Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu kéo (nén) uốn đồng thời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----  ----

PHAN CÔNG BÀN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT
NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG
CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng- Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----  ----

PHAN CÔNG BÀN

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT
NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG
CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số:60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : TS. LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng- Năm 2017


ỜI C

ự

ợ
ủ TS

N
nh Tuấn ớ

N

ớ

Tên tôi là: Phan Công Bàn,
C
t
D
ụ
C
T

Đ

Kỹ T

ệ

31 ủ

ật

N

ậ

tốt

ệ

ớ ự

ớ

ề tài:

“NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ
DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ỒNG THỜI”

bố t

T

x

Cá

ố ệ , ết q ả
bất ứ
t

t
t

ứ
ậ

t

ủ

t

t ự

từ

á
N

ờ

Phan Công Bàn

ợ

g


NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN SỬ DỤNG
MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG THỜI
H

: PHAN CÔNG BÀN

Dự

Chuyên ngành:

Mã ố: 60.58.02.08 Khóa:K31 T ờ

Bá

DD&CN
- H N

Tóm tắt –V ệ
ứ ề ự
ệ ủ
ết ố ố t
tò ử ụ
ặt b
b
ị
( ) ố ồ t ờ
ề ậ

ề Ứ xử ủ
ết
á ứ
t
ã
ột ố tá
ả
ứ ề ấ ề
,
ữ
ứ
ỉ ừ
ở
ột ố ấ ề ơ
ả ,
ỏ
ết ợ ự
ệ t ự ủ
ết V
,
á t
ẩ t tế
ổbế
E
e 3 AISC ề
q
ị t
t á
ết ố t
tò

ộ
B bá
ằ
ết ( ố q
t
t ờ
ợ
Từ khóa–Mặt b

ữ
ệ
ị
;b

ữ
(

q
ề
) ố
ờ

ật ứ xử ủ ố
bả
ã, ờ
ồ t ờ
ộ

; Cơ

ế

ố , ề x ất á t
b
ề

ố ợ
ố

ý ủ
t )

á ủ

RESEARCH THE WORK SUBJECT TO TENSION (COMPRESSION) AND
BLEND LOADOF THE ROUND STEEL PIPE CONNECTION USE
THE FLANGE AND BOLTS
Abstract- The research on the work of the round steel pipe connection flange bolt and
tensile (compression) bendingat the same time not mentioned much. The behavior of
connection is quite complex. There are a number of authors who have research the subject,
but the research is limited to a number of simple problems that do not accurately simulate
the actual work of the connection. For that reason, advanced standards such as Eurocode 3
and AISC are not required to calculate the connection of round steel pipe into the content.
The report go to offer therules for the behavior of joints, the proposal of reasonable
parameters of the link (the relationship between the thickness of the code, the diameter of
the bolt and thickness of steel tubes) in the case of tensile (compression ) bending
simultaneously.
Key words–Flange; high tension bolt; collapse mechanim.

ỤC ỤC
ỜI C

Đ

N ...................................................................................................... 1-3

MỤC LỤC .................................................................................................................. 1-5
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 1-7
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... 1-10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1.Tính cấp thiết củ

ề tài: .......................................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu củ
3

ề tài ............................................................................... 3

ố t ợng và ph m vi nghiên cứu:.......................................................................... 3

4 P

ơ

5. Bố cụ

á

ứu:........................................................................................ 3

ề tài ............................................................................................................ 4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ .......................................................................... 6
1.1 Trên thế giới .......................................................................................................... 6
1.2 T i Việt Nam ......................................................................................................... 7
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 9
2.1 Kết cấu ống thép tròn, mặt bích, bulông ............................................................... 9

2.1.1 Thép ống tròn ....................................................................................... 9
2.1.2 BuLông ................................................................................................. 9
ịu lực của bulông .................... 11

2.2 Sự làm việc của liên kết bu lông và khả

2.2.1 Liên kết bulông .................................................................................. 11
2.2.2 Sự làm việc của liên kết b
23P

ơ

231P

á

ơ

ờ

ộ cao ................................. 13

ần tử hữu h n ............................................................................ 16

á

ới ....................................................................... 16

2.3.2 Lo i phần tử ....................................................................................... 16


2 4 Cá

ơ

ế phá huỷ : Pete e ,

ờ

3

n của Smidth neuper hoặc là seidel.17

2.4.1 Nghiên cứu của Schmidt-Neuper ....................................................... 17
2.4.2 Mô hình của Seidel ............................................................................ 20
Pete e

