Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn chịu xoắn và kéo - xoắn sử dụng mặt bích và bu lông.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NGỌC HIỆP

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA
LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU XOẮN VÀ KÉO –
XOẮN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 8580201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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 – Đại học Đà Nẵng.


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn 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 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 và sự tính toán chưa thấu đáo các liên kết này.
Để giải quyết vấn đề sự làm việc của mối nối này khi chịu tác
dụng của đồng thời các tải trọng, luận văn thực nghiệm sẽ kiểm
chứng lại các kết quả lý thuyết từ tác giả Trịnh Hồng Vy với đề tài “
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 “ , tác giả Trịnh Hồng Vy
mô phỏng ứng xử của bu lông, mặt bích và ống thép trong trường
hợp chịu xoắn và kéo xoắn đồng thời trong phần mềm Abaqus để tìm
ra mối liên hệ giữ bu lông, mặt bích và ống thép và kiến nghị các tỷ


2
lệ kích thước hợp lý cho bu lông , mặt bích và ống thép.
Đề tài này sẽ thí nghiệm thực tế ,tác giả sẽ kiểm tra và đánh giá
lại bằng thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết , từ đó xác thực các công
thức về tỷ lệ kích thước của bu lông, mặt bích và ống thép có thể áp
dụng thực tế , với mục tiêu đảm bảo khả năng chịu lực và kinh tế tiết
kiệm nhất.Kết quả mô phỏng đưa ra kích thước hợp lý có thể áp dụng
trường hợp chịu xoắn và kéo xoắn.Vì vậy tác giả xin phép chỉ trình
bày thực nghiệm cho trường chịu xoắn của cấu kiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- 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 ứng xử thực tế của liên kết nối ống
thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu xoắn.
- 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:
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là liên kết đấu đầu ống thép tròn
bằng bu lông và mặt bích .Đề tài quan tâm đến đối tượng cụ thể sau:
+ Đường kính bu lông và chiều dày ống thép.
+ Chiều dày mặt bích và đường kính bu lông.
- Các điều kiện chịu lực xoắn tác động vào mối nối được đưa
vào xem xét và đánh giá.

 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 của
các lực: xoắn
4. Nội dung nghiên cứu
- Dùng thực nghiệm khảo sát sự làm việc phức tạp trong kết


3
cấu dưới các điều kiện chịu lực xoắn.
- Đánh giá các kiến nghị các tỉ lệ kích thước của các thông số
liên kết (Tỉ lệ giữ đường kính bu lông và chiều dày bản mã, đường
kính bu lông và chiều dày ống thép), từ lý thuyết và thực tế tương
đồng với nhau không.
- Kết luận tính khả thi của tỉ lệ kích thước của các thông số liên kết
5. 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
của lực: xoắn
Bước 4: Phân tích các kết quả thí nghiệm, kiểm chứng với kết
quả lý thuyết để từ đó rút ra kết luận.
6. Cấu trúc luận văn
Nội dung cơ bản của luận văn như sau:
MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Nội dung nghiên cứu
5. Phương pháp nghiên cứu
Chương 1: Sơ lược tổng quan và cơ sở lý thuyết
Chương 2: Cơ sở lý thuyết cho chế tạo mẫu thực nghiệm
Chương 3: Thực nghiệm và so sánh đối chiếu
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo


4
CHƯƠNG 1
SƠ LƯỢC TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Đạı cương mốı nốı ống tròn lıên kết bằng mặt bích và bu lông
cường độ cao
1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán mốı nốı
1.2.1. Giới thiệu về bu lông và liên kết bu lông
1.2.1.1. Giới thiệu về bu lông
a. Khái niệm về bu lông
b. Phân loại bu lông
1.2.1.2. Giới thiệu về liên kết Bu lông
a. Đối với thép tấm
b. Đối với thép hình
c. Bố trí bu lông
1.2.2. Khả năng làm việc chịu cắt của bu lông
a. Sự làm việc của liên kết bu lông
b. Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bu lông
c. Sự làm việc chịu trượt

d. Sự làm việc chịu kéo


5
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO CHẾ TẠO MẪU THỰC NGHIỆM
2.1. Số liệu đầu vào
2.1.1. Vật liệu đầu vào
Bu lông

