NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO NÉN UỐN ĐỒNG THỜI H : PHAN CÔNG BÀN Chuyên ngành: Dự DD&CN Key words–Flange; high tension bolt;

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



PHAN CÔNG BÀN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT

NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG

CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng- Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



PHAN CÔNG BÀN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT

NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG

CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : TS LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng- Năm 2017

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG

MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI

H : PHAN CÔNG BÀN Chuyên ngành: Dự DD&CN

Key words–Flange; high tension bolt; collapse mechanim

ỤC ỤC

ỜI C Đ N 1-3

MỤC LỤC 1-5

DANH MỤC CÁC HÌNH 1-7

DANH MỤC CÁC BẢNG 1-10

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết củ ề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu củ ề tài 3

3 ố t ợng và ph m vi nghiên cứu: 3

4 P ơ á ứu: 3

5 Bố cụ ề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ 6

1.1 Trên thế giới 6

1.2 T i Việt Nam 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Kết cấu ống thép tròn, mặt bích, bulông 9

2.1.1 Thép ống tròn 9

2.1.2 BuLông 9

2.2 Sự làm việc của liên kết bu lông và khả ịu lực của bulông 11

2.2.1 Liên kết bulông 11

2.2.2 Sự làm việc của liên kết b ờ ộ cao 13

2 3 P ơ á ần tử hữu h n 16

2 3 1 P ơ á ới 16

2.3.2 Lo i phần tử 16

2 4 Cá ơ ế phá huỷ : Pete e , ờ 3 n của Smidth neuper hoặc là seidel.17

2.4.1 Nghiên cứu của Schmidt-Neuper 17

2.4.2 Mô hình của Seidel 20

2.4.3 Mô hình phá hủ Pete e ề xuất 20

CHƯƠNG 3 Ô PHỎNG LIÊN KẾT 22

3.1 Mô phỏ FEM ối với liên kết ơ ẻ một bulông và mặt bích d ng chữ L khi chịu kéo 23

3 1 1 ặ t ật liệu 23

3.1.2 P ơ á t 23

3.1.3 Mô phỏng phần tử d ng chữ L 24

3.1.4 Kết quả phân tích 25

3.2 Mô phỏ FEM ối với mối nối liên kết ố ầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài 28

3.2.1 Mô phỏng ống nhỏ t ớc:139,8x4 chịu kéo, kéo(nén) uố ồng thời 29

3.2.2 Mô phỏng ố t t ớc: 267.4x6 chịu kéo, kéo (nén) uốn ồng thời 41

3.2.3 Mô phỏng ống lớn kích t ớc:406.4x9.5 chịu kéo, kéo(nén) uố ồng thời 50

3.3 Xây dựng quy trình tính toán, thiết kế cụ thể mối nối liên kết x t ến những ứng xử phức t p của các thành phần trong liên kết ( bulông, mặt bích và ống thép) trong chịu lực phức t p 59

KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ 62

1 Kết luận: 62

2 Kiến nghị: 62

TÀİ İỆU THAM KHẢO 63

D NH ỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Mối nối liên kết ố ầu bu lông và mặt bích ngoài 6

3.4 Hình ảnh phân tích phần tử d ng chữ L trong Abaqus 25

3.5

Biể ồ quan hệ giữa lực d c Tp trong bulông và lực kéo Ts

trong phần tử d ng chữ L so sánh với biể ồ của

Số hiệu

3.9 Ứng suất trong bulông và mặt b t ờng hợp 1 theo thời gian 30 3.10 Ứng suất trong bulông và mặt b t ờng hợp 2 theo thời gian 31 3.11 Ứng suất trong bulông và mặt b t ờng hợp 3 theo thời gian 31 3.12 Ứng suất trong bulông và mặt b t ờng hợp 4 theo thời gian 32 3.13 Biể ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bu lông 32 3.14 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=4 mm 33 3.15 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=6 m 34 3.16 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=8 m 34 3.17 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=10 m 34 3.18 Biể ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bu lông 35 3.19 Cá t ờng hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo uố ồng thời 36

3.21 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =16mm 37 3.22 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =20mm 37 3.23 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =25mm 37 3.24 Biể ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bu lông 38 3.25 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=8 mm 39 3.26 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=10 m 39 3.27 Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=12 m 39 3.28 Biể ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông 40

3.30 Cá t ờng hợp mô phỏng ống trung chịu kéo 41 3.31 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =20 mm 42 3.32 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =22 mm 42 3.33 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =25 mm 42 3.34 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =30 mm 43 3.35 Biể ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bulông 43 3.36 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=4 mm 44

Số hiệu

3.37 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=6 m 44 3.38 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=8 m 45 3.39 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=10 m 45 3.40 Biể ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bu lông 46

3.42 Cá t ờng hợp mô phỏng ống trung chịu kéo uố ồng thời 47 3.43 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=6 mm 48 3.44 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=8 m 48 3.45 Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=10m 49 3.46 Biể ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông 49

3.49 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =25mm 51 3.50 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =30mm 51 3.51 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =35mm 52 3.52 Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =40mm 52 3.53 Biể ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bulông 53 3.54 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=6 mm 54 3.55 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=8 m 54 3.56 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=10 m 54 3.57 Biể ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông 55

3.59 Cá t ờng hợp mô phỏng ống trung chịu kéo uố ồng thời 56 3.60 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=8 mm 57 3.61 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=10 m 57 3.62 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=12m 57 3.63 Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=14m 58 3.64 Biể ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông 58

Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay, thép ố t ò ợc ứng dụng phổ biến trong các công trình xây dựng, sản xuất các thiết bị máy móc, ố ớc, ố ơ ệp Nhờ vào nhữ ặc

ểm nổi trộ ộ cứ ộ bền vững, tr ợ t ơ ối nhẹ, ờng

ộ chịu lực khá cao và chị ợc nhữ ộng m nh

Một số hình ảnh công trình thép ống liên kết mặt bích

Tuy nhiên trên thực tế, có rất nhiều sự cố tai n q ến công trình thép

sử dụng thép ống liên kết mặt bích Nguyên nhân xuất phát phần lớn từ sự tính toán không thấ á t i các mối liên kết này

Một số hình ảnh sập đổ của tháp thép dùng thanh ống tròn

Ứng xử của liên kết này khá phức t , ặc biệt là khi chịu các lo i tải tr ng phức hợ , t t ( ộ ất, gió bão) … ã ột số tác giả nghiên cứu về vấ ề , ững nghiên cứu chỉ dừng l i ở một số vấ ề ơ ả , ỏng hết ợc sự làm việc thực của liên kết V á t ẩn tiên tiến phổ biế E e 3 AISC ề q ịnh tính toán liên kết ống thép tròn vào nội dung

Cho nên, việc nghiên cứu mối nối giữa ống thép sử dụng mặt bích và bu lông là cần thiết ể á ỉ d n về quy trình tính toán thiết kế nhằm bổ sung cho các quy chuẩn thiết kế hiệ ấy là lý do ể thực hiện luậ ớ ề tài:

“NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI”

2 ục ti u nghi n cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu kéo (nén) uố ồng thời

- Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu h ABAQUS ể mô phỏng liên kết với các m u khác nhau

- Dựa trên những quy luật ứng xử của mối nố , ề xuất các thông số hợp lý của liên kết (mối quan hệ giữa chiều dày mặt bích ờng kính bulông,giữa chiều dày ống thép ờng kính bulông)

- Từ những kết quả phân tích và tính toán ở trên, kiến nghị về quy trình tính toán thiết kế mối nối

3 Đối tượng và phạm vi nghi n cứu:

- ố t ợng nghiên cứu:

+ ờng kính bulông và chiều dày mặt bích

+ Chiều dày mặt bích và chiều dày ống thép

+ ờng hàn của ống thép tròn và mặt bích

- Ph m vi nghiên cứu:

+ Khảo sát ứng xử của bulông và mặt bích t i các liên kết nối bằng bulông và mặt bích ngoài trong các thanh biên d ng ống tròn chịu lực chính trong kết cấu giàn của tháp thép bằng Mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS

+ Cá ều kiện chịu lực khác nhau: kéo, kéo (nén)uốn ồng thờ ợc xem xét

t ều kiện chịu lự tĩ

4 Phương pháp nghi n cứu:

Mô phỏng bằng FEM ( Finite Element Method)

á á ợc ứng xử của liên kết mặt bích bằng bulông t i các liên kết thanh thép ống trong kết cấu tháp Chia việc nghiên cứ 3 b ớc:

B ớc 1: Tiến hành mô phỏng bằng FEM liên kết của một bu ơ ẻ ợc tách ra từ liên kết phần tử trong mối nối (giố 2 t ữ L (L – flange)

ợc nối bởi 1 bulông) Kết quả của phân tích mô phỏng này sẽ ợc kiểm chứng với những phát biểu lý thuyết về ơ ế phá hủy củ Pete e (1990) ối với liên kết bulông và mặt b ũ q ệ phi tuyến giữa lực d c trong bulông và lực kéo trong thân tháp do Seidel (2001) phát biểu.So sánh kết quả mô phỏ FEM, ũ ững mô hình phát biểu lý thuyết của các nghiên cứ t ớc nhằm kiểm chứ ộ tin cậy trong phân tích FEM và quy luật quan hệ trong ứng xử giữa 1 bulông và phần

tử mặt bích

B ớc 2: Tiếp tục phát triển phân tích mô phỏ ã ợc xác lậ t b ớc 1

ể mô phỏng cho cả liên kết giữa 2 mô ết thanh và khảo sát sự ứng xử khi làm việc chung Từ út ợc quy luật ứng xử chung của mặt bích và bulông

B ớc 3: Xây dựng công thức và quy trình tính toán, kiể t ể kiể át ợc ứng xử ũ t ết kế an toàn cho cấu kiện liên kết ố ầu nối ống thép bằng bulông và mặt bích ngoài của tháp thép Công thức và quy trình tính toán, thiết kế, kiểm tra sẽ ợc ứng dụng trong thực tế thiết kế, chế t o, sử dụng và vận hành các kết

cấ t á ề xuất các tỉ lệ hợp lý giữa các thông số t ớc của liên kết

Chương 3: Mô phỏng liên kết

3.1 Mô phỏ FEM ối với liên kết ơ ẻ một bulông và mặt bích d ng chữ L khi chịu kéo (nén) uố ồng thời

3.2 Mô phỏ FEM ối với mối nối liên kết ố ầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài

3.3 Xây dựng quy trình tính toán, thiết kế cụ thể mối nối liên kết x t ến những ứng xử phức t p của các thành phần trong liên kết ( bulông, mặt bích, ống thép) trong chịu lực phức t p kéo (nén) uố t ời

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QU N VẤN ĐỀ

1.1 Tr n thế giới

Theo nghiên cứu của các tác giả [ Akiyama, Kurobane, Azuma, Kamba, Kato, Kosteski, Mang, Packer]các tiêu chuẩn thiết kế thông dụng ( Eurocode 3, AISC) thì các nghiên cứu xung quanh liên kết bằng bulông hoặ ờng hàn của các ống thép rỗng (hollow sect e t ) HSC ợc tập trung rất nhiề :

+ Eurocode 3, AIJ (Architectural Institute of Japan), SAC thì chỉ d n s n một số mối nối bằng bulông, hoặ ờng hàn của các ống thép rỗng d ng hình vuông, tam giác, hoặ t ò ỉ dừng l i phần nhiều là các liên kết dầm chữ I, chữ T vào các cột rỗng chữ nhật bằng bulông và mặt bích, hoặ ờng hàn, hoặc là liên kết các ống tròn theo nhiề ơ bằ ờng hàn góc

Hình 1.1 Một số mối nối bằng bulông

+ Hoặc một số cấu kiện kiểu liên kết T-Stub của mối nối liên kết ố ầu các ống hình vuông ( chữ nhật) bằng bulông và mặt bích ngoài

Hình 1.2 Mối nối liên kết đối đầu bu lông và mặt bích ngoài

+ Một số các tác giả [Akiyama (1974), Kurobane(1981,1987,1998,2002), Azuma( 1999), Kamba(1995), Kato(1982), Kosteski(2001,2003), Mang(1980),

Packer(1993)] thì l i tập trung nghiên cứu về thực nghiệm của một số mối nối d ng HSC tập trung vào những liên kết kiểu hàn, hoặc những kiểu tiết diện vuông là chủ yếu

+ Ngoài ra một số kiểu nối ống tròn trong các nghiên cứu của một số tác giả

ũ ợc khả át b ới

Hình 1.3 Một số kiểu nối ống tròn

1.2 Tại Việt Nam

Liên kết thép ống bằng mặt bích có sử dụng ở ớ t cứu nào cụ thể, chỉ có một số chỉ d n tính toán dựa vào các tài liệ ớ ã một số tác giả nghiên cứu về vấ ề này ( GS.TS Ph V Hộ ) ững nghiên cứu này chỉ dừng l i ở một số vấ ề ơ ả , ỏng hết ợc sự làm việc thực của liên kết, chẳng h á ấ ề về sự phát triển ứng suất trong bulông liên

kết ờ ộ t e á n, sự ép mặt của mặt bích, hiệ t ợng T- t b t mômen uốn trong mặt b , ũ ứng xử phức t p của liên kết nối bằng mặt bích

và bulông khi chịu các lực tác dụng khác nhau Chính vì sự xe x t ỹ các khía

c nh làm việc của kết cấu nên d ến việc khó kiể át ợc ứng xử ũ ự

bá á ều kiện chịu lực an toàn của kết cấ ũ ến một số tai n n về mặt

kỹ thuật gầ

Kết luận: Qua khảo sát tổng quan một số nghiên cứ t ớ t t t ấy cấu

kiện ống thép d ng tròn liên kết nố ố ầu bằng bulông và mặt bích ngoài rất t ợc

ề cập hoặc nghiên cứu kỹ Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết ối

ầu ống thép tròn của Eurocode 3(part 1-8) hoặc AISC v n chỉ nhắ ến tính toán và khảo sát cấu kiện này rất ít hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện d ng liên kết T-Stub

N t e q ểm thiết kế hiệ ũ ảo sát qua một số những phá ho i xảy ra ngay trên mối nối lo i này thì nhận thấy rằng, mối nố ố ầu ống thép tròn bằng liên kết bulông và mặt bích ngoài không thể xem ểu cấu kiện T – Stub truyền thống mà là kiểu mới, có quy luật ứng xử khá khác mà ta g i là New – T-Stub Các bulông làm việc hỗ trợ với nhau theo m ớng, phân bố ứng suất trong các

bu lông và mặt b ũ ợc phân phối l i, ứng xử của chúng khác khá nhiều so với kiểu T – stub truyền thố ẽ ở trên

Ngoài ra các tiêu chuẩ ũ ột số nghiên cứu của các tác giả chỉ ề cập

ến nhữ t ờng hợp chịu lự ơ ản hoặc khảo sát tách biệt (kéo thuần túy, nén thuần túy, uốn thuần túy) mà bỏ q ảo sát chịu lực phức hợ , ồng thờ : nén uố ồng thời, kéo uố ồng thời, cắt uốn d ến việc nắm bắt t

ú q ật ứng xử của lo i mối nố ặc biệt này

V á t ẩn tiên tiến phổ biế E ode 3 và AISC

ề q ịnh tính toán liên kết ống thép tròn vào nội dung (hollow section connection)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ Ý THUYẾT

2.1 Kết cấu ống thép tròn, mặt bích, bulông

2.1.1 Thép ống tròn

Hiện nay, thép ố t ò ợc ứng dụng phổ biến trong các công trình xây dựng, sản xuất các thiết bị á , ĩ ực công nghiệp, dân dụng Mỗi lo i vật liệu có

ặ t , ểm riêng và phù hợp sử dụng cho nhữ t , ĩ ực khác nhau

tù t e ử dụng của mỗ t ợc sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng, nhà thép tiền chế, á , ờn xe, ố ớc, ố ơ công nghiệp, các lo i hàng gia dụng khác

Hình 2.1 Một số kiểu ống thép

Thép ống tròn ặc tính cứng vững, bền bỉ, tr ợng nhẹ, ờ ộ chịu lực cao và chị ợc nhữ ộng m nh Khi chị ều kiện khắc nghiệt do tác ộng của hóa chất, nhiệt ộ, thép ống sẽ x ớng uốn cong theo d ờng tròn

mà không bị phá vỡ kết cấ , ả ơ ò ỉ các lo i hóa chất, chất lỏng

Thép ống tròn có khả ống l i sự ò ủa axit, hóa chất, nhiệt ộ cao,

ả ởng của thời tiết, ảm bảo tính bền vữ á t D , i thép ống này là sự lựa ch ý t ởng cho các nhà máy hóa chất, ờng ống d ớc, dầu khí, chất ốt…

Việc lắ ặt thép ống tròn cho các công trình xây dựng rất linh ho t, dễ dàng với m i yêu cầu củ á t T , ộ dày ống thép có thể làm mỏng

ơ ả ở ến chất ợ T t ờng, thép ống tròn không yêu cầu bảo trì và nếu yêu cầu bảo trì thì cách thực hiện rất ơ ản

2.1.2 BuLông

2.1.2.1 Cấu tạo chung của bu lông

Thân bulông tròn

- ờng kính bulông: 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

ơ tổng chiều dày các bản thép liên kết 2  3 mm)

Mũ b : t ờng hay sử dụng hình lụ á ; á ợc mài vát

- ờng kính hình tròn ngo i tiế ũ D = 1,7d Bề dày củ ũ h  0,6d

- Khoảng cách S là số ch n: S = 12, 14, 16, 18,…

Êcu:

- Hình d ng giố ũ b , ợc khoan lỗ và tiện ren giống

e ủa phầ t (b ớc ren giống nhau)

- ệ ( e ) t ò ể phân phối áp lực của êcu lên mặt thép

ơ bản

Hình 2.2 Cấu tạo bulông

Theo vật liệ b ợc chia thành các cấ ộ bền khác nhau với ký hiệu 4.6 10.9 Chữ số ầu nhân với 10 cho biết ờ ộ tức thời của vật liệu bulông f u (daN/mm2), tích của số ầu và số thứ hai là giới h n chảy f y (daN/mm2)

2.1.2.2 BuLông cường độ cao

ợc chế t o từ thép hợp kim, bằng cách tiệ ệt luyện

B ờ ộ cao có hai cách hiểu:

ể ảm bảo khả ịu lực của liên kết b ờ ộ cao, cần gia công mặt các cấu kiện liên kết ể t t át: ải mặt bằng bàn chải sắt, á bằng bột kim lo …

Bulông ờ ộ cao dễ chế t o, khả ịu lực lớn, liên kết ít biến d ng do

ợc sử dụng rộng rãi trong các kết cấu chịu tải tr ng nặng, tải tr ộng

Hình 2.3 Bulông cường độ cao

2.2 Sự làm việc của li n kết bu lông và khả năng chịu lực của bulông

2.2.1 i n kết bulông

Có 3 cách phân lo i liên kết :

2.2.1.1 Dựa vào hợp lực truyền vào liên kết

Liên kết ú t : t ần lực truyền vào liên kết là kéo hoặ ú t Liên kết lệch tâm: thành phần lực truyền vào liên kết là kéo hoặc nén lệch tâm Liên kết momen: ví dụ liên kết dầm-cột trong kết cấu hệ khung

Liên kết ú t ý t ởng chỉ nên có một bulông liên kết các cấu kiện l i với

nhau (Hình 2.4a).Tuy nhiên, trong thực tế t ề t ể, mà chỉ ảm bảo

ợc trục tr ng tâm của các cấu kiện cắt nhau t i một ểm (Hình 2.4b)

Hình 2.4Liên kết đúng tâm

T ơ ối phức t ể phân tích, so sánh 2 lo i liên kết momen.Hình 2.5a ợc

biết ột liên kết dầm conxon và liên kết bằng lực cắt trong bulông

Liên kết trong Hình 2.5b t ờ ợc thấy trong các khung chịu momen, t i vị

trí momen trong dầm truyền sang cột Liên kết ũ ợc dùng trong cột t i vị trí bản mã liên kết với móng bằng các bulông neo.Trong liên kết này, bulông vừa chịu lực kéo và lực nén d c trục

Hình 2.5 Liên kết momen

2.2.1.2 Dựa vào lực trong bulông

Liên kết b ũ ợc phân lo i dựa vào hình d ặc tính của tải

2.2.2 Sự làm việc của li n kết bu lông cường độ cao

2.2.2.1 Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông

Khi bản thép mỏ , ờng kính bulông lớn thì bản thép bị phá ho ứt do tác dụng ép mặt của bulông lên thành lỗ Sự ép mặt này

có ứng suất cục bộ cb phân bố ều theo chu vi lỗ

(vị trí chịu ứng suất nén lớn sẽ chảy dẻo, làm cho lỗ

Bảng 2.1 Hệ số điều kiện làm việc b

ặ ểm của liên kết Giá trị b

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

- ối vớ b t ( ộ chính xác nâng cao)

