ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NGỌC HIỆP

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

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

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NGỌC HIỆP

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA
LIÊN KẾT NỐI ỐNG THÉP TRÒN CHỊU XOẮN VÀ KÉO XOẮN SỬ DỤNG MẶT BÍCH VÀ BU LÔNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH TUẤN

Đà Nẵng – Năm 2019

1.1. Đạı cương mốı nốı ống tròn lıên kết bằng mặt bích và bu lông cường độ cao ............... 6
1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán mốı nốı ............................................................................. 7
1.2.1. Giới thiệu về bu lông và liên kết bu lông ..................................................... 7
1.2.2. Khả năng làm việc chịu cắt của bu lông ..................................................... 12
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO CHẾ TẠO MẪU THỰC NGHIỆM .... 17
2.1. Số liệu đầu vào ....................................................................................................... 17
2.1.1. Vật liệu đầu vào .......................................................................................... 17
2.1.2. Mô hình kích thước mẫu cần chế tạo .......................................................... 17
2.2. Lựa chọn kích thước hợp lý của ống thép đưa vào thí nghıệm (cố định đường
kính bu lông và bề dày mặt bích) .................................................................................. 18
2.3. Lựa chọn kích thước hợp lý của mặt bích đưa vào thí nghiệm (cố định đường
kính bu lông và bề dày ống thép) .................................................................................. 22
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 25
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH ĐỐI CHIẾU .................................. 27
3.1. Các thông số đầu vào .............................................................................................. 27
3.2. Công tác đánh gıá kıểm tra vật lıệu đầu vào .......................................................... 28
3.3. Công tác đưa ra phương án và thıết kế mẫu thí nghıệm ......................................... 29


3.3.1. Phương án xây dựng lực xoắn cho cấu kiện : ............................................. 29
3.3.2. Thiết kế mẫu thí nghiệm ............................................................................. 30
3.4 . Công tác gıa công chế tạo mẫu tạı xưởng cơ khí .................................................. 34
3.5. Công tác lắp đặt mẫu tạı phòng thí nghıệm ............................................................ 40
3.6. Gıớı thıệu các thıết bị đo ........................................................................................ 42
3.6.1. Strain gauges: Hãng sản xuất Tokyo Sokki Kenkyujo.Co.Ltd...................42
3.6.2. Cảm biến đo chuyển vị LVDT ...................................................................42
3.6.3. Máy bơm dầu .............................................................................................. 43
3.6.4. Kích thủy lực .............................................................................................. 43
3.6.5. Load cell (Cảm biến lực) ............................................................................44
3.6.6. Thước kẹp diện tử: sử dụng thước kẹp có thang chia đến 0.01mm. ..........44

1.2

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

15

2.1

Vật liệu đầu vào

17

2.2

Bảng kích thước ống

25

3.1

Các thông số đầu vào

27

3.2

Bảng số liệu chuyển vị của cánh tay đòn

48



Một số hình ảnh sập đổ của cần trục tháp và tháp truyền hình

2

1.1

Kết cấu dạng ống thép tròn được sử dụng trong các công trình

6

dân dụng và công nghiệp
1.3

Bu lông hình lục giác; Bu lông đầu tròn; Bu lông đầu cánh

8

bướm
1.4

Liên kết dâm vào cột, nối ống thép bằng Bu lông

9

1.5

Bu lông móng

10


1.11

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

14

1.12

Sự làm việc chịu kéo của bu lông

16

2.1

Đặc trưng vật liệu của bu lông ,ống thép và mặt bích

17

2.2

Bu lông và mặt bích

18

2.3

Mô phỏng ống thép và bu lông

18


2.9

Mô phỏng mặt bích và bu lông

22

2.10

Biểu đồ ứng suất trong bu lông và mặt bích trường hợp 1

23


Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

2.11

Biểu đồ ứng suất trong bu lông và mặt bích trường hợp 2

24

2.12


Ống thép và mặt bích

28

3.3

Phòng thí nghiệm kéo đứt của bu lông, và mẫu bất kỳ trên ống thép

28

và mặt bích
3.4

Chứng nhận CO CQ (Certificate of Origin - Certificate of

29

Quality)
3.5

Phương án tạo lực xoắn

30

3.6

Thí nghiệm cho trường hợp chịu xoắn

31


3.12

Đường kính Lỗ bu lông

36

3.13

Kích thước ống thép

36

3.14

Liên kết 2 mặt bích và ống thép

37

3.15

Que hàn RB-26

37

3.16

Hàn liên kết ống thép và mặt bích

38



Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

3.22

Cảm biến đo biến dạng (strain gauges)

