4.2.6. Tính toán đường hàn góc

  4.2.6. Tính toán đường hàn góc

a) Sự làm việc của đường hàn góc

Hình 4.23. Sự phân bố ứng suất trong đường hàn: a-góc cạnh; b-góc đầu

Đường hàn góc cạnh khi truyền lực thì hướng của đường lực trong liên kết thay đổi phức tạp. Ứng suất phân bố không đều theo chiều rộng, chiều dài của bản thép cũng như dọc theo đường hàn (hình 4.23). Hai mút đầu và cuối của đường hàn chịu ứng suất tiếp lớn nhất (max). Hệ số tập trung ứng suất theo chiều dài mối hàn góc cạnh là:

Từ công thức trên thấy rằng hệ số tập trung ứng suất tỷ lệ chiều dài đường hàn. Trong tiêu chuẩn khống chế chiều dài đường hàn góc cạnh lw 85 f hf , ngoại
trừ những đường hàn mà lực tác dụng trên suốt chiều dài mối hàn.
Đường hàn góc đầu (hình 4.23,b) truyền lực đều theo bề rộng của liên kết nhưng trong đường hàn lực bị uốn cong và dồn ép ở phía chân đường hàn, vì vậy tại đây ứng suất tập trung rất lớn. Khi làm việc, đường hàn góc đầu chịu đồng thời cả cắt, kéo, uốn. Trong tính toán coi như chúng chỉ chịu cắt qui ước và bị phá hoại theo tiết diện 1 hoặc 2 giống đường hàn góc cạnh (hình 4.23,a). Nghiên cứu cũng thấy rằng, đường hàn góc đầu làm việc chịu cắt tốt hơn góc cạnh từ 15-25%.
Hệ số tập trung ứng suất trong đường hàn góc đầu :

Thực tế làm việc đường hàn góc chịu đồng thời cả ứng suất cắt và uốn. Trong tính toán coi như chúng chỉ chịu cắt qui ước và phá hoại theo một trong hai tiết diện dọc theo kim loại đường hàn (tiết diện 1, hình 4.24,c) hoặc theo biên nóng chảy của thép cơ bản (tiết diện 2, hình 4.24,c).

Hình 4.24. Dạng phá hoại và tiết diện làm việc của đường hàn:
a- của đường hàn góc cạnh; b- của đường hàn góc cạnh; c- các tiết diện làm việc

b) Cường độ tính toán của đường hàn góc. Đường hàn góc cạnh và đường hàn góc đầu có cường độ tính toán như nhau. Ứng suất truyền từ bản thép qua mối hàn đi qua hai vùng thép có độ bền khác nhau, do đó độ bền của liên kết phụ thuộc cường độ kim loại hàn và thép cơ bản, tương ứng với hai khả năng đường hàn góc có thể bị phá hoại theo một trong hai tiết diện. Ứng với tiết diện 1 là cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn fwf và ứng với tiết diện 2 là cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy của nó với đường hàn fws (hình 4.2,c,b).
Thép cơ bản được chia làm các lớp cường độ khác nhau, que hàn được chọn cho từng mác thép để độ bền của đường hàn theo các tiết diện 1 và 2 xấp xỉ nhau để đảm bảo về sử dụng vật liệu hợp lý. Cường độ chịu cắt tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy fws=0,45fu .
Cường độ đường hàn góc tính theo vật liệu hàn duy nhất chỉ có một trạng thái giới hạn, xác định theo thí nghiệm đến khi phá hoại. Vì vậy, trong các liên kết hàn góc chịu tải trọng tĩnh sử dụng cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của vật liệu hàn (fwun) chứ không sử dụng giới hạn chảy. Xác định cường độ tính toán chịu cắt theo công thức fwf=C fwun/(uwm),
Trong đó: C – hệ số chuyển đổi cường độ tính toán chịu cắt sang chịu kéo;
u=1,3 – hệ số độ tin cậy trong tính toán theo cường độ kéo đứt;
wm – hệ số độ tin cậy về vật liệu hàn.Trên cơ sở thí nghiệm rất nhiều mẫu, xác định C=0,7.
Dựa vào mác vật liệu que hàn (dây hàn), có thể xác định cường độ tính toán chịu cắt của thép đường hàn fwf theo bảng 4.5.

Bảng 4.5 - Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cường độ tính toán fw f của kim loại hàn trong mối hàn góc

Ý nghĩa ký hiệu que hàn trong bảng 4.5 như sau: chữ N ở đầu chỉ loại que hàn để hàn nối các kết cấu thép cacbon và thép hợp kim thấp. Nhóm hai chữ số sau chỉ độ bền kéo thấp nhất của mối hàn (daN/mm2). Sau gạch ngang là chữ số chỉ dòng điện, cực hàn thích hợp, chữ cái cuối cùng chỉ nhóm thuốc bọc (axit, bazơ...).
c. Tính toán liên kết chịu lực trục
* Khi chịu lực trục N (hình 4.3). Liên kết các thép bản trong cả hai trường hợp đường hàn góc cạnh và đường hàn góc đầu coi như ứng suất phân bố đều dọc

theo đường hàn và bị phá hoại do cắt. Độ bền của đường hàn được kiểm tra đồng thời theo hai tiết diện 1 và 2 (hình 4.24, c).

Trong đó: hf: chiều cao đường hàn góc;
 lw - tổng chiều dài tính toán của các đường hàn, lw lấy bằng chiều dài thực tế của đường hàn trừ đi 10 mm kể đến chất lượng không tốt ở đầu và cuối đường hàn;
f , s – các hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn ứng với các tiết diện 1 và 2, phụ thuộc vào phương pháp hàn và vị trí của đường hàn trong không gian khi hàn, xem bảng B.4a-PL.
Trong hai điều kiện (4.13) và (4.14) giá trị nhỏ nhất trong hai tích số f fwf và
s fws tương ứng với tiết diện có khả năng chịu lực yếu hơn (tiết diện phá hoại). Khi hàn tay thường điều kiện (4.13) là quyết định.
Để các bản ghép truyền được lực giữa các cấu kiện cơ bản cần kiểm tra bền các bản ghép, yêu cầu
 Abg  A, (4.15)
Trong đó: Abg – tổng diện tích tiết diện các bản ghép; A – diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản;
* Thực tế thiết kế nên chọn trước chiều cao đường hàn hf, diện tích bản ghép (theo 4.15), từ đó tính ra tổng chiều dài cần thiết của các đường hàn:

Trong đó:

Abg – tổng diện tích tiết diện các bản ghép;

A – diện tích tiết diện cấu kiện cơ bản;
* Thực tế thiết kế nên chọn trước chiều cao đường hàn hf, diện tích bản ghép (theo 4.15), từ đó tính ra tổng chiều dài cần thiết của các đường hàn:

trong đó (fw )min – giá trị nhỏ hơn hai giá trị f fwf và sfws.
Chiều dài tính toán của các đoạn đường hàn lw cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Chiều dài tối thiểu lw≥ 4 hf và lw ≥ 40 mm;
- Riêng với đường hàn góc cạnh lw ≤ 85 bfhf

Ví dụ 4.3. Tính toán liên kết hàn ghép chồng hai bản thép có mác CT38 có tiết N diện 250×10mm vào bản thép dày 12mm. Yêu cầu: xác định lực tới hạn mà liên kết có thể chịu được, chiều dài đường hàn liên kết (hình. 4.25). Vật liệu sử dụng: thép CT38; que hàn N46, hàn tay. Hình 4.25. Liên kết chồng
Các vấn đề cần lưu ý trước khi giải bài tập:
- Xác định cường độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;
- Lực tới hạn mà liên kết chịu được;
- Xác định kích thước đường hàn;
Trình tự giải:
a) Cường độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, bảng 4.5)
Cường độ tính toán thép CT38 xem ví dụ 4.1.
Que hàn N46, có cường độ tính toán: fwf = 200 Mpa = 20 kN/cm2; fws = 0,45fu = 171Mpa = 17,1 kN/cm2.
Hệ số chiều sâu nóng chảy : βf = 0,7; βs = 1,0. Hệ số điều kiện làm việc: γwf = γws = 1,0.
So sánh: βf fwf = 140Mpa < βs fws = 171 Mpa, liên kết xu hướng phá hoại theo tiết diện 1, tính theo vật liệu hàn.
b) Lực tới hạn mà liên kết chịu được
Lực tới hạn mà liên kết chịu được tính theo thép cơ bản, dùng lực đó để tính ra kích thước đường hàn. Ở đây bản tab thêm có kích thước tiết diện nhỏ hơn nên lực tới hạn xác định theo bản này.
Lực tới hạn mà bản tab có thể chịu được: N = f. b.t = 26.25.1 = 650kN.
c) Kích thước đường hàn
Chọn chiều cao đường hàn bằng chiều dày bản tab: hf = t1 = 10 mm. Với chiều đường hàn góc đầu lw,d = b – 1 = 25 – 1 = 24cm,
Khả năng do đường hàn góc đầu chịu:
Nd = βf kf lw,d fwf γwf γс = 0,7.1.24.20.1.1 = 336 kN. Lực còn lại tác dụng lên mỗi đường hàn góc cạnh: Nc = (N – Nd) / 2 = (675 – 336) / 2 = 169,5 kN.
Tính chiều dài đường hàn góc cạnh (4.16): lw,c = Nc / (βf kf fwf γwf γс) = 169,5 / (0,7.1.20.1.1) = 12,1 cm. Chọn lw,c = 13 cm.

Chiều dài đoạn nối chồng (tính cả phần chất lượng đường hàn ở hai đầu không tốt):
l = lw,c + 1 = 13 + 1 = 14 cm,
Kiểm tra điều kiện cấu tạo đường hàn:
l >5tmin = 5.1 = 5cm và < lw,max = 85 βf kf = 85.0,7.1 = 59,5 cm. Chiều dài đường hàn đảm bảo.
* Trường hợp liên kết thép hình (hình 4.26) do lực trục N được đặt theo trục của thép góc (không nằm giữa hai đường hàn) nên lực tác dụng vào mỗi đường hàn sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ trọng tâm đặt lực đến mỗi đường hàn e1 và e2.
Giá trị của lực N1 = kN để tính đường hàn sống, và N2 = (1 - k)N để tính đường hàn mép. Giá trị hệ số k=z0/ b phụ thuộc vào loại thép góc và cách bố trí chúng khi liên kết, có thể tra bảng 4.6. Tính được N1, N2, theo (4.15) xác định kích thước các đường hàn sống và mép.

Hình 4.26. Liên kết thép góc với thép bản

Bảng 4.6. Giá trị hệ số k

Ví dụ 4.4. Tính toán đường hàn liên kết hai thép góc đều cạnh L100x8 vào bản mã có chiều dày t2 = 10mm, chịu lực kéo N = 750kN (hình 4.26). Điều kiện làm việc bình thường, thép mác CT38, que hàn N42 - hàn tay.
Các vấn đề cần lưu ý trước khi giải bài tập:
- Xác định cường độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;

- Xác định lực tác dụng lên đường hàn;
- Xác định kích thước đường hàn;
Trình tự giải:

a) Cường độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, B, bảng 4.5)
Cường độ tính toán thép CT38 xem ví dụ 4.1.
Cường độ tính toán que hàn N42: fwf = 180MPa = 18kN/cm2;
fws=0,45fu = 166,5MPa = 16,65kN/cm2.
Hệ số điều kiện làm việc: γс = 1,0;
Hệ số điều kiện làm việc mối hàn γwf = γws = 1,0.
Hệ số chiều sâu nóng chảy khi hàn tay: βf = 0,7; βs = 1,0.
Tính toán theo tiết diện 1 - vật liệu hàn vì:βf fwf =126Mpa <βs fws =166,5 Mpa

b) Lực tác dụng lên đường hàn

Lực tác dụng lên đường hàn sống:N1 = k.N = (1 – 0,3)750 =525 kN. Lực tác dụng lên đường hàn mép: N2 = (1 – k)N = 0,3.750 = 225 kN.

c) Kích thước đường hàn;

Chiều cao đường hàn được chọn theo (4.1): hf,max = 9,6 mm và hf,min = 5mm (bảng 4.3). Chọn chiều cao đường hàn sốnghf ,1=9mm, đường hàn mép hf ,2 =6mm.
Chiều dài đường hàn sống theo (4.16):
lw1 = 525/(2.0,7.0,9.18.1.1) = 35 cm <lw,max = 85 βf hf = 85.0,7.0,6 = 35,7 cm;
Chiều dài thực tế của đường hàn (thêm 10 mm do chất lượng mối hàn không tốt ở đầu và cuối đường hàn):
l1 = lw1 + 1 = 23,1 + 1 = chọn 25 cm. Chiều dài đường hàn mép theo (4.16):
lw2 = 225/(2.0,7.0,6.18.1.1) = 15 cm < lw,max;
Chiều dài đường hàn thực tế: l2 = lw2 + 1 = 15 + 1 = chọn 16 cm

d) Tính toán liên kết hàn với đường hàn góc chịu mômen và lực cắt

Liên kết chịu lực như hình 4.27. Điều kiện bền của đường hàn được kiểm tra như sau:
- Khi chỉ có mômen uốn M tác dụng 

Ví dụ 4.5. Kiểm tra liên kết hàn chồng giữa hai bản thép 25x20mm (hình 4.27), hàn tay, chịu mômen M = 2000 kNm trong mặt phẳng chứa mối hàn. Que hàn N42, thép CT38.
Các vấn đề cần lưu ý trước khi giải bài tập:
- Xác định cường độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;
- Xác định đặc trưng hình học đường hàn;
- Kiểm tra bền đường hàn;
Trình tự giải:

a) Cường độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, B, bảng 4.5)
Xem ví dụ 4.4.

b) Đặc trưng hình học đường hàn

Chọn chiều cao đường hàn bằng chiều dày bản thép t = 20 mm. Xác định mômen quán tính của tiết diện đường hàn:

Ví dụ 4.6. Kiểm tra độ bền P
đường hàn giữa conxon với cột như hình 4.28. Thép CT34; que hàn N42,
hàn tay ; P=650kN ; l=400mm ; bf=180mm ; t f 14mm ; tw  12mm ; hw =630mm. Chiều cao đường hàn 0mm. Hệ số điều kiện làm việc  =1.

Các vấn đề cần lưu ý trước khi giải bài tập: 
- Xác định cường độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;
- Xác định nội lực tại liên kết;
- Xác định đặc trưng hình học đường hàn;
- Kiểm tra bền đường hàn;
Trình tự giải:
a) Cường độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, B, bảng 4.5)

d) Kiểm tra bền đường hàn

Kết luận: mối hàn giữa conson và cột đảm bảo độ bền.