Ứng suất nén là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Ứng suất nén là nội lực phát sinh trong vật liệu khi hai bề mặt chịu tác dụng lực ép đối xứng, biểu diễn lực ép phân bố trên một đơn vị diện tích. Đơn vị đo thường là Pascal (Pa) hoặc Megapascal (MPa), xác định bằng tỷ số giữa lực nén F (N) và diện tích chịu lực A (m²) qua công thức σₙ = F/A.

Định nghĩa ứng suất nén

Ứng suất nén (compressive stress) là nội lực phát sinh trong vật liệu khi hai bề mặt đối diện chịu tác dụng lực ép dồn vào nhau. Ứng suất này biểu diễn lực ép phân bố trên một đơn vị diện tích, thường đo bằng Pascal (Pa) hoặc Megapascal (MPa). Khi ứng suất nén vượt quá khả năng chịu tải của vật liệu, hiện tượng gãy nén hoặc mất ổn định (buckling) có thể xảy ra.

Công thức cơ bản xác định ứng suất nén tại tiết diện ngang A khi lực F tác dụng dọc trục là:

σc=FA \sigma_c = \frac{F}{A}

Trong đó: σc là ứng suất nén, F là lực nén tính theo N, A là diện tích chịu lực tính theo m2. Giá trị σc dương biểu thị trạng thái nén, ngược với ứng suất kéo (tensile stress).

Cơ sở lý thuyết và phương trình cân bằng

Phân tích ứng suất nén bắt đầu từ cân bằng nội lực trên phần tử cơ bản. Xét một thanh thẳng chịu tải trục, nội lực phân bố qua chiều dài phải thỏa mãn điều kiện cân bằng:

dN(x)dx+q(x)=0 \frac{dN(x)}{dx} + q(x) = 0

Trong đó:

  • N(x) là nội lực trục (axial force) biến thiên theo vị trí x (N).
  • q(x) là tải phân bố dọc thanh (N/m).
Công thức này cho phép xác định N(x) và từ đó tính ứng suất nén σc(x)=N(x)/A cho mọi tiết diện.

Trong mô hình đàn hồi nhỏ biến dạng, phương trình cân bằng kết hợp với điều kiện ràng buộc về biến dạng và tính chất vật liệu dẫn đến hệ phương trình vi phân cho thanh nén, mở rộng cho trường hợp có tải ngang hoặc moment uốn kết hợp.

Mối quan hệ ứng suất – biến dạng

Trong giai đoạn đàn hồi, ứng suất nén và biến dạng nén tỉ lệ thuận theo định luật Hooke:

σc=Eεc \sigma_c = E\,\varepsilon_c

Trong đó:

  • E là mô đun đàn hồi (Young’s modulus) của vật liệu (Pa).
  • εc là biến dạng nén (dimensionless), tính bằng lượng biến dạng trên chiều dài ban đầu.
Giai đoạn này kết thúc tại giới hạn đàn hồi σy, sau đó vật liệu bước vào vùng dẻo (ductile) hoặc giòn (brittle) tùy tính chất.

Biểu đồ ứng suất – biến dạng điển hình cho bê tông và thép:

Vật liệu Hình dạng đồ thị σ–ε Đặc trưng
Thép kết cấu Đường cong có vùng dẻo rõ Giới hạn đàn hồi và kéo dài cao
Bê tông Đường cong giòn, đỉnh nhọn Giới hạn nén cao nhưng giòn

Dữ liệu thực nghiệm này hỗ trợ kỹ sư lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu phù hợp với ứng suất thực tế.

Tiêu chuẩn phá hoại và giới hạn chịu nén

Giới hạn chịu nén (compressive strength) là ứng suất nén lớn nhất mà mẫu thí nghiệm chịu được trước khi mất ổn định hoặc gãy. Việc xác định tiêu chuẩn phá hoại dựa trên thử nghiệm nén mẫu chuẩn (thường là trụ hoặc hình khối) theo các tiêu chuẩn quốc tế:

  • ASTM C39: thử nghiệm nén bê tông cốt thép.
  • ASTM E9: thử nghiệm nén kim loại.
  • ISO 1920-4: thử nghiệm nén bê tông.

