Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử liên kết Bulong trong liên kết dầm - cột

DANHM C CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIET TATASTM Hiệp hội vật liệu vàth nghiệm Hoa Kỳ American Society for Testing and Materials C3D6R Phẩnt liên tục 3 chiều 6 nút tích phân thu gon Continuum thr

RONG VIET

NGHIEN CUU UNG XU LIEN KET BULONG TRONG

LIEN KET DAM-COT

Chuyén nganh : XÂY DUNG DAN DUNG & CONG NGHIỆPMã số : 605820

TP HỎ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2012

Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHỌG-HCM

Cn hưng n hoah 1 C ONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập — Tự do — Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: NGUYÊN TRỌNG VIỆT MSHV : 10210259Ngày, tháng, năm sinh: 12/03/1987 Nơi sinh : Khánh HòaChuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp MSHV : 605820Khoá (năm trúng tuyên): 2010

Nội dung va dé cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.CÁN BỘ HƯỚNG DAN Tp HCM, ngày thúng năm (Họ tên và chữ ký) BAN QUAN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

Em xin chân thành cảm on Thay - TS Ngô Hữu Cường — người đã luôn động viêntinh thần, thăm hỏi, nhiệt tình giúp đỡ và truyền đạt kiến thức giúp em hoàn thành tốt luậnvăn này Được nghiên cứu khoa học và tiếp thu những kiến thức của Thay là một sự maymắn đối với em Em cũng xin cảm ơn Kỹ Sư - học viên cao học Nguyễn Tan Phát đã hỗ trợcho em trong thời gian khó khăn vừa qua Luận văn này không thể hoàn thành nếu không cósự giúp đỡ của Thay — TS Ngô Hữu Cường và của Kỹ Sư Nguyễn Tan Phát Xin cảm on!

Cuỗi cùng, con cảm ơn gia đình đã luôn là điêm tựa cho con những lúc khó khăn va

hỗ trợ động viên giúp con có thêm động lực và tinh thần thực hiện luận văn này

Tp HCM, tháng & năm 2012

Nguyễn Trọng Việt

DANHM C BANG BI U <- << 5< s9 S3ES£ESeESSESeEAeEEtetsetsetaetsetseske 7DANHM CCÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIET TAT 2< sss ssesss 8

CHUONG II CƠ SỞ LY THUYET csssscssssssossssssascascssssascnscsussascnscsaseaenscencsasenses 19

II.1 Dac trưng hình hoc va đặc trưng vật liệu của liên KẾC c.cccccc, 19II.1.1 Mô hình ứng suat-bién dang của vật liệu thép 19II.1.2 Tiêu chân chảy dẻo Von-Mises [ Ï4] << << «<< <<<<2 20

IL.1.3 Sự làm việc chịu trượt của bulong cường độ cao 21

IL2 Phant hữu hạn phi tuyến ABAQUS [I] 5- - 2 255 5<+<css2 22i8» t ‹ öo 22

HI.2.2 Lựa chon Finite sliding va Small Sliding - - 23

II.2.3 Định nghĩa ràng buộc TIE cho cặp mat phăng ¬ 23

II.2.4 Lựa chọn Node-to-surface và Surface-to-surface cho các cặp mặt

PHANG tiẾP XÚC - ¿6 5221321232191 232111 2111121111111 1.1111 1.1111 24II.3 Giải bài toán phi tuyến trong ABAQUS [1] -. 555552 26

H4 Mô phỏng bài toán trong ABAOUS HH he 31

11.4.1 Sự tiếp xúc giữa các thành phân liên kết 3311.4.2 Lực xiết trong bulong cường độ cao - + 5s ©s+cssscs+: 35

®:0/91951108.//980:/0)106 00757577 38

III.1 Mô hình thép góc L/644 - ¿-©+e++EE++‡SEEEEEEAEEEEEEEEEkkrtrrkerrkkeed 40

III.1.2 Thép góc chịu uốn ¿+ + 2+2 £+E+EeE£EvEererrrrersrerree 45III.1.3 Thép góc chịu kéo và uốn ¿ - + 2+ +s+s+s+x+xerezxererscree 51

[H.2 Mô hình thép góc LOS - + 110990 ng re 57IH.2.I Thép góc chịu K60 - - - << 5 + 1.1991 1 99 1 ke 57

III.2.2 Thép góc chịu uốn ¿+ + 2+2 £+E+EeE£Evxererxererererree 61III.2.3 Thép góc chịu kéo và uốn ¿ - + +2 +s+s+ s+x+xzrecxererecree 65

[H.3 Mô hình thép góc LÍ 2Ÿ7 - - s5 + 111993011 1.993 11 re 70[H.3.1 Thép góc chịu K60 - - - - << 5 + 1.199 11 99 1 ng ke 70

III.3.2 Thép góc chịu uốn ¿+ + 2+2 ££E+EeE£Eekererrrrersrerree 75III.3.3 Thép góc chịu kéo và uốn ¿ - + 252v £s+x+xzrecxererscree 79CHƯƠNG IV PHAN TÍCH THIẾT KE LIÊN KET «<-s<s- 84

IV.1 Công thức Richard - << 0n nen 84TV 1.1 GiGi thiỆU G5 00 ng kh 34

IV.1.2 Quan hệ lực-chuyễn Vi khi chịu Kéo: - -<- 88IV 1.3 Quan hệ momen-góc xoay khi chịu UỐN 5 se c2 csed S9IV 1.4 Quan hệ momen-góc xoay khi chịu kéo va TC) | 55c: 90

IV.2 Phân tích mô hình đơn giản hoa- Yang JG (1997 và 2007) [4][11] 91IV.2.1 Mô hình thép góc don giản hoa dự đoán độ cứng chịu kéo ban

đầu 91IV.2.2 Mô hình đơn giản hoá dự đoán độ cứng xoay ban đầu 93

IV 3 Tính toán cường độ theo trạng thái giới hạn [16] 96

CHƯƠNG V KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, 2 5-55 5s s2 <sessssesss 98

V.1 KẾT luận cece cceccceccscscecscececcssevscscececcsvevscscecsvevecscecesssvavacacecesevacsceceees 98V2 Kiến nghị c1 1 121211 111111211110111111101 0101111111111 rrkg 99

8n 9s ÔỎ 100

TÀI LIEU THAM KHAO < 5° s2 s2 s4 9s 954 9s sessesse 113

LY LICH TRÍCH NGANG 2- < 5£ < 5£ se se sEEeEseSeEsEseEeesereeserersee 115

DANHM CHÌNH VEinh I-1 Liên kết thép góc đôi [Š] - + + ¿2£ E2 SE +E£E+E£E£EE£E£E+Eererrrersrerree 17

inh H-1 Mô hình vật liệu thép - 99g ke 19inh H-2 Đặc trưng hình học của DAC (Yang 1997) ng, 20

inh II-3 Phan t khối tuyến tính, bậc hai và bậc hai hiệu chỉnh (Abaqus Analysis

0100 25 5 ằằẳ5Ắ 22

inh II-4 Node-to-surface discretization (Abaqus Analysis Manual) 24

inh II-5 So sánh lực cưỡng bức vào các mặt tiêp xúc giữa hai lựa chon chuân tiépxúc Node-to- surface và Surface-to- surface (Abaqus Analysis Manual) 25

inh II-6 Độ chính xác của ứng suất tiếp xúc giữa hai lựa chọn Node-to-surfacevà Surface-to- surface (Abaqus Analysis Manual) -. -«« «« «s2 26inh II-7 Đường cong lực-chuyên vi phi tuyến (Abaqus Analysis Manual) 27

inh II-8S Ngoại lực và nội lực trên vật thể (Abaqus Analysis Userˆs Manual) 28

inh II-9 Bước lặp dau tiên (Abaqus Analysis User’s Manual) - 29

inh H-10 Bước lặp thứ 2 (Abaqus Analysis User’s Manual) 30

inh I-11 Phan t C3D8R va C3D20R (Abaqus Analysis Manual) 31

inh I-12 Phan t C3D6R (Abaqus Analysis Manual) - 555: 31inh I-13 Mô hình phan t hou han ABAQUS 2.0 ccessseeccceeeeeecceeeeeeeeeecceeeeees 32inh I-14 Ung x theo phương tiép tuy6n ccccccccccscessessesesessesesessesesesseseseesesen 33inh I-15 Ung x theo phương pháp tuy€n cccccescccsesesessesssssesseseseeseseseesesen 34inh II-1I6.Cặp tương tac Contact pairs - G5 SH ng ke 34inh II-17 Ung x bề mặt tiẾp XÚC - ¿2252522922 EE2ESEEEEESEEEEEErrkrerrrrees 35inh II-18 Load ManaB€T - - << E101 9900 36inh II-19 Mô hình mô phỏng liên kết DAC trong Abaqus - 37

ình HI-1 Sơ đồ tải trọng của DAC (Yang 1997)|44| -cc Sàn, 39inh HI-2 Do chuyên vị và góc xoay (Yang 199/7)|4] ¿se s+esxsrsrsrrees 39inh II-3 Biến dạng của L64 chịu kéO ¿- ¿+ - + 2 2 +E£E+E+EEE£E£E+EeErErkrkrrrvee 40inh LI-4 Quan hệ lực-chuyễn vị của L64 ChIU KéO -ccccssssss<ss 42inh II-5 Biéu đồ ứng suất Von Mises của L64 chịu kéo . - 5s: 43inh II-6 Biéu đồ ứng suất Von Mises trong bulong của L64 chịu kéo 44inh HI-7 Bién dang cua L64 chiu UOM vecececececsecscececeesevscscecsceevevscececeevevacsceceeeevacsees 45inh HI-8 Quan hệ monen-góc xoay của L64 chịu UỐN, G5 tt SE sEskreei 47inh II-9 Biéu đỗ ứng suất von Mises của L64 chịu uốn . - 5-55: 48inh II-10 Biéu đồ ứng suất von Mises trong bulong của L64 chịu uốn 49inh HII-11 Biéu đồ ứng suất von Mises trong cánh cột của L64 chịu uốn 50inh II-12 Biến dạng của L64 chịu kéo và uốn - + 2 2 2 s+s+£+£z££szsccee 51inh HI-13 Quan hệ monen-góc xoay của L64 chịu kéo va UỐN - 65c cscscss¿ 53inh II-14 Biéu đồ ứng suất von Mises của L64 chịu kéo và uốn 34inh II-15 Biéu đỗ ứng suất von Mises trong bulong của L64 chịu kéo và uốn 55inh II-16 Biéu đỗ ứng suất von Mies trong cột của L64 chịu kéo và uốn 56inh II-17 Biến dạng của L95 chịu KéO - ¿2 - + 2 2+E+S+E+££E£E£E+EzE£Ererxresree 57inh LI-1S Quan hệ lực-chuyễn vị của L95 chịu KéO -<< <cccess 59inh II-19 Biéu đồ ứng suất Von Mises của L95 chịu kéo - 59inh II-20 Biéu đồ ứng suất Von Mises trong bulong của L95 chịu kéo 60ình HI-21 Biến dạng của L95 chịu UỐN CS 1212811 5 5811515813 515151511 ki 61inh HI-22 Quan hệ monen-góc xoay của L95 chịu UOM 52c v2 se sxei 63inh II-23 Biéu đồ ứng suất von Mises của L95 chịu uốn - - +: 63inh II-24 Biéu đồ ứng suất von Mises trong bulong của L95 chịu uốn 64

inh IH-25.inh IH-26.inh IH-27.inh IH-28.inh IIH-29.inh IH-30.inh IH-31.inh IH-32.inh IH-33.inh IIH-34.inh IH-35.inh IH-36.inh IH-37.inh IH-38.inh IH-39.inh II-40.inh IH-4Iinh IIH-42.

Biểu đồ ứng suất von Mises trong cánh cột của L95 chịu uốn 65

Biến dạng của L95 chịu kéo và UỐT S t1 9191251515151 58 13 5E 66Quan hệ monen-góc xoay của L95 chịu kéo va UỐN - 65c cscscss¿ 68Biểu đồ ứng suất von Mises của L95 chịu kéo và uốn 68

Biểu đồ ứng suất von Mises trong bulong của L95 chịu kéo và uốn 69

Biểu đồ ứng suất von Mies trong cột của L95 chịu kéo và uốn 70

Biến dạng của L127 chịu KẾO - + x11 993111 ke 71Quan hé luc-chuyén vị cua DAC L127 chịu kéo - - 73

Biểu đồ ứng suất Von Mises của L127 chịu kéo - 74

Biểu đồ ứng suất Von Mises trong bulong của L127 chịu kéo 74

Biến dạng của L127 chịu UỐN, SG 11121 1E 515151581 E511 ered 75Quan hệ monen-góc xoay cua L127 chịu UỐN 2 cs C3262 xe: 77Biểu đồ ứng suất von Mises của L127 chịu uốn -. - +: 77

Biểu đồ ứng suất von Mises trong bulong của L127 chịu uốn 78

Biểu đồ ứng suất von Mises trong cánh cột của L127 chịu uốn 79

Biến dạng cua L127 chịu kéo và UỐI St 39121 5658515813 5 Exe S0 Quan hệ monen-góc xoay của L127 chịu kéo va UỐN 6c scscssa 82Biểu đồ ứng suất von Mises của L127 chịu kéo và uốn đồng thời 82

inh II-43 Biéu đỗ ứng suất von Mises trong bulong của L127 chịu kéo và uốn 83inh II-44 Biéu đồ ứng suất von Mies trong cột của L127 chịu kéo và uốn 83

inh IV-1 Các thông số của công thức Richard (Richard 1988){6] 85

inh IV-2 Xác định K va Kp trong công thức Richard (Kishi 2004) 86

inh IV-3 Xác định M, và My trong công thức Richard (Almusallam 1991) 87

inh IV-4 Đường cong luc-chuyén vi của mô hình phầnt_ hữu han 3D 88

inh IV-5 Đường cong momen-góc xoay của mô hình phant hữu hạn 3D 89inh IV-6 Đường cong momen-góc xoay của mô hình phant hitu hạn 3D 90

inh IV-7 Mô hình thép góc đơn giản-Y ang JG (19977){4| -<s«+ 91inh IV-8 Mô hình đơn giản hóa -Yang JG (2007) [11] -s «<< <<<<<<s«+ 93inh IV-9 Thép góc chịu kéo (Yang 19977)[‡| - - -« «+23 Ekssssske 97

ang 1 ệ số ma sat ú [l3 ]| - c5 5252562 E935 5 123212151515 E1 211111111111 xe 21

ảng 2 ia trị lực trong mỗi trường hop tải trọng [4] - c5 5s5s+s+<e<+2 39

ang 3 ang tra giá trị thông số đường cong của công thức Richard.[ 15] 87

ang 4 ữ liệu của các thông số chính s_ dung trong công thức Richard chođường cong luc-chuyén vị khi liên kết chịu kéo ¿- + 2 2 2 2+s+x+£z£z£szxccee 88ang 5 ữ liệu của các thông số chính s_ dung trong công thức Richard chođường cong momen-góc xoay khi liên kết chịu uốn -¿-5- 55+ s£s+szs+2 89ang 6 wt liệu của các thông số chính s_ dung trong công thức Richard chođường cong momen-góc xoay khi liên kết chịu kéo và uốn -2s- + +: 90ang 7 ữ liệu độ cứng chịu kéo ban đầu của các mẫu thép góc theo mô hình thépgóc đơn giản của Yang JG (( ƒ7) 99.0 re 93ang 8 ữ liệu độ cứng xoay ban đầu của các mẫu thép góc theo mô hình thép gócđơn giản của Yang JG (2Ôƒ7) - G G0900 nọ nh ngà 95ang 9 ữ liệu cho quan hệ lực-chuyển vị của L64 chịu kéo 100

ang 10 ữ liệu cho quan hệ momen-góc xoay của L64 chịu uốn 102

ang II i liệu cho quan hệ momen-góc xoay của L64 chịu kéo và uốn 103

ang 12 ữ liệu cho quan hệ lực-chuyển vị của L95 Chiu kéo 104

ang 13 ữ liệu cho quan hệ momen-góc xoay của L95 chịu uốn 106

ang 14 ữ liệu cho quan hệ momen-góc xoay của L95 chịu kéo và uốn 107

ang 15 wt liệu cho quan hệ lực-chuyển vị của L127 chịu kéo 108

ang 16 ữ liệu cho quan hệ momen-góc xoay của L127 chịu uốn 110

ang 17 ữ liệu cho quan hệ momen-góc xoay của L127 chịu kéo va uốn 112

DANHM C CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIET TAT

ASTM Hiệp hội vật liệu vàth nghiệm Hoa Kỳ

(American Society for Testing and Materials)

C3D6R Phẩnt liên tục 3 chiều 6 nút tích phân thu gon

(Continuum three-dimensional six nodes reduced integration)

C3D§R Phẩnt liên tục 3 chiều 8 nút tích phân thu gon

(Continuum three-dimensional eight nodes reduced integration)

C3D20R Phant liên tục 3 chiều 20 nút tích phân thu gon

(Continuum three-dimensional twenty nodes reduced integration)

DAC Liên kết thép góc đôi, trong đó dùng liên kết bulong với cánh cột

và liên kế hàn cho bụng dầm (Double Angle Connection)d chiéu cao dam

E modun đàn hồi vật liệu théph chiều dài thép góc

L chiều dài dầm

t chiều dày thép góc

Vv hé s6 Poissonf ứng suất chảy của thépf ứng suất bền của thép

P lực kéo trong thân bulong

A,, diện tích thực của tiết điện bulong (đã trừ giảm yếu do ren)Yon hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulong

n số lượng bulong chịu lực trong liên kết

Pp

cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu bulong

cường độ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu bulong.hệ số ma sát

hệ số độ tin cậy của liên kết lấy theo bảngsố lượng mặt phăng tính toán

lực kéo tới hạnmomen dẻo

ứng suất chảy dẻo

Ø,.Ø„ đ ung suat pháp cực đại

TOM TATLiên kết dầm-cột của kết cau thép thường được xem như liên kết cứng hoặckhớp lý tưởng để đơn giản hóa quá trình phân tích kết cấu Tuy nhiên, do liên kếtđược cau tao bang các cau kiện thép tam, thép góc và liên kết với nhau băng bulôngvà/hoặc mối hàn nên ứngx thực của liên kết rất phức tap, đặc biệt là với liên kếtbulông Độ cứng của liên kết ảnh hưởng nhiều đến ứng x kết cấu của khung nêncó rất nhiều nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số được thực hiện đểlàm rõ tng x của liên kết dam-cét nhằm lay dữ liệu phục vụ công việc thiết kế kếtcau.

Trong các loại liên kết mềm, liên kết thép góc đôi ( AC) được s dụng rấtnhiều cho kết cầu khung thép do tính đơn giản trong việc gia công và lắp đặt Loạiliên kết này thường được xem như liên kết khớp, chỉ truyền lực cắt từ dầm sang cột.Tuy nhiên trong thực tế nó có thé truyền một lượng mômen đáng kế từ dầm sangcột nên ứng x của nó, đặc biệt là quan hệ mômen-góc xoay, cần được nghiên cứukỹ để cung cấp dữ liệu cho phân tích kết cấu Luận văn này khảo sát ứngx chịulực của DAC băng việc mô phỏng liên kết bang phần mềm phẳnt_ hữu hạn phituyến ba chiều ABAQUS [1] với ba trường hợp tải trọng khác nhau Trường hợpthứ nhất là để xét quan hệ lực-chuyển vị khi liên kết chịu kéo dọc trục, trường hợpthứ hai là để xét quan hệ momen-góc xoay khi chịu lực cắt, trường hợp thứ ba là đểnghiên cứu tác động đồng thời của lực kéo dọc trục và lực cat Các hiện tượng phứctạp như sự tiếp xúc giữa các thành phan liên kết va lực xiết bulông cũng sẽ đượcmô phỏng Kết quả phân tích được so sánh với kết quả nghiên cứu sẵn có để minhhọa độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng, quy trình phân tích và kết quả phân tích.Ngoài ra, kha năng và ứng x chịu lực của liên kết còn được đánh giá bang công

thức thiệt kê và mô hình có săn đê so sánh với kêt quả phân tích.

hương I TONG QUAN

1.1 Đặt van dé/Gidi thiệuTrong ky thuat kết cau, liên kết dam-cét (beam-to-column connection) thuongđược giả thiết là liên kết cứng (rigid connection) hoặc khớp (hinged connection) déđơn giản hóa quá trình phân tích và thiết kế kết cau Tuy nhiên, các liên kết dam-cột được cau tao từ những bộ phận thép tắm, thép hình và được liên kết với nhaubang mối hàn và/hoặc bulông nên ứng x chịu lực của chúng không hoàn toàn làcứng hoặc khớp như đã giả thiết Chắng hạn, rất khó đảm bảo răng liên kết cứngtrong thực tế sẽ truyền hết toàn bộ mômen từ đầu dầm sang cột với góc xoay tươngđối của liên kết băng không cũng như không thể cấu tạo liên kết khớp trong thực tếhoàn toàn không truyền mômen từ dầm sang cột Ngoài ra, sự truyền lực dọc và lựccắt qua liên kết cũng không hoàn toàn Các liên kết như vậy thường được gọi là liênkết n a cứng (semi-rigid connection) Rõ ràng, độ cứng của liên kết ảnh hưởng đếnsự ràng buộc điều kiện biên của câu kiện khung nên cũng ảnh hưởng đến ứng xchịu lực của cau kiện khung như hiệu ứng bậc hai (P-A và P-ð), sự phân bồ nội lực

và ung x_ phi tuyên vật liệu của cau kiện và kết câu khung.

Trong nhiều năm qua, có rất nhiều nghiên cứu về lý thuyết (theoretical study),thực nghiệm (experiment) và mô phỏng SỐ (numerical simulation) được thực hiệnđể làm rõ tng x_ chịu lực của liên kết dầằm-cột Các kết quả cơ ban của các nghiêncứu này là những thông số kỹ thuật tiêu chuẩn giúp cho các kỹ sư có thể đánh giácác đặc tính lực-chuyển vị của liên kếtn a cứng Mặc dù kiến thức cũng như kinhnghiệm thiết kế được nâng cao trong những năm gan đây, song việc thiết kế dùngtrực tiếp liên kết n a cứng vẫn chưa được các kỹ sư kết cấu áp dụng nhiều trongthiết kế Điều này được giải thích bởi những lý do sau:

e Thiếu thông tin về ưu điểm của triết lý thiết kế liên két n a cứng:- _ Kinh tế: Trong thực tế các liên kết khớp có thé truyền được một phan

momen nên làm tăng khả năng chịu lực của khung dọc lên đáng kế

- Tinh dẻo: Các thành phan của liên kết có độ bền cục bộ hữu han cóthé biến dạng một cách mềm dẻo dé hình thành khớp dẻo khi chịu lực.Trong thiết kế kháng chan, việc dùng liên kết n a cứng cho phép liênkết tiêu tán năng lượng động đất và cũng đảm bảo yêu cầu thiết kế

“cột khỏe — dam yêu”.

e Thiếu dữ liệu thực nghiệm: So với bê tông cốt thép, việc thiết kế và xâydựng kết câu thép trong nước còn thiếu rất nhiều kinh nghiệm Nền côngnghiệp xây dựng chưa phát triển nên chưa có sự chuẩn hóa cấu tạo chỉ tiết,chất lượng thi công liên kết và kết cấu thép còn kém và thiếu nghiên cứu

thực nghiệm.

e Tính phức tạp va sự thiếu những công cụ hiệu quả cho phân tích tổng thểcủa khung n a cứng: Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có quy định nào về việcthiết kế loại khung này Mặc dù tiêu chuẩn thiết kế kết cau thép (Eurocode3 [2] và Eurocode 4 [3 | đã đưa ra phương pháp và công thức để xác định cảđộ cứng và khả năng chịu lực của liên kết n a cứng, nhưng hiện vẫn chưacó quy trình rõ ràng dé phân tích, thiết kế và cau tạo chi tiết cho khung n acứng Thêm nữa, việc thiếu công cụ hiệu quả dé phân tích khung n a cứng

cũng là một trở ngại lớn.

Những phân tích trên cho thay tầm quan trong của việc hiểu rõ ứng x củaliên kếtn a cứng dầm — cột trong khung thép dé có thé áp dụng vào trong thực tiễnthiết kế trong tương lai

L2 Tình hình nghiên cứu

Ở trong nước đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết về ứngx của liên kết dầằm-cộtvà ứng x của hệ kết cau khung liên kết n a cứng nhưng các nghiên cứu thựcnghiệm và mô phỏng số vẫn chưa được thực hiện Trong điều kiện hiện tại rất khócó thể thực hiện nghiên cứu thực nghiệm do cần chỉ phí đầu tư cao nên trongnghiên cứu này tác giả đi sâu vào tìm hiểu ứng x của liên kết thông qua việc môphỏng số, cụ thé là tìm hiểu và áp dụng chương trình phan t hữu hạn ba chiều

phân tích kết cau A AQUS dé phân tích quan hệ luc-chuyén vị của liên kết Doviệc mô phỏng và chạy chương trình A AQUS tốn rất nhiều thời gian nên trongluận văn nay tác giả đi sâu nghiên cứu loại liên kết mềm là liên kết thép góc đôiAC đã được s dụng rất phô biến cho kết cầu khung thép do tinh đơn giản của nó.Loại liên kết này thường được xem như liên kết khớp, chỉ truyền lực cat từ dầmsang cột Tuy nhiên trong thực tế nó có thé truyền một lượng mômen đáng kế từdầm sang cột nên ứng x của nó, đặc biệt là quan hệ mômen-góc xoay, cần đượcnghiên cứu kỹ để cung cấp dữ liệu cho phân tích kết cau Do kết quả phân tích cầnđược so sánh với kết quả thực nghiệm nên sau đây tác giả sẽ trình bày tình hình

nghiên cứu thực nghiệm va m6 phỏng sô liên quan đên dé tài.

1.2.10 trong nướcO trong nước, tác giả chưa tìm thay được nghiên cứu mô phỏng sô nào choliên kết dầm cột thép

1.2.2 O nước ngoàiTrên thế giới, trong nhiều năm qua, một số lượng lớn các thí nghiệm đã đượcthực hiện dé dự đoán tng x của liên kết thép góc đôi dựa vào những thông số liênkết như bê dày thép góc liên kết, chiều dài thép góc, khoảng cách từ trục lỗ bulongđến sống thép góc, kích cỡ và loại bulồng, chiều cao và chiều dài của dầm liên kết,

và đặc trưng vật liệu của thép góc.

Năm 1997, Yang [4| và năm 2000 Yang [5] cùng cộng sự đã s dụng phầnmềm phan t hữu hạn ABAQUS nghiên cứu DAC với ba loại thép góc với ba bểdày thép góc khác nhau chịu ba trường hợp tải trọng Trường hợp tải trọng thứ nhấtcho DAC chịu lực kéo dọc trục dé thiết lập quan hệ lực-chuyển vị Trường hợp tảitrọng thứ hai cho DAC chịu lực cat dé thiết lập quan hệ momen-góc xoay Truonghợp thứ ba xét ảnh hưởng của tải trọng đồng thời lực cắt và lực kéo đọc trục lênứng x của DAC Từ những đường cong lực-chuyên vị, momen-góc xoay đượcthiết lập Yang đã rút ra kết luận răng chịu dày thép góc, t, và khoảng cách từ tâmbulong đến sống của thép góc, b, đóng vai trò quan trọng đối với độ cứng ban đầu

của DAC Độ cứng ban đầu của DAC phụ thuộc vào giá trị (/b)}” Từ biểu đồ ứngsuất, vị trí chảy dẻo trên các mẫu thép góc trong nghiên cứu của Yang cũng hoàn

toàn khớp với dự đoán cua Chen va Lui (1991); và Owens va Moore (1992) khiDAC chịu các trường hợp tải trọng như trên.

Năm 2001, ong cùng cộng sự [6]s dung ABAQUS tiếp tục nghiên cứu vềDAC của Yang với sáu loại thép góc với ba chiều dày thép góc, t, và hai khoảng

cách, b, khác nhau Các mẫu thép góc cũng chịu ba trường hợp tải trọng tác dụng

như trên Nghiên cứu rút ra nhận xét như sau:

e Độ cứng ban dau của thép góc tăng khi tăng bể dày t của thép góc và giảmkhoảng cách b — khoảng cách từ tâm bulong đến sống của thép góc

e Khi DAC chịu lực kéo dọc trục, phân cuôi của các đường cong lực-chuyênvị của sáu loại thép góc trên gân như song song nhau, chỉ khác nhau vé capđộ tải trọng.

e Khi DAC chịu lực cat; và lực cắt và lực kéo dọc trục đồng thời, đườngcong momen-góc xoay gần như tuyến tính và độ dốc ban đầu của mỗiđường cong rất thấp Điều này có nghĩa là AC ứngx như liên kết chịulực cắt đơn và ứng x này cảng được khăng định khi DAC chịu tác dụngđồng thời lực cat là lực kéo dọc trục

Năm 2002, ong cùng cộng sự [7] nghiên cứu về ứng x momen-góc xoaycủa DAC chịu lực cắt cho các mẫu thép góc có các thông số khác nhau Nghiên cứu

rút ra được các nhận xét sau:

e Các yếu t6 như việc định nghĩa sự tiếp xúc giữa đầu bulong và thép góc, sốlượng lò xo, kích thước đầu bulong và kích thước phan bo tròn của mối hàn

cũng có ảnh hưởng đền két quả nghiên cứu.

e© Khoảng cách b ngắn và chiều dày t lớn thì độ cứng ban đầu của DAC lớn.Tuy nhiên nếu hai thông số trên càng lớn thì sự phá hoại xảy ra sớm hơn vìsự tập trung ứng suất

e Đường cong momen-góc xoay có thê dé dang vẽ được bởi bôn thông sô từ

việc phân tích hồi quy theo công thức của Richard (1988).Năm 2002, Citipitioglu cùng cộng sự [8] nghiên cứu thông số cho mô hìnhphan t hữu han 3D của liên kết chịu cắt (Partially restrained connections) Nghiêncứu dé xuất cách gán lực xiét trong bulong, xét các ảnh hưởng của đặc trưng hình

học và đặc trưng vật liệu lên ứng x momen-góc xoay của liên kêt.

