Phân tích ảnh hưởng của các thông số hình học đến ứng xử nứt do mỏi trong liên kết giữa dầm i và giằng ngang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------------------

LÊ QUỐC VIỆT

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ
HÌNH HỌC ĐẾN ỨNG XỬ NỨT DO MỎI TRONG
LIÊN KẾT GIỮA DẦM I VÀ GIẰNG NGANG

CHUYÊN NGÀNH: XD. DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP
MÃ SỐ CHUN NGÀNH: 605820

TP. HỒ CHÍ MINH – 2015


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Đinh Thế Hưng, TS. Nguyễn Minh Long
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phạm Quang Nhật
…………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Văn Phước Nhân
…………………………………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày 21 tháng 01 năm 2015.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Bùi Công Thành
2. TS. Phạm Quang Nhật
3. TS. Lê Văn Phước Nhân
4. TS. Hồ Hữu Chỉnh

5. TS. Hồ Đức Duy
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ QUỐC VIỆT

MSHV: 12210269

Ngày, tháng, năm sinh: 22/07/1988

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.20

I. TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ HÌNH HỌC ĐẾN ỨNG XỬ NỨT
DO MỎI TRONG LIÊN KẾT GIỮA DẦM I VÀ GIẰNG NGANG

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về ứng xử và sự phát triển của vết nứt dưới ảnh hưởng ngoài mặt phẳng
trong liên kết dầm I và giằng ngang.
- Sử dụng mơ hình Yan và phương pháp phần tử hữu hạn Ansys để dự đoán vết nứt
dưới ảnh hưởng tải trọng ngồi mặt phẳng.
- Thực hiện thí nghiệm liên kết giữa giằng ngang và dầm 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.
- Phân tích ảnh hưởng các tỷ lệ thơng số hình học để tăng thời gian phát triển vết nứt
trong chi tiết dầm I và giằng ngang.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 01/2014

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 11/2014
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS ĐINH THẾ HƯNG

ĐỒNG HƯỚNG DẪN

: TS NGUYỄN MINH LONG
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến hai thầy hướng dẫn TS. Đinh Thế
Hưng và TS Nguyễn Minh Long. Hai thầy đã tận tâm hướng dẫn, sửa bài và động viên
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Những chỉ dẫn của thầy không chỉ là những kiến thức khoa học quý báu mà còn là những
kinh nghiệm về tư duy khoa học, giải quyết vấn đề để giúp tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cơ giảng dạy chương trình
thạc sĩ ngành Xây dựng dân dụng và cơng nghiệp khóa 2012 đã truyền đạt cho tôi những
kiến thức vô cùng quý báu. Tôi cũng xin cảm ơn phịng thí nghiệm kết cấu cơng trình Trường
Đại học Bách Khoa – ĐHQG – TP.HCM đặc biệt là TS. Nguyễn Minh Long và KS. Châu
Hoàng Liên Sơn những người đã hết sức nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tơi trong q trình thực hiện thí nghiệm để phục vụ cho luận văn.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình, thầy cơ, bạn
bè đã khơng ngừng khuyến khích và hỗ trợ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ví dụ của biểu đồ S-N
Hình 2.1: Các loại liên kết được xem xét trong NCHRP Report 147 của Fisher.
Hình 2.2: Sự phát triển vết nứt của chi tiết liên kết loại 3 trong NCHRP Report 147.
Hình 2.3: Các mẫu được thí nghiệm trong NCHRP Report 286.
Hình 2.4: Mẫu được thí nghiệm ở đại học Kensai (Sakano et at 1992).
Hình 2.5: Thơng số kích thước mẫu thí nghiệm Fisher – 2008
Hình 2.6: Vết nứt xuất hiện phía cánh dưới dầm I và được kiểm tra bằng mực màu tím
Hình 2.7: Đường cong S-N với kết quả thử nghiệm và AASHTO Fatigue Categories.
Hình 2.8: Sự phân bố ứng suất ở trước vết nứt với điểm gốc là điểm đầu vết nứt
Hình 2.9: Mơ hình của Pook

Hình 2.10: Quá trình gây mỏi là tổ hợp 2 mode (mode I và mode III)
Hình 2.11: Vết nứt xuất hiện theo mơ hình Yan (2007)
Hình 2.12: Thơng số hình học mẫu thí nghiệm của Fisher (1971)
Hình 2.13: Đồ thì quan hệ da/dN và ΔK trong thí nghiệm của Fisher
Hình 3.1: Mơ 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.
Hình 3.5: (a) Strain gages bên trái, (b) Strain gages bên phải giằng ngang.
Hình 3.6: Strain gause A dán phía dưới dầm.
Hình 3.7: Dầm I được cố định nhờ 2 thanh neo 2 đầu dầm.
Hình 3.8: 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 vịng lặp
Hình 4.1: Phần tử SOLID 45 trong Ansys
Hình 4.2: Lực phân bố đều tác dụng phần cánh trên của dầm trong Ansys
Hình 4.3: Phản lực gối tựa trong Ansys
Hình 4.4: Phản lực giằng ngang


Hình 4.5: Ứng suất lớn nhất xuất hiện cánh dưới dầm.
Hình 5.1: Ba vùng của vết nứt phát triền dưới tải mỏi.
Hình 5.2: Đồ thị số vịng lặp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Hình 6.1: Đồ thị mối quan hệ giữa a và dN trong 5 trường hợp thay đổi b.
Hình 6.2: Đồ thị mối quan hệ giữa a và dN trong 5 trường hợp thay đổi h.
Hình 6.3: Đồ thị mối quan hệ giữa a và dN trong 3 trường hợp thay đổi tw.
Hình 6.4: Đồ thị về mối quan hệ giữa a và dN trong 3 trường hợp thay đổi tf.
Hình 6.5: Đồ thị mối quan hệ giữa a và dN trong 5 trường hợp thay đổi L.
Hình 6.6: Đồ thị mối quan hệ giữa a và dN trong 5 trường hợp thay đổi Lg.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thành phần hóa hóc của thép Q235 và thép A36
Bảng 2.2: Cường độ chịu kéo và giới hạn chảy của thép Q235 và thép A36
Bảng 2.3: Hệ số ứng suất theo thí nghiệm của Fisher
Bảng 2.4: Hằng số vật liệu C
Bảng 2.5: Thơng số thay đổi kích thước bề rộng dầm
Bảng 2.6: Thơng số thay đổi kích thước chiều cao dầm
Bảng 2.7: Thơng số thay đổi kích thước bề rộng cánh dầm
Bảng 2.8: Thơng số thay đổi kích thước bề rộng bụng dầm
Bảng 2.9: Thơng số thay đổi kích thước nhịp dầm
Bảng 2.10: Thơng số thay đổi kích thước giằng ngang
Bảng 3.1: Thời gian thực hiện thí nghiệm.
Bảng 3.2: Ứng suất tại các vị trí dán strain gauses ở lần gia tải đầu tiên.
Bảng 3.3: Ứng suất tại các vị trí dán strain gauses ở lần gia tải thứ 2.
Bảng 3.4: Ứng suất tại các vị trí dán strain gauses ở lần gia tải thứ 3.
Bảng 3.5: Ứng suất đo được tại các vị trí dán strain gauses.
Bảng 3.6: Số vòng lặp ứng với chiều dài vết nứt tăng dần.
Bảng 4.1: Ứng suất ϭmax trong dầm khi thay đổi các thơng số hình học trong mơ hình
Ansys.


Bảng 5.1: Ứng suất giữa lý thuyết và thực nghiệm khi lực tác dụng là 1.6T.
Bảng 5.2: Ứng suất giữa lý thuyết và thực nghiệm khi lực tác dụng là 8T.
Bảng 5.3: Đồ thị số vòng lặp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Bảng 6.1: Thay đổi bề rộng dầm b so với chiều cao h
Bảng 6.2: Số vòng lặp thay đổi ứng với 5 trường hợp thay đổi bề rộng dầm.
Bảng 6.3: Thay đổi chiều cao h của dầm
Bảng 6.4: Số vòng lặp thay đổi ứng với 5 trường hợp thay đổi chiều cao dầm.
Bảng 6.5: Thay đổi bề độ cứng bụng dầm so với cánh dầm.
Bảng 6.6: Số vòng lặp thay đổi ứng với 3 trường hợp thay đổi bề dày bụng dầm.

Bảng 6.7: Thay đổi bề độ cứng cánh dầm so với bụng dầm.
Bảng 6.8: Số vòng lặp thay đổi ứng với 3 trường hợp thay đổi bề dày cánh dầm.
Bảng 6.9: Thay đổi chiều dài ầm I.
Bảng 6.10: Số vòng lặp thay đổi ứng với 5 trường hợp thay đổi chiều dài nhịp dầm.
Bảng 6.11: Thay đổi chiều dài giằng ngang.
Bảng 6.12: Số vòng lặp thay đổi ứng với 5 trường hợp thay đổi chiều dài giằng ngang.
Bảng 7.1: Tổng hợp số vòng lặp và sự chênh lệch về số vòng lặp trong các trường hợp
thay đổi thơng số hình học khi vết nứt phát triển từ 2mm đến 4mm.


CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
a(mm)

: chiều dài vết nứt.

N(cycle)

: Số vịng lặp

NLT(cycle)

: Số vịng lặp trong tính tốn lý thuyết.

NTN(cycle)

: Số vịng lặp đo được trong thí nghiệm.

dNi(cycle)

: Gia số vòng lặp để vết nứt phát triển 1 đoạn da trong trường hợp thay

đổi thơng số hình học; i=1,2,3,4,5.


ij

(Mpa)

 (Mpa)
ij

: Ứng suất pháp theo phương ij
: Ứng suất tiếp theo phương ij

 (Mpa)
0

: Ứng suất ban đầu

 max (Mpa)

: Ứng suất cực đại

 min (Mpa)

: Ứng suất cực tiểu




0LT
0TN

(Mpa)

: Ứng suất ban đầu trong tính tốn lý thuyết.

(Mpa)

: Ứng suất ban đầu đo được trong thí nghiệm khi gia tải P

 kG mm 
K 
 : Đại lượng cường độ ứng suất; với I = 1,2,3.
I
 mm 2 
 kG mm 
K eff 
 : Tổng hợp đại lượng cường độ ứng suất.

 mm 2 

KiC

: 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.


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

tf(mm)

: Bề dày cánh dầm I

tw(mm)

: Bề dày bản bụng dầm I

L(mm)

: chiều dài nhịp dầm.

Lg(mm)

: Chiều dài giằng ngang.

ts(mm)

: Bề dày sườn đứng.

P(T)

: Tải trọng tác dụng lên dầm.

E(Mpa)

: Mô đun đàn hồi của thép.



: Hệ số Poison.

E

po
e

: Năng lượng biến dạng trong Ansys.


TĨM TẮT LUẬN VĂN
“Phân tích ảnh hưởng của các thơng số hình học đến ứng xử nứt do mỏi trong liên
kết giữa dầm I và giằng ngang”

Luận văn phân tích ứng xử và sự phát triển của vết nứt dưới ảnh hưởng ngoài mặt
phẳng trong liên kết dầm I và giằng ngang chịu tải trọng mỏi bằng 2 mơ hình lý thuyết và
thực nghiệm. Trong mơ hình lý thuyết ta sử dụng mơ hình Yan (2007) kết hợp với phương
pháp phần tử hữu hạn Ansys để so sánh với kết quả với thực tế được thực hiện tại phịng
thí nghiệm. Đồng thời thơng qua mơ hình lý thuyết ta xem xét sự ảnh hưởng của các thơng
số hình học đến quá trình ứng xử và sự phát triển vết nứt dưới tải trọng mỏi. Từ đó ta rút
ra được việc thay đổi thơng số hình học nào sẽ có hiệu quả nhất nhằm tăng tuổi thọ cơng
trình kết cấu thép trong liên kết dầm I và giằng ngang.


MỤC LỤC
Danh mục các hình vẽ ...................................................................................................................
Danh mục các bảng biểu ...............................................................................................................
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................................... 1
1.1. TỔNG QUAN CHUNG ....................................................................................................... 1
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 3
1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 3

1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................................................................................. 3
Chương 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .............................................................................. 4
2.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 4
2.2. CÁC MƠ HÌNH SỬ DỤNG TRƯỚC ĐÂY ....................................................................... 11
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................................................................... 19
Chương 3. PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM............................................................................ 28
3.1. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ............................................................................ 28
3.2. QUI TRÌNH THÍ NGHIỆM .............................................................................................. 32
3.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ................................................................................................. 35
Chương 4. MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ....................................................................... 38
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................................... 38
4.2. CHI TIẾT PHẦN TỬ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU................................................ 38
4.3. TẢI TRỌNG VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN ................................................................................. 39
4.4. KẾT QUẢ .......................................................................................................................... 41
Chương 5. KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ...................... 44
5.1. ỨNG SUẤT GIỮA LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM .................................................. 44
5.2. CHIỀU DÀI VẾT NỨT VÀ SỐ VÒNG LẶP ..................................................................... 45
Chương 6. ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẾN QUÁ TRÌNH
PHÁT TRIỂN VẾT NỨT ...................................................................................................... 48
6.1. THAY ĐỔI TỶ LỆ KÍCH THƯỚC GIỮA BỀ RỒNG VÀ CHIỀU CAO DẦM
(BỀ RỘNG DẦM) ................................................................................................................... 48
6.2. THAY ĐỔI TỶ LỆ KÍCH THƯỚC GIỮA BỀ RỒNG VÀ CHIỀU CAO DẦM
(CHIỀU CAO DẦM) ................................................................................................................ 50
6.3. THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG GIỮA BẢN CÁNH VÀ BẢN BỤNG DẦM (BỀ DÀY BỤNG) .. 52


6.4. THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG GIỮA BẢN CÁNH VÀ BẢN BỤNG DẦM (BỀ DÀY CÁNH) ... 54
6.5. THAY ĐỔI CHIỀU DÀI NHỊP DẦM ............................................................................... 56
6.6. THAY ĐỔI CHIỀU DÀI GIẰNG NGANG ....................................................................... 58
Chương 7. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 60

7.1. KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 60
7.2. ĐỀ XUẤT ......................................................................................................................... 60
7.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI .......................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHÁO ................................................................................................................... 62
PHỤ LỤC …………………………………………………………………………………………… ..........


1

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. 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 đơ thị
hóa đang tăng nhanh với tốc độ chóng mặt. Đi đơi 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 cơng trình đã và đang
xây dựng ln là vấn đề mà tồn xã hội quan tâm. Do đó, việc nghiên cứu để nâng cao
chất lượng các cơng 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 ngồi. 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 giịn 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 hồn tồn 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
hồn tồn thường khơng 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 khơng 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 khơng giới
hạn mà khơng gây ra phá hoại. Ứng suất giới hạn này được gọi là giới hạn mỏi của liên kết.

Hình 1.1: 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.
1.2. 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 thơng 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.
1.3. Phương pháp ngiên cứu :
- Sử dụng mơ hình Yan kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn Ansys để dự đốn vết
nứt dưới ảnh hưởng tải trọng ngồi 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 thơng số hình học của dầm làm thí nghiệm để rút được kết luận và dự báo
vết nứt do tải trọng gây mỏi.
1.4. 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
2.1. 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 khơng rõ ngun 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 cơng trình kết cấu thép, cầu, tàu thuỷ, máy bay và các
dàn khoan ngoài biển.v..v.
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 tốn 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, thơng số hình học và tối ưu trong thiết kế kết cấu thép.
NCHRP Report 147 [3] (Fisher et. al., 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
thơng 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).


5

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).


6

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, khơng 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.

Hình 2.3: 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. al.,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 q 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 khơng có liên kết hàn.

Hình 2.4: Mẫu được thí nghiệm ở đại học Kensai (Sakano et. al., 1992)
Các nhà nghiên cứu ở Đại học Kensai dùng mô hình phân tích để lý giải ngun nhân
sai lệch về cường độ mỏi của các mẫu thí nghiệm (Sakano et. al., 1993). Họ phát triển mơ
hình phân tích phần tử hữu hạn 2D của các chi tiết với các góc và độ trồi tại chân đường
hàn khác nhau. Sau đó họ dùng mơ hình phát triển vết nứt để tính toán hệ số cường độ ứng
suất (Stress intensity factor) và dự đoán cường độ mỏi của chi tiết liên kết. Mơ hình phần
tử hữu hạn 3D được phát triển cho các chi tiết liên kết hàn để tính tốn ành hưởng của sự


8

lồi ra thêm của vật liệu hàn nơi các đường hàn giao nhau, gây ra sự tập trung ứng suất cao
hơn và dĩ nhiên rằng các kết quả về cường độ mỏi thấp hơn.
Những nhà khoa học người Mỹ - D.L.Davidson và S.Suresh đã nghiên cứu về những
khái niệm, lý thuyết nền tảng về giới hạn lan truyền vết nứt mỏi vào năm 1993.
Vào năm 2001, việc công bố công trình nghiên cứu “Ảnh hưởng của lệch đến sự lan
truyền vết nứt mỏi” là một thành tựu của Tatsuro MORITA và Kenji SAITO, những nhà
khoa học người Nhật đã tiến hành mơ phỏng trên máy tính, so sánh và kiểm chứng bằng
thực nghiệm mối quan hệ giữa cường độ ứng suất với hệ số lan truyền vết nứt mỏi.
Trong NCHRP Report 500 (Fisher, 2008) đã nghiên cứu về vấn đề ứng xử và quá
trình phát triển vết nứt của phần cánh dầm I. Trong thí nghiệm phần cánh dưới dầm được
gia công thêm phần vữa cường độ cao. Fisher đã thực hiện tổng cộng 9 mẫu với các mức
ứng suất khác nhau và đưa ra được đường cong S-N với kết quả thử nghiệm và AASHTO

Fatigue Categories.

9

Hình 2.5: Thơng số kích thước mẫu thí nghiệm Fisher – 2008


10

Hình 2.6: Vết nứt xuất hiện phía cánh dưới dầm I và được kiểm tra bằng mực màu tím

Hình 2.7: Đường cong S-N với kết quả thử nghiệm và AASHTO Fatigue Categories.
Các nhà khoa học trên thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng vẫn đang tiếp
tục nghiên cứu và đã có một số cơng trình nghiên cứu về mỏi nhưng cũng chỉ mới ở một
chừng mực nhất định. Tuy nhiên, đó xem như là những thành cơng bước đầu vì cho đến
nay thì cơ chế của quá trình phát sinh và phát triển vết nứt mỏi vẫn chưa hồn tồn sáng tỏ,
vẫn cịn là mối quan tâm của nhiều người. Vấn đề nghiên cứu về hiện tượng nứt mỏi và các
tỷ lệ các thơng số hình học có ảnh hưởng như thế nào đến ứng xử và sự phát triển vết nứt


11

trong liên kết giữa giằng ngang được hàn vào hai bản cánh và bụng dầm I thật sự chưa đầy
đủ và luận văn này sẽ góp phần giải quyết một phần nhỏ của vấn đề trên.
2.2. Các mơ hình được sử dụng trước đây.
2.2.1. Tổ hợp mode của vết nứt phát triển
Sự kết hợp giữa các mode ảnh hưởng đến sự phát triển vết nứt có thể được chia thành
ba nhóm theo các thơng số được áp dụng cụ thể là: ứng suất, chuyển vị, và các tiêu chí dựa
trên năng lượng. Sự tổ hợp mode của vết nứt phát triển được mô tả gồm 2 thành phần: chiều
dài phát triển vết nứt và hướng phát triển của vết nứt.

Với nhiều thí nghiệm được thực hiện có biên độ tải trọng tác dụng và kích thước
khác nhau đã được thực hiện. Và kết quả thu được cho thấy rằng tổ hợp nhiều mode của
vết nứt thì chiều dài và hướng phát triển của vết nứt khác nhiều so với các dạng vết nứt
thông thường khi nghiên cứu riêng từng mode.
2.2.1.1. Tiêu chuẩn phát triển vết nứt dựa theo ứng suất :

Hình 2.8: Sự phân bố ứng suất ở trước vết nứt với điểm gốc là điểm đầu vết nứt
Dưới tải đơn, vết nứt bắt đầu phát triển khi hệ số cường độ ứng suất tăng dần Ki đạt
giá trị tới hạn KIC. Ta có biểu thức sau:
KI = KIC

(2.1)

Khoảng tương đương khác của hệ số cường độ ứng suất (SIF), ΔKeq tác dụng tổ hợp
tải trọng có chu kỳ theo các tiêu chí khác nhau được tính tốn trong giới hạn:
ΔKI,th< ΔKeq
(2.2)

Các tiêu chuẩn có thể được dựa trên giá trị ΔKth hoặc giá trị của Kc. Tiêu chuẩn sử


12

dụng giá trị cực hạn Kc được đưa ra nhiều hơn vì chúng cho phép chúng ta mơ tả tồn bộ
quá trình của tải mỏi gây ra vết trong các q trình thử nghiệm.
Mơ hình của Wu (1967) [5]: Đối với tải hai phương, Wu đề xuất một phương trình elip,
có thể mở rộng cho các trường hợp tải đa phương và được đề xuất bởi Richard et al. (2005).
Bằng cách sử dụng phương trình này có thể xác định hướng của sự phát triển vết nứt:


u

w

 K I   K II   K III 

 
 
 1
 K IC   K IIC   K IIIC 

(2.3)

Các số mũ trong phương trình. (2.3) như sau: v = 1, u = w = 2.
Mơ hình Erdogan and Sih (1963) [6]: Dựa trên sự ứng suất tiếp, theo tiêu chuẩn này thì
quá trình tăng trưởng vết nứt bắt đầu từ vết nứt theo hướng xuyên tâm φ = φ0
vng góc với ứng suất tiếp σφmax, vết nứt bắt đầu xuất hiện khi ứng suất tiếp đạt cực đại
σφmax đạt đến giá trị quan trọng của ứng suất σc (cường độ vết nứt KIC) bằng ứng suất vết
nứt trong ứng suất trục. Điều kiện cho việc định hướng phát triển vết nứt có thể được lấy
từ các mối quan hệ:
2
 


 0,
0

 2



(2.4)

Westergaard (1939): được sử dụng để mô tả trường ứng suất gần đầu vết nứt cho một
tổng hợp giữa mode I +mode II, sau đó phương trình trên dẫn đến:

K I sin 0  K II  3cos 0  1  0

(2.5)

Mơ hình Yates (1991) [7]:
2

2

 K I 
 K III 

 sin   2.6 
 cos  1

K

K
I ,th 
III ,th 



(2.6)

Sau khi thực hiện chuyển đổi bằng cách sử dụng tiêu chuẩn Tresca, phương trình
được giảm và sau đó ta được 1 loạt các hệ số tương đương:

K eq  K 2 I sin   2.6K 2 II cos
Mơ hình của Pook (1985) [8]:

(2.7)


13

Hình 2.9: Mơ hình của Pook

K I (1  2 )  K 2 I (1  2 ) 2  4 K 2 III
K eq 
2

(2.8)

Xác định góc nghiêng α của vết nứt theo công thức:
2 K III
K I (1  2 )

tg (2 ) 

(2.9)

Ở đây α chạy từ: -450 < α < 450

Mơ hình Schollmamn (2001) [9]: Tổ hợp mode I, II, III, tiêu chuẩn này dựa trên giả thuyết
rằng vết nứt vng góc với hướng của σ1, trong đó ứng suất chính tối đa được xác định trên
bề mặt. Trong trường hợp ứng suất 3 trục, ứng suất chính tối đa σ1 được xác định bởi những
ứng suất   ,  z , và  z như sau:

 
1




2

z



1
2









z



2

 4 2

z

(2.10)

Vì hướng tăng trưởng vết nứt vng góc với σ1 nên ta có quan hệ sau:


1


 

0

 2
 0;
 2

0

 

(2.11)

0

Góc nghiêng α của vết nứt được xác định dựa trên σ1 và được tính theo công thức
sau:

  
    


2

z 0
  arctan 
    0   z  0

(2.12)