ống thép và mặt bích

Vật liệu

M22, F10T bu lông
cường độ cao

SM400

Khối lượng
riêng

7,850 T/m3 =7850kg/ m3

7,850 T/m3=7850kg/
m3

Giới hạn bền
kéo

9x105
kN/m2=90daN/mm2

2,55x105
kN/m2=25.5
daN/mm2

Hệ số Poisson

0,3

0,3

Hệ số dẫn
nhiệt

0,053 kJ/m.s.oC

-

Độ giãn nở
nhiệt

1,2x10-5

-

2.1.2. Mô hình kích thước mẫu cần chế tạo
- tf là chiều dày mặt bích
-ti là chiều ống thép

-di đường kính ngoài ống thép
-e1 khoảng cách mép ngoài ống thép và tâm bu lông
-e2 khoảng cách tâm bu lông và mép mặt bích


6

Hình 2.2: Bu lông và mặt bích
2.2. Lựa chọn kích thước hợp lý của ống thép đưa vào thí
nghiệm (cố định đường kính bu lông và bề dày mặt bích)
Kết quả trường hợp 3:

Hình 2.6: Biểu đồ ứng suất trong bu lông và ống TH 3
Từ biểu đồ ta có nhận xét sau:
- Đường màu xanh lá cây nét liền tướng ứng với chiều dày
thành ống ti=14mm (Trường hợp 3), Ứng suất trong ống thép và bu
lông cùng đạt đến cường độ chảy đây là trường hợp ta mong đợi.


7
 Kết luận:
Ta chọn kích thước ống thép ti=14mm và đường kính bu lông
ds =22mm, ứng suất trong ống thép và bu lông cùng đạt đến cường
độ chảy dẻo.Từ đó ta cố định kích thước ống thép và đường bu lông
để chọn ra kích thước mặt bích phù hợp.
2.3. Lựa chọn kích thước hợp lý của mặt bích đưa vào thí nghiệm
(cố định đường kính bu lông và bề dày ống thép)
Kết quả trường hợp 2:

Hình 2.11: Biểu đồ ứng suất trong bu lông và mặt bích TH 2

Trong trường hợp 2 ta thấy bản mã hợp lý hơn dẫn đến phá
hoại ở cả mặt bích và Bu lông.
 Kết luận:
Ta chọn kích thước mặt bích tf=22mm và đường kính bu lông
ds =22mm ,Ứng suất trong mặt bích và bu lông cùng đạt đến cường
độ chảy dẻo.
2.4. Kết luận chương 2
- Từ các kết quả mô phỏng ta chọn kích thước hợp lý nhất để
các vật liệu trong cấu kiện được làm việc đồng thời với nhau, ta có
các thông số bề dày mặt bích 22mm, bề dày ống thép 14 mm, đường
kính bu lông 22mm


8
- Ta có được các kích thước từ đó tiến hành thí nghiệm bằng
cách đặt cảm biến đo biến dạng và tìm được ứng suất của bu lông,
mặt bích và ống thép vẽ lại biểu đồ ứng suất theo thực nghiệm.Xác
lập đồng nhất giữa lý thuyết và thực nghiệm.
-Từ đó ta xác nhận kết quả tìm được và xác nhận công thức
về kích thước có thể áp dụng được hay không, chương 3 làm rõ vấn
đề này.
Công thức chọn kích thước hợp lý của bu lông, mặt bích,
ống thép đảm bảo vừa chịu lực, vừa tiết kiệm vật liệu :
0.8

9
CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH ĐỐI CHIẾU
Như đã trình bày ở chương 2, qua kết quả phân tích , đã chọn

