31 Phần I CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHUNG CÁC KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC Chương 1 VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP §1.1 KHÁI NIỆM VỀ KẾT CẤU THÉP 1.1.1. Đònh nghóa kết cấu thép, [17]. Các thanh thép đònh hình (thép chữ C : [; thép chữ I; thép chữ L v.v…) hoặc các tấm thép chúng liên kết với nhau (liên kết hàn, liên kết tán đinh, liên kết bu lông) tạo nên những kết cấu cơ bản, sau đó các kết cấu cơ bản lại được liên kết với nhau tạo thành một kết cấu chòu lực hoàn chỉnh gọi là kết cấu thép. Ví dụ: Xét kết cấu thép của cần trục tháp bánh lốp Gottwalld gồm có: kết cấu thép cần của cần trục, kết cấu thép của tháp… Xét kết cấu thép của cầu chuyển tải container gồm: kết cấu thép hệ chân đỡ, kết cấu thép công son nâng hạ, kết cấu thép dầm chính, kết cấu thép khung cẩu container (thiết bò mang hàng), v.v…, (xem các hình vẽ ở phần mở đầu). 1.1.2. Nhiệm vụ và đối tượng môn học kết cấu thép. a) Nhiệm vụ: + Tính toán công trình theo độ bền nhằm đảm bảo cho công trình có khả năng chòu tác dụng của tải trọng cũng như các nguyên nhân khác mà không bò phá hoại. + Tính toán công trình theo độ cứng nhằm đảm bảo cho công trình không có chuyển vò và dao động lớn (khi không đủ độ cứng, công trình có thể mất trạng thái làm việc bình thường ngay cả khi điều kiện bền vẫn đảm bảo). + Tính toán công trình theo độ ổn đònh nhằm đảm bảo cho công trình có khả năng bảo toàn vò trí và hình dạng ban đầu của công trình dưới dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng. b) Đối tượng nghiên cứu: + Môn học Kết cấu thép nghiên cứu cách tính độ bền, độ cứng, độ ổn đònh của toàn bộ hệ kết cấu thép của công trình gồm nhiều đơn vò công trình liên kết với nhau và nghiên cứu phương pháp tính toán các công trình đó. + Ví dụ : tính toán kết cầu thép của cần trục chân đế loại có hệ cần cân bằng dùng vòi; ta phải tính toán kết cấu thép của: hệ cần, tháp chữ A; hệ chân đỡ. Với bài toán kết cấu thép các tải trọng hầu như chưa biết mà ta phải đi xác đònh chúng (phương, chiều, độ lớn, tính chất…) căn cứ vào kết cấu và tình hình làm việc cụ thể của cần trục. Đặt các tải trọng vừa tìm được lên toàn bộ cần trục, từ đó xác đònh được lực tác dụng lên từng đơn vò chòu lực, ta được: sơ đồ tính hệ cần, hệ tháp, hệ chân đỡ. Như vậy có thể nói rằng : Sau khi nghiên cứu công trình theo nhiệm vụ của môn học Kết cấu thép ta đưa bài toán trở về bài toán của môn Cơ học kết cấu. 1.1.3. Đặc điểm của kết cấu thép, [08]. a) Kết cấu thép có những ưu điểm sau khiến nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều công trình nói chung và các máy xếp dỡ nói riêng : + Khả năng chòu lực lớn, độ tin cậy cao. Kết cấu thép có khả năng chòu lực lớn do vật liệu thép có cường độ lớn. Độ tin cậy cao do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu gần sát với các giả thuyết tính toán. Sự làm việc thực tế của kết cấu thép phù hợp với lý thuyết tính toán. 32 + Trọng lượng nhẹ : Kết cấu thép nhẹ nhất so với các kết cấu chòu lực : bê tông cốt thép, gạch, đá, gỗ (so sánh trọng lượng khi cùng thực hiện một nhiệm vụ như nhau). + Tính công nghiệp hóa cao : Do sự sản xuất vật liệu (thép cán) được thực hiện hoàn toàn trong nhà máy. + Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp : Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. + Tính kín : Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm dầu, không thấm khí nên thích hợp nhất cho các công trình bể chứa chất lỏng, chất khí. + Tính dễ liên kết : kết cấu thép dễ dàng liên kết bằng các mối liên kết như : liên kết hàn, khi cần tháo rời thì dùng liên kết bu lông, thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, vận chuyển đến nơi sử dụng. b) Kết cấu thép có những nhược điểm sau khiến nó bò hạn chế sử dụng : + Dễ bò gỉ : Trong môi trường không khí ẩm, nhất là trong môi trường xâm thực (môi trường axít, muối) kết cấu thép bò ăn mòn hóa học và điện hóa nhanh chóng. Do vậy tránh dùng thép ở nơi ẩm ướt, luôn có lớp bảo vệ cho thép như : sơn phủ bọc. + Chòu lửa kém : Ở nhiệt độ 500 o C ÷ 600 o C thép chuyển sang dẻo, mất nhả năng chòu lực. + Giá thành thép cao hơn các vật liệu khác. Vì vậy việc tiết kiệm thép là một yêu cầu quan trọng đối với người thiết kế. Cần phải luôn cải tiến thiết kế, kết cấu phù hợp, sáng tạo ra các hình thức kết cấu mới, dùng kết cấu nối ghép bằng hàn. 1.1.4. Phạm vi sử dụng kết cấu thép trong ngành Máy xếp dỡ. Do các đặc điểm nói trên kết cấu thép thích hợp với các công trình lớn (nhòp rộng, chiều cao lớn, chòu tải trọng nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước, dầu. Phạm vi sử dụng kết cấu thép rất rộng như : khung nhà công nghiệp; khung nhà có nhòp lớn như : nhà văn hóa, nhà thi đấu thể dục thể thao…; khung nhà nhiều tầng; kết cấu tháp cao; kết cấu bản như các bể chứa dầu, bình chứa khí… Trong các máy xếp dỡ, kết cấu thép chiếm một tỷ trọng rất lớn, nó hầu như là thành phần chính tạo ra hình dáng và kích thước hình học của tất cả các máy nâng chuyển nói chung. Ví dụ : Kết cấu thép hệ cần của cần trục (cần, vòi, giằng, giá chữ A …), hệ tháp (cột) ; sát xi, khung cần trục; chân đế; dầm chính; con son cần trục cổng và cầu chuyển tải…; thiết bò công tác của máy nâng; các thiết bò mang hàng như : móc cẩu, gầu ngoạm, khung cẩu container; khung đỡ băng tải; bình chứa khí nén trong vận chuyển khí ép, v.v… 1.1.5. Các yêu cầu đặt ra khi thiết kế kết cấu thép, [08]. Cũng như mọi kết cấu khác, khi thiết kế kết cấu thép cần phải đạt được những yêu cầu sau đây : a) Yêu cầu về sử dụng - là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế thể hiện ở các mặt : + Kết cấu thép phải thỏa mãn về mặt hình học do yêu cầu làm việc như : chiều cao nâng, tầm với, khẩu độ, chiều dài công son, các yêu cầu về hệ cần cân bằng (nếu có)…tóm lại là cần thỏa mãn về khoảng không gian yêu cầu phục vụ của cần trục. + Kết cấu thép phải thiết kế sao cho khi làm việc không làm ảnh hưởng, cản trở hay làm hư hại các thiết bò khác. Ví dụ : Khi thiết kế cầu cảng, một trong các thông số cần xác đònh là áp lực đơn vò của cần trục lên cầu cảng; ngược lại khi thiết kế hay mua một cần trục để làm việc tại cầu cảng đó 33 cũng cần căn cứ vào áp lực đơn vò cho phép của cầu cảng. Tương tự như vậy khi thiết kế một xe nâng trong kho, trong lòng container, trên bãi v.v… + Kết cấu thép phải thỏa mãn các yêu cầu chòu lực : độ bền, độ cứng vững, độ bền mỏi (độ bền lâu), độ ổn đònh. + Tính thẩm mỹ : kết cấu có hình dáng đẹp, thanh thoát, hài hòa. b) Yêu cầu về kinh tế thể hiện ở các mặt : + Tiết kiệm vật liệu : Vật liệu thép cần được sử dụng một cách hợp lý, đúng chỗ; đặc biệt việc chọn giải pháp kết cấu hợp lý tiết kiệm rất lớn khối lượng vật liệu thép cần thiết để chế tạo. Ngoài ra cần dùng những phương pháp tính toán tiên tiến. + Tính công nghệ của kết cấu bao gồm : *) Tính công nghệ trong chế tạo : kết cấu được chế tạo sao cho phù hợp với điều kiện chế tạo của phân xưởng và việc sử dụng những thiết bò chuyên dùng hiện có, kết cấu đơn giản nhất mà vẫn đảm bảo được yêu cầu làm việc tránh phải sử dụng công nhân có tay nghề cao, do đó giảm được công chế tạo. *) Tính công nghệ trong lắp ráp, vận chuyển : Kết cấu thép đã được chế tạo đến khi lắp dựng phải dễ dàng, nhanh chóng với những thiết bò sẵn có. Cũng có thể một số bộ phận máy trục tự lắp dựng như cổng trục tự dựng hay tự dựng một phần trong qui trình công nghệ lắp ráp. Kết cấu thép đã được chế tạo khi vận chuyển từ nơi chế tạo đến nơi sử dụng cũng phải dễ dàng nhanh chóng bằng cách chia thành từng đơn vò vận chuyển hay vận chuyển cả kết cấu. *) Tính công nghệ trong việc sử dụng, bảo quản, bảo dưỡng : Kết cấu thép phải có hình dáng, cấu tạo tiện cho việc sử dụng, bảo dưỡng, kiểm tra, sơn bảo vệ. + Tính điển hình hóa trong thiết kế kết cấu thép. Ví dụ : điển hình hóa kiểu kết cấu cần, kết cấu tháp, điển hình hóa kết cấu chân đỡ…theo kết cấu từng thể loại cần trục. Lợi ích của việc điển hình hóa cũng tương tự như việc tiêu chuẩn hóa : *) Về mặt thiết kế tránh được việc thiết kế lặp lại; *) Về mặt chế tạo có thể chế tạo hàng loạt lớn những cấu kiện, do đó tạo điều kiện sử dụng những thiết bò chuyên dùng, tăng được năng suất lao động và giảm thời gian chế tạo. Việc dựng lắp cũng nhanh chóng dễ dàng hơn do có thể sử dụng những thiết bò dựng lắp thích hợp cho loại kết cấu được dùng lặp nhiều