Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 26 - thép dến vùng biến dạng dẻo mới dở tải thì thép sau đó lm việc hầu nh trong giai đoạn đn hồi với biến dạng nhỏ. Hiện tợng lm tăng giới hạn đn hồi của thép do bị biến dạng dẻo trớc gọi l hiện tợng cứng nguội. Hiện tợng ny lm tăng cờng độ của thép nhng độ dãn di giảm, tức l giảm tính biến dạng của thép lm cho thép dòn hơn mặc dù cờng độ cao hơn. Vì vậy, ngời ta ứng dụng hiện tợng ny để lm giảm biến dạng dây cáp. Trong cầu thép cần tránh hiện tợng ny vì gây ra phá hoại dòn. 2.2.3-Hiện tợng gi của thép: Ta thí nghiệm kéo 2 mẫu thép cùng loại nhng có tuổi khác nhau nhiều. Ta có các đồ thị sau: b a a b Hình 2.4: Biểu đồ ứng suất v biến dạng khi có hiện tợng gi Ta nhận thấy: Biểu đồ (b) có giới hạn chảy cao hơn (a) nhng độ dãn di lúc mẫu bị đứt giảm xuống v có giới hạn chảy ngắn hơn. Hiện tợng gi xảy ra rất lâu nhng nếu nung nóng hoặc sau khi lm việc ở trạng thái dẻo thì quá trình lm gi sẽ rút ngắn lại. Vì vậy trong kết cấu thép không cho lm việc quá giới hạn chảy. Nguyên nhân hiện tợng gi: Lúc đầu các hạt sắt ferit có nhiều tạp chất nh C, N, sau 1 thời gian nó bay ra lm cho mng peclit (hợp chất bao quanh hạt sắt) dy lớn. Mng ny có cờng độ cao hơn nhng có biến dạng giảm đi. Muốn tránh hiện tợng ny cần có biện pháp xử lý từ quá trình sản xuất thép. Hiện tợng gi trong cầu thép thờng xuất hiện vết nứt nhỏ ở mép các lỗ đinh, thờng hay xảy ra ở công trình chịu tải trọng xung kích v có sự phân bố ứng suất không đều. 2.2.4-Sự lm việc của thép khi chịu ứng suất tập trung: Tại vị trí cấu trúc của thép bị vi phạm nh 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 thờng lớn hơn ứng suất trung bình gọi l ứng suất tập trung. . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 27 - Xét ứng suất tập trung tại 1 lỗ đinh: y x o y x y x z o y x 11 1.5d 1.5d 2d 2d 3d 3d ung suat tap trung Hình 2.5: ứng suất tập trung tại lỗ đinh ứng suất tập trung tt tại mép lỗ đinh lớn gấp 3ữ4 lần ứng suất trung bình tb . 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 ton tiết diện. Qua nhiều lần ứng suất vợt quá giới hạn chảy gây nên hiện tợng hóa cứng của thép, lm giảm tính dẻo vật liệu v gây dòn, nứt. Nếu tải trọng tăng lên nữa lm vết nứt phát triển v sẽ bị phá hoại. Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc hình dạng lỗ đinh, khuyết tật. Mức độ ny đợc đánh giá: tb tt K = (2.2) K=3 đối với lỗ tròn. K=4 đối với lỗ hình ôvan. K=3 đối với lỗ dạng khấc nhọn. . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 28 - K=2 đối với lỗ dạng khấc đợc vát tròn. Nói chung sự tập trung ứng suất không nguy hiểm nếu thép chịu tải trọng tĩnh. Trong tính toán thờng không kể đến hiện tợng ứng suất cục bộ ny. Tuy nhiên khi chịu tải trọng xung kích, tải trọng động thì sự tập trung ứng suất l nguy hiểm vì lm cho thép dễ bị phá hoại dòn. Mặt khác ứng suất ny phân bố trong tiết diện rất phức tạp, do vậy thép lm cầu cần đợc lm 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 l công để cắt đứt diện tích mẫu thí nghiệm. Cách thí nghiệm hình (2.6). Độ dẻo va chạm đặc trng cho tính chống phá hoại dòn v cũng qua đó ta xác định đợc nhiệt độ m khi đó thép bắt đầu chuyển từ dẻo sang dòn. Thí nghiệm về độ dẻo va chạm đợc tiến hnh 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 t o thờng -20 o C Sau khi lm gi Loại thép v cách đặt mẫu Độ dẻo va chạm (kg.m/cm 2 ) không nhỏ hơn Thép bản v tấm: +Mẫu dọc 8 4 4 +Mẫu ngang 7 3.5 3.5 Thép hình (mẫu dọc) 10 4 5 (*Thép lm gi bằng cách kéo dãn 10% chiều di tính toán, sau đó đốt nóng ở 250 o C*). 2.2.5-ảnh hởng của nhiệt độ đến sự lm việc của thép: Khi t o < 200ữ250 o C thì các tính chất cơ học của thép thay đổi ít. Khi t o > 300 o C thì các tính chất cơ học v khả năng chịu lực của thép giảm nhanh nh khi t o = 500 o C thì thép CT 3 có c = 1400kg/cm 2 v b = 2500kg/cm 2 , v khi t o = 600ữ650 o C thì thép CT 3 có c = 400kg/cm 2 v b = 1500kg/cm 2 . . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 29 - Khi t o < 0 o C thì thép có cờng độ cao hơn 1 chút nhng dòn hơn. Khi t o < -10 o C thì tính dòn tăng lên rõ rệt v -45 o C thnh dòn v dễ nứt. Đ2.3 hiện tợng mỏi của thép Thí nghiệm cho thép chịu tác dụng của tải trọng trùng phục (tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần khoảng vi triệu lần). Kéo mẫu thép vợt quá giới hạn chảy rồi dỡ bỏ tải trọng rồi lại kéo với tải trọng lớn hơn, ta có đợc biểu đồ hình 2.7: Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất v biến dạng ứng với nhiều lần tải trọng khác nhau vòng trễ Hình 2.8: Hiện tợng vòng trễ Nếu với tải trọng không đổi thì sau 1 số chu kỳ ta sẽ có biểu đồ đi theo 1 vòng kín. Ngời ta gọi đó l hiện tợng trễ, còn gọi l vòng trễ (hình 2.8). Điều ny chứng tỏ tải trọng tiếp theo không gây nên biến dạng d nghĩa l chỉ có biến dạng đn hồi. Mỗi lần tác dụng lm thép mất đi 1 năng lợng bằng công có giá trị bằng diện tích vòng kín, lm mất dần khả năng chịu lực của thép v lm giảm lực liên kết giữa các hạt thép. Sau nhiều lần các hạt thép trợt lên nhau sẽ tạo ra mặt trợt v sau đó gây nứt. Đó l hiện tợng phá hoại do mỏi. Thực nghiệm cho thấy rằng hiện tợng trễ xảy ra ngay khi ứng suất lớn nhất cha vợt quá giới hạn đn hồi. Sự phá hoại do mỏi xảy ra khi ứng suất vợt quá trị số ứng suất gọi l giới hạn mỏi. Nh vậy giới hạn mỏi l giới hạn ứng suất nếu ứng suất do tải . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 30 - trọng trùng phục lớn hơn nó thì các mặt trợt tinh thể thép tăng nhanh v lm tăng các diện tích vòng trễ gây nên vết nứt v lm thép bị phá hoại. 24 6 8 10 12 14 10 6 n 10 20 40 ~17 ghm KN/cm 2 Hình 2.9: Hiện tợng 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 vo đặc trng tải trọng lặp, kết cấu v phụ thuộc vo tỷ số max min : Khi chu kỳ có tính chất đối xứng, nghĩa l 1 max min = thì benghmoi R 2 1 = . Khi kết cấu chịu lực 1 dấu, nghĩa l 0 max min = thì chayghmoi = . Nh vậy kết cấu vừa chịu nén v chịu kéo thì rất nguy hiểm về mỏi. Khi tính toán thiết kế về mỏi, ta lấy cờng độ giới hạn mỏi: chayghmoi . = (2.3) Trong đó: +: hệ số triết giảm cờng độ khi tính mỏi bởi lực tác dụng có tính chất chu kỳ v đợc xác định theo công thức: ()() 1 7.07.0 1 + = baba (2.4a) +a, b: các hệ số với a phụ thuộc chế độ của tải trọng, b phụ thuộc tỷ số giữa cờng độ tính toán cơ bản v cờng độ chịu kéo tức thời của thép v đợc lấy: o a = 0.58 v b = 0.26 đối với thép than. o a = 0.65 v b = 0.3 đối với thép hợp kim thấp. o Đối với các bộ phận thuộc phần xe chạy v liên kết của chúng, cũng nh đối với các bộ phận lm việc chịu tải trọng cục bộ của dn chủ v liên kết giữa chúng m khi khi chiều di đặt tải của đờng ảnh hởng 22m thì hệ số a đợc tăng lên A lần: 1. = CBA với B v C phụ thuộc vo đợc tra bảng. . . giới hạn đn hồi của thép do bị biến dạng dẻo trớc gọi l hiện tợng cứng nguội. Hiện tợng ny lm tăng cờng độ của thép nhng độ dãn di giảm, tức l giảm tính biến dạng của thép lm cho thép dòn hơn. xảy ra ở công trình chịu tải trọng xung kích v có sự phân bố ứng suất không đều. 2.2.4-Sự lm việc của thép khi chịu ứng suất tập trung: Tại vị trí cấu trúc của thép bị vi phạm nh có lỗ hổng. đợc nhiệt độ m khi đó thép bắt đầu chuyển từ dẻo sang dòn. Thí nghiệm về độ dẻo va chạm đợc tiến hnh với các nhiệt độ khác nhau. Các trị số độ dẻo va chạm trong cầu phải đảm bảo yêu cầu sau