Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu ống thép tròn rỗng (Circular Hollow Sections - CHS) ngày càng khẳng định vị thế vượt trội trong ngành xây dựng hiện đại nhờ khả năng giảm từ 30% đến 40% lực cản khí động học của gió và tiết kiệm 20% đến 25% trọng lượng bản thân so với các loại thép hình hở thông thường. Trong các công trình nhịp lớn như tháp truyền hình, tháp truyền tải điện siêu cao áp trên 380m và hệ khung giàn không gian công nghiệp, việc nối ghép các phân đoạn ống thép là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo khả năng vận chuyển và lắp dựng tại hiện trường. Liên kết nối đối đầu sử dụng mặt bích và bu lông cường độ cao là giải pháp được ứng dụng phổ biến hàng đầu nhờ tính cơ động và tốc độ thi công nhanh chóng.

Tuy nhiên, trong thực tế đã xảy ra không ít sự cố biến dạng quá mức và phá hủy cục bộ tại vị trí mặt bích liên kết. Nguyên nhân cốt lõi bắt nguồn từ việc các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành chủ yếu tính toán dựa trên các thành phần nội lực đơn lẻ như kéo, nén hoặc uốn thuần túy mà chưa xét đến tác động đồng thời của các trạng thái chịu lực phức tạp gồm uốn kết hợp cắt, kéo kết hợp uốn, hoặc kéo kết hợp xoắn.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp (mã số 8580201) do học viên Trịnh Văn Thao thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Anh Tuấn tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng năm 2019 đã tập trung giải quyết bài toán cấp thiết này. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện quy luật ứng xử cơ học của mối nối ống thép tròn liên kết mặt bích ngoài và bu lông cường độ cao dưới tác động đồng thời của lực uốn và lực cắt thông qua thực nghiệm đối chứng, kết hợp phân tích mô phỏng mở rộng cho các tổ hợp kéo - uốn và kéo - xoắn trên nhiều dải đường kính ống từ 114.3mm đến 406.4mm. Kết quả của đề tài đóng vai trò nền tảng giúp nâng cao từ 15% đến 20% mức độ tin cậy trong tính toán thiết kế, ngăn ngừa nguy cơ phá hoại giòn và tối ưu hóa khối lượng vật liệu cho các công trình tháp thép chịu tải trọng phức hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa các lý thuyết cơ học kết cấu phi tuyến, mô hình cơ học liên kết T-stub và các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép quốc tế uy tín gồm Eurocode 3 (EN 1993-1-8 Mục 7) và AISC 360-10 (Mục K):

  • Mô hình ba trạng thái phá hủy của Petersen (1998): Phân tích ứng xử của bản mã T-stub dưới tác dụng của lực kéo và uốn. Mô hình chỉ ra ba cơ chế phá hoại điển hình gồm: Mô hình 1 (mặt bích đủ dày, bu lông bị kéo đứt thuần túy khi lực dọc đạt giới hạn tải trọng cho phép); Mô hình 2 (mặt bích xuất hiện khớp dẻo đồng thời với việc bu lông bị kéo đứt); và Mô hình 3 (mặt bích quá mỏng dẫn đến hình thành cơ cấu dẻo hoàn toàn trước khi bu lông đạt khả năng chịu lực cực hạn).
  • Mô hình ứng xử phi tuyến của Seidel (2001) và Schmidt - Neuper: Mô tả quan hệ phi tuyến giữa lực kéo ngoại lực và lực dọc phát sinh trong thân bu lông cường độ cao qua bốn vùng làm việc (vùng tiếp xúc đàn hồi chịu lực xiết trước, vùng bắt đầu tách khe, vùng mở rộng khe hở và vùng biến dạng dẻo cực hạn). Các hằng số lò xo đàn hồi đặc trưng được áp dụng gồm độ cứng lò xo kéo bu lông Cb = 206.167 daN/m và độ cứng lò xo nén bản mã Cf = -6.944.639 daN/m.

Các khái niệm cơ bản chi phối nghiên cứu bao gồm:

  • Tiết diện ống thép tròn rỗng (CHS): Cấu kiện chịu lực chính với đặc tính đối xứng trục và khả năng kháng xoắn cao.
  • Ứng lực trước trong bu lông cường độ cao (Pretension Tv): Lực kéo tạo ra do siết chặt đai ốc, tính toán theo công thức tiêu chuẩn Tv = 0.7*Ae (với Ae là diện tích thực của tiết diện ren bu lông), tạo ra áp lực tiếp xúc ép mặt ban đầu ngăn chặn hiện tượng trượt bản thép.
  • Hiệu ứng bẩy đòn (Prying Action): Hiện tượng tăng đột biến lực kéo trong bu lông do biến dạng uốn của mép mặt bích khi chịu tải trọng lệch tâm hoặc mômen uốn lớn.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số phần tử hữu hạn phi tuyến nâng cao và thử nghiệm thực nghiệm tải trọng tĩnh:

  • Nguồn dữ liệu và phân tích số: Tác giả sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus 6.10-1 để thiết lập mô hình 3D cho 24 tổ hợp mẫu ống thép. Phân tích mô phỏng trải qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 thiết lập lực ứng lực trước cho bu lông F10T M20 bằng phương pháp tương tác nhiệt - chuyển vị (Couple temperature-displacement) với giá trị lực căng Tv = 197.92 kN; Giai đoạn 2 duy trì ứng lực trước và tác dụng tải trọng uốn, cắt, kéo, xoắn tăng dần theo phương pháp chuyển vị cưỡng bức. Hệ số ma sát tiếp xúc giữa các bề mặt thép được thiết lập chính xác ở mức 0.50.
  • Cỡ mẫu và kỹ thuật chọn mẫu: Mẫu thực nghiệm được chế tạo với đường kính ngoài ống D = 114.3mm, liên kết bởi mặt bích dày tF = 22mm và 4 bu lông cường độ cao cấp bền 10.9 (F10T M20). Việc lựa chọn mẫu ống nhỏ mang tính đại diện cho thanh biên giàn tháp chịu tác động đồng thời uốn - cắt với khả năng tạo tải trọng và quan sát ứng xử biến dạng rõ ràng nhất trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  • Timeline và hệ thống đo đạc: Quá trình thực nghiệm được triển khai trong giai đoạn từ cuối năm 2018 đến tháng 5 năm 2019 tại phòng thí nghiệm chuyên ngành. Hệ thống đo lường bao gồm: 1 kích thủy lực tải trọng lớn kết nối máy bơm dầu áp lực cao, 10 cảm biến biến dạng điện trở (strain gauges) dán tại các vị trí xung yếu trên thân ống thép (ST1, ST2, SD1, SD2) và bề mặt bản mã (S1T, S2, S1P, SN, S3), cùng các cảm biến đo chuyển vị LVDT (LH1, LH2) và đồng hồ đo độ nghiêng cột tại cao độ 1.55m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ quy luật phân bố ứng suất và cơ chế phá hoại của liên kết nối ống thép tròn mặt bích bu lông, rút ra các phát hiện cốt lõi:

  • Xác lập tương quan tỷ lệ tối ưu giữa chiều dày mặt bích và đường kính bu lông (tF/ds): Để liên kết đạt được trạng thái dẻo tối ưu (Mô hình 2 của Petersen - mặt bích và bu lông cùng đạt giới hạn chảy dẻo), dải tỷ lệ hợp lý được xác định cụ thể theo từng nhóm đường kính ống:
    • Đối với ống nhỏ (D = 114.3mm, bu lông ds = 20mm): Tỷ lệ hợp lý nằm trong khoảng 1.00 < tF/ds < 1.40, tối ưu nhất tại tF/ds = 1.10 (tF = 22mm).
    • Đối với ống trung (D = 267.4mm, bu lông ds = 22mm): Tỷ lệ hợp lý nằm trong khoảng 1.00 < tF/ds < 1.36, tối ưu nhất tại tF/ds = 1.14 (tF = 25mm).
    • Đối với ống lớn (D = 406.4mm, bu lông ds = 24mm): Tỷ lệ hợp lý nằm trong khoảng 1.04 < tF/ds < 1.42, tối ưu nhất tại tF/ds = 1.17 (tF = 28mm). Việc thiết kế đúng tỷ lệ này giúp tăng khả năng tiêu tán năng lượng của nút khung lên hơn 25% so với các cấu tạo có bản mã quá mỏng.
  • Xác lập tương quan tỷ lệ chiều dày thành ống trên đường kính bu lông (tp/ds): Tỷ lệ hợp lý để ứng suất trong thành ống đạt xấp xỉ giới hạn chảy đồng thời với mặt bích và bu lông là:
    • Ống nhỏ: 0.50 <= tp/ds <= 0.60 (tương ứng chiều dày ống tp từ 10mm đến 12mm).
    • Ống trung: 0.55 <= tp/ds <= 0.68 (tương ứng chiều dày ống tp từ 12mm đến 15mm).
    • Ống lớn: 0.75 <= tp/ds <= 0.92 (tương ứng chiều dày ống tp từ 18mm đến 22mm).
  • Diễn biến chịu lực thực nghiệm của mẫu ống nhỏ dưới tác dụng uốn - cắt:
    • Ở cấp tải dưới 80 kN: Liên kết làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi, lực ma sát tiếp xúc giữ cho khoảng hở giữa hai mặt bích bằng 0 mm.
    • Ở cấp tải 120 kN: Chuyển vị đứng tại đầu dầm đạt 15.2 mm, bắt đầu xuất hiện khe hở cục bộ 1.8 mm tại vị trí bu lông chịu kéo phía dưới do mặt bích bị uốn cong.
    • Ở cấp tải cực hạn 136 kN: Mẫu thí nghiệm bị phá hoại hoàn toàn do hiện tượng trượt phá hủy ren của bu lông phía dưới, ứng suất kéo danh định trong bu lông vượt ngưỡng 900.000 kN/m2.
  • Ứng xử chịu kéo - uốn đồng thời: Kết quả mô phỏng trên ống nhỏ D = 139.8mm chỉ ra rằng với chiều dày mặt bích tF = 20mm và bu lông ds = 20mm (tF/ds = 1.00), ứng suất trong thân bu lông đạt tới hạn 900.000 kN/m2 đồng thời mặt bích đạt giới hạn chảy 255.300 kN/m2, thể hiện sự làm việc đồng bộ và an toàn cao nhất của liên kết.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phá hoại của liên kết mặt bích bu lông chịu tải trọng phức hợp được giải thích thông qua sự xuất hiện của hiệu ứng bẩy đòn. Khi mômen uốn và lực cắt tác dụng đồng thời, vùng mặt bích chịu kéo bị uốn cong quanh đường hàn nối với ống thép, khiến mép ngoài của bản mã tỳ mạnh vào nhau tạo thành điểm tựa đòn bẩy. Lực tỳ đòn bẩy này làm gia tăng lực kéo thực tế trong thân bu lông từ 18% đến 24% so với lực kéo tính toán thuần túy từ ngoại lực.

Dữ liệu thực nghiệm được hệ thống hóa trực quan thông qua đồ thị quan hệ Tải trọng - Chuyển vị (P - Delta) tại các điểm LH1, LH2 và đồ thị Tải trọng - Biến dạng (P - epsilon) từ các đầu đo strain gauge. Đồ thị phản ánh rõ 3 giai đoạn làm việc: Giai đoạn 1 (0 - 80 kN, đường biểu diễn tuyến tính dốc đứng chứng minh liên kết còn nguyên độ cứng ma sát); Giai đoạn 2 (80 - 120 kN, độ dốc đồ thị giảm dần do mặt bích tách khe hở và chuyển sang làm việc uốn cục bộ); Giai đoạn 3 (120 - 136 kN, đường cong nằm ngang đặc trưng cho sự biến dạng dẻo lớn của thép ống và mặt bích trước khi đứt trượt ren bu lông).

So sánh giữa kết quả mô phỏng Abaqus và số liệu đo đạc thực nghiệm cho thấy mức độ tương đồng rất cao với sai số về chuyển vị và ứng suất cực hạn không vượt quá 8.5%. Điều này khẳng định độ tin cậy của phương pháp mô phỏng nhiệt - cơ học trong việc dự báo ứng xử của liên kết ống thép rỗng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao chất lượng thiết kế và an toàn thi công các công trình sử dụng ống thép tròn liên kết mặt bích, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  • Chuẩn hóa tỷ lệ hình học trong hồ sơ thiết kế: Các đơn vị tư vấn thiết kế cần áp dụng nghiêm ngặt dải tỷ lệ kích thước tF/ds từ 1.10 đến 1.25 và tp/ds từ 0.50 đến 0.85 khi lựa chọn quy cách mặt bích, bu lông và chiều dày ống thép. Việc áp dụng đúng tỷ lệ này giúp đảm bảo cơ chế phá hoại dẻo cảnh báo trước, tăng hệ số an toàn chịu lực tổng thể thêm 15% đến 20% trong suốt vòng đời công trình (Chủ thể thực hiện: Kỹ sư kết cấu và các cơ quan tư vấn thiết kế, áp dụng ngay trong giai đoạn lập bản vẽ thi công).
  • Kiểm soát chất lượng siết bu lông cường độ cao tại hiện trường: Nhà thầu thi công bắt buộc phải áp dụng thiết bị siết lực chuyên dụng (cờ lê lực điện tử hoặc súng siết có kiểm soát mômen) để tạo lực ứng lực trước ban đầu đạt tối thiểu Tv = 0.7*Ae (tương đương 190 kN đến 200 kN đối với bu lông F10T M20). Việc duy trì đúng lực căng ban đầu giúp triệt tiêu hiện tượng trượt tiếp xúc ở các cấp tải làm việc bình thường dưới 80 kN (Chủ thể thực hiện: Đơn vị thi công và tư vấn giám sát, áp dụng thường xuyên trong quá trình lắp dựng).
  • Bổ sung quy trình kiểm tra khả năng trượt ren và hiệu ứng bẩy đòn: Đề xuất các cơ quan quản lý tiêu chuẩn bổ sung chỉ dẫn tính toán chi tiết về sự suy giảm khả năng chịu cắt khi bu lông đồng thời chịu kéo lớn và kiểm toán độ bền trượt ren bu lông vào Tiêu chuẩn Thiết kế Kết cấu Thép Việt Nam (TCVN 5575) trong đợt soát xét 12 tháng tới (Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng và Tổng hội Xây dựng Việt Nam).
  • Xây dựng phần mềm tích hợp bảng tra cứu ma trận tham số: Phát triển công cụ tự động hóa tính toán liên kết mặt bích ống tròn chịu tổ hợp nội lực uốn - cắt - kéo - xoắn, giúp kỹ sư tra cứu nhanh các thông số tiết diện hợp lý, cắt giảm 35% thời gian thiết kế chi tiết trong lộ trình nghiên cứu ứng dụng từ 1 đến 2 năm tới (Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học kỹ thuật phối hợp với các doanh nghiệp phần mềm xây dựng).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật to lớn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư kết cấu và chuyên viên thiết kế công trình dân dụng - công nghiệp: Khai thác ma trận thông số kích thước tối ưu (tF/ds, tp/ds) để thiết kế nhanh chóng, chính xác các nút nối thanh biên ống thép cho tháp viễn thông, cột điện cao thế, cần trục tháp và kết cấu giàn mái không gian chịu tải trọng gió bão phức tạp.
  • Chỉ huy trưởng công trình và kỹ sư tư vấn giám sát: Nắm vững quy trình kiểm soát lực siết trước bu lông F10T, kỹ thuật làm sạch bề mặt tiếp xúc (đạt hệ số ma sát 0.50) và phương pháp nghiệm thu khe hở mặt bích nhằm loại bỏ triệt để nguy cơ trượt liên kết tại hiện trường xây dựng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công trình Xây dựng: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp mô hình hóa tiếp xúc phi tuyến trên phần mềm Abaqus, kỹ thuật mô phỏng nhiệt - chuyển vị để tạo ứng lực trước bu lông và quy trình bố trí thiết bị đo thực nghiệm (LVDT, strain gauge).
  • Cơ quan quản lý kỹ thuật và hội đồng thẩm tra dự án: Sử dụng các số liệu thực nghiệm và kết luận khoa học làm cơ sở đối chiếu, đánh giá độ an toàn của các giải pháp kết cấu thép dạng ống trong các dự án công trình cấp đặc biệt và cấp 1 trên toàn quốc.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao cần tính toán đồng thời lực uốn và lực cắt cho liên kết ống thép tròn? Trong thực tế khung giàn tháp thép, tải trọng gió bão và động đất luôn tạo ra đồng thời mômen uốn và lực cắt tại vị trí mặt bích. Nếu chỉ tính toán riêng rẽ, kỹ sư sẽ bỏ qua hiệu ứng bẩy đòn làm tăng lực kéo cục bộ trong bu lông thêm 18% đến 24%, dẫn đến nguy cơ phá hoại giòn đột ngột tại các mối nối.
  • Tỷ lệ giữa chiều dày mặt bích và đường kính bu lông bao nhiêu là an toàn nhất? Theo kết quả mô phỏng và thực nghiệm, dải tỷ lệ tối ưu là tF/ds từ 1.10 đến 1.25. Tỷ lệ này đảm bảo mặt bích và bu lông cùng đạt giới hạn chảy dẻo đồng thời, giúp kết cấu có khả năng cảnh báo biến dạng trước khi xảy ra sự cố phá hoại hoàn toàn.
  • Phương pháp mô phỏng lực ứng lực trước cho bu lông trong Abaqus được thực hiện như thế nào? Nghiên cứu sử dụng phương pháp tương tác nhiệt - chuyển vị (Couple temperature-displacement). Bằng cách hạ nhiệt độ của thân bu lông được cố định hai đầu nút, bu lông sẽ tự động co lại và tạo ra lực kéo dọc trục chính xác đạt mức Tv = 197.92 kN mà không làm méo mó lưới phần tử hữu hạn.
  • Nguyên nhân trực tiếp gây ra phá hoại mẫu thí nghiệm ở cấp tải 136 kN là gì? Mẫu thí nghiệm bị phá hoại do hiện tượng trượt ren ở bu lông chịu kéo phía dưới. Dưới tác dụng của lực uốn và cắt lớn, ứng suất kéo cục bộ vượt qua 900.000 kN/m2 kết hợp với biến dạng xoay của mặt bích đã làm tụt các bước ren bu lông trước khi thân bu lông bị đứt ngang.
  • Kết quả nghiên cứu của luận văn có áp dụng được cho bu lông cường độ cao khác không? Phương pháp luận và quy luật tỷ lệ hình học của luận văn hoàn toàn có thể áp dụng cho các loại bu lông cường độ cao tương đương như cấp bền 8.8, 10.9 theo tiêu chuẩn ISO hoặc ASTM A325, A490 với việc điều chỉnh tương ứng giá trị lực căng trước ban đầu.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá ứng xử cơ học của liên kết ống thép tròn mặt bích bu lông dưới tác động đồng thời của tải trọng uốn - cắt thông qua thực nghiệm và mô phỏng số.
  • Xác lập thành công bộ thông số kích thước tối ưu với tỷ lệ chiều dày mặt bích trên đường kính bu lông tF/ds từ 1.10 đến 1.25 và chiều dày ống trên đường kính bu lông tp/ds từ 0.50 đến 0.85 cho các dải đường kính ống từ 114.3mm đến 406.4mm.
  • Thực nghiệm trên mẫu ống nhỏ D = 114.3mm đã kiểm chứng chính xác tải trọng giới hạn đạt 136 kN, chỉ ra cơ chế phá hoại trượt ren bu lông và xác nhận độ chính xác của mô hình số Abaqus với sai số dưới 8.5%.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi tiếp theo trong việc đánh giá độ bền mỏi của liên kết dưới tải trọng gió lặp và nghiên cứu ứng xử chịu xoắn thuần túy trên các kết cấu tháp thép siêu cao trên 100m trong giai đoạn 2024 - 2026.
  • Các kỹ sư kết cấu, nhà thầu thi công và các nhà nghiên cứu hãy tham khảo chi tiết toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Trịnh Văn Thao (năm 2019) tại thư viện Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng để áp dụng hiệu quả vào các dự án kết cấu thép thực tế.