THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 4 THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH DÀN THÉP Trong các công trình dân dụng và công nghiệp, dạng kết cấu hệ thanh chịu lực được sử dụng rất phổ biến.. Làm quen với phương pháp thí nghi

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 4 THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH DÀN THÉP

Trong các công trình dân dụng và công nghiệp, dạng kết cấu hệ thanh chịu lực được sử dụng rất phổ biến Một trong những kết cấu thường gặp là dàn thép được cấu tạo bằng thép hình Trong bài thí nghiệm này, sẽ khảo sát sự làm việc của mô hình dàn đơn giản có hai cánh song song

4.1 Mục đích thí nghiệm

Nghiên cứu quy luật phân bố nội lực trong giới hạn đàn hồi của mô hình dàn thép chịu tác dụng của tải trọng tĩnh tập trung tại các mắt dàn

Xác định các giá trị chuyển vị của các mắt dàn và biểu đồ độ võng tổng thể của dàn tương ứng với các cấp tải trọng tác dụng

Làm quen với phương pháp thí nghiệm một kết cấu hệ thanh, biết cách sử dụng các thiết bị đo để xác định các giá trị biến dạng, ứng suất và chuyển vị bằng phương pháp thực nghiệm

4.2 Yêu cầu thí nghiệm

Đo biến dạng ε tại một số thanh đại diện trong dàn Từ đó tính được ứng suất σ và lực dọc trong các thanh dàn

Xác định độ võng Δ tại một số vị trí trên dàn

So sánh kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết

4.3 Cấu tạo và kích thước dàn thép chịu tải trọng tĩnh

Hình 4.1 Mô hình dàn thép

Dàn thép hình thang năm nhịp, mỗi nhịp cao 0.5m, bước nhịp 1m

Các thanh cánh thép 2L40x40x4 có F= 6.16 cm2, Jx= 9.16 cm4, E= 21.107 N/cm2

Các thanh bụng thép 2L40x40x3 có F= 4.7 cm2, Jx= 7.1 cm4, E= 21.107 N/cm2

4.4 Thiết bị thí nghiệm

1/20

Thiết bị gia tải:

+ Kích thủy lực 20T (đường kính piston Dpiston= 5.59cm) như Hình 4.2 + Hai quang treo và đòn gia tải như Hình 4.2

Thiết bị đo biến dạng:

+ Các cảm biến đo biến dạng của các thanh thép (strain gage) Hình 4.3 + Thiết bị ghi tín hiệu P3500 và bộ chuyển kênh SB10 Hình 4.3

Thiết bị đo độ võng: các

đồng hồ đo chuyển vị bé, độ chính xác như Hình 4.4

Hình 4.2 Hệ thống thí nghiệm mô hình dàn

0.01mm (dialmicrometer)

±

Hình 4.3 Thiết bị ghi tín hiệu P3500, bộ chuyển kênh SB10 và Strain gage

Hình 4.4 Đồng hồ đo chuyển vị bé dialmicrometer 4.5 Sơ đồ thí nghiệm và các vị trí đo độ võng, biến dạng

Hình 4.5 Sơ đồ thí nghiệm

Có 4 vị trí đo chuyển vị I, II, III, IV

Có 5 vị trí đo biến dạng 1, 2, 3, 4, 5

Diện tích các thanh dàn: F1=F3=F4=F5= 6.16cm2; F2= 4.7cm2

4.6 Quy trình thí nghiệm

Kiểm tra lại dàn thép, vị trí các thiết bị đo biến dạng, chuyển vị

Dự tính cấp gia tải ∆P (kG/cm2) của kích thủy lực :

Diện tích Piston : Fpiston = =

Từ đó ta suy ra lực tác

dụng lên dầm thông qua hai quang treo và đòn gia tải:

P = AFpiston (kG) Ở đây, A= trị số đọc trên kích thủy lực (kG/cm2)

Gia tải theo từng cấp tải: 0 – 10 – 20 – 30 – 40 (daN/m2)

Đầu tiên tiến hành gia tải thử với tải trọng ở cấp thứ nhất quan sát sự làm việc của dụng cụ đo và toàn bộ mô hình thí nghiệm Nếu phát hiện sự cố thì cần điều chỉnh lại Nếu chúng làm việc bình thường thì hạ tải về không Đọc các số liệu ban đầu (tương ứng với P=0) ở các dụng cụ đo

Tiến hành tác dụng tải trọng theo từng cấp Sau khi bơm kích thủy lực đạt trị số lực cần thiết phải dùng lại 5-7 phút rồi ghi số liệu trên các dụng cụ đo

Sau khi đọc số liệu trên các dụng cụ đo ứng với cấp tải trọng cuối cùng thì tiến hành hạ tải về không Quá trình giảm tải phải thực hiện từ từ, từng cấp ngược với quá trình tăng tải và cũng ghi số liệu tương ứng để có những nhận xét về quá trình làm việc thuận nghịch

Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng sau:

Kết quả đo lần 1:

4

2

D

π

2

2

.5,59

24,530( )

Áp lực

(daN/cm2)

Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng ()

10 12.85 10.2 1.24 33.76 -1914 -1242 -2471 -1485 -2178

20 12.56 10.59 1.72 33.30 -1893 -1240 -2446 -1511 -2208

30 12.27 10.99 2.21 33.10 -1870 -1238 -2420 -1538 -2242

40 11.97 11.42 2.71 32.70 -1846 -1234 -2394 -1566 -2279

Kết quả đo lần 2:

Áp lực

(daN/cm2)

Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng ()

10 12.35 10.60 1.34 33.73 -1914 -1241 -2472 -1481 -2179

20 12.10 11.1 2.31 33.27 -1893 -1239 -2447 -1509 -2210

30 11.85 11.35 2.81 32.80 -1871 -1236 -2421 -1539 -2243

40 11.97 11.42 2.71 32.35 -1849 -1233 -2395 -1568 -2283

Giá trị trung bình các lần đo:

Áp lực

(daN/cm 2 )

Chuyển vị và biến dạng qua từng cấp tải ( so với cấp tải ở áp lực 0)

µε

µε

µε

Áp lực

(daN/cm 2 )

4.7 Tính toán lý thuyết

Tải trọng tác dụng lên mắt dàn: Pmd =0.5 AFpiston với A nhẫn giá trị lần lượt là: 0, 10,

20, 30, 40

Tính ứng suất: Ở đây N i= lực dọc trong các thanh dàn được xác định bằng phần mềm tính kết cấu SAP 2000

Xác định biến dạng theo định luật Hooke:

Chuyển vị tại các vị trí đã chọn sẽ được xác định bằng phần mềm tính kết cấu SAP 2000

Kết quả tính toán được ghi trong bảng sau

Áp

lực

(daN/

cm2)

Lực tác

dụng Pmd

(kN)

Chuyển vị (mm) Lực dọc N (kN)

µε

i i i

N F

σ =

i i

E

σ

ε =

Áp lực

(daN/c

m 2 )

Lực tác

dụng

P md (kN)

Ứng suất σ(kN/m 2 )

Biến dạng (10 -6 )

8 323,4 2069,8 -7377 -7377 9,86 1,54 9,86 -35,13 -35,13

3

327,6

6 3662,3

-13341

-13341 17,44 1,56 17,44 -63,53 -63,53

9

329,7

9 5254,9

-19305

-19305 25,02 1,57 25,02 -91,93 -91,93

3

331,9

1 6688,3

-24670

-24670 31,85 1,58 31,85 -117,5 -117,5

4.8 So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm

Kết quả so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ được thể hiện trong hai đồ thị biểu hiện mối quan hệ P – ε (Lực tác dụng và biến dạng) và P – Δ (Lực tác dụng và chuyển vị) Trong mỗi đồ thị sẽ có một đường thể hiện kết quả theo thực nghiệm và một đường thể hiện kết quả theo lý thuyết như Hình 4.6; Hình 4.7

Độ sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm được xác định như sau:

+ Độ sai lệch của biến dạng tại vị trí 1:

% + Độ sai lệch của biến dạng tại vị trí 2:

% + Độ sai lệch của biến dạng tại vị trí 3:

% + Độ sai lệch của biến dạng tại vị trí 4:

