Ứng suất là gì?
Ứng suất (stress) là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích mặt cắt của vật liệu. Công thức cơ bản:
sigma = F / A
Trong đó: F là lực tác dụng (Newton, N); A là điện tích mặt cắt (m2); sigma có đơn vị N/m2 = Pascal (Pa). Trong kỹ thuật xây dựng thường dùng MPa (1 MPa = 1 N/mm2) hoặc kPa.
Có ba dạng ứng suất chính: nền (compressive), keo (tensile) và cat (shear). Ứng suất đường (+) là keo, âm (-) là nền theo quy uoc thông thường trong cơ học vật liệu.
Biến dạng là gì?
Biến dạng (strain) là mức độ thay đổi kích thước tường đổi của vật liệu dưới tác động của luc. Công thức:
epsilon = DeltaL / L
DeltaL là sự thay đổi chiều dài (m); L là chiều dài bản đầu (m). Biến dạng là dài lượng không có đơn vị (hoặc tính bảng phân tram, mm/mm). Vi đủ: biến dạng keo epsilon = 0.002 có nghĩa là vật liệu dan dài thêm 0.2% chiều dài bản đầu.
Định luat Hooke và vùng đàn hồi
Trong vùng biến dạng đàn hồi (elastic range), ứng suất và biến dạng ty le tuyen tính với nhau theo Định luat Hooke:
sigma = E × epsilon
E là moden Young (Young’s modulus) hoặc moden đàn hồi, đơn vị Pa hoặc GPa. E thể hiện độ cung của vật liệu — E cang cao, vật liệu cang cung, biến dạng ít hơn dưới cung một ứng suất.
Giá trị E tham khảo một số vật liệu xây dựng phổ biến:
- Thép xây dựng: E = 200–210 GPa
- Nhóm: E = 69–70 GPa
- Bê tông thường: E = 20–35 GPa (phụ thuộc cấp độ)
- Gỗ: E = 10–15 GPa (theo chiều thot)
- Gach xây: E = 1–5 GPa
Độ thi sigma-epsilon: phân tích tung vùng
Độ thi quan hệ ứng suất – biến dạng (stress-strain curve) cho biệt toàn bộ hành vi của vật liệu từ luc bắt đầu chịu tải đến khí nut. Các diem/vùng quan trọng:
Vùng đàn hồi – OA (Elastic Zone)
Từ góc Ở đến diem A (giới hạn đàn hồi), độ thi là đường thang. Neu bộ tải trọng, vật liệu trợ về hình dạng bản đầu. Đây là vùng làm việc an toàn của kết cấu — thiết kế thường yêu cầu ứng suất làm việc năm trong vùng nay.
Giới hạn chảy (Yield Point)
Sau diem A, vật liệu bắt đầu biến dạng deo (plastic deformation) — biến dạng tầng manh ma ứng suất tầng ít hoặc không tầng. Thép xây dựng CB300 có giới hạn chảy fy = 300 MPa; thép CB400: fy = 400 MPa. Sau khi quá giới hạn chảy, neu bộ tải trọng, vật liệu không trợ về hình dạng bản đầu mà còn biến dạng đủ.
Giới hạn bền – UTS (Ultimate Tensile Strength)
Diem ứng suất cao nhất trên độ thi. Sau UTS, vật liệu thứ hep cuc bộ (necking) và Sức chịu tải giảm dẫn đến khí dut gay. Thép CB300 có UTS khoảng 450–500 MPa.
Diem gay nut (Fracture Point)
Vật liệu gay hoàn toàn. Biến dạng tại diem gay thể hiện độ dẻo của vật liệu.
Vật liệu deo và vật liệu gion
Vật liệu deo (Ductile Materials)
Vùng deo (plastic zone) keo dài ro răng sau giới hạn chảy trước khi nut. Vi đủ: thép xây dựng, đồng, nhóm, một số hợp kim. Biến dạng trước khi nut có thể đất 10–25%. Đây là tính chất rất quan trọng trong xây dựng — công trình có “canh bao” trước khi sup độ (dầm, cốt thép biến dạng ro răng trước khi mặt on định).
Vật liệu gion (Brittle Materials)
Nut đột ngột gan nhu không có biến dạng deo trước. Vi đủ: bê tông (keo), gach, đã, keo, gồm sự. Bê tông có biến dạng nut keo chỉ khoảng 0.01–0.02%. Đây là lý độ bê tông cần cốt thép (để but deo) trong kết cấu chịu kéo và uon.
Hệ số Poisson và moden cat
Ngoài moden Young, có hai hang số đàn hồi quan trọng khác:
- Hệ số Poisson (nu): ty le biến dạng ngang / biến dạng doc. Thép: nu = 0.3; bê tông: nu = 0.2. Khí keo doc, vật liệu co lại ngang.
- Moden cat (G): liên hệ giữa ứng suất cat và biến dạng truot. G = E / [2(1+nu)]. Thép: G ≈ 80 GPa.
Ứng dụng trong thiết kế kết cấu
Hiểu rõ mới quan hệ ứng suất – biến dạng giúp kỹ sư:
- Kiểm tra xem kết cấu có dạng làm việc trong vùng đàn hồi hay đã vượt giới hạn chảy (phương pháp thiết kế theo trắng thải giới hạn).
- Tính toán độ võng của dầm, độ lech của cot.
- Lựa chọn vật liệu phù hợp: kết cấu cần hấp thụ năng lượng và trong (trụ kháng chấn) nền dùng vật liệu deo; kết cấu cách âm, cách nhiệt có thể dùng vật liệu gion hơn.
- Phân tích hong hu non (fatigue failure) khí kết cấu chịu tải trọng lắp đi lắp lại theo thời gian.
Kết luận
Định luat Hooke mỏ ta mới quan hệ tuyen tính giữa ứng suất và biến dạng trong vùng đàn hồi — nền tầng lý thuyet của mới tính toán kết cấu. Hiểu rõ độ thi sigma-epsilon và sự khác biệt giữa vật liệu deo và gion là kiến thực cơ bản giúp lựa chọn vật liệu xây dựng dùng mức dịch, dầm bao an toàn và kính tế cho công trình.