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

KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT30
T
Ạ
P
 C
H
Í 
K
H
O
A
 H
Ọ
C
 C
Ô
N
G
 N
G
H
Ệ
 V
À
 M
Ô
I T
R
Ư
Ờ
N
G
Việc nghiên cứu về sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu kéo 
xoắn đồng thời chưa đề cập nhiều. Ứng xử của liên kết này khá phức tạp. Đã có một số tác giả nghiên cứu 
về vấn đề này, nhưng những nghiên cứu chỉ dừng lại ở một số vấn đề đơn giản, chưa mô phỏng hết được 
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 
đều không quy định tính toán liên kết ống thép tròn vào nội dung. 
Bài báo nhằm đưa ra những quy luật ứng xử của mối nối, 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) trong trường hợp chịu 
kéo xoắn đồng thời để đảm bảo kết cấu làm việc tốt và tiết kiệm vật liệu. 
Từ khóa: Mặt bích, Lực kéo trong bulông , Mối nối ống thép, Cơ chế phá hoại mối nối. 
1. Đặt vấn đề 
Việc tính toán thiết kế mối nối ống thép tròn đối đầu dùng mặt bích và bulông cường độ cao chịu 
tác dụng đồng thời lực kéo xoắn phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ kích thước giữa các thông số như: Chiều dày 
mặt bích, đường kính bulông và chiều dày ống thép. 
Qua một số nghiên cứu trước đây thì ta thấy cấu kiện ống thép dạng tròn liên kết nối đối đầu dùng 
bulông và mặt bích ngoài rất ít được đề cập hoặc nghiên cứu kỹ về sự làm việc khi chịu các tác nhân đồng 
thời. Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn của Eurocode 3(part 1-
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 
hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện dạng liên kết T-Stub. Hiện nay, trên 
thế giới, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều lý thuyết tính toán đường quan hệ giữa lực dọc trong bulông 
và lực kéo trong cấu kiện nhưng chưa đưa ra được mối quan hệ giữa các kích thước hợp lý giữa đường 
kính bulông, mặt bích và ống thép. 
Vì vậy, nghiên cứu này sẽ mô phỏng ứng xử của mối nối ống thép sử dụng mặt bích và bulông 
cường độ cao trong phần mềm Abapus, xem xét mô hình phá hoại và kiến nghị tỷ lệ kích thước hợp lý 
cho đường kính bulông, chiều dày mặt bích và ống thép. 
2. Cơ sở lý thuyết 
2.1. Ứng suất Von-Mises 
Ứng suất Von – Mises là một thuyết bền phổ biến nhất được dùng để đánh giá độ bền của kết cấu trong 
phân tích CAE. Công thức tính ứng suất Von – Mises 
σ1, σ2, σ3 lần lượt là các ứng suất chính. 
2.2. Mô hình đường 3 đoạn của Schmidt-Neuper 
Có rất nhiều mô hình khác nhau về liên kết mặt 
bích đã được nghiên cứu suốt những năm qua. 
Phương pháp chung là dựa trên nghiên cứu của 
Petersen, mà sau này được phát triển bởi Seidel 
Bulông ứng lực trước trong kết ống thép tròn sử 
dụng mặt bích và bulông cường độ cao thường bị mỏi. 
Để xác định ứng lực kéo trong bulông ứng lực trước, 
Schmidt-Neuper đã đề xuất một biểu đồ quan hệ giữa 
lực kéo và lực dọc trong bulông. 
Hình 1: Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực 
dọc trong bulông của Schmidt – Neuper 
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
TRỊNH HỒNG VI 
Phân hiệu Đại học Đà Nẵng tại Kon Tum
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 31
S
Ố
 0
3
 N
Ă
M
 2
0
18
2.2. Mô hình của Seidel 
Seidel (2001) đã đề xuất đường đặc trưng biểu 
diễn quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong 
bulông (hình 4). 
Vùng 1 (Range 1): Chưa xuất hiện biến dạng, ngoại 
lực tác dụng được giới hạn bởi ứng lực nén trước trong 
bulông 
Vùng 2 (Range 2): Khe hở bắt đầu phát triển 
Vùng 3 (Range 3): Liên kết hở ra với một độ hở phụ 
thuộc vào ngoại lực tác dụng 
Vùng 4 (Range 4) : Xuất hiện vùng chảy dẻo của 
bulông và/hoặc bản mã cho đến khi liên kết bị phá hoại. 
Hình 2: Quan hệ phi tuyến giữa 
ngoại lực và lực dọc trong bulông 
2.3. Mô hình phá hoại do Petersen đề xuất 
Ba mô hình phá hoại của Petersen 
Mô hình phá hoại 1: Bản mã đủ độ dày, không có biến 
dạng xuất hiện trong mô hình này. Có nghĩa là lực kéo 
trong bản mã ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực 
dọc trong bulông vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết 
bị phá hoại. 
Mô hình phá hoại 2: Lực dọc trong bulông đạt giới hạn 
cho phép, đồng thời khớp dẻo cũng xuất hiện trong bản 
mã. 
Mô hình phá hoại 3: Bản mã quá mỏng, sự phá hoại 
xảy ra trong bản mã. 
Hình 3: Ba mô hình phá hoại của 
Petersen trong liên kết T-stub 
3. Mô phỏng liên kết mối nối ống thép tròn dùng mặt bích và bulông bằng fem 
3.1 Vật liệu sử dụng 
Bảng 1: Thông số vật liệu đầu vào 
Tên Bulông Mặt bích 
Vật liệu M20, F10T SM400 
Khối lượng riêng 7,850 T/m3 =7850kg/ m3 7,850 T/m3=7850kg/ m3 
Giới hạn bền kéo 9x105 kN/m2=90daN/mm2 2,55x105kN/m2=25.5 daN/mm2 
Hệ số Poisson 0,3 0,3 
Hệ số dẫn nhiệt 0,053 kJ/m.s.oC - 
Độ giãn nở nhiệt 1,2x10-5 - 
3.2. Phương pháp phân tích 
3.2.1. Bước tiến hành 
Mô hình liên kết đơn lẻ 1 bu lông và mặt bích 
dạng chữ L 
Mô hình toàn bộ mối nối liên kết 
+ Kiểm tra ứng xử từ kết quả mô phỏng với cơ chế 
phá hủy đề xuất bởi Petersen (1990) và mối quan hệ 
phi tuyến giữa lực dọc trong bu lông và lực kéo trong 
thân ống thép được đề xuất bởi Seidel (2001). 
+ Khảo sát ứng xử của toàn bộ bu lông và mặt 
bích trong mối nối khi làm việc chung. 
+ Đề xuất tỷ lệ kích thước cho các thông số 
chiều dày ống thép, chiều dày mặt bích và 
đường kính bu lông. 
Bước 1 Bước 2 
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT32
T
Ạ
P
 C
H
Í 
K
H
O
A
 H
Ọ
C
 C
Ô
N
G
 N
G
H
Ệ
 V
À
 M
Ô
I T
R
Ư
Ờ
N
G 3.2.2. Điều kiện biên 
Điều kiện biên được dùng để khống chế các yếu tố để mô hình làm việc như trong thực tế. Ở đây 
tác giả khống chế các điều kiện biên về chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, lực phân 
bố, 
3.2.3. Ứng lực trước cho bulông 
Để tạo ra lực xiết ban đầu trong bulông tác giả sử dụng phương pháp làm lạnh bulông đến một 
nhiệt độ nhất định để tạo được ứng suất kéo ban đầu như thiết kế Tv=0,7. y.Ae. 
3.2.4. Hệ số ma sát 
Ở đây sử dụng hệ số ma sát giữa thép - thép là 0,5. 
3.3. Mô phỏng mô hình liên kết một bulông và mặt bích (phần tử dạng L) kiểm chứng với cơ sở lý 
thuyết 
3.3.1 Mô hình 
Hình 4: Mô hình bulông, mặt bích và liên kết chữ L trong Abaqus 
 Hình 5: Mô hình phần tử dạng chữ L 
Hình 6: Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L 
3.3.2 Kết quả phân tích liên kết L 
Hình 7: Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo Ts so sánh với biểu đồ của Schmidt-
Neuper 
Qua mối quan hệ giữ lực TP và Ts trong kết quả mô phỏng. Chúng ta có thể tìm ra sự giống nhau 
của kết quả phân tích với biểu đồ Schmidt-Neuper, biểu đồ của Seidel, mô hình phá hoại của Pertersen. 
Như vậy, có thể khẳng định tính đúng đắng của mô hình Abaqus mà tác giả đang sử dụng. 
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 33
S
Ố
 0
3
 N
Ă
M
 2
0
183.4. Mô phỏng mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài chịu kéo xoắn 
đồng thời 
Bảng 2: Bảng kích thước các mẫu ống mô phỏng 
Mẫu Đ.kính ống 
dixti (mm) 
C.dày mặt 
bích 
(mm) 
Đ.kính bulông 
(mm) 
Số lượng bulông 
 tối thiểu e1 
(mm) 
e1 
(mm) 
1 165.2x4 16 20 6 40 30 
2 267.4x6.0 25 22 10 40 35 
3 355.6x9.5 32 24 18 45 40 
Hình 8: Mô hình ống thép chịu kéo xoắn đồng thời 
3.4.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 165.2x4 
3.4.1.1 Chọn kích thước hợp lý cho trường hợp chịu kéo 
Hình 9: Qui trình thực hiện mô phỏng kéo 
Hình 11: Chọn chiều dày ống thép hợp lý 
Hình 10: Chọn chiều dày mặt bích hợp lý 
Hình 12: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống thép 
4 trường hợp 
Như vậy: Với trường hợp kích thước: ds =20 mm, tf =20 mm ; ti=6 mm. Mô hình ống thép chịu kéo sẽ 
phá hoại theo mô hình 2 (Pentersen). Từ đây tác giả tìm được kích thước sơ bộ cho việc khảo sát liên 
kết nối ống thép tròn này trong trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời bên dưới. 
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT34
T
Ạ
P
 C
H
Í 
K
H
O
A
 H
Ọ
C
 C
Ô
N
G
 N
G
H
Ệ
 V
À
 M
Ô
I T
R
Ư
Ờ
N
G 3.4.1.2. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời 
Hình 13: Qui trình mô phỏng kéo xoắn 
Hình 14: Mẫu nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời 
Hình 15: Chọn chiều dày ống thép 
Hình 16: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống thép 
4 trường hợp 
Kết luận: Với tỷ lệ kích thước: (0.8<tf/ds<1.25; 0.3 ti/ds 0.6; (e1+e2)/tf=3.5) thì sự phá hoại là hợp lý 
nhất vì ống thép, mặt bích và bulông cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy. 
3.4.2 Trường hợp mô phỏng ống trung 
3.4.2.1. Trường hợp mô phỏng ống trung chịu kéo 
Hình 17: Qui trình thực hiện mô phỏng kéo 
Hình 18: Chọn chiều dày ống thép hợp lý 
Hình 19 : Chọn chiều dày mặt bích hợp lý 
Hình 20 : Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống 
thép 3 trường hợp 
Như vậy: Với trường hợp kích thước: ds =22 mm, tf =22 mm ; ti=8 mm. Mô hình ống thép chịu kéo sẽ 
phá hoại theo mô hình 2 (Pentersen). Từ đây tác giả tìm được kích thước sơ bộ cho việc khảo sát liên kết 
nối ống thép tròn này trong trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời bên dưới. 
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 35
S
Ố
 0
3
 N
Ă
M
 2
0
183.4.2.2. Trường hợp mô phỏng ống trung chịu kéo xoắn 
Hình 21: Qui trình thực hiện mô phỏng 
kéo xoắn 
Hình 22: Mẫu trung chịu kéo xoắn đồng thời 
Hình 23 : Chọn chiều dày ống thép hợp lý 
Hình 24 : Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống 
thép 4 trường hợp 
Kết luận: Với tỷ lệ kích thước: (0.8<tf/ds<1.13; 0.3 ti/ds 0.63; (e1+e2)/tf=3.5) thì sự phá hoại là hợp lý 
nhất vì ống thép, mặt bích và bulông cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy. 
3.4.3. Trường hợp mô phỏng ống lớn 
3.4.3.1. Trường hợp mô phỏng ống lớn chịu kéo 
Hình 25 : Qui trình thực hiện mô phỏng kéo 
Hình 26: Chọn chiều dày ống thép hợp lý 
Hình 27 : Chọn chiều dày mặt bích hợp lý 
Hình 28: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống 
thép 3 trường hợp 
Như vậy: Với trường hợp kích thước: ds =24 mm, tf =30 mm ; ti=12 mm. Mô hình ống thép chịu kéo sẽ 
phá hoại theo mô hình 2 (Pentersen). Từ đây tác giả tìm được kích thước sơ bộ cho việc khảo sát liên kết 
nối ống thép tròn này trong trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời bên dưới. 
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT36
T
Ạ
P
 C
H
Í 
K
H
O
A
 H
Ọ
C
 C
Ô
N
G
 N
G
H
Ệ
 V
À
 M
Ô
I T
R
Ư
Ờ
N
G 3.4.3.2. Trường hợp mô phỏng ống lớn chịu kéo (nén) uốn 
Hình 29: Qui trình thực hiện mô phỏng kéo 
xoắn 
Hình 30: Mẫu lớn chịu kéo xoắn đồng thời 
Hình 31 : Chọn chiều dày ống thép hợp lý 
Hình 32 : Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống 
thép 4 trường hợp 
Kết luận: Với tỷ lệ kích thước: (1.08<tf/ds<1.4;0.5 ti/ds 1.04; (e1+e2)/tf=2.83) thì sự phá hoại là 
hợp lý nhất vì ống thép, mặt bích và Bulông cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy. 
4. Kết luận 
Qua mô phỏng mối nối ống thép tròn dùng mặt bích và bulông cường độ cao bằng phân tích FEM. 
Ta thấy rằng sự làm việc của mối nối là phức tạp, đặc điểm chung khi phân tích 3 ống thép có đường kính 
khác nhau là ứng suất trong bulông trong giai đoạn đầu tăng rất nhanh trong khi ứng suất trong ống 
thép cũng như mặt bích chưa tiến triển. Sau khi lực tác dụng bên ngoài cân bằng với lực kéo ban đầu 
trong bulông ( Do xiết bulông) thì mối nối mới bắt đầu làm việc đồng thời. Do đó, việc lựa chọn các 
thông số về chiều dày ống thép, bề dày mặt bích và đường kính bulông sao cho 3 cấu kiện này cùng làm 
việc với nhau khi chịu lực là rất cần thiết. 
Bài báo sẽ làm cơ sở cho các đơn vị thiết kế tham khảo trong việc lựa chọn kích thước ban đầu 
của cấu kiện trong qui trình tính toán. Rút ngắn thời gian vòng lặp để đạt được tỷ số tối ưu. 
Qua việc mô phỏng sự làm việc của ống thép chịu kéo xoắn đồng thời cho 3 loại ống thép có 
đường kính khác nhau. Tác giả kiến nghị như sau: 
+ Mẫu có đường kính < 300mm. Khi thiết kế nên chọn tỉ lệ kích thước (0.8<tf/ds<1.13; 
0.3 ti/ds 0.6; 2.9 (e1+e2)/tf 4.1) để kết cấu phát huy hết khả năng làm việc và tiết kiệm vật liệu. 
+ Mẫu có đường kính 300mm). Khi thiết kế nên chọn tỉ lệ kích thước (1.08<tf/ds<1.4; 
0.5 ti/ds 1.04; 2.5 (e1+e2)/tf 3.2) để kết cấu phát huy hết khả năng làm việc và tiết kiệm vật liệu. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Viện khoa học công nghệ xây dưng – Bộ xây dựng, TCVN 5575-2012. Kết cấu thép-Tiêu chuẩn thiết kế. Địa chỉ: 
https://thuvienphapluat.vn/TCVN/Cong-nghiep/TCVN-5575-2012-Ket-cau-thep-Tieu-chuan-thiet-ke-907492.aspx. 
2. Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Lưu Văn Tường, 2009. Kết cấu thép-Cấu kiện cơ bản. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 328 
trang. 
3. Lê Anh Tuấn, 2015. Simple formula for evaluating variable stiffness of wind-turbine tower with consideration of flange- joint separation, 
International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 5, Issue 10, 293-302. 
4. Nguyễn Thị Ánh Nguyệt, 2016. Nghiên cứu đánh giá ứng xử của bulông trong cấu kiện liên kết chịu nhổ và liên kết chịu cắt. Luận văn cao học, 
Trung tâm học liệu Đại học Đà Nẵng. 
5. European Committee for Standardization (CEN), 2004. EN 1993-1-8: Design of joints. 
6. RCSC Committee, 2009, AISC 348-2009: Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts.