Tài liệu Phân tích ứng xử và khả năng chịu lực của bu lông ứng suất trước trong liên kết kiểu ghép chồng

MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................1 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 1 5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2 6. Bố cục đề tài .......................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT ...........................................3 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULÔNG VÀ LIÊN KẾT BULÔNG .......................... 3 1.2. SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT ............................... 6 1.3. SỰ LÀM VIỆC BULÔNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT ..................................................................................................................................6 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ............................................................................................ 7 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT ...................................................... 8 2.1. ỨNG XỬ CỦA BU LÔNG CHỊU CẮT ..................................................................8 2.2. PHÂN LOẠI BU LÔNG .......................................................................................... 9 2.3. SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ TINH .....9 2.4. MÔ PHỎNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ..................................................16 2.5. LOẠI BULÔNG .....................................................................................................16 2.6. PHƯƠNG PHÁP CHIA LƯỚI ..............................................................................16 2.7. LOẠI PHẦN TỬ ....................................................................................................16 2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 17 CHƯƠNG 3. MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ TÍNH TOÁN BULÔNG CHỊU CẮT ............................................................................................................................... 18 3.1. SỐ LIỆU ĐẦU VÀO.............................................................................................. 18 3.2. QUY TRÌNH MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BULONG BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS ....................................................................................................................... 20 3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ........................................................................................ 34 3.3.1. Các giai đoạn làm việc của liên kết ............................................................ 34 3.3.2. Sự phá hoại trong các mô hình liên kết ...................................................... 36 3.3.3. Nội lực trong các thành phần liên kết ......................................................... 43 3.4. KẾT LUẬN ............................................................................................................49 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) PHÂN TÍCH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA BU LÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LIÊN KẾT KIỂU GHÉP CHỒNG Học viên: Lê Tuấn Việt Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 858 02 01 Khóa: K34 - QN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn đã tổng hợp được các lý thuyết tính toán liên kết ghép chồng sử dụng bu lông ứng lực trước. Các loại liên kết ghép chồng khác nhau sử dụng bu lông ứng lực trước đã được mô phỏng và nghiên cứu ứng xử để từ đó đề ra phương án lựa chọn tối ưu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy cả ba liên kết ghép chồng đều có sự phá hoại xuất phát từ tấm thép cơ bản hoặc tấm nối, trong khi ứng suất cắt trong bu lông chưa cao. Từ những nghiên cứu này, có thể đề xuất các phương án liên kết phù hợp với nhu cầu của người thiết kế. Từ khóa – bu lông ứng suất trước, liên kết ghép chồng, kết cấu thép, ứng suất cắt, ứng suất pháp, ứng suất Mises. ANALYZE THE BEHAVIOR AND THE LOAD BEARING OF THE PRESTRESS BOLT IN OVERLAPPED CONNECTION Abstract - The thesis has summarized the theory of calculation of overlapped connections using pre-stressed bolts. Different types of overlapping connection using pre-stressed bolts have been simulated and studied in order to propose the optimal options. The results show that all three overlapped connections have destructive mechanism derived from basic steel plates or joint plates, while shear stresses in bolts are not high. From these studies, it is possible to propose linking options that fit the designer's needs. Key words - prestress bolt, overlapped connection, steel structure, shear stress, normal stress, Von Mises. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1. Hệ số ks 14 2.2. Hệ số ma sát 14 3.1. Đặc trưng vật liệu 19 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình ảnh Trang 1.1. Bulông làm bằng thép cường độ cao được đánh dấu theo ASTM 4 1.2. Liên kết đúng tâm 4 1.3. Liên kết mô men 5 1.4. Liên kết chịu cắt 5 1.5. Liên kết chịu kéo 5 1.6. Liên kết chịu lực trượt ma sát 6 1.7. Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát 6 2.1. Cấu tạo bu lông 8 2.2. Lực nén do ứng suất trước 10 2.3. Bản thép bị phá hoại 10 hình ảnh 2.4. Bu lông bị cắt trong liên kết ghép chồng thép cơ bản 11 2.5. Bu lông bị cắt trong liên kết 2 ma sát 11 2.6. Sự làm việc của bu lông ứng lực trước 12 2.7. Sự làm việc của cấu kiện chịu trượt ma sát 15 2.8. Phần tử 8 nút 17 3.1. Các mô hình liên kết được phân tích 19 3.2. Mô hình vật liệu thép làm bu lông 19 3.3. Mô hình vật liệu thép làm bản thép 20 3.4. Mô hình bu lông theo các kích thước đầu vào 20 3.5. Khai báo vật liệu làm bu lông 22 3.6.. Khai báo vật liệu thép cơ bản 22 3.7. Khai báo vật liệu thép cơ bản 23 Số hiệu Tên hình ảnh hình ảnh Trang 3.8. Khai báo giai đoạn gia nhiệt cho bu lông 23 3.9. Khai báo giai đoan gia tải chịu kéo cho liên kết 24 3.10. Khai báo tương tác giữa các thành phần trong liên kết 25 3.11. Khai báo giao thức giữa các mặt tương tác 26 3.12. Khai báo điều kiện biên cho mô hình 27 3.13. Khai báo và điều chỉnh nhiệt độ trong bu lông 28 3.14. Thiết lập chuyển vị cưỡng bức cho bu lông 29 3.15. Chia phần tử cho các tấm thép cơ bản 31 3.16. Chia lưới cho bu lông 33 3.17. Mô hình tổng thể sau khi đã chia lưới 34 3.18. Ứng suất kéo và cắt trong bu lông 35 3.19. Ứng suất nén trước trong bản thép 36 3.20. Liên kết tổng thể 37 3.21. Tấm 1 37 3.22. Tấm 2 38 3.23. Sự phá hoại ở tấm nối ở mô hình liên kết 1 38 3.24. Liên kết tổng thể 39 3.25. Mặt cắt ngang 39 3.26. Tấm 1 40 3.27. Tấm 2 40 3.28. Tấm nối 41 3.29. Liên kết tổng thể 42 3.30. Tấm 1 42 3.31. Tấm 2 43 3.32. Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 1 44 Số hiệu Tên hình ảnh hình ảnh 3.33. 3.34. 3.35. 3.36. 3.37. Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 2 Quan hệ giữa lực kéo và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 3 Quan hệ giữa ứng suất cắt trong bu lông và ứng suất pháp trong tấm thép cơ bản Quan hệ giữa ứng suất Mises trong bu lông và ứng suất pháp trong tấm thép cơ bản 1 Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 1 Trang 44 45 46 47 48 3.38. Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 2 48 3.39. Quan hệ giữa ứng suất trong các thành phần liên kết và chuyển vị của tấm thép – Liên kết 3 49 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc tính toán thiết kế bulông chịu cắt trong liên kết chịu trượt ma sát phụ thuộc nhiều vào lực cắt trong bulông. Hiện nay, trên thế giới, với liên kết mặt bích các nhà khoa học đã đưa ra nhiều lý thuyết tính toán đường quan hệ giữa lực trượt và lực cắt trong liên kết bulông. Tuy nhiên các lý thuyết này chưa phản ánh chính xác sự làm việc thực tế của bulông cũng như chưa được kiểm chứng bằng các phương pháp nghiên cứu khác nhau. Về liên kết chịu lực trượt ma sát, các nhà khoa học đã đưa ra đường quan hệ giữa lực trượt và biến dạng trong cấu kiện, tuy nhiên chưa quan tâm đến mối quan hệ giữa lực trượt trong liên kết và lực cắt trong bulông. Vì vậy, đề tài này sẽ ứng dụng những lý thuyết nghiên cứu trên, mô phỏng ứng xử của bulông để đánh giá về sự khác biệt giữa các lực trượt và sự phá hoại do cắt ngang bu lông, hoặc đứt bản thép giữa 2 lỗ bu lông hoặc lỗ bu lông đến mép bản thép và kiến nghị một số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết. Đề tài: “Phân tích ứng xử và khả năng chịu lực của bu lông ứng suất trước trong liên kết kiểu ghép chồng” có ý nghĩa khoa học cao nhằm mục đích đưa ra những phương án lựa chọn phù hợp trong liên kết bu lông cho các bản thép. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Mô hình được sự làm việc đồng thời của bu lông và bản mã trong mô hình biến dạng dưới sự tác động của lực trượt. - Xác định được mối quan hệ giữa lực cắt trong bulông và lực trượt tác dụng vào cấu kiện. - Kiến nghị một số tiêu chí để lựa chọn phương án liên kết bu lông cho các bản thép. 3. Đối tượng nghiên cứu + Ứng xử của bulông trong cấu kiện chịu lực trượt ma sát. + Mô hình tính toán bằng phần mềm Abaqus với dữ liệu tính toán từ các thí nghiệm thu thập. 4. Phạm vi nghiên cứu Tính toán đường quan hệ giữa lực cắt trong bulông và lực trượt tác động vào cấu kiện. 2 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lí thuyết: thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính toán bulông chịu cắt trong cấu kiện chịu lực trượt ma sát. - Phương pháp số: lập mô hình phần tử hữu hạn phân tích biến dạng bằng phần mềm, tính toán và phân tích. - So sánh, tổng hợp, nhận xét và rút ra kiến nghị. 6. Bố cục đề tài Chương 1: Tổng quan về bulông chịu cắt Chương 2: Thiết kế bulông chịu cắt Chương 3: Một số trường hợp cụ thể tính toán bulông chịu cắt Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BULÔNG