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

N N N O N UYỄN N VN MÔ P ỎN ỨN XỬ Ủ L ÊN Ế NỐ ỐN ÉP ÕN SỬ DỤN MẶ Í V U LƠN ỊU UỐN V Ắ ỒN , Ó XÉ ẾN SỰ L M V Ệ P UYẾN Ủ VẬ L ỆU huyên ngành: ỹ thuật Xây dựng ơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 ÓM Ắ LUẬN VĂN Ỹ UẬ XÂY DỰN N ng, 7/2017 SỸ Cơng trình hoàn thành N KHOA Người hướng dẫn khoa học: S LÊ N UẤN Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày.… tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN LỜI CAM ĐOAN Tên Nguyễn Trọng Vinh, học viên lớp cao học chun ngành Xây dựng Cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp khóa 31 Đại học Đà Nẵng Tơi Đại học Đà Nẵng cho phép làm luận văn tốt nghiệp hướng dẫn TS Lê Anh Tuấn với đề tài: “Mô ứng xử liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích bulơng chịu uốn cắt đồng thời, có xét đến làm việc phi tuyến vật liệu” Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Người cam đoan Nguyễn Trọng Vinh i TÓM TẮT LUẬN VĂN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv,v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vi DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu giới 1.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu nước 13 1.3 Kết luận chương 13 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Cấu tạo bulông 15 2.1.1.Cấu tạo chung bulông 15 2.1.2 Bulông cường độ cao 15 2.2 Sự làm việc liên kết bulông khả chịu lực bulông 16 2.2.1 Sự làm việc liên kết bu lông 16 2.2.2 Khả làm việc chịu ép mặt thân bulông 16 2.2.3 Sự làm việc chịu trượt 17 2.2.4 Sự làm việc chịu kéo 19 2.3 Một số mơ hình phá hủy 20 2.3.1 Mơ hình phá hủy Petersen đề xuất 20 2.3.2 Mơ hình Seidel 22 2.3.3 Nghiên cứu Schmidt-Neuper 22 2.4 Ứng suất Von-Mises: 25 2.5 Kết luận chương 2: 25 CHƯƠNG MÔ PHỎNG LIÊN KẾT 26 3.1 Mô FEM liên kết đơn lẻ bulông mặt bích dạng chữ L chịu kéo 26 3.1.1 Đặc trưng vật liệu 26 ii 3.1.2 Phương pháp phân tích 27 3.1.2.1 Lắp ráp 27 3.1.2.2 Điều kiện biên 27 3.1.2.3.Ứng lực trước cho bulông 27 3.1.2.4 Hệ số ma sát 28 3.1.3 Mô phần tử dạng chữ L 28 3.1.3.1 Mơ hình 28 3.1.3.2 Kết phân tích 29 3.2 Mô FEM mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn dùng bulơng mặt bích ngồi 31 3.2.1 Mô ống nhỏ 114.3x3.5 32 3.2.1.1 Trường hợp chịu cắt túy 32 3.2.1.2 Trường hợp chịu uốn cắt đồng thời 38 3.2.2 Mô ống trung 267.4x6.0 44 3.2.2.1 Trường hợp chịu cắt tuý 44 3.2.2.2 Trường hợp chịu uốn cắt đồng thời 51 3.2.3 Mô ống lớn 406.4 x 12.7 57 3.2.3.1 Trường hợp chịu cắt túy 57 3.2.3.2 Trường hợp chịu uốn cắt đồng thời 63 3.3 Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế mối nối liên kết trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời 69 3.4 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 Kết luận 71 Kiến nghị 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 iii TĨM TẮT LUẬN VĂN MƠ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULƠNG CHỊU UỐN VÀ CẮT ĐỒNG THỜI CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU Học viên: Nguyễn Trọng Vinh Mã số: 60.58.02.08 Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng công nghiệp Khóa: 31 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN Tóm tắt - Với nhiều ưu điểm vượt trội nên nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày sử dụng rộng rãi tất loại công trình Để đáp ứng phát triển mạnh kết cấu ống thép tròn rỗng có nhiều nghiên cứu tính tốn liên kết loại kết cấu Liên kết kết cấu ống thép tròn rỗng sử dụng phổ biến liên kết hàn liên kết sử dụng mặt bích bulơng Tuy nhiên hầu hết nghiên cứu dẫn tính tốn tập trung nhiều liên kết hàn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích bulơng dừng lại trường hợp chịu lực đơn giản chịu kéo, nén uốn mà chưa có dẫn tính tốn trường hợp liên kết chịu lực phức tạp (như trường hợp uốn cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn kéo/nén đồng thời…) Nghiên cứu đưa quy luật ứng xử liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích bulơng trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, từ đề xuất thông số hợp lý liên kết (mối quan hệ chiều dày mã, đường kính bulơng chiều dày ống thép) Từ khóa - ống thép tròn; Mặt bích; bulơng cường độ cao; chịu uốn cắt đồng thời; Cơ chế phá hủy SIMULTING BEHAVIOR OF THE TUBULAR STEEL JOINTS USING FLANGES AND BOLTS WITH NONLINEAR BEHAVIOR OF MATERIAL CONSIDERATION Abstract - With many advantages, nowadays, the structure using tubular steel structure is more and more widely used in all kinds of construction In response to the rapid development of the tubular steel structure, it has been had a lot of research about the joints of this structure Welding joints and joints using flanges and bolts are used most popular in tubular structure However, most of the reseachs concentrate about welding joints, the joints using flanges and bolts are only mentioned in the case of simple load bearing such as tension or compression or bending without computational instructions in the case of complex bearing forces (concurrent shear force and bending or concurrent tension/compression and bending or tension/compression and twisting) The study outlines the behavioral rules for joints of tubular structure using flanges and bolts in the case of concurrent shear force and bending, thereby proposing the rational parameters of the joint (the relationship between the thickness of the flange, the diameter of the bolt and thickness of steel tubes) Key words – tubular steel; flanges; high strength bolt; concurrent shear force and bending; mechanisms of destruction iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU Ae Diện tích tiết diện hiệu mặt bích Cb Hệ số lò so kéo bulơng Cc Hệ số lò so nén mặt bích Cf Hệ số lò so nén mặt bích Cw Hệ số lò so nén vòng đệm DA Bước ren bulơng dh Đường kính lỗ bulơng ds Đường kính thân bulơng dw Đường kính bề mặt chịu lực ép dwi Đường kính vòng đệm dwo Đường kính ngồi vòng đệm E Modun đàn hồi thép e Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông FP Lực dọc cho phép bulông Fyf Giới hạn chảy vật liệu làm cột chia cho 1,1 Fys Giới hạn chảy vật liệu dầm chia cho 1,1 G Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mặt bích Md Độ bền kéo lỗ bulơng đơn vị độ rộng, M d  ( t F2 Fyf ) / Ms Độ bền kéo thép đơn vị độ rộng, M s  (t s2 Fys ) / No Lực kéo thiết kế bulông p Tỷ số nội lực ngoại lực Tf Lực kéo ngắn hạn cho phép Tf2 Lực kéo cho phép theo mơ hình phá hủy Petersen Tf3 Lực kéo cho phép theo mơ hình phá hủy Petersen Tp Lực dọc bulông Ts Lực kéo tác dụng vào cấu kiện v Tv Lực kéo ban đầu bulông Độ dày thành ống thép ts Độ dày cánh dầm tF Độ dày mặt bích tw Độ dày vòng đệm ws Độ rộng thép  Hệ số cân y Giới hạn đàn hồi bulông CÁC CHỮ VIẾT TẮT BL Bulông BLn Bulông thứ n, n=1, 2, 3… CHS Circle hollow sections HSS Hollow steel sections RHS Rectangular hollow sections MB Mặt bích OLON Ống thép tròn lớn có đường kính ống D=406,4mm, gọi tắt ống lớn ONHO Ống thép tròn nhỏ có đường kính ống D=114,3mm, gọi tắt ống nhỏ OTRUNG Ống thép tròn trung có đường kính ống D=267,4mm, gọi tắt ống trung vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên hình Trang Bảng 2.1 Hệ số điều kiện làm việc b 17 Bảng2.2 Hệ số ma sát μ hệ số độ tin cậy b2 19 Bảng 3.1 Đặc trưng vật liệu 26 Bảng 3.2 Đặc trưng hình dạng bulông 30 Bảng 3.3 Hằng số đàn hồi TsI, TsII 30 Bảng 3.4 Bảng kích thước mẫu ống mơ 31 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1 Các dạng mối nối HSS Hình 1.2 Các dạng phá hủy mối nối CHS Hình 1.3 Các dạng phá hủy mối nối RHS Hình 1.4 Các dạng phá hủy mối nối CHS với thép hình chữ I/H Hình 1.5 Các mối nối thép với CHS 10 Hình 1.6 Các mối nối CHS-CHS liên kết dàn 10 Hình 1.7 Các mối nối RHS-RHS liên kết dàn 10 Hình 1.8 Các mối nối CHS-CHS liên kết chịu moment 11 Hình 1.9 Các mối nối RHS-RHS liên kết chịu moment 11 Hình 1.10 Một số mối nối CHS HSS liên kết bulơng 12 Hình 1.11 Mối nối liên kết đối đầu bulơng mặt bích ngồi 13 Hình 2.1 Cấu tạo bulơng 15 Hình 2.2 Sơ đồ làm việc liên kết bulơng 16 Hình 2.3 Sự làm việc bulông hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát 17 vii Hình 2.4 Sự làm việc chịu kéo bulơng 20 Hình 2.5 Ba mơ hình phá hủy Petersen liên kết T-stub 20 Hình 2.6 Quan hệ phi tuyến ngoại lực lực dọc bulơng 22 Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ lực kéo lực dọc bulông Schmidt – Neuper đề xuất 22 Hình 2.8 Mơ hình T-stub 24 Hình 2.9 Tương quan ứng suất Von Mises ứng suất Tresca 25 Hình 3.1 Mơ hình bulơng thép Abaqus 28 Hình 3.2 Mơ hình phần tử dạng chữ L Abaqus 28 Hình 3.3 Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L Abaqus 29 Hình 3.4 Mơ hình ống nhỏ chịu cắt túy 32 Hình 3.5 Lưu đồ thực ống nhỏ chịu cắt túy 32 Hình 3.6 Mơ hình ống nhỏ chịu uốn cắt đồng thời 38 Hình 3.7 Lưu đồ thực ống nhỏ chịu uốn cắt đồng thời 38 Hình 3.8 Mơ hình ống trung chịu cắt túy 44 Hình 3.9 Lưu đồ thực ống trung chịu cắt túy 44 Hình 3.10 Mơ hình ống trung chịu uốn cắt đồng thời 51 Hình 3.11 Lưu đồ thực ống trung chịu uốn cắt đồng thời 51 Hình 3.12 Mơ hình ống lớn chịu cắt túy 57 Hình 3.13 Lưu đồ thực ống lớn chịu cắt túy 57 Hình 3.14 Mơ hình ống lớn chịu uốn cắt đồng thời 63 Hình 3.15 Lưu đồ thực ống lớn chịu uốn cắt đồng thời 63 59 Biểu đồ 3.41 OLON-Trường hợp cắt túy với tF=36mm, ds= 24mm (tF/ds =1,50) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 32, ứng suất bulông đạt đến giới hạn chảy bulơng ứng suất mặt bích xấp xỉ giới hạn chảy Biểu đồ 3.42 OLON-Trường hợp cắt túy với tF=38mm, ds= 24mm (tF/ds =1,58) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 35, ứng suất bulông đạt đến giới hạn chảy ứng suất mặt bích xấp xỉ đạt giới hạn chảy 60 Biểu đồ 3.43 OLON-Trường hợp cắt túy với tF=40mm, ds= 24mm (tF/ds =1,67) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 33, ứng suất bulông đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích chưa đạt đến giới hạn chảy, mặt bích dày Vậy với trường hợp ống lớn chịu cắt túy, để bulơng mặt bích làm việc hợp lý (cùng đồng thời chảy dẻo) ta phải chọn tỷ lệ chiều dày mặt bích đường kính bulơng là: 1,33< tF/ds< 1,67 Bước 2: Sau xác định độ dày mã thích hợp để mã bulông chảy dẻo, ta tiến hành mô mẫu với việc thay đổi chiều dày thành ống, cố định chiều dày mã (tF=34mm), đường kính bulơng (ds= 24mm) kích thước e1 =45mm e2=40mm Với mẫu ta xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất bulông với mã thành ống trường hợp chịu cắt túy, kết thể từ Biểu đồ 3.44 đến Biểu đồ 3.47 61 Biểu đồ 3.44 OLON-Trường hợp cắt túy với tF=34mm, ds= 24mm, tp= 4mm (tF/ds =1,42; tp/ds =0,17) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 35, ứng suất mặt bích gần đạt giới hạn chảy ứng suất ống thép bulơng đồng thời đạt đến giới hạn chảy Biểu đồ 3.45 OLON-TH cắt túy với tp= 6mm (tp/ds =0,25) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 31, ứng suất ống thép chưa đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích bulơng đạt đến giới hạn chảy bulông, ống thép dày 62 Biểu đồ 3.46 OLON-TH cắt túy với tp= 8mm (tp/ds =0,33) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 30, ứng suất ống thép chưa đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích bulơng đạt đến giới hạn chảy bulông, ống thép dày Biểu đồ 3.47 OLON-TH cắt túy với tp= 10mm (tp/ds =0,42) Nhận xét: Ta thấy ứng với số gia 30, ứng suất ống thép chưa đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích bulơng đạt đến giới hạn chảy bulông, ống thép dày Vậy ta chọn kích thước chiều dày mặt bích, đường kính bulơng chiều dày ống thép trường hợp chịu cắt ống lớn là: 1,33< tF/ds< 1,67; 0,17≤tp/ds