Tài liệu Nghiên cứu đánh giá mỏi cầu đường sắt la thọ km811+012

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ ĐỨC VƢƠNG NG N CỨU Đ N G MỎI CẦU ĐƢỜNG SẮT LA THỌ KM811+012 LUẬN VĂN T ẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ ĐỨC VƢƠNG NG N CỨU Đ N G MỎI CẦU ĐƢỜNG SẮT LA THỌ KM811+012 Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số : 858.02.05 LUẬN VĂN T ẠC SĨ NGƢỜ ƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN LAN Đà Nẵng - Năm 2019 ii NG N CỨU Đ N G MỎ CẦU ĐƢỜNG SẮT LA THỌ KM811+012 Học viên: Đỗ Đức Vương. Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông Mã số: 85.80.205. Khóa: 36.XGT. Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu tổng quan về phá hoại mỏi cầu thép; cơ sở lý thuyết đánh giá tuổi thọ mỏi cầu thép theo phương pháp tiêu chuẩn đánh giá cầu của châu Âu, Mỹ trên cơ sở hư hỏng mỏi tích lũy của Palm-Miner; cơ sở phương pháp xác định hư hỏng tích lũy do mỏi từ phổ ứng suất do phân tích hoặc đo đạc theo thời gian do hoạt tải di động gây ra trên cầu thép. Một chương trình thực nghiệm đo đạc phổ ứng suất động cho các đoàn tàu chạy qua cầu thép đường sắt La Thọ được thực hiện để làm dữ liệu đầu vào cho bài toán đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại của cầu thép La thọ trên tuyến đường sắt BắcNam của Việt Nam. Từ khóa: Độ bền mỏi, khoảng ứng suất, tải trọng lặp, đếm dòng mưa, số vòng lặp tải. STUDY ON RAILWAY RIDING ASSESSMENT LA THO KM811 + 012 Summary: The thesis studies an overview of the fatigue damages of each steel bridge; theoretical basis for evaluation the remaining fatigue servilife of steel bridges according to the standard method for assessing bridges of Europe and America on the basis of Palm-Miner's accumulated damage; basis of the method for determining accumulated damage from stress spectras due to analysis or measurement over time due to live loads on steel bridges. An experimental program of measuring dynamic stress spectras for trains running through La Tho steel steel bridge was made as input data for the problem of evaluation the remaining fatigue life of La Tho steel bridge on the North-South railway of Vietnam. Key words: Fatigue strength, stress range, repeat loads, rainflow counting, load cycles. iii MỤC LỤC LỜ CAM ĐOAN ...........................................................................................................i TÓM TẮT .................................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu ...........................................1 C ƢƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỘ BỀN MỎI KẾT CẤU CẦU...................................2 1.1. Tổng quan về mạng lưới Đường sắt Việt Nam ........................................................2 1.2. Hư hỏng do mỏi kết cấu thép và cầu thép ................................................................4 1.2.1. Khái niệm về mỏi kết cấu thép .......................................................................4 1.2.2. Bản chất ..........................................................................................................4 1.2.3. Đặc điểm của bề mặt gãy mỏi .........................................................................5 1.2.4 Đường cong mỏi .............................................................................................7 1.2.5. Những tiêu chí phá hoại mỏi ..........................................................................9 1.2.6. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi cầu giàn thép. .............................11 1.3. Kết luận Chương 1..................................................................................................17 C ƢƠNG 2. P ƢƠNG P P Đ N G TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP ........18 2.1. Thiết kế mỏi kết cấu thép theo ...............................................................................18 2.2. Tính toán tích lũy hư hại do mỏi ............................................................................31 2.2.1. Tích lũy hư hại theo Miner ...........................................................................32 2.3.2. Xác suất hư hỏng của cấu trúc ......................................................................35 2.3.3. Tải trọng dao động bất kỳ ............................................................................36 2.4. Dự báo tuổi thọ mỏi còn lại cầu thép (Cơ sở đánh giá mỏi) ..................................37 2.4.1. Đánh giá cầu thép theo TTGH mỏi. (ở Mỹ) .................................................37 2.4.2. Đánh giá cầu ở Anh Quốc và châu Âu .........................................................40 2.5. Kết luận Chương 2..................................................................................................48 iv C ƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM Đ N G TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP ĐƢỜNG SẮT ...............................................................................................................49 3.1. Lựa chọn Công trình thực nghiệm..........................................................................49 3.2. Thiết kế chương trình thực nghiệm ........................................................................50 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống đo đạc và chẩn đoán tuổi thọ mỏi ................................50 3.2.2. Giao diện và các tính năng chương trình FAPRE.........................................50 3.2.3. Giới thiệu thiết bị ..........................................................................................52 3.2.4. Bố trí của giàn thép và sơ họa các vị trí đo của giàn thép ............................52 3.3. Kết quả đo đạc thực nghiệm tại hiện trường ..........................................................54 3.4. Phân tích kết quả thực nghiệm và so sánh với phân tích l thuyết ........................58 3.5. Kết luận Chương 3..................................................................................................77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊN G AO ĐỀ TÀ LUẬN VĂN (BẢN SAO) v DAN aio ai1 ai2 ai3 AASHTO ĐSVN TTL TTM MỤC CÁC TỪ V ẾT TẮT Điểm đo tại kênh ai0 Điểm đo tại kênh ai1 Điểm đo tại kênh ai2 Điểm đo tại kênh ai3 Hội các chuyên gia đường bộ và giao thông Hoa Kỳ Đường Sắt Việt Nam; Tải trọng lặp; Tải trọng mỏi ; vi DAN Số hiệu Tên bảng bảng 1.1. MỤC C C BẢNG Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trưng cơ học của vật liệu. Trang 11 1.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt tới độ bền mỏi. 12 1.3. Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu 13 1.4. Ảnh hưởng của hình dáng mặt cắt ngang của mẫu tới khả năng chống phá hủy mỏi 15 2.1. Các loại chi tiết bị mỏi do tải trọng gây ra 18 2.3. Hằng số loại chi tiết, A 30 2.4. Các chu kỳ đối với mỗi lượt xe tải chạy qua, n 31 2.5. Giới hạn mỏi - biên độ không đổi 31 3.1. Giá trị Ứng suất và chu kỳ thu được tàu 1 60 3.2. Giá trị Ứng suất và chu kỳ thu được tàu 2 62 3.3. Giá trị Ứng suất và chu kỳ thu được tàu 3 65 3.4. Giá trị Ứng suất và chu kỳ thu được tàu 4 67 3.5. Các giá trị thu được gây ảnh hưởng đến đến các chi tiết đo. 69 3.6. Các giá trị thu được gây ảnh hưởng đến đến các chi tiết đo 76 vii DAN MỤC C C Số hiệu ÌN Tên hình hình Trang 1.1. Bản đồ tổng quan mạng lưới đường sắt Việt Nam 2 1.2. Vết nứt xuất hiện trên dầm, giàn thép 5 1.3. Quá trình phát triển vết nứt do tải trọng lặp trong kết cấu thép 6 1.4. Đường cong mỏi Voler 7 1.5. Đồ thị các ứng suất giới hạn 7 Đường cong thực nghiệm biểu diễn các biên độ giới hạn trên hệ 1.6. 1.7. 1.8. toạ độ (a - m). Đường cong Voler trong hệ trục logarit Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng dùng để xây dựng chỉ tiêu năng lượng 8 9 10 1.9. Chu trình ứng suất 12 2.1. Đường cong tuổi thọ S-N 32 2.2. L thuyết Palmgren – Miner mở rộng 35 2.3. Xác suất hư hỏng 35 2.4. Hệ số rủi ro J 36 2.5. Các dạng tải trọng theo thời gian. 37 2.6. Trình tự đánh giá mỏi cầu thép cũ theo Eurocode 44 2.7. Đánh giá sơ bộ hệ số an toàn mỏi 45 2.8. Tính toán hư hhỏng tích lũy do mỏi. 46 3.1. 3.2. 3.3. Sơ đồ khối hệ thống thu thập số liệu biến dạng động và chẩn đoán tuổi thọ mỏi Giao diện chương trình FAPRE- giới thiệu hệ thống Bảng tra giá trị Ni lấy từ đường cong sức kháng mỏi S-N (TC AASHTO 2011) 50 51 51 3.4. Sơ đồ bố trí hệ giằng thượng và mặt đứng dầm giàn 52 3.5. Sơ đồ bố trí hệ giằng hạ - mã hạ và hệ đà sàn 52 viii Số hiệu Tên hình hình 3.6. 3.7. 3.8. Hình ảnh cầu La Thọ KM811+012 Sơ đồ bố trí các vị trí đặt điểm đo tại mã hạ đo đoàn tàu số 1 và số 2 Sơ đồ bố trí các vị trí đặt điểm đo tại mã thượng đo đoàn tàu số 3 và số 4 Trang 53 53 54 3.9. Bố trái các vị trí cần đo 54 3.10. Máy đo hỗ trợ từ xa bằng hệ thống WIFI 55 3.11. Chuyến tàu 1: Lúc 15:19 phút ngày 19 tháng 8 năm 2019 55 3.12. Chuyến tàu 2: Lúc 16:34 phút ngày 19 tháng 8 năm 2019 56 3.13. Chuyến tàu 3: Lúc 18:04 phút ngày 19 tháng 8 năm 2019 56 3.14. Chuyến tàu 4: Lúc 06:27 phút ngày 20 tháng 8 năm 2019 57 3.15. Tàu 1 aio (xanh lá cây - thanh dọc mã hạ - hạ lưu) 58 3.16. Tàu 1 - ai1 (trắng - thanh dọc mã hạ - thượng lưu) 58 3.17. Tàu 1 – ai2 (xanh biển - thanh dọc ở giữa) 59 3.18. Tàu 1 – ai3 (đỏ - thanh ngang - HL) 59 3.19. Tàu 2 – aio (xanh lá cây - thanh dọc mã hạ - hạ lưu) 60 3.20. Tàu 2 – ai1 (trắng - thanh dọc mã hạ - thượng lưu) 61 3.21. Tàu 2- ai2 (xanh biển - thanh dọc ở giữa) 61 3.22. Tàu 2- ai3 (đỏ - thanh ngang - HL) 62 3.23. Tàu 3 – aio (xanh lá cây - thanh dọc mã thượng) 63 3.24. Tàu 3 – ai1 (trắng - thanh đứng) 63 3.25. Tàu 3 – ai2 (xanh biển - thanh xiên) 64 3.26. Tàu 3 – ai3 (đỏ - thanh ngang mã thượng) 64 3.27. Tàu 4 – aio (xanh lá cây - thanh dọc mã thượng) 65 3.28. Tàu 4 – ai1 (trắng - thanh đứng) 66 3.29. Tàu 4 – ai2 (xanh biển - thanh xiên) 66 3.30. Tàu 4 – ai3 (đỏ - thanh ngang mã thượng) 67 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đƣờng sắt là một trong những ngành công nghiệp lâu đời của Việt Nam. Ngành Đường sắt Việt Nam ra đời năm 1881. Mạng lưới đường sắt hiện tại của Việt Nam có rất nhiều cây cầu cũ có tuổi khá cao, có cầu tuổi khai thác cả trăm năm vẫn còn đang được sử dụng. Một trong những loại hư hỏng điển hình của cầu thép đường sắt là do mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục là các đoàn tàu đi qua. Do thiếu kinh phí nên một số cầu cũ, đã bị xuống cấp, hư hỏng mà vẫn còn khai thác do chưa có điều kiện sửa chữa hay thay mới nên có nguy cơ mất an toàn cho kết cấu và phương tiện qua lại. Đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại của cầu thép trên đường sắt là một nội dung quan trọng khi kiểm định đánh giá cầu cũ đường sắt, nhằm dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu làm cơ sở cho tổ chức khai thác cầu để đảm bảo an toàn kết cấu và phương tiện lưu thông qua cầu. Bản thân đang công tác tại ngành Đường Sắt, học viên cũng đã từng chứng kiến nhiều cầu xuất hiện nhiều hư hỏng do mỏi trên cầu Đường Sắt cũ nên lựa chọn đề tài : “ nc u n mỏi cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012”. Do đó luận văn này mang tính ứng dụng và thực tiễn cao, phù hợp với luận văn thạc sỹ theo định hướng ứng dụng. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở l thuyết tính toán tuổi thọ mỏi cầu thép. - Thực nghiệm đo phổ ứng suất động 01 cầu thép thực tế làm cơ sở đánh giá tuổi thọ mỏi cầu thép đường sắt. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là đánh giá mỏi cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu Luận văn nghiên cứu hệ thống hóa phương pháp đánh giá tuổi thọ mỏi cầu đường sắt cũ, kết quả luận văn có thể tham khảo cho các kỹ sư đánh giá cầu. 2 C ƢƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘ BỀN MỎ KẾT CẤU CẦU 1.1. Tổng quan về mạng lƣới Đƣờng sắt Việt Nam Đƣờng sắt Việt Nam là một trong những ngành công nghiệp lâu đời của Việt Nam. Ngành Đường sắt Việt Nam ra đời năm 1881 bằng việc khởi công xây dựng tuyến đường sắt đầu tiên đi từ Sài Gòn đến Mỹ Tho dài khoảng 70 km. Chuyến tàu đầu tiên khởi hành ở Việt Nam là vào ngày 20 tháng 7 năm 1885. Những năm sau đó, mạng lưới đường sắt tiếp tục được triển khai xây dựng trên khắp lãnh thổ Việt Nam theo công nghệ đường sắt của Pháp với khổ đường ray 1 mét. Thời kỳ chiến tranh, hệ thống đường sắt bị hư hại nặng nề. Kể từ năm 1986, Chính phủ Việt Nam tiến hành khôi phục lại các tuyến đường sắt chính và các ga lớn, đặc biệt là tuyến Đường sắt Bắc Nam. Hình 1.1. Bản đồ tổng quan mạng lưới đường sắt Việt Nam 3 Kết cấu hạ tầng đƣờng sắt  Đƣờng sắt Quốc gia: Là đường sắt phục vụ vận tải hành khách và hàng hóa chung của cả nước, từng vùng kinh tế và đường sắt liên vận Quốc gia. Đường sắt Quốc gia được chia thành nhiều tuyến đường sắt qua nhiều ga khác nhau (là đường sắt đi từ ga đầu tiên đến ga cuối cùng của một hành trình). Trên đường sắt Quốc gia có tàu khách, tàu hàng được lập bởi một hay nhiều đầu máy, toa xe không tự vận hành, toa xe động lực, phương tiện chuyên dùng trên đường sắt.  