Đồ án Môn học kết cấu hàn

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ hàn cũng phát triển không ngừng, đóng góp tích cực vào quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước. Với hơn 130 phương pháp hàn khác nhau, công nghệ hàn cho phép kết nối nhiều loại vật liệu từ đơn giản đến phức tạp, các vật liệu cùng bản chất đến các kim loại có bản chất khác nhau... Việc ứng dụng hàn đã trở nên phổ biến trong nhiều mặt của đời sống, đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao. Cũng chính vì vậy, công việc của các kỹ sư hàn ngày càng trở nên quan trọng hơn, đòi hỏi các sản phẩm không những đủ yêu cầu về mặt kỹ thuật như độ cứng vững, độ bền... mà còn đòi hỏi cao về mặt kinh tế, thẩm mỹ như: kết cấu đơn giản nhỏ gọn, lắp đặt nhanh chóng, chất lượng cao và giá thành hạ nhất... Nhằm giúp sinh viên có thể vận dụng các kiến thức đã học vào trong thực tế, đồ án môn học “kết cấu hàn” ban đầu cho sinh viên có được những cái nhìn cơ bản về công việc tính toán, thiết kế, có khả năng làm chủ tư duy đã góp phần phục vụ đắc lực cho công việc sau này. Với đề tài: “Tính toán dầm cầu trục” đã giúp ích cho em rất nhiều. Sau một thời gian tìm hiểu, em đã hoàn thành đồ án này. Do bước đầu thiết kế còn bỡ ngỡ đồ án chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy để bản đồ án được hoàn chỉnh hơn, em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, tháng 09 năm 2010 Sinh viên thực hiện: MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 DẦM 7 1.1.1. Khái niệm. 7 1.1.2. Phân loại. 7 1.1.3 Cách liên kết dầm. 8 1.2 CƠ CẤU NÂNG: 9 1.2.1 Khái niệm: 9 1.2.2 Phân loại: 9 1.2.3 Cấu tạo chung của cầu trục: 9 PHẦN II: PHÂN TÍCH DẠNG KẾT CẤU 11 2.1. Chọn vật liệu. 11 2.2 Chọn kiểu dầm: 12 2.3 Chọn xe con và cơ cấu nâng: 12 PHẦN III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 13 3.1. Tính toán thiết kế dầm cầu trục 13 3.1.1. Chọn dạng tiết diện dầm 13 3.1.2. Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ 15 3.2. Tính toán thiết kế dầm nhịp dọc 23 3.2.1. Chọn dạng tiết diện dầm 23 3.2.2. Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ 26 3.2.3. Kiểm tra độ võng của dầm với tiết diện đã chọn 28 3.3. Tính toán thiết kế gối đỡ 29 3.3.1. Chọn dạng tiết diện gối đỡ. 29 3.3.2. Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ. 31 PHẦN IV. XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN 34 4.1 Phương pháp hàn và chế độ hàn. 34 4.2 Lựa chọn thiết bị, dụng cụ và vật liệu hàn. 40 4.3 Trình tự gá lắp và hàn đính. 40 4.4 Trình tự thực hiện các mối hàn trong kết cấu 40 4.5 Các khâu kiểm tra, giám sát trong quá trình chế tạo 41 PHẦN V: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 Dầm 1.1.1 KHÁI NIỆM: Dầm là kết cấu chịu uốn có bản bung đặc, là kết cấu cơ bản trong xây dựng và công nghiệp. Được dùng làm sàn nhà, dầm cầu, kết cấu chịu lực của các loại máy vận chuyển.... 1.1.2 PHÂN LOẠI: a. Theo cấu tạo ta có: * Dầm định hình: - Dầm chữ I: Dùng trog uốn phẳng như sàn nhà, dầm cầu, dầm máy nâng chuyển. - Dầm chữ U: Tiết diện không đối xứng được dùng trong uốn xiên như xà gồ, dầm sườn tường, có 1 má phẳng nên dễ lien kết với các chi tiết khác. + Đặc điểm: Dễ chế tạo Liên kết đơn giản Dầm định hình Kích thước hạn chế Tốn kém do δb lớn hơn yêu cầu thiết kế. Để khắc phục dùng dầm dập từ thép bản mỏng. *Dầm tổ hợp -Dầm tổ hợp hàn chữ I: được cấu tạo gồm ba bản thép ghép lại bằng đường hàn góc. Hai bản nằm ngang – hai cánh dầm. Bản thẳng đứng – bản bụng. So với dầm đinh tán, ít tốn vật liệu và nhẹ hơn, chi phí cấu tạo ít hơn vì vậy chúng được sử dụng niều hơn. -Dầm tổ hợp đinh tán: Gồm 1 bản thép đặt đứng làm bản bụng, hai cánh dầm, mỗi cánh gồm hai thép góc chữ L và có thể them 1 hoặc hai bản thép nằm ngang gọi là bản đạy. Vì phải khoét lỗ nên tốn công chế tạo và hao phí vật liệu nhưng chịu lực tốt. Chúng được dùng khi chịu tải trọng lớn hoặc chịu tải trọng động. Đặc điểm dầm tổ hợp: Kích thước lớn. Tiết kiệm thép. Tốn công chế tạo. *Kết luận: - Nên dùng dầm định hình nếu về cấu tạo cho phép và đảm bảo cường độ, độ cứng, độ ổn định. - Dùng dầm tỏ hợp khi không thể dùng dầm hình như tải trọng lớn hoặc nhịp lớn. b. Theo sơ đồ kết cấu *Dầm đơn giản: Tốn vật liệu, chế tạo và dựng lắp đơn giản, chịu lực chính xác, không ảnh hưởng do nhiệt hay lún lệch. Được dùng nhiều trong xây dựng. *Dầm liên tục: Độ cứng lớn, tiết kiệm vật liệu, dựng lắp khó, nội lực thay đổi do nhiệt hay lún lệch. Được dùng khi dầm cần độ cứng lớn. *Dầm mút thừa: Tiết kiệm vật liệu. 1.1.3 CÁCH LIÊN KẾT DẦM. a. Liên kết chồng: Dầm nọ gác lên dầm kia. -Đơn giản, dễ lắp ghép. -Làm tăng chiều cao công trình. -Độ cứng vững và khả năng chịu lực không cao. Sàn làm việc như bản kê 2 cạnh. b. Liên kết cùng bản mặt: - Bố trí sao cho cánh trên của dầm có cùng độ cao. -Làm giảm được chiều cao xây dựng của hệ dầm. Có thể tăng chiểu cao dầm chính. - Toàn hệ dầm có độ ổn định lớn. - Sàn có độ cứng vững và khả năng chịu tải lớn nhờ làm việc như bản kê 4 cạnh. - Cấu tạo phức tạp hơn lien kết chồng, được dùng trong hệ dầm phổ thông. c. Liên kết thấp. - Các dầm phụ đặt thấp hơn dầm chính. Dầm sàn đặt cạnh bằng mặt với dầm chính. Có ưu điểm như lien kết bằng mặt nhưng phức tạp hơn nhiều. chỉ dùng cho hệ phức tạp. 1.2 CƠ CẤU NÂNG: 1.2.1 Khái niệm: Cầu trục là một loại máy nâng dùng sử dụng chủ yếu để nâng và di chuyển các vật nặng, xếp dỡ hàng hóa.... Trong công nghiệp nó được sử dụng ở các nhà máy lắp ráp chế tạo, trong các lò luyện kim. 1.2.2 Phân loại: Cầu trục được phân làm hai loại chính: cầu trục 1 dầm và cầu trục hai dầm: + Cầu trục 1 dầm: bao gồm có kiểu treo và kiểu tựa. Cầu trục kiểu treo + Cầu trục hai dầm cũng có kiểu tựa và treo: Cầu trục hai dầm kiểu tựa. 1.2.3 Cấu tạo chung của cầu trục: Cầu trục có nhiều dạng khác nhau nhưng nhìn chung có các bộ phận chính sau: - Động cơ: Trong máy trục sử dụng ba loại động cơ như động cơ đốt trong, động cơ khí nén, động cơ điện. + Đông cơ đốt trong thích hợp với những máy di động nhiều, hoạt động độc lập, không theo quy luật nhất định và xa nguồn điện. + Động cơ khí nén thường được sử dụng trong những máy cố định hay máy công cụ như máy đóng cọc, máy khoan, máy phun vôi... + Động cơ điện là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong cầu trục vì phù hợp với tính chất làm việc của cầu trục (cố định, di chuyển ngắn theo một quỹ đạo nhất định) và có công suất cao, gọn nhẹ, chịu tải tốt, thay đổi tốc độ nhanh và dễ tự động hóa..... - Hệ thống truyền động; Có rất nhiều kiểu chuyển động như truyền động dầu ép khí nén, truyền động điện, truyền động hỗn hợp, truyền động cơ khí. Tuy nhiên trong cầu trục thường sử dụng cầu trục cơ khí vì dễ chế tạo và an toàn cao. - Cơ cấu công tác. - Cơ cấu quay. - Cơ cấu di chuyển: Thường di chuyển bằng bánh xe và ray. - Hệ thống điều khiển: Sử dụng để tắt mở hoạt động của các cơ cấu. - Khung bệ. - Các thiết bị phụ. Để dễ dàng trong thiết kế, người ta chia cầu trục ra làm ba cơ cấu chính: Cơ cấu nâng vật, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển cầu. PHẦN II: PHÂN TÍCH DẠNG KẾT CẤU 2.1. Chọn vật liệu - Kết cấu hàn là tổ hợp của nhiều chi tiết mà trong đó mỗi chi tiết có chức năng và điều kiện làm việc không giống nhau. Do đó phải căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết để lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản sao cho hợp lý. Vừa phải đảm bảo chất lượng năng suất và giá thành chế tạo kết cấu. Nói cách khác là vật liệu phải đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật. - Mặc dù các chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau song đều được chế tạo từ vật liệu kim loại thanh thép . Qua gia công cơ khí sau đó đem hàn lại thành “Kết cấu cầu dẫn” . Là kết cấu tấm được chết tạo sao cho đảm bảo chỉ tiêu về cơ tính , độ tin cậy cao khi làm việc . - Vì vậy để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn , giá thành lại phù hợp ta chọn vật liệu là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC Nga ГOG380-71) . Bởi vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường , nó vừa đảm bảo tính kính tế cũng như đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi làm việc. - Thép CT38 là loại thép cacbon chất lượng thường. Là loại thép mềm dẻo, độ cứng thấp , hiệu quả tôi và ram không cao . Được dùng để chế tạo các chi tiết trong kết cấu nhưng qua gia công nóng . Do đó nó tính hàn tốt . Khi hàn không cần phải dùng các công nghệ đặc biệt . - Thành phần hoá học của thép CT38 theo bảng (1-III) trang 219 sách (HDTKĐA) Nhãn hiệu thép Thành phần hoá học C Mn Si P S CT38 0,12¸0,23 0,4¸ 0,65 0,15¸0,3 <0,045 <0,045 Bảng 1: Thành phần hóa học của thép CT38 Bảng 2: Cơ tính của thép CT38 Kí hiệu mác thép Độ bền sk (N/mm2) Giới hạn chảy sc (N/mm2) CT38 380¸ 490 240 Chọn vật liệu là thép CT38 có : 2.2 Chọn kiểu dầm: - Đối với cơ cấu nâng, khoảng cách nhịp dầm lớn, vì vậy nên dùng tổ hợp hàn cho phép đảm bảo cường độ, độ cứng, độ ổn định. - Dùng dầm hộp tổ hợp hàn do khả năng chịu uốn tốt, chịu xoắn tốt, ít tốn vật liệu nên nhẹ hơn, chi phí cấu tạo ít hơn. - Chọn dầm liền 1 nhịp để dảm bảo khả năng làm việc cho cơ cấu nâng. => Vậy: chọn dầm chính là dầm hộp tổ hợp hàn và dầm nhịp dọc là dầm tổ hợp hàn chữ I do tính kinh tế và công nghệ của nó. 2.3 Chọn xe con và cơ cấu nâng: Chọn cơ cấu này theo tiêu chuẩn. Trọng lượng xe và cơ cấu = 3000 kg. Xe con và chứa cơ cấu nâng được đặt trên dầm chính (gồm hai dầm hộp). PHẦN III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1. Tính toán thiết kế dầm cầu trục 3.1.1. Chọn dạng tiết diện dầm Dầm là loại cấu kiện cơ bản chịu uốn lớn nhất ở giữa dầm và chịu cắt lớn nhất ở đầu dầm, ngoài ra dầm còn có thể chịu momel xoắn. Do dầm có nhịp l=12 m nên ta chọn dầm là dầm hộp tổ hợp hàn vì nó có khả năng chống uốn và khả năng chống xoắn tương đối tốt. Chọn vật liệu chế tạo dầm là thép CT38 Chọn hệ số an toàn n=1.4 Sơ lược tải trọng tác dụng lên dầm: Khối lượng vật nâng: 18 tấn = 18000 kg Khối lượng cơ cấu nâng: giả sử là 3000 kg Hệ số tin cậy của tải trọng: γp = 1.2 Xác định chiều cao tiết diện dầm Chiều cao tiết diện dầm là thông số cơ bản khi thiết kế dầm. chiều cao tiết diện vừa phải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độ võng giới hạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại không bị khống chế bởi yêu cầu công nghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế. gọi h là chiều cao tiết diện dầm, cần chọn h thỏa mãn điều kiện sau: h = (÷ )*l = (÷ )*12000 = 667 ÷ 857 mm Ta chọn h = 800 mm Chiều dài đoạn vát nghiêng và đầu dầm: C = (0.10.2)*l = (0.10.2)*12000 = 1200 2400 mm. Lấy C = 1800 mm Kích thước các đoạn dầm Khi đó : Chiều cao của dầm ở tiết diện gối tựa : h1 = (0.4÷0.6)*h = (0.4÷0.6)*800 = 320÷480 mm; Chọn h1 = 400 mm Chiều rộng thanh biên trên : b = (0.33 0.5)*h = 264 400 mm; Lấy b = 320 mm ; Để bảo đảm độ cứng của dầm thì bề rộng b’ giữa các thành đứng lấy bằng : b’ = mm Lấy b’ = 260 mm Thanh biên trên của dầm dùng thép tấm dày δ1=8mm, thanh biên dưới δ2=6mm, chiều dày thành đứng δ3=6mm Từ các kích thước trên ta có thể xác định được sơ bộ kích thước tiết diện ngang của dầm cầu trục như hình vẽ: (a) (b) Kích thước tiết diện dầm chính: tiết diện giữa dầm (a), đầu dầm (b) Gọi thể tích của dầm cầu trục là V thì : V = 2V1 + 2V2 + V3 Trong đó : + Thể tích phần tiết diện lớn nhất dầm (phần có chiều dài 8,4 m): V3 = 320*8400*(8+6) + 2.786.6.8400 = 116860800 mm3 + Thể tích phần tiết diện vát dầm (phần có chiều dài 1.4m): V2 = 1400.400.8+320.6.+1400.6.(386+786) = 17082123 mm3 + Thể tích phần đầu dầm (phần có chiều dài 0.4 m): V1 = (8+6).400.320+400.6.2.386=3644800 mm3 Vậy thể tích của dầm cầu trục là : V = 116860800+2.17082123 +2.3644800 = 158314646 mm3 =158315 cm3 Khối lượng của dầm : Qdc = 7,85.10-3.158315 = 1243 kg Lực phân bố đều trên dầm: (để thuận tiện cho việc tính toán, ta giả thiết rằng trọng lượng dầm phân bố đều trên toàn bộ chiều dài dầm). q = = = 1,04 kg/cm Momel uốn tại tiết diện giữa dầm do lực phân bố đều gây ra: Mq= = = 187200 kg.cm Momel lớn nhất tại tiết diện giữa dầm (chỉ xét đến tải trọng vật nâng và cơ cấu nâng, với giả thiết rằng trọng lượng vật nâng và cơ cấu nâng chia đều cho hai dầm và không xét đến khoảng cách giữa các bánh xe trên xe con). MQ = = = 1980000 kg.cm Trong đó: Q = (Qvn + Qxe)*gp/2 = (8000 + 3000)*1.2/2 = 6600 kg gp – hệ số vượt tải, lấy gp = 1.2 Momel uốn tổng hợp tại tiết diện giữa dầm Mx = Mq + MQ= 187200 + 1980000 = 2167200 kg.cm 3.1.2. Kiểm