Ứng suất dư là các ứng suất bên trong, tự cân bằng-tồn tại bên trong vật liệu ngay cả khi không có tải trọng bên ngoài. Trong dầm A572 H{4}}cán nóng, những ứng suất này phát sinh do sự biến đổi pha và làm mát không-đồng đều trong quá trình sản xuất. Sự phân bố và cường độ của chúng có tác động không đáng kể-đến độ ổn định và tuổi thọ mỏi của các bộ phận, điều này phải được tính đến trong thiết kế nâng cao.
1. Nguồn gốc và hình thái điển hình của ứng suất dư:
Khi chùm tia H{0}}nóng thoát ra khỏi máy nghiền tinh và nguội đi trên giường chạy-, các đầu mặt bích và tâm lưới trước tiên sẽ nguội và đông đặc lại. Những vùng mát hơn này co lại nhưng bị hạn chế bởi vật liệu nhựa vẫn còn-nóng ở các điểm nối mặt bích{4}}.
Sự co thắt vi sai này khóa theo một mô hình đặc trưng:
Ứng suất dư nén ở đầu mặt bích và giữa{0}}bản bụng.
Ứng suất dư kéo tại các điểm nối bản cánh-của mặt bích ("khu vực k{1}}").
Độ lớn điển hình có thể đạt tới 10-30% cường độ chảy của vật liệu (Fy). Đối với A572 Gr.50, giá trị này tương đương với khoảng 5-15 ksi (35-100 MPa).
2. Tác động đến hiện tượng mất ổn định (Cột và Dầm):
Mất ổn định cột: Sự xuất hiện của ứng suất dư nén ở đầu mặt bích làm giảm phạm vi đàn hồi của cấu kiện một cách hiệu quả. Khi tác dụng tải trọng dọc trục, các vùng đó sẽ chảy ở mức thấp hơnáp dụngcăng thẳng vì chúng đã được-nén trước. Điều này làm giảm mô đun hiệu dụng và có thể làm giảm tải trọng uốn tới hạn, đặc biệt đối với các cấu kiện có độ mảnh trung gian (trong đó độ uốn kém đàn hồi chi phối). Các đường cong thiết kế cột hiện đại (ví dụ, Đường cong cột của AISC) về mặt thực nghiệm tính đến tác động trung bình của các ứng suất dư này, cùng với các khiếm khuyết hình học ban đầu. Kiểu và cường độ của ứng suất dư là một lý do tại sao tồn tại các đường cong cột khác nhau cho các loại mặt cắt ngang khác nhau (ví dụ: hình dạng W- so với mặt cắt kết cấu rỗng).
Độ uốn xoắn ngang (LTB) của dầm: Ứng suất dư tương tác với ứng suất uốn tác dụng. Trong dầm chịu sự uốn cong-trục chính, ứng suất nén dư ở đầu mặt bích sẽ cộng thêm ứng suất nén tác dụng do uốn. Điều này có thể gây ra hiện tượng chảy cục bộ sớm hơn ở các đầu mặt bích, làm giảm khả năng đạt được công suất mômen dẻo tối đa (Mp) của dầm và có khả năng ảnh hưởng đến cường độ LTB không đàn hồi của nó. Các phương trình thiết kế chùm tia của thông số kỹ thuật AISC kết hợp hiệu ứng này thông qua các tham số độ mảnh giới hạn (λp, λr) và hệ số gradient mô men (Cb).
3. Tác động đến hành vi mệt mỏi:
Độ mỏi là hư hỏng cấu trúc lũy tiến và cục bộ xảy ra khi vật liệu chịu tải trọng theo chu kỳ. Ứng suất dư là một yếu tố quan trọng.
Tác dụng có lợi: Ứng suất dư nén tại các vị trí có khả năng bắt đầu vết nứt (như bề mặt mặt bích) rất có lợi. Chúng làm tăng ứng suất trung bình của chu kỳ mỏi theo hướng nén một cách hiệu quả, khiến vết nứt vi mô- khó mở ra và lan truyền hơn. Điều này có thể làm tăng đáng kể tuổi thọ mệt mỏi.
