NGHIÊN cứu ĐÁNH GIÁ mỏi cầu ĐƯỜNG sắt LA THỌ KM81 1+012 14074897

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 CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG 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 Cơng trình giao thơng 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 phá hoại mỏi cầu thép; sở lý thuyết đánh giá tuổi thọ mỏi cầu thép theo phương pháp tiêu chuẩn đánh giá cầu châu Âu, Mỹ sở hư hỏng mỏi tích lũy Palm-Miner; sở phương pháp xác định hư hỏng tích lũy mỏi từ phổ ứng suất phân tích đo đạc theo thời gian hoạt tải di động gây cầu thép Một chương trình thực nghiệm đo đạc phổ ứng suất động cho đoàn tàu chạy qua cầu thép đường sắt La Thọ thực để làm liệu đầu vào cho toán đánh giá tuổi thọ mỏi lại cầu thép La thọ tuyến đường sắt BắcNam 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 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu .1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiển đề tài nghiên cứu C ƢƠNG TỔNG QUAN ĐỘ BỀN MỎI KẾT CẤU CẦU 1.1 Tổng quan mạng lưới Đường sắt Việt Nam 1.2 Hư hỏng mỏi kết cấu thép cầu thép 1.2.1 Khái niệm mỏi kết cấu thép .4 1.2.2 Bản chất 1.2.3 Đặc điểm bề mặt gãy mỏi 1.2.4 Đường cong mỏi .7 1.2.5 Những tiêu chí phá hoại mỏi 1.2.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi cầu giàn thép 11 1.3 Kết luận Chương 17 C ƢƠNG 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 tốn tích lũy hư hại mỏi 31 2.2.1 Tích lũy hư hại theo Miner 32 2.3.2 Xác suất hư hỏng cấu trúc 35 2.3.3 Tải trọng dao động 36 2.4 Dự báo tuổi thọ mỏi 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 Anh Quốc châu Âu 40 2.5 Kết luận Chương 48 iv C ƢƠNG THỰC NGHIỆM Đ N G TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP ĐƢỜNG SẮT .49 3.1 Lựa chọn Cơng trình thực nghiệm 49 3.2 Thiết kế chương trình thực nghiệm 50 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống đo đạc chẩn đoán tuổi thọ mỏi 50 3.2.2 Giao diện tính chương trình FAPRE .50 3.2.3 Giới thiệu thiết bị 52 3.2.4 Bố trí giàn thép sơ họa vị trí đo giàn thép 52 3.3 Kết đo đạc thực nghiệm trường 54 3.4 Phân tích kết thực nghiệm so sánh với phân tích l thuyết 58 3.5 Kết luận Chương 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 kênh ai0 Điểm đo kênh ai1 Điểm đo kênh ai2 Điểm đo kênh ai3 Hội chuyên gia đường 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 thành phần hóa học đặc trưng học vật liệu Trang 11 1.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tới độ bền mỏi 12 1.3 Các giới hạn bền mỏi số loại vật liệu 13 1.4 Ảnh hưởng hình dáng mặt cắt ngang mẫu tới khả chống phá hủy mỏi 15 2.1 Các loại chi tiết bị mỏi tải trọng gây 18 2.3 Hằng số loại chi tiết, A 30 2.4 Các chu kỳ lượt xe tải chạy qua, n 31 2.5 Giới hạn mỏi - biên độ không đổi 31 3.1 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 60 3.2 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 62 3.3 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 65 3.4 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 