Ứng dụng mô phỏng fem để xác định tỷ lệ các thông số trong liên kết nối ống thép tròn bằng mặt bích và bulông

30 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ứng dụng mô phỏng fem để xác định tỷ lệ các thông số<br /> trong liên kết nối ống thép tròn bằng mặt bích và bulông<br /> TRỊNH HỒNG VI<br /> Phân hiệu Đại học Đà Nẵng tại Kon Tum<br /> <br /> Việc nghiên cứu về sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu kéo<br /> xoắn đồng thời chưa đề cập nhiều. Ứng xử của liên kết này khá phức tạp. Đã có một số tác giả nghiên cứu<br /> về vấn đề này, nhưng những nghiên cứu chỉ dừng lại ở một số vấn đề đơn giản, chưa mô phỏng hết được<br /> sự làm việc thực tế của liên kết. Vì lí do đó, nên các tiêu chuẩn tiên tiến phổ biến như Eurocode 3 và AISC<br /> đều không quy định tính toán liên kết ống thép tròn vào nội dung.<br /> Bài báo nhằm đưa ra những quy luật ứng xử của mối nối, đề xuất các thông số hợp lý của liên kết<br /> (mối quan hệ giữa chiều dày bản mã, đường kính bulông và chiều dày ống thép) trong trường hợp chịu<br /> kéo xoắn đồng thời để đảm bảo kết cấu làm việc tốt và tiết kiệm vật liệu.<br /> Từ khóa: Mặt bích, Lực kéo trong bulông , Mối nối ống thép, Cơ chế phá hoại mối nối.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Việc tính toán thiết kế mối nối ống thép tròn đối đầu dùng mặt bích và bulông cường độ cao chịu<br /> tác dụng đồng thời lực kéo xoắn phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ kích thước giữa các thông số như: Chiều dày<br /> mặt bích, đường kính bulông và chiều dày ống thép.<br /> Qua một số nghiên cứu trước đây thì ta thấy cấu kiện ống thép dạng tròn liên kết nối đối đầu dùng<br /> bulông và mặt bích ngoài rất ít được đề cập hoặc nghiên cứu kỹ về sự làm việc khi chịu các tác nhân đồng<br /> thời. Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn của Eurocode 3(part 1-<br /> 8) hoặc AISC vẫn chỉ nhắc đến tính toán và khảo sát cấu kiện này một cách rất sơ sài của tác động riêng lẽ<br /> hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện dạng liên kết T-Stub. Hiện nay, trên<br /> thế giới, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều lý thuyết tính toán đường quan hệ giữa lực dọc trong bulông<br /> và lực kéo trong cấu kiện nhưng chưa đưa ra được mối quan hệ giữa các kích thước hợp lý giữa đường<br /> kính bulông, mặt bích và ống thép.<br /> Vì vậy, nghiên cứu này sẽ mô phỏng ứng xử của mối nối ống thép sử dụng mặt bích và bulông<br /> cường độ cao trong phần mềm Abapus, xem xét mô hình phá hoại và kiến nghị tỷ lệ kích thước hợp lý<br /> cho đường kính bulông, chiều dày mặt bích và ống thép.<br /> 2. Cơ sở lý thuyết<br /> 2.1. Ứng suất Von-Mises<br /> Ứng suất Von – Mises là một thuyết bền phổ biến nhất được dùng để đánh giá độ bền của kết cấu trong<br /> phân tích CAE. Công thức tính ứng suất Von – Mises<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> σ1, σ2, σ3 lần lượt là các ứng suất chính.<br /> 2.2. Mô hình đường 3 đoạn của Schmidt-Neuper<br /> Có rất nhiều mô hình khác nhau về liên kết mặt<br /> bích đã được nghiên cứu suốt những năm qua.<br /> Phương pháp chung là dựa trên nghiên cứu của<br /> Petersen, mà sau này được phát triển bởi Seidel<br /> Bulông ứng lực trước trong kết ống thép tròn sử<br /> dụng mặt bích và bulông cường độ cao thường bị mỏi.<br /> Để xác định ứng lực kéo trong bulông ứng lực trước, Hình 1: Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực<br /> Schmidt-Neuper đã đề xuất một biểu đồ quan hệ giữa dọc trong bulông của Schmidt – Neuper<br /> lực kéo và lực dọc trong bulông.<br />  KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 31<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> SỐ 03 NĂM 2018<br /> 2.2. Mô hình của Seidel<br /> Seidel (2001) đã đề xuất đường đặc trưng biểu<br /> diễn quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong<br /> bulông (hình 4).<br /> Vùng 1 (Range 1): Chưa xuất hiện biến dạng, ngoại<br /> lực tác dụng được giới hạn bởi ứng lực nén trước trong<br /> bulông<br /> Vùng 2 (Range 2): Khe hở bắt đầu phát triển<br /> Vùng 3 (Range 3): Liên kết hở ra với một độ hở phụ<br /> thuộc vào ngoại lực tác dụng Hình 2: Quan hệ phi tuyến giữa<br /> ngoại lực và lực dọc trong bulông<br /> Vùng 4 (Range 4) : Xuất hiện vùng chảy dẻo của<br /> bulông và/hoặc bản mã cho đến khi liên kết bị phá hoại.<br /> 2.3. Mô hình phá hoại do Petersen đề xuất<br /> Ba mô hình phá hoại của Petersen<br /> Mô hình phá hoại 1: Bản mã đủ độ dày, không có biến<br /> dạng xuất hiện trong mô hình này. Có nghĩa là lực kéo<br /> trong bản mã ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực<br /> dọc trong bulông vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết<br /> bị phá hoại.<br /> Mô hình phá hoại 2: Lực dọc trong bulông đạt giới hạn Hình 3: Ba mô hình phá hoại của<br /> cho phép, đồng thời khớp dẻo cũng xuất hiện trong bản Petersen trong liên kết T-stub<br /> mã.<br /> Mô hình phá hoại 3: Bản mã quá mỏng, sự phá hoại<br /> xảy ra trong bản mã.<br /> 3. Mô phỏng liên kết mối nối ống thép tròn dùng mặt bích và bulông bằng fem<br /> 3.1 Vật liệu sử dụng<br /> Bảng 1: Thông số vật liệu đầu vào<br /> <br /> Tên Bulông Mặt bích<br /> Vật liệu M20, F10T SM400<br /> <br /> Khối lượng riêng 7,850 T/m3 =7850kg/ m3 7,850 T/m3=7850kg/ m3<br /> <br /> Giới hạn bền kéo 9x105 kN/m2=90daN/mm2 2,55x105kN/m2=25.5 daN/mm2<br /> Hệ số Poisson 0,3 0,3<br /> Hệ số dẫn nhiệt 0,053 kJ/m.s.oC -<br /> Độ giãn nở nhiệt 1,2x10-5 -<br /> 3.2. Phương pháp phân tích<br /> 3.2.1. Bước tiến hành<br /> Mô hình liên kết đơn lẻ 1 bu lông và mặt bích<br /> Mô hình toàn bộ mối nối liên kết<br /> dạng chữ L<br /> + Kiểm tra ứng xử từ kết quả mô phỏng với cơ chế + Khảo sát ứng xử của toàn bộ bu lông và mặt<br /> phá hủy đề xuất bởi Petersen (1990) và mối quan hệ bích trong mối nối khi làm việc chung.<br /> phi tuyến giữa lực dọc trong bu lông và lực kéo trong + Đề xuất tỷ lệ kích thước cho các thông số<br /> thân ống thép được đề xuất bởi Seidel (2001). chiều dày ống thép, chiều dày mặt bích và<br /> đường kính bu lông.<br /> Bước 1 Bước 2<br /> 32 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.2.2. Điều kiện biên<br /> Điều kiện biên được dùng để khống chế các yếu tố để mô hình làm việc như trong thực tế. Ở đây<br /> tác giả khống chế các điều kiện biên về chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, lực phân<br /> bố,…<br /> 3.2.3. Ứng lực trước cho bulông<br /> Để tạo ra lực xiết ban đầu trong bulông tác giả sử dụng phương pháp làm lạnh bulông đến một<br /> nhiệt độ nhất định để tạo được ứng suất kéo ban đầu như thiết kế Tv=0,7. y.Ae.<br /> 3.2.4. Hệ số ma sát<br /> Ở đây sử dụng hệ số ma sát giữa thép - thép là 0,5.<br /> 3.3. Mô phỏng mô hình liên kết một bulông và mặt bích (phần tử dạng L) kiểm chứng với cơ sở lý<br /> thuyết<br /> 3.3.1 Mô hình<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4: Mô hình bulông, mặt bích và liên kết chữ L trong Abaqus<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5: Mô hình phần tử dạng chữ L Hình 6: Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L<br /> 3.3.2 Kết quả phân tích liên kết L<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7: Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo Ts so sánh với biểu đồ của Schmidt-<br /> Neuper<br /> Qua mối quan hệ giữ lực TP và Ts trong kết quả mô phỏng. Chúng ta có thể tìm ra sự giống nhau<br /> của kết quả phân tích với biểu đồ Schmidt-Neuper, biểu đồ của Seidel, mô hình phá hoại của Pertersen.<br /> Như vậy, có thể khẳng định tính đúng đắng của mô hình Abaqus mà tác giả đang sử dụng.<br />  KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 33<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> SỐ 03 NĂM 2018<br /> 3.4. Mô phỏng mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài chịu kéo xoắn<br /> đồng thời<br /> <br /> <br /> Bảng 2: Bảng kích thước các mẫu ống mô phỏng<br /> C.dày mặt<br /> Đ.kính ống Đ.kính bulông Số lượng bulông<br /> Mẫu bích e1 e1<br /> dixti (mm) (mm) tối thiểu<br /> (mm) (mm) (mm)<br /> 1 165.2x4 16 20 6 40 30<br /> 2 267.4x6.0 25 22 10 40 35<br /> 3 355.6x9.5 32 24 18 45 40<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8: Mô hình ống thép chịu kéo xoắn đồng thời<br /> <br /> <br /> 3.4.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 165.2x4<br /> 3.4.1.1 Chọn kích thước hợp lý cho trường hợp chịu kéo<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9: Qui trình thực hiện mô phỏng kéo<br /> Hình 10: Chọn chiều dày mặt bích hợp lý<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 11: Chọn chiều dày ống thép hợp lý<br /> <br /> Hình 12: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống thép<br /> 4 trường hợp<br /> <br /> Như vậy: Với trường hợp kích thước: ds =20 mm, tf =20 mm ; ti=6 mm. Mô hình ống thép chịu kéo sẽ<br /> phá hoại theo mô hình 2 (Pentersen). Từ đây tác giả tìm được kích thước sơ bộ cho việc khảo sát liên<br /> kết nối ống thép tròn này trong trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời bên dưới.<br /> 34 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.4.1.2. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 15: Chọn chiều dày ống thép<br /> Hình 13: Qui trình mô phỏng kéo xoắn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 16: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống thép<br /> 4 trường hợp<br /> Hình 14: Mẫu nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời<br /> Kết luận: Với tỷ lệ kích thước: (0.8