tra tiết diện dầm a, Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ Ứng suất cho phép trong kết cấu là: [s] = = = 171.4 N/mm2 = 1714 kg/cm2. [τc] = 0.6[sc] = 0.6*240=144 N/mm2 = 1440 kg/cm2 Tính toán lại các đặc trưng hình học của tiết diện dầm Ix – momel quán tính của tiết diện dầm, Ix = (+ δ1*b*z12) +(+ δ2*b*z22) +2*= =(+ 25*0.8*28.2762)+(+ 25*0.6*310.242)+2*= 50553 cm4 Wx – Momel kháng uốn của tiết diện dầm với trục trung hòa x-x Wx = = = 1614 cm3 Momel tĩnh của nửa tiết diện dầm đối với trục trung hòa x-x Sx= 250*8*282.76+2*6*278.762/2 = 1031763 mm3 = 1032cm3 Xác định tải trọng tác dụng lên hai đầu dầm Sơ đồ tải trọng tác dụng trên dầm chính ΣFy= 0 ó YA + YB – Q - Qd = 0 ó YA + YB = Q + Qd = 6600 +780 = 7380 (1) ΣM(F,A) = 0 ó YB * l – ( Q + Qd )* = 0 ó YB = ( Q + Qd )* = 7380 * = 3690 (2) Từ (1) và (2) =>YA = YB = 3690 kg Tại hai đầu dầm, áp lực là lớn nhất, Vmax = YA = YB = 3690 kg. Tại mặt cắt giữa dầm có lực cắt VC = YA - = 3690 – = 3300 kg Ứng suất pháp lớn nhất tại thớ ngoài cùng của tiết diện này: sC = = = 11038 kg/cm2 Ta thấy, su << [σ] = 1714 kg/cm2 do đó quá thừa bền, gây lãng phí, vậy cần chọn lại kích thước tiết diện dầm chính. Chọn lại kích thước tiết diện dầm: Chiều cao tiết diện dầm, h: h = (÷ )*l = (÷ )*10000 = 550 ÷ 714 mm Ta chọn h = 550 mm Chiều dài đoạn vát nghiêng và đầu dầm: C = (0.10.2)*l = (0.10.2)*10000 = 1000 2000 mm. Lấy C = 1500 mm; Khi đó : Chiều cao của dầm ở tiết diện gối tựa : h1 = (0.4÷0.6)*h = 220÷330 mm;Lấy h1 = 250 mm Chiều rộng thanh biên trên : b = (0.33 0.5)*h = 165 275 mm; Lấy b = 250 mm Để đảm bảo độ cứng của dầm ,thì bề rộng b’ giữa các thành đứng lấy bằng : b’ = mm; Lấy b’ = 210 mm Thanh biên trên của dầm dùng thép tấm dày δ1=8mm, thanh biên dưới δ2=6mm, chiều dày thành đứng δ3=6mm Từ các kích thước trên ta có thể xác định được sơ bộ kích thước các đoạn và tiết diện ngang của dầm cầu trục như hình vẽ: Kích thước các đoạn dầm theo chiều dài (a) (b) Kích thước tiết diện dầm chính: tiết diện giữa dầm (a), đầu dầm (b) Gọi thể tích của dầm cầu trục là V thì : V = 2V1 + 2V2 + V3 Trong đó : + Thể tích phần tiết diện lớn nhất dầm (phần có chiều dài 6m): V3 = 250*7000*(8+6) + 2.536.6.7000 = 69524000 mm3 + Thể tích phần tiết diện vát dầm (phần có chiều dài 1.2m): V2 = 1200.250.8+250.6.+1200.6.(286+586) = 9797048 mm3 + Thể tích phần đầu dầm (phần có chiều dài 0.3m): V1 = (8+6).300.250+300.6.2.286=1899600 mm3 Vậy thể tích của dầm cầu trục là : V = 69524000+2*9797048 + 2*1899600 = 92917295 mm3 = 92920 cm3 Khối lượng của dầm : Qdc = 7,85.10-3.92920 = 730 kg- Lực phân bố đều trên dầm: (để thuận tiện cho việc tính toán, ta giả thiết rằng trọng lượng dầm phân bố đều trên toàn bộ chiều dài dầm). q = = = 0.73 kg/cm Momel uốn tại tiết diện giữa dầm do lực phân bố đều gây ra: Mq= = = 91250 kg.cm Momel lớn nhất tại tiết diện giữa dầm (chỉ xét đến tải trọng vật nâng và cơ cấu nâng, với giả thiết rằng trọng lượng vật nâng và cơ cấu nâng chia đều cho hai dầm và không xét đến khoảng cách giữa các bánh xe trên xe con). MQ = = = 1650000 kg.cm Trong đó: + Q = (Qvn + Qxe)*gp/2 = (8000 + 3000)*1.2/2 = 6600 kg + gp – hệ số vượt tải, lấy gp = 1.2 Momel uốn tổng hợp tại tiết diện giữa dầm Mx = Mq + MQ= 91250 + 1650000 = 1714250 kg.cm 3.1.3. Kiểm tra tiết diện dầm a, Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ Ứng suất cho phép trong kết cấu là: [s] = = = 171.4 N/mm2 = 1714 kg/cm2. [τc] = 0.6[sc] = 0.6*240=144 N/mm2 = 1440 kg/cm2 Tính toán lại các đặc trưng hình học của tiết diện dầm Ix – momel quán tính của tiết diện dầm, Ix = (+ δ1*b*z12) +(+ δ2*b*z22) +2*= =(+25*0.8*25.8162)+(+25*0.6*28.4842)+2*= 40900 cm4 Wx – Momel kháng uốn của tiết diện dầm với trục trung hòa x-x Wx = = = 1420 cm3 Momel tĩnh của nửa tiết diện dầm đối với trục trung hòa x-x Sx= 250*8*258.16+2*6*254.162/2 = 903904 mm3 = 904 cm3 Xác định tải trọng tác dụng lên hai đầu dầm Sơ đồ tải trọng tác dụng trên dầm chính ΣFy= 0 ó YA + YB – Q - Qd = 0 ó YA + YB = Q + Qd = 6600 +730 = 7330 (1) ΣM(F,A) = 0 ó YB * l – ( Q + Qd )* = 0 ó YB = ( Q + Qd )* = 7330 * = 3665 (2) Từ (1) và (2) =>YA = YB = 3665 kg Tại hai đầu dầm, áp lực là lớn nhất, Vmax = YA = YB = 3665 kg. Tại mặt cắt giữa dầm có lực cắt VC = YA - = 3665 – = 3300 kg Ứng suất pháp lớn nhất tại thớ ngoài cùng của tiết diện này: su = = = 1264 kg/cm2 Ứng suất tiếp lớn nhất tại bản bụng của tiết diện này: τc = = = 61 kg/cm2 Ứng suất tương đương tại mặt cắt giữa dầm: Kiểm nghiệm theo thuyết bền thế năng biến dạng đàn hồi (thuyết bền 3) stđ = ≤ [s] stđ == 1270 kg/cm2 ≤ [s] = 1714 kg/cm2 Do đó, điều kiện bền uốn tại tiết diện giữa dầm được thỏa mãn Tại tiết diện đầu dầm: τc = Trong đó: - Vmax – lực cắt tại tiết diện đầu dầm, Vmax = 3665 kg; - I1-momel quán tính của tiết diện đầu dầm đối với trục trung hòa. Tính toán một cách tương tự như với tiết diện giữa dầm ta có: I1 = 6400 cm4 - S1-momel tĩnh của tiết diện đầu dầm đối với trục trung hòa; Tính toán một cách tương tự như với tiết diện giữa dầm ta có: S1=295 cm3 τc = = 140 kg/cm2 Nhận thấy τc =140 kg/cm2 << [τc]= 1440 kg/cm2 Do đó, điều kiện bền cắt tại tiết diện đầu dầm thỏa mãn. Trên thực tế, trường hợp này là thừa bền khá nhiều, nhưng do chiều cao h của dầm bị khống chế bởi điều kiện h = (÷)*l, do đó không thể giảm chiều cao h được nữa. chính vì vậy ta có thể chọn h = 550 mm. b, Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện độ võng Độ võng tương đối cho phép = Xác định độ võng lớn nhất của dầm - Theo nguyên lý độc lập tác dụng, ta xác định độ võng của dầm dưới tác dụng lần lượt của tải trọng vật nâng và dưới tác dụng của tự trọng dầm. + Độ võng lớn nhất của dầm dưới tác dụng của tải trọng vật nâng (gồm vật nâng và cơ cấu nâng). ΔQ = Trong đó:+ EJ – độ cứng chống uốn của kết cấu dầm + E – module đàn hồi của vật liệu, E = 2.1*105 N/mm2 = 2.1*106 kg/cm2 J–momel quán tính của tiết diện nguyên lấy đối với trục trung hòa, J=Ix= 40900 cm4 ΔQ = = 1.60 cm Độ võng lớn nhất của dầm dưới tác dụng của tự trọng dầm. ΔQd = = = 0.1 cm Δ = ΔQ + ΔQd = 1.6 + 0.1 = 1.7 cm Ta thấy = < = Do đó, dầm với các kích thước đã chọn thỏa mãn điều kiện độ võng. c, Xác định kích thước gân tăng cứng cho dầm hộp. Qua kiểm nghiệm độ bền và kiểm nghiệm độ võng của dầm, ta thấy các điều kiện trên đều thỏa mãn. Song, nhằm tránh khả năng mất ổn định cục bộ bản bụng dầm, ta sử dụng các gân tăng cứng được hàn vào bản bụng dầm theo chiều cao bản bụng. Sử dụng gân tăng cứng làm từ vật liệu thép CT38. Với các kích thước tương ứng với các đoạn dầm có các tiết diện có kích thước khác nhau. Với tiết diện giữa dầm, dùng gân tăng cứng M1 có chiều cao bằng chiều cao bản bụng dầm, chiều rộng bằng khoảng cách b’ giữa hai bản bụng. Lấy chiều dày tấm bằng chiều dày bản bụng để quá trình hàn gân vào bản bụng được thuận lợi. Khoảng cách giữa các gân được bố trí đều trên chiều dài 7m của phần có tiết diện lớn nhất với giá trị a thỏa mãn điều kiện a ≤ 2h0. Tức là các gân cách nhau một khoảng 70cm. Do đó trên chiều dài 7m của phần có tiết diện lớn nhất sẽ có 11 gân. Ngoài các gân tăng cứng chính (có chiều cao bằng chiều cao bản bụng) thì còn bố trí các gân tăng cứng phụ M2 (chiều cao xác định là b1 ³ 0.3h0. Các gân phụ cách nhau một khoảng a1 lấy bằng 35 cm. Với tiết diện đầu dầm, dùng gân tăng cứng M3 có chiều cao bằng chiều cao bản bụng tại tiết diện đầu dầm, chiều rộng bằng khoảng cách b’ giữa hai bản bụng. Lấy chiều dày tấm bằng chiều dày bản bụng. Tóm lại, ta có bảng thông số kích thước gân tăng cứng như sau: Bảng 3: Thông số kích thước gân tăng cứng. Gân /thông số Chiều cao (mm) Chiều rộng (mm) Chiều dày (mm) Vát mép (mm) M1 536 210 6 20x20 M2 236 210 6 10x10 M3 180 210 6 10x10 Hình dạng và kích thước gân tăng cứng Từ các tính toán trên, ta xây dựng được biểu đồ lực cắt và biểu đồ momel uốn như sau: Biểu đồ lực cắt và biểu đồ momel uốn của dầm chính Bảng 4: Các thông số kích thước dầm chính: Tiết diện Thông số Chiều cao Chiều rộng Chiều dày Khoảng cách các bụng Tổng Bụng Cánh trên Cánh dưới Cánh trên Cánh dưới Bụng Đầu dầm 250 236 250 250 8 6 6 210 Giữa dầm 550 536 250 250 8 6 6 210 ` 3.2. Tính toán thiết kế dầm dọc nhịp 3.2.1. Chọn dạng tiết diện dầm Dầm là loại cấu kiện cơ bản chịu uốn lớn nhất ở giữa dầm và chịu cắt lớn nhất ở đầu dầm. Do dầm có nhịp l=7m nên ta chọn dầm là dầm tổ hợp hàn chữ I vì nó nhẹ, ít tốn vật liệu, chi phí chế tạo rẻ. Chọn vật liệu chế tạo dầm là thép CT38 Chọn hệ số an toàn n=1.3 - Sơ lược tải trọng tác dụng lên dầm: + Áp lực bánh xe trên dầm chính tác dụng lên dầm nhịp dọc (được tính toán sau). + Khoảng cách giữa các bánh xe trên dầm cuối lấy bằng 1.5m (a=1.5m). + Hệ số tin cậy của tải trọng: γp = 1.2 Xác định chiều cao tiết diện dầm Chiều cao tiết diện dầm là thông số cơ bản khi thiết kế dầm. Chiều cao tiết diện vừa phải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độ võng giới hạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại không bị khống chế bởi yêu cầu công nghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế. Gọi h là chiều cao tiết diện dầm, cần chọn h thỏa mãn điều kiện sau: hmin ≤ h ≤ hmax Trong đó: hmin – chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng trong suốt quá trình sử dụng. hmax – chiều cao lớn nhất có thể của dầm, được quy định trong nhiệm vụ thiết kế, chính là khoảng cách cho phép đủ để bố trí hệ dầm và bản sàn. Theo công thức (3.13), [1], ta có: hmin = Trong đó: + f – Cường độ tính toán chịu kéo của thép làm bản sàn. Tra trong bảng (I.1 và I.2 – phụ lục), [1]: f = 230 N/mm2 = 2300 kg/cm2 ; + l – chiều dài dầm, l = 7m = 700cm; + E – module đàn hồi của vật liệu, E = 2,1.105 N/mm2; + Δ – độ võng của dầm; + – giá trị độ võng cho phép của dầm, = ; + γtb – hệ số vượt tải trung bình, chọn γtb = 1,2; hmin = = 532.4 mm = 53.2 cm; Giả thiết chọn h » hmin, sử dụng công thức kinh nghiệm để xác định chiều dày bản bụng dầm theo công thức: tw = 7 + = 7 + = 8.59 mm Để tính hkt, sơ bộ chọn tw = 10mm = 1cm; Momel lớn nhất tại tiết diện giữa dầm (chỉ xét đến áp lực từ bánh xe đỡ dầm chính tác động lên) khi hai bánh xe của dầm cuối ở vị trí đối xứng qua tiết diện giữa dầm dọc nhịp và xe con ở vị trí đầu dầm chính). QS = (Qvn + Qxe)*gp +2* +Qc = = (8000 + 3000)*1.2 + 2*+2000 = 15930 kG Trong đó: QS - tải trọng do hai bánh xe trên dầm cuối tác dụng lên dầm dọc nhịp; Qvn – tải trọng vật nâng, Qvn= 8000 kG; Qxe- trọng lượng xe con và cơ cấu nâng, Qxe = 3000 kG; Qc – trọng lượng dầm cuối và cơ cấu di chuyển dầm chính. gp – hệ số tin cậy của tải trọng, gp = 1.2; Qdc – trọng lượng dầm chính, Qdc = 730 kG (tính trong phần 3.1); Qc – trọng lượng dầm cuối và cơ cấu di chuyển dầm cuối, giả sử Qc = 2000 kg Do đó, áp lực do một bánh xe sẽ có giá trị là: Q===7965 kg. Mmax = = = 2190375 kG.cm Momel kháng uốn cần thiết: W = = = 1000cm3 Từ các số liệu trên ta tính được chiều cao kinh tế: hkt = 3= 3= 42.17 cm với lw - độ mảnh của bản bụng dầm, lấy lw = 50 Khi thiết kế, có thể lấy chiều cao dầm h sai khác so với chiều cao hkt tính được trong công thức trên khoảng 20% vẫn đảm bảo yêu cầu kinh tế trong thiết kế dầm. Do đó, ta chọn h = 45 cm; Gần đúng coi rằng, tại tiết diện đầu dầm chỉ có riêng bản bụng dầm chịu lực cắt Vmax. Xác định lực cắt lớn nhất tại tiết diện đầu dầm. Vmax = Q=7965 kG Cường độ chịu cắt fv = = = 1325.7 kg/cm2 Giả thiết chiều dày cánh dầm: tf = 12mm, hw = h – 2*tf = 450 – 2*12 =426 mm Từ đó xác định được chiều dày cần thiết của vật liệu làm bụng dầm, theo công thức: tw = = *= 1.23 cm; Ta chọn chiều dày bản bụng tw = 1cm Xác định tiết diện cánh dầm theo công thức: bftf = -= -=15.62 cm2 Chiều dày bản cánh đã chọn là tf = 1.2 cm nên ta có chiều rộng bản cánh là: bf = 15.62/1.2 = 12.98 cm Lưu ý rằng, tải trọng uốn dùng để tính ra tiết diện yêu cầu trên đây chưa kể đến trọng lượng bản thân dầm và các yếu tố khác có thể tác động đến kết cấu khi làm việc, nếu kể đến yếu tố này thì tiết diện dầm sẽ lớn hơn. Vì vậy ta chọn chiều rộng cánh dầm bf = 20 cm. Tỷ số = =16.7 < 30, điều kiện ổn định cục bộ bản cánh sẽ dễ dàng thỏa mãn. Tiết diện dầm với các kích thước cụ thể được trình bày như trên hình vẽ. Chiều cao dầm: h = 450 mm Chiều cao bản bụng dầm: hw = 426 mm Chiều dày bản bụng: tw = 10mm Chiều rộng bản cánh: bf = 200mm Chiều dày bản cánh: tf = 12 mm Các thông số hình học của tiết diện dầm dọc nhịp 3.2.2. Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ Ứng suất cho phép của vật liệu làm kết cấu: [s] = = =184.6 N/mm2 = 1846 kg/cm2. [τc] = 0.6[sc] = 0.6*240=144 N/mm2 = 1440 kg/cm2 Tính toán lại các đặc trưng hình học của tiết diện dầm Diện tích tiết diện: A = Aw + 2*Af = 1*42.6 + 2*1.2*20 = 90.6 cm2 Khối lượng dầm: Qd = A*l*γp = 90.6*700*7.85*10-3 = 500 kg Khối lượng phân bố trên một đơn vị chiều dài dầm (chỉ xét đến tự trọng dầm): q = = = 0.7 kg/cm Ix – momel quán tính của tiết diện dầm, Ix =2*(+bf*tf*z2)+= 2*(+20*1.2*21.92)+ =29470 cm4 Wx – Momel kháng uốn của tiết diện dầm với trục trung hòa x-x Wx = = = 1310 cm3 Momel tĩnh của một nửa tiết diện dầm đối với trục trung hòa x-x Sx = Sw + Sf = tw + bftf = 1*+ 20*1.2* = 753 cm3 a, Kiểm tra điều kiện cường độ Khảo sát tất cả các trường hợp tải trọng tác dụng lên dầm ( tương ứng với vị trí của xe con trên dầm), ta thấy rằng khi xe con tại vị trí đầu dầm chính và dầm cuối ở vị trí chính giữa dầm dọc nhịp thì sẽ gây ra trên dầm dọc nhịp momel uốn lớn nhất. Do đó ta sẽ kiểm tra đối với trường hợp mà ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên dầm là nguy hiểm nhất này. Sơ đồ phân bố tải trọng trên dầm dọc nhịp Momel lớn nhất: Mmax = YA* - (Qd* +Q*) Trong đó: - YA – tải trọng tác dụng lên hai đầu dầm Xác định tải trọng tác dụng lên hai đầu dầm ΣFx= 0 ó XA = 0 ΣFy= 0 ó YA + YB – Q - Qd = 0 ó YA + YB = 2Q + Qd = 15930 +500 = 16430 (1) ΣM(F,A) = 0 ó YB * l – Q(+) - Qd = 0 ó YB = Q + = 7965 + = 8215 (2) Từ (1) và (2) =>YA = YB = 8215 kg Do đó, tại mặt cắt giữa dầm: momel uốn là lớn nhất: Mmax = YA* - (Qd* +Q*)= 8215*350 –(500*+7965*) = 2234125 kg.cm Momel taị vị trí đặt bánh xe có độ lớn gần bằng momel tại tiết diện giữa dầm: MD = YA*-q*= 8215*- 0.7*=2232660 kg.cm Tại hai đầu dầm, áp lực là lớn nhất, Vmax = YA = YB = 8215 kG. Tại mặt cắt giữa dầm có lực cắt VC = YA - -Q = 8215 – - 7965 = 0 kG Biểu đồ lực cắt và biểu đồ momel của dầm dọc nhịp Ứng suất pháp lớn nhất tại thớ ngoài cùng của tiết diện này: sC = = = 1706 kG/cm2 Ta thấy, sC ≤ [s] nên thỏa mãn điều kiện bền uốn. Tại tiết diện đặt bánh xe trên dầm cuối s D = = = 1704 kG/cm2 τD = = = 204 kg/cm2 Do đó, ứng suất tương đương: stđ D = = = 1752 kg/cm2 Ta thấy, stđ D thỏa mãn điều kiện bền. Tại tiết diện đầu dầm τA = = = 210 kg/cm2 Ta thấy, τA < [τc]= 1440 kg/cm2 nên tiết diện đầu dầm thỏa mãn điều kiện bền cắt. KẾT LUẬN: Vậy, dầm với các kích thước đã chọn thỏa mãn điều kiện cường độ. 3.2.3. Kiểm tra độ võng của dầm với tiết diện đã chọn Độ võng tương đối cho phép = Xác định độ võng lớn nhất của dầm Theo nguyên lý độc lập tác dụng, ta xác định độ võng của dầm dưới tác dụng lần lượt của tải trọng vật nâng và dưới tác dụng của tự trọng dầm. Độ võng lớn nhất của dầm dưới tác dụng của tải trọng vật nâng (gồm vật nâng và cơ cấu nâng). Một cách gần đúng, ta tính cho trường hợp tải trọng đặt lên dầm dọc nhịp là tải tập trung. ΔQ = Trong đó: EJ – độ cứng chống uốn của kết cấu dầm E – module đàn hồi của vật liệu, E = 2.1*105 N/mm2 J – momel quán tính của tiết diện nguyên lấy đối với trục trung hòa, J = Ix = 29469.4 cm4 Þ ΔQ = = 1.63 cm Độ võng lớn nhất của dầm dưới tác dụng của tự trọng dầm. ΔQd = = = 0.034 cm Δ = ΔQ + ΔQd = 1.63 + 0.03 = 1.66 cm Ta thấy = < = Kết luận: Dầm với các kích thước đã chọn thỏa mãn điều kiện độ võng. Tổng kết, ta có bảng thông số kích thước dầm dọc nhịp Bảng 4: Các thông số kích thước dầm dọc nhịp (mm): Thông số Chiều cao Chiều rộng Chiều dày Tổng Bản bụng Cánh trên Cánh dưới Cánh trên Cánh dưới Bản bụng Kích thước (mm) 450 426 200 200 12 12 10 ` 3.3. Tính toán thiết kế gối đỡ 3.3.1. Chọn dạng tiết diện gối đỡ Vì gối đỡ được bắt cố định vào gối đỡ có thể coi tải trọng tác dụng lên gối đỡ là tải trọng tập trung Q. Trong quá trình làm việc tải trọng Q = 8 tấn có thể thay đổi vị trí trên dầm cầu trục, dầm cầu trục di chuyển trên dầm dọc nhịp. Nên tải trọng lớn nhất có thể tác dụng lên gối đỡ chính là phản lực lớn nhất tại đầu dầm dọc nhịp YC max. Do dầm có nhịp l=0.5m nên ta chọn dầm là dầm tổ hợp hàn chữ I vì nó có khả năng chống uốn tốt, nhẹ, ít tốn vật liệu, chi phí chế tạo rẻ. Chọn vật liệu chế tạo dầm là thép CT38 Chọn hệ số an toàn n=1.5 Xác định chiều cao tiết diện dầm làm gối đỡ. Chiều cao tiết diện gối đỡ là thông số cơ bản khi thiết kế gối đỡ, chiều cao tiết diện vừa phải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độ võng giới hạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại không bị khống chế bởi yêu cầu công nghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế. gọi h là chiều cao tiết diện dầm, cần chọn h thỏa mãn điều kiện sau: hmin ≤ h ≤ hmax Trong đó: hmin – chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng trong suốt quá trình sử dụng. hmax – chiều cao lớn nhất có thể của dầm, được quy định trong nhiệm vụ thiết kế, chính là khoảng cách cho phép đủ để bố trí hệ dầm và bản sàn. Theo công thức (3.13), [1], ta có: hmin = Trong đó: + f – cường độ tính toán chịu kéo của thép làm bản sàn. Tra trong bảng (I.1 và I.2 – phụ lục), [1]: f = 230 N/mm2, + l – chiều dài gối đỡ, l = 0.3 m, + E – module đàn hồi của vật liệu, E = 2,1.105 N/mm2, + Δ – độ võng của dầm, + – giá trị độ võng tương đương của dầm, = , + γtb – hệ số vượt tải trung bình, chọn γtb = 1,2 hmin = = 228 mm = 22.8 cm. Giả thiết chọn h » hmin, sử dụng công thức kinh nghiệm để xác định chiều dày bản bụng dầm theo công thức: tw = 7 + = 7 + = 7.68 mm Để tính hkt, sơ bộ chọn tw = 8 mm = 0.8 cm; Momel lớn nhất tại tiết diện ở vị trí ngàm vào cột (chỉ xét đến áp lực từ dầm dọc tác động lên). Q = QS+Qdc+Qdd=15930+500=16430 kg Trong đó: + QS - trọng lượng vật nâng, cơ cấu nâng, xe con, dầm chính, dầm cuối, cơ cấu di chuyển dầm chính, QS = 15930 kg. +Qdd – trọng lượng dầm dọc nhịp, Qdp = 500 kg (tính trong phần 3.2) Mmax = Q*z= 16430*30 = 492900 kg.cm Momel kháng uốn cần thiết: W = = = 226 cm3 Từ các số liệu trên ta tính được chiều cao kinh tế: hkt = 3= 3= 21.66 cm Ta chọn h = 20 cm Chọn chiều dày bản bụng dầm: Gần đúng coi rằng, tại tiết diện đầu gối đỡ chỉ có riêng bản bụng dầm chịu lực cắt Vmax. Trên toàn bộ chiều dài gối đỡ từ vị trí đặt lực vào ngàm, coi lực cắt là không đổi. V = Q = 16430 kg Cường độ chịu cắt fv = 0.58*fy/ gM = 0.58*2400/1.05 = 1325.7 kG/cm2 Giả thiết chiều dày cánh dầm: tf = 12 mm, hw = h – 2*tf = 200 – 2*12 = 176 mm Từ đó xác định được chiều dày cần thiết của vật liệu làm bụng dầm, theo công thức: tw = = = 1.06 cm Ta chọn chiều dày bản bụng tw = 1 cm Xác định tiết diện cánh dầm theo công thức: bftf = -= -= 9.18 cm2 Chiều dày bản cánh đã chọn là tf = 1.2 cm nên ta có chiều rộng bản cánh là: bf = = 7.65 cm Lưu ý rằng, trong quá trình làm việc có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến kết cấu mà ta chưa xét đến, nếu kể đến yếu tố này thì tiết diện dầm sẽ lớn hơn. Vì vậy ta chọn chiều rộng cánh dầm bf = 15 cm. Tỷ số = =12.5 < 30, điều kiện ổn định cục bộ bản cánh sẽ dễ dàng thỏa mãn. Tiết diện dầm với các kích thước cụ thể được trình bày như trên hình vẽ. Ta có kích thước sơ bộ của dầm làm gối đỡ Kích thước bản bụng hw = 176 mm; tw = 10 mm; Kích thước bản cánh tf = 12 mm; bf = 150 mm; Các thông số hình học của gối đỡ 3.3.2. Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ Ứng suất cho phép trong kết cấu là: [s] = = =171.5 N/mm2 = 1715 kG/cm2. [τc] = 0.6*[sc] = 0.6*240=144 N/mm2 = 1440 kg/cm2 Tính toán lại các đặc trưng hình học của tiết diện gối đỡ Diện tích tiết diện: A = Aw + 2*Af = 1*17.6 + 2*1.2*15 = 53.6 cm2 Khối lượng dầm: Qd Qd = A*l*γp = 53.6*50*7.85*10-3 = 21 kG Ix – momel quán tính của tiết diện dầm, Ix=2*(+ bf*tf*z2)+ =2*(+15*1.2*9.42)+=3640 cm4 Wx – Momel kháng uốn của tiết diện dầm với trục trung hòa x-x Wx = = = 364 cm3 Momel tĩnh của một nửa tiết diện dầm đối với trục trung hòa x-x Sx = Sw + Sf = tw + bftf = 1*+ 15*1.2* = 208cm3 a, Kiểm tra điều kiện cường độ Sơ đồ tải trọng tác dụng lên gối đỡ Tiết diện tại ngàm có momel lớn nhất (bỏ qua trọng lượng dầm do trọng lượng dầm rất nhỏ so với tải trọng tác dụng) Mmax = Q*z + Qg*= 16430*30 + 21* = 492425 kg.cm Mặt cắt tại ngàm có lực cắt lớn nhất Vmax = Q + Qg = 16430 + 21=16451 kg Ứng suất pháp lớn nhất tại tại tiết diện đầu ngàm su = = = 1356 kG/cm2 Ứng suất tiếp lớn nhất tại bản bụng dầm: τc = = = 307 kg/cm2 ≤ [τc] = 1440 kg/cm2 Ứng suất tương đương tại mặt cắt tại ngàm stđ = ≤ [s] stđ == 1490 kg/cm2 ≤ [s] = 1715 kg/cm2 Vậy, stđ ≤ [s] nên kích thước tiết diện gối đỡ đã chọn thỏa mãn điều kiện làm việc. Biểu đồ lực cắt và biều đồ momel của gối đỡ Để tăng tính thẩm mỹ về hình dạng, kích thước gối đỡ (trong trường hợp thỏa mãn điều kiện làm việc), ta thực hiện vát phần đầu gối đỡ. Kích thước phần vát và hình dạng gối đỡ được thể hiện trên hình. Bảng 5: Các thông số kích thước gối đỡ (mm): Thông số Chiều cao Chiều rộng Chiều dày Tổng Bản bụng Cánh trên Cánh dưới Cánh trên Cánh dưới Bản bụng Kích thước (mm) 200 176 150 150 12 12 10 `IV. XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN Độ bền của kết cấu phụ thuộc và độ bền của liên kết hàn. Việc chọn kiểu mối hàn, phương pháp hàn, quy trình công nghệ hàn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của kết cấu. Hàn kết cấu phải được tiến hành theo đúng Quy trình công nghệ đã được phê duyệt, trong đó quy định cụ thể: Phương pháp hàn và chế độ hàn. Các thiết bị, dụng cụ hàn, các vật liệu hàn được phép sử dụng. Trình tự gá lắp và hàn đính. Trình tự thực hiện các mối hàn trong kết cấu. Các khâu kiểm tra, giám sát trong quá trình chế tạo. 4.1 Phương pháp hàn và chế độ hàn: Phương pháp hàn: Khi thực hiện hàn dầm chữ I và dầm hộp, ta chọn phương pháp hàn là phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc vì những lý do sau : Phương pháp hàn này đảm bảo kích thước hàn và thành phần hóa học đồng đều trên suốt chiều dài dầm Nhiệt lượng hồ quang tập trung và nhiệt độ rất cao cho phép hàn với tốc độ lớn. Chất lượng mối hàn cao, kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học. Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn tóe. Giảm tiêu hao kim loại điện cực và điện năng. Biến dạng của liên kết sau khi hàn nhỏ. Điều kiện làm việc của thợ hàn tốt, ít phát sinh khí độc so với hàn hồ quang tay. - Tự động hóa quá trình hàn. 4.1.2 Chế độ hàn: a, Chọn tiết diện mối hàn: Mối hàn được sử dụng ở đây, chủ yếu là mối hàn góc. Ta chon chiều cao mối hàn bằng chiều dày tấm mỏng nhất trong liên kết hàn. Với dầm chữ I (gồm dầm dọc nhịp và gối đỡ), ta chọn a =10mm Cạnh mối hàn góc dầm chữ I: KI = 102 = 14,14 (mm) ⇒ chọn KI = 14 (mm) Với dầm hộp, ta chọn a = 6mm Cạnh mối hàn góc dầm hộp: Kh = 62 = 8.48 (mm) ⇒ chọn Kh = 8 (mm) b, Chế độ mối hàn góc: Khi hàn dưới lớp thuốc có thể dùng dòng một chiều cực dương hoặc âm và dòng xoay chiều. Hàn với cực dương (ngược cực) cho độ ngấu lớn nhất. Độ ngấu thấp nhất khi hàn với cực âm (thuận cực) và trung bình khi hàn với dòng xoay chiều. Theo 592_TCN280-01, hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc dùng nguồn điện một chiều đấu nghịch cực (cực dương ở mỏ hàn). Hàn tự động dưới lớp thuốc không thể hàn đắp chi tiết có đường kính nhỏ hơn 50 (mm) nên ta chọn chế độ hàn một lớp cho liên kết hàn dầm chữ I này. Chế độ mối hàn góc bao gồm: dòng điện hàn, điện thế hàn, tốc độ hàn, các biện pháp gia nhiệt. Theo Sổ tay công nghệ hàn (ĐHBKHN – 1997) ta có chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc mối hàn góc: Bảng 6: Chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc bằng dòng một chiều: Cạnh mối hàn (mm) Đường kính dây (mm) Cường độ dòng điện hàn Ih (A) Điện áp hàn Uh (V) Tốc độ hàn vh (m/h) 6 3 500-525 30-32 45-47 10 5 725 - 775 32 - 34 23 - 25 c, Kiểm tra bền cho mối hàn Mối hàn dầm dọc nhịp Ứng suất do mômen uốn sinh ra trên mối hàn có giá trị bằng ứng suất sinh ra trên tiết diện dầm chữ I: σ⊥ = 1706 kg/cm2 Tuy nhiên ta không cần xét đến ứng suất pháp trong mối hàn vì mối hàn này chỉ có tác dụng liên kết các bản bụng và cánh dầm lại với nhau, không có tác dụng trong việc chịu tải, do đó mối hàn chỉ bị phá hủy khi toàn bộ kết cấu bị phá hủy. Chính vì vậy cần quan tâm đến ứng suất tiếp τ//. Vị trí mối hàn dầm dọc nhịp (chữ I) Ứng suất trong mối hàn sinh ra do lực cắt: τ// = Với: a = 1 (cm); Vz = 8215 kg; Sx = 753 cm3; Ix = 29470 cm4; τ// = = 105 (kG/cm) τ// << [τc]=1440 kg/cm2 Vậy mối hàn đảm bảo điều kiện bền. Quy trình hàn nối dầm. Nối bản cánh. 1.1 Chọn phương pháp hàn. Chọn phương pháp hàn hồ quang tay Chuẩn bị liên kết. Với chiều dày hai bản cánh δc= 12 mm. Nên ta phải vát mép chi tiết với các thông số và hình dạng như hình vẽ. 1.3 Vật liệu hàn. Vật liệu hàn ở đây là que hàn. Ta chọn que hàn theo tiêu chuẩn AWS E7016 với các thành phần hóa học: Nhãn hiệu thép Thành phần hoá học C Mn Si P S E7016 0,09 1 – 1,6 0,4 – 0,6 < 0,025 < 0,025 1.4 Xác định các thông số của chế độ hàn. 1.4.1 Số lớp hàn tính theo công thức n=Fd-F1Fn+1 Trong đó: Fđ là diện tích tiết diện ngang của toàn bộ kim loại đắp. F1 diện tích tiết diện ngang kim loại đắp lần 1. Fn là diện tích tiết diện ngang của kim loại đắp lớp tiếp theo. Với Fđ = h2.tgα2 + a.S + 0.75.b.c b = a + 2h tgα2 = 2 + 2.10 tg602 =14 mm Fđ =102 .tg602 +2.12 + 0.75.14.2 = 92 mm2 F1 = (6 - 8)d1. Chọn d1 = 3,2 mm.Suy ra: F1 = (6 - 8).3,2= (19,2 – 25,6) mm2. Ta chọn F1 = 22,4 mm2. F2 =(8 - 12)d2. Với d2 = 4 mm. Suy ra: F2 = (8 - 12).4 = (32 - 48) mm2. Ta chọn F2 = 32 mm2 Vậỵ n = +1 = 3,175 Chọn n = 3 Chế độ hàn lớp 1: I1 = (30 – 50). 