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

1
MỞ ĐẦU
1. T n c p t

t của đề tài

Hiện nay, trong nước và trên thế giới các kết cấu dạng ống thép
tròn được sử dụng rộng rãi cho nhiều loại kết cấu khác nhau như
Tháp truyền hình, Cần trục tháp hay trong các thiết bị nâng hạ tải
trọng lớn... thì các thanh biên của các kết cấu này đều sử dụng là các
thanh thép ống tròn rỗng. Bởi ưu điểm của tiết diện ống tròn là khả
năng chịu lực theo mọi hướng là như nhau giúp cho kết cấu ổn định
hơn so với các tiết diện cùng diện tích mặt cắt ngang, tối ưu nhất để
giảm thiểu tác động của tải trọng gió và giảm được trọng lượng bản
thân kết cấu.
Để tạo ra những khẩu độ lớn đáp ứng từng yêu cầu thì các ống
thép này được nối lại với nhau. Hiện nay phương pháp nối bằng mặt
bích sử dụng bu lông cường độ cao được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên
việc nghiên cứu về sự làm việc đồng thời của bu lông, mặt bích và
ống thép chưa được đề cập nhiều. 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 và sự tính toán chưa thấu đáo các liên kết này, ngay cả
trong tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối đối đầu ống thép tròn
bằng mặt bích Eurocode 3(1-8) hoặc AISC vẫn chỉ nhắc đến tính
toán và khảo sát cấu kiện này một cách sơ sài.
Vì vậy, đề tài này sẽ mô phỏng ứng xử của bu lông, mặt bích và
ống thép trong trường hợp chịu kéo, xoắn và kéo xoắn đồng thời
trong phần mềm Abapus để tìm ra mối liên hệ giữ bu lông, mặt bích

và ống thép và kiến nghị các tỷ lệ kích thước hợp lý cho bu lông ,
mặt bích và ống thép.


2
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mô phỏng ứng xử thực tế của mối nối đối đầu bằng mặt bích
ngoài và bu lông dưới tác động của lực xoắn và kéo xoắn đồng
thời bằng mô phỏng FEM (Sử dụng phần mềm Abapus).
- Dựa và kết quả của qui luật ứng xử của mối nối ống thép bằng
bu lông và mặt bích ngoài, thiết lập cơ sở tính toán, thiết kế mối
nối này trong trường hợp chịu xoắn, kéo xoắn đồng thời.
- Kiến nghị một số tỷ kệ kích thước hợp lý cho bulông và bảng
mã trong trường hợp liên kết chịu xoắn và kéo xoắn đồng thời.
+ Đường kính bu lông và chiều dày mặt bích.
+ Chiều dày mặt bích và chiều dày ống thép.
+ Đường kính bulong và chiều dày ống thép.
3. Đố tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu hướng đến của đề tài là liên kết đấu đầu
ống thép tròn bằng bu lông và mặt bích ngoài trong thanh biên của
kết cấu tháp thép ( Mô phỏng FEM). Đề tài quan tâm đến đối tượng
cụ thể sau:
+ Đường kính bu lông và chiều dày mặt bích.
+ Chiều dày mặt bích và chiều dày ống thép.
+ Đường hàn ống thép tròn vào mặt bích.
- Các điều kiện chịu lực xoắn và kéo xoắn đồng thời tác động
vào mối nối được đưa vào xem xét và đánh giá.
- Phạm vị nghiên cứu
+ Khảo sát ứng xử của bu long và mặt bích tại các liên kết bằng

bu lông và mặt bích ngoài trong các thanh biên dạng ống tròn chịu
lực chính trong kết cấu dàn của tháp thép (mô phỏng FEM).


