Bài giảng thí nghiệm và kiểm định công trình

Ví dụ kết hợp lời giải lý thuyết và thực nghiệm: Mô phỏng sự làm việc của dầm BTCT chịu tác dụng của tải trọng Lý thuyết : mô hình làm việc của kết cấu; quan hệ ứng suất – biến dạng ; mộ

VAI TRÒ CỦA NGHIÊN CỨU THỰC

NGHIỆM TRONG LĨNH VỰC XÂY DỰNG

BỘ MÔN THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM ĐỊNH CÔNG TRÌNH

Phần mở đầu

TS Nguyễn Trung Hiếu Email : ngtrunghieuxd@gmail.com

MỞ ĐẦU

I KHÁI NIỆM VỀ NCTN

II VAI TRÒ CỦA NCTN TRONG THỰC TẾ XD

III NỘI DUNG MÔN HỌC

Để giải quyết một vấn đề (bài toán) khoa học nói chung có thể

có các phương pháp cơ bản sau :

- Lý thuyết : vận dụng các lý thuyết, giả thuyết để đưa ra lời giải

(thường áp dụng trong các môn khoa học cơ bản)

- Thực nghiệm : thông qua qua trình thí nghiệm, đo đạc, khảo sát

Giả thuyết tính toán : các thanh dàn liên kết khớp ở mắt dàn ( chỉ tồn tạilực dọc trong các thanh dàn)

Ví dụ kết hợp lời giải lý thuyết và thực nghiệm:

Mô phỏng sự làm việc của dầm BTCT chịu tác dụng của tải trọng

Lý thuyết : mô hình làm việc của kết cấu; quan hệ ứng suất – biến

dạng ; một số giả thiết tính toán

Thực nghiệm :

- Đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông (E, Rn, Rt), của cốt thép (Ra)

- Sự bám dính giữa cốt thép và bê tông

PHẦN

MỞ ĐẦU

™ Định nghĩa về nghiên cứu thực nghiệm : phương pháp nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp cảm thụ trực tiếp thông qua các dụng cụ thiết bị đo để nhận được các thông

số cần khảo sát trên đối tượng khảo sát

™ Nghiên cứu thực nghiệm chỉ có thể thực hiện đạt hiệu quả hay đạt được mục tiêu đề ra dựa trên những cơ sở hay định hướng của nghiên cứu lý thuyết

Bố trí dụng cụ đo để xác định ứng suất nén lớn nhất trong các thanh dàn

ĐỐI TƯỢNG KHẢO SÁT

KẾT QUẢ KHẢO SÁT

¾Theo chủng loại :

-Vật liệu ( BT, thép )

- Kết cấu

- Công trình XD

¾Theo kích thước kết cấu:

- Đối tượng mô hình-Đối tượng nguyênhình

¾ Quan hệ ứng suất- biến dạng :

- Ứng suất cực đại

- Biến dạng

¾ Dạng phá hoại

¾ Độ bền, độ ổn định của kết cấu, công trình

¾Phương pháp thí nghiệm không phá hoại

Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông

Thí nghiệm đánh giá khả năng làm việc của dầm

BTCT chế tạo bằng vật liệu bê tông nhẹ

Thí nghiệm nghiên cứu khả năng chịu cắt của

dầm sau gia cường

Thí nghiệm mô hình kết cấu nhà cao tầng

Thí nghiệm dầm BTCT chịu uốn

- Đánh giá hiện trạng chất lượng công trình:

+ Công trình xây mới : phục vụ nghiệm thu đưa vào sử dụng + Công trình đang tồn tại hoặc có sự cố : đánh giá hiện trạng chất lượng công trình để có hướng khai thác sử dụng hoặc cải tạo sửa chữa.

Nội dung của chương trình học tập trung vào vai trò thứ 2 PHẦN

MỞ ĐẦU

™ Chương 1: Dụng cụ và thiết bị đo

™ Chương 2: Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu

™ Chương 3: Thí nghiệm kết cấu chịu tác dụng của tải trọng tĩnh

™ Chương 4: Thí nghiệm kết cấu chịu tác dụng của tải trọng động

™ Chương 5: Kiểm định công trình

PHẦN

MỞ ĐẦU

DỤNG CỤ, THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG

TRONG THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM ĐỊNH

CÔNG TRÌNH CHƯƠNG 1

TS Nguyễn Trung Hiếu Email : ngtrunghieuxd@gmail.com

Biến dạng, chuyển vị

Dụng cụ đo

™ Dụng cụ đo lực, mô men

- Xác định được tải trọng tác dụng lên đối tượng thí nghiệm

™ Các yêu cầu chung với dụng cụ, thiết bị đo

- Có độ chính xác đảm bảo yêu cầu của phép đo

- Ít chịu tác động của yếu tố môi trường

- Đảm bảo ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm

Võng kế được lắp tại vị trí cần đo chuyển vị trên kết cấu hoặc tại vị trí

cố định bên ngoài kết cấu

Lắp võng kế trên kết cấu đo

Lắp tại điểm cố định bên ngoài kết cấu

™ Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Indicator điện tử hiện thị số

- Khoảng đo được :

+ Hệ số K=102 → Khoảng đo 10 mm đến 50 mm+ Hệ số K=103 → Khoảng đo 2 mm đến 10 mm

- Trục của Indicator phải trùng với phương chuyển vị cần đo

- Khi Indicator bố trí tiếp xúc với kết cấu thì đầu của Indicator phải luôntiếp xúc với bề mặt kết cấu cần đo

Indicator tiếp xúc với bề

kết cấu đo

Sử dụng Indicator có thanh chống (bằng thép) để đo

biến dạng của kết cấu BTCT

LỰC, MÔ MEN Ví dụ sử dụng LVDT đo độ mở rộng vết nứt trong thí nghiệm kéo

trực tiếp mẫu bê tông

Transformer )

- Ở các kết cấu có trục đối xứng chỉ cần bố trí dụng cụ đo ở một nửa của kết cấu, nửa còn lại chỉ cần bố trí ở một vài điểm để kiểm tra kết quả đo

- Số lượng dụng cụ đo phụ thuộc vào quy mô, mục đích của thí nghiệm Với kết cấu đơn giản chịu uốn số lượng dụng cụ đo tối thiểu là 3

=

- Ở cấp tải thứ i (P= P i ) số đọc trên dụng cụ đo chuyển vị là C i

Giá trị độ võng của kết cấu thí nghiệm ở cấp tải P i

III DỤNG CỤ ĐO BIẾN DẠNG

- Khi vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, quan hệ ứng suất-biến dạng tuân theo định luật Hook:

Việc đo đạc ε cho phép xác định ứng suất tại vùng khảo sát

- Δl : sự thay đổi vị trí tương đối giữa 2 điểm chọn trước trên bềmặt kết cấu đo

- l0 : chiều dài chuẩn đo

Các dụng cụ cho phép xác định Δl gọi là các dụng cụ đo biến dạng

Δl > 0 : vật liệu làm việc chịu kéo

Δl < 0 : vật liệu làm việc chịu nén

Số đọc trên các dụng cụ đo biến dạng cũng tuân theo nguyên tắc này

N l

Δ

- Độ khuếch đại của Tenzomet đòn

- Các giá trị M, m, N, n được chọn sao cho K 1000

m

M n

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO ™

Lắp đặt và yêu cầu sử dụng

- Trục của Tenzomet đòn phải trùng với phương biến dạng

- Bề mặt vật liệu ở vị trí lắp Tenzomet phải đủ cứng để chân Tenzomet không bị trượt khi vật liệu biến dạng

- Chiều quay của kim trên bảng chia vạch phụ thuộc vào biến dạng kéo hoặc nén

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO ™

Một số đặc điểm :

- Có độ nhạy cao ( có khả năng đo được biến dạng đến 10 -6 )

- Đo được biến dạng ở trạng thái tĩnh và động

- Có kích thước nhỏ, gọn nên hay được sử dụng để khảo sát trạng thái ứng suất-biến dạng ở các vùng có tập trung ứng suất

- Các tenzomet điện trở kết hợp với bộ xử lý (data logger) và máy tính cho phép ghi tự động các giá trị đo với số lượng lớn các vị trí khảo sát trên kết cấu

- Nhược điểm của Tenzomet điện trở là chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

Điện trở R của dây dẫn :

A

l ρ

R =

ρ : điện trở suất của dây dẫn

l : chiều dài của dây dẫnA: chiều dài của dây dẫn

∆l ρ

∆ρ R

Trong đó :

ε

= l

∆l

Biến dạng theo phương chiều dài dây điện trở

Gọi ε = εx Biến dạng theo phương bán kính dây:

2Rπ

∆ A

∆A

Y 2

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO ™

Nguyên lý hoạt động

ĐặtThay các đại lượng trên vào (*) :

ε

Ψ ρ

∆ρ =

kε )ε

2 Ψ

(1 2μμ

ε

Ψε R

∆R

= μ

+ +

= +

+

=

k : hệ số độ nhạy (gauge factor)

- Nếu dây dẫn làm bằng kim loại k= 1,8 ÷ 2,2

- Nếu dây dẫn làm bằng chất bán dẫn (silic) k= 100 ÷ 120

Xác định được giá trị thay đổi điện trở ΔR của dây dẫn cho

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO ™ Các thông số kỹ thuật của tấm điện trở kim loại:

+ Chuẩn đo : l = 5, 10, 20, 50 và có thể đến 200 mm + Điện trở dây : R = 60, 120, 300, 500 và có thể đến 1000Ω

Trạng thái ban đầu:

Giả sử R 1 dán lên kết cấu đo biến dạng :

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO

- Phương pháp đo cầu cân bằng

- Mắc tại điểm B một điện trở con chạy R r

- Điều chỉnh điện trở con chạy một lượng ΔR để cầu luôn cân bằng.

- Thiết lập quan hệ giữa ΔR và ε sẽ

cho phép xác định được giá trị biến dạng cần đo

- Giá trị ΔR thường rất nhỏ và được

xác định tự động bằng thiết bị đo chuyên dùng

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO

- Sử dụng chuyên đùng để đo biến dạng của các loại sợi thép

có đường kính nhỏ, dây cáp, tấm mỏng

- Cho phép đo biến dạng đồng thời ở hai phía của mẫu thí nghiệm

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO - Trong một thí nghiệm nên sử dụng cùng 1 loại dụng cụ đo biến dạng có cùng các đặc trưng kỹ thuật (hệ số khuếch đại, chuẩn đo)

- Chiều dài chuẩn đo có vai trò quan trọng : chuẩn đo càng nhỏ thì giá trị biến dạng đo được càng đặc trưng cho điểm đo tuy nhiên các dụng

cụ đo phải có độ nhạy cao.

KC CHỊU NÉN LỆCH TÂM (N, Mx)

KẾT CẤU DẠNG TẤM ( TRẠNG THÁI ƯS PHẲNG )

Nếu biến dạng có 1 phương : cần 01 tenzomet bố trí theo phương biến dạng

- Nếu biến dạng có 2 phương mà chưa biết phương biến dạng cần

bố trí tối thiểu 03 tenzomet được lắp thành bộ 45 0 , 60 0 hoặc 120 0

BỘ 45°

90 45

2 45 0

90 0

2 45 0

90 0

0

120 60

2

3 2

tg

ε

− ε

− ε

ε

−

ε

= ϕ

2 120 60

2 60 0 120

60 0

3

2

3 + ε + ε − ε + ε − ε + ε − ε

ε + ε

2 120 60

2 60 0 120

60 0

3

2

3 + ε − ε − ε + ε − ε + ε − ε

ε + ε

=

εmin

120 60

0

120 60

2

3 2

tg

ε

− ε

− ε

ε

− ε

= ϕ

- Giả thiết dụng cụ đo biến dạng (Tenzomet đòn hoặc Indicator kết

hợp thanh chống ) có các thông số đặc trưng : hệ số khuếch đại K; chiều dài chuẩn đo L O

- Ở cấp tải ban đầu (P=0) số chỉ trên dụng cụ đo là C 0

- Ở cấp tải thứ i (P= P i ) số chỉ trên dụng cụ đo là C i

- Giá trị biến dạng ở cấp tải thứ i được xác định bởi công thức sau :

0

1 L

l

* K

DỤNG CỤ,

THIẾT BỊ ĐO

IV DỤNG CỤ ĐO LỰC VÀ MÔ MEN

- Lực , mô men là những nguồn gây ra biến dạng, chuyển vị trong kết cấu công trình

- Sử dụng khi tải trọng kéo

- Giá trị lực kéo đo được

Vỏ ngoài

- Cho phép đo được các giá trị lực từ rất nhỏ đến rất lớn

- Kết nối với máy tính điện tử

NỘI DUNG CỦA CHƯƠNG 2

II TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

III TN XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA THÉP

IV MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TN KHÔNG PHÁ HOẠI ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU TRÊN CÔNG TRÌNH

I VAI TRÒ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ

LÝ CỦA VẬT LIỆU

™ Kết cấu xây dựng được cấu thành từ nhiều vật liệu khác nhau

do vậy sự làm việc của kết cấu công trình dưới tác dụng của tải trọng được quyết định bởi ứng xử cơ học của các vật liệu cấu thành

™ Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu nhằm :

- Phục vụ công tác nghiên cứu : nghiên cứu vật liệu mới, nghiên cứu các

đặc trưng của vật liệu để làm đầu vào cho việc tính toán kết cấu

- Kiểm tra chất lượng vật liệu đưa vào sử dụng trong công trình

I VAI TRÒ CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ

LÝ CỦA VẬT LIỆU

™ Vật liệu xây dựng có thể quy về hai nhóm chính :

- Nhóm vật liệu làm việc chịu nén : bê tông, gạch , vữa …

- Nhóm vật liệu làm việc chịu kéo : thép,

™ Có 2 phương pháp chính để xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu :

- Phương pháp thí nghiệm phá hoại ( phương pháp trực tiếp)

- Phương pháp thí nghiệm không phá hoại ( phương pháp gián tiếp) : thường được sử dụng để đánh giá chất lượng vật liệu trên công trình

II THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG

I VAI TRÒ CỦA VIỆC

II.1 CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA BÊ TÔNG

™ Mẫu thí nghiệm

Có hai dạng cơ bản là mẫu lập phương và mẫu trụ

- Mẫu lập phương : 100x100x100 ; 150x150x150 ; 200x200x200… ( Việt Nam, Anh, Đức …)

- Tiêu chuẩn Việt Nam quy định kích thước mẫu thử để xác định cường

độ chịu nén của bê tông là mẫu lập phương có kích thước 150x150x150

mm

- Có thể khoan lấy mẫu thí nghiệm từ Kết cấu BTCT trên công trình,

đường kính mẫu khoan d= 50 ÷ 100 mm ; h = (1 ÷ 2)d

A là diện tích tiết diện mẫu thử

α hệ số quy đổi khi thí nghiệm mẫu có kích thước khác mẫuthử chuẩn

A P

• Biến dạng ngang (sự nở ngang ) củamẫu thí nghiệm ở vùng bề mặt bị ngăncản

• Trạng thái ứng suất ở vùng bề mặt tiếpxúc là dạng khối

Dạng phá hoại mẫu thử theo hình côn

- Do ma sát ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm nên khi thí nghiệm vớicác mẫu thử có kích thước khác mẫu chuẩn cần có hệ số quy đổi α

Dạng phá hoại mẫu thử hình lập phương

™ Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

- Ảnh hưởng của hình dạng mẫu thử

Cường độ chịu nén tương quan

Lập phương

Hình trụ

Hình trụ

Lập phương

Độ mảnh λ = h/d

Độ mảnh Cường độ chịu nén tương quan

™ Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

- Ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng mẫu thử

+ Theo quy định của tiêu chuẩn, các mẫu thử phải được được bảo dưỡng ( ngâm trong nước, bọc trong túi nylon….)

+ Việc bảo dưỡng đúng quy cách đảm bảo sự phát triển cường độcủa bê tông

- Ảnh hưởng của tốc độ gia tải

+ Do bê tông là vật liệu đàn dẻo nên tốc độ gia tải ảnh hưởng đếnkết quả thí nghiệm

+ Tốc độ gia tải chậm làm tăng biến dạng của bê tông và giảm cường độ chịu nén

+ Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng, tốc độ gia tải trong khoảng 0,05

và 5 MPa/s thì cường độ chịu nén giảm 3 đến 4 %

™ Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

- Ảnh hưởng của tuổi của mẫu thử

+ Cường độ bê tông phát triển nhanh trong 28 ngày sau khi đổ bê tông Sau 28 ngày cường độ bê tông phát triển chậm Theo 1 số nghiên cứu sựchênh lệch cường độ bê tông thông thường ở thời điểm 28 ngày và 1 nămkhoảng 15%

1 i

i m

- Cường độ đặc trưng (tiêu chuẩn )R ch

S là hệ số phụ thuộc vào độ tin cậy Với độ tin cậy là 95% thì S = 1,64

Mác bê tông (ký hiệu M): là khái niệm theo tiêu chuẩn TCVN 5574 –

1991 Mác bê tông được xác định bằng cường độ trung bình của mẫuthử tiêu chuẩn hình lập phương 150 x 150 x 150 (tối thiểu 03 mẫu thử) ở tuổi 28 ngày Đơn vị đo sử dụng là kG/cm2

™ Mác và cấp độ bền của bê tông

- Các loại mác bê tông thường gặp là M100, M20, M250, M300, M350, M400, M500, M600

Cấp độ bền (ký hiệu B) : cấp độ bền của bê tông là khái niệm được sử

dụng để phân biệt cường độ chịu nén của bê tông theo chỉ dẫn, quy địnhtrong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCXDVN 356 – 2005

Giai đoạn 2 : khi σ ≈ 40% σ c : quan hệ σ– ε được xem như tuyến tính Các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện ở vùng tiếp giáp giữa vữa xi măng và cốt liệu

Giai đoạn 3 : khi σ = 40% σ c ÷80% σ c : quan hệ σ– ε phi tuyến Các vết nứt nhỏ phát triển đến bề mặt mẫu

Giai đoạn 4 : σ ≈ 100% σ c : lúc này các vết nứt phát triển trong mẫu thử theo phương của lực tác dụng Tại thời điểm này hệ số Poisson trong mẫu thử rất lớn.

- Xác định cường độ chịu kéo thường được áp dụng khi tính toán

sự bắt đầu và phát triển vết nứt trong kết cấu bê tông ( vết nứt do kéo – dạng I)

- Một số phương pháp thí nghiệm :

+ Thí nghiệm kéo trực tiếp : khó thực hiện và hiện nay chưa có tiêuchuẩn cụ thể Thí nghiệm này cho phép xác định trực tiếp cường độchịu kéo của bê tông

+ Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn+ Thí nghiệm xác định cường độ kéo thông qua thí nghiệm ép chẻ

™ Thí nghiệm kéo trực tiếp

- Thường được thực hiện theo chỉ dẫn của RILEM (International

union of laboratories and experts in construction materials, systems andstructures)

- Thí nghiệm kéo trực tiếp cho phép xác định :

+ Cường độ chịu kéo Rt+ Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt

™ Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn

- Kích thước mẫu thử (theo TCVN 3119:1993) : 150x150x600

- Cường độ chịu kéo khi uốn R tu

2 2

tu

a

P a.a

P.a w

™ Thí nghiệm xác định cường độ kéo thông qua ép chẻ

- Mẫu thí nghiệm có thể là mẫu trụ hoặc mẫu lập phương

-Cường độ chịu kéo của mẫu được xác định thông qua công thức

-Cường độ chịu kéo xác định thông qua thí nghiệm ép chẻ thường

xấp xỉ 1/10 cường độ chịu nén của mẫu thử có cùng kích thước

- Tải trọng lặp (mỏi) làm thay đổi trạng thái ứng suất trong kết cấu bê tông dẫn đến sự phá hỏng kết cấu ngay khi ứng suất trong kết cấu chưa vượt quá ứng suất cho phép

- Có nhiều cách khác nhau để tiến hành thí nghiệm mỏi tùy thuộc vào thiết bị thí nghiệm :

+ Thí nghiệm mỏi ở trạng thái uốn+ Thí nghiệm mỏi ở trạng thái làm việc kéo, nén

- Đồ thị Wöhler do tác giả thiết lập là cơ sở đánh giá độ bền của vật liệu

thí nghiệm dưới tác dụng của tải trọng mỏi

- Thiết lập quan hệ giữa tỷ suất của tải trọng tối đa (S) tác dụng lên mẫuthí nghiệm và số chu kỳ tải trọng gây phá hoại N mẫu thử

σmax : ứng suất lớn nhất do tải trọng mỏi gây ra

MR : độ bền phá hoại của mẫu thử (MR= Rtu trong thí nghiệm kéo uốn;

MR = Rn trong thí nghiệm kéo-nén)

Dạng đồ thị Wöhler thiết lập qua thí nghiệm kéo uốn ( Clemmer, 1922)

Số chu kỳ gây phá hoại log 10 (N)

Do tải trọng tác động ngắn hạn

Do tải trọng tác động dài hạn

Do nhiệt độ môi trường

™ Thí nghiệm xác định biến dạng co ngót của bê tông

- Làm thay đổi kích thước của cấu kiện

- Làm thay đổi cấu trúc vật liệu của bê tông, gây ra ứng suất kéo trongvật liệu (là nguồn gốc của các vết nứt trên bề mặt )

- Làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu : các vết nứt do co ngót đẩynhanh quá trình xâm thực của môi trường gây ra ăn mòn cốt thép chịulực trong kết cấu BTCT

Biến dạng co ngót xảy ra trong giai đoạn đông cứng đầu tiên sau

đó chậm dần Bình thường sau vài năm thì biến dạng co ngót của

bê tông kết cấu