PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG. LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG Học viên: Lê Tuấn Việt Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

LÊ TUẤN VIỆT

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG

LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT

Đà Nẵng, năm 2019

LÊ TUẤN VIỆT

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG

LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình

Mã số: 858 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng, năm 2019

Tôi 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 kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Tuấn Việt

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

4 Phạm vi nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULÔNG VÀ LIÊN KẾT BULÔNG 3

1.2 SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT 6

1.3 SỰ LÀM VIỆC BULÔNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT 6

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT 8

2.1 ỨNG XỬ CỦA BU LÔNG CHỊU CẮT 8

2.2 PHÂN LOẠI BU LÔNG 9

2.3 SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ TINH 9

2.4 MÔ PHỎNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 16

2.5 LOẠI BULÔNG 16

2.6 PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI 16

2.7 LOẠI PHẦN TỬ 16

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 17

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ TÍNH TOÁN BULÔNG CHỊU CẮT 18

3.1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 18

3.2 QUY TRÌNH MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BULONG BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 20

3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 34

3.3.1 Các giai đoạn làm việc của liên kết 34

3.3.2 Sự phá hoại trong các mô hình liên kết 36

3.3.3 Nội lực trong các thành phần liên kết 43

3.4 KẾT LUẬN 49

KẾT LUẬN CHUNG 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG

Học viên: Lê Tuấn Việt Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân

dụng và công nghiệp

Mã số: 858 02 01 Khóa: K34 - QN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Luận văn đã tổng hợp được các lý thuyết tính toán liên kết ghép chồng sử dụng

bu lông ứng lực trước Các loại liên kết ghép chồng khác nhau sử dụng bu lông ứng lực trước đã được mô phỏng và nghiên cứu ứng xử để từ đó đề ra phương án lựa chọn tối ưu Các kết quả nghiên cứu cho thấy cả ba liên kết ghép chồng đều có sự phá hoại xuất phát từ tấm thép cơ bản hoặc tấm nối, trong khi ứng suất cắt trong bu lông chưa cao Từ những nghiên cứu này, có thể đề xuất các phương án liên kết phù hợp với nhu cầu của người thiết

kế

Từ khóa – bu lông ứng suất trước, liên kết ghép chồng, kết cấu thép, ứng suất cắt, ứng

suất pháp, ứng suất Mises

ANALYZE THE BEHAVIOR AND THE LOAD BEARING OF THE

PRESTRESS BOLT IN OVERLAPPED CONNECTION

Abstract - The thesis has summarized the theory of calculation of overlapped connections

using pre-stressed bolts Different types of overlapping connection using pre-stressed bolts have been simulated and studied in order to propose the optimal options The results show that all three overlapped connections have destructive mechanism derived from basic steel plates or joint plates, while shear stresses in bolts are not high From these studies, it is possible to propose linking options that fit the designer's needs

Key words - prestress bolt, overlapped connection, steel structure, shear stress, normal

stress, Von Mises

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

1.7 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực

2.7 Sự làm việc của cấu kiện chịu trượt ma sát 15

3.4 Mô hình bu lông theo các kích thước đầu vào 20

3.11 Khai báo giao thức giữa các mặt tương tác 26

3.13 Khai báo và điều chỉnh nhiệt độ trong bu lông 283.14 Thiết lập chuyển vị cưỡng bức cho bu lông 29

3.17 Mô hình tổng thể sau khi đã chia lưới 34

3.36 Quan hệ giữa ứng suất Mises trong bu lông và ứng

3.37 Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết

và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 1 48

3.38 Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết

và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 2 483.39 Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết

và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 3 49

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việc tính toán thiết kế bulông chịu cắt trong liên kết chịu trượt ma sát phụ thuộc nhiều vào lực cắt trong bulông

Hiện nay, trên thế giới, với liên kết mặt bích các nhà khoa học đã đưa ra nhiều

lý thuyết tính toán đường quan hệ giữa lực trượt và lực cắt trong liên kết bulông Tuy nhiên các lý thuyết này chưa phản ánh chính xác sự làm việc thực tế của bulông cũng như chưa được kiểm chứng bằng các phương pháp nghiên cứu khác nhau

Về liên kết chịu lực trượt ma sát, các nhà khoa học đã đưa ra đường quan hệ giữa lực trượt và biến dạng trong cấu kiện, tuy nhiên chưa quan tâm đến mối quan

hệ giữa lực trượt trong liên kết và lực cắt trong bulông

Vì vậy, đề tài này sẽ ứng dụng những lý thuyết nghiên cứu trên, mô phỏng ứng

xử của bulông để đánh giá về sự khác biệt giữa các lực trượt và sự phá hoại do cắt ngang bu lông, hoặc đứt bản thép giữa 2 lỗ bu lông hoặc lỗ bu lông đến mép bản

thép và kiến nghị một số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết Đề tài: “Phân tích

ứng xử và khả năng chịu lực của bu lông ứng suất trước trong liên kết kiểu ghép chồng” có ý nghĩa khoa học cao nhằm mục đích đưa ra những phương án lựa chọn

phù hợp trong liên kết bu lông cho các bản thép

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Mô hình được sự làm việc đồng thời của bu lông và bản mã trong mô hình biến dạng dưới sự tác động của lực trượt

- Xác định được mối quan hệ giữa lực cắt trong bulông và lực trượt tác dụng vào cấu kiện

- Kiến nghị một số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết bu lông cho các bản thép

3 Đối tượng nghiên cứu

+ Ứng xử của bulông trong cấu kiện chịu lực trượt ma sát

+ Mô hình tính toán bằng phần mềm Abaqus với dữ liệu tính toán từ các thí nghiệm thu thập

4 Phạm vi nghiên cứu

Tính toán đường quan hệ giữa lực cắt trong bulông và lực trượt tác động vào cấu kiện

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lí thuyết: thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính toán bulông chịu cắt trong cấu kiện chịu lực trượt ma sát

- Phương pháp số: lập mô hình phần tử hữu hạn phân tích biến dạng bằng phần mềm, tính toán và phân tích

- So sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị

6 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan về bulông chịu cắt

Chương 2: Thiết kế bulông chịu cắt

Chương 3: Một số trường hợp cụ thể tính toán bulông chịu cắt

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULÔNG VÀ LIÊN KẾT BULÔNG

❖ Các loại bulông và các cấp cường độ của bulông

Bulông trong kết cấu thép được chia làm 3 loại:

- Bulông đen

- Bulông tiện và bulông lắp ghép

- Bulông cường độ cao có lực xiết khống chế

Căn cứ vào đường kính và kích thước ren, chia ra bulông ren hệ mét và bulông ren hệ inch Hệ mét có d = 12 đến 48 mm Hệ inch có các loại : 1/2, 5/8, 3/4 , 7/8, 1,

1 1/8, 1 1/4, 1 3/8, 1 1/2

Vật liệu làm bulông thường là các loại thép thuộc nhóm A tức là chỉ cần đảm bảo về mặt độ bền cơ học, không cần quan tâm đến thành phần hoá của thép Do đó, không cần nêu tên thép cụ thể, mà chỉ quy định cấp độ bền Chia làm các cấp (các nước theo hệ mét): 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 8.8 đến 10.9 Số đầu nhân lên 10 lần cho giới hạn bền theo đơn vị kN/cm2 Tích của hai số cho giới hạn chảy theo đơn vị kN/ cm2 Thông thường từ cấp 8.8 trở lên thì dùng cho bulông cường độ cao có lực xiết khống chế

Bulông đen là bulông thô, được làm bằng thép mềm và thường có cấp 4.6 Bulông tiện và bulông lắp ghép thường từ cấp 4.6 đến 8.8 Chúng có thân bulông đều, dùng để bịt dung sai lỗ khoan và được siết chặt bằng cờ lê

