CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI II GIÁO TRÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN NGHỀ HÀN (Ban hành theo quyết định số 397/QĐ-CĐHHII, ngày 4 tháng 8 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Cao Đẳng Hàng Hải II) ( Lưu hành nội bộ) TP.HCM, năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ nghiêm cấm 1 LỜI GIỚI THIỆU Để đáp ứng tình hình chuyển biến mới trong đào tạo, mở rộng và phát huy tính độc lập trong học tập của sinh viên Khoa Cơ khí và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên dạy và hướng dẫn thực hành v v.Giáo trình “Tính toán kết cấu hàn” được biên soạn với nội dung tuân theo chương trình khung kết hợp với điều kiện giảng dạy hiện có, đáp ứng được nhu cầu học tập của sinh viên, mang được tính hiện đại, tính phong phú và cơ bản nhất trong lĩnh vực tính toán kết cấu hàn nói riêng và trong sản xuất cơ khí nói chung. Bố cục của giáo trình được trình bày theo thứ tự các bài trong chương trình khung bao gồm các bài sau: Bài 01: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Bài 02: Tính độ bền của mối hàn Bài 03: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn Bài 04: Tính toán kết cấu dầm trụ Bài 05: Tính toán kết cấu dàn Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong quý thầy cô, các bạn sinh viên có ý kiến đóng góp để việc biên soạn và bổ sung cho giáo trình được hoàn thiện hơn. Mọi chi tiết vui lòng gửi về: Khoa Cơ Khí– Trường Cao Đẳng Hàng Hải II, 232 Nguyễn Văn Hưởng, Phường Thảo Điền, TP Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn.
2 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG 1. Bài 01: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn………………………………. Bài 02: Tính độ bền mối hàn……………………. Bài 03: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn……………………….
Bài 04: Tính toán kết cấu dầm, trụ…………………………………. Bài 05: Tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ………………………………34 8. Tài liệu tham khảo………………………………………………….43 3 BÀI 01: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN Giới thiệu: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng của công trình, và là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình công nghệ, tính kinh tế của công trình, do vậy việc lựa chọn vật liệu chế tạo kết cấu hàn hợp lý sẽ mang lại tính hiệu quả về kinh tế kỹ thuật to lớn, đó là tiêu chí vô cùng quan trọng. Mục tiêu: - Nhận biết các loại thép định hình U, I, V., thép tấm, và các loại vật liệu khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn.
- Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu khi chế tạo kết cấu hàn. - Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao. - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng. - Tuân thủ quy định, quy phạm trong phân loại vật liệu.
- Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc. Nội dung chính: I. Thép định hình. Thép chữ L (thép góc): Đây là loại thép hình được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn.
Thép chữ L thường được dùng để chế tạo các loại khung, dàn hoặc liên kết khác trong các kết cấu. Từ thép góc ta có thể chế tạo ra các loại thép định hình khác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau. Ví dụ: Ghép 2 thanh thép góc lại với nhau ta sẽ có loại kết cấu chữ [ hoặc chữ T, nếu ghép 4 thanh thép góc ta sẽ có kết cấu chữ I. Do vậy đây là loại thép có phạm vi sử dụng rất lớn trong thực tế.
Thép hình chữ L có 2 loại là : L cạnh đều và L cạnh lệch - Thép chữ L cạnh đều: gồm có 67 loại được quy định trong TCVN 1656- 75.loại nhỏ nhất có kích thước L20 x 3,nghĩa là mỗi cạnh có kích thước là 20 mm ,chiều dày có kích thước là 3 mm, loại lớn nhất có kích thước là L250 x 20. Đây là loại thép được sư dụng để chế tạo kết cấu rất nhiều do tính chất công nghệ của nó rất cao. Trong quá trình gia công người thợ không 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 không đều: Gồm có 47 loại được quy định trong tiêu chuẩn TCVN 1657-75 ,loại nhỏ nhất là L25 x16 x3, có nghĩa là cạnh thứ nhất 25 mm, cạnh thứ hai 16 mm, chiều dày 3 mm. Loại lớn nhất có kích thước L250 x160 x20. Đây là loại thép góc mà hiện nay ứng dụng không lớn do tính công nghệ của thép không cao vì trong quá trình gia công người thợ cần phải chú ý đến các cạnh của thanh thép (do các cạnh không đều 4 nhau). Do vậy sẽ ảnh hưởng đến năng suất lao động.
Vì vậy khi thiết kế 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 kết cấu chịu uốn, nén. Theo TCVN 1655-75 thì thép chữ I có 23 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 ký hiệu có thêm chữ “a” ở phía dưới. Thép chữ I là loại thép rất khó liên kết với nhau để tạo ra một loại thép mới. Thép chữ [: Theo TCVN 1654-75 thép chữ [ có 22 loại. Chiều cao loại nhỏ nhất là 50 mm, lớn nhất là 400 mm ( Đây là chiều cao của tiết diện).
Ví dụ [ 22 chỉ loại này có chiều cao là h = 220 mm, chiều dài của thép chữ [ từ 4 ÷ 13 m. Ngoài ra còn một số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ “a” phía dưới. Ví dụ : thép [ 22a Trong thực tế còn có nhiều loại thép hình khác nhau như thép ống, thép tròn. 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, kích thước bất kỳ.
Thép tấm được dùng nhiều trong các loại kết cấu như :vỏ tàu thủy, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chứa khí, các loại bồn chứa, bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng, chất khí. 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 = 40÷ 60 mm, chiều rộng 160 ÷ 1050 mm, chiều dài từ 600 ÷ 12000 mm Thép tấm dày: có chiều dày s = 60÷ 160 mm, chiều rộng 600 ÷ 3000 mm, chiều dài từ 4000 ÷ 6000 mm Thép tấm mỏng: có chiều dày s = 0.2÷ 4 mm, chiều rộng 600 ÷ 1400 mm. Các loại vật liệu thường dùng để chế tạo kết cấu hàn Vật liệu dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm có: 1. Các loại thép các bon thấp: Đây là loại vật liệu được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn, do loại vật liệu này rất dễ hàn và mối hàn dễ đạt được chất lượng theo yêu cầu mà không cần phải có những biện pháp công nghệ phức tạp nào.
Trong thực tế thép các bon thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn được chia ra làm 2 nhóm chính là thép định hình và thép tấm. Thép hợp kim 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 kim thấp cũng rất hay được sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn có yêu cầu độ bền cao hoặc làm việc trong các điều kiện đặc biệt. Thép hợp kim thấp thường được dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm các loại như thép Manggan; thép Cr –Si –Mn; Cr-Mn-Môlipđen. Thép hợp kim thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm, được chế tạo theo tiêu chuẩn.
Các loại thép không rỉ: 5 Được sử dụng để chế tạo các lọai kết cấu hàn làm việc trong những điều kiện đặc biệt như: nhiệt độ cao, làm việc trong điều kiện 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 kết cấu được chế tạo từ thép không rỉ đang rất lớn cho nên rất nhiều các công nghệ gia công kết cấu thép không rỉ hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép không 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 kim nhôm: Nhôm và hợp kim nhôm cũng được sử dụng nhiều để chế tạo kết cấu hàn đặc biệt là hợp kim nhôm được dùng để chế tạo các kết cấu yêu cầu có trọng lượng nhỏ,hoặc các kết cấu yêu cầu chống rỉ.
Thông thường hợp kim nhôm hay được dùng nhất là: Duy-ra dùng cho các kết cấu đòi hỏi có độ bền nhiệt cao, còn hợp kim nhôm –magiê dùng cho các loại kết cấu như: vỏ tầu loại nhỏ có tốc độ cao, các kết cấu xây dựng, các thùng chứa thực phẩm,chứa thức ăn, chứa nước.Nhôm và hợp kim nhôm thường được chế tạo ở dạng tấm. Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn Việc chọn vật liệu cơ bản cho kết cấu hàn phải dựa vào những tính toán cụ thể về độ bền, giá thành và tính công nghệ của nó: 1. Vật liệu phải thoả mãn các yêu cầu sử dụng của kết cấu, như điều kiện bền, điều kiện ổn định, cứng vững, chịu mỏi,… Điều kiện bền được đánh giá theo giới hạn bền và giới hạn chảy của vật liệu. Đối với điều kiện ổn định, môdun đàn hồi có một ý nghĩa hết sức quan trọng, bởi vì ứng suất tới hạn khi kết cấu mất ổn định tỉ lệ thuận với môdun đàn hồi t.
Nói cách khác, nếu E càng bé thì khả năng mất ổn định càng dễ xảy ra.