3
+ Các điều kiện chịu lực khác nhau ( Xoắn, kéo xoắn đồng thời)
được xem xét trong trường hợp lực tĩnh (mô phỏng FEM).
+ Các mô phỏng FEM sử dụng phần mềm Abapus với 3 mẫu có
kích thước sau :

4. P ƣơng p áp ng ên cứu
- Phương pháp lí thuyết:
- Phương pháp số:
- So sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị.
5. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về liên kết bulông
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán của liên kết T-sub của một
số tác giả
Chương 3: Mô hình một số trường hợp cụ thể để xét ứng sử của
bu lông, mặt bích và ống thép khi chịu xoắn hoặc kéo xoắn đồng thời


4
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT BULÔNG
1.1.1 G ờ t ệu về bu lông
1.1.2 P ân loạ bulông
1.1.2.1 Theo vật liệu chế tạo
1.1.2.2 Phân loại theo đặc tính chống ăn mòn

1.1.2.3 Phân loại theo phương pháp chế tạo và yêu cầu
chính xác khi gia công
1.1.2.3 Phân loại theo chức năng làm việc
1.1.2.3 Phân loại theo cường độ chịu lực của bu lông ( cấp
độ bền)
1.1.3. Giới thiệu về liên kết bu lông
1.1.3.1 Đối với thép tấm
1.1.3.2 Đối với thép hình
1.1.3.2 Bố trí bu lông
1.2. Sự làm việc của liên kết bu lông và khả năng chịu lực của
bu lông
1.2.1. Sự làm viêc chịu trượt của liên kết bu lông thô, thường
và bu lông tinh
1.2.1.1. Các giai đoạn làm việc
1.2.1. 2. Khả năng làm việc chịu cắt của bu lông
1.2.1.3. Khả năng làm việc ép mặt của bu lông
1.2.2. Sự làm việc chị trượt của bu lông cường độ cao
1.2.3. Sự làm việc của bu lông khi chịu kéo
1.3. Sơ lược về mối nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bu
lông


5
CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỦA LIÊN KẾT T-SUB
CỦA MỘT SỐ TÁC GIẢ
Mô hình phá hoạ do petersen đề xu t
2Tp
Tp

2Tp

Tp

Tp+q

Tp+q

q

q
M« h×nh ph¸ hñy 1

2Tp

M« h×nh ph¸ hñy 2

Tp+qu
qu

qu

M« h×nh ph¸ hñy 3

Hình 2.1.Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub

 Mô hình phá hủy 1: Bản mã đủ độ dày, không có biến dạng
xuất hiện trong mô hình này. Có nghĩa là lực kéo trong bản mã 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 bản mã.

 Mô hình phá hủy 3: Bản mã quá mỏng, sự phá hoại xảy ra
trong bản mã.
2.2. Mô ìn của Se del
Tp
Ts

Tp
Tv
Vïng 1 Vïng 2
0

T1

Vïng 3
T2

Vïng 4
T3

T4

Ts

Hình 2.2. Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông

6
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 hiên vùng chảy dẻo của bulông và/hoặc bản mã
cho đến khi liên kết bị phá hoại.
2.3. Ng ên cứu của Sc m dt-Neuper
Bulông ứng lực trước trong kết cấuT-stub thường bị mỏi do
momen uốn trong dầm. 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.

Lùc däc trong bul«ng, Tp

Tp

Tv

o

TsI
TsII
Lùc kÐo trong cÊu kiÖn T-stub, Ts

Ts

Hình 2.1. 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:
Ts  TsI
T  pT
s
 v

T -T
T  T  pT  (T - T - pT ). s sI TsI  Ts  TsII
p
v
sI
sII v
sI T - T

sII sI

TsII  Ts
Ts

(2.1)


7

Trong đó:

e  0,5 g
T T .
sI
v e g

(2.2)

T
T  v
sII  q

(2.3)

T  N  0, 75. . A
v
o
y e

(2.4)

q  1 p

(2.5)

p

C
b
C C
b
c

(2.6)

g
0, 7e

(2.7)

  1

 .E.d 2

s
C 
b
8t
F
1
C 
c
1
2

C
C
f
w


E 

 2
C 

d  d2  d D  d
f 2t  4 w
h
w
8 w A
F 











(2.8)

(2.9)

2




 2t F .d w

 1  1 
 3

2

 D A
  (2.10)






8

C 
w



 .E. d

wo
4t
w

d

wi



(2.11)

Các công thức trên được tính toán với điều kiện (e+g)/tF≤ 4,3
Các đại lượng:
Tp:

Lực dọc trong bulông

Ts:

Lực kéo tác dụng vào cấu kiện

No:

Lực kéo thiết kế của bulông

Tv:

Lực kéo ban đầu trong bulông

e:

Khoảng cách từ đầu bản mã đến tâm bulông

g:

Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm bản mã

Cb:

Hệ số lò so kéo của bulông

Cc:

Hệ số lò so nén của bản mã

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

Cf:

Hệ số lò so nén của bản mã

Cw:

Hệ số lò so nén của vòng đệm

ds:

Đường kính thân bulông

dw:

Đường kính bề mặt chịu lực ép

dh:

Đường kính lỗ bulông

dwo: Đường kính ngoài của vòng đệm
dwi:

Đường kính trong của vòng đệm

tF:

Độ dày của bản dầm

t w:

Độ dày của vòng đệm

E:

Modun đàn hồi của thép

DA:

Bước ren của bulông


9
2.4. Ứng xử của bu lông chịu trƣợt
2.3.1. T

t k k ả năng c ịu lực của l ên k t bulông c ịu lực

trƣợt ma sát
Khả năng chịu lực của liên kết bulông:

Fs  ks

nTv



ks:

Hệ số

n:

Số mặt trượt

:

Hệ số ma sát

Tv:

Lực ứng lực trước trong bulông, = 0,7.y.Ae

y:

Giới hạn chảy của vật liệu làm bulông

Ae:

Diện tích tiết diện thân bulông

:

Hệ số an toàn

(2.18)

2.3.2. Mô ìn trạng t á p á ủy

 Mô hình phá hủy 1: Bản thép đủ độ dày, lực kéo trong bản
thép ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực trượt trong bulông
vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết bị phá hoại.

 Mô hình phá hủy 2: Lực trượt trong bulông đạt giới hạn cho
phép, đồng thời bản thép cũng đạt giới hạn chảy.

 Mô hình phá hủy 3: Bản thép quá mỏng, sự phá hoại xảy ra
trong bản thép.
Lực ma sát

Để thiết kế một liên kết chịu lực ma sát thì sự ma sát giữa các bề
mặt của cấu kiện đóng vai trò rất quan trọng. Nó được gọi là lực ma
sát.

Fms   N với N = Tv = 0,7.y.Ae


10
CHƢƠNG 3
MÔ HÌNH MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP CỤ THỂ XÉT ỨNG SỬ
CỦA BU LÔNG, MẶT BÍCH VÀ ỐNG THÉP KHI CHỊU KÉO,
XOẮN, KÉO XOẮN ĐỒNG THỜI
3.1. Mô phỏng mô hình phần tử hữu hạn
3.1.1. Loạ bulông
Trong luận văn sử dụng bulông cường độ cao ứng lực trước.
3.1.2. Loạ p ần tử
Luận văn sử dụng phần tử 8 nút
3.2. Mô phỏng mô hình liên k t một bu lông và mặt bích ( Phần
tử dạng L)
Mô phỏng mô hình phần tử hữu hạn

Hình 3.2. Mô hình bulông M20 trong Abaqus

Hình 3.3. Mô hình chữ L trong Abaqus


11

Hình 3.5. Mô hình chữ L
Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu

Bulông
Vật liệu

Dầm, cột

M12, F10T

SM400

bulông cường độ cao

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

Độ giãn nở nhiệt

o

0,053 kJ/m.s. C
1,2x10

-5

-

a. Phương pháp phân tích
- Điều kiện biên
- Ứng lực trước cho bulông:
Giai đoạn 1: đặt ứng lực trước cho bulông cho đến khi đạt được
lực hướng tâm ban đầu. Trong luận văn, lực hướng tâm ban đầu được
định nghĩa bằng công thức Tv=0,7xyxAe =19729daN
Giai đoạn 2: Giữ nguyên lực hướng tâm ban đầu trong bulông và
đặt lực kéo Ts cho dầm bằng cách khai báo chuyển vị.
- Liên kết:
Quá trình phân tích trong luận văn liên quan đến lực hướng tâm
trong bulông, lực kéo trong dầm thông qua chuyển vị theo trục y.


12

Hình 3.6. Điều kiện biên của cấu kiện
- Hệ số ma sát:
Hệ số ma sát được khai báo cho các bề mặt tiếp xúc: 0,5.
Kết quả phân tích:

Biểu đồ với 1 bu lông
40000

35000
30000
25000

20000
15000

10000
5000
0
0

2000

4000

6000

8000

TÍNH THEO SCHMIDT-NEUPER

THEO FEM

TSI

TSII

10000

12000

ĐI qua gốc tọa độ

Hình 3.7. Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo
Ts so sánh với biểu đồ của Schmidt-Neuper
Trong hình 3.7, 4 giai đoạn đã biểu diễn được quan hệ giữa
lực dọc trong bulông và lực kéo trong cấu kiện theo kiến nghị


13
của Seidel, và định nghĩa mô hình phá hủy của Pertersen là mô
hình 2.
Như vậy, chúng ta có thể tìm ra sự giống nhau của kết quả
phân tích với biểu đồ Scmidt-Neuper, biểu đồ của Seidel, mô
hình phá hủy của Pertersen.
3.3. Mô phỏng mô hình liên k t ống thép bằng mặt bích và bu
lông
3.3.1 Mô phỏng mẫu 1 k c t ƣớc 165.2x4 chịu kéo, kéo
xoắn đồng thời
3.3.1.1 Mô phỏng liên k t chịu kéo

a) Chọn kích thước giữu chiều dày mặt bích với đường kính
Bulông (Chúng ta đưa ra thông số 3 mô hình)
Trường hợp 1: e2 =30mm, e1 =40mm, ds=20mm; tF =16mm
(tF/ds=0.8; (e1+e2)/tF=4.375)
Trường hợp 2: e2 =30mm, e1 =40mm, ds =20mm, tF =20mm

(tF/ds=1; (e1+e2)/tF=3.5)


14
Trường hợp 3: e2 =30mm, e1 =40mm, ds =20mm, tF =25mm
(tF/ds=1.25 (e1+e2)/tF=2.8)

Hình 3.8. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và Mặt bích TH1

Hình 3.9. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và Mặt bích TH2


15

Hình 3.10. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và Mặt bích TH3
Trong trường hợp 1 ta thấy bản mã quá mỏng dẫn đến phá
hoại ở bản mã vậy trường hợp 1 giống với mô hình 1 do Petersen
đề xuất.
Trong trường hợp 3 ta thấy bản mã quá dày dẫn đến phá hoại
ở bu lông vậy trường hợp 3 giống với mô hình 3 do Petersen đề
xuất.
Trong trường hợp 2 ta thấy bản mã hợp lý hơn dẫn đến phá
hoại ở cả mặt bích và bu lông vậy trường hợp 2 giống với mô
hình 2 do Petersen đề xuất.
N ƣ vậy: Trường hợp 2: e2 =30mm, e1 =40mm, ds =20mm,
tF =20mm (0.8của ống thép là mô hình 2.Cường độ trong bulông đạt giới hạn
cho phép, đồng thời khớp dẻo cũng xuất hiện trong mặt bích.
b) Chọn kích thước giữu chiều dày mặt bích với chiều dày
ống thép

16

Hình 3.15. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và ống thép 4 trường hợp
Kết luận: Với trường hợp chịu kéo như sau:
Với tỷ lệ kích thước: (0.8(e1+e2)/tF=3.5) thì sự phá hoại là hợp lý nhất vì ống thép, mặt
bích và bu lông cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy.


