Nhà thép ti�n chế

  4.2.6. Tính toán Ä‘Æ°á»�ng hàn góc

a) Sự làm việc của đư�ng hàn góc

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

�ư�ng hàn góc cạnh khi truy�n lực thì hướng của đư�ng lực trong liên kết thay đổi phức tạp. Ứng suất phân bố không đ�u theo chi�u rộng, chi�u dài của bản thép cũng như d�c theo đư�ng hàn (hình 4.23). Hai mút đầu và cuối của đư�ng hàn chịu ứng suất tiếp lớn nhất (�max). Hệ số tập trung ứng suất theo chi�u dài mối hàn góc cạnh là:

Từ công thức trên thấy rằng hệ số tập trung ứng suất tỷ lệ chi�u dài đư�ng hàn. Trong tiêu chuẩn khống chế chi�u dài đư�ng hàn góc cạnh lw 85� f hf , ngoại
trừ những đư�ng hàn mà lực tác dụng trên suốt chi�u dài mối hàn.
�ư�ng hàn góc đầu (hình 4.23,b) truy�n lực đ�u theo b� rộng của liên kết nhưng trong đư�ng hàn lực bị uốn cong và dồn ép ở phía chân đư�ng hàn, vì vậy tại đây ứng suất tập trung rất lớn. Khi làm việc, đư�ng hàn góc đầu chịu đồng th�i 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 đư�ng hàn góc cạnh (hình 4.23,a). Nghiên cứu cũng thấy rằng, đư�ng hàn góc đầu làm việc chịu cắt tốt hơn góc cạnh từ 15-25%.
Hệ số tập trung ứng suất trong đư�ng hàn góc đầu :

Thực tế làm việc đư�ng hàn góc chịu đồng th�i 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 d�c theo kim loại đư�ng 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 đư�ng hàn:
a- của đư�ng hàn góc cạnh; b- của đư�ng hàn góc cạnh; c- các tiết diện làm việc

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

Bảng 4.5 - Cư�ng độ kéo đứt tiêu chuẩn fwun và cư�ng độ tính toán fw f của kim loại hàn trong mối hàn góc

� 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 b�n 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 b�c (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 trư�ng hợp đư�ng hàn góc cạnh và đư�ng hàn góc đầu coi như ứng suất phân bố đ�u d�c

theo đư�ng hàn và bị phá hoại do cắt. �ộ b�n của đư�ng hàn được kiểm tra đồng th�i theo hai tiết diện 1 và 2 (hình 4.24, c).

Trong đó: hf: chi�u cao đư�ng hàn góc;
 lw - tổng chi�u dài tính toán của các đư�ng hàn, lw lấy bằng chi�u dài thực tế của đư�ng hàn trừ đi 10 mm kể đến chất lượng không tốt ở đầu và cuối đư�ng hàn;
�f , �s – các hệ số chi�u sâu nóng chảy của đư�ng hàn ứng với các tiết diện 1 và 2, phụ thuộc vào phương pháp hàn và vị trí của đư�ng hàn trong không gian khi hàn, xem bảng B.4a-PL.
Trong hai đi�u kiện (4.13) và (4.14) giá trị nh� 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 thư�ng đi�u kiện (4.13) là quyết định.
�ể các bản ghép truy�n được lực giữa các cấu kiện cơ bản cần kiểm tra b�n 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 ch�n trước chi�u cao đư�ng hàn hf, diện tích bản ghép (theo 4.15), từ đó tính ra tổng chi�u dài cần thiết của các đư�ng 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 ch�n trước chi�u cao đư�ng hàn hf, diện tích bản ghép (theo 4.15), từ đó tính ra tổng chi�u dài cần thiết của các đư�ng hàn:

trong đó (�fw )min – giá trị nh� hơn hai giá trị �f fwf và �sfws.
Chi�u dài tính toán của các đoạn đư�ng hàn lw cần th�a mãn các yêu cầu sau:
- Chi�u dài tối thiểu lw≥ 4 hf và lw ≥ 40 mm;
- Riêng với đư�ng 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 lá»±c tá»›i hạn mà liên kết có thể chịu được, chiá»�u dài Ä‘Æ°á»�ng hàn liên kết (hình. 4.25). Vật liệu sá»­ dụng: thép CT38; que hàn N46, hàn tay. Hình 4.25. Liên kết chồng
Các vấn đ� cần lưu ý trước khi giải bài tập:
- Xác định cư�ng độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;
- Lực tới hạn mà liên kết chịu được;
- Xác định kích thước đư�ng hàn;
Trình tự giải:
a) Cư�ng độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, bảng 4.5)
Cư�ng độ tính toán thép CT38 xem ví dụ 4.1.
Que hàn N46, có cư�ng độ tính toán: fwf = 200 Mpa = 20 kN/cm2; fws = 0,45fu = 171Mpa = 17,1 kN/cm2.
Hệ số chi�u sâu nóng chảy : βf = 0,7; βs = 1,0. Hệ số đi�u 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 đư�ng hàn. Ở đây bản tab thêm có kích thước tiết diện nh� 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 đư�ng hàn
Ch�n chi�u cao đư�ng hàn bằng chi�u dày bản tab: hf = t1 = 10 mm. Với chi�u đư�ng hàn góc đầu lw,d = b – 1 = 25 – 1 = 24cm,
Khả năng do đư�ng hàn góc đầu chịu:
Nd = βf kf lw,d fwf γwf γ� = 0,7.1.24.20.1.1 = 336 kN. Lực còn lại tác dụng lên mỗi đư�ng hàn góc cạnh: Nc = (N – Nd) / 2 = (675 – 336) / 2 = 169,5 kN.
Tính chi�u dài đư�ng hàn góc cạnh (4.16): lw,c = Nc / (βf kf fwf γwf γ�) = 169,5 / (0,7.1.20.1.1) = 12,1 cm. Ch�n lw,c = 13 cm.

Chi�u dài đoạn nối chồng (tính cả phần chất lượng đư�ng hàn ở hai đầu không tốt):
l = lw,c + 1 = 13 + 1 = 14 cm,
Kiểm tra đi�u kiện cấu tạo đư�ng hàn:
l >5tmin = 5.1 = 5cm và < lw,max = 85 βf kf = 85.0,7.1 = 59,5 cm. Chi�u dài đư�ng hàn đảm bảo.
* Trư�ng hợp liên kết thép hình (hình 4.26) do lực trục N được đặt theo trục của thép góc (không nằm giữa hai đư�ng hàn) nên lực tác dụng vào mỗi đư�ng hàn sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ tr�ng tâm đặt lực đến mỗi đư�ng hàn e1 và e2.
Giá trị của lực N1 = kN để tính đư�ng hàn sống, và N2 = (1 - k)N để tính đư�ng 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 đư�ng 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 đư�ng hàn liên kết hai thép góc đ�u cạnh L100x8 vào bản mã có chi�u dày t2 = 10mm, chịu lực kéo N = 750kN (hình 4.26). �i�u kiện làm việc bình thư�ng, thép mác CT38, que hàn N42 - hàn tay.
Các vấn đ� cần lưu ý trước khi giải bài tập:
- Xác định cư�ng độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;

- Xác định lực tác dụng lên đư�ng hàn;
- Xác định kích thước đư�ng hàn;
Trình tự giải:

a) Cư�ng độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, B, bảng 4.5)
Cư�ng độ tính toán thép CT38 xem ví dụ 4.1.
Cư�ng độ tính toán que hàn N42: fwf = 180MPa = 18kN/cm2;
fws=0,45fu = 166,5MPa = 16,65kN/cm2.
Hệ số đi�u kiện làm việc: γ� = 1,0;
Hệ số đi�u kiện làm việc mối hàn γwf = γws = 1,0.
Hệ số chi�u 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 đư�ng hàn

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

c) Kích thước đư�ng hàn;

Chi�u cao đư�ng hàn được ch�n theo (4.1): hf,max = 9,6 mm và hf,min = 5mm (bảng 4.3). Ch�n chi�u cao đư�ng hàn sốnghf ,1=9mm, đư�ng hàn mép hf ,2 =6mm.
Chi�u dài đư�ng 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;
Chi�u dài thực tế của đư�ng hàn (thêm 10 mm do chất lượng mối hàn không tốt ở đầu và cuối đư�ng hàn):
l1 = lw1 + 1 = 23,1 + 1 = ch�n 25 cm. Chi�u dài đư�ng hàn mép theo (4.16):
lw2 = 225/(2.0,7.0,6.18.1.1) = 15 cm < lw,max;
Chi�u dài đư�ng hàn thực tế: l2 = lw2 + 1 = 15 + 1 = ch�n 16 cm

d) Tính toán liên kết hàn với đư�ng hàn góc chịu mômen và lực cắt

Liên kết chịu lực như hình 4.27. �i�u kiện b�n của đư�ng 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 đ� cần lưu ý trước khi giải bài tập:
- Xác định cư�ng độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;
- Xác định đặc trưng hình h�c đư�ng hàn;
- Kiểm tra b�n đư�ng hàn;
Trình tự giải:

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

b) �ặc trưng hình h�c đư�ng hàn

Ch�n chi�u cao đư�ng hàn bằng chi�u dày bản thép t = 20 mm. Xác định mômen quán tính của tiết diện đư�ng hàn:

Ví dụ 4.6. Kiểm tra độ b�n P
đư�ng 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. Chi�u cao đư�ng hàn 0mm. Hệ số đi�u kiện làm việc � =1.

Các vấn Ä‘á»� cần lÆ°u ý trÆ°á»›c khi giải bài tập: 
- Xác định cư�ng độ tính toán của các vật liệu dùng trong liên kết;
- Xác định nội lực tại liên kết;
- Xác định đặc trưng hình h�c đư�ng hàn;
- Kiểm tra b�n đư�ng hàn;
Trình tự giải:
a) Cư�ng độ tính toán của các vật liệu (Phụ lục A, B, bảng 4.5)

d) Kiểm tra b�n đư�ng hàn

Kết luận: mối hàn giữa conson và cột đảm bảo độ b�n.