ε

.100 58

BD

LT

ε

−

.100 81

BD

LT

ε

−

.100 63

BD

LT

ε

−

% + Độ sai lệch của biến dạng tại vị trí 5:

% + Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm I:

% + Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm II:

% + Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm III:

% + Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm IV:

%

.100 16

BD

LT

ε

−

.100 1

BD

LT

ε

−

.100 72

CV

LT

S = ∆ − ∆ =

∆

.100 63

CV

LT

S = ∆ − ∆ =

∆

.100 56

CV

LT

S = ∆ − ∆ =

∆

.100 41

CV

LT

S = ∆ − ∆ =

∆

Hình 4.6 Biểu đồ quan hệ P – ε

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ P – Δ

4.9 Nhận xét kết quả thí nghiệm

Theo lý thuyết vật liệu còn làm việc trong miền đàn hồi, biến dạng tăng tuyến tính

Đường biến dạng của lý thuyết và thực tế có có dạng gần tương tự nhau ở các vị trí 4, 5 Còn ở vị trí 2 theo lý thuyết thanh dàn gần như không biến dạng nhưng trên thực tế biến dạng thanh dàn lớn hơn rất nhiều

Theo lý thuyết vật liệu còn làm việc trong miền đàn hồi, độ võng tăng tuyến tính Biểu đồ giữa lý thuyết và thực tế có dạng và giá trị gần giống nhau, ngoại trừ ở vị trí IV có sự khác biệt tương đối nhiều

• Nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch:

Sai số của thiết bị thí nghiệm: bộ phận kích lực, tiết diện dàn không chính xác, khi

đo biến dạng phải lấy giá trị ban đầu khác 0 để làm trung gian…

Dụng cụ thí nghiệm, kết cấu dàn thép được sử dụng làm thí nghiệm nhiều lần nên không còn đảm bảo chính xác như ban đầu

Sai số trong quá trình đọc kết quả trên dụng cụ đo, kim đo không chạm hoàn toàn vào kết cấu, người thí nghiệm chạm vào kết cấu làm ảnh hưởng kết quả đo,…

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 5 THÍ NGHIỆM DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN

Dầm chịu uốn loại kết cấu thường gặp nhất trong các công trình xây dựng Qua thí nghiệm này, sinh viên sẽ được quan sát sự làm việc của các vùng bê tông trên kết cấu dầm, biến dạng, hình thành vết nứt, khớp dẻo và mất ổn định tiến tới phá hoại

5.1 Mục đích thí nghiệm

Nghiên cứu ứng xử của dầm BTCT theo trạng thái giới hạn II

+ Quan hệ tải trọng – độ võng (P – Δ) của dầm BTCT So sánh kết quả tính toán lý thuyết và số liệu đô đạc thực tế

+ Đo biến dạng của dầm BTCT, so sánh kết quả đo với lý thuyết

5.2 Sơ đồ thí nghiệm và cấu tạo dầm

Hình 5.1 Cấu tạo dầm BTCT

Hình 5.2 Sơ đồ bố trí thiết bị gia tải dầm

Dầm bêtông cốt thép chịu uốn với nhịp L= 2.7m chịu tác dụng của hai lực tập trung

cách gối 0.9m như Hình 5.1

Tiết diện dầm hình chữ nhật bxh= 15 x 25 cm như Hình 5.1

Bêtông cấp độ bền B30, Rb= 17.5 Mpa

Cốt thép dọc AII 2d12 + 3d14, thép đai AI d8a150 như Hình 5.1

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ a= 25mm như Hình 5.1

Cảm biến điện trở đo biến dạng ±0.5%Ω thép đặt tại giữa nhịp Biến trở loại

chuẩn dài 10mm, 120, hệ số GF= 2.05 như Hình 5.1

5.3 Thiết bị thí nghiệm

Khung gia tải MAGNUS, kích thủy lực (Pmax= 200kN) Hình 5.2

Đồng hồ đo độ võng của dầm (dial micrometers)

Cảm biến điện trở đo biến dạng thép

Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến (P3500 + SB10)

