Giáo trình Kết cấu hàn

i cũng khác nhau. Chương này 
trang bị cho sinh viên các khái niệm cơ bản về một số kết cấu hàn thông dụng, phương 
pháp tính toán vật liệu để gia công kết cấu đó. 
Mục tiêu: 
- Trình bày đầy đủ khái niệm về dầm, trụ, dàn, tấm vỏ; 
- Trình bày được phương pháp tính toán các liên kết hàn trong kết cấu dầm, trụ; 
- Mô tả các ứng suất biến dạng khi hàn kết cấu dầm, trụ, dàn, tấm vỏ và biện pháp 
chống ứng suất, biến dạng; 
- Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dầm, trụ, dàn, tấm vỏ. 
- Rèn luyện tính tự giác, kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc; 
Nội dung chính 
1. Tính toán kết cấu dầm 
1.1. Khái niệm về dầm 
1.1.1. Khái niệm 
 Dầm: là loại kết cấu rất phổ biến trong nhiều thiết bị, máy móc, đặc biệt là trong 
lĩnh vực xây dựng, giao thông. Ví dụ dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác, 
khung nhà thép, vỏ tàu thuỷ, khung máy, bệ máy, ... 
 Về chức năng dầm làm việc chống uốn ngang là chủ yếu. Thông thường nó nhận 
tải từ các phần tử khác và chuyển xuống các gối tựa( tức là phần đỡ dầm). 
 Hệ dầm: Trong các loại thiết bị hoặc công trình như khung nhà thép, sàn công 
tác, cầu thép, v.v..., chúng ta thường gặp hàng loạt các dầm bố trí theo một cách thức 
nhất định gọi là hệ dầm. Hệ dầm trong các công trình xây dựng có nhiệm vụ nhận tải 
từ các bản sàn và các loại tải trọng trên đó để chuyển xuống các gối tựa như cột, tường 
hoặc các kết cấu chịu lực khác. 
 Trong xây dựng, người ta phân biệt ba kiểu hệ dầm: hệ dầm đơn giản, hệ dầm 
phổ thông và hệ dầm phức tạp. 
 - Hệ dầm đơn giản: Gồm các dầm bố trí song song với cạnh ngắn của sàn công 
tác. Hệ dầm đơn giản có khả năng chịu lực và độ cứng không cao, vì thế hệ dầm này 
chỉ dùng chủ yếu trong các sàn công tác có một cạnh rất ngắn và tải trọng có giá trị 
không lớn. 
 - Hệ dầm phổ thông: Gồm 2 loại dầm đặt vuông góc với nhau và song song với 2 
cạnh của sàn công tác. Các dầm nằm song song với cạnh ngắn của sàn công tác tựa lên 
cột hoặc các kết cấu chiụ lực khác (như tường chịu lực) gọi là các dầm chính (có thể 
 60 
có hai hay nhiều dầm chính). Các dầm liên kết dầm chính với nhau được gọi là dầm 
phụ. Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi tải trọng và kích thước của sàn công tác 
không quá lớn( q≤3.000 daN/m2 và kích thước của sàn công tác nhỏ hơn 12 x 36m) thì 
hệ dầm phổ thông thường có hiệu quả kinh tế nhất. 
 - Hệ dầm phức tạp: Gồm 3 loại dầm trở lên đặt vuông góc với nhau và song song 
với các cạnh của sàn công tác. Hệ dầm này có cấu tạo phức tạp và chi phí chế tạo lớn 
nên chỉ sử dụng trong điều kiện tải trọng và kích thước của sàn rất lớn. 
1.1.2. Đặc điểm: Theo cấu tạo tiết diện ngang dầm có thể chia làm hai loại: dầm hình 
và dầm tổ hợp. 
 + Dầm hình là dầm từ một loại thép hình phổ thông như thép I, thép U, thép góc 
hoặc các loại thép hình thành mỏng chuyên dụng khác. 
 Hình 4.1. Các loại dầm hình. 
 - Dầm từ thép I (a) có tiết diện đối xứng, mômen chống uốn( Wx) rất lớn, dùng 
hợp lý đối với các trường hợp chịu uốn phẳng như dầm cầu, dầm sàn công tác, dầm 
cầu trục, v.v... 