2.4.3 Mô hình phá hủ
CHƢƠNG 3

ề xuất ................................................ 20

Ô PHỎNG LIÊN KẾT ...................................................................... 22
FEM ối với liên kết ơ

3.1 Mô phỏ

ẻ một bulông và mặt bích d ng chữ L khi

chịu kéo ..................................................................................................................... 23

311 ặ t
3.1.2 P

ơ

ật liệu ............................................................................... 23
á

t

....................................................................... 23

3.1.3 Mô phỏng phần tử d ng chữ L ........................................................... 24
3.1.4 Kết quả phân tích ............................................................................... 25
3.2 Mô phỏ

FEM ối với mối nối liên kết ố

ầu của ống thép tròn dùng bulông

và mặt bích ngoài ...................................................................................................... 28

3.2.1 Mô phỏng ống nhỏ

t

ớc:139,8x4 chịu kéo, kéo(nén) uố

ồng

thời............................................................................................................... 29
3.2.2 Mô phỏng ố

t

t

ớc: 267.4x6 chịu kéo, kéo (nén) uốn

ồng thời...................................................................................................... 41
3.2.3 Mô phỏng ống lớn kích t

ớc:406.4x9.5 chịu kéo, kéo(nén) uố

ồng

thời............................................................................................................... 50
3.3 Xây dựng quy trình tính toán, thiết kế cụ thể mối nối liên kết

x t ến những

ứng xử phức t p của các thành phần trong liên kết ( bulông, mặt bích và ống thép)
trong chịu lực phức t p.............................................................................................. 59
KẾT LUẬN VÀ KİẾN NGHỊ ..................................................................................... 62
1. Kết luận: ................................................................................................................ 62
2. Kiến nghị: .............................................................................................................. 62
TÀİ İỆU THAM KHẢO........................................................................................... 63