Quá trình thí nghiệm bao gồm giai đoạn đặt mẫu vào máy nén, tăng lực với tốc độ quy định (ví dụ 0,25 MPa/s), ghi nhận lực và biến dạng đến khi mẫu phá hoại. Kết quả là giá trị σc,ult (ultimate compressive strength) và σc,el (elastic limit).

Tiêu chuẩn Mẫu Tốc độ tải
ASTM C39 Trụ Ø150×300 mm 0,25 MPa/s
ASTM E9 Trụ Ø12,5×25 mm 0,005–0,05 mm/s

Giới hạn chịu nén là thông số cơ bản trong việc tính toán kích thước tiết diện, thiết kế cột, tường chịu nén và nền móng, đảm bảo độ an toàn và độ bền của kết cấu.

Phương pháp đo và thí nghiệm

Thí nghiệm nén mẫu chuẩn là phương pháp phổ biến để xác định ứng suất nén và đặc tính biến dạng. Mẫu thường có hình trụ hoặc khối lập phương, được gia công chính xác để đảm bảo tiết diện chịu lực đồng nhất. Thiết bị nén thủy lực hoặc điện thủy lực tạo lực ép trục tăng dần, kết hợp đầu đo strain gauge hoặc máy quét quang học để ghi lại biến dạng theo thời gian thực.

Trong thí nghiệm, lực nén được tăng đều với tốc độ quy định, ví dụ 0,25 MPa/s đối với bê tông (ASTM C39) hoặc 0,005–0,05 mm/s đối với kim loại (ASTM E9). Dữ liệu lực và biến dạng được đồng bộ ghi lại, cho phép vẽ đồ thị ứng suất – biến dạng. Từ đồ thị này, các thông số như mô đun đàn hồi, giới hạn đàn hồi, và giới hạn bền nén được xác định.

Thử nghiệm nén lệch tâm (eccentric loading) và nén uốn kết hợp (compression–bending test) mô phỏng điều kiện thực tế khi chi tiết chịu tải không hoàn toàn trục tâm. Trong trường hợp này, lực nén tác dụng lệch tâm tạo moment uốn, dẫn đến phân bố ứng suất phức tạp hơn theo tiết diện và thường giảm đáng kể khả năng chịu nén so với tải trục thuần túy.

Ứng dụng trong thiết kế kết cấu

Ứng suất nén là yếu tố chủ chốt trong thiết kế cột, dầm chịu nén và tường chịu lực. Khi thiết kế cột, kỹ sư phải tính toán tiết diện sao cho ứng suất nén tạo ra không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu, đồng thời đảm bảo hệ số an toàn phù hợp. Trong bê tông cốt thép, tiết diện cột thường bao gồm lõi bê tông chịu nén và thép cốt chịu kéo, phân tích phối trí cốt thép để tối ưu khả năng chịu nén và bền uốn.

Đối với kết cấu móng và tường chắn, ứng suất nén xuyên qua móng phải được phân bố đều xuống nền đất, tránh tập trung tải gây lún cục bộ. Việc tính toán tải trọng cho phép (bearing capacity) dựa trên ứng suất nén tối đa truyền xuống đất nền, kết hợp hệ số an toàn và kiểm tra chuyển vị, nén lún theo tiêu chuẩn móng cọc hoặc móng băng.

Trong thiết kế tường chắn đất, ứng suất nén hình thành trên bề mặt tường và tại móng phải được kiểm tra để tránh lún lệch và lật đổ. Công thức Rankine và Coulomb sử dụng ứng suất tính toán phẳng, trong khi phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho phép mô phỏng chi tiết sự phân bố ứng suất và biến dạng trong toàn bộ kết cấu.

Yếu tố ảnh hưởng

  • Hình học tiết diện: Tiết diện mỏng, nhỏ dễ chịu tập trung ứng suất cao, dẫn đến nguy cơ mất ổn định và gãy sớm.
  • Tính chất vật liệu: Vật liệu giòn (bê tông, gạch) có giới hạn bền nén cao nhưng biến dạng rất nhỏ, dễ nứt gãy; vật liệu dẻo (thép, nhôm) có biến dạng lớn sau giới hạn đàn hồi.
  • Điều kiện nhiệt độ và độ ẩm: Nhiệt độ cao làm giảm mô đun đàn hồi và giới hạn bền, trong khi độ ẩm cao dễ gây ăn mòn kim loại, ảnh hưởng đến tính năng nén.
  • Khuyết tật ban đầu: Vết nứt, lỗ rỗng, khiếm khuyết gia công hay mối hàn đều tập trung ứng suất, giảm khả năng chịu nén đáng kể.

Sự kết hợp các yếu tố này trong môi trường thực tế đòi hỏi phương pháp kiểm định vật liệu và khảo sát hiện trường trước khi thiết kế và thi công để đảm bảo độ tin cậy và độ bền công trình.

Phân tích ổn định (buckling)

Khi thanh chịu nén có tỉ lệ chiều dài so với tiết diện lớn, nguy cơ mất ổn định (buckling) xảy ra trước khi vật liệu đạt giới hạn bền nén thuần túy. Lực tới hạn Euler cho thanh cột dài và mảnh được tính bằng:

Fcr=π2EI(KL)2 F_\text{cr} = \frac{\pi^2 E I}{(K L)^2}

Trong đó E là mô đun đàn hồi, I là mô men quán tính tiết diện, L là chiều dài, và K là hệ số gối tựa phụ thuộc điều kiện biên (1, 0.7, 2, 2.046 cho các trường hợp cố định–tự do, cố định–cố định, tự do–tự do, cố định–cần).

Đối với cột ngắn hoặc trung bình, phân tích ổn định cần kết hợp biến dạng dẻo và hiệu ứng P–∆ (giảm độ cứng do biến dạng ngang). Phương pháp Perry–Robertson và phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến là công cụ tiên tiến để xác định tải tới hạn thực tế, đảm bảo thiết kế không bị gãy do mất ổn định.

Tài liệu tham khảo

  1. ASTM International. “Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens” (ASTM C39). astm.org/Standards/C39.htm
  2. ASTM International. “Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials” (ASTM E9). astm.org/Standards/E9.htm
  3. Beer, F. P., Johnston, E. R., & DeWolf, J. T. (2015). Mechanics of Materials. McGraw-Hill Education.
  4. Gere, J. M., & Timoshenko, S. P. (1997). Mechanics of Materials. PWS Publishing.
  5. FEMA. “Structural Load Guidelines.” fema.gov/emergency-managers/risk-management/building-science-guidance
  6. ISO. “Concrete — Specification, Performance, Production and Conformity — Part 4: Production Control.” (ISO 1920-4). iso.org/standard/59512.html
  7. Salmon, C. G., Johnson, J. E., & Malhas, F. A. (1998). Structural Design in Steel. Thames & Hudson.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề ứng suất nén:

Những sự cố thường gặp khi thi công cọc bê tông ly tâm ứng suất trước bằng máy ép robot
TẠP CHÍ VẬT LIỆU & XÂY DỰNG - Số 04 - Trang Trang 151 - Trang 155 - 2021
Bài báo giới thiệu về các sự cố thường xẩy ra trong quá trình thi công ép cọc bê tông ly tâm ứng suất trước bằng máy ép Robot, đặc biệt thi công ép cọc trên nền đất yếu. Các giải pháp để hạn chế sự cố và một số khuyến nghị khi lựa chọn cọc bê tông ly tâm ứng suất trước làm móng công trình.
#Thi công ép cọc #Các sự cố khi ép cọc #Cọc bê tông ly tâm #Cọc ứng suất trước #Nền đất yếu
Hiện trạng chăn nuôi dê tại tỉnh Đắk Lắk và ảnh hưởng của việc bổ sung Saccharomyces Cerevisiae đến năng suất, chất lượng sữa của dê lai Saanen
Tạp chí Khoa học Tây Nguyên - Tập 17 Số 62 - Trang - 2023
Nghiên cứu được tiến hành tại 3 huyện của tỉnh Đắk Lắk để điều tra về hiện trạng chăn nuôi dê và tại trang trại sữa dê Ban Mê để đánh giá ảnh hưởng của việc bổ sung saccharomyces cerevisiae đến năng suất, chất lượng sữa và thu nhận thức ăn của dê lai Saanen. Kết quả cho thấy: Tỷ lệ tăng đàn dê của tỉnh năm 2022 so với năm 2021 là 7,85%. Quy mô chăn nuôi nhỏ lẻ (5 - 10 con) chiếm 45,93%. Các nông...... hiện toàn bộ
#ảnh hưởng #năng suất sữa #chất lượng sữa #dê Saanen lai
Các đặc tính biến dạng của gạch chịu lửa Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 24 - Trang 261-264 - 1983
Các đặc tính biến dạng σ so với ε của một phần gạch chịu lửa của các bộ phận mullite-corundum MKV-72 (GOST 20901-75) được sản xuất bởi Nhà máy chịu lửa Zaporozhe đã được thu thập. Đã xác định rằng mô đun đàn hồi hiệu dụng của gạch chịu lửa mullite-corundum với vữa VT-1 trong khoảng nhiệt độ từ 1200 đến 1540°C có giá trị khoảng 102 MPa trong khi mô đun đàn hồi của chính vật liệu chịu lửa mullite-co...... hiện toàn bộ
#mullite-corundum #gạch chịu lửa #mô đun đàn hồi #ứng suất nén #ứng suất kéo
Trạng thái ứng suất-biến dạng của nền đất đóng băng dưới một tấm cứng Dịch bởi AI
Soil Mechanics and Foundation Engineering - Tập 43 - Trang 1-7 - 2006
Kết quả được trình bày cho phân tích số học về trạng thái ứng suất-biến dạng của một lớp đất đóng băng vĩnh cửu dưới một tấm cứng chịu tải trọng tập trung bằng phương pháp phần tử hữu hạn, với sự xem xét các biến dạng đàn hồi-plastic và sự hình thành vết nứt. Kết quả của phân tích được so sánh với dữ liệu thu được từ các cuộc điều tra thực nghiệm. Một phân tích về trạng thái ứng suất-biến dạng của...... hiện toàn bộ
#ứng suất-biến dạng #đất đóng băng #tấm cứng #phương pháp phần tử hữu hạn #biến dạng đàn hồi-plastic
Các đặc tính vận hành của máy làm lạnh cryo loại ống xung kiểu Stirling một giai đoạn có công suất làm lạnh cao ở nhiệt độ nitơ lỏng Dịch bởi AI
Zhejiang University Press - Tập 16 - Trang 577-585 - 2015
Các đặc tính vận hành rất quan trọng cho thiết kế và tối ưu hóa các máy làm lạnh ống xung, đặc biệt là đối với những máy có công suất làm lạnh cao, điều này cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu sâu. Trong nghiên cứu này, sự phụ thuộc của hiệu suất làm lạnh vào áp suất nạp và tần số vận hành đã được điều tra, cả về lý thuyết và thực nghiệm. Một mô hình số dựa trên phần mềm Sage đã được thiết lập. C...... hiện toàn bộ
#tính năng vận hành #máy làm lạnh ống xung #kiểu Stirling #công suất làm lạnh cao #áp suất nạp #tần số vận hành #hiệu suất máy nén #bộ tái sinh
Tải trọng chi tiết và cơ chế tách trong quá trình tách rời vật liệu giòn bằng áp suất cao Dịch bởi AI
Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A - Tập 62 - Trang 181-187 - 1996
Trong bài viết này, một phương pháp mới để tách các chi tiết giòn bằng áp suất chất lỏng bên cạnh (tách áp suất) được trình bày. Nguyên lý làm việc của quá trình tách áp suất đã được nghiên cứu thực nghiệm và thông qua phân tích FEM về trạng thái ứng suất trong chi tiết. Dựa trên cơ sở này, chúng tôi đã tính toán được hình dạng chi tiết thu được và áp lực cần thiết để thực hiện quá trình tách rời.
#tách rời vật liệu #áp suất cao #FEM #ứng suất #cơ chế tách
Ép đùn các composite nhiệt dẻo tự gia cố được minh họa bằng polyetylen mật độ cao Dịch bởi AI
Journal of Materials Science - Tập 13 - Trang 2671-2675 - 1978
Một phương pháp được mô tả cho việc ép đùn đồng thể trạng thái rắn của các composite tự gia cố và trong suốt cho polyetylen mật độ cao, bao gồm các thành phần lõi và áo. Các polyetylen mật độ cao được ép đùn dưới điểm nóng chảy của chúng. Các composite đồng trục có mô đun kéo và độ bền cao, có độ định hình cao cho cả thành phần lõi và áo, và có khả năng kháng tách lớp lõi/áo đáng kể. Khả năng khán...... hiện toàn bộ
#ép đùn #composite tự gia cố #polyetylen mật độ cao #ứng suất nén #tính chất vật liệu
Đặc tính ứng suất, biến dạng và hành vi phá hoại của mẫu đá giống như đá được bu-lông trong điều kiện nén đơn trục thông qua mô phỏng dòng hạt Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 27 - Trang 781-799 - 2023
Hầu hết khối đá trong tự nhiên chứa một số lượng lớn các khớp, đứt gãy và các khuyết tật khác, điều này khiến khối đá có những đặc điểm của sự gián đoạn và tính không đồng nhất, dễ dẫn đến sự không ổn định và phá hủy trong các công trình địa kỹ thuật. Một lượng lớn các thực tiễn kỹ thuật cho thấy bu-lông có tác động hỗ trợ đáng kể đối với khối đá có khớp. Do đó, việc nghiên cứu các đặc tính biến d...... hiện toàn bộ
#đá có khớp #bu-lông #mô phỏng dòng hạt #nén đơn trục #vi nứt #cơ học địa chất
Tác động của quá trình nano kết tinh lên tính chất từ cơ và cấu trúc của hợp kim Fe73.5Nb3Cu1Si16.5-xB6+x (x=0; 3) Dịch bởi AI
Cechoslovackij fiziceskij zurnal - Tập 54 - Trang 173-176 - 2004
Bài báo này trình bày kết quả điều tra về ảnh hưởng của quá trình nano kết tinh đến tính chất từ cơ và cấu trúc của hợp kim Fe73.5Nb3Cu1Si16.5-xB6+x (x=0; 3). Nghiên cứu về tính chất từ cơ được thực hiện trên các lõi vòng. Trong các thử nghiệm về tính chất từ cơ, lực ép (F) được tác động vuông góc với hướng của trường từ hóa (H) trong mẫu. Bài báo trình bày các phụ thuộc ứng suất của vòng từ hóa t...... hiện toàn bộ
#nano kết tinh #tính chất từ cơ #hợp kim Fe73.5Nb3Cu1Si16.5-xB6+x #ứng suất nén #vòng từ hóa
Nghiên cứu Thực nghiệm và Số hóa về Cơ chế Biến dạng trong Tấm Hợp Kim Mg AZ31B Dưới Các Thử Nghiệm Kéo và Nén Hỗ Trợ Bằng Điện Tích PULS Dịch bởi AI
Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science - Tập 47 - Trang 2783-2794 - 2016
Bài báo trình bày phản ứng ứng suất – biến dạng kéo và nén đơn trục của tấm hợp kim magnesium AZ31B dưới dòng điện xung. Các thử nghiệm kéo và nén với dòng điện xung cho thấy ứng suất chảy giảm đột ngột khi các xung điện được áp dụng. Phân tích phần tử hữu hạn nhiệt – cơ – điện cũng được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng gia nhiệt Joule và điện – plasticity lên các phản ứng chảy của t...... hiện toàn bộ
#hợp kim magnesium AZ31B #ứng suất biến dạng #điện tích xung #gia nhiệt Joule #mô phỏng phần tử hữu hạn #thử nghiệm kéo #thử nghiệm nén
Tổng số: 66   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7