67 3.5 Các giá trị thu gây ảnh hưởng đến đến chi tiết đo 69 3.6 Các giá trị thu gây ảnh hưởng đến đến 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 1.2 Vết nứt xuất dầm, giàn thép 1.3 Quá trình phát triển vết nứt tải trọng lặp kết cấu thép 1.4 Đường cong mỏi Voler 1.5 Đồ thị ứng suất giới hạn Đường cong thực nghiệm biểu diễn biên độ giới hạn hệ 1.6 1.7 1.8 toạ độ (a - m) Đường cong Voler hệ trục logarit Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng dùng để xây dựng tiêu lượng 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 hệ số an tồn mỏi 45 2.8 Tính tốn hư hhỏng tích lũy mỏi 46 3.1 3.2 3.3 Sơ đồ khối hệ thống thu thập số liệu biến dạng động chẩn đốn 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 mặt đứng dầm giàn 52 3.5 Sơ đồ bố trí hệ giằng hạ - mã hạ 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 vị trí đặt điểm đo mã hạ đo đoàn tàu số số Sơ đồ bố trí vị trí đặt điểm đo mã thượng đo đoàn tàu số số Trang 53 53 54 3.9 Bố trái vị trí cần đo 54 3.10 Máy đo hỗ trợ từ xa hệ thống WIFI 55 3.11 Chuyến tàu 1: Lúc 15:19 phút ngày 19 tháng năm 2019 55 3.12 Chuyến tàu 2: Lúc 16:34 phút ngày 19 tháng năm 2019 56 3.13 Chuyến tàu 3: Lúc 18:04 phút ngày 19 tháng năm 2019 56 3.14 Chuyến tàu 4: Lúc 06:27 phút ngày 20 tháng năm 2019 57 3.15 Tàu aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) 58 3.16 Tàu - ai1 (trắng - dọc mã hạ - thượng lưu) 58 3.17 Tàu – ai2 (xanh biển - dọc giữa) 59 3.18 Tàu – ai3 (đỏ - ngang - HL) 59 3.19 Tàu – aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) 60 3.20 Tàu – ai1 (trắng - dọc mã hạ - thượng lưu) 61 3.21 Tàu 2- ai2 (xanh biển - dọc giữa) 61 3.22 Tàu 2- ai3 (đỏ - ngang - HL) 62 3.23 Tàu – aio (xanh - dọc mã thượng) 63 3.24 Tàu – ai1 (trắng - đứng) 63 3.25 Tàu – ai2 (xanh biển - xiên) 64 3.26 Tàu – ai3 (đỏ - ngang mã thượng) 64 3.27 Tàu – aio (xanh - dọc mã thượng) 65 3.28 Tàu – ai1 (trắng - đứng) 66 3.29 Tàu – ai2 (xanh biển - xiên) 66 3.30 Tàu – ai3 (đỏ - ngang mã thượng) 67 26 Mô tả Loại Hằng số A (MPa3) Ngƣỡng mỏi (F)TH (MPa) ngấu hoàn toàn song song với Điểm khởi đầu vết nứt tiềm ẩn mối hàn phương ứng suất có cấu tạo chuyển tiếp chiều dày mối hàn với bán kính R, với chất lượng mối hàn kiểm sốt Phương pháp thử không phá hủy (NDT) với đầu mối hàn mài nhẵn êm thuận: chuyển tiếp chiều dày bán kính nhỏ Tại chân mối hàn dọc theo cạnh mỏng Khi kê đáy mối hàn gỡ bỏ: R ≥ 50 mm D 7,2E+11 48 R < 50 mm E 3,6E+11 31 Đối với bán kính chuyển tiếp chiều dày mối hàn với kê đáy đường hàn không gỡ bỏ (chú ý: Phải kiểm tra Điều kiện 6.1) E 3,6E+11 31 6.4 Kim loại chi tiết chịu tải theo phương ngang (ví dụ nối ngang) gắn kèm với cấu kiện chịu tải theo chiều dọc đường hàn góc mối hàn rãnh ngấu khơng hồn tồn song song với phương ứng suất (chú ý: phải kiểm tra Điều kiện 6.1) Xem Điều kiện 5.4 Phần 7-Các chi tiết liên kết đƣợc hàn, chịu tải theo chiều dọc 7.1 Kim loại cấu kiện chịu tải theo chiều dọc chi tiết có chiều dài L theo phương ứng suất