được tỷ lệ làm việc hợp lý giữa các kích thước: đường kính bu lông
ds, chiều dày mặt bích tF, chiều dày ống thép ti trong trường hợp chịu
lực xoắn.Ta tiến hành chọn vật liệu qua thông số đầu vào, tiến hành
chế tạo mẫu thí nghiệm, thí nghiệm thu nhập kết quả, xử lý kết quả ,
so sánh kết quả với lý thuyết, rút ra kết luận.
3.1. Các thông số đầu vào
Bảng 3.1: Các thông số đầu vào
Bu lông

ống thép và mặt bích

Vật liệu

M22, F10T bu lông cường
độ cao

SM400

Khối lượng
riêng

7,850 T/m3 =7850kg/ m3

7,850 T/m3=7850kg/ m3

Giới hạn bền
kéo

9x105
kN/m2=90daN/mm2

2,55x105 kN/m2=25.5
daN/mm2

0,3

0,3

0,053 kJ/m.s.oC

-

1,2x10-5

-

Hệ số
Poisson
Hệ số dẫn
nhiệt
Độ giãn nở
nhiệt

3.2. Công tác đánh gıá kıểm tra vật lıệu đầu vào
- Công tác lấy mẫu và thí nghiệm là công tác đảm bảo cấp độ
bền của bu lông, ống thép và mặt bích, nếu không đạt theo yêu cầu,
trả về nơi sản xuất, và đặt hàng đơn vị khác.


10

- Qua công tác kiểm tra đánh giá lấy mẫu ngẫu nhiên, bu lông
M22 đạt giới hạn bền kéo 9x105 kN/m2=90daN/mm2 và ống thép,
mặt bích đạt giới hạn bền kéo 2.55x105 kN/m2=25.5 daN/mm22.
-Ta có thể tiến hành công tác gia công thí nghiệm trên vật liệu này.
3.3. Công tác đưa ra phương án và thıết kế mẫu thí nghıệm
3.3.1. Phương án xây dựng lực xoắn cho cấu kiện

Hình 3.5: Phương án tạo lực xoắn
3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm
Từ ý tưởng , ta tiến hành lên bản vẽ thiết kế, chọn vật liệu có
tại địa phương và thị trường Việt Nam.


11

Hình 3.6: Thí nghiệm cho trường hợp chịu xoắn


12
3.4. Công tác gıa công chế tạo mẫu tạı xưởng cơ khí
Trong các khâu hoàn thành mẫu thí nghiệm, công tác chuẩn bị
là khâu quan trọng nhất để công tác lắp ráp được chính xác, các
đường hàn không nứt rỗ khí,khoan lỗ mặt bích , các cấu kiện không
được cong vênh tạo lực ép mặt ...Vì vậy quá trình gia công mẫu cần
gia công tại xưởng có đầy đủ thiết bị và người thợ có tay nghề.
 Bu lông :

Hình 3.9: Bu lông M22 10.9 và Đường kính Lỗ bu lông
 Mặt bích :

Hình 3.10: Kích thước mặt bích và Bề dày mặt bích


13
 Ống thép :

Hình 3.13: Kích thước ống thép
3.5. Công tác lắp đặt mẫu tạı phòng thí nghıệm
-Lắp đặt mối nối đầu tiên liên kết với thân cột và lắp đặt bu
lông liên kết giữa cột và mối nối.

Hình 3.18: Mặt bích và ống thép ( mối nối đầu tiên )
Lắp đặt mối nối thứ 2 liên kết bởi bu lông


14

Hình 3.19: Mặt bích và ống thép ( mối nối thứ hai )
Tiến hành gia cố trụ, khi lực tác dụng momen lớn nhất tại
chân trụ, ta gia cố thêm bản thép theo hình momen tại chân trụ.

Hình 3.20: Thép tấm gia cố chân trụ


15
-

Ta hàn liên kết thép tấm liên kết với ống thép và thép tấm

gia cố chân trụ.