3,2 = (96 – 160) A U1 = ( 16- 28) (V) Với Vh = Vh1 = =0.136 cm/s Vh2 = =0.159 cm/s Chế độ hàn lớp 2 và 3: I1 = (30 – 50). 4 = (120 – 200) (A) U1 = ( 16- 28) (V) Vh1 = =0.172 cm/s Vh2 = =0.201 cm/s Ta có bảng chế độ hàn nối dầm. Lớp: n d (mm) I (A) U (V) V (cm/s) Dòng điện 1 3.2 96 - 160 16 - 28 0.136 – 0.159 Một chiều cực thuận 2..3 4 120 - 200 16 – 28 0.172 – 0.201 2. Nối bản bụng Tính toán tương tự như trên ta có bảng chế độ hàn nối bản bụng dầm dọc Lớp: n d (mm) I (A) U (V) V (cm/s) Dòng điện 1 3.2 90 - 140 16 - 28 0.128 – 0.201 Một chiều cực thuận 2 4 110 - 180 16 – 28 0.11 – 0.180 Mối hàn dầm hộp Ứng suất do mômen uốn sinh ra trên mối hàn có giá trị bằng ứng suất sinh ra trên tiết diện dầm hộp: σ^= 1264kg/cm2 Tuy nhiên ta không cần xét đến ứng suất pháp trong mối hàn vì mối hàn này chỉ có tác dụng liên kết các bản bụng và cánh dầm lại với nhau, không có tác dụng trong việc chịu tải, do đó mối hàn chỉ bị phá hủy khi toàn bộ kết cấu bị phá hủy. Chính vì vậy cần quan tâm đến ứng suất tiếp τ//. Vị trí mối hàn dầm chính (dầm hộp) tại tiết diện đầu dầm Ứng suất trong mối hàn sinh ra do lực cắt: τ// = Tại tiết diện đầu dầm: Có: a = 0.6 (cm); Vz =Vmax=3665 kg; Sx = 295 cm3; Ix = 6400 cm4 τ// = = 140 (kg/cm) τ// << [τc] = 1440 kg/cm2. Vậy mối hàn đảm bảo điều kiện bền. Mối hàn gối đỡ Gồm hai phần: 1, Phần mối hàn dọc theo chiều dài gối đỡ Ứng suất do mômen uốn sinh ra trên mối hàn có giá trị bằng ứng suất sinh ra trên tiết diện dầm chữ I. σ⊥ = 1356 kg/cm2 Tuy nhiên ta không cần xét đến ứng suất pháp trong mối hàn vì mối hàn này chỉ có tác dụng liên kết các bản bụng và cánh dầm lại với nhau, không có tác dụng trong việc chịu tải, do đó mối hàn chỉ bị phá hủy khi toàn bộ kết cấu bị phá hủy. Chính vì vậy cần quan tâm đến ứng suất tiếp τ//. Vị trí mối hàn dầm dọc nhịp (chữ I) Ứng suất trong mối hàn sinh ra do lực cắt: τ// = Tại tiết diện đầu dầm: Có: a = 1 cm; Vz =Vmax=16451 kg; Sx = 208 cm3; Ix = 3640 cm4 τ// = = 470 kg/cm τ// << [τc] = 1440 kg/cm2 Vậy mối hàn đảm bảo điều kiện bền. 2, Phần mối hàn liên kết gối đỡ vào cột Các kích thước af = 10mm; aw = 10mm; l1 = 150mm; l2= 120mm diện tích tổng tiết diện mối hàn: A = 55cm2; Momel lớn nhất: Mmax = 493425 kg.cm; Mặt cắt tại ngàm có lực cắt lớn nhất: Vmax = 16451 kG Momel quán tính của tổng tiết diện mối hàn: Ix = 3636 cm4 Vị trí mối hàn liên kết gối đỡ với cột Khoảng cách lớn nhất tới trục trung hòa: zmax =110mm Do đó, ứng suất pháp lớn nhất trong mối hàn: σ^ = ==1493 kg/cm Ứng suất tiếp lớn nhất trong mối hàn: τ// = ==300 kg/cm σtđ = = = 1523 kg/cm σtđ < [σ] = 1715 kg/cm Vậy, mối hàn thỏa mãn điều kiện làm việc. 4.2 Lựa chọn thiết bị, dụng cụ và vật liệu hàn. 4.2.1 Thiết bị hàn: Máy hàn tự động, máy hàn bán tự động dưới lớp thuốc hàn phải phù hợp với điều kiện công việc. Trong hàn tự động kết cấu cầu thép phải sử dụng máy hàn một chiều cho dòng điện hàn đến 1000 (A). Thiết bị hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ 4.2.2 Dụng cụ: 4.2.3 Vật liệu hàn: Dây và thuốc hàn cho công nghệ hàn tự động các kết cấu cầu thép được lựa chọn phù hợp với thép cơ bản. Theo Tr48 – Sổ tay CNH, ta chọn dây hàn loại CB - 08A theo tiêu chuẩn của Nga. Theo Tr54 – Sổ tay CNH, ta chọn loại thuốc hàn AH – 348A. Trình tự gá lắp và hàn đính. Chuẩn bị liên kết trước khi hàn. Mép hàn phải bằng phẳng, khe hở hàn (nếu có) phải đều để cho mối hàn đều đặn, không bị cong vênh, lẫn xỉ… Với hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ, những liên kết hàn có chiều dày nhỏ hơn 20 (mm) không phải vát mép khi hàn hai phía. Trước khi hàn phải làm sạch mép trên một chiều rộng 50 ÷ 60 (mm) về cả hai phía của mối hàn, sau đó hàn đính bằng que hàn chất lượng cao. Hàn tự động dầm thép có mặt cắt chữ I được gá trên bệ gá tĩnh hoặc bệ gá quay, sao cho đạt được chi tiết ở tư thế thuân lợi nhất. Ở đây ta nên hàn ở vị trí lòng thuyền nên bệ gá sử dụng có hình dạng chữ V. Trình tự thực hiện các mối hàn trong kết cấu. Thứ tự hàn dầm chữ I (Tr94 – Sổ tay CNH): Các mối hàn chính giữa bụng và cánh được hàn tự động ở vị trí lòng thuyền hoặc hàn đồng thời bằng hai máy hàn tự động ở vị trí để tấm biên thẳng đúng. Gân cứng vững, gối tựa… và các chi tiết nhỏ khác được hàn bằng phương pháp hàn tay hoặc hàn bằng phương pháp tự động. Biện pháp chống biến dạng hàn: Ta sử dụng phương pháp cân bằng biến dạng: Phương pháp này được sử dụng khi hàn các mối hàn đối xứng nhau. Khi đó biến dạng do các mối hàn trước gây ra sẽ được cân bằng bởi biến dạng do mối hàn sau đối xứng với mối hàn trước gây ra. Các khâu kiểm tra, giám sát trong quá trình chế tạo. Kiểm tra bằng quan sát. Tất cả các mối hàn phải được kiểm tra bằng quan sát (có thể dùng kính lúp và các dưỡng đo) để phát hiện các khuyết tật trên bề mặt. Mối hàn được chấp nhận nếu thỏa mãn các yêu cầu sau đây: Không có bất kỳ vết nứt nào. Đảm bảo độ ngấu giữa lớp hàn với kim loại cơ bản. Các khuyết tật ở dạng rỗ khí,ngậm xỉ bề mặt,cháy chân,chảy xệ…quá giới hạn cho phép phải được sửa chữa bằng cách tẩy bỏ-hàn đắp-mài sửa. Bề mặt mối hàn góc có thể phẳng,lồi nhẹ(độ lồi không được vượt quá 3mm và phải có sự chuyển tiếp thoải mái từ mặt lồi đến mặt thép cơ bản) hoặc lõm nhẹ Tần suất xuất hiện rỗ dạng ống trên bề mặt mối hàn góc không vượt quá 1 khuyết tật trên 100mm hay 6 khuyết tật trên 1200mm chiều dài mối hàn và đường kính bọt rỗ không quá 2,4mm Đối với mối hàn góc bị thiếu kích thước chân so với kích thước quy định một giá trị nhỏ hơn 2mm thì không phải sửa chữa nếu độ dài phần mối hàn bị thiếu không vượt quá 10% chiều dài đường hàn đó .Các mối hàn liên kết bản cánh với bản bụng không cho phép mối hàn thiếu kích thước nói trên nằm gần đầu mút dầm một khoảng nhỏ hơn hai lần bản cánh. Việc kiểm tra bằng quan sát có thể tiến hành ngay sau khi hàn xong để mối hàn nguội đến nhiệt độ môi trường. Kiểm tra khuyết tật bên trong Mối hàn sau khi kiểm tra bằng quan sát, được kiểm tra bằng siêu âm để phát hiện khuyết tật nằm bên trong mối hàn. Mối hàn đạt yêu cầu khi không có bất kỳ vết nứt nào và kích thước khuyết tật các dạng khác không vượt quá giá trị quy định theo tiêu chuẩn. Sửa chữa khuyết tật mối hàn. Những liên kết hàn sau khi kiểm tra phát hiện thấy những khuyết tật quá giới hạn quy định thì phải sửa chữa Kiểm tra độ sâu, độ dài của các vết nứt sau đó sửa chữa: Khoét rãnh dạng chữ V hoặc U dọc vết nứt với góc mở 60o÷70o để loại bỏ hoàn toàn phần vết nứt. Hai đầu mút của vết nứt cần khoan chặn hay khoét thêm ra một đoạn khoảng 50mm. Khoét bỏ vết nứt bằng cắt gọt cơ khí, mài hay bằng hồ quang-khí nén. Nếu tẩy bằng hồ quang -khí nén thì phải làm sạch bề mặt cắt bằng máy mài tay đến độ sâu 1mm. Có thể hàn tay chỗ sửa chữa ngắn, nếu không thì phải dùng chính phương pháp đã hàn mối hàn đó. Sau khi hàn đắp, cần mài sửa. Đối với phần mối hàn có khuyết tật rỗ khí, ngậm xỉ và không ngấu quá giới hạn cho phép cũng phải khoét bỏ hoàn toàn và hàn đắp lại. Những mối hàn bị lồi quá quy định, cần tẩy bỏ phần kim loại thừa đó và mài sao cho đảm bảo độ thoai thoải từ mối hàn chuyển tiếp đến mặt thép cơ bản. Những chỗ lõm quá mức như: mối hàn thiếu kích thước, cháy cạnh mối hàn, cần sửa chữa bằng cách hàn đắp thêm và làm sạch tiếp theo. Trước khi hàn bù cần làm sạch khuyết tật. Nếu chiều sâu cháy cạnh mối hàn không quá giới hạn quy định thì chỉ cần mài nhẵn bằng máy mài tay. Sửa chữa mối hàn không được quá hai lần. Sau khi sửa chữa phải kiểm tra đánh giá lại chất lượng mối hàn bằng chính phương pháp và tiêu chuẩn so sánh đã sử dụng trên đường hàn này trước đó. Không cho phép sửa chữa khuyết tật mối hàn bằng phương pháp dập, xàm và trát. PHẦN V: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ Sau một thời gian tìm tòi, tham khảo tài liệu, với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt là giảng viên hướng dẫn chính Nguyễn Trọng Thông, đến nay đồ án của nhóm chúng em đã cơ bản hoàn thành. Thông qua quá trình làm đồ án môn học kết cấu hàn, chúng em đã đi sâu vào nghiên cứu và nhận ra rằng đây là một đồ án mang tính chất trí tuệ, qua đây chúng em đã nâng cao kiến thức chuyên ngành rất nhiều, đồng thời nó cũng đã khẳng định được tầm quan trọng của người kỹ sư, làm sao đảm bảo được cả hai tiêu chí là yêu cầu kỹ thuật và chi phí cho sản xuất là thấp nhất. Đối với đề tài của chúng em là “Tính toán, thiết kế hệ thống dầm cầu trục”, sau khi hoàn thành đề tài của mình chúng em đã cơ bản biết lựa chọn, tính toán và kiểm tra bền cho một kết cấu nói chung và dầm cầu trục nói riêng. Trong phần đồ án của mình vì là đồ án kết cấu nên chúng em đi sâu vào việc chọn và tính toán kiểm tra bền cho dầm tổ hợp chữ I và dầm hộp. Ở đây việc lựa chọn các kích thước bản bụng, bản cánh, kích thước mối hàn đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, ngoài ra việc lựa chọn này phải đảm bảo cả tính thẩm mỹ. Trong phần đồ án của mình công việc tính toán và kiểm tra dầm chịu lực được em tiến hành theo phương pháp sau: + Chọn sơ bộ kích thước dầm. + Tính toán các kích thước, khối lượng cho dầm. + Xác định mômen tác dung lên kết cấu, từ đó kiểm tra lại dầm. Đồng thời với những điều đó chúng em cũng mạnh dạn đề xuất một số kiến nghị của mình trong công tác đào tạo đối với sinh viên chuyên ngành công nghệ hàn như sau: Cập nhật thông tin về sự phát triển của kết cấu thép trên thế giới qua đó định hướng sự phát triển của ngành thép nói chung ở Việt Nam. Thông qua công tác này sinh viên sẽ nhìn nhận được tầm quan trọng của môn học cũng như ý nghĩa thực tiễn của nó. Từ đó định hướng cho mình một số phương pháp học cho phù hợp. Tham khảo thêm nhiều tài liệu về kết cấu thép, nhất là các tài liệu nước ngoài để qua đó bổ sung thêm nhiều kiến thức cũng như đưa ra được nhiều giáo trình phong phú và có ý nghĩa thực tiễn cao. Sử dụng tốt các phần mềm, từ đó hướng dẫn cho sinh viên biết cách sử dụng thông qua đó làm một cầu nối truyền cảm hứng cho sinh viên trong việc học tập. Thay đổi một số chương trình trong các giáo trình nhằm cập nhật cho sinh viên những vấn đề cần thiết trên thực tế với cơ sở “đào tạo theo nhu cầu xã hội” gắn liền quá trình đào tạo với thực tế ngày nay. Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ rất nhiều từ phía các thầy cô, đặc biệt là giảng viên hướng dẫn nhưng do lượng kiến thức còn có hạn nên đồ án của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót. Vậy em xin kính mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô để chúng em có thể nâng cao được kiến thức của mình hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết cấu hàn – Nguyễn Trọng Thông Sức bền vật liệu- Lê Đức Thanh Kết cấu thép- Huỳnh Phúc Linh Cơ sở thiết kế và ví dụ tính toán cầu dầm thép và cầu giàn thép – Nguyễn Bình Hà – Nguyễn Minh Hùng, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội 2008. Đoàn Định Kiến, Kết cấu thép, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1990. Đoàn Định Kiến, Kết cấu thép sử dụng trong Xây dựng D.D.&C.N ở Việt Nam, tuyển tập báo cáo khoa học, Hội thảo kết cấu thép trong xây dựng, Hội kết cấu và công nghệ xây dựng Việt Nam, 2004. TCVN 5575-1991, Kết cấu thép, Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà xuất bản Xây dựng, 1992. Huỳnh Minh Sơn, Phạm Văn Hội, Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Kết cấu thép trong Xây dựng, 12/2004 Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tú, Hoàng Văn Quang, Hoàng Ngọc Thanh, Kết cấu thép 2 - Công trình dân dụng và công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 1998. Công nghệ hàn nóng chảy – Ngô Lê Thông ( Tập 1), Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. Sổ tay Công nghệ hàn – PGS.TS Hoàng Tùng và tập thể, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội.