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.PDF

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 DD & CN
Mã số : 8580201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ
CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH TUẤN

Phản biện 1: PGS.TS. Trần Quang Hưng
Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Thanh Tùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công
nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 20 tháng 4
năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
Thư viện Khoa Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp,
Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐ


1
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 (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
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

2
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.

3
- 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 lực: uốn - cắt,
Bước 4: Phân tích các kết quả thí nghiệm, kiểm chứng với kết
quả lý thuyết để từ đó rút ra kết luận.
5. Bố cục đề tài
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4. Phương pháp nghiên cứu


4
Chương 1: Tổng quan về mối nối liên kết ống thép tròn và cơ
sở lý thuyết
Chương 2: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết và đưa
ra đánh giá cho trường hợp tổng quát
Chương 3: Thực nghiệm và so sánh đối chiếu
Kết luận và kiến nghị
Danh mục tài liệu tham khảo

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
1.1.2. Sơ lược về mối nối liên kết ống thép tròn
1.1.2.1. Trên thế giới
1.1.2.2. Tại Việt Nam
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
1.2.1.2. Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông
1.2.1.3. Sự làm việc chịu trượt
1.2.1.4. Sự làm việc chịu kéo
1.2.2. Một số mô hình phá hủy
1.2.2.1. Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất
1.2.2.2. Mô hình của Seidel
1.2.2.3. Nghiên cứu của Schmidt-Neuper

1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1


5
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ
THUYẾT VÀ ĐƯA RA ĐÁNH GIÁ CHO TRƯỜNG HỢP TỔNG
QUÁT
Tổng hợp lại các kết quả nghiên cứu từ các tài liệu [5], [6], [7]
2.1. CÁC THÔNG SỐ CHUNG
2.1.1. Đặc trưng vật liệu sử dụng
2.1.2. Phương pháp phân tích
2.1.2.1. Lắp ráp
2.1.2.2. Điều kiện biên
2.1.2.3. Ứng lực trước cho bulông
2.1.2.4. Hệ số ma sát
2.2. MÔ PHỎNG PHẦN TỬ DẠNG L ĐỂ KIỂM CHỨNG
2.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT
2.3.1. Mô phỏng mối nối chịu uốn - cắt đồng thời
2.3.1.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 114.3x3.5
Bước 1: Mô phỏng các mẫu trên với việc thay đổi chiều dày bản
mã, cố định chiều dày thành ống, đường kính bulông các kích thước
e1 =40mm và e2=30mm. Với mỗi mẫu ta xây dựng biểu đồ quan hệ
ứng suất trong các bulông với bản mã trong trường hợp chịu uốn và
cắt đồng thời, các kết quả thể hiện từ hình 2.6 đến 2.9

Hình 2.6: ONHO-TH uốn và
cắt đồng thời với tF=20mm,
ds= 20mm (tF/ds =1,00)

Hình 2.7: ONHO-TH uốn và

cắt đồng thời với tF=22mm, ds=
20mm (tF/ds =1,10)


6

Hình 2.8: ONHO-TH uốn và
cắt đồng thời với tF=25mm,
ds= 20mm (tF/ds =1,25)

Hình 2.9: ONHO-TH uốn và
cắt đồng thời với tF=28mm,ds=
20mm (tF/ds =1,40)
Nhận xét: Ở hình 2.7 và hình 2.8 (ứng với tF= 22mm và tF=

25mm) ta thấy: Ứng suất trong bulông và trong mặt bích cũng đạt
đến giới hạn chảy → chọn tỷ lệ kích thước giữa chiều dày mặt bích
và đường kính bulông: 1,00< tF/ds< 1,40
Bước 2: Sau khi xác định được độ dày bản mã thích hợp để bản mã
và bulông cùng chảy dẻo, ta tiến hành mô phỏng các mẫu với việc thay
đổi chiều dày thành ống, cố định chiều dày bản mã (tF=22mm), đường
kính bulông (ds= 20mm) và các kích thước e1 =40mm và e2=30mm.
Với mỗi mẫu ta xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất trong các bulông
với bản mã và thành ống trong trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời,
các kết quả thể hiện từ hình 2.10 đến 2.13

Hình 2.10: ONHO-Trường hợp
uốn cắt đồng thời với tF=22mm,
ds= 20mm, tp= 8mm (tF/ds =1,40;
tp/ds =0,40)

Hình 2.11: ONHO-Trường hợp
uốn và cắt đồng thời với tp=
10mm (tF/ds =1,40;tp/ds =0,50)


7

Hình 2.12: ONHO-Trường
hợp uốn và cắt đồng thời với tp=
12mm (tF/ds =1,40;tp/ds =0,60)

Hình 2.13: ONHO-Trường
hợp uốn và cắt đồng thời với tp=
14mm (tF/ds =1,40;tp/ds =0,70)
Nhận xét: Ở hình 2.11 (ứng với tF=22mm, ds= 20mm, tp= 10mm)

ta thấy: ứng suất trong ống thép gần đạt giới hạn chảy, ứng suất trong
mặt bích và bulông cũng đồng thời đạt đến giới hạn chảy → chọn tỷ
lệ kích thước giữa chiều dày ống thép và đường kính bulông: 0.40<
tp/ds< 0.60
Kết luận: Đối với ống nhỏ chịu uốn – cắt đồng thời, tỷ lệ kích
thước hợp lí giữa chiều dày mặt bích , đường kính bulông và chiều
dày ống thép là: 1.002.3.1.2. Trường hợp mô phỏng ống trung 267.4x6.0
2.3.1.3. Trường hợp mô phỏng ống lớn 406.4x12.7
2.3.2. Mô phỏng mối nối chịu kéo – uốn đồng thời
2.3.2.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 139.8x4
2.3.2.2. Trường hợp mô phỏng ống trung 267.4x6
2.3.2.3. Trường hợp mô phỏng ống lớn 406.4x9.5

2.3.3. Mô phỏng mối nối chịu kéo – xoắn đồng thời
2.3.3.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 165.2x4
2.3.3.2. Trường hợp mô phỏng ống trung 267.4x6.0
2.3.3.3. Trường hợp mô phỏng ống lớn 355.6x9.5
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2


8
Bằng các mô phỏng với phần mềm Abaqus, nghiên cứu đã cho
thấy được ứng xử của các bulông, ống thép và mặt bích trong liên kết
nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông trong các trường hợp
chịu lực khác nhau (uốn - cắt, kéo - uốn, kéo – xoắn) với 3 mẫu có
kích thước khác nhau. Từ đó, chọn được khoảng tỷ lệ hợp lý giữa 3
đại lượng: đường kính bulông (ds), chiều dày mặt bích (tF) và chiều
dày ống thép (tp):
Bảng 2.7: Tổng hợp kết quả nghiên cứu
TH chịu

Loại đường kính ống

lực

Ống nhỏ

Ống trung

Ống lớn

Uốn –

1.00
1.00
1.04
cắt

0.40
0.45
0.83≤tp/ds<1.04

Kéo -

0.80
0.91
1.04
uốn

tp/ds ≤ 0.6

0.27
0.33

Kéo -

0.80
0.8
1.08
xoắn

0.40
0.3
0.75
Qua đó ta thấy rằng có khoảng giao nhau về tỷ lệ kích thước
của các đại lượng ds, tF, tp khi mối nối chịu các trường hợp lực khác
nhau. Do vậy, tổng quát lại, trong trường hợp mối nối chịu lực phức
tạp, ta nên chọn tỷ lệ kích thước của các đại lượng ds, tF, tp như sau:
- Trường hợp ống cở nhỏ: dùng bulông có đường kính ds ≤ 20mm
nên chọn tỉ lệ kích thước: 1,00- Trường hợp ống cở trung: dùng bulông có đường kính ds ≤
22mm nên chọn tỉ lệ kích thước: 1,00- Trường hợp ống cở lớn: dùng bulông có đường kính ds ≥ 22mm
nên chọn tỉ lệ kích thước: 1,08những nghiên cứu thêm để đưa ra khoảng tỷ lệ phù hợp


9

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH ĐỐI CHIẾU
3.1. CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ
NGHIỆM
3.1.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm
Từ kết quả phân tích chương 2, kích thước hợp lý của mẫu thí
nghiệm được xác định như sau: ống nhỏ có đường kính ngoài:
114.3mm; chiều dày ống: ti = 10mm; chiều dày mặt bích: tF = 22mm;
đường kính bu lông: ds = 20mm; số lượng bu lông liên kết: 4
Từ đó ta thiết kế mẫu thí nghiệm như sau:

Hình 3.1. Sơ đồ mẫu thí nghiệm


10

Hình 3.2. Sơ đồ các mặt cắt

Hình 3.3. Sơ đồ cấu tạo các chi tiết


11
3.1.2. Chế tạo mẫu thí nghiệm
Ống thép được chế tạo từ thép STK400. Mặt bích được chế tạo từ
thép SM400. Bu lông sử dụng bu lông mác 10.9, sử dụng bu lông M20
để liên kết các mặt bích 1 và 2 với nhau, sử dụng bu lông M24 để liên
kết mặt bích 4 vào cột. Mối nối sau khi được lắp ráp được gắn ngàm
lên cột thép.
3.1.3. Thiết bị thí nghiệm
3.1.3.1. Strain gauges:
3.1.3.2. Cảm biến đo chuyển vị LVDT

3.1.3.3. Máy bơm dầu
3.1.3.4. Kích thủy lực
3.1.3.5. Load cell (Cảm biến lực)
3.1.3.6. Thước kẹp diện tử:
3.1.4. Thiết lập, bố trí thí nghiệm
3.1.4.1. Sơ đồ bố trí Strain gauges và Cảm biến đo chuyển vị
LVDT
Tại mặt cắt ống thép liên kết với mặt bích, ta tiến hành lắp 2
Strain gauges (SD1 và ST1). Để kiểm tra thêm, lắp 2 Strain gauges
(SD2 và ST2) tại mặt cắt giữa ống thép.
Trên mặt bích 1, tiến hành lắp đặt 5 Strain gauges (4 Strain gauges
S1T, S1P, S2, S3 dán dọc theo phương đường kính, Strain gauges SN
dán theo phương vuông góc với đường kính) tại các vị trí nghi ngờ có
ứng suất lớn.
Trên mẫu thí nghiệm, ta tiến hành lắp đặt 4 cảm biến đo chuyển vị
LVDT. Cảm biến LH1 đặt tại vị trí gia tải, cảm biến LH2 đặt tại vị trí
2/3 của ống thép, cảm biến LH3 và LH4 đặt tại mặt bích 1 và 2 để
đánh giá chuyển vị của 2 mặt bích này.


12

Hình 3.14. Sơ đồ bố trí Strain gauges và Cảm biến đo chuyển vị
LVDT trên mặt bích và ống thép

Hình 3.15. Sơ đồ bố trí Strain gauges trên mặt bích 1
3.1.4.2. Tính toán lực siết bu lông
Mô men siết có thể được tra theo bảng của nhà sản xuất. Với bu
lông M20, mô men siết là: M=570N.m; với bu lông M24, mô men
siết là: M=981N.m

3.1.4.3. Thiết lập thí nghiệm
Tiến hành lắp đặt dầm nối giữa 2 cột để tạo độ cứng cho cột lắp
mẫu thí nghiệm, hạn chế chuyển vị của cột khi gia tải. Sau đó tiến
hành lắp đặt mẫu thí nghiệm lên cột. Trong quá trình lắp đặt mẫu,


13
tiến hành siết các bu lông liên kết mặt bích 1 và 2, các bu lông liên
kết mặt bích 4 và cột thép đến mô men siết yêu cầu. Trong quá trình
siết bu lông cần chú ý phải siết đều các bu lông theo từng cấp nhỏ mô
men siết, khi các bu lông cùng đạt đến mô men siết thì mới tăng cấp
siết tiếp theo.
Tiếp sau đó tiến hành lắp kích thủy lực, cảm biến đo lực load cell.
Lắp đặt hệ dàn để lắp các cảm biến đo chuyển vị LVDT. Hệ dàn
này là độc lập và chắc chắn.
Lắp đặt các strain gauges và các cảm biến đo chuyển vị LVDT
vào mô hình thí nghiệm và cột.
Nối các strain gauges vào thiết bị đo và nối vào máy tính. Kiểm
tra lại thiết bị đo, thiết lập các đồng hồ đo, tham số đo cho máy tính
để sẵn sàn cho thí nghiệm.

