3/ Phạm vi sử dụng:
1.3.4Ảnh hưởng của ứng suất lặp( sự mỏi)
1/ Khỏi niệm chung về mỏi : Khi thộp chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần ( hàng triệu lần) nú cú thể bị phỏ hoại ở mức ứng suất nhỏ hơn cường độ khi chịu tải trọng tĩnh. Người ta gọi hiện tượng này là sự mỏi của thộp. Sự phỏ hoại mỏi mang tớnh chất phỏ hoại giũn, thường xảy ra đột ngột và kốm theo vết nứt. Ứng suất phỏ hoại mỏi của thộp gọi là cường độ mỏi. Cỏc thớ dụ về ứng suất lặp xem hỡnh 1.7.
Bản chất của hiện tượng mỏi là do hỡnh thành và tớch luỹ hư hỏng dưới tỏc dụng của tải trọng mỏi, gắn liền với nú là sự hỡnh thành và lan truyền vết nứt.
Khi thiết kế kết cấu cầu thộp, người thiết kế phải nhận thức được ảnh hưởng của ứng suất lặp. Xe cộ đi qua bất kỳ vị trớ xỏc định nào đều lặp đi lặp lại theo thời gian. Trờn đường cao tốc xuyờn quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất cú thể hơn một triệu lần mỗi năm.
Cỏc ứng suất lặp này được gõy ra bởi tải trọng sử dụng và giỏ trị lớn nhất của ứng suất trong thộp cơ bản của mặt cắt ngang nào đú sẽ nhỏ hơn so với cường độ của vật liệu. Tuy nhiờn, nếu cú hiện tượng tăng ứng suất do sự khụng liờn tục về vật liệu hoặc về hỡnh học, ứng suất tại nơi giỏn đoạn cú thể dễ dàng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất được tớnh toỏn từ tải trọng sử dụng. Ngay cả khi ứng suất cao này tỏc dụng khụng liờn tục, nếu nú lặp đi lặp lại nhiều lần thỡ hư hỏng sẽ tớch luỹ, vết nứt sẽ hỡnh thành và sự phỏ hoại cấu kiện cú thể xảy ra.
Cơ chế phỏ hoại này, bao gồm biến dạng và sự phỏt triển vết nứt dưới tỏc động của tải trọng sử dụng, mà nếu tự bản thõn nú thỡ khụng đủ gõy ra phỏ hoại, được gọi là mỏi. Thộp bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung bỡnh nhưng lặp lại nhiều lần. Mỏi là một từ xỏc đỏng để mụ tả hiện tượng này.
Hỡnh 1.7 Cỏc thớ dụ về ứng suất mỏi .
2/ Xỏc định cường độ mỏi
Cường độ mỏi khụng phải là một hằng số vật liệu như cường độ chảy hay mụ đun đàn hồi. Nú phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể của mối nối và, thực tế, chỉ cú thể được xỏc định bằng thực nghiệm. Vỡ hầu hết cỏc vấn đề tập trung ứng suất do sự khụng liờn tục về hỡnh học và vật
liệu cú liờn quan đến liờn kết hàn nờn hầu hết cỏc thớ nghiệm về cường độ mỏi được thực hiện trờn cỏc loại mối hàn.
Quỏ trỡnh thớ nghiệm đối với mỗi liờn kết hàn là cho một loạt mẫu chịu một biờn độ
ứng suất S nhỏ hơn cường độ chảy của thộp cơ bản và lặp lại ứng suất này với N chu kỳ cho tới
khi liờn kết phỏ hoại. Khi giảm biờn độ ứng suất, số chu kỳ lặp dẫn đến phỏ hoại tăng lờn. Kết
quả thớ nghiệm thường được biểu diễn bằng biểu đồ quan hệ giữa log S và log N. Một biểu đồ S-N điển cho mụt liờn kết hàn được cho trong hỡnh 1.7. Tại một điểm bất kỳ trờn biểu đồ, giỏ trị
ứng suất là cường độ mỏi và số chu kỳ là tuổi thọ mỏi tại mức ứng suất đú. Chỳ ý rằng, khi biờn độ ứng suất giảm tới một giỏ trị đặc trưng, số chu kỳ ứng suất cú thể tăng khụng giới hạn mà khụng gõy ra phỏ hoại. Ứng suất giới hạn này được gọi là giới hạn mỏi của liờn kết.
Hỡnh 1.7 Biểu đồ S-N điển hỡnh cho cỏc mối nối hàn
Ảnh hưởng của cường độ của vật liệu cơ bản
Cường độ mỏi của cỏc bộ phận khụng hàn tăng theo cường độ chịu kộo của vật liệu cơ bản. Cường độ mỏi này được biểu diễn trờn hỡnh 1.8 cho cả cỏc mẫu trũn đặc và mẫu cú lỗ. Tuy nhiờn, nếu thộp cường độ cao được sử dụng trong cỏc cấu kiện hàn thỡ khụng cú sự tăng trong cường độ mỏi.
Sở dĩ cú sự khỏc nhau trong ứng xử này là vỡ trong vật liệu khụng hàn, vết nứt phải được hỡnh thành trước khi chỳng cú thể phỏt triển, trong khi ở cỏc mối nối hàn, vết nứt đó cú sẵn và tất cả chỳng chỉ cần phỏt triển. Mức độ phỏt triển vết nứt khụng thay đổi nhiều theo cường độ chịu kộo; do đú, cường độ mỏi của mối hàn khụng phụ thuộc vào loại thộp được liờn kết.
Núi chung, mối hàn sẽ khụng được giảm ứng suất nờn cú thể giả thiết rằng, ứng suất
dư sẽ tồn tại ở đõu đú trong liờn kết. Nếu một chu kỳ ứng suất cú biờn độ S tỏc dụng thỡ biờn độ
ứng suất thực tế sẽ chạy từ rtới rS và biờn độ ứng suất danh định là S. Do đú, cú thể biểu
diễn ứng xử mỏi của một mối hàn chỉ phụ thuộc vào biờn độ ứng suất, khụng cần biết ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất thực tế. Trong Tiờu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, mỏi do tải trọng gõy ra được xem xột phụ thuộc vào biờn độ ứng suất và ứng suất dư được bỏ qua.
Hỡnh 1.8 Cường độ mỏi so sỏnh với cường độ tĩnh
Nhận xột kết luận về mỏi
Mỏi là nguyờn nhõn phổ biến nhất gõy phỏ hoại thộp, chủ yếu là do vấn đề này khụng được nhận thức đầy đủ trong giai đoạn thiết kế. Sự chỳ ý thớch đỏng đến việc lựa chọn mối nối và cấu tạo chi tiết cũng như hiểu biết về cỏc yờu cầu của tải trọng sử dụng cú thể loại trừ hầu hết cỏc vết nứt phỏ hoại, trong khi sự bỏ qua cỏc nhõn tố này cú thể dẫn đến thảm hoạ.