Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ thép dến vùng biến dạng dẻo mới dở tải thì thép sau đó lμm việc hầu như trong giai đoạn đμn hồi với biến dạng nhỏ.. Hiện tượng lμm
Trang 1Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
thép dến vùng biến dạng dẻo mới dở tải thì thép sau đó lμm việc hầu như trong giai đoạn
đμn hồi với biến dạng nhỏ Hiện tượng lμm tăng giới hạn đμn hồi của thép do bị biến
dạng dẻo trước gọi lμ hiện tượng cứng nguội Hiện tượng nμy lμm tăng cường độ của
thép nhưng độ dãn dμi giảm, tức lμ giảm tính biến dạng của thép lμm cho thép dòn hơn
mặc dù cường độ cao hơn
Vì vậy, người ta ứng dụng hiện tượng nμy để lμm giảm biến dạng dây cáp Trong cầu
thép cần tránh hiện tượng nμy vì gây ra phá hoại dòn
2.2.3-Hiện tượng giμ của thép:
Ta thí nghiệm kéo 2 mẫu thép cùng loại nhưng có tuổi khác nhau nhiều Ta có
các đồ thị sau:
b
a σ
ε
εa
εb
Hình 2.4: Biểu đồ ứng suất vμ biến dạng khi có hiện tượng giμ
Ta nhận thấy:
• Biểu đồ (b) có giới hạn chảy cao hơn (a) nhưng độ dãn dμi lúc mẫu bị đứt giảm
xuống vμ có giới hạn chảy ngắn hơn
• Hiện tượng giμ xảy ra rất lâu nhưng nếu nung nóng hoặc sau khi lμm việc ở trạng
thái dẻo thì quá trình lμm giμ sẽ rút ngắn lại Vì vậy trong kết cấu thép không cho
lμm việc quá giới hạn chảy
Nguyên nhân hiện tượng giμ:
• Lúc đầu các hạt sắt ferit có nhiều tạp chất như C, N, sau 1 thời gian nó bay ra
lμm cho mμng peclit (hợp chất bao quanh hạt sắt) dμy lớn Mμng nμy có cường độ
cao hơn nhưng có biến dạng giảm đi
• Muốn tránh hiện tượng nμy cần có biện pháp xử lý từ quá trình sản xuất thép
Hiện tượng giμ trong cầu thép thường xuất hiện vết nứt nhỏ ở mép các lỗ đinh,
thường hay xảy ra ở công trình chịu tải trọng xung kích vμ có sự phân bố ứng
suất không đều
2.2.4-Sự lμm việc của thép khi chịu ứng suất tập trung:
Tại vị trí cấu trúc của thép bị vi phạm như có lỗ hổng bọt khí, lẫn tạp chất, vị trí
thay đổi tiết diện đột ngột, lỗ đinh, vị trí đặt lực tập trung, sẽ có ứng suất thường lớn
hơn ứng suất trung bình gọi lμ ứng suất tập trung
Trang 2
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Xét ứng suất tập trung tại 1 lỗ đinh:
σy
σx
σy
σx
σy
σx
σο
σy
σx σ
1.5d 1.5d
3d
3d
ung suat tap trung
Hình 2.5: ứng suất tập trung tại lỗ đinh
• ứng suất tập trung σtt tại mép lỗ đinh lớn gấp 3ữ4 lần ứng suất trung bình σtb
Tuy nhiên trong kết cấu vẫn không bị phá hoại vì khi đó ứng suất tập trung bị
triệt tiêu do xuất hiện vùng biến dạng dẻo Tiết diện sẽ bị phá hoại nếu vùng chảy
dẻo lan ra toμn tiết diện
• Qua nhiều lần ứng suất v−ợt quá giới hạn chảy gây nên hiện t−ợng hóa cứng của
thép, lμm giảm tính dẻo vật liệu vμ gây dòn, nứt Nếu tải trọng tăng lên nữa lμm
vết nứt phát triển vμ sẽ bị phá hoại
• Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc hình dạng lỗ đinh, khuyết tật Mức độ nμy
đ−ợc đánh giá:
tb
tt K
σ
σ
= (2.2)
K=3 đối với lỗ tròn
K=4 đối với lỗ hình ôvan
K=3 đối với lỗ dạng khấc nhọn
Trang 3
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
K=2 đối với lỗ dạng khấc được vát tròn
Nói chung sự tập trung ứng suất không nguy hiểm nếu thép chịu tải trọng tĩnh
Trong tính toán thường không kể đến hiện tượng ứng suất cục bộ nμy Tuy nhiên khi
chịu tải trọng xung kích, tải trọng động thì sự tập trung ứng suất lμ nguy hiểm vì lμm
cho thép dễ bị phá hoại dòn Mặt khác ứng suất nμy phân bố trong tiết diện rất phức tạp,
do vậy thép lμm cầu cần được lμm thêm chỉ tiêu độ dẻo khi va chạm
10
10 2
Búa (máy thử
va chạm)
40
60
Hình 2.6: Thí nghiệm độ dẻo va chạm
• Độ dẻo va chạm lμ công để cắt đứt diện tích mẫu thí nghiệm
• Cách thí nghiệm hình (2.6)
• Độ dẻo va chạm đặc trưng cho tính chống phá hoại dòn vμ cũng qua đó ta xác
định được nhiệt độ mμ khi đó thép bắt đầu chuyển từ dẻo sang dòn
• Thí nghiệm về độ dẻo va chạm được tiến hμnh với các nhiệt độ khác nhau Các trị
số độ dẻo va chạm trong cầu phải đảm bảo yêu cầu sau đây:
Bảng 2.3
Điều kiện thí nghiệm
giμ Loại thép vμ
cách đặt mẫu
nhỏ hơn
Thép bản vμ tấm:
Thép hình (mẫu dọc)
10 4 5
(*Thép lμm giμ bằng cách kéo dãn 10% chiều dμi tính toán, sau đó đốt nóng ở
250oC*)
2.2.5-ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự lμm việc của thép:
Khi to < 200ữ250oC thì các tính chất cơ học của thép thay đổi ít Khi to > 300oC
thì các tính chất cơ học vμ khả năng chịu lực của thép giảm nhanh như khi to = 500oC thì
thép CT3 có σc = 1400kg/cm2 vμ σb = 2500kg/cm2, vμ khi to = 600ữ650oC thì thép CT3 có
σc = 400kg/cm2 vμ σb = 1500kg/cm2
Trang 4
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Khi to < 0oC thì thép có cường độ cao hơn 1 chút nhưng dòn hơn Khi to < -10oC thì tính dòn tăng lên rõ rệt vμ -45oC thμnh dòn vμ dễ nứt
Đ2.3 hiện tượng mỏi của thép
Thí nghiệm cho thép chịu tác dụng của tải trọng trùng phục (tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần khoảng vμi triệu lần) Kéo mẫu thép vượt quá giới hạn chảy rồi dỡ bỏ tải
trọng rồi lại kéo với tải trọng lớn hơn, ta có được biểu đồ hình 2.7:
σ
ε
Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất vμ biến dạng ứng với nhiều lần tải trọng khác nhau
vòng trễ
σ σ
Hình 2.8: Hiện tượng vòng trễ
Nếu với tải trọng không đổi thì sau 1 số chu kỳ ta sẽ có biểu đồ đi theo 1 vòng kín
Người ta gọi đó lμ hiện tượng trễ, còn gọi lμ vòng trễ (hình 2.8) Điều nμy chứng tỏ tải
trọng tiếp theo không gây nên biến dạng dư nghĩa lμ chỉ có biến dạng đμn hồi Mỗi lần tác dụng lμm thép mất đi 1 năng lượng bằng công có giá trị bằng diện tích vòng kín, lμm mất dần khả năng chịu lực của thép vμ lμm giảm lực liên kết giữa các hạt thép Sau nhiều lần các hạt thép trượt lên nhau sẽ tạo ra mặt trượt vμ sau đó gây nứt Đó lμ hiện tượng phá hoại do mỏi
Thực nghiệm cho thấy rằng hiện tượng trễ xảy ra ngay khi ứng suất lớn nhất chưa vượt quá giới hạn đμn hồi Sự phá hoại do mỏi xảy ra khi ứng suất vượt quá trị số ứng suất gọi lμ giới hạn mỏi Như vậy giới hạn mỏi lμ giới hạn ứng suất nếu ứng suất do tải
Trang 5Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
trọng trùng phục lớn hơn nó thì các mặt trượt tinh thể thép tăng nhanh vμ lμm tăng các diện tích vòng trễ gây nên vết nứt vμ lμm thép bị phá hoại
2 4 6 8 10 12 14 10 6 n 10
20 40
~17
σghmKN/cm 2
Hình 2.9: Hiện tượng mỏi của thép
Thời gian nghỉ giữa 2 lần tác dụng của tải trọng lâu thì thép có khả năng khôi phục lại tính chất ban đầu Giới hạn mỏi phụ thuộc vμo đặc trưng tải trọng lặp, kết cấu
vμ phụ thuộc vμo tỷ số
max
min
σ
σ
:
• Khi chu kỳ có tính chất đối xứng, nghĩa lμ 1
max
min = ư
σ
σ
thì ghmoi R ben
2
1
=
• Khi kết cấu chịu lực 1 dấu, nghĩa lμ 0
max
min =
σ
σ
thì σghmoi =σchay Như vậy kết cấu vừa chịu nén vμ chịu kéo thì rất nguy hiểm về mỏi Khi tính toán thiết
kế về mỏi, ta lấy cường độ giới hạn mỏi:
σghmoi =γ.σchay (2.3)
Trong đó:
+γ: hệ số triết giảm cường độ khi tính mỏi bởi lực tác dụng có tính chất chu kỳ
vμ được xác định theo công thức:
( ) ( ) 1
7 0 7
0
ư
ư +
=
ρ β β
γ
b a b
+a, b: các hệ số với a phụ thuộc chế độ của tải trọng, b phụ thuộc tỷ số giữa cường độ tính toán cơ bản vμ cường độ chịu kéo tức thời của thép vμ được lấy:
o a = 0.58 vμ b = 0.26 đối với thép than
o a = 0.65 vμ b = 0.3 đối với thép hợp kim thấp
o Đối với các bộ phận thuộc phần xe chạy vμ liên kết của chúng, cũng như
đối với các bộ phận lμm việc chịu tải trọng cục bộ của dμn chủ vμ liên kết giữa chúng mμ khi khi chiều dμi đặt tải của đường ảnh hưởng ≤ 22m thì hệ
số a được tăng lên A lần: A=BưC.λ≥ 1 với B vμ C phụ thuộc vμo β được tra bảng