5.4 Trình tự thí nghiệm

Cấp tải trọng lấy bằng 1/10 giá trị của tải trọng phá hoại dầm

Hai tải tập trung được áp đặt lên dầm bằng kích thủy lực

Trước khi thí nghiệm lấy kết quả đo cần phải gia tải thử kiểm tra với ba cấp đầu tiên, sau đó hạ tải về không (P= 0) Đọc các số liệu ban đầu (tương ứng với P= 0) ở các dụng cụ đo

Gia tải từng cấp khoảng 2kN tăng dần đến khoảng P= 10kN

Sau mỗi cấp tải cần giữ nguyên giá trị tải trọng từ 3-5 phút rồi tiến hành đọc số liệu trên các dụng cụ đo Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng sau:

Kết quả đo lần 1:

Tải trọng

(kN)

Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6)

Kết quả đo lần 2:

Tải trọng

(kN)

Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6)

Xử lý kết quả thí nghiệm

Giá trị trung bình các lần đo

Tải trọng

(kN)

Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6)

Độ võng và biến dạng qua từng cấp tải

Tải trọng

(kN)

5.5 Tính toán theo lý thuyết

Tiết diện dầm bêtông: bxh= 0.15x0.25m

Diện tích cốt thép chịu kéo: As= 4.62cm2

Diện tích cốt thép chịu nén:

Lớp bê tông bảo vệ:

a=a’= 25mm

Tính các thông số:

Tiết diện quy đổi:

' 2.26cm2

s

4 3

21 10

6.462 32.5 10

s b

E E

×

( ) 150 250 6.462 (462 2.26) 41946 mm

Moment tĩnh tiết diện quy đổi:

Moment quán tính của bêtông đối với trục trung hòa:

Moment quán tính của tiết diện quy đổi:

Mô men kháng uốn của tiết diện quy đổi:

Giả thiết ứng suất kéo do cốt thép chịu kéo As chịu, ứng suất nén do bê tông và cốt thép chịu nén chịu Ứng suất trong cốt thép chịu kéo và trong vùng chịu nén được tính theo công thức:

Biến dạng được tính theo công thức

Sử dụng phần mềm Sap2000 để xác định nội lực và chuyển vị của dầm qua từng cấp tải kết quả được thể hiện trong bảng sau: Tải trọng

(kN)

Kết quả tính toán ứng suất và biến dạng

Tải trọng (kN) Ứng suất (kN/m2) Biến dạng (10-6)

Kết quả so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ được thể hiện trong hai đồ thị biểu hiện

' '

2

150 250

5090728.8

bh

mm

=

1

5090728.8

121.36 41946

250 121.36 128.64

2 3

1

b

3

4

b

;

;

mối quan hệ P – ε ( Lực tác dụng và biến dạng) và P – Δ (Lực tác dụng và chuyển vị) Trong mỗi đồ thị sẽ có một đường thể hiện kết quả theo thực nghiệm và một đường thể hiện kết quả theo

lý thuyết

Độ sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm được xác định như sau:

+ Độ sai lệch của biến dạng:

+ Độ sai lệch của chuyển vị:

5.5 Vẽ biểu đồ so sánh giữa lý thuyết và thực tế

5.5.1 Biểu đồ P – Δ

.100

BD

LT

ε

−

=

.100

CV

LT

S = ∆ − ∆

∆

Nhận xét

Dạng biểu đồ chuyển vị thực tế có dạng tuyến tính, phù hợp với tính toán lý thuyết Tại cùng một cấp tải, giá trị chuyển vị của tính toán lý thuyết lớn hơn giá trị chuyển

vị thực tế, điều này là do khi thực tế có sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép

5.5.2 Biểu đồ P – ε

Nhận xét:

Đối với vị trí 1, biến dạng giữa lý thuyết và thực tế đều có dạng tuyến tính nhưng giá trị chênh lệch lớn Nguyên nhân là do khi tính toán lý thuyết, giả thiết ứng suất kéo do cốt thép chịu kéo chịu nhưng trên thực tế bê tông cũng tham gia chịu một phần

Tại vị trí 2, đồ thị biến dạng giữa lý thuyết và thực tế có sự tương đồng về hình dạng và giá trị vì khi tính toán lý thuyết đã kê đến sự làm việc chung giữa bê tông

và cốt thép chịu nén