Nghiên cứu tính toán độ bền mỏi kết cấu thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn

Bài viết Nghiên cứu tính toán độ bền mỏi kết cấu thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn dựa trên kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm việc hai chiều, tiến hành phân tích tính toán tìm ra sơ bộ vị trí nguy hiểm của các nút giàn và nghiên cứu tính toán độ mỏi cho một đại diện vị trí nút giàn để làm cơ sở cho việc tính toán độ bền mỏi toàn bộ cửa van.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ĐỘ BỀN MỎI KẾT CẤU THÉP CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN Trần Xn Hải1, Vũ Hồng Hưng2 Tóm tắt: Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn tổ hợp từ thép liên kết hàn xưởng trường Khi mối hàn tồn khuyết tật vị trí tập trung ứng suất khả có phá hoại mỏi đường hàn cao mà khơng cần tích lũy số chu trình ứng suất lớn Do việc xem xét tính tốn độ bền mỏi cho cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm việc hai chiều cần thiết Bài báo thơng qua tính tốn độ bền mỏi cho đại diện vị trí nguy hiểm cửa van để làm sở xem xét đánh giá an tồn cửa van có xét đến phá hoại mỏi Từ khóa: Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn, Độ bền mỏi, Khuyết tật đường hàn ĐẶT VẤN ĐỀ * Mỏi q trình suy thối dần khả làm việc vật liệu cấu kiện kết cấu Quá trình phá hoại mỏi xảy cấu kiện kết cấu chịu ứng suất thay đổi vết lớn Tuy nhiên ứng suất kết cấu thép cửa van vận hành phụ thuộc chủ yếu vào áp lực nước tác dụng lên cửa van Khi cửa van vận hành điều kiện làm việc hai chiều, áp lực nước thay đổi liên tục độ lớn chiều dẫn nứt nhỏ (vết nứt vi mô) sinh từ vùng cục kết cấu chịu ứng suất tương đối lớn Khi số chu trình làm việc cấu kiện kết cấu tăng lên tới ứng suất phận cửa van thay đổi đặc biệt vị trí liên kết hàn giàn (Hình 1) Vì với chu trình vết nứt mở rộng dần, cấu kiện kết cấu ngày bị yếu cuối xảy đứt gãy dẫn đến phá hoại tổng thể kết cấu Nhân tố ảnh hưởng đến phá hoại mỏi chủ yếu thay đổi ứng suất khơng lớn cửa van bị phá hoại mỏi đường hàn trường tồn khuyết tật Do kết cấu cửa van làm việc hai chiều vùng cửa sông có số chu trình tải trọng; phạm vi ứng suất chu trình tải trọng; ứng suất trung bình chu trình tải trọng tượng tập trung ứng suất Trong tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cửa van độ bền cửa van bị suy giảm mỏi Hơn nữa, chưa có cơng trình nghiên cứu vấn đề cho cửa van Về mặt lý thuyết, cửa van nhịp lớn làm việc điều kiện mực nước thượng, hạ lưu thay không nêu yêu cầu phân tích tính tốn độ bền mỏi Có thể với thực tiễn tổng kết nay, với việc sử dụng hệ số an tồn đổi liên tục việc tính tốn mỏi yếu tố cần quan tâm tính tốn Bài báo dựa kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm kiểm tốn thi cơng đảm bảo chất lượng tượng phá hoại mỏi khơng xảy số lượng chu trình thay đổi ứng suất khơng việc hai chiều, tiến hành phân tích tính tốn tìm sơ vị trí nguy hiểm nút giàn nghiên cứu tính tốn độ mỏi cho đại diện vị trí nút giàn để làm sở cho việc tính tốn Nghiên cứu sinh Trường Đại học Thuỷ lợi Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi 72 độ bền mỏi toàn cửa van KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) Hình Sự thay đổi ứng suất giàn từ kéo – nén nén - kéo PHÁ HOẠI MỎI KẾT CẤU THÉP CỬA VAN Đối với kết cấu thép mà đặc biệt liên kết hàn kết cấu thép, việc xem xét độ bền tác dụng tĩnh tải cần xem xét độ bền mỏi tải trọng gây ứng suất biến đổi lặp lặp lại theo thời gian Các yếu tố cần xem xét tính tốn độ bền mỏi đặc tính chu trình ứng suất ứng suất cực đại max , ứng suất cực tiểu min, ứng suất trung bình m, biên độ ứng suất a, hệ số bất đối xứng chu trình số lượng chu trình ứng suất tác động lên kết cấu Hình thể đặc trưng chu trình ứng suất (Đ.V.Hứa, 2012, 2014) Đối với đường hàn chịu ứng suất tĩnh cao (ứng suất tĩnh ứng suất trung bình chu trình ứng suất) cộng với khuyết tật đường hàn khả có phá hoại mỏi đường hàn cao mà khơng cần tích lũy số chu trình ứng suất lớn Các khuyết tật đường hàn đa dạng, việc kiểm tra đường hàn để xử lý lại đường hàn loại bỏ sản phẩm lỗi Một số dạng khuyết tật hàn trực tiếp làm phát sinh phát triển vết nứt mỏi đường hàn chịu ứng suất biến đổi theo thời gian (Hình 3) Hình Một số dạng khuyết tật đường hàn Hình Các đặc trưng chu trình ứng suất Sự phá hoại mỏi chỗ có khuyết tật hàn gây tập trung ứng suất Tùy vào KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 73 hình dạng loại khuyết tật, ứng suất tập trung thường lớn nhiều lần ứng suất khu vực khơng có tập trung ứng suất (Hình 4) Khi kết cấu chịu tải trọng tĩnh vùng có ứng suất tập trung lớn giới hạn chảy vật liệu bị chảy dẻo ứng suất khu vực phân phối lại Nếu tượng chảy dẻo xảy cục phần mặt cắt kết cấu chịu lực mà khơng bị phá hoại (Hình) Tuy nhiên, tác dụng ứng suất biến đổi vùng chảy dẻo phát sinh vết nứt đầu vết nứt tiếp tục phát triển sau chu kỳ ứng suất Khi vết nứt phát triển đủ lớn mặt cắt bị phá hoại đột ngột (Eerik Peeker, 1997) Hình Hệ số tập trung ứng suất Hình Vùng phá hoại dẻo vị trí có tập trung ứng suất TÍNH TỐN ĐỘ BỀN MỎI CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN 3.1 Đặc tính mỏi vật liệu chế tạo cửa van Tiến hành khảo sát mỏi cửa van phẳng kéo đứng có kích thước 40  m làm từ tổ hợp thép liên kết hàn Trong trình khảo sát coi mối hàn lý tưởng để loại trừ yếu tố mỏi tác động khuyết tật đường hàn mà tập trung kiểm tra mỏi tải trọng gây ra, không xét đến ứng suất dư trường ứng suất nhiệt hàn, đường hàn cấu kiện thép trạng thái nhiệt độ bình thường 30oC Giả thiết thuộc tính vật liệu thép vật liệu hàn nhiệt độ 30oC cho Bảng Bảng tham số đường cong phá hoại S-N vật liệu cho Bảng (LUO, 2007; ZHU, 2008) Bảng Bảng tham số vật liệu Vật liệu Mô đun đàn hồi /Pa Cường độ giới hạn /Pa Thép Hàn 2,061011 1,021011 1,4109 0,8109 Mô đun biến dạng cắt /Pa 2,061010 1,021010 Khối lượng riêng kg/m3 7800 4850 Hệ số Poisson 0,3 0,3 Hệ số truyền nhiệt w/m.oC 16,3 7,44 Hệ số dãn dài 1/oC 1,0610-5 9,3610-6 Tỷ lệ nhiệt dung J/kg.oC 502 544 Bảng Bảng tham số đường cong phá hoại S-N vật liệu N S/MPa N S/MPa N S/MPa 74 1102 150 1104 85 6106 55 2102 120 1105 80 7106 50 5102 110 1106 75 8106 45 1103 100 2106 70 9106 40 1,5103 95 3106 65 1107 35 2103 90 5106 60 1,2107 30 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 3.2 Mơ hình tính tốn Tính tốn thực mơ hình 3D cho Hình 6a để xác định giá trị lực dọc giàn vị trí xem xét đến phá hoại mỏi Do vị trí chân giàn có nội lực lớn vị trí chân giàn trên, nên tính tốn mỏi xem xét cho vị trí chân giàn (vị trí 2) Cấu tạo kích thước nút chân giàn cho Hình 6b Tiến hành xây dựng mơ hình nút giao cánh hạ giàn dưới, dầm biên, dầm đứng dầm phụ dọc Hình thể mơ hình tính tốn điều kiện biên nút giàn vị trí Hình 6a Hình 6b Hình Vị trí xem xét đến phá hoại mỏi cấu tạo chi tiết chân giàn Hình Mơ hình tính tốn điều kiện biên nút giàn vị trí 3.3 Kết tính tốn Tính tốn mỏi thực cánh hạ giàn chịu lực dọc tổ hợp N = 1938 kN với chu trình lặp lại 1×105 lần Lực dọc cánh hạ giàn ứng với tổ hợp đặc biệt N = 2786 kN với chu trình lặp lại ×102 lần Kết tính tốn phổ ứng suất nút giàn vị trí theo phương cho Hình Kết tính tốn ứng suất mỏi vị trí nút 3098 cho Bảng Theo kết tính tốn mỏi từ phần mềm ANSYS hệ số sử dụng mỏi tích lũy 0,01119 Hay với chu trình giả thiết, nút liên kết giàn không bị phá hoại mỏi Nút bị phá hoại số chu trình đạt 8,956×106 lần KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 75 Hình Kết tính tốn phổ ứng suất theo phương nút giàn vị trí Bảng Kết tính tốn ứng suất mỏi vị trí nút 3098 SX(kN/m2) 19096 SY(kN/m2) 5097 SZ(kN/m2) 60758 SXY(kN/m2) 3256 KẾT LUẬN Trong tính tốn kết cấu cửa van làm việc hai chiều cho vùng cửa sông, áp lực nước thay đổi liên tục độ lớn chiều dẫn tới ứng suất phận cửa van thay đổi đặc biệt vị trí liên kết hàn giàn Khi chu trình thay đổi ứng suất khơng lớn cửa van có 76 SYZ(kN/m2) 5961 SXZ(kN/m2) 34045 thể bị phá hoại mỏi đường hàn trường tồn khuyết tật Việc tính tốn độ bền mỏi cho cửa van thép phẳng kéo đứng nhịp lớn yếu tố cần quan tâm nghiên cứu tính tốn Thơng qua kết tính tốn độ bền mỏi đại diện nút liên kết chân giàn với dầm biên cửa van phẳng nhịp lớn cho thấy không bị phá KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) hoại mỏi chu trình lặp lại tải trọng 1,001×105 lần Vị trí chân giàn coi vị trí nguy hiểm cửa van Tuy nhiên để khẳng định an tồn cửa van có xét đến phá hoại mỏi, cần thiết phải xem xét đầy đủ cho tất nút giàn xem xét tính tốn mỏi cho nút giàn có kể đến chất lượng đường hàn bị khuyết tật, chất lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Văn Hứa, Khúc Hồng Vân (2012), “Tính tốn kết cấu cửa van theo độ bền mỏi số giải pháp tăng khả chịu mỏi,” Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, 39, tr 87-93 Đỗ Văn Hứa, Vũ Hoàng Hưng (2014), Cửa van thiết bị đóng mở, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Trần Xuân Hải, Vũ Hoàng Hưng “Nghiên cứu tối ưu kết cấu hệ giàn ống thép cửa van phẳng kéo đứng làm việc hai chiều,” Tạp chí KHKT Thủy lợi & Môi trường, số 70, pp 103-110, tháng năm 2020 Viện Thủy điện Năng lượng tái tạo (2021), Báo cáo nguyên nhân hư hỏng ống AL giải pháp xử lý – Nhà máy thủy điện A Lưới Boris Fuštar, Ivan Lukačević and Darko Dujmović (2018), Review of Fatigue Assessment Methods for Welded Steel Structures, Advances in Civil Engineering Eerik Peeker (1997), Extended Numerical Modeling of Fatigue Behavior, Chapter - Background fatigue theory, EPFL Thesis 1617 LUO Yao-zhi , ZHU Shi-zhe, CHEN Xi (2007), “Cyclic behavior test of a new double-arch steel gate”, Journal of Zhejiang University SCIENCE A, vol 8, pp 1731-1739 ShiZhe Zhu, Xi Cheng (2008), “Test and analyses of a new double-arch steel gate under cyclic loading”, Journal of Constructional Steel Research, vol 64, p 454–464 Abstract: ANALYSIS ON FATIGUE FAILURE OF LARGE SPAN VERTICAL LIFT GATE The large span vertical lift gate is completed base on welds which conect each steel structural member in both the factory and the fieldwork If the welds contain some defects under the stress concentration, fatigue failure in the welding line is possibility happened without a large number of pressure cycle Therefore, anlysis on fatigue failure of large span vertical lift gate working in two direction is nessesary This paper has indicated one of a dangerous join of gate by FEM modal to consider the fatigue failure In addition, research has pointed these certain types of weld defects can directly develop fatigue cracking Keywords: Large span vertical lift gate, Fatigue failure, Welding defects Ngày nhận bài: 25/02/2022 Ngày chấp nhận đăng: 16/3/2022 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 78 (3/2022) 77 ... phá hoại mỏi đường hàn trường tồn khuyết tật Việc tính tốn độ bền mỏi cho cửa van thép phẳng kéo đứng nhịp lớn yếu tố cần quan tâm nghiên cứu tính tốn Thơng qua kết tính tốn độ bền mỏi đại diện... suất giàn từ kéo – nén nén - kéo PHÁ HOẠI MỎI KẾT CẤU THÉP CỬA VAN Đối với kết cấu thép mà đặc biệt liên kết hàn kết cấu thép, việc xem xét độ bền tác dụng tĩnh tải cần xem xét độ bền mỏi tải trọng... đủ lớn mặt cắt bị phá hoại đột ngột (Eerik Peeker, 1997) Hình Hệ số tập trung ứng suất Hình Vùng phá hoại dẻo vị trí có tập trung ứng suất TÍNH TỐN ĐỘ BỀN MỎI CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN