Nghiên cứu thực nghiệm liên kết bu lông chịu uốn và cắt đồng thời trong kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội

Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm liên kết bu lông trong cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội (TMTHN) sử dụng bản mã để liên kết các bản bụng của tiết diện chịu tác dụng uốn và cắt đồng thời. So sánh kết quả thực nghiệm về giới hạn bền của liên kết tính theo mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) là khá phù hợp. Các kết quả của nghiên cứu cho thấy khi số lượng bu lông, các thông số vật liệu và tiết diện không đổi nhưng tăng khoảng cách bu lông theo chiều dài liên kết thì giới hạn bền uốn cũng tăng đáng kể.

Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (04/2020), 186-195 Transport and Communications Science Journal EXPERIMENTAL STUDY BOTH OF FLEXURAL AND SHEARL BEHAVIOUR OF BOLTED CONNECTIONS IN COLD FORMED THIN –WALLED STEEL STRUCTURES Do Van Binh University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 9/2/2020 Revised: 19/3/2020 Accepted: 20/3/2020 Published online: 24/4/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.71.3.3 * Corresponding author Email: dvbinh@utc.edu.vn; Tel: 0903289858 Abstract An experimental study of bolted connections between cold-formed thin-walled steel members, formed by using brackets bolted to the webs of the section under both flexural and shear loads is showed in this paper It is demonstrated that there is good agreement between the yield and ultimate load capacity of the bolted connection using the finite element method and experimental study The research results show that when the bolt numbers, section dimensions and materials in the bolted connection are not changed, if the distances between the centroids of bolts along the direction of member are increased, the ultimate load capacity is also increased significantly Keywords: Experimental study, bolted connection, bracket, flexural and shear, thin-wall steel, cold formed  2020 University of Transport and Communications 186 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số (04/2020), 186-195 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU UỐN VÀ CẮT ĐỒNG THỜI TRONG KẾT CẤU THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI Đỗ Văn Bình Trường Đại học Giao thơng vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 9/2/2020 Ngày nhận sửa: 19/3/2020 Ngày chấp nhận đăng: 20/3/2020 Ngày xuất Online: 24/4/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.71.3.3 * Tác giả liên hệ Email: dvbinh@utc.edu.vn; Tel: 0903289858 Tóm tắt Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm liên kết bu lơng cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội (TMTHN) sử dụng mã để liên kết bụng tiết diện chịu tác dụng uốn cắt đồng thời So sánh kết thực nghiệm giới hạn bền liên kết tính theo mơ hình phần tử hữu hạn (PTHH) phù hợp Các kết nghiên cứu cho thấy số lượng bu lông, thông số vật liệu tiết diện không đổi tăng khoảng cách bu lông theo chiều dài liên kết giới hạn bền uốn tăng đáng kể Từ khóa: Thực nghiệm, liên kết bu lơng, mã, chịu uốn chịu cắt đồng thời, thép thành mỏng, tạo hình nguội  2020 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Kết cấu thép TMTHN hình thành từ thép mỏng (từ 0,3 đến mm) với ưu