Năm 2004, Lin và Sugimoto [9] nghiên cứu thực nghiệm ứngx phi tuyến vàcường độ tới hạn của liên két n a cứng dầm-cột trong khung thép Liên kếts dung24 mẫu thép góc khác nhau chịu kéo và uốn Từ kết quả nghiên cứu, Lin vàSugimoto dé ra các phương trình tính toán cường độ kéo và uốn cho từng kiểu pháhoại khác nhau Độ chênh lệch giữa kết quả thực nghiệm và kết quả từ phươngtrình tính toán không quá 10% Các mẫu thí nghiệm thể hiện khả năng chịu biếndạng lớn mặc dù kiểu phá hoại của chúng có thé khác nhau Khi xét đến biến dạnglớn, độ chính xác trong tính toán cường độ của liên kếtn a cứng sẽ được cải thiện.Kiểu phá hoại của liên kếtn a cứng có thé chia thành ba loại:

e Thép góc bi phá hủy trước do vượt quá biến dạng cho phép

e Bulong bị phá hoại sớm.

e Cả bulong và thép góc cùng chịu biến dạng lớn Cuối cùng bulong hoặc

thép bị phá hoại sớm do vượt quá giới hạn cho phép.

Năm 2004, Kishi cùng cộng sự [I0] nghiên cứu mô hình năng lượng bốnthông số của Richard va Abbott (1975) để dự đoán mối quan hệ momen-góc xoaycủa liên kết n a cứng dam-cét kiểu mặt bích Bốn thông số cho quan hệ này gồmđộ cứng đàn hỏi, độ cứng dẻo, momen tham khảo và thông số hình dạng đườngcong Trong đó, thông số hình dạng đường cong là thông số quan trọng nhất quyếtđịnh hình dạng đường cong Trong khi ba thông số đầu được tính toán băng phươngpháp tiếp tuyến thì thông số hình dạng đường cong được suy ra từ phương pháp

bình phương cực tiểu Khi biết được bốn thông số này thì có thể dự đoán được ứng

x của liên kêt một cách dé dàng.

Năm 2007, Yang va Lee [11] nghiên cứu mối quan hệ momen-góc xoay củaliên kết thép góc đôi và đề nghị hai mô hình giải tích đơn giản để dự đoán độ cứngban đầu và momen cực hạn của liên kết Đây là những thông số quan trọng ảnhhưởng rất nhiều đến ứngx của liên kết Mô hình xét đến các ảnh hưởng như chiềudày, khoảng cách từ tâm lỗ bulong đến mép ngoài của thép góc, kích thước đầu bulông Dựa trên các kết quả thu được, Yang và cộng sự kết luận phương trình củaWu-Chen (1991) cho kết quả gần với kết quả thực nghiệm nhất S dụng mô hìnhphân tích giải tích đơn giản và phương trình của Wu-Chen, kỹ sư kết cấu có thé dựđoán ứngx của nhiều loại liên kết thép góc đôi khác nhau

Năm 2008, Pirmoz và Mohammadrezapour [12] nghiên cứu ứng x

momen-góc xoay của liên kết dầm-cột s dụng thép momen-góc liên kết cánh dầm với cánh cột

(top-seat angle connection) chịu kéo dọc trục và chịu uốn Nghiên cứu s dụng

phan mềm phan t hữu hạn phi tuyến ANSYS với ngôn ngữ thiết kế tham số

(APDL - Parametric esign Language) Các đặc trưng hình học va cơ hoc được

định nghĩa như là các thông số nên thời gian tạo mô hình giảm đi đáng kế Nghiên

cứu kết luận lực kéo dọc trục làm giảm momen và độ cứng xoay của liên kết.L3 uc tiêu của đề tài

Mục tiêu của nghiên cứu này là nhăm cung câp một sô dữ liệu cơ bản phục vụcho phân tích và thiệt kê thực tiên qua việc phân tích tng x của liên kêt dâm-cộttrong khung thép.

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn và công việc mồ phỏng phân tích của

chương trình A AQUS rất tốn thời gian nên nghiên cứu chỉ xét liên kết dầm - cột

s dụng thép góc đôi chịu lực dọc trục và lực cắt, trong đó thép góc được hàn với

bản bụng của dâm và liên kêt bulong với cánh cột.

Nghiên cứu này s dụng phần mém A AQUS 6.10.1 để mô phỏng ứng xcủa DAC băng cách phát triển mô hình phan t hữu han phi tuyến 3D Các hiệntượng phức tạp như sự tiếp xúc giữa đầu bulông và thép góc cũng như là lực xiếtbulông sẽ được mô phỏng một cách chỉ tiết Kết quả nghiên cứu sẽ được so sánhvới kết quả mô phỏng và thực nghiệm qua một số bài toán theo nghiên cứu củaYang [4] Trong nghiên cứu của mình, Yang không cung cấp thông tin về cơ sở xácđịnh các giá trị độ cứng kéo và nén của của phằầnt_ lò xo dùng dé mô phỏng cơ chếchịu lực do sự tiếp xúc giữa thép góc và cánh cột: không có khả năng chịu kéo(Yang mô phỏng một giá trị độ cứng chịu kéo rất nhỏ của lò xo xoay) và có khả

năng chịu nén (Yang mô phỏng với giá trị độ cứng chịu nén hữu hạn) Vì vậy, trong

luận văn nay tác giả mô phỏng sự tiếp xúc trực tiếp giữa thép góc và cánh cột bangphan t contact có thể mô phỏng sự trượt theo phương bề mặt tiếp xúc với hệ số masát cho trước và có thé mô phỏng khả năng chịu nén nhưng không chịu kéo theophương pháp tuyến bề mặt tiếp xúc thay vì phương pháp dùng phẳnt lò xo của

Yang Việc này cho phép mô phỏng đúng với ứng x làm việc giữa thép góc va

cánh cột trong thực tế va từ đó cho có thé tiên đoán ứng x của liên kết chính xácvà tin cậy hon ên cạnh đó, ảnh hưởng của việc chia lưới phan t cũng như các lựachọn khác nhau trong Abaqus được trình bày rõ ràng trong kết quả phân tích

L4 âu trúc luận vănLuận văn gôm các phân sau:

Chương 1, Tổng quan: Khái quát tình hình nghiên cứu trong va ngoai nước.Trình bày những ưu điểm và trở ngại của việc nghiên cứu liên kết n a cứng, cụ thélà liên kết thép góc đôi Nêu mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Chương 2, Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu sơ lược về chương trình phằnt hữuhạn ABAQUS; Trình bày các phân liên quan đến công việc mô phỏng như: Phân thữu hạn khối (solid), tiếp xúc (contact), Mô hình ứng suat-bién dạng của vật liệuthép, Tiêu chuẩn dẻo Von-Mises, Thuật toán giải phi tuyến

Chương 3, Mô phỏng số: Trình bày các ví dụ mô phỏng cho DAC với bachiều dày thép góc khác nhau Mỗi loại thép góc chịu tác dụng bởi ba trường hợptải trọng Kết quả đường cong quan hệ lyc-chuyén vị và momen-góc xoay khi xét

đền các yêu tô ảnh hưởng khác nhau.

Chương 4, Phân tích thiết kế liên kết: Xap xỉ đường cong lực-chuyền vị vàmomen góc xoay của mô hình phầnt_ hữu han theo công thức Richard (1988) Dựđoán độ cứng ban đầu của liên kết dựa vào mô hình đơn giản của Yang (1997 và2007) Tính toán khả năng chịu kéo của bulong cường độ cao, thép góc, mỗi hàn

theo TTGH.

Chương 5, Kết luận: Trình bày những kết quả mới của luận văn Đề nghị

hướng nghiên cứu sâu hơn các yêu tô ảnh hưởng dén ứngx của DAC.

huong Il O SO LÝ THUYET

H.1 Đặc trưng hình học và đặc trưng vật liệu của liên kết11.1.1 Mô hình ứng suat-bién dang của vật liệu thép

Những giả thiết sau được s dụng trong việc mô phỏng DAC:(1) Sự mat 6n định cục bộ và mat ôn định ngang không xảy ra cho cau kiện;(2) Mô hình AC đối xứng qua trục đối xứng của bụng dầm và dầm không cóchuyển vi ngang;

(3) Bỏ qua ảnh hưởng của độ cứng tại bụng của tiết diện cột;(4) M6 hình vật liệu thép là đàn - dẻo tuyệt đối

(5) Bỏ qua sự tương tác giữa thân bulong và lỗ bulong

=

&

0£; £.

inh H-1 Mô hình vat liệu thép

Thép dùng cho Thép góc, dầm là loại thép A36 (theo ASTM) có giới hạn chảy

Ø, =250MPa

Modult đàn hồi E = 200000 MPa

Hệ so Poisson v = 0.3

inh H-2 Dac trưng hình học cua DAC (Yang 1997)ulong cường độ cao A325 (ASTM) đường kính than bulong 19.05 mm (3/4

in.) có ƒ, = 660MPa, f, = S30 MPa (tương đương bulong cấp 8x8 theo TCVN) [13]Múi hàn loại bán tự động 430<ø, < 530 MPa (TCVN), chọn giới hạn chảy trongmỗi hàn o, =480 MPa

11.1.2 Tiêu chan chảy dẻo Von-Mises [14]Phát biểu: “Sự chảy dẻo xảy ra khi ứng suất tiếp bát diện dat tới giá trị ứngsuất tiếp giới hạn, k=

Công thức:

Bứng suat giới hạn chịu kéo”.

Trong liên kết s dung bulong cường độ cao, lực ma sát giữa các bản théphoàn toàn tiếp nhận lực trượt do ngoại lực gây ra Bulong chỉ chịu kéo do sự xiếtchặt của ecu tạo nên Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào lực kéo bulong do xiết

ecu (chính là lực ép mặt lên bản thép).

ang 1 Hệ số ma sát u [13]

s HẠ =, Phuong pha

Phuong pháp làm sạch mặt phẳng điều chỉnh lực ệ số ma sát Iicủa các câu kiện được liên kêt xiết bulong

1 Phun cát thạch anh hoặc bột Theo M 0.58

kim loại Theo ơ 0.58

2 Phun cát hoặc bột kim loại sau Theo M 0.5

khi phun sơn ma kẽm hoặc nhôm Theo ơ 0.5

3 ăng ngọnl a hơi đốt không TheoM 0.42

có lớp bảo vệ mặt kim loại Theo a 0.42

4 ang bàn chải, không có lớp Theo M 0.35

sơn bảo vệ Theo ơ 0.35

5 Không gia công bề mặt TheoM 0.25

Theo a 0.25

H.2.Ph nt hữu hạn phi tuyến ABAQUS [1]11.2.1 Phant khối

Thư viện phan t khối (Solid) trong Abaqus/Standard gồm phan t ndi suy

bậc một, bậc hai va bậc hai hiệu chỉnh trong một, hai va ba chiều Thông thường,

bậc nội suy được xác định bang số nits dụng trong phant

°Ổ Những phằầnt chỉ có các nút tại đỉnh, như phant khối 8 nút (xemHình II a)s dung phép nội suy tuyến tính theo mỗi hướng và thường được gọi làphan t tuyén tinh hoac phan t bac mot

¢ Những phan t có nút ở giữa như phan t khối 20 nút (Hình II b) sdụng phép nội suy bậc hai và thường được gọi là phant bậc hai

° Phant khối tứ diện hiệu chỉnh với các nút ở giữa, như khối tứ diện 10nút (Hình II c)s dụng phép nội suy bậc hai hiệu chỉnh và thường được gọi là phan

t bac hai hiệu chỉnh.

(a) Linear element (b) Quadratic element (c) Modified second-order element

(8-node brick, C3D8) (20-node brick, C3D20) (10-node tetrahedron, C3D10M)

inh II-3 Phan t khối tuyến tinh, bậc hai và bậc hai hiệu chỉnh

(Abaqus Analysis Manual)Lựa chon ph nt bậc một và bậc hai

Tùy theo yêu cầu phân tích của bai toán mà người dùng có thé chọn phan tbậc một hoặc bậc hai dé có kết quả chính xác nhất Trong biến dang phăng bậc một,biến dạng phang suy rộng, phầnt khối tứ diện, lục diện và hình trụ, có hằng sốbiến dạng thể tích trên toàn phần t nhăm ngăn chặn việc không thé chia lưới phant khi ứngx vật liệu gần như không nén được Các phan t bac hai có độ chính

xác cao hơn trong các phẳnt bic một về độ mềm khi không xét đến điều kiện tiếpxúc phức tạp Chúng thể hiện sự tập trung ứng suất hiệu quả hơn và tốt hơn khi môhình đặc trưng hình học, ví dụ: có thể mô hình mặt cong với SỐ lượng phan t it.

Lựa chon ph nt tích phan thu gọn va tích phan toàn ph n

Ưu điểm của phan mềm Abaqus phiên bản 6.10.1 là có thêm các phẳnt sdụng tích phân thu gọn Tích phân thu gọn s dụng tích phân bậc thấp dé thiết lậpđộ cứng phân t Ma trận khối lượng và tải trọng phân tans dụng tích phân toànphân Tích phân thu gọn giúp giảm thời gian chạy chương trình, đặc biệt là trongmô hình ba chiều Ví dụ, phan t C3D20 có 27 điểm tích phân, trong khi C3D20Rchỉ có 8 điểm; do đó, mô hình dùng phan t C3D20 chạy chậm hơn C3D20R 3.5lần (Abaqus Analysis) Ngoài ra, phan t bậc hai tích phân thu gon cho kết quảchảy dẻo chính xác hơn phẳnt tích phân toàn phan

II2.2 Lựa chon Finite sliding va Small Sliding

Finite sliding: là phương pháp dò vết (tracking approach) phố biến nhất và chophép sự phân tach, trượt, xoay tương đối giữa các mặt tiếp xúc Trong phương phápnày, sự ghép nối giữa các ràng buộc tiếp xúc hiện hành thay đổi dựa vào sự truyền

động tiép tuyên giữa các bê mặt tiêp xúc.

Small sliding: gia thiét rang sé có su trượt tương đối nhỏ của một mặt theomặt kia và dựa vào phép xấp xỉ tuyến tính của một mặt tiếp xúc chính (master

surface) tại các ràng buộc Một nhóm các nút (nodes) trong vùng ràng buộc riêng

được giữ cô định (fixed) trong suốt quá trình phân tích.11.2.3 Định nghĩa ràng buộc TIE cho cặp mặt phẳng

Rang buộc loại Tie làm cho hai mặt phăng can có cùng chuyên vi thăng,chuyên vị xoay Theo mặc định, những nút trên hai mặt phăng gân sát nhau mớiđược phép “Tie” Khi đó, một mặt sé la “master surface” và mặt còn lại là “slavesurface”.

11.2.4 Lựa chọn Node-to-surface và Surface-to-surface cho các cặp mặt phangtiếp xúc

Với lựa chọn Node-to-surface, điều kiện tiếp xúc được thiết lập băng cách mỗinút “lệ thuộc” (“slave” node) trên một mặt của giao diện tiếp xúc tương tác mộtcách hiệu quả với một điểm theo phép chiếu trên mặt “chính” (“master” surface)trên mặt đối diện của giao diện tiếp xúc (Hình II-4) o đó, mỗi điều kiện tiếp xúcliên quan đến một nút đơn phụ thuộc và một nhóm nút chính được nội suy từ điểmtrong phép chiếu Đặc tính của Node-to- surface như sau:

¢ Nut phụ thuộc bị ràng buộc không xuyên vào mặt chính; tuy nhiên, cácnút trên mặt chính được phép xuyên vào mặt phụ thuộc.

* _ ướng tiếp xúc dựa vào pháp tuyến của mặt chính.5 Thông tin cần thiết cho mặt phụ thuộc là vi trí và diện tích mặt trên mỗinút; hướng của pháp tuyến của mặt phụ thuộc và không cho phép có độ cong Dođó, mặt phụ thuộc được định nghĩa là một nhóm các nút - tức là “mặt phăng dựa

trên một nút”.

¢ Lựa chọn Node-to-surface vẫn có nghĩa nếu mặt phăng dựa trên nút

không được s dụng trong định nghĩa cho cặp tương tác (contact pair).

master surface

slave surface

closest pointtoA

closest point

to B

inh II-4 Node-to-surface discretization (Abaqus Analysis Manual)

Luc chọn Surface-to-surface xem xét hình dạng của cả hai mặt chính va mặt lệthuộc trong vùng ràng buộc tiêp xúc Đặc tính của Surface-to-surface như sau:

° Áp đặt điều kiện biên trên miền trung bình gan nút lệ thuộc (slave node)

thay vì chỉ dùng cá nhân nút phụ thuộc như loại node-to-surface Tâm của vùng

trung bình này được lấy một cách gần đúng là ở các nút phụ thuôc, vì vậy mỗi ràngbuộc tiếp xúc được coi là nút lệ thuộc nhưng cũng xét các nút lệ thuộc lân cận

* _ ướng tiếp xúc dựa vào pháp tuyến trung bình của mặt phụ thuộc trênmiễn xung quanh nút lệ thuộc

¢ Surface-to-surface không có nghĩa nếu mặt phăng dựa trên nút được s

dụng trong định nghĩa cho cặp tương tác.

Node-to-Surface Contact Node-to-Surface Contact

siavemaster

hg,

inh II-5 So sánh lực cưỡng bức vào các mặt tiêp xúc giữa hai lựa chon chuan tiépxúc Node-to- surface và Surface-to- surface (Abaqus Analysis Manual)

es t4we “tới

Node-to-surface

¬ ‹384 5 < —«c1.213«s+13° “ Vì

+1,003%4+25 LẠ) i OT5 - Fah Woeoe

ores eo ee, S&!

Ä LFSAV at V2

: 4V 203 S7;

` TN

Surface-to-surface

Analytical CPRESS,, , = 3.01e+05

inh II-6 Độ chính xác của ứng suất tiếp xúc giữa hai lựa chọn

Node-to-surface và Surface-to- surface (Abaqus Analysis Manual)

H.3 Giải bài toán phi tuyến trong ABAQUS [1]Giải một bài toán phi tuyến trong Abaqus bao gồm:

e Tổ hợp các bước tăng tải và bước lặpe S dụng phương pháp Newton để giải phương trình phi tuyến

e Xác định sự hội tụe Dinh nghĩa tải trọng là một hàm theo thời giane Vachon thời gian cho bước tăng tai hợp lý một cách tự động.

Giải bài toán phi tuyếnGiả s đường cong lyc-chuyén vị phi tuyến của một kết cấu như hình dưới đây

Mục tiêu của phân tích là xác định ung x_ này.

M.

Displacement

th: et ee

inh II-7 Đường cong lyc-chuyén vị phi tuyến

(Abaqus Analysis Manual)

Trong phân tích phi tuyến, lời giải không thể giải bằng hệ phương trình tuyếntính Thay vì vậy, tìm lời giải băng cách cho tải trọng là một hàm theo thời gian vàtăng dan thời gian dé thu được ứngx phi tuyến o đó, Abaqus chia sự mô phỏngthành nhiều bước tăng tải theo thời gian (time increment) và tìm phương trình cânbang gan đúng tại thời điểm kết thúc mỗi bước tăng tải S dung phương phápNewton, Abaqus cần nhiều bước lặp dé xác định lời giải gần đúng cho mỗi bước đó

Bước, bước tang tải, và bước lap (Steps, increments, and iterations)

e Quá trình thực hiện một mô phỏng gồm một hay nhiều bước Người dùngđịnh nghĩa bước, chọn phương pháp phân tích, tải trọng, và yêu cầu dữliệu đầu ra Tải trọng khác nhau điều kiện biên, phương pháp phân tích

và yêu cau dữ liệu dau ra có thê được bao gom trong môi bước Ví dụ:ước 1: an điêu kiện biên cho DAC

ước 2: Thiết lập contact giữa các thành phần của DAC và gán lực

căng trước trong bulong cường độ cao.ước 3: Gán ngoại lực tác dụng vào DAC

e Mỗi bước tăng tải là một phan của bước Trong phân tích phi tuyến, mỗibước được chia thành nhiều bước tăng tải để dễ dàng thu được lời giảiphi tuyến Người dùng đề nghị kích thước bước tăng tải ban đầu, Abaqustự động chọn kích thước của bước tăng tải tiếp theo Kết thúc mỗi bướctăng tải, kết cau gần như cân băng và có thé xuất kết quả.

e Một bước lặp là một phépth để tìm lời giải cân bằng trong một bướctăng tải Nếu mô hình không cân bằng khi kết thúc bước lặp, Abaqus sẽth bước lặp khác Với mọi bước lặp, lời giải có được từ Abaqus sẽ ganvới phương trình cân băng hơn; tuy nhiên, thỉnh thoảng quá trình lặp dẫnđến sự không hội tụ-có nghĩa là bước lặp tiếp theo càng lúc càng xa trạngthái cân bằng Lúc này Abaqus sẽ hủy quá trình lặp và phépth để tìmlời giải khác với kích thước gia số nhỏ hơn

Sự hội tụ

Xét ngoại lực P và nội lực (tại nút) tác dụng vào vật thể như hình dưới.SP R Œ lạ

(a) External loads in a simulation (b) Internal forces acting at a node.

inh II-S Ngoại lực và nội lực trên vật thể

(Abaqus Analysis User’s Manual)

Nội lực tác dụng lên một nút do ứng suất trong phan t tại nút đó gây ra Đểvật thé cân bang thì lực tại mọi nút băng 0 o đó, phương trình cân bằng được viết

như sau: P—7=0 (4)

Ung x phi tuyến của kết cấu với một số gia tải trọng nhỏ AP như hình II-10

Abaqus dùng độ cứng tiếp tuyến, K,, được dựa vào hình dạng kết cấu tạiu,va AP dé tinh chuyén vi hiệu chỉnh (displacement correction) c cho kết cấu Sdụng c,, hình dang kết cầu được cập nhật lên vi trí u, Sau đó Abaqus tính nội luc

I cua kết cau Chênh lệch giữa tong lực tác dụng P va I, được tính như sau:

+ -/-——

_

Ug Ua Displacement

inh II-9 ước lap đầu tiên

(Abaqus Analysis User’s Manual)

Néu R, = 0 tai mọi bậc tự do trong mô hình, điểm a trong hình trên sẽ nằmtrên đường cong lực — chuyền vị và kết cau cân bằng Trong bài toán phi tuyến, R,không bao giờ đạt giá trị chính xác bằng 0, vì vậy Abaugs sẽ so sánh nó với một giátrị sai số Nếu ® bé hon sai số lực dư tại tat cả các nút, Abaqus sẽ chấp nhận lờigiải là cân bằng Giá trị sai số mặc định là 0.5% của lực trung bình trong kết cau

Nếu R =0 bé hơn giá tri sai số hiện tại, P và l xem như can băng và w làhình dạng cân băng phù hợp cho kết cấu dưới tác dụng của ngoại lực Tuy nhiên,trước khi Abauqs chấp nhận lời giải này, nó cũng kiểm tra chuyển vị hiệu chỉnh

cuối cùng, c,, có tương đối nhỏ hơn tổng độ lệch chuyển vị điểm Au, =u, —u, haykhông Nếu c, lớn hơn giá tri 1% (giá tri mặc định trong Abaqus) giá tri Au, thìAbaqusth bước lặp khác Cả hai điều kiện hội tụ phải được thỏa mãn trước khi lờigiải được gọi là hội tụ ở gia số thời gian đó.

