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

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

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

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


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


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



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


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


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


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

3.9

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


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


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


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


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


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


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



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

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

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

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


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

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

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

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

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).

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

:

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


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

= 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



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


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

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


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