Bài viết này làm tiền đề cho việc xây dựng các quy chuẩn về lựa chọn kích thước hợp lý cho liên kết nối ống thép tròn phù hợp với từng yêu cầu sử dụng trong những điều kiện làm việc khác nhau. Bên cạnh đó nghiên cứu cũng góp phần vào việc xây dựng bộ tiêu chuẩn về thiết kế liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 Bài Nghiên cứu Open Access Full Text Article Mô ứng xử đánh giá tỷ lệ tiết diện hợp lý liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulơng chịu uốn cắt đồng thời phân tích FEM Nguyễn Trọng Vinh1,* , Lê Anh Tuấn2 TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Khoa Kiến trúc, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế, 77 Nguyễn Huệ, Thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế Với nhiều ưu điểm vượt trội nên nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày sử dụng rộng rãi tất loại cơng trình Để đáp ứng phát triển mạnh kết cấu ống thép trịn 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 toán 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 sử dụng mô FEM cho liên kết nối ống thép sử dụng mặt bích bulơng với nhiều thay đổi khác kích cỡ ống (cỡ nhỏ, cỡ trung, cỡ lớn) kích thước chiều dày mặt bích, đường kính bulơng, chiều dày ống thép nhằm rút quy luật quan hệ kích thước Kết nghiên cứu đưa quy luật ứng xử liên kết nối ống thép trịn 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) Nghiên cứu làm tiền đề cho việc xây dựng quy chuản lựa chọn kích thước hợp lý cho liên kết nối ống thép tròn phù hợp với yêu cầu sử dụng điều kiện làm việc khác Bên cạnh nghiên cứu góp phần vào việc xây dựng tiêu chuẩn thiết kế liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulơng Từ khố: Ống thép trịn, mặt bích, bulơng cường độ cao, uốn cắt đồng thời, chế phá hủy Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, 54 Nguyễn Lương Bằng, Quận Liên Chiểu, Đà Nẵng Liên hệ Nguyễn Trọng Vinh, Khoa Kiến trúc, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế, 77 Nguyễn Huệ, Thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế Email: vinhx1b@gmail.com Lịch sử • Ngày nhận: 03/1/2018 • Ngày chấp nhận: 20/12/2018 • Ngày đăng: 31/12/2019 DOI : 10.32508/stdjet.v2i4.714 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license ĐẶT VẤN ĐỀ Với nhiều ưu điểm vượt trội nên nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày sử dụng rộng rãi tất loại cơng trình từ cơng trình dân dụng, cơng nghiệp cơng trình cầu đường hạ tầng kỹ thuật Để đáp ứng phát triển mạnh kết cấu ống thép trịn rỗng có nhiều nghiên cứu tính tốn liên kết loại kết cấu Tuy nhiên liên kết nối đối đầu bulơng mặt bích ngồi đề cập nghiên cứu kỹ đa số nhắc đến tính toán khảo sát cấu kiện cách sơ sài thiết kế dựa tính toán giống liên kết cấu kiện dạng liên kết TStub Nhưng theo quan điểm thiết kế khảo sát qua số phá hoại xảy mối nối loại nhận thấy bulông làm việc hỗ trợ với theo hướng, phân bố ứng suất bulông mặt bích phân phối lại, ứng xử chúng khác nhiều so với kiểu T- stub truyền thống Ngoài tiêu chuẩn tiên tiến “Eurocode Châu Âu hay “AISC 360-10 thiết kế kết cấu thép Mỹ số nghiên cứu tác giả đề cập đến trường hợp chịu lực đơn giản khảo sát tách biệt (kéo túy, nén túy, uốn túy) mà bỏ qua