Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ảnh hưởng của hàm lượng cốt inox gia cường đối với khả năng chịu uốn của dầm kính thường ghép ba lớp

Ở luận văn này, học viên tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng inox gia cường ở vùng chịu ứng suất kéo đối với khả năng chị ốn của kết cấu dầm kính ghép ba lớp tất cả các lớp k

TỔNG QUAN

Nhận xét

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA DẦM KÍNH GHÉP GIA CƯỜNG INOX

Mô hình đề xuất tính toán tải trọng sử dụng (tải trọng nứt) Pcr

Kết cấu sử dụng trong luận văn là dầm kính ghép ba lớp có gia cường inox với ba lớp kính thường AN-AN-AN gọi tắt là dầm kính AN-R, liên kết giữa các lớp kính ghép trong nghiên cứu này là lớp film PVB (thông số xem bảng 4.3.2, chương 4) khác với lớp film SG trong nghiên cứu của Louter [1], Louter đã đề xuất công thức tính toán tải trọng phá hoại cho kết quả tương đối sát với kết quả thí nghiệm thu được;

Tuy nhiên, dựa vào hình 3.2 biểu đồ ứng xử của dầm kính AN-R khi chịu tải trọng uốn thì công thức tính toán của Louter xét tải trọng phá hoại Pu (tức là xác định sau khi phần kính chịu nén bị nứt), như vậy thì chỉ phản ánh được tải trọng phá hoại kết cấu chứ chưa phù hợp để tính toán kết cấu đưa vào sử dụng, vì đây là kết cấu kính khi tính toán thiết kế không thể để cho kính bị nứt được vì ảnh hưởng đến độ thẩm mĩ của dầm kính và bên cạnh đó nó cũng làm ảnh hưởng đến tâm lý của người sử dụng, lúc nào cũng hồi hợp, lo lắng;

Nên tác giả đã đề xuất thêm một công thức tính toán khác phù hợp hơn để tính toán kết cấu dầm kính ghép trong quá trình sử dụng (trước lúc phần kính chịu kéo bị nứt) hay gọi là tải trọng nứt Pcr

Chương 3: Lý thuyết tính toán sức chịu tải của dầm kính ghép

3.2.2 Mô hình đề xuất tính toán tải trọng sử dụng (tải trọng nứt) Pcr:

Giả thuyết tính toán: các lớp kính và inox xem như toàn khối và làm việc đồng thời với nhau;

- Không kể đến sự tham gia của các lớp keo liên kết;

- Giá trị biến dạng của kính kéo được sử dụng là ε gt1 =0.0004 ( được lấy theo kết quả thí nghiệm)

Biểu đồ ứng suất biến dạng trước khi phần kính kéo của dầm kính AN-R bị nứt được tác giả đề xuất ở Hình 3.4 Trong đó khác với mô hình Louter, ngoài lực kéo N re1 của inox gia cường, còn có sự tham gia của phần kính AN ở vùng chịu kéo với ứng suất có dạng tam giác tuân theo định luật Hooke (màu sọc) và lực kéo tương ứng là N gt1 ; phần kính vùng chịu nén bao gồm tất cả các lớp kính AN, ứng suất được giả thiết có dạng hình tam giác (màu xám) và lực nén tương ứng là N gc1

Hình 3.4 Sơ đồ ứng suất biến dạng trước khi phần kính chịu kéo của dầm AN-R nứt

Phương trình cân bằng của dầm AN-R khi đó được viết lại như sau:

2b x gl  gc E gl 2b gl d x  gt E gl A E re re  re

18 Trong trường hợp này ta xét ứng suất của phần kính chịu kéo đạt đến cực hạn nên ta có:

Tuy nhiên thông qua hàng loạt kết quả thí nghiệm thu được từ các thiết bị đo thì giá trị biến dạng của phần kính bị kéo trung bình chỉ đạt được 0.0004->0.0006 Vì vậy tác giả đề xuất lấy giá trị biến dạng là 0.0004 để đưa vào lý thuyết tính toán nhằm phản ánh đúng thực tế làm việc của vật liệu, kết quả tính toán sẽ sát với thực tế hơn