Nếu lời giải từ một bước lặp chưa hội tụ, Abaqus sé th một bước lặp khácsao cho cân băng ngoại lực và nội lực Trước tiên, Abaqus thành lập độ cứngmới ,K,, của kết câu dự vào hình dạng đã được cập nhật trước đó, u, Từ độ cứngnày và lực dư,®_, xác định được chuyển vị hiệu chình khác, c, , càng gân voi trạngthái cân băng hơn (điểm b trong hình dưới)

Với mỗi bước lặp trong phân tích phi tuyến Abaqus thành lập ma trận độ cứngvà giải hệ phương trình o đó, công sức tính toán của mỗi bước lặp cũng gần bangvới công sức dé đưa ra một phân tích tuyến tính hoàn chỉnh, điều này làm cho việc

giải bài toán phi tuyên tôn rât nhiêu công sức hơn bài toán tuyên tính.H.4 Mô phóng bài toán trong ABAQUS

Các loại phant A AQUS dưới days dụng cho mô phỏng một n a liên kết:a Dùng phan t solid C3 8R (8 nút để mô phỏng DAM, toàn bộ dầm được

đơn giản hóa chỉ còn phan bụng dam có momen quán tính bang 1/2 momenquán tính của tiết diện ngang thật sự của dầm ứng với trục chính

b Dùng phant solid C3 20R (20 nút) để mô phỏng BULONG và THÉP GÓC.Đầu bulong lục giác được lý tưởng hóa là đầu hình vuông để đơn giản

8 -node element 20 - node element

inh II-12 Phan t C3D6R (Abaqus Analysis Manual)

c Dùng phan t solid C3 6R (6 nút) dé mô phỏng mối hàn liên kết thép gócvới bản bụng dầm Mối hàn được lý tưởng hóa dạng lăng trụ tam giác.

=

a) _ Mô hình thép góc và bulong kiểu Mesh 1 (mesh lưới giống Yang)

2

b) M6 hình thép góc Mesh 2 (chia thép góc thành 4 lớp theo chiều day)

inh II-13 Mô hình phant hữu hạn ABAQUS

11.4.1 Sự tiếp xúc giữa các thành phân liên kếtDé mô phỏng sự tiếp xúc giữa đầu bulong và phân thép góc liên kết với cánh

cột, trong A AQUS ta lam 2 bước sau:

1 Tao đặc tính tương tácChon Interaction Properties (name: Bolt Contact )Chon Mechanical/ Tangential Behavior/ Friction formualation: Penalty/Friction

Coeff=0.5 — đây là hệ số ma sát giữa các tắm thép khi được làm sạch theo phương

pháp phun cát hoặc bột kim loại sau khi phun son mạ kẽm hoặc nhôm.

I OW Edit Contact Property e i xi]_ Name: Bolt Contact

Mechanical Thermal | Delete

— Tangential Behavior

Friction formation: [Pensity x

Directionality: @ Isotropic (` Anisotropic (Standard only)

[7 Use sip+ate-dependent data

[T Use contact-pressure-dependent data

[7 Use temperature-dependent data

Number of field variables: | 0 2

Friction

| Coeff

0.5

inh II-14 Ung x theo phương tiếp tuyến

Chọn Mechanical/ Normal Behavior/ Pressure-Overclosure: “ ard’ Contact

~ Normal Behavior

Pressure-Overclosure: | Hard” Contact »ị

Constraint enforcement method; [Default >|

[T Allow separation after contact

inh II-15 Ứngx theo phương pháp tuyến2 Tao các cặp tương tác giữa đầu bulong với thép góc

Chon Interaction/ Finds contact pairs: “*Contact pair, Small Sliding” và to-surface”.

“*Surface-Chon Master surface va Slave surface tương ứng là 2 mặt cần tiếp xúc trên.Bỏ qua sự tiếp xúc giữa thân bulong và lỗ bulong vì xem liên kết bulong cường độcao chỉ làm việc nhờ lực ma sát giữa các tam thép chứ không phải do sự làm việcchịu cắt của bulong

a XI

| Name | Initial Contact |Load | |e)

w_CP-2-Angle-1-Bolt1-1 Propagated Propagated Move Lettw CP-3-Angle-1-Bolt2-1 Created Pr ated Pr ated =g 0pag 0pag Move Ridi |CP-4-Angle-1-Bolt3-1 Created Propagated § Propagated

w CP-5-Angle-i-Bolt41 Created Propagated Propagated ĐC, HC

Deact/2te

Step procenure:

Interaction type: Surface-to-surface contact (Standard)

Interaction status: Created in this step

Create | Copy | Rename | Delete |

inh H-16.Cặp tương tac Contact pairs

Ï

Name: CP-2-Angle-1-Bolt1-1

Type: Surface-to-surface contact (Standard)

Step: _ Initial

Switch

Slave surface: CP-3-Boltl-1 Edit Region |

Sliding formulation: © Finite sliding © Small slidingDiscretization method: {Surface to surface yi

T- Exdude shell/membrane element thickness

Degree ofsmocthingtor master surface: |o.2

Use supplementary contact points: @ Selectively ( Never © AlwaysContact tracking: ` {© Two configurations (path) £” Single confiquration (state)

Slave Adjustment | Surface Smoothing | Clearance | Bonding |

( No adjustment( Adjust only to remove overcosure` Specify tolerance for adjustment zone: jo

® Adjust slave nodes in set: | x|

Contact interaction property: {Bolt Contact R Create |Options: Interference Fit |

Contact controls: | (Default) yi

inh I-17 Ung x bề mặt tiếp xúcDé áp đặt điều kiện biên giữa phan t dam, mối han va phan thép góc liên kếtvới bụng dam, trong Abaqus chọn Constraint/ Tie

11.4.2 Lực xiết trong bulong cường độ cao

ài toán được phân tích theo trình tự 3 bước (Steps) sau.ước |: Intial (mặc định trong Abaqus)

án các điều kiện biên dé liên kết bat bién hình

ước 2: Contact (Establish contact)

Thiết lập sự tương tác giữa các thành phần của liên kết (để giả lập điều kiệnbulong tiếp xúc với thép góc) Dé mô phỏng sự xiết chặt của bulong, trước khi gánlực kéo đọc trục tại đầu dam trong bước Load, tại bước Contact ta gán lực ép mặtcho mỗi bulong cường độ cao với giá tri lực 125 KN Diéu nay có nghĩa là khi liênkết chưa chịu tác dụng của ngoại lực, trong bulong đã có ứng suất trước

ước 3: Load (Apply load)Gan ngoại lực vào dâm.

x

|_| Name |Contact | Load | Edit

w Axial Createdw Bolt load Created Propagated

Deactivate

ti

Step procedure: Static, RiksLoad type: PressureLoad status: Propagated from a previous step

Create | Copy | Rename Delete | Dismiss

inh II-18 Load Manager

i

Ứngx phi tuyến vật liệu với mô hình dan - dẻo tuyệt đối (elastic — perfectlyplastic) được xem xét trong mỗi phan t và tiêu chuẩn ứng suất Von Mises được sdụng để đánh giá sự chảy dẻo của thép

Thuật toán Static-Riks để phân tích ứngx phi tuyến của hệ khi chịu tải trọng

tinh.

Mỗi mô hình phầnt hữu hạn 3D bao gồm một thép góc, bốn bu lông, mối

hàn, cánh cột và một dầm.