Đƣờng sắt đô thị: Là đường sắt phục vụ việc đi lại hàng ngày của hành khách của từng tỉnh, thành phố và các vùng phụ cận. Bao gồm: xe điện bánh sắt, tàu cao tốc, đường 1 ray tự động dẫn hướng, tàu điện chạy nổi và ngầm. Đường sắt đô thị được xây dựng kiểu chạy trên cao, chạy ngầm (chạy dưới lòng đất). Ngoài ra còn có kiểu chạy cùng mặt bằng (chạy trên mặt đường bộ) hoặc giao cắt với đường bộ.  Đƣờng sắt chuyên dùng: Là đường sắt phục vụ nhu cầu vận tải riêng của một tổ chức, cá nhân. Đường sắt chuyên dùng có thể kết nối hoặc không kết nối với đường sắt Quốc gia. Công trình tín hiệu Tín hiệu cố định Tín hiệu cố định gồm: tín hiệu đèn màu, tín hiệu cánh  Tín hiệu đèn màu: Là tín hiệu để báo cho lái tàu biết để điều khiển tàu vào ga, vào bãi, ra ga, ra bãi, phòng vệ, dừng tàu, thông qua ga... Tín hiệu đèn màu gồm có những màu sắc: đỏ, vàng, xanh lục, xanh lam, sữa. Có các kiểu tín hiệu: tín hiệu chính (vào ga, vào bãi, ra ga, ra bãi, ngăn đường, phòng vệ, dồn tàu, vượt đỉnh dốc gù...), tín hiệu lặp lại, tín hiệu báo trước.  Tín hiệu cánh: Là tín hiệu có tác dụng giống như tín hiệu đèn màu, dùng ở những nơi chưa có tín hiệu đèn màu. Có các kiểu tín hiệu: tín hiệu chính (vào ga, vào bãi, ra ga, ra bãi, ngăn đường, phòng vệ, dồn tàu, vượt đỉnh dốc gù...), tín hiệu lặp lại, tín hiệu báo trước. Có loại 1 cánh, 2 cánh, 3 cánh. Trên mỗi cánh có một đèn tương ứng để thắp sáng vào ban đêm hoặc ban ngày không rõ tầm nhìn. Tín hiệu di động  Tín hiệu phòng vệ:để cảnh báo cho đoàn tàu biết khi có trở ngại trên đường  Tín hiệu của tàu:gồm các tín hiệu như tín hiệu biển đỏ đuôi tàu, tín hiệu đèn đầu máy Biển báo Cung cấp những thông tin cần thiết cho lái tàu. Biển hiệu, mốc hiệu Yêu cầu những công việc lái tàu bắt buộc phải chấp hành. 4 Ga đƣờng sắt Chức năng chính của ga đƣờng sắt Ga đƣờng sắt là khu vực có phạm vi định giới rõ rệt theo quy định của ngành đường sắt, có các công trình kiến trúc và các thiết bị cần thiết khác để tàu hỏa dừng, tránh, vượt nhau, xếp dỡ hàng hóa, nơi hành khách lên xuống tàu hay chờ tàu... Ga có thể thực hiện một hay nhiều hoạt động khác nhau, như: nhận chuyển chở hàng, xếp dỡ hàng, bảo quản hàng, trao trả hàng, trung chuyển hàng lẻ, tổ chức liên vận, đón gửi tàu, lập và giải toả các đoàn tàu, kiểm tra kĩ thuật toa xe, bán vé cho hành khách... Ga đường sắt có các công trình: kho bãi hàng hóa, kho chứa hành l , quảng trường, nhà ga, công trình cho người tàn tật, phòng chờ tàu, nơi xếp dỡ hàng hóa... Các cấp nhà ga Căn cứ vào khối lượng và tính chất của công việc, nhà ga được phân cấp:ga cấp I, ga cấp II, ga cấp III, ga cấp IV. Khổ đƣờng sắt  Đường sắt Quốc gia có tiêu chuẩn là 1000mm (3 ft 3 3⁄8 in) và 1435mm (4 ft 8 1⁄2 in).  Đường sắt đô thị có khổ đường là 1435mm - điện khí hoá.  Đường sắt chuyên dùng do tổ chức tự quyết định khổ đường nếu không kết nối vào đường sắt Quốc gia. Hiện tuyến đường sắt Việt Nam có 5.869 cầu. Trong số này thì có 861 cầu có cắm biển hạn chế tải trọng, 1.920 cầu được xây dựng từ năm thế kỷ 19 nên việc tiếp tục đánh giá hiện trạng cầu đường sắt làm cơ sở sửa chữa hay thay mới là vấn đề cần thiết và cấp bách. 1.2. ƣ hỏng do mỏi kết cấu thép và cầu thép 1.2.1. K n ệm về mỏ kết cấu t ép Đó là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi đó phát triển và dẫn tới sự phá hủy của vật liệu. Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi. 1.2.2. Bản c ất Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện từ giữa thế kỷ XIX và đã từ lâu giới hạn bền mỏi được coi là một trong các đặc trưng tính toán chủ yếu để xác định kích thước chi tiết. Thực tiễn sử dụng máy cho thấy khoảng 80 - 90% các tổn thất của chi tiết có liên quan tới sự phát sinh và phát triển các vết nứt mỏi. Qua các nghiên cứu về sự phá hủy mỏi của vật liệu, có thể rút ra những kết luận sau đây: 5 - Vật thể có thể bị phá hủy khi trị số ứng suất lớn nhất max không những thấp hơn nhiều so với giới hạn bền mà thậm chí có thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu, nếu như số lần thay đổi ứng suất (số chu kỳ ứng suất) khá lớn. - Đối với một số loại vật liệu, có tồn tại một trị số ứng suất giới hạn tác dụng vào vật liệu với số chu kỳ rất lớn mà không phá hỏng vật liệu. - Sự phá hủy mỏi bao giờ cũng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi), không nhìn thấy được bằng mắt thường. Các vết nứt này phát triển dần cùng với sự gia tăng số chu trình ứng suất, đến một lúc nào đó chi tiết sẽ bị gãy hỏng hoàn toàn. Khi dầm giàn thép chịu ứng suất tĩnh bị phá hỏng, gọi là bị phá hỏng do ứng suất tĩnh. Hay nói cách khác chi tiết không đủ sức bền tĩnh. Tính toán dầm thép để ngăn chặn dạng hỏng này được gọi là tính toán theo sức bền tĩnh. Khi dầm thép bị phá hỏng bởi ứng suất thay đổi, gọi là bị phá hỏng do mỏi hay dầm thép không đủ sức bền mỏi. Tính toán dầm thép để ngăn chặn hiện tượng này gọi là tính toán theo sức bền mỏi. Hình 1.2. Vết nứt xuất hiện trên dầm, giàn thép 1.2.3. Đặc ểm của bề mặt ãy mỏ 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, choán cả một vùng dầm giàn thép. Trái lại sự phá hủy mỏi xảy ra khi trị số ứng suất không lớn lắm. dầm giàn thép bị hỏng có thể dưới dạng gãy đứt hoàn toàn hoặc có vết nứt lớn, khiến dầm giàn thép không thể làm việc được nữa. Sự phá hủy mỏi có tính chất cục bộ, chỉ xảy ra trong một vùng nhỏ của dầm giàn thép, vết nứt mỏi thường phát triển ngấm ngầm và rất khó phát hiện bằng mắt thường.Trước khi dầm giàn 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 6 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. Tóm lại quá trình hỏng vì mỏi xảy ra từ từ và theo trình tự như sau: - Sau một số chu kỳ ứng suất nhất định, tại những chỗ có tập trung ứng suất trên chi tiết sẽ xuất hiện những vết nứt nhỏ. - Vết nứt này phát triển lớn dần lên, làm giảm dần diện tích tiết diện chịu tải của chi tiết, do đó làm tăng giá trị ứng suất. - Cho đến khi dầm giàn thép không còn đủ sức bền mỏi thì nó bị phá hỏng. Hình dạng chỗ hỏng do mỏi khác hẳn chỗ hỏng do tác dụng của ứng suất tĩnh, đối với vật liệu