Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Lưu hành nội bộ) Mô đun: TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN Mã số: MĐ 30 Thời gian thực hiện : 90 h (Lý thuyết: 30 h; Thực hành:

Transcript

1 Mô đun: TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN Mã số: MĐ 30 Thời gian thực hiện : 90 h (Lý thuyết: 30 h; Thực hành: 60 h) MỤC TIÊU MÔ-ĐUN: Mô đun này nhằm trang bị cho người học iến thức về tính toán,xác định ứng suất và biến dạng sinh ra hi hàn các ết cấu,biết được các biến dạng sinh ra hi hàn,đồng thời biết tính toán,thiết ế các ết cấu hàn đơn giản. MỤC TIÊU THỰC HIỆN: Học xong mô-đun này người học sẽ có hả năng: - Nhận biết chính xác các loại vật liệu chế tạo ết cấu hàn. - Giải thích rõ công dụng của từng loại vật liệu chế tạo ết cấu hàn. - Tính toán đúng vật liệu hàn, vật liệu chế tạo ết cấu hàn hi gia công các ết - cấu hàn. - Tính toán nghiệm bền cho các mối hàn đơn giản như: Mối hàn giáp mối, mối - hàn góc, mối hàn hỗn hợp phù hợp với tải trọng của ết cấu hàn. - Trình bày đầy đủ các bước tính ứng suất và biến dạng hi hàn. - Vận dụng linh hoạt iến thức tình toán ết cấu hàn vào thực tế sản xuất. - Thực hiện được các nguyên tắc an toàn và vệ sinh phân xưởng. NỘI DUNG CHÍNH - Vật liệu chế tạo ết cấu hàn - Tính độ bền của mối hàn - Tính ứng suất và biến dạng hi hàn - Tính toán ết cấu dầm trụ - Tính toán ết cấu dàn, tấm vỏ - Kiểm tra ết thúc mô đun YÊU CẦU ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔ-ĐUN *)Về iến thức: Được đánh giá qua iểm tra viết, iểm tra vấn đáp đạt các yêu cầu sau: - Liệt ê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo ết cấu hàn. - Tính toán chích xác vật liệu chế tạo ết cấu hàn. - Trình bày rõ các công thức tính toán độ bền, ứng suất và biến dạng hi hàn. - Giải đúng các bài toán nghiệm bền và tính ứng suất biến dạng hi hàn của các ết cấu hàn đơn giản. *)Về ỹ năng: Được đánh giá qua bài iểm tra thực hành, qua quá trình thực hiện, qua iểm tra chất lượng sản phẩm đạt các yêu cầu sau. - Nhận biết đúng các loại vật liệu chế tạo các ết cấu hàn. - Tra bảng, tính toán vật liệu hàn chính xác. - Kiểm tra đánh giá đúng công việc tính toán các ết cấu hàn. - Bố trí nơi làm việc gọn gàng hoa học, an toàn. *)Về thái độ: Được đánh giá trong quá trình học tập, bằng quan sát có bảng iểm thang điểm đạt các yêu cầu sau: - Có ý thức tự giác, tính ỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc, có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau. Cẩn thận tỉ mỉ, chính xác trong công việc. 1

2 BÀI 1: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN MÃ BÀI: MĐ Mục tiêu: Sau hi học xong bài học này người học sẽ có hả năng: Nhận biết các loại thép định hình U, I, V..., thép tấm, và các loại vật liệu hác như nhôm, hợp im nhôm, đồng hợp im đồng, thép hợp im thường dùng để chế tạo ết cấu hàn. Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu hi chế tạo ết cấu hàn. Tính toán vật liệu gia công ết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao. Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng Vật liệu chế tạo ết cấu hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng công trình và là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình công nghệ,tính inh tế của công trình. Do vậy việc lựa chọn chế tạo ết cấu hợp lý sẽ mang lại tính hiệu quả inh tế, ỹ thuật to lớn. Đó là tiêu chí rất quan trọng. I. NỘI DUNG CHÍNH : 1) Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo ết cấu hàn Vật liệu dùng để chế tạo ết cấu hàn gồm có: Các loại thép các bon thấp: Đây là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại ết cấu hàn, do loại vật liệu này rất dễ hàn và mối hàn dễ đạt được chất lượng theo yêu cầu mà hông cần phải có những biện pháp công nghệ phức tạp nào. Trong thực tế thép các bon thấp sử dụng để chế tạo ết cấu hàn được chia ra làm nhóm chính là thép định hình và thép tấm. Thép hợp im thấp : Đây là loại thép có tính hàn tốt chỉ đứng sau thép các bon thấp, do có tính hàn tốt cho nên các loại thép hợp im thấp cũng rất hay được sử dụng để chế tạo các ết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao hoặc làm việc trong các điều iện đặc biệt. Thép hợp im thấp thường được dùng để chế tạo ết cấu hàn gồm các loại như thép Manggan; thép Cr Si Mn; Cr-Mn-Môlipđen. Thép hợp im thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn. Các loại thép hông rỉ: Được sử dụng để chế tạo các lọai ết cấu hàn làm việc trong những điều iện đặc biệt như: nhiệt độ cao, làm việc trong điều iện tiếp xúc với hóa chất, hoặc các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, thiết bị dụng cụ y tế... Phần lớn các loại thiết bị thuộc các loại này thuộc dạng tấm, hiện nay do nhu cầu sử dụng các loại ết cấu được chế tạo từ thép hông rỉ đang rất lớn cho nên rất nhiều các công nghệ gia công ết cấu thép hông rỉ hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép hông rỉ được sử dụng nhiều hiện nay đó là: Cr- Ni,Cr-Ni-Bo, Ni-Mo-Cr, và một số loại thép chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt, bền nhiệt. Nhôm và hợp im nhôm: Nhôm và hợp im nhôm cũng được sử dụng nhiều để chế tạo ết cấu hàn đặc biệt là hợp im nhôm được dùng để chế tạo các ết cấu yêu cầu có trọng lượng nhỏ,hoặc các ết cấu yêu cầu chống rỉ. Thông thường hợp im nhôm hay được dùng nhất là: Duy-ra dùng cho các ết cấu đòi hỏi có độ bền nhiệt cao, còn hợp im nhôm magiê dùng cho các loại ết cấu như: vỏ tầu

3 loại nhỏ có tốc độ cao, các ết cấu xây dựng, các thùng chứa thực phẩm,chứa thức ăn, chứa nước...nhôm và hợp im nhôm thường được chế tạo ở dạng tấm. ) Thép định hình. Thép chữ L (thép góc): Đây là loại thép hình được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại ết cấu hàn. Thép chữ L thường được dùng để chế tạo các loại hung,dàn hoặc liên ết hác trong các ết cấu. từ thép góc ta có thể chế tạo ra các loại thép định hình hác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau. Ví dụ: ghép thanh thép góc lại với nhau ta sẽ có loại ết cấu chữ [ hoặc chữ T.nếu ghép 4 thanh thép góc ta sẽ có ết cấu chữ I. Do vậy đây là loại thép có phạm vi sử dụng rất lớn trong thực tế. Thép hình chữ L có loại là : L cạnh đều và L cạnh lệch - Thép chữ L cạnh đều: gồm có 67 loại được quy định trong TCVN loại nhỏ nhất có ích thước L0 x 3,nghĩa là mỗi cạnh có ích thước là 0 mm,chiều dày có ích thước là 3 mm, loại lớn nhất có ích thước là L50 x 0. Đây là loại thép được sư dụng để chế tạo ết cấu rất nhiều do tính chất công nghệ của nó rất cao. Trong quá trình gia công người thợ hông cần chú ý đến các cạnh của thanh thép (do cạnh của các thanh đều bằng nhau. Đây chính là đặc tính rất ưu việt của loại thép góc này. - Thép chữ L cạnh hông đều: Gồm có 47 loại được quy định trong tiêu chuẩn TCVN ,loại nhỏ nhất là L5 x16 x3, có nghĩa là cạnh thứ nhất 5 mm, cạnh thứ hai 16 mm, chiều dày 3 mm. Loại lớn nhất có ích thước L50 x160 x0. Đây là loại thép góc mà hiện nay ứng dụng hông lớn do tính công nghệ của thép hông cao vì trong quá trình gia công người thợ cần phải chú ý đến các cạnh của thanh thép (do các cạnh hông đều nhau). Do vậy sẽ ảnh hưởng đến năng suất lao động. Vì vậy hi thiết ế cần chú ý đến đặc điểm này để lựa chọn thép góc cho hợp lý. Thép chữ I: Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo ết cấu chịu uốn, nén. Theo TCVN thì thép chữ I có 3 loại. Chiều cao loại nhỏ nhất là 100 mm,loại lớn nhất là 600 mm. Ngoài ra còn có thêm một số loại thép đặc biệt ý hiệu có thêm chữ a ở phía dưới. Thép chữ I là loại thép rất hó liên ết với nhau để tạo ra một loại thép mới. Thép chữ [: Theo TCVN thép chữ [ có loại. Chiều cao loại nhỏ nhất là 50 mm, lớn nhất là 400 mm ( Đây là chiều cao của tiết diện). Ví dụ [ chỉ loại này có chiều cao là h 0 mm, chiều dài của thép chữ [ từ 4 13 m. Ngoài ra còn một số loại đặc biệt thì ý hiệu có thêm chữ a phía dưới. Ví dụ : thép [ a. Trong thực tế còn có nhiều loại thép hình hác nhau như thép ống, thép tròn,... 3) Thép tấm. Là loại thép được sữ dụng rộng rãi vì có tính vạn năng cao, có thể chế tạo ra các loại thép có hình dáng, ích thước bất ỳ. Thép tấm được dùng nhiều trong các loại ết cấu như :vỏ tàu thủy, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chứa hí, các loại bồn chứa, bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng, chất hí. Ngoài ra thép tấm còn được sử dụng để chế tạo các loại chi tiết máy...trong thực tế thép tấm có quy cách như sau: Thép tấm phổ thông: có chiều dày s mm, chiều rộng mm, chiều dài từ mm Thép tấm dày: có chiều dày s mm, chiều rộng mm, chiều dài từ mm Thép tấm mỏng: có chiều dày s 0. 4 mm, chiều rộng mm. 3

4 BÀI : TÍNH ĐỘ BỀN MỐI HÀN MÃ BÀI: MĐ-30-0 Mục tiêu: Sau hi học xong bài học này người học sẽ có hả năng: Tính toán được độ bền éo,nén của mối hàn. Xác định được ích thước của mối hàn hi biết tải trọng đặt lên ết cấu. Độ bền mối hàn là một tiêu chí rất quan trọng trong quá trình gia công ết cấu hàn, độ bền mồi hàn đảm bảo nghĩa là ết cấu hàn sẽ thõa mãn điều iện làm việc với tải trọng được quy định. Vì vậy yêu cầu của công tác thiết ế, iểm tra, đánh giá độ bền mối hàn là một công việc quan trọng của người thợ hàn ở trình độ cao. I. NỘI DUNG CHÍNH : II. 1) Tính toán mối hàn giáp mối Mối hàn giáp mối chịu éo, nén Mối hàn giáp mối là loại mối hàn được ứng dụng rất nhiều trong ết cấu hàn, do mối hàn có nhiều ưu điểm như: tốn ít im loại cơ bản, ít ứng suất tập trung, công nghệ thực hiện dễ dàng hơn. Do mối hàn chịu éo và chịu nén thì độ bền giống nhau nên ta chỉ cần tính toán, iểm tra điều iện bền cho trường hợp chịu éo là đủ. Để iểm tra điều iện bền éo ta xét một mối ghép hàn giáp mối như sau: Ta có chiều rộng của tấm nối là B cũng chính là chiều dài cần hàn, chiều dày của chi tiết hàn là S, lực éo là N. Như vậy theo lý thuyết bền ta có: Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền thì biểu thức sau phải được thõa mãn: Trong đó : σ σ [ σ ] max N F h max : Là ứng suất sinh ra hi ết cấu chịu lực tác dụng N : Là lực tác dụng F h : Là diện tích mặt cắt của mối hàn, nó được xác định như sau: F h B x S Như vậy ta có: (-) σ max N B. S [ σ ] (-1) Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau: Bài toán 1: Kiểm tra điều iện bền éo theo cường độ, ta dùng công thức trên Bài toán : Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức: 4

5 N B. S.[ δ ] Bài toán 3: Tính toán các ích thước mối hàn theo công thức sau: N.[ σ ] B. S Và: B. S N.[ σ ] N.[ σ ] B S S N.[ σ ] B Trong trường hợp nếu ích thước của ết cấu hông thay đổi, nhưng muốn tăng hả năng chịu tải trọng của ết cấu thì chúng ta thiết ế các mối hàn xiên như hình vẽ sau với: N: là lực tác dụng B: là chiều rộng tấm nối α: là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn Như vậy điều iện bền của mối hàn lúc này sẽ là: σ N Fh [ σ] max N S B [ σ]. σ sinα max N.sin α B. S [ σ] (-4) Mà α là góc luôn nhỏ hơn 90 0 nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy mà điều iện bền tăng lên. 1.. Mối hàn giáp mối chịu uốn. Điều iện bền được xác định như sau: M σ [σ ] W h σ là ứng suất sinh ra do uốn M là mô men uốn: P.l M W là mô men chống uốn được xác định như sau: B. S W [ σ] 6 h Thay vào biểu thức tính độ bền ta có: 6. P. l σ [ σ] (-7) B. S (-6) h (-3) (-5) ) Tính toán mối hàn góc..1.mối hàn góc chịu éo, nén 5

6 Khi iểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình iểm tra mối hàn theo các dạng sau a- Tính mối hàn đối xứng ngang: xét mối hàn ngang chịu lực như hình vẽ ta có biểu thức xác định độ bền như sau: N τ [ τ]. h. B h (-8) N là lực tác dụng h là chiều cao của mối hàn B là chiều dài đường hàn. Do chiều cao mối hàn : h.cos45 0 0,7. và S (trong trường hợp các tấm có chiều dày hông bằng nhau thì được chọn theo tấm có chiều dày nhỏ hơn) cho nên: N τ [ τ] 1,4. S. B h (-9) b- Tính mối hàn đối xứng dọc: Đối với mối hàn đối xứng dọc hi chịu lực thì điều iện bền được xác định như sau: N τ [ τ]. h. L h (-10) L là chiều dài đường hàn h là chiều cao mối hàn Trong trường hợp mối hàn hông đối xứng thì điều iện được xác định theo công thức sau: N τ [ τ] (-11) h.( L + L ) h 1..Mối hàn góc chịu uốn Khi mối hàn góc chịu uốn, điều iện bền được xác định theo công thức sau: M (-1) τ [ τ] h. L. B h 6

7 M là mô men uốn H là chiều cao mối hàn L là chiều dài mối hàn cả phía B là chiều cao của tấm hàn Khi mối hàn chịu uốn và éo hoặc nén thì điều iện bền được xác định như sau: M N τ ± [τ] W h. L Trong đó : M là mô men uốn N là lực éo W là mô men chống uốn h là chiều cao mối hàn L là tổng chiều dài đường hàn h (-13) -Trong trường hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn như hình vẽ thì điều iện bền sẽ là: M τ [ τ] h. l h n h. ld. ln + 6 Khi tính toán ta chọn trước l n, cạnh của mối hàn để xác định mối hàn l d Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu éo hoặc nén thì điều iện bền sẽ là: N M τ + [τ] h. L hl. n hl. n. ld + 6 h 7

8 BÀI 3: TÍNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN MÃ BÀI: MD Mục tiêu: Sau hi học xong bài học này người học sẽ có hả năng: Trình bày được các hái niệm về ứng suất hi hàn,giải thích được các nguyên nhân gây ra ứng suất hi hàn. Tính được các biến dạng dọc,biến dạng ngang của mối hàn. Xác định được các biện pháp làm giảm ứng suất,biến dạng sinh ra hi hàn. Tro ng quá trình hàn, do nhiệt độ giữa các vùng im loại chênh lệch nhau rất cao do vậy thường sinh ra ứng suất và biến dạng các ứng suất và biến dạng này làm ết cấu hàn giảm hả năng làm việc hoặc hông đủ điều iện để làm việc vì vậy trong quá trình hàn người thợ phải biết được những nguyên nh6n sinh ra ứng suất và biến dạng để có thể hạn chế hoặc triệt tiêu chúng. I. NỘI DUNG CHÍNH : 1. Các hái niệm về ứng suất và biến dạng hi hàn a- Nội ứng suất hi hàn : Là ứng suất tồn tại trong mối hàn sau hi đã ết thúc hàn. Do nội ứng suất tồn tị mà hông có tác dụng của ngoại lực cho nên chúng ta phải tương ứng cân bằng. Và muốn đảm bảo sự cân bằng thì phải tuân theo các điều iện cân bằng tỉnh học, nghĩa là. mz 0 mx 0 my 0 (3-1) b- Phân loại ứng suất Các loại nội ứng suất được chia ra làm 3 nhóm như sau *Nhóm 1: Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó - Ứng suất nhiệt: sinh ra do sự nung nóng hông đều trên toàn bộ chi tiết - Ứng suất dư: là ứng suất còn lại trong vật thể sau hi 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 hông đều của chi tiết *Nhóm : Ứng suất sinh ra do sự cân bằng giữa các ích thước thể tích hác nhau của các phần tử hi liên ết tạo thành vật thể. Bao gồm 3 loại là tổ chức tế vi, tổ chức thô đại và tổ chức siêu tế vi. *Nhóm 3: Ứng suất theo các hướng trong hông gian, bao gồm các loại là ứng suất một chiều (ứng suất đơn), ứng suất hai chiều (ứng suất mặt), ứng suất ba chiều (ứng suất hối). c- Các biến dạng hi hàn : Trong quá trình hàn do chi tiết bị nung nóng và làm nguội hông đều cho nên sẽ phát sinh các biến dạng là biến dạng co dọc của mối hàn và biến dạng co ngang của mối hàn. - Biến dạng co dọc của mối hàn : đó là sự thay đổi ích thước chiều dài mối hàn sau hi hàn - Biến dạng co ngang của mối hàn: đó là sự giảm ích thước của im loại mối hàn và vùng lân cận theo phương vuông góc với trục đường hàn, biến dạng co ngang sẽ tạo nên sự cong, vênh của ết cấu hàn hay còn gọi là biến dạng góc. 8

9 . Tính ứng suất và biến dạng hi hàn đắp. a-tính nội lực tác dụng: Xét tấm im loại như hình vẽ: Khi hàn đắp vào mép tấm thì theo lý thuyết hàn, trên mặt cắt ngang của chi tiết hàn do tác động của nhiệt hi hàn sẽ có vùng: Vùng ảnh hưởng nhiệt : là vùng có nhiệt độ từ C C. Tại vùng này, dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ có sự thay đổi thành phần hóa học, đồng thời là sự thay đổi về ích thước hạt. hai thay đổi này dẫn đến sự thay đổi lớn về chất lượng im loại. đổi trong vùng ảnh hưởng nhiệt. tại vùng này được chia Như vậy cơ tính mối hàn chỉ thay làm vùng: Vùng thứ nhất : Phần im loại mối hàn và lân cận, phần này trong quá trình hàn im loại thường tồn tại ở trạng thái một pha lỏng và hai pha lỏng +rắn. Vùng này được gọi là vùng b 1 tức là vùng có sự thay đổi lớn nhất về thành phần hóa học. 0 Vùng thứ hai có nhiệt độ từ 550 C đến gần nhiệt độ nóng chảy của im loại. Vùng này được gọi là vùng b, là vùng trong quá trình hàn, im loại đạt đến trạng thái biến dạng dẻo,do vậy sự thay đổi về thành phần hóa học là rất nhỏ, chủ yếu là sự thay đổi về ích thước hạt. Vùng còn lại (vùng phản háng): là vùng hông bi ảnh hưởng nhiệt. Như vậy trong vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ xuất hiện biến dạng: l α. T. l (3-) α: là hệ số giản nở T: nhiệt độ l : Chiều dài N.l Δ l (3-3) E. F Thực n ghiệm chứng tỏ rằng với mỗi loại vật liệu thì có một giới hạn riêng và giới hạn này được dùng để xác định nội lực và biến dạng hi hàn. Giới hạn này được gọi là ứng suất tới hạn (ý hiệu là σt) Các ứng suất tới hạn đều được xác định bằng thực nghiệm và là một trong những thông số cho sẵn để tính toán, thông thường có trong các sổ tay tính toán thiết ế. Do trong vùng ứng suất tác dụng có xuất hiện biến dạng cho nên nội lực tác dụng trên mặt cắt ngang của chi tiết hàn được xác định trong vùng này, biểu thức xác định như sau: P σ T. Fc (3-4) P: Nội lực tác dụng σ T : Ứng suất tới hạn Fc: Diện tích của vùng ảnh hưởng nhiệt Fc S(b 1+b ) S.bn 9

10 Như vậy vấn đề đặt ra là chúng ta phải xác định được các ích thước b 1, b. Việc xác định các íc h thước này rất hó hăn bởi nó còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chế độ hàn, chiều dày vật liệu hàn, nhiệt dung riêng Vì vậy việc tính toán chính xác là rất hó hăn, cho nên ở mức độ chính xác vừ đủ, ta có công thức sau: b 0,484. q S. V. C. T 1 (3-5) 0 h γ. Q: là năng lượng của hồ quang hàn và q 0,4.U h.i h.η (cal/s) η 0,75 1,0 S 0 :là chiều dày tính toán của chi tiết hàn (cm) V h :là vận tốc hàn (cm/s) 0 C: nhiệt dung riêng (cal/g. C) γ: trọng lượng riêng của im loại (g/cm 3 ) T: nhiệt độ hảo sát (T550 0 C) b.(h b 1 ) (3-7) : Hệ số xác định theo đồ thị đường đẳng tính ứng với mỗi loại vật liệu. Đối với thép cacbon thấp 0,4 h: Chiều rộng tấm hàn Thay b1, b vào biểu thức Fc S(b 1 +b ) Vậy nội lực tác dụng: P σ T. Fc hoàn toàn xác định được. b-tính ứng suất phản háng và lực phản háng: Ứng suất phản háng và lực phản háng là hai yếu tố chống lại lực tác dụng. -Lực phản háng P P P σ T. F c (3-8) - Ứng suất phản háng σ P σt. Fc P P σ F F Fc S. h Sb S.( h b ) c-tính mô men uốn: Nếu M > 0 Kết cấu hàn võng xuống Nếu M > 0 Kết cấu hàn cong xuống M P.y 1 M p P.y d-tính ứng suất uốn: n M u M -M p n (3-10) (3-9) (3-6) σu W Với M u u Sh. W u 6 (3-11) 10

11 d-tính độ võng: f M. l 8EJ (3-1) Với Sh. 3 J 1 3. Tính ứng suất và biến dạng hi hàn giáp mối. a- 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 C, vùng này còn gọi là vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng được tính như sau: P σ T.Fc (3-13) Trong đó : σ T là ứng suất sinh ra hi hàn và theo các giả thuyết trong lý thuyết ết cấu thường được chọn bằng giới hạn chảy Fc là vùng ứng suất tác dụng hi hàn, vùng này được xác định như sau: Fc b 0.S (3-14) 11

12 Trong đó S là chiều dày của chi tiết hàn : b 0 là chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng được xác định như sau b 0 (b 1 + b ). b 1 là vùng mối hàn và lân cận bao gồm vùng nóng chảy, vùng chảy dẻo b là vùng im loại ở trạng thái đàn hồi 0,484. q b1 0 S. v. c. γ.550 C (3-15) 0 Trong đó : q là năng lượng hữu ích của nguồn nhiệt q 0,4.U h..i h.η calo/s η 0,65 hi hàn hồ quang tay. η 0,9 hi hàn tự động v :là vận tốc hàn cm/s S :là chiều dày tính toán của ết cấu hàn 0 c :là nhiệt dung của im loại calo/g C y : là hối lượng riêng của im loại g/cm 3 Việc xác định b phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như năng lượng riêng q 0 chiều rộng tấm hàn h 0 và các thông số hác b có thể được xác định như sau b K.(h b 1 ) Trong đó : K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo chi tiết h là chiều rộng toàn bộ phần ứng suất tính toán Đối với hàn hồ quang tay thì h 50mm Đối với hàn tự động thì h mm Thay b1, b vào các biểu thức trên ta tính được nội lực tác dụng P Trong trường hợp nếu hàn hai tấm có chiều rộng hông bằng nhau thì ta tính toán như sau: P σ T. Fc σ T. (b na + b nc ).S Trong đó b na b nc (3-17) b- Tính nội lực phản háng và ứng suất phản háng hi hàn hai tấm có ích thước hác nhau - Nội lực phản háng ở hai tấm hàn được tính như sau: P a σ. a. s P c σ. c. s Trong đó : P a,p c là lực phản háng của tấm hàn 1 và tấm hàn a và c là chiều rộng của vùng phản háng 1 và vùng phản háng S là chiều dày của các tấm Ứng suất phản háng được tính như sau Theo nguyên lý cân bằng lực thì P P a + P c 1

13 Thay các giá trị của chúng vào ta có σ T. b 0.S σ.(a+c). S Từ đó ta có : σ σ T.( bna + b a + c nc ) σ. b h b T 0 0 (3-18) c- Tính mô men uốn Các lực P a và P c sẽ tạo ra mô men uốn hi quay quanh tâm của vùng ứng suất tác dụng, và mô men quay này được xác định như sau: a + b Ma Pa o c b Mc Pc + o Vì các mô men này có chiều ngược nhau cho nên : a b c b M Ma - Mc. a + bo c + b σ a. s σ. c. s o Pa + o - Pc + o Thay giá trị của ứng suất phản háng vào ta có M σ T. b. S ( a + ( h b ) 0 b 0 + c 0 ) M 13 P. h.( a c) ( h ) b 0 (3-19) Từ công thức trên ta nhận thấy rằng, nếu c0 tức là hàn vào mép tấm, hi đó mô men uốn M có giá trị lớn nhất, hi ca tức là hàn hai tấm có ích thước bằng nha u thì mô men uốn M0. Như vậy hi hàn giáp mối những tấm hàn có ích thước bằng nhau thì biến dạng sẽ nhỏ nhất, hi hàn những tấm hàn có ích thước hác nhau thì biến dạng sẽ xảy ra. d- Tính ứng suất uốn Dưới tác dụng của mô men uốn M, sẽ sinh ra ứng suất uốn, ứng suất uốn này được xác định như sau: σ M M 6. P. h.( a c) u W S. h ( h b0 ). s. h 6 Vậy ta có: 3. σ T.b0 ( a c) σ u h( h b ) e- Tính độ võng : Độ võng lớn nhất được xác định theo công thức sau. M. l fmax 8EJ M là mô men uốn lớn nhất l là chiều dài của chi tiết hàn E là mô đun đàn hồi J là mô men quán tính được xác định như sau. 0 (3-0)

14 3 S. h J 1 Thay vào biểu thức tính độ võng ta có. f max 1. M. l 3. M. l. h 3 8ES. h. E. S 3 3. M. l Vậy ta có: f max ( cm) 3. E. S. h (3-1) 4. Tính ứng suất và biến dạng hi hàn ết cấu thép chữ T. Kết cấu thép chữ T gồm tấm, một tấm đế và một tấm vách hàn với nhau bằng hai mối hàn góc như hình vẽ. Vùng ứng suất tác dụng sinh ra trong mối hàn góc chữ T được xác định như sau: Fc (b 1 +b 1 +S ).S1+(b 1 +b ). S + K Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản háng được xác định như sau: Pσ T.Fc (3-) P σ (3-3) F Fc Các lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ. nếu biến dạng do uốn ngang rất nhỏ, hông đáng ể, lúc này ta có: P P 1 +P P 1 là nội lực phản háng của tấm đế, được xác định như sau: h S n P 1 σ. 1 b 1. S 1 14

15 P là nội lực phản háng của tấm vách và được xác định như sau: P ( h b n ) σ.. S Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên ết cấu là: M P.y -P 1.y 1 y 1, y là hoảng cách từ các điể m đặt lực phản háng P 1, P đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng. Đồng thời điểm đó cũng là điểm đặt của lực tác dụng P. Nếu ết cấu hàn để tự do trong quá trình hàn thì dưới tác dụng của mô men uốn M, ết cấu sẽ bị uốn và sẽ sinh ra ứng suất được xác định như sau: M σ W Do ảnh hưởng của mô men uốn mà các liên ết bị cong sau hi hàn tạo ra độ võng và độ võng được xác định như sau: M. l f max (3-5) 8 EJ 5. Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng hi hàn a-các biện pháp về ết cấu và công nghệ Trong quá trình gia công các êt cấu để hạn ch ế các biến dạng xảy ra hi thiết ế các ết cấu hàn cần chú ý một số vấn đề sau : Sử dụng vật liệu cơ bản nên dùng vật liệu có tính hàn tốt, có độ dẻo cao Không nên bố trí các đường hàn giao nhau, cố gắng giảm tối đa các mối hàn góc và thay thế bằng các mối hàn giáp mối. Khi lắp ghép ết cấu cần tránh những mối hàn đính tạo thành mối ghép cứng, sử dụng đồ gá sao cho hi hàn im loại có thể tư do co giãn. Khi hàn cần chú ý một số vấn đề sau : Đối với các tấm được chế tạo từ các tấm nhỏ, trước hết phải hàn các mối hàn ngang để tạo thành các dải hàn riêng biệt sau đó hàn các dải này với nhau tạo thành tấm lớn Khi hàn các ết cấu dầm cần hàn các mối hàn nối các tấm đế, tấm vách sau đó mới bắt đầu hàn các mối hàn góc liên ết giữa các tấm đế và tấm vách Khi hàn các ết cấu thùng chứa bể 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 hướng sau có hướng ngược với các lớp hàn trước. b-các biện pháp hử biến dạng Trong các trường hợp các đường hàn được bố trí đối xứng nhau thì cùng hàn cả hai phiá đồng thời, như vậy biến dạng sinh ra cả hai phía sẽ có chiều ngược nhau, ết quả là chúng sẽ bị triệt tiêu hoặc sẽ bị giảm xuống còn rất nhỏ. Nếu hi hàn một số ết cấu có thể tạo ra được biến dạng ngược thì cố gắng lắp ghép để hi hàn tạo thành các biến dạng ngược, thông thường hàn các ết cấu tấm dễ thực hiện phương pháp này. c-kẹp chặt chi tiết hi hàn. Chi tiết được ẹp chặt bằng các loại đồ gá có đủ độ cứng vững để trong quá trình hàn biến dạng sinh ra sẽ bị hống chế cưỡng bức, sử dụng phương pháp này trong quá trình gia công cần tính đến sự gia tăng nội ứng suất. d-các phương pháp nội ứng suất. Phương pháp tạo luc ép lên mối hàn : Đây là phương pháp mà sau hi hàn xong người ta dùng các biên pháp tác dụng lên mối hàn các lực ép dủ lớn để triệt tiêu các 15

16 ứng suất tồn tại trong mối hàn, cũng có thể thực hiện bằng cách dùng máy cán để cán mối hàn sau hi đã hàn. e-nung nóng trước hi 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 sinh ra sẽ giảm ở mức tối thiểu, các phương pháp này được ứng dụng hi hàn những vật liệu có tính hàn ém. Nguồn nhiệt được sử dụng thông thường dùng dòng điện cao tần, dùng nhiệt của các ngọn lửa hí đốt và một số nguồn nhiệt hác. g-nung sau hi hàn : Đây là phương pháp loại bỏ ứng suất tồn tại trong mối hàn sau hi hàn, có thể dùng 0 các phương pháp ram thấp ở nhiệt độ hoảng C sau đó giữ nhiệt trong hoảng thời gian từ 3 phút cho 1mm chiều dày chi tiết hàn. Phương pháp này chỉ ứng dụng cho các chi tiết có ích thước nhỏ. h-nắn, sửa: Nắn sửa ết cấu sau hi hàn là một phương pháp thông dụng, quá trình nắn sửa có thể thực hiện bằng cách nắn cơ hí hoặc nắn nhiệt. Nắn cơ hí được thực hiện trên các máy búa, máy ép, máy cán...quá trình này có thể thực hiện được ở các trạng thái nóng hoặc nguội. Nắn nhiệt là phương pháp dùng nhiệt để tạo ra các ứng suất sinh ra trong quá trình hàn, ết quả là các ứng suất này tự cân bằng nhau, quá trình nắn nhiệt đòi hỏi người thợ, người cán bộ ỹ thuật phải am hiểu các quá trình biến dạng do nhiệt, có inh nghiệm thực tế để lựa chọn được các điểm nung hợp lý. 16

17 BÀI 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU DẦM, TRỤ MÃ BÀI: MĐ Mục tiêu: Sau hi học xong bài học này người học sẽ có hả năng: Trình bày đầy đủ hái niệm về dầm trụ, phân loại dầm trụ. Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán ết cấu dầm trụ đơn giản, thường dùng. Giải thích các ứng suất và biến dạng hi hàn các loại dầm trụ đơn giản. Tính toán chính xác vật liệu để gia công các ết cấu dầm trụ. Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng -Dầm là một loại ết cấu được sử dụng rất rộng rải trong các nghành ỷ thuật xây dựng cầu, chế t ạo máy, chế tao ô tô, đóng tàu thủy, thiết bị nâng hạ...phần lớn các ết cấu dầm thép đều được chế tạo bằng phương pháp hàn -Trụ là một ết cấu chịu tải nén là chủ yếu, ết cấu được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp xât dựng, cơ hí chế tạo máy,công nghiệp chế tạo ô tô, công nghiệp chế tạo tàu thủy và các ngành công nghiệp hác I. NỘI DUNG CHÍNH : 1. Khái niệm về dầm, trụ. Khái niệm: -Dầm là một phần tử của ết cấu hàn, làm việc chủ yêu chịu uốn, dầm được liên ết tạo thành các ết cấu hung, bệ. Trong thực tế dầm được sử dụng nhiều trong các ết cấu cầu, ết cấu hung nhà bằng thép, hung sườn tàu thủy, ô tô, cầu trục... -Trụ là một ết cấu chịu tải trọng nén là chủ yếu, thường được chế tạo để làm các cột chống hung nhà, các phần tử của hung thân máy, của toa xe,các loại trụ cầu, các loại cột điện..v..v. lực đặt lên trụ có thể là đúng tâm hoặc lệch tâm Phân loại: -Trong thực tế dầm có rất nhiều loại, tùy theo từng điều iện cụ thể mà có thể sử dụng các loại dầm có mặt cắt ngang hác nhau, tuy nhiên ết cấu dầm làm việc trong điều iện chịu uốn là chính cho nên các dạng mặt cắt ngang của dầm bao gồm 4 loại chính như sau -Dầm có mặt cắt ngang hình chữ I -Dầm có mặt cắt ngang hình chữ nhật -Dầm có mặt cắt ngang hình chữ U -Các loại dầm hác gồm có dầm có mặt cắt ngang hình chữ T, hình vuông... -Kết cấu trụ thép được chế tạo bằng phương pháp hàn trong các ngành ỹ thuật, thường có các dạng sau đây: Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ Loại trụ có mặt cắt ngang hình chữ. Tính toán dầm, trụ. * Tính toán thiết ế dầm 17

18 a- Tính chọn chiều cao của dầm. Do dầm làm việc ở chế độ chịu uốn cho nên độ cứng của dầm phải được thỏa mãn, muốn độ cứng của dầm được đảm bảo thì chiều cao của dầm phải được xác định thỏa mãn được các điều iện của nó. Trong thực tế chiều cao tính toán của dầm có thể được tính theo công thức thực nghiệm sau : M Đối với dầm chữ I: h 1,3 1,4 (4-1) Sv.[ σ ] Đối với dầm hình hộp: h M Sv.[σ ] 18 (4-) Trong đó : M :là mô men uốn tính toán của dầm Sv :là chiều dày của tấm vách. Khi thiết ế dầm thì trị số của Sv là chưa biết, vì vậy ban đầu ta chọn Sv một giá trị nào đó. Với các ết cấu xây dựng thì Sv được chọn trong một giới hạn hẹp như sau: Sv 5 10 hi chịu tải trọng nhẹ. Sv hi chịu tải trọng nặng. b- Tính toán các thông số hác của dầm: -Tính mô men chống uốn: -Mô mô men chống uốn của dầm được xác định theo công thức sau: M W y (4-3) Trong đó M đã được xác định. [σ ] -Tính mô men quán tính của tiết diện, moomen quán tính được tính như sau: h J y W y. (4-4) Trong đó W y đã tính h là chiều cao dầm đã được tính theo công thức thực nghiệm ở trên. -Tính mô men quán tính của tấm vách đứng có chiều cao h v, chiều dày S v. Mô men quán tính của tấm vách đứng được xác định như sau: 3 S v. hv J v (4-5) 1 h v được lấy gần đúng theo công thức sau: h v 0,95.h -Tính mô men quán tính của tấm đế. Mô men quán tính của tấm đế được tính theo công thức sau: J d J Y J v (Áp dụng từ: J Y J d + J v ) Nhưng theo lý thuyết bền ta lại có: h 1 J J + F d 0 d (4-5) J 0 :là mô men quán tính của tấm đế lấy đối với trục riêng của nó. Thường thì trị số này rất nhỏ cho nên hi tính toán ta có thể bỏ qua

19 h 1 :là hoảng cách giữa hai tấm đế, thường được chọn như sau: h 1 (0,95 0,98).h Từ biểu thức trên ta có tiết diện của một tấm đế là:. J F d d (4-6) h 1 -Tính ứng suất do uốn: Dưới tác dụng của mô men u ốn M sẽ gây ra một ứng suất uốn và được xác định như sau: M.h σ [ σ ] (4-7). J Y -Tính ứng suất cắt: Dưới tác dụng của lực cắt Q trên mặt cắt ngang sẽ xuất hiện ứng suất cắt, ứng suất cắt này được xác định như sau: Q.S τ [ τ ] (4-8) J. S v Trong đó : Q: là lực cắt ngang lớn nhất của dầm S: là mô men tĩnh của ½ mặt cắt ngang lấy đối với trọng tâm của dầm Sv: là chiều dày của tấm vách. -Tính ứng suất tương đương. Ứng suất tương đương được xác định hi giá trị của M và Q cùng cực đại tại một mặt cắt, chúng được xác định ở cạnh trên của tấm vách, công thức tính như sau: σ 1 τ 1 σ td ( σ τ1 [ σ ] M. h. J Q. S J. S v v 19 (4-9) 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 σ td nhỏ hơn ứng suất gây ra do uốn, do vậy trong mọi trường hợp thì: σtd 1,05.[σ] Tiết diện được coi là hợp lý hi: σ max (0,95 1,05).[σ] (4-10) c- Tính toán thiết ế các mối hàn dầm. Phần lớn các phần tử của dầm liên ết với nhau bằng các đường hàn góc giữa các tấm đế và các tấm vách. Khi dầm làm việc thường xuất hiện cả hai loại ứng suất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến, ứng suất cắt dọc theo mối hàn giữa tấm vách và tấm đế là nguy hiểm nhất, ứng suất này được xác định như sau: Q. S τ (4-11) J. S v

20 Các mối hàn có cạnh là K thì: Q.S τ (4-1) J..0,7.K Trường hợp tải trọng di động trên mặt dầm thì: n.p τ (4-13) z..0,7. K P: là trị số tải trọng t ập trung n: là trị số phụ thuộc vào đặc trưng gia công cạnh tấm đứng z: là chiều dài mối hàn tính toán trên đó áp lực truyền từ tấm đế sang tấm đứng. Sau hi xác định được T và T ta tiến hành xác định ứng suất tổng hợp theo công thức sau: (4-14) τ th τ + τ [ τ ] h. *Trong thực tế hi yêu cầu sử dụng dầm có chiều dài lớn ta phải tiến hành nối dầm, hi nối dầm cần lưu ý các mối nối ở các tấm phải lệch nhau như hình vẽ: (Hình vẽ nối dầm) Độ bền của mối hàn nối dầm được xác định như sau: M σ [σ ] W Nếu σ > [σ] h thì ta phải hàn thêm vào chỗ nối tấm ốp phụ để làm cho mô men quán tính tăng và mô men chống uốn sẽ tăng, lúc này ta có: σ M W ' h [ σ ] h (4-15) (4-16) W là mô men chống uốn của tiết diện hi có tấm đệm. Khi tính toán thiết ế ta nên hạn chế dùng tấm đệm vì nó là nguồn gốc sinh ra ứng suất tập trung. *Tính toàn thiết ế trụ a- Tính toán thiết ế mặt cắt ngang của trụ Độ bền và độ ổn định của trụ hi chịu nén đúng tâm được xác định theo công thức sau đây: N σ [ σ ] n [ σ ]. ϕ F N: là lực nén dọc trục F : là diện tích mặt cắt ngang của trụ 0 (4-17)

21 φ: là hệ số uốn dọc, hệ số này luôn nhỏ hơn 1 Khi tí nh toán thiết ế ta dùng hệ số φ để đảm bảo tính ổn định của phần tử chịu nén do bị uốn dọc. Nếu gọi λ là tỷ số giữa chiều dài tự do L của phần tử với bán tính quán tính r của tiết diện ngang của phần tử cong, nó là một hư số và: L λ r (4-18) Trong đó : r là bán ính quán tính được xác định theo côn g thức sau: r J F (4-19) Ở công thức trên: J là mô men quán tính của tiết diện ngang của trụ (F) Khi xác định chiều dài của trụ cần lưu ý một điều là, chiều dài này còn phụ thuộc vào dạng liên ết của trụ. Sau hi xác định được λ ta có thể tra bảng để xác định được φ, dựa vào φ để tính F theo công thức (4-1). Nhưng mặt hác ta cũng thấy rằng muốn chọn được φ thì phải căn cứ vào F. Vì vậy hi giải bài toán náy ta phải sử dụng bài toán gần đúng liên tục. Đầu tiên ta chọn trước một giá trị φ 1 0,5 0,8 tùy thuộc vào từng loại ết cấu,sau hi chọn được φ 1 ta thay vào công thức iểm tra điều iện bền để xác định F 1 theo công thức sau đây: N F 1 [ σ ] ϕ Sau hi xác định được F 1 ta thiết ế mặt cắt ngang hợp lý trên cơ sở của F 1 và sẽ có mặt cắt ngang mới F F 1 ( F luôn được chọn lớn hơn F 1 ) Từ F ta tính mô men quán tính nhỏ nhất để thay vào công thức (4-3) nhằm xác định bán ính nhỏ nhất như sau: J min r min (4-1) F Từ r min ta có: λ max 1 L r 1 min (4-0) (4-) Với giá trị của λ max được xác định ở trên ta tiến hành tra bảng để xác định hệ số φ, hệ số này ta gọi là φ. Thay φ để iểm tra lại điều iện bền theo công thức: N σ [σ ] (4-3) F. ϕ Nếu sai lệch trong ccong thức trên nằm trong phạm vi ±5% thì thõa mãn điều iện bền, các ích thước tính toán và mặt cắt thiết ế đảm bảo hợp lý. Trong trường hợp ết quả tính toán vượt ra hỏi giới hạn cho phép trên thì phải tính toán lại từ đầu. Như vậy hi tính toán thiết ế một ết cấu trụ, chúng ta phải thực hiện các bước sau: - Chọn trước một giá trị φ 1, thông thường giá trị φ 1 này nằm trong phạm vi từ 0,5 0,8. trong một số trường hợp người ta có thể cho trước giá trị này. - Tính F1 theo công thức (4-0).

22 - Thiết ế mặt cắt hợp lý, trên cơ sở của F1 từ đó xác định F của mặt cắt vừa thiết ế. - Tính mô men quán tính Jx và Jy sau đó chọn mô men quán tính nào có giá trị nhỏ hơn để tính bán ính quán tính cực tiểu. - Tính bán ính quán tính cực tiểu theo công thức (4-1) - Tính độ cong lớn nhất λmax theo công thức (4-) - Tra bảng và xác định φ - Kiểm tra lại điều iện bền theo công thức (4-3) - So sánh ết quả tính toán với các điều iện cho phép để rút ra ết luận. - Tính toán lại nếu hông thõa mãn các yêu cầu. b- Tính toán thiết ế các mối hàn liên ết các phần tử của trụ Trong quá trình chịu tác dụng của lực,nếu lực tác dụng đặt đúng tâm thì lực ngang Q 0, tuy nhiên trong thực tế thì trụ nào hi bị nén cũng cong đi một ít và lực tác dụng cũng hông hoàn toàn đặt đúng tâm. Vì vậy lực ngang Q 0. theo thực nghiệm thì lực ngang được xác định như sau: (4-4) Q 0,. F (KN ) Trong đó F là diện tích mặt cắt ngang của trụ có thứ nguyên là cm. Công thức trên chỉ áp dụng hi vật liệu chế tạo là thép các bon thấp, hợp im nhôm. Trường hợp vật liệu sử dụng chế tạo trụ là các loại thép hợp im thì công thức tính toán là: Q 0,4. F (KN ) (4-5) Với những ết cấu mà hi làm việc xuất hiện cả lực dọc và lực ngang thì ta có công thức xác định: e Q P. l Trong đó : e: là hoảng cách từ điểm đặt lực đến tâm của mặt cắt ngang l: là chiều cao của trụ Ứng suất sinh ra tại các mối hàn dưới tác dụng của lực ngang được xác định như sau: τ Q.S J..0,7.K Q là lực cắt ngang 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 Độ cong Vật liệu sử dụng phần tử (λ) CT3, CT4 CT5 Thép hợp im Hợp im nhôm 10 0,99 0,98 0,98 0, ,97 0,96 0,95 0, ,95 0,93 0,9 0, ,9 0,89 0,89 0,770 (4-6) (4-7)

23 50 0,89 0,85 0,84 0, ,86 0,80 0,78 0, ,81 0,74 0,71 0, ,75 0,67 0,63 0, ,69 0,59 0,54 0, ,60 0,50 0,46 0, ,5 0,43 0,39 0, ,45 0,37 0,33 0, ,40 0,3 0,9 0, ,36 0,8 0,5 0, ,3 0,6 0,3 0, ,9 0,5 0, ,6 0,1 0, ,3 0,19 0, ,1 0,17 0, ,19 0,15 0,13 3

24 BÀI 5: TÍNH TOÁN KẾT CẤU DÀN, TẤM VỎ MÃ BÀI: MĐ Mục tiêu: Sau hi học xong bài học này người học sẽ có hả năng: Trình bày đầy đủ hái niệm về dàn, ết cấu tấm vỏ. Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán ết cấu dàn, tấm vỏ Mô tả các ứng suất biến dạng hi hàn tấm vỏ và biện pháp chống ứng suất và biến dạng đó. Tính toán chính xác vật liệu để gia công các ết cấu dàn, tấm vỏ Vận dụng iến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt. Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng. Dàn là một ết cấu được sử dụng rất nhiều trong các ngành ỹ thuật, đặc biệt trong công nghiệp xây dựng, giao thông, chế tạo thiết bị nâng hạ, các công trình điện, công trình viễn thông v.v. Các ết cấu tấm được sử dụng rất rộng rãi trong ỷ thuật, đó là các thùng chứa, bể chứa, nồi hơi, vỏ tàu thủy, các loại thiết bị trong hóa chất.v.v. Các loại ết cấu này cần có mối hàn đãm bảo độ bền, độ ín. I. NỘI DUNG CHÍNH : 1. Khái niệm về ết cấu dàn, tấm vỏ. a. Khái niệm chung : -Dàn là một hệ thống các thanh liên ết với nhau ở các đầu mút bằng các hớp bản lề, bất biến về hình dáng hi chịu tác dụng của tải trọng. Hệ thống được xem là bất biến về hình dáng hình học là hệ thống mà hi chịu tải trọng thì các điểm của nó có chuyển vị, song hi bỏ tải trọng thì các điểm của nó trở về vị trí ban đầu, nghĩa là hệ thống đó làm việc ở trạng thái đàn hồi. Các dàn liên ết bằng hàn hông phải là dàn bản lề nhưng thực nghiệm chứng tỏ rằng sự phân bố ứng lực trong các thanh của dàn hàn hông hác nhau nhiều so với các dàn bản lề-bu lông. Vì vậy các dàn hàn được xem như là một hệ thống bản lề và việc tính toán thiết ế được thực hiện như hệ thống dàn liên ết bằng bu lông- bản lề Cấu trúc dàn gồm các phần tử như sau: Thanh biên trên, thanh biên dưới, thanh chống, thanh giằng, liên ết giữa các phần tử với nhau được gọi là nút dàn. Kết cấu dàn được thể hiện như hình vẽ sau: -Kết cấu tấm là những ết cấu được tạo thành bằng việc liên ết các tấm im loại với nhau tạo thành những dạng thùng chứa, bể chứa, vỏ tàu thủy, máy bay, xe ô tô, toa tàu, các loại bình chứa hí, chứa các loại chất lỏng, các loại ống dẫn.v.v.các loại yêu cầu này thường có yêu cầu về độ ín, độ bền của mối hàn cao đảm bảo an toàn hi vận hành sử dụng. Các liên ết hàn trong ết cấu tấm thường là những liên ết hàn giáp mối, liên ết hàn góc. Các tấm im loại trước hi hàn thường được tạo hình phù hợp với đặc điểm làm việc của ết cấu. Các mối hàn sau hi hàn thường được iểm tra chặt chẽ theo quy định đã được tiêu chuẩn hóa. 4

25 b. Phân loại : Phân loại Dàn: Dàn được phân loại theo công dụng, theo ết cấu tổ hợp của nó, trong ỹ thuật dàn được xem là hợp lý nhất là dàn thõa mãn được các điều iện như: ết cấu hợp lý nhất, trọng lượng nhỏ nhất, chế tạo dễ dàng nhất. Kết cấu dàn được chia ra các loại như sau: Dàn èo nhà: bao gồm :Dàn èo nhà dân dụng Dàn èo nhà công nghiệp. Dàn èo nhà dân dụng: Dàn èo nhà công nghiệp Dàn cầu trục Phân loại ết cấu tấm: Trong thực tế hầu hết các loại ết cấu tấm đều có những yêu cầu hác nhau về độ ín và độ bền tùy theo những điều iện làm việc. Do vậy công nghệ gia công cũng có những yêu cầu tương ứng để thỏa mãn được các điều iện ỷ thuật. Do những đặc điểm trên mà hầu hết các loại ết cấu đều được phân chia làm hai nhóm sau a- Nhóm 1 Gồm các loại thùng chứa, và các loại ết cấu hác dùng để chứa các chất lỏng và chất hí hông nguy hiểm vì nổ, hông có độc và có áp suất nhỏ trong phạm vi P 5 N/cm 0 nhiệt độ hoảng T 100 C. Các loại ết cấu này thường làm việc trong những điều iện bình thường. b- Nhóm Gồm các loại ết cấu như vỏ tàu thủy, bình chứa oxy, bình chứa hí cháy, nồi hơi chịu áp lực cao.v.v. Các loại ết cấu này trong quá trình làm việc luôn luôn ở trạng thái nguy hiểm yêu cầu có hệ số an toàn rất cao vì vậy hi làm việc phải tuân theo những chỉ dẫn đặc biệt. 5

26 . Tính toán ết cấu dàn, tấm vỏ..1: Tính toán, thiết ế Dàn a- Tính tải trọng và ứng lực trong các thanh của dàn Tính tải trọng Các tải trọng đặt lên dàn bao gồm các lực tập trung, lực phân bố và các mô men uốn... Tính các phản lực tại các gối đỡ Dùng các phương trình cân bằng tĩnh học để tính các phản lực tại các gối đỡ M A 0 M B 0 (5-1) Tính mô men uốn lớn nhất n M max M t t 1 (5-) Tính nội lực trong các thanh của dàn Để xác định được nội lực trong các thanh của dàn ta dùng phương pháp mặt cắt nhưng trước đó cần xác định xem dàn thuộc loại nào, đối xứng hay hông đối xứng, nếu đối xứng ta chỉ cần xét một nữa dàn, nữa còn lại lấy đối xứng tương ứng cho từng phần tử. Nếu dàn hông đối xứng thì ta phải tính toán cho toàn bộ dàn. Dùng mặt cắt để cắt dàn, lập phương trình cân bằng cho phần dàn bị cắt như sau: M i 0 : Tổng mô men cuả các lực lấy đối với điểm i của mặt cắt i-i là điểm giao nhau của các phần tử tại nút bị cắt M i 0 : Tổng mô men cuả các lực lấy đối với điểm i của mặt cắt i-i là ' đ iểm g iao nhau của các phần tử tại nút bị cắt M A 0 : Tổng mô men của các lực lấy với gối đỡ Khi thành lập các phương trình cân bằng cũng có thể xét điều iện cân bằng cho bất ỳ phần dàn nào Số lượng mặt cắt phụ thuộc vào các phần tử của dàn, tất cả các phần tử đều phải cắt để xác định nội lực. Nếu sau hi cắt mà vẫn còn phần tử chưa xác định được nội lực thì ta phải sử dụng thêm phương trình cân bằng sau: M 0 (5-3) Y Giải các phương trình cân bằng đã thành lập để xác định nội lực trong các phần tử của dàn. b- Xác định tiết diện ngang của các thanh của dàn Tính tiết diện của thanh biên bị nén Thanh biên chịu nén phải cóa diện tích mặt cắt ngang được xác định theo công thức sau: N F YC (5-4) [ σ ].ϕ F YC :Là diện tích yêu cầu của mặt cắt ngang N là nội lực tính toán φ là hệ số uốn dọc, hệ số này được ước chọn trước Sau hi xác định được F YC ta tiến hành xác định mặt cắt hợp lý, tính lại F, iểm tra bền theo công thức sau: 6

27 N σ [ σ ] (5-5) F. ϕ Nếu các thanh được hàn với nhau thì cạnh mối hàn được xác định như sau: K ( ).S Ứng suất sinh ra trong mối hàn được xác định theo công thức sau: Q.S τ (5-6) J..0.7.K Trong đó : Q: là lực ngang của thanh S: là mô men tĩnh của thanh biên lấy đối với tâm của tiết diện J là mô men quán tính của thanh biên lấy đối với trọng tâm của mặt cắt ngang K là cạnh của mối hàn Đối với những dàn chịu tải trong lớn thì thanh biên có thể thay đổi ích thước mặt cắt theo từng hung, mỗi hung có chiều dài hông quá 8 m. Tính tiết diện của thanh biên chịu éo. Thanh biên chịu éo thường được chế tạo cùng một loại vật liệu như thanh biên chịu nén, được tính theo công thức sau: N F YC (5-7) [σ ] Tính tiết diện của thanh giằng và thanh trụ: Các loại thanh giằng, thanh trụ của dàn thường được chọn hình dáng giống như các thanh biên N Với các thanh biên bị éo thì : F YC (5-8) [σ ] N Với các thanh biên chịu nén thì: FYC (5-9) [ σ ].ϕ φ 0,4 0,7. Để việc tính toán thiết ế được đơn giản, ta chọn thanh giằng, thanh trụ có tiết diện như nhau Khi tính toán độ bền thì ta chỉ cần iểm tra bền cho các thanh chịu nén còn các thanh chịu éo thường là thõa mãn bền. Các mối hàn thường chọn cùng ích thước và chọn bằng (0,4 0,6 ).S c- Tính toán và thiết ế nút dàn Tính nút đế: Nút đế là nút vừa làm nhiệm vụ liên ết các phần tử của dàn vừa làm nhiệm vụ liên ết giữa dàn với các ết cấu hác Nút đế gồm có các chi tiết như sau: Tấm đế : ích thước của tấm đế đủ để liên ết được với các ết cấu hác, trên mặt tấm đế có hoan các lổ để lắp ghép bu lông với các ết cấu hác, các lổ này có thể là hình tròn hoặc hình elip tùy theo yêu cầu. Ngoài ra còn có tấm vách dọc, tấm vách ngang để liên ết các thanh trụ, thanh biên, thanh giằng: Kết cấu của nút đế như hình vẽ: -Tính ích thước của tấm đế 7

28 Kích thước của tấm đế phải đủ lớn để lắp ghép với các ết cấu mà dàn liên ết. Thông Thường ích thước của tấm đế lấy bằng ích thước,mặt cắt ngang của trụ liên ết -Tính ích thước của tấm vách dọc Tấm vách dọc có chiều dài bằng chiều dài của tấm đế, chiều cao của tấm vách dọc được xác định tùy thuộc vào chiều dài của đường hàn các thanh trụ, thanh giằng, chiều dài mối hàn được xác định thoe công thức sau: N L (5-10) 0.7. K.[ τ ] h -Tấm vách ngang: tấm cách ngang bao gồm tấm được đặt vuông góc với tấm vách dọc như hình vẽ, chiều rộng của tấm vách ngang phụ thuộc vào các ích thước lắp ghép của tấm vách dọc và tấm đế, chiều cao của t ấm vách ngang bằng chiều cao của tấm vách dọc. Tính nút đỉnh: Nút đỉnh là nút trên cùng của dàn,nút đỉnh chỉ có ở các dàn èo nhà công nghiệp hoặc dàn èo nhà dân dụng, nút làm nhiệm vụ liên ết các thanh biên trên, thanh chống và trong một số trường hợp có liên ết với thanh giằng. Nút đỉnh thường chỉ có một tấm hình ngũ giác trong đó có hai cạnh dài và ba cạnh ngắn, hai cạnh dài để liên ết với các thanh biên, chiều dài của các cạnh này phụ thuộc vào chiều dài đường hàn tính toán giữa thanh biên trên với nút đỉnh và góc đỉnh của dàn. Chiều cao của nút đỉnh phụ thuộc vào chiều cao của nút đỉnh phụ thuộc vào chiều dài đường hàn liên ết giữa thanh trụ và nút đỉnh. Chiều dài các đường hàn này được tính toán như công thức trên.(5-10) Tính các nút trung gian: Nút trung gian là nút liên ết giữa các thanh trụ, thanh giằng và thanh biên. Nút trung gian thường chỉ có hai ích thước là chiều dài và chiều rộng, các ích thước này phụ thuộc vào chiều dài các đường hàn liên ết giữa các thanh biên và các thanh trụ, thanh giằng, chiều dài các đường hàn này cũng được tính theo công thức (5-10) d- Nối các thanh biên Trong quá trình gia công, do yêu cầu thiết ế nhiều hi chiều dài vật liệu chế tạo thanh biên hông đủ lớn, do vậy cần phải nối các thanh biên. Trong những trường hợp đó các thanh biên có thể được nối giáp mối thẳng hoặc giáp mối xiên. Trong những trường hợp chịu lực có thể sử dụng các tấm đệm phía trong hoặc phía ngoài. Việc tính toán iểm tra các mối hàn được thực hiện giống như những phần trước..:tính toán ết cấu tấm a- Kết cấu thùng chứa hình trụ đứng. Thùng chứa hình trụ đứng có cấu tạo gồm có ba phần chính là thân thùng, nắp thùng, đáy thùng. Đây là loại ết cấu đơn giản nhất trong các loại ết cấu tấm, việc tính toán cũng được thực hiện cho ba phần đã giới thiệu ở trên. Vật liệu chế tạo là các loại thép các bon thấp, thép hợp im thấp. Tính toán phần thân thùng. Do thân thùng là hình trụ đứng, cho nên thường được thiết ế như sau. Thân trụ thường được chế tạo bằng nhiều đoạn ống được nối ghép lại với nhau bằng các đường 8

29 hàn giáp mối, các đoạn ống cũng được tạo thành từ các tấm thép cuộn tròn và liên ết bằng đường hàn giáp mối dọc. Các đoạn ống phía dưới thường có chiều dày lớn hơn các đoạn ống ở phía trên. Như vậy ở ết cấu trự đứng các mối hàn liên ết gồm có các mối hàn dọc và các mối hàn ngang, theo lý thuyết thì các mối hàn dọc sẽ chịu lực chủ yếu. Chiều dày của vỏ quyết định độ bền của chúng. Quá trình tính toán được thực hiện như sau: - Tính áp lực bên trong của thùng. Áp lực trong của thùng được xác định theo công thức sau. P ρ.y (5-11) Trong đó : ρ :là trọng lượng 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 bề dày cần thiết cho một đoạn ống bất ỳ: S y/c P.R [σ ] h (5-1) Trong đó : R là bán ính của hình trụ P là áp lực tính theo công thức trên và thường tính cho điểm ở cách mép dưới của tấm 300 mm cho phù hợp với điều iện ỷ thuật. Nếu trên một đoạn ống nào đó yêu cầu hoan lổ để lắp ống dẫn thì tại chỗ hoan lổ sẽ bị yếu đi, do vậy tại chổ này ta có thể iểm nghiệm theo công thức sau đây: P.R hd σ [σ] h (5-13) S hd d Trong công thức trên ta có; P: là áp lực trong thùng chứa. R: là bán ính của hình trụ. h : là chiều cao đoạn ống. d : là đường ính lổ hoan. Phần lớn các lổ hoan hông gây ra nguy hiểm, tuy nhiên hi tính toán ở trên nếu ứng suất tính toán vượt quá ứng suất cho phép thì cần phải vá thêm ở chổ lổ hoan một miếng, nhằm làm cho tiết diện chịu lực tăng lên, làm cho ứng suất tính toán giảm xuống. Tính toán đáy thùng. Đáy thùng thường được thiết ế là đáy phẳng hoặc đáy lồi tùy theo từng trạng thái làm việc của ết cấu. -Đáy phẳng : Đây là loại đáy thông dụng thường được sử dụng nhiều, đáy được đặt trên nền xi măng hoặc trên nền cát cho nên đáy hông chịu lực làm việc. loại đáy này được chế tạo bằng thép tấm có chiều dày từ 4 8 mm và phụ thuộc vào đường ính của thùng. Trong một số trường hợp, thùng chứa có dung tích lớn, phần ngoài biên của đáy nơi lắp ghép với vách đứng người ta bố trí những tấm có chiều dày lớn hơn phần giữa của đáy. Mối liên ết giữa đáy và phần trụ có tầm quan trọng đặc biệt trong ết cấu, ở ngay tại chổ nối sẻ xuất hiện mô men uốn, trị số của mô men phụ thuộc vào chiều dày của tấm vách đứng và chiều dài phần nhô ra hỏi vách của tấm đáy. Tuy nhiên phạm vi ảnh 9

30 hưởng của mô men này hông lớn, mặt hác liên ết giữa phần trụ và đáy được thực hiện bằng hai mối hàn liên tục trong và ngoài cho nên thỏa mản điều iện bền. Vì vậy các mối hàn này chúng ta hông cần iểm tra điều iện bền. - Đáy dạng cầu : Đây là loại đáy được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt mà dùng đáy phẳng hông hợp lý như tháp chứa nước, hoặc các thùng chứa chịu áp suất cao.v.v. Đáy dạng cầu hó chế tạo, do vậy trong những trường hợp cần thiết mới sử dụng để tránh lãng phí. Khi tính toán đáy cầu, ứng suất ở đáy cầu được xác định theo công thức sau: P. R0 σ d (5-14) S0 P: là áp suất tại điểm xét trên đáy, được tính như ở trên S 0 : là chiều dày của đáy R 0 : là bán ính trong của đáy, theo lý thuyết bền thì R 0 R Tính toán nắp thùng Nắp thùng thườ ng có cấu tạo gồm hung phía trong, phía ngoài là các tấm thép liên ết hàn với nhau. Một số thùng có trụ chứa để hung có thể tựa lên được, hung gồm các thanh biên trên và các thanh biên dưới liên ết với nhau tạo thành hình tam giác hoặc hình thang. Thanh biên trên liên ết với vỏ, các thanh biên dưới tựa lên trụ. Thông thường chiều dày của tấm thép làm vỏ nắp S 3mm, các thanh của hung là thép chữ [ hoặc chữ L. Các tấm thép làm nắp hi tính toán độ bền coi như bị ngàm cả chu vi, lấy gần đúng là hình chữ nhật có các cạnh là a và b, ứng suất sinh ra trong tấm sẽ là: 6. q. a σ α. (5-15) s Trong đó : q :là tự trọng của nắp, trọng lượng của người và thiết bị trên nắp S: là chiều dày của tấm thép (cm) α : là hệ số điều chỉnh (α 0.19 hi ab ; α hi a b ) b- Tính các ết cấu bình chứa chất lỏng, chất hí áp suất cao Các loại bình chứa chất lỏng chất hí có áp suất cao, trong quá trình làm việc luôn luôn phải tuân theo một quy trình nghiêm ngặt, bởi vì các loại bình này thường rất dễ xảy ra cháy nổ gây ra hậu quả nghiêm trọng cho người và trang thiết bị. Do vậy hi tính toán cần phải đảm bảo hệ số an toàn cao Tính chiều dày của bình Chiều dày của bình có thể được xác định theo công thức sau; P. Dt S + C 00. Φ.[σ ] P (5-16) Trong đó : S : là chiều dày bình P: là áp suất làm việc của bình D t : là đường ính trong của bình Φ : là hệ số bền của mối hàn, thường chọn từ 0,7 1 C : là trị số bổ sung chiều dày, thường chọn C1,7 (Do ăn mòn, chiều dày định mức tôn cơ bản, do công nghệ chế tạo) Tính chiều dày đáy bình Chiều dày đáy bình được xác định theo công thức sau; 30