Đề tài " Xác định sức kháng còn lại sau ăn mòn của các thanh giàn cầu thép "

Chia sẻ: Nguyễn Đức Anh | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ăn mòn kim loại là vấn đề nghiêm trọng gây nên tổn thất rất lớn cho nền kinh tế quốc dân. Trên thế giới có khoảng một phần ba trọng lượng kim loại hàng năm bị ăn mòn, phá hủy. Tác hại do ăn mòn kim loại gây ra là rất lớn, gồm nhiều tác hại trực tiếp và gián tiếp. Vì thế, chống ăn mòn kim loại là một vấn đề đã và đang được áp dụng để làm giảm thiệt hại này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài " Xác định sức kháng còn lại sau ăn mòn của các thanh giàn cầu thép "

Mục Lục Trang Chương 1: Đặt vấn đề …………………………………………………… 2 Chương 2: Nghiên cứu xem xét nguyên lý ăn mòn thép (gỉ thép) …….. 3 2.1. Khái quát về ăn mòn thép ………………………………………….. 3 2.2. Các dạng ăn mòn thép ……………………………………………… 3 2.3. Ăn mòn điện hóa …………………………………………………… 4 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới ăn mòn thép …………………………….. 6 2.5. Tốc độ ăn mòn thép ………………………………………………… 6 2.6. Hậu quả của hiện tượng gỉ đối với kết cấu ………………………..... 7 Chương 3: Xác định sức kháng còn lại sau ăn mòn ……………………. 9 3.1. Sức kháng kéo dọc trục …………………………………………….. 9 3.2. Sức kháng nén dọc trục …………………………………………….. 15 3.3. Mất mát tiết diện do ăn mòn, dự báo sức kháng còn lại sau 10 năm, 20 năm, 50 năm, 75 năm, 100 năm ………………………………… 30 Chương 4: Các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn thép kết cấu …………. 43 4.1. Tại Việt Nam và Thế giới …………………………………………... 43 4.2. Đánh giá và đề xuất phương án mới nhằm hạn chế hiện tượng gỉ ….. 53 Chương 5: Kết luận ……………………………………………………… 56 Tài liệu tham khảo ………………………………………………………. 57 Chương 1: Đặt vấn đề ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 1
Ăn mòn kim loại là vấn đề rất nghiêm trọng gây nên t ổn th ất r ất l ớn cho n ền kinh tế quốc dân. Trên thế giới có khoảng một phần ba trọng lượng kim lo ại hàng năm bị ăn mòn, phá hủy. Tác hại do ăn mòn kim lo ại gây ra là r ất l ớn, g ồm nhiều tác hại trực tiếp và gián tiếp. Vì thế, chống ăn mòn kim loại là m ột v ấn đề đã và đang được áp dụng để làm giảm thiệt hại này. Dạng ăn mòn kim loại phổ biến nhất là gỉ. Gỉ (có thành phần Fe2O3.nH2O) không bền và xốp nên không bảo vệ được sắt khỏi bị ăn mòn. Hiện tượng ăn mòn là một loại hư hỏng của kết cấu, nó chiếm khoảng 20-25% những sai h ỏng được ghi nhận và thường rất nguy hiểm. Các biện pháp đo đạc cần được thực hiện thường xuyên để ngăn chặn quá trình ăn mòn hoặc dừng sử dụng khi phát hiện nguy hiểm để tránh thảm hoạ. Những hư hỏng do tác động của ngoại lực như gió, bão, neo giữ, lắp đặt không đúng hay lỗi vật liệu được đánh giá quan trọng hơn. Tuy nhiên, kết cấu khi bị ăn mòn sẽ giảm khả năng chống ch ịu l ại những ngoại lực trên hay làm nghiêm trọng thêm những điểm yếu trong vật liệu. Ngăn chặn quá trình ăn mòn cần được quan tâm đến trong toàn bộ quá trình: từ thiết kế, lắp đặt, thử nghiệm và trong suốt th ời gian hoạt đ ộng. M ột khi quá trình ăn mòn đã xảy ra, việc giảm thiểu tác động c ủa nó lên s ự toàn v ẹn c ủa h ệ thống là rất khó khăn. Thường sự tách biệt giữa dự án và vận hành gây khó khăn cho vi ệc ki ểm soát ăn mòn. Dự án thường cố gắng trong việc tạo ra một kết cấu có khả năng làm việc trong khung thời gian và tài chính cần thiết. Như vậy, quá trình v ận hành có thể phải nhận một hệ thống không tối ưu và chi phí ch ống ăn mòn rất cao. Luôn luôn tồn tại một sự không cân bằng giữa nguồn vốn và chi phí vận hành, do đó cần phải phân tích cẩn thận để lựa chọn ph ương pháp ch ống ăn mòn đ ể đ ạt được cân bằng kinh tế tốt nhất. Khó khăn lớn nhất trong việc đánh giá về kinh tế là sự không chắc chắn về tuổi thọ và quá trình hoạt động của nó. Thông thường chi phí cho việc chống ăn mòn chiếm khoảng 10-20% tổng vốn d ự án và 0,3-0,5% chi phí vận hành. Ăn mòn kim loại mà cụ thể là ăn mòn các k ết c ấu c ầu thép là v ấn đ ề r ất c ần được quan tâm nghiên cứu. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 2