D NH

ỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1

Một số mối nối bằng bulông

6

1.2

Mối nối liên kết ố

6

1.3

Một số kiểu nối ống tròn

7

2.1

Một số kiểu ống thép

9

2.2

Cấu t o bulông

10

2.3

B

2.4

Liên kết ú

2.5

Liên kết momen

12

2.6

Liên kết chịu cắt

12

2.7

a)Liên kết chịu kéo

b) Liên kết ồng thời chịu kéo và cắt

12

2.8

Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lự t ợt ma sát

14

2.9

Sự làm việc chịu kéo của bulông

16

2.10

Phần tử 8 nút

17

2.11

ờ

ầu bu lông và mặt bích ngoài

ộ cao

11

t

11

Biể

ồ quan hệ giữa lực kéo và lực d c trong bulông do Schmidt

– Ne

e

ề xuất

18

2.12

Mô hình T-stub

19

2.13

Quan hệ phi tuyến giữa ngo i lực và lực d c trong bulông

20

2.14

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

21

ặ t

ật liệu của bulông và ống thép

23

3.2

Mô hình bulông và bản thép trong Abaqus

25

3.3

Mô hình phần tử d ng chữ L trong Abaqus

25

3.4

Hình ảnh phân tích phần tử d ng chữ L trong Abaqus

25

3.1

ồ quan hệ giữa lực d c Tp trong bulông và lực kéo Ts

Biể
3.5

trong phần tử d ng chữ L so sánh với biể

ồ của Schmidt-

26

Neuper

3.6

K

t

ớc các ống thép mô phỏng

3.7

Mô hình ống thép chịu kéo

29
29


Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

3.8

Cá t ờng hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo

30

3.9

Ứng suất trong bulông và mặt b

t ờng hợp 1 theo thời gian

30

3.10

Ứng suất trong bulông và mặt b

t ờng hợp 2 theo thời gian

31

3.11

Ứng suất trong bulông và mặt b

t ờng hợp 3 theo thời gian

31

3.12

Ứng suất trong bulông và mặt b

t ờng hợp 4 theo thời gian

32

3.13

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bu lông

32

3.14

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=4 mm

33

3.15

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=6 m

34

3.16

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=8 m

34

3.17

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=10 m

34

3.18

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bu lông

35

3.19

Cá t ờng hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo uố

3.20

Mô hình ống thép chịu kéo uố

3.21

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =16mm

37

3.22

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =20mm

37

3.23

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =25mm

37

3.24

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bu lông

38

3.25

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=8 mm

39

3.26

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=10 m

39

3.27

Mô hình ống thép ds =20mm, tF =20 mm, ti=12 m

39

3.28

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông

40

3.29

Mô hình ống thép trung chịu kéo

41

3.30

Cá t ờng hợp mô phỏng ống trung chịu kéo

41

3.31

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =20 mm

42

3.32

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =22 mm

42

3.33

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =25 mm

42

3.34

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =30 mm

43

3.35

Biể

3.36

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=4 mm

ồng thời

ồng thời

ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bulông

36
36

43
44


Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

3.37

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=6 m

44

3.38

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=8 m

45

3.39

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=10 m

45

3.40

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bu lông

46

3.41

Mô hình ống thép chịu kéo uố

3.42

Cá t ờng hợp mô phỏng ống trung chịu kéo uố

3.43

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=6 mm

48

3.44

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=8 m

48

3.45

Mô hình ống thép ds =22mm, tF =22 mm, ti=10m

49

3.46

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông

49

3.47

Cá t ờng hợp mô phỏng ống lớn chịu kéo

50

3.48

Mô hình ống thép lớn chịu kéo

51

3.49

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =25mm

51

3.50

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =30mm

51

3.51

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =35mm

52

3.52

Mô hình ống thép sau khi phân tích với tF =40mm

52

3.53

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bulông

53

3.54

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=6 mm

54

3.55

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=8 m

54

3.56

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=10 m

54

3.57

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông

55

3.58

Mô hình ống thép chịu kéo uố

3.59

Cá t ờng hợp mô phỏng ống trung chịu kéo uố

3.60

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=8 mm

57

3.61

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=10 m

57

3.62

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=12m

57

3.63

Mô hình ống thép ds =24mm, tF =30 mm, ti=14m

58

3.64

Biể

ồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông

58

3.65

Liên kết chịu kéo uố

ồng thời

59

ồng thời

47
ồng thời

ồng thời

47

56
ồng thời

56

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

bảng
2.1

Hệ số

2.2

Hệ số

3.1

ặ t

3.2

ặ t

3.3

Hằng số

3.4

Bả

ều kiện làm việc b
át μ

ệ số ộ tin cậy b2

ật liệu

13
15
23

ng của bulông
t

Trang

26

ồi và TsI, TsII

27

ớc ống mô phỏng

28


1

Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, thép ố t ò
ợc ứng dụng phổ biến trong các công trình xây dựng,
sản xuất các thiết bị máy móc, ố
ớc, ố
ơ
ệp.... Nhờ vào nhữ
ặc
ểm nổi trộ
ộ cứ
ộ bền vững, tr
ợ t ơ
ối nhẹ, ờng
ộ chịu lực khá cao và chị
ợc nhữ
ộng m nh.

Một số hình ảnh công trình thép ống liên kết mặt bích


2
Tuy nhiên trên thực tế, có rất nhiều sự cố tai n
q
ến công trình thép
sử dụng thép ống liên kết mặt bích. Nguyên nhân xuất phát phần lớn từ sự tính toán
không thấ á t i các mối liên kết này.

Một số hình ảnh sập đổ của tháp thép dùng thanh ống tròn
Ứng xử của liên kết này khá phức t , ặc biệt là khi chịu các lo i tải tr ng
phức hợ , t

t ( ộ
ất, gió bão) … ã
ột số tác giả nghiên cứu về vấ ề
,
ững nghiên cứu chỉ dừng l i ở một số vấ ề ơ
ả ,
ỏng
hết ợc sự làm việc thực của liên kết V
á t
ẩn tiên tiến phổ
biế
E
e 3 AISC ề
q
ịnh tính toán liên kết ống thép tròn vào
nội dung.
Cho nên, việc nghiên cứu mối nối giữa ống thép sử dụng mặt bích và bu lông là
cần thiết ể
á
ỉ d n về quy trình tính toán thiết kế nhằm bổ sung cho các
quy chuẩn thiết kế hiệ
ấy là lý do ể thực hiện luậ
ớ ề tài:
“NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP
TRÒN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BULÔNG CHỊU KÉO (NÉN) UỐN ĐỒNG
THỜI”


3
2

ục ti u nghi n cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông
chịu kéo (nén) uố ồng thời.
- Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu h
với các m u khác nhau.