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

Hình 3.18. Vị trí các cảm biến đo chuyển vị LVDT


14

Hình 3.19. Vị trí các strain gauges phía trên ống thép (ST1, ST2)

Hình 3.20. Vị trí các strain gauges phía dưới ống thép (SD1, SD2)

Hình 3.21. Vị trí các strain gauges trên mặt bích (S1T, S2)

Hình 3.22. Vị trí các strain gauges trên mặt bích (S1P,SN, S3)


15

Hình 3.23. Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị của cột
3.2. MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT
QUẢ ĐO
3.2.1. Mô tả kết quả thí nghiệm
Thực hiện gia tải cho mẫu với mỗi cấp tải Pi=10kN, giữ tải cho
đến khi chuyển vị của LVDT và biến dạng trong các Strain gauges ổn
định rồi mới thay đổi cấp tải, quan sát thấy được:
Khi tăng tải trọng, đầu gia tải cũng bắt đầu chuyển vị, tuy nhiên
chuyển vị ban đầu là nhỏ và chậm.
Tiếp tục tăng tải theo từng cấp, ta thấy rằng chuyển vị tại đầu kích
bắt đầu tăng nhanh dần. Quan sát thấy ống thép phía trong biến dạng,
làm cho mặt bích phía trong bị nghiêng so với phương đứng.
Tiếp tục tăng tải trọng theo từng cấp ta thấy ở cấp tải 136.3kN, bất
ngờ phát ra 1 tiếng nổ lớn. Quan sát ta thấy tại bu lông ở phía dưới,
đai ốc bị trượt ra một đoạn. Như vậy, sự phá hoại mẫu sảy ra là do bu
lông bị phá hoạt do trượt ren.

Hình 3.27. Mẫu bi phá hoại do trượt ren ở bu lông phía dưới ở
cấp tải 136.3KN

16
Sau thí nghiệm, tiến hành mở mẫu, quan sát thấy ở bu lông số 1,
ren đã bị cháy và phá hủy.

Hình 3.28. Phá hoại trượt ren ở bu lông phía dưới
Đồng thời quan sát thấy ống thép số 2 cũng bị biến dạng khá
nhiều, làm cho mặt bích số 2 bị nghiêng ( mặt bích vẫn tương đối
phẳng)

Hình 3.29. Biến dạng ở ống thép số 2 làm mặt bích bị nghiêng
3.2.2. Thí nghiệm nén trượt ren bu lông
Ở cấp tải trọng P=272.6kN, bu lông bị trượt ren. Lúc này, ứng
suất trong thân bu lông: σ=867713 (kN/m2)
Như vây ta thấy rằng khi bu lông bị trượt ren thì ứng suất trong
thân bu lông gân bằng với ứng suất chảy (900000kN/m2)
3.2.3. Đánh giá kết quả đo
3.2.3.1. Đánh giá về mặt định tính
- Ở cấp tải136.3kN, bu lông bị phá hoạt trượt ren


17
- Ống thép số 2 bị biến dạng nhiều làm cho mặt bích bị nghiêng.
Ta thấy rằng với sơ đồ tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm, ống
thép số 2 làm việc nguy hiểm nhất, tuy nhiên điều này sai khác so với
thực tế làm việc tại vị trí mối nối, do đó ở đây sự phá hoại của ống
thép số 2 chỉ mang tính chất tham khảo thêm trong thí nghiệm.
- Ống thép số 1 bị biến dạng nhiều
- Sau thí nghiệm, hai mặt bích vẫn tương đối phẳng
3.2.3.2. Đánh giá về mặt định lượng

a) Khả năng chiu lực theo lý thuyết
 Khả năng chịu lực của ống thép số 1
Dưới tác dụng của tải trọng P, vị trí nguy hiểm nhất trên ống thép
1 là tại mặt cắt 1-1 . Tuy nhiên, để xét đến sự làm việc của cả ống
thép, ta xét thêm mặt cắt 2-2.

Hình 3.32. Các mặt cắt để xác định ứng suất trên ống thép
- Xét mặt cắt 1-1: M=0,301P; Q=P
M
0.301P
20.07

 3825P(kN / m2 )
P
 66.7kN ;  
5
0.301
Wx 7.869 10
- Xét mặt cắt 2-2: M=0,151P; Q=P
20.07
M
0.151P
P
 132.9kN ;  

 1919 P(kN / m2 )
0.151
Wx 7.869 105
 Khả năng chịu lực của bu lông số 1 (bu lông phía dưới)

18
Ban đầu, bu lông đã được ứng lực trước một lực Tv  0,7   y  Ae ,
ứng suất ban đầu trong thân bu lông:  bd  0.7 y
Ứng suất toàn bộ trong bu lông:
0.5 

 tt  0.7 y 

2
M 2  lmax

0.5 Nbl
 0.7 y 
Ae

Giá trị lực phá hoại bu lông:

  0.7 y  1808P   y  P 

l 

2 2
i



Q2
n2

Ae

0.3 y
1808



(3.1)

0.3  9 105
 149.3kN
1808

b) Kết quả phân tích thực nghiệm
 Đồ thị tải trọng –chuyển vị của mẫu thí nghiệm
 Đồ thị tải trọng – biến dạng của mẫu thí nghiệm tại các vị trí
đo đạc

Hình 3.38. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên ống thép tại ST1

Hình 3.39. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên ống thép tại SD1


19

Hình 3.41. Đồ thị tải trọng – Biến dạng tại trên ống thép SD2

Hình 3.42. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên mặt bích tại S1P

Hình 3.43. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên mặt bích tại SN

Hình 3.44. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên mặt bích tại S4


20
Từ các biểu đồ ta nhận thấy, biến dạng trên ống thép tại các vị
trí ST1 và SD1 tăng lên rất nhanh, khi bu lông bị phá hoại, biến dạng
tại ST1 đạt 3.5%, tại SD1 đạt 6%; Tại vị trí ST2 đạt 0.1% và SD2 đạt
0.125%. Trong khi đó trên mặt bích, ở cấp tải từ 0 đến 40kN, mặt
bích hầu như không bị biến dạng, có những vị trí dao động giữa nén
và kéo, tuy nhiên khi tải trọng tăng lớn hơn 60kN thì biến dạng tại
các vị trí khảo sát lại bắt đầu tăng nhanh dần, có vị trí đạt tới 0.23%
khi bu lông bị phá hoại.
 Đồ thị tải trọng – ứng suất của mẫu thí nghiệm tại các vị trí đo đạc

Hình 3.45. Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí khảo sát trên ống
thép
Từ hình 3.45 ta thấy rằng ứng suất trên ống thép tại các vị trí ST1
và SD1 tăng nhanh và đạt tới giới hạn chảy khi tải trọng thí nghiệm
mới được 40kN. Tuy nhiên như phân tích ở trên đây là các vị trí nhạy
cảm, cường độ của thép bị giảm do chịu tác dụng của nhiệt độ trong
quá trình hàn ống thép vào mặt bích. Vì vậy để đánh giá sự phá hoại
của ống thép, ta đánh giá tại các vị trí SD2 và ST2 là hợp lý. Biến
dạng dẻo của ống thép xuất phát từ SD1 dần mở rộng ra phía ngoài
và mở rộng tới vị trí SD2 khi bu lông bị trượt ren. Từ đó ta có thể kết
luận rằng khi bu lông bị phá hoại thì ống thép cũng đã bị phá hoại.


21

Hình 3.46. Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí khảo sát trên
mặt bích
Từ hình 3.46 ta thấy ứng suất trong mặt bích ở giai đoạn đầu gia
tải là khá nhỏ, ứng suất gần như không tăng khi tải trọng thí nghiệm
nhỏ hơn 40kN. Tuy nhiên khi khi cấp tải trọng từ 40kN trở đi, ứng
suất tại các vị trí khảo sát bắt đầu tăng dần và tăng nhanh khi tải
trọng thí nghiệm lớn hơn 60kN. Và ta thấy rằng ứng suất trong mặt
bích bắt đầu đạt đến giới hạn chảy ở cấp tải 105kN và mở rộng dần ra
các vị trí khác. Do đó ta cũng có thể kết luận, mặt bích cũng đã bị phá
hoại khi bu lông bị phá hoại.
Kết luận 1: ở cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến
dạng dẻo của ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại các vị trí khảo
sát trên mặt bích, biến dạng dẻo xuất hiện trước khi bu lông bị phá
hoại và mở rộng dần ra các vị trí khác.Do đó có thể kết luận: Mối nối
bị phả hoại đồng thời ở cả ba vị trí: Bu lông, ống thép và mặt bích.
Biểu diễn ứng suất của các vị trí khảo sát ở ống thép, mặt bích và
bu lông lên trên cùng một đồ thị ở hình 3.47. Ta có một số nhận xét:
- Bu lông bị phá hoại trượt ren ( ở cấp tải 136.3kN), ứng suất
trong thân bu lông đạt 876430 kN/m2. Ứng suất trong thân bu lông
được xác định theo công thức (3.1)


22
- 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 vậy tải trọng
khi ống thép bị biến dạng dẻo trong thí nghiệm nhỏ hơn so với tải
trọng tính toán lý thuyết ( lần lượt là 66.7kN và 132.9kN). Điều này
có thể được giải thích do tại vị trí SD1 là vị trí liên kết ống thép vào
mặt bích bằng phương pháp hàn, do đó mà cường độ của ống thép tại
SD1 bị giảm do sự tác dụng của nhiệt độ, từ đó ảnh hưởng đến sự

làm việc của cả ống thép.

Hình 3.47. Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí trên mặt bích,
ống thép, bu lông
Kết luận 2:
- Công thức xác định ứng suất trong thân bu lông:

0.5 
0.5 Nbl
 tt 

Ae
Trong đó:

2
M 2  lmax

l 

2 2
i

Ae



Q2
n2

23
M và Q lần lượt là thành phần nội lực mô men và lực cắt tại vị
trí mối nối 2 mặt bích.
n là số bu lông liên kết các mặt bích
li là khoảng cách của bu lông thứ i đến tâm quay
lmax là khoảng cách của bu lông chịu kéo lớn nhất đến tâm quay
Ae là diện tích tiết diện ngang của bu lông
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong chương này đã thực hiện các nội dung sau:
Tiến hành thiết kế mẫu thí nghiệm với các kích thước có được từ
kết quả phân tích bằng phần mêm Abaqus.
Chế tạo mẫu thí nghiệm với kích thước thật để kết quả thu được từ
thí nghiệm phản ánh đúng với thực tế làm việc của liên kết.
Thiết lập thí nghiệm, các tham số đo được đo bằng các cảm biến
điện tử và ghi lại kết quả bằng phần mềm máy tính.
Ở cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến dạng dẻo
của ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại các vị trí khảo sát trên mặt
bích, biến dạng dẻo xuất hiện trước khi bu lông bị phá hoại và mở
rộng dần ra các vị trí khác. Do đó ta có thể kết luận: Mối nối bị phả
hoại đồng thời ở cả ba vị trí: Bu lông, ống thép và mặt bích. Từ đó,
đưa ra công thức xác định ứng suất trong bu lông
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Luận văn đã tiến hành tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết
trong ba trường hợp chịu lực: uốn-cắt, kéo-uốn, kéo- xoắn và đưa ra
đánh giá cho trường hợp chịu lực phức tạp (kéo-uốn-xoắn).
Tiến hành thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm theo kích thước tối
ưu của lý thuyết trong trường hợp mối nối ống nhỏ (đường kính
ngoài 114.3mm) chịu uốn-cắt đồng thời.