khảo sát chịu lực phức hợp, đồng thời như: nén uốn đồng thời, kéo uốn đồng thời, cắt uốn… dẫn đến việc nắm bắt chưa hoàn toàn quy luật ứng xử loại mối nối đặc biệt Vì vậy, báo mô ứng xử liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulơng chịu uốn cắt đồng thời kiến nghị tỷ lệ kích thước hợp lý cho đường kính bulơng, mặt bích ống thép MỤC TIÊU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mục tiêu + Mô ứng xử liên kết nối ống thép sử dụng mặt bích bulơng + Bằng việc thay đổi thơng số kích thước liên kết để tìm quy luật ứng xử mối quan hệ Trích dẫn báo này: Vinh N T, Tuấn L A Mô ứng xử đánh giá tỷ lệ tiết diện hợp lý liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulơng chịu uốn cắt đồng thời phân tích FEM Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 2(4):288-305 288 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 đại lượng + Đưa tỷ lệ kích thước hợp lý cho liên kết nối ống thép điều kiện chịu lực uốn cắt đồng thời Mơ hình Seidel Seidel nghiên cứu nhận thấy quan hệ ngoại lực lực dọc bulông quan hệ phi tuyến Hình - Vùng 1: Chưa xuất biến dạng, ngoại lực tác dụng giới hạn ứng lực nén trước bulông - Vùng 2: Khe hở bắt đầu phát triển - Vùng 3: Liên kết hở với độ hở phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng - Vùng 4: Xuất vùng chảy dẻo bulông và/hoặc mã liên kết bị phá hoại Mơ hình phá hủy Petersen đề xuất Petersen sử dụng nghiên cứu thực nghiệm phá hủy liên kết bulông mã rút kiến nghị: Sự phá hủy liên kết xảy bulơng, mã, xảy đồng thời bulông mã Đó gọi mơ hình phá hủy Petersen (Hình 2) - Mơ hình phá hủy 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 hủy 2: Lực dọc bulơng đạt giới hạn cho phép, đồng thời khớp dẻo xuất mã - Mơ hình phá hủy 3: Bản mã mỏng, phá hoại xảy mã Mơ hình đường đoạn Schmidt-Neuper (Hình 3) Cơng thức đánh giá Schmidt - Neuper sau: T + pT v s Ts ≤TsI sI T v + pTsI + (λ TsII − Tv − pTsI ) TTsIIs −T TP = −TsI (∗) λ Ts TsII < Ts (∗)Tsi < Ts < TsII (1) Trong đó: TsI = Tv e−0.5g e+g TsII = Tv λq (2) π Eds2 8tF (7) Cc = (8) + C f Cw { C f = 2tEF π4 (dw2 + dh2 ) √ (9) dw )[( 2tDF 2dw )2 − 1]} + π dw (DA − A π E(d −d ) wo wi (10) Cw = 4tw Các đại lượng: T p : Lực dọc bulông Ts : Lực kéo tác dụng vào cấu kiện No : Lực kéo thiết kế bulông Tv : Lực kéo ban đầu bulông e: Khoảng cách từ đầu mã đến tâm bulông g: Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mã Cb : Hệ số lò xo kéo bulơng Cc : Hệ số lị xo nén mã p: Tỷ số nội lực ngoại lực l: Hệ số cân y : Giới hạn đàn hồi bulơng 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 bulơng dw : Đường kính bề mặt chịu lực ép dh : Đường kính lỗ bulơng dwo : Đường kính ngồi vịng đệm dwi : Đường kính vòng đệm tF : Độ dày dầm tw : Độ dày vòng đệm E: Modun đàn hồi thép DA : Bước ren bulông PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ BÌNH LUẬN Đặc trưng vật liệu sử dụng (Bảng Hình 4) Phương pháp phân tích Lắp ráp Mơ hình phần tử hữu hạn định nghĩa đối tượng Việc tổ chức mơ phù hợp với mơ hình tạo chương trình, đồng thời cho phép tái sử dụng phần tử định nghĩa để tạo mơ hình lớn phức tạp (3) Tv = No = 0.75.δy Ae q = 1− p b p = CbC+C (5) c g λ = + 0.7e (6) 289 Cb = (4) Điều kiện biên Điều kiện biên dùng để biến bản: chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, lực phân bố… Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Cơng nghệ, 2(4):288-305 Hình 1: Quan hệ phi tuyến ngoại lực ( Ts) lực dọc bulông (Tp) Hình 2: Ba mơ hình phá hủy Petersen Hình 3: Biểu đồ quan hệ lực kéo lực dọc bulông Schmidt - Neuper đề xuất Bảng 1: Đặc trưng vật liệu Bulông Ống thép Vật liệu F10T bulông cường độ cao STK400 Khối lượng riêng 7,850 T/m3 7,850 T/m3 Giới hạn bền kéo 9x105 kN/m2 2,55x105 kN/m2 Hệ số Poisson 0,3 0,3 Hệ số dẫn nhiệt 0,053 kJ/m.s.oC - Độ giãn nở nhiệt 1,2x10-5 - 290 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 Hình 4: Đặc trưng bulơng, mặt bích ống thép Ứng lực trước cho bulơng Kết phân tích Chúng ta phân tích giai đoạn - Giai đoạn 1: Đặt ứng lực trước cho bulông đạt lực hướng tâm ban đầu phương pháp chuyển vị thay đổi nhiệt độ (Couple temperature-displacement) Có nghĩa bulơng khơng ứng lực trước thơng thường mà hạ nhiệt độ Vì nút hai đầu bulông gắn liền với mặt bích nên hạ nhiệt độ, bulơng tự tạo ứng lực trước Bằng nhiều lần thử nghiệm làm lạnh bulơng bulông đạt lực hướng tâm ban đầu Trong báo này, lực hướng tâm ban đầu định nghĩa công thức: Tv = 0, 7.δy Ae - Giai đoạn 2: Giữ nguyên lực hướng tâm ban đầu bulông đặt lực kéo Ts cho dầm cách khai báo chuyển vị Phương pháp dùng để biểu diễn phân tích nhiệt học Phân tích nhiệt học phép tính toán phi tuyến mà chuyển vị nhiệt độ tương thích Theo cách này, hành động tương phản nhiệt độ dựa chuyển vị chuyển vị dựa nhiệt độ đưa vào tính tốn Sự ảnh hưởng nhiệt độ lên chuyển vị tính tốn dựa vào độ giãn nở nhiệt khơng có truyền nhiệt bulơng mặt bích Với kết phân tích phần tử hữu hạn (Hình 7) ta có đường quan hệ lực dọc bulông lực kéo Từ kết phân tích so sánh với biểu đồ Schmidt-Neuper biểu đồ Seidel chúng có chỗ uốn cong gần giống Bước phân tích thứ đặt lực ứng lực trước Tv = 197,92 kN phương pháp nhiệt độ-chuyển vị (couple temperature-displacement), bước phân tích thứ hai bắt đầu sau lực kéo đạt giá trị lực ứng lực trước bulông Trong giai đoạn đầu, lực kéo tăng nhanh lực dọc bulơng tăng chậm, điều có nghĩa lực kéo xảy đầu dầm dùng để vượt qua lực ứng lực trước bulông Trên biểu đồ, giai đoạn biểu diễn quan hệ lực dọc bulông lực kéo cấu kiện theo kiến nghị Seidel Chúng ta tìm giống kết phân tích với biểu đồ ScmidtNeuper, biểu đồ Seidel Như vậy, kết phân tích mơ hình Abaqus mà tác giả sử dụng đáng tin cậy, từ ta tiến hành mơ cho tồn liên kết để phân tích Các thơng số Bảng Hệ số ma sát Hệ số ma sát khai báo cho bề mặt tiếp xúc; mặt thép, mặt bulông- mặt thép, mặt thân bulông- mặt lỗ Hệ số ma sát thép-thép 0,5 Mô phần tử dạng chữ L để kiểm chứng Mơ hình Đặt ứng lực trước cho bulông đạt lực hướng tâm ban đầu theo công thức: Tv = 0, 7.δy Ae =197,92kN Dùng phần mềm Abaqus tạo mơ hình bulơng (F10T) mơ hình thép Hình Mơ hình phần tử hữu hạn dạng chữ L Hình 291 Mơ mối nối liên kết đối đầu ống thép trịn dùng bulơng mặt bích ngồi chịu uốn cắt đồng thời Các mơ hình mơ trường hợp chịu uốn cắt đồng thời theo thơng số Bảng Hình Trường hợp mơ ống nhỏ 114,3x3,5 Nhận xét: - Hình 9: ta thấy ứng với số gia 28, ứng suất mặt bích đạt giới hạn chảy ứng suất bulông chưa đạt đến giới hạn chảy, mặt bích q mỏng (tương ứng với Mơ hình phá hủy Petersen) - Hình 10: ta thấy ứng với số gia 28, ứng suất bulông đạt đến giới hạn chảy ứng suất mặt bích gần đạt giới hạn chảy (tương ứng với Mơ hình phá hủy Petersen) Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 Hình 5: Mơ hình bulơng thép Abaqus Hình 6: Mơ hình phần tử dạng chữ L trước sau phân tích Hình 7: Quan hệ lực dọc T p bulông lực kéo Ts phần tử dạng chữ L Bảng 2: Đặc trưng hình dạng bulơng Đặc trưng hình dạng bulơng Giá trị (mm) Khoảng cách từ đầu mã đến tâm bulông e 30 Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mã g 41,75 Đường kính thân bulơng ds 20 Độ dày dầm tF 16 Đường kính bề mặt chịu lực ép dw 29 Đường kính lỗ bulơng dh 23 Chiều dài ren DA 2,5 Đường kính ngồi vịng đệm dwo 40 Đường kính vịng đệm dwi 21 Độ dày vịng đệm tw 4,5 292 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 Bảng 3: Hằng số đàn hồi TSI , TSII Các đại lượng Giá trị Đơn vị Hệ số cân λ Hệ số lò xo kéo bulơng Cb 206167 daN/m Hệ số lị xo nén mã C f -6944639 daN/m Hệ số lò xo nén vòng đệm Cw 1323134 daN/m Hệ số lò xo nén mã Cc 731225 daN/m Tỷ số nội lực ngoại lực p 0,22 TsI 2517 TsII 8491 (daN) daN Bảng 4: Bảng kích thướt mẫu ống mơ STT Đường kính ống Dxt p (mm) Chiều dày mặt bích tF (mm) Đ kính bulông ds (mm) Số lượng bulông e1 (mm) e2 (mm) 114,3x3,5 16 20 40 30 267,4x6,0 25 22 10 40 35 406,4x12,7 36 24 26 45 40 Hình 8: Mơ hình ống thép chịu uốn cắt đồng thời Hình 9: ONHO - Trường hợp uốn cắt đồng thời với tF =20mm, ds = 20mm (tF /ds =1,00) 293 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 Hình 10: ONHO- Trường hợp uốn cắt đồng thời với tF =22mm, ds = 20mm (tF /ds =1,10) Hình 11: ONHO- Trường hợp uốn cắt đồng thời với tF =25mm,ds = 20mm (tF /ds =1,25) Hình 12: ONHO- Trường hợp uốn cắt đồng thời với tF =28mm, ds = 20mm (tF /ds =1,40) 294 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Kĩ thuật Công nghệ, 2(4):288-305 - Hình 11: ta thấy ứng với số gia 29, ứng suất mặt bích bulơng đồng thời đạt giới hạn chảy (tương ứng với Mơ hình phá hủy Petersen) - Hình 12: ta thấy ứng với số gia 26, ứng suất bulông đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích chưa đạt đến giới hạn chảy, mặt bích dày (tương ứng với Mơ hình phá hủy Petersen) Vậy với trường hợp ống nhỏ chịu uốn cắt đồng thời, 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: 1,00< tF /ds < 1,40 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 =22mm), đường kính bulơng (ds = 20mm) kích thước e1 =40mm e2 =30mm Với mẫu ta xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất bulông với mã thành ống trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, kết thể từ Hình 13 đến Hình 16 Nhận xét: - Hình 13: Ta thấy ứng với số gia 27, ứng suất ống thép đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích bulơng chưa đạt đến giới hạn chảy, ống thép mỏng - Hình 14: Ta thấy ứng với số gia 30, ứng suất ống thép gần đạt giới hạn chảy ứng suất mặt bích bulơng đồng thời đạt đến giới hạn chảy -Hình 15: 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, ống thép dày - Hình 16: Ta thấy ứng với số gia 27, 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 nhỏ là: 1,25< t f /ds < 1,50; 0,40