ABAQUS ể mô phỏng liên kết

- Dựa trên những quy luật ứng xử của mối nố , ề xuất các thông số hợp lý của
liên kết (mối quan hệ giữa chiều dày mặt bích
ờng kính bulông,giữa chiều dày
ống thép
ờng kính bulông)
- Từ những kết quả phân tích và tính toán ở trên, kiến nghị về quy trình tính toán
thiết kế mối nối.
3 Đối tƣợng và phạm vi nghi n cứu:
- ố t ợng nghiên cứu:
+

ờng kính bulông và chiều dày mặt bích

+ Chiều dày mặt bích và chiều dày ống thép
+

ờng hàn của ống thép tròn và mặt bích

- Ph m vi nghiên cứu:
+ Khảo sát ứng xử của bulông và mặt bích t i các liên kết nối bằng bulông và

mặt bích ngoài trong các thanh biên d ng ống tròn chịu lực chính trong kết cấu giàn
của tháp thép bằng Mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS.
t

+ Cá
ều kiện chịu lực khác nhau: kéo, kéo (nén)uốn ồng thờ
ều kiện chịu lự tĩ

ợc xem xét

4 Phƣơng pháp nghi n cứu:
Mô phỏng bằng FEM ( Finite Element Method)
á
á ợc ứng xử của liên kết mặt bích bằng bulông t i các liên kết thanh
thép ống trong kết cấu tháp. Chia việc nghiên cứ
3 b ớc:
B ớc 1: Tiến hành mô phỏng bằng FEM liên kết của một bu
ơ ẻ ợc
tách ra từ liên kết phần tử trong mối nối (giố
2t
ữ L (L – flange)
ợc nối bởi 1 bulông). Kết quả của phân tích mô phỏng này sẽ ợc kiểm chứng với
những phát biểu lý thuyết về ơ ế phá hủy củ Pete e (1990) ối với liên kết
bulông và mặt b
ũ
q
ệ phi tuyến giữa lực d c trong bulông và lực
kéo trong thân tháp do Seidel (2001) phát biểu.So sánh kết quả mô phỏ FEM, ũ
ững mô hình phát biểu lý thuyết của các nghiên cứ t ớc nhằm kiểm chứ
ộ

tin cậy trong phân tích FEM và quy luật quan hệ trong ứng xử giữa 1 bulông và phần
tử mặt bích.


4
B ớc 2: Tiếp tục phát triển phân tích mô phỏ
ã ợc xác lậ t
b ớc 1
ể mô phỏng cho cả liên kết giữa 2 mô
ết thanh và khảo sát sự ứng xử khi
làm việc chung. Từ
út
ợc quy luật ứng xử chung của mặt bích và bulông

Mô hình liên kết ơ

ẻ 1 bulông và

Mô hình của toàn bộ mối nối
liên kết

mặt bích d ng chữ L

B ớc 3: Xây dựng công thức và quy trình tính toán, kiể t
ể kiể
át ợc
ứng xử ũ
t ết kế an toàn cho cấu kiện liên kết ố ầu nối ống thép bằng
bulông và mặt bích ngoài của tháp thép. Công thức và quy trình tính toán, thiết kế,
kiểm tra sẽ ợc ứng dụng trong thực tế thiết kế, chế t o, sử dụng và vận hành các kết

cấ t á ề xuất các tỉ lệ hợp lý giữa các thông số
t ớc của liên kết.
5 Bố cục đề tài
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết củ
2. Mụ t
3

ề tài

ề tài

ố t ợng và ph m vi nghiên cứu

4 P

ơ

á

ứu

Chƣơng 1:Tổng quan vấn đề
1.1. Trên thế giới
1.2. T i Việt Nam
Chƣơng 2:Cơ sở lý thuyết
2.1. Kết cấu ống thép tròn, mặt bích, bulông
2.2. Mối nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông
23 P
24

seidel.

ơ

Cá

á
ơ

ần tử hữu h n
ế phá huỷ : Pete e ,

ờ

3

n của Smidth neuper hoặc là


5
Chƣơng 3: Mô phỏng liên kết
3.1. Mô phỏ FEM ối với liên kết ơ
khi chịu kéo (nén) uố ồng thời

ẻ một bulông và mặt bích d ng chữ L

3.2. Mô phỏ FEM ối với mối nối liên kết ố
bulông và mặt bích ngoài

ầu của ống thép tròn dùng

3.3. Xây dựng quy trình tính toán, thiết kế cụ thể mối nối liên kết x t ến những
ứng xử phức t p của các thành phần trong liên kết ( bulông, mặt bích, ống thép) trong
chịu lực phức t p kéo (nén) uố
t ời.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo


6

CHƢƠNG 1 TỔNG QU N VẤN ĐỀ
1.1 Tr n thế giới
Theo nghiên cứu của các tác giả [ Akiyama, Kurobane, Azuma, Kamba, Kato,
Kosteski, Mang, Packer]các tiêu chuẩn thiết kế thông dụng ( Eurocode 3, AISC) thì
các nghiên cứu xung quanh liên kết bằng bulông hoặ
ờng hàn của các ống thép
rỗng (hollow sect
e t ) HSC ợc tập trung rất nhiề
:
+ Eurocode 3, AIJ (Architectural Institute of Japan), SAC thì chỉ d n s n một số
mối nối bằng bulông, hoặ
ờng hàn của các ống thép rỗng d ng hình vuông, tam
giác, hoặ
tò
ỉ dừng l i phần nhiều là các liên kết dầm chữ I, chữ T
vào các cột rỗng chữ nhật bằng bulông và mặt bích, hoặ
ờng hàn, hoặc là liên kết
các ống tròn theo nhiề
ơ bằ

ờng hàn góc.