điểm trọng lượng nhẹ, nhiện làm việc phức tạp kết cấu thép TMTHN khác với kết cấu thép thông thường trạng thái ổn định khác Hiện nước ta tài liệu tính tốn thiết kế kết cấu thép TMTHN chủ yếu theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600:1996, 2005 [1] Các liên kết phần quan trọng kết cấu xây dựng nói chung kết cấu 187 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (04/2020), 186-195 thép TMTHN nói riêng Đối với kết cấu thép TMTHN phổ biến liên kết bu lông so với sử dụng liên kết hàn Tuy nhiên, Tiêu chuẩn quy phạm nói đề cập tập trung dạng liên kết bu lông chịu lực dọc trục mà chưa đề cập cụ thể chịu mô men uốn [1, 2, 3] Một số tác giả nghiên cứu làm việc liên kết bu lông chịu uốn chủ yếu kết cấu thép thông thường [5,6] Gần đây, tác giả trình bày nghiên cứu liên kết bu lông kết cấu thép TMTHN chịu uốn túy tài liệu [7,8] nghiên cứu liên kết bu lông kết cấu thép TMTHN chịu uốn cắt đồng thời theo lý thuyết mơ hình hóa phương pháp PTHH tài liệu [9,10] Trong báo đề cập nghiên cứu thực nghiệm ứng xử liên kết bu lông kết cấu thép TMTHN chịu uốn cắt đồng thời nhằm mục đích so sánh đánh giá với kết nghiên cứu theo PTHH Đồng thời nghiên cứu xem xét trạng thái giới hạn liên kết bu lơng xảy thay đổi khoảng cách bu lông Các so sánh đánh giá thơng qua kết tính tốn giới hạn chảy dẻo, giới hạn bền liên kết bu lơng phân tích 200 15 Cột thép chữ C 50 200 Bu lông 15 Dầm thép chữ C Sườn tăng cường 200 50 200 1200 50 Bản mã đục lỗ ` 200 15 100 300 200 200 200 100 1000 200 Sườn tăng cường a) Liên kết NT60 b) Cấu tạo 50 220 50 c) MC 1-1 d) MC 2-2 50 e) Bản mã dày 8mm Hình Cấu tạo chi tiết mẫu thí nghiệm sơ đồ gia tải NT60 -EXP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU MÔ MEN UỐN VÀ LỰC CẮT TRONG CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI 2.1 Vật liệu đặc trưng học mẫu thực nghiệm Trong nghiên cứu này, dầm vật liệu thép CT3 dày mm định hình nguội chế 188 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số (04/2020), 186-195 hai mẫu thực nghiệm đặt tên NT45-EXP NT60-EXP Bên cạnh đó, thép CT3 dày mm dùng để gia công mã liên kết Các liên kết sử dụng bu lông thường cấp 46, M14 (đường kính 14 mm) Các sườn gia cố liên kết thông qua mối nối hàn Tất vật liệu mua thị trường Việt Nam Để xác định đặc trưng học thép CT3, mẫu kéo thép theo tiêu chuẩn để xác định cường độ chịu kéo cắt gia công từ vật liệu thép sử dụng gia công mẫu thực nghiệm thí nghiệm gia tải kéo dọc trục máy kéo nén SANS Đại học Giao thông Vận tải.Giá trị trung bình giới hạn chảy giới hạn bền 258 MPa 368 MPa 2.2 Gia công chuẩn bị mẫu thực nghiệm Hai mẫu NT45-EXP NT60-EXP có kích thước vị trí gia tải hai mẫu thể Hình 1.Hai mẫu khác khoảng cách tim bu lơng thuộc phần dầm mã: Mẫu NT45-EXP có khoảng cách tim bu lông theo phương trục dầm 45 mm, cịn mẫu NT60-EXP có khoảng cách tim bu lơng theo phương trục dầm 60 mm Qúa trình gia cơng mẫu theo kích thước Hình chế tạo thực thực nghiệm Phịng Thí nghiệm Vật liệu Kết cấu xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải Các bu lông M14, cấp 46 xiết vừa đủ lực để không tạo ép chặt mức thép không để bu lông chịu lực kéo nên sử dụng dụng cụ cờ -lê mô men với mô men xác định 25 Ncm 2.3 Mơ hình thực nghiệm phương pháp gia tải Các mẫu thực nghiệm NT45-EXP NT60-EXP gia công kiểm tra kỹ lưỡng