Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt kết cấu đến ứng suất tập trung ứng suất dư trong liên kết hàn góc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của phương pháp xử lý bề mặt đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc.

• Tác giả: Võ Trần Minh Nhựt
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Phước Nhân
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt kết cấu đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Giới thiệu chung về hiện tượng mỏi trong liên kết hàn
• 1.2. Các nguyên nhân gây phá hoại mỏi
• 1.2.1. Cơ chế phá hoại mỏi
• 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu mỏi của kết cấu sử dụng liên kết hàn
• 1.2.2.1. Ứng suất
• 1.2.2.1.1. Ứng suất tập trung
• 1.2.2.1.2. Ứng suất dư
• 1.2.2.2. Các yếu tố khác
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 2.1. Ứng suất tại vị trí đường hàn
• 2.1.1. Ứng suất tập trung
• 2.1.1.1. Thành phần ứng suất trong đường hàn
• 2.1.1.2. Ứng suất danh định (nominal stress)
• 2.1.1.3. Ứng suất kết cấu (Hotspot stress)
• 2.1.1.4. Ứng suất do ảnh hưởng của khấc (Notch stress)
• 2.1.2. Phương pháp xác định ứng suất tập trung
• 2.1.2.1. Hiện tượng tập trung ứng suất tại đường hàn
• 2.1.2.2. Hệ số tập trung ứng suất tại đường hàn
• 2.1.2.3. Phương pháp xác định ứng suất tập trung và hệ số Kpeak
• 2.1.3. Phương pháp xác định ứng suất dư
• 2.1.3.1. Khái niệm nhiễu xạ tia X
• 2.1.3.2. Nguyên lý nhiễu xạ - Công thức Bragg
• 2.1.3.3. Phương pháp tính ứng suất thông qua nhiễu xạ
• 2.1.4. Phương pháp xử lý bề mặt
• 2.1.4.1. Phương pháp đầu mài (Burr grinding)
• 2.1.4.2. Phương pháp phun bi
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM
• 3.1. Kích thước mẫu thí nghiệm
• 3.2. Đặc trưng vật liệu
• 3.3. Chế tạo mẫu
• 3.4. Nguyên lý khảo sát thực nghiệm
• 3.4.1. Ứng suất tập trung
• 3.5. Quy trình thí nghiệm
• 3.5.1. Ứng suất tập trung
• 3.5.1.1. Thiết bị thí nghiệm
• 3.5.1.2. Đo đạc kích thước chân đường hàn
• 3.5.1.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
• 3.5.1.4. Thực hiện thí nghiệm
• 3.5.1.4.1. Thiết bị thí nghiệm
• 3.5.1.4.2. Thông số cài đặt vào máy
• 3.5.1.4.3. Thực hiện thí nghiệm
• 3.6. Kết quả thí nghiệm và nhận xét
• 3.6.1. Ứng suất tập trung
• 3.6.1.1. Quan hệ ứng suất biến dạng của 4 nhóm mẫu
• 3.6.1.2. Ảnh hưởng của biện pháp xử lý đến ứng suất Hotspot
• 3.6.1.2.1. Ảnh hưởng của đặc trưng hình học
• 3.6.1.2.1.1. Mẫu không xử lý (KXL)
• 3.6.1.2.1.2. Mẫu xử lý phun bi đường kính D1 (D1)
• 3.6.1.2.1.3. Mẫu xử lý phun bi đường kính D2 (D2)
• 3.6.1.2.2. Ảnh hưởng của xử lý phun bi lên ứng suất dư
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 4.1. Kết quả quá trình truyền nhiệt
• 4.2. Mô hình vật liệu thép
• 4.2.1. Ứng suất tập trung
• 4.3. Mô hình PTHH cho mẫu thí nghiệm
• 4.3.1. Ứng suất tập trung
• 4.3.1.1. Mô hình hóa hình học
• 4.3.1.2. Chia lưới phần tử
• 4.3.1.3. Nguyên lý mô phỏng
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 4.4.1. Ứng suất tập trung
• 4.4.1.1. Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng
• 4.4.1.2. So sánh giữa thực nghiệm & mô phỏng
• 4.4.1.3. So sánh ứng suất hotspot giữa thực nghiệm & mô phỏng
• 4.5. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Phương pháp xử lý bề mặt

Phương pháp xử lý bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc. Các phương pháp như phun bi và mài được sử dụng để làm sạch bề mặt, loại bỏ bụi bẩn và tăng độ bám dính của lớp sơn phủ. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các phương pháp này đến ứng suất tập trung và ứng suất dư vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Luận văn này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các phương pháp xử lý bề mặt trong việc giảm thiểu ứng suất tập trung và ứng suất dư, từ đó cải thiện độ bền liên kết hàn.

1.1. Phương pháp phun bi

Phương pháp phun bi là một kỹ thuật phổ biến trong xử lý bề mặt, sử dụng các hạt bi kim loại để làm sạch và tăng độ nhám bề mặt. Kết quả thực nghiệm cho thấy, phun bi với đường kính hạt lớn giúp giảm ứng suất dư lên đến 50%, trong khi đường kính nhỏ hơn giảm khoảng 30%. Điều này cho thấy phun bi có tác động đáng kể đến việc giảm ứng suất dư, từ đó cải thiện tuổi thọ mỏi của kết cấu.

1.2. Phương pháp mài

Phương pháp mài được áp dụng trực tiếp tại chân đường hàn để loại bỏ các khuyết tật bề mặt. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, mài giúp giảm ứng suất tập trung lên đến 45%. Điều này chứng tỏ mài là phương pháp hiệu quả trong việc giảm ứng suất tập trung, góp phần tăng cường độ bền liên kết hàn.

II. Ứng suất tập trung và ứng suất dư

Ứng suất tập trung và ứng suất dư là hai yếu tố chính gây ra phá hoại mỏi trong liên kết hàn góc. Ứng suất tập trung xuất hiện tại các vị trí có sự thay đổi đột ngột về hình học, trong khi ứng suất dư sinh ra do quá trình nguội không đồng đều sau khi hàn. Cả hai loại ứng suất này đều có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ mỏi của kết cấu. Luận văn này sử dụng phương pháp phân tích ứng suất hàn để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt đến ứng suất tập trung và ứng suất dư.

2.1. Ứng suất tập trung

Ứng suất tập trung thường xuất hiện tại các vị trí như chân đường hàn, nơi có sự thay đổi đột ngột về hình học. Kết quả thực nghiệm cho thấy, phun bi và mài đều có tác dụng giảm ứng suất tập trung, trong đó mài có hiệu quả cao hơn với mức giảm lên đến 45%. Điều này cho thấy việc xử lý bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ứng suất tập trung, từ đó cải thiện độ bền liên kết hàn.

2.2. Ứng suất dư

Ứng suất dư là kết quả của quá trình nguội không đồng đều sau khi hàn, gây ra sự phân bố ứng suất không đều trong kết cấu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, phun bi với đường kính hạt lớn giúp giảm ứng suất dư lên đến 50%, trong khi đường kính nhỏ hơn giảm khoảng 30%. Điều này chứng tỏ phun bi là phương pháp hiệu quả trong việc giảm ứng suất dư, từ đó tăng cường tuổi thọ mỏi của kết cấu.

III. Phân tích ứng suất hàn

Phân tích ứng suất hàn là một phương pháp quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt đến ứng suất tập trung và ứng suất dư. Luận văn này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích ứng suất trong liên kết hàn góc. Kết quả mô phỏng cho thấy, các phương pháp xử lý bề mặt như phun bi và mài đều có tác dụng giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư, từ đó cải thiện độ bền liên kết hàn.

3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng và phân tích ứng suất trong liên kết hàn góc. Kết quả mô phỏng cho thấy, phun bi và mài đều có tác dụng giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư, trong đó mài có hiệu quả cao hơn trong việc giảm ứng suất tập trung. Điều này chứng tỏ phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả trong việc đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt đến ứng suất hàn.

3.2. Kết quả phân tích

Kết quả phân tích cho thấy, phun bi với đường kính hạt lớn giúp giảm ứng suất dư lên đến 50%, trong khi mài giúp giảm ứng suất tập trung lên đến 45%. Điều này chứng tỏ các phương pháp xử lý bề mặt có tác động đáng kể đến ứng suất hàn, từ đó cải thiện độ bền liên kết hàn và tuổi thọ mỏi của kết cấu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc là hai yếu tố chủ yếu gây phá hoại mỏi cho kết cấu thép chịu tải trọng động. Theo ước tính, phá hoại mỏi chiếm tỷ lệ lớn trong các sự cố kết cấu thép, đặc biệt tại vị trí chân đường hàn, nơi ứng suất tập trung và ứng suất dư thường đạt giá trị cao. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt kết cấu thép, đặc biệt là phương pháp phun bi và mài, đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu thép A572-Grade 42 với kích thước chuẩn, mô phỏng vị trí liên kết sườn gia cường với bản cánh dầm thép, trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ mỏi của kết cấu thép, góp phần giảm thiểu rủi ro phá hoại sớm do mỏi, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt trong công nghiệp chế tạo kết cấu thép. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ cải tiến các tiêu chuẩn thiết kế mỏi hiện hành, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ứng suất tập trung (Stress Concentration) và lý thuyết ứng suất dư (Residual Stress). Ứng suất tập trung xuất hiện do sự thay đổi đột ngột về hình học tại chân đường hàn, gây ra biến dạng dẻo cục bộ và hình thành vết nứt mỏi. Ứng suất dư sinh ra từ quá trình nguội không đồng đều trong quá trình hàn, có thể là ứng suất kéo hoặc nén, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu mỏi của kết cấu.

Mô hình ứng suất kết cấu (Hotspot Stress) và ứng suất notch (Notch Stress) được sử dụng để phân tích chi tiết sự phân bố ứng suất tại vị trí chân đường hàn. Công thức xác định hệ số tập trung ứng suất Kpeak và Khs được áp dụng theo tiêu chuẩn IIW, giúp tính toán chính xác ứng suất tập trung dựa trên đặc trưng hình học của đường hàn như góc nghiêng flank angle và bán kính chân đường hàn.

Phương pháp xác định ứng suất dư sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction), dựa trên nguyên lý định luật Bragg để đo biến dạng tinh thể và từ đó tính toán ứng suất dư bề mặt không phá hủy. Phương pháp này cho phép đo ứng suất dư trong lớp bề mặt mỏng, rất phù hợp với khảo sát ứng suất dư tại chân đường hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp khảo sát thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn (PTHH). Thí nghiệm được thực hiện trên 15 mẫu thép A572-Grade 42, gồm 4 nhóm: mẫu không xử lý (KXL), mẫu xử lý mài (M), và hai nhóm xử lý phun bi với đường kính bi khác nhau (D1 = 1mm, D2 = 2mm). Mỗi nhóm có từ 3 đến 4 mẫu, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy số liệu.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí liên kết sườn gia cường với bản cánh dầm thép, kích thước mẫu 500 × 50 × 8 mm cho bản thép và 100 × 50 × 6 mm cho sườn đứng, tạo thành liên kết chữ T. Mẫu được hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với chiều cao đường hàn 6 mm và góc nghiêng 45°, đảm bảo đồng nhất về chất lượng đường hàn.

Phân tích ứng suất tập trung được thực hiện bằng cách dán strain gauge tại các vị trí hotspot theo tiêu chuẩn IIW, đo biến dạng ứng suất dưới các cấp tải trọng từ 50 MPa đến 200 MPa. Ứng suất dư được đo bằng thiết bị nhiễu xạ tia X X’Pert Pro, với quy trình đo đa góc ψ để xác định chính xác biến dạng và ứng suất.

Mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ABAQUS, mô hình hóa hình học và vật liệu thép theo đặc trưng thực nghiệm, chia lưới phần tử theo khuyến nghị IIW. Phân tích phi tuyến được áp dụng để mô phỏng ứng suất tập trung và ứng suất dư, kết quả so sánh với dữ liệu thực nghiệm nhằm đánh giá độ chính xác của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của phương pháp xử lý đến ứng suất tập trung:
   Kết quả thực nghiệm cho thấy ứng suất tập trung giảm gần 45% đối với mẫu mài (M) so với mẫu không xử lý (KXL). Hai mẫu phun bi (D1 và D2) giảm ứng suất tập trung khoảng 12%. Cụ thể, ứng suất hotspot tại vị trí S1 của mẫu KXL đạt trung bình 150 MPa, trong khi mẫu M giảm xuống còn khoảng 82 MPa, mẫu D1 và D2 lần lượt là 132 MPa và 130 MPa.

2. Ảnh hưởng đến ứng suất dư:
   Mẫu phun bi với đường kính bi lớn hơn (D2) giảm ứng suất dư gần 50%, trong khi mẫu phun bi đường kính nhỏ (D1) giảm khoảng 30% so với mẫu không xử lý. Ứng suất dư đo được trên bề mặt mẫu KXL là khoảng 200 MPa, giảm xuống còn 100 MPa ở mẫu D2 và 140 MPa ở mẫu D1.

3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng:
   Mô phỏng phần tử hữu hạn cho kết quả ứng suất hotspot tương đối phù hợp với thực nghiệm, sai số trung bình dưới 10%. Đường cong ứng suất biến dạng mô phỏng trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm tại các vị trí S1, S2 và S3, chứng tỏ mô hình PTHH có thể dự đoán chính xác ứng suất tập trung và dư trong liên kết hàn góc.

4. Ảnh hưởng của đặc trưng hình học:
   Bán kính chân đường hàn và góc flank angle ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số tập trung ứng suất Kpeak. Mẫu mài với bán kính chân đường hàn tăng lên làm giảm đáng kể ứng suất notch stress, góp phần làm giảm ứng suất tập trung tổng thể.

Thảo luận kết quả

Việc giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư thông qua xử lý bề mặt có thể giải thích bởi sự cải thiện hình học tại chân đường hàn và sự tạo ra ứng suất dư nén dưới bề mặt do phun bi. Mài làm tăng bán kính chân đường hàn, giảm độ dốc flank angle, từ đó giảm hệ số tập trung ứng suất. Phun bi tạo ra lớp ứng suất dư nén, làm giảm ứng suất dư kéo vốn là nguyên nhân chính gây phá hoại mỏi.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư khi áp dụng xử lý bề mặt cơ khí. Tuy nhiên, mức giảm ứng suất tập trung do phun bi thấp hơn so với mài, do phun bi chủ yếu tác động lên ứng suất dư và độ nhám bề mặt hơn là thay đổi hình học chân đường hàn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh ứng suất hotspot và ứng suất dư giữa các nhóm mẫu, cũng như bảng tổng hợp giá trị hệ số tập trung ứng suất Kpeak và Khs. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp xử lý bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp mài tại chân đường hàn:
   Thực hiện mài với đầu mài có đường kính phù hợp (khoảng 3 mm) tại chân đường hàn để tăng bán kính chân hàn, giảm ứng suất tập trung khoảng 45%. Thời gian thực hiện trước khi sơn phủ, do đội ngũ kỹ thuật hàn và bảo trì kết cấu đảm nhiệm.

2. Sử dụng phun bi với đường kính bi lớn:
   Áp dụng phun bi với bi đường kính khoảng 2 mm để tạo lớp ứng suất dư nén, giảm ứng suất dư gần 50%, tăng tuổi thọ mỏi kết cấu. Phương pháp này nên được thực hiện đồng thời với công đoạn làm sạch bề mặt trước khi sơn phủ, do đội ngũ thi công bề mặt đảm nhận.

3. Kết hợp xử lý mài và phun bi:
   Đề xuất kết hợp hai phương pháp để tận dụng ưu điểm giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư, tối ưu hóa khả năng chịu mỏi của liên kết hàn. Thời gian thực hiện cần được lên kế hoạch chi tiết trong quy trình chế tạo kết cấu.

4. Áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế:
   Khuyến khích sử dụng mô hình PTHH để dự đoán ứng suất tập trung và dư trong các chi tiết kết cấu phức tạp, giúp tối ưu thiết kế và lựa chọn phương pháp xử lý bề mặt phù hợp. Cần đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư thiết kế về phần mềm mô phỏng và phân tích phi tuyến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu thép:
   Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp xác định ứng suất tập trung, ứng suất dư, giúp thiết kế liên kết hàn có tuổi thọ mỏi cao hơn, giảm rủi ro phá hoại sớm.

2. Chuyên gia thi công và bảo trì kết cấu:
   Thông tin về các phương pháp xử lý bề mặt như mài và phun bi giúp lựa chọn kỹ thuật thi công phù hợp, nâng cao chất lượng và độ bền của kết cấu thép trong thực tế.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng:
   Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và mô phỏng hiện đại, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng suất và tuổi thọ mỏi kết cấu hàn.

4. Các đơn vị quản lý dự án và kiểm định chất lượng:
   Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá chính xác hơn về độ bền mỏi của kết cấu thép, từ đó đưa ra các tiêu chuẩn kiểm định và bảo trì phù hợp, đảm bảo an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp phun bi ảnh hưởng như thế nào đến ứng suất dư trong liên kết hàn?
   Phun bi tạo ra lớp ứng suất dư nén dưới bề mặt, làm giảm ứng suất dư kéo khoảng 30-50%, từ đó tăng khả năng chịu mỏi của kết cấu. Ví dụ, mẫu phun bi đường kính 2 mm giảm ứng suất dư gần 50% so với mẫu không xử lý.

2. Tại sao ứng suất tập trung lại quan trọng trong phá hoại mỏi của kết cấu hàn?
   Ứng suất tập trung gây biến dạng dẻo cục bộ tại chân đường hàn, tạo điều kiện hình thành và phát triển vết nứt mỏi. Giảm ứng suất tập trung giúp kéo dài tuổi thọ mỏi của kết cấu.

3. Mô phỏng phần tử hữu hạn có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
   Mô phỏng là công cụ hỗ trợ hiệu quả nhưng cần được hiệu chỉnh và kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác, đặc biệt với các chi tiết phức tạp.

4. Phương pháp mài có ưu điểm gì so với phun bi?
   Mài làm thay đổi hình học chân đường hàn, tăng bán kính chân hàn, giảm ứng suất tập trung đến 45%, trong khi phun bi chủ yếu tác động lên ứng suất dư và độ nhám bề mặt.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại thép khác không?
   Kết quả chủ yếu áp dụng cho thép A572-Grade 42, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại thép khác với đặc trưng cơ lý tương tự, cần thí nghiệm bổ sung để xác nhận.

Kết luận

• Ứng suất tập trung và ứng suất dư là hai nhân tố chính ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi của liên kết hàn góc trong kết cấu thép.
• Phương pháp mài giảm ứng suất tập trung gần 45%, trong khi phun bi giảm ứng suất dư từ 30% đến 50%, góp phần tăng tuổi thọ mỏi kết cấu.
• Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng ABAQUS cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, có thể ứng dụng trong thiết kế và đánh giá kết cấu.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn và áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt trong công nghiệp chế tạo kết cấu thép tại Việt Nam.
• Đề xuất kết hợp xử lý mài và phun bi, đồng thời áp dụng mô phỏng số để tối ưu hóa thiết kế và thi công, nâng cao hiệu quả và độ bền của kết cấu thép.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp xử lý bề mặt trong các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại thép và điều kiện tải trọng khác nhau để hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế mỏi cho kết cấu hàn. Độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng và độ bền công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu Trong kết cấu thép sử dụng liên kết hàn chịu tải trọng lập, phá hoại mỏi thường xảy ra sớm hơn trước khi thép đạt đến giới hạn bền. Nguyên nhân này được cho là do có sự tồn tại của ứng suất dư và ứng suất tập trung trong liên kết hàn. Vì thế một số phương pháp xử lý bề mặt đường hàn được đưa ra để làm giảm hoặc hạn chế sự ảnh hưởng của ứng suất tập trung và ứng suất dư lên tuổi thọ mỏi của kết cấu. Trong luận văn này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử lý bề mặt bằng cách phun bi sắt đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc của kết cấu thép.1 Giới thiệu chung về hiện tượng mỏi trong liên kết hàn Hàn là phương pháp liên kết phổ biến nhất đối với các kết cấu kim loại ngày nay.

Ứng dụng trong công nghiệp của nó là vô cùng quan trọng và rất nhiều các công trình lớn được thiết kế và lắp dựng trong những thập kỷ qua sẽ không thể thực hiện được nếu không có công nghệ hàn. Ví dụ điển hình như cầu thép, kết cấu tàu thuyền, kết cấu lớn ngoài khơi để khai thác dầu (giàn khoan trên biển). Phân tích cường độ của kết cấu sử dụng liên kết hàn cũng được quan tâm như các loại liên kết khác. Các cơ chế phá hoại khác nhau có thể tránh được thông 1 qua thiết kế phù hợp, việc lựa chọn vật liệu và kích thước tiết diện.

Các tiêu chuẩn thiết kế về chảy dẻo, mất ổn định, từ biến, ăn mòn, và mỏi phải được kiểm tra cẩn thận trong từng điều kiện tải và môi trường cụ thể. Tuy nhiên, một thực tế là mối nối hàn đặc biệt dễ bị phá hoại mỏi khi chịu tải trọng lặp (tải trọng động). Vết nứt do mỏi sẽ hình thành và phát triển trong vùng lân cận của các mối hàn trong quá trình sử dụng hàng ngày ngay cả khi ứng suất động là nhỏ và thấp hơn giới hạn dẻo [8]. Vấn đề trở nên rất rõ ràng nếu kết cấu được tối ưu hóa bằng cách lựa chọn thép cường độ cao.

Lý do cho sự lựa chọn này là để có ứng suất cao hơn và kích thước tiết diện giảm xuống, tận dụng lợi ích của vật liệu có độ bền cao với giới hạn chảy cao. Tuy nhiên, cường độ mỏi của liên kết hàn không phải bị chi phối chủ yếu bởi cường độ của vật liệu cấu thành liên kết, mà chủ yếu bị chi phối bởi kích thước hình học tổng thể và cục bộ của mối nối. Do đó, dù giới hạn chảy tăng cao nhưng cường độ mỏi không cải thiện đáng kể.1 mô tả so sánh sức bền mỏi của mẫu thép tấm trơn, mẫu đục lỗ và mẫu có đường hàn góc theo cường độ, nhận thấy rằng với cường độ càng tăng, thì sức bền mỏi càng tăng ứng với mẫu thép trơn và mẫu đục lỗ, tuy nhiên với mẫu hàn thì sức bền mỏi hầu như không tăng nhiều. Điều này đã nói rõ lên vấn đề phá hoại do mỏi mới là vấn đề chính cần được qua tâm.

Bỏ qua vấn đề này có thể dẫn đến phá hoại do mỏi và kéo theo những hậu quả nghiêm trọng [8].1: Ảnh hưởng của cường độ thép lên sức bền mỏi [1] 2 Một số hình ảnh phá hoại do mỏi trong dầm cầu thép chịu tải trọng lập được minh họa trong hình 1.2: Vết nứt trên dầm cầu có liên kết hàn [2] Hình 1.3: Vết nứt tại sườn gia cường của cầu Marquam , Portland, Oregon [3] 3 1.2 Các nguyên nhân gây phá hoại mỏi 1.1 Cơ chế phá hoại mỏi Phá hoại do mỏi là một hiện tượng tự nhiên của vật liệu kim loại khi chịu tải trọng và ứng suất lặp đi lặp lại, do có sự tách lớp, trượt hoặc xoắn giữa các thớ vật liệu với nhau, dẫn đến những vết nứt nhỏ trong vùng có ứng suất hay biến dạng lớn, dần dần các vết nứt nhỏ này hình thành nên vết nứt lớn hơn rồi dẫn đến phá hoại như hình 1. Một phá hoại do mỏi sẽ bao gồm 3 giai đoạn sau : hình thành vết nứt, phát triển vết nứt và phá hoại cục bộ tiết diện [13].4: Các mode phá hoại do mỏi [4] 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu mỏi của kết cấu sử dụng liên kết hàn 1.1 Ứng suất • Ứng suất tập trung Xuất hiện khi có sự thay đổi đột ngột về đặc trưng hình học của cấu kiện như tại các vị trí khe rãnh, khấc, lỗ. Ứng suất tập trung có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố ứng suất trong cấu kiện. Khi chịu tải trong lặp, vùng ứng suất tập trung này sẽ gây nên những biến dạng dẻo cục bộ, từ đó sẽ dẫn đến việc xuất hiện vết nứt gây phá hoại mỏi cho kết cấu.

4 • Ứng suất dư Ứng suất dư sinh ra do quá trình nguội không đồng đều của kết cấu kim loại trong quá trình hàn. Ứng suất dư gây nén nhìn chung sẽ làm tăng khả năng chịu mỏi, ngược lại, ứng suất dư gây kéo sẽ làm tăng ứng suất trung bình, dẫn đến khả năng chịu mỏi giảm và phá hoại sớm.2 Các yếu tố khác • Biên độ ứng suất ∆σ Là độ chênh lệch giữa ứng suất cực đại với ứng suất cực tiểu của tải trọng lặp (Hình 1. Biên độ ứng suất có ảnh hưởng quan trọng tới sự phát triển vết nứt tại khu vực lân cận vết nứt [14].5: Ảnh hưởng của biên độ ứng suất [1] • Tần số của tải trọng Các nghiên cứu trước cho thấy tần số của tải trọng không gây ảnh hưởng đáng kể đến cường độ mỏi một cách đáng kể khi biên độ ứng suất ∆σ là nhỏ và có tần số dưới 50Hz , nhưng khi biên độ ứng suất là lớn, sự tăng tầng số có thể gây ra những thay đổi đối với cường độ mỏi [14]. • Đặc trưng hình học Kích thước cấu kiện có ảnh hưởng lên sức bề mỏi của kết cấu theo qui luật tỉ lệ nghịch, sức bền mỏi sẽ giảm khi kích thước tăng.

Ảnh hưởng của kích thước cũng tăng với cấu kiện chịu uốn mỏng, nó có thể làm tăng sức kháng mỏi bởi việc tăng độ dốc biến dạng (strain gradient) so với cấu kiện lớ [1].6: Ảnh hưởng của kích thước hình học [1] • Vật liệu Một cách tổng quát thì sức kháng mỏi phụ thuộc vào đặc trưng vật, nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng, trong những điều kiện lý tưởng thì giới hạn mỏi xấp xỉ 50% giới hạn biền của vật liệu, tuy nhiên, sẽ có rất nhiều nhân tố làm ảnh hưởng đến kết quả trên. Chi tiết được minh họa trong hình 1. • Ảnh hưởng của môi trường Các yếu tố tác động của môi trường cũng là điều quan trọng đối với sức kháng mỏi của kết cấu ví dụ như trong môi trường nước biển, có sự ăn mòn xảy ra, sẽ tác động làm để nhanh tiến trình mỏi từ đó dẫn đến sự phá hoại.7 thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố môi trường lên sức bền mỏi [8]. Trong luận văn này, vấn đề về ứng suất tập trung, ứng suất dư và ảnh hưởng của nó sẽ được quan tâm nghiên cứu.7: Ảnh hưởng của môi trường [5] 1.3 Sơ lược về xử lý bề mặt kết cấu Việc xử lý bề mặt kết cấu thép bao gồm 2 mục đích: • Thứ nhất là xử lý cục bộ đường hàn ở những vị trí nguy hiểm • Thứ hai là xử lý bề mặt toàn bộ kết cấu để phục vụ cho việc sơn bảo vệ kết cấu khỏi bị ăn mòn Việc xử lý cục bộ đường hàn tại vị trí nguy hiểm bằng các phương pháp như đĩa mài, búa rèn, TIG.

có tác dụng cải thiện dạng hình học tại chân đường hàn, làm giảm ứng suất tập trung tại vị trí chân đường hàn, đồng thời giảm ứng suất dư gây kéo hoặc tạo ứng suất dư gây nén nhằm tăng khả năng chịu mỏi của kết cấu. Việc xử lý tổng thể nhằm mục đích làm sạch bề mặt kết cấu cũng như tạo độ nhám của bề mặt để tăng độ bám dính của sơn vào kết cấu. Tuy nhiên, việc xử lý tổng thể này có thể tác động hiệu quả đến việc làm giảm ứng suất tập trung và ứng suất dư trong đường hàn, góp phần tăng tuổi thọ mỏi cho công trình.4 Động lực nghiên cứu Trong tiêu chuẩn Eurocode 3 [15], có trình bày cơ bản về việc thiết kế kháng mỏi cho kết cấu áp dụng phương pháp phân loại nhóm và tra biểu đồ được lập từ những số liệu có được từ thực nghiệm. Còn đối với tiêu chuẩn của Việt Nam TCVN [16] thì cũng có đề cập đến trong thiết kế cầu thép.

Tuy nhiên trong ngành dân dụng, việc xét đến vấn đề mỏi dường như không được quan tâm đến trong khi dầm cầu chạy trong nhà công nghiệp cũng được xem như là kết cấu chịu tải trong động hay kết cấu có đặt máy công nghiệp. Bên cạnh đó, việc tra bảng phân loại nhóm và biểu đồ này không mang tính cụ thể, chỉ áp dụng cho kiểu liên kết khi cần đánh giá tuổi thọ mỏi, nó không kể đến kích thước đường hàn và hình dáng bề mặt của liên kết cũng như ứng suất dư tồn tại trong đó [8]. Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến hiện tượng phá hoại mỏi của liên kết hàn nói chung hay ảnh hưởng của ứng suất tập trung và ứng suất dư tại đường hàn là một đề tài rất hay, đã được nhiều tác giả nổi tiếng nghiên cứu từ nhiều thập niên trước, và được xem như các chuyên gia đầu ngành về hiện tượng mỏi trong kết cấu, cụ thể như Maddox [1], Neuber H. Tuy nhiên ở Việt Nam, những nghiên cứu về lĩnh vực này hầu như chưa có dẫn đến việc tìm hiểu ảnh hưởng của ứng suất tập trung và ứng suất dư tại vị trí đường hàn đến tuổi thọ mỏi của liên kết là điều cần thiết.

Hơn nữa, ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt lên hai giá trị ứng suất này như thế nào trong quá trình chuẩn bị cho việc sơn phủ bảo vệ kết cấu cũng chưa được quan tâm. Liệu việc xử lý này có đóng góp cho việc tăng cường tuổi thọ mỏi của liên kết hay không, sẽ được làm rõ trong nghiên cứu này. Đối với các dầm có chiều cao lớn, hay tại những vị trí lực tập trung, nơi có giá trị ứng suất nguy hiểm, người ta thường hàn thêm sườn gia cường để đảm bảo sự ổn định của kết cấu trong quá trình làm việc. Tuy nhiên đường hàn tại đây là nơi có nguy cơ dễ bị phá hoại mỏi.