CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1. Tổng quan chung : Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế Việt Nam trong thế kỉ 21 làm cho Việt Nam đạt được nhiều thành tựu lớn về dân sinh và xã hội, nhưng đi kèm theo nó là đô thị hóa đang tăng nhanh với tốc độ chóng mặt. Đi đôi với nhu cầu phát triển kinh tế, nhu cầu về giao thông đi lại, chủ yếu là giao thông đường bộ, cũng tăng nhanh đột biến. Từ đầu năm nay, nhà nước đẩy nhanh tiến độ những dự án xây dựng cầu thép, cầu vượt bằng thép trong nội thành nhằm đàm bảo nhu cầu phát triển của xã hội và giải quyết vấn đề kẹt xe.
Nhưng bên cạnh đó, vấn đề về chất lượng của những công trình đã và đang xây dựng luôn là vấn đề mà toàn xã hội quan tâm. Do đó, việc nghiên cứu để nâng cao chất lượng các công trình cầu thép, nhằm giảm thiểu các chi phí sửa chữa và bảo dưỡng, nâng cao hiệu quả sử dụng là cần thiết trong thời điểm hiện nay. Mà những cây cầu thép bị phá hoại do mỏi đang là vấn đề cấp thiết hiện này. Nên khi thiết kế kết cấu cầu thép, người thiết kế phải nhận thức được ảnh hưởng của ứng suất lặp.
Phần lớn các chi tiết của dầm cầu thép làm việc trong trạng thái ứng suất thay đổi theo thời gian, nó có thể bị hỏng khi chịu ứng suất thấp hơn nhiều so với trường hợp ứng suất không thay đổi. Tiến hành quan sát sự phá hủy khi chi tiết chịu ứng suất thay đổi người ta thấy quá trình hỏng vì mỏi bắt đầu từ những vết nứt nhỏ sinh ra tại vùng các chi tiết dầm chịu ứng suất tương đối lớn; khi số chu kỳ làm việc của chi tiết dầm thép tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết dầm thép ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng. Đó chính là sự phá hủy do mỏi. Khả năng của kim loại cản lại sự phá hủy mỏi được gọi là độ bền mỏi hay sức bền mỏi.
Sự phá hủy mỏi khác với sự phá hủy do chịu ứng suất tĩnh về bản chất cũng như về hiện tượng bên ngoài. Phá hủy vì ứng suất tĩnh là do tác dụng của ứng suất có trị số khá cao, đối với vật liệu dẻo ứng suất này lớn hơn giới hạn chảy, còn đối với vật liệu giòn thì trị số ứng suất cao hơn giới hạn bền. Sự phá hủy tĩnh bao giờ cũng kèm theo xuất hiện biến dạng dẻo rõ rệt. Trái lại sự phá hủy mỏi xảy ra khi trị số ứng suất không lớn lắm.
Chi tiết dầm thép bị hỏng có thể dưới dạng gãy đứt hoàn toàn hoặc có vết nứt lớn, khiến chi dầm thép không thể làm việc được nữa. Sự phá hủy mỏi có tính 2 chất cục bộ, chỉ xảy ra trong một vùng nhỏ của chi tiết, vết nứt mỏi thường phát triển ngấm ngầm và rất khó phát hiện bằng mắt thường.Trước khi chi tiết dầm thép bị hỏng hoàn toàn thường không thấy một dấu hiệu báo trước nào, thí dụ như biến dạng dẻo (kể cả đối với vật liệu dẻo), nhưng sau đó đột nhiên xảy ra sự phá hủy tại một hoặc một vài tiết diện nào đó của chi tiết. Tại tiết diện này các vết nứt phát triển khá sâu, làm giảm diện tích phần làm việc tới mức chi tiết không còn đủ khả năng chịu tải nữa. Những kết quả của những thí nghiệm về tải mỏi thường được biểu diễn bằng biểu đồ quan hệ giữa S và N.
Tại một điểm bất kỳ trên biểu đồ, giá trị ứng suất biểu thị cường độ mỏi và số chu kỳ thể hiện tuổi thọ kết cấu tương ứng với mức ứng suất đó. Chú ý rằng, khi biên độ ứng suất giảm tới một giá trị đặc trưng, số chu kỳ ứng suất có thể tăng không giới hạn mà không gây ra phá hoại. Ứng suất giới hạn này được gọi là giới hạn mỏi của liên kết.1: Ví dụ của biểu đồ S-N Trong kết cấu cầu thép dầm I, dưới tác dụng của tải trọng dầm I bị xoắn, các vết nứt do ảnh hưởng ngoài mặt phẳng xuất hiện trong dầm do mỏi phụ thuộc vào liên kết giữa các dầm ngang và dầm I. Trong trường hợp dầm ngang được hàn trực tiếp vào bản cánh trên cánh dưới và bản bụng của dầm I, vết nứt đầu tiên sẽ xuất hiện tại vị trí liên kết hàn giữa 3 dầm ngang và cánh dưới dầm I, sau đó vết nứt sé phát triển hướng vào phía trong bụng dầm chữ I.
Mục đích của nghiên cứu: - Hiểu được ứng xử và sự phát triển của vết nứt dưới ảnh hưởng ngoài mặt phẳng trong liên kết dầm ngang được hàn vào bản sườn và hai bản cánh của dầm I thông qua sườn đứng. - Phân tích ảnh hưởng các tỷ lệ thông số hình học đến quá trình phá hoại do tải mỏi, qua đó giúp ta tăng thời gian phát triển vết nứt trong chi tiết dầm I và giằng ngang. Phương pháp ngiên cứu : - Sử dụng mô hình Yan kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn Ansys để dự đoán vết nứt dưới ảnh hưởng tải trọng ngoài mặt phẳng. - Thực hiện thí nghiệm liên kết giữa dầm ngang và dầm chữ I dưới tác dụng của tải trọng lặp với cường độ không đổi để kiểm tra vết nứt theo thực tế ở phần cánh dưới dầm I.
- Thay đổi các thông số hình học của dầm làm thí nghiệm để rút được kết luận và dự báo vết nứt do tải trọng gây mỏi. Phạm vi nghiên cứu: - Trong nghiên cứu này thì tải trọng phải liên tục với biên độ không đổi. - Vết nứt do mỏi của dầm chữ I nằm ở cánh dưới dầm. 4 CHƯƠNG II TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.
Tình hình nghiên cứu chung : Vào năm 1850, người ta quan tâm tới hiện tượng hàng loạt các trục bánh xe của tàu hỏa bị gãy mà không rõ nguyên nhân. Sau đó hiện tượng này đã được Wohler tiến hành nghiên cứu một cách sâu sắc và có hệ thống. Đó là một bước tiến lớn đánh dấu sự hiểu biết về hiện tượng mới lạ này: hiện tượng mỏi. Về sau, hiện tượng mỏi còn được phát hiện ở cả các kết cấu khác nữa như trong các công trình kết cấu thép, cầu, tàu thuỷ, máy bay và các dàn khoan ngoài biển.
Hiện tượng mỏi của kết cấu thép được nghiên cứu rộng rãi, nhất là từ những năm 20 của thế kỷ trước. Các nhà khoa học nhiều nước, trong đó có các nhà khoa học Nga như Ordin, Ivanova, Xêrenxen…, các nhà khoa học Anh, Mỹ như Wohler, Gafa…đã tiến hành nghiên cứu cơ sở cơ học và vật lý của độ bền vật liệu thép dưới tác dụng của tải trọng thay đổi – độ bền mỏi, xây dựng lý thuyết và tiến hành các thực nghiệm kiểm chứng. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa rất lớn đối với kỹ thuật hiện đại, cho phép tính toán thiết kế và đánh giá tuổi thọ của các chi tiết liên kết trong kết cấu thép, từ đó cho phép xác định hợp lý kết cấu, thông số hình học và tối ưu trong thiết kế kết cấu thép. NCHRP Report 147 [3] (Fisher et., 1974) đưa ra các thí nghiệm được thực hiện ở Đại học Lehigh để phân tích ứng xử mỏi của các chi tiết trong các liên kết hàn của dầm cầu thép, các mẫu thí nghiệm có tỷ lệ lớn được đưa vào nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra giá trị cường độ mỏi lớn nhất, các mẫu được đưa vào thí nghiệm với các mối nối hàn có các thông số hình học khác nhau, xem xét cụ thể cho trường hợp giằng ngang được hàn vào bản bụng và cả hai bản cánh trên cánh dưới của dầm chủ (hình 2.1: Các loại liên kết được xem xét trong NCHRP Report 147 của Fisher Phân tích các dữ liệu cho thấy yếu tố ảnh hưởng chính đến cường độ mỏi là miền ứng suất ở mặt trên của bản cánh dưới dầm.
Nhiều khả năng vết nứt ban đầu xuất hiện là do ứng suất dư và sự gián đoạn không liên tục của liên kết hàn cũng như hệ số tập trung ứng suất phát sinh từ chân mối hàn. Các thông số khác như là ứng suất cực tiểu, liên kết của giằng xiên, loại thép, bề dày bản cánh bản bụng dầm ít gây ảnh hưởng rõ rệt đến ứng xử mỏi của dầm. Dưới tác dụng của tải trọng mỏi, các chi tiết có ứng xử tương tự nhau. Các vết nứt nhỏ hình thành ở các vị trí khác nhau dọc theo chân đường hàn góc liên kết giằng ngang và bản cánh chịu kéo.
Các vết nứt này lan truyền hướng xuống dưới với dạng semi-ellip, chúng hợp lại hình thành một vết nứt lớn chia cắt bản cánh chịu kéo và bản bụng cho tới khi mẫu bị phá hoại (hình 2.2: Sự phát triển vết nứt của chi tiết liên kết loại 3 ở NCHRP Report 147 Trong NCHRP Report 286 [4] (Keating and Fisher, 1986) nhiều dữ liệu thí nghiệm mỏi ở tỷ lệ đầy đủ (full-scale), chọn lọc từ NCHRP Report 147 tập hợp và so sánh với các đường thiết kế mỏi của AASHTO (S-N curves). Các thí nghiệm về liên kết hàn ở sườn đứng cũng được nêu ra ở bài báo, bao gồm cả những nghiên cứu được thực hiện bởi phòng nghiên cứu và thực nghiệm thuộc hiệp hội đường sắt quốc tế về liên kết hàn giữa dầm chủ và giằng. Tuy nhiên trong phạm vi của nghiên cứu, không có ảnh hưởng gây hại ở liên kết hàn và các chi tiết có cường độ mỏi bằng hoặc lớn hơn cường độ thiết kế ở Category C.3: Các mẫu được thí nghiệm trong NCHRP Report 286 7 Thí nghiệm trên tỷ lệ lớn được thực hiện ở Đại học Kensai (Sakano et.,1992) để tìm hiểu sâu hơn về ứng xử mỏi của các liên kết hàn vị trí sườn đứng. Các thí nghiệm này bao gồm các chi tiết sườn được hàn vào cả bản bụng và 2 cánh dầm (full-depth).
Ứng xử mỏi của các chi tiết rất giống với các thí nghiệm trước đó, miền ứng suất ở mặt trên của bản cánh dầm chịu kéo là yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ mỏi. Trong suốt quá trình thí nghiệm, các vết nứt nhỏ xuất hiện dọc theo chân đường hàn và tập hợp lại trở thành một vết nứt lớn phát triển hướng xuống dưới bản cánh. Đáng chú ý rằng ở các chi tiết có ba mối nối liên kết hàn, vết nứt phát triển vị trí ban đầu tại giao điểm của các mối hàn. Ngoài ra, ở trong các thí nghiệm chỉ ra rằng các chi tiết với liên kết hàn có cường độ mỏi nhỏ hơn các chi tiết không có liên kết hàn.4: Mẫu được thí nghiệm ở đại học Kensai (Sakano et.
