Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng để kiểm tra so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết). Bài giảng Thí nghiệm và thiết bị đo trong kỹ thuật dân dụng sẽ cung cấp cho người học một số kiến thức cơ bản trong lĩnh vực thí nghiệm công trình như: các thiết bị đo công trình, các phương pháp gia tải,... Mời các bạn cùng tham khảo.
1 Thí nghiệm cơng trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu cơng trình xây dựng để kiểm tra so sánh với kết quả tính tốn (lí thuyết). Thí nghiệm cơng trình bao gồm các thí nghiệm, thử nghiệm được thực hiện trên các mẫu thử vật liệu, cấu kiện và kết cấu cơng trình tn theo một qui trình được xác lập bởi các mục tiêu của đề tài nghiên cứu, hay của các tiêu chuẩn, qui phạm hiện hành Thí nghiệm cơng trình là lĩnh vực nghiên cứu giải các bài tốn phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của các kết cấu bằng thực nghiệm Ý nghĩa của thí nghiệm trong kỹ thuật dân dụng Thí nghi Thí nghiệệmm Gi Giảả thi thiếết t Ph Phươ ương pháp ng pháp tính tốn tính tốn Thí nghi Thí nghiệệm m kikiểểm tra m tra (ki (kiểểm đ m định) ịnh) Các bài tốn thực tế đơi khi rất phức tạp: hình dạng kết cấu, điều kiện biên, điều kiện đầu, tính chất của vật liệu Dùng phương pháp giải tích để tìm ra kết quả dưới dạng một biểu thức giải tích đơi khi rất khó khăn, thậm chí có trường hợp khơng thể thực hiện được Trên cơ sở hàng loạt những kết quả thí nghiệm, ta sử dụng cơng cụ tốn học (xác suất thống kê) có thể tìm ra những cơng thức tính tốn cơng trình dưới dạng những biểu thức thuận lợi cho tính tốn thiết kế (đường hồi qui) Trong giai đoạn đầu thiết kế có thể dùng thực nghiệm tiến hành thực hiện nhiều phương án, từ đó chọn được phương án tối ưu Trong q trình nghiên cứu, thiết kế các cơng trình xây dựng, đặc biệt khi nghiên cứu, áp dụng các loại vật liệu mới, kết cấu mới, những cơng trình đặc biệt, cần thiết tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tra các kết quả tính tốn, so sánh, đánh giá sự làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu cơng trình so với các giả thiết đã đặt ra Đối với các cơng trình đã và đang khai các sử dụng, khi có nhu cầu cần sửa chữa, cải tạo hay nâng cấp, bước đầu tiên cần thực hiện chính là tiến hành thực nghiệm và kiểm định cơng trình Kiểm định cơng trình xây dựng là hoạt động khảo sát, kiểm tra, đo đạc, thử nghiệm, định lượng một hay nhiều tính chất của vật liệu, sản phẩm hoặc kết cấu cơng trình. Trên cơ sở đó, căn cứ vào mục tiêu kiểm định, tiến hành phân tích, so sánh, tổng hợp, đánh giá và rút ra những kết luận về cơng trình theo quy định của thiết kế và tiêu chuẩn xây dựng hiện hành được áp dụng Để phân tích, đánh giá và so sánh khả năng làm việc của vật liệu và kết cấu cơng trình, cơng tác thực nghiệm và kiểm định không thể tách rời khỏi kiến thức của các ngành khoa học liên quan như Sức bền vật liệu, Cơ học kết cấu, Vật liệu xây dựng, Kết cấu bê tơng cốt thép và gạch đá, Kết cấu thép gỗ, Cơng nghệ và kỹ thuật thi cơng v.v Chia thí nghiệm thành 2 loại: thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm cơng trình Thí nghiệm vật liệu là những thí nghiệm chủ yếu nhằm mục đích xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu, khả năng chịu lực và các dạng phá hỏng của vật liệu trong các trạng thái ứng suất khác nhau, ví dụ thí nghiệm kéo, nén, uốn, xoắn Thí nghiệm cơng trình là những thí nghiệm nhằm mục đích kiểm tra các kết quả tính tốn, kiểm tra khả năng làm việc của cơng trình hay các chi tiết máy, kiểm định cơng trình và chẩn đốn hư hỏng Thí nghiệm vật liệu có thể được tiến hành trên các mẫu thí nghiệm chế tạo từ các vật liệu thực của cơng trình (thí nghiệm phá hoại) hoặc thí nghiệm ngay trên các cấu kiện của cơng trình thực (thí nghiệm khơng phá hoại). Các mẫu thí nghiệm được chế tạo theo những quy định của nhà nước. TN phá hoại: TN kéo nén mẫu thép, gang nhằm xđ RK, RN TN kéo nén mẫu bê tơng nhằm xđ cường độ TN các mẫu đất nhằm xđ thành phần hạt, dung trọng, độ ẩm, độ chặt, độ dẻo, hệ số thấm… 10 Dao động khơng theo chu kỳ ◦ Dao động tắt dần; ◦ Dao động phát triển, thường xảy ra trong thời gian khởi động một q trình động; ◦ Dao động có các đặc trưng thay đổi khơng theo quy luật nhất định (hình 3.17d). 104 Hiện tượng cộng hưởng: khi tần số cưỡng bức tiến gần đến tần số dao động bản thân của cơng trình thì biên độ cưỡng bức phát triển lớn dần và sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng khi hai tần số dao động đó bằng nhau, biên độ cưỡng bức đạt đến giá trị cực đại và có thể dẫn đến phá hoại cơng trình Hiện tượng dao động “biên”: khi cùng tác dụng hai nguồn dao động theo chu kỳ lên đối tượng nghiên cứu có các chu kỳ dao động T1 và T2 gần bằng nhau Chu kỳ “biên” 105 3.2.3. Các biện pháp và thiết bị tạo tải trọng động lên cơng trình u cầu: Đối với các thí nghiệm kiểm định, cường độ của tải trọng động phải được chọn sao cho đồng thời đảm bảo độ bền, độ ổn định cho kết cấu cơng trình, nhưng phải đủ để các dụng cụ và thiết bị đo với độ nhạy của chúng có thể chỉ thị hay ghi lại các tham số động cần phải xác định Có thể tạo tải trọng động bằng các phương tiện sẵn có như các máy móc, thiết bị sản xuất, các phương tiện vận tải tàu, xe v.v (tải trọng thực) Các thí nghiệm nghiên cứu thường được tiến hành với nhiều dạng và cường độ của tải trọng động khác nhau. Tải trọng được tạo ra bằng các thiết bị chuyên dùng, các máy rung hoạt động bằng ngun lí cơ hoặc thủy lực 106 3.2.3.1. Tải trọng thực Gây rung động tại một vị trí cố định như các máy móc cơ khí trong các xưởng máy; Vừa gây rung động vừa chuyển dời vị trí như các phương tiện vận tải ơtơ, tàu, và các phương tiện trong nội bộ nhà xưởng (cần trục, cầu thang máy, ) Tải trọng thực có thể là ◦ Một nguồn chấn động ◦ Nhiều nguồn gây chấn động tồn tại đồng thời: phức tạp, q trình thí nghiệm phải thực hiện theo trình tự từ đơn giản đến phức tạp và từ chế độ làm việc nhẹ đến chế độ làm việc nặng dần 107 Nếu nguồn gây rung động là các máy móc, thiết bị được lắp đặt tại một vị trí cố định trên cơng trình, trong q trình thí nghiệm cần khảo sát các trạng thái làm việc khác nhau của máy móc, thiết bị như khởi động, dừng tắt, các mức cơng suất khác nhau (vòng quay, tải trọng ) để xác định được các tham số động gây bất lợi nhất, hoặc nguy hiểm Nếu các nguồn chấn động là di chuyển, thì ngồi những trường hợp thí nghiệm như đối với nguồn chấn động tại chỗ (tàu xe nổ máy tại chỗ, cần trục nâng hạ tải trọng …), còn cần phải tìm sự ảnh hưởng đến trạng thái cơng trình khi tốc độ di chuyển của các nguồn chấn động phát triển lớn và khi xuất hiện lực hãm các chuyển động 108 3.2.3.2. Tải trọng thí nghiệm chun dùng Việc dùng tải trọng thực để làm thí nghiệm thường bị hạn chế, khơng đáp ứng được các u cầu nghiên cứu về cường độ tải trọng cũng như sự khống chế của tần số dao động. Cần phải tạo các nguồn tải trọng rung động chun dùng có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các chỉ tiêu thiết kế cơng trình 109 a. Tải trọng xung kích (va chạm) Va chạm đơn sẽ gây dao động bản thân của kết cấu cơng trình. Để xác định tần số và cường độ của dao động cưỡng bức này, khơng đòi hỏi phải đo chính xác các đại lượng của nguồn va chạm, mà chỉ cần đảm bảo tạo được lực va chạm đủ để ghi được dao động bản thân của kết cấu Phân thành tải trọng va chạm đứng và tải trọng va chạm ngang 110 Va chạm đứng Cho rơi một vật nặng có trọng lượng Q tương đương khoảng 0,01% trọng lượng của đối tượng khảo sát, đặt ở độ cao h =2,0 2,5m. Tại vị trí điểm rơi của vật nặng trên kết cấu, rải một đệm cát dày khoảng 10 20cm để bảo vệ bề mặt của kết cấu thí nghiệm và để ngăn chặn các nhát va chạm thứ cấp. 111 Biểu đồ dao động ghi được sẽ cho phép xác định chu kỳ dao động bản thân của cả cơng trình và vật nặng Chu kỳ dao động bản thân To của kết cấu được xác định từ kết quả đo thực nghiệm ◦ T chu kỳ dao động riêng của kết cấu và vật nặng; ◦ mqd khối lượng quy đổi tại vị trí va chạm; ◦ m khối lượng của vật rơi; k giá trị của vật nặng làm kết cấu chuyển vị 1 cm. Va chạm đứng còn có thể tạo được bằng biện pháp thả rơi vật nặng Q từ kết cấu thí nghiệm tạo nên một xung lực chuyền qua sợi cáp treo và làm cho kết cấu dao động 112 Va chạm ngang Dùng một thanh gỗ tròn, đường kính từ 20 25 cm, chiều dài từ 250 300 cm được treo ngang bằng trên hai dây. Sau nhát va chạm đầu tiên, cần phải giữ sợi dây để giữ búa khơng cho xảy ra các nhát va chạm thứ cấp. Có thể tạo va chạm ngang bằng cách treo một vật nặng trên sợi dây có ròng rọc chuyển hướng nối với một cơ cấu mở tự động khi có xung lực kéo xác định 113 b. Tải trọng rung động Dùng máy rung động chun dùng được thiết kế và chế tạo theo ngun lý quay các quả nặng đặt lệch tâm. Máy rung với một quả nặng đặt lệch tâm P = me ω 2 Px= meω 2cosωt; Py= meω2sinωt; Rất thường gặp trong thực tế sản xuất (đầm dùi, đầm mặt để rung lắc bê tơng tạo độ chặt) khi động lực có dạng dao động điều hòa xuất hiện trên cả hai phương đều có lợi 114 Máy rung với 2 quả nặng đặt lệch tâm Khi một trong hai phương xuất hiện của động lực có dạng dao động điều hòa là khơng cần thiết hoặc gây hại (thiết bị rung cọc móng, rung hạ giếng chìm, rung ván khn v.v ) Thỏa mãn u cầu chỉ gây tải trên một phương để khảo sát các thơng số động Ghép đồng bộ hai quả lệch tâm để triệt tiêu thành phần khơng mong muốn Hình 3.21 Máy rung ly tâm định hướng (hai lệch tâm) 115 Px(t)=0 Py(t) = 2m eω2 sint Py cực hạn khi ωt =±π/2 Hình 3.22 Bốn vị trí đặc trưng máy rung hai lệch tạo tải trọng rung động hình sin Từ quy luật làm việc của thiết bị chấn động hai khối, có thể chế tạo các thiết bị rung có cơng suất lớn hơn với bốn hoặc tám quả nặng, dùng để gây những dao động cưỡng bức đối với các cơng trình lớn như kết cấu nhịp cầu 116 Khi đặt các khối lượng như trên hình 3.23a, sự làm việc của thiết bị chấn động trong mọi thời điểm đều giống sự làm việc của thiết bị rung có hai khối lượng 117 Hình 3.23a: sự làm việc của thiết bị chấn động trong mọi thời điểm đều giống sự làm việc của thiết bị rung có hai khối lượng Hình 3.23b: hình chiếu lực Py(t) tại mỗi điểm sẽ bằng hình chiếu của lực Py’(t) nhưng ngược chiều. Thiết bị chấn động tạo trong mặt phẳng yz một mơmen đổi dấu M(t) = 2 meω2sinωt Mơmen động Mk = ∑ωmiei Thiết bị gây chấn động cần phải có phạm vi thay đổi số vòng quay rộng. Vì thế, bộ phận động lực trong thiết bị chấn động thường phải dùng các động cơ điện có dòng khơng đổi cùng với bộ chuyển tốc độ để có thể thay đổi số vòng quay của thiết bị từ 15 đến 20 lần. 118 ... bê tơng cốt thép và gạch đá, Kết cấu thép gỗ, Cơng nghệ và kỹ thuật thi cơng v.v Chia thí nghiệm thành 2 loại: thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm cơng trình Thí nghiệm vật liệu là những thí nghiệm ... pháp và thiết bị đo phù hợp, thoả mãn được các u cầu và độ nhạy cảm và độ chính xác Nhóm thiết bị đo lực và áp suất nhằm xác định giá trị của tải trọng tác dụng khi tiến hành thí nghiệm, còn các nhóm ... Thí nghiệm cơng trình là lĩnh vực nghiên cứu giải các bài tốn phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của các kết cấu bằng thực nghiệm Ý nghĩa của thí nghiệm trong kỹ thuật dân dụng Thí nghi