Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Chương 3

LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP

Để có được một kết cấu chịu lực hoàn chỉnh, người ta phải ghép những cấu kiện

riêng rẽ thông qua liên kết. Đối với kết cấu thép thì liên kết đóng một vai trò quan trọng

trong quá trình làm việc của công trình.

Hiện nay, trong kết cấu thép có các loại liên kết: liên kết hàn, bulông, đinh tán.

Trong đó, liên kết đinh tán ít được sử dụng hơn do việch tháo lắp khó khăn.

3.1. Liên kết hàn

3.1.1. Các phương pháp hàn trong kết cấu thép

Khái niệm: hàn là dùng nhiệt (lửa hoặc hồ quang điện) đốt nóng cục bộ làm kim

loại ở chỗ tiếp xúc chảy lỏng ra hoà lẫn vào nhau, khi nguội đông cứng lại tạo thành

đường hàn.

Phân loại:

- Hàn hồ quang điện: Là phương pháp hàn được dùng rất phổ biến, và được chia

thành các loại: hàn tay, hàn tự động và hàn bán tự động.

- Hàn hơi: Ít được sử dụng.

3.1.1.1. Hàn hồ quang điện bằng tay

Hình 3.1. Sơ đồ hàn hồ quang điện bằng tay.

Nguyên lý: Đối với 2 điện cực của nguồn điện với que hàn và kim loại cần hàn

(thép cơ bản), khi hai điện cực tiếp xúc sẽ tạo nên hồ quang điện (nhiệt độ có thể lên tới

hơn 20000C) làm nóng chảy mép thép cơ bản và đầu que hàn. Kim loại hàn hoà lẫn vào

nhau, khi nguội tạo thành đường hàn. Như vậy, liên kết hàn sẽ là sự kết hợp giữa các

phân tử kim loại đường hàn có thể chịu lực tương đương thép cơ bản.

Que hàn gồm hai phần: Lõi bằng kim loại và một lớp thuốc bọc dày 1 – 1,5mm là

hỗn hợp bột đá và kim loại mầu, có tác dụng:

Tạo lớp xỉ ngăn cản sự ảnh hưởng của không khí bên ngoài, làm kim loại chảy

nguội chậm, bọt khí và tạp chất dễ thoát ra ngoài, tránh hiện tượng đường hàn bị giòn.

Tạo môi trường dẫn điện tốt hơn trong khu hàn, làm cho hồ quang ổn định.

Kim loại trong thuốc hàn có tác dụng làm tăng độ bền trong đường hàn.

3-1

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Ký hiệu:

Que hàn Nga: ]42, ]36, ]42A, ]46A...

Que hàn Việt Nam: N46, N50, N42-6B, N46-6B...

Khi chọn que hàn phải chú ý đến mác thép của kim loại cần hàn để cường độ của

thép cơ bản và của mối hàn xấp xỉ nhau. Có thể chọn que hàn trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Chọn que hàn, dây hàn và cường độ tính toán của thép đường hàn Rgh

trong đường hàn góc.

Hàn tay có ưu điểm là dùng những thiết bị, dụng cụ dễ mang theo người nên thuận

tiện khi sử dụng nhưng có một nhược điểm là chất lượng đường hàn phụ thuộc rất nhiều

vào tay nghề công nhân.

3.1.1.2. Hàn hồ quang điện tự động

Nguyên lý: Trước khi hàn, rải một lớp thuốc hàn lên trên đường hàn, sau đó cắm

một đầu cuộn dây hàn trần vào trong nước thuốc hàn cho tiếp xúc với thép cơ bản, tạo hồ

quang điện. Quá trình hàn được thực hiện bằng máy tự động.

Ưu nhược điểm của hàn tự động.

Hàn tự động có nhiều ưu điểm như:

- Năng suất cao.

- Chất lượng đường hàn (do rãnh chảy sâu và kim loại nguội chậm, và sử dụng

máy móc nền đường hàn ít phụ thuộc vào tay nghề người lao động).

- An toàn và giảm bớt lao động, khó nhọc cho công nhân.

Tuy vậy, hàn tự động có một nhược điểm là chỉ hàn được những đường hàn nằm

thẳng hoặc tròn (ở thân bể chứa), còn những đường hàn ngược, đường hàn đứng, đường

hàn gián đoạn... hàn tự động không sử dụng được

Hình 3.2. Sơ đồ hàn hồ quang điện tự động.

3.1.1.3. Hàn bán tự động

Hàn bán tự động giống như hàn tự động nhưng do máy hàn được di chuyển bằng

tay nên có thể hàn được ở những chỗ không tiện đặt máy tự động (ví dụ ở những chỗ chật

hẹp, thẳng đứng..).

3.1.1.4. Hàn hơi

a. Nguyên lý: Oxy và axetylen được nén ở hai bình riêng biệt, qua ống dẫn đi đến

mỏ hàn, phun ra ngoài. Hỗn hợp khí cháy tạo nhiệt độ cao (đến 3200oC) làm nóng chảy

kim loại cần hàn và thanh kim loại phụ (thay que hàn), khi nguội tạo thành đường hàn.

b. Ưu nhược điểm

Hàn hơi có ưu điểm là có thể thực hiện khi thiếu điện nhưng nó có nhiều nhược

điểm như năng suất thấp, chất lượng đường hàn thấp... Vì vậy, đường hàn này thường

được dùng để hàn những tấm kim loại mỏng hoặc để cắt thép.

3.1.1.5. Các yêu cầu chính khi hàn và phương pháp kiểm tra

a. Các yêu cầu chính khi hàn

- Trước khi hàn phải kiểm tra thép cơ bản (về quy cách, số hiệu, gia công mép bản

thép, làm sạch gỉ trên bề mặt...), kiểm tra thiết bị hàn (khả năng làm việc, độ an

toàn máy móc thiết bị...).

- Chọn que hàn phù hợp.

- Chọn trình tự hàn hợp lý để tránh biến hình và ứng suất hàn quá lớn.

b. Phương pháp kiểm tra

- Kiểm tra bằng mắt: Có thể phát hiện những khuyết điểm bên ngoài, từ đó suy ra

những khuyết điểm bên trong của đường hàn.

- Kiểm tra bằng phương pháp vật lý: Phương pháp này cho kết quá chính xác hơn

phương pháp kiểm tra bằng mắt. Có thể chia ra các loại như điện từ, quang

tuyến, siêu âm.

3.1.2. Các loại đường hàn và cường độ tính toán

3.1.2.1. Phân loại

a. Theo cấu tạ

- Đường hàn đối đầu (hình 3.3a).

- Đường hàn góc (hình 3.3b).

b. Theo công dụng

- Đường hàn chịu lực.

- Đường hàn không chịu lực (để cấu tạo).

c. Theo vị trí không gian (hình 3.4)

- Đường hàn nằm.

- Đường hàn ngang.

- Đường hàn đứng.

- Đường hàn ngược.

d. Theo địa điểm chế tạo (bảng 3.2)

- Đường hàn máy.

- Đường hàn công trường.

e. Tính liên tục của đường hàn

- Đường hàn liên tục.

- Đường hàn không liên tục: khoảng cách lớn nhất giữa hai đường hàn phụ thuộc

vào sự làm việc của cấu kiện liên kết:

o Với cấu kiện chịu nén: amax ≤ 15. ä min.

o Với cấu kiện chịu lực kéo hoặc các bộ phận cấu tạo: amax ≤ 30. ä m

Hình 3.3. Các dạng đường hàn.

a) Đường hàn đối đầu, b) Đường hàn góc.

Hình 3.4. Vị trí đường hàn trong không gian.

Bảng 3.2. Ký hiệu các loại đường hàn.

3.1.2.2. Đường hàn đối đầu và đường hàn góc

a. Đường hàn đối đầu:

Khái niệm: Là đường hàn liên kết trực tiếp 2 cấu kiện cùng nằm trong 1 mặt phẳng,

kim loại que hàn sẽ bù đầy vào khe hàn.

Đường hàn này được sử dụng để liên kết thép bản, đối với những bản thép có chiều

dày ä >8mm cần gia công mép bản thép để có thể đưa que hàn xuống sâu đảm bảo chất

lượng đường hàn. Hình thức gia công mép bản thép cho trong bảng 3.3.

3-5

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Bảng 3.3. Các dạng gia công mép bản thép khi hàn.

Phân loại: Có 2 loại

- Đường hàn đối đầu thẳng góc.

- Đường hàn đối đầu xiên góc.

Sự làm việc của đường hàn đối đầu:

Đường hàn đối đầu có tiết diện thay đổi ít, ứng suất đường truyền đi khá đều nên có

ưu điểm truyền lực tốt, chịu tải trọng động tốt hơn so với đường hàn góc.

Cường độ tính toán của đường hàn:

Cường độ tính toán của đường hàn phụ thuộc que hàn, phương pháp kiểm tra chất

lượng đường hàn và sự chịu lực.

- Khi chịu nén: Rnh = R (Trong đó: Rnh là cường độ chịu nén tính toán của đường

hàn, R là cường độ tính toán của thép cơ bản).

- Khi chịu kéo:

Rkh = R nếu sử dụng phương pháp vật lý kiểm t

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thépRkh = 0,85.R nếu sử dụng phương pháp thông thường để kiểm tra.

- Khi chịu cắt: Rch = Rc (Trong đó: Rc là cường độ tính toán chịu cắt của thép cơ

bản).

b. Đường hàn góc:

Khái niệm: Là đường hàn liên kết hai cấu kiện không nằm trên cùng một mặt

phẳng.

Đường hàn nằm ở góc vuông của 2 cấu kiện tạo thành: tiết diện của đường hàn

thường là tam giác vuông cân, giữa hai cạnh mép hơi phồng lên, cạnh góc vuông của tam

giác gọi là chiều cao đường hàn (hình 3.5). Cũng có lúc người ta sử dụng đường hàn lõm

hoặc đường hàn thoải (ví dụ trong kết cấu chịu tải trọng động) (hình 3.6).

Hình 3.5. Đường hàn góc.

Hình 3.6. Đường hàn lõm và đường hàn thoải.

Phân loại: Có 2 loại (hình 3.7):

- Đường hàn góc cạnh: song song với phương lực tác dụng.

- Đường hàn góc đầu: vuông góc với phương lực tác dụng.

Quy định về cấu tạo đường hàn góc:

- Chiều cao đường hàn (hh): hmin ≤ hh ≤ ä min

Trong đó:

hmin_ Chiều cao tối thiểu của đường hàn góc, được quy định trong bảng 3.4;

ä min_ Chiều dày của bản thép mỏng nhất trong các bản thép liên kết hay bằng

chiều dày ä trong liên kết chữ T.

Hình 3.7. Các dạng đường hàn góc.

Bảng 3.4. Chiều cao nhỏ nhất của đường hàn góc hhmin, mm

- Chiều dài đường hàn (lh): lh ≥ 4.hh và lh ≥ 40mm.

