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
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
Kỹ thuật tiến triển cho ileostomy tự chứa: thiết kế túi không van Dịch bởi AI
Techniques in Coloproctology - Tập 8 - Trang 49-52 - 2004
Ileostomy tự chứa, hay túi Kock, là một lựa chọn hữu ích cho những bệnh nhân mắc bệnh viêm ruột mà lựa chọn duy nhất của họ là ileostomy cuối cùng. Kỹ thuật này có tỷ lệ biến chứng cao. Sự trượt van núm là biến chứng phổ biến nhất, gây ra sự không tự chủ hoặc các vấn đề về ống thông. Một kỹ thuật ileostomy tự chứa không có van mới được mô tả ở đây. Một mô hình lợn được sử dụng để tạo ra ileostomy ...... hiện toàn bộ
#ileostomy tự chứa #kỹ thuật không có van #biến chứng #mô hình lợn #áp suất trong túi #dung dịch Ringer lactat
Ảnh hưởng của hiện tượng cong vênh đến sự nứt của tấm bê tông trên nền đất Dịch bởi AI
Matériaux et constructions - Tập 49 - Trang 2991-3004 - 2015
Bài báo này thảo luận về ảnh hưởng của hiện tượng cong vênh do nhiệt độ đến phản ứng sau khi nứt của các tấm bê tông trên nền đất. Quá trình nứt được hình dung lý tưởng bằng cách sử dụng các yếu tố kết dính kéo–tách biệt đã được bổ sung gần đây vào ABAQUS dựa trên Mô hình Nứt Giả. Các ảnh hưởng của hiện tượng cong vênh riêng lẻ cũng như hiện tượng cong vênh cộng với tải trọng bánh xe đã được khảo ...... hiện toàn bộ
#cong vênh bê tông #nứt bê tông #tải trọng bánh xe #cơ học nứt #ứng suất nhiệt độ
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
Phân tích bức xạ sinh học trong liệu pháp xạ trị cơ thể đồng vị stereotactic cho thể tích mục tiêu lập kế hoạch dựa trên bằng chứng của phổi sử dụng hình ảnh CT đa pha thu được bằng thiết bị nén bụng khí nén: một nghiên cứu trường hợp Dịch bởi AI
Radiological Physics and Technology - Tập 10 Số 4 - Trang 525-534 - 2017
Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của liệu pháp xạ trị cơ thể đồng vị stereotactic cho phổi (SBRT-Lung) trong việc tạo ra thể tích điều trị bằng cách sử dụng chụp cắt lớp vi tính ba chiều (3D-CT) nhiều pha thông thường cho một bệnh nhân được cố định bằng nén bụng khí nén. Quy trình của cơ sở y tế cho SBRT-Lung sử dụng kỹ thuật RapidArc dựa vào một thể tích mục tiêu lập kế hoạch (PTV) được phân định...... hiện toàn bộ
#SBRT-Lung #thể tích mục tiêu lập kế hoạch #chụp cắt lớp vi tính ba chiều #nén bụng khí nén #xác suất kiểm soát khối u #xác suất biến chứng mô bình thường
Nghiên cứu quang học của lớp màng epitaxi AlGaN trên GaN Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 537 - Trang 1-6 - 2011
Chúng tôi đã điều tra các cấu trúc dị hợp AlxGal-xN/GaN (0... hiện toàn bộ
#AlxGal-xN #GaN #cấu trúc dị hợp #photoluminescence #phản xạ #cathodo-luminescence #ứng suất nén.
Tác động của độ rỗng đến dòng Couette tổng quát tạm thời với hiệu ứng Hall và các tính chất biến đổi dưới gradient áp suất giảm theo hàm mũ Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 87 - Trang 767-775 - 2013
Dòng Couette tổng quát tạm thời với sự truyền nhiệt qua một môi trường thấm giữa hai tấm thấm song song vô hạn được nghiên cứu với sự cân nhắc về hiệu ứng Hall và các tính chất vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ. Tấm trên di chuyển với vận tốc đồng đều trong khi tấm dưới giữ yên. Một gradient áp suất giảm theo hàm mũ được áp dụng theo hướng trục và một trường điện từ đồng đều cũng như một sự hút và bơm...... hiện toàn bộ
#dòng Couette #hiệu ứng Hall #độ rỗng #gradient áp suất #thấm #nhiệt độ
Lý thuyết tiếp tuyến Cosserat từ tính để mô phỏng hành vi của bột từ tính trong quá trình nén dưới sự tác động của trường từ Dịch bởi AI
Metals and Materials International - Tập 4 - Trang 354-358 - 1998
Đề xuất một phương pháp số dựa trên lý thuyết tiếp tuyến Cosserat để mô phỏng hành vi của bột từ tính trong trường từ áp dụng. Ứng suất Maxwell được sinh ra trong bột từ tính. Trong quá trình hình thành bột trong trường từ, các hạt từ tính do đó được quay và chuyển động nhờ cả tương tác cơ học và từ tính. Để mô phỏng hành vi bột như vậy, chúng tôi xây dựng một phương trình phần tử hữu hạn xem xét ...... hiện toàn bộ
#Lý thuyết Cosserat #bột từ tính #ứng suất Maxwell #mô phỏng phần tử hữu hạn #nén từ tính
Tính khả thi của hệ thống vít nén gia cố bằng xi măng trong điều trị gãy xương liên mấu chuyển: phân tích cơ học sinh học Dịch bởi AI
Proceedings of the 19th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 'Magnificent Milestones and Emerging Opportunities in Medical Engineering' (Cat. No.97CH36136) - Tập 2 - Trang 1528-1531 vol.2
Hiện tượng vít bị cắt ra và không nối liền xương đã được coi là những biến chứng chính của các hệ thống vít hông trong điều trị các gãy xương liên mấu chuyển. Gần đây, việc gia cố bằng xi măng cho hệ thống vít hông được giới thiệu nhằm cung cấp sự bám chặt hơn cho vít. Nghiên cứu này điều tra hiệu quả sinh học cơ học của kỹ thuật gia cố bằng xi măng thông qua việc đánh giá sự thay đổi trong phân b...... hiện toàn bộ
#Vít hông #Chốt #Ứng suất #Phương pháp phần tử hữu hạn #Tháo lắp #Xương xốp #Kỹ thuật y sinh #Phẫu thuật chỉnh hình #Cổ #Fah viện
Tổng số: 65   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7