Độ bền xoắn là gì?
Độ bền xoắn (torsional strength) là khả năng của cấu kiện chống lại sự phá hủy do tác dụng của moment xoắn T (torque). Khi moment xoắn vượt quá khả năng chịu xoắn, cấu kiện bị phá hủy theo dạng nứt xoắn đặc trưng với góc nghiêng khoảng 45°. Đơn vị moment xoắn là N·m hoặc kN·m.
Xoắn xuất hiện khi lực tác dụng không đi qua tâm cắt (shear center) của tiết diện. Ví dụ điển hình là dầm cầu thang phải chịu đồng thời uốn, cắt và xoắn.
Công thức tính ứng suất xoắn
Với tiết diện tròn đặc, ứng suất tiếp xoắn tại bán kính r:
τ = T × r / J
- T: moment xoắn tác dụng (N·mm)
- r: khoảng cách từ tâm đến điểm cần tính (mm)
- J: mô men quán tính cực (mm⁴)
Với tiết diện tròn đặc đường kính d:
J = πd⁴ / 32
Ứng suất xoắn lớn nhất tại bề mặt ngoài (r = d/2):
τmax = 16T / (πd³)
Moment xoắn giới hạn và khả năng chịu xoắn
| Loại tiết diện | Mô men quán tính cực J | Ghi chú |
|---|---|---|
| Tròn đặc (d) | πd⁴/32 | Tốt nhất về xoắn |
| Tròn rỗng (D, d) | π(D⁴−d⁴)/32 | Hiệu quả vật liệu cao |
| Chữ nhật (b×h) | ≈ β·b³·h | β phụ thuộc tỷ lệ h/b |
| Chữ I (I-beam) | Rất thấp | Yếu về xoắn |
| Hộp kín | Cao | Lý tưởng cho xoắn |
Tiết diện hộp kín (closed box section) có độ cứng xoắn cao gấp nhiều lần tiết diện hở cùng diện tích vật liệu. Đây là lý do các dầm cầu lớn thường dùng tiết diện hộp.
Xoắn trong dầm cầu thang
Dầm chiếu nghỉ và dầm biên cầu thang chịu xoắn do tải trọng bản thang đặt lệch tâm so với trục dầm. Theo TCVN 5574:2018, dầm chịu xoắn cần được thiết kế với cốt thép đặc biệt:
- Cốt đai kín: đai phải khép kín hoàn toàn để hình thành dòng ứng suất tiếp kín
- Cốt dọc phân bổ đều: tại 4 góc và dọc theo chu vi tiết diện
- Tương tác xoắn-cắt-uốn: phải kiểm tra theo ellipse tương tác
Xoắn trong khung kết cấu bất đối xứng
Nhà có mặt bằng bất đối xứng hoặc phân bố cứng không đều theo kế hoạch sẽ chịu xoắn khi có tải ngang (gió, động đất). Khoảng cách giữa tâm cứng và tâm khối lượng tạo ra moment xoắn tổng thể của công trình.
Theo TCVN 9386:2012 (thiết kế kháng chấn), cần hạn chế tỷ số e/L (độ lệch tâm/chiều rộng mặt bằng) không vượt quá 0,3 để giảm hiệu ứng xoắn.
Xoắn trong trục máy và kết cấu cơ khí
Trục truyền động chịu moment xoắn thuần túy khi truyền công suất. Moment xoắn tính từ công suất và tốc độ quay:
T = P × 9549 / n
- P: công suất (kW)
- n: tốc độ quay (vòng/phút)
- T: moment xoắn (N·m)
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao dầm chữ I yếu về xoắn?
- Dầm chữ I là tiết diện hở, dòng ứng suất tiếp phải đi vòng quanh chu vi hở thay vì tạo thành vòng kín. Mô men quán tính xoắn của tiết diện hở tỷ lệ với tổng bt³/3 (b và t là chiều rộng và chiều dày tấm), rất nhỏ so với tiết diện kín. Kết quả là tiết diện chữ I có độ cứng xoắn chỉ bằng vài phần trăm tiết diện hộp cùng diện tích.
- Làm thế nào để tăng khả năng chịu xoắn cho dầm bê tông?
- Có thể tăng khả năng chịu xoắn bằng cách: dùng tiết diện hộp kín thay vì tiết diện đặc thông thường, tăng cốt đai kín và cốt dọc góc, hoặc dùng bê tông cường độ cao. Trong thiết kế mới, có thể giảm tải xoắn bằng cách điều chỉnh vị trí gối tựa gần tâm cắt của tiết diện.
- Dầm cầu thang có cần kiểm tra xoắn không?
- Có, dầm biên cầu thang nhất định phải kiểm tra xoắn. Tải trọng bản thang đặt lên dầm biên với cánh tay đòn so với tâm dầm, tạo moment xoắn T. Trong nhiều trường hợp, xoắn là tải trọng kiểm tra quyết định kích thước dầm và lượng cốt thép.