Chương 2: Nghiên cứu xem xét nguyên lý ăn mòn thép (gỉ thép) 2.1. Khái quát về ăn mòn thép. Ăn mòn được định nghĩa là sự xuống cấp của một kim loại do phản ứng điện hóa của nó với môi trường. Theo các định luật nhiệt động lực học, có một xu hướng trạng thái năng lượng cao biến đổi thành năng lượng thấp. Đó là xu hướng của kim loại tái kết hợp với các nguyên tố hiện diện trong môi trường dẫn đến hiện tượng được gọi là ăn mòn. 2.2. Các dạng ăn mòn thép. - Ăn mòn cục bộ: Dạng ăn mòn rất thông th ường, nó là quá trình ăn mòn di ễn ra do những biến đổi của điều kiện môi trường. Quá trình này d ễ kh ống ch ế và ngăn chặn. Tuy nhiên có thể khó khăn trong việc xác định vị trí đo đạc. - Ăn mòn lỗ: Sự khác biệt giữa ăn mòn cục bộ và ăn mòn lỗ đôi khi gây nh ầm lẫn. Ăn mòn lỗ thật sự là do những vị trí ăn mòn cô l ập hoàn toàn, ph ần l ớn kim loại xung quang không bị ảnh hưởng. Đối với thép carbon, những lỗ này có khuynh hướng lớn lên theo hình bán cầu và vài l ỗ ch ồng lên nhau t ạo ra vùng ăn mòn lớn hình vỏ sò. Đối với thép hợp kim chống ăn mòn, những lỗ này thường có đường kính nhỏ nhưng ăn sâu và thường tạo thành cụm. - Dạng Intergranular (nổi sần sùi) rất ít gặp đối với thép carbon tr ừ khi có s ự không đồng nhất tại những vị trí có mối hàn, thường gây ra do sulphide và nitrate, nhưng loại thép hợp kim rất nhạy cảm với loại ăn mòn này. - Ăn mòn kết hợp với ứng suất gây nứt gãy: một dạng ăn mòn mở rộng rất nguy hiểm, có thể hạn chế và ngăn chặn bằng cách cẩn th ận và đúng đ ắn trong việc lựa chọn vật liệu, lắp đặt và vận hành. Quá trình ăn mòn di ễn ra có s ự k ết hợp của ứng suất xuất hiện và tình trạng đặc biệt của môi trường. Thép kết cấu có thể bị nứt trong môi trường chua (Hydrogen sulphide). Hợp kim ch ống ăn mòn có thể bị nứt trong môi trường chloride. - Nổi bọt: xuất hiện trong môi trường chua, do có cấu trúc kim lo ại không đồng nhất trong thép, chủ yếu xảy ra trong các bồn chứa. Ph ản ứng ăn mòn gi ải phóng hydrogen nguyên tử và một số có thể xâm nhập vào cấu trúc c ủa thép, sau đó kết hợp tạo thành phân tử khí hydrogen. Khí này do không thể thoát ra nên tập trung lại tạo nên áp suất cao gây ra những bọt xuất hiện trên bề mặt. - Ăn mòn mỏi: xảy ra nhiều trong kết cấu. Bất c ứ sự tạo thành ứng su ất có ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 3
tính chu kỳ nào cũng trở nên nguy hiểm nếu có s ự hiện di ện c ủa tác nhân ăn mòn. Môi trường có sulphide đặc biệt nguy hiểm đối với loại này. 2.3. Ăn mòn điện hóa. Trong ăn mòn điện hóa, có hai phản ứng xảy ra ở giao di ện kim loại và ch ất điện ly: Phản ứng giải phóng điện tử ở anốt (oxy hóa) và phản ứng tiêu thụ điện tử ở cực âm. Một loại pin ăn mòn cơ bản, có bốn thành phần thiết yếu bao gồm: - Cực dương (anot). Cực dương thường ăn mòn do mất điện tử từ các nguyên tử kim loại trung hòa về điện để hình thành các ion rời r ạc. Nh ững ion này có thể vẫn còn trong dung dịch hoặc phản ứng để tạo thành các sản phẩm ăn mòn không hòa tan. Phản ứng ăn mòn của kim lo ại Fe thường được biểu diễn bởi phương trình đơn giản: (2.1) - Cực âm (catot). Phản ứng cực âm phải tiêu thụ các điện tử được s ản ra bởi phản ứng ở cực dương. Có hai phản ứng cơ bản xảy ra ở c ực âm tùy thuộc vào pH của dung dịch: (2.2) (2.3) - Chất điện ly. Đây là dung dịch điện ly nó có thể cho phép các ion dương di chuyển từ cực dương tới cực âm và các ion âm di chuyển theo hướng ngược lại. - Kết nối điện. Cực dương và cực âm phải được nối với nhau bằng dây dẫn điện trong pin ăn mòn. Thiếu một thành phần bất kỳ nào thì ăn mòn điện hóa sẽ không xảy ra. • Biểu đồ Pourbaix Dựa trên dữ liệu nhiệt động học về phản ứng giữa kim loại và n ước, Pourbaix phát triển biểu đồ giữa điện thế với độ pH cho thấy các pha ổn đ ịnh nhiệt động học như là một hàm của điện thế điện cực và độ pH. Biểu đồ Pourbaix đối với sắt, được thể hiện trong hình 2.1. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 4
Hình 2.1. Biểu đồ Pourbaix quan hệ thế điện cực và độ pH của hệ Fe-H2O Có ba vùng được minh họa trong biểu đồ: vùng Corrosion sắt bị ăn mòn, vùng Passivation sắt bị thụ động, vùng Immunity sắt không bị ăn mòn. Từ gi ản đ ồ th ế điện cực - pH của hệ Fe - H2O trình bày trên hình 2.1 cho phép rút ra một s ố nhận xét sau: − Dự đoán khả năng bị ăn mòn và không bị ăn mòn c ủa s ắt trong môi tr ường nước. Tất nhiên không đem lại một thông tin gì về tốc độ của các ph ản ứng x ảy ra. − Rút ra nguyên tắc của phương pháp điện hoá bảo vệ ch ống ăn mòn s ắt trong môi trường nước và cụ thể là: + Dịch chuyển thế điện cực sắt (thép) trong môi trường nước về phía âm hơn so với điện thế ăn mòn của sắt thì sắt đi vào vùng an toàn không bị ăn mòn. + Dịch chuyển thế điện cực của sắt (thép) trong môi trường tr ường n ước v ề phía dương so với điện thế ăn mòn (phân cực anot) sẽ làm cho kim loại b ị th ụ động - gọi là bảo vệ anot. + Điều chỉnh tăng pH =12.5-13.5 của môi trường ăn mòn đưa kim lo ại thép vào vùng thụ động làm giảm tốc độ ăn mòn kim loại. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 5
• Tính thụ động Thụ động xảy ra khi sản phẩm ăn mòn là không hòa tan, bám ch ặt trên b ề mặt và đưa đến hình thành một màng bảo vệ siêu mỏng trên bề m ặt của kim loại. Việc duy trì thụ động cần điều kiện môi trường điện nhất định. Sự phá vỡ của màng thụ động thường do những thay đổi của điều kiện môi trường điện hóa. 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn thép. • Ảnh hưởng của bản chất kim loại. Tính chống ăn mòn kim loại liên quan đến điện thế tiêu chuẩn, hoạt độ hóa học của kim loại. Điện thế tiêu chuẩn của kim loại càng âm thì ho ạt đ ộ hóa h ọc càng cao, kim loại càng dễ bị ăn mòn. Tuy nhiên có những kim loại (nh ư Crom, Niken), điện thế tiêu chuẩn âm, hoạt độ hóa học cao nhưng tính b ền ăn mòn t ốt. Đó là do trên bề mặt hình thành lớp màng oxi hóa kín, rất m ỏng, có th ể b ảo v ệ kim loại khỏi sự ăn mòn. Như vậy gọi là sự thụ động hóa kim loại. Tính chống gỉ của kim loại còn liên quan đến hàm l ượng tạp ch ất và đ ộ bóng của nó. Tạp chất của kim loại càng nhiều tính chống gỉ của nó càng kém. Độ bóng kim loại càng cao, tính chống gỉ càng tốt. • Ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới sự ăn mòn. Nhiệt độ càng cao, hoạt độ hóa học của kim loại và dung dịch tăng, do đó làm tăng sự ăn mòn. • Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn. Tính chống gỉ của nguyên liệu có quan hệ trực tiếp tới môi trường ăn mòn. Trong những môi trường khác nhau, tính ổn định của kim loại cũng khác nhau. Ví dụ: Vàng ổn định trong nhiều dung dịch nhưng bị ăn mòn trong nước cường toan. 2.5. Tốc độ ăn mòn thép. Tốc độ ăn mòn có thể đo bằng các đại lượng sau : • Tổn thất trọng lượng: ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 6
