BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- TRẦN VĂN SINH KHÓA 2012-2014 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG THEO QUY PHẠM MỸ AISC - LRFD Chuyên ngành: Kỹ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
TRẦN VĂN SINH KHÓA 2012-2014
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG THEO
QUY PHẠM MỸ AISC - LRFD
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VŨ QUỐC ANH
Hà Nội – 2014
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS
Vũ Quốc Anh, người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình về chuyên môn, giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình học tập Tôi xin cảm ơn tới toàn thể các bạn lớp CH2012X1 đã chia
sẻ và động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học, để tôi có thể hoàn thành khóa học cũng như hoàn thành luận văn tốt nghiệp này
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các
số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
TRẦN VĂN SINH
Trang 5MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1 Sự cần thiết của đề tài: 1
2 Mục đích nghiên cứu: 2
3 Phạm vi nghiên cứu: 2
4 Phương pháp nghiên cứu: 2
CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP 4
1.1 Tổng quan về liên kết trong kết cấu thép 4
1.2 Giới thiệu chung về liên kết bu lông – Bản mã 9
1.3 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép AISC 10
1.4 Đại cương về liên kết bu lông trong kết cấu thép 11
1.4.1 Bu lông 11
1.4.2 Yêu cầu về cấu tạo trong liên kết bu lông 16
a Lỗ bu lông 16
c Bố trí bu lông trong liên kết: 17
1.4.3 Khả năng chịu lực của bu lông 20
1.4.4 Khả năng chịu lực của cấu kiện liên kết 21
1.4.5 Nhận xét: 22
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG-BẢN MÃ 25
2.1 Xác định nội lực trong bu lông 25
2.1.1 Liên kết bu lông chịu lực dọc hoặc lực cắt 25
2.1.2 Liên kết bu lông chịu mômen 26
a1 Tính toán theo quan niệm vùng bu lông hẹp 26
a2 Tính toán có xét đến vị trí và kích thước nhóm bu lông 27
2.1.3 Liên kết chịu lực lệch tâm 28
a Phương pháp đàn hồi 28
b Phương pháp tâm quay tức thời 36
2.2 Kiểm tra khả năng chịu lực của liên kết 40
2.2.1 Khả năng chịu lực của cấu kiện được liên kết 41
a.1 Phá hoại cắt của bu lông: 42
Trang 6a.2 Phá hoại ép mặt của lỗ bu lông: 43
a.3 Phá hoại cắt khối của cấu kiện 46
2.2.2 Khả năng chịu lực của bản mã: 48
a2 Phá hoại chảy dẻo của tiết diện không giảm yếu đối với cấu kiện chịu kéo 54
a.3 Phá hoại kéo đứt tiết diện giảm yếu Whitmore của bản mã khi liên kết với cấu kiện chịu kéo 55
a.4 Bản mã mất ổn định do liên kết với cấu kiện chịu nén 55
a.5 Hiện tượng cắt khối của bản mã 58
a.6 Khả năng chịu lực tổng thể của bản mã 60
2.2.3 So sánh 62
2.3 Qui trình tính toán liên kết bu lông-bản mã 64
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 66
3.1 Ví dụ 1 66
a Tính theo TCVN5575-2012 66
a.1 Xác định số bu lông cần thiết: 66
a.2 Xác định chiều cao đường hàn: 67
b.Tính theo AISC-LRFD 67
b.1 Xác định số bu lông cần thiết 67
Cường độ chịu ép mặt của liên kết 67
