Phân tích ứng xử và khả năng chịu lực của bu lông ứng suất trước trong liên kết kiểu ghép chồng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ TUẤN VIỆT

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC
CỦA BU LƠNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG
LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT

Đà Nẵng, năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ TUẤN VIỆT

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC
CỦA BU LƠNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG
LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình
Dân dụng và Cơng nghiệp

Mã số:

858 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng, năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Lê Tuấn Việt


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................1
4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 1
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2
6. Bố cục đề tài .......................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT ...........................................3
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULÔNG VÀ LIÊN KẾT BULÔNG .......................... 3
1.2. SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT ............................... 6
1.3. SỰ LÀM VIỆC BULÔNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA
SÁT ..................................................................................................................................6

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ............................................................................................ 7
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT ...................................................... 8
2.1. ỨNG XỬ CỦA BU LÔNG CHỊU CẮT ..................................................................8
2.2. PHÂN LOẠI BU LÔNG .......................................................................................... 9
2.3. SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ TINH .....9
2.4. MƠ PHỎNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ..................................................16
2.5. LOẠI BULÔNG .....................................................................................................16
2.6. PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI ..............................................................................16
2.7. LOẠI PHẦN TỬ ....................................................................................................16
2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 17
CHƯƠNG 3. MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ TÍNH TỐN BULƠNG CHỊU
CẮT ............................................................................................................................... 18
3.1. SỐ LIỆU ĐẦU VÀO.............................................................................................. 18
3.2. QUY TRÌNH MƠ PHỎNG LIÊN KẾT BULONG BẰNG PHẦN MỀM
ABAQUS ....................................................................................................................... 20
3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ........................................................................................ 34
3.3.1. Các giai đoạn làm việc của liên kết ............................................................ 34
3.3.2. Sự phá hoại trong các mô hình liên kết ...................................................... 36
3.3.3. Nội lực trong các thành phần liên kết ......................................................... 43
3.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................49
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)


PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG
ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG
Học viên: Lê Tuấn Việt Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân
dụng và cơng nghiệp
Mã số: 858 02 01 Khóa: K34 - QN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Luận văn đã tổng hợp được các lý thuyết tính tốn liên kết ghép chồng sử dụng
bu lông ứng lực trước. Các loại liên kết ghép chồng khác nhau sử dụng bu lông ứng lực
trước đã được mơ phỏng và nghiên cứu ứng xử để từ đó đề ra phương án lựa chọn tối ưu.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy cả ba liên kết ghép chồng đều có sự phá hoại xuất phát từ
tấm thép cơ bản hoặc tấm nối, trong khi ứng suất cắt trong bu lơng chưa cao. Từ những
nghiên cứu này, có thể đề xuất các phương án liên kết phù hợp với nhu cầu của người thiết
kế.
Từ khóa – bu lơng ứng suất trước, liên kết ghép chồng, kết cấu thép, ứng suất cắt, ứng
suất pháp, ứng suất Mises.

ANALYZE THE BEHAVIOR AND THE LOAD BEARING OF THE
PRESTRESS BOLT IN OVERLAPPED CONNECTION
Abstract - The thesis has summarized the theory of calculation of overlapped connections
using pre-stressed bolts. Different types of overlapping connection using pre-stressed bolts
have been simulated and studied in order to propose the optimal options. The results show
that all three overlapped connections have destructive mechanism derived from basic steel
plates or joint plates, while shear stresses in bolts are not high. From these studies, it is
possible to propose linking options that fit the designer's needs.
Key words - prestress bolt, overlapped connection, steel structure, shear stress, normal
stress, Von Mises.


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Hệ số ks

14

2.2.

Hệ số ma sát

14

3.1.

Đặc trưng vật liệu

19


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Số hiệu

Tên hình ảnh

Trang

1.1.

Bulơng làm bằng thép cường độ cao được đánh dấu
theo ASTM

4

1.2.

Liên kết đúng tâm

4

1.3.

Liên kết mô men

5

1.4.

Liên kết chịu cắt

5

1.5.

Liên kết chịu kéo

5

1.6.

Liên kết chịu lực trượt ma sát

6

1.7.

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

6

2.1.

Cấu tạo bu lơng

8

2.2.

Lực nén do ứng suất trước

10

2.3.

Bản thép bị phá hoại

10

hình ảnh

2.4.

Bu lông bị cắt trong liên kết ghép chồng thép cơ
bản

11

2.5.

Bu lông bị cắt trong liên kết 2 ma sát

11

2.6.

Sự làm việc của bu lông ứng lực trước

12

2.7.

Sự làm việc của cấu kiện chịu trượt ma sát

15

2.8.

Phần tử 8 nút

17

3.1.

Các mơ hình liên kết được phân tích

19

3.2.

Mơ hình vật liệu thép làm bu lơng

19

3.3.

Mơ hình vật liệu thép làm bản thép

20

3.4.

Mơ hình bu lơng theo các kích thước đầu vào

20

3.5.

Khai báo vật liệu làm bu lông

22

3.6..

Khai báo vật liệu thép cơ bản

22

3.7.

Khai báo vật liệu thép cơ bản

23


Số hiệu

Tên hình ảnh

hình ảnh

Trang

3.8.

Khai báo giai đoạn gia nhiệt cho bu lông

23

3.9.

Khai báo giai đoan gia tải chịu kéo cho liên kết

24

3.10.

Khai báo tương tác giữa các thành phần trong liên
kết

25

3.11.

Khai báo giao thức giữa các mặt tương tác

26

3.12.

Khai báo điều kiện biên cho mơ hình

27

3.13.

Khai báo và điều chỉnh nhiệt độ trong bu lông

28

3.14.

Thiết lập chuyển vị cưỡng bức cho bu lông

29

3.15.

Chia phần tử cho các tấm thép cơ bản

31

3.16.

Chia lưới cho bu lơng

33

3.17.

Mơ hình tổng thể sau khi đã chia lưới

34

3.18.

Ứng suất kéo và cắt trong bu lông

35

3.19.

Ứng suất nén trước trong bản thép

36

3.20.

Liên kết tổng thể

37

3.21.

Tấm 1

37

3.22.

Tấm 2

38

3.23.

Sự phá hoại ở tấm nối ở mơ hình liên kết 1

38

3.24.

Liên kết tổng thể

39

3.25.

Mặt cắt ngang

39

3.26.

Tấm 1

40

3.27.

Tấm 2

40

3.28.

Tấm nối

41

3.29.

Liên kết tổng thể

42

3.30.

Tấm 1

42

3.31.

Tấm 2

43

3.32.

Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị của tấm thép –
Liên kết 1

44


Số hiệu

Tên hình ảnh

hình ảnh
3.33.
3.34.
3.35.
3.36.
3.37.

Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị của tấm thép –
Liên kết 2
Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị của tấm thép –
Liên kết 3
Quan hệ giữa ứng suất cắt trong bu lông và ứng suất
pháp trong tấm thép cơ bản
Quan hệ giữa ứng suất Mises trong bu lông và ứng
suất pháp trong tấm thép cơ bản 1
Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết
và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 1

Trang

44
45
46
47
48

3.38.

Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết

và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 2

48

3.39.

Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết
và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 3

49


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc tính tốn thiết kế bulông chịu cắt trong liên kết chịu trượt ma sát phụ
thuộc nhiều vào lực cắt trong bulông.
Hiện nay, trên thế giới, với liên kết mặt bích các nhà khoa học đã đưa ra nhiều
lý thuyết tính tốn đường quan hệ giữa lực trượt và lực cắt trong liên kết bulơng.
Tuy nhiên các lý thuyết này chưa phản ánh chính xác sự làm việc thực tế của
bulông cũng như chưa được kiểm chứng bằng các phương pháp nghiên cứu khác
nhau.
Về liên kết chịu lực trượt ma sát, các nhà khoa học đã đưa ra đường quan hệ
giữa lực trượt và biến dạng trong cấu kiện, tuy nhiên chưa quan tâm đến mối quan
hệ giữa lực trượt trong liên kết và lực cắt trong bulơng.
Vì vậy, đề tài này sẽ ứng dụng những lý thuyết nghiên cứu trên, mô phỏng ứng
xử của bulông để đánh giá về sự khác biệt giữa các lực trượt và sự phá hoại do cắt
ngang bu lông, hoặc đứt bản thép giữa 2 lỗ bu lông hoặc lỗ bu lông đến mép bản
thép và kiến nghị một số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết. Đề tài: “Phân tích

ứng xử và khả năng chịu lực của bu lông ứng suất trước trong liên kết kiểu ghép
chồng” có ý nghĩa khoa học cao nhằm mục đích đưa ra những phương án lựa chọn
phù hợp trong liên kết bu lông cho các bản thép.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Mơ hình được sự làm việc đồng thời của bu lông và bản mã trong mơ hình
biến dạng dưới sự tác động của lực trượt.
- Xác định được mối quan hệ giữa lực cắt trong bulông và lực trượt tác dụng
vào cấu kiện.
- Kiến nghị một số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết bu lông cho các bản
thép.
3. Đối tượng nghiên cứu
+ Ứng xử của bulông trong cấu kiện chịu lực trượt ma sát.
+ Mơ hình tính tốn bằng phần mềm Abaqus với dữ liệu tính tốn từ các thí
nghiệm thu thập.
4. Phạm vi nghiên cứu
Tính tốn đường quan hệ giữa lực cắt trong bulông và lực trượt tác động vào
cấu kiện.


2

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lí thuyết: thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính tốn bulơng
chịu cắt trong cấu kiện chịu lực trượt ma sát.
- Phương pháp số: lập mơ hình phần tử hữu hạn phân tích biến dạng bằng
phần mềm, tính tốn và phân tích.
- So sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị.
6. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan về bulông chịu cắt
Chương 2: Thiết kế bulông chịu cắt

Chương 3: Một số trường hợp cụ thể tính tốn bulơng chịu cắt
Kết luận và kiến nghị


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULƠNG VÀ LIÊN KẾT BULƠNG
❖ Các loại bulơng và các cấp cường độ của bulông
Bulông trong kết cấu thép được chia làm 3 loại:
- Bulông đen
- Bulông tiện và bulơng lắp ghép
- Bulơng cường độ cao có lực xiết khống chế.
Căn cứ vào đường kính và kích thước ren, chia ra bulông ren hệ mét và bulông
ren hệ inch. Hệ mét có d = 12 đến 48 mm. Hệ inch có các loại : 1/2, 5/8, 3/4 , 7/8, 1,
1 1/8, 1 1/4, 1 3/8, 1 1/2.
Vật liệu làm bulơng thường là các loại thép thuộc nhóm A tức là chỉ cần đảm
bảo về mặt độ bền cơ học, khơng cần quan tâm đến thành phần hố của thép. Do đó,
khơng cần nêu tên thép cụ thể, mà chỉ quy định cấp độ bền. Chia làm các cấp (các
nước theo hệ mét): 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 8.8 đến 10.9. Số đầu nhân lên 10 lần cho
giới hạn bền theo đơn vị kN/cm2. Tích của hai số cho giới hạn chảy theo đơn vị kN/
cm2. Thông thường từ cấp 8.8 trở lên thì dùng cho bulơng cường độ cao có lực xiết
khống chế.
Bulơng đen là bulơng thơ, được làm bằng thép mềm và thường có cấp 4.6.
Bulơng tiện và bulông lắp ghép thường từ cấp 4.6 đến 8.8. Chúng có thân
bulơng đều, dùng để bịt dung sai lỗ khoan và được siết chặt bằng cờ lê.
Bulông cường độ cao có hai cách hiểu : - bulơng làm bằng thép cường độ cao,
có giới hạn bền tới 8 kN/cm2nhưng làm việc như bulông thường ; - bulông làm
bằng thép cường độ cao, và làm việc qua sự ma sát của bản thép (gọi là bulơng có

lực xiết khống chế hoặc bulơng được căng tồn bộ lực).
Bulơng cường độ cao ở Việt Nam thường được chế tạo từ thép cường độ cao
và nhiệt luyện, ví dụ thép Nga 35X cho cấp 8.8, thép 40X cho cấp 10.9. Theo tiêu
chuẩn chung, phải đánh dấu cấp độ bền vào mũ bulông. Mĩ, Úc hay dùng thép
cường độ rất cao để làm bulông cường độ cao, được gọi là bulơng HR, ví dụ thép
A325, A490. Bulông làm bằng thép cường độ cao phải được ghi mác thép theo
ASTM vào mũ bulơng (hình 1.1). Bulơng thơ làm bằng thép A307 là thép cacbon
thấp có giới hạn bền 60 ksi, chủ yếu dùng cho dựng lắp, cho cơng trình khơng có
rung động. Kí hiệu, ví dụ : 1”f A325-N (hay X). N là bulông trong liên kết chịu cắt ,