Riêng với đường hàn góc cạnh: lh ≤ 85 â h.hh

Sự làm việc của đường hàn góc:

- Đường hàn góc cạnh:

o Đường hàn góc cạnh chủ yếu chịu lực cắt theo hướng dọc của đường hàn

(ngoài ra, do có lực lệch tâm gây một ít lực uốn nhưng ảnh hưởng không

đáng kể nên trong tính toán không đưa vào).

o Ứng suất phân bố không đều theo chiều dài, chiều rộng của bản thép và

dọc theo đường hàn. Nhưng khi tính toán coi như ứng suất phân bố đều,

vì vậy đối với đường hàn góc cạnh phải khống chế chiều dài đường hàn.

Hình 3.8. Sự phân bố ứng suất trong đường hàn góc cạnh

3-9

Hình 3.9. Sự phân bố ứng suất trong đường hàn góc đầu.

o Trên thực tế, đường hàn góc cạnh chịu cả ứng suất kéo, cắt, uốn nhưng

trong tính toán chỉ coi chúng làm việc chịu cắt.

o Ứng suất phân bố đều theo chiều rộng liên kết, nhưng ở chân đường hàn

đường lực bị uốn cong và dồn ép gây ứng suất tập trung lớn.

- Sự phá hoại của đường hàn

Hình 3.10. Dạng phá hoại và tiết diện làm việc của đường hàn.

Liên kết sử dụng đường hàn góc sẽ bị phá hoại theo một trong hai tiết diện (hình

3.10):

o Tiết diện 1: Tiết diện dọc theo kim loại đường hàn (mặt phân giác).

o Tiết diện 2: Tiết diện theo biên nóng chảy của thép cơ bản.

Như vậy, tiết diện sẽ bị phá hoại theo tiết diện yếu hơn. Vì thế trong tính toán quy

định phải tính đường hàn đối đầu với cả hai tiết diện.

( â h , â t _ hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn ứng với tiết diện 1 và 2, được

quy định trong bảng 3.5).

Cường độ tính toán của đường hàn:Khác với đường hàn đối đầu, sự phá hoại của đường hàn góc theo 2 tiết diện phụ

thuộc vào đường hàn và thép cơ bản. Vì vậy, trong tính toán có hai cường độ chịu cắt

khác nhau là cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn Rgh (với tiết diện 2). Rgh

được lấy theo bảng 3.1 (phụ thuộc que hàn), Rgt = 0,45. Rb ( Rb là cường độ tức thời của

thép cơ bản).

Đối với đường hàn góc đầu, thí nghiệm đã chứng minh tuy có cường độ lớn hơn so

với đường hàn góc cạnh, nhưng lại bị phá hoại giòn rất nguy hiểm, vì vậy để an toàn

đường hàn góc đầu cũng được tính theo hai tiết diện phá hoại và theo cường độ giống

như đường hàn góc cạnh.

3.1.3. Các loại liên kết và phương pháp tính toán

Các loại liên kết gồm có:

- Liên kết đối đầu.

- Liên kết ghép chồng.

- Liên kết có bản thép.

- Liên kết hỗn hợp.

3.1.3.1. Liên kết đối đầu

a. Cấu tạo:

Khái niệm: Là liên kết sử dụng đường hàn đối đầu.

Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng: Liên kết hàn đối đầu có ưu điểm là truyền lực

tốt, cấu tạo đơn giản, không tốn thép làm các chi tiết nối phụ, nhưng nó cũng có một

nhược điểm là phải gia công mép bản thép, vì vậy thường được sử dụng để liên kết bản

thép, ít khi dùng liên kết thép hình.

b. Phân loại:

Có hai loại

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

- Liên kết dùng đường hàn đối đầu thẳng góc.

- Liên kết dùng đường hàn đối đầu xiên góc.

c. Tính toán:

Đường hàn đối đầu được xem như phần kéo dài của thép cơ bản nên tính toán giống

như khi tính thép cơ bản.

Hình 3.11. Liên kết hàn đối đầu chịu lực trục.

Liên kết đối đầu chịu lực trục (hình 3.11):

Đường hàn đối đầu thẳng góc:

Công thức kiểm tra bền:

ó h =

N

Ah  ä .l1

Trong đó:

Ah = ä .lh _ Diện tích tính toán của đường hàn đối đầu;

ä _ Bề dày tính toán của đường hàn, được lấy bằng bề dày nhỏ nhất trong các cấu

kiện liên kết;

lh _ Chiều dài tính toán của đường hàn, được xác định tuỳ theo cách hàn: nếu khi

hàn có dùng bản chắn tạm (để kéo dài đường hàn, sau khi hàn xong sẽ cắt phần

đường hàn này đi) thì lh bằng chiều rộng thép cơ bản, nếu khi hàn không dùng bản

chắn tạm thì lh bằng chiều dài đường hàn thực tế trừ đi 10mm (vì xét đến chất

lượng không đảm bảo ở hai đầu đường hàn), có nghĩa là:

lh = b − 2.ä

b _ Chiều dài thực tế đường hàn cũng là chiều rộng thép cơ bản;

ã _ Hệ số điều kiện làm việc;

Rk ( n ) h _ Cường độ tính toán của đường hàn khi chịu kéo (nén).

Đường hàn đối đầu xiên góc:

Khi đường hàn đối đầu thẳng góc không đủ khả năng chịu lực, có thể tăng tiết diện

đường hàn (tức là tăng chiều dài đường hàn) bằng cách sử dụng đường hàn xiên. Góc

nghiêng á tuỳ chọn nhưng không nên quá bé vì như vậy thép sẽ bị cắt nhiều sẽ không

tiết kiệm, và khi tgá = 2 :1 thì đường hàn xiên có độ bền bằng độ bền của thép cơ bản

nên không cần kiểm tra độ bền của đường hàn.

3-

Đường hàn đối đầu xiên chịu cả hai lực: lực pháp tuyến và lực cắt. Khi tính toán sẽ

tách riêng hai lực, thường khi đường hàn chịu lực pháp tuyến thì sẽ chịu được lực cắt.

Như vậy lực dọc trục N sẽ được tách thành hai lực N. cos á và N. sin á và đường hàn

được kiểm tra bền theo công thức sau:

ó h =

ô h =

N . sin á

ä .lh

N . cos á

ä .lh

≤ Rk ( n ) h .ã

≤ Rch .ã

Trong đó: Khi không dùng cản chắn tạm, chiều dài đường hàn xiên là:

lh =

b

sin á

− 2ä

Liên kết hàn đối đầu chịu mômen (hình 3.12

Hình 3.12. Liên kết hàn chịu mômen.

Công thức kiểm tra bền:

ó h =

M

Wh

≤ R kh ã

Trong đó:

Wh _ Mômen kháng uốn của tiết diện đường hàn được tính theo công thức:

Wh =

l 2h ä

6

Liên kết đường hàn đối đầu chịu mômen và lực cắt (hình 3.13)

Hình 3.13. Liên kết hàn chịu mômen và lực cắt.

Liên kết được kiểm tra theo ứng suất tương đương ó tđ :

ó tđ = ó 2h + 3ô 2h ≤ 1,15R kh ã

3-13

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Trong đó:

ó h =

ô h =

M

Wh

Q

A h

=

=

6M

äl 2h

Q

äl h

Ví dụ 3.1: Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu hai bản thép có tiết diện 300 x

20mm chịu mômen uốn M = 30kNm và lực cắt Q = 300kN. Biết hệ số điều kiện làm việc

ã = 1, thép có cường độ tính toán R = 21kN/cm2, que hàn E42, dùng phương pháp hàn tay

và phương pháp kiểm tra thông thường

Hình 3.14. Hình vẽ cho ví dụ 3.1.

Giải: Đường hàn chịu tác dụng đồng thời cả mômen và lực cắt nên được kiểm tra

theo công thức:

ó tđ = ó 2h + 3ô 2h ≤ 1,15R kh ã

Mà:

Wh =

l 2h ä

6

=

2.(30 − 2.2) 2

6

= 225,33 cm3.

ó h =

M

Wh

=

3000

225,33

= 13,31 kN/cm2

ô h =

Q

A h

=

300

2.(30 − 2.2)

= 5,76 kN/cm2

Vậy ta có:

ó tđ = 13,312 + 3.5,76 2 = 16,62 < 1,15.18 = 20,7 kN/cm2.

Kết luận: Liên kết đủ bền.

3.1.3.2. Liên kết sử dụng đường hàn góc:

a. Liên két ghép chồng:

3-14

Hình 3.15. Liên kết ghép chồng.

Khái niệm: Liên kết hai cấu kiện đặt chồng lên nhau. Liên kết ghép chồng có thể sử

dụng đường hàn góc đầu, góc cạnh hoặc cả hai đường hàn này (tuy nhiên trên thực tế ít

khi sử dụng cả đường hàn góc đầu và góc cạnh do có sự tập trung ứng suất lớn).

Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng: Liên kết ghép chồng tuy không cần gia công

bản thép nhưng có nhược điểm là lãng phí thép và chịu lực không tốt lắm nên ít được

dùng để chịu tải trọng động, nói chung liên kết này chỉ nên dùng để liên kết các thép bản

có chiều dày nhỏ ( ä = 2 ÷ 5mm) hoặc liên kết thép hình với thép bản (hình 3.15).

Tính toán liên kết chịu lực trục:

Liên kết hai thép bản:

Khi kiểm tra, độ bền của đường hàn được tính theo hai tiết diện như sau:

Tiết diện 1:

N

Agh  â h .hh .∑ lh

Tiết diện 2:

N

Agt  â t .ht .∑ lh

Trong đó:

hh _ Chiều cao đường hàn góc;

∑ lh _ Tổng chiều dài tính toán của đường hàn. ∑ lh cũng phụ thuộc cách hàn: nếu

không dùng bản chắn tạm thì ∑ lh bằng tổng chiều dài thực tế của đường hàn trừ

đi 10mm;

3-

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

ã _ Hệ số điều kiện làm việc của liên kết;

â h , â t _ Hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn ứng với tiết diện 1 và 2;

Rgh , Rgt _ Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép đường hàn và thép cơ bản

trên biên.

Khi thiết kế, trước hết chọn chiều cao đường hàn theo cấu tạo (thường lấy

hh = ä min ), sau đó tính chiều dài đường hàn theo công thức:

∑ l

h

=

N

h h .(â.R g ) min .ã

Trong đó: (â .Rg ) min là giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị â h .Rgh và â t .Rgt .

Ngoài ra, chiều dài tính toán của đường hàn phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo đã

nêu ở các phần trước.

Liên kết thép hình với thép bản:

Hình 3.16. Liên kết thép góc với thép bản.

Khi thép hình không đối xứng, ví dụ thép góc, trọng tâm thép góc không nằm giữa

cánh nên lực tác dụng vào hai đường hàn không giống nhau. Đường hàn nào nằm ở gần

trọng tâm thép góc hơn sẽ chịu lực nhiều hơn (theo định luật phân lực thành những lực

song song: lực tác dụng vào mỗi đường hàn sẽ tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ trọng tâm

đặt lực đến nó e1 và e2 ).