 - Dầm từ thép U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị xoắn. 
Tuy nhiên dầm chữ U( đặc biệt loại biên rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và rất dễ 
liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ tàu, xà 
gồ , sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm sàn công tác với nhịp và tải trọng bé. 
 Các loại thép cán phổ thông rất đa dạng vì thế trong công nghiệp người ta tiến 
hành sản xuất hàng loạt với các kích thước chuẩn. 
 + Dầm tổ hợp: Dầm tổ hợp được chế tạo từ các loại thép hình, thép tấm hoặc 
thép định hình. Nếu dùng phương pháp hàn để chế tạo thì quy ước gọi là dầm hàn, còn 
nếu dùng liên kết đinh tán hoặc bulông thì tương ứng gọi là dầm đinh tán hoặc là dầm 
bulông. ở đây chỉ đề cập đến loại dầm hàn. 
 61 
 Hình 4.2. Các loại dầm tổ hợp(a. dầm hàn; b. dầm đinh tán) 
 Hình 4.3. Dầm hộp. 
 Dầm hàn chữ I gồm ba phần tử cơ bản: Hai biên( còn gọi là cánh hoặc đế dầm) 
và vách( còn gọi là thành hay bụng dầm). Ngoài ra, trong dầm hàn còn có các phần tử 
kết cấu khác như gân cứng vững, vách ngăn, bản nối, v.v... 
 So với dầm đinh tán hoặc dầm bulông thì dầm hàn nhẹ hơn, chi phí chế tạo thấp 
hơn nên được sử dụng phổ biến trong những thập kỷ gần đây. 
 Tuy nhiên, sử dụng dầm hình sẽ giảm được số lượng chi tiết cấu thành, chi phí 
chế tạo giảm và thời gian đưa công trình vào sử dụng sẽ ngắn hơn. Do vậy, trong mọi 
trường hợp cần phải cân nhắc kĩ các yếu tố kinh tế- kỹ thuật để chọn loại dầm hình hay 
loại dầm tổ hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu nhất. 
1.2. Tính toán vật liệu gia công kết cấu dầm 
1.2.1. Đọc bản vẽ 
- Xác định các kích thước ghi trên bản vẽ 
 + Xác định kích thước tổng thể của kết cấu hàn (chiều dài, chiều rộng, ) 
 + Xác định kích thước của các chi tiết trong kết cấu hàn. Ví dụ: Trong một kết 
cấu dàn cần xác định kích thước của thanh biên, thanh giằng, bản nối 
- Xác định các ký hiệu ghi trên bản vẽ 
 + Ký hiệu về sai số kích thước, ký hiệu về độ nhám bề mặt 
 + Ký hiệu về vật liệu  
- Liệt kê đầu đủ các lại vật liệu chế tạo nên kết cấu hàn 
 Trong một kết cấu hàn có thể có các chi tiết được làm từ các loại vật liệu khác 
nhau và có kích thước khác nhau. Ví dụ: Trong một kết cấu dàn thì thanh biên thường 
có kích thước lớn hơn thanh giằng. 
 62 
1.2.2. Tính toán vật liệu gia công 
 Thông thường khi tính toán vật liệu sẽ cấu thành nên kết cấu hàn người ta 
thường dựa vào bảng sau: 
 Số Vật 
STT Tên chi tiết Hình vẽ chi tiết Ghi chú 
 lượng liệu 
1 
2 
- Tên chi tiết có thể chỉ cần ghi ký hiệu của chi tiết đó mà trên bản vẽ đã ký hiệu 
- Hình vẽ của chi tiết cần phải vẽ chính xác hình dạng và chi đầy đủ kích thước của chi 
tiết đó 
- Số lượng chi tiết cần xác định chính xác tránh chuẩn bị thiếu hoạc thừa 
- Vật liệu xác định đúng chi tiết đó được chế tạo từ vật liệu gì 
2. Tính toán kết cấu trụ 
2.1. Khái niệm về trụ 
 Trụ, cột là các phần tử kết cấu khi làm việc chủ yếu là chịu nén( đôi khi chịu cả 
uốn). Vì làm việc chịu nén là chủ yếu nên người ta còn gọi trụ, cột là các gối tựa trung 
gian. Do điều kiện làm việc cũng như phương pháp tính toán tương tự như nhau, nên 
sau đây ta chỉ nói đến kết cấu trụ hàn. 
 Theo điều kiện truyền lực, người ta phân biệt: 
 - Trụ nén đúng tâm. 
 - Trụ nén lệch tâm. 
 Trụ nén đúng tâm luôn bị nén bởi ứng suất phân bố đều theo mặt cắt ngang. Trụ 
nén lệch tâm thì ngoài việc bị nén còn bị uốn ngang do momen (của lực lệch tâm) gây 
ra. 
 Kết cấu thông thường của trụ thường gồm có ba bộ phận: 
 - Đầu trụ: Nhận tải trọng từ các bộ phận trên 
 - Thân trụ: là phần chịu lực quan trọng nhất của trụ 
 - Đế trụ: Nhận tải từ thân trụ chuyển xuống nền móng. Nó còn là bộ phận để lắp 
ghép trụ với nền móng. 
 Theo hình dạng tiết diện ngang của trụ, người ta phân biệt: 
 - Trụ đặc; trụ có mặt cắt liên tục. 
 - Trụ ghép( có mặt cắt không liên tục): Thân trụ gồm nhiều nhánh riêng 
biệt được liên kết với nhau bằng các phần tử không liên tục( hệ thanh dằng, bản nối, 
tấm đệm,). 
 Hình dáng tiết diện ngang của trụ hàn khá đa dạng( hình 6.1). Nó được thiết kế 
trên cơ sở tính toán và phân tích tải trọng, độ lệch tâm, chiều cao, kết cấu đế trụ, 
 63 
 Hình 4.4: Một số dạng mặt cắt của trụ 
2.2. Tính toán vật liệu gia công kết cấu trụ 
2.2.1. Đọc bản vẽ: 
+ Xác định các kích thước ghi trên bản vẽ 
 - Xác định kích thước tổng thể của trụ: (chiều dài, chiều rộng) 
 - Xác định kích thước của các chi tiết trong kết cấu. 
+ Xác định các ký hiệu ghi trên bản vẽ 
 - Ký hiệu về dung sai kích thước, ký hiệu về độ nhám bề mặt 
 - Ký hiệu về vật liệu 
+ Liệt kê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo trụ 
 Trong một kết cấu hàn có thể có các chi tiết được làm từ các loại vật liệu khác 
nhau và có các kích thước khác nhau 
2.2.2. Tính toán vật liệu gia công 
 Thông thường khi tính toán vật liệu sẽ cấu thành nên kết cấu hàn người ta dựa 
vào bảng sau: 
 STT Tên chi tiết Hình vẽ chi tiết Số lượng Vật liệu Ghi chú 
 1 
 2 
- Tên chi tiết: có thể chỉ cần ghi ký hiệu của chi tiết đó mà trên bản vẽ đã ký hiệu 
- Hình vẽ của chi tiết: cần phải vẽ chính xác hình dạng của chi tiết và ghi cụ thể kích 
thước của chi tiết đó 
- Số lượng: xác định chính xác số lượng của chi tiết đó trong kết cấu hàn 
- Vật liệu: xác định vật liệu chế tạo chi tiết đó 
3. Tính toán kết cấu dàn 
3.1. Khái niệm chung 
 64 
 Dàn là kết cấu khi làm việc chịu uốn ngang là chủ yếu( vì thế người ta còn gọi 
dàn là loại dầm vách rỗng). Nhờ sử dụng vật liệu triệt để hơn( hầu hết các phần tử dàn 
đều tham gia chịu lực) nên đối với kết cấu có khẩu độ lớn người ta thường dùng dàn để 
thay dầm. Mặc dù ở một khía cạnh khác, dầm có hình thức đơn giản và dễ chế tạo hơn( 
do có thể sử dụng các phương pháp hàn có năng suất cao), dễ bảo dưỡng hơn,Một 
số kiểu dàn thông dụng giới thiệu trên hình vẽ. 
 Hình 4.5: Một số dạng kết cấu dàn 
 Theo hình dáng, có thể định nghĩa: dàn là hệ thống các phần tử( dạng thanh) 
chịu lực được liên kết với nhau tại các điểm nút và bất biến về hình dáng hình học. 
