1
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, thép ống tròn được ứng dụng phổ biến trong các
công trình xây dựng, sản xuất các thiết bị máy móc, ống nước, ống
hơi công nghiệp.... Nhờ vào những đặc điểm nổi trội đó chính là độ
cứng và độ bền vững, trọng lượng tương đối nhẹ, cường độ chịu lực
khá cao và chịu được những rung động mạnh.

Một số hình ảnh công trình thép ống liên kết mặt bích
Tuy nhiên trên thực tế, có rất nhiều sự cố tai nạn liên quan đến
công trình thép sử dụng thép ống liên kết mặt bích. Nguyên nhân
xuất phát phần lớn từ sự tính toán không thấu đáo tại các mối liên kết
này.


2

Một số hình ảnh sập đổ của tháp thép dùng thanh ống tròn
Ứng xử của liên kết này khá phức tạp, đặc biệt là khi chịu các
loại tải trọng phức hợp, thiên tai ( động đất, giáo bảo) … Đã có một
số tác giả nghiên cứu về vấn đề này, nhưng những nghiên cứu chỉ
dừng lại ở một số vấn đề đơn giản, chưa mô phỏng hết được sự làm
việc thực của liên kết. Vì lí do đó nên các tiêu chuẩn tiên tiến phổ
biến như Eurocode 3 và AISC đều không quy định 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 để đưa ra các chỉ dẫn về quy trình tính
toán thiết kế nhằm bổ sung cho các quy chuẩn thiết kế hiện hành.

Mô phỏng bằng FEM ( Finite Element Method)
Đánh giá được ứng xử của liên kết mặt bích bằng bulông tại
các liên kết thanh thép ống trong kết cấu tháp. Chia việc nghiên cứu
này làm 3 bước:
Bước1: Tiến hành mô phỏng bằng FEM liên kết của một
bulông đơn lẻ được tách ra từ liên kết phần tử trong mối nối (giống
như 2 thép hình chữ L (L – flange) được nối bởi 1 bulông). Kết quả


4
của phân tích mô phỏng này sẽ được kiểm chứng với những phát
biểu lý thuyết về cơ chế phá hủy của Petersen (1990) đối với liên kết
bulông và mặt bích cũng như là quan hệ phi tuyến giữa lực dọc trong
bulông và lực kéo trong thân tháp do Seidel (2001) phát biểu.So sánh
kết quả mô phỏng FEM, cũng như những mô hình phát biểu lý thuyết
của các nghiên cứu trước nhằm kiểm chứng độ tin cậy trong phân
tích FEM và quy luật quan hệ trong ứng xử giữa 1 bulông và phần tử
mặt bích.
Bước 2: Tiếp tục phát triển phân tích mô phỏng đã được xác
lập trong bước 1 để mô phỏng cho cả liên kết giữa 2 môđun liên kết
thanh và khảo sát sự ứng xử khi làm việc chung. Từ đó rút ra được
quy luật ứng xử chung của mặt bích và bulông
Bước 3: Xây dựng công thức và quy trình tính toán, kiểm tra
để kiểm soát được ứng xử cũng như thiết kế an toàn cho cấu kiện liên
kết đối đầu nối ống thép bằng bulông và mặt bích ngoài của tháp
thép. Công thức và quy trình tính toán, thiết kế, kiểm tra sẽ được ứng
dụng trong thực tế thiết kế, chế tạo, sử dụng và vận hành các kết cấu
tháp. Đề xuất các tỉ lệ hợp lý giữa các thông số kích thước của liên
kết.
5. Bố cục đề tài

6
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VẤN ĐỀ
1.1 Trên thế giới
1.2 Tại Việt Nam
Kết luận: Qua khảo sát tổng quan một số nghiên cứu trước
đây thì ta thấy cấu kiện ống thép dạng tròn liên kết nối đối đầu bằng
bulông và mặt bích ngoài rất ít được đề cập hoặc nghiên cứu kỹ.
Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết đối đầu ống
thép tròn của Eurocode 3(part 1-8) hoặc AISC vẫn chỉ nhắc đến tính
toán và khảo sát cấu kiện này một cách rất sơ sài hoặc chỉ là thiết kế
dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện dạng liên kết TStub.
Nhưng theo quan điểm thiết kế hiện nay cũng như khảo sát
qua một số những phá hoại xảy ra ngay trên mối nối loại này thì
nhận thấy rằng, mối nối đối đầu ống thép tròn bằng liên kết bulông
và mặt bích ngoài không thể xem như kiểu cấu kiện T – Stub truyền
thống mà là kiểu mới, có quy luật ứng xử khá khác mà ta gọi là
New– T-Stub. Các bulông làm việc hỗ trợ với nhau theo mọi hướng,
phân bố ứng suất trong các bu lông và mặt bích cũng được phân phối
lại, ứng xử của chúng khác khá nhiều so với kiểu T – stub truyền
thống.
Ngoài ra các tiêu chuẩn cũng như một số nghiên cứu của các
tác giả chỉ đề cập đến những trường hợp chịu lực đơn giản hoặc khảo
sát tách biệt (kéo thuần túy, nén thuần túy, uốn thuần túy) mà bỏ qua
nhưng khảo sát chịu lực phức hợp, đồng thời như: nén uốn đồng thời,
kéo uốn đồng thời, cắt uốn.. dẫn đến việc nắm bắt chưa hoàn toàn
đúng quy luật ứng xử của loại mối nối đặc biệt này.


7
CHƢƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TsI
TsII
Lùc kÐo trong cÊu kiÖn T-stub, Ts

Ts

Hình 2.11 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông do
Schmidt – Neuper đề xuất


8
2.4.2 Mô hình của Seidel
Seidel (2001) đã nghiên cứu phát triển một đường đặc trưng
biểu diễn quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông.
Vùng 1: Chưa xuất hiện biến dạng, ngoại lực tác dụng được
giới hạn bởi ứng lực nén trước trong bulông
Vùng 2: Khe hở bắt đầu phát triển
Vùng 3: Liên kết hở ra với một độ hở phụ thuộc vào ngoại
lực tác dụng
Vùng 4: Xuất hiên vùng chảy dẻo của bulông và/hoặc bản
mã cho đến khi liên kết bị phá hoại.
Tp
Ts

Tp
Tv
Vïng 1 Vïng 2
0

T1

M« h×nh ph¸ hñy 1

2Tp

Tp+q

q

M« h×nh ph¸ hñy 2

Tp+qu
qu

qu

M« h×nh ph¸ hñy 3

Hình 2.14 Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub
Mô hình phá hủy 1: Bản mã đủ độ dày, không có biến dạng
xuất hiện trong mô hình này. Có nghĩa là lực kéo trong bản mã ảnh
hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực dọc trong bulông vượt quá
giới hạn cho phép thì liên kết bị phá hoại.
Mô hình phá hủy 2: Lực dọc trong bulông đạt giới hạn cho
phép, đồng thời khớp dẻo cũng xuất hiện trong bản mã.
Mô hình phá hủy 3: Bản mã quá mỏng, sự phá hoại xảy ra
trong bản mã.

CHƢƠNG 3 - MÔ PHỎNG LIÊN KẾT

CÁC TRƢỜNG HỢP MÔ PHỎNG LIÊN KẾT


0,3

0,3
o

Hệ số dẫn nhiệt

0,053 kJ/m.s. C

-

Độ giãn nở nhiệt

1,2x10-5

-

Hình 3.1 Đặc trưng vật liệu của bulông và ống thép
3.1.2 Phƣơng pháp phân tích
3.1.2.1 Lắp ráp
3.1.2.2 Điều kiện biên
3.1.2.3 Ứng lực trước cho bulông:
Giai đoạn 1: đặt ứng lực trước cho bulông cho đến khi đạt
được lực hướng tâm ban đầu bằng phương pháp chuyển vị khi thay


11
đổi nhiệt độ (couple temperature-displacement). Trong luận văn, lực
hướng tâm ban đầu được định nghĩa bằng công thức Tv=0,7×y×Ae

của Seidel.
Nhƣ vậy, khẳng định tính đúng đắng của mô hình
Abaqus mà tác giả đang sử dụng.


13
3.2 Mô phỏng FEM đối với mối nối liên kết đối đầu của ống thép
tròn dùng bulông và mặt bích ngoài
Bảng 3.4 Bảng kích thước ống mô phỏng
STT

Đường kính ống
dixti (mm)

Chiều dày

Đường kính

SL

bản mã tf

bulông ds

bulông

(mm)

(mm)


22

3.2.1 Mô phỏng ống nhỏ kích thƣớc:139.8x4 chịu kéo, kéo
(nén) uốn đồng thời
3.2.1.1 Mô phỏng trường hợp chịu kéo ống nhỏ

Cố định đường
kính bulông

Cố định đường
kính bulông, chiều
dày mặt bích

Hình 3.7 Các trường hợp mô phỏng chịu kéo ống nhỏ


14

Hình 3.8 Mô hình ống thép chịu kéo
a. Chọn kích thước giữa chiều dày mặt bích với đường kính Bulông
 Trường hợp1: tF=16mm (tF/ds=0.8)
 Trường hợp2: tF =20mm (tF/ds=1)
 Trường hợp3: tF =25mm (tF/ds=1.25)
 Trường hợp4: tF =30mm (tF/ds=1.5)
Với các trường hợp chịu kéo các mẫu với kích thước khác
nhau ta xây dựng biểu đồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bulông

Hình 3.13 Biểu đồ quan hệ ứng lực trong mặt bích và bu lông
- Đường MB-16 ứng với tF=16mm, ds= 20mm: Mô hình phá
hủy của ống thép là mô hình phá hủy 3 (theo Petersen). Mặt bích quá

16
 Trường hợp 1: ds =20mm, tF =20 mm, ti=4 mm
 Trường hợp 2: ds =20mm, tF =20 mm, ti=6 mm
 Trường hợp 3: ds =20mm, tF =20 mm, ti=8 mm
 Trường hợp 4: ds =20mm, tF =20 mm, ti=10 mm
- Đường O-THEP-6 ứng với tF=20mm, ds=20mm, ti=6mm:
Mô hình phá hủy của ống thép là mô hình phá hủy 2 (theo Petersen).
Ứng lực trong bulông đạt giới hạn cho phép (900000 kN/m2), đồng
thời ứng lực trong ống thép cũng đạt giới hạn cho phép (255300
kN/m2).
* Chọn kích thước giữa chiều dày mặt bích, đường kính
bulông và chiều dày ống thép hợp lý của ống nhỏ cho trường hợp
chịu kéo là:

0.8< tF/ds< 1.25 ; 0.3≤ti/ds
(với ti ≥6mm, ds=20mm)

3.2.1.2 Mô phỏng trường hợp ống nhỏ chịu kéo uốn đồng thời

Cố định đường
kính bulông

Cố định đường kính
bulông, chiều dày
mặt bích

Hình 3.14 Các trường hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo uốn


17

Hình 3.28 Biểu đồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông
Từ biểu đồ, đường OTHEP-8 và OTHEP-10

ứng với

ti=8mm và ti=10mm: Ứng lực trong bulông và ống thép cùng đạt
giới hạn cho phép.
*Vậy chọn kích thước giữa chiều dày mặt bích, đường kính bulông
và chiều dày ống thép hợp lý của ống nhỏ cho trường hợp chịu kéo
uốn là:

0.8
Mô hình phá hủy của ống thép là mô hình 2. Ứng lực trong bulông


21
đạt giới hạn cho phép (900000kN/m2), đồng thời ứng lực trong mặt
bích cũng đạt đến giới hạn (255300 kN/m2).
* chọn kích thước giữa chiều dày mặt bích và đường kính bu lông:
0.8< tF/ds< 1.25
b. Chọn kích thước giữu chiều dày ống thép và đường kính bulông
Với tỉ lệ kích thước của mặt bích và bulông đã chọn như trên
(0.8


Trường hợp 1: ds =22mm, tF =22 mm, ti=10 mm

Với trường hợp chịu kéo uốn các mẫu với kích thước khác nhau ta
xây dựng biểu đồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông

Hình 3.46 Biểu đồ quan hệ ứng lực trong ống thép và bulông
Với tF/ds=1, ti=8mm ứng với đường O-THEP-8mm: ứng lực
trong bulông và ống thép cùng đạt giới hạn cho phép.
* chọn kích thước giữa chiều dày mặt bích ,đường kính bu lông và
chiều dày ống thép hợp lý của ống trung cho trường hợp chịu kéo
uốn là:

0.8