Nghiên cứu tỷ lệ kích thước chiều dày mặt bích, chiều dày thành ống và đường kính bulong trong liên kết ống thép tròn công trình tháp trụ ở Việt Nam chịu tác động xoắn Study on the ratio of three dime[.]
Trịnh Hồng Vi HCMCOUJS-Kỹ thuật Công nghệ, 17(1), 101-115 Nghiên cứu tỷ lệ kích thước chiều dày mặt bích, chiều dày thành ống đường kính bulong liên kết ống thép trịn cơng trình tháp trụ Việt Nam chịu tác động xoắn Study on the ratio of three dimensions of the flange thickness, pipe wall thickness and bolt diameter in round steel pipe connections in torsion-bearing tower and pier structures in Vietnam Trịnh Hồng Vi1* Khoa Kỹ thuật - Nông Nghiệp, Phân hiệu Đại học Đà Nẵng Kon Tum, Việt Nam * Tác giả liên hệ, Email: thvi@kontum.udn.vn THÔNG TIN DOI:10.46223/HCMCOUJS tech.vi.17.1.1893.2022 Ngày nhận: 25/05/2021 Ngày nhận lại: 18/08/2021 Duyệt đăng: 25/08/2021 Từ khóa: kết cấu tháp trụ; liên kết ống thép tròn; ổn định kết cấu; tác động xoắn TÓM TẮT Đối với kết cấu tháp, trụ yếu tố quan trọng phải tính tốn kiểm tra ổn định Kết cấu ổn định xoắn phức tạp đặc trưng với kết cấu Ngoài giải pháp cấu tạo vách cứng ngang xiên theo chiều cao Chúng ta cần quan tâm vị trí liên kết ống thép biên đốt Thực tế cho thấy trường hợp cơng trình bị ổn định thường xảy phá hoại mối nối liên kết Bài báo nhằm đưa kiến nghị tỷ lệ ba thơng số chiều dày mặt bích, chiều dày thành ống đường kính bulong liên kết ống thép trịn với cơng trình tháp, trụ sử dụng biên ống thép tròn Việt Nam chịu tác động xoắn để giúp tối ưu hóa việc lựa chọn kích thước tiết diện thiết kế cơng trình tháp trụ kết cấu thép Đảm bảo mặt chịu lực kết cấu tính kinh tế thiết kế cơng trình ABSTRACT For tower and pier structures, it is important to calculate and check the stability Torsional instability is the most complex and typical with this structure In addition to the solutions of horizontal and diagonal rigid wall arrangement in height, the position of connecting side steel pipes at the connection joints should be considered In fact, in cases where the structure is unstable, failure often occurs at the connection joints This paper aims to make recommendations on the ratio of three dimensions of flange thickness, pipe wall thickness and bolt diameter in round steel pipe connections in tower and pier structures in Keywords: Vietnam using round steel pipes as torsion-bearing side bars to help tower and pier structure; round optimize size selection when designing steel structure towers steel pipe connection; structural and piers In addition, the bearing capacity of the structure and the Trịnh Hồng Vi HCMCOUJS-Kỹ thuật Công nghệ, 17(1), 101-115 stability; torsion force economy are still guaranteed 1 Giới thiệu Trong Tiêu Chuẩn Quốc gia - TCVN 5575-2012 (2012) Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế hay ANSI/AISC 360-16 Specification for Structure Steel Buildings Eurocode 3: Design of steel structuresPart 1-1: General rules and rules for buildings chưa đưa khuyến nghị cho tỷ lệ ba thơng số kích thước (Chiều dày mặt bích, chiều dày thành ống, đường kính bulong) liên kết ống thép trịn sử dụng mặt bích bulong cơng