Ứng dụng mô phỏng fem để xác định tỷ lệ các thông số trong liên kết nối ống thép tròn bằng mặt bích và bulông

Bài viết nhằm đưa ra những quy luật ứng xử của mối nối, đề xuất các thông số hợp lý của liên kết (mối quan hệ giữa chiều dày bản mã, đường kính bulông và chiều dày ống thép) trong trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời để đảm bảo kết cấu làm việc tốt và tiết kiệm vật liệu.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 30 KHOA HỌC KỸ THUẬT Ứng dụng mơ fem để xác định tỷ lệ thông số liên kết nối ống thép trịn mặt bích bulơng TRỊNH HỒNG VI Phân hiệu Đại học Đà Nẵng Kon Tum Việc nghiên cứu làm việc liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulông chịu kéo xoắn đồng thời chưa đề cập nhiều Ứng xử liên kết phức tạp Đã có số tác giả nghiên cứu vấn đề này, nghiên cứu dừng lại số vấn đề đơn giản, chưa mô hết làm việc thực tế liên kết Vì lí đó, nên tiêu chuẩn tiên tiến phổ biến Eurocode AISC khơng quy định tính tốn liên kết ống thép trịn vào nội dung Bài báo nhằm đưa quy luật ứng xử mối nối, đề xuất thông số hợp lý liên kết (mối quan hệ chiều dày mã, đường kính bulơng chiều dày ống thép) trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời để đảm bảo kết cấu làm việc tốt tiết kiệm vật liệu Từ khóa: Mặt bích, Lực kéo bulơng , Mối nối ống thép, Cơ chế phá hoại mối nối Đặt vấn đề Việc tính tốn thiết kế mối nối ống thép trịn đối đầu dùng mặt bích bulơng cường độ cao chịu tác dụng đồng thời lực kéo xoắn phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ kích thước thơng số như: Chiều dày mặt bích, đường kính bulơng chiều dày ống thép Qua số nghiên cứu trước ta thấy cấu kiện ống thép dạng trịn liên kết nối đối đầu dùng bulơng mặt bích ngồi đề cập nghiên cứu kỹ làm việc chịu tác nhân đồng thời Ngay tài liệu quy chuẩn thiết kế mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn Eurocode 3(part 18) AISC nhắc đến tính tốn khảo sát cấu kiện cách sơ sài tác động riêng lẽ thiết kế dựa tính tốn giống liên kết cấu kiện dạng liên kết T-Stub Hiện nay, giới, nhà khoa học đưa nhiều lý thuyết tính tốn đường quan hệ lực dọc bulông lực kéo cấu kiện chưa đưa mối quan hệ kích thước hợp lý đường kính bulơng, mặt bích ống thép Vì vậy, nghiên cứu mơ ứng xử mối nối ống thép sử dụng mặt bích bulơng cường độ cao phần mềm Abapus, xem xét mơ hình phá hoại kiến nghị tỷ lệ kích thước hợp lý cho đường kính bulơng, chiều dày mặt bích ống thép Cơ sở lý thuyết 2.1 Ứng suất Von-Mises Ứng suất Von – Mises thuyết bền phổ biến dùng để đánh giá độ bền kết cấu phân tích CAE Cơng thức tính ứng suất Von – Mises σ1, σ2, σ3 ứng suất 2.2 Mơ hình đường đoạn Schmidt-Neuper Có nhiều mơ hình khác liên kết mặt bích nghiên cứu suốt năm qua Phương pháp chung dựa nghiên cứu Petersen, mà sau phát triển Seidel Bulông ứng lực trước kết ống thép trịn sử dụng mặt bích bulơng cường độ cao thường bị mỏi Để xác định ứng lực kéo bulông ứng lực trước, Schmidt-Neuper đề xuất biểu đồ quan hệ lực kéo lực dọc bulơng Hình 1: Biểu đồ quan hệ lực kéo lực dọc bulông Schmidt – Neuper 2.2 Mơ hình Seidel Seidel (2001) đề xuất đường đặc trưng biểu diễn quan hệ phi tuyến ngoại lực lực dọc bulơng (hình 4) Vùng (Range 1): Chưa xuất biến dạng, ngoại lực tác dụng giới hạn ứng lực nén trước bulông Vùng (Range 2): Khe hở bắt đầu phát triển Vùng (Range 3): Liên kết hở với độ hở phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng Vùng (Range 4) : Xuất vùng chảy dẻo bulông và/hoặc mã liên kết bị phá hoại Hình 2: Quan hệ phi tuyến ngoại lực lực dọc bulông 2.3 Mơ hình phá hoại Petersen đề xuất Ba mơ hình phá hoại Petersen Mơ hình phá hoại 1: Bản mã đủ độ dày, khơng có biến dạng xuất mơ hình Có nghĩa lực kéo mã ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, lực dọc bulông vượt giới hạn cho phép liên kết bị phá hoại Mơ hình phá hoại 2: Lực dọc bulông đạt giới hạn cho phép, đồng thời khớp dẻo xuất mã Mơ hình phá hoại 3: Bản mã q mỏng, phá hoại xảy mã Hình 3: Ba mơ hình phá hoại Petersen liên kết T-stub Mô liên kết mối nối ống thép trịn dùng mặt bích bulơng fem 3.1 Vật liệu sử dụng Bảng 1: Thông số vật liệu đầu vào Tên Bulơng Vật liệu Mặt bích M20, F10T SM400 Khối lượng riêng 7,850 T/m3 =7850kg/ m3 7,850 T/m3=7850kg/ m3 Giới hạn bền kéo 9x105 kN/m2=90daN/mm2 2,55x105kN/m2=25.5 daN/mm2 0,3 0,3 0,053 kJ/m.s.oC - 1,2x10-5 - Hệ số Poisson Hệ số dẫn nhiệt Độ giãn nở nhiệt 3.2 Phương pháp phân tích 3.2.1 Bước tiến hành Mơ hình liên kết đơn lẻ bu lơng mặt bích dạng chữ L + Kiểm tra ứng xử từ kết mô với chế phá hủy đề xuất Petersen (1990) mối quan hệ phi tuyến lực dọc bu lông lực kéo thân ống thép đề xuất Seidel (2001) Bước 31 SỐ 03 NĂM 2018 KHOA HỌC KỸ THUẬT Mơ hình tồn mối nối liên kết + Khảo sát ứng xử tồn bu lơng mặt bích mối nối làm việc chung + Đề xuất tỷ lệ kích thước cho thơng số chiều dày ống thép, chiều dày mặt bích đường kính bu lơng Bước TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT 3.2.2 Điều kiện biên Điều kiện biên dùng để khống chế yếu tố để mơ hình làm việc thực tế Ở tác giả khống chế điều kiện biên chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, lực phân bố,… 3.2.3 Ứng lực trước cho bulông Để tạo lực xiết ban đầu bulông tác giả sử dụng phương pháp làm lạnh bulông đến nhiệt độ định để tạo ứng suất kéo ban đầu thiết kế Tv=0,7 y.Ae 3.2.4 Hệ số ma sát Ở sử dụng hệ số ma sát thép - thép 0,5 3.3 Mô mô hình liên kết bulơng mặt bích (phần tử dạng L) kiểm chứng với sở lý thuyết 3.3.1 Mơ hình Hình 4: Mơ hình bulơng, mặt bích liên kết chữ L Abaqus Hình 5: Mơ hình phần tử dạng chữ L Hình 6: Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L 3.3.2 Kết phân tích liên kết L Hình 7: Quan hệ lực dọc Tp bulông lực kéo Ts so sánh với biểu đồ SchmidtNeuper Qua mối quan hệ giữ lực TP Ts kết mô Chúng ta tìm giống kết phân tích với biểu đồ Schmidt-Neuper, biểu đồ Seidel, mơ hình phá hoại Pertersen Như vậy, khẳng định tính đắng mơ hình Abaqus mà tác giả sử dụng 3.4 Mô mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn dùng bulơng mặt bích ngồi chịu kéo xoắn đồng thời Bảng 2: Bảng kích thước mẫu ống mơ Mẫu Đ.kính ống dixti (mm) C.dày mặt bích (mm) Đ.kính bulông (mm) Số lượng bulông tối thiểu 165.2x4 16 20 267.4x6.0 25 355.6x9.5 32 e1 (mm) e1 (mm) 40 30 22 10 40 35 24 18 45 40 Hình 8: Mơ hình ống thép chịu kéo xoắn đồng thời 3.4.1 Trường hợp mô ống nhỏ 165.2x4 3.4.1.1 Chọn kích thước hợp lý cho trường hợp chịu kéo Hình 9: Qui trình thực mơ kéo Hình 10: Chọn chiều dày mặt bích hợp lý Hình 11: Chọn chiều dày ống thép hợp lý Hình 12: Biểu đồ ứng suất Bulông ống thép trường hợp Như vậy: Với trường hợp kích thước: ds =20 mm, tf =20 mm ; ti=6 mm Mô hình ống thép chịu kéo phá hoại theo mơ hình (Pentersen) Từ tác giả tìm kích thước sơ cho việc khảo sát liên kết nối ống thép tròn trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời bên 33 SỐ 03 NĂM 2018 KHOA HỌC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 34 KHOA HỌC KỸ THUẬT 3.4.1.2 Trường hợp mơ ống nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời Hình 13: Qui trình mơ kéo xoắn Hình 14: Mẫu nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời Hình 15: Chọn chiều dày ống thép Hình 16: Biểu đồ ứng suất Bulông ống thép trường hợp Kết luận: Với tỷ lệ kích thước: (0.8