b.2 Xác định thông số đường hàn: 68
3.2 Ví dụ 2 69
1 Sức kháng cắt của liên kết 73
1.1.Liên kết ở mép ngoài cùng của phần tử 1 73
1.1.1 Cường độ chịu cắt của liên kết: 73
1.1.2.Cường độ chịu ép mặt của liên kết 73
1.2.Liên kết ở mép của phần tử thứ 2 73
1.2.1.Cường độ chịu cắt của liên kết 73
1.2.2.Cường độ chịu ép mặt của liên kết 73
1.3.Liên kết ở mép của phần tử thứ 3 74
1.3.1.Cường độ chịu cắt của liên kết 74
Trang 71.3.2.Cường độ chịu ép mặt của liên kết 74
1.4.Liên kết ở mép của phần tử thứ 4 74
1.4.1.Cường độ chịu cắt của liên kết 74
1.4.2.Cường độ chịu ép mặt của liên kết 74
2.1 Bản mã chịu kéo ở phần tử 1 75
2.1.1.Độ bền chảy dẻo ở tiết diện nguyên: 75
2.1.2.Độ bền kéo đứt của tiết diện giảm yếu: 75
2.1.3.Sức kháng cắt khối 75
2.2.Bản mã chịu kéo ở phần tử 2 77
2.2.1.Độ bền chảy dẻo ở tiết diện nguyên: 77
2.3 Bản mã chịu lực cắt thẳng đứng 78
2.3.1 Sức kháng chảy dẻo của tiết diện nguyên 78
2.3.2 Sức kháng cắt của tiết diện thực 78
2.4 Bản mã chịu lực cắt ngang 79
2.4.1 Sức kháng chảy dẻo của tiết diện nguyên 79
2.4.2 Sức kháng cắt của tiết diện thực 80
2.5 Bản mã chịu nén tại phần tử 3 80
2.6 Bản mã chịu nén tại phần tử 4 81
3 Kiểm tra độ bền bản mã của phần tử 1 và 2 82
3.1 Phá hoại dẻo của tiết diện nguyên bản mã chịu M,N,V 82
3.2 Phá hoại kéo đứt tiết diện giảm yếu chịu M,N,V 83
4 Bản mã chịu lực tổng hợp 83
4.1 Ổn định cạnh tự do của bản mã 83
4.2 Phá hoại chảy dẻo của tiết diện nguyên chịu M,N,V 84
4.2.1 Mặt cắt nguy hiểm A-A 84
4.2.2 Mặt cắt nguy hiểm B-B 85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89
KẾT LUẬN 89
KIẾN NGHỊ 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
Trang 8Các ký hiệu sử dụng trong các công thức theo AISC-LRFD
Hệ số sức kháng
Hệ số ma sát trượt trung bình
A g Diện tích tiết diện nguyên
A n Diện tích tiết diện giảm yếu (diện tích thực đối với bu lông)
A b Diện tích tiết diện nguyên thân bu lông
A gv Diện tích tiết diện nguyên chịu cắt(tính toán cắt khối)
A nv Diện tích tiết diện thực chịu cắt (tính toán cắt khối)
A nt Diện tích tiết diện thực chịu kéo (tính toán cắt khối)
d Đường kính bu lông (đường kính lỗ bu lông)
E Mô đun đàn hồi
F u Ứng suất kéo đứt tiêu chuẩn
F y Ứng suất chảy tiêu chuẩn
F u b Ứng suất kéo đứt của bu lông
F nv Cường độ cắt danh nghĩa của bu lông
F nt Cường độ kéo danh nghĩa của bu lông
K Hệ số chiều dài tính toán
L Chiều dài cấu kiện chịu nén
M Mô men
M P Mô men dẻo
M u Mômen yêu cầu (theo phương pháp LRFD)
N,(P) Lực nén
N y Lực nén đúng tâm (tính cho tiết diện nguyên)
N u Lực nén đúng tâm (tính cho tiết diện thực)
N s Số mặt trượt
R n Độ bền danh nghĩa (sức kháng danh nghĩa)
R u Độ bền yêu cầu (tính theo LRFD)
V Lực cắt
U bs Hệ số xét đến sự phân bố ứng suất không đều trong liên kết bu lông
W Bề rộng tiết diện Whitmore
Trang 9Các ký hiệu sử dụng trong các công thức theo TCVN5575-2012
b Hệ số điều kiện làm việc của liên kết bu lông
A Diện tích tiết diện nguên
A c Diện tích tiết diện qui ước
A n Diện tích tiết diện thực
A bn Diện tích tiết diện thực của bu lông
d Đường kính bu lông
E Mô đun đàn hồi
f u Cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt
f y Cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền chảy dẻo
f Cường độ tính toán của thép theo giới hạn chảy
f cb Cường độ tính toán chịu ép mặt của bu lông
f ub Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của bu lông
f hb Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông CĐC
f vb Cường độ tính toán chịu cắt của bu lông
f tb Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông
n Số lượng bu lông trong liên kết
nv Số lượng mặt cắt tính toán của bu lông
N Lực nén
M Mô men
V Lực cắt
N bl Nội lực trong một bu lông
[N] vb Khả năng chịu cắt của một bu lông đơn
[N] cb Khả năng chịu ép mặt của một bu lông đơn
[N] tb Khả năng chịu kéo của một bu lông đơn
[N] b Khả năng chịu trượt của một bu lông CĐC
Trang 10DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng qui định lực xiết bu lông (CĐC) tối thiểu
Bảng 1.2 Đường kính lỗ bu lông theo Tiêu chuẩn AISC(mm)
Bảng 1.3 Qui định về bố trí bu lông theo TCVN5575-2012
Bảng 1.4 Khoảng cách tối thiều từ tâm lỗ bu lông ngoài cùng đến
mép cấu kiện (mm) Bảng 1.5 Giá trị tăng thêm khi dùng lỗ rộng và lỗ rãnh (mm)
Bảng 1.6 Công thức xác định độ bền bu lông
Bảng 1.7 Công thức kiểm tra bền cấu kiện liên kết theo AISC-LRFD
Bảng 1.8 Sự khác nhau về quy định bố trí lỗ bu lông giữa
TCVN5575-2012 & AISC-LRFD
Bảng 2.1 Quy trình tính lặp liên kết bu lông chịu lực lệch tâm theo
phương pháp tâm quay tức thời
Bảng 2.2 So sánh giữa TCVN5575-2012 và AISC 2010
Trang 11Hình 1.6 Bố trí bu lông trong liên kết
Hình 1.7 Hiện tượng cắt khối
Hình 2.1 Tính toán liên kết bu lông theo quan niệm vùng bu lông hẹp Hình 2.21 Một số ví dụ về liên kết bu lông chịu lực lệch tâm
Hình 2.22 Phân tích các thành phần lực của bu lông chịu lực lệch tâm Hình 2.22a Hai thành phần lực vuông góc của bu lông
Hình 2.23 Liên kết bu lông chịu cắt và chịu kéo
Hình 2.24 Phân tích ứng suất trong liên kết bu lông chịu cắt và kéo
Hình 2.25 Đường hàn góc chịu lực lệch tâm
Hình 2.26 Ứng suất đường hàn tại điểm xa trọng tâm nhất
Hình 2.27 Tâm quay tức thời của liên kết bu lông khi chịu lực lệch tâm
Hình 2.27a Cường độ đường hàn là một hàm phụ thuộc vào góc tác dụng
của lực
Hình 2.27b Phương pháp tâm quay tức thời trong liên kết hàn
Hình 2.28 Các dạng phá hoại của cấu kiện được liên kết
Hình 2.29a Sự làm việc chịu cắt của bu lông
Hình 2.29b Sơ đồ làm việc của liên kết 2.1
Hình 2.29c Sự làm việc chịu ép mặt của bu lông
Trang 12Hình 2.29d Sơ đồ làm việc của liên kết 2.2
Hình 2.29e Sơ đồ làm việc của liên kết 2.3
Hình 2.30 Phác thảo dàn (Whitmore, 1952)
Hình 2.31 Sự phân bố ứng suất dùng phương pháp Whitmore
(Whitmore,1952) Hình 2.32 Minh họa tiết diện Whitmore
Hình 2.33 Sự phân bố lệch tâm trên tiết diện Whitmore do sự khác nhau về
cường độ vật liệu Hình 2.34 Độ cứng bản mã
Hình 2.35 Lệch tâm bản mã do hình học
Hình 2.36 Hai lựa chọn phân chia bản mã lệch tâm hình học
Hình 2.37 Xác định chiều dài uốn bản mã
Hình 2.38 Quỹ đạo ứng suất và tiết diện Whitmore không giảm yếu
Hình 2.39 Phá hoại kéo đứt tiết diện Whitmore giảm yếu
Hình 2.40 Mất ổn định vùng mép biên bản mã
Hình 2.41 Chiều dài tự do cạnh biên bản mã
Hình 2.42 Mất ổn định vùng bản mã phía sau cấu kiện liên kết
Hình 2.43 Một số dạng cắt khối của bản mã
Hình 2.44 Hiện tượng cắt khối không hoàn toàn
Hình 2.45 Mặt cắt nguy hiểm khi bản mã chịu lực tổng thể
Hình 2.46 Xác định nội lực bản mã tại những tiết diện nguy hiểm
Hình 2.47 Sơ đồ khối qui trình tính toán liên kết bu lông-bản mã
Hình 2.48 Qui trình kiểm tra bản mã
Hình 3.1 Sơ đồ chịu lực của liên kết
Trang 13Hình 3.2 Chi tiết nút liên kết
Hình 3.3 Mặt cắt ngang các cấu kiện
Hình 3.4 Sơ đồ hình học dàn chuyển
Hình 3.5 Sơ đồ tính toán chịu lực bản mã
Hình 3.6 Vị trí tính toán cắt khối bản mã
Hình 3.7 Bản mã chịu kéo tại phần tử 2
Hình 3.8 Sơ đồ bản mã chảy dẻo của tiết diện nguyên
Hình 3.14 Kiểm tra bền bản mã của phần tử 1 và 2
Hình 3.15 Phá hoại chảy dẻo tiết diện nguyên của bản
Hình 3.16 Phá hoại chảy dẻo tiết diện nguyên của bản mã (mặt cắt B-B)
Hình 3.17 Phá hoại chảy dẻo tiết diện thực của bản mã
Hình 3.18
Phá hoại chảy dẻo tiết diện thực của bản mã (mặt cắt B-B)
Trang 14MỞ ĐẦU
1 Sự cần thiết của đề tài:
Thực tế đã chứng minh, kết cấu thép có vị trí ngày càng quan trọng trong đời sống xã hội Kết cấu thép thể hiện tính
vượt trội trong các kết cấu dạng tháp (các tháp thép trên đường dây tải điện, các tháp truyền hình…), dạng dàn (cầu thép) và đặc biệt là kết cấu nhà cao tầng Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, các công trình xây dựng kết cấu thép ngày càng được mọc lên nhanh chóng Sau những năm 90 của thế kỷ XX, đất nước ta hoàn toàn hội nhập với nền kinh tế thế giới, nguồn vốn đầu tư nước ngoài ồ ạt chuyển đến Việt Nam kéo theo các khu công nghiệp, nhà máy và các kết cấu thép qui mô lớn được mọc lên
Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn Do cường độ của thép cao nên các kết cấu thép có thể chịu được những lực khá lớn với mặt cắt tiết diện nhỏ,
vì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả
Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn hồi lớn Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết cơ bản của sức bền vật liệu đàn hồi (như tính đồng chất, đẳng hướng của vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng…)
Kết cấu thép thích hợp với thi công lắp ghép và có khả năng cơ giới hóa cao trong chế tạo Các cấu kiện thép dễ được sản xuất hàng loạt tại xưởng với
độ chính xác cao Các liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản, dễ thi công
Hiện nay, trên thế giới kết cấu thép được sử dụng rất phổ biến Đặc biệt, trong các công trình nhà cao tầng Ở nước ta, kết cấu thép chưa được sử dụng
Trang 15rộng rãi Tuy nhiên, cùng với sự lớn mạnh của nền kinh tế và ngành xây dựng, kết cấu thép ở Việt Nam sẽ có những bước phát triển mạnh mẽ Trong tương lai, loại kết cấu này chắc chắn sẽ được áp dụng rộng rãi
Trong kết cấu thép, liên kết bu lông - bản mã là loại liên kết được dùng phổ biến nhất, đặc biệt là trong những hệ giằng và hệ dàn Khả năng chịu lực của các nút liên kết bu lông - bản mã mang tính chất quyết định đến khả năng làm việc của kết cấu Do vậy, việc tính toán chính xác các nút liên kết bu lông – bản mã trong kết cấu thép có ý nghĩa đặc biệt quan trọng
Trong quá trình thiết kế thực tế nảy sinh nhiều vấn đề mà tiêu chuẩn thiết
kế Việt Nam chưa đề cập đến, cần viện dẫn tiêu chuẩn nước ngoài, thậm chí có những vấn đề nằm ngoài cả tiêu chuẩn đòi hỏi phải sử dụng công cụ mô phỏng
để nghiên cứu Vì vậy việc nghiên cứu và tính toán các liên kết theo tiêu chuẩn, Quy phạm tiên tiến trên thế giới, trong phạm vi luận văn “ Nghiên cứu tính toán liên kết bu lông theo Quy phạm Mỹ AISC-LRFD ” là cần thiết và có ý nghĩa thực tế
2 Mục đích nghiên cứu:
Đề tài “Nghiên cứu tính toán liên kết bu lông theo Quy phạm Mỹ LRFD” Trong phạm vi luận văn được kết hợp so sánh tính toán với tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN5575-2012), từ đó đưa ra quy trình thiết kế thống nhất đối với loại liên kết trên
AISC-3 Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu nút dàn liên kết bu lông-bản mã theo Quy phạm Mỹ LRFD
AISC-4 Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu các tài liệu, tìm hiểu phương pháp tính toán tiên tiến
Tính toán các thí dụ cụ thể
Trang 165 Cấu trúc luận văn:
Luận văn gồm có: Phần mở đầu, ba chương, kết luận và kiến nghị, danh mục các tài liệu tham khảo
Mở đầu, lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn được bố trí thành 3 chương (chương I, II và III), cụ thể là:
Chương 1: Đại cương về liên kết trong kết cấu thép
Chương 2: Tính toán liên kết bu lông – bản mã
Chương 3: Ví dụ tính toán
Kêt luận và kiến nghị
Trang 17Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 18KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Qua những nội dung đã được trình bày từ chương 1 đến chương 3, trong khuôn khổ luận văn đã tìm hiểu được những vấn đề như sau:
Đã tìm hiểu được quy trình tính toán liên kết bu lông theo quy phạm Mỹ AISC-LRFD
Đã so sánh được quy trình tính toán thiết kế liên kết bu lông theo tiêu chuẩn Việt Nam và quy phạm Mỹ
Đã so sánh và nhận xét các quy định về cấu tạo của liên kết bu lông theo tiêu chuẩn Việt Nam và Mỹ
Đã tìm hiểu và xây dựng quy trình tính toán liên kết bu lông chịu cắt theo phương pháp ”Tâm quay tức thời“ Đây là phương pháp tính tiên tiến,
đã phản ánh được mô hình tính và sự làm việc thực tế chính xác hơn so với các phương pháp khác
Đã xây dựng được sơ đồ khối cho các bước tính toán và thiết kế bản mã cho dàn thép theo quy phạm Mỹ AISC-LRFD
Đã áp dụng quy phạm Mỹ AISC-LRFD trong việc tính toán và thiết kế một dàn chuyển nhịp dài 85m, chịu tải trọng lớn (Nmax = 530T)
Để làm rõ quy trình tính toán theo hai bộ tiêu chuẩn trong khuôn khổ luận văn đã thực hiện một số ví dụ tính toán liên kết theo TCVN 5575-2012
và AISC2010 để có kết quả so sánh