Trong nhiều tình huống kết cấu khác nhau, các kỹ sư có thể cần đánh giá độ bền của các mối nối được tạo ra bằng phương pháp hàn và các chi tiết ghép nối cơ khí. Ngày nay, các chi tiết ghép nối cơ khí thường là bu lông, nhưng các thiết kế cũ hơn có thể sử dụng đinh tán.
Điều này có thể xảy ra trong quá trình nâng cấp, cải tạo hoặc cải tiến một dự án. Một thiết kế mới có thể yêu cầu sử dụng bu lông và hàn để tạo thành một mối nối, trong đó vật liệu cần nối được bắt vít trước rồi mới hàn lại để đảm bảo độ chắc chắn tối đa cho mối nối.
Tuy nhiên, việc xác định tổng khả năng chịu tải của một mối nối không đơn giản chỉ là cộng tổng khả năng chịu tải của các thành phần riêng lẻ (mối hàn, bu lông và đinh tán). Giả định như vậy có thể dẫn đến những hậu quả tai hại.
Các mối nối bằng bu lông được mô tả trong Quy chuẩn về Mối nối Kết cấu của Viện Kết cấu Thép Hoa Kỳ (AISC), sử dụng bu lông ASTM A325 hoặc A490 làm bu lông siết chặt, bu lông tải trước hoặc bu lông trượt.
Siết chặt các mối nối đã được siết chặt bằng máy siết bu lông hoặc thợ khóa sử dụng cờ lê hai mặt thông thường để đảm bảo các lớp tiếp xúc chặt chẽ với nhau. Trong mối nối ứng suất trước, các bu lông được lắp đặt sao cho chúng chịu tải trọng kéo đáng kể, và các tấm chịu tải trọng nén.
1. Vặn đai ốc. Phương pháp vặn đai ốc bao gồm siết chặt bu lông rồi vặn thêm một lượng, tùy thuộc vào đường kính và chiều dài của bu lông.
2. Hiệu chỉnh cờ lê. Phương pháp sử dụng cờ lê đã hiệu chỉnh đo mô-men xoắn liên quan đến lực căng của bu lông.
3. Bu lông điều chỉnh lực căng kiểu xoắn. ​​Bu lông điều chỉnh lực căng kiểu xoắn có các chốt nhỏ ở đầu bu lông đối diện với đầu bu lông. Khi đạt đến mô-men xoắn cần thiết, chốt sẽ được vặn ra.
4. Chỉ số kéo thẳng. Các chỉ báo lực căng trực tiếp là các vòng đệm đặc biệt có mấu. Lượng nén trên tai cho biết mức độ lực căng tác dụng lên bu lông.
Nói một cách đơn giản, bu lông hoạt động như những chiếc ghim trong các mối nối chặt và được siết chặt, tương tự như một chiếc ghim bằng đồng giữ chặt chồng giấy đục lỗ. Các mối nối trượt quan trọng hoạt động nhờ ma sát: lực siết tạo ra lực ép xuống, và ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc cùng nhau chống lại sự trượt của mối nối. Nó giống như một chiếc kẹp giữ chồng giấy lại với nhau, không phải vì giấy được đục lỗ, mà vì kẹp ép các tờ giấy lại với nhau và ma sát giữ cho chồng giấy không bị tuột ra.
Bu lông ASTM A325 có độ bền kéo tối thiểu từ 150 đến 120 kg/inch vuông (KSI), tùy thuộc vào đường kính bu lông, trong khi bu lông A490 phải có độ bền kéo từ 150 đến 170 KSI. Các mối nối đinh tán hoạt động giống như các mối nối chặt, nhưng trong trường hợp này, các chốt là đinh tán thường có độ bền bằng khoảng một nửa so với bu lông A325.
Khi một mối nối được siết chặt bằng cơ khí chịu lực cắt (khi một chi tiết có xu hướng trượt trên chi tiết khác do lực tác dụng), có hai trường hợp xảy ra. Thứ nhất, bu lông hoặc đinh tán có thể nằm ở hai bên lỗ, khiến chúng bị đứt đồng thời. Thứ hai, ma sát do lực kẹp của các chi tiết siết chặt có thể chịu được tải trọng cắt. Trong trường hợp này, không dự kiến ​​xảy ra hiện tượng trượt, nhưng điều đó vẫn có thể xảy ra.
Mối nối chắc chắn có thể chấp nhận được trong nhiều ứng dụng, vì sự trượt nhẹ không ảnh hưởng xấu đến đặc tính của mối nối. Ví dụ, hãy xem xét một silo được thiết kế để lưu trữ vật liệu dạng hạt. Có thể xảy ra hiện tượng trượt nhẹ khi nạp liệu lần đầu. Một khi hiện tượng trượt xảy ra, nó sẽ không lặp lại, vì tất cả các lần nạp liệu tiếp theo đều có tính chất tương tự.
Việc đảo chiều tải trọng được sử dụng trong một số ứng dụng, chẳng hạn như khi các phần tử quay chịu tải trọng kéo và nén luân phiên. Một ví dụ khác là phần tử uốn chịu tải trọng hoàn toàn ngược chiều. Khi có sự thay đổi đáng kể về hướng tải trọng, có thể cần đến mối nối được tải trước để loại bỏ hiện tượng trượt tuần hoàn. Hiện tượng trượt này cuối cùng dẫn đến hiện tượng trượt nhiều hơn trong các lỗ kéo dài.
Một số mối nối phải chịu nhiều chu kỳ tải trọng, dẫn đến hiện tượng mỏi vật liệu. Ví dụ như các mối nối trong máy ép, giá đỡ cần cẩu và các mối nối trong cầu. Cần sử dụng các mối nối chịu tải trượt khi mối nối chịu tải trọng mỏi theo hướng ngược lại. Trong những điều kiện này, việc mối nối không bị trượt là rất quan trọng, do đó cần có các mối nối chịu tải trượt.
Các mối nối bu lông hiện có có thể được thiết kế và sản xuất theo bất kỳ tiêu chuẩn nào trong số này. Các mối nối đinh tán được coi là kín.
Các mối hàn rất cứng chắc. Các mối nối bằng thiếc thì phức tạp hơn. Không giống như các mối nối bu lông chặt chẽ, có thể bị trượt dưới tải trọng, các mối hàn không cần phải giãn ra và phân bổ tải trọng tác dụng một cách lớn. Trong hầu hết các trường hợp, các loại mối nối cơ khí kiểu hàn và kiểu ổ trục không bị biến dạng theo cùng một cách.
Khi sử dụng mối hàn với các chi tiết ghép nối cơ khí, tải trọng được truyền qua phần cứng hơn, do đó mối hàn có thể chịu gần như toàn bộ tải trọng, chỉ có rất ít tải trọng được chia sẻ với bu lông. Đó là lý do tại sao cần phải cẩn thận khi hàn, bắt bu lông và tán đinh. Tiêu chuẩn AWS D1 giải quyết vấn đề kết hợp các chi tiết ghép nối cơ khí và mối hàn. Tiêu chuẩn 1:2000 về hàn kết cấu – thép. Đoạn 2.6.3 nêu rõ rằng đối với đinh tán hoặc bu lông được sử dụng trong các mối nối kiểu chịu lực (tức là nơi bu lông hoặc đinh tán hoạt động như một chốt), các chi tiết ghép nối cơ khí không nên được coi là chia sẻ tải trọng với mối hàn. Nếu sử dụng hàn, chúng phải được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng trong mối nối. Tuy nhiên, các mối nối được hàn vào một phần tử và được tán đinh hoặc bắt bu lông vào một phần tử khác vẫn được cho phép.
Khi sử dụng các loại bu lông cơ khí có ổ đỡ và thêm các mối hàn, khả năng chịu tải của bu lông thường bị bỏ qua. Theo quy định này, mối hàn phải được thiết kế để truyền tải toàn bộ tải trọng.
Về cơ bản, điều này tương tự như điều khoản J1.9 của tiêu chuẩn AISC LRFD-1999. Tuy nhiên, tiêu chuẩn Canada CAN/CSA-S16.1-M94 cũng cho phép sử dụng độc lập khi công suất của bộ phận ghép nối cơ khí hoặc bu lông cao hơn công suất hàn.
Trong vấn đề này, ba tiêu chí đều nhất quán: khả năng lắp ghép cơ khí kiểu ổ đỡ và khả năng hàn không tương xứng.
Mục 2.6.3 của tiêu chuẩn AWS D1.1 cũng thảo luận về các trường hợp mà bu lông và mối hàn có thể được kết hợp trong một mối nối hai phần, như thể hiện trong Hình 1. Mối hàn ở bên trái, bu lông ở bên phải. Tổng công suất của mối hàn và bu lông có thể được tính đến ở đây. Mỗi phần của toàn bộ mối nối hoạt động độc lập. Do đó, tiêu chuẩn này là một ngoại lệ đối với nguyên tắc được nêu trong phần đầu của mục 2.6.3.
Các quy định vừa được thảo luận áp dụng cho các công trình xây mới. Đối với các công trình hiện có, điều khoản 8.3.7 D1.1 quy định rằng khi các tính toán kết cấu cho thấy đinh tán hoặc bu lông sẽ bị quá tải bởi tổng tải trọng mới, thì chỉ nên gán cho nó tải trọng tĩnh hiện có.
Các quy định tương tự yêu cầu rằng nếu đinh tán hoặc bu lông chỉ bị quá tải bởi tải trọng tĩnh hoặc chịu tải trọng chu kỳ (mỏi), thì phải bổ sung đủ kim loại nền và mối hàn để chịu được tổng tải trọng.
Sự phân bố tải trọng giữa các mối nối cơ khí và mối hàn là chấp nhận được nếu kết cấu được chịu tải trước, nói cách khác, nếu đã xảy ra hiện tượng trượt giữa các phần tử được kết nối. Nhưng chỉ có thể đặt tải trọng tĩnh lên các mối nối cơ khí. Tải trọng động có thể dẫn đến hiện tượng trượt lớn hơn phải được bảo vệ bằng cách sử dụng các mối hàn có khả năng chịu được toàn bộ tải trọng.
Các mối hàn phải chịu được mọi tải trọng tác dụng hoặc tải trọng động. Khi các chi tiết ghép nối cơ khí đã bị quá tải, việc chia sẻ tải trọng là không được phép. Dưới tải trọng chu kỳ, việc chia sẻ tải trọng cũng không được phép, vì tải trọng có thể dẫn đến trượt vĩnh viễn và quá tải mối hàn.
Hình minh họa. Hãy xem xét một mối nối chồng ban đầu được siết chặt bằng bu lông (xem Hình 2). Cấu trúc này bổ sung thêm lực, và cần phải thêm các mối nối và đầu nối để tăng gấp đôi độ bền. Hình 3 thể hiện sơ đồ cơ bản để gia cố các phần tử. Mối nối nên được thực hiện như thế nào?
Vì phần thép mới cần được nối với phần thép cũ bằng các mối hàn góc, kỹ sư đã quyết định thêm một số mối hàn góc tại chỗ nối. Vì các bu lông vẫn còn nguyên vị trí, ý tưởng ban đầu là chỉ thêm các mối hàn cần thiết để truyền tải lực thừa sang phần thép mới, dự kiến ​​50% tải trọng sẽ truyền qua các bu lông và 50% tải trọng sẽ truyền qua các mối hàn mới. Phương án này có chấp nhận được không?
Trước tiên, hãy giả định rằng hiện tại không có tải tĩnh nào được áp dụng cho kết nối. Trong trường hợp này, đoạn 2.6.3 của AWS D1.1 sẽ được áp dụng.
Trong kiểu mối nối chịu lực này, mối hàn và bu lông không thể được coi là cùng chịu tải, do đó kích thước mối hàn được chỉ định phải đủ lớn để chịu được toàn bộ tải trọng tĩnh và động. Khả năng chịu tải của bu lông trong ví dụ này không thể được tính đến, bởi vì nếu không có tải trọng tĩnh, mối nối sẽ ở trạng thái lỏng lẻo. Mối hàn (được thiết kế để chịu một nửa tải trọng) ban đầu bị đứt khi chịu toàn bộ tải trọng. Sau đó, bu lông, cũng được thiết kế để truyền một nửa tải trọng, cố gắng truyền tải trọng và bị gãy.
Giả sử thêm rằng có một tải trọng tĩnh được tác dụng. Ngoài ra, giả sử rằng mối nối hiện có đủ khả năng chịu được tải trọng thường xuyên hiện tại. Trong trường hợp này, đoạn 8.3.7 D1.1 được áp dụng. Các mối hàn mới chỉ cần chịu được tải trọng tĩnh và tải trọng động tăng thêm. Tải trọng tĩnh hiện có có thể được gán cho các mối nối cơ khí hiện có.
Dưới tải trọng không đổi, mối nối không bị chùng xuống. Thay vào đó, các bu lông đã chịu được tải trọng của chúng. Đã có sự trượt nhất định trong mối nối. Do đó, có thể sử dụng các mối hàn và chúng có thể truyền tải tải trọng động.
Câu trả lời cho câu hỏi “Điều này có chấp nhận được không?” phụ thuộc vào điều kiện tải trọng. Trong trường hợp đầu tiên, khi không có tải trọng tĩnh, câu trả lời sẽ là không. Trong điều kiện cụ thể của trường hợp thứ hai, câu trả lời là có.
Chỉ vì có tải trọng tĩnh tác dụng không phải lúc nào cũng có thể đưa ra kết luận. Mức độ tải trọng tĩnh, độ bền của các mối nối cơ khí hiện có và bản chất của tải trọng đầu mút—cho dù là tĩnh hay chu kỳ—đều có thể làm thay đổi câu trả lời.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Giám đốc Trung tâm Công nghệ Hàn, Công ty Lincoln Electric, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric sản xuất thiết bị hàn và vật tư tiêu hao hàn trên toàn thế giới. Các kỹ sư và kỹ thuật viên của Trung tâm Công nghệ Hàn giúp khách hàng giải quyết các vấn đề về hàn.
Hiệp hội Hàn Hoa Kỳ, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, điện thoại 305-443-9353, fax 305-443-7559, trang web www.aws.org.
ASTM Quốc tế, 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, điện thoại 610-832-9585, fax 610-832-9555, trang web www.astm.org.
Hiệp hội Kết cấu Thép Hoa Kỳ, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, điện thoại 312-670-2400, fax 312-670-5403, trang web www.aisc.org.
FABRICATOR là tạp chí hàng đầu Bắc Mỹ về gia công và tạo hình thép. Tạp chí đăng tải tin tức, bài viết kỹ thuật và những câu chuyện thành công giúp các nhà sản xuất làm việc hiệu quả hơn. FABRICATOR đã hoạt động trong ngành này từ năm 1970.
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của The FABRICATOR, bạn có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên quý giá trong ngành.
Phiên bản điện tử của Tạp chí Tube & Pipe Journal hiện đã hoàn toàn có thể truy cập được, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận các nguồn tài liệu quý giá trong ngành.
Nhận quyền truy cập kỹ thuật số đầy đủ vào Tạp chí STAMPING, với những công nghệ mới nhất, các phương pháp tốt nhất và tin tức ngành dành cho thị trường dập kim loại.
Giờ đây, với quyền truy cập kỹ thuật số đầy đủ vào The Fabricator en Español, bạn có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên quý giá trong ngành.