Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Mô phỏng số xác định trường ứng suất dư trong liên kết hàn nút giàn dạng ống chữ K. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận Kết luận chung của luận án và những kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo. Danh mục tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép.
Từ rất lâu (khoảng hơn 100 năm) việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác. Ví dụ Nhà hát lớn Hà Nội, một công trình nổi tiếng hoàn thành vào thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 20, có kết cấu được xây dựng hoàn toàn bằng gạch và thép, không sử dụng bê tông cốt thép. Mái vòm tròn là cupôn hình nón gồm các sườn hình tam giác, tựa trên gối đỡ. Mọi sàn nhà lớn, ban công, cầu thang đều làm bằng dầm thép chủ tổ hợp đinh tán, các dầm thép hình và cuốn gạch tạo mặt sàn.
Cấu tạo sàn kiểu dầm thép và cuốn gạch này được áp dụng trong hầu hết các mặt sàn và được áp dụng trong hầu hết các nhà tầng có tầng gác được xây dựng thời kỳ đó. Các nhà xưởng lớn được chế tạo bằng thép phải kể đến là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, các nhà ga máy bay ở Gia Lâm và Bạch Mai,. Công nghệ và hình thức của kết cấu phụ thuộc vào trình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán, thép cán cỡ nhỏ. Trước đây, việc thiết kế chế tạo các kết cấu thép sử dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp chỉ đơn giản là tạo ra sản phẩm phục vụ nhu cầu của thị trường chứ chưa nghiên cứu phân tích đánh giá chất lượng hàn để sản phẩm sử dụng hiệu quả.
Ở Việt Nam, cũng có một số nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề phân tích, đánh giá trường nhiệt độ, ứng suất dư và biến dạng hàn trong liên kết hàn dạng ống. Tuy nhiên cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán khả năng chịu lực của một số liên kết nút giàn thép tiết diện rỗng và thiết kế quy trình hàn hoặc đi giải quyết bài toán về khả năng làm việc (giới hạn mỏi, tuổi thọ làm việc,.) của kết cấu hàn [1 - 4]. Tác giả Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng: “Nghiên cứu sự làm việc và tính toán liên kết hàn các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng, chịu tải trọng tĩnh” [1] là một minh chứng cho việc nghiên cứu kết cấu thép ở Việt Nam hiện nay. Trong nghiên cứu của mình, tác giả trình bày một số hình thức liên kết các thanh giàn thép ống tiết diện rỗng; phân tích các tiêu chí phá hủy và các điều kiện phá hủy đổi với một số kiểu nút giàn thông dụng.
Trên cơ sở đó, tác giả phân tích tính toán độ bền của các liên kết nút giàn thép có tiết diện ống rỗng – CHS. Đồng thời tác giả cũng sử dụng phương pháp toán đồ thiết kế để thiết kế liên kết hàn cho các nút giàn thép tiết diện rỗng trên cơ sở tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) cho sẵn toán đồ thiết kế các nút giàn phổ biến và kiểm tra liên kết nút giàn thép ống rỗng. Tuy nhiên, ở nghiên cứu của mình, tác giả Huỳnh Minh Sơn chỉ dừng lại ở mức độ toán điều kiện làm việc của liên kết hàn tiết diện rỗng mà chưa đi sâu vào nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư và biến dạng của nút giàn dạng ống. Nhóm kỹ sư của Công ty CP Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu Khí thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam cũng đã nghiên cứu thiết kế chi tiết và công nghệ chế tạo chân giàn khoan tự nâng 90 m nước [2].
Đây cũng là bước đột phá lớn trong ngành chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam và đã gặt hái được một số thành công nhất định. Trong nghiên cứu, tập thể kỹ sư của công ty chỉ xây dựng quy trình hàn (WPS) và người thợ bằng kinh nghiệm làm việc chế tạo ra sản phẩm. Và những sản phẩm này chỉ được kiểm tra các khuyết tật hàn (siêu âm, chụp ảnh phóng xạ, chỉ thị màu,.) mà chưa đánh giá được tuổi thọ làm việc cũng như dự đoán những hư hỏng có thể xảy ra trong quá trình làm việc của kết cấu để từ đó đề ra các biện pháp sửa chữa hàn theo 5 thời gian làm việc hoặc làm tăng tuổi thọ của kết cấu. Việc giảm ứng suất dư và biến dạng trong quá trình hàn các liên kết trên chủ yếu dựa vào kinh nghiệm không sử dụng các thiết bị đo hoặc thí nghiệm để so sánh, phân tích và đánh giá các kết quả đã đạt được.
Vì thế, việc dự đoán tuổi thọ làm việc của kết cấu hàn khi chịu tác dụng của tải trọng biến đổi sẽ gặp rất nhiều khó khăn.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Như chúng ta đã biết kết cấu dạng ống rỗng (CHS) có tính ưu việt vượt trội so với các kết cấu có tiết diện mặt cắt ngang khác. Chính vì vậy trên thế giới có rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đến dạng liên kết này [22-25, 29], từ việc thiết kế, chế tạo các kết cấu dạng CHS sao cho hiệu quả đến áp dụng công nghệ hàn vào từng trường hợp cụ thể. Ngoài việc sử dụng các công cụ toán học cho việc tính toán độ bền của các mối hàn, trường ứng suất và biến dạng hàn [26, 27, 59, 60], các nhà khoa học còn sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp chuyên dùng như ANSYS, SYSWELD, ABAQUS,. để mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn nói chung và nút giàn dạng ống tiết diện rỗng nói riêng [18,21, 27, 28, 38, 50].
Sau đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu của các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về kết cấu giàn dạng CHS và đề tài khoa học của NCS. Tác giả Đào Quang Kế với luận án tiến sĩ kỹ thuật: Làm giảm và phân bố lại ứng suất dư hàn trong mối hàn vòng của (các) ống bằng gia công nổ cục bộ, Trường Đại học kỹ thuật “A. Trong luận án này tác giả đã nêu lên được ảnh hưởng của ứng suất dư hàn và biến dạng đối với chất lượng của mối hàn vòng giáp mối dạng ống. Đồng thời, tác giả cũng đã nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư trong mối hàn vòng dạng ống.
Tuy nhiên trong nghiên cứu của mình tác giả chưa đề cập đến nút giàn dạng chữ T, Y, K,. Cũng trong luận án này tác giả cũng đã đưa ra một số phương pháp làm giảm và phân bố lại ứng suất dư trong hàn, như là: - Ram; - Làm lạnh cục bộ; - Cơ nhiệt; - Nung nóng sơ bộ. và các biện pháp làm giảm biến dạng hàn - Rèn; - Cán; - Rung; - Siêu âm; - Tải tĩnh; - Gia công xung bằng nổ 2. Wardenier với tài liệu Hollow Sections in Structure Application [23] Trong cuốn sách này tác giả đã nêu được một số vấn đề sau: - Tổng quan về tình hình sử dụng thép rỗng (CHS) trong ngành công nghiệp xây dựng dân dụng.
- Quy trình chế tạo thép CHS. - Ảnh hưởng của các thông số, chế độ hàn tới độ bền của liên kết hàn CHS. - Mỏi trong liên kết hàn ống rỗng: Trong mục này tác giả trình bày cơ chế, nguyên nhân hình thành mỏi cơ học. Đồng thời đưa ra một số định nghĩa cũng như các yếu 6 tố ảnh hưởng tới tuổi thọ của kết cấu hàn.
- Công nghệ hàn nối các chi tiết CHS 3. Connecting CHS, Trong tài liệu này tác giả đã trình bày được - Các dạng liên kết chữ K trong hệ giàn CHS. - Một số hư hỏng thường xảy ra với liên kết hàn kiểu chữ K. Jeffrey Packer, Hollow Structural Section Connections, American Institute of Steel Construction [22].
Trong cuốn sách này Jeffrey Packer và cộng sự đã: - Giới thiệu các tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo cũng như kỹ thuật hàn áp dụng trong liên kết CHS. Bên cạnh đó cuốn sách cũng giới thiệu ưu điểm của kết cấu giàn dạng rỗng và ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp xây dựng và dân dụng; - Các dạng tiết diện mặt cắt ngang thường sử dụng trong kết cấu giàn; - Các loại mối hàn thường sử dụng trong kết cấu giàn tiết diện rỗng (kiểu mối ghép, hàn ngấu (CJP) hay không ngấu (PJP), có vát mép hay không; - Các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng hàn; - Ảnh hưởng của kích thước mối hàn góc và chiều dài đường hàn đến điều kiện làm việc của kết cấu hàn; - Các dạng phá hủy thường gặp; - Tính toán thiết kế nút giàn hàn kiểu chữ K (có khe hở và chồng lấp), N,… dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng biến đổi; - Tính toán thiết kế nút giàn hàn kiểu chữ K (có khe hở và chồng lấp), N,… dưới tác dụng của mô men, lực kéo – nén; - Tính toán thiết kế nút giàn hàn bán bu lông kiểu chữ T, Y, K. Trong nghiên cứu của mình, Jeffrey Packer và cộng sự cũng chưa có những phân tích, tính toán và đánh giá về sự phân bố ứng suất dư và biến dạng hàn khi hàn nút giàn dạng rỗng. Đồng thời cũng chưa công bố dữ liệu về trường nhiệt độ khi hàn nút giàn dạng rỗng để làm cơ sở tính toán ứng suất dư và biến dạng hàn.
Gang Zhao, Finite Element Analysis and Design of Welded CHS Connections (Thesis) [42]. Trong nghiên cứu của mình, Gang Zhao đã nêu được ưu nhược điểm của kết cấu hình dạng rỗng (HSS – Hollow Structural Shapes) có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhất trong thiết kế, chế tạo kết cấu thép. Đồng thời tác giả sử dụng phần mềm Ansys 9.0 để tính toán, phân tích và mô phỏng trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng hàn liên kết hàn hộp rỗng kiểu chữ K không khe hở. Cũng trong nghiên cứu này, tác giả có những phân tích, đánh giá tổng thể về sự ảnh hưởng của ứng suất dư đến mức độ biến dạng của liên kết hàn.
Tuy nhiên, trong báo cáo của mình, Gang Zhao chỉ dừng lại ở mô phỏng số và kết quả đã đưa ra được hình ảnh, đồ thị sự phân bố ứng suất dư và biến dạng hàn.