Tuân theo tam giác đồng dạng ta có:

      Thay vào phương trình 3.6 ta có được chiều cao vùng nén được tính bằng:

2 2 gl gl re re gl gl re re b E d A E d x b E d A E

 (3.8) Momen tính toán cho dầm kính trước lúc phần kính chịu kéo bị nứt là:

Tải trọng nứt: P cr M cr 2

Công thức tác giả đưa ra có giá trị biến dạng của phần kính chịu kéo là lấy theo thực tế εgt1 = 0.0004 Công thức tính Mcr này rất quan trọng nó gần như là công thức thiết kế chính của kết cấu dầm kính Tác giả đề xuất công thức trên và kết quả nó cho ra hợp lý với các kết quả thu được từ thực nghiệm Tuy nhiên do số lượng mẫu thí nghiệm có hạn nên tác giả đề xuất cần có nhiều nghiên cứu hơn về vấn đề này để có được công thức tối ưu hơn

3.2.3 Hàm lượng inox gia cường hợp lý:

Trong thực tế tính toán thì để tận dụng tối ưu khả năng làm việc của vật liệu thì ta phải thiết kế sao cho kết cấu xảy ra phá hoại dẻo Vì vậy hàm lượng cốt thép gia cường phải không được quá nhiều và không được quá ít Tác giả sẽ đề xuất công thức tính toán hàm lượng inox gia cường tối thiểu và tối đa trong bài nghiên cứu này;

Phá hoại dẻo là loại phá hoại mà khi phần inox gia cường ở phần kính chịu kéo đạt đến trạng thái chảy dẻo thì phần kính chịu nén cũng bị phá hoại

Phá hoại dòn là phá hoại mà cốt inox gia cường có hàm lượng lớn nên inox không đạt đến trạng thái chảy dẻo mà ngược lại phần kính chịu nén lại bị phá hoại trước

3.2.3.2 Xác định hàm lượng inox gia cường tối thiểu (μ min ):

Giả thuyết tính toán: các lớp kính và inox xem như toàn khối và làm việc đồng thời với nhau;

- Không kể đến sự tham gia của các lớp keo liên kết;

- Giá trị biến dạng của kính kéo được sử dụng là εgt1=0.0004 ( được lấy theo kết quả thí nghiệm);

- Giá trị biến dạng của kính nén được sử dụng là ε gcmax =0.0012 (được lấy theo kết quả thí nghiệm)

Câu hỏi đặt ra là tại sao ta phải có hàm lượng inox tối thiểu Ta quy định hàm lượng inox tối thiểu bởi vì nó là cái hàm lượng nhỏ nhất mà nếu ta gia cường inox nhỏ hơn hàm lượng này thì kết cấu sẽ xảy ra phá hoại giòn Có nghĩa là ta phải gia cường một hàm lượng inox sao cho khi gia cường thì khả năng chịu lực của kết cấu tối thiểu bằng với khả năng gia chịu lực của kết cấu lúc chưa gia cường và điều kiện thứ hai là inox gia cường phải đạt đến trạng thái chảy dẻo

20 Hình 3.5 Sơ đồ ứng suất biến dạng của dầm kính không gia cường inox và gia cường inox với hàm lượng μ min1 Từ lý luận trên ta có: min1

3.5* 200 glch re gt gl glch re re re gt gl glch re re re glch re glch

   Áp dụng mô hình làm thí nghiệm ta có:

Bên cạnh đó chúng ta nên xét thêm trường hợp để tải phá hoại (Pu) phải lớn hơn tải trọng gây nứt (Pcr), để khi kết cấu nứt thì kết cấu không bị phá hoại đột ngột mà nó như lời cảnh báo cho người sử dụng là kết cấu đã đạt trạng thái sử dụng Nên độ chênh lệch giữa tải trọng nứt (Pcr) và tải trọng phá hoại (Pu) lớn thì kết cấu sẽ an toàn hơn;

Vì vậy tác giả đề xuất là phải thiết kế hàm lượng inox gia cường sao cho tối thiểu thì cũng làm cho tải trọng phá hoại phải lớn hơn hoặc bằng tải trọng gây nứt;

21 Để đạt được điều kiện trên thì khả năng chịu kéo của inox gia cường tối thiểu cũng bằng khả năng chịu kéo của dầm kính ghép chưa gia cường inox;

Hình 3.6 Sơ đồ ứng suất biến dạng của dầm không gia cường inox và gia cường inox với hàm lượng μmin2 Ta có biểu thức: ur 1 0, 5 0 2 min 2 ( min 2 )

2 3 2 3 ugl e gl gt gl re re re x M M  b d E d A  E d t (3.9) Áp dụng tính toán: bgl d t εgt0 Egl εre Ere xmin Are(mm2) μmin(%)

X min ta lấy theo điều kiện là gia cường inox sao cho giống với điều kiện phá hoại dầm kính chưa gia cường inox Tức là ε re =0.0035 lúc này ε gcmin =0.004 thì kết cấu bị phá hoại Dựa vào tam giác đồng dạng ta suy ra x min trong ba trường hợp bề rộng dầm kính;

Vậy dựa vào kết quả thí nghiệm mà tác giả đề xuất hàm lượng inox gia cường tối thiểu là μ min1 =0.08% đối với trường hợp để kết cấu không xảy ra phá hoại giòn, tuy nhiên thì để kết cấu chịu lực tối ưu hơn thì kết cấu phải có tải trọng phá hoại (Pu) lớn hơn tải trọng nứt (Pcr) vì vậy tác giả đề xuất hàm lượng inox gia cường đối thiểu đối với trường hợp này là μ min2 =0.71%

3.2.3.3 Xác định hàm lượng inox gia cường tối đa (μ max ):

Các bài toán áp dụng

Các bài toán nghiên cứu sức chịu tải của dầm kính ghép gia cường inox dựa trên sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm sau đây:

Hình 3.8 Sơ đồ tính toán uốn 4 điểm

Bài toán áp dụng tính toán với 2 trạng thái: một là trạng thái sử dụng (tác giả đề xuất), hai là trạng thái phá hoại (kiểm chứng mô hình đề xuất của Louter [1]), tính toán với các mẫu dầm kính ghép với 3 lớp kính thường AN-AN-AN có gia cường inox với lớp keo liên kết là keo PVB

Kích thước mẫu ở bảng 3.1 và các giá trị tính toán ở bảng 3.2 Trong đó, diện tích cốt gia cường tăng R-0.5 ( 19mm 2 ) → R-0.8 ( 30.72mm 2 ) → R-1.0 ( 36mm 2 )

24 Bảng 3.1 Kích thước mẫu dầm AN-R

Tên Mẫu AN-R-0.5 AN-R-0.8 AN-R-1.0 AN-R-10

Kích thước (mm) 1500x150 1500x150 1500x150 1500x150 Tiết diện inox (mm) 10x10x0.5 10x10x0.8 10x10x1.0 10x10x10

Bảng 3.2 Giá trị số liệu tính toán.

Kết quả tính toán lý thuyết

Biểu đồ tổng hợp kết quả tính toán Pu (tải trọng phá hoại kết cấu) và Pcr (tải trọng gây nứt kết cấu) đối với từng loại mẫu dầm kính ghép được trình bày ở Hình 3.9; Hình 3.10 và Hình 3.11;

Thông số Giá trị Đơn vị d 150 mm d 0 140 mm t 10 mm

25 Hình 3.9 Biểu đồ giá trị tính toán tải trọng gây nứt Pcr và tải trọng phá hoại Pu của nhóm mẫu AN-06-R

Hình 3.10 Biểu đồ giá trị tính toán tải trọng gây nứt Pcr và tải trọng phá hoại Pu của nhóm mẫu AN-08-R

BIỂU ĐỒ GIÁ TRỊ TÍNH TOÁN Pcr và Pu

26 Hình 3.11 Biểu đồ giá trị tính toán tải trọng gây nứt Pcr và tải trọng phá hoại Pu của nhóm mẫu AN-10-R

Theo biểu đồ hình 3.9, 3.10, 3.11 ta thấy, trong tính toán lý thuyết hàm lượng gia cường càng lớn thì giá trị tải trọng gây nứt theo đề xuất của tác giả cũng như tải trọng phá hoại được đề xuất bởi Louter [1] càng cao Tuy nhiên công thức đề xuất tính tải trọng gây nứt của tác giả đề xuất là phù hợp hơn để áp dụng tính toán kết cấu trong thực tế vì khi sử dụng thực tế thì không thể để cho kết cấu nứt được, còn công thức của Louter là tính toán sau khi phần kính nén bị nứt nên chỉ phản ánh được tải trọng phá hoại kết cấu thôi;

Ngoài ra theo ba biểu đồ hình 3.9, 3.10, 3.11 ta còn thấy được hai đường giá trị tải trọng gây nứt và tải trọng phá hoại giao nhau Chứng tỏ những hàm lượng mà tác giả thí nghiệm có hàm lượng gia cường mà khả năng chịu kéo của inox không bằng khả năng chịu kéo của kính nên khi kính nứt thì inox nhanh chóng chảy dẻo và kết cấu bị phá hoại nên mới xảy ra trường hợp Pu23 34.5 Mpa

Trong thí nghiệm nghiên cứu chọn thép không gỉ gia cường là inox 304, một trong số inox phổ biến trên thị trường Loại inox 304 có khả năng chịu ăn mòn cao trong phạm vi nhiệt độ khá rộng, không bị nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn, dễ thi công, phù hợp cho sử dụng ngoài trời

Bảng 4.3: Thành phần cơ học vật lý của inox 304 [2]

Thành phần Kí hiệu Đơn vị Lý thuyết Thực tế

Cường độ chịu kéo f t Mpa 520-750 780-840

Bên cạnh đó thì tác giả có thí nghiệm kéo inox để có cường độ thực tế Các biểu đồ thí nghiệm kéo inox được trình bày ở hình 4.2 phía dưới

Chương 4: Kiểm chứng thực nghiệm

33 a) Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của inox dày 0.8mm b) Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của inox đặc dày 10mm

Hình 4.2 Biểu đồ P-Δ của vật liệu inox

Phương pháp thí nghiệm (sơ đồ uốn 4 điểm)

Mục đích của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của inox gia cường đến ứng xử của kính ghép chịu tải trọng uốn, nên các thông số được đưa ra: cố định chiều dài, thay đổi chiều dày lớp inox gia cường và bề rộng 2 lớp kính ngoài của dầm kính ghép (Hình 4.6;4.7) Trong đó, tiết diện, vị trí gia cường và kích thước cụ thể được trình bày Hình 4.3, 4.4,4.5 Lớp O1, O 3 là 2 lớp kính thường bên ngoài Lớp O 2 là lớp kính thường ở giữa

Bảng 4.4 Chi tiết và số lượng mẫu thí nghiệm

Tên mẫu Kích thước (mm)

Số lượng Ghi chú Dài x rộng Chiều dày inox

AN-06-R-U AN-06-R-0.5 AN-06-R-0.8 AN-06-R-1.0 AN-06-R-10

Hình 4.3 Kích thước chi tiết bộ mẫu dầm kính ghép có 2 lớp kính O1,3 dày 6mm

Hình 4.6 Kích thước bộ mẫu đối chứng

Hình 4.7 Kích thước bộ mẫu gia cường

- Bộ dụng cụ đo chuyển vị và ghi lại dữ liệu bộ đầu đo kỹ thuật số-LVDT;

- Dụng cụ đo biến dạng: cảm biến điện trở-Strain gage;

- Máy kéo nén vạn năng;

- Camera quay phim và chụp hình chương trình thí nghiệm;

- Bộ thiết bị khung hỗ trợ thí nghiệm

4.3.3.1 Sơ đồ thí nghiệm theo [1]:

Hình 4.8 Phương pháp thí nghiệm uốn 4 điểm [1]

1 Mẫu thí nghiệm 1500x150mm; 2 Gối gây uốn; 3 Gối đỡ;

4 Dải cao su; 5 Dầm phân tải

Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trong hình 4.8 dải cao su dày 5mm được đặt giữa gối và mẫu thí nghiệm để giữa kính và gối không bị trượt lên nhau trong quá trình thí nghiệm

Các mẫu thí nghiệm được gia tải uốn với tốc độ không đổi là 2mm/min cho đến khi mẫu bị phá hoại Vì thế, thiết bị thí nghiệm được đo chính xác để đảm bảo đạt được độ võng cần thiết của mẫu thí nghiệm khi gia tải;

38 Số liệu của lực và chuyển vị được ghi lại và hiển thị cùng thời điểm trên màn hình máy tính (Hình 4.9) Các mẫu thí nghiệm được nén cho đến khi tất cả các lớp kính bị phá hoại Ngoài ra, bộ giá đỡ trong quá trình thí nghiệm (Hình 4.10) giúp giữ cho dầm kính ghép không bị nghiêng trong quá trình thí nghiệm

Hình 4.9 Thiết bị thí nghiệm

Hình 4.10 Bộ khung hỗ trợ thí nghiệm.

Kiểu phá hoại uốn của kính ghép

39 Hình 4.11 Thiết bị đo biến dạng, tải trọng, chuyển vị của đề tài

Các mẫu thí nghiệm được chuẩn bị trước 24h Sau đó, chúng ta sẽ tiến hành đặt mẫu lên bàn gia tải, được liên kết vào bộ khung đỡ như hình 4.10, sau khi cân chỉnh và lắp đầy đủ thiết bị đo thì ta sẽ tiến hành gia tải cho đến khi mẫu phá hoại

4.4 Kiểu phá hoại của dầm kính ghép:

4.4.1 Nhóm mẫu có hàm lượng inox gia cường < μ min =0.71%:

Nhóm mẫu này bao gồm 5 loại mẫu (Bảng 4.5) Trong đó, nhóm mẫu AN-06-R-U là nhóm mẫu không có gia cường và nhóm mẫu AN-(06/08/10)-R-(0.5/0.8) là nhóm mẫu gia cường Các hình thái vết nứt và ứng xử của nhóm mẫu sẽ được trình bày bằng hình ảnh thu được trong quá trình khảo sát thực nghiệm ở mục 4.4.1.2

4.4.1.1 Thông số của nhóm mẫu:

Bảng 4.5 Kích thước và số lượng mẫu có hàm lượng inox gia cường < μmin=0.71%

Ghi chú Dài x rộng Chiều dày inox

4.4.1.2 Ứng xử của nhóm mẫu có hàm lượng < μ min =0.71% trước và sau khi thí nghiệm:

1/ Mẫu AN-06-R-U: a) Trước khi thí nghiệm

Hình 4.12 Hình dáng phá hoại của mẫu AN-06-R-U 2/ Nhóm mẫu AN-(06/08/10)-R-(0.5/0.8): a) Trước khi thí nghiệm b) Sau khi thí nghiệm

42 c) Phóng to hình dáng vết nứt phá hoại

Hình 4.13 Hình dáng phá hoại của nhóm mẫu AN-(06/08/10)-R-(0.5/0.8):

Trong quá trình khảo sát thực nghiệm, mẫu dầm kính không gia cường inox AN- 06-R-U cũng như là nhóm mẫu dầm kính có gia cường inox nhưng với hàm lượng