Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu uốn và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu

Lê Anh Tuấn với đề tài: “Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu uốn và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu” Tôi xin ca

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Trọng Vinh, là học viên lớp cao học chuyên ngành Xây dựng

Công trình Dân dụng và Công nghiệp khóa 31 của Đại học Đà Nẵng

Tôi được Đại học Đà Nẵng cho phép làm luận văn tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn

chính của TS Lê Anh Tuấn với đề tài:

“Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu uốn

và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất cứ công trình nào khác

Người cam đoan

Nguyễn Trọng Vinh

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv,v DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5.Phương pháp nghiên cứu 3

6.Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới 6

1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước 13

1.3 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1.Cấu tạo của bulông 15

2.1.1.Cấu tạo chung của bulông 15

2.1.2 Bulông cường độ cao 15

2.2 Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông 16

2.2.1 Sự làm việc của liên kết bu lông 16

2.2.2 Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông 16

2.2.3 Sự làm việc chịu trượt 17

2.2.4 Sự làm việc chịu kéo 19

2.3 Một số mô hình phá hủy 20

2.3.1 Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất 20

2.3.2 Mô hình của Seidel 22

2.3.3 Nghiên cứu của Schmidt-Neuper 22

2.4 Ứng suất Von-Mises: 25

2.5 Kết luận chương 2: 25

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT 26

3.1 Mô phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulông và mặt bích dạng chữ L khi chịu kéo 26

3.1.1 Đặc trưng vật liệu 26

3.1.2 Phương pháp phân tích 27

3.1.2.1 Lắp ráp 27

3.1.2.2 Điều kiện biên 27

3.1.2.3.Ứng lực trước cho bulông 27

3.1.2.4 Hệ số ma sát 28

3.1.3 Mô phỏng phần tử dạng chữ L 28

3.1.3.1 Mô hình 28

3.1.3.2 Kết quả phân tích 29

3.2 Mô phỏng FEM mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài 31

3.2.1 Mô phỏng ống nhỏ 114.3x3.5 32

3.2.1.1 Trường hợp chịu cắt thuần túy 32

3.2.1.2 Trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời 38

3.2.2 Mô phỏng ống trung 267.4x6.0 44

3.2.2.1 Trường hợp chịu cắt thuần tuý 44

3.2.2.2 Trường hợp chịu uốn cắt đồng thời 51

3.2.3 Mô phỏng ống lớn 406.4 x 12.7 57

3.2.3.1 Trường hợp chịu cắt thuần túy 57

3.2.3.2 Trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời 63

3.3 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế mối nối liên kết trong trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời 69

3.4 Kết luận chương 3 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

1 Kết luận 71

2 Kiến nghị 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG

MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU UỐN VÀ CẮT ĐỒNG THỜI

CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU

Học viên: Nguyễn Trọng Vinh Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 31 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN

Tóm tắt - Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng

ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán về liên kết của loại kết cấu này Liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên kết hàn và liên kết sử dụng mặt bích và bulông Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu cũng như các chỉ dẫn tính toán chỉ tập trung nhiều về liên kết hàn còn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích

và bulông chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn giản như chịu kéo, nén hoặc uốn mà chưa có các chỉ dẫn tính toán trong trường hợp liên kết chịu lực phức tạp (như trường hợp uốn cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn kéo/nén đồng thời…)

Nghiên cứu đã đưa ra những quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông trong trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, từ đó đề xuất các thông số hợp lý của liên kết (mối quan hệ giữa chiều dày bản mã, đường kính bulông và chiều dày ống thép)

Từ khóa - ống thép tròn; Mặt bích; bulông cường độ cao; chịu uốn cắt đồng thời; Cơ chế phá hủy. SIMULTING BEHAVIOR OF THE TUBULAR STEEL JOINTS USING FLANGES AND BOLTS WITH NONLINEAR BEHAVIOR OF

MATERIAL CONSIDERATION Abstract - With many advantages, nowadays, the structure using tubular steel structure is more and more widely used in all kinds of construction In response to the rapid development

of the tubular steel structure, it has been had a lot of research about the joints of this structure Welding joints and joints using flanges and bolts are used most popular in tubular structure However, most of the reseachs concentrate about welding joints, the joints using flanges and bolts are only mentioned in the case of simple load bearing such as tension or compression or bending without computational instructions in the case of complex bearing forces (concurrent shear force and bending or concurrent tension/compression and bending or tension/compression and twisting)

The study outlines the behavioral rules for joints of tubular structure using flanges and bolts in the case of concurrent shear force and bending, thereby proposing the rational parameters of the joint (the relationship between the thickness of the flange, the diameter of the bolt and thickness of steel tubes)

Key words – tubular steel; flanges; high strength bolt; concurrent shear force and bending; mechanisms of destruction

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU

Ae Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích

Cb Hệ số lò so kéo của bulông

dwi Đường kính trong của vòng đệm

dwo Đường kính ngoài của vòng đệm

E Modun đàn hồi của thép

e Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông

FP Lực dọc cho phép trong bulông

Fyf Giới hạn chảy của vật liệu làm bản cột chia cho 1,1

Fys Giới hạn chảy của vật liệu bản dầm chia cho 1,1

G Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mặt bích

Md Độ bền kéo của lỗ bulông trên 1 đơn vị độ rộng, 2

No Lực kéo thiết kế của bulông

p Tỷ số giữa nội lực và ngoại lực

Tf Lực kéo ngắn hạn cho phép

Tf2 Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 2 của Petersen

Tf3 Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 3 của Petersen

Tp Lực dọc trong bulông

Ts Lực kéo tác dụng vào cấu kiện

Tv Lực kéo ban đầu trong bulông

CHS Circle hollow sections

HSS Hollow steel sections

RHS Rectangular hollow sections

OLON Ống thép tròn lớn có đường kính ống D=406,4mm, gọi là tắt ống lớn ONHO Ống thép tròn nhỏ có đường kính ống D=114,3mm, gọi là tắt ống nhỏ OTRUNG Ống thép tròn trung có đường kính ống D=267,4mm, gọi là tắt ống trung

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Hệ số điều kiện làm việc b 17 Bảng2.2 Hệ số ma sát μ và hệ số độ tin cậy b2 19 Bảng 3.1 Đặc trưng vật liệu 26 Bảng 3.2 Đặc trưng hình dạng của bulông 30 Bảng 3.3 Hằng số đàn hồi và T sI , T sII 30 Bảng 3.4 Bảng kích thước các mẫu ống mô phỏng 31

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Các dạng mối nối HSS 6

Hình 1.2 Các dạng phá hủy mối nối CHS 7

Hình 1.3 Các dạng phá hủy mối nối của RHS 8

Hình 1.4 Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H 9

Hình 1.5 Các mối nối giữa tấm thép với CHS 10

Hình 1.6 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn 10

Hình 1.7 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn 10

Hình 1.8 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment 11

Hình 1.9 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết chịu moment 11

Hình 1.10 Một số mối nối CHS và HSS bằng liên kết bulông 12

Hình 1.11 Mối nối liên kết đối đầu bulông và mặt bích ngoài 13

Hình 2.1 Cấu tạo của bulông 15 Hình 2.2 Sơ đồ làm việc của liên kết bulông 16 Hình 2.3 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát 17

Hình 2.4 Sự làm việc chịu kéo của bulông 20 Hình 2.5 Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub 20 Hình 2.6 Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông 22

Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông do

Schmidt – Neuper đề xuất 22

Hình 2.9 Tương quan giữa ứng suất Von Mises và ứng suất Tresca 25 Hình 3.1 Mô hình bulông và bản thép trong Abaqus 28 Hình 3.2 Mô hình phần tử dạng chữ L trong Abaqus 28 Hình 3.3 Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L trong Abaqus 29 Hình 3.4 Mô hình ống nhỏ chịu cắt thuần túy 32 Hình 3.5 Lưu đồ thực hiện đối với ống nhỏ chịu cắt thuần túy 32 Hình 3.6 Mô hình ống nhỏ chịu uốn và cắt đồng thời 38 Hình 3.7 Lưu đồ thực hiện đối với ống nhỏ chịu uốn và cắt đồng thời 38 Hình 3.8 Mô hình ống trung chịu cắt thuần túy 44 Hình 3.9 Lưu đồ thực hiện đối với ống trung chịu cắt thuần túy 44 Hình 3.10 Mô hình ống trung chịu uốn và cắt đồng thời 51 Hình 3.11 Lưu đồ thực hiện đối với ống trung chịu uốn và cắt đồng thời 51 Hình 3.12 Mô hình ống lớn chịu cắt thuần túy 57 Hình 3.13 Lưu đồ thực hiện đối với ống lớn chịu cắt thuần túy 57 Hình 3.14 Mô hình ống lớn chịu uốn và cắt đồng thời 63 Hình 3.15 Lưu đồ thực hiện đối với ống lớn chịu uốn và cắt đồng thời 63

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 3.1 Đặc trưng của bulông 27 Biểu đồ3.2 Đặc trưng của mặt bích, ống thép 27 Biểu đồ 3.3

Quan hệ giữa lực dọc T p trong bulông và lực kéo T s trong phần tử dạng chữ L so sánh với biểu đồ của Schmidt- Neuper và Seidel

Biểu đồ 3.19 ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với t p = 12mm

Biểu đồ 3.20 ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với t p = 14mm

Biểu đồ 3.41 OLON-Trường hợp cắt thuần túy với t F =36mm, d s = 24mm

- Ống thép tròn rỗng với mặt cắt ngang là hình tròn đã cho thấy đó là hình dạng tối ưu nhất để giảm thiểu tác động của tải trọng gió, tải trọng sóng hay nước tác động lên kết cấu cũng như khả năng chịu xoắn tốt

- Ống thép tròn rỗng với mặt cắt ngang là hình tròn đã cho thấy đó là hình dạng tối ưu để chịu xoắn cũng như khả năng chịu áp lực trong (dùng làm đường ốngdẫn) so với các dạng mặt cắt khác

