(Luận văn thạc sĩ) 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

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 LƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG 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 TRỊN CHỊU UỐN-CẮT, KÉO-UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LƠNG Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH TUẤN Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Với kiến thức tích lũy suốt thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, cùng với sự quan tâm, giúp đỡ tận tình Ban Giám Hiệu nhà trường, Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp quý thầy cô và với sự tâm bản thân, đến nay, hoàn thành luận văn thạc sĩ Với lòng biết ơn và trân trọng, chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, lãnh đạo Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp hỗ trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập nghiên cứu, thực hoàn thành luận văn này Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Anh Tuấn quan tâm, giúp đỡ tận tình hướng dẫn, giúp cho hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ Do thời gian có hạn và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh và khả đưa vào sử dụng thực tế hiệu quả Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy ln mạnh khỏe, hạnh phúc Kính chúc Nhà trường, Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đạt nhiều thành công thời gian đến Đà Nẵng, ngày 19 tháng 05 năm 2019 Tác giả luận văn Trịnh Văn Thao LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan là công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết quả nêu luận văn là trung thực và chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trịnh Văn Thao MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài: Mục tiêu nghiên cứu đề tài 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu: Bố cục đề tài CHƯƠNG : 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 kết cấu sử dụng ống thép tròn 1.1.2 Sơ lược mối nối liên kết ống thép tròn 1.1.2.1.Trên giới 1.1.2.2.Tại Việt Nam 12 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN MỐI NỐI 13 1.2.1 Sự làm việc liên kết bulông khả chịu lực bulông 13 1.2.1.1.Sự làm việc liên kết bulông 13 1.2.1.2.Khả làm việc chịu ép mặt 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 mơ hình phá hủy 17 1.2.2.1.Mơ hình phá hủy Petersen đề xuất 17 1.2.2.2.Mơ hình Seidel 19 1.2.2.3.Nghiên cứu Schmidt-Neuper 19 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 CHƯƠNG : TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐƯA RA ĐÁNH GIÁ CHO TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT 23 2.1 CÁC THƠNG SỐ CHUNG SỬ DỤNG TRONG MƠ HÌNH ([5], [6], [7]) 23 2.1.1.Đặc trưng vật liệu sử dụng 23 2.1.2.Phương pháp phân tích mơ hình 24 2.1.2.1.Lắp ráp 24 2.1.2.2.Điều kiện biên 24 2.1.2.3.Ứng lực trước cho bulơng: Phân tích giai đoạn 24 2.1.2.4.Hệ số ma sát 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 mối nối chịu uốn - cắt đồng thời ([5]) 27 2.3.1.1.Trường hợp mô ống nhỏ 114.3x3.5 27 2.3.1.2.Trường hợp mô ống trung 267.4x6.0 29 2.3.1.3.Trường hợp mô ống lớn 406.4x12.7 31 2.3.2.Mô mối nối chịu kéo – uốn đồng thời ([6]) 34 2.3.2.1.Trường hợp mô ống nhỏ 139.8x4 34 2.3.2.2.Trường hợp mô ống nhỏ 267.4x6 35 2.3.2.3.Trường hợp mô ống lớn 406.4x9.5 36 2.3.3.Mô mối nối chịu kéo – xoắn đồng thời ([7]) 37 2.3.3.1.Trường hợp mô ống nhỏ 165.2x4 37 2.3.3.2.Trường hợp mô ống trung 267.4x6.0 38 2.3.3.3.Trường hợp mô ống lớn 355.6x9.5 39 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 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 Cảm biến đo chuyển vị LVDT 49 3.1.4.2.Tính tốn lực siết bu lơng 51 3.1.4.3.Thiết lập thí nghiệm 52 3.2 MƠ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 58 3.2.1.Mô tả kết thí nghiệm 58 3.2.2.Thí nghiệm nén trượt ren bu lông 63 3.2.3.Đánh giá kết đo 63 3.2.3.1.Đánh giá mặt định tính 63 3.2.3.2.Đánh giá mặt định lượng 63 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 TÓM TẮT LUẬN VĂN 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 LƠNG Học viên: Trịnh Văn Thao Mã số: 8580201 Khóa: 34 Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN Tóm tắt - 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 Một liên kết kết cấu ống thép tròn rỗng sử dụng phổ biến liên kết sử dụng mặt bích bulông Việc nghiên cứu làm việc đồng thời bu lơng, mặt bích ống thép chưa đề cập nhiều thiết kế Do thực tế xảy cố phá hoại liên kết này, nhiều nguyên nhân chưa xét tác dụng đồng thời tải trọng mà xét yếu tố tác dụng đơn Nghiên cứu đưa quy luật ứng xử liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích bulông trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, từ đề xuất thơng số hợp lý liên kết (mối quan hệ chiều dày mã, đường kính bulơng chiều dày ống thép) Từ khóa - ống thép trịn;Mặt bích; bulơng 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 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ae Diện tích tiết diện hiệu mặt bích Cb Hệ số lị so kéo bulơng Cc Hệ số lị so nén mặt bích Cf Hệ số lị so nén mặt bích Cw Hệ số lị so nén vịng đệm DA Bước ren bulơng dh Đường kính lỗ bulơng ds Đường kính thân bulơng dw Đường kính bề mặt chịu lực ép dwi Đường kính vịng đệm dwo Đường kính ngồi vịng đệm E Modun đàn hồi thép e Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông FP Lực dọc cho phép bulông Fyf Giới hạn chảy vật liệu làm cột chia cho 1,1 Fys Giới hạn chảy vật liệu dầm chia cho 1,1 G Khoảng cách từ tâm bulơng đến tâm mặt bích Md Độ bền kéo lỗ bulông đơn vị độ rộng, Md  (tF2 Fyf ) / Ms Độ bền kéo thép đơn vị độ rộng, Ms  (ts2 Fys ) / No Lực kéo thiết kế bulông p Tỷ số nội lực ngoại lực Tf Lực kéo ngắn hạn cho phép Tf2 Lực kéo cho phép theo mơ hình phá hủy Petersen Tf3 Lực kéo cho phép theo mơ hình phá hủy Petersen Tp Lực dọc bulông Ts Lực kéo tác dụng vào cấu kiện Tv Lực kéo ban đầu bulông Độ dày thành ống thép ts Độ dày cánh dầm tF Độ dày mặt bích tw Độ dày vịng đệm ws Độ rộng thép  Hệ số cân y Giới hạn đàn hồi bulông BL Bulông O-THEP Ống thép MB Mặt bích OLON Ống thép trịn lớn có đường kính ống D=406,4mm, gọi tắt ống lớn ONHO Ống thép trịn nhỏ có đường kính ống D=114,3mm, gọi tắt ống nhỏ OTRUNG Ống thép trịn trung có đường kính ống D=267,4mm, gọi tắt ống trung CHS Circle hollow sections HSS Hollow steel sections RHS Rectangular hollow sections 74 Từ hình 3.45 ta thấy ứng suất ống thép vị trí ST1 SD1 tăng nhanh đạt tới giới hạn chảy tải trọng thí nghiệm 40kN Tuy nhiên phân tích vị trí nhạy cảm, cường độ thép bị giảm chịu tác dụng nhiệt độ trình hàn ống thép vào mặt bích Vì để đánh giá phá hoại ống thép, ta đánh giá vị trí SD2 ST2 hợp lý Biến dạng dẻo ống thép xuất phát từ SD1 dần mở rộng phía ngồi mở rộng tới vị trí SD2 bu lơng bị trượt ren Từ ta kết luận bu lơng bị phá hoại ống thép bị phá hoại Hình 3.46 Đồ thị tải trọng – ứng suất vị trí khảo sát mặt bích Từ hình 3.46 ta thấy ứng suất mặt bích giai đoạn đầu gia tải nhỏ, ứng suất gần không tăng tải trọng thí nghiệm nhỏ 40kN Tuy nhiên khi cấp tải trọng từ 40kN trở đi, ứng suất vị trí khảo sát bắt đầu tăng dần tăng nhanh tải trọng thí nghiệm lớn 60kN Và ta thấy ứng suất mặt bích bắt đầu đạt đến giới hạn chảy cấp tải 105kN mở rộng dần vị trí khác Do ta kết luận, mặt bích bị phá hoại bu lơng bị phá hoại Kết luận 1: cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến dạng dẻo ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại vị trí khảo sát mặt bích, biến dạng dẻo xuất trước bu lông bị phá hoại mở rộng dần vị trí khác Do ta kết luận: Mối nối bị phả hoại đồng thời ba vị trí: Bu lơng, ống thép mặt bích 75 Do thí nghiệm này, ta chưa đo ứng suất bu lông, nhiên ứng suất bu lông số tính tốn tương đối mục 3.2.3.2.a Biểu diễn ứng suất vị trí khảo sát ống thép, mặt bích bu lơng lên đồ thị hình 3.47 Hình 3.47 Đồ thị tải trọng – ứng suất vị trí mặt bích, ống thép, bu lơng Ta có số nhận xét sau: - Bu lông bị phá hoại trượt ren ( cấp tải 136.3kN), ứng suất thân bu lông đạt 876430 kN/m2, chưa đạt đến giới hạn chảy (900000kN/m2) Ứng suất thân bu lông xác định theo công thức 3.1 - Ở ống thép số 1, vùng biến dạng dẻo phát triển từ vị trí SD1 (ở cấp tải 35kN) đến vị trí SD2 (ở cấp tải 124.8kN) Như tải trọng ống thép bị biến dạng dẻo thí nghiệm nhỏ so với tải trọng tính tốn lý thuyết ( 66.7kN 132.9kN) Điều giải thích vị trí SD1 vị trí liên kết ống thép vào mặt bích phương pháp hàn, mà cường độ ống thép SD1 bị giảm tác dụng nhiệt độ, từ ảnh hưởng đến làm việc ống thép Kết luận 2: - Công thức xác định ứng suất thân bu lông: 76 0.5  0.5 Nbl  tt  0.7 y   0.7 y  Ae M  lmax l  2 i  Q2 n2 Ae Trong đó: M Q thành phần nội lực mô men lực cắt vị trí mối nối mặt bích n số bu lơng liên kết mặt bích li khoảng