 Nếu liên kết ở các nút dàn có thể xoay tự do, thì đó là dàn bản lề. 
 Nhiều kết quả nghiên cứu đã khẳng định rằng, ứng lực trong các phần tử dàn 
hàn không khác biệt nhiều so với ở dàn bản lề( đinh tán, ghép bu lông). Bởi thế dàn 
hàn trong tính toán cũng được coi như là dàn bản lề. Nhờ vậy, việc tính toán được giản 
đơn đi nhiều mà vẫn đủ chính xác. 
 Nút : Chính là điểm giao nhau của các phần tử chịu lực. Thực ra đó là một bộ 
phận kết cấu dùng để liên kết các thanh với nhau. 
 Hiểu bất biến về hình dáng hình học như thế nào? Hệ thống được coi là bất biến 
về hình dáng hình học nếu như dưới tác dụng của ngoại lực, chuyển vị của một điểm 
bất kỳ chỉ thuần tuý là biến dạng đàn hồi, nghĩa là khi cất bỏ tải trọng đi thì điểm đó lại 
trở về vị trí ban đầu. 
 65 
 Vị trí tam giác cơ sở của dàn( hình vẽ) gồm 3 thanh và 3 khớp là một hệ bất 
biến về hình dáng. 
 Hình 4.6: Kết cấu dàn cơ sở 
 Từ đây ta có thể kiến tạo nên một hệ phức tạp bằng cách thêm vào một số thanh 
và một số khớp. 
 Nếu gọi số thanh là i và số khớp là k thì 
 Số thanh thêm vào sẽ là i – 3 
 Số khớp thêm vào sẽ là k – 3 
 Để cho hệ bất biến về hình dáng tương quan giữa số thanh và số khớp phải là 
 i = 2k – 3 
 Đây cũng là điều kiện để dàn là một hệ tĩnh định, tức là có thể tìm nội lực trong 
tất cả các thanh bằng các phương pháp cân bằng tĩnh. 
 Thực vậy, tại một nút có hai phương trình x 0 ; y 0 k nút có 2k phương 
trình - 3 phương trình để xác định lực gối tựa có 2k- 3 phương trình. 
 Hệ có i thanh chỉ chịu lực dọc trục( nén hoặc kéo) nên có i nghiệm cần tìm. Vậy 
hệ phương trình là tĩnh định nếu i = 2k – 3. 
 - Nếu i < 2k – 3 thì để hệ là bất biến về hình dáng hình học, trong hệ phải 
 có một số nút cứng. 
 - Nếu i > 2k – 3 hệ siêu tĩnh. Trong trương hợp này để xác định ứng lực 
 trong các phần tử của dàn, ngoài hệ phương trình cân bằng tĩnh cần phải dùng 
 thêm các phương trình biến dạng khác. 
3.2. Tính toán vật liệu gia công kết cấu dàn 
3.2.1. Đọc bản vẽ: 
+ Xác định các kích thước ghi trên bản vẽ 
 - Xác định kích thước tổng thể của dàn: (chiều dài, chiều rộng) 
 - Xác định kích thước của các chi tiết trong kết cấu. 
+ Xác định các ký hiệu ghi trên bản vẽ 
 - Ký hiệu về dung sai kích thước, ký hiệu về độ nhám bề mặt 
 - Ký hiệu về vật liệu 
 66 
+ Liệt kê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo dàn 
 Trong một kết cấu hàn có thể có các chi tiết được làm từ các loại vật liệu khác 
nhau và có các kích thước khác nhau 
3.2.2. Tính toán vật liệu gia công 
 Thông thường khi tính toán vật liệu sẽ cấu thành nên kết cấu hàn người ta dựa 
vào bảng sau: 
 STT Tên chi tiết Hình vẽ chi tiết Số lượng Vật liệu Ghi chú 
 1 
 2 
- Tên chi tiết: có thể chỉ cần ghi ký hiệu của chi tiết đó mà trên bản vẽ đã ký hiệu 
- Hình vẽ của chi tiết: cần phải vẽ chính xác hình dạng của chi tiết và ghi cụ thể kích 
thước của chi tiết đó 
- Số lượng: xác định chính xác số lượng của chi tiết đó trong kết cấu hàn 
- Vật liệu: xác định vật liệu chế tạo chi tiết đó 
4. Giới thiệu kết cấu tấm vỏ 
4.1. Khái niệm chung 
 Kết cấu tấm vỏ chiếm một tỉ trọng rất lớn trong các loại kết cấu hàn, do đó việc 
tính toán chính xác có một ý nghĩa hết sức quan trọng về phương diện tiết kiệm vật 
liệu. 
