Tải trọng tĩnh và tải trọng động Sau đó Phá hủy và Độ bền Phân tích CAE
Tải trọng tĩnh và tải trọng động:
Khi thanh biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực, các phần tử trong thanh sẽ có chuyển động, phát sinh gia tốc chuyển động và lực quán tính:
- Nếu tải trọng biến đổi chậm hay không đổi theo thời gian, có gia tốc chuyển động nhỏ và có thể bỏ qua lực quán tính so với các tải trọng tác động thì gọi là tải trọng tĩnh.
- Nếu tải trọng thay đổi nhanh theo thời gian, gây ra chuyển động có gia tốc lớn và không thể bỏ qua lực quán tính so với các tải trọng tác động thì gọi là tải trọng động.
Tùy theo tính chất của tải trọng mà có thể có bài toán tĩnh hay bài toán động. Và sự khác biệt giữa bài toán tĩnh và bài toán động chính là sự có mặt hay không có mặt của lực quán tính, có kể hay không kể đến động năng chuyển động trong biểu thức tính toán.
Tải trọng tĩnh (Tải trọng thường xuyên)
Tải trọng tĩnh là lực đặt tĩnh tại trong suốt quá trình làm việc của kết cấu, nằm ở trên, hay bên trong (tức trọng lực của chính kết cấu), của kết cấu công trình.
Tải trọng có phương, chiều và độ lớn không thay đổi (hoặc thay đổi rất ít) theo thời gian, không làm phát sinh lực quán tính
Ví dụ:
Trọng lượng của các lớp hoàn thiện (trát, lát,...) cùng trọng lượng của bản thân kết cấu sàn bê tông cốt thép, là tĩnh tải tác dụng lên kết cấu sàn bê tông cốt thép.
Trọng lượng của bê tông cốt thép sàn cùng trọng lượng của hệ khuôn đúc sàn, là tĩnh tải tác dụng lên kết cấu khuôn đúc sàn.[cần dẫn nguồn]
Tải trọng động (Tải trọng tạm thời)
Tải trọng động là lực gây ra do các vật thể bên ngoài kết cấu tác động vào kết cấu công trình trong khi chúng đang chuyển động có hướng vào kết cấu công trình. và gây ra gia tốc chuyển vị cho các phần tử của kết cấu.
Tải trọng thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi đột ngột, làm phát sinh lực quán tính
Thí dụ: trọng lực người di chuyển trên công trình kiến trúc sẽ là tải trọng động.
Tải trọng thường xuyên: Là tải trọng tác dụng trong suốt thời gian thi công và sử dụng công trình. Trọng lượng bản thân kết cấu, áp lực đất, áp lực nước…
Tải trọng tạm thời: Chỉ xuất hiện trong một thời kỳ nào đó trong thi công hoặc sử dụng công trình, sau đó giảm dần hoặc mất hẳn. Tuỳ theo thời gian tồn tại, người ta phân tải trọng tạm thời thành:
Tải trọng tạm thời tác dụng lâu dài (dài hạn): Trọng lượng thiết bị, vật liệu chứa…
Tải trọng tạm thời tác dụng ngắn hạn: Trọng lượng người, xe máy thi công, tải trọng gió, áp lực sóng…
Tải trọng tạm thời đặc biệt: Xuất hiện trong trường hợp rất đặc biệt khi thi công hoặc khi sử dụng công trình (động đất, sự cố công trình…)
Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán
Tải trọng tác dụng lên công trình được phân thành tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán:
Tải trọng tiêu chuẩn: Là tải trọng lớn nhất, không gây trở ngại, làm hư hỏng và không làm ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường khi sử dụng cũng như khi sữa chữa công trình.
Tải trọng tính toán: Tải trọng đã xét đến khả năng có thể xảy ra sự khác nhau giữa tải trọng thực và tải trọng tiêu chuẩn về phía không có lợi cho sự làm việc bình thường của công trình. Tải trọng tính toán được xác định bằng cách nhân tải trọng tiêu chuẩn với hệ số vượt tải tương ứng:
Ntt = Ntc.n
Với n là hệ số vượt tải, lấy như sau: Trọng lượng bản thân các loại vật liệu: n=1,1. Trọng lượng các lớp đất đắp, lớp cách âm cách nhiệt … n=1,2. Trọng lượng các thiết bị kỹ thuật (kể cả trọng lượng vật liệu chứa trong thiết bị khi nó hoạt động) lấy n=1,2. Trọng lượng thiết bị vận chuyển:n=1,3.
Trong các bài toán sức bền vật liệu, có loại là tuyến tính và loại khác là phi tuyến. Trong loại phân tích tuyến tính, ta dựa trên giả thiết rằng ứng suất và biến dạng tuyến tính với tải trọng (nếu tăng tải 2 lần thì ứng suất và biến dạng cũng tăng 2 lần). Phần lớn các trường hợp tính toán sức bền có thể áp dụng giả thiết này. Nhưng cũng có trường hợp không thể dùng phương pháp đó mà phải dùng các cách giải phi tuyến.
Ví dụ 1: kết quả ứng suất tại 1 điểm được xác định bởi tải trọng và hình dạng hình học của kết cấu. Nếu hình dạng ban đầu của kết cấu khác nhiều so với hình dạng bị biến dạng dưới tác động của tải thì rõ ràng là trong quá trình biến dạng đó, tải dù không đổi cũng gây nên ứng suất thay đổi.
Ví dụ 2: Với vật liệu dẻo, ta có hệ số Poison. Hệ số này cho biết tỷ lệ biến dạng của vật liệu theo phương vuông góc với tải trọng. Cụ thể là nếu ta kéo 1 thanh vật liệu tròn thì ngoài việc nó bị dài ra do bị kéo đã đành, nó còn bị thắt nhỏ lại theo đường kính, tức là giảm diện tích tiết diện. Ứng suất bằng lực chia cho diện tích tiết diện, khi tiết diện giảm thì ứng suất tăng.
Ví dụ 3: Vật liệu nói chung là phi tuyến, tức là nếu tăng tải 2 lần thì ứng suất tăng khác 2 lần. Sự khác biệt này thường rất nhỏ nên ta có thể coi vật liệu là tuyến tính. Nhưng một số vật liêu polyme và vật liệu không đẳng hướng lại không như vậy, sự phi tuyến khá rõ nét và khi đó, ta phải dùng lý thuyết khác để tính toán, nghĩa là trong giới hạn nào đó thì tải không đổi vẫn có thể tạo ứng suất thay đổi trong những loại vật liệu này.
Tóm lại, cần thận trọng khi phân tích các kết cấu có biến dạng lớn và vật liệu phi tuyến và bất đẳng hướng.
Ghi chú: Vật liệu bất đẳng hướng có các giới hạn bền và biến dạng khác nhau theo các phương khác nhau, như tre, gỗ, bê-tông cốt thép hoặc sợi dệt.
Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
Tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng (đặt vào) một cách chậm chạp, êm, tức tăng lên từ từ. Người ta phân biệt hai dạng phá hủy: giòn và dẻo.
Phá hủy dẻo phát triển với tốc độ rất chậm, cần nhiều năng lượng, trong khi đó phá hủy giòn phát triển với tốc độ rất lớn (khoảng 1000m/s), chỉ cần năng lượng nhỏ. Khi phá hủy sự tách rời các phần của vật thể có thể cắt ngang các hạt (mặt gãy nhẵn) hay theo biên hạt (mặt gãy nổi hạt), trong đó mặt gãy nổi hạt luôn luôn đi kèm với phá hủy giòn.
Phá hủy ở dạng nào chủ yếu là phụ thuộc loại vật liệu: vật liệu dẻo như thép thường bị phá hủy dẻo, còn vật liệu giòn như gang thường bị phá hủy giòn. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ đặt tải trọng: khi hạ thấp nhiệt độ cũng như tăng tốc độ đặt tải trọng cũng có thể làm vật liệu dẻo bị phá hủy giòn.
Khi hạ thấp nhiệt độ, ở mọi vật liệu cơ tính đều biến đổi theo chiều hướng tăng độ bền và giảm độ dẻo.
Độ bền dưới tác động của tải trọng động
Trong thực tế nhiều kết cấu và chi tiết máy như cầu, trục, bánh rang chịu tác dụng của tải trọng không lớn (ngay cả thấp hơn σ0,2 khá nhiều) nhưng thay đổi theo chu kỳ, có thể bị phá hủy sau thời gian dài và tương đối dài (> 105 - 106 chu kỳ). Sự phá hủy như vậy còn được gọi là phá hủy mỏi. Cũng giống như mọi phá hủy khác, phá hủy mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên song với đặc điểm là nó thường nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành và phát triển vết nứt.
Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí , tạp chất, xước, lồi lõm; do vậy tăng độ bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩa đặc biệt để chống phá hủy mỏi. Ngoài ra nứt cũng có thể sinh ra dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ.
Bình luận