Tổn thất trọng lượng là trọng lượng kim loại bị ăn mòn trên đơn vị bề mặt trong đơn vị thời gian : là trọng lượng mẩu kim loại trước và sau khi bị ăn mòn (mg) S: diện tích bề mặt kim loại (); t: thời gian (s) • Độ thâm nhập P: Tính bằng chiều sâu trung bình kim lo ại b ị ăn mòn trong một năm. Trong đó: G : lượng vật liệu bị ăn mòn (g/m.h) ρ : khối lượng riêng của kim loại (kg /m) 2.6. Hậu quả của hiện tượng gỉ thép đến kết cấu. Gỉ thép chưa xử lý có ảnh hưởng lớn đến chất lượng công trình xây dựng. Đây cũng là một trong các nguyên nhân chính dẫn đến s ớm phá h ủy k ết c ấu thép và bê tông cốt thép đặc biệt đối với các công trình xây dựng vùng bi ển. V ới các kết cấu thép không được bảo vệ, sau 1 năm thử nghi ệm cho th ấy tùy thu ộc vào môi trường nói chung lượng thép hao hụt từ 500 đến 2000g/m 2. Ngoài ra còn làm suy giảm lực bám dính giữa thép với lớp phủ bảo vệ và gây ra ăn mòn đi ểm. Điều đó dẫn tới mất khả năng bảo vệ của các lớp ph ủ bên ngoài. Nếu chưa được làm sạch hoàn toàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bê tông cốt thép, chủ yếu ở hai yếu tố là giảm lực liên kết giữa thép với bê tông và tăng m ức độ ăn mòn của thép trong bê tông theo thời gian. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 7
Các kết quả thử nghiệm sau 1 năm chỉ ra rằng nếu thép ch ưa làm s ạch g ỉ, l ực liên kết giữa thép gỉ với bê tông trong thời điểm đầu có tăng tuy nhiên theo th ời gian thì có xu hướng giảm dần. Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này được xem là do thép gỉ có diện tích bề mặt lớn h ơn thép th ường, l ực ma sát t ạo ra lớn nên lực liên kết với bê tông cao. Tại th ời đi ểm ban đ ầu s ản ph ẩm g ỉ ti ếp tục phát triển gây nở tạo ứng suất ép vào bề mặt bê tông nên lực liên k ết l ớn hơn và tăng dần. Tuy nhiên dần dần theo thời gian thì gỉ thép càng phát triển, sản phẩm gỉ tạo thành không còn tính liên kết với thép nền nên l ực liên k ết gi ảm dần. Bên cạnh đó gỉ thép do chưa được xử lý nên cũng là mầm tạo đi ều ki ện thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển. Bình th ường thép sau m ột th ời gian làm việc lâu dài, do các yếu tố bên ngoài xâm th ực tác đ ộng m ạnh m ới t ạo thành g ỉ. Nhưng thép đã có sẵn gỉ thì các vết gỉ có tính chất xốp, là nơi tích t ụ nhi ều oxy và hơi ẩm sẽ dễ dàng phát triển gỉ nhanh và mạnh hơn nhiều. Tại th ời đi ểm ban đầu, gỉ thép mới tạo thành còn bị ức chế bởi môi trường ki ềm trong bê tông nhưng theo thời gian môi trường kiềm trong bê tông không còn khả năng tái t ạo màng thụ động bảo vệ, gỉ thép tiếp tục phát triển và tốc độ ăn mòn thép tăng. Do vậy, dù với bất cứ dạng gỉ nào cũng có thể nhận thấy nếu không được x ử lý triệt để hoàn toàn thì gỉ thép là nguyên nhân chủ y ếu làm suy gi ảm kh ả năng làm việc của kết cấu bê tông cốt thép, dẫn tới nguy cơ tiềm ẩn xẩy ra các s ự cố công trình. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 8
Chương 3: Xác định sức kháng còn lại sau ăn mòn 3.1. Sức kháng kéo dọc trục. 3.1.1. Đặc điểm cấu tạo. 3.1.1.1. Các hình thức mặt cắt. Cấu kiện chịu kéo là các cấu kiện của kết c ấu ch ịu l ực kéo d ọc tr ục. Chúng thường gặp trong các khung ngang và giằng dọc của hệ dầm cầu cũng như trong các cầu giàn, cầu giàn vòm. Dây cáp và thanh treo trong c ầu treo và c ầu dây văng cũng là những cấu kiện chịu kéo. Điều quan trọng là phải biết cấu kiện chịu kéo được liên kết v ới các c ấu kiện khác trong kết cấu như thế nào. Nói chung, đây là các chi tiết liên kết quy ết định sức kháng của một cấu kiện chịu kéo và chúng cần được đề cập trước tiên. Hình thức mặt cắt ngang của cấu kiện chịu kéo khá đa dạng, b ất kỳ hình dạng nào cũng có thể được sử dụng vì yếu tố quyết định cường độ của c ấu kiện chịu kéo chỉ là diện tích mặt cắt ngang. Ta thường gặp các dạng mặt cắt: thép bản, thép hình, mặt cắt ghép. 3.1.1.2. Các dạng liên kết. Có hai dạng liên kết cho các cấu kiện ch ịu kéo: liên kết bu lông và liên k ết hàn. Một liên kết bu lông đơn giản giữa hai bản thép được cho trong hình 3.1. Rõ ràng, lỗ bu lông gây giảm yếu mặt cắt ngang nguyên của cấu kiện. Lỗ bu lông còn gây ứng suất tập trung ở mép lỗ, ứng suất này có thể lớn gấp ba lần ứng suất đều ở một khoảng cách nào đó đối với mép lỗ (hình 3.1). Sự t ập trung ứng suất xảy ra khi vật liệu làm việc đàn hồi sẽ giảm đi ở tải trọng lớn hơn do sự chảy dẻo. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 9
Hình 3.1 Sự tập trung ứng suất cục bộ và cắt trễ tại lỗ bu lông Một mối nối đơn giản bằng hàn giữa hai bản thép được bi ểu di ễn trên hình 3.2. Trong liên kết hàn, mặt cắt ngang nguyên của cấu kiện không b ị gi ảm y ếu. Tuy nhiên, ứng suất trong bản bị tập trung tại vị trí k ề với đ ường hàn và ch ỉ tr ở nên đều đặn kể từ một khoảng cách nào đó tới đường hàn. Những sự tập trung ứng suất ở vị trí kề với liên kết này là do một hiện tượng được gọi là sự cắt trễ. Ở vùng gần với lỗ bu lông hoặc gần với đường hàn, ứng suất cắt phát triển làm cho ứng suất kéo ở xa lỗ bu lông hoặc đường hàn giảm đi so với giá trị lớn hơn tại mép. Hình 3.2 Sự tập trung ứng suất cục bộ và cắt trễ tại liên kết hàn 3.1.2. Tính toán cấu kiện chịu kéo đúng tâm. 3.1.2.1. Tổng quát. Các kết quả thí nghiệm kéo thép cầu được th ể hiện bằng các đường cong ứng suất-biến dạng. Sau điểm chảy với ứng suất đạt tới F y, ứng xử dẻo bắt đầu. Ứng suất gần như không đổi cho tới khi sự cứng hoá biến dạng làm ứng suất tăng trở lại trước khi giảm đi và mẫu thử đứt đột ngột. Giá trị đỉnh c ủa ứng ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 10
suất cho mỗi loại thép được định nghĩa là cường độ chịu kéo Fu của thép. Các giá trị của Fy và Fu được cho đối với các loại thép cầu khác nhau. Khi lực kéo tác dụng tại đầu liên kết tăng lên, đi ểm có ứng su ất l ớn nh ất t ại mặt cắt nguy hiểm sẽ chảy đầu tiên. Điểm này có thể xuất hiện t ại n ơi có ứng suất tập trung như được chỉ ra trong hình 3.1 và 3.2 hoặc tại n ơi có ứng su ất d ư kéo lớn. Khi một phần của mặt cắt nguy hiểm bắt đầu chảy và t ải trọng ti ếp tục tăng lên, xuất hiện sự phân phối lại ứng suất do s ự ch ảy d ẻo. Gi ới h ạn ch ịu lực kéo thông thường đạt được khi toàn bộ mặt cắt ngang bị chảy. Có 3 dạng hư hỏng trong cấu kiện chịu kéo: • Hư hỏng do chảy của mặt cắt ngang nguyên • Hư hỏng do đứt của mặt cắt thực • Hư hỏng do cắt khối (trong vùng liên kết) Nội dung yêu cầu cần kiểm toán trong cấu kiện chịu kéo là: • Sức kháng chảy của mặt cắt ngang nguyên • Sức kháng đứt của mặt cắt thực (mặt cắt giảm yếu) • Giới hạn độ mảnh • Kiểm toán liên kết (xem phần tính toán liên kết) 3.1.2.2. Sức kháng kéo chảy. Sức kháng chảy tính toán (có hệ số) được xác định bởi (3.1.1) trong đó: φy hệ số sức kháng chảy của cấu kiện chịu kéo Pny sức kháng kéo chảy danh định trong mặt cắt nguyên (N) Fy cường độ chảy của thép (MPa) Ag diện tích mặt cắt ngang nguyên của cấu kiện (mm2) 3.1.2.3. Sức kháng kéo đứt. Sức kháng đứt tính toán (có hệ số) được xác định bởi (3.1.2) trong đó: ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 11
φu hệ số sức kháng đứt của cấu kiện chịu kéo, lấy theo bảng 1.1 Pnu sức kháng kéo đứt danh định trong mặt cắt giảm yếu (N) Fu cường độ chịu kéo của thép (MPa) Ag diện tích mặt cắt thực hữu hiệu của cấu kiện (mm2) Đối với liên kết bu lông, diện tích mặt cắt thực hữu hiệu là (3.1.3) với An là diện tích mặt cắt thực của cấu kiện (mm ) và U là hệ số chiết giảm xét 2 đến cắt trễ. Đối với liên kết hàn, diện tích mặt cắt thực hữu hiệu là: (3.1.4) Hệ số chiết giảm U không dùng khi kiểm tra chảy mặt cắt nguyên vì sự chảy dẻo có xu hướng làm đồng đều ứng suất kéo trên mặt cắt ngang do c ắt tr ễ. H ệ số sức kháng đứt nhỏ hơn hệ số sức kháng chảy do có thể xảy ra đứt gãy đột ngột trong vùng cứng hoá biến dạng của đường cong ứng suất-biến dạng. 1/ Hệ số chiết giảm U Khi tất cả các bộ phận hợp thành (bản biên, vách đứng, các cánh thép góc…) được nối đối đầu hoặc bằng bản nút thì lực được truyền đều và U = 1,0. Nếu chỉ một phần của cấu kiện được liên kết (chẳng h ạn, ch ỉ m ột cánh c ủa thép góc) thì phần này sẽ chịu ứng suất lớn và phần không được liên k ết s ẽ ch ịu ứng suất nhỏ hơn. Trong trường hợp liên kết một phần, ứng suất phân bố không đều, cắt trễ xảy ra và U < 1,0. Đối với liên kết bu lông một phần, Munse và Chesson (1963) đã cho biết rằng, sự giảm chiều dài liên kết L (hình 3.3) làm tăng hiệu ứng cắt trễ. Các tác giả đề nghị sử dụng công thức gần đúng sau để xác định hệ số chiết giảm. (3.1.5) trong đó: x là khoảng cách từ trọng tâm diện tích cấu kiện được liên kết tới mặt phẳng chịu cắt của liên kết. Nếu cấu kiện có hai m ặt liên k ết đ ối x ứng thì x được tính từ trọng tâm của một nửa diện tích gần nhất. Đối với liên k ết bu lông một phần có ba bu lông hoặc nhiều h ơn trên mỗi hàng theo ph ương tác dụng lực, hệ số U trong công thức có thể được lấy bằng 0,85. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 12
Hình 3.3 Cách xác định x Đối với liên kết hàn một phần của thép cán I và T cắt từ I, được nối ch ỉ bằng đường hàn ngang ở đầu: (3.1.6) trong đó: Ane diện tích thực của cấu kiện được liên kết (mm2) Agn diện tích thực của phần thép cán nằm ngoài chiều dài liên kết (mm2) Đối với liên kết hàn có đường hàn dọc theo cả hai mép cấu ki ện nối ghép (hình 3.2), hệ số chiết giảm có thể được lấy như sau: (3.1.7) với L là chiều dài của cặp mối hàn (mm) và W là chiều rộng cấu kiện được liên kết (mm). Đối với tất cả các cấu kiện khác có liên kết một ph ần, h ệ s ố chi ết gi ảm có thể được lấy bằng: U = 0,85 (3.1.8) 2/ Diện tích thực Diện tích thực hay diện tích giảm y ếu An của một thanh chịu kéo là tổng các tích số của bề dày t và bề rộng thực (bề rộng giảm yếu) nhỏ nhất wn của mỗi bộ phận cấu kiện. Nếu liên kết bằng bu lông, diện tích th ực l ớn nh ất đ ược tính với tất cả bu lông trên một hàng đơn (hình 3.1). Đôi khi, s ự h ạn ch ế v ề kho ảng cách đòi hỏi phải bố trí nhiều hàng. Sự giảm diện tích mặt cắt ngang s ẽ là ít nhất khi bố trí bu lông so le (hình 3.5). B ề rộng th ực được xác đ ịnh cho m ỗi đường qua lỗ trải ngang cấu kiện theo đường ngang, đường chéo hoặc đường zic zắc. Cần xem xét mọi khả năng phá hoại có thể xảy ra và sử dụng trường hợp cho Sn nhỏ nhất. Bề rộng thực đối với một đường ngang qua lỗ được tính bằng bề rộng nguyên trừ đi tổng bề rộng các lỗ và cộng với giá trị s2/4g cho mỗi đường chéo, tức là: An = t.Wn (3.1.9) ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 13
Trong đó : Wn – Chiều rộng thực nhỏ nhất của thanh xác định theo công thức sau: với wg là bề rộng nguyên của cấu kiện (mm), dhole là đường kính lỗ bu lông (mm), s là khoảng cách so le của hai lỗ bu lông liên tiếp giữa hai hàng (mm) và g là khoảng cách ngang giữa hai hàng lỗ (hình 3.4). Hình 3.4 Bố trí bu lông so le - Cách tính An trong một số trường hợp đặc biệt sau: a g b g+g1tw g1 e f c d a g b g/2+g1tw/2 g1 e f c d ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 14
3.1.2.4. Giới hạn độ mảnh. Yêu cầu về độ mảnh thường được đặt ra đối với các cấu ki ện ch ịu nén. Tuy nhiên trong thực tế cũng cần giới hạn độ mảnh của cấu ki ện ch ịu kéo. N ếu l ực dọc trục trong cấu kiện chịu kéo bị xê dịch vị trí hoặc có một l ực ngang nh ỏ tác dụng, có thể xuất hiện dao động hoặc độ võng không mong muốn. Yêu cầu về độ mảnh được cho theo L/r, với L là chiều dài cấu kiện và r là bán kính quán tính nhỏ nhất của diện tích mặt cắt ngang cấu kiện. Các yêu cầu về độ mảnh đối với cấu kiện ch ịu kéo không ph ải là thanh tròn, thanh có móc treo, cáp và bản được cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1 Độ mảnh tối đa cho các cấu kiện chịu kéo Cấu kiện chịu kéo max L/r Các thanh chịu lực chủ yếu • Chịu ứng suất đổi dấu 140 • Không chịu ứng suất đổi 200 dấu Các thanh giằng 240 3.2. Sức kháng nén dọc trục. Theo cấu tạo mặt cắt người ta chia ra làm hai loại chính: • Mặt cắt kín (cột đặc) • Mặt cắt hở (cột rỗng) 3.2.1. Đặc điểm cấu tạo. Cấu kiện chịu nén là cấu kiện chỉ chịu lực nén tác dụng dọc theo trục c ủa cấu kiện và gây ra ứng suất đều trên mặt cắt ngang. Ứng suất đều này là điều kiện lý tưởng vì luôn luôn có sự lệch tâm nào đó c ủa l ực tác d ụng đ ối v ới tr ọng tâm mặt cắt cấu kiện. Mô men uốn tác dụng thường nh ỏ và ít quan trọng. Loại cấu kiện chịu nén phổ biến nhất là cột. Nếu có mô men uốn theo tính toán, do sự liên tục hoặc do tải trọng ngang, thì nội lực này không thể bỏ qua và cấu kiện phải được xem là cột dầm. Cấu kiện chịu nén xuất hiện trong giàn, các khung ngang và hệ giằng dọc, nơi mà độ lệch tâm là nhỏ và uốn th ứ c ấp có th ể đ ược bỏ qua. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 15
Các hình thức mặt cắt cấu kiện chịu nén đúng tâm: Các hình thức mặt cắt của cấu kiện chịu nén đúng tâm khá đa dạng, khi ch ọn mặt cắt cần làm sao cho độ ổn định của cột đối với các h ệ tr ục quán tính chính không chênh nhau nhiều (rx ≈ ry). Theo cấu tạo mặt cắt người ta chia ra làm hai loại chính: • Mặt cắt kín (cột đặc) • Mặt cắt hở (cột rỗng) 3.2.1.1.Hình thức mặt cắt kín. a. Tiết diện dạng chữ H: Hình thức đơn giản dễ chế tạo, dễ liên kết với các cấu kiện khác. Cột bằng thép cán định hình: thép hình ch ữ I, thép W theo ASTM A6M (thép hình chữ I cánh rộng), loại này cấu tạo và chế tạo đơn giản nhưng Ix và Iy chênh nhau nhiều. Loại mặt cắt chữ H ghép bằng ba thép bản liên kết hàn loại này ch ế t ạo đơn giản, nhưng để có Ix = Iy thì b ≈ 2d. Loại mặt cắt chữ H ghép bằng các thép hình loại này cho kh ả năng ch ịu l ực lớn. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 16
bf tf h D d tw tf b b. Tiết diện dạng hộp: hộp tròn, hộp chữ nhật 450 16 300 12 12 16 300 c. Tiết diện dạng chữ thập: 3.2.1.2.Hình thức mặt cắt hở. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 17
3.2.2. Khái niệm về ổn định của cột. 3.2.2.1.Khái niệm về mất ổn định đàn hồi. Trong thép công trình, các mặt cắt ngang cột thường mảnh và các TTGH khác thường đạt tới trước khi vật liệu bị phá hỏng. Các TTGH khác này có liên quan đến sự mất ổn định quá đàn hồi (của cấu kiện ít mảnh) và sự mất ổn định đàn hồi của cấu kiện mảnh. Chúng bao gồm mất ổn định ngang, mất ổn định cục bộ và mất ổn định xoắn ngang của cấu kiện chịu nén. Mỗi TTGH đều ph ải được kết hợp chặt chẽ trong các quy tắc thiết kế được xây dựng để ch ọn cấu ki ện chịu nén. Để nghiên cứu hiện tượng mất ổn định, trước hết xét một cột th ẳng, đàn h ồi tuyệt đối, hai đầu chốt. Khi lực nén dọc trục tác d ụng vào c ột tăng lên, c ột v ẫn thẳng và co ngắn đàn hồi cho đến khi đạt tải trọng tới hạn Pcr. Tải trọng tới hạn được định nghĩa là tải trọng nén dọc trục nhỏ nhất mà ứng với nó, một chuyển vị ngang nhỏ làm cho cột bị cong ngang và tìm th ấy một s ự cân b ằng m ới. Đ ịnh nghĩa về tải trọng tới hạn này được biểu diễn trên các đường cong tải trọng - chuyển vị của hình 3.5. Trong hình 3.5, điểm mà tại đó có sự thay đổi ứng xử được gọi là điểm rẽ. Đường tải trọng - chuyển vị là thẳng đứng cho tới điểm này, sau đó thân cột di chuyển sang phải hoặc sang trái tuỳ theo hướng của tác động ngang. Khi độ võng ngang trở nên khác không, cột bị hư hỏng do oằn và lý thuy ết bi ến d ạng nhỏ dự báo rằng, không thể tiếp tục tăng lực dọc trục được nữa. Nếu sử dụng lý thuyết biến dạng lớn thì ứng suất phụ sẽ phát triển và quan h ệ t ải tr ọng - chuyển vị sẽ theo đường rời nét trên hình 3.5. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 18
Lời giải theo lý thuyết biến dạng nhỏ về vấn đề m ất ổn đ ịnh đã đ ược Euler công bố năm 1759. Ông đã chứng minh rằng, tải trọng gây oằn tới hạn Pcr có thể được tính bằng công thức sau: (3.2.1) Hình 3.5 Biểu đồ tải trọng – chuyển vị đối với các cột đàn hồi trong đó: E: mô đun đàn hồi của vật liệu, I: mô men quán tính của mặt cắt ngang cột quanh trục tr ọng tâm vuông góc với mặt phẳng oằn, L: chiều dài cột có hai đầu chốt. Công thức này rất quen thuộc trong cơ học và phần ch ứng minh nó không được trình bày ở đây. Công thức 3.2.1 cũng có thể được biểu diễn theo ứng suất oằn tới hạn σcr khi chia cả hai vế cho diện tích nguyên của mặt cắt ngang As Khi sử dụng định nghĩa về bán kính quán tính c ủa m ặt c ắt I = Ar2, biểu thức trên được viết thành (3.2.2) trong đó, L/r thường được xem là chỉ số độ mảnh của cột. Sự oằn (Buckling) sẽ xảy ra quanh trục trọng tâm có mô men quán tính nh ỏ nh ất I (công thức 3.2.1) hay có bán kính quán tính nhỏ nhất r (công thức 3.2.2). Đôi khi, trục trọng tâm tới hạn lại xiên, như trong cấu kiện chịu nén bằng thép góc đơn. Trong bất kỳ ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 19
trường hợp nào, tỷ số độ mảnh lớn nhất đều phải được xác định vì nó kh ống chế ứng suất tới hạn trên mặt cắt ngang. Ứng suất gây oằn tới hạn lý tưởng được cho trong công thức (3.2.2) bị ảnh hưởng bởi ba thông số cường độ chính: liên kết ở hai đầu, ứng suất dư và độ cong ban đầu. Hai thông số sau phụ thuộc vào phương thức chế tạo cấu ki ện. Các thông số này và ảnh hưởng của chúng đối với cường độ oằn sẽ đ ược th ảo luận trong các phần tiếp theo. 1/ Chiều dài hữu hiệu của cột Bài toán mất ổn định đã được giải quyết bởi Euler là đối với một cột lý tưởng không có liên kết chịu mô men ở hai đầu. Đối với cột có chiều dài L mà các đầu của nó không chuyển vị ngang, sự ràng buộc ở đầu cấu kiện bởi liên kết với các cấu kiện khác sẽ làm cho vị trí của các điểm có mô men bằng không dịch xa khỏi các đầu cột. Khoảng cách giữa các điểm có mô men bằng không là chiều dài cột hữu hiệu hai đầu chốt, trong trường hợp này K < 1. Nếu liên kết ở đầu là chốt hoặc ngàm thì các giá trị tiêu biểu của K trường hợp không có chuyển vị ngang được biểu diễn trong ba sơ đồ đầu tiên của hình 3.6. Nếu một đầu cột có chuyển vị ngang so với đầu kia thì chi ều dài c ột h ữu hiệu có thể lớn hơn chiều dài hình học, khi đó K > 1. Ứng xử này được thể hiện trong hai sơ đồ sau của hình 3.6 với một đầu tự do và đầu kia là ngàm hoặc chốt. Tổng quát, ứng suất oằn tới hạn cho cột có chi ều dài h ữu hi ệu KL có thể được tính bằng công thức sau khi viết lại biểu thức (3.2.2): (3.2.3) với K là hệ số chiều dài hữu hiệu. Các ràng buộc đầu cột trong thực tế nằm đâu đó trong khoảng giữa chốt và ngàm, phụ thuộc vào độ cứng của các liên kết đầu cột. Đối với các liên k ết bằng bu lông hoặc hàn ở cả hai đầu của cấu kiện ch ịu nén b ị c ản tr ở chuy ển v ị ngang, K có thể được lấy bằng 0,75. Do đó, chiều dài hữu hiệu của các cấu kiện chịu nén trong các khung ngang và giằng ngang có thể được lấy bằng 0,75 L với L là chiều dài không được đỡ ngang của cấu kiện. ĐHGTVT - CTGTCC K51 Trang 20