Giáo trình môn Sức bền vật liệu PDF

Chỉ xem 5 trang đầu, hãy download Miễn Phí về để xem toàn bộ

TRƯỜNG TRUNG CẤP CẦU ĐƯỜNG VÀ DẠY NGHỀ
KHOA CẦU ĐƯỜNG
— — — —
BÀI GIẢNG
MÔN HỌC : SỨC BỀN VẬT LIỆU
Giáo viên
:
Nguyễn Phú Bình
Bộ môn
:
Cơ sở
Hệ đào tạo
:
Trung cấp Cầu đường
Thời gian
:
24 tháng
Số tiết
:
40 tiết
Chương 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SỨC BỀN VẬT LIỆU
Sức bền vật liệu là một môn học nghiên cứu các phương pháp tính toán về độ bền,
độ cứng và độ ổn định của các bộ phận công trình hay chi tiết máy dưới tác dụng của
ngoại lực, sự thay đổi nhiệt độ…
Ở môn học Cơ học lý thuyết, ta mới xét sự cân bằng của vật thể (xem là rắn tuyệt
đối) dưới tác dụng của hệ lực phẳng. Nhưng thực tế,các vật thể mà ta khảo sát, nghiên cứu
đều là vật rắn thực, điều đó bắt buộc ta phải xét đến sự biến dạng của vật thể trong quá
trình chịu tác dụng của hệ lực (bên ngoài). Trong phạm vi môn học này, sẽ giới thiệu một
số khái niệm cơ bản về ngoại lực, nội lực… và các giả thiết nhằm đơn giản cho việc nghiên
cứu và tính toán.
1.1. Những khái niệm cơ bản về ngoại lực, nội lực, ứng suất, biến dạng
1.1.1. Các giả thiết đối với vật
liệu
Môn học Sức bền vật liệu, đối tượng mà ta nghiên cứu
khảo sát vật rắn thực: đó là một thanh, một cấu kiện hay một bộ
phận công trình nào đó. Thường hình dạng của vật rắn thực
được nghiên cứu có dạng thanh thẳng, thanh cong hoặc thanh
ất kỳ (hình 1.1). Vật liệu cấu tạo nên thanh có thể là thép,
gang… Tuy vậy, khi nghiên cứu nếu xét đến mọi tính chất thực
của vật thể sẽ phức tạp, do đó để đơn giản chúng ta chỉ những
tính chất cơ bản và lược bỏ đi những tính chất
thứ yếu không
có ảnh hưởng lớn đến kết quả nghiên cứu và tính toán. Muốn
vậy, chúng ta phải đề ra các giả thiết cơ bản, nêu lên một số
H×nh 1.1
tính chất chung cho vật liệu. Các giả thuyết về vật liệu là:
a) Giả thiết 1: Vật liệu có tính liên tục, đồng chất và đẳng hướng.
Một vật liệu được xem là liên tục và đồng chất khi trong thể tích của vật thể đều có
vật liệu (hoàn toàn không có khe hở) và tính chất của vật liệu ở mọi điểm trong vật thể đều
như nhau.
Tính đẳng hướng của vật liệu nghĩa là tính chất của vật liệu theo mọi phương đều
như nhau. Giả thiết này phù hợp với thép, đồng còn với gạch, đá, gỗ thì không hoàn toàn
phù hợp.
) Giả thiết 2: Giả thuyết vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi và tính đàn hồi của vật
liệu xem là đàn hồi tuyệt đối.
Trong thực tế, dù lực bé đến đâu, vật liệu cũng không có tính đàn hồi tuyệt đối.
Song qua thực nghiệm cho thấy: khi lực chưa vượt quá một giới hạn nhất định thì biến
dạng dư
trong vật thể là bé nên có thể bỏ qua được và biến dạng của vật thể được xem là
tỷ lệ thuận với lực gây ra biến dạng đó. Giả thuyết này chính là nội dung định luật Húc.
Thực tế giả thuyết này chỉ phù hợp với vật liệu là thép, đồng…
c) Giả thiết 3: Biến dạng của vật thể do ngoại lực gây ra được xem là bé.