chiều dày t gắn vào cấu kiện mối hàn rãnh hàn góc song song theo phương ngang với phương ứng suất chính, Trong cấu kiện đầu mối hàn chân mối hàn nơi chi tiết gắn kết khơng, có bán kính chuyển tiếp: L < 50 mm C 1,44E12 69 L < 50 Thí dụ minh họa 27 Mơ tả Loại Hằng số A (MPa3) Ngƣỡng mỏi (F)TH (MPa) Điểm khởi đầu vết nứt tiềm ẩn mm 50 mm ≤ L≤12t 100 mm D 7,21E11 48 50 mm ≤ L≤12t 100 mm t < 25 mm E 3,61E+11 31 t < 25 mm t ≥ 25 mm E’ 1,28E+11 18 t ≥ 25 mm L > 12t 100 mm (Chú : Xem Điều kiện 7.2 mối hàn thép góc mặt cắt chữ T liên kết với nút nối) 7.2 Kim loại phận thép góc mặt cắt chữ T liên kết với nút nối mối hàn góc theo chiều dọc mặt chi tiết liên kết mặt cắt cấu kiện Biên độ ứng suất mỏi phải tính E 3,61E+11 31 Chân mối hàn góc cấu kiện liên kết diện tích thực có hiệu cấu kiện, Ae = U Ag, U = (1-x/L) Ag diện tích mặt cắt nguyên cấu kiện x khoảng cách từ trọng tâm cấu kiện tới bề mặt nút nối L chiều dài lớn mối hàn dọc Khơng tính đến hiệu ứng mơ men lệch tâm liên kết tính tốn biên độ ứng suất (Mc Donald Frank, 2009) Phần 8-Các dạng khác 8.1 Sườn dọc nối hàn với mặt cầu đường hàn mặt ngấu 80% (nhỏ 70%) với khoảng hở chân ≤ 0,05 mm trước hàn Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: C 1,44E+12 69 Xem hình Thí dụ minh họa 28 Mô tả Loại Hằng số A (MPa3) Ngƣỡng mỏi (F)TH (MPa) Điểm khởi đầu vết nứt tiềm ẩn 1, 8.2 Mối nối hàn sườn dọc hàn đối đầu soi rãnh đơn với lót đệm để lại Khe hở hàn > bề dày vách sườn dọc Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: 1, D 7,21E+11 48 Xem hình 8.3 Mối nối sườn dọc (bắt bu lông) - Kim loại mặt cắt nguyên liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: 1, B 3,93E+12 16 Xem hình 8.4 Mối nối hàn mặt cầu (trong mặt phẳng) - hàn nối đối đầu soi rãnh đơn theo phương D 7,21E+11 48 Xem hình C 1,44E+12 69 8.6 Sườn dọc hàn nối hàn vào C 1,44e+12 dầm ngang mặt cầu - Vách (Xem sườn mối hàn dầm ngang Ghi (hàn góc, hàn rãnh ngấu hồn 1) tồn hàn rãnh ngấu khơng hồn tồn) 69 ngang dọc với lót để lại Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: 1, 8.5 Sườn dọc hàn với dầm ngang - Vách sườn mối hàn dầm ngang (hàn góc hàn rãnh ngấu hoàn toàn) Cấp thiết kê trực hướng áp Xem hình dụng:1, Xem hình Thí dụ minh họa 29 Mô tả Loại Hằng số A (MPa3) Ngƣỡng mỏi (F)TH (MPa) Điểm khởi đầu vết nứt tiềm ẩn Thí dụ minh họa Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: 8.7 Tại phần khoét lỗ dầm ngang - Kim loại mép với vết cắt mịn nhiệt theo AWS D1.5 A 8,19E+12 165 Xem hình C 1,44E+ 12 69 Xem hình C 1,44E+ 12 69 Xem hình Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: 8.8 Vách sườn dọc nơi khoét lỗ dầm ngang - Vách sườn dọc nơi sườn dọc nối hàn với dầm ngang (hàn góc, hàn rãnh ngấu khơng hồn tồn hàn rãnh ngấu hoàn toàn) Cấp thiết kế trực hướng áp dụng :1 8.9 Sườn dọc nối với mặt cầu vị trí dầm ngang Cấp thiết kê trực hướng áp dụng: 1: Khi ứng suất bị chi phối cấu kiện mặt phẳng mối hàn góc mối hàn rãnh ngấu khơng hồn tồn, phải xem xét Phương trình Trong trường hợp này, ∆f phải tính chiều dày khơng áp dụng phương pháp ngoại suy theo điều Điều 9.8.3.4.3 Phần 9-Các dạng khác 9.1 Kim loại đinh neo chịu cắt gắn kết đường hàn góc đường hàn đinh neo tự động Tại chân mối hàn kim loại 30 Mô tả Loại Hằng số A (MPa3) Ngƣỡng mỏi (F)TH (MPa) Điểm khởi đầu vết nứt tiềm ẩn 9.2 Bu lông cường độ cao không Từ chân ren căng trước, bu lông thường, neo ren treo với ren cắt, neo với mặt đất ren cán Sử dụng biên độ ứng suất tác động diện tích chịu ứng suất kéo hoạt tải cộng với tác động lực bẩy cạy nắp áp dụng phát triển vào phần diện tích chịu ứng suất chịu kéo (Trạng thái Mỏi II) Tuổi thọ hữu hạn E’ 1,28E+ 11 (Trạng thái Mỏi I) Vĩnh cửu D - Thí dụ minh họa 48 Bảng 2.3 Hằng số loại chi tiết, A Loại chi tiết Hằng số A nhân 1011 (MPa3) A 82,0 B 39,3 B' 20,0 C 14,4 C' 14,4 D 7,21 E 3,61 E'’ 1,28 Bulông M164 M (A325M) chịu kéo dọc trục 5,61 Bulông M253 M (A490M) chịu kéo dọc trục 10,3 31 Bảng 2.4 Các chu kỳ lượt xe tải chạy qua, n Chiều dài nhịp Các cấu kiện dọc Các dầm nhịp giản đơn > 12000 mm ≤ 12000 mm 1,0 2,0 1,5 2,0 1,0 2,0 Các dầm liên tục 1) Gần gối tựa phía 2) nơi khác Các dầm hẫng 5,0 Các giàn 1,0 Khoảng cách Các cấu kiện ngang > 6000 mm ≤ 6000 mm 1,0 2,0 Bảng 2.5 Giới hạn mỏi - biên độ không đổi Loại chi tiết Giới hạn (MPa) A 165 B 110 B' 83 C 69 C' 83 D 48 E 31 E' 18 Bulông M164M (A325M) chịu kéo dọc trục 214 Bulông M253M (A490M) chịu kéo dọc trục 262 2.2 Tính tốn tích lũy hƣ hại mỏi Tuổi thọ cấu trúc chịu tải trọng dao động chia làm ba giai đoạn, giải đoạn khơng có vết nứt, giai đoạn từ có vết nứt vi mơ đển có vết nứt kỹ thuật giai đoạn phát triển vết nứt kỹ thuật đến lúc cấu trúc bị gãy vỡ Sự ước lượng tuổi thọ cách làm tính tích lũy hư hại vật liệu cấu trúc chịu tải dao động có giá trị giai đoạn nêu Để chuẩn đoán thời gian giai đoạn thứ ba, người ta phải dùng đến lý thuyết học rạn nứt (fracture mechanics) 32 2.2.1 Tíc lũy ại theo Miner Hầu hết tải trọng tác dụng lên cấu trúc kỹ thuật có dạng dao động thay đổi cách bất kỳ, tải trọng có biên độ giá trị trung bình khơng đứng ngun chỗ Trong đa số liệu độ bền mỏi vật liệu xác định qua thí nghiệm mẫu thử với tải trọng có biên độ không đổi Những giá trị vật liệu không dùng trực tiếp qua trình tính tốn mỏi kết cấu Vì lý , lý thuyết hợp l tương xứng với điều kiện thực tế phải lập để tính tốn tích lũy hư hại xẩy cấu trúc Những địi hỏi lý thuyết là: + Lý thuyết phải có giá trị tổng quát cho nhiều trường hợp khác nhau, ví dụ tập hợp tải trọng, vật liệu, cấu trúc, hệ số hình dạng, đặc điểm tải trọng…… + Lý thuyết phải có tính chất độc lập với thí nghiệm, ví dụ người ta phải làm thích ứng với số liệu tính tốn mỏi cấu trúc qua số liệu thí nghiệm có + Lý thuyết phải nêu độ xác độ tin cậy toán Lý thuyết đơn giản dùng thực tế lý thuyết Palmgren Miner lập Lý thuyết tích lũy đặt giả thiết hư hại cấu trúc tuân theo quy luật tuyến tính khơng bị ảnh hưởng phi tuyến độ cao chu kỳ tải trọng Sự hư hại cấu trúc gia tăng đặn theo số chu kỳ tải trọng Trong trường hợp tải trọng dao động có nhiều cấp biên độ dao động khác nhau, cấp biên độ gây thần phần hư hại không giống Tất thành phần hư hại cộng tích lũy theo tuyến tính Hình 2.1 Đường cong tuổi thọ S-N 33 Palmgren Miner định nghĩa sư hư hại bị gây chu kỳ tải trọng có giá trị 1/N Cấu trúc ni chu kỳ tải trọng biên đọ ứng suất δai, thành phần hư hại St tính là: St= ni/Nt (2.5) Tổng số hư hỏng gây tập hợp tải trọng với ni chu kỳ cho cấp tải trọng i khác tổng tất thành phần hư hại: S = ∑St =∑ nt/Nt (2.6) Theo định nghĩa trên, gãy vỡ xảy tổng số hư hại đạt đến giá trí S=1,0 Palmgren thiết lập vào năm 1924 cách tính tích lũy tuyến tính hư hại để chuẩn đốn tuổi thọ bạc đạn Năm 1945 Miner so sánh phương pháp tính với thí nghiệm mẫu thử nhơm Miner nhận thấy tốn tích lũy hư hại theo luật tuyến tính cho kết tuổi thọ thấp so với kết thí nghiệm Các lý cho chênh lệch hai kết tính tốn thí nghiệm là: + Các ứng suất cấu trúc nằm giới hạn mỏi khơng để ý tới tính tốn , chúng xem khơng gây hư hại cấu trúc Quan niệm không với thực tế, giai đoạn sau vết nứt vi mô xẩy cấu trúc + Thứ tự cực đại cực tiểu tải trọng khong đến toán + Ảnh hưởng phi tuyến chu kỳ tải trọng đỉnh cao không ý đến + Những đỉnh tải trọng ứng suất kéo xảy ứng suất nén dư Ứng suất nén dư làm giảm bớt hư hại chu kỳ tải trọng làm cho tuổi thọ cấu trúc tăng lên + Ngược lại, tải ứng suất kéo dẫn tới hư hại siêu tuyến tính + Những ứng suất nén cao gây ứng suất kéo dư cấu trúc Chúng làm cho tuổi thọ cấu trúc giảm Những giả thuyết dùng tính Miner làm cho kết bị sai lệch theo chiều hướng an tồn mà cịn kéo theo chiều hướng an tồn tốn mỏi Theo chiều hướng an tồn, nghĩa tuổi thọ cấu trúc tính có giá trị lớn thật giả thiết sau gây khi: 34 + Cấu trúc chịu tải trọng uốn, tính mỏi áp dụng đường cong S-N uốn + Trên đường trình tải trọng, giá trị ứng suất trung bình có thay đổi lớn + Cấu trúc có ứng suất nén dư tính áp dụng đường cong S-N mẫu thử cững có ứng suất nén dư + Tải trọng có nhiều có nhiều chu kỳ dao dộng với biên đọ nằm giới hạn mỏi Theo chiều hướng an toàn, nghĩa tuổi thọ tính có giá trị nhỏ thật, giả thuyết sau gây khi: + Đường q trình tải trọng có ứng suất trung bình lớn khơng + Cấu trúc có ứng suất kéo dư đồng thời tính mỏi áp dụng đường cong S-N mẫu thử có ứng suất kéo dư + Cấu trúc có ứng suất nén dư , cố tình lập để làm gia tăng độ bền cấu trúc đồng thời tính mỏi áp dụng đường cơng S-N mẫu thử khơng có ứng suất dư Như nói tốn mỏi lý thuyết Miner không đến ứng suất với biên độ giới hạn mỏi thấp độ bền mỏi Trên thực tế, ứng suất nhỏ làm giảm tuổi thọ cấu trúc Để phần đến ảnh hưởng biên độ ứng suất nhỏ tính mỏi, người ta phải mở rộng thêm lý thuyết Palmgren Miner nguyên thủy Hình 2.2 diễn tả lý thuyết mở rộng dùng để tính tốn tuổi thọ cấu trúc Đường (1) diễn tả lý thuyết nguyên thủy Miner Những ứng suất thấp giới hạn mỏi coi không gây hư hại cấu trúc Lý thuyết không hợp lý so với thực tế Đường (2) diễn tả lý thuyết Miner Những ứng suất thấp giới hạn mỏi coi gây hư hại tuyến tính giống ứng suất khác Lý thuyết đánh giá gắt gao ứng suất thấp Đường (3) diễn tả lý thuyết Miner hiêu chỉnh theo Haibach Theo nhận xét qua kết thí nghiệm Haibach, đường công tuổi thọ S-N vùng giới hạn mỏi chạy tiếp tục theo đường phân giác đường mỏi đường tuổi tho vô tận Sự hiệu chỉnh dùng cho đường S-N với hai trục logarihm Đường(4) Diễn tả lý thuyết Miner hệ Đường có hình dạng khác vật liệu, cấu trúc dạng đường trình tải trọng Lý thuyết 35 cho kết so với thí nghiệm thực tế Lý thuyết cần đến nhiều thí nghiệm nhiều kinh nghiệm lâu dài cơng việc tính tốn mỏi cấu trúc Hình 2.2 Lý thuyết Palmgren – Miner mở rộng 2.3.2 X c suất ỏn cấu trúc Xác suất hư hỏng đòi hỏi cho cấu trúc, thơng thường tùy thuộc vào tính chất nhiệm vụ cấu trúc, dễ đạt tới cấu trúc sử dụng Ví dụ kỹ thuật máy bay, ví dụ an tồn cao nên xác suất hư hỏng địi hỏi cho cấu trúc phải nhỏ nhiều so với cấu trúc kỹ nghệ chế tạo máy nặng Hình 2.3 Trình bày biểu đồ, dùng cho việc tính chuyển đổi từ xác suất 50% đến xác suất hư hỏng cần thiết cấu trúc Hình 2.3 Xác suất hư hỏng 36 Hình 2.4 Hệ số rủi ro J Khi phải dùng đường công tuổi thọ S-N khơng có quan sát thống kê chắn, người ta đặt giả thiết đường công có xác suất hư hỏng Pa = 50% Và sau người ta sửa lại sai số xảy qua số an tồn gọi hệ số rủi ro j, hình 2.4 Hình 2.4 diễn tả hệ số rủi ro, phụ thuộc vào hệ số rãi rác số lượng mẫu thử dùng để lập đường công tuổi thọ S-N Ví dụ, đường cơng tuổi thọ S-N lập sở năm thú nghiệm (n=5), mẫu thử cho năm mức ứng suất khác Theo hình , hệ số rủi ro J=1,4 cho hệ số rãi rác T=1/5 Sau cùng, tuổi thọ cấu trúc với xác suất hư hỏng cần thiết đueọc tính bởi: X = X(PA =50%) / i1 x J (2.8) 2.3.3 Tả trọn dao ộn Phần nhiều phận giao động máy móc cấu trúc thự tế phải chịu đựng tải trọng dao động thay đổi Hình 2.5 diễn tả dạng tải trọng thường gặp thực tế gồm tải trọng dao động biên độ, tải trọng dao động nhiều biên độ tải trọng dao động thay đổi Tải trọng dao động biên độ Tải trọng dao động nhiều biên độ 37 Taíi troü ng dao âäü ng mäü t biãn âäü d Taíi troü ng dao âäü ng nhiãö u biãn âäü d da dm dai dmi da t t Tải trọng dao thay đổi Taíi troü ng động thay âäø i báú t kyìbất kỳ d t Hình 2.5 Các dạng tải trọng theo thời gian Đối với tải trọng có biên độ nhỏ, vật liệu chịu đựng thời gian vơ tận, khơng có tượng gãy vỡ xảy Tuy nhiên hầu hết vật liệu kim loại có giá trị giới hạn mỏi nhỏ Nếu lúc dùng giá trị để đạt tiêu chuẩn công công việc thiết kế cấu trúc, cấu trúc thường nhận kích thước to 2.4 Dự báo tuổi thọ mỏi lại cầu thép (Cơ sở đánh giá mỏi) 2.4.1 Đ n cầu t ép t eo TTGH mỏ (ở Mỹ) Có hai phương pháp phổ biến để đánh giá hư hỏng mỏi dự báo tuổi thọ kết cấu cầu Phương pháp thứ phương đường cong S-N truyền thống, quan hệ khoảng biên độ ứng suất số S số vòng lặp tải trọng gây phá hủy N xác định thí nghiệm mỏi phù hợp Lý thuyết hư hỏng tuyến tính Palmgren-Miner gọi nguyên tắc Miner (1945) mở rộng cho tải có biên độ thay đổi Phương pháp thứ hai phương pháp học phá hũy Phương pháp diễn tả mối liên hệ chiều dài vết nứt kỹ thuật ứng suất ngưỡn mà tác dụng ứng suất có phá hũy xảy Phương pháp đường cong S-N sử dụng cho giai đoạn thiết kế đánh giá sơ tuổi thọ mỏi phương pháp học rạn nứt dùng đánh giá chi tiết tuổi thọ mỏi lại vết nứt để định đưa chiến lượt kiểm định/bảo trì cầu hiệu (JSC, 2008 ) Đã có nhiều khảo sát áp dụng đánh giá hư hỏng dự báo tuổi thọ mỏi cầu theo phương pháp đường cong S-N truyền thống (Moes đồng nghiệp -1987; Peil đồng nghiệp-2001,…) phương pháp học rạn nứt (Fisher 1984; Zhao Haldar 1996; Luckic Cremona 2001) Một số tiêu chuẩn (BSI 1980; AASHTO 38 1990; CEN 1992) chấp nhận phương pháp truyền thống S-N cho thiết kế đánh giá mỏi cầu thép Theo tiêu chuẩn dự báo tuổi thọ mỏi kết cấu chịu tải ngẫu nghiên xác định liên quan tuổi thọ mỏi, phổ ứng suất sức kháng vật liệu Sức kháng vật liệu cho đường cong S-N ứng với cường độ tải số Nói chung phổ ứng suất chưa biết cần xác định tính tốn mơ đo đạc thực nghiệm Trong trình dự báo tuổi thọ mỏi phổ ứng suất thu việc tách vòng ứng suất từ lịch sử ứng suất theo thời gian phương pháp đếm thích hợp Phương pháp đếm vòng ứng suất kiểu dòng mưa (rainflow) hay sử dụng cho mục đích Tiếp theo chọn qui luật hư hỏng tích lũy mỏi phù hợp để tính tốn hư hỏng mỏi cấp ứng suất riêng Tổng hư hỏng mỏi tổng hư hỏng cấp ứng suất riêng Một phương pháp sử dụng rộng rãi nguyên l hư hỏng tích lũy tuyến tính mỏi Miner phương pháp đếm vòng ứng suất theo dòng mưa (rainflow) để tách vòng ứng suất từ phổ ứng suất theo thời gian Qui trình kiểm tốn mỏi xác định tuổi thọ mỏi theo MBE-2011 theo Tải FULL (98 trang): bit.ly/2Ywib4t bước sau: Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ 2.4.1.1 Ước tính khoảng ứng suất: Khoảng ứng suất có hiệu ước tính sau: (f)eff= Rs f (2.9) đó: Rs= Hệ số tải trọng riêng phần cho ước tính khoảng ứng suất, tính Rsa.Rst tóm tắt bảng 7.2.2.1-1 MBE-2011 có định khác f = Khoảng ứng suất có hiệu đo 75% khoảng ứng suất tính tốn xe tải mỏi thiết kế qua xác định theo tiêu chuẩn thiết kế LRFD mục 3.6.1.4 xe tải mỏi xác định xe tải khảo sát qua nghiên cứu số liệu cân động (WIM) 2.4.1.2 Khoảng ứng suất ước tính từ đo đạc Khoảng ứng suất hữu hiệu ước tính từ số liệu đo biến dạng trường chi tiết dể bị mỏi tải trọng giao thông điển hình Khoảng ứng suất hữu hiệu lấy bậc tổng mủ khoảng ứng suất sau: (f)eff= Rs (ifi3)1/3 đó: i= Phần trăm số chu kỳ khoảng ứng suất riêng biệt fi= Khoảng ứng suất riêng biệt (2.10) 39 Rs lấy 0.85 đánh giá tuổi thọ mỏi tối thiểu; Rs=1 đánh giá tuổi thọ mỏi trung bình 2.4.1.3 Xác định chi tiết dể bị nứt mỏi: Các chi tiết cầu xem xét dể bị hư hỏng vết nứt mỏi theo kinh nghiệm vùng chịu ứng suất kéo Do hư hỏng mỏi đánh giá chi tiết khi: 2Rs.(f)tension> fdead load-compression (2.11) đó: Rs= Hệ số tải trọng riêng phần ước tính khoảng ứng suất (f)tension= Ứng suất kéo nhân hệ số tải trọng khoảng ứng suất xe tải mỏi qua fdead load-compression= ứng suất nén chưa nhân hệ số chi tiết tĩnh tải 2.4.1.4 Kiểm tra tuổi thọ vô hạn Nếu (f)max