1. Trang Chủ
  2. Cơ khí - Chế tạo máy
  3. Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

(NB) Giáo trình Tính toán kết cấu hàn với mục tiêu giúp các bạn có thể giải thích rõ công dụng của từng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn; tính toán đúng vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn khi gia công các kết cấu hàn; Trình bày đầy đủ các bước tính ứng suất và biến dạng khi hàn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 dưới đây. Bài 3: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn Mục tiêu Sau khi học xong bài này, người học sẽ có khả năng: - Trình bày được các phương pháp tính ứng su

Thể loại Tài liệu miễn phí Cơ khí - Chế tạo máy

Số trang 76

Ngày tạo 4/7/2023 7:55:23 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.37 M

Tên tệp

Tải Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Bài 3: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn Mục tiêu Sau khi học xong bài này, người học sẽ có khả năng: - Trình bày được các phương pháp tính ứng suất và biến dạng khi hàn. - Tính được ứng suất và biến dạng các mối hàn (mối hàn giáp mối, mối hàn chồng, mối hàn góc chữ T) - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng. - Tuân thủ quy định, quy phạm trong tính toán ứng suất và biến dạng. - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc. Nội dung 3.1 Các khái niệm về ứng suất và biến dạng 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 nội ứng suất tồn tại mà không có tác dụng của ngoại lực cho nên chúng phải tương ứng cân bằng. Và muốn đảm bảo sự cân bằng thì phải tuân theo các điều kiện cân bằng tĩnh học, nghĩa là: 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 sự nung 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: Do sự biến dạng không đều của chi tiết. b. Nhóm 2: Ứng suất sinh ra do sự cân bằng giữa các kích thước, thể tích khác nhau của các phần tử khi liên kết tạo thành vật thể. Bao gồm 3 loại là tổ chức tế vi, tổ chức thô đại, tổ chức siêu tế vi. c. Nhóm 3: Ứng suất theo các hướng trong không gian, bao gồm các loại là ứng suất một chiều (ứng suất đơn); ứng suất hai chiều (ứng suất mặt); ứng suất 3 chiều (ứng suất khối). 33
  2. 3.1.3 Các biến dạng khi hàn Trong quá trình hàn do chi tiết hàn bị nung nóng và làm nguội không 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 kích thước chiều dài của mối hàn sau khi hàn. - Biến dạng co ngang của mối hàn: Đó là sự giảm kích thước của kim loại của 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 kết cấu hàn hay còn được gọi là biến dạng góc. 3.2 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối b1 b b1 2 h b0 b2 S Hình 3-1: Mối hàn giáp mối 3.2.1 Tính nội lực tác dụng: Nội lực tác dụng là nội lực sinh ra trong vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng phụ thuộc vào diện tích của vùng có nhiệt độ nóng chảy đến 5500c, vùng này còn gọi là vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng được tính như sau. P =  T .Fc (3-2) Trong đó  T là ứng suất sinh ra khi hàn và theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu thường chọn bằng giới hạn chảy; Fc là vùng ứng suất tác dụng khi hàn, vùng này được xác định như sau. Fc = b0.S (3- 3) Trong đó S là chiều dày của chi tết hàn; b0 là chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng được xác định như sau: b0= b1 + b2 b1 là vùng mối hàn và lân cận bao gồm vùng nóng chảy, vùng chảy dẻo. b2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi 34
  3. 0,484.q b1 = v.S 0 .c..550 0 c (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 rất nhiều yếu tố như năng lượng riêng q0; chiều rộng tấm hàn h0 và các thông số khác, b2 có thể được xác định như sau: b2= K2.(h - b1) trong đó K2 là hệ số phụ thuộc vào q0 và 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 = 250mm; đối với hàn tự động thì h = 300  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 bnc Pc bna h a. c. Pa S Hình 3-2: Hai tấm hàn có chiều rộng bằng nhau 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 Pa =  2 .a. S Pc =  2 .c. S 35
  4. Trong đó Pa ; Pc là 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 như sau 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   .b na  b nc    .b 0 2   Từ đó ta có: ac h  b0 (3- 6) 3.2.3 Tính mô men uốn 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 như sau: a  b0 c  b0 Ma = Pa 2 ; Mc = Pc 2 Vì các mô men này có chiều ngược nhau cho nên: a  b0 c  b0 a  b0 c  b0  Pc   2 .a.S   2 .c.S M = Ma - Mc = Pa 2 2 2 2 Thay giá trị của ứng suất phản kháng vào ta có:   .b 0 .S M = 2h  b 0  (a+ b0 + c) (a- c P.h a  c  M = 2h  b 0  (3- 7) Từ công thức trên ta nhận thấy rằng nếu c= 0 tức là hàn vào mép tấm, khi đó mô men uốn M có giá trị lớn nhất, khi c = a tức là hàn 2 tấm có kích thước bằng nhau thì mô men uốn M = 0. Như vậy khi hàn giáp mối những tấm hàn có kích thước bằng nhau thì biến dạng sẽ nhỏ nhất, khi hàn những tấm hàn có kích thước khác nhau thì biến dạng sẽ xảy ra. 3.2.4 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: M M 6.P.h a  c  u    w S.h 2 2h  b 0 .Sh 2 6 36
  5. 3  b  a  c  u  Vậy ta có : h h  b   (3 - 8) 3.2.5 Tính độ võng Độ võng lớn nhất được xác định theo công thức sau: M.l 2 fmax = 8.E.J (3 - 9) Trong đó 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: S.h 3 J = 12 thay vào biểu thức tính độ võng ta có. 12.M.l 2 3M.l 2 3 3 fmax = 8.E.S.h = 2.E.S.h 3M.l 2 3 Vậy ta có : fmax = 2.E.S.h (cm) (3 - 10) 3.2.6 Các bài tập ứng dụng Bài tập 1: Cho kết cấu hàn giáp mối như hình vẽ. Hãy xác định độ võng của kết cấu sau khi hàn biết rằng vật liệu chế tạo là thép các bon thấp có   = 24 KN/cm2, các kích thước cho trên hình vẽ. S bna. hc b2a bo a. ha bnc b2c b1. c Hình 3-3: Kết cấu hàn giáp mối ha = 300mm, hc= 250mm, S = 6 mm, l = 1500mm. Bài giải. * Tính chế độ hàn . S  - Đường kính điện cực hàn: d = 2 1 = 4 mm - Tính cường độ dong điện hàn: Ih = 40  60 .d = 160  200 37
  6. chọ Ih= 200 (A) - Chọn điện áp hàn: Uh = 30 (v)  d .I h 10.200   12,5 m F - Tính vận tốc hàn: Vh = d . 0, 2.7,85 h g   7,85 g (trong đó d = 10 A.h ; Fd = 0,2 cm2 ; cm3 ) - Tính công suất hồ quang: q = 0,24.Ih. Uh.  q= 0,24.200.30.0,75=1080cal/s. * Tính nội lực tác dụng. P =   .Fc    .b na  b nc .S . - Tính bna : bna = b1 + b2a. 0,484.q 0,484.1080   b1 = S.v h .c..550 0,6.0,347 .0,16.7,85.550 3,62 cm b2a = k2. (ha - b1 ) = 0,224.( 30 - 3,62 ) = 5,91 cm (k2 được chọn theo biểu đồ k2 = 0,224)  bna = 3,62 + 5,91 = 9,53 cm - 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 : P = 24. (9,53 + 8,41). 0,6 = 258,3 KN * Tính mô men uốn. Từ công thức 3-7 mô men uốn được tính : P.h a  c 258,3.5520,47  16,59  M= 2h  b 0  255  17,93 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. 38
  7. Vậy M = 744 KN cm. * Tính ứng suất uốn. 3  .b 0 a  c  u  Ứng suất uốn được xác định theo công thức 3-8: h h b 0  Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có: 3.24.17,9320,47  16,59 u   5555  17,93 3,4 KN/cm2 * Tính độ võng: M.l 2 Độ võng được xác định theo công thức 3-10 : f = 8.E.J S.h 3 0,8.55 3  Trong đó J = 12 12 ; E = 2,1.104 KN/cm2 Thay các giá trị trên vào công thức tính độ võng ta có: 744.150 2 .12 4 3  f.= 8 .2 ,1. 10 .0,8.55 9.10-3 cm. Bài tập 2: Tính độ võng khi hàn đắp có kích thước như sau: S = 8mm; l = 1500 mm; h=50 mm; lớp đắp có c = 2 mm; vật liệu chế tạo là thép các    24 KN 2 bon thấp có cm KN/cm2 3.3 Tính ứng suất và biến dạng 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: P =   .Fc    .b n .S .2 (3- 11) (Vì Fc = 2 bn. S) b- Tính ứng suất phản kháng: Theo lý thuyết về lực tác dụng và lực phản kháng ta cóHình 3-4 P = Pk =   .FC   2 .FK   .FC   .2.b n .S  .b 2    n FK 2.h  b n .S h  b n = 39
  8.   .b n 2  Vậy: h  bn (3- 12) c- Tính mô men uốn: Mô men uốn được xác định như sau. P1 .h M1 = 2 Trong đó P1 là lực tác dụng lên mỗi tấm, được xác định như sau. P P1= 2 Mômen tác dụng là tổng hình học của các mô men nội lực mỗi tấm.  M = 2 M1 cos 2 2 p1 .h  ph  . cos  cos M= 2 2 2 2 (3-13) ph Khi   0 giống như hàn đắp vào mép tấm, lúc này ta có M= 2 Khi  180 giống như hàn giáp mối nếu 2 tấm bằng nhau, lúc này M=0 0 Ứng suất do mô men uốn sinh ra được tính như sau: M  w Độ võng được xác định như sau: Ml 2 f= 8 EJ (3-14) Trong đó M là mô men uốn, l là chiều dài kết cấu, E là mô dun đàn hồi, J là mô men tĩnh. 3.3.2 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. Hình 3-5 40
  9. Vùng ứng suất tác dụng sinh ra được xác định như sau: Fc= (2b1+ 2b21 + S2 ) S1 + ( b1 + b22 )S2 +K2 (3-15) Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng được xác dịnh như sau: P=   .Fc (3-16) P 2  F  Fc (3-17) Các lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ. Nếu biến do uốn ngang rất nhỏ không đáng kể, lúc này ta có: P = 2P1 + P2 Trong đó: P1 là nội lực phản kháng là nội lực phản kháng của tấm đế, được xác định như sau:  S2   2  h1  bn1   S1 P1=  2  (3-18) P2 là nội lực phản kháng của tấm vách và được xác định như sau: P2 =  2 h2  bn 2 S 2 (3-19) Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu là: M = P2. y2 - 2P1. y1 (3-20) Trong đó y1, y2 là khoảng cách từ các điểm đạt lực phản kháng 2P1 và P2 đến trọng tâm vùng của vùng ứng suất tác dụng, đồng thời điểm đó cũng là điểm đạt của tác dụng P. Nếu kết cấu hàn để tự do trong quá trình hàn thì dưới tác dụng của mô men uốn M sẽ bị uốn và sẽ sinh ra ứng suất uốn được xác định như sau: M  W Do ảnh hưởng của mô men uốn mà liên kết bị cong sau khi hàn, tạo ra độ võng và độ võng được xác định như sau: M .l 2 fmax= 8EJ (3-21) 41
  10. 3.4 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn 3.4.1 Các biện pháp về kết cấu và công nghệ Trong quá trình gia công các kết cấu hàn để hạn chế các biến dạng xảy ra khi thiết kế các kết cấu hàn cần chú ý một số vấn đề sau: - Sử dụng vật liệu cơ bản nên dùng các loại 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 kết cấu phải tránh những mối hàn đính tạo thành mối ghép cứng, sử dụng đồ gá sao cho khi hàn kim loại có thể tự do co giãn. - Khi hàn càn 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 giải riêng biệt sau đó hàn các giải này với nhau tạo thành tấm lớn. + Khi hàn các kết cấu dầm cần hàn các mối hàn nối các tấm đế, tấm vách sau đó mới bắt đầu hàn các mối hàn góc liên kết giữa các tấm đế và tấm vách. + 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 Trong trường hợp hàn các đường hàn được bố trí đối xứng nhau thì cùng hàn cả 2 phía đồng thời, như vậy biến dạng sinh ra, ở cả 2 phía sẽ có chiều ngược nhau, kết quả là chúng sẽ bị triệt tiêu hoặc sẽ bị giảm xuống còn rất nhỏ. Nếu khi hàn một số kết cấu có thể tạo ra được biến dạng ngược thì cố gắng lắp ghép để khi hàn tạo thành các biến dạng ngược, thông thường hàn các kết cấu tấm dễ thực hiện phương pháp này. 3.4.3 Kẹp chặt chi tiết khi hàn Chi tiết được kẹp chặt bằng các loại đồ gá có đủ độ cứng vững để trong quá trình hàn biến dạng sinh ra sẽ bị khống chế cưỡng bức, sử dụng phương pháp này trong quá trình gia công cần tính đến sự gia tăng nội ứng suất. 3.4.4 Các phương pháp giảm ứng suất. a - Phương pháp tạo lực ép lên mối hàn: Đây là phương pháp mà sau khi hàn xong người ta dùng các biện pháp tác dụng lên mối hàn các lực ép đủ lớn để triệt tiêu các ứng suất tồn tại trong mối 42
  11. hàn, cũng có thể thực hiện bằng cách dùng máy cán để cán mối hàn sau khi đã hàn. b - Nung nóng trước khi hàn và trong quá trình hàn: Đây là biện pháp nhằm mục đích làm cho nhiệt sinh ra trong quá trình hàn được phân bố tương đối đồng đều cho nên ứng suất và biến dạng sinh ra sẽ giảm ở mức tối thiểu. Các phương pháp này được ứng dụng khi hàn những vật liệu có tính hàn kém. Nguồn nhiệt được sử dụng thông thường dùng dòng điện cao tần, dùng nhiệt của các ngọn lửa khí đốt và một số nguồn nhiệt khác. c - Nung sau khi hàn: Đây là một phương pháp loại bỏ ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi hàn. Có thể dùng các phương pháp ram thấp ở nhiệt độ khoảng 600- 6500c sau đó giữ nhiệt trong khoảng thời gian từ 2- 3 phút cho 1mm chiều dày chi tiết hàn. Phương pháp này chỉ ứng dụng cho các chi tiết có kích thước nhỏ. d- Nắn, sửa: Nắn sửa kết cấu sau hàn là một phương pháp thông dụng quá trình nắn sửa có thể được thực hiện bằng cách nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt. Nắn cơ khí được thực hiện trên các máy búa, máy ép, máy cán... Quá trình này có thể thực hiện ở các trạng thái nóng hoặc nguội. Nắn nhiệt là phương pháp dùng nhiệt để tạo ra các ứng suất có chiều ngược với chiều ứng suất sinh ra trong quá trình hàn, kết quả là các ứng suất này tự cân bằng nhau, qúa trình nắn bằng nhiệt đòi hỏi người thợ, người cán bộ kỹ thuật phải am hiểu các quá trình biến dạng do nhiệt, có kinh nghiệm thực tế để lựa chọn được các điểm nung hợp lý. Thông thường qúa trình nắn được thực hiện theo hình vẽ sau: Hình 3- 6 43
  12. Bài 4: Tính toán kết cấu dầm và trụ Mục tiêu Sau khi học xong bài học này, người học có khả năng: -Trình bày đầy đủ khái niệm về dầm trụ, phân loại dầm trụ. - Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dầm trụ đơn giản, thường dùng. - Giải thích các ứng suất và biến dạng khi hàn các loại dầm trụ đơn giản. - Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dầm trụ. - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng - Tuân thủ quy định, quy phạm trong tính toán kết cấu dầm trụ. - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc. Nội dung 4.1 Kết cấu dầm 4.1.1 Khái niệm, đặc điểm và phân loại a. Khái niệm, đặc điểm Dầm là loại kết cấu chịu uốn có bản bụng đặc. Thông thường nó nhận tải từ các phần tử khác và chuyển xuống các gối tựa (tức là phần đỡ dầm). Nội lực chính trong dầm là mô men uốn M và lực cắt Q. Ưu điểm nổi bật của dầm là cấu tạo đơn giản (do có ít phân tố tạo thành), chi phí cho gia công chế tạo không lớn nên được sử dụng khá phổ biến trong nhiều thiết bị máy móc, đặc biệt là trong các kết cấu công trình xây dựng, giao thông: dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác, khung nhà thép, vỏ tàu thuỷ, khung máy, bệ máy, ... b. Phân loại Theo tiết diện ngang dầm có thể chia làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp. * Dầm hình 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. 44
  13. Hình 4. 1 Các loại dầm hình. - Dầm từ thép I (a) có tiết diện đối xứng, mômen chống uốn( Wx) rất lớn, dùng hợp lý đối với các trường hợp chịu uốn phẳng như dầm cầu, dầm cầu trục, v.v... - Dầm từ thép U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị xoắn. Tuy nhiên dầm chữ U (đặc biệt loại biên rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ tàu, xà gồ , sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm sàn công tác với nhịp và tải trọng bé. - Để giảm khối lượng của kết cấu, trong công nghiệp người ta còn sản xuất các loại dầm cán chữ I, chữ U biên rộng hoặc các loại dầm thép bằng công nghệ dập nguội, uốn nguội hoặc uốn nóng (hình 4.1,c,d). Những loại dầm như vậy đặc biệt có hiệu quả kinh tế đối với kết cấu có khẩu độ lớn mà tải trọng bé. Cần lưu ý rằng do nguyên nhân công nghệ và tính chất sử dụng (vạn năng, phổ thông) thép cán thông dụng thường có chiều dày vách lớn so với yêu cầu chịu tải, nên trong nhiều trường hợp sử dụng chúng làm cho kết cấu nặng và tốn kém hơn. - Theo GOST 8239-56 các phần tử của dầm chữ I thông dụng có phạm vi kích thước như sau (hình 4.2) H= 100-700 mm ; B=55-210 mm; T1= 7,2-28,5 mm; T2= 4,5-17,5 mm Hình 4. 2 Dầm cán chữ I L=5- 19 m * Dầm tổ hợp Dầm tổ hợp được chế tạo từ các loại thép hình, thép tấm hoặc thép định hình. Nếu dùng phương pháp hàn để chế tạo thì quy ước gọi là dầm hàn, còn nếu dùng liên kết đinh tán hoặc bulông thì tương ứng gọi là dầm đinh tán hoặc là dầm bulông. Ở đây chỉ đề cập đến loại dầm hàn. 45
  14. Hình 4. 3 Các loại dầm tổ hợp hàn. Dầm hàn chữ I gồm ba phần tử cơ bản: Hai biên (còn gọi là cánh hoặc đế dầm) và vách (còn gọi là thành hay bụng dầm). Ngoài ra, trong dầm hàn còn có các phần tử kết cấu khác như gân cứng vững, vách ngăn, bản nối, v.v... So với dầm đinh tán hoặc dầm bulông thì dầm hàn nhẹ hơn, chi phí chế tạo thấp hơn nên được sử dụng phổ biến trong những thập kỷ gần đây. Điều cần chú ý là dầm tổ hợp cho phép tạo ra các giải pháp kết cấu linh động hơn, như là: có thể giảm chiều dày vách dầm xuống mức tối thiểu hoặc thay đổi tiết diện dầm tuỳ thuộc vào giá trị nội lực cụ thể. Điều này đặc biệt có hiệu quả kinh tế đối với các dầm có khẩu độ và tải trọng lớn. Tuy nhiên, sử dụng dầm hình sẽ giảm được số lượng chi tiết cấu thành, chi phí chế tạo giảm và thời gian đưa công trình vào sử dụng sẽ ngắn hơn. Do vậy, trong mọi trường hợp cần phải cân nhắc kĩ các yếu tố kinh tế- kỹ thuật để chọn loại dầm hình hay loại 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 đa dạng. Để đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu, hay nói cách khác là kiểm tra tính hợp lý khi chọn tiết diện dầm trong kỹ thuật người ta thường căn cứ vào hệ số: W  (4. 1) F Trong đó: W- mômen chống uốn. F- diện tích của tiết diện ngang. Giá trị ρ càng lớn thì hiệu quả sử dụng vật liệu càng cao, có nghĩa là kim loại được sử dụng càng triệt để hơn. So sánh một vài tiết diện tiêu biểu: Hình 4. 4 Một vài tiết diện tiêu biểu 46
  15. Như vậy, khi uốn trong mặt phẳng đứng, dầm tiết diện chữ I được coi là có hiệu quả nhất. Nếu uốn ngang (quanh trục y) thì dầm chữ I lại chịu lực rất kém hiệu quả hơn (Wy «Wx). Trong trường hợp đó, nên ưu tiên chọn các loại dầm có tiết diện khác (như hộp rỗng, v.v...) với Wy lớn hơn. Tóm lại, khi chọn tiết diện ngang của dầm, người thiết kế phải căn cứ vào điều kiện chịu lực cụ thể để chọn tiết diện phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và 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: Sb , h b . - Xác định chiều dày và chiều rộng của biên cánh dầm : Sc , 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 vật liệu cơ bản không cho trước thì phải trên cơ sở phân tích, tính toán về khối lượng, giá thành, tính công nghệ, chi phí chế tạo để chọn phương án hợp lý 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. - Nếu có một bộ phận tải trọng là di động thì có thể sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng để xác định ứng lực lớn nhất Mmax, Qmax tại các tiết diện đặc trưng (ví dụ ở các tiết diện cách gối tựa z = 0; 0,1L; 0,2L; v.v...) và xây dựng biểu đồ momen tổng và lực ngang lớn nhất cho toàn bộ dầm. 47
  16. Theo biểu đồ momen và lực ngang xác định vị trí tiết diện chịu tải lớn nhất và thông qua đó để xác định kích thước tiết diện của dầm cũng như kích thước cần thiết của các liên kết hàn. Khi thiết kế dầm hàn phải chú ý tới các yêu cầu chính sau đây: 1. Độ cứng vững của dầm phải bé hơn một giá trị cho trước (xác định theo quy phạm hoặc tiêu chuẩn áp dụng): f/L ≤ [f/L]. 2. Đảm bảo độ bền và tính kinh tế cho kết cấu với khối lượng vật liệu và chi phí sản xuất bé nhất. Điều này có thể đạt được bằng việc chọn vật liệu, kích thước hình dáng mặt cắt của dầm một cách hợp lý, phương pháp chế tạo thích hợp và có năng suất cao. 3. Đảm bảo ổn định tổng thể và ổn định cục bộ cho các phần tử của dầm. 4. Đảm bảo tính công nghệ cho dầm, tức là tạo ra được sự thuận tiện và đơn giản trong chế tạo, giảm chi phí chế tạo và tăng độ tin cậy khi làm việc của kết cấu. 5. Có tính tổ hợp cao, tức là khả năng liên kết thuận tiện với các bộ phận khác của kết cấu tổng thể. 4.1.4 Thiết kế dầm thép tổ hợp hàn chữ I Thiết kế dầm là tập hợp các công việc nhằm tìm ra một cấu kiện chịu uốn mà mọi tiết diện của nó đều thỏa mãn các điều kiện sử dụng: - Thỏa mãn điều kiện chịu lực tại các tiết diện nguy hiểm: chịu moomen uốn lớn nhất và lực cắt kèm theo hoặc chịu lực cắt lớn nhất và mômen uốn kèm theo. - Tấm vách và bản cánh phải thỏa mãn điều kiện điều kiện ổn định cục bộ và chịu lực tập trung - Độ võng lớn nhất của dầm trong suốt quá trình sử dụng không vượt quá độ võng giới hạn cho phép. - Dầm phải thỏa mãn điều kiện ổn định tổng thể, chống oằn do xoắn. - Thỏa mãn các điều kiện cấu tạo và tính khả thi cho việc gia công chế tạo và lắp dựng. 4.1.4.1 Chọn tiết diện dầm a. Xác định chiều cao h của dầm Chiều cao h là kích thước quan trọng có sự phụ thuộc chặt chẽ với các kích thước khác và quyết định hiệu quả kinh tế của phương án chọn. Để chọn h cần 48
  17. phải xác định trước các thông số hmin, hmax, hkt . Chiều cao h được chọn của dầm phải thỏa mãn điều kiện: hmin ≤ h ≤ hmax và h càng gần hkt càng tốt. Trong đó hmin _ chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng trong suốt quá trình sử dụng, nghĩa là độ võng của dầm không vượt quá độ võng giới hạn. hmax _ chiều cao lớn nhất có thể của dầm, được xác định từ yêu cầu sử dụng, được quy định trong nhiệm vụ thiết kế hkt _ chiều cao của tiết diện dầm tương ứng với lượng thép làm dầm ít nhất. 1) Xác định chiều cao nhỏ nhất của dầm, hmin hmin được xác định từ công thức tính độ võng của dầm. Với dầm đơn giản, chịu tải trọng phân bố đều, độ võng lớn nhất tại giữa dầm là 5 qL4 fq   (4. 2) 384 EJ Trong đó: EJ - độ cứng của dầm. Với hmin _ chiều cao dầm. W _ mômen chống uốn tiết diện ngang. Hình 4. 6 Dầm đơn giản, chịu tải trọng phân bố đều W . h min  J  2  q. L2 2.  q . J 16 . J .  q Ta có M max   q . W     q . L2  (4. 3)  8 h min h min q. L2  M max  8  Thay (4.3) vào (4.2) ta xác định được hmin 5 L q h min    L 24 f q E 49
  18. Dầm chịu tải trọng duy nhất là lực phân bố đều nên f = fq . Với giả thiết σmax = [σ]k và f   f  L L Ta sẽ xác đinh được hmin: h min  0,208  k. L2 (4. 4) E f  Với dầm đơn giản, chịu tải trọng tập trung P P L 2 L Mp Mp = PL 4 Hình 4. 7 Dầm đơn giản, chịu tải trọng tập trung Độ võng lớn nhất sẽ xuất hiện tại vị trí giữa dầm. 1 PL3 fp   48 EJ (4.5) Tại tiết diện nguy hiểm, ta có: 2 p  J  M max  M p   p  W  hmin  2 p J P . L 8 p . J     P .l  P.L  hmin 4 hmin M max   4 (4.6) Thay (4.6) vào (4.5) ta có 1 L2 8  p  J 1  p  L 1 L  2 fp       h min    p  L 48 EJ h min 6 E  h min 6 fp E Dầm chịu tải trọng duy nhất là lực tập trung nên f = fp . f f  Với giả thiết σmax = k và  L  L  Ta sẽ xác định được hmin: h min 1   L   k hay h min  0,167    L k 2 (4.7) 6 f   f  E  L   E 50
  19. Với các loại dầm có điều kiện liên kết và chịu tác dụng của các loại tải trọng khác thì hình thức của biểu thức tính chiều cao dầm vẫn không đổi mà chỉ khác nhau ở phần hệ số. Ở dạng chung nhất có thể viết: h min    L k 2 (4. 8)  f . E Hệ số  thay đổi phụ thuộc vào tổ hợp tải trọng và sơ đồ liên kết của dầm trên gối tựa. Đối với thép hợp kim thấp giá trị  có thể xác định theo bảng 4.1 Bảng 4. 1 Bảng tra hệ số  Sơ đồ tính toán ψ Sơ đồ tính toán ψ 0,208 0,500 0,167 0,083 0,063 0,098 0,083 Khi xác định chiều cao dầm hmin cần phải lưu ý một số vấn đề sau: 1. Vật liệu độ bền k càng cao và mođun đàn hồi E càng bé thì chiều cao hmin của dầm càng lớn. 2. Nếu đồng thời có một tổ hợp tải trọng tác dụng thì tiết diện có độ võng cực đại dưới tác dụng của hệ có thể không trùng với các tiết diện có độ võng cực đại do các tải trọng thành phần gây ra. 3. Tiết diện nguy hiểm của dầm có M  M max và  max   i  k có thể không trùng với tiết diện nơi có độ võng cực đại. Để xác định hệ số  tất cả ứng .k đều lấy tại tiết diện nguy hiểm nơi M  M max . Mi suất i   Mi 51
  20. 4. Nếu tải trọng gây uốn dầm theo hai mặt phẳng, tức là có hiện tượng uốn xiên, mà tiêu chuẩn chỉ qui định giá trị  f  cho độ võng trong mặt phẳng đứng L mà thôi (khi uốn đối với trục nằm ngang của tiết diện x-x) thì trong công thức (5.11) khi tính h min cần lấy thành phần ứng suất  x thay cho giá trị k (vì chỉ có M x gây ra hiện tượng uốn). 5. Trong tính toán gần đúng đối với loại dầm có liên kết khớp ở hai đầu ta có thể sử dụng công thức gần đúng: L  h 1  0,2  k  L (4.9) f E b. Xác định chiều cao lớn nhất của dầm, hmax hmax là chiều cao lớn nhất có thể của dầm, được xác định từ yêu cầu sử dụng, được quy định trong nhiệm vụ thiết kế, đó chính là khoảng cách cho phép đủ để bố trí hệ dầm và bản sàn. Quy định này không cho phép chiều cao dầm vượt quá một giá trị nào đó để không làm ảnh hưởng đến không gian sử dụng. c. Xác định chiều cao của dầm theo khối lượng nhỏ nhất, hkt hkt là chiều cao của tiết diện dầm tương ứng với lượng thép làm dầm ít nhất. Khối lượng Gd của dầm chữ I có tiết diện không đổi nếu bỏ qua các chi tiết cấu tạo của dầm (gân, mối hàn, bulông,..) có thể xác định theo biểu thức sau đây: G d  Vd    Lh b  Sb  2Fc    (4.10) Trong đó: Vd - Thể tích dầm.  - Khối lượng riêng của vật liệu. Fc - Diện tích tiết diện một bản cánh. L - Khẩu độ của dầm . h b , Sb - Chiều cao và chiều dày vách dầm. M max Theo điều kiện bền Wx  y/c k S h F h 2 h  3 2 h J x y / c  Wx y / c  kt  J x v  2Fc  t   2J c  b b  c t 2  2 12 2 h t _ khoảng cách tâm tiết diện hai cánh dầm 52
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học