17
3.3.1.2. Liên k t chịu kéo xoắn đồng thời

Chúng ta đưa ra thông số 4 mô hình sau:
Trường hợp 1: e2 =30mm, e1 =40mm, ds=20mm; tF =20mm;
ti=6mm (tF/ds=1;ti/ds=0.3; (e1+e2)/tF=3.5
Trường hợp 2: e2 =30mm, e1 =40mm, ds=20mm; tF =20mm;
ti=8mm (tF/ds=1;ti/ds=0.4; (e1+e2)/tF=3.5
Trường hợp 3: e2 =30mm, e1 =40mm, ds =20mm, tF
=20mm; ti=10mm (tF/ds=1; ti/ds=0.5; (e1+e2)/tF=3.5
Trường hợp 4: e2 =30mm, e1 =40mm, ds =20mm, tF
=20mm; ti=12mm (tF/ds=1; ti/ds=0.6; (e1+e2)/tF=3.5


18

Hình 3.20. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và ống thép 4
trường hợp
Kết luận: với trường hợp chịu kéo, kéo xoắn đồng thời:

Với tỷ lệ kích thước: (0.8(e1+e2)/tF=3.5) thì sự phá hoại là hợp lý nhất vì ống thép, mặt bích
và bu lông cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy.


19
3.3.2 Mô phỏng mẫu 2 k c t ƣớc 267.4x6 chịu kéo, kéo
xoắn
3.3.2.1 Mô phỏng liên k t chịu kéo

a) Chọn kích thước giữu chiều dày mặt bích với đường kính
Bulông
Chúng ta đưa ra thông số 3 mô hình:
Trường hợp 1: e2 =35mm, e1 =40mm, ds=22mm; tF =18mm
(tF/ds=0.8; (e1+e2)/tF=4.16)
Trường hợp 2: e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF =22mm
(tF/ds=1; (e1+e2)/tF=3.4)
Trường hợp 3: e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF =25mm
(tF/ds=1.14 (e1+e2)/tF=3)


20

Hình 3.21. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và Mặt bích TH1

Hình 3.22. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và Mặt bích TH2


21

Hình 3.23. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và Mặt bích TH3
Như vậy: Trường hợp 2: e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm,
tF =22mm (tF/ds=1; (e1+e2)/tF=3.4). Mô hình phá hủy của ống thép
là mô hình 2.Cường độ trong bulông đạt giới hạn cho phép, đồng
thời khớp dẻo cũng xuất hiện trong mặt bích.
b) Chọn kích thước giữa chiều dày mặt bích với chiều dày ống
thép
Với tỉ lệ kích thước của mặt bích và bu lông như trên, ta đi tìm
kích thước hợp lý cho mặt bích và ống thép, Chúng ta đưa ra thông
số 3 mô hình sau:
Trường hợp 1: e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF =22mm,
ti=6mm (tF/ds=1; ti/ds=0.36; (e1+e2)/tF=3.4)
Trường hợp 2: e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF =22mm,
ti=8mm (tF/ds=1; ti/ds=0.45 ; (e1+e2)/tF=3.4)
Trường hợp 3: e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF =22mm,
ti=10mm (tF/ds=1; ti/ds=0.55; (e1+e2)/tF=3.4)


22

Hình 3.27. Biểu đồ ứng suất trong Bu lông và ống thép trong 3
trường hợp
Kết luận: Với trường hợp chịu kéo như sau:
Với tỷ lệ kích thước: (0.8(e1+e2)/tF=3.5) thì sự phá hoại là hợp lý nhất vì ống thép, mặt bích
và bu lông cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy.


23
3.3.2.2. Liên k t chịu kéo xoắn đồng thời

Chúng ta đưa ra thông số 4 mô hình sau:
Trường hợp 1: e2 =35mm, e1 =40mm, ds=22mm; tF =22mm;
ti=10mm (tF/ds=1;ti/tF=0.45; (e1+e2)/tF=3.4
Trường hợp 2: : e2 =35mm, e1 =40mm, ds=22mm; tF
=20mm; ti=12mm (tF/ds=1;ti/tF=0.55; (e1+e2)/tF=3.4
Trường hợp 3: : e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF
=22mm; ti=14mm (tF/ds=1; ti/tF=0.64; (e1+e2)/tF=3.4
Trường hợp 4: : e2 =35mm, e1 =40mm, ds =22mm, tF
=22mm; ti=16mm (tF/ds=1; ti/tF=0.73; (e1+e2)/tF=3.4