42

3.23

Cảm biến đo chuyển vị LVDT

42

3.24

Máy bơm dầu dùng cho thí nghiệm

43

3.25

Kích thủy lực 250 (tấn)


46

3.31

Bố trí Strain gauges điểm 8,9

46

3.32

Sơ đồ bố trí Strain gauges mặt bích

47

3.33

Bố trí Strain gauges điểm A

47

3.34

Sơ đồ chuyển vị của cánh tay đòn

48

3.35

Bố trí cảm biến đo chuyển vị


51

3.41

Gia tải lực 44 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 4mm

52

3.42

Gia tải lực 55 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 5mm

52

3.43

Gia tải lực 66 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 6m

53

3.44

Gia tải lực 77 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 7mm

53

3.45

Gia tải lực 88 tấn chuyển vị tại cánh tay đòn 8mm

Tên hình

hình

Trang

3.50

Biến dạng của mặt bích

56

3.51

Biến dạng của mặt bích đã loại trừ

57

3.52

Biến dạng của ống thép

57

3.53

Biến dạng của ống thép đã loại trừ

57


3.59

Biểu đồ ứng suất trong bu lông và mặt bích thực nghiệm

60


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trong nước và trên thế giới các kết cấu dạng ống thép tròn được sử
dụng rộng rãi cho nhiều loại kết cấu khác nhau như Tháp truyền hình, Cần trục tháp
hay trong các thiết bị nâng hạ tải trọng lớn... thì các thanh biên của các kết cấu này đều
sử dụng là các thanh thép ống tròn rỗng. Bởi ưu điểm của tiết diện ống tròn là khả
năng chịu lực theo mọi hướng là như nhau giúp cho kết cấu ổn định hơn so với các tiết
diện cùng diện tích mặt cắt ngang, tối ưu nhất để giảm thiểu tác động của tải trọng gió
và giảm được trọng lượng bản thân kết cấu.

Tháp truyền hình ở khánh hòa

Trụ cột công viên Fantasy kingdom

Cần trục tháp bánh lốp
Tháp truyền hình Nam định (chưa đổ)
Hình 0.1: Các kết cấu dạng ống thép tròn được sử dụng
Để tạo ra những khẩu độ lớn đáp ứng từng yêu cầu thì các ống thép này được
nối lại với nhau. Hiện nay phương pháp nối bằng mặt bích sử dụng bu lông cường độ
cao được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên việc nghiên cứu về sự làm việc đồng thời của bu



3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là liên kết đấu đầu ống thép tròn bằng bu
lông và mặt bích .Đề tài quan tâm đến đối tượng cụ thể sau:
+ Đường kính bu lông và chiều dày ống thép.
+ Chiều dày mặt bích và đường kính bu lông.
- Các điều kiện chịu lực xoắn tác động vào mối nối được đưa vào xem xét và
đánh giá.
 Phạm vi nghiên cứu:
Phân tích thực nghiệm sự làm việc của mối nối ống tròn liên kết bằng mặt bích
và bu lông trong các thanh biên chịu lực chính trong kết cấu giàn của tháp thép trong
trường hợp chịu tác dụng của lực: xoắn
4. Nội dung nghiên cứu:
- Dùng thực nghiệm khảo sát sự làm việc phức tạp trong kết cấu dưới các điều
kiện chịu lực xoắn.
- Đánh giá các kiến nghị các tỉ lệ kích thước của các thông số liên kết (Tỉ lệ
giữa đường kính bu lông và chiều dày bản mã, đường kính bu lông và chiều dày ống
thép), từ lý thuyết và thực tế tương đồng với nhau không.
- Kết luận tính khả thi của tỉ lệ kích thước của các thông số liên kết
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng lại kết quả nghiên cứu lý
thuyết đã có. Chia việc nghiên cứu này làm 4 bước:
Bước 1: Tổng hợp các kết quả của đề tài nghiên cứu lý thuyết đã có và đưa ra
đánh giá cho trường hợp tổng quát;
Bước 2: Chế tạo mẫu thí nghiệm theo kích thước tối ưu theo mô hình lý thuyết;
Bước 3: Tiến hành thí nghiệm theo trường hợp chịu tác dụng của lực: xoắn
Bước 4: Phân tích các kết quả thí nghiệm, kiểm chứng với kết quả lý thuyết để
từ đó rút ra kết luận.



3.3.1 Phương án xây dựng lực xoắn cho cấu kiện :
3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm :
3.4 Công tác gıa công chế tạo mẫu tạı xưởng cơ khí
3.5 Công tác lắp đặt mẫu tạı phòng thí nghıệm
3.6 Gıớı thıệu các thıết bị đo
3.6.1 Strain gauges: Hãng sản xuất Tokyo Sokki Kenkyujo.Co.Ltd
3.6.2 Cảm biến đo chuyển vị LVDT


5
3.6.3 Máy bơm dầu
3.6.4 Kích thủy lực
3.6.5 Load cell (Cảm biến lực)
3.6.6 Thước kẹp diện tử: sử dụng thước kẹp có thang chia đến 0.01mm.
3.7 Thıết kế đıểm cần đặt thıết bị đo
3.7.1 Bố trí Strain gauges cho ống thép :
3.7.2 Bố trí Strain gauges cho mặt bích :
3.7.3 Bố trí Cảm biến đo chuyển vị LVDT
3.7.4 Bố trí Strain gauges cho bu lông :
3.8 Thí nghıệm mẫu
3.9 Kết quả sau thí nghıệm
3.10 Phân tích sau thí nghıệm
3.11 So sánh và đốı chıếu
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


6
CHƯƠNG 1
SƠ LƯỢC TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8
khung giàn. Một bộ bu lông thường gồm thân bu lông, đai ốc (ê cu) và long đen.
Nguyên lý làm việc của bu lông là dựa vào sự ma sát giữa các vòng ren của bu
lông và đai ốc (ê cu) để kẹp chặt các chi tiết lại với nhau.
Phần đầu bu lông có nhiều hình dạng khác nhau phục vụ cho các mục đích khác
nhau như: Bu lông đầu lục giác, Bu lông đầu vòng, Bu lông đầu cánh chuồn… Nhưng
thông dụng và phổ biến nhất là loại bu lông đầu lục giác.

Hình 1.3: Bu lông hình lục giác; Bu lông đầu tròn; Bu lông đầu cánh bướm
b. Phân loại bu lông
Tùy vào mục đích sử dụng, yêu cầu liên kết, yêu cầu về cường độ và độ bền…
Bu lông có thể chia ra làm nhiều loại khác nhau:
 Theo vật liệu chế tạo
 Bu lông được chế tạo từ thép cacbon, thép hợp kim: Được sử dụng phổ biến
trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp. Ngành thi công lắp dựng nhà thép
tiền chế cũng sử dụng loại này. Loại này có ưu điểm rẻ, dễ gia công chế tạo nhưng
nhược điểm là độ bền trong môi trường không cao, dễ hàn gỉ.
 Bu lông được chế tạo từ thép không gỉ( INOX): Đây là loại bu lông có khả
năng chống ăn mòn hóa học hay ăn mòn điện hóa từ môi trường. Các loại Inox thường
dùng là INOX 201, INOX 304, INOX 316, INOX 316L
 Bu lông được chế tạo từ các kim loại màu, hợp kim màu: Đồng, nhôm,
kẽm: Loại bu lông này được sản xuất từ chủ yểu để đáp ứng nhu cầu của các ngành
công nghiệp đặc thù: ngành điện, chế tạo máy bay, sản xuất …
 Phân loại theo đặc tính chống ăn mòn
Vì bu lông được dùng để liên kết các cấu kiện lại với nhau, nên đảm bảo độ bền
của bu lông chống lại sự ăn mòn, han gỉ của thời tiết là rất quan trọng. Một chi phí
không nhỏ trong ngành chế tạo bu lông là tìm ra các giải pháp để bảo vệ bu lông chống
lại sự phá hủy của thời tiết và môi trường. Dựa vào đặc tính này bu lông có thể phân
chia ra các loại:
 Bu lông thường: Được dùng cho bu lông móng trong lắp dựng nhà khung

Hình 1.4: Liên kết dâm vào cột, nối ống thép bằng Bu lông
Bu lông neo: Được sử dụng để liên kết hệ kết cấu bên trên với hệ kết cấu móng
bê tông cốt thép. Bu lông neo được đặt sẵn vào trong móng trước khi đổ bê tông. Bu
lông neo thường dùng các loại đường kính M22 trở lên.


10

Hình 1.5: Bu lông móng
 Phân loại theo cường độ chịu lực của Bu lông ( cấp độ bền)
Tùy vào yêu cầu khả năng chịu lực mà người ta sản xuất nhiều loại Bu lông với
các khả năng chịu lực khác nhau.
Ví dụ cấp bền 4.6; cấp bền 5.8; cấp bền 6.5; cấp bền 8.8; cấp bền 10.9
1.2.1.2. Giới thiệu về liên kết Bu lông
Tùy cấu tạo mà có liên kết đối đầu có bản ghép hoặc liên kết ghép chồng
a. Đối với thép tấm
Có thể dùng liên kết đối đầu có hai bản ghép (Hình 1.6a) hay có 1 bản ghép
(Hình 1.6b) hoặc dùng liên kết chồng (Hình 1.6c)

Hình 1.6: Các loại liên kết đối đầu
Liên kết có hai bản ghép đối xứng nên truyền lực tốt, liên kết có 1 bản ghép và
liên kết chồng có sự lệch tâm nên chịu momen uốn phụ vì vậy số bu lông cần tăng
10% so với tính toán.
Khi nói đối đầu hai bản thép có chiều dày khác nhau cần có thêm bản đệm số
bu lông có bản đệm cần tăng 10% so với tính toán .
b. Đối với thép hình
Khi liên kết đối đầu, các thép hình được nối bằng các bảng ghép (Hình 1.7b,c,d)
và có thể nối bằng thép góc (Hình 1.7a).



sự ép của thân bu lông lên thành lỗ. Thân bu lông chịu cắt uốn và kéo (do mũ bu lông
ngăn cản sự uốn tự do của thân bu lông).
+ Giai đoạn 4: Lực trượt tăng tiếp, độ chặt của liên kết giảm dần, lực ma sát
yếu đi, liên kết chuyển sang làm việc trong giai đoạn dẻo. Liên kết có thể bị phá phá
hoại do cắt ngang thân đinh hoặc đứt bản thép giữ hai lỗ bu lông hoặc từ lỗ bu lông
đến mép bản thép do áp lực ép mặt trên thành lỗ gây ra.

Hình 1.10: Sơ đồ làm việc của liên kết bu lông


13

Khi bản thép mỏng, đường kính bu lông lớn thì bản
thép bị phá hoại kéo đứt do tác dụng ép mặt của bu lông lên

l

b. Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bu lông

thành lỗ. Sự ép mặt này có ứng suất cục bộ cb phân bố không
đều theo chu vi lỗ (vị trí chịu ứng suất nén lớn sẽ chảy dẻo, làm
cho lỗ bu lông dần dần hình thành hình bầu dục dẫn tới đứt).
Khả năng chịu ép mặt của bu lông mang tính quy ước,
chính bằng khả năng chịu cắt đứt của bản thép.
Trường hợp tổng quát khi liên kết có nhiều bản thép:

N cb  d  t min f cb b

(1.1)


ds - đường kính lỗ bu lông.
c. Sự làm việc chịu trượt
Lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp nhận lực trượt do ngoại lực gây ra.
Bu lông chỉ chịu kéo do sự xiết chặt êcu.


14

T/2

¸p lùc

T/2

¸p lùc

T

lùc c¾t
¸p lùc
lùc c¾t

Hình 1.11: Sự làm việc của bu lông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát
Sự làm việc của bu lông cường độ cao trong liên kết chịu lực trượt ma sát được
thể hiện trong Hình 1.7. Như vậy lực nén trước trong bu lông 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 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 ngoài vượt quá lực ma sát thì các tấm sẽ bị trượt lên
nhau. Vì vậy, liên kết bu lông cường độ cao được thiết kế sao cho tải trọng tác dụng


na - số lượng bu lông chịu lực trong liên kết;

 - hệ số ma sát, lấy theo Bảng 2.2;
b2- hệ số độ tin cậy của liên kết, lấy theo Bảng 1.1;
nf- số lượng mặt phẳng ma sát tính toán.


15
Bảng 1.2: Hệ số ma sát μ và hệ số độ tin cậy b2
Phương
Hệ số b2 khi tải trọng và độ dung sai
Phương pháp làm
pháp điều Hệ số giữa đường kính bu lông và lỗ , mm
sạch mặt phẳng của
chỉnh lực ma sát Động và  = 3  6 Động và  = 1
các cấu kiện được
xiết
bu μ
Tĩnh và  = 5  6 Tĩnh và  = 1  4
liên kết
lông
1. Phun cát thạch Theo M
anh hay bột kim loại Theo 

0,58
0,58

1,35
1,2


1,12
1,02

4. Bằng bàn chải sắt, Theo M
không có lớp sơn Theo 
bảo vệ

0,35
0,35

1,35
1,25

1,17
1,06

5. Không gia công Theo M
bề mặt
Theo 

0,25
0,25

1,7
1,5

1,3
1,2