Lúc này, lực dọc N được phân thành lực N s = k.N (do đường hàn sống chịu) và

N m = (1 − k ).N (do đường hàn mép chịu). Trong đó, hệ số k được lấy theo bảng 3.4.

Việc thiết kế đường hàn trong trường hợp này giống như đối với liên kết các thép bản

nhưng phải chú ý riêng đường hàn sống và đường hàn mép theo công thức:

∑ l

hs ( m )

=

N s ( m )

hhs ( m ) .(â .Rg ) min .ã

Trong đó:

N s ( m ) _ Nội lực mà đường hàn sống (mép) phải chịu;

3-16

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

hhs ( m ) _ Chiều cao đường hàn sống (mép);

∑ l

hs ( m )

_ Tổng chiều dài đường hàn sống (mép).

Bảng 3.6. Hệ số phân phối nội lực N khi liên kết các thép góc với thép bản

Ví dụ 3.2: Thiết kế liên kết hàn giữa thanh gồm hai thép góc số hiệu L100x10 với

bản thép có chiều dày ä = 14mm, chịu lực kéo N = 850kN. Biết cường độ của thép R =

21kN/cm2, cường độ bền tiêu chuẩn R cb = 34,5kN/cm2, dùng que hàn E42 có R gh =

18kN/cm2, Rgt = 15,5 kN/cm2, dùng phương pháp hàn tay âh = 0,7; â t = 1 .

Giải:

Chọn hh = 10mm.

Tra bảng:    N1 = 0,7N = 595 kN.

N2 = 0,3N = 255 kN.

Chiều dài cần thiết của các đường hàn sống lhs và các đường hàn mép lhm được xác

định theo:

l hs ≥

l hm ≥

0,7N

2h h (â.R g ) min .ã

0,3N

2h h (â.R g ) min .ã

=

=

595

2.1 + 12,6.1

255

2.1 + 12,6.1

= 23,6 cm

= 10,1 cm

Vậy lấy: lhs = 24cm; lhm = 11cm.

b. Liên kết có bản thép:

Cấu tạo:

- Khái niệm: Là loại liên kết dùng các bản ghép và đường hàn góc nối hai thanh

với nhau (giữa hai thanh không có đường hàn).

- Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng: Liên kết bản ghép có ưu điểm là không

phải gia công mép bản thép nhưng lại tốn thép làm bản ghép và chịu lực kém

3-17

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

(do nội lực phải truyền qua bản ghép nên có sự lệch tâm, gây ứng suất cục bộ).

Vì vậy, liên kết này ít được sử dụng để chịu tải trọng động.

Để giảm ứng suất tập trung tại các góc vuông, người ta cắt vát góc và để lại một

đoạn không hàn (50mm). Có thể sử dụng liên kết một bản ghép hoặc hai bản ghép.

Hình 3.18. Liên kết có bản ghép đối với thép tấ

Hình 3.19. Liên kết có bản ghép đối với thép hình.

Tính toán liên kết chịu lực trục:

Khi kiểm tra, ngoài việc tính toán khả năng chịu lực của đường hàn (giống trường

hợp liên kết ghép chồng), còn phải kiểm tra độ bền các bản ghép theo công thức:

∑ Agh

≥ A

Trong đó:

Abg _ Tổng diện tích tiết diện các bản ghép;

3-

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

A _ Diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản.

Khi thiết kế, trước hết phải chọn diện tích bản ghép theo công thức trên, sau đó tính

giống liên kết ghép chồng.

3.1.3.3. Liên kết hỗn hợp

a. Cấu tạo:

- Khái niệm: Là liên kết sử dụng cả đường hàn đối đầu và bản ghép. Ở đây, bản

ghép có tác dụng gia cường cho đường hàn đối đầu.

- Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng: Liên kết hỗn hợp có thể dùng cho cả thép

bản và thép hình, nhưng nó có nhược điểm là tốn công chế tạo (phải gia công

mép bản thép và giũa phẳng mối hàn đối đầu trước khi đặt bản ghép) và tốn thép

nên ít được sử dụng.

Có thể dùng 1 hoặc 2 bản ghép, tuy nhiên dùng hai bản ghép để tránh sự truyền lực

lệch tâm và phải chú ý đến thứ tự hàn

Hình 3.20. Liên kết hỗn hợp.

b. Tính toán liên kết chịu lực trục:

Khi kiểm tra, điều kiện bền của liên kết được tính theo công thức sau:

ó h =

N    ≤ Rk ( n ) h .ã

Trong đó:

A _ Diện tích tiết diện thép cơ bản;

∑ Abg _ Tổng diện tích tiết diện các thép.

3.1.3.4. Tính toán liên kết hàn với đường hàn góc chịu mômen và lực cắt (hình 3.20)

Với liên kết này ta cũng tính toán theo hai tiết diện, dùng nguyên lý cộng tác dụng

ta có công thức kiểm tra sau:

3-19

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Tiết diện 1:

ó td = ó

2

1M

+ ô

2

1

Q

⎝   gh ⎠  ⎝  gh ⎠

2           2

Tiết diện 2:

ó td = ó

2

2 M

+ ô

2

2Q

= ⎜

⎝   gt

⎟  ⎜ A ⎟

2           2

Trong đó:

Wgh ,Wgt _ Mômen kháng uốn của đường hàn theo tiết diện 1, 2 và được tính theo

công thứ

c:

Wgh =

â h .hh .∑ lh

6

Wgt =

â t .hh .∑ lh

6

Agh , Agt _ Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn theo tiết diện 1, 2 và được

tính theo công thức sau:

Agh = â h .hh .∑ lh

Agt = â t .hh .∑ lh

Hình 3.21. Đường hàn góc chịu mômen và lực cắt

Ví dụ 3.3: Tính liên kết vai cột thép vào thép cột chữ I bằng các đường hàn góc.

Bản thép có tiết diện (600 x 14)mm, chịu lực P = 800kN đặt cách mép cột một đoạn

20cm (hình 3.21). Biết thép có cường độ tính toán R = 21kN/cm2, cường độ tức thời tiêu

chuẩn R cb = 34,5kN/cm2. Dùng que hàn Э42, phương pháp hàn tay.

Giải:

Chọn hh = 14mm, lh = 60 – 1 = 59cm.

Rgh = 18kN/cm2, Rgt = 15,5kN/cm2, âh = 0,7; â t = 1.

3-20

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

2

đường hàn.

Mômen tại tiết diện hàn:

M = P.l = 800.20=16000 kNcm

Ứng suất trong đường hàn do mômen gây nên:

ô1M =

M

Wgh

=

6M

2

=

6.16000

2.0,7.1,4.59 2

= 14,04 kN/cm2

Ứng suất do lực cắt gây ra (Q = P):

ô1Q =

Q

A gh

=

Q

2â h h h l h

=

800

2.0,7.1,4.59

= 6,91 kN/cm2

Độ bền của đường hàn được kiểm tra:

ó td = ó 2M + ô2Q = 14,07 2 + 6,912 = 15,67kN / cm 2 ≤ R gh = 18kN / cm 2

Hình 3.22. Hình cho ví dụ 3.3.

3.2. Liên kết bulông

3-21

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

3.2.1. Các loại bulông

3.2.1.1. Cấu tạo

Hình 3.23. Cấu tạo bulông.

Đường kính (d ) : Thường từ 12 – 48mm (Bulông neo đường kính tới 100mm).

Chiều dài bulông (l ) : l = 35 – 300mm.

Chiều dài phần ren (l0 ) : l0 ≈ 2,5. d (Phần thân không ren phải lớn hơn tổng chiều

dày các bản thép liên kết 2 – 3mm).

3.2.1.2. Phương pháp gia công lỗ bulông

Đột lỗ (Lỗ loại C): Phương pháp này tuy có ưu điểm là có năng suất cao nhưng có

nhiều nhược điểm:

- Bề mặt lỗ ghồ ghề.

- Phần thép xung quanh lỗ (khoảng 2-3mm) bị giòn nên chịu lực kém.

- Độ chính xác không cao (giữa các bản thép cần ghép) nên đường kính thân

bulông làm nhỏ hơn đường kính lỗ khoảng 2 – 3mm.

Khoan từng chồng có bản mẫu: Phương pháp này có ưu điểm là có độ chính xác

cao, mặt lỗ phẳng nên chịu lực tốt nhưng cho năng suất thấp. Đường kính lỗ chỉ cần nhỏ

hơn đường kính bulông 0,3mm.

Kết hợp đột và khoan (Lỗ loại B): Đột từng bản thép như phương pháp 1, sau đó

khoan cả chồng bản thép đến đường kính thiết kế. Phương pháp này cho năng suất cao và

chính xác.

3.2.1.3. Phân loại

Việc phân loại dựa trên cách sản xuất, vật liệu và tính chất làm việc của bulông. Có

các loại bulông sau:

Bulông thô và bulông thường: Được làm từ thép cacbon bằng cách rèn hoặc dập, sử

dụng lỗ loại C. Do chất lượng thấp nên loại bulông này chỉ được dùng khi chúng chịu lực

kéo hoặc định vị các cấu kiện lắp ghép.

Bulông tinh: Được làm từ thép cacbon và thép hợp kim thấp bằng cách tiện, sử

dụng lỗ loại B. Loại bulông này có độ chính xác cao nhưng việc chế tạo phức tạp nên

cũng ít được sử dụng.

3-22

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Bulông cường độ cao: Tuy cách sản xuất giống bulông thường (rèn hoặc dập),

nhưng do được làm từ thép cường độ cao nên có khả năng chịu lực lớn. Khi siết chặt êcu,

các tấm thép ép chặt lên nhau, lực truyền từ cấu kiện này lên cấu kiện kia chủ yếu do lực

ma sát giữa các cấu kiện. Hiện nay, bulông cường độ cao dược sử dụng nhiều, đặc biệt

trong những kết cấu chịu tải trọng động.

3.2.2. Sự làm việc của liên kết bulông

3.2.2.1. Sự làm việc chịu trượt của liên kết bulông thô, thường và bulông tinh

Khi siết chặt êcu, bulông chịu kéo đồng thời các bản thép sẽ tạo nên lực ma sát

giữa mặt tiếp xúc. Nhưng lực ma sát này không đủ lớn thắng được lực trượt do ngoại lực

gây ra và liên kết làm việc theo giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Khi lực trượt giữa các bản thép nhỏ hơn lực ma sát, bulông chỉ chịu lực

kéo ban đầu (hình 3.24a).

Giai đoạn 2: Tăng ngoại lực tác dụng, lực trượt lớn hơn lực ma sát, các bản thép bị

trượt lên nhau khiến thân bulông tỳ sát vào thành lỗ (hình 3.24b).

Giai đoạn 3: Lực trượt truyền qua liên kết chủ yếu bằng sự ép của thân bulông lên

thành lỗ. Lực này bulông bị uốn cong và chịu đồng thời cả cắt, uốn, kéo.

Giai đoạn 4: Lực trượt tăng, độ chặt của liên kết giảm lực ma sát yếu đi. Liên kết bị

phá hoại theo hai trường hợp: do thân đinh bị cắt đứt (hình 3.24c) hoặc bản thép bị phá

hoại do ép lên mặt thành lỗ

Hình 3.24. Sự làm việc của liên kết bulông

3.2.2.2. Sự làm việc chịu trượt của liên kết bulông cường độ cao

Khác với bulông thô, thường và bulông tinh, trong liên kết bulông cường độ cao,

lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp nhận được trượt do ngoại lực tác động.

Bulông chỉ chịu lực kéo ban đầu (do siết chặt êcu).

3.2.2.3. Sự làm việc của bulông khi chịu kéo

3-23

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Hình 3.25. Sự làm việc chịu kéo của bulông.

Bulông chịu kéo khi lực tác dụng song song thân bulông. Lúc đầu, do giữa các cấu

kiện còn có lực kéo ban đầu, nếu ngoại lực N chưa đủ lớn để vượt qua trị số ấy

( N < N o ), thì liên kết vẫn làm việc bình thường. Khi tăng lực N lên ( N ≥ N 0 ), bulông

chịu kéo với tải trọng ngoài. Khi ứng suất trong thân bulông đạt đến cường độ tính toán

chịu kéo của vật liệu làm thân bulông, liên kết bị phá hoại.

3.2.3. Khả năng làm việc của một bulông

3.2.3.1. Đối với bulông thô, thường và bulông tinh

a. Khả năng làm việc chịu cắt của một bulông:

[N ]cbl

= Rcbl .ã bl .Abl .nc

Trong đó:

Rcbl _ cường độ tính toán chịu cắt của vật liệu bulông, được lấy theo bảng 3.8;

ã bl _ Hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulông (đối với bulông thô, thường:

ã bl = 0,9; đối với bulông tinh: ã bl = 1);

Abl =

ð .d 2

4

_ Diện tích tiết diện ngang phần không ren của thân bulông;

d _ Đường kính thân bulông;

nc _ Số lượng mặt cắt tính toán của bulông (phụ thuộc vào số lượng cấu kiện liên

kết).

b. Khả năng chịu ép mặt của một bulông:

[N ]embl

= d .(∑ ä )min .Rembl

Trong đó:

(∑ ä )min

_ Tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về một phía;

Rembl _ Cường độ ép mặt tính toán của bulông.

c. Khả năng chịu kéo của một bulông:

[N ]kbl

= Athbl .Rkbl

Trong đó:

Athbl _ Diện tích thực của thân bulông (đã trừ phần giảm yếu do ren) lấy theo bảng

3.9;

Rkbl _ Cường độ tính toán chịu kéo của vật liệu bulông, lấy theo bảng 3.8.

3.2.3.2. Đối với bulông cường độ cao

Khả năng chịu lực của một bulông:

[N ]blc

⎛ µ ⎞

⎝ ã tc ⎠

Trong đó:

3-24

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Rkbl _ Cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu bulông: Rkbl = 0,7. Rb ( Rb là cường

độ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu bulông, lấy theo bảng 3.10).

ã bl _ Hệ số làm việc của liên kết bulông (khi liên kết chịu tải trọng động và khi độ

sai lệch giữa đường kính bulông với đường kính lỗ lớn hơn 1mm thì ã bl = 0,85;

các trường hợp còn lại ã bl = 1);

µ _ Hệ số ma sát, lấy theo bảng 3.11;

k _ Số lượng mặt phẳng ma sát tính toán.

3.2.4. Cấu tạo của liên kết bulông

3.2.4.1. Các hình thức cấu tạo

a. Thép tấm

Liên kết đối đầu:

Sử dụng 2 bản ghép (hình 3.26a) (nếu hai bản thép có chiều dày không bằng nhau

thì phải đặt thêm bản đệm – hình 3.26d).

Sử dụng một bản ghép (hình 3.26b).

Liên kết ghép chồng (hình 3.26b).

Hình 3.26. Các hình thức liên kết thép bản bằng bulông

Trong đó, hình thức liên kết đối đầu các bản thép cùng chiều dày có sử dụng hai bản

thép là hình thức tốt nhất, do sự truyền lực đối xứng không gây uốn, khả năng chịu lực

của bulông cao. Các hình thức liên kết còn lại có sự truyền lực lệch tâm, chịu mômen uốn

phụ, khả năng chịu lực của bulông thấp nên khi bố trí, số bulông cần tăng thêm so với

tính toán 10%.

b. Thép hình

Liên kết đối đầu:

Sử dụng hai bản ghép (hình 3.27c, d).

Sử dụng một bản ghép (hình 3.27a, d).

3-25

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Hình 3.27. Các hình thức liên kết thép hình bằng bulông

Liên kết ghép chồng:

- Đối xứng (hình 3.27e).

- Không đối xứng (hình 3.27f).

Đối với liên kết thép hình, hình thức sử dụng thép góc làm bản thép là hình thức

được dùng rộng rãi để đảm bảo độ cứng và chỉ liên kết ghép chồng không đối xứng với

cấu kiện mềm khi bố trí mới cần tăng thêm số bulông lên 10% so với tính toán.

3.2.4.2. Bố trí bulông

Có hai cách bố trí: Bố trí song song và bố trí so le. Trong đó bố trí song song đơn

giản nên hay được dùng hơn.

Quy ước: Các bulông nằm trên một đường thẳng gọi là đường đinh. Các đường đinh

nằm song song với phương của lực tác dụng là dãy đinh, vuông góc với phương của lực

tác dụng gọi là hàng đinh. Khoảng cách giữa hai bulông cạnh nhau trên đường đinh gọi là

bước đinh.

1) Khoảng cách min:

3-2

\Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

2) Khoảng cách max:

Hình 3.28. Bố trí bulông

1. Khoảng cách min (a, b); 2. Khoảng cách max;

c. Cấu kiện chịu kéo; d. Cấu kiện chịu nén.

Để tiện cho việc chế tạo, chỉ nên dùng một loại đinh trong một kết cấu (nhiều nhất

là hai loại), và cố gắng cho khoảng cách của đường đinh trong kết cấu là thống nhất.

Khoảng cách giữa các bulông được quy định trong bảng 3.5. Đối với liên kết chịu

lực nên bố trí bulông theo khoảng cách nhỏ nhất để đỡ tốn thép, với liên kết không chịu

lực nên bố trí theo khoảng cách lớn nhất để đỡ tốn bulông. Riêng với thép hình khi bố trí

bulông phải chú ý đến bề rộng cánh: b < 100mm chỉ bố trí một dãy bulông trên cánh,

b ≥ 100 bố trí hai dãy.

Bảng 3.7. Quy định bố trí bulông và đinh tán

Khoảng cách giữa trọng tâm của hai bulông hay đinh tán theo

phương bất kỳ:

a) Nhỏ nhất

- Đối với bulông                                       2,5d

- Đối với đinh tán                                       3d

b) Lớn nhất: trong các đường đinh ở biên khi không có thép góc

8d hay 12 ä

viền đối với các cấu kiện chịu kéo và nén (hình 2.35a, b)

c) Lớn nhất: trong các đường đinh ở giữa và ở biên khi có thép góc

viền:

- Cấu kiện chịu kéo (hình 2.35c).                        16d hay 24 ä

- Cấu kiện chịu nén (hình 2.35d)                         12d hay 18 ä

3-27

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

Khoảng cách từ trọng tâm bulông hay đinh tán đến biên cấu kiện:

a) Nhỏ nhất dọc theo lực                                      2d

b) Nhỏ nhất vuông góc với lực:

- Khi mép bản thép bị cắt                                 1,5d

- Khi mép bản thép bị cán                                 1,2d

c) Lớn nhất                                             4d hay ä

d)Nhỏ nhất: đối với bulông cường độ cao khi mép bất kỳ trong

hướng bất kỳ.

1,3 ä

Chú thích: d _ đường kính lỗ bulông;

ä _ chiều dày bản mỏng nhất ở ngoài.

Bảng 3.8. Cường độ tính toán chịu cắt và chịu kéo của bulông

Bảng 3.9. Diện tích tiết diện của bulông

Bảng 3.10. Cường độ tức thời tiêu chuẩn của bulông cường độ cao

Bảng 3.11. Giá trị hệ số ma sát và hệ số độ tin cậy

3-28

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

3.2.5. Tính toán liên kết bulông

3.2.5.1. Tính liên kết bulông khi chịu lực trục

* Bài toán thiết kế

Khi tính toán nên quyết định trước tiết diện cấu kiện, đường kính đinh, sau đó xác

định số đinh cần thiết và kiểm tra lại liên kết. Các bước tính như sau:

a. Xác định nội lực

b. Chọn đường kính bulông và kích thước bản ghép

Đường kính bulông: chọn phụ thuộc vào sự làm việc của kết cấu

- Với các công trình thông thường:

- Với các công trình nặng:

Kích thước bản ghép:

Diện tích các bản ghép phải thỏa mãn:

d = 20 – 24mm.

d = 24 – 30mm.

∑ Abg

≥ A

Trong đó:

∑ Abg _ Tổng diện tích tiết diện ngang của các bản ghép;

A _ Diện tích tiết diện của cấu kiện liên kết.

Chiều rộng và chiều dài của bản ghép lấy theo cách bố trí bulông (nên bố trí số

bulông theo hàng tối đa để truyền lực đều theo chiều ngang của cấu kiện – chiều vuông

góc với phương của lực).

c. Tính số lượng bulông cần thiết

Với bulông thô, thường và bulông tinh.

Xác định khả năng chịu lực nhỏ nhất của một bulông:

[N ]min bl

= min([N ]cbl ; [N ]embl )

Xác định số lượng bulông:

n ≥

N

[N ]min bl

.ã

Với bulông cường độ cao

n ≥

N

[N ]cbl

.ã

d. Kiểm tra bền các bản thép (do các bản thép bị giảm yếu ở tại các lỗ bulông)

N

Ath

≤ R.ã b

Trong đó:

Ath _ Diện tích tiết diện thực của cấu kiện;

3-29

Chương 3. Liên kết trong kết cấu thép

ã b _ Hệ số điều kiện làm việc.

Ath và ã b được xác định phụ thuộc vào loại bulông như sau:

- Đối với bulông thô, thường và bulông tinh:

Diện tích thực:

Ath = Ang − Agy

Trong đó:

Ang _ Diện tích tiết diện nguyên của cấu kiện;

Agy _ Diện tích giảm yếu do các lỗ bulông gây nên, được tính bằng công thức:

Agy = m.ä .d

Với

m _ Số bulông trên cùng một hàng;

ä _ Chiều dày của cấu kiện mỏng nhất;

d _ Đường kính bulông.

Hệ số ã b phụ thuộc vào loại cấu kiện: với kết cấu thanh của mái và sàn ã b = 1,05;

với dầm đặc, cột và các bản nối ã b = 1,1.