Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn chịu uốn cắt kéo uốn sử dụng mặt bích và bu lông

Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình Một trong những liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên kết sử dụng mặt bích và bulông Việc nghiên cứu về sự làm việc đồng thời của bu lông mặt bích và ống thép chưa được đề cập nhiều trong các thiết kế Do đó trong thực tế đã xảy ra những sự cố phá hoại tại liên kết này nhiều nguyên nhân là do chưa xét tác dụng đồng thời của tải trọng mà chỉ xét các yếu tố tác dụng đơn thuần Nghiên cứu đã đưa ra những quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông trong trường hợp chịu uốn cắt đồng thời từ đó 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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRỊNH VĂN THAO

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC

CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU UỐN-CẮT, KÉO-UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KĨ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRỊNH VĂN THAO

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC

CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU UỐN-CẮT, KÉO-UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng – Năm 2019

Với những kiến thức tích lũy được trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của Ban Giám Hiệu nhà trường, của Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp cùng quý thầy cô và với sự quyết tâm của bản thân, đến nay, tôi

đã hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình

Với lòng biết ơn và trân trọng, tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như nghiên cứu, thực hiện hoàn thành luận văn này Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Anh Tuấn đã quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn, giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ

Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn của tôi không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn của tôi hoàn chỉnh hơn và khả năng đưa vào sử dụng thực tế hiệu quả hơn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc Kính chúc Nhà trường, Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đạt được nhiều thành công hơn nữa trong thời gian đến

Đà Nẵng, ngày 19 tháng 05 năm 2019

Tác giả luận văn

Trịnh Văn Thao

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3

4 Phương pháp nghiên cứu: 3

5 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI LIÊN KẾT ỐNG THÉP TRÒN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI LIÊN KẾT ỐNG THÉP TRÒN 5

1.1.1 Sơ lược về kết cấu sử dụng ống thép tròn 5

1.1.2 Sơ lược về mối nối liên kết ống thép tròn 6

1.1.2.1.Trên thế giới 6

1.1.2.2.Tại Việt Nam 12

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MỐI NỐI 13

1.2.1 Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông 13

1.2.1.1.Sự làm việc của liên kết bulông 13

1.2.1.2.Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông 14

1.2.1.3.Sự làm việc chịu trượt 15

1.2.1.4.Sự làm việc chịu kéo 16

1.2.2 Một số mô hình phá hủy 17

1.2.2.1.Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất 17

1.2.2.2.Mô hình của Seidel 19

1.2.2.3.Nghiên cứu của Schmidt-Neuper 19

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐƯA RA ĐÁNH GIÁ CHO TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT 23

2.1 CÁC THÔNG SỐ CHUNG SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH ([5], [6], [7]) 23

2.1.1.Đặc trưng vật liệu sử dụng 23

2.1.2.Phương pháp phân tích mô hình 24

2.1.2.1.Lắp ráp 24

2.1.2.2.Điều kiện biên 24

2.1.2.4.Hệ số ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc 25

2.2 MÔ PHỎNG PHẦN TỬ DẠNG L ĐỂ KIỂM CHỨNG 25

2.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT 27

2.3.1.Mô phỏng mối nối chịu uốn - cắt đồng thời ([5]) 27

2.3.1.1.Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 114.3x3.5 27

2.3.1.2.Trường hợp mô phỏng ống trung 267.4x6.0 29

2.3.1.3.Trường hợp mô phỏng ống lớn 406.4x12.7 31

2.3.2.Mô phỏng mối nối chịu kéo – uốn đồng thời ([6]) 34

2.3.2.1.Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 139.8x4 34

2.3.2.2.Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 267.4x6 35

2.3.2.3.Trường hợp mô phỏng ống lớn 406.4x9.5 36

2.3.3.Mô phỏng mối nối chịu kéo – xoắn đồng thời ([7]) 37

2.3.3.1.Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 165.2x4 37

2.3.3.2.Trường hợp mô phỏng ống trung 267.4x6.0 38

2.3.3.3.Trường hợp mô phỏng ống lớn 355.6x9.5 39

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH ĐỐI CHIẾU 42

3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 42

3.1.1.Thiết kế mẫu thí nghiệm 42

3.1.2.Chế tạo mẫu thí nghiệm 44

3.1.3.Thiết bị thí nghiệm 47

3.1.3.1.Strain gauges: 47

3.1.3.2.Cảm biến đo chuyển vị LVDT 47

3.1.3.3.Máy bơm dầu 48

3.1.3.4.Kích thủy lực 48

3.1.3.5.Load cell 49

3.1.3.6.Thước kẹp diện tử: 49

3.1.4.Thiết lập, bố trí thí nghiệm 49

3.1.4.1.Sơ đồ bố trí Strain gauges và Cảm biến đo chuyển vị LVDT 49

3.1.4.2.Tính toán lực siết bu lông 51

3.1.4.3.Thiết lập thí nghiệm 52

3.2.1.Mô tả kết quả thí nghiệm 58

3.2.2.Thí nghiệm nén trượt ren bu lông 63

3.2.3.Đánh giá kết quả đo 63

3.2.3.1.Đánh giá về mặt định tính 63

3.2.3.2.Đánh giá về mặt định lượng 63

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU UỐN-CẮT, KÉO-UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG Học viên: Trịnh Văn Thao Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số: 8580201 Khóa: 34 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN

Tóm tắt - Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn

rỗng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình Một trong những liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên kết sử dụng mặt bích và bulông

Việc nghiên cứu về sự làm việc đồng thời của bu lông, mặt bích và ống thép chưa được đề cập nhiều trong các thiết kế Do đó trong thực tế đã xảy ra những sự cố phá hoại tại liên kết này, nhiều nguyên nhân là do chưa xét tác dụng đồng thời của tải trọng

mà chỉ xét các yếu tố tác dụng đơn thuần

Nghiên cứu đã đưa ra những quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông trong trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, từ đó 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)

Từ khóa - ống thép tròn;Mặt bích; bulông cường độ cao; chịu uốn cắt đồng thời; chịu

kéo uốn đồng thời, chịu kéo xoắn đồng thời

STUDYING EXPERIMENTAL WORKING OF THE TUBULAR STEEL JOINTS USING FLANGES AND BOLTS IN THE CASE OF: CONCURRENT SHEAR FORCE AND BENDING; CONCURRENT TENSION AND BENDING

Abstract – With many advantages, nowadays, the structure using tubular steel

structure is more and more widely used in all kinds of construction Joints using flanges and bolts is used most popular in tubular structure

Survey of work at the time of Bolts, Flange and steel pipe have not been mentioned much so that in fact did happen the destructive incidents in this connect, many causes

is not considering the effect pf the load at the same time that just the simple effects element

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; concurrent tension and bending; concurrent tension and twisting

Ae Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích

Cb Hệ số lò so kéo của bulông

dwi Đường kính trong của vòng đệm

dwo Đường kính ngoài của vòng đệm

E Modun đàn hồi của thép

e Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông

FP Lực dọc cho phép trong bulông

Fyf Giới hạn chảy của vật liệu làm bản cột chia cho 1,1

Fys Giới hạn chảy của vật liệu bản dầm chia cho 1,1

G Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mặt bích

Md Độ bền kéo của lỗ bulông trên 1 đơn vị độ rộng, 2

No Lực kéo thiết kế của bulông

p Tỷ số giữa nội lực và ngoại lực

Tf Lực kéo ngắn hạn cho phép

Tf2 Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 2 của Petersen

Tf3 Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 3 của Petersen

Tp Lực dọc trong bulông

Ts Lực kéo tác dụng vào cấu kiện

trung

CHS Circle hollow sections

HSS Hollow steel sections

RHS Rectangular hollow sections

Số hiệu Tên bảng Trang

3.2 Chuyển vị của cột tại độ cao 1.55m ứng với các cấp tải trọng 58

3.3 Khoảng hở của mặt bích tại vị trí bu lông ứng với các cấp tải

3.4 Ứng suất trông ống thép và bu lông ứng với các cấp tải trọng 67

Số hiệu Tên hình Trang

1.1 Các mối nối sử dụng trong công trình dân dụng và công nghiệp 5 1.2 Các mối nối sử dụng trong tháp truyền hình, tháp truyền tải điện 6

1.6 Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H trích từ

1.8 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn trích [9, trang 148] 11 1.9 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn trích [9, trang 150] 11 1.10 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment trích [9,

1.11 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết chịu moment trích [9,

1.13 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát 15

1.16 Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông 19 1.17 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông do Schmidt

2.4 Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo Ts trong phần tử

2.6 ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=20mm, ds= 20mm (tF/ds

2.30 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong mặt bích và bulông khi mối nối

2.31 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong ống thép và bulông khi mối nối

2.32 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong mặt bích và bulông khi mối nối

2.33 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong ống thép và bulông khi mối nối

2.34 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong mặt bích và bulông khi mối nối

2.35 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong ống thép và bulông khi mối nối

2.36 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong ống thép , mặt bích và bulông khi

2.37 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong ống thép , mặt bích và bulông khi

2.38 Biểu đồ quan hệ ứng suất trong ống thép, mặt bích và bulông khi

3.5 Kiểm tra chi tiết mặt bích 1&2 và bu lông 10.9 M20 45

3.14 Sơ đồ bố trí Strain gauges và Cảm biến đo chuyển vị LVDT trên

3.17 Dựng hệ dàn lắp cảm biến đo chuyển vị LVDT và lắp các thiết bị 54

3.24 Nối thiết bị, thiết lập đồng hồ đo lực, chuyển vị, biến dạng 57

3.27 Mẫu bi phá hoại do trượt ren ở bu lông phía dưới ở cấp tải

3.30 Kiểm tra khoảng hở giữa 2 mặt bích tại các vị trí bu lông 62

3.34 vị trí các bu lông trên mặt bích 65

3.36 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng của mẫu thí nghiệm tại LH1 69 3.37 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng của mẫu thí nghiệm tại LH2 69

3.45 Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí khảo sát trên ống thép 73 3.46 Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí khảo sát trên mặt bích 74 3.47 Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí trên mặt bích, ống thép, bu

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Trong thực tiễn xây dựng hiện nay, ống thép tròn được sử dụng phổ biến cho nhiều loại kết cấu khác nhau như làm thanh biên của tháp truyền hình, tháp truyền tải điện, cần trục tháp, …

Hình 0.1 Tháp truyền tải điện cao 380m tại Trung Quốc (Nguồn internet)

Để tạo ra những khẩu độ lớn đáp ứng từng yêu cầu thì các ống thép này được nối lại với nhau Có nhiều loại mối nối có thể được sử dụng như mối nối hàn, sử dụng mặt bích ren, nối bằng mặt bích sử dụng bu lông cường độ cao…

Hình 0.2 Một số hình ảnh mối nối ống thép tròn bằng mặt bích (Nguồn internet)

Tuy nhiên trên thực tế, có nhiều sự cố tai nạn liên quan đến công trình thép sử dụng thép ống liên kết mặt bích Nguyên nhân là do chưa xét tác dụng đồng thời của nhiều yếu tố ngoại lực mà chỉ xét các yếu tố tác dụng đơn thuần và sự tính toán chưa thấu đáo các liên kết này…

Hình 0.3 Một số hình ảnh công trình bị phá hoại tại mặt bích (Nguồn internet)

Ứng xử của liên kết này khá phức tạp, đặc biệt là khi chịu các loại tải trọng phức hợp, thiên tai (động đất, gió bảo)…Tại vị trí mối nối đồng thời xuất hiện nhiều thành phần nội lực: Kéo (nén), mô men uốn, mô men xoắn, lực cắt

Trước luận văn này, đã có một số tác giả nghiên cứu lý thuyết, đề ra phương pháp tính toán tại vị trí mối nối này khi chịu tác dụng đồng thời của nhiều thành phần nội lực:

- Nguyễn Trọng Vinh, Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng

mặt bích và bulông chịu uốn và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

- Phan Công Bàn, Nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử dụng

mặt bích và bu lông chịu kéo (nén) uốn đồng thời, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách

Khoa Đà Nẵng

- Trịnh Hồng Vi, Khảo sát sự làm việc chịu xoắn hoặc kéo xoắn đồng thời của

liên kết nối ống thép tròn dùng mặt bích và bu lông, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách

Khoa Đà Nẵng

Nhưng nó là nhiều nghiên cứu rời rạc và chưa có sự tổng hợp lại các kết quả nghiên cứu đó để đưa ra đánh giá cho trường hợp tổng quát ( chịu lực phức tạp) Thêm vào đó vẫn chưa có những thí nghiệm để kiểm chứng lại các kết quả lý thuyết

mà các tác giả đưa ra Đây là lý do để thực hiện luận văn với đề tài:

“NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU UỐN - CẮT, KÉO – UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH

VÀ BU LÔNG ”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu lực phức tạp

- Thực nghiệm kiểm chứng sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu uốn - cắt;

- Từ những kết quả phân tích thí nghiệm, kiểm chứng lại kết quả phân tích lý thuyết, từ đó đưa ra các kiến nghị

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Mối nối liên kết ống cở nhỏ (113.4mm) sử dụng mặt bích và bu lông cường độ cao

- Phạm vi nghiên cứu: Phân tích thực nghiệm sự làm việc của mối nối ống tròn liên kết bằng mặt bích và bu lông trong các thanh biên chịu lực chính trong kết cấu giàn của tháp thép trong trường hợp chịu tác dụng đồng thời của các lực: uốn - cắt

4 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng lại kết quả nghiên cứu lý thuyết đã có Chia việc nghiên cứu này làm 4 bước:

Bước 1: Tổng hợp các kết quả của đề tài nghiên cứu lý thuyết đã có và đưa ra đánh

giá cho trường hợp tổng quát;

Bước 2: Chế tạo mẫu thí nghiệm theo kích thước tối ưu theo mô hình lý thuyết; Bước 3: Tiến hành thí nghiệm theo trường hợp chịu tác dụng đồng thời của các

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về mối nối liên kết ống thép tròn và cơ sở lý thuyết

1.1 Tổng quan về mối nối liên kết ống thép tròn

1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán mối nối

Chương 2: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết và đưa ra đánh giá cho trường hợp tổng quát

2.1 Các thông số chung

2.2 Mô phỏng phần tử dạng L để kiểm chứng

2.3 Kết quả phân tích lý thuyết

2.4 Kết luận chương 2

Chương 3: Thực nghiệm và so sánh đối chiếu

3.1 Chế tạo mẫu, thiết bị và thiết lập thí nghiệm

3.2 Mô tả kết quả thí nghiệm và đánh giá kết quả đo

3.3 Kết luận chương 3

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI LIÊN KẾT ỐNG

THÉP TRÒN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI LIÊN KẾT ỐNG THÉP TRÒN

1.1.1 Sơ lược về kết cấu sử dụng ống thép tròn

Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình từ các công trình dân dụng, công nghiệp cho đến các công trình cầu đường và hạ tầng kỹ thuật

Ưu điểm :

- Mặt cắt ngang là hình tròn đã cho thấy đó là hình dạng tối ưu nhất để giảm thiểu tác động của tải trọng gió, tải trọng sóng hay nước tác động lên kết cấu cũng như khả năng chịu xoắn tốt

- Có diện tích bề mặt nhỏ hơn so với các kết cấu khác Điều này làm cho hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của kết cấu dùng ống thép tròn tăng lên đáng kể, do không

có góc nhọn trên bề mặt của kết cấu

- Do mặt cắt tiết diện rỗng nên kết cấu ống thép tròn có trọng lượng nhẹ hơn kết cấu thép có các dạng mặt cắt khác

Hình ảnh cho một số công trình sử dụng ống thép tròn như sau:

Hình 1.1 Kết cấu ống thép tròn sử dụng trong công trình dân dụng và công

nghiệp (Nguồn internet)

Hình 1.2 Kết cấu ống thép tròn sử dụng trong tháp truyền hình, tháp truyền tải

- Trong phần 1-8 của Eurocode 3: Design of steel structures [4]- Part 1-8: Design

of joints, đã dành hẳn ra mục 7 để đưa ra các chỉ dẫn về liên kết của ống thép rỗng (Hollow section jonts) Trong phần này, tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các dạng mối liên

kết của liên kết dùng mặt cắt rỗng rất đa dạng như Hình 1.3

Hình 1.3 Các dạng mối nối HSS trích từ [8, trang 100]

+ Tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các mô hình phá hủy của liên kết nối ống thép tròn

rỗng (Hình 1.4), có tiết diện chữ nhật rỗng (Hình 1.5)hay các liên kết giữa ống thép tròn rỗng/ chữ nhật rỗng với thép chữ I/H (Hình 1.6) dưới tác dụng của lực dọc trục

cũng như moment uốn rất cụ thể

Hình 1.4 Các dạng phá hủymối nối CHS trích từ [8, trang 104]

Hình 1.5 Các dạng phá hủymối nối của RHS trích từ [8, trang 106]

Hình 1.6 Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H trích từ [8,

trang 108]

+ Trong phần này cũng đã đưa ra các chỉ dẫn tính toán thiết kế mối nối của CHS, RHS, mối nối giữa CHS-RHS dùng liên kết hàn

- Theo AISC 360-10, Specification for Structural steel buildings [9], ngoài các

chỉ dẫn về liên kết của kết cấu thép ở mục J- Design of connectionsđể chỉ dẫn về thiết

kế liên kết, tiêu chuẩnAISC 360-10 đã dành ra thêm mục K- Design of hollow steel section and box member connections để đưa ra các chỉ dẫn cụ thể cho liên kết của ống thép rỗng Trong phần này gồm có 4 phần:

+ Phần K.1: Ống thép rỗng chịu lực tập trung (xem Hình 1.7)

+ Phần K.2: Liên kết HSS-HSS trong liên kết dàn(xem Hình 1.8; 1.9)

+ Phần K.3: Liên kết HSS-HSS chịu moment(xem Hình 1.10; 1.11 )

+ Phần K.4: Ảnh hưởng của liên kết hàn đến liên kết ống thép rỗng có tiết diện hình chữ nhật

Các chỉ dẫn vẫn dừng lại ở trường hợp chịu lực đơn giản chịu lực dọc hay chịu moment và chỉ tập trung chủ yếu về liên kết hàn

Hình 1.7 Các mối nối giữa tấm thép với CHS trích [9, trang 142]

Hình 1.8 Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn trích [9, trang 148]

Hình 1.9 Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn trích [9, trang 150]

Hình 1.10.Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment trích [9, trang

1.1.2.2 Tại Việt Nam

Liên kết thép ống bằng mặt bích có sử dụng ở nước ta nhưng chưa có nghiên cứu nào cụ thể, chỉ có một số chỉ dẫn tính toán dựa vào các tài liệu nước ngoài Đã có một

số tác giả nghiên cứu về vấn đề này ( GS.TS Phạm Văn Hội) nhưng những nghiên cứu này chỉ dừng lại ở một số vấn đề đơn giản, chưa mô phỏng hết được sự làm việc thực của liên kết, chẳng hạn như các vấn đề về sự phát triển ứng suất trong bulông liên kết

cường độ cao theo các giai đoạn, sự ép mặt của mặt bích, hiện tượng T-stub tăng mômen uốn trong mặt bích, cũng như ứng xử phức tạp của liên kết nối bằng mặt bích

và bulông khi chịu các lực tác dụng khác nhau Chính vì sự chưa xem xét kỹ các khía cạnh làm việc của kết cấu nên dẫn đến việc khó kiểm soát được ứng xử cũng như dự báo các điều kiện chịu lực an toàn của kết cấu nên cũng dẫn đến một số tai nạn về mặt

kỹ thuật gần đây

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MỐI NỐI

1.2.1 Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông

1.2.1.1 Sự làm việc của liên kết bulông

Do vặn êcu nên bulông chịu kéo và các bản thép bị xiết chặt, giữ mặt tiếp xúc của các bản thép hình thành lực ma sát Tuy nhiên, lực ma sát này ko đủ lớn để hoàn toàn tiếp nhận lực trượt do tải trọng ngoài gây nên khi chịu lực trượt sự làm việc của các loại bulông này chia làm 4 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Lực trượt do ngoại lực gây ra còn nhỏ hơn so với lực ma sát, các

bản thép chưa bị trượt, bulông chưa chịu ngoài lực kéo ban đầu

+ Giai đoạn 2: Tăng tải trọng ngoài, lực trượt bắt đầu lớn hơn lực ma sát, các bản

thép trượt tương đối với nhau, thân bulông tỳ sát vào thành lỗ

+ Giai đoạn 3: Trong giai đoạn này lực trượt truyền qua liên kết chủ yếu bằng sự

ép của thân bulông lên thành lỗ Thân bulông chịu cắt uốn và kéo (do mũ bulông ngăn cản sự uốn tự do của thân bulông)

+ Giai đoạn 4: Lực trượt tăng tiếp, độ chặt của liên kết giảm dần, lực ma sát yếu

đi, liên kết chuyển sang làm việc trong giai đoạn dẻo Liên kết có thể bị phá phá hoại

do cắt ngang thân đinh hoặc đứt bản thép giữ hai lỗ bulông hoặc từ lỗ bulông đến mép bản thép do áp lực ép mặt trên thành lỗ gây ra

Hình 1.12 Sơ đồ làm việc của liên kết bulông

1.2.1.2 Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông

Khi bản thép mỏng, đường kính bulông lớn thì bản

thép bị phá hoại kéo đứt do tác dụng ép mặt của bulông

lên thành lỗ Sự ép mặt này có ứng suất cục bộ cb phân

bố không đều theo chu vi lỗ (vị trí chịu ứng suất nén lớn

sẽ chảy dẻo, làm cho lỗ bulông dần dần hình thành hình

bầu dục dẫn tới đứt)

Khả năng chịu ép mặt của bulông mang tính quy

ước, chính bằng khả năng chịu cắt đứt của bản thép

Trường hợp tổng quát khi liên kết có nhiều bản thép:

+ fcb-là cường độ tính toán ép mặt quy ước

Bảng 1.1 Hệ số điều kiện làm việc b

1 Liên kết nhiều bulông khi tính toán chịu cắt và ép mặt:

- Đối với bulông tinh (độ chính xác nâng cao)

-Bulông thô và bulông độ chính xác bình thường, bulông cường

độ cao không điều chỉnh lực xiết đai ốc

2 Liên kết có một hoặc nhiều bulông, được tính toán chịu ép mặt

khi e = 1,5ds và b = 2ds, thép được liên kết có giới hạn chảy:

1,0 0,9

fy 285 N/mm2

fy> 285 N/mm2

0,8 0,75

Ghi chú:

Các hệ số điều kiện làm việc ở mục 1 và 2 được lấy đồng thời;

e1 - khoảng cách dọc theo lực, từ mép cấu kiện đến trọng tâm của lỗ gần nhất;

b - khoảng cách giữa trọng tâm các lỗ;

ds - đường kính lỗ bulông

l

1.2.1.3 Sự làm việc chịu trượt

Lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp nhận lực trượt do ngoại lực gây ra Bulông chỉ chịu kéo do sự xiết chặt êcu

Hình 1.13 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát

Sự làm việc của bulông cường độ cao trong liên kết chịu lực trượt ma sát được thể hiện trong Hình 1.7.Như vậy lực nén trước trong bulông sẽ gây ra áp lực giữa hai bản ngay cả trước khi ngoại lực tác dụng vào hệ Khi có ngoại lực tác dụng, hai bản sẽ

có xu hướng trượt lên nhau và được cản lại bởi lực ma sát giữa hai bản Lực cản do ma sát là một hệ số của nhiều lực ma sát giữa các bản

Cho đến khi tải trọng bên ngoài vượt quá lực ma sát thì các tấm sẽ bị trượt lên nhau Vì vậy, liên kết bulông cường độ cao được thiết kế sao cho tải trọng tác dụng không vượt quá giới hạn ma sát để tránh xảy ra sự trượt Khi lực tác dụng vượt quá lực

ma sát, các tấm trượt lên nhau cho đến khi bulông tiếp xúc với tấm và bắt đầu chịu lực trượt Vượt quá điểm này, lực tác dụng sẽ được chống lại bởi cả lực ma sát và lực trượt

Khả năng chịu trượt của một bulông cường độ cao:

b b hb bn

f hb - cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu bulông, f hb = 0,7f ub

f ub- cường độ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu bulông

A bn - diện tích thực thân bulông (trừ giảm yếu do ren)

b1 - hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulông

lùc c¾tT/2

T

T/2

b2- hệ số độ tin cậy của liên kết, lấy theo Bảng 1.1;

Tĩnh và  = 5  6

Động và  = 1 Tĩnh và  = 1  4

1,35 1,2

1,12 1,02

2 Phun cát hay bột

kim loại sau đó phun

sơn kẽm hay nhôm

Theo M Theo 

0,5 0,5

1,35 1,2

1,12 1,02

3 Bằng ngọn lửa hơi

đốt, không có lớp

bảo vệ bằng kim loại

Theo M Theo 

0,42 0,42

1,35 1,2

1,12 1,02

4 Bằng bàn chải sắt,

không có lớp sơn

bảo vệ

Theo M Theo 

0,35 0,35

1,35 1,25

1,17 1,06

5 Không gia công

bề mặt

Theo M Theo 

0,25 0,25

1,7 1,5

1,3 1,2

GHI CHÚ: phương pháp điều chỉnh theo M tức là theo mômen xoắn; theo  tức là

theo góc quay của êcu

1.2.1.4 Sự làm việc chịu kéo

Khi ngoại lực có phương song song với thân bulông tác dụng lên liên kết làm tách rời các cấu kiện cần liên kết nên bulông chịu kéo

Trước khi ngoại lực tác dụng, lực trong bulông bằng lực ứng lực trước trong bulông(T0).Tương ứng đó là áp lực giữa hai bản trong liên kết