4

có ren nằm ngồi lỗ ; X là khi có ren nm trong l.

chiều dài ren
A325
chiều dài bulông
Hỡnh 1.1. Bulụng làm bằng thép cường độ cao được đánh dấu theo ASTM
❖ Liên kết bulơng
Có 3 cách phân loại liên kết như sau:
a. Dựa vào hợp lực truyền vào liên kết
- Liên kết đúng tâm: thành phần lực truyền vào liên kết là kéo hoặc nén đúng
tâm. (hình 1.2)
- 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. (hình 1.3)
Liên kết đúng tâm lý tưởng chỉ nên có một bulơng liên kết các cấu kiện lại với
nhau (hình 1.2a). Tuy nhiên, trong thực tế thì điều đó là khơng thể, mà chỉ đảm bảo
được trục trọng tâm của các cấu kiện cắt nhau tại một điểm. (hình 1.2b)

a)

b)
Hình 1.2. Liên kết đúng tâm

Tương đối phức tạp để phân tích, so sánh 2 loại liên kết momen trong hình
1.3a và 1.3b. Hình 1.3a được biết như một liên kết dầm conxon và liên kết bằng lực
cắt trong bulơng.
Liên kết trong hình 1.3b thường được thấy trong các khung chịu momen, tại vị
trí momen trong dầm truyền sang cột. Liên kết này cũng được dùng trong cột tại vị
trí bản mã liên kết với móng bằng các bulơng neo. Trong liên kết này, bulông vừa
chịu lực kéo và lực nén dọc trục.


5

a)

b)

Hình 1.3. Liên kết mơ men
b. Dựa vào lực trong bulơng
Liên kết bulơng cũng được phân loại dựa vào hình dạng và đặc tính của tải
trọng, và được phân làm 3 loại:
- Liên kết chịu cắt
- Liên kết chịu kéo
- Liên kết đồng thời chịu kéo và chịu cắt
Liên kết chịu cắt xảy ra ở liên kết chập hay liên kết đối đỉnh chịu lực kéo (hình
1.4)

a) Liªn kÕt chËp Hỡnh 1.4. Liờn ktb)chu
Liên
ctkết đối đỉnh
Hỡnh 1.5a th hin mt liên kết treo. Trong liên kết này, lực truyền là lực kéo
thuần túy trong bulơng. Trong liên kết trên hình 1.5b, bulơng vừa chịu lực kéo và
cắt.

a)

b)
Hình 1.5. Liên kết chịu kéo


6

1.2. SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT
Hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát là hệ kết cấu liên kết giữa các bản thép bằng
các bulông ứng suất trước. Liên kết này thuộc loại liên kết chịu cắt.
Liên kết này được phân loại thành 03 loại: Liên kết ghép chồng 1 mặt ma sát,
liên kết ghép chồng 2 mặt ma sát và liên kết ghép chồng thép cơ bản.

a) Liên kết ghép chồng 2 ma sát

b) Liên kết ghép chồng 1 ma sát

c) Liên kết ghép chồng thép cơ bản
Hình 1.6. Liên kết chịu lực trượt ma sát
Trong liên kết này, bulơng đóng vai trị rất quan trọng, nó quyết định được liên
kết có ổn định khi chịu lực tác dụng hay không.

1.3. SỰ LÀM VIỆC BULƠNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT
MA SÁT

T/2

¸p lực

T/2

áp lực

T

lực cắt
áp lực
lực cắt

Hỡnh 1.7. S lm vic ca bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát
Sự làm việc của bulông cường độ cao trong liên kết chịu lực trượt ma sát được
thể hiện trong hình 1.7. Như vậy, lực nén trước trong bulông sẽ gây ra áp lực giữa
hai bản ngay cả trước khi ngoại lực tác dụng vào hệ. Khi có ngoại lực tác dụng, hai


7

bản sẽ có xu hướng trượt lên nhau và được cản lại bởi lực ma sát giữa hai bản. Lực
cản do ma sát là một hệ số của nhiều lực ma sát giữa các bản.
Cho đến khi tải trọng bên ngồi vượt q lực ma sát thì các tấm sẽ bị trượt lên
nhau. Vì vậy, liên kết bulơng cường độ cao được thiết kế sao cho tải trọng tác dụng
không vượt quá giới hạn ma sát để tránh xảy ra sự trượt. Khi lực tác dụng vượt quá

lực ma sát, các tấm trượt lên nhau cho đến khi bulông tiếp xúc với tấm và bắt đầu
chịu lực cắt. Vượt quá điểm này, lực tác dụng sẽ được chống lại bởi cả lực ma sát
và lực cắt.
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương này đã tổng hợp được các trường hợp liên kết có sử dụng bu lông chịu
cắt trong kết cấu thép. Các cơ chế làm việc của liên kết sử dụng bu lông thường đã
được tổng hợp. Các trường hợp phá hoại có thể xảy ra do thép cơ bản bị bu lông cắt
đứt hoặc bu lông sẽ bị thép cơ bản cắt đứt thông của các mặt tiếp xúc.


8

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT
2.1. ỨNG XỬ CỦA BU LƠNG CHỊU CẮT
Cấu tạo liên kết bu lơng
a) Thân bu lơng:
Có tiết diện hình trịn, chiều dài l và gồm 2 phần:

Hình 2.1. Cấu tạo bu lơng
Phần khơng tiện ren: có chiều dài nhỏ hơn bề dầy của tập bản thép được liên
kết (xuyên qua) khoảng 23mm. Đường kính thân bulơng là d.
Phần có tiện ren: có chiều dài là 𝑙0 ≈ 2,5𝑑
đường kính sau khi đã tiện ren: 𝑑0 = 0,85𝑑
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng: l = 35  300 mm; d = 12  48 mm; thường sử dụng
d = 20  30 mm.
b) Mũ bu lông:
Thường hay sử dụng hình lục giác; có các góc được mài vát.
Đường kính hình trịn ngoại tiếp mũ D= 1,7d ;
Bề dầy của mũ h=0,6d;

Khoảng cách S là số chẵn: S= 12, 14, 16, 18,…..
c) Đai ốc:
Hình dạng giống mũ bu lông, nhưng được khoan lỗ và tiện ren giống như ren
của phần thân. Bề dày đai ốc ℎ ≥ 0,6𝑑
Đệm có hình trịn để phân phối áp lực của đai ốc lên mặt thép cơ bản.
Các kích thước l0, d0, D và h đều qui định theo đường kính d; nếu d càng lớn


9

thì u cầu các kích thước đó cũng càng lớn.
2.2. PHÂN LOẠI BU LƠNG
a) Bu lơng thơ, bu lơng thường
Vật liệu: từ thép cacbon thường.
Chế tạo: bằng cách rèn, dập. => độ chính xác thấp, đường kính thân bu lơng
khơng được trịn, cần có khe hở giữa lỗ và thân bulơng lớn.
Đường kính lỗ: d1 = d + 2  3 mm.
Lỗ bu lông: bằng cách đột hoặc khoan từng bản riêng lẻ. => thành lỗ xù xì, sai
số lớn
Chất lượng thân và lỗ bu lông kém. Biến dạng ban đầu của liên kết lớn, khả
năng chịu lực không cao.
=> Sử dụng để liên kết tạm, định vị ở công trường, sử dụng khi làm việc chịu
kéo.
b) Bu lông tinh
Vật liệu: từ thép cacbon thấp hoặc thép hợp kim thấp.
Chế tạo: bằng cách tiện, đúc. => độ chính xác cao.
Đường kính lỗ: d1 = d + 0,1  0,3 mm.
Lỗ bu lông: bằng cách khoan theo thiết kế => thành lỗ nhẵn, độ chính xác cao,
chất lượng cao, nhưng năng suất thấp. Khe hở giữa thân và lỗ bulông nhỏ => liên
kết chặt, biến dạng ban đầu của liên kết nhỏ, khả năng chịu lực cao.

=> Sử dụng cho các liên kết chịu lực lớn.
c) Bu lông cường độ cao
Vật liệu: từ thép hợp kim có cường độ cao hoặc rất cao: 40Cr, 38CrSi, …
Chế tạo: giống bu lông thường, có độ chính xác thấp.
Sau khi chế tạo chúng được gia cơng nhiệt nên có cường độ rất cao. Có thể tạo
lực kéo rất lớn trong thân bulông để ép các bản thép lại, tạo lực ma sát => Khả năng
chịu lực rất cao.
2.3. SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ
TINH
a) Các giai đoạn chịu lực


10

Hình 2.2. Lực nén do ứng suất trước
Do vặn đai ốc => thân bulông chịu kéo, các bản thép bị xiết chặt lại, tạo thành
lực ma sát giữa mặt tiếp xúc của các bản thép Nms.
Dưới tác dụng của lực kéo dọc trục N, các bản thép có xu hướng trượt tương
đối với nhau.

N/2

N

N/2
Hình 2.3. Bản thép bị phá hoại
Giai đoạn 1 - khi N còn nhỏ (N < Nms): các bản thép chưa trượt tương đối với
nhau. Lực truyền giữa các bản thép thông qua ma sát. Bulông chưa chịu lực ngoại
trừ lực kéo ban đầu do vặn êcu.
Giai đoạn 2 - khi N tương đối lớn (N Nms): các bản thép trượt tương đối với

nhau, thân bulông tỳ sát về một phía của thành lỗ. Ngoại lực tác dụng N do thân
bulông và ma sát chịu.
Giai đoạn 3 - khi N khá lớn (N >> Nms): lực ma sát giảm dần và bằng không.


11

Lực tác dụng N là hồn tồn do thân bulơng chịu. Đồng thời bản thép chịu ép mặt
do thân bulông tỳ lên thành lỗ.
Giai đoạn 4 - khi liên kết bị phá hoại: Có 2 khả năng phá hoại có thể xảy ra:

N

N
Hình 2.4. Bu lơng bị cắt trong liên kết ghép chồng thép cơ bản

N/2
N

N/2
Hình 2.5. Bu lơng bị cắt trong liên kết 2 ma sát
b) Khả năng chịu cắt của 1 bu lông (khi bu lông bị cắt đứt)
[𝑁] 𝑣𝑏 = 𝐴 ⋅ 𝑓𝑣𝑏 ⋅ 𝛾𝑏 ⋅ 𝑛𝑣
fvb

là cường độ chịu cắt tính tốn của vật liệu bu lơng.

b = 0.75→1 là hệ số điều làm việc của liên kết bu lơng
với d là đường kính của thân bu lông tại tiết diện trùng với mặt tiếp xúc giữa
các bản thép

nv = 1, 2 hoặc 3,... là số mặt cắt tính tốn trên thân bu lơng.


12

c) Khả năng chịu ép mặt của 1 bu lông (khi bản thép bị đứt)
[𝑁]𝑐𝑏 = 𝑑 ⋅ (∑ 𝑡) 𝑐𝑏𝑏

𝑚𝑖𝑛

D là đường kính thân bulơng.
tmin là tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về một phía.
fcb là cường độ tính tốn ép mặt qui ước của bulông. Phụ thuộc vào:
- vật liệu thép cơ bản;
- phương pháp tạo lỗ bulông;
- cấu tạo (sử dụng khoảng cách min).
❖ Sự làm việc chịu trượt của liên kết bu lông thô và tinh
a) Sự làm việc của bu lơng cường độ cao khi chịu trượt

N

N

Hình 2.6. Sự làm việc của bu lông ứng lực trước
Bu lông được làm bằng vật liệu cường độ cao hoặc rất cao => tạo lực xiết lớn,
lực kéo trong thân bulông lớn.
Tạo ra lực ma sát rất lớn trên các mặt tiếp xúc giữa các bản thép:
Nms >> ngoại lực tác dụng
Khơng có sự ép mặt của thân bulông lên thành lỗ, thân bulông chỉ chịu lực kéo
do xiết êcu.

Ngoại lực tác dụng N truyền trong liên kết hồn tồn thơng qua ma sát.
b) Khả năng chịu trượt của 1 bulông cường độ cao
Khả năng chịu trượt của bu lông cường độ cao chính là lực ma sát tối đa được
tạo ra trong liên kết.
Lực kéo tối đa trong 1 bulông CĐC:


13

𝑃 = 𝐴𝑏𝑛 ⋅ 𝑓ℎ𝑏
Abn : là diện tích thực của tiết diện thân bulông (bu lông bị kéo đứt ở phần có
ren);
fhb = 0,7fub: là cường độ chịu kéo tính tốn của vật liệu bu lơng, với fub là
cường độ kéo đứt tức thời của bu lông.
𝜇
𝜇
[𝑁] 𝑏 = 𝑃  ⋅ ( )   ⋅ 𝛾𝑏1 ⋅ 𝑛𝑓   = 𝑓ℎ𝑏   ⋅ 𝐴𝑏𝑛   ⋅ ( )   ⋅ 𝛾𝑏1 ⋅ 𝑛𝑓  
𝛾𝑏2
𝛾𝑏2
 là hệ số ma sát, phụ thuộc vào phương pháp tạo nhám bề mặt tiếp xúc giữa
các cấu kiện liên kết, khoảng 0,25 ~ 0,58.
b2: hệ số độ tin cậy của liên kết, phụ thuộc vào phương pháp làm sạch bề
mặt, khe hở giữa thân và lỗ bulông.
b1: hệ số điều kiện làm việc của liên kết, phụ thuộc vào số lượng bu-lông: 0,8
~1:
nf: số mặt phẳng ma sát tính tốn.

❖ Thiết kế lực cắt giới hạn trong bulông trong liên kết chịu lực trượt ma
sát
Lực cắt giới hạn trong bulông [4, tr. 119]:

𝑛𝜇𝑇𝑣
𝐹𝑠 = 𝑘𝑠
𝛾
Trong đó:
ks: Hệ số lấy theo bảng 2.1
n: Số mặt trượt, bằng 1 hoặc 2
: Hệ số ma sát lấy theo bảng 2.2
Tv: Lực ứng lực trước trong bulông, = 0,7.y.Ae
y: Giới hạn chảy của vật liệu làm bulơng
Ae: Diện tích tiết diện thân bulơng
: Hệ số an tồn, lấy như sau:
Đối với bulơng trong lỗ có độ hở thơng thường và bulơng trong lỗ có khe mà
trục của khe vng góc với hướng của lực tác dụng:
= 1,25 với trạng thái giới hạn cực hạn
= 1,1 với trạng thái sửa chữa
Đối với bulơng trong lỗ có độ hở lớn và bulơng trong lỗ có khe mà trục của


14

khe song song với hướng của lực tác dụng, = 1,4
Bảng 2.1. Hệ số ks
ks
Bulơng trong lỗ có độ hở thông thường
1mm đối với bulông M12 và M14
2mm đối với bulông M16 đến M24

1

3mm đối với bulông M27 và lớn hơn

Bulơng trong lỗ có độ hở lớn (1) hoặc lỗ có khe ngắn (2)
(1)
3mm đối với bulơng M12

0,85

4mm đối với bulông M14 đến M22
6mm đối với bulông M24
8mm đối với bulơng M27 và lớn hơn
(2)
Kích thước thơng thường cho lỗ có khe ngắn trong liên kết trượt khơng
lớn hơn:
(d+1) mm x (d+4) mm đối với bulông M12 và M14
(d+2) mm x (d+6) mm đối với bulông M16 đến M22
(d+2) mm x (d+8) mm đối với bulông M24
(d+3) mm x (d+10) mm đối với bulông M27 và lớn hơn
Bulông trong lỗ có khe dài

0,7

Kích thước thơng thường cho lỗ có khe dài trong liên kết trượt không lớn
hơn:
(d+1) mm x 2,5d đối với bulông M12 và M14
(d+2) mm x 2,5d đối với bulông M16 đến M24
(d+3) mm x 2,5d đối với bulông M27 và lớn hơn
Bảng 2.2. Hệ số ma sát

Bề mặt được làm sạch bằng phun cát hoặc bột kim loại, sau đó phun sơn
kẽm hoặc nhơm

0,5

Bề mặt được làm sạch bằng ngọn lửa hơi đốt, khơng có lớp bảo vệ mặt kim
loại.

0,4

Bề mặt được làm sạch bằng bàn chải sắt khơng có lớp sơn bảo vệ

0,3

Khơng xử lý bề mặt

0,2


15

❖ Mơ hình trạng thái phá hủy
Sự phá hủy của liên kết thì có thể xảy ra ở bulơng, ở bản thép, hoặc xảy ra
đồng thời ở bulông và bản thép.

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

• Mơ hình phá hủy 2: Lực cắt trong bulông đạt giới hạn cho phép, đồng thời
bản thép cũng đạt giới hạn chảy.

• Mơ hình phá hủy 3: Bản thép q mỏng, sự phá hoại xảy ra trong bản thép.

❖ Lực ma sát
Để thiết kế một liên kết chịu lực ma sát thì sự ma sát giữa các bề mặt của cấu
kiện đóng vai trị rất quan trọng. Nó được gọi là lực ma sát.
𝐹𝑚𝑠 = 𝜇𝑁với N = Tv = 0,7.y.Ae

T/2
T
T/2
¸p lùc giữa hai bản
T/2
T

lực ma sát
lực ma sát
T/2
áp lực giữa hai b¶n
Hình 2.7. Sự làm việc của cấu kiện chịu trượt ma sát


16

2.4. MƠ PHỎNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN
Dùng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus 6.14-4 để mơ hình, phân
tích đặc trưng của cấu kiện T-stub dưới sự tác dụng của lực kéo và cấu kiện chịu lực
trượt ma sát.
2.5. LOẠI BULƠNG
Bulơng đóng vai trị rất quan trọng trong liên kết chịu kéo hay chịu cắt. Nó
quyết định được liên kết có đủ khả năng chịu lực dưới sự tác dụng của ngoại lực
hay không. Điều quan trọng là bulông phải luôn giữ được lực căng trước của nó.
Tuy nhiên có một vấn đề phổ biến của liên kết bulơng là chúng có thể tự nới lỏng.

Để giải quyết hiệu ứng tự nới lỏng này thì chúng ta cần phải thường xuyên kiểm tra
và bảo dưỡng liên kết bulông.
Trong luận văn sử dụng bulông cường độ cao ứng lực trước.
2.6. PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI
Chia lưới mơ hình đóng vai trị rất quan trọng trong phân tích phần tử hữu hạn,
quyếtđịnh kết quả phân tích có hợp lý hay khơng. Với lưới chia càng mịn thì kết quả
phân tích sẽ càng chính xác, tuy nhiên nó làm cho thời gian phân tích càng lâu vì có
q nhiều phần tử.
Lưới chia trong luận văn được chia theo kích thước của phần tử.
2.7. LOẠI PHẦN TỬ
• Mỗi phần tử trong Abaqus có những đặc trưng sau:
- Tập hợp: Tập hợp các phần tử bulông, dầm, cột, tấm là những phần tử dạng
khối với ba kích thước.
- Bậc tự do: Bậc tự do là biến cơ bản để tính tốn suốt q trình phân tích.
Trong mơ phỏngứng suất/ chuyển vị, bậc tự do là các chuyển vị thẳng và chuyển vị
xoay của mỗi nút.
- Số nút - bậc nội suy: Chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ và các bậc tự
do khác đã được nhắc đến trong luận văn chỉ được tính tốn tại nút của phần tử. Tại
những điểm khác của phần tử, chuyển vị được tính tốn bằng cách nội suy từ
chuyển vị tại các nút. Thông thường, số bậc nội suy phụ thuộc vào số nút trong
phần tử. Luận văn sử dụng phần tử 8 nút. Phần tử có các nút tại các góc như hình
3.1, sử dụng nội suy tuyến tính (nội suy bậc 1) cho mỗi hướng.