trình chịu tác động xoắn Bài báo nhằm giúp cho kỹ sư thiết kế lựa chọn thông số ban đầu hợp lý cho phân tích tính tốn kết cấu thép dạng tháp, trụ Để đảm bảo an toàn, tối ưu hóa kết cấu, tiết kiệm vật liệu thời gian cơng tác phân tích kiểm tra cơng trình Qua số nghiên cứu trước số tác giả (N T A Nguyen, 2016; V T Nguyen, 2017; Phan, 2017) Thì ta thấy dừng lại việc đề xuất tỷ số kích thước cho trường hợp chịu kéo, uốn, cắt Ngay tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép (AISC Organization, 2016) chưa đề cập nhiều đến tính tốn thiết kế liên kết mặt bích dùng ống thép trịn chịu xoắn Vì vậy, nghiên cứu đánh giá tác động tải trọng xoắn Từ đưa mối quan hệ kích thước chiều dày mặt bích, chiều dày thành ống, đường kính bulong Cơ sở lý thuyết Để nghiên cứu làm việc chế phá hoại liên kết ống thép tròn, tác giả sử dụng phần mềm Abaqus phần mềm lớn hữu hiệu việc mô kết cấu cơng trình thơng qua phương pháp phần tử hữu hạn Tập hợp phần tử bulong, ống thép, mặt bích phần tử dạng khối 08 nút Hình Phần tử 08 nút Phần tử khối gồm phần tử nội suy bậc phần tử nội suy bậc hai Trong báo sử dụng phần tử bậc hai Đồng thời, để đánh giá tính xác mơ hình liên kết phần mềm tác giả sử dụng mơ hình đường ba đoạn Schmitd-Neuper sử dụng chế phá hoại đồng thời theo mơ hình phá hủy Pettersen 2.1 Mối tương quan lực dọc bulong chiều dày mặt bích liên kết theo mơ hình phá hủy Petersen đề xuất Petersen (2005) dựa nghiên cứu thực nghiệm đưa kiến nghị sau: Sự phá hủy liên kết xảy bulong, chiều dày mặt bích, xảy đồng thời bulong chiều dày mặt bích Đó gọi 03 mơ hình phá hủy Petersen 2Tp 2Tp 2T p Tp Tp Tp+q T + q T p + q u q q qu qu Mô hình phỏ hủy Mô hình phỏ hủy Mô hình phỏ hủy Hỡnh Ba mơ hình phá hủy Petersen Mơ hình phá hủy 1: chiều dày mặt bích đủ dày, khơng có biến dạng xuất mơ hình Có nghĩa lực kéo mặt bích ảnh hưởng trực tiếp đến bulong lực dọc bulong vượt giới hạn cho phép liên kết bị phá hoại Mơ hình phá hủy 2: Lực kéo bulong đạt giới hạn cho phép, đồng thời khớp dẻo xuất mặt bích Mơ hình phá hủy 3: Mặt bích mỏng, phá hoại xảy mặt bích 2.2 Mối quan hệ lực kéo cấu kiện lực kéo bulong theo mơ hình đường 03 đoạn SchmitdNeuper Tp Lù c d äc tr o Tv n g b o Ts TsII Lùc kÐo cÊu kiƯn Tstub, Ts TsI Hình Biểu đồ quan hệ lực kéo lực dọc bulong Schmidt-Neuper Công thức đánh giá Schmidt-Neuper sau: T + pT T -T s T = T + pT p v s sI λT + ( λ T sII -T pT v ) s sI sI T sII sI Ts ≤ TsI ;TsI < Ts < TsII ;Ts < TsII -T (1) Trong đó: T =T T e − 0, 5g sI T sI v I = e+ g v λq T = N = 0, 75.σ A ; q = 1− p v o y e C C p = +bC b c g 0, 7e λ= 1+ π E.d = s bC 8t F C = c + C C f w f 2t E C4 = ( ( d2 + d π w w −d A w + ( π E d ) wo 4t −d +1 − 1 π F C = w h ) ) 2tF dw wi D A w Các đại lượng: - Tp : Lực dọc bulong; - Ts : Lực kéo tác dụng vào cấu kiện; - No : Lực kéo thiết kế bulong; - Tv : Lực kéo ban đầu bulong; - e: Khoảng cách từ đầu mã đến tâm bulong; - g: Khoảng cách từ tâm bulong đến tâm mã; - Cb : Hệ số lò xo kéo bulong; - Tc : Hệ số lò xo nén mã; - p: Tỷ số nội lực ngoại lực; - λ: Hệ số cân bằng; - σ y : Giới hạn đàn hồi bulong; - Ae : Diện tích tiết diện hiệu mặt bích; - C f : Hệ số lò xo nén mã; - Cw : Hệ số lò xo nén vòng đệm; - ds : Đường kính thân bulong; - dw : Đường kính bề mặt chịu lực ép; - dh : Đường kính lỗ bulong; - dwo : Đường kính ngồi vịng đệm; - dwi : Đường kính vòng đệm; - t f : Độ dày mặt bích; - ti : Độ dày vịng đệm; - E: Modun đàn hồi thép; - DA : Bước ren bulong; - D1 : Đường kính ống thép; - D2 : Đường kính ngồi ống thép Mơ hình nghiên cứu Khi thiết kế cơng trình tháp, trụ kết cấu thép việc lựa chọn hình dạng tiết diện quan trọng Nhằm hạn chế yếu tố bất lợi tác động tải trọng lên tổng thể kết cấu, có đặc tính độ cứng chống uốn, xoắn theo phương tiết diện ống thép hình trịn tiết diện tương đối hợp lý sử dụng cho biên/thanh kết cấu loại Vì thế, phạm vi nghiên cứu lựa chọn ống thép trịn đường kính lớn liên kết kết mặt bích bulong Hình Liên kết ống thép tròn Nghiên cứu thực 02 mẫu ống thép có đường kính khác sử dụng tương đối phổ biến kết cấu tháp, trụ Việt Nam Hình Liên kết ống thép tròn Nghiên cứu thực 02 mẫu ống thép có đường kính khác sử dụng tương đối phổ biến kết cấu tháp, trụ Việt Nam Hình Mơ hình kích thước mẫu Sử dụng vật liệu đàn hồi - dẻo Bảng Đặc trưng vật liệu bulong Vật liệu M20, F10T bulong cường độ cao Trọng lượng riêng 7,850 T / m3 = 7,850 kg / m3 Giới hạn bền kéo x 10^5 kN / m2 = 90 daN / mm2 Hệ số Poisson 0.3 Hệ số dẫn nhiệt 0.053 kJ / m.s.oC Độ giãn nở nhiệt 1.2 x 10-5 Nguồn: KOUEI (n.d.) Hình Đặc trưng vật liệu bulong Bảng Đặc trưng vật liệu ống thép mặt bích Vật liệu SM400 Trọng lượng riêng 7,850 T / m3 = 7,850 kg / m3 2.55 x 10^5 kN / m2 Giới hạn bền kéo = 25.5 kN / m2 Hệ số Poisson 0.3 Hệ số dẫn nhiệt 0.053 kJ / m.s.oC Độ giãn nở nhiệt 1.2 x 10-5 Nguồn: An Gia Vu JSC (n.d.) Hình Đặc trưng vật liệu ống thép mặt bích Để kiểm chứng mơ hình tổng thể liên kết ống thép Nghiên cứu mô phần tử L tách từ mơ hình tổng thể tác dụng lực kéo Đối chứng với mơ hình lực kéo cấu kiện theo kiến nghị Seidel, mơ hình phá hủy Pertersen Hình Mơ hình chữ L Hình 10 Điều kiện biên cấu kiện Ứng lực cho bulong thông qua 02 giai đoạn : Giai đoạn 1: Đặt ứng lực trước cho bulong đến đạt lực hướng tâm ban đầu phương pháp chuyển vị thay đổi nhiệt độ (Couple temperature-displacement) Có nghĩa bulong không ứng lực trước thông thường mà hạ nhiệt độ Vì nút hai đầu bulong gắn liền với mặt bích, nên hạ nhiệt độ, bulong tự tạo ứng lực trước Trong nghiên cứu, lực hướng tâm ban đầu định nghĩa cơng thức: Tv = 0.7 × σ y × Ae = 19,729daN (2) Giai đoạn 2: Giữ nguyên lực hướng tâm ban đầu bulong đặt lực kéo Ts cho ống thép cách khai báo chuyển vị Trong báo, ảnh hưởng nhiệt độ lên chuyển vị tính tốn dựa vào độ giãn nở nhiệt Khơng có truyền nhiệt bulong thép Hệ số ma sát khai báo cho bề mặt tiếp xúc mặt bích, mặt bulong với mặt bích, mặt thân bulong mặt lỗ 0.5 Kết phân tích : Biểu đồ với bu lông 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 2000 4000 TÍNH THEO SCHMIDT-NEUPER TSI ĐI qua gốc tọa độ 6000 8000 THEO FEM TSII 1000012000 Hình 11 Tương quan lực dọc Tp bu lông lực kéo Ts đối chứng với biểu đồ Schmidt-Neuper Với mơ hình nghiên cứu, tính TsI = 2,474daN TsI = 8,457daN Kết mơ hình chữ L biểu diễn mối tương quan lực dọc bu lông lực kéo cấu kiện theo kiến nghị Seidel, mơ hình phá hủy Pertersen Để tạo xoắn túy mô phỏng, nghiên cứu gán tuyệt đối cứng lên mặt ống Dùng điều kiện biên ràng buộc chuyển vị thẳng xoay đầu đối diện, cứng gán góc xoay xung quanh trục ống thép Hình 12 Mơ hình tốn xoắn túy Kết nghiên cứu 4.1 Kết phân tích mẫu Chúng ta đưa thơng số 04 mơ hình sau: + Trường hợp 1: e = 30mm, tf = 20mm, ds = 20mm, ti = 6mm (tf/ds = 1; ti/ds = 0.3; (e1 + e2)/tF = 3.5; + Trường hợp 2: e = 30mm, tf = 20mm, ds = 20mm, ti = 8mm (tf/ds = 1; ti/ds = 0.4; (e1 + e2)/tF = 3.5; + Trường hợp 3: e = 30mmtf = 20mm, ds = 20mm, ti = 10mm (tf/ds = 1; ti/ds = 0.5; (e1 + e2)/tF = 3.5; + Trường hợp 4: e = 30mm, tf = 20mm, ds = 20mm, ti = 12mm (tf/ds = 1; ti/ds = 0.6; (e1 + e2)/tF = 3.5 Hình 13 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH1 Hình 14 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH2 Hình 15 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH3 Hình 16 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH4 Từ kết phân tích 04 mơ hình ta thấy trường hợp số 03 (với tỉ số tf/ds = 1; ti/ds = 0.5; (e1 + e2)/tF = 3.5) (Hình 15) trường hợp ứng suất bulong đạt gia nhiệt ứng suất ống thép đạt tới trạng thái giới hạn chảy (Mô hình phá hủy của Petersen) Với số liệu 04 trường hợp ta có biểu đồ 04 đường: Trục tung ứng suất bulong; Trục hoành ứng suất mặt bích Hình 17 Biểu đồ Tương quan ứng suất ống thép bulong 04 trường hợp Kết luận: Với trường hợp ống thép 165.2 x chịu xoắn: Với tỷ lệ kích thước: (0.8 < tF/ds < 1.25; 0.3 ≤ ti/ds ≤ 0.6; (e1 + e2)/tF = 3.5) phá hoại hợp lý ống thép, mặt bích bulong đạt đến trạng thái giới hạn chảy theo mơ hình phá hủy của Petersen 4.2 Kết phân tích mẫu + Trường hợp (TH1): e = 30mm, ds = 22mm; tf = 22mm; ti = 10mm (tF/ds = 1;ti/tF = 0.45; (e1 + e2)/tf = 3.4; + Trường hợp (TH2): e = 30mm, ds = 22mm; tf = 20mm; ti = 12mm (tF/ds = 1;ti/tf = 0.55; (e1 + e2)/tf = 3.4; + Trường hợp (TH3): e = 30mm, ds = 22mm, tF = 22mm; ti =14mm (tF/ds = 1; ti/tf = 0.64; (e1 + e2)/tF = 3.4; + Trường hợp (TH4): e = 30mm, ds = 22mm, tF = 22mm; ti = 16mm (tF/ds = 1; ti/tf = 0.73; (e1 + e2)/tF = 3.4 Hình 18 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH1 Hình 19 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH2 Hình 20 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH3 Hình 21 Tương quan ứng suất ống thép bulong TH4 Từ kết phân tích 04 mơ hình ta thấy trường hợp số (tF/ds = 1; ti/tf = 0.64; (e1 + e2)/tF = 3.4) (Hình 20) trường hợp ứng suất bulong đạt gia nhiệt ứng suất ống thép đạt tới trạng thái giới hạn chảy (Mơ hình phá hủy của Petersen) Với số liệu 04 trường hợp ta có biểu đồ 04 đường: Trục tung ứng suất bulong; Trục hồnh ứng suất mặt bích Hình 22 Biểu đồ tương quan ứng suất ống thép bulong 04 trường hợp Kết luận: Với trường hợp ống thép 267.4 x chịu xoắn: Với tỷ lệ kích thước: (0.8 < tF/ds < 1.13; 0.3 ≤ ti/ds ≤ 0.63; (e1 + e2)/tF = 3.5) phá hoại hợp lý ống thép, mặt bích bulong đạt đến trạng thái giới hạn chảy theo mơ hình phá hủy của Petersen Kết luận Qua kết phân tích 02 mẫu ống trịn hay sử dụng thực tế Tác giả đề xuất kiến nghị sau: + Để đảm bảo liên kết ống thép trịn sử dụng mặt bích bulong chịu xoắn làm việc hợp lý tỷ lệ đường kính bulong, chiều dày mặt bích chiều dày ống thép cần có 01 giới hạn ba tham số + Qua kết thu tác giả đề xuất tỷ lệ tham số đường kính bulong (ds), chiều dày mặt bích (tf) chiều dày ống thép (ti) sau: 0.8< tF/ds < 1.13 0.3 ≤ ti/ds ≤ 0.6 Nhằm đảm bảo kết cấu đảm bảo chịu lực tối ưu vật liệu Tài liệu tham khảo Abaqus (n.d.) Analysis user’s manual (6.12), Volume IV Truy cập ngày 10/03/2021 https://www.3ds.com/support/documentation/ AISC Organization (2016) ANSI/AISC 360-16 specification for structure steel buildings Chicago, IL: American Institute of Steel Construction An Gia Vu JSC (n.d.) Thép cán nóng SM400A/SM400B/SM400C-JIS G3106 [Hot rolled steel plate SM400A/SM400B/SM400C-JIS G3106] Truy cập ngày 10/03/2021 https://www.angiavu.com/thep-tam-can-nong-sm400a-sm400b-sm400c-jis-g3106 Công ty TNHH Thương mại KOUEI Việt Nam (KOUEI) (n.d.) Unytite F10T bu lông cường độ cao [Unytite F10T high tension bolt] Truy cập ngày 10/03/2021 https://koueitrading.com/vn/product/unytite-f10t-bu-long-cuong-do-cao-unytite-f10t-hightension-bolt/ European Standard (2005) Eurocode - Design of steel structures Part 1-1: General rules and rules for buildings London, UK: British Standard Institution Nguyen, N T A (2016) Nghiên cứu đánh giá ứng xử bulong mặt bích cấu kiện liên kết chịu lực trượt ma sát phương pháp phần tử hữu hạn [Research evaluated behavior of bolt and flange in slip-resistant connection by using FEM] Tạp chí Xây dựng, Bộ xây dựng, (5), 22-26 Nguyen, V T (2017) Nghiên cứu làm việc liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulong chịu cắt uốn đồng thời [Study of work at the time of bolts, flange and steel pipe connections in shear, bending - bearing] Tạp chí Xây dựng, Bộ xây dựng, (6), 25-30 Petersen, C H (2005) Steel construction, Braunschwei: Viewed - Verlag Chicago, IL: American Institute of Steel Construction Phan, B C (2017) Nghiên cứu làm việc liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích bulong chịu kéo (Nén) uốn đồng thời [Study of work at the time of bolts, flange and steel pipe connections in tensile (compress), shear, bending - bearing] Tạp chí Xây dựng, Bộ xây dựng, (6), 35-40 Schmidt, H., & Neuper, M (1997) On the elastostatic behavior of an eccentrically tensioned Ljoint with Pre-stressed bolts Stahlbau, 66, 163-168 Tiêu Chuẩn Quốc gia - TCVN 5575-2012 (2012) Steel structure - Design standard Hanoi, Vietnam: Nhà xuất Xây dựng Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License ... buildings ch? ?a đưa khuyến nghị cho tỷ lệ ba thơng số k? ?ch thước (Chiều dày mặt b? ?ch, chiều dày thành ống, đường kính bulong) liên kết ống thép trịn sử dụng mặt b? ?ch bulong cơng trình ch? ??u tác... trọng xoắn Từ đưa mối quan hệ k? ?ch thước chiều dày mặt b? ?ch, chiều dày thành ống, đường kính bulong Cơ sở lý thuyết Để nghiên cứu làm việc ch? ?? phá hoại liên kết ống thép tròn, tác giả sử dụng phần... vi nghiên cứu lựa ch? ??n ống thép trịn đường kính lớn liên kết kết mặt b? ?ch bulong Hình Liên kết ống thép tròn Nghiên cứu thực 02 mẫu ống thép có đường kính khác sử dụng tương đối phổ biến kết