Tác động bất lợi: Ngược lại, ứng suất dư kéo tại điểm nối bản bụng-của mặt bích (khu vực có ứng suất-cao) làm giảm độ bền mỏi. Chúng làm tăng thêm ứng suất kéo, thúc đẩy sự hình thành vết nứt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết được phân loại theo Phụ lục 3 AISC 360 hoặc Thông số kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO, trong đó mối nối bản bụng-mặt bích thường là chi tiết Loại B hoặc C.
Giảm thiểu: Đối với các kết cấu chịu mỏi theo chu kỳ- cao (ví dụ: dầm đường băng của cần trục, các thành viên cầu), các biện pháp xử lý sau{3}}chế tạo như phun bi có thể được sử dụng để tạo ra một lớp ứng suất dư nén trên bề mặt, loại bỏ các ứng suất kéo khi lăn-và cải thiện hiệu suất mỏi.
4. Ý nghĩa đối với việc chế tạo và thiết kế:
Cắt và hàn: Cắt bằng nhiệt (ngọn lửa hoặc plasma) và hàn tạo ra các trường ứng suất dư cục bộ mới, thường nghiêm trọng, có thể cao hơn nhiều so với ứng suất cuộn khi{0}}cán. Những điều này phải được xem xét khi thiết kế các chi tiết kết nối, đặc biệt đối với các thành viên dễ bị mệt mỏi.
Triết lý thiết kế: Đối với thiết kế chung của tòa nhà dưới tải trọng tĩnh, tác động của-ứng suất dư lăn được ngầm bao hàm trong các công thức rút ra từ thực nghiệm trong đặc tả AISC. Người thiết kế không tính toán chúng một cách trực tiếp.
Phân tích nâng cao: Đối với các ứng dụng chuyên biệt (ví dụ: đánh giá hiệu suất địa chấn bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn nâng cao hoặc thiết kế các cấu trúc hàng không vũ trụ cực kỳ thanh mảnh), có thể cần phải mô hình hóa rõ ràng mô hình ứng suất dư để dự đoán chính xác trạng thái mất ổn định và độ trễ không đàn hồi.
Bảng: Ảnh hưởng và quản lý ứng suất dư trong dầm A572 H-
| Diện mạo | Ảnh hưởng của ứng suất dư dạng cuộn | Xem xét thiết kế/chế tạo |
|---|---|---|
| Sức mạnh cột | Giảm tải uốn tới hạn để có độ mảnh trung gian. | Được tính trong Đường cong cột AISC (ví dụ: đường cong cho hình chữ W{2}}). |
| Dầm ngang chùm | Thúc đẩy năng suất sớm hơn ở đầu mặt bích, ảnh hưởng đến cường độ LTB. | Được kết hợp trong các phương trình LTB của AISC (tính toán Fcr). |
| Cuộc sống mệt mỏi | Ứng suất kéo tại điểm nối mặt bích-là có hại. Ứng suất nén ở bề mặt có lợi. | Quan trọng đối với thiết kế mỏi theo AISC Phụ lục 3 hoặc AASHTO. Có thể sử dụng-điều trị sau (peening). |
| Chế tạo (Hàn) | Ứng suất hàn mới chiếm ưu thế; có thể gây biến dạng. | Sử dụng trình tự hàn để giảm thiểu biến dạng; giảm ứng suất có thể được chỉ định cho các phần dày. |
Tóm lại, dạng ứng suất dư trong dầm-cán nóng A572 H{2}}là sản phẩm phụ cố hữu của quá trình sản xuất. Mặc dù không phải là mối quan tâm hàng đầu đối với hầu hết các thiết kế tòa nhà tĩnh (vì các quy tắc đã nội hóa tác dụng của chúng), chúng trở thành yếu tố quan trọng cần xem xét đối với độ ổn định của các bộ phận thanh mảnh, trạng thái dẻo dưới tải trọng địa chấn và tuổi thọ mỏi của kết cấu chịu tải trọng theo chu kỳ. Hiểu được sự tồn tại của chúng cho phép các kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt về lựa chọn thành viên, chi tiết kết nối và các biện pháp xử lý hậu{5}}có thể xảy ra.