 Theo điều kiện vận hành, kết cấu tấm vỏ có thể phân biệt thành hai nhóm chính: 
 - Nhóm thứ nhất bao gồm các kết cấu làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 1000C 
, áp suất dưới 0,07 MPa( 0,7at.), không làm việc trong môi trường độc hại và dễ cháy 
nổ. Tính toán bền loại kết cấu này được tiến hành theo các tiêu chuẩn và quy phạm 
chung như đối với kết cấu kim loại thông dụng. 
 - Nhóm thứ hai bao gồm các kết cấu làm việc ở nhiệt độ và áp suất cao 
hơn nhóm một, làm việc trong môi trường độc hại và dễ cháy nổ. Tính toán, thiết kế và 
chế tạo kết cấu thuộc nhóm này phải được tiến hành theo các tiêu chuẩn và quy phạm 
riêng như là các tiêu chuẩn về nồi hơi, bình áp lực, các quy định của Cơ quan đăng 
kiểm và các cơ quan quản lý chất lượng khác. 
4.1.2. Đặc điểm 
 Ngoài việc thỏa mãn yêu cầu về độ bền các liên kết hàn phải đảm bảo độ kín cần 
thiết. 
 Các mối hàn thường có chiều dài lớn nên phải ưu tiên sử dụng các phương pháp 
hàn có năng suất cao. 
 67 
 Phôi tấm dùng trong các kết cấu thường đã trải qua các nguyên công biến dạng 
tạo hình trước đó làm cho kim loại dễ bị biến dạng dẻo ở mức độ cao. Để kết cấu hàn 
không giảm khả năng làm việc, vật liệu cơ bản nên chọn với độ dẻo cao hơn so với các 
loại kết cấu khác. 
 Hình 4.7: Kết cấu tấm vỏ 
4.2. Tính toán vật liệu gia công kết cấu tấm vỏ 
4.2.1. Đọc bản vẽ: 
+ Xác định các kích thước ghi trên bản vẽ 
 - Xác định kích thước tổng thể của kết cấu: (chiều dài, chiều rộng) 
 - Xác định kích thước của các chi tiết trong kết cấu. 
+ Xác định các ký hiệu ghi trên bản vẽ 
 - Ký hiệu về dung sai kích thước, ký hiệu về độ nhám bề mặt 
 - Ký hiệu về vật liệu 
+ Liệt kê đầy đủ các loại vật liệu chế tạo kết cấu 
 Trong một kết cấu hàn có thể có các chi tiết được làm từ các loại vật liệu khác 
nhau và có các kích thước khác nhau 
4.2.2. Tính toán vật liệu gia công 
 68 
 Thông thường khi tính toán vật liệu sẽ cấu thành nên kết cấu hàn người ta dựa 
vào bảng sau: 
 STT Tên chi tiết Hình vẽ chi tiết Số lượng Vật liệu Ghi chú 
 1 
 2 
- Tên chi tiết: có thể chỉ cần ghi ký hiệu của chi tiết đó mà trên bản vẽ đã ký hiệu 
- Hình vẽ của chi tiết: cần phải vẽ chính xác hình dạng của chi tiết và ghi cụ thể kích 
thước của chi tiết đó 
- Số lượng: xác định chính xác số lượng của chi tiết đó trong kết cấu hàn 
- Vật liệu: xác định vật liệu chế tạo chi tiết đó 
 C ÂU H ỎI ÔN TẬP, BÀI TẬP 
Câu 1: Trình bày khái niệm vè kết cấu dầm? 
Câu 2: Trình bày khái niệm về kết cấu dàn? 
Câu 3: Trình bày khái niệm vè kết cấu tấm vỏ? 
 69 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Kết cấu hàn- Trường ĐHBKHà Nội- 2016 
[2]. Đoàn Đình Kiến-Thiết kế kết cấu thép-NXB xây dựng 2014 
 70