dẻo xảy ra sự co thắt tại vùng tiết diện bị hỏng, còn đối với vật liệu giòn chỗ đứt có dấu hiệu bị đứt ra. Khi quan sát vết gãy, thấy rõ phần chi tiết bị hỏng do mỏi – bề mặt cũ và nhẵn, bề mặt vết gãy thấy rõ hai vùng: Vùng thứ nhất tương đối mịn, hạt nhỏ (giống như chỗ vỡ của mảnh sứ), đó là vùng các vết nứt mỏi dần dà phát triển. Vùng thứ hai gồ ghề, có hạt to hoặc có các thớ. Vùng này được gọi là vùng hỏng tĩnh, còn vùng thứ nhất gọi là vùng hỏng vì mỏi.Cũng có trường hợp trên tiết diện hỏng thấy có ba vùng: Vùng thứ nhất khá mịn, là vùng phát sinh và phát triển vết nứt với tốc độ chậm, vùng thứ hai thô hơn, tốc độ phát triển vết nứt trong vùng này nhanh hơn, vùng thứ ba gồ ghề là vùng hỏng tĩnh. Xem xét hình dạng bề ngoài của vết gãy ta có thể biết được dầm giàn thép dầm giàn thép đã làm việc quá tải nhiều hay ít. Nếu diện tích không hỏng vì mỏi chiếm tỉ lệ khá lớn so với vùng hỏng tĩnh, ta biết là chi tiết đã làm việc lâu dài với ứng suất lớn hơn giới hạn mỏi chút ít. Nếu diện tích vùng hỏng tĩnh khá lớn, chi tiết rõ ràng đã chịu tải quá lớn trong thời gian ngắn với số chu kỳ ứng suất tương đối ít đã bị gãy hỏng. Hình 1.3. Quá trình phát triển vết nứt do tải trọng lặp trong kết cấu thép [11] 7 1.2.4 Đườn cong mỏ 1.2.4.1. Đường cong mỏi Vôler Trên cơ sở kết quả thí nghiệm mỏi,người ta lập được đồ thị có dạng đường cong biểu diễn quan hệ giữa ứng suất  ( ứng suất biên độ hoặc ứng suất lớn nhất) với số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết ( hoặc mẫu thử nghiệm) chịu được cho đến khi hỏng (hình 1.4).  k r Nk No N Hình 1.4. Đường cong mỏi Voler [7] Đường cong này được gọi là đường cong mỏi ( hay đường cong Voler, mang tên nhà khoa học đầu tiên làm các thí nghiệm xác lập đường cong này) . Số chu kỳ N được gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất . Đồ thị đường cong mỏi có dạng như hình 1.4. 1.2.4.2. Đồ thị các ứng suất giới hạn m max, min B -1 A D O o/2 450 m b m C Hình 1.5. Đồ thị các ứng suất giới hạn [7]. Mặc dù phương pháp lập đồ thị đường cong mỏi Voler là phương pháp dùng phổ biến khi tiến hành các thí nghiệm mỏi của vật liệu, nhưng đường cong này không cho phép xác định giá trị ứng suất giới hạn nhỏ nhất và lớn nhất khi chu trình ứng suất 8 thay đổi không đối xứng. Do đó hiện nay người ta còn sử dụng rộng rãi đồ thị các ứng suất giới hạn, biểu thị quan hệ giữa ứng suất lớn nhất max và ứng suất nhỏ nhất min của chu trình với ứng suất trung bình m (hình 1.5). Tung độ một điểm nào đó trên nhánh AB cho trị số giới hạn max của chu trình, còn tung độ của nhánh CD ứng với trị số ứng suất giới hạn nhỏ nhất min của chu trình. Miền nằm giữa hai nhánh là những trị số ứng suất không làm hỏng vật liệu. Các giao điểm của nhánh AB và CD với trục tung là các trị số max và min của chu trình đối xứng. Nếu đồ thị các ứng suất giới hạn của thép được lặp khi số chu kỳ N bằng số chu kỳ cơ sở N0 =5.106-107, giao điểm này có trị số là giới hạn bền mỏi dài hạn -1 của vật liệu. Đường thẳng phân giác m-m đi qua gốc tọa độ ( làm với trục hoành một góc 450) là quỹ tích của các điểm đặc trưng cho trị số ứng suất trung bình. Đoạn tung độ giữa đường m-m và các nhánh AB hoặc CD cho giá trị biên độ ứng suất a . Với điều kiện chịu tải đã định, vị trí các đường trong đồ thị các ứng suất giới hạn được xác định theo số chu kỳ cơ sở N0 chọn làm thí nghiệm. Nếu chọn số chu kỳ thí nghiệm của thép là (5-10).106 thì kết quả thí nghiệm cho ta đồ thị các giới hạn bền mỏi dài hạn. Cũng có thể lập biểu đồ với các giới hạn bền mỏi ngắn hạn, ứng với tuổi thọ Nk nào đó. 1.2.4.3. Đường cong thực nghiệm của các biên độ giới hạn trên hệ toạ độ a - m a -1 a O a b m Hình 1.6. Đường cong thực nghiệm biểu diễn các biên độ giới hạn trên hệ toạ độ (a - m). Ngoài ra, quan hệ giữa biên độ ứng suất với ứng suất trung bình còn được trình bày bằng đồ thị hình 1.6. Tuy nhiên, đồ thị này không được rõ bằng đồ thị trên vì muốn có giá trị max, min ta phải tính các hệ thức: max = m + a max = m - a 9 Cũng cần nói thêm là do có sự phân tán tuổi thọ, nghĩa là trong cùng một điều kiện chịu tải của các mẫu thử giống nhau, kết quả thu được về tuổi thọ là khác nhau. Có nhiều nguyên nhân phức tạp gây nên phân tán tuổi thọ, song cũng có những nguyên nhân do các yếu tố ngẫu nhiên về luyện kim, về phương pháp gia công để lại các khuyết tật không giống nhau trong các mẫu thử… Do đó những trường hợp cần thiết người ta dùng toán học thống kê để phân tích kết quả thử nghiệm và biểu thị chúng bằng những đồ thị quan hệ giữa tuổi thọ, ứng suất và xác suất phá hủy. 1.2.5. ữn t u c í p oạ mỏ 1.2.5.1. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng Nếu gọi S là ứng suất, N là số chu kỳ ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng lần lượt là: S im .N i = const Hay Fn   (1.5) N  n Trong đó: LgS Kn (1.6) Fn - độ bền mỏi ứng với N chu kỳ. S - ứng suất ứng với N chu kỳ. Kn- số mũ đường cong Voler. N Fn  S  n F100.000 Kn S F200.000 N LgN Hình 1.7. Đường cong Voler trong hệ trục logarit Và chỉ tiêu biến dạng: e p .N kp  C e Trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn ứng với lúc phá hủy. Np - số chu kỳ ứng suất ứng với lúc phá hủy. k - số mũ (0,010,1). Ce - hằng số. (1.7) 10 1.2.5.2. Chỉ tiêu về năng lượng C.E.Feltner và J.D.Marrow đưa ra chỉ tiêu với nội dung như sau: Sự phá hủy mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh.  S S dpl Sa pl O Hình 1.8. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng dùng để xây dựng chỉ tiêu năng lượng Từ hình 6 các tác giả đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật liệu sau N chu kỳ ứng suất là: Δε D sum  2N  ζ.d εpl 0 (18) Số chu kỳ ứng suất ( hay tuổi thọ) khi phá hủy Np đượ xác định từ phương trình:  n  lgζ a  K o   lgN p 1 n  (1.9) Trong đó:  D (1  n)  K o  lg  sum  2K   n n 1 n – hằng số tăng bền do biến dạng chu kỳ. K – hằng số của vật liệu. 1.2.5.3. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi Động học quá trình phá hủy mỏi bao giờ cũng có các giai đoạn xuất hiện, hình thành, phát sinh và phát triển vết nứt.Vết nứt mỏi lan truyền với tốc độ nhất định và khi đạt được tốc độ truyền âm trong vật liệu thì sự phá hủy hoàn toàn xảy ra. Sự tích lũy phá hủy mỏi diễn tiến cả quá trình, còn sự phá hủy hoàn toàn thì xảy ra tức thời. Gọi v là tốc độ lan truyền vết nứt, người ta đã xây dựng được quan hệ: