Phân tích ứng xử và khả năng chịu lực của bu lông ứng suất trước trong liên kết kiểu ghép chồng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ TUẤN VIỆT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ TUẤN VIỆT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số: 858 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH TUẤN Đà Nẵng, năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Tuấn Việt MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULÔNG VÀ LIÊN KẾT BULÔNG 1.2 SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT 1.3 SỰ LÀM VIỆC BULÔNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT 2.1 ỨNG XỬ CỦA BU LÔNG CHỊU CẮT 2.2 PHÂN LOẠI BU LÔNG 2.3 SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ TINH .9 2.4 MÔ PHỎNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 16 2.5 LOẠI BULÔNG .16 2.6 PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI 16 2.7 LOẠI PHẦN TỬ 16 2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 17 CHƯƠNG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ TÍNH TỐN BULƠNG CHỊU CẮT 18 3.1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 18 3.2 QUY TRÌNH MƠ PHỎNG LIÊN KẾT BULONG BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 20 3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 34 3.3.1 Các giai đoạn làm việc liên kết 34 3.3.2 Sự phá hoại mơ hình liên kết 36 3.3.3 Nội lực thành phần liên kết 43 3.4 KẾT LUẬN 49 KẾT LUẬN CHUNG 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG Học viên: Lê Tuấn Việt Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 858 02 01 Khóa: K34 - QN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn tổng hợp lý thuyết tính tốn liên kết ghép chồng sử dụng bu lông ứng lực trước Các loại liên kết ghép chồng khác sử dụng bu lông ứng lực trước mô nghiên cứu ứng xử để từ đề phương án lựa chọn tối ưu Các kết nghiên cứu cho thấy ba liên kết ghép chồng có phá hoại xuất phát từ thép nối, ứng suất cắt bu lông chưa cao Từ nghiên cứu này, đề xuất phương án liên kết phù hợp với nhu cầu người thiết kế Từ khóa – bu lơng ứng suất trước, liên kết ghép chồng, kết cấu thép, ứng suất cắt, ứng suất pháp, ứng suất Mises ANALYZE THE BEHAVIOR AND THE LOAD BEARING OF THE PRESTRESS BOLT IN OVERLAPPED CONNECTION Abstract - The thesis has summarized the theory of calculation of overlapped connections using pre-stressed bolts Different types of overlapping connection using pre-stressed bolts have been simulated and studied in order to propose the optimal options The results show that all three overlapped connections have destructive mechanism derived from basic steel plates or joint plates, while shear stresses in bolts are not high From these studies, it is possible to propose linking options that fit the designer's needs Key words - prestress bolt, overlapped connection, steel structure, shear stress, normal stress, Von Mises DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Hệ số ks 14 2.2 Hệ số ma sát 14 3.1 Đặc trưng vật liệu 19 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình ảnh Trang 1.1 Bulông làm thép cường độ cao đánh dấu theo ASTM 1.2 Liên kết tâm 1.3 Liên kết mô men 1.4 Liên kết chịu cắt 1.5 Liên kết chịu kéo 1.6 Liên kết chịu lực trượt ma sát 1.7 Sự làm việc bulông hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát 2.1 Cấu tạo bu lông 2.2 Lực nén ứng suất trước 10 2.3 Bản thép bị phá hoại 10 hình ảnh 2.4 Bu lơng bị cắt liên kết ghép chồng thép 11 2.5 Bu lông bị cắt liên kết ma sát 11 2.6 Sự làm việc bu lông ứng lực trước 12 2.7 Sự làm việc cấu kiện chịu trượt ma sát 15 2.8 Phần tử nút 17 3.1 Các mơ hình liên kết phân tích 19 3.2 Mơ hình vật liệu thép làm bu lơng 19 3.3 Mơ hình vật liệu thép làm thép 20 3.4 Mơ hình bu lơng theo kích thước đầu vào 20 3.5 Khai báo vật liệu làm bu lông 22 3.6 Khai báo vật liệu thép 22 3.7 Khai báo vật liệu thép 23 Số hiệu Tên hình ảnh hình ảnh Trang 3.8 Khai báo giai đoạn gia nhiệt cho bu lông 23 3.9 Khai báo giai đoan gia tải chịu kéo cho liên kết 24 3.10 Khai báo tương tác thành phần liên kết 25 3.11 Khai báo giao thức mặt tương tác 26 3.12 Khai báo điều kiện biên cho mơ hình 27 3.13 Khai báo điều chỉnh nhiệt độ bu lông 28 3.14 Thiết lập chuyển vị cưỡng cho bu lông 29 3.15 Chia phần tử cho thép 31 3.16 Chia lưới cho bu lông 33 3.17 Mô hình tổng thể sau chia lưới 34 3.18 Ứng suất kéo cắt bu lông 35 3.19 Ứng suất nén trước thép 36 3.20 Liên kết tổng thể 37 3.21 Tấm 37 3.22 Tấm 38 3.23 Sự phá hoại nối mơ hình liên kết 38 3.24 Liên kết tổng thể 39 3.25 Mặt cắt ngang 39 3.26 Tấm 40 3.27 Tấm 40 3.28 Tấm nối 41 3.29 Liên kết tổng thể 42 3.30 Tấm 42 3.31 Tấm 43 3.32 Quan hệ lực kéo chuyển vị thép – Liên kết 44 Số hiệu Tên hình ảnh hình ảnh 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 Quan hệ lực kéo chuyển vị thép – Liên kết Quan hệ lực kéo chuyển vị thép – Liên kết Quan hệ ứng suất cắt bu lông ứng suất pháp thép Quan hệ ứng suất Mises bu lông ứng suất pháp thép Quan hệ ứng suất thành phần liên kết chuyển vị thép – Liên kết Trang 44 45 46 47 48 3.38 Quan hệ ứng suất thành phần liên kết chuyển vị thép – Liên kết 48 3.39 Quan hệ ứng suất thành phần liên kết chuyển vị thép – Liên kết 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việc tính tốn thiết kế bulơng chịu cắt liên kết chịu trượt ma sát phụ thuộc nhiều vào lực cắt bulông Hiện nay, giới, với liên kết mặt bích nhà khoa học đưa nhiều lý thuyết tính tốn đường quan hệ lực trượt lực cắt liên kết bulông Tuy nhiên lý thuyết chưa phản ánh xác làm việc thực tế bulông chưa kiểm chứng phương pháp nghiên cứu khác Về liên kết chịu lực trượt ma sát, nhà khoa học đưa đường quan hệ lực trượt biến dạng cấu kiện, nhiên chưa quan tâm đến mối quan hệ lực trượt liên kết lực cắt bulơng Vì vậy, đề tài ứng dụng lý thuyết nghiên cứu trên, mô ứng xử bulông để đánh giá khác biệt lực trượt phá hoại cắt ngang bu lông, đứt thép lỗ bu lông lỗ bu lông đến mép thép kiến nghị số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết Đề tài: “Phân tích ứng xử khả chịu lực bu lông ứng suất trước liên kết kiểu ghép chồng” có ý nghĩa khoa học cao nhằm mục đích đưa phương án lựa chọn phù hợp liên kết bu lông cho thép Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Mơ hình làm việc đồng thời bu lông mã mơ hình biến dạng tác động lực trượt - Xác định mối quan hệ lực cắt bulông lực trượt tác dụng vào cấu kiện - Kiến nghị số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết bu lơng cho thép Đối tượng nghiên cứu + Ứng xử bulông cấu kiện chịu lực trượt ma sát + Mơ hình tính tốn phần mềm Abaqus với liệu tính tốn từ thí nghiệm thu thập Phạm vi nghiên cứu Tính tốn đường quan hệ lực cắt bulông lực trượt tác động vào cấu kiện 47 800 700 600 500 Von Mises Bu lông (MPa) 400 300 200 100 Ứng suất kéo Thép (MPa) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Hình 3.36 Quan hệ ứng suất Mises bu lông ứng suất pháp thép ❖ Lựa chọn phương án liên kết bu lông cho thép Việc lựa chọn phương án thiết kế phải phù hợp với điều kiện cụ thể, yêu cầu riêng biệt liên kết Xét tiêu chí khác nhau: - Tiêu chí 1: Tận dụng tối đa hiệu làm việc vật liệu, tức liên kết bị phá hoại (bu lông bị cắt đứt hay thép bị chảy dẻo) phần cịn lại liên kết gần đạt đến giá trị cường độ cực hạn Nếu xét theo tiêu chí này, ta chọn liên kết liên kết mà thời điểm bị phá hoại, ứng suất cắt bu lông lớn - Tiêu chí 2: Ứng suất thành phần liên kết nhất, thể làm việc đồng liên kết (cũng đảm bảo hiệu làm việc liên kết) Nếu xét theo tiêu chí này, ta chọn liên kết 3, mà ứng suất hai thép liên kết - Tiêu chí 3: Liên kết đảm bảo ổn định bị biến dạng Ta chọn tiêu chí bu lơng bị nghiêng, không xê dịch liên kết đảm bảo đối xứng, truyền lực hợp lý cấu kiện Tuy nhiên, cần giảm bớt lực nén trước 48 trường hợp lực nén trước lớn, thép chảy dẻo mà ứng suất Ứng suất (MPa) nối chưa đạt cường độ làm việc Điều dẫn đến lãng phí vật liệu 650 600 US 550 US 500 s11 - Thép s11 - Thép US s11 - Thép nối Von Mises - Bu lông 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Chuyển vị (mm) 0 10 20 30 40 50 Hình 3.37 Quan hệ ứng suất thành phần liên kết chuyển vị Ứng suất (MPa) thép – Liên kết 750 700 650 600 550 500 USs11 - Thép US s11 - Thép 450 s11 Thép nối US 400 Von Mises - Bu lông 350 300 250 200 150 100 50 Chuyển vị (mm) 0 10 15 20 Hình 3.38 Quan hệ ứng suất thành phần liên kết chuyển vị thép – Liên kết Ứng suất (MPa) 49 800 750 700 650 600 550 500 450 400 US US 350 s11 - Thép s11 - Thép 300 US s11 - Thép nối Von Mises - Bu lông 250 200 150 100 50 Chuyển vị (mm) 0 10 12 Hình 3.39 Quan hệ ứng suất thành phần liên kết chuyển vị thép – Liên kết 3.4 KẾT LUẬN Ba mơ hình liên kết ghép chồng thép mơ phân tích Quan hệ lực kéo chuyển vị thép phân tích để làm rõ ứng xử liên kết ghép chồng với bu lông ứng suất trước Quan hệ lực cắt ứng suất Mises bu lông với ứng suất pháp thép phân tích Nhận thấy thời điểm liên kết bị phá hoại, ứng suất cắt bu lơng chưa đạt cường độ, khơng có nguy bị phá hoại cắt, nhiên ứng suất Mises bu lông lại đủ lớn Trong trường hợp tăng lực kéo, có khả phá hoại bu lơng Các tiêu chí để chọn phương án liên kết đưa Theo tiêu chí, tác giả đề xuất phương án lựa chọn khác nhau, đảm bảo hiệu thiết kế cơng trình 50 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn phân tích ứng xử khả chịu lực bu lông ứng suất trước liên kết ghép chồng Nhận thấy phá hoại rơi vào thép nối, ứng suất cắt bu lông chưa đạt cường độ Qua phân tích tùy vào nhu cầu sử dụng, ta lựa chọn liên kết ghép chồng khác phù hợp với mục đích sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Abaqus 6.12, Analysis User’s Manual, Volume IV American Institute of Steel Construction(2004), Extended End-Plate Moment Connections Seismic and Wind Applications, United States of America [3] Assis Prof Dr Ehab Boghdadi Matar, Steel Connections, Zagazig University [4] European Committee for Standardization(2001), Eurocode3: Design of steel structure- Part 1-1: General rules and rule for buildings, Brussels [5] Germanischer Lloyd(2003), Guideline for Certification of Wind turbines, GL wind 2003 Heistermann, C.(2011), Behaviour of Pretensioned Bolts in Friction [6] [7] [8] [9] [10] Connections Towards the Use of Higher Strength Steels in Wind Towers, Lulea university of technology Heistermann, C., Husson, W., Veljkovic, M.(2009), “Flange connection vs friction connection in towers for wind turbines”, Proc of Nordic steel and construction conference, 296 – 303 Leonardo da Vinci(2003), Design of structural connections to eurocode 3, Building Research Establishment Ltd, Watford Mongkol Jiravacharadet, Timber and Steel Design, Suranaree University Of Technology Le Anh Tuan (2015), Simple Formula for Evaluating Variable Stiffness of Wind-Turbine Tower with Consideration of Flange - Joint Separation, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, tập(5), 293-302 ... loại liên kết chịu cắt Liên kết phân loại thành 03 loại: Liên kết ghép chồng mặt ma sát, liên kết ghép chồng mặt ma sát liên kết ghép chồng thép a) Liên kết ghép chồng ma sát b) Liên kết ghép chồng. .. Liên kết dùng cột vị trí mã liên kết với móng bulông neo Trong liên kết này, bulông vừa chịu lực kéo lực nén dọc trục 5 a) b) Hình 1.3 Liên kết mơ men b Dựa vào lực bulông Liên kết bulông phân. .. phương án liên kết Đề tài: ? ?Phân tích ứng xử khả chịu lực bu lông ứng suất trước liên kết kiểu ghép chồng? ?? có ý nghĩa khoa học cao nhằm mục đích đưa phương án lựa chọn phù hợp liên kết bu lông cho