lần. 1.1.6. Phương hướng phát triển kết cấu thép, [17]. Trong lónh vực nghiên cứu thiết kế kết cấu thép nói chung và kết cấu thép máy xếp dỡ nói riêng, người ta luôn tìm mọi biện pháp nâng cao chất lượng sản phẩm và hạ giá thành nhờ các biện pháp chủ yếu sau : 1) Tìm ra và hoàn thiện phương pháp tính toán mới. Trong tính toán kết cấu thép, một phương pháp đã và đang được dùng phổ biến là phương pháp tính theo ứng suất cho phép. Theo phương pháp này việc tính toán đơn giản và thuận tiện, nhưng còn một khuyết điểm lớn nhất là : những kết cấu có công dụng và điều kiện làm việc không giống nhau, tính chất chòu lực không giống nhau mà hệ số an toàn lại đều được chọn như nhau. Do đó thường dẫn đến tình trạng hệ số an toàn chọn quá lớn hoặc quá nhỏ, dẫn đến hậu quả là : kết cấu quá thừa bền (tiêu hao nhiều vật liệu) hoặc hư hỏng quá sớm. Do yêu cầu phát triển sản xuất, nâng cao kỹ thuật thực nghiệm và phát triển công tác nghiên cứu đã thúc đẩy sự phát triển lý thuyết tính toán. Do vậy thời gian gần đây đã hoàn thiện nhiều phương pháp tính toán mới như phương pháp tính theo độ bền mỏi, phương pháp tính theo trạng thái giới hạn. Những phương pháp này đã được khảo sát và nghiên cứu khá chính xác : tính chất tác dụng của lực, cường độ của thép và tình hình làm việc của kết cấu, hệ số an toàn được chọn phù hợp với tính chất chòu lực của kết cấu. Những phương pháp này đảm bảo cho kết quả chính xác hơn và 34 càng phù hợp với tính chất chòu lực thực tế của kết cấu. Do vậy có thể lợi dụng được đầy đủ tính năng của thép và tiết kiệm thép. 2) Nghiên cứu cải tiến và sáng tạo ra hình thức kết cấu mới. Một biện pháp hữu hiệu nhất để giảm nhẹ trọng lượng kết cấu thép là cải tiến hình thức kết cấu. Xu hướng hiện nay là dùng phổ biến các kết cấu hình hộp, bản mỏng thay thế cho kết cấu dàn. Hoặc trong một số kết cấu dùng kết cấu dàn có lợi hơn thì dùng thanh có tiết diện tròn O thay thế cho thanh có tiết diện thép góc L, và thép chữ [ [[ [. Hiện nay kết cấu thép trong ngành Máy xếp dỡ đã cải tiến rất nhiều để đáp ứng với nhu cầu xếp dỡ hàng hóa hiện nay : + Cần trục chân đế có thiết bò đỡ quay kiểu mâm quay và cột quay, xu hướng chung hiện nay là dùng thiết bò đỡ quay kiểu cột quay. + Kết cấu cần kiểu dàn trước đây mặt cắt ngang chủ yếu có dạng chữ nhật nay có xu hướng chuyển sang tiết diện tam giác (xem hình phần mở đầu : 0.7b; 0.19b; 0.19c; 0.19d). + Hệ cần cân bằng dùng cơ cấu 4 khâu (cần, vòi, giằng, giá đỡ), 4 khớp bản lề đã chuyển sang dùng cân bằng hệ cần dùng pa lăng (thực chất là lợi dụng lực căng của cáp nâng hàng để cân bằng). Loại cần trục này do được cải tiến về hình thức kết cấu nên nó có thể tiết kiệm tới 50% vật liệu thép dùng làm kết cấu (xem hình 0.19). 3) Sử dụng rộng rãi liên kết bằng hàn đặc biệt là hàn tự động. Dùng liên kết hàn có thể đơn giản hóa được cấu tạo kết cấu, làm cho cấu tạo mối liên kết đơn giản, gọn nhẹ, do vậy có thể tiết kiệm được thép và giảm nhẹ được công chế tạo và lắp ráp, rút ngắn thời gian chế tạo, tăng tốc độ thi công, hạ giá thành sản phẩm. Dùng liên kết hàn có thể tiết kiệm được 30% lượng thép. Hiện nay kết cấu thép trong ngành giao thông vận tải phần lớn đều dùng liên kết hàn. 4) Sử dụng kim loại nhẹ (hợp kim nhôm) hoặc thép có cường độ cao (hợp kim thấp). Phương pháp này có hiệu quả giảm nhẹ kết cấu và tiết kiệm thép. Ở một số nước đã dùng hợp kim nhôm để chế tạo cần của cần trục cảng, tự trọng của nó giảm được từ 30% ÷ 40%. Các loại cần trục được chế tạo bằng thép hợp kim thấp có thể giảm được trọng lượng bản thân khoảng 20%. Tuy vậy hiện nay hợp kim nhôm còn hiếm và đắt tiền nên chưa được dùng rộng rãi. 5) Sử dụng kỹ thuật mới Trong một số kết cấu đã dùng phương pháp ứng suất trước (phương pháp dự ứng lực) để thiết kế chế tạo kết cấu thép. Sử dụng phương phương pháp này có thể tiết kiệm được tới 30% lượng thép. Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trong kết cấu nhà và kết cấu cầu. 6) Qui cách hóa, tiêu chuẩn hóa và điển hình hóa kết cấu . Điều đó giúp đơn giản hóa việc thiết kế chế tạo, rút ngắn thời gian chế tạo, đưa qui trình chế tạo hàng loạt, tiến hành sản xuất có tính công nghiệp hóa qui mô lớn, giảm nhẹ sức lao động và số lao động trong dây chuyền. §1.2 THÉP DÙNG TRONG KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY XẾP DỢ 1.2.1. Phân loại thép, [08]. Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe) và cacbon (C), ngoài ra còn có một số chất khác có tỷ lệ không đáng kể như ô xy (O), Phốt pho (P), silic (Si), v.v… Từ quặng sắt, thành phần chủ yếu là : ô xít sắt (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) người ta luyện trong lò cao được gang là hợp kim của sắt Fe và cacbon C, trong đó C chiếm trên 1,7%. Qua lò luyện 35 thép để khử bớt C trong gang, người ta được thép. Có rất nhiều thép khác nhau do thành phần hóa học, do phương pháp luyện, phương pháp rót. Dưới đây ta phân loại một số thép dùng trong xây dựng và kết cấu công trình : 1) Theo thành phần hóa học của thép . Thép được phân ra : + Thép các bon với lượng các bon : %C < 1,7%. + Thép các bon thấp với lượng các bon : %C = 0,25% + Thép các bon trung bình với lượng các bon : %C = 0,25% ÷ 0,60% + Thép các bon cao với lượng các bon : %C =0,60% ÷ 1,7% + Thép hợp kim có thêm các thành phần kim loại khác như crôm (Cr), Niken (kền - Ni), Măngan (Mn), …nhằm nâng cao độ bền của thép như tính chống gỉ, tăng độ bền. Thép hợp kim thấp được dùng làm kết cấu thép với tỷ lệ các nguyên tố khác dưới 2,5%. Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không sử dụng làm kết cấu thép xây dựng và công trình. 2) Theo phương pháp luyện thép . Thép được phân ra : + Thép luyện bằng lò bằng : có năng suất thấp nhưng chất lượng cao, thép có cấu trúc thuần nhất và điều chỉnh được trong quá trình luyện. + Thép luyện bằng lò quay : có năng suất cao nhưng chất lượng kém (lò Bessmer, lò Thomas); nay đã áp dụng phương pháp luyện bằng lò quay tiên tiến, chất lượng tương đương lò bằng và năng suất cao. Với các phương pháp sản xuất hiện nay, không cần phân biệt thép lò bằng hay thép lò quay, hai loại thép này coi như có chất lượng tương đương. 3) Theo phương pháp để lắng thép. Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn để nguội cho kết tinh lại. Tùy theo phương pháp để lắng nguội – thép được chia ra : + Thép sôi : Thép khi nguội bốc ra nhiều bọt khí : oxy, oxyt cacbon (nên trông như sôi), các bọt khí tạo nên những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép, khiến thép sôi có chất lượng không tốt, dễ bò phá hoại giòn và bò lão hóa. + Thép tónh : Thép tónh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra cuồn cuộn như thép sôi, do đã được thêm những chất khử oxy như silic, nhôm, mangan. Những chất này khử hết oxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt. Phần xỉ này được loại bỏ đi, thép còn lại trở nên đồng nhất, chòu lực động tốt, khó bò phá hoại giòn. Thép tónh đắt hơn thép sôi, được dùng trong những công trình quan trọng hoặc chòu tải trọng động lực. + Thép nửa tónh : Là trung gian giữa thép tónh và thép sôi. 1.2.2. Số hiệu thép, [14]. 1) Các ký hiệu tiêu chuẩn chủ yếu trên thế giới. Do những hoàn cảnh lòch sử, nước ta đã quen dùng tiêu chuẩn Nga (ГОСТ). Ngày nay ngoài ГОСТ ra, các cán bộ kỹ thuật và người tiêu dùng cần phải biết các tiêu chuẩn của các nước khác như : Mỹ, Nhật, Pháp, Đức , Anh, … là những nước phát triển và kỹ thuật tiên tiến. Các Tiêu chuẩn Việt Nam có liên quan đến ký hiệu vật liệu kim loại gồm có (1.2.3 – [14]): – TCVN 1659 – 75 qui đònh các nguyên tắc ký hiệu cho vật liệu kim loại (thép, gang, hợp kim màu). Dựa trên các nguyên tắc này có thể ký hiệu mọi loại thép, hợp kim màu theo các thành phần hóa học chủ yếu. 36 Bảng 1.1 Ký hiệu các tiêu chuẩn, [14]. Stt Tiêu chuẩn Ký hiệu tiêu chuẩn Ghi chú Stt Tiêu chuẩn Ký hiệu tiêu chuẩn ghi chú 01 Việt Nam TCVN 05 Nhật Bản JIS 02 Nga ГОСТ Các nước châu Âu 03 Trung Quốc GB 06 Pháp AFNOR AISI và SAE 07 Đức DIN ASTM 08 Anh Quốc BS AA CDA 04 Mỹ-có nhiều hệ tiêu chuẩn UNS + Đối với thép được ký hiệu theo trật tự : Ví dụ thép :12CrNi3A : có ≈ 0,12% C; ≈ 1%Cr; ≈ 3%Ni; ít P,S (mỗi nguyên tố ít hơn 0,025%). Ví dụ thép : 210Cr12 : có ≈ 2,10%C; ≈ 12% Cr. + Đối với hợp kim màu được ký hiệu theo trật tự : Ví dụ thép : AlCu4Mg là hợp kim nhôm có : ≈ 4,00%Cu; ≈ 1,00%Mg. 2) Ký hiệu thép xây dựng và công trình theo Tiêu