CHỊU CẮT 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BULÔNG VÀ LIÊN KẾT BULÔNG ❖ Các loại bulông và các cấp cường độ của bulông Bulông trong kết cấu thép được chia làm 3 loại: - Bulông đen - Bulông tiện và bulông lắp ghép - Bulông cường độ cao có lực xiết khống chế. Căn cứ vào đường kính và kích thước ren, chia ra bulông ren hệ mét và bulông ren hệ inch. Hệ mét có d = 12 đến 48 mm. Hệ inch có các loại : 1/2, 5/8, 3/4 , 7/8, 1, 1 1/8, 1 1/4, 1 3/8, 1 1/2. Vật liệu làm bulông thường là các loại thép thuộc nhóm A tức là chỉ cần đảm bảo về mặt độ bền cơ học, không cần quan tâm đến thành phần hoá của thép. Do đó, không cần nêu tên thép cụ thể, mà chỉ quy định cấp độ bền. Chia làm các cấp (các nước theo hệ mét): 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 8.8 đến 10.9. Số đầu nhân lên 10 lần cho giới hạn bền theo đơn vị kN/cm2. Tích của hai số cho giới hạn chảy theo đơn vị kN/ cm2. Thông thường từ cấp 8.8 trở lên thì dùng cho bulông cường độ cao có lực xiết khống chế. Bulông đen là bulông thô, được làm bằng thép mềm và thường có cấp 4.6. Bulông tiện và bulông lắp ghép thường từ cấp 4.6 đến 8.8. Chúng có thân bulông đều, dùng để bịt dung sai lỗ khoan và được siết chặt bằng cờ lê. Bulông cường độ cao có hai cách hiểu : - bulông làm bằng thép cường độ cao, có giới hạn bền tới 8 kN/cm2nhưng làm việc như bulông thường ; - bulông làm bằng thép cường độ cao, và làm việc qua sự ma sát của bản thép (gọi là bulông có lực xiết khống chế hoặc bulông được căng toàn bộ lực). Bulông cường độ cao ở Việt Nam thường được chế tạo từ thép cường độ cao và nhiệt luyện, ví dụ thép Nga 35X cho cấp 8.8, thép 40X cho cấp 10.9. Theo tiêu chuẩn chung, phải đánh dấu cấp độ bền vào mũ bulông. Mĩ, Úc hay dùng thép cường độ rất cao để làm bulông cường độ cao, được gọi là bulông HR, ví dụ thép A325, A490. Bulông làm bằng thép cường độ cao phải được ghi mác thép theo ASTM vào mũ bulông (hình 1.1). Bulông thô làm bằng thép A307 là thép cacbon thấp có giới hạn bền 60 ksi, chủ yếu dùng cho dựng lắp, cho công trình không có rung động. Kí hiệu, ví dụ : 1”f A325-N (hay X). N là bulông trong liên kết chịu cắt , 4 có ren nằm ngoài lỗ ; X là khi có ren nằm trong lỗ. chiÒu dµi ren A325 chiÒu dµi bul«ng Hình 1.1. Bulông làm bằng thép cường độ cao được đánh dấu theo ASTM ❖ Liên kết bulông Có 3 cách phân loại liên kết như sau: a. Dựa vào hợp lực truyền vào liên kết - Liên kết đúng tâm: thành phần lực truyền vào liên kết là kéo hoặc nén đúng tâm. (hình 1.2) - Liên kết lệch tâm: thành phần lực truyền vào liên kết là kéo hoặc nén lệch tâm. - Liên kết momen: ví dụ liên kết dầm-cột trong kết cấu hệ khung. (hình 1.3) Liên kết đúng tâm lý tưởng chỉ nên có một bulông liên kết các cấu kiện lại với nhau (hình 1.2a). Tuy nhiên, trong thực tế thì điều đó là không thể, mà chỉ đảm bảo được trục trọng tâm của các cấu kiện cắt nhau tại một điểm. (hình 1.2b) a) b) Hình 1.2. Liên kết đúng tâm Tương đối phức tạp để phân tích, so sánh 2 loại liên kết momen trong hình 1.3a và 1.3b. Hình 1.3a được biết như một liên kết dầm conxon và liên kết bằng lực cắt trong bulông. Liên kết trong hình 1.3b thường được thấy trong các khung chịu momen, tại vị trí momen trong dầm truyền sang cột. Liên kết này cũng được dùng trong cột tại vị trí bản mã liên kết với móng bằng các bulông neo. Trong liên kết này, bulông vừa chịu lực kéo và lực nén dọc trục. 5 a) b) Hình 1.3. Liên kết mô men b. Dựa vào lực trong bulông Liên kết bulông cũng được phân loại dựa vào hình dạng và đặc tính của tải trọng, và được phân làm 3 loại: - Liên kết chịu cắt - Liên kết chịu kéo - Liên kết đồng thời chịu kéo và chịu cắt Liên kết chịu cắt xảy ra ở liên kết chập hay liên kết đối đỉnh chịu lực kéo (hình 1.4) a) Liªn kÕt chËp Hình 1.4. Liên kếtb)chịu Liªn cắtkÕt ®èi ®Ønh Hình 1.5a thể hiện một liên kết treo. Trong liên kết này, lực truyền là lực kéo thuần túy trong bulông. Trong liên kết trên hình 1.5b, bulông vừa chịu lực kéo và cắt. a) b) Hình 1.5. Liên kết chịu kéo 6 1.2. SƠ LƯỢC VỀ HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT Hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát là hệ kết cấu liên kết giữa các bản thép bằng các bulông ứng suất trước. Liên kết này thuộc loại liên kết chịu cắt. Liên kết này được phân loại thành 03 loại: Liên kết ghép chồng 1 mặt ma sát, liên kết ghép chồng 2 mặt ma sát và liên kết ghép chồng thép cơ bản. a) Liên kết ghép chồng 2 ma sát b) Liên kết ghép chồng 1 ma sát c) Liên kết ghép chồng thép cơ bản Hình 1.6. Liên kết chịu lực trượt ma sát Trong liên kết này, bulông đóng vai trò rất quan trọng, nó quyết định được liên kết có ổn định khi chịu lực tác dụng hay không. 1.3. SỰ LÀM VIỆC BULÔNG TRONG HỆ KẾT CẤU CHỊU LỰC TRƯỢT MA SÁT T/2 ¸p lùc T/2 ¸p lùc T lùc c¾t ¸p lùc lùc c¾t Hình 1.7. Sự làm việc của bulông trong hệ kết cấu chịu lực trượt ma sát Sự làm việc của bulông cường độ cao trong liên kết chịu lực trượt ma sát được thể hiện trong hình 1.7. Như vậy, lực nén trước trong bulông 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 7 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 bulông cường độ cao được thiết kế sao cho tải trọng tác dụng không vượt quá giới hạn ma sát để tránh xảy ra sự trượt. Khi lực tác dụng vượt quá lực ma sát, các tấm trượt lên nhau cho đến khi bulông tiếp xúc với tấm và bắt đầu chịu lực cắt. Vượt quá điểm này, lực tác dụng sẽ được chống lại bởi cả lực ma sát và lực cắt. 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương này đã tổng hợp được các trường hợp liên kết có sử dụng bu lông chịu cắt trong kết cấu thép. Các cơ chế làm việc của liên kết sử dụng bu lông thường đã được tổng hợp. Các trường hợp phá hoại có thể xảy ra do thép cơ bản bị bu lông cắt đứt hoặc bu lông sẽ bị thép cơ bản cắt đứt thông của các mặt tiếp xúc. 8 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BULÔNG CHỊU CẮT 2.1. ỨNG XỬ CỦA BU LÔNG CHỊU CẮT Cấu tạo liên kết bu lông a) Thân bu lông: Có tiết diện hình tròn, chiều dài l và gồm 2 phần: Hình 2.1. Cấu tạo bu lông Phần không tiện ren: có chiều dài nhỏ hơn bề dầy của tập bản thép được liên kết (xuyên qua) khoảng 23mm. Đường kính thân bulông là d. Phần có tiện ren: có chiều dài là 𝑙0 ≈ 2,5𝑑 đường kính sau khi đã tiện ren: 𝑑0 = 0,85𝑑 Tuỳ theo yêu cầu sử dụng: l = 35  300 mm; d = 12  48 mm; thường sử dụng d = 20  30 mm. b) Mũ bu lông: Thường hay sử dụng hình lục giác; có các góc được mài vát. Đường kính hình tròn ngoại tiếp mũ D= 1,7d ; Bề dầy của mũ h=0,6d; Khoảng cách S là số chẵn: S= 12, 14, 16, 18,….. c) Đai ốc: Hình dạng giống mũ bu lông, nhưng được khoan lỗ và tiện ren giống như ren của phần thân. Bề dày đai ốc ℎ ≥ 0,6𝑑 Đệm có hình tròn để phân phối áp lực của đai ốc lên mặt thép cơ bản. Các kích thước l0, d0, D và h đều qui định theo đường kính d; nếu d càng lớn 9 thì yêu cầu các kích thước đó cũng càng lớn. 2.2. PHÂN LOẠI BU LÔNG a) Bu lông thô, bu lông thường Vật liệu: từ thép cacbon thường. Chế tạo: bằng cách rèn, dập. => độ chính xác thấp, đường kính thân bu lông không được tròn, cần có khe hở giữa lỗ và thân bulông lớn. Đường kính lỗ: d1 = d + 2  3 mm. Lỗ bu lông: bằng cách đột hoặc khoan từng bản riêng lẻ. => thành lỗ xù xì, sai số lớn Chất lượng thân và lỗ bu lông kém. Biến dạng ban đầu của liên kết lớn, khả năng chịu lực không cao. => Sử dụng để liên kết tạm, định vị ở công trường, sử dụng khi làm việc chịu kéo. b) Bu lông tinh Vật liệu: từ thép cacbon thấp hoặc thép hợp kim thấp. Chế tạo: bằng cách tiện, đúc. => độ chính xác cao. Đường kính lỗ: d1 = d + 0,1  0,3 mm. Lỗ bu lông: bằng cách khoan theo thiết kế => thành lỗ nhẵn, độ chính xác cao, chất lượng cao, nhưng năng suất thấp. Khe hở giữa thân và lỗ bulông nhỏ => liên kết chặt, biến dạng ban đầu của liên kết nhỏ, khả năng chịu lực cao. => Sử dụng cho các liên kết chịu lực lớn. c) Bu lông cường độ cao Vật liệu: từ thép hợp kim có cường độ cao hoặc rất cao: 40Cr, 38CrSi, … Chế tạo: giống bu lông thường, có độ chính xác thấp. Sau khi chế tạo chúng được gia công nhiệt nên có cường độ rất cao. Có thể tạo lực kéo rất lớn trong thân bulông để ép các bản thép lại, tạo lực ma sát => Khả năng chịu lực rất cao. 2.3. SỰ LÀM VIỆC CHỊU TRƯỢT CỦA LIÊN KẾT BU LÔNG THÔ VÀ TINH a) Các giai đoạn chịu lực 10 Hình 2.2. Lực nén do ứng suất trước Do vặn đai ốc => thân bulông chịu kéo, các bản thép bị xiết chặt lại, tạo thành lực ma sát giữa mặt tiếp xúc của các bản thép Nms. Dưới tác dụng của lực kéo dọc trục N, các bản thép có xu hướng trượt tương đối với nhau. N/2 N N/2 Hình 2.3. Bản thép bị phá hoại Giai đoạn 1 - khi N còn nhỏ (N < Nms): các bản thép chưa trượt tương đối với nhau. Lực truyền giữa các bản thép thông qua ma sát. Bulông chưa chịu lực ngoại trừ lực kéo ban đầu do vặn êcu. Giai đoạn 2 - khi N tương đối lớn (N Nms): các bản thép trượt tương đối với nhau, thân bulông tỳ sát về một phía của thành lỗ. Ngoại lực tác dụng N do thân bulông và ma sát chịu. Giai đoạn 3 - khi N khá lớn (N >> Nms): lực ma sát giảm dần và bằng không. 11 Lực tác dụng N là hoàn toàn do thân bulông chịu. Đồng thời bản thép chịu ép mặt do thân bulông tỳ lên thành lỗ. Giai đoạn 4 - khi liên kết bị phá hoại: Có 2 khả năng phá hoại có thể xảy ra: N N Hình 2.4. Bu lông bị cắt trong liên kết ghép chồng thép cơ bản N/2 N N/2 Hình 2.5. Bu lông bị cắt trong liên kết 2 ma sát b) Khả năng chịu cắt của 1 bu lông (khi bu lông bị cắt đứt) [𝑁] 𝑣𝑏 = 𝐴 ⋅ 𝑓𝑣𝑏 ⋅ 𝛾𝑏 ⋅ 𝑛𝑣 fvb là cường độ chịu cắt tính toán của vật liệu bu lông. b = 0.75→1 là hệ số điều làm việc của liên kết bu lông với d là đường kính của thân bu lông tại tiết diện trùng với mặt tiếp xúc giữa các bản thép nv = 1, 2 hoặc 3,... là số mặt cắt tính toán trên thân bu lông. 12 c) Khả năng chịu ép mặt của 1 bu lông (khi bản thép bị đứt) [𝑁]𝑐𝑏 = 𝑑 ⋅ (∑ 𝑡) 𝑐𝑏𝑏 𝑚𝑖𝑛 D là đường kính thân bulông. tmin là tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về một phía. fcb là cường độ tính toán ép mặt qui ước của bulông. Phụ thuộc vào: - vật liệu thép cơ bản; - phương pháp tạo lỗ bulông; - cấu tạo (sử dụng khoảng cách min). ❖ Sự làm việc chịu trượt của liên kết bu lông thô và tinh a) Sự làm việc của bu lông cường độ cao khi chịu trượt N N Hình 2.6. Sự làm việc của bu lông ứng lực trước Bu lông được làm bằng vật liệu cường độ cao hoặc rất cao => tạo lực xiết lớn, lực kéo trong thân bulông lớn. Tạo ra lực ma sát rất lớn trên các mặt tiếp xúc giữa các bản thép: Nms >> ngoại lực tác dụng Không có sự ép mặt của thân bulông lên thành lỗ, thân bulông chỉ chịu lực kéo do xiết êcu. Ngoại lực tác dụng N truyền trong liên kết hoàn toàn thông qua ma sát. b) Khả năng chịu trượt của 1 bulông cường độ cao Khả năng chịu trượt của bu lông cường độ cao chính là lực ma sát tối đa được tạo ra trong liên kết. Lực kéo tối đa trong 1 bulông CĐC: 13 𝑃 = 𝐴𝑏𝑛 ⋅ 𝑓ℎ𝑏 Abn : là diện tích thực của tiết diện thân bulông (bu lông bị kéo đứt ở phần có ren); fhb = 0,7fub: là cường độ chịu kéo tính toán của vật liệu bu lông, với fub là cường độ kéo đứt tức thời của bu lông. 𝜇 𝜇 [𝑁] 𝑏 = 𝑃  ⋅ ( )   ⋅ 𝛾𝑏1 ⋅ 𝑛𝑓   = 𝑓ℎ𝑏   ⋅ 𝐴𝑏𝑛   ⋅ ( )   ⋅ 𝛾𝑏1 ⋅ 𝑛𝑓   𝛾𝑏2 𝛾𝑏2  là hệ số ma sát, phụ thuộc vào phương pháp tạo nhám bề mặt tiếp xúc giữa các cấu kiện liên kết, khoảng 0,25 ~ 0,58. b2: hệ số độ tin cậy của liên kết, phụ thuộc vào phương pháp làm sạch bề mặt, khe hở giữa thân và lỗ bulông. b1: hệ số điều kiện làm việc của liên kết, phụ thuộc vào số lượng bu-lông: 0,8 ~1: nf: số mặt phẳng ma sát tính toán. ❖ Thiết kế lực cắt giới hạn trong bulông trong liên kết chịu lực trượt ma sát Lực cắt giới hạn trong bulông [4, tr. 119]: 𝑛𝜇𝑇𝑣 𝐹𝑠 = 𝑘𝑠 𝛾 Trong đó: ks: Hệ số lấy theo bảng 2.1 n: Số mặt trượt, bằng 1 hoặc 2 : Hệ số ma sát lấy theo bảng 2.2 Tv: Lực ứng lực trước trong bulông, = 0,7.y.Ae y: Giới hạn chảy của vật liệu làm bulông Ae: Diện tích tiết diện thân bulông : Hệ số an toàn, lấy như sau: Đối với bulông trong lỗ có độ hở thông thường và bulông trong lỗ có khe mà trục của khe vuông góc với hướng của lực tác dụng: = 1,25 với trạng thái giới hạn cực hạn = 1,1 với trạng thái sửa chữa Đối với bulông trong lỗ có độ hở lớn và bulông trong lỗ có khe mà trục của 14 khe song song với hướng của lực tác dụng, = 1,4 Bảng 2.1. Hệ số ks ks Bulông trong lỗ có độ hở thông thường 1mm đối với bulông M12 và M14 2mm đối với bulông M16 đến M24 1 3mm đối với bulông M27 và lớn hơn Bulông trong lỗ có độ hở lớn (1) hoặc lỗ có khe ngắn (2) (1) 3mm đối với bulông M12 0,85 4mm đối với bulông M14 đến M22 6mm đối với bulông M24 8mm đối với bulông M27 và lớn hơn (2) Kích thước thông thường cho lỗ có khe ngắn trong liên kết trượt không lớn hơn: (d+1) mm x (d+4) mm đối với bulông M12 và M14 (d+2) mm x (d+6) mm đối với bulông M16 đến M22 (d+2) mm x (d+8) mm đối với bulông M24 (d+3) mm x (d+10) mm đối với bulông M27 và lớn hơn Bulông trong lỗ có khe dài 0,7 Kích thước thông thường cho lỗ có khe dài trong liên kết trượt không lớn hơn: (d+1) mm x 2,5d đối với bulông M12 và M14 (d+2) mm x 2,5d đối với bulông M16 đến M24 (d+3) mm x 2,5d đối với bulông M27 và lớn hơn Bảng 2.2. Hệ số ma sát  Bề mặt được làm sạch bằng phun cát hoặc bột kim loại, sau đó phun sơn kẽm hoặc nhôm 0,5 Bề mặt được làm sạch bằng ngọn lửa hơi đốt, không có lớp bảo vệ mặt kim loại. 0,4 Bề mặt được làm sạch bằng bàn chải sắt không có lớp sơn bảo vệ 0,3 Không xử lý bề mặt 0,2