BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH TS HỒ HỮU CHỈNH

THÍ NGHIỆM CƠNG TRÌNH Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM GV: Hồ Hữu Chỉnh Structural Testing Laboratory - HCMC University of Technology Email: Email: hohuuchinh@hcmut.edu.vn hohuuchinh@hcmut.edu.vn Nội dung môn học ™ Chương I: Khái niệm nghiên cứu thực nghiệm ™ Chương II: Phương pháp khảo sát đánh giá chất lượng vật liệu ™ Chương III: Thiết bò phương pháp đo ứng suất biến dạng ™ Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm công trình chòu tải trọng tónh ™ Chương V: Nghiên cứu thực nghiệm công trình chòu tải trọng động Tài liệu tham khảo z z z Phương pháp khảo sát nghiên cứu thực nghiệm công trình (Võ Văn Thảo, NXB KHKT, Hà Nội, 2001) TCXDVN 363_2006: Kết cấu BTCT- Đánh giá độ bền phận kết cấu chòu uốn công trình phương pháp thí nghiệm chất tải tónh (Bộ Xây Dựng, Hà Nội, 2006) TCXDVN 373_2006: Chỉ dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm kết cấu nhà (Bộ Xây Dựng, Hà Nội, 2006) Chương I : Khái niệm nghiên cứu thực nghiệm Chương I-1 Tại phải TNCT ? TN học cổ điển cung cấp số liệu riêng biệt mẩu vật nhỏ, ứng xử vật liệu làm việc kết cấu mơ hồ Ứng xử phụ thuộc: - Hình dạng kết cấu - Kích thước kết cấu - Tương tác ứng suất đa chiều Cần thiết TN kích thước thực điều kiện tải trọng khác ⇒ Thiết lập gỉa thiết giá trò tuổi thọ sức chòu tải kết cấu - Can thiệp vật liệu ≠ (sandwich, BTCT, BT tiền áp,…) - Ảnh hưởng liên kết ≠ (hàn, bu lông, khớp nối,…) Chương I-2 Giới thiệu môn học  Cung cấp cho sinh viên kiến thức làm việc kết cấu công trình thí nghiệm trực quan sinh động  Kiểm đònh kết cấu xây dựng, đánh gía tuổi thọ độ bền kết cấu XD cần sửa chữa  Ứng dụng Thí Nghiệm Công Trình (TNCT) nghiên cứu, triển khai kết cấu Chương I-3 Ý nghóa trạng ng thái ứng ng suất – biến dạng ng (σ−ε) đo ε Lực F Độ xác tin cậy đo (σ−ε) phụ thuộc: ƒ kích thước số lượng đối tượng Nghiên cứu thực nghiệm = Khảo sát biến động (σ−ε) ⇒ nội lực (M,N,Q) ⇒ khả & mức độ làm việc KC ⇒ dự đoán tuổi thọ công trình (đo phát triển khe nứt, phá hủy) ⇒ đánh giá lý thuyết tính toán (đàn hồi, dẻo, phá hủy?) khảo sát (tỷ lệ mô hình ? hệ số chuyển đổi ?) ƒ hình dáng đối tượng khảo sát: đơn giản, phức tạp ƒ cấu tạo vật liệu có quan hệ (σ−ε) TT, phi TT,… ƒ công nghệ chế tạo: tiền áp, lắp ghép, đổ chổ ⇒ ứng suất dư !!! ƒ tính chất tải trọng ngoài: tác dụng tónh hay tác dụng động ƒ môi trường tiến hành TN: MT chuẩn = 23°C, 50% độ ẩm Chương I-4 Đo biến dạng ng tương đối (ε) kết cấu công trình * Hiện nay: đo ε trực tiếp tính σ = f (ε−Ε−μ) gián tiếp Hooke * Trường hợp non-Hooke: đo ε1 tính σ1 từ đường cong (σ−ε) thí nghiệm phá hoại mẩu * Đo ε lớp VL bề mặt cảm biến ⇒ xác đònh nội lực đàn hồi, biến dạng dẽo hay phá hoại σ σ1 (σ−ε) ε1 ε Chương I-5 Đo biến dạng ng tương đối (ε) kết cấu công trình (tt) Kiểu tải trọng Trạng thái VL Trạng thái σ P = const: dùng cảm biến (strain gage-SG) Đàn hồi: ε < εy (Fe = 2-6 mε) LSG > mm σ phương: SG thông thường P = P(t): BD dẻo: ε > εy σ hai phương: SG rosette dùng cảm biến (strain gage-SG) + analog OSC (10-5000Hz) digital OSC (0-40MHz) (tốt) LSG = 1-5 mm Tập trung σ σ ba phương: LSG < mm + quang đàn hồi + sơn phủ dòn Chưa có pp đo tốt Chương I-6 Mô hình tính toán - Lý thuyết đồng ng dạng ng & thứ nguyên Tải P (N) Nguyên lý đồng dạng ρ (kg/m3), E (MPa), μ (Tham số: ρ, E, μ, B, P) Kích thước B (m) 1)-Trường hợp tổng quát: ⎫ ⎧ ⎪ ⎪ = μ μ ⎪ ⎪ m ⎪ Em E ⎪⎪ ⎧ ε = ε m ⎫ = ⎨ ⎬⇒ ⎨ ⎬ = δ n δ g B gB ρ ρ m⎭ ⎪ m m m ⎪ ⎩ ⎪ Pm ⎪ P = ⎪ ⎪ 2 ⎪⎭ ⎩ E m Bm EB Pm ρm , Em , μm Bm 2)-MH làm VL thực bỏ qua trọng lượng riêng: P⎫ ⎧ Pm = ⎪ B2 B2 ⎪ ⎧ ε = ε ⎫ ⎪ m ⎪ m ⇒ ⎨ ⎬ ⎨ ⎬ = δ n δ q q m⎭ ⎪ m = ⎪ ⎩ ⎪⎩ Bm B ⎪⎭ 1/n – tỷ lệ mô hình Ghi chú: P (N) – tải tập trung δ, δm – chuyển vò ε, εm – biến dạng q (N/m) – tải phân bố Chương IV-10 ‡Trình tự chất tải, giữ tải, dỡ tải TN tónh Chất tải trọng: ‹ Cấp gia tải 1/5 – 1/10 trò số tải trọng tính toán, tốc độ const trình gia tải ‹ Cấp tải trọng – 10 % trò số tải trọng cực đại ‹ Lần gia tải nên chất dỡ tải vài lần (loại trừ biến dạng không đàn hồi kết cấu) Dỡ tải trọng: ‹ Cấp dỡ tải số nguyên lần cấp gia tải (1, 2) để tiết kiệm thời gian TN, tốc độ const trình dỡ tải Giữ tải trọng: ‹ Đo biến dạng tức thời : giữ tải phút ‹ Đo biến dạng dài hạn KC kim loại : giữ tải 15-30 phút ‹ Đo biến dạng dài hạn BTCT : giữ tải 6-12 (do từ biến) Chương IV-11 Các bước để tiến hành nh thí nghiệm tải tónh Lắp đặt hệ thống gối đỡ, giằng ngang (đặc biệt TN tải phá hoại) Lắp đặt vật thí nghiệm vào vò trí yêu cầu, kiểm tra phương đứng phương ngang, neo giằng, che chắn Lắp đặt hệ thống phân phối lực, đònh vò kích thủy lực, kiểm tra đồng hồ đo kích thủy lực Lắp đặt dụng cụ đo biến dạng, chuyển vò, … Kiểm tra độ chắn, độ nhạy, độ xác thiết bò đo Chú ý việc bố trí dụng cụ đo cho đọc số đo dể dàng thuận tiện để khảo sát phần từ vật TN Phân công vò trí người tham gia thí nghiệm: người gia tải, người đọc số, người ghi, người quan sát,… Chất dỡ tải trọng thử ban đầu (5-10% Pmax) vài lần để phát hiện, sửa chữa dụng cụ đo, loại trừ biến dạng dư (nếu có) Gia tải theo cấp, theo thời gian cần thiết (tại đúùng thời điểm) Luôn theo dõi trình gia tải tránh cố bất ngờ Đọc ghi lại kết theo chủng loại Chương IV-12 ‡Đo tham số khảo sát thí nghiệm tónh Tham số khảo sát: z Chuyển vò biến dạng z Ứng suất nội lực Nên tiến hành đo lúc giá trò tham số quan trọng dụng cụ đo khác Ví dụ: đo độ võng dầm dùng kết hợp đồng hồ đo kiểu học máy đo cao trình Đối với cấu kiện đơn giản, hạn chế việc bố trí nhiều điểm đo ⇒ tốn thời gian TN xử lý số liệu phức tạp Bố trí dụng cụ đo điểm đo có giá trò đo lớn vùng có trạng thái làm việc phức tạp: ứng suất cục bộ, ảnh hưởng biên,… Chương IV-13 ‡Bố trí dụng ng cụ đo độ võng kết cấu chòu uốn Các sơ đồ đo độ võng: a)- Với đồng hồ đo lún gối: fc = c − a+b b)- Với đồng hồ đo: a+b⎞ ⎛ f c = kf c' = k ⎜ c − ⎟ ⎠ ⎝ k = f (dA, dB, l1, P) c)- Với đồng hồ đo cho kết cấu nhòp lớn a)- fC b)- c)- f’C Chương IV-14 ‡Bố trí điểm đo biến dạng ng kết cấu chòu TTƯS trục a)- Lực P tâm : SG đo + 1SG kiểm tra b)- Lực P lệch tâm : SG đo + 1SG kiểm tra c)- Lực P đặt bất kỳ: SG đo + 1SG kiểm tra d)- Tiết diện phức tạp : SG đo + SG kiểm tra a)- SG kiểm SG đo b)- c)- d)- Chương IV-15 ‡Bố trí điểm đo biến dạng ng kết cấu chòu TTƯS phẳng ng a)- Phương εmax εmin biết : cặp SG trực giao a)- b)- c)- b)- Phương εmax εmin biết : cặp SG trực giao + SG kiểm tra 45o c)- Phương εmax εmin chưa biết : cặp SG trực giao d)- d)- & e)- Phương εmax εmin chưa biết : kiểu Δ hay kiểu T-Δ f)- Phương εmax εmin chưa biết chuẩn đo > 30mm: dán chồng SG hay dùng SG rosette f)- e)- Chương IV-16 Tính toán kết TN tónh: đồ thò tải trọng ng-biến dạng ng-thời gian ¾ Nên sử dụng đồ thò P–Δ–t khảo sát biến dạng kết cấu: nghiên cứu BTCT, khảo sát từ biến, tải trọng dài hạn,… ¾ Sử dụng đồ thò P–Δ–t kiểu trục toạ độ (hình A) đồ thò P–Δ có đồ thò phụ Δ–t (hình B) Δ (mm) P (kG) t I II III Δ IV t (phút) t P (kG) Hình A Δ (mm) Δ Hình B Chương IV-17 Ví dụ: Tính độ võng dầm chòu uốn dùng ng đồng ng hồ đo ¾ Công thức chung xác đònh độ võng lớn dầm (fC): y + yB ⎞ ⎛ f c = kf ' c = k ⎜ y C − A ⎟ ⎠ ⎝ P a A C d Pa b fc = LEI ¾ Độ võng cực đại dầm hình H-2: PL 22 L 23 M A L 21 M B L 21 + + f 'c = L EI 16 EI 16 EI ¾ Hệ số chuyển đổi k tính bằng: k = PL 22 L 23 Pa b L L + M A L 21 16 + M B L 21 16 MA B L1 L ¾ Độ võng cực đại dầm hình H-1: L2 P A H-1 b C d L3 B H-2 MB L1 bdP adP ,MB = L L L2 = a − d , L3 = b − d MA = Chương IV-18 Độ võng max dầm chòu tải đối xứng ng dùng ng đồng ng hồ đo ¾ Công thức chung xác đònh độ võng lớn dầm (fC): yA + yB ⎞ ⎛ fc = k ⎜ yC − ⎟ ⎝ ⎠ ¾ Tải tập trung dầm (H-1) L3 k = L1 (L + d ) A d H-2 k = L d 5L L14 + 24 dL 12 (L − d ) B L1 P d P C L ¾ Tải phân bố toàn dầm (H-3) C A ¾ Hai tải tập trung đối xứng (H-2) L2 − d k = L12 P H-1 B L1 d q H-3 A d C L L1 B d Chương IV-19 Ý nghóa trạng ng thái ứng ng suất – biến dạng ng (σ−ε) đo ε Lực F Độ xác tin cậy đo (σ−ε) phụ thuộc: ƒ kích thước số lượng đối tượng Nghiên cứu thực nghiệm = Khảo sát biến động (σ−ε) ⇒ nội lực (M,N,Q) ⇒ khả & mức độ làm việc KC ⇒ dự đoán tuổi thọ công trình (đo phát triển khe nứt, phá hủy) ⇒ đánh giá lý thuyết tính toán (đàn hồi, dẻo, phá hủy?) khảo sát (tỷ lệ mô hình ? hệ số chuyển đổi ?) ƒ hình dáng đối tượng khảo sát: đơn giản, phức tạp ƒ cấu tạo vật liệu có quan hệ (σ−ε) TT, phi TT,… ƒ công nghệ chế tạo: tiền áp, lắp ghép, đổ chổ ⇒ ứng suất dư !!! ƒ tính chất tải trọng ngoài: tác dụng tónh hay tác dụng động ƒ môi trường tiến hành TN: MT chuẩn = 23°C, 50% độ ẩm Chương IV-20 Xác đònh trạng ng thái σ−ε qua số đo ε : kết cấu phương N ε N εa εb ΔL ε = ⇒ σ = Eε Lo ⇒ N = EF ε GIAI ĐỌAN ĐÀN HỒI + Kéo nén trục: SG ε + Uốn trục: SG εa , εb + Uốn trục: SG εa , εb , εc + Nén ε < , kéo ε > y y x N x y Mx N M xya σ a = Eε a = + F Jx σ b = Eε b = N M xyb + F Jx EF (ε b y a − ε a y b ) ⎧ N = ⎪ ya − yb ⎪ ⇒ ⎨ ⎪ M = EJ x (ε a − ε b ) ⎪⎩ x ya − yb εa εc x εb x My N y Mx N M x ya M y x a σ a = Eε a = + + F Jx Jy σ b = Eε b = N Mx yb M y x b + + F Jx Jy N M x yc M y x c σ c = Eε c = + + F Jx Jy ⎧N ⎪ ⇒ ⎨M ⎪M ⎩ ⎫ ⎪ x ⎬ = f (ε a , ε b , ε c ) ⎪ y ⎭ Chương IV-21 Xác đònh vò trí trục trung hòa kết cấu chòu lực phương y Dùng cảm biến điện trở (SG) để xác đònh nội lực N, Mx, My : ⎧ N M x ya M y x a ⎫ σ = ε = + + E ⎪ a ⎪ a F J J x y ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎧N ⎫ ⎛⎜ ε a ⎞⎟ M x N Mx yb ⎪ ⎪ ⎪ y b⎪ + ⎨σ b = Eε b = + ⎬ ⇒ ⎨M x ⎬ = f ⎜ ε b ⎟ F Jx Jy ⎪ ⎪ ⎪ ⎜ ⎟ ⎪ ⎩M y ⎭ ⎝ ε c ⎠ ⎪ ⎪ M x ⎪σ c = Eε c = N + M x y c + y c ⎪ ⎪⎩ F Jx J y ⎪⎭ Vò trí trục trung hòa (xH , yH) : xH = − N F My Jy N yH = F M − x Jx x εa εc x εb y xH x My N y Mx N My Mx x yH y tru ïc t ru ng ho øa Chương IV-22 Xác đònh biến dạng ng εmax , εmin ứng ng suất phẳng ng ε1 + ε3 + ε +ε εmin = − εmax = ε3 ε2 90o ε p,q 45o θ ε1 60o ε2 45o Trường hợp cảm biến kiểu delta ε1 / ε2 = 60o ε2 / ε3 = 60o ε3 / ε1 = 120o ε3 Trường hợp cảm biến trực giao ε1 / ε2 = 45o ε2 / ε3 = 45o ε3 / ε1 = 90o ε1 60o 60o 2 (ε1 − ε2 )2 + (ε2 − ε3 )2 εmax = ε1 +ε2 +ε3 (ε1 −ε2 )2 +(ε2 −ε3 )2 +(ε3 −ε1)2 + 3 2 (ε1 − ε2 )2 + (ε2 − ε3 )2 εmin = ε1 +ε2 +ε3 (ε1 −ε2 )2 +(ε2 −ε3 )2 +(ε3 −ε1)2 − 3 ⎡ 2ε − ε − ε ⎤ θ = TAN −1 ⎢ ⎥ ⎣ ε1 − ε ⎦ θ : góc từ trục ε1 đến phương biến dạng gần ⎡ (ε − ε ) ⎤ −1 θ = TAN ⎢ ⎥ ε − ε − ε 2 ⎢⎣ ⎥ ⎦ Chương IV-23 Tính tóan an chuyển đổi từø ε qua σ ứng ng suất phẳng ng τ τmax σmin 45ο σmax σ Vòng tròn Mohr τ E [ε max + μεmin ] σ max = 1− μ E [ε + μεmax ] σ = 1− μ σ max − σ τ max = σ φ = σ max cos2 ϕ + σ sin ϕ φ σπ/2−φ σφ σπ σ Vòng tròn Mohr −φ = σ cos2 ϕ + σ max sin ϕ σ φ + σ π 2−φ = σ max + σ = const ε1 + ε = ε max + ε = const Chương IV-24 Đánh nh giá kết thí nghiệm tải trọng ng tác dụng ng tónh Xác đònh nguyên nhân làm khả chòu lực kết cấu ⇒ đề xuất biện pháp gia cường, sữa chữa KC hay liên kết Độ sai lệch tải trọng tính toán tải trọng phá hoại thực tế ⇒ Ptt < Ptn : xác đònh dự trữ độ bền KC loại ⇒ Ptt > Ptn : chất lượng vật liệu KC không đạt, cần TK lại ⇒ Ptt ≠ Ptn : chọn sơ đồ pp tính tóan KC không xác Sự tương ứng tham số δ , ε vết nứt đo TN tính tóan lý thuyết công trình sử dụng gia tải Ptn < Ptt ⇒ phán đoán khả chòu lực thực tế ⇒ dự báo khả làm việc tương lai [...]... đo τ Thí nghiệm công trình: (độ tin cậy cao, đắt tiền) „ Chòu tải trọng tónh „ Chòu tải trọng động Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM Structural Testing Laboratory - HCMC University of Technology Thiết bò TN cường độ bê tông ¾ Thí nghiệm nén bê tông tiêu chuẩn (15x15x15) hoặc phi tiêu chuẩn (kích thước lớn hoặc mác cao) ¾ Thí nghiệm bửa đôi bê tông (split test) ¾ Thí nghiệm. ..THÍ NGHIỆM CƠNG TRÌNH Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM GV: Hồ Hữu Chỉnh Structural Testing Laboratory - HCMC University of Technology Email: Email: hohuuchinh@hcmut.edu.vn hohuuchinh@hcmut.edu.vn Chương II : Phương pháp... Bộ chuyển kênh SB10 nghiệm phân tích ứng suất của kết cấu bê tông, thép, … ¾ Đọc trực tiếp giá trò đo biến dạng (ε) ¾ Sử dụng cầu đo Wheatstone 1, 2, 4 cảm biến điện trở ¾ Có thể đo 10 vò trí đồng thời Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM Structural Testing Laboratory - HCMC University of Technology Đồng hồ đo chuyển vò bé ¾ Sử dụng trong thí Dial indicator nghiệm đo chuyển vò,... tónh ¾ Thí nghiệm tónh kết cấu 1 phương có kích thước max = 4 m ¾ Khung thép gia tải dễ tháo lắp, di chuyển ¾ Hai kích thủy lực di động trên khung có khả năng tác dụng lực từ trên xuống hay từ dưới lên Khung gia tải 20T (Magnus-HiTech) Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM Structural Testing Laboratory - HCMC University of Technology Thiết bò đo biến dạng ¾ Sử dụng trong thí Thiết... (4P-bending test) Máy nén bê tông 300T Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM Structural Testing Laboratory - HCMC University of Technology Thiết bò khoan lấy mẫu bê tông ¾ Khoan di động lấy mẫu bê tông tại công trường ¾ Đường kính lõi khoan: 75-100-150 mm ¾ Chiều cao lõi khoan: max = 500 mm Máy khoan Matest (Diamant 4-Alu) Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TPHCM... Technology Thiết bò kéo nén vạn năng ¾ Thí nghiệm đa chức năng: kéo - Máy thử 100T (Instron-2294SV) nén - uốn - cắt mẫu VL có hình dạng khác nhau (khối, ống, tấm, thanh, đường hàn) ¾ Thép tròn φ = 12-70 mm ¾ Thép bản 0-65 x 55 mm ¾ Lực kéo max 100 T ¾ Tốc độ max 100 mm/phút ¾ Software Partner có sẳn các tiêu chuẩn ASTM, BS,… có thể xuất đồ thò dạng Bitmap Phòng Thí Nghiệm Kết cấu Xây Dựng - Đại Học Bách... của bê tông Chương II-5 Phương pháp không phá hoại (Non destructive testing - NDT) ” Ưu điểm: ƒ ƒ ƒ Đánh giá chất lượng ngay trên kết cấu thực tế Trong quá trình TN, vật liệu không bò hư hỏng Phát hiện được khuyết tật nằm sâu trong VL và kết cấu công trình ” Khuyết điểm: ƒ Chỉ xác đònh gián tiếp cường độ VL (phải xây dựng biểu đồ chuyển đổi chuẩn giữa đại lượng đo và cường độ VL thực) ” Nhiệm vụ của NDT:... bằng máy siêu âm, tia X, tia gamma … ” Khảo sát đặc trưng cơ lý VLXD: Thí nghiệm phá họai mẫu + Phương pháp NDT => Tin cậy & chính xác cao Chương II-6 ” ” Nguyên lý so sánh chuẩn: từ số liệu đo của NDT ( độ cứng, tốc độ truyền sóng …) đưa vào biểu đồ chuyển đổi chuẩn => Rthực của VL Xây dựng biểu đồ chuẩn: Rthực = f (xNDT) tốn nhiều công sức Ví dụ biểu đồ chuẩn súng BT: ƒ Tìm Rthực chỉ cần 3-9 mẫu TN... 200 1.16 D = 150 , H = 300 1.20 D = 200 , H = 400 1.24 Ghi chú TCVN 3118-93 (Việtnam) ACI 318-02 (Mỹ) Chương II-7C Xác đònh cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán VLXD ¾ Cường độ trung bình n mẫu thí nghiệm (thép, bê tông): 1 n R tb = ∑ R i n i =1 ¾ Cường độ tiêu chuẩn với xác suất đảm bảo p = 95%: ( R tc = R tb 1 − S p v ) với Sp = 1.64 (khi n < 15) n Hệ số biến động: v = 1 R tb ∑ (R i − R tb )... max, i =1 Dùng biểu đồ chuẩn hoặc tra bảng để tìm cường độ chòu nén của BT Chương II-9 Khảo sát thực nghiệm bê tông: Phương pháp siêu âm a)- ™ Máy đo siêu âm thường có tần số 25-200 kHz, với tham số đo là tốc độ truyền sóng, được dùng để: xác đònh độ đồng nhất của BT, xác đònh cường độ và module đàn hồi, phát hiện khuyết tật trong KC, … ™ Chọn đầu đo (transducers): ƒ Khoảng đo < 30 cm, chọn loại > 100