kích thước theo u cầu Hình Sau đó, mẫu thí nghiệm đặt nằm liên kết sàn cứng, với mục tiêu hạn chế ổn định mặt phẳng cho mẫu kết cấu Các mẫu liên kết với sàn cứng thông qua hai gối tạo liên kết ngàm vị trí đầu cột thể sơ đồ Hình triển khai Phịng thí nghiệm Hình Chi tiết bố trí thực nghiệm cho hai mẫu NT45-EXP NT60-EXP thể Hình Hình Lược đồ mơ hình thực nghiệm thiết lập cho liên kết NT60–EXP 189 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (04/2020), 186-195 Hình 3.Chi tiết cấu tạo thí nghiệm cho liên kết NT45 –EXP Tại vị trí gia tải, kích tay loadcell gắn với thép tạo phản lực, gia tải theo phương pháp khống chế lực phá hoại mẫu liên kết bị ổn định (Hình 2, 3) Thiết bị đo lực (load cell) gắn vào mặt dầm thép để đo giá trị lực tác dụng Thiết bị đo chuyển vị LVDT gắn vào bề mặt dầm, đầu LVDT1 đặt cố định vng góc với mẫu dầm để đo chuyển vị vị trí đầu dầm.Dụng cụ LVDT LVDT gắn mặt bụng dầm khu vực có liên kết bu lơng để xác định biến dạng cục (nếu có) liên kết trình thực nghiệm (Hình 3) 2.4 Kết thực nghiệm đánh giá Qúa trình gia tải mẫu thí nghiệm khơng cịn khả chịu lực.Trên Hình kết quan hệ Lực –Chuyển vị vị trí đặt lực P mẫu thực nghiệm NT45-EXP NT60-EXP Trạng thái phá hoại khả chịu lực mẫu NT45-EXP NT60-EXP thể ảnh Hình Hình6.Các số liệu kết thực nhiệm giới hạn chảy giới hạn bền mẫu thể Bảng Hình Kết quan hệ Lực-Chuyển vị mẫu NT45-EXP NT60-EXP 190 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 71, Số (04/2020), 186-195 Bảng Kết thực nghiệm mẫu liên kết Mẫu NT45-EXP NT60-EXP Tải trọng giới hạn chảy Py (kN) 14,2 17,2 (tăng 21,1% so với NT45-EXP ) Tải trọng giới hạn bền Pu (kN) 20,97 23,67 (tăng 12,8% so với NT45-EXP ) Hình 5.Trạng thái phá hoại chảy dẻo lỗ bu lơng mẫu NT45 –EXP Hình Trạng thái phá hoại chảy dẻo lỗ bu lông mẫu NT60-EXP Bảng cho thấy tăng khoảng cách bu lơng theo chiều dọc dầm khả chịu lực tăng theo Tỷ lệ tăng 21,1% 12,8% Py Pu so sánh kết thí nghiệm mẫu NT45-EXP NT60-EXP Sau thí nghiệm, chi tiết liên kết tháo rời để xem xét trạng thái phá hoại chi tiết liên kết Kết cho thấy trạng thái chảy dẻo xung quanh lỗ bu lông (tập trụng lỗ biên) cho hai mẫu rõ Hình mẫu NT45-EXP Hình mẫu NT60-EXP Kết thiết bị đo LVDT 2, (đo vị trí bụng dầm có bu lơng) cho thấy khơng có chuyển vị, nghĩa vị trí liên kết bụng dầm khơng bị ổn định biến dạng cục bộ.Đối với mã dày mm cho thấy mép lỗ khơng bị chảy (Hình 7) Hình 7.Bản mã mẫu NT60-EXP sau thực nghiệm không bị biến dạng 191 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (04/2020), 186-195 MƠ HÌNH HĨA BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN Để so sánh với kết thực nghiệm, mô hình phương pháp PTHH chương trình ABAQUS 6.12 mơ tương tự với mơ hình thực nghiệm.Hai mơ hình đặt tên NT45-FEM NT60-FEM [9, 10] 3.1 Mơ hình phần tử hữu hạn Hình Mơ hình PTHH cho liên kết NT45-FEM Do tính chất đối xứng kết cấu tải trọng nên nửa kết cấu mô phỏng, thể Hình Điều kiện biên đối xứng gán vào mặt đối xứng nút thép, tương ứng với mặt đối xứng bu lông mã Liên kết gia tải phương pháp không chế chuyển vị liên kết bị phá hoại bị ổn định Phần tử C3D8R thư viện vật liệu phần mềm ABAQUS sử dụng để rời rạc mơ hình dạng phần tử khối chiều, nút tuyến tính gán cho phần tử dầm thép nút thép chữ C, mã bu lơng Kích thước mắt lưới tổng thể mm, có số phần tử khu vực cục chia nhỏ mm (Hình 8) Mơ hình đàn hồi dẻo sử dụng để mơ tính chất vật liệu thép Mơ hình liên kết tổ hợp hồn chỉnh từ phần (parts) riêng lẻ thơng qua khai báo ràng buộc (constraint) thích hợp phần Các phần lắp ghép vị trí, tất mặt tiếp xúc với gán mơ hình tiếp xúc cứng (“hard” contact) Với mơ hình tiếp xúc cứng này, mặt tiếp xúc không truyền áp lực lên nhau, trừ mặt thụ động (slave surface) tương tác trực tiếp với mặt chủ động (master surface) Đồng thời, bề mặt xâm nhập (penetration) vào Mơ hình tiếp xúc phù hợp để thể tương tác thép với 192 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số (04/2020), 186-195 3.2.Kết tính tốn theo mơ hình PTHH Trên Hình thể hiện: Kết quan hệ lực tác dụng độ võng nhịp liên kết, phổ phân bố ứng suất Von-Mises theo mức tải trọng khác chuyển vị đầu dầm 100mm NT60-FEM Lực tác dụng tăng gần tuyến tính xuất vị trí thép bị chảy mức tải trọng 17,5 kN, vị trí cục khu vực mép lỗ bu lông Quan sát phổ phân bố ứng suất ta nhận thấy rằng, lỗ bu lông mã bị chảy dẻo trạng thái ép trồi, dẫn tới giảm yếu mã, làm giảm độ cứng liên kết Tại thời điểm lực tác dụng xấp xỉ 22,1 kN, thớ thớ mã, cánh cánh dầm chữ C xuất biến dạng chảy Hình Quan hệ Lực – Chuyển vị liên kết NT60- FEM trạng thái ứng xuất Von-Mises Khi độ võng đạt mức 100 mm, lực tác dụng đạt đến giá trị 27,3 kN, hầu hết tiết diện mã dầm thép chữ C bị chảy.Tại thời điểm này, dòng ứng suất xung quanh vị trí lỗ bu lơng dầm thép đạt đến giới hạn chảy Điều giải thích mép lỗ bu lơng bị chảy dẻo trước lực ép từ thân bu lông lên lỗ, dẫn đến bụng bị giảm yếu cánh chịu nén đạt tới giới hạn chảy.Tuy nhiên, mã có chiều dày mm chưa bị chảy 3.3 So sánh kết thực nghiệm với kết theo mơ hình phần tử hữu hạn + Đồ thị quan hệ Lực – Chuyển vị hai mẫu thực nghiệm NT45-EXP NT60-EXP so sánh với hai mơ hình tính theo phần tử hữu hạn NT45-FEM NT60-FEM tài liệu [9,10] so sánh Hình 10 cho thấy phù hợp + Các số liệu so sánh giới hạn chảy giới hạn bền tải trọng mô men uốn liên kết bu lông chịu uốn chịu cắt mẫu tính theo mơ hình PTHH thực nghiệm thể Bảng 193 Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue (04/2020), 186-195 Hình 10 So sánh kết lực- chuyển vị theo thực nghiệm PTHH Bảng So sánh kết mô hình PTHH thực nghiệm So sánh Mẫu Py (KN) Pu (KN) My- (KNcm) Mu-(KNcm) Mơ hình PTHH (ABAQUS) NT- 45 FEM 18,60 22,40 1674 2016 NT- 60 FEM 22,10 27,30 1989 2457 NT- 45 EXP 14,20 14,20 1278 1548 NT- 60 EXP 20,97 23,67 1887 2130 Thực Nghiệm + Đối với liên kết NT45-FEM NT60-FEM cho thấy khoảng cách tim bu lông 45 mm 60 mm > 3d = 42 mm nên trạng thái phá hoại liên kết dạng cắt dọc không xảy mà trạng thái dẫn đến chảy dẻo xung quang lỗ bu lơng ép trồi bụng (Hình 11) khiến bụng bị giảm yếu cánh chịu nén đạt dần đến giới hạn chảy dẫn đến liên kết bị phá hoại tải trọng tăng dần Qua quan sát mẫu sau thí nghiệm tháo rời chi tiết cho thấy trạng thái xuất tương tự mép lỗ quanh bu lông bụng (Hình 5, 11) Hình 11 So sánh biến dạng liên kết mép lỗ bu lơng + Từ kết trình bày Bảng cho thấy giới hạn chảy giới hạn bền 194 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 71, Số (04/2020), 186-195 tải trọng mô men uốn liên kết nút thép theo thực nghiệm nhỏ so với tính theo mơ hình PTHH từ 3,5 % đến 18,7 % KẾT LUẬN Trong phạm vi nghiên rút số kết luận sau: + Liên kết bu lông kết cấu TMTHN chịu đồng thời mô men lực cắt bị phá hoại xuất phát mô men uốn gây trước bị phá hoại lực cắt +Các kết tính tốn giới hạn chảy giới hạn bền tải trọng mô men uốn so sánh theo thực nghiệm PTHH đáng tin cậy, tương đồng phù hợp + Khi tăng khoảng cách bu lông từ 45 mm đến 60 mm giới hạn chảy giới hạn bền tải trọng mô men uốn tăng lên (tăng trung bình 32,4 %) + Đối với liên kết bu lơng có mã có chiều dày lớn chiều dày bụng có khả tăng độ cứng liên kết lỗ bu lông mã không bị phá hoại trước so với lỗ bu lông bụng dầm + Trong thiết kế tăng khoảng cách tim bu lơng theo phương dọc trục dầm có xu hướng tăng khả chịu mô men uốn, nhiên cần xem xét đến khả ổn định cục bụng vị trí khoảng cách hai bu lông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Australia/New Zealand Standard, Cold- formed steel structures.AS/NZS 4600:1996, Australia, 2005 https://www.standards.org.au/standards-catalogue/sa-snz/building/bd-082/as-slash-nzs 46001996 [2] BS 5950 Part 5, Code of practice for design of col-formed section, London, British Standards Institution, 1998 [3] Hancock, J Gregory998, Design of Cold form steel structures.Australia Institute of Steel Construction, 1998 [4] Đoàn Định Kiến, Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, NXB Xây dựng, 2011 [5] J B P Lim, D.A Nethercot, F.E.- assisted design of the eaves bracket of a cold- formed steel portal frame, Steel and Composite Structures, (2002) 411-428 https://doi.org/10.12989/scs.2002.2.6.411 [6] K.F Chung, L Lau, Experimental investigation on bolted moment connection in cold-formed steel beam-column sub frames, Proceedings of the Fifteenth International Specialty Conference on Cold-formed Steel Structures, Rolla, MO, USA, p 607-618, 2000 http://ira.lib.polyu.edu.hk/handle/10397/48333 [7] Đỗ Văn Bình, Nguyễn Huy Cường, Nghiên cứu ứng xử liên kết bu lông chịu mô men uốn kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, Báo cáo đề tài NCKH, Đại học GTVT, MS: T2016VKTXD-17, 2016 [8] Đỗ Văn Bình, Nguyễn Huy Cường, Nghiên cứu trạng thái giới hạn chịu uốn liên kết bu-lơng kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, 54 (2016) 8-13 http://repository.utc.edu.vn/handle/19999/7348 [9] Đỗ Văn Bình, Đỗ Văn Linh, Nghiên cứu trạng thái ứng xử chịu uốn chịu cắt đồng thời liên kết bu-lông cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội, Tạp chí Kết cấu Công nghệ Xây dựng, 28 (2018) trang [10] Đỗ Văn Bình, Nguyễn Huy Cường, Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ứng xử liên kết bu-lông chịu mô men uốn lực cắt kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, Báo cáo đề tài NCKH, Đại học GTVT, MS:T2018-XD-09, 2018 http://repository.utc.edu.vn/handle/19999/5715 195 ... 186-195 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU UỐN VÀ CẮT ĐỒNG THỜI TRONG KẾT CẤU THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI Đỗ Văn Bình Trường Đại học Giao thông... tăng khoảng cách bu lơng theo chiều dài liên kết giới hạn bền uốn tăng đáng kể Từ khóa: Thực nghiệm, liên kết bu lông, mã, chịu uốn chịu cắt đồng thời, thép thành mỏng, tạo hình nguội  2020 Trường... thực nghiệm ứng xử liên kết bu lông kết cấu thép TMTHN chịu uốn cắt đồng thời nhằm mục đích so sánh đánh giá với kết nghiên cứu theo PTHH Đồng thời nghiên cứu xem xét trạng thái giới hạn liên kết