Phương pháp khảo sát và nghiên cứu thực nghiệm công trình

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓATùy thuộc những tham số đặc trưng được sử dụng trong khi mô hình hóa, mô hình khảo sát có thể là mô hình số hoặc mô hình loại suy: Mô hình số được xây dựng bằng cách

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHUYÊN ĐỀ CAO HỌC XÂY DỰNG

PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

TÀI LIỆU CHÍNH CỦA MÔN HỌC

1 Lý thuyết mô hình

2 “Analyse de l’influence de la configuration sur lecomportement en statique d’un profilé en T, fait de compositethermoplastique à haute résistance et fibres de carbone”,Hoang Phuong Hoa, 2009

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔN HỌC

2 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH

3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG

MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC

Trang bị cho người học nắm được kiến thức về xây dựng mô hình thí nghiệm, các thiết bị phục vụ công tác thí nghiệm và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm công trình.

LÝ THUYẾT MÔ HÌNH

Khái quát về mô hình hóa : Mô hình hóa được xem như là một phương pháp cảm thụ trực tiếp để nghiên cứu trạng thái và quy luật phát triển của đối tượng khảo sát.

LÝ THUYẾT MÔ HÌNH

Trong phương pháp mô hình hóa để nhận được các thông tin, tín hiệu và hình ảnh của một hiện tượng một quá trình hay

Công việc sẽ được tiến hành khảo sát trên những đối tượng tự nhiên hay nhân tạo, mà chúng có sự tương ứng khách quan với hiện tượng nghiên cứu

LÝ THUYẾT MÔ HÌNH

Phương pháp mô hình hóa trong khoa

học kỹ thuật cũng như trong thực tế sản xuất có thể giải quyết nhiều nhiệm

vụ khác nhau sau đây:

1 Tiến hành nghiên cứu tính chất, đo đạc

và thu thập số liệu của một đối tượng

mà nguyên hình không cho phép hoặc không có khả năng thực hiện;

LÝ THUYẾT MÔ HÌNH

2 Kiểm tra xác minh kết quả nghiên cứu lý

thuyết, xác định phạm vi áp dụng các giả thiết tính toán, dùng để xây dựng một lý thuyết nào đó, hoặc chính xác hóa các công thức tính toán nhận được;

3 Chọn các thông số tối ưu cho các đối tượng,

thiết kế kiểm tra mức độ đúng đắn của các phương pháp thiết kế trong trường hợp không có phương pháp tính toán đáng tin cậy hoặc chỉ có những phương pháp quá

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Mô hình hóa vật lý: Được thực hiện đối với những mô

hình của các quá trình, hiện tượng vật thể được gọi chung là đối tượng nghiên cứu mà trong quá trình khảo sát cần bảo tồn những tính chất vật lý của đối tượng nghiên cứu đó Tùy theo yêu cầu và bản chất của đối tượng nguyên hình, mô hình của

nó có thể thực hiện theo những nguyên tắc sau:

1 Tương tự hình học;

2 Tương tự cơ học.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Mô hình hóa toán học: Quá trình nghiên cứu được tiến

hành trên một đối tượng mô hình có bản chất vật lý hoàn toàn khác với đối tượng nguyên hình, nhưng những phương trình và biểu thức biểu diễn trạng thái làm việc của chúng dưới dạng toán học hoàn toàn giống nhau Mô hình hóa toán học khác với mô hình hóa vật lý ở chỗ nó nhằm mục đích thay thế quá trình khảo sát đo đạc phức tạp khi giải quyết những đối tượng cụ thể bằng việc làm trên mô hình tương tự toán học trên một bàn tính Ở đây, quá trình vật lý của đối tượng nghiên cứu với mô hình của nó không được thiết lập, mà mô hình tương tự được dựng lên bằng các liên hệ toán học để giải quyết.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tùy thuộc những tham số đặc trưng được sử dụng trong khi

mô hình hóa, mô hình khảo sát có thể là mô hình số hoặc

mô hình loại suy:

Mô hình số được xây dựng bằng cách lập các chương trình

tính toán chuyên dụng và quá trình nghiên cứu sự biếnđộng của đối tượng được tiến hành trên máy tính điện tử;phương pháp này có thể giải quyết những bài toán để xácđịnh trạng thái ứng suất, biến dạng của kết cấu công trìnhtrên cơ sở tính toán trực tiếp từ những phương trình trong

lý thuyết cơ học hay bài toán thống kê trong tính toán côngtrình khi các tham số phụ thuộc vào các yếu tố ngẫu nhiên

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Mô hình loại suy chính là mô hình tương

tự điện Nó dựa trên cơ sở giống nhau giữa các liên hệ toán học viết cho đối tượng nghiên cứu và viết cho những mạch điện được thiết kế tương ứng Mạng điện này được gọi là mô hình

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Chẳng hạn, để thiết lập mô hình tương tự điện

của một dầm chịu uốn có liên kết đơn giản

đã dựa trên cơ sở sự giống nhau của các phương trình sau:

Đối với dầm Đối với mạng điện

dM xdx

2



Qx

dUxdx

10/18/2013 13

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Mô hình hóa vật lý: Biểu hiện khách quan giữa nguyên hình

và mô hình trong lý thuyêt mô hình hóa là sự tương tự Ýnghĩa của sự tương tự là việc tồn tại của hai hệ thống đốitượng nghiên cứu N (nguyên hình) và M (mô hình) có cáctham số trong hệ là Xi và xi tương ứng với nhau

Biểu thức tổng quát biểu diễn hệ M có thể viết:

Xn  trong đó j=1,2,3, …,m.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Hai hệ thống M và N sẽ tương tự nhau trong

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Cơ sở lý luận của phương pháp mô hình hoá là

lý thuyết tương tự Một trong những nhiệm

vụ cơ bản của lý thuyết này là xây dựng mối liên hệ phụ thuộc giữa các tham số của những quá trình diễn biến trong hệ khảo sát nguyên hình và mô hình; hay là xác lập những số tỷ lệ tương tự giữa những phần tử tương ứng của nguyên hình và mô hình khảo sát, khi những quá trình xảy ra trong hai hệ là tương tự.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích phương trình trạng thái cơ bản

Để xác định được các mối liên hệ giữa nguyên hình và mô hình

tương tự với nó, ta có thể dùng những định lý cơ bản trongvật lý và trong cơ học có liên quan trực tiếp đến việc xácđịnh các đặc trưng của đối tượng nghiên cứu như: sự cânbằng tĩnh học của hệ cơ học, sự phụ thuộc giữa ứng suất

và biến dạng trong quá trình làm việc của vật liệu, cácphương trình cơ bản trong môi trường liên tục…tất cả cácphương trình và liên hệ đó thường là thích ứng đối với toàn

bộ những bài toán cơ học khi chúng được khảo sát trongđiều kiện tĩnh học Thực tế các công trình xây dựng thườnglàm việc dưới tác dụng của tải trọng tĩnh hoặc tải trọngđộng với tần số thấp Việc xây dựng những mô hình tương

tự theo phương pháp này hoàn toàn có thể thoả mãn chohàng loạt trường hợp nghiên cứu

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích thứ nguyên của các

tham số trong hệ khảo sát

Phương pháp này có tính tổng quát, nó có thể

áp dụng cho mọi bài toán mô hình hoá có số lượng lớn tham số khảo sát, kể cả trường hợp khi hệ khảo sát chịu tải trọng động hay hiện tượng mà sự biến thiên phụ thuộc vào thời gian.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích thứ nguyên của các tham số

trong hệ khảo sát (tt)

Bằng cách phân tích thứ nguyên của các tham số,

người ta có thể nhận biết rất nhanh các lời giải của một bài toán mô hình hoá bất kỳ chứa nhiều biến

số khi hệ thống biến số có ảnh hưởng đến lời giải của bài toán được sắp xếp theo một nguyên tắc nhất định Tuy nhiên, lời giải nhận được không phải luôn cho chúng ta dạng đầy đủ, nhưng nó có khả năng cho phép tìm được các quy luật tương

tự để giải quyết các bài toán có chứa nhiều biến số.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích thứ nguyên của các tham số

trong hệ khảo sát (tt)

Trong khi bài toán khảo sát nhiều biến số thì mục đích

cơ bản của PP phân tích thứ nguyên ở đây là tìm khả năng giảm bớt số lượng biến số.

Sau khi giảm bớt được số lượng biến số hoặc tập hợp

thành nhóm các biến số theo nguyên tắc phân tích thứ nguyên hay nhóm của tích nhiều biến số chúng ta có thể rút ra được phương trình có dạng biểu diễn sự liên hệ giữa mỗi một biến số cơ bản với các biến số hoặc nhóm còn lại của hệ khảo

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích thứ nguyên của các tham số

trong hệ khảo sát (tt)

Khi đã xác định được các dạng của các phương trình

biểu diễn mối quan hệ giữa các biến số, thì bấy giờ dạng của phương trình liên hệ đó chỉ có giá trị thứ yếu, sau đó ta chỉ dùng các số hạng riêng lẻ của phương trình tìm được ở trên để tính toán mối liên hệ giữa mỗi một biến số đặc trưng tương ứng của nguyên hình và mô hình.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích thứ nguyên của các tham số trong hệ

khảo sát (tt)

Ví dụ: Bằng cách phân tích thứ nguyên để giảm bớt số lượng

các biến số của hệ khảo sát là dầm conson chịu tác dụng

của lực phân bố q, chiều dài l, tiết diện bxh, Modul đàn hồi

E và hệ số Poisson µ

Mối liên hệ giữa các biến số trong hệ khảo sát:

F(q,l,b,h,E,µ) = 0

Khảo sát thứ nguyên của các biến số đó ta có thể ghép các

biến số tương ứng thành 4 nhóm không thứ nguyên:

q/El; h/l; b/l và µ

Các tích không thứ nguyên này được liên hệ với nhau dưới

một phương trình có dạng mới để biểu diễn hệ khảo sát:

G(q/El; h/l; b/l, µ) = 0

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Phương pháp phân tích thứ nguyên của các tham số trong hệ

khảo sát (tt)

Để triển khai bài toán mô hình hoá, bây giờ chúng ta không cần

quan tâm đến dạng của hàm G, mà chỉ dùng sự liên hệ củacác tham số trong bốn biến số mới của hệ khảo sát, đó là:

Π1 = q/El; Π2 = h/l; Π3 = b/l; Π4 = µ

Từ đó ta có mối liên hệ của các tham số kích thước hình học (l,

b, h), đặc trưng vật liệu (E, µ) và tải trọng tác dụng (q) giữa nguyên hình khảo sát và mô hình tương tự

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Những quá trình nghiên cứu trong mô hình và nguyên hình

cũng như trạng thái của mô hình và nguyên hình cần phảiđược viết bằng những phương trình như nhau Chính nhờcác phương trình đó, chúng ta có thể tiến hành xác địnhmột số nguyên tắc tương tự cơ bản giữa nguyên hình và

mô hình

1 Nguyên tắc thành lập số tỷ lệ tương tự: s

Các số tỷ lệ tương tự được tạo thành bởi tỷ số những đại

lượng của các biến số tương ứng giữa nguyên hình và môhình Nếu các biến số đó là các tham số độc lập cơ bảntrong hệ nghiên cứu thì tỷ số nhận được sẽ là những số tỷ

lệ cơ bản của hệ

s M

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Các số tỷ lệ này có thể chọn trái ngược nhau, có thể dùng tỷ số

của đại lượng nguyên hình trên đại lượng mô hình hoặcngược lại Như vậy ta có:

Tuy nhiên, khi sử dụng số tỷ lệ theo cách thứ hai sẽ dễ dàng

cho chúng ta khi tiến hành tính toán thiết kế mô hình từ cácđại lượng của nguyên hình:

10/18/2013 25

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái

cơ bản

2 Chọn số tỷ lệ cơ bản của kích thước hình học- Số

sự tương tự hình học giữa mô hình và nguyên hình đóng vai trò quan trọng Điều kiện cần thiết

để đảm bảo tiêu chuẩn tương tự hình học là sự đồng dạng hoàn toàn về hình dạng giữa mô hình

và nguyên hình.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái

cơ bản

Khi đó những điểm chiếm vị trí như nhau trong

nguyên hình và mô hìnhgọi là điểm đồng đẳng và tập hợp một số các điểm đồng đẳng sẽ tạo thành

một bộ phận đồng đẳng Số tỷ lệ độ dài sL được xác định bởi sự khác nhau trong kích thước hình học của các bộ phận đồng đẳng, tức là:

L

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình

trạng thái cơ bản

Trong thực tế, kích thước hình học của mô

hình thí nghiệm hoàn toàn không có sự liên quan đến các đại lượng đặc trưng khác, mà chỉ phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của đối tượng nguyên hình.

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ

bản (tt)

Cho nên, số tỷ lệ độ dài trong các bài toán mô hình hoá

được coi là số tỷ lệ của một tham số độc lập cơ bản và cho phép chọn tuỳ ý sao cho phù hợp với hoàn cảnh

và điều kiện thí nghiệm Bảng sau giới thiệu các miền giá trị tỷ lệ tương tự độ dài với kết cấu công trình:

Loại kết cấu Mô hình đàn hồi Mô hình trực

tiếp Kết cấu mái, vỏ 1/200-1/50

1/30-1/10

N M L

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Các số tỷ lệ dẫn xuất từ số tỷ lệ độ dài:

Diện tích tiết diện ngang hay thể tích của vật thể là những đại

lượng được dẫn xuất từ đặc trưng độ dài hình học của vậtthể đó Vì thế, sự tương quan của diện tích và thể tích củacác phần tử tương ứng trên mô hình và nguyên hình xácđịnh bằng số mũ của số tỷ lệ kích thước:

Đối với diện tích F: F = L.L = L 2 → s F = L 2 /L 2 = s 2

Như vậy, số tỷ lệ tương tự đối với tham số diện tích giữa

nguyên hình và mô hình bằng bình phương của tỷ lệ tương

tự độ dài: F N = s 2 F

L M

Đối với thể tích V: V = L.L.L = L 3 → s V = L 3 /L 3 = s 3

Số tỷ lệ tương tự đối với tham số thể tích giữa nguyên hình và

mô hình bằng lập phương của tỷ lệ tương tự độ dài:

V = s 3 V

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Xác định số tỷ lệ của tham số chuyển vị:

Chuyển vị là sự dời chỗ của các phần tử kết cấu và giá trị của

chuyển vị được đo bằng số đo độ dài Số tỷ lệ tương tựcủa tham số chuyển vị giữa nguyên hình và mô hình phải

được xác định bằng số tỷ lệ tương tự độ dài, ta có s u = s L

Chuyển vị tồn tại trên đối tượng nguyên hình u N sẽ được xác

định bằng giá trị chuyển vị tương ứng nhận được từ kết

quả đo đạc trên mô hình tương tự u nhân với số tỷ lệ

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Nếu số tỷ lệ biến dạng dài tương đối là: s ε thì biến dạng dài

tương đối trong nguyên hình và mô hình liên hệ bằng biểu

thức: ε N = s ε ε M (*) Vì trị số biến dạng dài u trên một phần

tử vô cùng bé của nguyên hình và mô hình có thể xác định

được, nên ta có thể viết: ε = u/L → ε N = u N /L N và ε M = u M /L M

Thay giá trị của ε N và ε M vào PT (*) ta có:

u N /L N = s ε u M /L M →s ε = (L M /L N )*(u N /u M ) do đó s ε = (1/s L )*s L =1

Điều này nghĩa là số tỷ lệ của biến dạng dài tương đối bằng 1

hay số tỷ lệ tương tự của các tham số không thứ nguyênbằng 1

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Số tỷ lệ tương tự của tham số đặc trưng vật liệu:

Khi xét đến sự tương tự của vật liệu làm mô hình, có nghĩa là

tiến hành khảo sát và xác định số tỷ lệ tương tự của các

tham số đặc trưng cho vật liệu như Modul đàn hồi E, Hệ số Poisson µ, trọng lượng riêng ρ…Trong những tham số này,

ngoài hệ số Poisson là tham số không thứ nguyên thì

thường chọn Modul đàn hồi E của vật liệu là một tham số

có thứ nguyên làm tham số cơ bản Ta có thể viết:

s E = E N /E M

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Số tỷ lệ tương tự của tham số ứng suất:

Đối với vật liệu đàn hồi hay vật liệu làm việc trong miền đàn hồi

của biến dạng, thì mối liên hệ ứng suất và biến dạng cần

thoả mãn định luật Hooke, tức là: σ = ε.E

Số tỷ lệ tương tự của ứng suất s σ sẽ được xác định bằng tỷ số

ứng suất trong nguyên hình và ứng suất trong mô hìnhtương tự:

s σ = σ N /σ M = (E N /E M )*(ε N /ε M )→ s σ = s E s ε trên ta đã chứng minh

s ε = 1 nên ta có: s σ = s E

Các tham số trong hệ khảo sát có cùng thứ nguyên phải có

cùng chung một số tỷ lệ tương tự như nhau

L M

CÁC DANG MÔ HÌNH HÓA

Tương tự vật lý trên cơ sở các phương trình trạng thái cơ bản

Số tỷ lệ tương tự của lực tập trung s P:

Lực tập trung P tác dụng lên tiết diện của đối tượng khảo sát

mối liên hệ được biểu diễn: P = σ.F

Với nguyên hình: P N = σ N F N = s σ F σ = s σ σ M s 2 F

Với mô hình: P M = σ M F M

Lập tỷ số của lực tập trung của nguyên hình trên mô hình ta có

được tỷ lệ tương tự của lực tập trung sP bằng:

s P = P N /P M = s σ s 2 vì s = s nên ta có: s = s s 2

Số tỷ lệ tương tự nội lực tập trung giữa nguyên hình và mô

hình xác định bằng tích các số tỷ lệ tương tự của modulđàn hồi vật liệu với bình phương của số tỷ lệ tương tự độdài