Lực kéo ban đầu (T0) trong thân bulông do xiết chặt êcu cũng không làm giảm khả năng chịu ngoại lực kéo của bulông Bởi lẽ T0 luôn tự cân bằng với lực ép lên các mặt bích Khi tác dụng vào liên kết ngoại lực kéo T, làm cho lực ép giữa các mặt bích giảm xuống chỉ còn T’0 = T0 – T (khi T< T0), như vậy lực kéo ban đầu trong thân

bulông cũng chỉ còn T’0 (do tính tự cân bằng giữa các lực kéo ban đầu và lực ép) và tổng lực kéo trong bulông lúc này là Tbl = T + T’0 = T + T0 – T = T0 Có nghĩa là, khi

T < T0 thì lực kéo trong bulông không đổi và bằng T0 Khi ngoại lực kéo T bằng lực kéo ban đầu (T = T0) có T’0 = 0 nên Tbl = T

Vậy chỉ khi T ≥ T0 bulông mới chịu kéo với tải trọng ngoài

Bulông bị phá hoại khi ứng suất trong thân bulông đạt đến cường độ tính toán chịu kéo của vật liệu làm thân bulông

Khả năng chịu kéo của một bulông:

  N tb  A fbn tb

Với: f tb là cường độ tính toán chịu kéo của bulông

Hình 1.14 Sự làm việc chịu kéo của bulông

1.2.2 Một số mô hình phá hủy

1.2.2.1 Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất

Petersen (1998) đã sử dụng nghiên cứu thực nghiệm vào những vấn đề cần xem xét trên và đã rút ra được kiến nghị Dựa vào mô hình, ông đã phát biểu rằng độ mỏi không thực sự bị ảnh hưởng bởi những vấn đề trên

Sự phá hủy của liên kết thì có thể xảy ra ở bulông, ở mặt bích hoặc xảy ra đồng thời ở bulông và mặt bích Đó được gọi là 3 mô hình phá hủy của Petersen

Hình 1.15 Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub

Mô hình phá hủy 1: Mặt bích đủ độ dày, không có biến dạng xuất hiện trong mô

hình này Có nghĩa là lực kéo trong mặt bích ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực dọc trong bulông vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết bị phá hoại

Mô hình phá hủy 2: Lực dọc trong bulông đạt giới hạn cho phép, đồng thời khớp

dẻo cũng xuất hiện trong mặt bích

Mô hình phá hủy 3: Mặt bích quá mỏng, sự phá hoại xảy ra trong mặt bích

Tf2: Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 2

Tf3: Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 3

Ms: Độ bền kéo của bản thép trên 1 đơn vị độ rộng, 2

Fys: Giới hạn chảy của vật liệu bản dầm chia cho 1,1

Fyf: Giới hạn chảy của vật liệu làm bản cột chia cho 1,1

tF: Độ dày của bản dầm

ts: Độ dày của cánh dầm

1.2.2.2 Mô hình của Seidel

Hình 1.16 Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông

Seidel (2001) đã nghiên cứu phát triển một đường đặc trưng biểu diễn quan hệ

phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông (Hình 1.10)

Vùng 1: Chưa xuất hiện biến dạng, ngoại lực tác dụng được giới hạn bởi ứng lực

nén trước trong bulông

Vùng 2: Khe hở bắt đầu phát triển

Vùng 3: Liên kết hở ra với một độ hở phụ thuộc vào ngoại lực tác dụng

Vùng 4: Xuất hiện vùng chảy dẻo của bulông và/hoặc mặt bích cho đến khi liên

kết bị phá hoại

1.2.2.3 Nghiên cứu của Schmidt-Neuper

Để xác định ứng lực kéo trong bulông ứng lực trước, Schmidt-Neuper đã đề

xuất một biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông.(Hình 1.11)

Hình 1.17 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông do Schmidt –

Neuper đề xuất

Công thức đánh giá của Schmidt – Neuper như sau:

2 8

E d s C

E d d

wo wi C

No: Lực kéo thiết kế của bulông

Tv: Lực kéo ban đầu trong bulông

e: Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông

g: Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mặt bích

Cb: Hệ số lò so kéo của bulông

Cc: Hệ số lò so nén của mặt bích

p: Tỷ số giữa nội lực và ngoại lực

: Hệ số cân bằng

y: Giới hạn đàn hồi của bulông

Ae: Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích

dwo: Đường kính ngoài của vòng đệm

dwi: Đường kính trong của vòng đệm

tF: Độ dày của mặt bích

tw: Độ dày của vòng đệm

E: Modun đàn hồi của thép

DA: Bước ren của bulông

Hình 1.18 Mô hình T-stub

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua khảo sát tổng quan ta thấy cấu kiện ống thép dạng tròn liên kết nối đối đầu bằng bulông và mặt bích ngoài đã và đang ngày càng được sử dụng rộng dãi trong rất nhiều các lĩnh vực như dân dụng, công nghiệp, giao thông, truyền tải điện, truyền hình, Tuy nhiên, sự làm việc tại vị trí mối nối rất ít được đề cập hoặc nghiên cứu kỹ Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn của Eurocode 3(part 1-8) hoặc AISC vẫn chỉ nhắc đến tính toán và khảo sát cấu kiện này rất ít hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện dạng liên kết T-Stub Ngoài ra các tiêu chuẩn cũng như một số nghiên cứu của các tác giả chỉ đề cập đến những trường hợp chịu lực đơn giản hoặc khảo sát tách biệt (kéo thuần túy, nén thuần túy, uốn thuần túy) mà bỏ qua nhưng 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 đúng quy luật ứng xử của loại mối nối đặc biệt này Do đó trong thực tế có nhiều

sự cố tai nạn liên quan đến công trình thép sử dụng thép ống liên kết mặt bích

CHƯƠNG 2 : TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐƯA RA ĐÁNH GIÁ CHO TRƯỜNG HỢP

TỔNG QUÁT

Nội dung của chương này, tác giả tổng hợp lại các kết quả nghiên cứu lý thuyết

đã được các tác giả khác công bố trước đây Cụ thể dược thể hiện trong các tài liệu như sau:

- [5] Nguyễn Trọng Vinh, Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử

dụng mặt bích và bulông chịu uốn và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

- [6] Phan Công Bàn, Nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử

dụng mặt bích và bu lông chịu kéo (nén) uốn đồng thời, Luận văn Thạc sĩ, Đại học

Bách Khoa Đà Nẵng

- [7] Trịnh Hồng Vi, Khảo sát sự làm việc chịu xoắn hoặc kéo xoắn đồng thời

của liên kết nối ống thép tròn dùng mặt bích và bu lông, Luận văn Thạc sĩ, Đại học

Từ kết quả phân tích trong ba trường hợp chịu lực, tác giả sẽ đi tiến hành so sánh để đưa ra đánh giá cho trường hợp tổng quát, tức là khi vị trí liên kết cùng đồng thời chịu tác dụng của nhiều thành phần nội lực khác nhau: Kéo - uốn - cắt -xoắn Kết quả tổng hợp được thể hiện trong mục 2.4

2.1 CÁC THÔNG SỐ CHUNG SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH ([5], [6], [7])

2.1.1 Đặc trưng vật liệu sử dụng

Trong mô hình, các giả giả sử dụng vật liệu thép để làm ống thép là loại thép SM400, vật liệu thép để làm mặt bích là loại thép STK400, và sử dụng bu lông cường độ cao F10T Các đặc trưng của các loại vật liệu được khai báo trong trong phần mềm như sau:

Bảng 2.1: Đặc trưng vật liệu

Hình 2.1 Đặc trưng của bulông, mặt bích và ống thép

2.1.2 Phương pháp phân tích mô hình

2.1.2.1 Lắp ráp

Mô hình phần tử hữu hạn có thể được định nghĩa như một bộ các đối tượng Việc

tổ chức mô hình như vậy phù hợp với các mô hình được tạo ra trong chương trình, đồng thời cho phép tái sử dụng các phần tử đã định nghĩa để tạo một mô hình lớn và phức tạp

2.1.2.2 Điều kiện biên

Điều kiện biên được dùng để chỉ các biến cơ bản: chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, …

2.1.2.3 Ứng lực trước cho bulông: Phân tích trong 2 giai đoạn

- Giai đoạn 1: Đặt ứng lực trước cho bulông cho đến khi đạt được lực hướng tâm

ban đầu bằng phương pháp chuyển vị khi thay đổi nhiệt độ (Couple

temperature-displacement) Có nghĩa là bulông sẽ không được ứng lực trước thông thường mà được

hạ nhiệt độ Vì các nút hai đầu của bulông gắn liền với các mặt bích nên khi được hạ

0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000