộc vào cấu trúc cụ thể Liên kết khớp thường áp dụng cho cột chịu nén đúng tâm, trong khi cột chịu nén lệch tâm sử dụng liên kết khớp khi thiết kế yêu cầu không có mô men ở chân cột, đặc biệt khi nền đất yếu Liên kết ngàm phù hợp cho cả cột chịu nén đúng tâm và lệch tâm, giúp tăng cường độ ổn định cho cột Ở đầu cột, liên kết với xà ngang có thể là khớp hoặc cứng; liên kết cứng cho phép chịu mô men và giữ nguyên góc giữa trục cột và xà ngang Trong hệ khung, liên kết cứng thường được sử dụng, trong khi cột nén đúng tâm thường áp dụng liên kết khớp.
Tiết diện cột đặc nén đúng tâm được chia làm hai nhóm chính: hở và kín a Tiết diện cột chữ I ix, iy rất khác nhau (ix = 0,43h, iy = 0,24 b)
Tiết diện I-tổ hợp có lợi thế hơn thép I-dầm vì cho phép tùy chọn kích thước và độ dày của các bản Để đạt được điều kiện λx = λy, cần có mối quan hệ giữa b và h, cụ thể là b≈2h Đối với tiết diện cột chữ thập, hai thép góc đều cạnh có thể sử dụng tấm vỏ ghép lại khi tải trọng lớn hơn Tuy nhiên, cần chú ý đến điều kiện ổn định cục bộ cho từng nhánh cột và khả năng liên kết với các kết cấu khác, vì phân bố vật liệu trên tiết diện không hợp lý có thể không có lợi về mặt chịu lực.
- Khi chịu tải trọng nặng: dùng ba thép hình I, U ghép lại với nhau
- Khi chịu tải trọng quá nặng: dùng cột tổ hợp hàn c Tiết diện vành khăn (thép ống)
Để tối ưu hóa thiết kế, các tiết diện kín có thể được sử dụng với ix = iy = 0,35dtb (dtb là đường kính trung bình của tiết diện vành khăn) Liên kết hàn cho phép tạo ra nhiều hình dạng khác nhau như 2U và 2L, đồng thời có thể gia cường thêm tấm vỏ khi tải trọng lớn hơn Các tiết diện kín mang lại ưu điểm về sự ổn định theo hai phương gần như tương đương và có hình dạng thẩm mỹ Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là khó sơn bên trong và khó liên kết với các cấu trúc khác.
Chiều dài tính toán của cột phụ thuộc vào liên kết ở hai đầu cột và sơ đồ tính toán Đối với cột có tiết diện không đổi, chiều dài tính toán l0 được xác định theo công thức tổng quát.
L – chiều dài hình học của cột μ – hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết, hệ sốμ được lấy theo bảng sau
Bảng 4 2 Giá trị hệ số qui đổi chiều dài μ
Liên kết hai đầu Khớp Ngàm Ngàm trượt Tự do
Ngàm trượt 2 1 Mất cân bằng Mất cân bằng
Tự do Mất cân bằng 2 Mất cân bằng Không đủ liên kết
Chiều dài tính toán của cột có thể khác nhau theo các phương x và y do sự liên kết ở đầu và chân cột Để xác định độ mảnh của cột, cần tính toán chiều dài theo hai trục chính x-x và y-y, từ đó xác định các giá trị λ x và λ y tương ứng.
Chiều dài tính toán của cột khi bị uốn dọc, ký hiệu là lx, được xác định khi cột cong trong mặt phẳng chứa hai trục y và z, với trục z là trục dọc của cột Chiều dài này thể hiện sự xoay quanh trục x của tiết diện cột.
Chiều dài tính toán của cột khi bị uốn dọc là chiều dài được xác định khi cột cong trong mặt phẳng chứa hai trục x và z, với trục z là trục dọc của cột Thuật ngữ này thường được gọi tắt là chiều dài tính toán của cột theo phương y.
Theo hai trục chính x và y của tiết diện cột ta có các độ mảnh tương ứng λ x và λy của cột theo hai trục này là x x x i
Bán kính quán tính của tiết diện cột thính theo trục x và y được ký hiệu là ix và iy Thông thường, các cột có độ mảnh λx khác với λy Khả năng chịu nén đúng tâm của cột phụ thuộc vào độ mảnh lớn nhất (λ max) trong hai độ mảnh λ x và λ y.