cách bu lơng thứ i đến tâm quay lmax khoảng cách bu lông chịu kéo lớn đến tâm quay Ae diện tích tiết diện ngang bu lơng 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương thực nội dung sau: Tiến hành thiết kế mẫu thí nghiệm với kích thước có từ kết phân tích phần mêm Abaqus Chế tạo mẫu thí nghiệm với kích thước thật để kết thu từ thí nghiệm phản ánh với thực tế làm việc liên kết Thiết lập thí nghiệm, tham số đo đo cảm biến điện tử ghi lại kết phần mềm máy tính Ở cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến dạng dẻo ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại vị trí khảo sát mặt bích, biến dạng dẻo xuất trước bu lơng bị phá hoại mở rộng dần vị trí khác Do ta kết luận: Mối nối bị phả hoại đồng thời ba vị trí: Bu lơng, ống thép mặt bích Từ đó, đưa công thức xác định ứng suất bu lông 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn tiến hành tổng hợp kết nghiên cứu lý thuyết ba trường hợp chịu lực: uốn-cắt, kéo-uốn, kéo- xoắn đưa đánh giá cho trường hợp chịu lực phức tạp (kéo-uốn-xoắn) Tiến hành thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm theo kích thước tối ưu lý thuyết trường hợp mối nối ống nhỏ (đường kính ngồi 114.3mm) chịu uốn-cắt đồng thời Tiến hành thí nghiệm mẫu Qua thí nghiệm ta thấy rằng: - Ở cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến dạng dẻo ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại vị trí khảo sát mặt bích, biến dạng dẻo xuất trước bu lông bị phá hoại mở rộng dần vị trí khác Do ta kết luận: Mối nối bị phả hoại đồng thời ba vị trí: Bu lơng, ống thép mặt bích - Cơng thức xác định ứng suất thân bu lông: 0.5  0.5 Nbl  tt  0.7 y   0.7 y  Ae M  lmax l  2 i  Q2 n2 Ae Trong đó: M Q thành phần nội lực mô men lực cắt vị trí mối nối mặt bích n số bu lơng liên kết mặt bích li khoảng cách bu lông thứ i đến tâm quay lmax khoảng cách bu lông chịu kéo lớn đến tâm quay Ae diện tích tiết diện ngang bu lông KIẾN NGHỊ Đối với mối nối ống nhỏ chịu uốn-cắt: Cần chế tạo thêm mẫu thí nghiệm để khảo sát thêm tham số mặt bích thứ ống thép thứ 2, nghiên cứu thêm cách để đo ứng suất-biến dạng bu lông, khảo sát thêm mẫu chịu tác dụng lực M Q không theo tỷ lệ Khảo sát thêm trường hợp ống có đường kính Khảo sát thêm trường hợp chịu lực khác như: kéo – uốn, xoắn, kéo - xoắn, đưa quy trình tính tốn mối nối hồn chỉnh 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 5575-2012 Kết cấu thép-Tiêu chuẩn thiết kế [2] Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Lưu Văn Tường Kết cấu thép-Cấu kiện bản.Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2009 [3] Lê Anh Tuấn Simple formula for evaluating variable stiffness of windturbine tower with consideration of flange- joint separation, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 5, Issue 10, 2015, 293302, năm 2015 Chỉ số ISSN: ISSN 2250-2459 [4] Lê Anh Tuấn, Hiroshi KATSUCHI.Study on FEM analysis to evaluate respond of variable stiffness ofwind turbine tower under high speed wind load, AFC (Aisa Future Conference 2013), pp 5-9 [5] Nguyễn Trọng Vinh, Mô ứng xử 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 vật liệu, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [6] Phan Công Bàn, Nghiên cứu sự làm việc 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 liên kết nối ống thép tròn dùng mặt bích và bu lơng, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [8] Eurocode 3: Design of stell structures-Part 1-8: Design of joints [9] AISC, 360-10: Specification for Structural Steel building American Insitute of Steel Construction, Chicago, Illinois, USA [10] J Wardenier, Hollow sections in structural applications, Delft, The Netherlands, 2000 [11].J Wardenier, Y Kurobane, J.A Packer, G.J Van der Vegte and X.L Zhao,“Design guide for circular hollow section(CHS) joints under predominantly static loading”, Second Edition, CIDECT, 2008 ... “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 LƠNG ” Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu tổng quan liên kết nối ống thép tròn. .. nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày sử dụng rộng rãi tất loại cơng trình Một liên kết kết cấu ống thép tròn rỗng sử dụng phổ biến liên kết sử dụng mặt bích bulơng Việc nghiên cứu làm việc. .. 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 LƠNG Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp