Tài liệu Mô phỏng ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bu lông chịu uốn và cắt đồng thời, có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu

N N N O N UYỄN N VN MÔ P ỎN ỨN XỬ Ủ L ÊN Ế NỐ ỐN ÉP ÕN SỬ DỤN MẶ Í V U LÔN ỊU UỐN V Ắ ỒN , Ó XÉ ẾN SỰ L M V Ệ P UYẾN Ủ VẬ L ỆU huyên ngành: ỹ thuật Xây dựng ông trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 ÓM Ắ LUẬN VĂN Ỹ UẬ XÂY DỰN à N ng, 7/2017 SỸ Công trình được hoàn thành tại N KHOA Người hướng dẫn khoa học: S. LÊ N UẤN Phản biện 1: ....................................................... Phản biện 2: ........................................................ Luận văn sẽ 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.… tháng 7 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa. - Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN. LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Trọng Vinh, là học viên lớp cao học chuyên ngành Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp khóa 31 của Đại học Đà Nẵng. Tôi được Đại học Đà Nẵng cho phép làm luận văn tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn chính của TS. Lê Anh Tuấn với đề tài: “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” Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Người cam đoan Nguyễn Trọng Vinh i TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ iv,v DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... vi DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ ................................................................................. viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................ 2 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3 4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 3 6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới ................................................... 6 1.2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước ................................................... 13 1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 13 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 15 2.1. Cấu tạo của bulông ......................................................................................... 15 2.1.1.Cấu tạo chung của bulông ........................................................................ 15 2.1.2. Bulông cường độ cao ............................................................................... 15 2.2. Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông ................... 16 2.2.1. Sự làm việc của liên kết bu lông............................................................... 16 2.2.2. Khả năng làm việc chịu ép mặt của thân bulông ...................................... 16 2.2.3. Sự làm việc chịu trượt .............................................................................. 17 2.2.4. Sự làm việc chịu kéo ................................................................................ 19 2.3. Một số mô hình phá hủy ................................................................................. 20 2.3.1. Mô hình phá hủy do Petersen đề xuất ...................................................... 20 2.3.2. Mô hình của Seidel .................................................................................. 22 2.3.3. Nghiên cứu của Schmidt-Neuper.............................................................. 22 2.4. Ứng suất Von-Mises: ...................................................................................... 25 2.5. Kết luận chương 2: ......................................................................................... 25 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT .................................................................. 26 3.1. Mô phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulông và mặt bích dạng chữ L khi chịu kéo ..................................................................................................................... 26 3.1.1. Đặc trưng vật liệu.................................................................................... 26 ii 3.1.2. Phương pháp phân tích............................................................................ 27 3.1.2.1. Lắp ráp ............................................................................................. 27 3.1.2.2. Điều kiện biên .................................................................................. 27 3.1.2.3.Ứng lực trước cho bulông .................................................................. 27 3.1.2.4. Hệ số ma sát ..................................................................................... 28 3.1.3. Mô phỏng phần tử dạng chữ L ................................................................. 28 3.1.3.1. Mô hình ............................................................................................ 28 3.1.3.2. Kết quả phân tích.............................................................................. 29 3.2. Mô phỏng FEM mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài .................................................................................................................. 31 3.2.1. Mô phỏng ống nhỏ 114.3x3.5................................................................... 32 3.2.1.1. Trường hợp chịu cắt thuần túy .......................................................... 32 3.2.1.2. Trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời .............................................. 38 3.2.2. Mô phỏng ống trung 267.4x6.0 ................................................................ 44 3.2.2.1. Trường hợp chịu cắt thuần tuý .......................................................... 44 3.2.2.2. Trường hợp chịu uốn cắt đồng thời ................................................... 51 3.2.3. Mô phỏng ống lớn 406.4 x 12.7 ............................................................... 57 3.2.3.1. Trường hợp chịu cắt thuần túy .......................................................... 57 3.2.3.2. Trường hợp chịu uốn và cắt đồng thời .............................................. 63 3.3. Xây dựng quy trình tính toán thiết kế mối nối liên kết trong trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời ............................................................................................... 69 3.4. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 71 1. Kết luận ............................................................................................................. 71 2. Kiến nghị ........................................................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 72 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN 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 Học viên: Nguyễn Trọng Vinh Mã số: 60.58.02.08 Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Khóa: 31 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN Tóm tắt - Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình. Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán về liên kết của loại kết cấu này. Liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên kết hàn và liên kết sử dụng mặt bích và bulông. Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu cũng như các chỉ dẫn tính toán chỉ tập trung nhiều về liên kết hàn còn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích và bulông chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn giản như chịu kéo, nén hoặc uốn mà chưa có các chỉ dẫn tính toán trong trường hợp liên kết chịu lực phức tạp (như trường hợp uốn cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn kéo/nén đồng thời…). Nghiên cứu đã đưa ra những quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông trong trường hợp chịu uốn cắt đồng thời, từ đó đề xuất các thông số hợp lý của liên kết (mối quan hệ giữa chiều dày bản mã, đường kính bulông và chiều dày ống thép). Từ khóa - ống thép tròn; Mặt bích; bulông cường độ cao; chịu uốn cắt đồng thời; Cơ chế phá hủy. SIMULTING BEHAVIOR OF THE TUBULAR STEEL JOINTS USING FLANGES AND BOLTS WITH NONLINEAR BEHAVIOR OF MATERIAL CONSIDERATION Abstract - With many advantages, nowadays, the structure using tubular steel structure is more and more widely used in all kinds of construction. In response to the rapid development of the tubular steel structure, it has been had a lot of research about the joints of this structure. Welding joints and joints using flanges and bolts are used most popular in tubular structure. However, most of the reseachs concentrate about welding joints, the joints using flanges and bolts are only mentioned in the case of simple load bearing such as tension or compression or bending without computational instructions in the case of complex bearing forces (concurrent shear force and bending or concurrent tension/compression and bending or tension/compression and twisting). The study outlines the behavioral rules for joints of tubular structure using flanges and bolts in the case of concurrent shear force and bending, thereby proposing the rational parameters of the joint (the relationship between the thickness of the flange, the diameter of the bolt and thickness of steel tubes). Key words – tubular steel; flanges; high strength bolt; concurrent shear force and bending; mechanisms of destruction. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU Ae Diện tích tiết diện hiệu quả của mặt bích Cb Hệ số lò so kéo của bulông Cc Hệ số lò so nén của mặt bích Cf Hệ số lò so nén của mặt bích Cw Hệ số lò so nén của vòng đệm DA Bước ren của bulông dh Đường kính lỗ bulông ds Đường kính thân bulông dw Đường kính bề mặt chịu lực ép dwi Đường kính trong của vòng đệm dwo Đường kính ngoài của vòng đệm E Modun đàn hồi của thép e Khoảng cách từ đầu mặt bích đến tâm bulông FP Lực dọc cho phép trong bulông Fyf Giới hạn chảy của vật liệu làm bản cột chia cho 1,1 Fys Giới hạn chảy của vật liệu bản dầm chia cho 1,1 G Khoảng cách từ tâm bulông đến tâm mặt bích Md Độ bền kéo của lỗ bulông trên 1 đơn vị độ rộng, M d  ( t F2 . Fyf ) / 4 Ms Độ bền kéo của bản thép trên 1 đơn vị độ rộng, M s  (t s2 .Fys ) / 4 No Lực kéo thiết kế của bulông p Tỷ số giữa nội lực và ngoại lực Tf Lực kéo ngắn hạn cho phép Tf2 Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 2 của Petersen Tf3 Lực kéo cho phép theo mô hình phá hủy 3 của Petersen Tp Lực dọc trong bulông Ts Lực kéo tác dụng vào cấu kiện v Tv Lực kéo ban đầu trong bulông tp Độ dày của thành ống thép ts Độ dày của cánh dầm tF Độ dày của mặt bích tw Độ dày của vòng đệm ws Độ rộng bản thép  Hệ số cân bằng y Giới hạn đàn hồi của bulông CÁC CHỮ VIẾT TẮT BL Bulông BLn Bulông thứ n, n=1, 2, 3… CHS Circle hollow sections HSS Hollow steel sections RHS Rectangular hollow sections MB Mặt bích OLON Ống thép tròn lớn có đường kính ống D=406,4mm, gọi là tắt ống lớn ONHO Ống thép tròn nhỏ có đường kính ống D=114,3mm, gọi là tắt ống nhỏ OTRUNG Ống thép tròn trung có đường kính ống D=267,4mm, gọi là tắt ống trung vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên hình Trang Bảng 2.1. Hệ số điều kiện làm việc b 17 Bảng2.2. Hệ số ma sát μ và hệ số độ tin cậy b2 19 Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu 26 Bảng 3.2. Đặc trưng hình dạng của bulông 30 Bảng 3.3. Hằng số đàn hồi và TsI, TsII 30 Bảng 3.4. Bảng kích thước các mẫu ống mô phỏng 31 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1. Các dạng mối nối HSS 6 Hình 1.2. Các dạng phá hủy mối nối CHS 7 Hình 1.3. Các dạng phá hủy mối nối của RHS 8 Hình 1.4. Các dạng phá hủy mối nối giữa CHS với thép hình chữ I/H 9 Hình 1.5. Các mối nối giữa tấm thép với CHS 10 Hình 1.6. Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết dàn 10 Hình 1.7. Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết dàn 10 Hình 1.8. Các mối nối giữa CHS-CHS trong liên kết chịu moment 11 Hình 1.9. Các mối nối giữa RHS-RHS trong liên kết chịu moment 11 Hình 1.10. Một số mối nối CHS và HSS bằng liên kết bulông 12 Hình 1.11. Mối nối liên kết đối đầu bulông và mặt bích ngoài 13 Hình 2.1. Cấu tạo của bulông 15 Hình 2.2. Sơ đồ làm việc của liên kết bulông 16 Hình 2.3. Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát 17 vii Hình 2.4. Sự làm việc chịu kéo của bulông 20 Hình 2.5. Ba mô hình phá hủy của Petersen trong liên kết T-stub 20 Hình 2.6. Quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong bulông 22 Hình 2.7. Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực dọc trong bulông do Schmidt – Neuper đề xuất 22 Hình 2.8. Mô hình T-stub 24 Hình 2.9. Tương quan giữa ứng suất Von Mises và ứng suất Tresca 25 Hình 3.1. Mô hình bulông và bản thép trong Abaqus 28 Hình 3.2. Mô hình phần tử dạng chữ L trong Abaqus 28 Hình 3.3. Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L trong Abaqus 29 Hình 3.4. Mô hình ống nhỏ chịu cắt thuần túy 32 Hình 3.5. Lưu đồ thực hiện đối với ống nhỏ chịu cắt thuần túy 32 Hình 3.6. Mô hình ống nhỏ chịu uốn và cắt đồng thời 38 Hình 3.7. Lưu đồ thực hiện đối với ống nhỏ chịu uốn và cắt đồng thời 38 Hình 3.8. Mô hình ống trung chịu cắt thuần túy 44 Hình 3.9. Lưu đồ thực hiện đối với ống trung chịu cắt thuần túy 44 Hình 3.10. Mô hình ống trung chịu uốn và cắt đồng thời 51 Hình 3.11. Lưu đồ thực hiện đối với ống trung chịu uốn và cắt đồng thời 51 Hình 3.12. Mô hình ống lớn chịu cắt thuần túy 57 Hình 3.13. Lưu đồ thực hiện đối với ống lớn chịu cắt thuần túy 57 Hình 3.14. Mô hình ống lớn chịu uốn và cắt đồng thời 63 Hình 3.15. Lưu đồ thực hiện đối với ống lớn chịu uốn và cắt đồng thời 63 viii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ Số hiệu Tên biểu đồ Trang Biểu đồ 3.1. Đặc trưng của bulông 27 Biểu đồ3.2. Đặc trưng của mặt bích, ống thép 27 Biểu đồ 3.3. Biểu đồ 3.4. Biểu đồ 3.5. Biểu đồ 3.6. Biểu đồ 3.7. Biểu đồ 3.8. Biểu đồ 3.9. Biểu đồ 3.10. Biểu đồ 3.11. Biểu đồ 3.12. Biểu đồ 3.13. Biểu đồ 3.14. Biểu đồ 3.15. Biểu đồ 3.16. Biểu đồ 3.17. Biểu đồ 3.18. Biểu đồ 3.19. Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo Ts trong phần tử dạng chữ L so sánh với biểu đồ của SchmidtNeuper và Seidel ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=20mm, ds= 20mm (tF/ds =1,00) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=25mm, ds= 20mm (tF/ds =1,25) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=28mm, ds= 20mm (tF/ds =1,40) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=30mm, ds= 20mm (tF/ds =1,50) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tF=28mm,ds= 20mm, tp= 1.5mm (tF/ds =1,40; tp/ds =0,075) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 2mm (tp/ds =0,10) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 3.5mm (tp/ds =0,175) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 5mm (tp/ds =0,25) ONHO-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 8mm (tp/ds =0,40) ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=20mm, ds= 20mm (tF/ds =1,00) ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=22mm, ds= 20mm (tF/ds =1,10) ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=25mm, ds= 20mm (tF/ds =1,25) ONHO-TH uốn và cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 20mm (tF/ds =1,40) ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tF=22mm,ds= 20mm, tp= 8mm (tF/ds =1,40; tp/ds =0,40) ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tp= 10mm (tp/ds =0,50) ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tp= 12mm (tp/ds =0,60) 29 33 33 34 34 35 36 36 37 37 39 39 40 40 41 42 42 ix Biểu đồ 3.20. Biểu đồ 3.21. Biểu đồ 3.22. Biểu đồ 3.23. Biểu đồ 3.24. Biểu đồ 3.25. Biểu đồ 3.26. Biểu đồ 3.27. Biểu đồ 3.28. Biểu đồ 3.29. Biểu đồ 3.30. Biểu đồ 3.31. Biểu đồ 3.32. Biểu đồ 3.33. Biểu đồ 3.34. Biểu đồ 3.35. Biểu đồ 3.36. Biểu đồ 3.37. Biểu đồ 3.38. Biểu đồ 3.39. Biểu đồ 3.40. ONHO-Trường hợp uốn và cắt đồng thời với tp= 14mm (tp/ds =0,70) OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=25mm, ds= 22mm (tF/ds=1,14) OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=28mm, ds= 22mm (tF/ds =1,27) OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=30mm, ds= 22mm (tF/ds =1,36) OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=33mm, ds= 22mm (tF/ds =1,50) OTRUNG-TH cắt thuần túy với tF=35mm, ds= 22mm (tF/ds =1,59) OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tF=28mm, ds=22mm, tp=2mm OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 3mm (tp/ds =0,14) OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 4mm (tp/ds =0,18) OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 5mm (tp/ds =0,23) OTRUNG-Trường hợp cắt thuần túy với tp= 6mm (tp/ds =0,27) OTRUNG-TH uốn & cắt đồng thời với tF=22mm, ds= 22mm (tF/ds =1,0) OTRUNG-TH uốn & cắt đồng thời với tF=25mm, ds= 22mm (tF/ds=1,14) OTRUNG-TH uốn&cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 22mm (tF/ds =1,27) OTRUNG-TH uốn& cắt đồng thời với tF=30mm, ds= 22mm (tF/ds=1,36) OTRUNG-TH uốn & cắt đồng thời với tF=25mm, ds= 22mm, tp= 10mm (tF/ds =1,14;tp/ds =0,45) OTRUNG-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 12mm (tp/ds =0,55) OTRUNG-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 15mm (tp/ds =0,68) OTRUNG-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 18mm (tp/ds =0,82) OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=32mm, ds= 24mm (tF/ds =1,33) OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=34mm, ds= 24mm (tF/ds =1,42) 43 45 45 46 46 47 48 48 49 49 50 52 52 53 53 54 55 55 56 58 58 x Biểu đồ 3.41. Biểu đồ 3.42. Biểu đồ 3.43. Biểu đồ 3.44. OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=36mm, ds= 24mm (tF/ds =1,50) OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=38mm, ds= 24mm (tF/ds =1,58) OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=40mm, ds= 24mm (tF/ds =1,67) OLON-Trường hợp cắt thuần túy với tF=34mm, ds= 24mm, tp= 4mm (tF/ds=1,42; tp/ds =0,17) 59 59 60 61 Biểu đồ 3.45. OLON-TH cắt thuần túy với tp= 6mm (tp/ds =0,25) 61 Biểu đồ 3.46. OLON-TH cắt thuần túy với tp= 8mm (tp/ds =0,33) 62 Biểu đồ 3.47 OLON-TH cắt thuần túy với tp= 10mm (tp/ds =0,42) 62 Biểu đồ 3.48. Biểu đồ 3.49. Biểu đồ 3.50. Biểu đồ 3.51. Biểu đồ 3.52. Biểu đồ 3.53. Biểu đồ 3.54. Biểu đồ 3.55. Biểu đồ 3.56. OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=25mm, ds= 24mm (tF/ds =1,04) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 24mm (tF/ds =1,17) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=30mm, ds= 24mm (tF/ds =1,25) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=34mm, ds= 24mm (tF/ds =1,42) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=36mm, ds= 24mm (tF/ds =1,50) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tF=28mm, ds= 24mm, tp= 18mm OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 20mm (tp/ds =0,83) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 22mm (tp/ds =0,92) OLON-TH uốn và cắt đồng thời với tp= 25mm (tp/ds =1,04) 64 64 65 65 66 67 67 68 68 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng được sử dụng rất rộng rãi trong các công trình dân dụng với nhiều công trình có hình dạng kiến trúc mềm mại và độc đáo. Hình 0.1. Hội trường ở Olympics Athens với cánh cung dùng ống thép rỗng Hình 0.2. Hội trường ở sân bay dùng hệ kết cấu ống thép rỗng Hình 0.3. Công trình công cộng với hệ mái dùng kết cấu ống thép rỗng (Nguồn Internet) Không những thế kết cấu ống thép tròn rỗng cũng được sử dụng nhiều lĩnh vực khác như tháp truyền hình, trụ truyền tải điện hay đường ống dẫn nước, ga, xăng dầu…do có nhiều ưu điểm sau: 2 - Ống thép tròn rỗng với mặt cắt ngang là hình tròn đã cho thấy đó là hình dạng tối ưu nhất để giảm thiểu tác động của tải trọng gió, tải trọng sóng hay nước tác động lên kết cấu cũng như khả năng chịu xoắn tốt. - Ống thép tròn rỗng với mặt cắt ngang là hình tròn đã cho thấy đó là hình dạng tối ưu để chịu xoắn cũng như khả năng chịu áp lực trong (dùng làm đường ốngdẫn) so với các dạng mặt cắt khác. - Kết cấu dùng ống thép tròn rỗng có diện tích bề mặt nhỏ hơn so với các kết cấu khác. Điều này làm cho hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn của kết cấu dùng ống thép tròn tăng lên đáng kể, do không có góc nhọn trên bề mặt của kết cấu. - Do mặt cắt tiết diện rỗng nên kết cấu ống thép tròn có trọng lượng nhẹ hơn kết cấu thép có các dạng mặt cắt khác. Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán kết cấu ống thép tròn rỗng cũng như các nghiên cứu tính toán về liên kết của loại kết cấu này. Liên kết trong kết cấu ống thép tròn rỗng được sử dụng phổ biến hiện nay là liên kết hàn và liên kết sử dụng mặt bích và bulông. Tuy nhiên hầu hết các chỉ dẫn tính toán hiện có chỉ tập nhiều về sử dụng liên kết hàn còn liên kết nối đầu sử dụng mặt bích và bulông thì chỉ dừng lại ở các trường hợp chịu lực đơn giản như chịu kéo, nén hoặc uốn chưa có các chỉ dẫn tính toán trong trường hợp liên kết chịu lực phức tạp (uốn cắt đồng thời, kéo /nén uốn đồng thời hay xoắn hay xoắn kéo/nén đồng thời…). Do đó việc nghiên cứu sự làm việc của liên kết nối ống thép sử dụng mặt bích và bulông trong trường hợp chịu lực phức tạp là thiết thực và cần thiết nhằm giúp việc tính toán thiết kế tin cậy hơn. Với các lý do trên tác giả chọn đề tài nghiên cứu “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”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Mô tả ứng xử của liên kết đối đầu bằng mặt bích ngoài và bulông khi chịu uốn cắt đồng thời bằng mô phỏng FEM có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu. - Dựa trên những quy luật ứng xử của mối nối ống thép bằng bulông và mặt bích ngoài chịu uốn cắt đồng thời thiết lập cơ sở khoa học tính toán, thiết kế mối nối này trong liên kết nối ống thép chịu uốn cắt đồng thời. - Kiến nghị một số tỷ lệ kích thước hợp lý cho bulông và mặt bích trong trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời. 3 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: + Mối nối thép ống tròn sử dụng bulông và mặt bích. + Các điều kiện chịu lực cắt và uốn cắt đồng thời tác động vào mối nối. + Mô hình tính toán bằng phần mềm Abaqus. - Phạm vi nghiên cứu: + Khảo sát ứng xử của bulông và mặt bích tại các liên kết đối đầu bằng bulông và mặt bích ngoài của ống thép tròn chịu khi chịu cắt thuần túy và chịu uốn cắt đồng thời bằng phương pháp mô phỏng có xét đến sự làm việc phi tuyến của vật liệu. + Các lực tác dụng lên mối nối lực cắt và mômen là lực tĩnh. 4. Nội dung nghiên cứu - Mô phỏng bằng FEM đối với liên kết của một bulông và mặt bích phần tử tương ứng dạng hình chữ L. - Khảo sát ứng xử của bulông và mặt bích dưới các điều kiện chịu lực: chịu cắt và chịu uốn cắt đồng thời. - Dựa trên các kết quả phân tích được rút ra quy luật ứng xử của liên kết nối ống thép sử dụng bulông và mặt bích khi chịu uốn cắt đồng thời. - Kiến nghị các tỷ lệ kích thước hợp lý giữa bulông, mặt bích và chiều dày ống thép của loại liên kết này. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết. - Phương pháp mô hình hóa. - Phương pháp phân tích so sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị. Cụ thể các bước như sau: + Bước 1: Tiến hành mô phỏng bằng FEM liên kết của một bulông đơn lẻ được tách ra từ liên kết phần tử trong mối nối (hình chữ L). Kết quả của phân tích mô phỏng này sẽ được kiểm chứng với những cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu như mô hình phá hủy của Petersen, mô hình của Seidel và mô hình đường 3 đoạn của SchmitdNeuper. So sánh kết quả mô phỏng FEM với những mô hình phát biểu lý thuyết của các nghiên cứu trước nhằm kiểm chứng độ tin cậy trong phân tích FEM. + Bước 2: Phát triển mô phỏng cho cả liên kết 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. 4 Mô hình liên kết đơn lẻ 1 bulông và mặt bích dạng chữ L Mô hình của toàn bộ mối nối liên kết + Bước 3: Đề xuất các tỉ lệ hợp lý giữa các thông số kích thước của liên kết 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. 6. Cấu trúc luận văn Nội dung cơ bản của luận văn như sau: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4. Nội dung nghiên cứu 5. Phương pháp nghiên cứu 6. Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới 1.2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong nước 1.3. Kết luận chương 1 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Kết cấu ống thép tròn, bulông 2.2. Sự làm việc của liên kết bulông và khả năng chịu lực của bulông 2.3. Một số mô hình phá hủy 2.4. Ứng suất Von-Mises 2.5. Kết luận chương 2 5 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT 3.1. Mô phỏng FEM đối với liên kết đơn lẻ một bulông và mặt bích dạng chữ L khi chịu kéo 3.2. Mô phỏng FEM đối với mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài 3.3. Xây dựng quy trình tính toán thiết kế mối nối liên kết trong trường hợp liên kết chịu uốn cắt đồng thời 3.4. Kết luận chương 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận 2. Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trên thế giới Với nhiều ưu điểm vượt trội nên hiện nay, kết cấu sử dụng ống thép tròn rỗng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại công trình từ các công trình dân dụng, công nghiệp cho đến các công trình cầu đường và hạ tầng kỹ thuật...Để đáp ứng sự phát triển mạnh của kết cấu ống thép tròn rỗng đã có rất nhiều nghiên cứu tính toán về liên kết của loại kết cấu này, tiêu biểu như: - Trong phần 1-8 của Eurocode 3: Design of steel structures [4]- Part 1-8: Design of joints, đã dành hẳn ra mục 7 để đưa ra các chỉ dẫn về liên kết của ống thép rỗng (Hollow section jonts). Trong phần này, tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các dạng mối liên kết của liên kết dùng mặt cắt rỗng rất đa dạng như Hình 1.1 Hình 1.1. Các dạng mối nối HSS trích từ [4, trang 100] + Tiêu chuẩn cũng đã đưa ra các mô hình phá hủy của liên kết nối ống thép tròn rỗng (Hình 1.2), có tiết diện chữ nhật rỗng (Hình 1.3) hay các liên kết giữa ống thép tròn rỗng/ chữ nhật rỗng với thép chữ I/H (Hình 1.4) dưới tác dụng của lực dọc trục cũng như moment uốn rất cụ thể. 7 Hình 1.2. Các dạng phá hủy mối nối CHS trích từ [4, trang 104]