Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu uốn và cắt đồng thời có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu

N N
N

O

N UYỄN

N

VN

MÔ P ỎN ỨN XỬ Ủ L ÊN Ế NỐ ỐN
ÉP
ÕN SỬ DỤN MẶ
Í
V
U LƠN
ỊU UỐN V
Ắ
ỒN
, Ĩ XÉ
ẾN
SỰ L M V Ệ P
UYẾN Ủ VẬ L ỆU

huyên ngành:
ỹ thuật Xây dựng ơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

ÓM Ắ LUẬN VĂN
Ỹ

UẬ XÂY DỰN

à N ng, 7/2017

SỸ


Cơng trình được hồn thành tại
N

KHOA

Người hướng dẫn khoa học: S. LÊ N

UẤN

Phản biện 1: .......................................................
Phản biện 2: ........................................................

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công
nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày.… tháng 7
năm 2017

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 dân dụng và công nghiệp, Trường
Đại học Bách khoa – ĐHĐN.

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Trọng Vinh, là học viên lớp cao học chun ngành Xây dựng
Cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp khóa 31 của Đại học Đà Nẵng.
Tôi được Đại học Đà Nẵng cho phép làm luận văn tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn
chính của TS. Lê Anh Tuấn với đề tài:
“Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép trịn sử dụng mặt bích và bulơng chịu uốn
và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu”
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất cứ công trình nào khác.
Người cam đoan

Nguyễn Trọng Vinh


i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ iv,v
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ ................................................................................. viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................ 2
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3
4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 3
6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 6

1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới ................................................... 6
1.2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước ................................................... 13
1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 13
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 15
2.1. Cấu tạo của bulông ......................................................................................... 15
2.1.1.Cấu tạo chung của bulông ........................................................................ 15
2.1.2. Bulông cường độ cao ............................................................................... 15
2.2. Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông ................... 16
2.2.1. Sự làm việc của liên kết bu lông............................................................... 16
2.2.2. Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông ...................................... 16
2.2.3. Sự làm việc chịu trượt .............................................................................. 17
2.2.4. Sự làm việc chịu kéo ................................................................................ 19
2.3. Một số mơ hình phá hủy ................................................................................. 20
2.3.1. Mơ hình phá hủy do Petersen đề xuất ...................................................... 20
2.3.2. Mơ hình của Seidel .................................................................................. 22
2.3.3. Nghiên cứu của Schmidt-Neuper.............................................................. 22
2.4. Ứng suất Von-Mises: ...................................................................................... 25
2.5. Kết luận chương 2: ......................................................................................... 25
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT .................................................................. 26
3.1. Mô phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulơng và mặt bích dạng chữ L khi
chịu kéo ..................................................................................................................... 26
3.1.1. Đặc trưng vật liệu.................................................................................... 26


ii
3.1.2. Phương pháp phân tích............................................................................ 27
3.1.2.1. Lắp ráp ............................................................................................. 27
3.1.2.2. Điều kiện biên .................................................................................. 27
3.1.2.3.Ứng lực trước cho bulông .................................................................. 27
3.1.2.4. Hệ số ma sát ..................................................................................... 28

3.1.3. Mô phỏng phần tử dạng chữ L ................................................................. 28
3.1.3.1. Mơ hình ............................................................................................ 28
3.1.3.2. Kết quả phân tích.............................................................................. 29
3.2. Mơ phỏng FEM mối nối liên kết đối đầu của ống thép trịn dùng bulơng và mặt
bích ngồi .................................................................................................................. 31
3.2.1. Mơ phỏng ống nhỏ 114.3x3.5................................................................... 32
3.2.1.1. Trường hợp chịu cắt thuần túy .......................................................... 32
3.2.1.2. Trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời .............................................. 38
3.2.2. Mô phỏng ống trung 267.4x6.0 ................................................................ 44
3.2.2.1. Trường hợp chịu cắt thuần tuý .......................................................... 44
3.2.2.2. Trường hợp chịu uốn cắt đồng thời ................................................... 51
3.2.3. Mô phỏng ống lớn 406.4 x 12.7 ............................................................... 57
3.2.3.1. Trường hợp chịu cắt thuần túy .......................................................... 57
3.2.3.2. Trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời .............................................. 63
3.3. Xây dựng quy trình tính tốn thiết kế mối nối liên kết trong trường hợp liên kết
chịu uốn cắt đồng thời ............................................................................................... 69
3.4. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 71
1. Kết luận ............................................................................................................. 71
2. Kiến nghị ........................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 72


iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
MƠ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRỊN SỬ DỤNG
MẶT BÍCH VÀ BULƠNG CHỊU UỐN VÀ CẮT ĐỒNG THỜI
CÓ XÉT ĐẾN SỰ LÀM VIỆC PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU
Học viên: Nguyễn Trọng Vinh

Mã số: 60.58.02.08

Chun ngành: Xây dựng dân dụng và cơng nghiệp

Khóa: 31

Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN

Tóm tắt - Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng
ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại cơng trình. Để đáp ứng sự phát triển
mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính tốn về liên kết của loại
kết cấu này. Liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên
kết hàn và liên kết sử dụng mặt bích và bulông. Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu cũng như
các chỉ dẫn tính tốn chỉ tập trung nhiều về liên kết hàn còn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích
và bulơng chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn giản như chịu kéo, nén hoặc uốn mà
chưa có các chỉ dẫn tính tốn trong trường hợp liên kết chịu lực phức tạp (như trường hợp uốn
cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn kéo/nén đồng thời…).
Nghiên cứu đã đưa ra những quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt
bích và bulơng trong trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, từ đó đề xuất các thơng số hợp lý của
liên kết (mối quan hệ giữa chiều dày bản mã, đường kính bulơng và chiều dày ống thép).
Từ khóa - ống thép trịn; Mặt bích; bulơng cường độ cao; chịu uốn cắt đồng thời; Cơ chế phá hủy.

SIMULTING BEHAVIOR OF THE TUBULAR STEEL JOINTS USING
FLANGES AND BOLTS WITH NONLINEAR BEHAVIOR OF
MATERIAL CONSIDERATION
Abstract - With many advantages, nowadays, the structure using tubular steel structure is
more and more widely used in all kinds of construction. In response to the rapid development
of the tubular steel structure, it has been had a lot of research about the joints of this structure.
Welding joints and joints using flanges and bolts are used most popular in tubular structure.
However, most of the reseachs concentrate about welding joints, the joints using flanges and

bolts are only mentioned in the case of simple load bearing such as tension or compression or
bending without computational instructions in the case of complex bearing forces (concurrent
shear force and bending or concurrent tension/compression and bending or
tension/compression and twisting).
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;
mechanisms of destruction.


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU
Ae

Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích

Cb

Hệ số lị so kéo của bulơng

Cc

Hệ số lị so nén của mặt bích

Cf

Hệ số lị so nén của mặt bích

Cw

Hệ số lị so nén của vịng đệm

DA

Bước ren của bulơng

dh

Đường kính lỗ bulơng

ds

Đường kính thân bulơng

dw

Đường kính bề mặt chịu lực ép

dwi

Đường kính trong của vịng đệm

dwo

Đường kính ngồi của vịng đệm

E

Modun đàn hồi của thép

e

Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông

FP

Lực dọc cho phép trong bulông

Fyf

Giới hạn chảy của vật liệu làm bản cột chia cho 1,1

Fys

Giới hạn chảy của vật liệu bản dầm chia cho 1,1

G

Khoảng cách từ tâm bulơng đến tâm mặt bích

Md

Độ bền kéo của lỗ bulông trên 1 đơn vị độ rộng, M d  ( t F2 . Fyf ) / 4

Ms

Độ bền kéo của bản thép trên 1 đơn vị độ rộng, M s  (t s2 .Fys ) / 4

No

Lực kéo thiết kế của bulông

p

Tỷ số giữa nội lực và ngoại lực

Tf

Lực kéo ngắn hạn cho phép

Tf2

Lực kéo cho phép theo mơ hình phá hủy 2 của Petersen

Tf3

Lực kéo cho phép theo mơ hình phá hủy 3 của Petersen

Tp

Lực dọc trong bulông

Ts

Lực kéo tác dụng vào cấu kiện

v

Tv

Lực kéo ban đầu trong bulông

tp

Độ dày của thành ống thép

ts

Độ dày của cánh dầm

tF

Độ dày của mặt bích

tw

Độ dày của vòng đệm

ws

Độ rộng bản thép



Hệ số cân bằng

y

Giới hạn đàn hồi của bulông

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BL

Bulông

BLn

Bulông thứ n, n=1, 2, 3…

CHS

Circle hollow sections

HSS

Hollow steel sections

RHS

Rectangular hollow sections

MB

Mặt bích

OLON

Ống thép trịn lớn có đường kính ống D=406,4mm, gọi là tắt ống lớn

ONHO

Ống thép trịn nhỏ có đường kính ống D=114,3mm, gọi là tắt ống nhỏ

OTRUNG

Ống thép trịn trung có đường kính ống D=267,4mm, gọi là tắt ống trung


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên hình

Trang

Bảng 2.1.

Hệ số điều kiện làm việc b

17

Bảng2.2.

Hệ số ma sát μ và hệ số độ tin cậy b2

19

Bảng 3.1.

Đặc trưng vật liệu

26

Bảng 3.2.

Đặc trưng hình dạng của bulơng

30

Bảng 3.3.

Hằng số đàn hồi và TsI, TsII

30

Bảng 3.4.

Bảng kích thước các mẫu ống mơ phỏng

31

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

Tên hình

Trang

Hình 1.1.

Các dạng mối nối HSS

6

Hình 1.2.

Các dạng phá hủy mối nối CHS

7

Hình 1.3.

Các dạng phá hủy mối nối của RHS

8

Hình 1.4.

Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H

9

Hình 1.5.

Các mối nối giữa tấm thép với CHS

10

Hình 1.6.

Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn

10

Hình 1.7.

Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn

10

Hình 1.8.

Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment

11

Hình 1.9.

Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết chịu moment

11

Hình 1.10.

Một số mối nối CHS và HSS bằng liên kết bulơng

12

Hình 1.11.

Mối nối liên kết đối đầu bulơng và mặt bích ngồi

13

Hình 2.1.

Cấu tạo của bulơng

15

Hình 2.2.

Sơ đồ làm việc của liên kết bulơng

16

Hình 2.3.

Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát

17

vii

Hình 2.4.

Sự làm việc chịu kéo của bulơng

20

Hình 2.5.

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

20

Hình 2.6.

Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulơng

22

Hình 2.7.

Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulơng do
Schmidt – Neuper đề xuất

22

Hình 2.8.

Mơ hình T-stub

24

Hình 2.9.

Tương quan giữa ứng suất Von Mises và ứng suất Tresca

25

Hình 3.1.

Mơ hình bulơng và bản thép trong Abaqus

28

Hình 3.2.

Mơ hình phần tử dạng chữ L trong Abaqus

28

Hình 3.3.

Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L trong Abaqus

29

Hình 3.4.

Mơ hình ống nhỏ chịu cắt thuần túy

32

Hình 3.5.

Lưu đồ thực hiện đối với ống nhỏ chịu cắt thuần túy

32

Hình 3.6.

Mơ hình ống nhỏ chịu uốn và cắt đồng thời

38

Hình 3.7.

Lưu đồ thực hiện đối với ống nhỏ chịu uốn và cắt đồng thời

38

Hình 3.8.

Mơ hình ống trung chịu cắt thuần túy

44

Hình 3.9.

Lưu đồ thực hiện đối với ống trung chịu cắt thuần túy

44

Hình 3.10.

Mơ hình ống trung chịu uốn và cắt đồng thời

51

Hình 3.11.

Lưu đồ thực hiện đối với ống trung chịu uốn và cắt đồng thời

51

Hình 3.12.

Mơ hình ống lớn chịu cắt thuần túy

57

Hình 3.13.

Lưu đồ thực hiện đối với ống lớn chịu cắt thuần túy

57

Hình 3.14.

Mơ hình ống lớn chịu uốn và cắt đồng thời

63

Hình 3.15.

Lưu đồ thực hiện đối với ống lớn chịu uốn và cắt đồng thời

63


viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Số hiệu

Tên biểu đồ

Trang

Biểu đồ 3.1.

Đặc trưng của bulơng

27

Biểu đồ3.2.

Đặc trưng của mặt bích, ống thép

27

Biểu đồ 3.3.
Biểu đồ 3.4.
Biểu đồ 3.5.
Biểu đồ 3.6.
Biểu đồ 3.7.
Biểu đồ 3.8.
Biểu đồ 3.9.
Biểu đồ 3.10.
Biểu đồ 3.11.
Biểu đồ 3.12.
Biểu đồ 3.13.
Biểu đồ 3.14.
Biểu đồ 3.15.
Biểu đồ 3.16.
Biểu đồ 3.17.
Biểu đồ 3.18.
Biểu đồ 3.19.

Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo Ts trong
phần tử dạng chữ L so sánh với biểu đồ của SchmidtNeuper và Seidel
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=20mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,00)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=25mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,25)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=28mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,40)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=30mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,50)

ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=28mm,ds= 20mm,
tp= 1.5mm (tF/ds =1,40; tp/ds =0,075)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 2mm
(tp/ds =0,10)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 3.5mm
(tp/ds =0,175)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 5mm
(tp/ds =0,25)
ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 8mm
(tp/ds =0,40)
ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=20mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,00)
ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=22mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,10)
ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=25mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,25)
ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 20mm
(tF/ds =1,40)
ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với
tF=22mm,ds= 20mm, tp= 8mm (tF/ds =1,40; tp/ds =0,40)
ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tp= 10mm
(tp/ds =0,50)
ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tp= 12mm
(tp/ds =0,60)

29
33
33
34
34

35
36
36
37
37
39
39
40
40
41
42
42


ix

Biểu đồ 3.20.
Biểu đồ 3.21.
Biểu đồ 3.22.
Biểu đồ 3.23.
Biểu đồ 3.24.
Biểu đồ 3.25.
Biểu đồ 3.26.
Biểu đồ 3.27.
Biểu đồ 3.28.
Biểu đồ 3.29.
Biểu đồ 3.30.
Biểu đồ 3.31.
Biểu đồ 3.32.
Biểu đồ 3.33.

Biểu đồ 3.34.
Biểu đồ 3.35.
Biểu đồ 3.36.
Biểu đồ 3.37.
Biểu đồ 3.38.
Biểu đồ 3.39.
Biểu đồ 3.40.

ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tp= 14mm
(tp/ds =0,70)
OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=25mm, ds= 22mm
(tF/ds=1,14)
OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=28mm, ds= 22mm
(tF/ds =1,27)
OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=30mm, ds= 22mm
(tF/ds =1,36)
OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=33mm, ds= 22mm
(tF/ds =1,50)
OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=35mm, ds= 22mm
(tF/ds =1,59)
OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tF=28mm,
ds=22mm, tp=2mm
OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 3mm
(tp/ds =0,14)
OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 4mm
(tp/ds =0,18)
OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 5mm
(tp/ds =0,23)
OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 6mm
(tp/ds =0,27)

OTRUNG-TH uốn & cắt đồng thời với tF=22mm, ds=
22mm (tF/ds =1,0)
OTRUNG-TH uốn & cắt đồng thời với tF=25mm,
ds= 22mm (tF/ds=1,14)
OTRUNG-TH uốn&cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 22mm
(tF/ds =1,27)
OTRUNG-TH uốn& cắt đồng thời với tF=30mm, ds=
22mm (tF/ds=1,36)
OTRUNG-TH uốn & cắt đồng thời với tF=25mm, ds=
22mm, tp= 10mm (tF/ds =1,14;tp/ds =0,45)
OTRUNG-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 12mm (tp/ds
=0,55)
OTRUNG-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 15mm (tp/ds
=0,68)
OTRUNG-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 18mm (tp/ds
=0,82)
OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=32mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,33)
OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=34mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,42)

43
45
45
46
46
47
48
48
49

49
50
52
52
53
53
54
55
55
56
58
58


x

Biểu đồ 3.41.
Biểu đồ 3.42.
Biểu đồ 3.43.
Biểu đồ 3.44.

OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=36mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,50)
OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=38mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,58)
OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=40mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,67)
OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=34mm, ds=
24mm, tp= 4mm (tF/ds=1,42; tp/ds =0,17)

59
59
60
61

Biểu đồ 3.45.

OLON-TH cắt thuần túy với tp= 6mm (tp/ds =0,25)

61

Biểu đồ 3.46.

OLON-TH cắt thuần túy với tp= 8mm (tp/ds =0,33)

62

Biểu đồ 3.47

OLON-TH cắt thuần túy với tp= 10mm (tp/ds =0,42)

62

Biểu đồ 3.48.
Biểu đồ 3.49.
Biểu đồ 3.50.
Biểu đồ 3.51.
Biểu đồ 3.52.
Biểu đồ 3.53.
Biểu đồ 3.54.

Biểu đồ 3.55.
Biểu đồ 3.56.

OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=25mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,04)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,17)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=30mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,25)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=34mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,42)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=36mm, ds= 24mm
(tF/ds =1,50)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 24mm,
tp= 18mm
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 20mm (tp/ds =0,83)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 22mm
(tp/ds =0,92)
OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 25mm
(tp/ds =1,04)

64
64
65
65
66
67
67
68
68

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng được sử dụng rất rộng rãi trong các
cơng trình dân dụng với nhiều cơng trình có hình dạng kiến trúc mềm mại và độc đáo.

Hình 0.1. Hội trường ở Olympics Athens
với cánh cung dùng ống thép rỗng

Hình 0.2. Hội trường ở sân bay dùng hệ
kết cấu ống thép rỗng

Hình 0.3. Cơng trình cơng cộng với hệ mái dùng kết cấu ống thép rỗng
(Nguồn Internet)
Không những thế kết cấu ống thép tròn rỗng cũng được sử dụng nhiều lĩnh vực
khác như tháp truyền hình, trụ truyền tải điện hay đường ống dẫn nước, ga, xăng
dầu…do có nhiều ưu điểm sau:


2
- Ống thép tròn rỗng với mặt cắt ngang là hình trịn đã cho thấy đó là hình dạng
tối ưu nhất để giảm thiểu tác động của tải trọng gió, tải trọng sóng hay nước tác động
lên kết cấu cũng như khả năng chịu xoắn tốt.
- Ống thép tròn rỗng với mặt cắt ngang là hình trịn đã cho thấy đó là hình dạng
tối ưu để chịu xoắn cũng như khả năng chịu áp lực trong (dùng làm đường ốngdẫn) so
với các dạng mặt cắt khác.
- Kết cấu dùng ống thép trịn rỗng có diện tích bề mặt nhỏ hơn so với các kết cấu

khác. Điều này làm cho hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của kết cấu dùng ống thép trịn
tăng lên đáng kể, do khơng có góc nhọn trên bề mặt của kết cấu.
- Do mặt cắt tiết diện rỗng nên kết cấu ống thép trịn có trọng lượng nhẹ hơn kết
cấu thép có các dạng mặt cắt khác.
Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép trịn rỗng đã có rất nhiều
nghiên cứu tính tốn kết cấu ống thép trịn rỗng cũng như các nghiên cứu tính tốn về
liên kết của loại kết cấu này. Liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng
phổ biến hiện nay là liên kết hàn và liên kết sử dụng mặt bích và bulơng. Tuy nhiên
hầu hết các chỉ dẫn tính tốn hiện có chỉ tập nhiều về sử dụng liên kết hàn còn liên kết
nối đầu sử dụng mặt bích và bulơng thì chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn
giản như chịu kéo, nén hoặc uốn chưa có các chỉ dẫn tính tốn trong trường hợp liên
kết chịu lực phức tạp (uốn cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn
kéo/nén đồng thời…).
Do đó việc nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống thép sử dụng mặt bích và
bulơng trong trường hợp chịu lực phức tạp là thiết thực và cần thiết nhằm giúp việc
tính toán thiết kế tin cậy hơn. Với các lý do trên tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Mô
phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulơng chịu uốn
và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Mô tả ứng xử của liên kết đối đầu bằng mặt bích ngồi và bulông khi chịu uốn cắt
đồng thời bằng mô phỏng FEM có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu.
- Dựa trên những quy luật ứng xử của mối nối ống thép bằng bulơng và mặt bích
ngồi chịu uốn cắt đồng thời thiết lập cơ sở khoa học tính tốn, thiết kế mối nối này
trong liên kết nối ống thép chịu uốn cắt đồng thời.
- Kiến nghị một số tỷ lệ kích thước hợp lý cho bulơng và mặt bích trong trường hợp
liên kết chịu uốn cắt đồng thời.


3
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:
+ Mối nối thép ống trịn sử dụng bulơng và mặt bích.
+ Các điều kiện chịu lực cắt và uốn cắt đồng thời tác động vào mối nối.
+ Mơ hình tính tốn bằng phần mềm Abaqus.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Khảo sát ứng xử của bulơng và mặt bích tại các liên kết đối đầu bằng bulơng
và mặt bích ngồi của ống thép tròn chịu khi chịu cắt thuần túy và chịu uốn cắt đồng
thời bằng phương pháp mô phỏng có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu.
+ Các lực tác dụng lên mối nối lực cắt và mômen là lực tĩnh.
4. Nội dung nghiên cứu
- Mô phỏng bằng FEM đối với liên kết của một bulông và mặt bích phần tử tương
ứng dạng hình chữ L.
- Khảo sát ứng xử của bulơng và mặt bích dưới các điều kiện chịu lực: chịu cắt và
chịu uốn cắt đồng thời.
- Dựa trên các kết quả phân tích được rút ra quy luật ứng xử của liên kết nối ống
thép sử dụng bulơng và mặt bích khi chịu uốn cắt đồng thời.
- Kiến nghị các tỷ lệ kích thước hợp lý giữa bulơng, mặt bích và chiều dày ống thép
của loại liên kết này.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết.
- Phương pháp mơ hình hóa.
- Phương pháp phân tích so sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị.
Cụ thể các bước như sau:
+ Bước 1: Tiến hành mô phỏng bằng FEM liên kết của một bulông đơn lẻ được
tách ra từ liên kết phần tử trong mối nối (hình chữ L). Kết quả của phân tích mơ phỏng
này sẽ được kiểm chứng với những cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu như mơ hình
phá hủy của Petersen, mơ hình của Seidel và mơ hình đường 3 đoạn của SchmitdNeuper. So sánh kết quả mô phỏng FEM với những mơ hình phát biểu lý thuyết của
các nghiên cứu trước nhằm kiểm chứng độ tin cậy trong phân tích FEM.
+ Bước 2: Phát triển mơ phỏng cho cả liên kết và khảo sát sự ứng xử khi làm việc
chung. Từ đó rút ra được quy luật ứng xử chung của mặt bích và bulơng.

4

Mơ hình liên kết đơn lẻ 1 bulơng và
mặt bích dạng chữ L

Mơ hình của tồn bộ
mối nối liên kết

+ Bước 3: Đề xuất các tỉ lệ hợp lý giữa các thơng số kích thước của liên kết và
quy trình tính tốn, kiểm tra để kiểm sốt được ứng xử cũng như thiết kế an toàn cho
cấu kiện liên kết đối đầu nối ống thép bằng bulơng và mặt bích ngoài.
6. Cấu trúc luận văn
Nội dung cơ bản của luận văn như sau:
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
4. Nội dung nghiên cứu
5. Phương pháp nghiên cứu
6. Cấu trúc luận văn
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới
1.2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước
1.3. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Kết cấu ống thép trịn, bulơng
2.2. Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulơng
2.3. Một số mơ hình phá hủy

2.4. Ứng suất Von-Mises
2.5. Kết luận chương 2


5
CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG LIÊN KẾT
3.1. Mơ phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulơng và mặt bích dạng chữ L
khi chịu kéo
3.2. Mô phỏng FEM đối với mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng
bulơng và mặt bích ngồi
3.3. Xây dựng quy trình tính toán thiết kế mối nối liên kết trong trường hợp liên
kết chịu uốn cắt đồng thời
3.4. Kết luận chương 3
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
2. Kiến nghị
TÀI LIỆU THAM KHẢO


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới
Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày
càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại cơng trình từ các cơng trình dân dụng,
cơng nghiệp cho đến các cơng trình cầu đường và hạ tầng kỹ thuật...Để đáp ứng sự
phát triển mạnh của kết cấu ống thép trịn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính tốn về
liên kết của loại kết cấu này, tiêu biểu như:
- Trong phần 1-8 của Eurocode 3: Design of steel structures [4]- Part 1-8: Design
of joints, đã dành hẳn ra mục 7 để đưa ra các chỉ dẫn về liên kết của ống thép rỗng

(Hollow section jonts). Trong phần này, tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các dạng mối liên
kết của liên kết dùng mặt cắt rỗng rất đa dạng như Hình 1.1

Hình 1.1. Các dạng mối nối HSS trích từ [4, trang 100]
+ Tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các mơ hình phá hủy của liên kết nối ống thép
trịn rỗng (Hình 1.2), có tiết diện chữ nhật rỗng (Hình 1.3) hay các liên kết giữa ống
thép trịn rỗng/ chữ nhật rỗng với thép chữ I/H (Hình 1.4) dưới tác dụng của lực dọc
trục cũng như moment uốn rất cụ thể.


7

Hình 1.2. Các dạng phá hủy mối nối CHS trích từ [4, trang 104]


8

Hình 1.3. Các dạng phá hủy mối nối của RHS trích từ [4, trang 106]


9

Hình 1.4. Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H trích từ [4, trang 108]
+ Trong phần này cũng đã đưa ra các chỉ dẫn tính tốn thiết kế mối nối của
CHS, RHS, mối nối giữa CHS-RHS... dùng liên kết hàn.
- Theo AISC 360-10, Specification for Structural steel buildings [5], ngoài các
chỉ dẫn về liên kết của kết cấu thép ở mục J- Design of connections để chỉ dẫn về thiết
kế liên kết, tiêu chuẩn AISC 360-10 đã dành ra thêm mục K- Design of hollow steel
section and box member connections để đưa ra các chỉ dẫn cụ thể cho liên kết của ống
thép rỗng. Trong phần này gồm có 4 phần:

10
+ Phần K.1: Ống thép rỗng chịu lực tập trung (xem Hình 1.5 )
+ Phần K.2: Liên kết HSS-HSS trong liên kết dàn (xem Hình 1.6; 1.7)
+ Phần K.3: Liên kết HSS-HSS chịu moment (xem Hình 1.8; 1.9 )
+ Phần K.4: Ảnh hưởng của liên kết hàn đến liên kết ống thép rỗng có tiết diện
hình chữ nhật
Các chỉ dẫn vẫn dừng lại ở trường hợp chịu lực đơn giản chịu lực dọc hay
chịu moment và chỉ tập trung chủ yếu về liên kết hàn.

Hình 1.5. Các mối nối giữa tấm thép với CHS trích [5, trang 142]

Hình 1.6. Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn trích [5, trang 148]

Hình 1.7. Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn trích [5, trang 150]


11

Hình 1.8. Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment trích [5, trang 155]

Hình 1.9. Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết chịu moment trích [5, trang 157]
- Còn Ủy ban Quốc tế về phát triển và nghiên cứu kết cấu ống thép rỗng,
CIDECT (Comité International pour le Desveloppement et l’Estude de la Construction
Tubulaire) đã xuất bản một loạt các chỉ dẫn thiết kế về ống thép rỗng với nhiều ngôn
ngữ như Tiếng Anh, Pháp, Đức và Tây Ban Nha như:
+ Design guide for circular hollow section (CHS) joints under predominantly
static loading (1st edition 1991, 2nd edition 2008).
+ Structural stability of hollow sections (1992, reprinted 1996).

+ Design guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly
static loading (1992).
+ Design guide for structural hollow section columns in fire (1995, reprinted
1996).
+ Design guide for concrete filled hollow section columns under static and
seismic loading (1995).


12
+ Design guide for structural hollow sections in mechanical applications
(1995).
+ Design guide for fabrication, assembly and erection of hollow section
structures (1998).
+ Design guide for circular and rectangular hollow section joints under fatigue
loading (2001).
+ Design guide for structural hollow section column connections (2004).
Trong đó, tiêu biểu như trong [8,9] có nhiều chỉ dẫn về mối nối dùng ống thép
trịn CHS.

Hình 1.10. Một số mối nối CHS và HSS bằng liên kết bulơng trích từ [9, trang 12.7]
- Một số các tác giả khác [Akiyama (1974), Kurobane (1981,1987,1998,2002),
Azuma (1999), Kamba (1995), Kato (1982), Kosteski (2001, 2003), Mang (1980),
Packer (1993)] thì lại tập trung nghiên cứu về thực nghiệm của một số mối nối dạng
HSC (hollow section connection ) nhưng tập trung vào những liên kết kiểu hàn, hoặc
những kiểu tiết diện vuông hoặc liên kết giữa thép rỗng với thép hình là chủ yếu hoặc
cấu kiện kiểu liên kết T-Stub của mối nối liên kết đối đầu các ống hình vng (chữ
nhật) bằng bulơng và mặt bích ngồi.(xem Hình 1.11)