Hình 3.21: Hàn ngàm thép tấm vào trụ đỡ
3.6. Giới thiệu các thiết bị đo
3.6.1.Strain gauges: Hãng sản xuất Tokyo Sokki
Kenkyujo.Co.Ltd
3.6.2. Cảm biến đo chuyển vị LVDT
3.6.3. Máy bơm dầu
3.6.4. Kích thủy lực
3.6.5. Load cell (Cảm biến lực)
3.6.6. Thước kẹp diện tử: sử dụng thước kẹp có thang chia
đến 0.01mm.


16
3.7. Thıết kế đıểm cần đặt thıết bị đo
3.7.1. Bố trí Strain gauges cho ống thép
Sơ đồ thiết kế điểm cần đặt Strain gauges :

Hình 3.28: Sơ đồ bố trí Strain gauges ống thép
Điểm Bố trí Strain gauges, điểm 1,2,3,4 :

Hình 3.29: Bố trí Strain gauges điểm 1,2,3,4,5,6,7,8,9


17
3.7.2. Bố trí Strain gauges cho mặt bích

Hình 3.32: Sơ đồ bố trí Strain gauges mặt bích
Điểm Bố trí Strain gauges, điểm A :

Hình 3.33: Bố trí Strain gauges điểm A
3.7.3. Bố trí Cảm biến đo chuyển vị LVDT

Hình 3.35: Bố trí cảm biến đo chuyển vị


18
3.7.4. Bố trí Strain gauges cho bu lông

Hình 3.36: Bố trí strain gauges tại 1 bu lông để đo biến dạng
3.8. Thí nghıệm mẫu
- Qua các bước phân tích và gắn strain gauges đo biến dạng và
cảm biến đo chuyển vị lên mẫu.Ta tiến hành thí nghiệm.

Hình 3.37: Thí nghiệm cho mẫu chịu xoắn
-Quan sát quá trình gia tải lên mẫu

Hình 3.38: Gia tải lực 11 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 1mm


19

Hình 3.39: Gia tải lực 22 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 2mm

Hình 3.40: Gia tải lực 33 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 3mm

Hình 3.41: Gia tải lực 44 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 4mm


20

Hình 3.42: Gia tải lực 55 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 5mm

Hình 3.43: Gia tải lực 66 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 6m

Hình 3.44: Gia tải lực 77 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 7mm

Hình 3.45: Gia tải lực 88 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 8mm


21

Hình 3.46: Gia tải lực 99 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 9mm
Nhận xét :Ta nhận thấy lực tác dụng lên cánh tay đòn tăng 10%
(được là tròn ) so với tính toán,từ phân tích ban đầu bu lông ngoài lực
cắt ( thêm lực uốn và kéo ), ống thép ngoài lực xoắn momen (thêm
lực uốn ),phần tiếp theo ta xuất kết quả số liệu thu thập được để làm
rõ vấn đề này.
3.9. Kết quả sau thí nghıệm
Tổng hợp kết quả thí nghiệm, ta xuất kết quả biến dạng của ống
thép, bu lông, mặt bích với từng cấp lực

Hình 3.47: Kết quả phân tích
3.10. Phân tích sau thí nghiệm
Từ số liệu đo biến dạng , ta vẽ được biểu đồ biến dạng với từng
cấp lực, từ biến dạng ta vẽ được biểu đồ ứng suất.


22
 Ứng suất của bu lông - ống thép

Hình 3.54: Ứng suất của bu lông - ống thép
 Ứng suất của bu lông và mặt bích

Hình 3.55: Ứng suất của bu lông và mặt bích
3.11. So sánh và đốı chıếu
 Kết quả lý thuyết của bu lông – ống thép :

Hình 3.56: Biểu đồ ứng suất trong bu lông và ống thép


23
 Kết quả thực nghiệm của bu lông – ống thép :

Hình 3.57: Biểu đồ ứng suất trong bu lông và ống thép
 Kết quả lý thuyết của bu lông – mặt bích :

Hình 3.58: Biểu đồ ứng suất trong bu lông và mặt bích lý thuyết
 Kết quả lý thực nghiệm của bu lông – mặt bích :

Hình 3.58: Biểu đồ ứng suất trong bu lông và mặt bích lý thuyết
thực nghiệm