ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRỊNH VĂN THAO

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC
CỦA LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU UỐN-CẮT,
KÉO-UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng công trình DD & CN
Mã số : 8580201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ
CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH TUẤN

Phản biện 1: PGS.TS. Trần Quang Hưng
Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Thanh Tùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công
nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 20 tháng 4
năm 2019


2
Ứng xử của liên kết này khá phức tạp, đặc biệt là khi chịu các
loại tải trọng phức hợp, thiên tai (động đất, gió bảo)…Tại vị trí mối
nối đồng thời xuất hiện nhiều thành phần nội lực: Kéo (nén), mô
men uốn, mô men xoắn, lực cắt.
Trước luận văn này, đã có một số tác giả nghiên cứu lý thuyết,
đề ra phương pháp tính toán tại vị trí mối nối này khi chịu tác dụng
đồng thời của nhiều thành phần nội lực:
- Nguyễn Trọng Vinh, Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống
thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu uốn và cắt đồng thời, có
xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu, Luận văn Thạc sĩ, Đại
học Bách Khoa Đà Nẵng.
- Phan Công Bàn, Nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống
thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu kéo (nén) uốn đồng thời,
Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
- Trịnh Hồng Vi, Khảo sát sự làm việc chịu xoắn hoặc kéo xoắn
đồng thời của liên kết nối ống thép tròn dùng mặt bích và bu lông,
Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Nhưng nó là nhiều nghiên cứu rời rạc và chưa có sự tổng hợp lại
các kết quả nghiên cứu đó để đưa ra đánh giá cho trường hợp tổng
quát ( chịu lực phức tạp). Thêm vào đó vẫn chưa có những thí
nghiệm để kiểm chứng lại các kết quả lý thuyết mà các tác giả đưa
ra. Đây là lý do để thực hiện luận văn với đề tài:
“NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA
LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU UỐN - CẮT, KÉO –
UỐN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG ”
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt
bích và bu lông chịu lực phức tạp.

4. Phương pháp nghiên cứu


4
Chương 1: Tổng quan về mối nối liên kết ống thép tròn và cơ
sở lý thuyết
Chương 2: Tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết và đưa
ra đánh giá cho trường hợp tổng quát
Chương 3: Thực nghiệm và so sánh đối chiếu
Kết luận và kiến nghị
Danh mục tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI LIÊN KẾT ỐNG
THÉP TRÒN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI LIÊN KẾT ỐNG THÉP TRÒN
1.1.1. Sơ lược về kết cấu sử dụng ống thép tròn
1.1.2. Sơ lược về mối nối liên kết ống thép tròn
1.1.2.1. Trên thế giới
1.1.2.2. Tại Việt Nam
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MỐI NỐI
1.2.1. Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực
của bulông
1.2.1.1. Sự làm việc của liên kết bulông
1.2.1.2. Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông
1.2.1.3. Sự làm việc chịu trượt
1.2.1.4. Sự làm việc chịu kéo
1.2.2. Một số mô hình phá hủy
1.2.2.1. Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất
1.2.2.2. Mô hình của Seidel
1.2.2.3. Nghiên cứu của Schmidt-Neuper

cắt đồng thời với tF=22mm, ds=
20mm (tF/ds =1,10)


6

Hình 2.8: ONHO-TH uốn và
cắt đồng thời với tF=25mm,
ds= 20mm (tF/ds =1,25)

Hình 2.9: ONHO-TH uốn và
cắt đồng thời với tF=28mm,ds=
20mm (tF/ds =1,40)
Nhận xét: Ở hình 2.7 và hình 2.8 (ứng với tF= 22mm và tF=

25mm) ta thấy: Ứng suất trong bulông và trong mặt bích cũng đạt
đến giới hạn chảy → chọn tỷ lệ kích thước giữa chiều dày mặt bích
và đường kính bulông: 1,00< tF/ds< 1,40
Bước 2: Sau khi xác định được độ dày bản mã thích hợp để bản mã
và bulông cùng chảy dẻo, ta tiến hành mô phỏng các mẫu với việc thay
đổi chiều dày thành ống, cố định chiều dày bản mã (tF=22mm), đường
kính bulông (ds= 20mm) và các kích thước e1 =40mm và e2=30mm.
Với mỗi mẫu ta xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất trong các bulông
với bản mã và thành ống trong trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời,
các kết quả thể hiện từ hình 2.10 đến 2.13

Hình 2.10: ONHO-Trường hợp
uốn cắt đồng thời với tF=22mm,
ds= 20mm, tp= 8mm (tF/ds =1,40;
tp/ds =0,40)

2.3.3. Mô phỏng mối nối chịu kéo – xoắn đồng thời
2.3.3.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 165.2x4
2.3.3.2. Trường hợp mô phỏng ống trung 267.4x6.0
2.3.3.3. Trường hợp mô phỏng ống lớn 355.6x9.5
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2


8
Bằng các mô phỏng với phần mềm Abaqus, nghiên cứu đã cho
thấy được ứng xử của các bulông, ống thép và mặt bích trong liên kết
nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông trong các trường hợp
chịu lực khác nhau (uốn - cắt, kéo - uốn, kéo – xoắn) với 3 mẫu có
kích thước khác nhau. Từ đó, chọn được khoảng tỷ lệ hợp lý giữa 3
đại lượng: đường kính bulông (ds), chiều dày mặt bích (tF) và chiều
dày ống thép (tp):
Bảng 2.7: Tổng hợp kết quả nghiên cứu
TH chịu

Loại đường kính ống

lực

Ống nhỏ

Ống trung

Ống lớn

Uốn –


Kéo -

0.80
3.1.3.3. Máy bơm dầu
3.1.3.4. Kích thủy lực
3.1.3.5. Load cell (Cảm biến lực)
3.1.3.6. Thước kẹp diện tử:
3.1.4. Thiết lập, bố trí thí nghiệm
3.1.4.1. Sơ đồ bố trí Strain gauges và Cảm biến đo chuyển vị
LVDT
Tại mặt cắt ống thép liên kết với mặt bích, ta tiến hành lắp 2
Strain gauges (SD1 và ST1). Để kiểm tra thêm, lắp 2 Strain gauges
(SD2 và ST2) tại mặt cắt giữa ống thép.
Trên mặt bích 1, tiến hành lắp đặt 5 Strain gauges (4 Strain gauges
S1T, S1P, S2, S3 dán dọc theo phương đường kính, Strain gauges SN
dán theo phương vuông góc với đường kính) tại các vị trí nghi ngờ có
ứng suất lớn.
Trên mẫu thí nghiệm, ta tiến hành lắp đặt 4 cảm biến đo chuyển vị
LVDT. Cảm biến LH1 đặt tại vị trí gia tải, cảm biến LH2 đặt tại vị trí
2/3 của ống thép, cảm biến LH3 và LH4 đặt tại mặt bích 1 và 2 để
đánh giá chuyển vị của 2 mặt bích này.


12

Hình 3.14. Sơ đồ bố trí Strain gauges và Cảm biến đo chuyển vị
LVDT trên mặt bích và ống thép

Hình 3.15. Sơ đồ bố trí Strain gauges trên mặt bích 1
3.1.4.2. Tính toán lực siết bu lông
Mô men siết có thể được tra theo bảng của nhà sản xuất. Với bu
lông M20, mô men siết là: M=570N.m; với bu lông M24, mô men
siết là: M=981N.m


Hình 3.20. Vị trí các strain gauges phía dưới ống thép (SD1, SD2)

Hình 3.21. Vị trí các strain gauges trên mặt bích (S1T, S2)

Hình 3.22. Vị trí các strain gauges trên mặt bích (S1P,SN, S3)


15

Hình 3.23. Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị của cột
3.2. MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT
QUẢ ĐO
3.2.1. Mô tả kết quả thí nghiệm
Thực hiện gia tải cho mẫu với mỗi cấp tải Pi=10kN, giữ tải cho
đến khi chuyển vị của LVDT và biến dạng trong các Strain gauges ổn
định rồi mới thay đổi cấp tải, quan sát thấy được:
Khi tăng tải trọng, đầu gia tải cũng bắt đầu chuyển vị, tuy nhiên
chuyển vị ban đầu là nhỏ và chậm.
Tiếp tục tăng tải theo từng cấp, ta thấy rằng chuyển vị tại đầu kích
bắt đầu tăng nhanh dần. Quan sát thấy ống thép phía trong biến dạng,
làm cho mặt bích phía trong bị nghiêng so với phương đứng.
Tiếp tục tăng tải trọng theo từng cấp ta thấy ở cấp tải 136.3kN, bất
ngờ phát ra 1 tiếng nổ lớn. Quan sát ta thấy tại bu lông ở phía dưới,
đai ốc bị trượt ra một đoạn. Như vậy, sự phá hoại mẫu sảy ra là do bu
lông bị phá hoạt do trượt ren.

Hình 3.27. Mẫu bi phá hoại do trượt ren ở bu lông phía dưới ở
cấp tải 136.3KN


a) Khả năng chiu lực theo lý thuyết
 Khả năng chịu lực của ống thép số 1
Dưới tác dụng của tải trọng P, vị trí nguy hiểm nhất trên ống thép
1 là tại mặt cắt 1-1 . Tuy nhiên, để xét đến sự làm việc của cả ống
thép, ta xét thêm mặt cắt 2-2.

Hình 3.32. Các mặt cắt để xác định ứng suất trên ống thép
- Xét mặt cắt 1-1: M=0,301P; Q=P
M
0.301P
20.07

 3825P(kN / m2 )
P
 66.7kN ;  
5
0.301
Wx 7.869 10
- Xét mặt cắt 2-2: M=0,151P; Q=P
20.07
M
0.151P
P
 132.9kN ;  

 1919 P(kN / m2 )
0.151
Wx 7.869 105
 Khả năng chịu lực của bu lông số 1 (bu lông phía dưới)


Ae

0.3 y
1808



(3.1)

0.3  9 105
 149.3kN
1808

b) Kết quả phân tích thực nghiệm
 Đồ thị tải trọng –chuyển vị của mẫu thí nghiệm
 Đồ thị tải trọng – biến dạng của mẫu thí nghiệm tại các vị trí
đo đạc

Hình 3.38. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên ống thép tại ST1

Hình 3.39. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên ống thép tại SD1


19

Hình 3.41. Đồ thị tải trọng – Biến dạng tại trên ống thép SD2

Hình 3.42. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên mặt bích tại S1P

Hình 3.43. Đồ thị tải trọng – Biến dạng trên mặt bích tại SN

Hình 3.46. Đồ thị tải trọng – ứng suất tại các vị trí khảo sát trên
mặt bích
Từ hình 3.46 ta thấy ứng suất trong mặt bích ở giai đoạn đầu gia
tải là khá nhỏ, ứng suất gần như không tăng khi tải trọng thí nghiệm
nhỏ hơn 40kN. Tuy nhiên khi khi cấp tải trọng từ 40kN trở đi, ứng
suất tại các vị trí khảo sát bắt đầu tăng dần và tăng nhanh khi tải
trọng thí nghiệm lớn hơn 60kN. Và ta thấy rằng ứng suất trong mặt
bích bắt đầu đạt đến giới hạn chảy ở cấp tải 105kN và mở rộng dần ra
các vị trí khác. Do đó ta cũng có thể kết luận, mặt bích cũng đã bị phá
hoại khi bu lông bị phá hoại.
Kết luận 1: ở cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến
dạng dẻo của ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại các vị trí khảo
sát trên mặt bích, biến dạng dẻo xuất hiện trước khi bu lông bị phá
hoại và mở rộng dần ra các vị trí khác.Do đó có thể kết luận: Mối nối
bị phả hoại đồng thời ở cả ba vị trí: Bu lông, ống thép và mặt bích.
Biểu diễn ứng suất của các vị trí khảo sát ở ống thép, mặt bích và
bu lông lên trên cùng một đồ thị ở hình 3.47. Ta có một số nhận xét:
- Bu lông bị phá hoại trượt ren ( ở cấp tải 136.3kN), ứng suất
trong thân bu lông đạt 876430 kN/m2. Ứng suất trong thân bu lông
được xác định theo công thức (3.1)


22
- Ở ống thép số 1, vùng biến dạng dẻo phát triển từ vị trí SD1 (ở
cấp tải 35kN) đến vị trí SD2 (ở cấp tải 124.8kN). Như vậy tải trọng
khi ống thép bị biến dạng dẻo trong thí nghiệm nhỏ hơn so với tải
trọng tính toán lý thuyết ( lần lượt là 66.7kN và 132.9kN). Điều này
có thể được giải thích do tại vị trí SD1 là vị trí liên kết ống thép vào
mặt bích bằng phương pháp hàn, do đó mà cường độ của ống thép tại
SD1 bị giảm do sự tác dụng của nhiệt độ, từ đó ảnh hưởng đến sự

23
M và Q lần lượt là thành phần nội lực mô men và lực cắt tại vị
trí mối nối 2 mặt bích.
n là số bu lông liên kết các mặt bích
li là khoảng cách của bu lông thứ i đến tâm quay
lmax là khoảng cách của bu lông chịu kéo lớn nhất đến tâm quay
Ae là diện tích tiết diện ngang của bu lông
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong chương này đã thực hiện các nội dung sau:
Tiến hành thiết kế mẫu thí nghiệm với các kích thước có được từ
kết quả phân tích bằng phần mêm Abaqus.
Chế tạo mẫu thí nghiệm với kích thước thật để kết quả thu được từ
thí nghiệm phản ánh đúng với thực tế làm việc của liên kết.
Thiết lập thí nghiệm, các tham số đo được đo bằng các cảm biến
điện tử và ghi lại kết quả bằng phần mềm máy tính.
Ở cấp tải 136.3kN, bu lông bị phá hoại trượt ren; Biến dạng dẻo
của ống thép mở rộng từ SD1 tới SD2; Tại các vị trí khảo sát trên mặt
bích, biến dạng dẻo xuất hiện trước khi bu lông bị phá hoại và mở
rộng dần ra các vị trí khác. Do đó ta có thể kết luận: Mối nối bị phả
hoại đồng thời ở cả ba vị trí: Bu lông, ống thép và mặt bích. Từ đó,
đưa ra công thức xác định ứng suất trong bu lông
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Luận văn đã tiến hành tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết
trong ba trường hợp chịu lực: uốn-cắt, kéo-uốn, kéo- xoắn và đưa ra
đánh giá cho trường hợp chịu lực phức tạp (kéo-uốn-xoắn).
Tiến hành thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm theo kích thước tối
ưu của lý thuyết trong trường hợp mối nối ống nhỏ (đường kính
ngoài 114.3mm) chịu uốn-cắt đồng thời.