chuẩn Việt Nam, Nga, Trung Quốc (Phân loại theo công dụng – bảng 1.2). TCVN 1765-75 qui đònh các mác thép và yêu cầu kỹ thuật cho nhóm này. Nói chung các mác thép được ký hiệu bằng CT (với nghóa : C – cacbon, T – thép) và số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính bằng kG/mm 2 , và cuối cùng có thể có thêm chữ “s” để chỉ thép sôi, “n” để chỉ thép nửa lặng (nửa tónh), còn đối với thép lặng (tónh) thì không cần thêm chữ gì cả. Thép còn được chia thành 3 phân nhóm nhỏ – căn cứ vào công dụng. Bảng 1.2 - Ký hiệu thép xây dựng và công trình theo T/C Việt Nam, Nga, Trung Quốc. Tiêu chuẩn Các ký hiệu Việt Nam TCVN 1765-75 Nga ГОСТ 380-71 Trung Quốc GB 700-79 Thép các bon CT C T A Giới hạn bền kéo tối thiểu [kG/mm 2 ] Ghi trực tiếp giá trò bền kéo tối thiểu. Ghi theo phân cấp độ bền : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Ghi theo phân cấp độ bền : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Chỉ thép sôi s KП F Chỉ thép nửa tónh (nửa lặng). n ПC b Chữ cuối cùng Chỉ thép tónh (lặng). Không ghi gì cả CП Không ghi gì cả - Phân nhóm A : Chỉ qui đònh cơ tính. - Phân nhóm B : Chỉ qui đònh thành phần hóa học. - Phân nhóm C : Qui đònh cả thành phần hóa học lẫn cơ tính. Ký hiệu hóa học nguyên tố gốc. Ký hiệu hóa học và lượng phần trăm trung bình lần lượt cho từng nguyên tố hợp kim, nếu ≈ 1% thì không ghi. Phần vạn C (1/10 000) Ký hiệu hóa học và lượng phần trăm trung bình lần lượt cho từng nguyên tố hợp kim, nếu ≈ 1% thì không ghi. Cuối ký hiệu ghi chữ A là chất lượng cao (ít P,S). 37 Việc qui đònh cụ thể xem [14], tuy nhiên cần lưu ý một số điểm sau: a) Phân nhóm A (Nga ký hiệu cũng là A) : Như trên đã nói phân nhóm A chỉ qui đònh cơ tính mà không qui đònh thành phần hóa học, tức là về nguyên tắc thép có thành phần hóa học tùy ý miễn sao đạt được các chỉ tiêu cơ tính qui đònh. Ngoài ra GB còn ký hiệu thép theo phương pháp nhiệt luyện, lúc đó ở ngay sau chữ A có các chữ :”Y” hay “J” cho thép lò quay, còn lò Mác tanh (lò bằng thì không ghi gì cả). Ví dụ (tương đương) : b) Phân nhóm B (Nga ký hiệu là Б): Công dụng chủ yếu của thép phân nhóm B là làm kết cấu hàn bởi vì nó được bảo đảm về thành phần hóa học, trong đó các bon và các nguyên tố ảnh hưởng xấu đến tính hàn như Mn, Cr, Môlípđen (Mo), và Vani đều được khống chế với hàm lượng thấp. Có thể coi phần lớn thép phân nhóm B có các bon thấp (<0,25%C) và tất cả không hợp kim hóa hay chỉ hợp kim hóa thấp nên nói chung có tính hàn cao và tốt. TCVN 1765 - 75 ГОСТ 380-71 GB 700-79 TCVN 1765 - 75 ГОСТ 380-71 GB 700-79 CT31 C T 0 CT38Mn C T 3Г CT33s C T 1KП A1F, AY1F CT42s C T 4KП A4F, AY4F, AJ4F CT33n C T 1ПC A1b, AY1b CT42n C T 4ПC A4b, AY4b, AJ4b CT33 C T 1CП A1, AY1 CT42 C T 4CП A4, AY4, AJ4. CT34s C T 2KП A2F, AY2F, AJ2F CT51n CT5ПC A5b, AY5b, AJ5b CT34n C T 2ПC A2b, AY2b, AJ2b CT51 C T 5CП A5, AY5, AJ5. CT34 C T 2CП A2, AY2, AJ2 CT52nMn C T 5ГПC CT38s C T 3KП A3F, AY3F, AJ3F CT38n C T 3ПC A3b, AY3b, AJ3b CT61n CT6ПC A6b, AY6b, AJ6b CT38 C T 3CП A3, AY3, AJ3. CT61 C T 6CП A6, AY6, AJ6. A7, AY7. TCVN 1765 - 75 ГОСТ 380-71 GB 700-79 TCVN 1765 - 75 ГОСТ 380-71 GB 700-79 BCT31 БC T 0 - BCT38Mn БC T 3ГПC - BCT33s БC T 1KП B1F, BY1F BCT42s БC T 4KП B4, BY4, BJ4. BCT33n БC T 1ПC - BCT42n БC T 4ПC - BCT33 БC T 1CП B1, BY1. BCT42 БC T 4CП B4, BY4, BJ4. BCT34s БC T 2KП B2F, BY2F, BJ2F BCT51n БCT5ПC - BCT34n БC T 2ПC - BCT51 БC T 5CП B5, BY5, BJ5. BCT34 БC T 2CП B2, BY2, BJ2 BCT52nMn БC T 5ГПC - BCT38s БC T 3KП B3F, BY3F, BJ3F BCT61n БCT6ПC - BCT38n БC T 3ПC BCT61 БC T 6CП B6, BY6, BJ6. BCT38 БC T 3CП B3F, BY3F, BJ3F - - B7, BY7. 38 Về mặt ký hiệu : + TCVN 1765-75 qui đònh phân nhóm B tương tự như phân nhóm A song ở trước có thêm chữ B. Tuy ký hiệu cũng có các số như ở phân nhóm A nhưng ở đây trong phân nhóm B các số không mang ý nghóa trực tiếp nào cả vì về nguyên tắc thép chỉ có thành phần qui đònh còn cơ tính có thể rất khác nhau (do ở các dạng nhiệt luyện khác nhau chẳng hạn). + Tiêu chuẩn của Nga ГОСТ 380-71 : thêm chữ Б ở phía trước. + Tiêu chuẩn của Trung Quốc : GB 700-79: thay chữ A bằng chữ B. Ví dụ xem bảng (tương đương). Như vậy các thép đem làm kết cấu hàn phải dùng các mác phân nhóm B, chứ không phải phân nhóm A. Ví dụ : dùng mác BCT38 chứ không phải mác CT38. c) Phân nhóm C (Nga ký hiệu là B): Công dụng chủ yếu của thép phân nhóm C là làm kết cấu hàn chòu lực bởi vì nó được bảo đảm về thành phần hóa học và cả cơ tính. Ví dụ : CCT34N, CCT34, CCT38n, CCT38. Về mặt ký hiệu : + TCVN 1765-75 qui đònh phân nhóm C tương tự như phân nhóm A song ở trước có thêm chữ C; song không bao gồm đầy đủ các mác ở phân nhóm A mà chỉ có các mác: (theo bảng) Như vậy không có các mác ứng với các số 31, 33, 61. + Tiêu chuẩn của Nga ГОСТ 380-71 : thêm chữ B ở phía trước. Gần đây (1998) ở Nga đã thònh hành tiêu chuẩn mới về thép thông dụng, không dùng các số thứ tự để chỉ cấp độ bền mà ký hiệu theo giới hạn bền kéo tối thiểu theo đơn vò Mpa. Các mác thép trình bày ở bảng 2.2 theo tiêu chuẩn ГОСТ 27772-88 - [26] (tr.21) có thể được xem như thuộc phân nhóm C vì được qui đònh cả cơ tính lẫn thành phần hóa học. + Tiêu chuẩn của Trung Quốc : GB 700-79: thay chữ A bằng chữ C. Ví dụ (tương đương): 3) Ký hiệu thép xây dựng và công trình theo Tiêu chuẩn Nga (Phân loại theo cường độ thép) a) Thép các bon thấp cường độ thường : Là thép các bon thấp có : + Giới hạn chảy vào khoảng : 2200 ÷ 2500 daN/cm 2 . + Giới hạn bền vào khoảng : 3700 ÷ 4200 daN/cm 2 . Thép các bon thấp dùng trong xây dựng và công trình gồm hai số hiệu : C T 3 và C T 3ПС (C T 3 nửa tónh) . Thép C T 3 chứa 0,14% ÷ 0,22% cácbon; thép C T 3Γ có tăng thêm hàm lượng các bon tới 0,8% ÷ 1,1% mangan (gấp đôi so với C T 3). Vì thép làm kết cấu chòu lực phải đảm bảo cả độ bền và tính dễ hàn, chòu được tác động xung kích (tải trọng động), nên chỉ được dùng thép nhóm B (tiêu chuẩn Nga). Căn cứ vào yêu CCT34s CCT42s CCT34n CCT42n CCT34 CCT42 CCT38s CCT51n CCT38n CCT51 CCT38 CCT52nMn CCT38nMn TCVN 1765 - 75 ГОСТ 380-71 GB 700-79 TCVN 1765 - 75 ГОСТ 380-71 GB 700-79 - BC T 1 - BCT38Mn BC T 3ГПC - BCT34s BC T 2KП C2F, CY2F, CJ2F BCT42s BC T 4KП C4F, CY4F, CJ4F. BCT34n BC T 1ПC - BCT42n BC T 4ПC - BCT34 BC T 1CП C2, CY2, CJ2 BCT42 BC T 4CП C4, CY4, CJ4. BCT38s BC T 3KП C3F, CY3F, CJ3F BCT51n BCT5ПC - BCT38n BC T 3ПC - BCT51 BC T 5CП C5, CY5, CJ5. BCT38 BC T 3CП C2, CY3, CJ3 BCT52nMn BC T 5ГПC - 39 cầu độ dai xung kích (va đập) thép BC T 3 và BC T 3 Γ lại được chia làm 6 hạng : Ví dụ hạng 2 không cần bảo đảm độ dai xung kích; hạng 6 phải bảo đảm sau khi bò lão hóa cơ giới, hạng 5 phải đảm bảo cả ở nhiệt độ thấp. Qui phạm cho phép dùng trong xây dựng 3 hạng : thép sôi hạng 2 (BC T 3 KП2), thép nửa tónh hạng 6 (BC T 3 ПC6), thép nửa tónh có mangan và thép tónh hạng 5 (BC T 3ΓПC5 và BC T 3CП5). b) Thép cường độ khá cao: Là thép các bon mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp: + Giới hạn chảy vào khoảng : 2900 ÷ 3900 daN/cm 2 . + Giới hạn bền vào khoảng : 4300 ÷ 5400 daN/cm 2 . Các thép hợp kim thấp thông dụng cho kết cấu có 6 loại : 09Γ2, 09Γ2C, 14Γ2, 10Γ2C1,15XCHД, 10XCHД, Ý nghóa ký hiệu như sau : + Đầu tiên là con số chỉ phần vạn các bon; + Tiếp theo là tên các thành phần hợp kim; (Γ – măngan; C – silíc; X – crôm; H – niken; Д – đồng; Φ - vani; v.v… + Con số đứng sau chỉ % của chất, nếu tỷ lệ lớn hơn 1%. Ví dụ : thép 09Γ2C : có 0,09% C, Măngan ≈ 2%; silíc ≈ 1%. Sử dụng thép có cường độ cao có thể giảm được 20 – 25% trọng lượng kết cấu. c) Thép cường độ cao: gồm các thép hợp kim đem nhiệt luyện : + Giới hạn chảy cao hơn : 4400 daN/cm 2 . + Giới hạn bền cao hơn : 5900 daN/cm 2 . Ví dụ các thép cường độ cao: 16Γ2AΦ; 12Γ2CMΦ; Sử dụng thép có cường độ cao có thể giảm được 25 – 30% trọng lượng kết cấu. Việc lựa chọn các số hiệu thép cho kết cấu phải dựa vào các yếu tố : đặc điểm gia tải (tónh, động, lặp, rung động…), trạng thái ứng suất (phẳng, khối), phương pháp liên kết,v.v… §1.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG 1.3.1.Sự làm việc chòu kéo của thép, [08]. Sự làm việc chòu kéo là dạng làm việc cơ bản của thép, đặc trưng cho sự chòu lực của thép dưới tác dụng của tải trọng. Qua nghiên cứu sự làm việc chòu kéo của thép, ta có các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép như: ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, môđun đàn hồi. a) Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi kéo. Mang kéo một mẫu thép mềm C T 3 bằng tải trọng tónh tăng dần và vẽ đồ thò quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng tỷ đối ε, ta được biểu đồ kéo của thép như hình 1.1. Trục tung biểu thò ứng suất σ = P/A, kN/cm 2 . Trục hoành biểu thò biến dạng tỷ đối ε = ∆l/l.100%; trong đó A, l là tiết diện ban đầu và chiều dài ban đầu của mẫu. Đường cong biểu đồ gồm các đoạn cong sau (h1.1) + Đoạn O đến A, tương ứng với ứng suất từ 0 đến khoảng 2000 daN/cm 2 , là một đường thẳng. Trong giai đoạn này, ứng suất và biến dạng tỷ lệ bậc nhất với nhau, vật liệu tuân theo đònh luật Húc : σ = E ε , trong đó mô đun đàn hồi E là hệ số góc của đường thẳng OA. Đối với thép C T 3, E = 2,06.10 6 daN/cm 2 . Giai đoạn này gọi là giai đoạn tỷ lệ, ứng suất tương ứng với điểm A gọi là giới hạn tỷ lệ σ tl . Bên trên điểm A một chút cho tới điểm A’, đường thẳng hơi cong đi, không còn giai đoạn tỷ lệ bậc nhất nữa, nhưng thép vẫn làm việc đàn hồi, nghóa là biến dạng sẽ hoàn toàn mất đi khi không còn tải trọng. Ứng suất tương ứng với điểm A’ gọi là giới hạn đàn hồi σ đh là giới hạn của vùng làm việc đàn hồi của thép. Thực tế, σ đh khác rất ít với σ tl nên nhiều khi người ta đồng nhất hai giai đoạn làm việc này. 40 + Đoạn A’B, là một đường cong rõ rệt. Thép không còn làm việc đàn hồi nữa; mô đun đàn hồi E giảm dần đến bằng 0 ở điểm B, ứng với ứng suất chừng 2400 daN/cm 2 . Giai đoạn này gọi là giai đoạn đàn hồi dẻo. + Đoạn BC, hầu như là đoạn nằm ngang ; gọi là giai đoạn chảy dẻo. Biến dạng tự động tăng trong khi ứng suất không đổi. Đoạn nằm ngang ứng với biến dạng từ ε = 0,2% đến ε = 0,25% được gọi là thềm chảy. Ứng suất tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi là giới hạn chảy σ c Nếu tại điểm C mà ta cất tải trọng, biểu đồ giảm tải sẽ sẽ đi theo đường cong C0’ song song với đường gia tải đàn hồi; thép có biến dạng dư : 00’. + Đoạn C-D, quá giai đoạn chảy (quá trò số biến dạng ε = 0,25% đối với thép C T 3), thép không chảy nữa và lại có thể chòu được lực. Thép như được gia cường, nên giai đoạn này gọi là giai đoạn củng cố. Quan hệ ứng suất – biến dạng là một đường cong thoải, biến dạng tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo. Mẫu thép bò thắt lại, tiết diện bò thu nhỏ và bò kéo đứt ứng với ứng suất ở điểm D, khoảng 4000 daN/cm 2 đối với C T 3. Ứng suất này gọi là giới hạn bền. Biến dạng lúc kéo đứt rất lớn ε o = 20% - 25%. b) Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép. Biểu đồ kéo của thép cho ta các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép, được qui đònh trong tiêu chuẩn đối với mỗi mác thép. Đó là: + Giới hạn tỷ lệ : σ tl + Giới hạn chảy : σ c – quan trọng nhất, là ứng suất trong các cấu kiện chòu lực không được phép vượt qua. + Giới hạn bền : σ b + Biến dạng khi đứt : ε o + Môđun đàn hồi : E Ví dụ : Thép C T 3 có các đặc trưng cơ tính như sau : + Mô đun đàn hồi (khi kéo) : E = 2,10.10 6 kG/cm 2 . + Khối lượng riêng : γ = 7,83 T/m 3 . + Mô đun đàn hồi trượt : G = 0,81.10 6 kG/cm 2 . + Độ dãn dài khi đứt : ε o = 21% + Giới hạn chảy : σ c = 2400 -2800 kG/cm 2 + Độ bền cơ học đảm bảo + Giới hạn bền : σ b = 3800 -4200 kG/cm 2 + Tính dẻo cao + Độ dai va đập : a k = 50-100 J/cm 2 . + Tính hàn tốt (dễ hàn). Hình 1.1 Biểu đồ kéo thép các bon thấp. [...]... ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 ГОСТ 19 28 1- 7 3 TY -1 4 -1 -1 2 1 7-7 5 ГОСТ 19 28 2-7 3 ГОСТ 19 28 2-7 3 ГОСТ 19 28 2-7 3 ГОСТ 19 28 2-7 3 ГОСТ 19 28 2-7 3 Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Ống Tấm Hình Hình Ống Tấm Tấm Hình Hình Hình Hình Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Tấm Chiều dày thép cán (mm) 4-2 0 2 1- 3 0 3 1- 4 0 2 1- 4 0 2 1- 4 0 10 1 0-4 0 4-9 1 0-2 0 2 1- 3 2 4 5-9 1 0-2 0 2 1- 3 2... d i) , (B.275). [15 ] 6–7 5 – 5,5 4 – 4,5 δ B 600, 710 , 10 00 10 00, 12 50 14 00 10 00, 12 50, 14 00, 15 00, 16 00 14 00, 15 00, 16 00 12 50 14 00 12 50, 14 00, 15 00, 16 00 12 50, 14 00, 15 00, 16 00 14 00, 15 00, 16 00, 17 00 14 00 12 00, 14 00, 15 00 16 00 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00 14 00 12 50, 14 00, 15 00 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000 L 2000 2500 2800 3000, 3500, 4200, 4500,... 50 -[ 13 ]) Stt Mác thép ГОСТ hoặc TY Lo i thép cán 01 02 03 04 05 06 07 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 18 CП 18 ГПC 18 ГCП BCT3ПC BCT3ГПC BCT3CП BCTTПC 09Г2C 09Г2C 09Г2C 10 Г2C1 10 Г2C1 10 Г2C1 10 Г2C1 10 Г2C1 10 Г2C1 15 XCHД 14 Г2AФ 15 Г2AФДПC 10 XCH 16 Г2AФ 16 Г2AФ 18 Г2AФПC ГОСТ 23570 –79 ГОСТ 23570 –79 ГОСТ 23570 –79 ГОСТ 380 - 71 ГОСТ 380 - 71 ГОСТ 380 – 71 ГОСТ 14 36 7-7 9 ГОСТ 19 28 1- 7 3... 515 7-5 3* - (tr.78 – [10 ]) Ký hiệu 18 M 24M 30M 36M 45M Kh i lượng kg/m h 25,8 38,3 50,2 57,9 77,6 18 0 240 300 360 450 b d t R r 2 cm mm 90 11 0 13 0 13 0 15 0 Hình 1. 4 Thép chữ I và các kích thước 7 8,2 9 9,5 10 ,5 12 14 15 16 18 Diện tích tiết diện 9 10 ,5 12 14 16 3,5 4 6 6 7 32,9 48,7 63,9 73,7 98,7 Trục x-x Trục y-y Jx Wx ix Sx Jy Wy iy cm4 cm3 cm cm3 cm4 cm3 cm 19 6 386 627 850 14 20 7, 31 9,75 12 ,02 14 ,40... các lo i thép cán của tiêu chuẩn Việt Nam có kích thước giống như các lo i thép cán theo tiêu chuẩn Liên Xô ГОСТ năm 19 72 Hiện nay Liên Xô đã sử dụng tiêu chuẩn m i lo i 72* (Ví dụ ГОСТ 8 51 0-7 2*) là sửa đ i của tiêu chuẩn năm 19 72 Các qui cách thép hình theo TCVN năm 19 75, 41 tương ứng v i ГОСТ năm 19 72 Đ i v i các lo i thép chưa có trong tiêu chuẩn Việt Nam thì dùng các tiêu chuẩn m i nhất của Liên... ghép hai thép góc thành chữ T, chữ thập, chữ nhật v.v…(hình 1. 2.b) - Cấu kiện liên kết các kết cấu khác như ghép các bản thép thành tiết diện chữ I, liên kết dầm v i cột Thép góc là lo i thép cán được dùng nhiều nhất trong kết cấu thép b)Thép chữ I: Theo TCVN 16 5 5-7 5, gồm có 23 lo i tiết diện, chiều cao từ 10 0 đến 600 mm Ký hiệu, ví dụ : I3 0, ở đây 30 là chiều cao tính ra cm Từ các số hiệu 18 đến 30,... 2220 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200, 2300 45 Bảng 1. 4 – Kích thước thép tấm, mm (tiếp theo) (Ký hiệu δ - chiều dày; B – chiều rộng; L – chiều d i) , (B.275). [15 ] δ 12 , 13 , 14 , 15 16 , 17 ,18 , 19 , 20 21, 22, 24, 25, 26, 28, 30, 32 34, 36, 38, 40, 42, 45, 50, 52, 53, 55, 56, 58, 60 63, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 10 0 10 5,... 52, 53, 55, 56, 58, 60 63, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 10 0 10 5, 11 0, 12 0, 12 5, 13 0 14 0, 15 0, 16 0 B 14 00 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200, 2300 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200, 2300, 2400 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200, 2300, 2400, 2500 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200, 2300, 2400, 2500 L 4200 4500, 5000, 5500, 6000, 6500,.. .1. 3.2 Thép dùng làm kết cấu chòu t i trọng động – [13 ] Theo qui phạm chia các kết cấu xây dựng và công trình làm 4 nhóm và có hướng dẫn việc sử dụng các số hiệu thép cho m i nhóm Sau đây là số hiệu thép cho nhóm 1: Phạm vi sử dụng: Các kết cấu hàn hoặc các cấu kiện của nó làm việc trong i u kiện đặc biệt nặng hay chòu tác dụng trực tiếp của t i trọng động, t i trọng rung động hoặc t i trọng di động... 8000 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, 2200 8 14 00 12 50, 14 00, 15 00 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00 2800 3000, 3500 4200 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000 7500, 8000 2800 3000, 3500 4200 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000 14 00 12 50, 14 00, 15 00 2800, 3500 4200 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000 7500, 8000 11 9 – 10 12 50, 14 00, 15 00, 16 00, 17 00, 18 00, 19 00, 2000, 210 0, . 31 Phần I CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHUNG CÁC KẾT CẤU KIM LO I MÁY TRỤC Chương 1 VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP 1. 1 KH I NIỆM VỀ KẾT CẤU THÉP 1. 1 .1. Đònh nghóa kết cấu thép, [17 ]. Các. 455(4650) 15 10 Г2C1 ГОСТ 19 28 1- 7 3 Hình 2 1- 3 2 325(3300) 470(4800) 310 ( 315 0) 450(4600) 16 10 Г2C1 ГОСТ 19 28 1- 7 3 Hình 3 3-6 0 325(3300) 450(4600) 310 ( 315 0) 430(4400) 17 10 Г2C1 ГОСТ 19 28 1- 7 3. 19 28 1- 7 3 Hình 6 1- 1 00 295(3000) 430(4400) 280(2850) 410 (4200) 18 15 XCHД ГОСТ 19 28 1- 7 3 Tấm 4-3 2 350(3560) 500( 511 0) 333(3389) 475(4842) 19 14 Г2AФ TY -1 4 -1 -1 2 1 7-7 5 Tấm 4-5 0 390(4000)