Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích ảnh hưởng của mode i và mode ii đến ứng xử nứt do mỏi trong liên kết giữa dầm i và giằng ngang

Phân tích ảnh hưởng của Mode I và Mode II đến ứng xử nứt do mỏi trong liên kết dầm I và giằng ngang, giúp hiểu rõ cơ chế phá hủy kết cấu.

• Tác giả: Trần Vũ
• Người hướng dẫn: Đinh Thế Hưng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Phân tích ảnh hưởng của mode I và mode II đến ứng xử nứt do mỏi trong liên kết giữa dầm I và giằng ngang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phân tích ảnh hưởng của Mode I và Mode II

Phân tích ảnh hưởng của Mode I và Mode II là trọng tâm của nghiên cứu này. Mode I liên quan đến ứng suất kéo mở vết nứt, trong khi Mode II liên quan đến ứng suất trượt làm trượt vết nứt. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự kết hợp của hai mode này ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử nứt do mỏi trong liên kết dầm I và giằng ngang. Sử dụng mô hình mật độ năng lượng biến dạng (SED), nghiên cứu đã dự đoán chính xác sự phát triển của vết nứt dưới tác động của tải trọng lặp. Kết quả cho thấy Mode I chiếm ưu thế trong giai đoạn đầu, trong khi Mode II trở nên quan trọng khi vết nứt lan truyền.

1.1. Ứng xử nứt do mỏi

Ứng xử nứt do mỏi được nghiên cứu thông qua thí nghiệm và mô hình lý thuyết. Vết nứt xuất hiện tại vị trí liên kết giữa giằng ngang và dầm I, đặc biệt là ở bản cánh chịu kéo. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), nghiên cứu đã mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt dưới tác động của tải trọng lặp. Kết quả thí nghiệm cho thấy vết nứt phát triển theo ba giai đoạn: khởi phát, lan truyền và phá hoại. Mô hình SED đã chứng minh hiệu quả trong việc dự đoán sự lan truyền vết nứt, đặc biệt khi kết hợp với Mode I và Mode II.

1.2. Mô hình Mode I và Mode II

Mô hình Mode I và Mode II được sử dụng để phân tích sự lan truyền vết nứt trong liên kết dầm I và giằng ngang. Mode I chiếm ưu thế trong giai đoạn đầu khi vết nứt mở ra do ứng suất kéo. Mode II trở nên quan trọng khi vết nứt lan truyền vào bản bụng dầm I. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự kết hợp của hai mode này ảnh hưởng đến tốc độ lan truyền vết nứt và thời gian phá hoại của kết cấu. Mô hình SED đã được sử dụng để tính toán năng lượng biến dạng tại đầu vết nứt, giúp dự đoán chính xác hướng và tốc độ lan truyền vết nứt.

II. Liên kết dầm I và giằng ngang

Liên kết dầm I và giằng ngang là một trong những yếu tố quan trọng trong kết cấu cầu thép. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ứng xử nứt do mỏi trong liên kết này dưới tác động của tải trọng lặp. Giằng ngang được liên kết với dầm I thông qua sườn đứng, tạo ra các điểm tập trung ứng suất. Vết nứt thường xuất hiện tại vị trí liên kết giữa sườn đứng và bản cánh chịu kéo của dầm I. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt và đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường như sườn đứng và sườn dọc.

2.1. Kết cấu dầm và giằng ngang

Kết cấu dầm và giằng ngang được thiết kế để chịu tải trọng lặp trong thời gian dài. Dầm I là thành phần chính chịu lực, trong khi giằng ngang giúp ổn định kết cấu. Nghiên cứu chỉ ra rằng vết nứt thường xuất hiện tại vị trí liên kết giữa sườn đứng và bản cánh chịu kéo của dầm I. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), nghiên cứu đã mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt và đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường như sườn đứng và sườn dọc. Kết quả cho thấy việc gia cường sườn đứng và sườn dọc giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu tải trọng mỏi của kết cấu.

2.2. Phân tích kết cấu

Phân tích kết cấu được thực hiện để đánh giá ứng xử nứt do mỏi trong liên kết dầm I và giằng ngang. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt dưới tác động của tải trọng lặp. Kết quả cho thấy vết nứt thường xuất hiện tại vị trí liên kết giữa sườn đứng và bản cánh chịu kéo của dầm I. Mô hình SED đã được sử dụng để tính toán năng lượng biến dạng tại đầu vết nứt, giúp dự đoán chính xác hướng và tốc độ lan truyền vết nứt. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc gia cường sườn đứng và sườn dọc giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu tải trọng mỏi của kết cấu.

III. Mỏi vật liệu và nứt trong kết cấu

Mỏi vật liệu là hiện tượng phá hoại dần dần của vật liệu dưới tác động của tải trọng lặp. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích nứt trong kết cấu dưới tác động của tải trọng mỏi. Vết nứt thường xuất hiện tại các điểm tập trung ứng suất, đặc biệt là trong liên kết dầm I và giằng ngang. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt và đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường như sườn đứng và sườn dọc. Kết quả cho thấy việc gia cường sườn đứng và sườn dọc giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu tải trọng mỏi của kết cấu.

3.1. Nứt do mỏi

Nứt do mỏi là hiện tượng phổ biến trong các kết cấu chịu tải trọng lặp. Nghiên cứu chỉ ra rằng vết nứt thường xuất hiện tại các điểm tập trung ứng suất, đặc biệt là trong liên kết dầm I và giằng ngang. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), nghiên cứu đã mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt dưới tác động của tải trọng lặp. Kết quả cho thấy vết nứt thường xuất hiện tại vị trí liên kết giữa sườn đứng và bản cánh chịu kéo của dầm I. Mô hình SED đã được sử dụng để tính toán năng lượng biến dạng tại đầu vết nứt, giúp dự đoán chính xác hướng và tốc độ lan truyền vết nứt.

3.2. Tải trọng mỏi

Tải trọng mỏi là yếu tố chính gây ra nứt trong kết cấu. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ứng xử nứt do mỏi trong liên kết dầm I và giằng ngang dưới tác động của tải trọng lặp. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), nghiên cứu đã mô phỏng quá trình lan truyền vết nứt và đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường như sườn đứng và sườn dọc. Kết quả cho thấy việc gia cường sườn đứng và sườn dọc giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu tải trọng mỏi của kết cấu. Mô hình SED đã được sử dụng để tính toán năng lượng biến dạng tại đầu vết nứt, giúp dự đoán chính xác hướng và tốc độ lan truyền vết nứt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. Giới thiệu chung:. Mục tiêu của đề tài:. Phương pháp nghiên cứu:.

Phạm vi nghiên cứu:. 2 CHƯƠNG II. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU:. Tình hình nghiên cứu chung:.

Các mô hình tổ hợp mode của vết nứt phát triển do mỏi được sử dụng trước đây: .1 Các tiêu chuẩn tổ hợp mode của vết nứt phát triển do mỏi:. Tiêu chuẩn phát triển vết nứt dựa theo ứng suất:. Tiêu chuẩn phát triển vết nứt dựa theo chuyển vị:. Tiêu chuẩn phát triển vết nứt dựa theo năng lượng:.2 Các mô hình tổ hợp mode trong sự lan truyền vết nứt do mỏi:.

Các mô hình sử dụng định luật Paris hiệu chỉnh:. Mô hình năng lượng biến dạng (SED):. Phương pháp nghiên cứu:. Mô hình lý thuyết:.

Ứng xử của vết nứt do mỏi ở bản cánh chịu kéo:. Dự đoán sự lan truyền vết nứt do mỏi:. Tổ hợp mode lan truyền vết nứt do mỏi:. Các hằng số vật liệu vật liệu:.

Các mô hình liên kết được phân tích trong đề tài :. 27 CHƯƠNG III. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM:. Xây dựng mô hình thực nghiệm: .1 Mẫu thí nghiệm và tải trọng lặp tác dụng: .2 Các đặc tính của vật liệu: .3 Dụng cụ thí nghiệm:.

Qui trình thí nghiệm :. Kết quả thí nghiệm:. 39 CHƯƠNG IV. MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN:.

Giới thiệu chung:. Chi tiết về các phần tử trong mô hình FEM:. Tải trọng và điều kiện biên:. Mô hình vết nứt ban đầu:.

Mô hình các phần tử ở đầu vết nứt:. Chia lưới phần tử:. Áp dụng mật độ năng lượng biến dạng trong mô hình phần tử hữu hạn:. Mô hình phần tử hữu hạn:.

Kết quả từ mô hình phần tử hữu hạn:. Kiểm chứng mô hình lý thuyết và thực nghiệm:. Ảnh hưởng của sườn đứng và sườn dọc đến quá trình phát triển vết nứt:. Ứng xử nứt do mỏi của liên kết giằng ngang và dầm I:.

Mô hình FEM:. Hướng phát triển của đề tài:. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 70 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dầm cầu thép US422 bắc qua sông Schuylkill xuất hiện vết nứt năm 2003.1 Vết nứt xuất hiện ở dầm cầu Quinnipiac River Hình 2.2 Các giai đoạn hình thành vết nứt ở dầm cầu Quinnipiac River Hình 2.3: Mẫu dầm thí nghiệm của David T.Delong và Mark D.4: Sự phát triển vết nứt của chi tiết liên kết trong thí nghiệm của David T.Delong và Mark D.5: Vết nứt ở mặt dưới bản cánh chịu kéo thí nghiệm của David T.Delong và Mark D.6: Ứng xử ngoài mặt phẳng của dầm I.7: Sơ đồ thí nghiệm của Đinh Thế Hưng.8: Mô hình thí nghiệm của Đinh Thế Hưng (mặt trước và mặt sau).9: Nhóm mẫu thí nghiệm 1 của Đinh Thế Hưng.10: Nhóm mẫu thí nghiệm 2 của Đinh Thế Hưng.11: Nhóm mẫu thí nghiệm 3 của Đinh Thế Hưng.12: Phá hoại ở nhóm mẫu thí nghiệm 1 của Đinh Thế Hưng.13: Vết nứt trước và sau phá hoại ở nhóm mẫu thí nghiệm 1 của Đinh Thế Hưng.14: Ba giai đoạn vết nứt phát triển vết nứt.15: Vết nứt phát triển ở mâu thí nghiệm thứ 9.16: Sự phân bố ứng suất ở đầu vết nứt Hình 2.17: Chuyển vị tại đầu vết nứt Hình 2.18: Mô hình chuyển vị của vết nứt dưới ảnh hưởng của mode I và mode II Hình 2.19: Mẫu thí nghiệm của Fisher Hình 2.20: Mô hình thí nghiệm của Fisher Hình 2.21: Mối quan hệ da/dn vs ΔS và da/dN vs ΔK.22: Mối quan hệ da/dN vs ΔSeff.23: Mô hình 1 - liên kết giữa giằng ngang và dầm I (mặt trước và mặt sau).24: Mô hình 2- liên kết giữa giằng ngang và dầm I có gia cường sườn đứng ở mặt sau.25: Mô hình 3 – mô hình có sườn dọc ở giữa bụng dầm.26: Mô hình 4 – có sườn dọc cách bụng dầm 2cm về phía bên dưới.1: Mô hình thí nghiệm Hình 3.2: Kích thước mẫu làm thí nghiệm Hình 3.3: Hệ dầm I và giằng ngang Hình 3.4: Tám vị trí dán strain gages cho dầm làm thí nghiệm.5: (a) Strain gages bên trái, (b) Strain gages bên phải giằng ngang.6: Strain gause A dán phía dưới dầm.7: Dầm I được cố định nhờ 2 thanh neo 2 đầu dầm.8: Tải trọng lặp Pmax/Pmin = 8T/1.6T với tầng số 5Hz Hình 3.9: Vết nứt hình thành phần cánh dưới dầm I Hình 3.10: Hướng phát triển vết nứt và số vòng lặp Hình 4.1: Phần tử SOLID 45 trong Ansys Hình 4.2: Mô hình chi tiết liên kết trong ANSYS Hình 4.3: Vết nứt ban đầu xuất hiện ở bản cánh chịu kéo Hình 4.4: Mô hình các phần tử ở đầu vết nứt (ring elements) Hình 4.5: Chia lưới phần tử Hình 4.6: Ring elements ở đầu vết nứt Hình 4.7: Chi tiết phần tử ring elements Hình 4.8: Mô hình phần tử hữu hạn giằng ngang liên kết dầm I Hình 4.9: Mô hình ở bản cánh chiu kéo khi chưa xuất hiện và xuất hiện vết nứt Hình 4.10: Giá trị ứng suất kéo σ 11 tại bản cánh dầm ứng với cận trên của tải trọng Hình 4.11: Giá trị ứng suất σ 12 tại bản cánh dầm ứng với cận dưới của tải trọng Hình 4.12: Mô hình SED khi vết nứt phát triển Hình 4.13: Chu kỳ của tải trọng ứng với các gia số chiều dài phát triển vết nứt Hình 4.14: Chu kỳ của tải trọng ứng với chiều dài vết nứt theo lý thuyết và thực nghiệm Hình 4.15: Mô hình liên kết giữa giằng ngang và dầm I có sườn đứng ở mặt sau Hình 4.16: Biểu đồ so sánh số chu kỳ của tải trọng mỏi trong mô hình 1 và mô hình 2 Hình 4.17: Mô hình 3 Hình 4.18: Mô hình 4 Hình 4.19: Mô hình 5 viii Hình 4.20: Biểu đồ so sánh số chu kỳ của tải trọng mỏi trong mô hình 1 và mô hình 3,4,5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Cường độ chịu kéo và giới hạn chảy của thép Q235 và thép A36 Bảng 2.2: Hệ số ứng suất theo thí nghiệm của Fisher Bảng 3.2: Ứng suất tại các vị trí dán strain gauses ở lần gia tải đầu tiên.3: Ứng suất tại các vị trí dán strain gauses ở lần gia tải thứ 2.4: Ứng suất tại các vị trí dán strain gauses ở lần gia tải thứ 3.5: Ứng suất đo được tại các vị trí dán strain gauses.6: Số chu kỳ lặp ứng với sự gia tăng của vết nứt.1: Kết quả tính toán ứng với gia số chiều dài phát triển vết nứt da=4mm Bảng 4.2: Kết quả tính toán ứng với gia số chiều dài phát triển vết nứt da=3mm Bảng 4.3: Kết quả tính toán ứng với gia số chiều dài phát triển vết nứt da=2mm Bảng 4.4: Kết quả tính toán ứng với gia số chiều dài phát triển vết nứt da=1mm Bảng 4.5: Chu kỳ của tải trọng ứng với các gia số chiều dài phát triển vết nứt Bảng 4.6: Ứng suất giữa lý thuyết và thực nghiệm khi lực tác dụng là 8T.7: Số chu kỳ của tải trọng giữa lý thuyết và thực nghiệm.8: So sánh chu kỳ của tải trọng ứng với mô hình 1 và mô hình 2 Bảng 4.9: So sánh chu kỳ của tải trọng ứng với mô hình 1 và mô hình 3, 4, 5 ix CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN a(mm) : chiều dài vết nứt.

N(cycle) : Số vòng lặp N LT (cycle) : Số vòng lặp trong tính toán lý thuyết. N TN (cycle) : Số vòng lặp đo được trong thí nghiệm. dN i (cycle) : Gia số vòng lặp để vết nứt phát triển 1 đoạn da trong trường hợp thay đổi thông số hình học; i=1,2,3,4,5. σ : Ứng suất pháp theo phương ij ij (Mpa) τ (Mpa) : Ứng suất tiếp theo phương ij ij σ (Mpa) 0 : Ứng suất ban đầu σ max (Mpa) : Ứng suất cực đại σ min (Mpa) : Ứng suất cực tiểu σ 0LT (Mpa) : Ứng suất ban đầu trong tính toán lý thuyết.

σ 0TN (Mpa) : Ứng suất ban đầu đo được trong thí nghiệm khi gia tải P  kG mm  ∆K  I  : Đại lượng cường độ ứng suất; với I = 1,2,3.  mm2   kG mm  ∆Keff   : Tổng hợp đại lượng cường độ ứng suất.  mm2  ΔS : Biên độ năng lượng biến dạng Δseff : Biên độ năng lượng biến dạng hiệu chỉnh K iC : Đại lượng cường độ ứng suất giới hạn thứ i Ji : Đại lượng cường độ năng lượng thứ i C,m : Hằng số vật liệu. da/dN : Tốc độ lan truyền vết nứt.

da(mm) : Gia số chiều dài vết nứt. x dN(cycle) : Gia số vòng lặp để vết nứt phát triển 1 đoạn da. R : Hệ số ứng suất; tỉ lệ giữa ứng suất cực đại và cực tiểu. b(mm) : Bề rộng dầm I h(mm) : Chiều cao dầm I t f (mm) : Bề dày cánh dầm I t w (mm) : Bề dày bản bụng dầm I L(mm) : chiều dài nhịp dầm.

L g (mm) : Chiều dài giằng ngang. t s (mm) : Bề dày sườn đứng. P(T) : Tải trọng tác dụng lên dầm. E(Mpa) : Mô đun đàn hồi của thép.

υ : Hệ số Poison. po E : Năng lượng biến dạng trong Ansys. Giới thiệu chung: Khi thiết kế kết cấu cầu thép, người thiết kế phải nhận thức được ảnh hưởng của ứng suất lặp. Xe cộ đi qua bất kỳ vị trí xác định nào đều lặp đi lặp lại theo thời gian.

Trên đường cao tốc xuyên quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất có thể hơn một triệu lần mỗi năm. Các ứng suất lặp này được gây ra bởi tải trọng sử dụng và giá trị lớn nhất của ứng suất trong thép cơ bản của mặt cắt ngang nào đó sẽ nhỏ hơn so với cường độ của vật liệu. Tuy nhiên, nếu có hiện tượng tăng ứng suất do sự không liên tục về vật liệu hoặc về hình học, ứng suất tại nơi gián đoạn có thể dễ dàng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất được tính toán từ tải trọng sử dụng. Ngay cả khi ứng suất cao này tác dụng không liên tục, nếu nó lặp đi lặp lại nhiều lần thì hư h ỏng sẽ tích luỹ, vết nứt sẽ hình thành và có thể dẫn đến phá hoại kết cấu.

Cơ chế phá hoại này, bao gồm biến dạng và sự phát triển vết nứt dưới tác động của tải trọng sử dụng, mà nếu tự bản thân nó thì không đ ủ gây ra phá hoại, được gọi là mỏi. Thép bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung bình nhưng lặp lại nhiều lần. Cường độ mỏi không phải là một hằng số vật liệu như cường độ chảy hay mô đun đàn hồi. Nó phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể của chi tiết liên kết và thực tế chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm.