Giáo trình Sức bền vật liệu - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

Bài giảng sức bền vật liệu

Nội dung môn học: Sức bền vật liệu

Kiến thức

cơ bản

Kỹ thuật

Cơ sở

Các Môn chuyên

ngành

Sức bền

vật liệu

Chương 1. Các khái niệm cơ bản

Chương 2. Lý thuyết về nội lực

Chương 3. Kéo nén đúng tâm

Chương 4&5. Trạng thái ứng suất và thuyết bền

Chương 6. Đặc trưng hình học của mặt cắt ngang

Chương 7. Uốn phẳng thanh thẳng

Chương 8. Chuyển vị của dầm chịu uốn

Chương 9. xoắn thuần túy thanh thẳng

Chương 10.Thanh chịu lực phức tạp

Chương 11&12.Ổn định thanh thẳng chịu nén đúng tâm.Uốn ngang uốn dọc đồng thời

Bài tập lớn 10% (mỗi SV làm 01 đề bài gồm 04 sơ đồ theo phân công), Kiểm tra giữa

kỳ 20% .Thí nghiệm 20%,Thi cuối kỳ 50%.(Btập lớn và kiểm tra tiên quyết).

Chú ý điểm cuối kỳ không được nhỏ hơn 3 điểm

Tài liệu tham khảo:

-Đỗ kiến Quốc và các tác giả, NXB Đại học quốc gia Tp.Hồ chí Minh

-Bùi trọng Lựu và các tác giả NXB Đại học và THCN

-Nguyễn y Tô và các tác giả NXB Đại học và THCN

-Lê ngọc Hồng NXB Khoa học kỹ thuật

-Vũ đình Lai và các tác giả NXB Giao thông vận tải

-Phạm ngọc Khánh và các tác giả NXB Xây dựng

-Lê hoàng Tuấn-Bùi công Thành, NXB Đại học Bách KhoaTp.Hồ chí Minh.

Và các tác giả khác

1

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

I.KHÁI NIỆM - ĐỐI TƯỢNG - NHIỆM VỤ VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔN HỌC SỨC

BỀN VẬT LIỆU (SBVL)

Sức bền vật liệu là môn học kỹ thuật cơ sở nghiên cứu sự chịu lực và biến dạng của vật

liệu, từ đó đưa ra phương pháp tính toán độ bền, độ cứng và độ ổn định các bộ phận của

công trình và chi tiết máy, gọi chung là vật thể chịu tác dụng của ngoại lực.

1. Đối tượng của môn học -Hình dạng vật thể được nghiên cứu

SBVL nghiên cứu vật thể thực (công trình, chi tiết máy … ) có biến dạng dưới tác

dụng của các nguyên nhân ngoài,(tải trọng, nhiệt độ, lắp ráp các chi tiết chế tạo không

chính xác…)

Vật thể thực sử dụng trong kỹ thuật được chia ra ba dạng cơ bản:

 Khối:

Có kích thước theo ba phương tương đương: Đê đập, móng máy...

H. 1.2 Vật thể dạng tấm vỏ

H. 1.1 Vật thể dạng khối

 Tấm và vỏ:

Vật thể mỏng có kích thước theo một phương rất

nhỏ so với hai phương còn lại; tấm có dạng phẳng,

vỏ có dạng cong: sàn nhà, mái vỏ.

H. 1.3 Trục thanh và mặt cắt ngang

 Thanh

Vật thể dài có kích thước theo một phương rất lớn so với hai phương còn lại: như thanh

dàn cầu, cột điện, trục máy… SBVL nghiên cứu thanh, và hệ thanh.Thanh được biểu

diễn bằng trục thanh và mặt cắt ngang A vuông góc

với trục thanh (H.1.3).

Trục thanh là quỹ tích của trọng tâm mặt cắt ngang.

a)

Các loại thanh (H.1.4):

+Thanh thẳng, hay cong: có trục thanh thẳng, hay

c)

b)

d)

cong,

Caùc daïng truïc thanh

+Hệ thanh: thanh gãy khúc (phẳng hay không gian)

H. 1.4

2. Nhiệm vụ:

2

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

SBVL là môn học kỹ thuật cơ sở, nghiên cứu tính chất chịu lực của vật liệu, để đưa ra

các phương pháp tính khi vật thể chịu các tác dụng của những nguyên nhân ngoài, nhằm

thoả mãn yêu cầu an toàn và tiết kiệm vật liệu.

 Vật thể làm việc được an toàn khi thỏa được các điều kiện sau:

- Điều kiện bền : không bị phá hoại (nứt gãy, sụp đổ…).trong quá trình chịu lực

- Điều kiện cứng: biến dạng và chuyển vị nằm trong một giới hạn cho phép.

- Điều kiện ổn định : bảo toàn hình thức biến dạng ban đầu.

 Thường, kích thước của vật thể lớn thì khả năng chịu lực cũng tăng và do đó độ an toàn

cũng được nâng cao; tuy nhiên, vật liệu phải dùng nhiều hơn nên nặng nề và tốn kém

hơn. Kiến thức của SBVL giúp giải quyết hợp lý mâu thuẫn giữa yêu cầu an toàn và tiết

kiệm vật liệu.

 Ba bài toán cơ bản của SBVL:

+ Kiểm tra các điều kiện bền, cứng, ổn định.

+ Định kích thước, hình dáng hợp lý của công trình hay chi tiết máy.

+ Định giá trị của các nguyên nhân ngoài (tải trọng, nhiệt độ…) cho phép tác dụng lên

công trình.

3. Đặc điểm:

 SBVL là môn khoa học thực nghiệm: Để đảm bảo sự tin cậy của các phương pháp

tính, môn học kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu thực nghiệm và suy luận lý thuyết.

Nghiên cứu thực nghiệm nhằm phát hiện ra tính chất ứng xử của các vật liệu với các

dạng chịu lực khác nhau, làm cơ sở đề xuất các giả thiết đơn giản hơn để xây dựng lý

thuyết.

Thí nghiệm kiểm tra các lý thuyết tính toán đã xây dựng

Trong nhiều trường hợp, phải làm thí nghiệm trên mô hình công trình thu nhỏ trước

khi xây dựng hoặc thử tải công trình trước khi sử dụng.

 SBVL khảo sát nội lực (lực bên trong vật thể) và biến dạng của vật thể ( Cơ Lý

Thuyết khảo sát cân bằng tỉnh học và chuyển động của vật thể được xem là rắn tuyệt

đối).

 SBVL cũng sữ dụng các kết quả của Cơ Lý Thuyết để xét sự cân bằng giữa các

lực tác dụng lên một bộ phận của công trình hay một chi tiết máy.

II. NGOẠI LỰC- CÁC LOẠI LIÊN KẾT- PHẢN LỰC LIÊN KẾT

1.Ngoại lực

Tải trọng

a) Định nghĩa: Ngoại lực là lực tác động

từ môi trường hoặc vật thể bên ngoài lên vật

thể đang xét.

Ngoại lực bao gồm: Tải trọng và phản lực.

Phản lực

H. 1.5 Tải trọng và phản lực

 Tải trọng: Là những lực chủ động đã biết

trước (vị trí, phương và độ lớn) thường được

quy định bởi các quy phạm thiết kế hoặc tính toán theo kích thước của vật thể.

3

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

 Phản lực: Là những lực thụ động (phụ thuộc vào

tải trọng), phát sinh tại vị trí liên kết vật thể đang xét

với các vật thể khác

q

b) Phân loại

Theo hình thức phân bố: Ngoại lực chia ra

+Lực phân bố:

Tác dụng liên tục trên bề mặt một thể tích, hay một

diện tích của vật thể (trọng lượng bản thân, áp lực

nước lên thành bể...)

h

Lực phân bố thể tích có thứ nguyên là lực/thể tích,

G

hay [Lực/L³].

Lực phân bố diện tích có thứ nguyên là lực/diện

tích, hay [Lực/L²].

H. 1.6 Các loại lực phân bố

Nếu lực phân bố trên một dải hẹp thì thay lực

phân bố diện tích bằng lực phân bố đường với cường

độ lực có thứ nguyên là lực/chiều dài, hay [Lực/L] (H.1.6).

Lực phân bố đường là loại lực thường gặp trong SBVL.Ký hiệu :q(kN/m,N/m…)

Lực phân bố có thể hằng số, hay biến thiên trong miền tác dụng

+Lực tập trung:

Tác dụng tại một điểm của vật thể, thứ nguyên [P].Thực tế, khi diện tích truyền lực bé

có thể coi như lực truyền qua một điểm

+ Mômen (ngẩu lực) có thứ nguyên là lực x chiều dài hay: [P x L]

(Lực tập trung, mômen tập trung là những lực qui ước từ bài toán thực tế đưa về sơ đồ

tính).

c) Theo tính chất tác dụng: Ngoại lực được phân ra

 Tải trọng tĩnh: biến đổi chậm hay không đổi theo thời gian, bỏ qua gia tốc chuyển

động (bỏ qua lực quán tính khi xét cân bằng).Áp lực đất lên tường chắn, trọng lượng của

công trình là các lực tĩnh…

Tải trọng động: lực thay đổi nhanh theo thời gian, gây ra chuyển động có gia tốc lớn

(rung động do một động cơ gây ra, va chạm của búa xuống đầu cọc…).Với lực động thì

cần xét đến sự tham gia của lực quán tính .

2. Liên kết phẳng, phản lực liên kết, và cách xác định

Các loại liên kết phẳng và phản lực liên kết:

Một thanh muốn duy trì hình dạng, vị trí ban đầu khi chịu tác động của ngoại lực thì nó

phải được liên kết với vật thể khác hoặc với đất.

a) Gối di động (hay gọi là liên kết thanh, liên kết đơn):

4

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

Ngăn cản một chuyển vị thẳng và phát sinh một phản lực R theo phương của liên kết

(H.1.7a)

b) Gối cố định (Liên kết khớp, khớp, bản lề):

Ngăn cản chuyển vị thẳng theo phương bất kỳ

và phát sinh phản lực R cũng theo phương

đó.Phản lực R thường được phân tích ra hai

thành phần V và H vuông góc trong mặt phẳng

(H.1.7b), tương đương 2 liên kết đơn

M

H

V

R

V

c) Ngàm:

c)

a)

b)

Ngăn cản tất cả chuyển vị thẳng và chuyển vị

xoay. Phản lực phát sinh trong ngàm gồm ba

H. 1.7 Lieân keát vaø phaûn löïc lieân keát

thành phần V, H và M (H.1.7c), tương đương 3 liên kết đơn .

Cách xác định phản lực:

Giải phóng các liên kết, thay bằng các phản lực tương ứng, các phản lực được xác

định từ điều kiện cân bằng tĩnh học giữa tải trọng và phản lực.

Bài toán phẳng có ba phương trình cân bằng độc lập, được thiết lập ở các dạng khác

nhau như sau:

1.

2.

3.

X  0;

M_A 0;

X  0;

Y  0;

M_O 0 (2 phương X, Y không song song)



M_B 0;

M_C 0 ( 3 điểmA, B, C không thẳng hàng)



M_A 0;

M_B 0 (phương AB không vuông góc với X)



Bài toán không gian có sáu phương trình cân bằng độc lập, thường có dạng:

X  0;

Y  0;

Z  0;

M /  0;

M /  0



Ox

Oy

Oz

Chú ý:

Muốn cố định một thanh trong mặt phẳng cần tối thiểu 3 liên kết tương đương liên kết

đơn, để chống lại 3 chuyển động tự do. Nếu đủ liên kết và bố trí hợp lý 3 phản lực sẽ tìm

được từ 3 phương trình cân bằng tỉnh học. Bài toán được gọi là tĩnh định. Nếu số liên kết

tương đương lớn hơn 3 (pt cân bằng độc lập tuyến tính) gọi là bài toán siêu tỉnh.

III. CÁC DẠNG CHỊU LỰC VÀ BIẾN DẠNG CƠ BẢN - CHUYỂN VỊ

1. Biến dạng của vật thể:

Trong thực tế, sự chịu lực của một thanh có thể phân tích ra các dạng chịu lực cơ bản:

-Thanh bị kéo (nén):Trục thanh sẽ dãn dài (hay co ngắn) (H.1.8a,b). Lực tác dụng đặt

dọc theo chiều trục thanh (có thể song song hoặc trùng trục thanh)

-Thanh bị uốn: Trục thanh sẽ bị cong (H.1.8e) Lực tác dụng vuông góc với trục

thanh.

5

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

-Thanh bị xoắn: Trục thanh

vẫn thẳng nhưng đường sinh

trên bề mặt trở thành đường

xoắn ốc (H1.8.d).Lực tác dụng

nằm trong mặt phẳng vuông góc

với trục thanh.

P

2P

a)

P

c)

Khi chịu cắt, hai phần của

thanh có xu hướng trượt đối với

nhau (H1.8.c).

T₂

T₁

T₂

P

b)

d)

2. Biến dạng của phân tố:

Nếu tưởng tượng tách một

phân tố hình hộp từ một thanh

chịu lực thì sự biến dạng của nó

trong trường hợp tổng quát có

thể phân tích ra hai thành phần

cơ bản:

e)

Hình 1.8 Caùc daïng chòu löïc cô baûn

 Phân tố trên H.1.9a dx chỉ thay đổi chiều dài, không thay đổi góc.

Biến dạng dài tuyệt đối theo phương x : dx.

dx

dx

 

Biến dạng dài tương đối theo phương x :

x

 Phân tố trên H.1.9b chỉ có thay đổi góc, không thay đổi chiều

dài

Biến dạng góc hay góc trượt, ký hiệu là  : Độ thay đổi của

góc vuông ban đầu

3.Chuyển vị:

Khi vật thể bị biến dạng, các điểm trong vật thể nói chung bị

d

dx

a)



thay đổi vị trí. Độ chuyển dời từ vị trí cũ của điểm A sang vị trí

mới A’ được gọi là chuyển vị dài. Góc hợp bởi vị trí của một

đoạn thẳng AC trước và trong khi

b)

H. 1.9 Các biến

dạng cơ bản

biến dạng A’C’của vật thể được gọi là

P₁

P₃

chuyển vị góc (H.1.10).



_C

^C’

A



VI. Các giả thiết

A’

Khi giải bài toán SBVL, người ta chấp nhận một số giả

thiết nhằm đơn giản hoá bài toán nhưng cố gắng đảm bảo sự

chính xác cần thiết phù hợp với yêu cầu thực tế. (Đây là

phương pháp tư duy kỹ thuật)

P₄

P₂

H. 1.10

6

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

1) Giả thiết về vật liệu

 Vật liệu được coi là liên tục, đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính.

Ta tưởng tượng lấy một phân tố bao quanh một điểm trong vật thể. Nếu cho phân tố

bé tùy ý mà vẫn chứa vật liệu thì ta nói vật liệu liên tục tại điểm đó.

Giả thiết về sự liên tục của vật liệu cho phép sử dụng các phép tính của toán giải tích

như giới hạn, vi phân, tích phân....Trong thực tế, ngay cả với vật liệu được coi là hoàn

hảo nhất như kim loại thì cũng có cấu trúc không liên tục.

 Vật liệu đồng nhất :

Tính chất cơ học tại mọi điểm trong vật thể là như nhau.

 Vật liệu đẳng hướng :

Lực

Tính chất cơ học tại một điểm theo các phương đều như

nhau.

H. 1.11 Đàn hồi tuyến tính

 Tính chất đàn hồi của vật thể là khả năng khôi phục lại

hình dạng ban đầu của nó khi ngoại lực thôi tác dụng.

Nếu quan hệ giữa ngoại lực và biến dạng là bậc nhất, thì vật liệu được gọi là đàn hồi

tuyến tính (H.1.11).

Giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính làm giảm bớt sự phức tạp của bài toán SBVL.

2) Giả thiết về sơ đồ tính

Khi tính toán, người ta thay vật thể thực bằng sơ đồ tính (H1.12).

q

a)

b)

H. 1.12 Sơ đồ tính

3) Giả thiết về biến dạng và chuyển vị

Vật thể có biến dạng và chuyển vị bé so với kích thước ban đầu của vật  Có thể

khảo sát vật thể hoặc các bộ phận của nó trên hình dạng ban đầu (tính trên sơ đồ không

biến dạng của vật thể).

Giả thiết này xuất phát điều kiện biến dạng và chuyển vị lớn nhất trong vật thể phải

nằm trong một giới hạn tương đối nhỏ.

Hệ quả:

Khi vật thể có chuyển vị bé và vật liệu đàn hồi tuyến tính thì có thể áp dụng nguyên lý

cộng tác dụng như sau:

Một đại lượng do nhiều nguyên nhân đồng thời gây ra sẽ bằng tổng đại lượng đó do từng

nguyên nhân gây ra riêng lẻ. (H.1.13)

7

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Bài giảng sức bền vật liệu

P

B

A

B

y^B(P2)

A

y^B(P1)

y^B(P1+P2)

Hình b

Hình c

Hình a

Chuyển vị y tại đầu thanh B do lực P₁và P₂gây ra có thể phân tích như sau:

P ,P₂ y₁

₁ y ₂

y



P



P

1

Nguyên lý cộng tác dụng biến bài toán phức tạp thành các bài toán đơn giản dễ giải

quyết hơn. Vì vậy, thường được sữ dụng trong SBVL.

8

Chương 1 : Những khái niệm cơ bản

GV:Lê đức Thanh (cập nhật 06/2015)

Giáo trình Sức bền vật liệu - Chương 1: Những khái niệm cơ bản - Lê Đức Thanh