- Kết cấu dùng ống thép tròn rỗng có diện tích bề mặt nhỏ hơn so với các kết cấu khác Điều này làm cho hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của kết cấu dùng ống thép tròn tăng lên đáng kể, do không có góc nhọn trên bề mặt của kết cấu

- Do mặt cắt tiết diện rỗng nên kết cấu ống thép tròn có trọng lượng nhẹ hơn kết cấu thép có các dạng mặt cắt khác

Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán kết cấu ống thép tròn rỗng cũng như các nghiên cứu tính toán về liên kết của loại kết cấu này Liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên kết hàn và liên kết sử dụng mặt bích và bulông Tuy nhiên hầu hết các chỉ dẫn tính toán hiện có chỉ tập nhiều về sử dụng liên kết hàn còn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích và bulông thì chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn giản như chịu kéo, nén hoặc uốn chưa có các chỉ dẫn tính toán trong trường hợp liên

kết chịu lực phức tạp (uốn cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn

kéo/nén đồng thời…)

Do đó việc nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống thép sử dụng mặt bích và bulông trong trường hợp chịu lực phức tạp là thiết thực và cần thiết nhằm giúp việc

tính toán thiết kế tin cậy hơn Với các lý do trên tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Mô

phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu uốn

và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Mô tả ứng xử của liên kết đối đầu bằng mặt bích ngoài và bulông khi chịu uốn cắt đồng thời bằng mô phỏng FEM có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu

- Dựa trên những quy luật ứng xử của mối nối ống thép bằng bulông và mặt bích ngoài chịu uốn cắt đồng thời thiết lập cơ sở khoa học tính toán, thiết kế mối nối này trong liên kết nối ống thép chịu uốn cắt đồng thời

- Kiến nghị một số tỷ lệ kích thước hợp lý cho bulông và mặt bích trong trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Mối nối thép ống tròn sử dụng bulông và mặt bích

+ Các điều kiện chịu lực cắt và uốn cắt đồng thời tác động vào mối nối

+ Mô hình tính toán bằng phần mềm Abaqus

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Khảo sát ứng xử của bulông và mặt bích tại các liên kết đối đầu bằng bulông

và mặt bích ngoài của ống thép tròn chịu khi chịu cắt thuần túy và chịu uốn cắt đồng thời bằng phương pháp mô phỏng có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu

+ Các lực tác dụng lên mối nối lực cắt và mômen là lực tĩnh

4 Nội dung nghiên cứu

- Mô phỏng bằng FEM đối với liên kết của một bulông và mặt bích phần tử tương ứng dạng hình chữ L

- Khảo sát ứng xử của bulông và mặt bích dưới các điều kiện chịu lực: chịu cắt và chịu uốn cắt đồng thời

- Dựa trên các kết quả phân tích được rút ra quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép sử dụng bulông và mặt bích khi chịu uốn cắt đồng thời

- Kiến nghị các tỷ lệ kích thước hợp lý giữa bulông, mặt bích và chiều dày ống thép của loại liên kết này

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp mô hình hóa

- Phương pháp phân tích so sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị

Cụ thể các bước như sau:

+ Bước 1: Tiến hành mô phỏng bằng FEM liên kết của một bulông đơn lẻ được

tách ra từ liên kết phần tử trong mối nối (hình chữ L) Kết quả của phân tích mô phỏng này sẽ được kiểm chứng với những cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu như mô hình phá hủy của Petersen, mô hình của Seidel và mô hình đường 3 đoạn của Schmitd-Neuper So sánh kết quả mô phỏng FEM với những mô hình phát biểu lý thuyết của các nghiên cứu trước nhằm kiểm chứng độ tin cậy trong phân tích FEM

+ Bước 2: Phát triển mô phỏng cho cả liên kết và khảo sát sự ứng xử khi làm việc

chung Từ đó rút ra được quy luật ứng xử chung của mặt bích và bulông

+ Bước 3: Đề xuất các tỉ lệ hợp lý giữa các thông số kích thước của liên kết và

quy trình tính toán, kiểm tra để kiểm soát được ứng xử cũng như thiết kế an toàn cho cấu kiện liên kết đối đầu nối ống thép bằng bulông và mặt bích ngoài

6 Cấu trúc luận văn

Nội dung cơ bản của luận văn như sau:

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

4 Nội dung nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

6 Cấu trúc luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới

1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT

3.1 Mô phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulông và mặt bích dạng chữ L khi chịu kéo

3.2 Mô phỏng FEM đối với mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài

3.3 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế mối nối liên kết trong trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới

Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình từ các công trình dân dụng, công nghiệp cho đến các công trình cầu đường và hạ tầng kỹ thuật Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán về liên kết của loại kết cấu này, tiêu biểu như:

- Trong phần 1-8 của Eurocode 3: Design of steel structures [4]- Part 1-8: Design

of joints, đã dành hẳn ra mục 7 để đưa ra các chỉ dẫn về liên kết của ống thép rỗng (Hollow section jonts) Trong phần này, tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các dạng mối liên kết của liên kết dùng mặt cắt rỗng rất đa dạng như Hình 1.1

Hình 1.1 Các dạng mối nối HSS trích từ [4, trang 100]

+ Tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các mô hình phá hủy của liên kết nối ống thép tròn rỗng (Hình 1.2), có tiết diện chữ nhật rỗng (Hình 1.3) hay các liên kết giữa ống thép tròn rỗng/ chữ nhật rỗng với thép chữ I/H (Hình 1.4) dưới tác dụng của lực dọc trục cũng như moment uốn rất cụ thể

Hình 1.2 Các dạng phá hủy mối nối CHS trích từ [4, trang 104]

Hình 1.3 Các dạng phá hủy mối nối của RHS trích từ [4, trang 106]

Hình 1.4 Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H trích từ [4, trang 108]

+ Trong phần này cũng đã đưa ra các chỉ dẫn tính toán thiết kế mối nối của CHS, RHS, mối nối giữa CHS-RHS dùng liên kết hàn

- Theo AISC 360-10, Specification for Structural steel buildings [5], ngoài các

chỉ dẫn về liên kết của kết cấu thép ở mục J- Design of connections để chỉ dẫn về thiết

kế liên kết, tiêu chuẩn AISC 360-10 đã dành ra thêm mục K- Design of hollow steel section and box member connections để đưa ra các chỉ dẫn cụ thể cho liên kết của ống thép rỗng Trong phần này gồm có 4 phần:

+ Phần K.1: Ống thép rỗng chịu lực tập trung (xem Hình 1.5 )

+ Phần K.2: Liên kết HSS-HSS trong liên kết dàn (xem Hình 1.6; 1.7)

+ Phần K.3: Liên kết HSS-HSS chịu moment (xem Hình 1.8; 1.9 )

+ Phần K.4: Ảnh hưởng của liên kết hàn đến liên kết ống thép rỗng có tiết diện hình chữ nhật

Các chỉ dẫn vẫn dừng lại ở trường hợp chịu lực đơn giản chịu lực dọc hay chịu moment và chỉ tập trung chủ yếu về liên kết hàn

Hình 1.5 Các mối nối giữa tấm thép với CHS trích [5, trang 142]

Hình 1.6 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn trích [5, trang 148]

Hình 1.7 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn trích [5, trang 150]

Hình 1.8 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment trích [5, trang 155]

Hình 1.9 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết chịu moment trích [5, trang 157]

- Còn Ủy ban Quốc tế về phát triển và nghiên cứu kết cấu ống thép rỗng,

CIDECT (Comité International pour le Desveloppement et l’Estude de la Construction Tubulaire) đã xuất bản một loạt các chỉ dẫn thiết kế về ống thép rỗng với nhiều ngôn ngữ như Tiếng Anh, Pháp, Đức và Tây Ban Nha như:

+ Design guide for circular hollow section (CHS) joints under predominantly static loading (1st edition 1991, 2nd edition 2008)

+ Structural stability of hollow sections (1992, reprinted 1996)

+ Design guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static loading (1992)

+ Design guide for structural hollow section columns in fire (1995, reprinted 1996)

+ Design guide for concrete filled hollow section columns under static and seismic loading (1995)

+ Design guide for structural hollow sections in mechanical applications (1995)

+ Design guide for fabrication, assembly and erection of hollow section structures (1998)

+ Design guide for circular and rectangular hollow section joints under fatigue loading (2001)

+ Design guide for structural hollow section column connections (2004) Trong đó, tiêu biểu như trong [8,9] có nhiều chỉ dẫn về mối nối dùng ống thép tròn CHS

Hình 1.10 Một số mối nối CHS và HSS bằng liên kết bulông trích từ [9, trang 12.7]

- Một số các tác giả khác [Akiyama (1974), Kurobane (1981,1987,1998,2002), Azuma (1999), Kamba (1995), Kato (1982), Kosteski (2001, 2003), Mang (1980), Packer (1993)] thì lại tập trung nghiên cứu về thực nghiệm của một số mối nối dạng HSC (hollow section connection ) nhưng tập trung vào những liên kết kiểu hàn, hoặc những kiểu tiết diện vuông hoặc liên kết giữa thép rỗng với thép hình là chủ yếu hoặc cấu kiện kiểu liên kết T-Stub của mối nối liên kết đối đầu các ống hình vuông (chữ

nhật) bằng bulông và mặt bích ngoài.(xem Hình 1.11)

Hình 1.11 Mối nối liên kết đối đầu bulông và mặt bích ngoài

Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu cũng như các chỉ dẫn tính toán chỉ tập trung nhiều về liên kết hàn còn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích và bulông chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn giản như chịu kéo, nén hoặc uốn mà chưa có các chỉ dẫn tính toán trong trường hợp liên kết chịu lực phức tạp (như trường hợp uốn cắt đồng

thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn kéo/nén đồng thời…)

1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước

Liên kết thép ống bằng mặt bích ngày càng được sử dụng nhiều ở nước ta nhưng chưa có nghiên cứu nào cụ thể, nếu có chỉ là một số chỉ dẫn tính toán dựa vào các tài liệu nước ngoài Đã có một số tác giả nghiên cứu về vấn đề này nhưng những nghiên cứu này chỉ dừng lại ở một số vấn đề đơn giản mà chưa mô phỏng hết được sự làm việc thực của liên kết, chẳng hạn như các vấn đề về sự phát triển ứng suất trong bulông liên kết cường độ cao theo các giai đoạn, sự ép mặt của mặt bích, hiện tượng T-stub tăng mômen uốn trong mặt bích, cũng như ứng xử phức tạp của liên kết nối bằng mặt bích và bulông khi chịu các lực tác dụng khác nhau

Ngay cả Tiêu chuẩn TCVN 5575-2012: Kết cấu thép, tiêu chuẩn thiết kế [1], cũng chỉ dành một Mục 8.2 Liên kết bulông để đưa ra một số chỉ dẫn về tính toán khả năng

chịu lực của bulông và bulông cường độ cao, mà chưa có các chỉ dẫn cụ thể về tính toán liên kết ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông như thế nào cả

1.3 Kết luận chương 1

Qua khảo sát tổng quan một số nghiên cứu trước đây thì ta thấy cấu kiện ống thép dạng tròn liên kết nối đối đầu bằng bulông và mặt bích ngoài rất ít được đề cập hoặc nghiên cứu kỹ đa số chỉ nhắc đến tính toán và khảo sát cấu kiện này một cách rất sơ sài hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện dạng liên kết T-Stub Nhưng theo quan điểm thiết kế hiện nay cũng như khảo sát qua một số những

phá hoại xảy ra ngay trên mối nối loại này thì nhận thấy rằng các bulông làm việc hỗ trợ với nhau theo mọi hướng, phân bố ứng suất trong các bulông và mặt bích cũng được phân phối lại, ứng xử của chúng khác khá nhiều so với kiểu T- stub truyền thống Ngoài ra các tiêu chuẩn cũng như một số nghiên cứu của các tác giả chỉ đề cập đến những trường hợp chịu lực đơn giản hoặc khảo sát tách biệt (kéo thuần túy, nén thuần túy, uốn thuần túy) mà bỏ qua nhưng khảo sát chịu lực phức hợp, đồng thời như: nén uốn đồng thời, kéo uốn đồng thời, cắt uốn dẫn đến việc nắm bắt chưa hoàn toàn đúng quy luật ứng xử của loại mối nối đặc biệt này

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cấu tạo của bulông

2.1.1 Cấu tạo chung của bulông

Thân bulông có đường kính thông thường d = 12  48 mm (bulông neo d = 100 mm).Chiều dài bulông: l = 35  300 mm Chiều dài phần ren: l o = 2,5d (chiều dài

phần thân không ren phải nhỏ hơn tổng chiều dày các bản thép liên kết 2  3 mm)

Mũ bulông: thường hay sử dụng hình lục giác; có các góc được mài vát Đường kính hình tròn ngoại tiếp mũ D = 1,7d Bề dày của mũ h  0,6d, khoảng cách S là số chẵn: S = 12, 14, 16, 18…

Êcu: có hình dạng giống mũ bulông, nhưng được khoan lỗ và tiện ren giống như ren của phần thân (bước ren giống nhau)

Vòng đệm (long đền):có hình tròn dùng để phân phối áp lực của êcu lên mặt thép

cơ bản

Bulông được chia thành các cấp độ bền khác nhau với ký hiệu 4.6  10.9 Chữ số

đầu nhân với 10 cho biết giới hạn bền của vật liệu bulông f u (daN/mm2), tích của số

đầu và số thứ hai là giới hạn chảy f y (daN/mm2)

Hình 2.1 Cấu tạo của bulông

1-Mũ bulông; 2-Thân bulông; 3-Đường ren; 4-Êcu; 5- Vòng đệm

2.1.2 Bulông cường độ cao

Bu lông cường độ cao được chế tạo từ thép hợp kim, bằng cách tiện sau đó gia công nhiệt luyện Do được làm bằng thép cường độ cao nên có thể vặn êcu rất chặt làm thân bulông chịu kéo và gây lực ép rất lớn lên bản thép liên kết Khi chịu lực giữa mặt tiếp xúc của các bản thép có lực ma sát lớn chống lại sự trượt tương đối giữa chúng Như vậy, lực truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác chủ yếu bằng lực ma sát Bulông cường độ cao dễ chế tạo, khả năng chịu lực lớn, liên kết ít biến dạng do đó được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu chịu tải trọng nặng, tải trọng động

Trong phạm vi của Luận văn này chỉ sử dụng bulông cường độ cao

2.2 Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông

2.2.1 Sự làm việc của liên kết bulông

Do vặn êcu nên bulông chịu kéo và các bản thép bị xiết chặt, giữ mặt tiếp xúc của các bản thép hình thành lực ma sát Tuy nhiên, lực ma sát này ko đủ lớn để hoàn toàn tiếp nhận lực trượt do tải trọng ngoài gây nên khi chịu lực trượt sự làm việc của các loại bulông này chia làm 4 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Lực trượt do ngoại lực gây ra còn nhỏ hơn so với lực ma sát, các

bản thép chưa bị trượt, bulông chưa chịu ngoài lực kéo ban đầu

+ Giai đoạn 2: Tăng tải trọng ngoài, lực trượt bắt đầu lớn hơn lực ma sát, các bản

thép trượt tương đối với nhau, thân bulông tỳ sát vào thành lỗ

+ Giai đoạn 3: Trong giai đoạn này lực trượt truyền qua liên kết chủ yếu bằng sự

ép của thân bulông lên thành lỗ Thân bulông chịu cắt uốn và kéo (do mũ bulông ngăn cản sự uốn tự do của thân bulông)

+ Giai đoạn 4: Lực trượt tăng tiếp, độ chặt của liên kết giảm dần, lực ma sát yếu

đi, liên kết chuyển sang làm việc trong giai đoạn dẻo Liên kết có thể bị phá phá hoại

do cắt ngang thân đinh hoặc đứt bản thép giữ hai lỗ bulông hoặc từ lỗ bulông đến mép bản thép do áp lực ép mặt trên thành lỗ gây ra

Hình 2.2 Sơ đồ làm việc của liên kết bulông 2.2.2 Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông

Khi bản thép mỏng, đường kính bulông lớn thì bản thép bị phá hoại kéo đứt do tác dụng ép mặt của bulông lên thành lỗ Sự ép mặt này có ứng

suất cục bộ cb phân bố không đều theo chu vi lỗ (vị trí chịu

ứng suất nén lớn sẽ chảy dẻo, làm cho lỗ bulông dần dần

hình thành hình bầu dục dẫn tới đứt)

Khả năng chịu ép mặt của bulông mang tính quy ước,

chính bằng khả năng chịu cắt đứt của bản thép

l

Trường hợp tổng quát khi liên kết có nhiều bản thép:

+ fcb-là cường độ tính toán ép mặt quy ước

Bảng 2.1 Hệ số điều kiện làm việc b

1 Liên kết nhiều bulông khi tính toán chịu cắt và ép mặt:

- Đối với bulông tinh (độ chính xác nâng cao)

- Bulông thô và bulông độ chính xác bình thường, bulông cường độ

cao không điều chỉnh lực xiết đai ốc

2 Liên kết có một hoặc nhiều bulông, được tính toán chịu ép mặt

khi e = 1,5ds và b = 2ds, thép được liên kết có giới hạn chảy:

1,0 0,9

fy 285 N/mm2

fy> 285 N/mm2

0,8 0,75

Ghi chú:

Các hệ số điều kiện làm việc ở mục 1 và 2 được lấy đồng thời;

e1 - khoảng cách dọc theo lực, từ mép cấu kiện đến trọng tâm của lỗ gần nhất;

b - khoảng cách giữa trọng tâm các lỗ;

ds - đường kính lỗ bulông

2.2.3 Sự làm việc chịu trượt

Lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp nhận lực trượt do ngoại lực gây ra Bulông chỉ chịu kéo do sự xiết chặt êcu

Hình 2.3 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát

¸p lùc

¸p lùc

¸p lùclùc c¾t

lùc c¾tT/2

T

T/2

Sự làm việc của bulông cường độ cao trong liên kết chịu lực trượt ma sát được thể hiện trong Hình 2.3.Như vậy lực nén trước trong bulông sẽ gây ra áp lực giữa hai bản ngay cả trước khi ngoại lực tác dụng vào hệ Khi có ngoại lực tác dụng, hai bản sẽ có

xu hướng trượt lên nhau và được cản lại bởi lực ma sát giữa hai bản Lực cản do ma sát là một hệ số của nhiều lực ma sát giữa các bản

Cho đến khi tải trọng bên ngoài vượt quá lực ma sát thì các tấm sẽ bị trượt lên nhau Vì vậy, liên kết bulông cường độ cao được thiết kế sao cho tải trọng tác dụng không vượt quá giới hạn ma sát để tránh xảy ra sự trượt Khi lực tác dụng vượt quá lực

ma sát, các tấm trượt lên nhau cho đến khi bulông tiếp xúc với tấm và bắt đầu chịu lực trượt Vượt quá điểm này, lực tác dụng sẽ được chống lại bởi cả lực ma sát và lực trượt

Khả năng chịu trượt của một bulông cường độ cao:

b b hb bn





Trong đó:

f hb - cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu bulông, f hb = 0,7f ub

f ub- cường độ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu bulông

A bn - diện tích thực thân bulông (trừ giảm yếu do ren)

b1 - hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulông

Tĩnh và  = 5  6

Động và  = 1 Tĩnh và  = 1  4

1,35 1,2

1,12 1,02

2 Phun cát hay bột

kim loại sau đó phun

sơn kẽm hay nhôm

Theo M Theo 

0,5 0,5

1,35 1,2

1,12 1,02

3 Bằng ngọn lửa hơi

đốt, không có lớp

bảo vệ bằng kim loại

Theo M Theo 

0,42 0,42

1,35 1,2

1,12 1,02

4 Bằng bàn chải sắt,

không có lớp sơn

bảo vệ

Theo M Theo 

0,35 0,35

1,35 1,25

1,17 1,06

5 Không gia công

bề mặt

Theo M Theo 

0,25 0,25

1,7 1,5

1,3 1,2

GHI CHÚ: phương pháp điều chỉnh theo M tức là theo mômen xoắn; theo  tức là theo góc quay của êcu

2.2.4 Sự làm việc chịu kéo

Khi ngoại lực có phương song song với thân bulông tác dụng lên liên kết làm tách rời các cấu kiện cần liên kết nên bulông chịu kéo

Trước khi ngoại lực tác dụng, lực trong bulông bằng lực ứng lực trước trong bulông (T0) Tương ứng đó là áp lực giữa hai bản trong liên kết

Lực kéo ban đầu (T0) trong thân bulông do xiết chặt êcu cũng không làm giảm khả năng chịu ngoại lực kéo của bulông Bởi lẽ T0 luôn tự cân bằng với lực ép lên các mặt bích Khi tác dụng vào liên kết ngoại lực kéo T, làm cho lực ép giữa các mặt bích giảm xuống chỉ còn T’0 = T0 – T (khi T< T0), như vậy lực kéo ban đầu trong thân bulông cũng chỉ còn T’0 (do tính tự cân bằng giữa các lực kéo ban đầu và lực ép) và tổng lực kéo trong bulông lúc này là Tbl = T + T’0 = T + T0 – T = T0 Có nghĩa là, khi T < T0 thì lực kéo trong bulông không đổi và bằng T0 Khi ngoại lực kéo T bằng lực kéo ban đầu (T = T0) có T’0 = 0 nên Tbl = T

Vậy chỉ khi T ≥ T0 bulông mới chịu kéo với tải trọng ngoài

Bulông bị phá hoại khi ứng suất trong thân bulông đạt đến cường độ tính toán chịu kéo của vật liệu làm thân bulông

Khả năng chịu kéo của một bulông:

2.3.1 Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất

Petersen (1998) đã sử dụng nghiên cứu thực nghiệm vào những vấn đề cần xem xét trên và đã rút ra được kiến nghị Dựa vào mô hình, ông đã phát biểu rằng độ mỏi không thực sự bị ảnh hưởng bởi những vấn đề trên

Sự phá hủy của liên kết thì có thể xảy ra ở bulông, ở mặt bích hoặc xảy ra đồng thời ở bulông và mặt bích Đó được gọi là 3 mô hình phá hủy của Petersen

Hình 2.5 Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub

Mô hình phá hủy 1: Mặt bích đủ độ dày, không có biến dạng xuất hiện trong mô

hình này Có nghĩa là lực kéo trong mặt bích ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực dọc trong bulông vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết bị phá hoại

Mô hình phá hủy 2: Lực dọc trong bulông đạt giới hạn cho phép, đồng thời khớp

dẻo cũng xuất hiện trong mặt bích

Mô hình phá hủy 3: Mặt bích quá mỏng, sự phá hoại xảy ra trong mặt bích

Ts<Tf (2.6)

s s 2

Tf2: Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 2

Tf3: Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 3

Ms: Độ bền kéo của bản thép trên 1 đơn vị độ rộng, 2

Fys: Giới hạn chảy của vật liệu bản dầm chia cho 1,1

Fyf: Giới hạn chảy của vật liệu làm bản cột chia cho 1,1

tF: Độ dày của bản dầm

ts: Độ dày của cánh dầm

2.3.2 Mô hình của Seidel

Hình 2.6 Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông

Seidel (2001) đã nghiên cứu phát triển một đường đặc trưng biểu diễn quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông (Hình 2.6)

Vùng 1: Chưa xuất hiện biến dạng, ngoại lực tác dụng được giới hạn bởi ứng lực

nén trước trong bulông

Vùng 2: Khe hở bắt đầu phát triển

Vùng 3: Liên kết hở ra với một độ hở phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng

Vùng 4: Xuất hiện vùng chảy dẻo của bulông và/hoặc mặt bích cho đến khi liên kết

bị phá hoại

2.3.3 Nghiên cứu của Schmidt-Neuper

Để xác định ứng lực kéo trong bulông ứng lực trước, Schmidt-Neuper đã đề xuất

một biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông (Hình 2.7)

Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông do Schmidt – Neuper

Công thức đánh giá của Schmidt – Neuper như sau:

( - - ).

2 .8

E d s C

Ts: Lực kéo tác dụng vào cấu kiện

No: Lực kéo thiết kế của bulông

Tv: Lực kéo ban đầu trong bulông

e: Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông

g: Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mặt bích

Cb: Hệ số lò so kéo của bulông

Cc: Hệ số lò so nén của mặt bích

p: Tỷ số giữa nội lực và ngoại lực

: Hệ số cân bằng

y: Giới hạn đàn hồi của bulông

Ae: Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích

dwo: Đường kính ngoài của vòng đệm

dwi: Đường kính trong của vòng đệm

tF: Độ dày của mặt bích

tw: Độ dày của vòng đệm

E: Modun đàn hồi của thép

DA: Bước ren của bulông

Hình 2.8 Mô hình T-stub

2.4 Ứng suất Von-Mises:

Ứng suất Von -Mises là một thuyết bền phổ biến nhất được dùng để đánh giá độ bền của kết cấu trong phân tích FEM Ứng suất Von-Mises còn được tính toán theo ứng suất pháp và tiếp hay theo các thành phần của Tensor ứng suất

Ứng suất Von-Mises là một đại lượng vô hướng, rất thuận lợi cho việc đánh giá độ bền, không phải quan tâm tới hướng cũng như độ lớn của các ứng suất chính Trong phân tích cấu trúc, thường sử dụng ứng suất Von-mises để so sánh với ứng suất chảy của vật liệu để đánh giá xem chi tiết có bị biến dạng dẻo hay không Nếu ứng suất Von-Mises lớn nhất lớn hơn ứng suất chảy của vật liệu thì kết cấu bị biến dạng chảy, điều này là không mong muốn trong thiết kế

Tuy nhiên, khi quan tâm tới sự phá hủy mỏi, trong bài toán phân tích cấu trúc thường sử dụng ứng suất chính để đánh giá.Vì ứng suất chính cho phép biết được chiều ứng suất, từ đó có thể dự đoán được hướng phát sinh vết dạn nứt trong kết cấu

Trích nguồn: gia-ung-suat-von-mises-trong-femap-nastran/

http://cae-nst.com.vn/2017/01/19/ung-suat-von-mises-va-cach-danh-Hình 2.9 Tương quan giữa ứng suất Von Mises và ứng suất Tresca

Trích nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Mises_yield_criterion

2.5 Kết luận chương 2

Chương 2 đã cung cấp một số cơ sở lý thuyết về sự làm việc của liên kết bulông, khả năng chịu lực của bulông (bulông thường và bulông cường độ cao) giúp hiểu rõ hơn về sự làm việc của bulông trong liên kết Đồng thời Chương 2 cũng đã cung cấp một số lý thuyết về các mô hình phá hủy của liên kết T-sub của các nhà nghiên cứu trước đây Đó là cơ sở để tiến hành phân tích các kết quả mô phỏng bằng FEM sẽ được

thực hiện trong chương 3

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT

3.1 Mô phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulông và mặt bích dạng chữ L khi chịu kéo

Dùng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus 6.10-1 để mô hình và phân tích đặc trưng của liên kết một bulông và mặt bích phần tử tương ứng dạng hình chữ L dưới sự tác dụng của lực kéo

3.1.1 Đặc trưng vật liệu

Sử dụng vật liệu đàn hồi – dẻo

Bảng 3.1 Đặc trưng vật liệu

Biểu đồ 3.1 Đặc trưng của bulông Biểu đồ3.2 Đặc trưng của mặt bích, ống thép 3.1.2 Phương pháp phân tích

3.1.2.1 Lắp ráp

Mô hình phần tử hữu hạn có thể được định nghĩa như một bộ các đối tượng Việc tổ chức mô hình như vậy phù hợp với các mô hình được tạo ra trong chương trình, đồng thời cho phép tái sử dụng các phần tử đã định nghĩa để tạo một mô hình lớn và phức tạp

3.1.2.2 Điều kiện biên

Điều kiện biên được dùng để chỉ các biến cơ bản: chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, lực phân bố…

3.1.2.3 Ứng lực trước cho bulông

Chúng ta sẽ phân tích trong 2 giai đoạn

- Giai đoạn 1: Đặt ứng lực trước cho bulông cho đến khi đạt được lực hướng tâm

ban đầu bằng phương pháp chuyển vị khi thay đổi nhiệt độ (Couple displacement) Có nghĩa là bulông sẽ không được ứng lực trước thông thường mà được

temperature-hạ nhiệt độ Vì các nút hai đầu của bulông gắn liền với các mặt bích nên khi được temperature-hạ nhiệt độ, bulông sẽ tự tạo ra một ứng lực trước Bằng nhiều lần thử nghiệm thì chúng

ta có thể làm lạnh bulông cho đến khi bulông đạt được lực hướng tâm ban đầu Trong luận văn, lực hướng tâm ban đầu được định nghĩa bằng công thức: Tv=0,7.y.Ae

- Giai đoạn 2: Giữ nguyên lực hướng tâm ban đầu trong bulông và đặt lực kéo Ts

cho dầm bằng cách khai báo chuyển vị

Phương pháp này được dùng để biểu diễn một phân tích nhiệt cơ học Phân tích nhiệt cơ học là một phép tính toán phi tuyến mà chuyển vị và nhiệt độ tương thích nhau Theo cách này, hành động tương phản của nhiệt độ dựa trên chuyển vị và