- B t b ộ xá b t ờng, bulông

ờ ộ ều chỉnh lực xiết ốc

2 Liên kết có một hoặc nhiề b , ợc tính toán chịu ép

mặt kh = 1,5 b = 2 , t ợc liên kết có giới h n chảy:

1,0 0,9

fy  285 N/mm2

fy > 285 N/mm2

0,8 0,75 GHI CHÚ: Các hệ số ều kiện làm việc ở mụ 1 2 ợc lấ ồng thời;

a – khoảng cách d c theo lực, từ mép cấu kiệ ến tr ng tâm của lỗ gần nhất;

b – khoảng cách giữa tr ng tâm các lỗ;

d – ờng kính lỗ bulông

2.2.2.2 Sự làm việc chịu trượt

Lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp nhận lự t ợt do ngo i lực gây ra Bulông chỉ chịu kéo do sự xiết chặt êcu

Hình 2.8 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát

Sự làm việc của b ờ ộ cao trong liên kết chịu lự t ợt át ợc

thể hiện trong hình 2.8 N ậy, lự t ớc trong bulông sẽ gây ra áp lực giữa hai

bản ngay cả t ớc khi ngo i lực tác dụng vào hệ Khi có ngo i lực tác dụng, hai bản sẽ

x ớ t ợt ợc cản l i bởi lực ma sát giữa hai bản Lực cản do ma sát là một hệ số của nhiều lực ma sát giữa các bản

C ến khi tải tr b ợt quá lực ma sát thì các tấm sẽ bị t ợt lên nhau Vì vậy, liên kết b ờ ộ ợc thiết kế sao cho tải tr ng tác dụng

ợt quá giới h át ể tránh xảy ra sự t ợt Khi lực tác dụ ợt quá lực

ma sát, các tấ t ợt ến khi bulông tiếp xúc với tấm và bắt ầu chịu lực

f hb – ờ ộ chịu kéo tính toán của vật liệu bulông, f hb = 0,7f ub;

f ub – ờ ộ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu bulông;

A bn – diện tích thực thân bulông (trừ giảm yếu do ren) (trabảng 2.2);

b1 – hệ số ều kiện làm việc của liên kết bulông,

¸p lùc

¸p lùc

¸p lùc lùc c¾t

lùc c¾t T/2

T

T/2

Hệ số

ma sát μ

Hệ số b2 khi tải tr ộ dung sai giữ ờng kính bulông và lỗ , mm ộng và  = 3  6

1,35 1,2

1,12 1,02

1,35 1,2

1,12 1,02

1,35 1,2

1,12 1,02

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: ơ á ều chỉnh theo M tức là theo mômen xoắn; theo  tức là theo góc quay của êcu

2.2.2.3 Sự làm việc chịu kéo

Khi ngo i lự ơ ới thân bulông tác dụng lên liên kết làm tách rời các cấu kiện cần liên kết nên bulông chịu kéo

T ớc khi ngo i lực tác dụng, lực trong bulông bằng lực ứng lự t ớc trong

b T ơ ứ á ực giữa hai bản trong liên kết

Khi ngo i lực tác dụng vào, một phần lực (khoảng 10%) ợc cân bằng với lực trong bulông Phần còn l t ợc cân bằng với áp lực giữa hai bản trong liên kết Quá trình này cứ tiếp diễn, liên kết giữa hai bản v ợ t ến khi áp lực do ứng lự t ớc giảm về không bởi ngo i lực tác dụng Thô t ờ , ời ta sẽ thiết

kế sao cho lực kéo tác dụng vào liên kết ợt q á ỡng này

Hình 2.9 Sự làm việc chịu kéo của bulông

Khả ịu kéo của một bulông:

 N tb  A bn f tb Với: f tb ờ ộ tính toán chịu kéo của bulông

2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn

Dùng phần mềm phân tích phần tử hữu h n Abaqus 6.10-1 ể mô hình, phân

t ặ t ủa cấu kiệ ới sự tác dụng của lực kéo và kéo (nén) uố ồng thời

2.3.1 Phương pháp chia lưới

Chia ớ t ò ất quan tr ng trong phân tích phần tử hữu h n, quyết ịnh kết quả phân tích có hợp lý hay không.Vớ ới chia càng mịn thì kết quả phân tích sẽ càng chính xác, tuy nhiên nó làm cho thời gian phân tích càng lâu vì có quá nhiều phần tử

L ới chia trong luậ ợ t e t ớc của phần tử

+ Số nút - bậc nội suy: Chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt ộ và các bậc tự

á ã ợc nhắ ến trong luậ ỉ ợc tính toán t i nút của phần tử T i nhữ ểm khác của phần tử, chuyển vị ợc tính toán bằng cách nội suy từ chuyển

vị t á út T t ờng, số bậc nội suy phụ thuộc vào số nút trong phần tử.Luận

ử dụng phần tử 8 nút.Phần tử có các nút t á 2 10, ử dụng nội suy tuyến tính (nội suy bậc 1) cho mỗ ớng

Hình 2.10 Phần tử 8 nút

Phần tử khối gồm phần tử nội suy bậc 1 và phần tử nội suy bậc 2 theo 1, 2 hoặc

3 t ớc Khối sáu mặt t b t ớ t e b ơ P ần tử bậ 2 ộ

xá ơ ần tử bậ 1 q ến tr ng thái, sự va ch m, hay biến d ng Chúng giữ sự tập trung ứng suất hiệu quả ơ , ặ t

h c tốt ơ : ú t ể mô hình một bề mặt cong với số phần tử t ơ

Tóm l i, phần tử bậc hai thì rất hiệu quả trong các vấ ề q ến bề mặt cong Vì vậy, trong luậ sẽ sử dụng phần tử bậc hai

Công thức tính toán: Một công thức tính toán của phần tử tham chiế ến lý thuyết toán h ù ể ị ĩ ứng xử của phần tử

2.4 Các cơ chế phá huỷ : Petersen, đường 3 đoạn của Smidth neuper hoặc là seidel

2.4.1 Nghi n cứu của Schmidt-Neuper

ể xá ịnh ứng lực kéo trong bulông ứng lự t ớc, Schmidt-Ne e ã ề xuất một biể ồ quan hệ giữa lực kéo và lực d c trong bulông

Công thứ á á ủa Schmidt – Ne e :

21

sII  q ;

0, 75

v  o  y e; 1

2 8

E d s C

E d d

wo wi C

Ts: Lực kéo tác dụng vào cấu kiện

No: Lực kéo thiết kế của bulông

Tp

Ts

TsII

TsIo

Tv: Lự b ầu trong bulông

e: Khoảng cách từ ầu bả ã ến tâm bulông

y: Giới h ồi của bulông

Ae: Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích

2.4.2 ô hình của Seidel

Hình 2.13 Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông

Se e (2001) ã ứu phát triển một ờ ặ t b ểu diễn quan hệ phi tuyến giữa ngo i lực và lực d c trong bulông

Vù 1: C x ất hiện biến d ng, ngo i lực tác dụ ợc giới h n bởi ứng

lự t ớc trong bulông

Vùng 2: Khe hở bắt ầu phát triển

Vùng 3: Liên kết hở ra với một ộ hở phụ thuộc vào ngo i lực tác dụng

Vùng 4: Xuất hiên vùng chảy dẻo của bulông và/hoặc bả ã ến khi liên kết bị phá ho i

2.4.3 ô hình phá hủy do Petersen đề xuất

Pete e (1998) ã ử dụng nghiên cứu thực nghiệm vào những vấ ề cần xem

x t t ã út ợc kiến nghị.Dự , ã át b ểu rằ ộ mỏi không thực sự bị ả ởng bởi những vấ ề trên

Sự phá hủy của liên kết thì có thể xảy ra ở bulông, ở bản mã, hoặc xả ồng thời ở bulông và bả ã ợc g i là 3 mô hình phá hủy của Petersen

Hình 2.14Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub

Mô hình phá hủy 1: Bả ã ủ ộ dày, không có biến d ng xuất hiện trong mô

C ĩ ực kéo trong bản mã ả ởng trực tiế ến bulông, và khi lực

d t b ợt quá giới h n cho phép thì liên kết bị phá ho i

Mô hình phá hủy 2: Lực d c t b t giới h , ồng thời khớp dẻ ũ x ất hiện trong bản mã

Mô hình phá hủy 3: Bản mã quá mỏng, sự phá ho i xảy ra trong bản mã

CHƯƠNG 3 Ô PHỎNG IÊN KẾT

CÁC TRƯỜNG HỢP MÔ PHỎNG LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG

MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ỒNG THỜI

3.1 ô phỏng FE đối với li n kết đơn lẻ một bulông và mặt bích dạng chữ khi chịu kéo

Dùng phần mềm phân tích phần tử hữu h n Abaqus 6.10-1 ể mô hình và phân

t ặ t ủa liên kết một bu lông và mặt bích phần tử t ơ ứng d ng hình chữ

L ới sự tác dụng của lực kéo

t , ồng thời cho phép tái sử dụng các phần tử ã ị ĩ ể t o một mô hình lớn và phức t p

3.1.2.2 Điều kiện biên

ều kiệ b ợ ù ể chỉ các biế ơ bản: chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt ộ, lực tập trung, lực phân bố…

3.1.2.3 Ứng lực trước cho bulông:

Chúng ta sẽ phân tích tron 2 n

G n 1: ặt ứng lự t ớ b ế t ợc lự ớng tâm

b ầu bằ ơ á ển vị t ổi nhiệt ộ (couple

e e t) C ĩ b ẽ ợc ứng lự t ớ t t ờ ợc

h nhiệt ộ V á út ầu của bulông gắn liền với các bản dầm và cột, nên khi

ợc h nhiệt ộ, bulông sẽ tự t o ra một ứng lự t ớc Bằng nhiều lần thử nghiệm thì chúng ta có thể làm l b ế b t ợc lự ớ t b ầu Trong luậ , ự ớ t b ầ ợ ị ĩ bằng công thức

T e á , ộ t ơ ản của nhiệt ộ dựa trên chuyển vị và chuyển

vị dựa trên nhiệt ộ có thể ợ t t á T ậ , ự ả ởng của nhiệt ộ lên chuyển vị ợc tính toán dự ộ giãn nở vì nhiệt Không có sự truyền nhiệt giữa bulông và các bản thép

3.1.2.4 Liên kết

Liên kết ợ ù ể khử bậc tự do ở á út ộc lập Khi một biến bị khử thì

nó không thể tham chiếu trong bất kỳ ều kiện biên nào khác

Quá trình phân tích trong luậ q ến lự ớng tâm trong bulông, lực kéo trong ống thép thông qua chuyển vị theo trục Y

3.1.2.5 Hệ số ma sát

Hệ số át ợc khai báo cho các bề mặt tiếp xúc:các mặt bản thép, các mặt bulông- các mặt bản thép, mặt thân bulông- mặt lỗ Hệ số ma sát giữa thép-thép là 0,58

3.1.3 ô phỏng phần tử dạng chữ L

ặt ứng lự t ớ b ế t ợc lự ớ t b ầu bằng theo công thức Tv=0,7xyxAe =197.92kN

Dùng phần mềm Abaqus t o mô hình bulông (F10T) và mô hình bản thép

Hình 3.2Mô hình bulông và bản thép trong Abaqus

Hình 3.5 Biểu đồ 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

Biểu đồ của Schmidt – Neuper

Với mô hình trong luậ , ú t t t á ợc TsI=24,74kN và

TsII=84.57kN

Kết quả phân tích cho thấy mối quan hệ giữa lực d c trong bulông và lực kéo là phi tuyến

Bảng 3.2Đặc trưng hình dạng của bulông

Khoảng cách từ ầu bả ã ến tâm bulông: e 30

Khoảng cách từ t b ến tâm bản mã: g 42

dù lự t ực d t b t ất chậ , ề ĩ lực kéo xảy ra ở ầu dầ ợ ù ể ợt qua lực ứng lự t ớc trong bulông

Trên biể ồ, á ã b ểu diễ ợc quan hệ giữa lực d c trong

bulông và lực kéo trong cấu kiện theo kiến nghị của Seidel Chúng ta có thể tìm ra sự

giống nhau của kết quả phân tích với biể ồ Scmidt-Neuper, biể ồ của Seidel

Như vậy, khẳng định tính đúng đắng của mô hình Abaqus mà tác giả đang

sử dụng