Giả thiết này thừa nhận được vì trong thực tế biến dạng của vật thể so với kích
thước của chúng nói chung là rất nhỏ. Từ giả thiết 3 này, trong quá trình chịu lực, trong
nhiều trường hợp, ta có thể xem điểm đặt của ngoại lực là không thay đổi khi vật thể bị
iến dạng.
1.1.2. Các khái niệm về ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắt
a) Ngoại lực: Ngoại lực là lực tác động từ
những vật thể khác hoặc môi trường xung quanh
P
m
T¶i träng
q
lên vật thể đang xét.
Ngoại lực bao gồm: Lực tác động (còn gọi
là tải trọng) và phản lực liên kết (xem hình 1.2).
Có thể phân loại ngoại lực theo nhiều cách, ở đây
ta phân loại ngoại lực theo hai cách:
– Theo cách tác dụng của các ngoại lực: có
thể chia ngoại lực thành hai loại: tập trung và lực
Ph¶n lùc
H×nh 1.2 P
M«men tËp trung m Lùc tËp trung
phân bố.
+ Lực tập trung: là lực tác dụng lên vật thể
trên một diện tích truyền lực rất bé so với kích
H×nh 1.3
thước của vật thể, nên ta coi như một điểm trên
vật.
q=const
Ví dụ: Áp lực của bánh xe lửa trên đường
ay là một lực tập trung. Lực tập trung có thể là
a)
lực đơn vị Niutơn (N), hoặc ngẫu lực (hay
mômen tập trung), đơn vị của mômen tập trung là
q=f(z)
Niutơn mét (Nm).
Cách biểu diễn lực tập trung và mômen tập trung
(xem hình 1.3).
)
H×nh 1.4
+ Lực phân bố: là lực tác dụng liên tục trên một đoạn dài hay trên một diện tích
truyền lực nhất định trên vật thể.
Ví dụ: Áp lực gió lên tường biên của nhà là phân bố theo diện tích. Lực phân bố
theo chiều dài có đơn vị N/m. Lực phân bố theo diện tích có đơn vị N/m2. Lực phân bố có
trị số bằng nhau tại mọi điểm (được gọi là lực phân bố đều – hình 1.4a) hoặc không bằng
nhau (được gọi là lực phân bố không đều) (hình 1. 4b).
– Theo tính chất tác dụng (về thời gian) của tải trọng có thể chia ngoại lực thành hai
loại: tải trọng tĩnh và tải trọng động.
+ Tải trọng tĩnh là tải trọng khi tác dụng lên vật thể có trị số tăng dần từ không đến
một giá trị nhất định và sau đó không thay đổi (hoặc thay đổi rất ít).
Ví dụ: Trọng lượng của mái nhà, áp lực của nước lên thành bể.
+Tải trọng động là loại tải trọng, hoặc có giá trị thay đổi trong thời gian rất ngắn từ
giá trị không đến giá trị cuối cùng hoặc làm cho vật thể bị dao động.
Ví dụ: Lực của búa máy đóng vào đầu cọc, động đất…
) Nội lực:
Trong một vật thể giữa các phân tử có các lực liên kết để giữ cho vật thể có hình
dạng nhất định. Khi ngoại lực tác dụng, các lực liên kết đó sẽ tăng lên để chống lại sự biến
dạng do ngoại lực gây ra. Độ tăng đó của lực liên kết được gọi là nội lực.
Như vậy, nội lực chỉ xuất hiện khi có ngoại lực đó. Nhưng do tính chất cơ học của
vật liệu, nội lực chỉ tăng đến một trị số nhất định nếu ngoại lực tăng quá lớn, nội lực không
tăng được nữa, lúc này vật liệu bị biến dạng quá mức và bị phá hỏng. Vì vậy, việc xác định
nội lực phát sinh trong vật thể khi chịu tác dụng của ngoại lực là một vấn đề cơ bản của
SBVL.
c) Phương pháp mặt cắt:
Giả sử có một vật thể cân bằng dưới tác dụng ngoại lực, tưởng tượng dùng một mặt
phẳng cắt vật thể đó ra hai phần A và B (hình 1.5a).
Giả sử bỏ đi phần B, giữ lại phần A để xét. Rõ ràng để phần A được cân bằng, thì
trên mặt cắt phải có hệ lực phân bố. Hệ lực này chính là những nội lực cần tìm (hình 1.5b).

TRƯỜNG TRUNG CẤP CẦU ĐƯỜNG VÀ DẠY NGHỀKHOA CẦU ĐƯỜNG— — — —BÀI GIẢNGMÔN HỌC : SỨC BỀN VẬT LIỆUGiáo viênNguyễn Phú BìnhBộ mônCơ sởHệ đào tạoTrung cấp Cầu đườngThời gian24 thángSố tiết40 tiếtChương 1NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SỨC BỀN VẬT LIỆUSức bền vật liệu là một môn học nghiên cứu các phương pháp tính toán về độ bền,độ cứng và độ ổn định của các bộ phận công trình hay chi tiết máy dưới tác dụng củangoại lực, sự thay đổi nhiệt độ…Ở môn học Cơ học lý thuyết, ta mới xét sự cân bằng của vật thể (xem là rắn tuyệtđối) dưới tác dụng của hệ lực phẳng. Nhưng thực tế,các vật thể mà ta khảo sát, nghiên cứuđều là vật rắn thực, điều đó bắt buộc ta phải xét đến sự biến dạng của vật thể trong quátrình chịu tác dụng của hệ lực (bên ngoài). Trong phạm vi môn học này, sẽ giới thiệu mộtsố khái niệm cơ bản về ngoại lực, nội lực… và các giả thiết nhằm đơn giản cho việc nghiêncứu và tính toán.1.1. Những khái niệm cơ bản về ngoại lực, nội lực, ứng suất, biến dạng1.1.1. Các giả thiết đối với vậtliệuMôn học Sức bền vật liệu, đối tượng mà ta nghiên cứukhảo sát vật rắn thực: đó là một thanh, một cấu kiện hay một bộphận công trình nào đó. Thường hình dạng của vật rắn thựcđược nghiên cứu có dạng thanh thẳng, thanh cong hoặc thanhất kỳ (hình 1.1). Vật liệu cấu tạo nên thanh có thể là thép,gang… Tuy vậy, khi nghiên cứu nếu xét đến mọi tính chất thựccủa vật thể sẽ phức tạp, do đó để đơn giản chúng ta chỉ nhữngtính chất cơ bản và lược bỏ đi những tính chấtthứ yếu khôngcó ảnh hưởng lớn đến kết quả nghiên cứu và tính toán. Muốnvậy, chúng ta phải đề ra các giả thiết cơ bản, nêu lên một sốH×nh 1.1tính chất chung cho vật liệu. Các giả thuyết về vật liệu là:a) Giả thiết 1: Vật liệu có tính liên tục, đồng chất và đẳng hướng.Một vật liệu được xem là liên tục và đồng chất khi trong thể tích của vật thể đều cóvật liệu (hoàn toàn không có khe hở) và tính chất của vật liệu ở mọi điểm trong vật thể đềunhư nhau.Tính đẳng hướng của vật liệu nghĩa là tính chất của vật liệu theo mọi phương đềunhư nhau. Giả thiết này phù hợp với thép, đồng còn với gạch, đá, gỗ thì không hoàn toànphù hợp.) Giả thiết 2: Giả thuyết vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi và tính đàn hồi của vậtliệu xem là đàn hồi tuyệt đối.Trong thực tế, dù lực bé đến đâu, vật liệu cũng không có tính đàn hồi tuyệt đối.Song qua thực nghiệm cho thấy: khi lực chưa vượt quá một giới hạn nhất định thì biếndạng dưtrong vật thể là bé nên có thể bỏ qua được và biến dạng của vật thể được xem làtỷ lệ thuận với lực gây ra biến dạng đó. Giả thuyết này chính là nội dung định luật Húc.Thực tế giả thuyết này chỉ phù hợp với vật liệu là thép, đồng…c) Giả thiết 3: Biến dạng của vật thể do ngoại lực gây ra được xem là bé.Giả thiết này thừa nhận được vì trong thực tế biến dạng của vật thể so với kíchthước của chúng nói chung là rất nhỏ. Từ giả thiết 3 này, trong quá trình chịu lực, trongnhiều trường hợp, ta có thể xem điểm đặt của ngoại lực là không thay đổi khi vật thể bịiến dạng.1.1.2. Các khái niệm về ngoại lực, nội lực, phương pháp mặt cắta) Ngoại lực: Ngoại lực là lực tác động từnhững vật thể khác hoặc môi trường xung quanhT¶i tränglên vật thể đang xét.Ngoại lực bao gồm: Lực tác động (còn gọilà tải trọng) và phản lực liên kết (xem hình 1.2).Có thể phân loại ngoại lực theo nhiều cách, ở đâyta phân loại ngoại lực theo hai cách:- Theo cách tác dụng của các ngoại lực: cóthể chia ngoại lực thành hai loại: tập trung và lựcPh¶n lùcH×nh 1.2 PM«men tËp trung m Lùc tËp trungphân bố.+ Lực tập trung: là lực tác dụng lên vật thểtrên một diện tích truyền lực rất bé so với kíchH×nh 1.3thước của vật thể, nên ta coi như một điểm trênvật.q=constVí dụ: Áp lực của bánh xe lửa trên đườngay là một lực tập trung. Lực tập trung có thể làa)lực đơn vị Niutơn (N), hoặc ngẫu lực (haymômen tập trung), đơn vị của mômen tập trung làq=f(z)Niutơn mét (Nm).Cách biểu diễn lực tập trung và mômen tập trung(xem hình 1.3).H×nh 1.4+ Lực phân bố: là lực tác dụng liên tục trên một đoạn dài hay trên một diện tíchtruyền lực nhất định trên vật thể.Ví dụ: Áp lực gió lên tường biên của nhà là phân bố theo diện tích. Lực phân bốtheo chiều dài có đơn vị N/m. Lực phân bố theo diện tích có đơn vị N/m2. Lực phân bố cótrị số bằng nhau tại mọi điểm (được gọi là lực phân bố đều – hình 1.4a) hoặc không bằngnhau (được gọi là lực phân bố không đều) (hình 1. 4b).- Theo tính chất tác dụng (về thời gian) của tải trọng có thể chia ngoại lực thành hailoại: tải trọng tĩnh và tải trọng động.+ Tải trọng tĩnh là tải trọng khi tác dụng lên vật thể có trị số tăng dần từ không đếnmột giá trị nhất định và sau đó không thay đổi (hoặc thay đổi rất ít).Ví dụ: Trọng lượng của mái nhà, áp lực của nước lên thành bể.+Tải trọng động là loại tải trọng, hoặc có giá trị thay đổi trong thời gian rất ngắn từgiá trị không đến giá trị cuối cùng hoặc làm cho vật thể bị dao động.Ví dụ: Lực của búa máy đóng vào đầu cọc, động đất…) Nội lực:Trong một vật thể giữa các phân tử có các lực liên kết để giữ cho vật thể có hìnhdạng nhất định. Khi ngoại lực tác dụng, các lực liên kết đó sẽ tăng lên để chống lại sự biếndạng do ngoại lực gây ra. Độ tăng đó của lực liên kết được gọi là nội lực.Như vậy, nội lực chỉ xuất hiện khi có ngoại lực đó. Nhưng do tính chất cơ học củavật liệu, nội lực chỉ tăng đến một trị số nhất định nếu ngoại lực tăng quá lớn, nội lực khôngtăng được nữa, lúc này vật liệu bị biến dạng quá mức và bị phá hỏng. Vì vậy, việc xác địnhnội lực phát sinh trong vật thể khi chịu tác dụng của ngoại lực là một vấn đề cơ bản củaSBVL.c) Phương pháp mặt cắt:Giả sử có một vật thể cân bằng dưới tác dụng ngoại lực, tưởng tượng dùng một mặtphẳng cắt vật thể đó ra hai phần A và B (hình 1.5a).Giả sử bỏ đi phần B, giữ lại phần A để xét. Rõ ràng để phần A được cân bằng, thìtrên mặt cắt phải có hệ lực phân bố. Hệ lực này chính là những nội lực cần tìm (hình 1.5b).

Source: https://suanha.org
Category : Vật Liệu