Bulông cường độ cao có hai cách hiểu : - bulông làm bằng thép cường độ cao,

có giới hạn bền tới 8 kN/cm2nhưng làm việc như bulông thường ; - bulông làm bằng thép cường độ cao, và làm việc qua sự ma sát của bản thép (gọi là bulông có lực xiết khống chế hoặc bulông được căng toàn bộ lực)

Bulông cường độ cao ở Việt Nam thường được chế tạo từ thép cường độ cao

và nhiệt luyện, ví dụ thép Nga 35X cho cấp 8.8, thép 40X cho cấp 10.9 Theo tiêu chuẩn chung, phải đánh dấu cấp độ bền vào mũ bulông Mĩ, Úc hay dùng thép cường độ rất cao để làm bulông cường độ cao, được gọi là bulông HR, ví dụ thép A325, A490 Bulông làm bằng thép cường độ cao phải được ghi mác thép theo ASTM vào mũ bulông (hình 1.1) Bulông thô làm bằng thép A307 là thép cacbon thấp có giới hạn bền 60 ksi, chủ yếu dùng cho dựng lắp, cho công trình không có rung động Kí hiệu, ví dụ : 1”f A325-N (hay X) N là bulông trong liên kết chịu cắt ,

có ren nằm ngoài lỗ ; X là khi có ren nằm trong lỗ

Hình 1.1 Bulông làm bằng thép cường độ cao được đánh dấu theo ASTM

❖ Liên kết bulông

Có 3 cách phân loại liên kết như sau:

a Dựa vào hợp lực truyền vào liên kết

- Liên kết đúng tâm: thành phần lực truyền vào liên kết là kéo hoặc nén đúng tâm (hình 1.2)

- 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 (hình 1.3) Liên kết đúng tâm lý tưởng chỉ nên có một bulông liên kết các cấu kiện lại với nhau (hình 1.2a) Tuy nhiên, trong thực tế thì điều đó là không thể, mà chỉ đảm bảo được trục trọng tâm của các cấu kiện cắt nhau tại một điểm (hình 1.2b)

Hình 1.2 Liên kết đúng tâm

Tương đối phức tạp để phân tích, so sánh 2 loại liên kết momen trong hình 1.3a và 1.3b Hình 1.3a được biết như một liên kết dầm conxon và liên kết bằng lực cắt trong bulông

Liên kết trong hình 1.3b thường được thấy trong các khung chịu momen, tại vị trí momen trong dầm truyền sang cột Liên kết này cũng được dùng trong cột tại vị trí bản mã liên kết với móng bằng các bulông neo Trong liên kết này, bulông vừa chịu lực kéo và lực nén dọc trục

chiÒu dµi bul«ng

chiÒu dµi ren

A325

Hình 1.3 Liên kết mô men

b Dựa vào lực trong bulông

Liên kết bulông cũng được phân loại dựa vào hình dạng và đặc tính của tải trọng, và được phân làm 3 loại:

- Liên kết chịu cắt

- Liên kết chịu kéo

- Liên kết đồng thời chịu kéo và chịu cắt

Liên kết chịu cắt xảy ra ở liên kết chập hay liên kết đối đỉnh chịu lực kéo (hình 1.4)

Hình 1.4 Liên kết chịu cắt

Hình 1.5a thể hiện một liên kết treo Trong liên kết này, lực truyền là lực kéo thuần túy trong bulông Trong liên kết trên hình 1.5b, bulông vừa chịu lực kéo và cắt

Hình 1.5 Liên kết chịu kéo

1.2 SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT

Hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát là hệ kết cấu liên kết giữa các bản thép bằng các bulông ứng suất trước Liên kết này thuộc loại liên kết chịu cắt

Liên kết này được phân loại thành 03 loại: Liên kết ghép chồng 1 mặt ma sát, liên kết ghép chồng 2 mặt ma sát và liên kết ghép chồng thép cơ bản

Hình 1.6 Liên kết chịu lực trượt ma sát

Trong liên kết này, bulông đóng vai trò rất quan trọng, nó quyết định được liên kết có ổn định khi chịu lực tác dụng hay không

1.3 SỰ LÀM VIỆC BULÔNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT

MA SÁT

Hình 1.7 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát

Sự làm việc của bulông cường độ cao trong liên kết chịu lực trượt ma sát được thể hiện trong hình 1.7 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

¸p lùc

¸p lùc

¸p lùc lùc c¾t

lùc c¾t T/2

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 cắt Vượt quá điểm này, lực tác dụng sẽ được chống lại bởi cả lực ma sát

và lực cắt

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương này đã tổng hợp được các trường hợp liên kết có sử dụng bu lông chịu cắt trong kết cấu thép Các cơ chế làm việc của liên kết sử dụng bu lông thường đã được tổng hợp Các trường hợp phá hoại có thể xảy ra do thép cơ bản bị bu lông cắt đứt hoặc bu lông sẽ bị thép cơ bản cắt đứt thông của các mặt tiếp xúc

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT

2.1 ỨNG XỬ CỦA BU LÔNG CHỊU CẮT

Cấu tạo liên kết bu lông

a) Thân bu lông:

Có tiết diện hình tròn, chiều dài l và gồm 2 phần:

Hình 2.1 Cấu tạo bu lông

Phần không tiện ren: có chiều dài nhỏ hơn bề dầy của tập bản thép được liên

kết (xuyên qua) khoảng 23mm Đường kính thân bulông là d

Phần có tiện ren: có chiều dài là 𝑙0 ≈ 2,5𝑑

đường kính sau khi đã tiện ren: 𝑑0 = 0,85𝑑

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng: l = 35  300 mm; d = 12  48 mm; thường sử dụng

d = 20  30 mm

b) Mũ bu lông:

Thường hay sử dụng hình lục giác; có các góc được mài vát

Đường kính hình tròn ngoại tiếp mũ D= 1,7d ;

Đệm có hình tròn để phân phối áp lực của đai ốc lên mặt thép cơ bản

Các kích thước l 0 , d 0 , D và h đều qui định theo đường kính d; nếu d càng lớn

thì yêu cầu các kích thước đó cũng càng lớn

2.2 PHÂN LOẠI BU LÔNG

a) Bu lông thô, bu lông thường

Vật liệu: từ thép cacbon thường

Chế tạo: bằng cách rèn, dập => độ chính xác thấp, đường kính thân bu lông

không được tròn, cần có khe hở giữa lỗ và thân bulông lớn

Vật liệu: từ thép cacbon thấp hoặc thép hợp kim thấp

Chế tạo: bằng cách tiện, đúc => độ chính xác cao

Đường kính lỗ: d1 = d + 0,1  0,3 mm

Lỗ bu lông: bằng cách khoan theo thiết kế => thành lỗ nhẵn, độ chính xác cao,

chất lượng cao, nhưng năng suất thấp Khe hở giữa thân và lỗ bulông nhỏ => liên kết chặt, biến dạng ban đầu của liên kết nhỏ, khả năng chịu lực cao

=> Sử dụng cho các liên kết chịu lực lớn

c) Bu lông cường độ cao

Vật liệu: từ thép hợp kim có cường độ cao hoặc rất cao: 40Cr, 38CrSi, … Chế tạo: giống bu lông thường, có độ chính xác thấp

Sau khi chế tạo chúng được gia công nhiệt nên có cường độ rất cao Có thể tạo lực kéo rất lớn trong thân bulông để ép các bản thép lại, tạo lực ma sát => Khả năng chịu lực rất cao

2.3 SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ TINH

a) Các giai đoạn chịu lực

Hình 2.2 Lực nén do ứng suất trước

Do vặn đai ốc => thân bulông chịu kéo, các bản thép bị xiết chặt lại, tạo thành

lực ma sát giữa mặt tiếp xúc của các bản thép N ms

Dưới tác dụng của lực kéo dọc trục N, các bản thép có xu hướng trượt tương đối với nhau

Hình 2.3 Bản thép bị phá hoại

Giai đoạn 1 - khi N còn nhỏ (N < N ms ): các bản thép chưa trượt tương đối với

nhau Lực truyền giữa các bản thép thông qua ma sát Bulông chưa chịu lực ngoại trừ lực kéo ban đầu do vặn êcu

Giai đoạn 2 - khi N tương đối lớn (N N ms ): các bản thép trượt tương đối với

nhau, thân bulông tỳ sát về một phía của thành lỗ Ngoại lực tác dụng N do thân bulông và ma sát chịu

Giai đoạn 3 - khi N khá lớn (N >> N ms ): lực ma sát giảm dần và bằng không

N/2

Lực tác dụng N là hoàn toàn do thân bulông chịu Đồng thời bản thép chịu ép mặt

do thân bulông tỳ lên thành lỗ

Giai đoạn 4 - khi liên kết bị phá hoại: Có 2 khả năng phá hoại có thể xảy ra:

Hình 2.4 Bu lông bị cắt trong liên kết ghép chồng thép cơ bản

Hình 2.5 Bu lông bị cắt trong liên kết 2 ma sát b) Khả năng chịu cắt của 1 bu lông (khi bu lông bị cắt đứt)

[𝑁] 𝑣𝑏 = 𝐴 ⋅ 𝑓𝑣𝑏⋅ 𝛾𝑏 ⋅ 𝑛𝑣

fvb là cường độ chịu cắt tính toán của vật liệu bu lông

b = 0.75→1 là hệ số điều làm việc của liên kết bu lông

với d là đường kính của thân bu lông tại tiết diện trùng với mặt tiếp xúc giữa

c) Khả năng chịu ép mặt của 1 bu lông (khi bản thép bị đứt)

[𝑁]𝑐𝑏 = 𝑑 ⋅ (∑ 𝑡) 𝑐𝑏𝑏

𝑚𝑖𝑛

D là đường kính thân bulông

tmin là tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về một phía fcb là cường độ tính toán ép mặt qui ước của bulông Phụ thuộc vào:

- vật liệu thép cơ bản;

- phương pháp tạo lỗ bulông;

- cấu tạo (sử dụng khoảng cách min)

❖ Sự làm việc chịu trượt của liên kết bu lông thô và tinh

a) Sự làm việc của bu lông cường độ cao khi chịu trượt

Hình 2.6 Sự làm việc của bu lông ứng lực trước

Bu lông được làm bằng vật liệu cường độ cao hoặc rất cao => tạo lực xiết lớn, lực kéo trong thân bulông lớn

Tạo ra lực ma sát rất lớn trên các mặt tiếp xúc giữa các bản thép:

N ms >> ngoại lực tác dụng

Không có sự ép mặt của thân bulông lên thành lỗ, thân bulông chỉ chịu lực kéo

do xiết êcu

Ngoại lực tác dụng N truyền trong liên kết hoàn toàn thông qua ma sát

b) Khả năng chịu trượt của 1 bulông cường độ cao

Khả năng chịu trượt của bu lông cường độ cao chính là lực ma sát tối đa được tạo ra trong liên kết

Lực kéo tối đa trong 1 bulông CĐC:

ks: Hệ số lấy theo bảng 2.1

n: Số mặt trượt, bằng 1 hoặc 2

: Hệ số ma sát lấy theo bảng 2.2

Tv: Lực ứng lực trước trong bulông, = 0,7.y.Ae

y: Giới hạn chảy của vật liệu làm bulông

Ae: Diện tích tiết diện thân bulông

: Hệ số an toàn, lấy như sau:

Đối với bulông trong lỗ có độ hở thông thường và bulông trong lỗ có khe mà trục của khe vuông góc với hướng của lực tác dụng:

= 1,25 với trạng thái giới hạn cực hạn

= 1,1 với trạng thái sửa chữa

Đối với bulông trong lỗ có độ hở lớn và bulông trong lỗ có khe mà trục của

khe song song với hướng của lực tác dụng, = 1,4

Bảng 2.1 Hệ số ks

ksBulông trong lỗ có độ hở thông thường

1mm đối với bulông M12 và M14

2mm đối với bulông M16 đến M24

3mm đối với bulông M27 và lớn hơn

1

Bulông trong lỗ có độ hở lớn (1) hoặc lỗ có khe ngắn (2)

(1) 3mm đối với bulông M12

4mm đối với bulông M14 đến M22

6mm đối với bulông M24

8mm đối với bulông M27 và lớn hơn

(2) Kích thước thông thường cho lỗ có khe ngắn trong liên kết trượt không

lớn hơn:

(d+1) mm x (d+4) mm đối với bulông M12 và M14

(d+2) mm x (d+6) mm đối với bulông M16 đến M22

(d+2) mm x (d+8) mm đối với bulông M24

(d+3) mm x (d+10) mm đối với bulông M27 và lớn hơn

0,85

Bulông trong lỗ có khe dài

Kích thước thông thường cho lỗ có khe dài trong liên kết trượt không lớn

hơn:

(d+1) mm x 2,5d đối với bulông M12 và M14

(d+2) mm x 2,5d đối với bulông M16 đến M24

(d+3) mm x 2,5d đối với bulông M27 và lớn hơn

❖ Mô hình trạng thái phá hủy

Sự phá hủy của liên kết thì có thể xảy ra ở bulông, ở bản thép, hoặc xảy ra đồng thời ở bulông và bản thép

•Mô hình phá hủy 1: Bản thép đủ độ dày, lực kéo trong bản thép ảnh hưởng

trực tiếp đến bulông, và khi lực cắt trong bulông vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết bị phá hoại

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

2.4 MÔ PHỎNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

Dùng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus 6.14-4 để mô hình, phân tích đặc trưng của cấu kiện T-stub dưới sự tác dụng của lực kéo và cấu kiện chịu lực trượt ma sát

2.5 LOẠI BULÔNG

Bulông đóng vai trò rất quan trọng trong liên kết chịu kéo hay chịu cắt Nó quyết định được liên kết có đủ khả năng chịu lực dưới sự tác dụng của ngoại lực hay không Điều quan trọng là bulông phải luôn giữ được lực căng trước của nó Tuy nhiên có một vấn đề phổ biến của liên kết bulông là chúng có thể tự nới lỏng

Để giải quyết hiệu ứng tự nới lỏng này thì chúng ta cần phải thường xuyên kiểm tra

và bảo dưỡng liên kết bulông

Trong luận văn sử dụng bulông cường độ cao ứng lực trước

2.6 PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI

Chia lưới mô hình đóng vai trò rất quan trọng trong phân tích phần tử hữu hạn, quyếtđịnh kết quả phân tích có hợp lý hay không Với lưới 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

Lưới chia trong luận văn được chia theo kích thước của phần tử

2.7 LOẠI PHẦN TỬ

• Mỗi phần tử trong Abaqus có những đặc trưng sau:

- Tập hợp: Tập hợp các phần tử bulông, dầm, cột, tấm là những phần tử dạng khối với ba kích thước

- Bậc tự do: Bậc tự do là biến cơ bản để tính toán suốt quá trình phân tích Trong mô phỏngứng suất/ chuyển vị, bậc tự do là các chuyển vị thẳng và chuyển vị xoay của mỗi nút

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

do khác đã được nhắc đến trong luận văn chỉ được tính toán tại nút của phần tử Tại những điểm khác của phần tử, chuyển vị được tính toán bằng cách nội suy từ chuyển vị tại các nút Thông thường, số bậc nội suy phụ thuộc vào số nút trong phần tử Luận văn sử dụng phần tử 8 nút Phần tử có các nút tại các góc như hình 3.1, sử dụng nội suy tuyến tính (nội suy bậc 1) cho mỗi hướng

Hình 2.8 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 kích thước Khối sáu mặt thì có ba kích thước theo ba phương Phần tử bậc 2 cho độ chính xác cao hơn phần tử bậc 1 mà không liên quan đến trạng thái, sự va chạm, hay biến dạng Chúng giữ sự tập trung ứng suất hiệu quả hơn, và mô hình đặc trưng hình học tốt hơn: chúng có thể mô hình một bề mặt cong với số phần tử ít hơn Tóm lại, phần tử bậc hai thì rất hiệu quả trong các vấn đề liên quan đến bề mặt cong Vì vậy, trong luận văn sẽ sử dụng phần tử bậc hai

- Công thức tính toán: Một công thức tính toán của phần tử tham chiếu đến lý thuyết toán học dùng để định nghĩa ứng xử của phần tử

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Các lý thuyết tính toán cũng như chỉ dẫn thiết kế liên kết ghép chồng sử dụng

bu lông ứng suất trước đã được tổng hợp Qua đó cho phép người đọc có thể tính toán được lực kéo trước trong bu lông, ứng suất trước trong thép cơ bản cũng như lực ma sát trong liên kết Các chỉ dẫn cũng góp phần làm rõ các cơ chế làm việc và phá hoại của liên kết ghép chồng sử dụng bu lông ứn suất trước Các kiến thức thu được trong chương này sẽ là cơ sở để phân tích ứng xử của các mô hình liên kết khác nhau được thực hiện trong chương 3

65

21

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ TÍNH TOÁN BULÔNG CHỊU CẮT

Việc sử dụng các phân tích phần tử hữu hạn là một phương pháp thuận tiện để nghiên cứu ứng xử của các kết cấu hoặc các chi tiết của kết cấu Nó giúp dễ dàng nghiên cứu các chi tiết hơn so với kiểm tra được thực hiện trong phòng thí nghiệm như phân bố áp lực tiếp xúc hoặc ứng suất trong một tấm Những thông số này thì rất khó và đôi khi không thể đạt được trong một thí nghiệm

Sau khi có kết quả phân tích phần tử hữu hạn, với sự giúp đỡ của một thí nghiệm hoặc các phương pháp tính toán khác, đó sẽ là phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu ứng xử của các kết cấu Vì vậy, tiết kiệm rất lớn thời gian và tiền bạc có thể đạt được những kết quả nghiên cứu

Chương này tập trung lập mô hình phần tử hữu hạn và phân tích kết quả dựa trên phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus 6.14-4

3.1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

Các trường hợp liên kết bu lông được nghiên cứu trong luận văn:

- Trường hợp 1:

- Trường hợp 2:

80

12 12

100 50

70 50 50 70 50 100

22,5 22,5

100 50

70 50 50 70 50 100

12 12 22

80 22,5

22,5

- Trường hợp 3:

Hình 3.1 Các mô hình liên kết được phân tích

Số liệu đầu vào: Sử dụng vật liệu đàn hồi – dẻo

Bảng 3.1 Đặc trưng vật liệu

Vật liệu M20, F10T bulông cường độ cao SM400

70 50 230

80

12 12

22,5

020000040000060000080000010000001200000

❖ Khai báo vật liệu bulong

Hình 3.5 Khai báo vật liệu làm bu lông

❖ Khai báo vật liệu tấm

Hình 3.6 Khai báo vật liệu thép cơ bản

❖ Assembly

Hình 3.7 Khai báo vật liệu thép cơ bản

❖ Khai báo các Step

1 Heating (Couple Temp – Displacement)

Hình 3.8 Khai báo giai đoạn gia nhiệt cho bu lông

2 Pulling (Couple Temp – Displacement)

Hình 3.9 Khai báo giai đoan gia tải chịu kéo cho liên kết

❖ Khai báo interaction

Khai báo tương tác giữa các vật thể thông qua việc khai báo tương tác bề mặt

và tương tác xâm nhập Hệ số ma sát được khai báo cho các bề mặt tiếp xúc: mặt dưới bản dầm-mặt trên bản cột, các mặt bulông- các mặt bản cột, dầm, mặt thân bulông- mặt lỗ Hệ số ma sát giữa thép-thép là 0,5

Hình 3.10 Khai báo tương tác giữa các thành phần trong liên kết

❖ Khai báo contact (Surface to Surface)

Hình 3.11 Khai báo giao thức giữa các mặt tương tác