Mối nối là tên gọi các liên kết dùng để kéo dài hoặc tăng thêm. Các mối nối chẳng hạn cần thiết vì chiều dài hoặc chiều rộng tấm thép cán sẵn có không đủ, khi lắp dựng chúng cần để hạn chế kích thước và trọng lượng của các cấu kiện được vận chuyển. Bản đệm là các tấm che phủ chỗ gián đoạn trong mối nối. Tất cả các liên kết khác, đặc biệt là giữa các thanh dàn theo nhiều phương khác nhau và các cấu kiện đỡ trong các mặt phẳng khác nhau, được gọi là liên kết.
Đối với các mối nối thông thường, bản đệm và đinh tán của mối nối được tính theo toàn bộ lực. Vì vậy, ở mối nối tiêu chuẩn không yêu cầu các bề mặt mối nối phải tiếp xúc với nhau.
Lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của các thanh chịu kéo và chịu nén (đó là các thanh thẳng, chịu chủ yếu bởi các lực pháp tuyến) là giàn thanh. Các nội dung của mục này bỏ qua nguy cơ mất ổn định uốn của các thanh chịu nén. Trước hết sẽ xét đến độ bền tĩnh.
Khấu trừ lỗ trong các thanh chịu kéo
Khả năng chịu lực: Trạng thái ứng suất trong thanh chịu kéo bị thay đổi cục bộ đáng kể do các lỗ/khuyết. Trong miền tỷ lệ, sự phân bố ứng suất theo tiết diện bị suy yếu được thể hiện như trong hình (sl. 1). Theo A. Henning, ứng suất dọc lớn nhất trong thanh chữ nhật là:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
Hình 1 - Ứng suất dọc và ngang trong thanh khoan rỗng a) theo A. Henning; b) theo M. Rudeloff
Trong trường hợp giới hạn d/b = 0 của các lá rất rộng, suy ra maxσ = 3σm và đối với trường hợp trình bày ở hình 1a d/b = 1/3 thì maxσ = 2,42 σm. Ngoài ứng suất dọc còn có ứng suất ngang và ứng suất cắt. Ứng suất lớn nhất nằm ở lớp bao quanh lỗ. Tại đó xuất hiện các biến dạng vĩnh viễn đầu tiên, tức là các đỉnh ứng suất bị san bằng và xảy ra sự cân bằng ứng suất trên mặt cắt. Các biến dạng vĩnh viễn rõ rệt trong vùng lỗ chỉ xuất hiện khi ứng suất trung bình σm trong mặt cắt bị suy yếu vượt quá giới hạn chảy σFO. Tổng giãn dài của thanh tại SF = Fm * σF chỉ lớn hơn không đáng kể so với thanh không có lỗ. (Fm là diện tích của mặt cắt yếu nhất)
Trong các thí nghiệm kéo với các thanh tán đinh tán, đứt gãy luôn xảy ra ở các tiết diện bị suy yếu. Tải trọng khi phá hủy, trong điều kiện thông thường, đủ chính xác SB = Fn * σB. Các thí nghiệm kéo đứt trên các thanh chịu kéo có lỗ hở đã cho thấy hình thức phá hủy như ở hình 2.
Hình 2 - Các hình ảnh phá hủy của thanh chịu kéo
Trong các thí nghiệm với mối nối đinh tán cho thấy rằng các nối có bản chồng với một hàng đinh tán có khả năng chịu lực thấp hơn các nối có nhiều hàng đinh tán nối tiếp nhau. Theo đó, ứng suất trung bình khi phá hỏng σB trong tiết diện hữu dụng là:
Quy trình tính kích thước cho các thanh chịu kéo: Theo phương pháp tính thông thường, ứng suất kéo trung bình phải thỏa mãn σm = S/Fm ≤ dozσ và điều này áp dụng cho tất cả các tiết diện có xét Fm. Phần trừ do lỗ được xác định cho tiết diện vuông góc có số lỗ lớn nhất, và có thể xảy ra rằng tiết diện gãy có nhiều lỗ hơn cho giá trị Fm nhỏ hơn (hình 2). Theo nghĩa đó, đối với các tiết diện cán, Fm được tính bằng cách khai triển. Với các tiết diện phức tạp cũng xử lý theo cùng cách.
Tỷ số Fm/F theo quy luật nằm giữa 0,8 và 0,9, tức là phần trừ do lỗ ΔF = F – Fm chiếm từ 10% đến 20% toàn bộ tiết diện F của thanh. Đối với các công trình lớn, ΔF ảnh hưởng rất nhiều đến trọng lượng, vì vậy nên tìm các tiết diện có phần trừ do lỗ nhỏ hơn.
Biến dạng: Độ giãn đàn hồi của các thanh chịu kéo có lỗ chỉ lớn hơn rất ít so với các thanh không khoan tương ứng. Tổng độ giãn của các mối nối gần như bằng tổng độ giãn của các bản ghép nối tiếp. Vì vậy, để tính biến dạng của kết cấu thép, chỉ cần xác định độ giãn đàn hồi với các giá trị E và F của các thanh không suy yếu. Mức an toàn chống chảy dẻo của các thanh có chỗ suy yếu cao hơn, chẳng hạn, so với các thanh chịu nén.
Phân bố lực trong đinh tán
Hình 3
Phân bố lực S trong thanh lên từng đinh tán của mối nối phụ thuộc vào các tính chất đàn hồi của nó, nên là “không xác định tĩnh”. Trong trường hợp hình 3 thì phân bố N1, N2, … phụ thuộc vào biến dạng của đinh tán và các tấm ghép, nó thay đổi theo tỷ lệ Fthanh giằng/Fthanh. Với Fthanh giằng ≠ Fthanh thì các lực ở đinh tán đầu mối không còn bằng nhau nữa (hình 50a). Khi tỷ lệ Fthanh giằng/Fthanh giảm, Nn trở nên nhỏ hơn, N1 tiến gần S. Việc ghép các bản có độ dày rất khác nhau (hình 4b) là không hợp lý do đinh tán đầu tiên bị quá tải.
Hình 4 - Tải trọng lên đinh tán khi Fthanh > Fthanh_giằng
Các bản và thanh giằng cứng, chỉ các đinh tán là đàn hồi (hình 5a). Khi đó tất cả các đinh tán đều chịu uốn như nhau, mọi lực trong các đinh tán phải bằng nhau.
Các đinh tán cứng, chỉ các lá và thanh giằng là đàn hồi (hình 5b). Vì độ giãn dài trong thanh và trong các thanh giằng giữa đinh tán đầu tiên và đinh tán cuối cùng phải bằng nhau, suy ra N2 = N3 = … = Nn-1 = 0, trừ N1 = S * x1.
Hình. 5
Phân bố lực thực tế nằm giữa các trường hợp giới hạn này. Khi tải trọng tăng lên, trước hết ở các đinh tán ở đầu mối nối xuất hiện biến dạng vĩnh viễn, các đinh tán chịu tải lớn nhất được giảm tải và phân bố lực trở nên đều hơn. Sau khi xuất hiện các biến dạng lớn hơn, phân bố lực tiến gần đến trường hợp các bản và thanh giằng là cứng, tức là lực trong các đinh tán gần như bằng nhau, trong trường hợp độ cắt của đinh tán là yếu tố quyết định.
Tải trọng khi phá hoại: Cách bố trí đinh tán hầu như không ảnh hưởng đến τBV. Cường độ cắt τBV của mối nối hầu như không phụ thuộc vào số lượng đinh tán, cách sắp xếp của chúng, hình dạng của mối nối đinh tán; tải trọng khi phá hoại, trong xấp xỉ tốt, tương ứng với việc toàn bộ các đinh tán chịu tải đều nhau. Những nhận định tương tự, dĩ nhiên, cũng đúng đối với các mối nối bu lông thông thường, từ đó có thể kết luận rằng lực cản trượt không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực.
Thiết kế tính toán: Đối với các kết cấu thép và các thanh chịu tải trọng đúng tâm, tính theo phân bố đều, tức là với mỗi đinh tán N = S/n. Vì ở các mối nối dài, các đinh tán đầu tiên đã bị quá tải sớm, nên tốt nhất tránh dùng quá 6 đinh tán nối tiếp nhau.
Khả năng chống trượt: Hiện tượng trượt tại các mối nối đã xuất hiện ngay cả khi tải trọng tương đối nhỏ. Khả năng chống trượt trước hết phụ thuộc vào lực siết chặt, vốn thay đổi do nhiều tác động. Điều này bị bỏ qua khi tính toán kích thước các liên kết bằng đinh tán và các bu lông thông dụng cho đến nay. Cần lưu ý đến các liên kết bằng bu lông cường độ cao.
Phân bố lực trong đinh tán theo bề rộng: Khi khoảng cách giữa các đinh tán bằng nhau và vuông góc với phương lực (hình 6a), mỗi đinh tán tương ứng với các dải tiết diện có bề rộng bằng nhau a, do đó trong gần đúng đầu tiên lực trong đinh tán N = a t σ là bằng nhau. Phân bố khi khoảng cách giữa các đinh tán không đều là bài toán siêu tĩnh; đối với trường hợp ở hình 6b, nó được xác định theo quy luật đòn bẩy.
Hình. 6
Thanh chịu kéo
Tiếp theo: Mối nối với các thanh giằng đối xứng (hình 3 và 4). Lực S trong thanh tại vị trí mối nối chỉ do thanh giằng chịu. Các đinh tán ở mối nối cũng phải được tính toán theo S, vì chúng phải truyền toàn bộ lực từ thanh nối sang các thanh giằng.
Các mối nối có đai kẹp một phía liên quan đến các ứng suất uốn bổ sung đáng kể trong các tấm nối, đai kẹp và đinh tán. Do biến dạng lớn, kiểu che phủ một phía chỉ được áp dụng khi (hình 7) thanh đủ cứng chống uốn hoặc được giữ bên hông sao cho không thể uốn cong.
Hình 7
Nối trung gian – Khi các bản nối không thể nằm trực tiếp trên các tấm nối, các đinh tán và tấm kim loại sẽ chịu ứng suất uốn lớn hơn đáng kể. Vì vậy, theo số lớp xen kẽ m, chọn số đinh tán n’ lớn hơn số n trong trường hợp phủ nối trực tiếp.
Hình 8
Trong các tiết diện phức tạp, các thanh giằng được bố trí sao cho tránh các mức tăng ứng suất cục bộ; vì vậy diện tích riêng của các thanh giằng được xác định theo diện tích phần tiết diện mà chúng che phủ, tốt nhất là vẫn giữ vị trí trọng tâm. Những cách phân bố diện tích thanh giằng khác với điều này sẽ gắn với sự thay đổi của phân bố ứng suất. Hình 9 cho thấy phần nối của thanh một thành, hình 10 của thanh hai thành với 4 tấm đứng và một bản mặt giữa các thép góc.
Hình. 9
Hình. 10
Mối nối: Đối với các mối nối của thanh chịu kéo, về cơ bản các quan hệ giống như đối với mối nối tiếp nối. Thử nghiệm đã cho thấy ưu điểm rất lớn của việc truyền lực đối xứng. Với mối nối một phía, xảy ra uốn mạnh theo phương dọc và phương ngang (hình 11). Bất chấp các ứng suất uốn bổ sung đáng kể, các thanh L và C nối một phía vẫn có thể được khai thác gần như hoàn toàn. Khả năng chịu tải của một mối nối có thể giảm xuống còn một nửa nếu không có biện pháp cân bằng các mômen uốn bổ sung.
Hình. 11
Để che phủ các mối nối không nên dùng tấm nút, mà cần bố trí các đai kẹp riêng. Liên kết với tấm nút được đơn giản hóa khi phần lớn tiết diện của thanh nằm trong mặt phẳng của tấm nút.
Hình 12 - Các liên kết có và không có góc liên kết
Thanh chịu nén
Đối với việc nối dài và liên kết các thanh chịu nén, các nguyên tắc giống như đối với các thanh chịu kéo cũng được áp dụng, và ở đây lực tổng hợp cũng được truyền qua các đinh tán và bản nối, tức là theo diện tích đầy đủ F của thanh mà tính toán F của bản nối và Fs, tương ứng Fl. Theo nguyên tắc, các bề mặt nối không được ghép khít hoàn toàn. Trong các kết cấu thép xây dựng, ở các cột chạy qua nhiều tầng, chỉ chịu nén, người ta dùng phương án đi qua với mức che phủ mối nối nhỏ hơn. Khả năng chịu lực của các thanh chịu nén bị tiêu hao, nếu trước đó chưa xuất hiện mất ổn định, muộn nhất là khi đạt tới giới hạn chảy vì khi đó xuất hiện biến dạng lớn và thanh bị oằn ngang. Các lỗ được lấp đầy bằng đinh tán không có ảnh hưởng đáng kể nào có thể xác định được đến ứng xử của thanh.
Độ bền mỏi của các mối ghép đinh tán
Đối với độ bền mỏi của liên kết đinh tán, trước hết các đỉnh ứng suất xuất hiện ở lỗ là yếu tố quyết định. Độ bền mỏi đã bị giảm đáng kể ngay bởi chính các lỗ. Các thanh có lỗ hở bị phá hủy khi thí nghiệm mỏi kéo tại các tiết diện yếu, và sự phá hủy do mỏi bắt đầu bằng các vết nứt ở mép lỗ, rồi liên tục lan sâu hơn qua tiết diện. Vì vậy, các lỗ nhẵn có ý nghĩa đặc biệt. Ở hình 13 cho thấy độ bền mỏi của các thanh dẹt ở các cấp khác nhau (bên phải là cấp thép cao hơn). Khi tải trọng trước lớn hơn σu, cả hai vật liệu đều chịu được độ bền mỏi σDz vượt quá giới hạn chảy. Biên độ ứng suất của cả hai cấp xấp xỉ bằng nhau.
Hình 13 - Cường độ mỏi σDz
Đối với tải trọng thay đổi kéo và nén của các liên kết tán đinh, về cơ bản áp dụng các quan hệ tương tự như đối với tải trọng một chiều. Cần lưu ý rằng biên độ ứng suất dưới tải trọng thay đổi lớn hơn khoảng 1,5 lần (hình 14), nhưng các đinh tán dưới loại tải này rõ ràng bị nguy hiểm hơn nhiều so với dưới tải trọng một chiều.
Hình 14 - Độ bền mỏi kéo của các mối ghép tán đinh