Hình 1.1 Một số mối nối bằng bulông
+ Hoặc một số cấu kiện kiểu liên kết T-Stub của mối nối liên kết ố
ống hình vuông ( chữ nhật) bằng bulông và mặt bích ngoài

ầu các

Hình 1.2 Mối nối liên kết đối đầu bu lông và mặt bích ngoài
+ Một số các tác giả [Akiyama (1974), Kurobane(1981,1987,1998,2002),
Azuma( 1999), Kamba(1995), Kato(1982), Kosteski(2001,2003), Mang(1980),


7
Packer(1993)] thì l i tập trung nghiên cứu về thực nghiệm của một số mối nối d ng
HSC
tập trung vào những liên kết kiểu hàn, hoặc những kiểu tiết diện vuông là
chủ yếu
+ Ngoài ra một số kiểu nối ống tròn trong các nghiên cứu của một số tác giả
ũ
ợc khả át
b
ới

Hình 1.3 Một số kiểu nối ống tròn
1.2 Tại Việt Nam
Liên kết thép ống bằng mặt bích có sử dụng ở ớ t
cứu nào cụ thể, chỉ có một số chỉ d n tính toán dựa vào các tài liệ
ớ
ã

một số tác giả nghiên cứu về vấ ề này ( GS.TS Ph V Hộ )
ững nghiên
cứu này chỉ dừng l i ở một số vấ ề ơ
ả ,
ỏng hết ợc sự làm việc
thực của liên kết, chẳng h
á ấ ề về sự phát triển ứng suất trong bulông liên


8
kết ờ
ộ
t e á
n, sự ép mặt của mặt bích, hiệ t ợng T- t b t
mômen uốn trong mặt b , ũ
ứng xử phức t p của liên kết nối bằng mặt bích
và bulông khi chịu các lực tác dụng khác nhau. Chính vì sự
xe x t ỹ các khía
c nh làm việc của kết cấu nên d
ến việc khó kiể
át ợc ứng xử ũ
ự
bá á
ều kiện chịu lực an toàn của kết cấ
ũ
ến một số tai n n về mặt
kỹ thuật gầ
Kết luận: Qua khảo sát tổng quan một số nghiên cứ t ớ
t t t ấy cấu
kiện ống thép d ng tròn liên kết nố ố ầu bằng bulông và mặt bích ngoài rất t ợc

ề cập hoặc nghiên cứu kỹ. Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết ối
ầu ống thép tròn của Eurocode 3(part 1-8) hoặc AISC v n chỉ nhắ ến tính toán và
khảo sát cấu kiện này rất ít hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của
cấu kiện d ng liên kết T-Stub.
N
t e q
ểm thiết kế hiệ
ũ
ảo sát qua một số những
phá ho i xảy ra ngay trên mối nối lo i này thì nhận thấy rằng, mối nố ố ầu ống
thép tròn bằng liên kết bulông và mặt bích ngoài không thể xem
ểu cấu kiện T –
Stub truyền thống mà là kiểu mới, có quy luật ứng xử khá khác mà ta g i là New – TStub. Các bulông làm việc hỗ trợ với nhau theo m
ớng, phân bố ứng suất trong các
bu lông và mặt b
ũ
ợc phân phối l i, ứng xử của chúng khác khá nhiều so với
kiểu T – stub truyền thố
ẽ ở trên.
Ngoài ra các tiêu chuẩ ũ
ột số nghiên cứu của các tác giả chỉ ề cập
ến nhữ t ờng hợp chịu lự ơ
ản hoặc khảo sát tách biệt (kéo thuần túy, nén
thuần túy, uốn thuần túy) mà bỏ q
ảo sát chịu lực phức hợ , ồng thờ
:
nén uố ồng thời, kéo uố ồng thời, cắt uốn.. d
ến việc nắm bắt
t
ú q

ật ứng xử của lo i mối nố ặc biệt này.
V
á t
ẩn tiên tiến phổ biế
E
ode 3 và AISC
ề
q
ịnh tính toán liên kết ống thép tròn vào nội dung (hollow section
connection)


9

CHƢƠNG 2 CƠ SỞ Ý THUYẾT
2.1 Kết cấu ống thép tròn, mặt bích, bulông
2.1.1 Thép ống tròn
Hiện nay, thép ố t ò
ợc ứng dụng phổ biến trong các công trình xây dựng,
sản xuất các thiết bị á
, ĩ
ực công nghiệp, dân dụng. Mỗi lo i vật liệu có
ặ t ,
ểm riêng và phù hợp sử dụng cho nhữ
t
, ĩ
ực khác nhau
tù t e
ử dụng của mỗ
t

ợc sử dụng trong các công trình
xây dựng dân dụng, nhà thép tiền chế,
á ,
ờn xe, ố
ớc, ố
ơ
công nghiệp, các lo i hàng gia dụng khác...

Hình 2.1 Một số kiểu ống thép
Thép ống tròn
ặc tính cứng vững, bền bỉ, tr
ợng nhẹ, ờ
ộ chịu
lực cao và chị
ợc nhữ
ộng m nh. Khi chị
ều kiện khắc nghiệt do tác
ộng của hóa chất, nhiệt ộ, thép ống sẽ
x
ớng uốn cong theo d
ờng tròn
mà không bị phá vỡ kết cấ ,
ả
ơ ò ỉ các lo i hóa chất, chất lỏng.
Thép ống tròn có khả
ống l i sự
ò ủa axit, hóa chất, nhiệt ộ cao,
ả
ởng của thời tiết, ảm bảo tính bền vữ
á

t
D
,
i thép
ống này là sự lựa ch
ý t ởng cho các nhà máy hóa chất,
ờng ống d
ớc,
dầu khí, chất ốt…
Việc lắ ặt thép ống tròn cho các công trình xây dựng rất linh ho t, dễ dàng
với m i yêu cầu củ á
t
T
, ộ dày ống thép có thể làm mỏng
ơ
ả
ở
ến chất ợ T
t ờng, thép ống tròn không yêu
cầu bảo trì và nếu yêu cầu bảo trì thì cách thực hiện rất
ơ
ản.
2.1.2 BuLông
2.1.2.1 Cấu tạo chung của bu lông
Thân bulông tròn.
-

ờng kính bulông: d = 12  48 mm (bulông neo d = 100 mm).

- Chiều dài bulông: l = 35  300 mm

10
- Chiều dài phần ren: lo = 2,5d (chiều dài phần thân không ren phải nhỏ
ơ tổng chiều dày các bản thép liên kết 2  3 mm).
Mũ b
: t ờng hay sử dụng hình lụ á ;
á

ợc mài vát.
ũ h  0,6d

ờng kính hình tròn ngo i tiế
ũ D = 1,7d. Bề dày củ
- Khoảng cách S là số ch n: S = 12, 14, 16, 18,…
Êcu:

- Hình d ng giố
ũb
,
ợc khoan lỗ và tiện ren giống
e ủa phầ t
(b ớc ren giống nhau).
- ệ (
e )
t ò ể phân phối áp lực của êcu lên mặt thép
ơ bản.

do

2d

d

o

D = 1,7d

h = 0,6d

30

lo

h = 0,6d

S

l

Hình 2.2 Cấu tạo bulông
Theo vật liệ b

ợc chia thành các cấ

ộ bền khác nhau với ký hiệu

4.6 10.9. Chữ số ầu nhân với 10 cho biết ờ
ộ tức thời của vật liệu bulông fu
(daN/mm2), tích của số ầu và số thứ hai là giới h n chảy fy (daN/mm2).

2.1.2.2 BuLông cường độ cao
ợc chế t o từ thép hợp kim, bằng cách tiệ
ệt luyện.
B
ờ
ộ cao có hai cách hiểu:
- Thứ nhất: ợc sản xuất từ các lo t
ờ
ộ
ộ bền tới 8 kN/cm2
ợ ù
á
i bulô t ờng.
- Thứ hai: bulông làm bằ t
ờ
ộ cao, và làm việc qua sự ma sát của
bản thép (g i là bulông có lực xiết khống chế hoặ b
ợ
t
bộ lực).
ộ chính xác thấ
b
t ờng
ợc làm bằ t
ờ
ộ
cao nên có thể vặn êcu rất chặt làm thân bulông chịu kéo và gây lực ép rất lớn lên tập
bản thép liên kết. Khi chịu lực giữa mặt tiếp xúc của các bản thép có lực ma sát lớn
chống l i sự t ợt t ơ
ối giữ

ú
N
ậy, lực truyền từ cấu kiện này sang cấu
kiện khác chủ yếu bằng lực ma sát.


11
ể ảm bảo khả
ịu lực của liên kết b
ờ
ộ cao, cần gia công
mặt các cấu kiện liên kết ể t
t
át: ải mặt bằng bàn chải sắt, á bằng
bột kim lo …
Bulông ờ
ộ cao dễ chế t o, khả
ịu lực lớn, liên kết ít biến d ng do
ợc sử dụng rộng rãi trong các kết cấu chịu tải tr ng nặng, tải tr
ộng.

Hình 2.3 Bulông cường độ cao
2.2 Sự làm việc của li n kết bu lông và khả năng chịu lực của bulông
2.2.1

i n kết bulông

Có 3 cách phân lo i liên kết

:

2.2.1.1 Dựa vào hợp lực truyền vào liên kết
Liên kết ú t : t
ần lực truyền vào liên kết là kéo hoặ
ú t
Liên kết lệch tâm: thành phần lực truyền vào liên kết là kéo hoặc nén lệch tâm.
Liên kết momen: ví dụ liên kết dầm-cột trong kết cấu hệ khung.
Liên kết ú t
ý t ởng chỉ nên có một bulông liên kết các cấu kiện l i với
nhau (Hình 2.4a).Tuy nhiên, trong thực tế t
ề
t ể, mà chỉ ảm bảo
ợc trục tr ng tâm của các cấu kiện cắt nhau t i một ểm. (Hình 2.4b)

a)

b)
Hình 2.4Liên kết đúng tâm

T ơ
ối phức t
ể phân tích, so sánh 2 lo i liên kết momen.Hình 2.5a ợc
biết
ột liên kết dầm conxon và liên kết bằng lực cắt trong bulông.
Liên kết trong Hình 2.5b t ờ
ợc thấy trong các khung chịu momen, t i vị
trí momen trong dầm truyền sang cột. Liên kết
ũ
ợc dùng trong cột t i vị trí
bản mã liên kết với móng bằng các bulông neo.Trong liên kết này, bulông vừa chịu lực

kéo và lực nén d c trục.


12

a)

b)

Hình 2.5 Liên kết momen
2.2.1.2 Dựa vào lực trong bulông
tr

Liên kết b
ũ
ợc phân lo i dựa vào hình d
,
ợc phân làm 3 lo i:
-L
ết ị ắt
-L
ết ị
- Liên ết ồ t ờ ị
ị ắt
Liên kết chịu cắt xảy ra ở liên kết chập hay liên kết ố

a) Liªn kÕt chËp

ặc tính của tải

ỉnh chịu lực kéo.

b) Liªn kÕt ®èi ®Ønh

Hình 2.6 Liên kết chịu cắt
Hình 2.7athể hiện một liên kết treo.Trong liên kết này, lực truyền là lực kéo
thuần túy trong bulông.Trong liên kết trên Hình 2.7b, bulông vừa chịu lực kéo và cắt.

a)

Hình 2.7a)Liên kết chịu kéo

b)

b) Liên kết đồng thời chịu kéo và cắt


13
2.2.2 Sự làm việc của li n kết bu lông cƣờng độ cao
2.2.2.1 Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông
,

Khi bản thép mỏ

ờng kính bulông lớn thì bản thép bị phá ho

ứt do

có ứng suất cục bộ cb phân bố

l

tác dụng ép mặt của bulông lên thành lỗ. Sự ép mặt này
ều theo chu vi lỗ

(vị trí chịu ứng suất nén lớn sẽ chảy dẻo, làm cho lỗ
bulông dần dần hình thành hình bầu dục d n tớ ứt).
Khả
ịu ép mặt của bulông mang tính quy
ớc, chính bằng khả
ịu cắt ứt của bản thép.
T ờng hợp tổng quát khi liên kết có nhiều bản
thép:

N cb  d  t min fcb b
:
+ (Σt)min – tổng chiều dày nhỏ nhất của các bả t
phía (cùng bị ép mặt ở một phía);
+ fcb –
ờ
ộ tính toán ép mặt q
ớc

T

ù

t ợt về một

Bảng 2.1. Hệ số điều kiện làm việc b

ặ

Giá trị b

ểm của liên kết

1. Liên kết nhiều bulông khi tính toán chịu cắt và ép mặt:
- ối vớ b
- B

t

ờ

t

( ộ chính xác nâng cao)
b

ộ

ộ

ều chỉnh lực xiết

2. Liên kết có một hoặc nhiề b
mặt kh

xá b

= 1,5

b=2 ,t

,

1,0
t

ờng, bulông

0,9

ốc
ợc tính toán chịu ép

ợc liên kết có giới h n chảy:

fy  285 N/mm2

0,8

fy > 285 N/mm2

0,75

GHI CHÚ: Các hệ số

ều kiện làm việc ở mụ 1

2

ợc lấ

ồng thời;


14
a – khoảng cách d c theo lực, từ mép cấu kiệ

ến tr ng tâm

của lỗ gần nhất;
b – khoảng cách giữa tr ng tâm các lỗ;
d–

ờng kính lỗ bulông.

2.2.2.2 Sự làm việc chịu trượt
Lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp nhận lự t ợt do ngo i lực gây ra.
Bulông chỉ chịu kéo do sự xiết chặt êcu.
T/2

¸p lùc

T/2

¸p lùc

T

lùc c¾t
¸p lùc
lùc c¾t

Hình 2.8 Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát
Sự làm việc của b
ờ
ộ cao trong liên kết chịu lự t ợt
át ợc
thể hiện trong hình 2.8 N
ậy, lự
t ớc trong bulông sẽ gây ra áp lực giữa hai
bản ngay cả t ớc khi ngo i lực tác dụng vào hệ. Khi có ngo i lực tác dụng, hai bản sẽ
x
ớ t ợt
ợc cản l i bởi lực ma sát giữa hai bản. Lực cản do ma
sát là một hệ số của nhiều lực ma sát giữa các bản.
C
ến khi tải tr
b
ợt quá lực ma sát thì các tấm sẽ bị t ợt lên
nhau. Vì vậy, liên kết b
ờ
ộ
ợc thiết kế sao cho tải tr ng tác dụng
ợt quá giới h
át ể tránh xảy ra sự t ợt. Khi lực tác dụ
ợt quá lực
ma sát, các tấ t ợt

ến khi bulông tiếp xúc với tấm và bắt ầu chịu lực
t ợt V ợt q á ểm này, lực tác dụng sẽ ợc chống l i bởi cả lực ma sát và lực
t ợt.
Khả
ị t ợt của một b
ờ
ộ cao:

  
n f

 b2 

N b  Abn f hb b1
T

:
fhb –

ờ

ộ chịu kéo tính toán của vật liệu bulông, fhb = 0,7fub;

fub –

ờ

ộ tức thời tiêu chuẩn của vật liệu bulông;

Abn – diện tích thực thân bulông (trừ giảm yếu do ren) (trabảng 2.2);

b1 – hệ số ều kiện làm việc của liên kết bulông,


15
b1 = 0,8

nếu

na< 5

b1 = 0,9

nếu

5 na< 10

b1 = 1

nếu

na 10

na – số

ợng bulông chịu lực trong liên kết;

 – hệ số ma sát, lấy theo bảng 2.1;
b2 – hệ số ộ tin cậy của liên kết, lấy theobảng 2.1;
nf – số

ợng mặt phẳng ma sát tính toán.
Bảng 2.2. Hệ số ma sát μ và hệ số độ tin cậy b2

P ơ
á
s ch mặt phẳng của
các cấu kiệ
ợc
liên kết

P

Hệ số b2 khi tải tr

ơ

á
ều
chỉnh lực
xiết bulông

Hệ số
ma sát μ

giữ

ờng kính bulông và lỗ , mm

ộng và  = 3  6

Tĩ

ộ dung sai

=56

ộng và  = 1
Tĩ

1. Phun cát th ch anh Theo M
hay bột kim lo i
Theo 

0,58

1,35

1,12

0,58

1,2

1,02

2. Phun cát hay bột Theo M
kim lo
phun Theo 
ơ ẽm hay nhôm

0,5

1,35

1,12

0,5

1,2

1,02

3. Bằng ng n lử ơ Theo M
ốt, không có lớp bảo Theo 
vệ bằng kim lo i

0,42

1,35

1,12

0,42

1,2

1,02

4. Bằng bàn chải sắt, Theo M
không có lớ ơ bảo Theo 

vệ

0,35

1,35

1,17

0,35

1,25

1,06

5. Không gia công bề Theo M
mặt
Theo 

0,25

1,7

1,3

0,25

1,5

1,2

GHI CHÚ:
ơ
góc quay của êcu.

á

=14

ều chỉnh theo M tức là theo mômen xoắn; theo  tức là theo

2.2.2.3 Sự làm việc chịu kéo
Khi ngo i lự
ơ
ới thân bulông tác dụng lên liên kết làm
tách rời các cấu kiện cần liên kết nên bulông chịu kéo.