Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TƯƠNG QUAN HÌNH ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THÍ NGHIỆM BÊ TƠNG MÃ SỐ:T2019 SKC00 6785 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TƯƠNG QUAN HÌNH ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG Mã số: T2019-83TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Anh Thắng TP HCM, Tháng 12, Năm 2019 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TƯƠNG QUAN HÌNH ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THÍ NGHIỆM BÊ TƠNG Mã số: T2019-83TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Anh Thắng TP HCM, Tháng 12, Năm 2018 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Mục lục MỞ ĐẦU A CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC .2 B CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC C TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU D MỤC TIÊU E CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU F ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .5 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DIC 1.1 Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số chiều .7 1.2 Tính tốn vùng biến dạng 1.3 Tính tốn chiều rộng vết nứt độ dài chuyển vị (dislocation length) 10 1.4 Công cụ hỗ trợ 11 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM DẦM BTCT 14 2.1 Nguyên liệu sử dụng 14 2.2 Cốt liệu xỉ thép 14 2.3 Cốt liệu lớn (đá dăm) 16 2.4 Cốt liệu mịn (cát vàng) 18 2.5 Nước 20 2.6 Xi măng 20 2.7 Thiết kế cấp phối bê tông đá xỉ thép 21 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM CẤU KIỆN DẦM 23 3.1 Mục đích thí nghiệm 23 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng 3.2 Cảm biến đo biến dạng Strain Gauge (cảm biến điện trở dây) 23 Đo độ võng dầm dụng cụ LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) 24 Máy ảnh kỹ thuật số 24 Khung uốn cấu kiện 25 Dụng cụ đồng lực, chuyển vị biến dạng (Datalogger) .25 3.3 Công tác chuẩn bị 26 3.4 Trình tự đúc mẫu dầm 27 3.5 Thực nghiệu uốn mẫu dầm 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG VÀ KIỂM CHỨNG PHƯƠNG PHÁP DIC 30 4.1 Dầm bê tông cốt thép thường B22.5 30 4.2 Dầm bê tông cốt thép thường B15 33 4.3 Kết xác định trường biến dạng dầm bê tông cốt thép xỉ .35 CHƯƠNG KHẢO SÁT THÔNG SỐ VẾT NỨT THEO PHƯƠNG PHÁP DIC 38 5.1 Khảo sát bề rộng đường nứt 38 Dầm bê tông cốt thép B22.5 38 Dầm bê tông cốt thép B15 45 Dầm bê tông cốt thép xỉ (B22.5) 49 5.2 Khảo sát chiếu dài đường nứt 56 Dầm bê tông cốt thép B22.5 B15 56 Dầm bê tông cốt thép xỉ (B22.5) 60 KẾT LUẬN 62 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Mô tả ứng xử đường nứt 11 Bảng 2.1:Tính chất lý xỉ thép Phú Mỹ theo TCVN 15 Bảng 2.2: Kết thí nghiệm lý xỉ thép 16 Bảng 2.3: Các tiêu lý đá sử dụng 17 Bảng 2.4: Các tiêu lý cát sử dụng 19 Bảng 2.5: Các tiêu lý xi măng sử dụng 20 Bảng 2.6: Bảng cấp phối bê tông xỉ đá tự nhiên (1m3) 22 Bảng 4.1: Kết tổng hợp số liệu vùng biến dạng dầm B22.5 .32 Bảng 4.2: Kết tổng hợp sớ liệu vùng biến dạng dầm xỉ 37 Bảng 5.1: Tổng hợp số liệu tải trọng bề rộng vết nứt dầm BTCT B22.5 40 Bảng 5.2: Tổng hợp số liệu tải trọng bề rộng vết nứt dầm BTCT B15 47 Bảng 5.3: Tổng hợp số liệu tải trọng bề rông vết nứt dầm xỉ 52 Bảng 5.4: Thông số đường nứt dầm B15 57 Bảng 5.5: Thông số đường nứt dầm B22.5 57 Bảng 5.6: Tổng hợp số liệu thông số học dầm xỉ 57 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ vị trí hình ảnh vùng biến dạng trước sau chuyển vị Hình 1.2: Vẽ sơ đồ hình ảnh phụ bề mặt .9 Hình 1.3: Thay đổi vị trí tương đối sau nứt xảy (a) trước nứt,(b) sau nứt,(c) chuyển vị tương đối 11 Hình 1.4: Biểu đồ ứng suất chuyển vị vết nứt qua mặt cắt ngang 12 Hình 1.5: Biểu đồ ứng suất chuyển vị vết nứt qua mặt cắt dọc 13 Hình 2.1: Xỉ thép thay cốt liệu thô tự nhiên 14 Hình 2.2: Biểu đồ thành phần hạt xỉ thép sử dụng 16 Hình 2.3: Đá dăm tự nhiên 17 Hình 2.4: Biểu đồ thành phần hạt đá sử dụng 18 Hình 2.5: Cát vàng 18 Hình 2.6: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng 19 Hình 2.7: Xi măng 20 Hình 3.1: Strain gauge 23 Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị 24 Hình 2.10: Máy ảnh Cannon EOS 7D 25 Hình 2.11: Khung uốn cấu kiện 25 Hình 2.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm 26 Hình 2.13 Gia công cốt thép ván khuôn 26 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Hình 2.14 Q trình trộn bê tông 27 Hình 2.15 Cơng tác đầm dùi 27 Hình 2.16 Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm 28 Hình 2.17 Thiết kế dầm thí nghiệm 29 Hình 4.1: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 cấp tải P=89,94KN: (a) kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết thu từ Data Logger .30 Hình 4.2: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 cấp tải P=93,28KN: (a) kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge, (d) Kết thu từ Data Logger .31 Hình 4.3: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 cấp tải P=52.58KN: (a) kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết thu từ Data Logger .33 Hình 4.4: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 cấp tải P=72.25KN: (a) kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge, (b) Kết thu từ Data Logger 33 Hình 4.5: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 cấp tải P=75.46KN: (a) kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết thu từ Data Logger .34 Hình 4.6: Kết biến dạng vị trí đặt Strain gauge 36 Hình 5.1: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B22.5 theo cấp tải trọng: (a) 60.15KN, (b) 69.65KN, (c) 84.88 KN, (d) 86.84 KN, (e)87.22 KN, (f) 89.94 KN, (g) 90.31 KN, (h) 92.78 KN, (i) 93.28 KN,(k) 94.64 KN 39 Hình 5.2: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) 41 Hình 5.3: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 1-1 41 Hình 5.4: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 2-2 42 Hình 5.5: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 3-3 43 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Hình 5.6: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 4-4 43 Hình 5.7: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 5-5 44 Hình 5.8: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B15 theo cấp tải trọng: (a) 21.65KN, (b) 38.60KN, (c) 61.24 KN, (d) 69.80 KN, (e)72.12 KN, (f) 75.36 KN, (g) 76.45 KN, (h) 77.81 KN 46 Hình 5.9: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 1-1 48 Hình 5.10: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 2-2 48 Hình 5.11: Quá trình phát triển vết nứt: (a) P=17.94KN, (b) P= 29.20KN, (c) P=47.26 KN, (d) P=62.35 KN, (e) P=70.27 KN, (f) P=85.61 KN, (g) P=94.89 KN, (h)P=96.25KN, (k)P=99.46 KN, (i)P=101.81KN 51 Hình 5.12: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) 53 Hình 5.13: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 1-1 53 Hình 5.14: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 2-2 54 Hình 5.15: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 3-3 55 Hình 5.16: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 4-4 55 Hình 5.17: Biểu đồ cấp tải trọng bề rộng vết nứt mặt cắt 5-5 56 Hình 5.18: Biểu đồ cấp tải trọng (P) chiều dài vết nứt (Lc) dầm BTCT thường 58 Hình 5.19: Biểu đồ chiều rộng (Wc) chiều dài vết nứt (Lc) dầm BTCT thường 59 Hình 5.20: Biểu đồ cấp tải trọng (P) chiều dài vết nứt (Lc) dầm BTCT xỉ 60 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Hình 5.21: Biểu đồ chiều rộng (Wc) chiều dài vết nứt (Lc) dầm BTCT xỉ 61 TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng A.T Le et al mid-span of the reinforcement concrete beams Linear Variable Displacement Transducer (LVDT) is used to measure the beam deflection The cannon EOS 7D digital camera was used to take images for the DIC analysis The images with the resolution of 5184x3456 were captured in the room lighting The camera was placed on a fixed tripod, perpendicular to the beam, and located at a meter from the reinforcement concrete beams Images were collected at different load levels The taken image was synchronized with the testing data obtained from the data logger by time The time was matched based on the time recorded on the image and the counter clock of data logger 2.3 Experimental reinforcement concrete beams Fig 1b presents the geometry of a reinforcement concrete beam and the location of steel bars The beams had the size of 3300x200x300 (mm) The basic concrete properties were tested by the Vietnamese standard The longitudinal steel reinforcement was the steel AII grade, fy = 280MPa As a reinforcement, steel bars of the diameter 12mm and 14mm were used The experimental investigation was performed on the beams in which the reinforcement was of 5φ14 at the tensile part of beam and 2φ12 at the compressive part of the beam The stirrup bars of φ6, the steel grade of AI with fy = 225MPa, were arranged along the length of the beam at the distance of 150 mm Strain Contour Plots 3.1 Comparison of strain values obtained by strain gauge and the DIC method The photograph, which obtained from the camera of Canon EOS 7D, may need to be processed before of the applying DIC analysis The IMAGEJ software was used for cropping photos so that the images were uniform in size, and the studying object was in the right position to be processed The NCORR, an open-source program running on Matlab environment (Blaber et al., 2015), was selected to perform DIC analysis Erro (%) r 10 (a) Figure Deformation on the beam surface estimated by the different methods: (a) DIC, (b) Strain gauge, (c) Errors of DIC method at various strain values At first, the sub -images extracted from the photograph capturing the side of a beam was selected at the time before loading The position of the sub-image is also the position of the strain Gauge This image is called as the original image Next, the sub- images in the same position at different load levels were selected for comparative analysis of the pixel's position changing Based on the changing of pixel's position in the sub-image compared to the original sub -image, the strain on the beam surface within the sub-image could be calculated corresponding to the certain load level Fig shows the deformation results on the surface of the reinforcement concrete beam with the same loadlevel based on two different methods The strain value showing in the left -hand side figure is determined by the DIC method at the position of strain gauge The right-hand side figure is the deformation directly measured by strain gauge and recorded by the data logger DIC gives a result of -207.61µε, shown in Fig 2a Fig 2b shows the value obtained from the screen of data logger The observed value is -206.72µε The negative value indicates the strain determined in the compressive concrete area This value was approximately equal to that The International Conference on Sustainable Civil Engineering and Architecture (ICSCEA) 2019 24-26 October 2019 – HCMUT, Ho Chi Minh City, Vietnam estimated by the DIC method, because the strain gauge was attached to the same position of strain evaluated by DIC The error was less than 1% If it were assumed that the strain value measured by the strain gauge is the real value, then the error of the DIC method compared to the actual result is negligible Besides, the small error of DIC method indicates that all input parameters required for DIC analysis, including the parameters of a photograph such as the resolution, the brightness, the size of sub-image, etc could be used for the next analysis steps 3.2 Exploration the sensitive of error Table summarizes the comparison of strain induced by different load levels During the beam testing of B22.5, fourteen images were taken for the reinforcement concrete beams with the aggregate The beam was failed at loading level of 94.64KN Table also shows the error of estimate deformations by DIC method varying following the value of strain The DIC method could measure the small deformation at low loading level to the larger deformation at the loading level corresponding to the destruction of the reinforcement concrete beams sample The deformation, that DIC can accurately determine, is about 500µε DIC still gives good results as the strain greater than 1400µε The errors of the DIC method corresponding to fourteen load levels of the B22.5 beams are shown in Fig 2c In the initial, the value of strain is very small resulting in big errors due to noise Table Comparison of beam's deformation at different load levels RC Beam of B22.5 Load (KN) Strain gauge 6.19 54.93 58.02 60.15 69.65 83.63 84.88 3.3 Strain Contour Plots The strain contour plots were explored for the various beams of B22.5, B15, and B22.5 with steel slag The photos captured the cracks located at mid-span of the beams and developed bottom-up due to the three-points bending test The strain contours were plotted at the crack tip areas corresponding to different value of loading The chosen loading levels were the load levels as the beam failure For the reinforcement concrete beam of B22.5, the strain contours of crack was captured at the load of 93.28KN (Fig 3a) Besides, the strain contour was plotted at the crack tip as the load reaching to 77.81KN for the reinforcement concrete beam of B15 (Fig 3c) The load of 101.81KN was selected to explore strain contours at the crack tip for the reinforcement concrete beam of steel slag (Fig 3b) ( a) (b) (c) Figure The strain contour plots at the crack tip: (a) the reinforcement concrete beam of B22.5, (b) the reinforcement concrete beam of steel slag and (c) the reinforcement concrete beam of B15 A.T Le et al Based on the strain contour plots, the plastic zone near the crack tip might be observed For the concrete grade of B22.5, the plastic zone in front of a crack tip could be observed clearly such as Fig 3a and Fig 3b They are the light color areas locating at the head to the crack tip However, that zone could not be observed clearly in case of the concrete grade of B15 (Fig 3c) It indicates that the area of plastic zones in front of a crack tip were strongly depended on the concrete grade rather than the source of aggregate The plastic zones in front of a crack tip are related to the crack development The crack development will be considered in the next sections Crack development of concrete beams 0.5 1.5 Crack opening (mm) (a) 101.8 99.46 94.89 89.19 81.77 62.35 77.81 72.12 Load (KN) 94.64 92.78 89.94 86.84 83.63 60.15 Load (KN) Load (KN) Fig shows the crack mouth opening displacement (CMOD) varying with the bending load of beams CMOD is measured at the position of the outer layer of the tension steel bars CMOD might be effected by steel reinforcements With the layout of the steel bar reinforcements as in Fig 1b, the CMOD was estimated at the 30 mm from the bottom of the beams 0.511.5 Crack opening (mm) 61.24 21.65 0.10.2 Crack opening (mm) (c) (b) Figure The CMOD: (a) the reinforcement concrete beam of B22.5, (b) the reinforcement concrete beam of steel slag, and (c) the reinforcement concrete beam of B15 For the beam of B22.5 (Fig 4a), CMOD was observed through the image-processing results When the load P was less than 60KN, there had not been cracking seen on the beam At this loading level, the beam still worked in the elastic phase As the loading over 70KN, the lower part of the beam started to appear cracks The initial CMOD could be observed as 0.102mm The CMOD did increase gradually with the increasing of the load At the load of 94.64KN, the ultimate loading of the beam, the CMOD was 1,085mm For the beam of B15 (Fig 4c), the beam still worked in the elastic phase as the load P was less than 38KN As the loading level over 38KN, the initial CMOD could be observed as 0.113mm The CMOD also did increase gradually with the increasing of the load At the ultimate load of 77.81KN, the largest CMOD was 0.185mm There is the comparing of the crack development in the reinforcement concrete beams with the same steel reinforcements and difference concrete grades The development crack in the B15 beam appeared earlier than that of the B22.5 beam The initial observed CMOD of both beams was the same, CMOD = 0.1mm Besides, the CMOD corresponding to the ultimate load of the B15 beam is ten times smaller than that of the B22.5 beam It indicates that the grade of concrete in a reinforcement concrete beam effects to the initial development and the width of crack, although the crack might be control by the steel reinforcements For the beam of steel slag (Fig 4b), the beams still worked in the elastic phase as the load P was less than 70KN As the loading level over 70KN, the initial CMOD could be observed as 0.119mm The CMOD kept the increase with the increasing of the load However, there was a jump of CMOD as the load reached up to 94.89kN At the ultimate load of 101.81KN, the largest CMOD was 1.922mm The aggregate affected the bending load capacity of a beam The steel slag beam had the loading capacity higher than that of the B22.5 beam The crack development might depend on the stone aggregate As comparing beams having the same concrete grade with and without steel slag, the initial CMOD was the similar, but the process of crack development of the beam containing steel slag was a little different from the conventional beams With the steel slag beam, the CMOD corresponding to the ultimate loading was increased 77% comparing to that of the natural aggregate beams with the same concrete grade The crack development speed accompanying the increasing of load was also increased The International Conference on Sustainable Civil Engineering and Architecture (ICSCEA) 2019 24-26 October 2019 – HCMUT, Ho Chi Minh City, Vietnam On the other words, the steel slag aggregate did affect in the crack development of the reinforcement concrete beams Conclusions The three-point bending test was performed on the reinforcement concrete beams with dimensions of 3300x200x300 This test was for exploration the strain contour plots at the crack tip and crack development of beam structure with and without steel slag replacing natural stone aggregate Besides, the beams with difference concrete grades were tested for the comparison DIC method was chosen for analyses the deformation of the reinforced concrete beams At first, the method was calibrated and verified by the comparison between the deformation determined by DIC and that measured from strain gauge The following conclusions could give as: The areas of plastic zones in front of a crack tip were strongly depended on the concrete grade instead of the aggregate The lower the concrete grade we have, the smaller the area of the plastic zone at a crack tip could be observed The crack initial and development in a reinforcement concrete beam might not depend on the stone aggregate; it depends on the concrete grade CMOD corresponding to the ultimate load in case of B15 is smaller than the CMOD in case of concrete grade of B22.5 The steel slag aggregate did effect to the crack development of the reinforcement concrete beams Acknowledgement The authors are grateful for the financial support as well as the experimental equipment of the HCM University of Technology and Education References Adhikari, R S., O Moselhi, A Bagchi.: Image-based retrieval of concrete crack properties for bridge inspection Automation in construction 39, 180-194 (2014) Bazant, Z P.: Fracture and size effect in concrete and other quasi-brittle materials CRC Press LLC, Boca Raton (1998) Blaber, J., Adair, B., Antoniou, A.: Ncorr: open-source 2D digital image correlation matlab software Experimental Mechanics 55(6), 1105-1122 (2015) Bornert, M., Brémand, F., Doumalin, P., Dupré, J C., Fazzini, M., Grédiac, M., Robert, L.: Assessment of digital image correlation measurement errors: methodology and results In: Exp Mech 49, 353–370 (2009) Chu, T C., Ranson, W F., Sutton, M A.: Application of digital-image-correlation techniques to experimental mechanics Exp Mech 25(3), 232–244 (1985) Huang, Y., Xu, B.: Automatic inspection of pavement cracking distress Journal of Electronic Imaging 15(1), 013017 (2006) Kaneko, S., Oka, S., & Matsumiya, N.: Detection of cracks in concrete structures from digital camera images NTT Technical Review 10(2), 1-5 (2012) Pan, B.: Digital image correlation for surface deformation measurement: historical developments, recent advances and future goals Measurement Science and Technology 29(8), 082001 (2018) Shih, M H., Sung, W P.: Application of digital image correlation method for analysing crack variation of reinforced concrete beams Sadhana 38(4), 723-741 (2013) Valenỗa, J., Dias-da-Costa, D., Júlio, E N B S.: Characterisation of concrete cracking during laboratorial tests using image processing Construction and Building Materials 28(1), 607-615 (2012) Yamaguchi, T., Nakamura, S., Saegusa, R., Hashimoto, S.: Image‐based crack detection for real concrete surfaces IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 3(1), 128-135 (2008) TẠP CHÍ XÂY DỰNG TẠP CHÍ XÂY DỰNG VIỆT NAM - BẢN QUYỀN THUỘC BỘ XÂY DỰNG SỐ 622 - THÁNG 3-2020 Vietnam Journal of Construction – Copyright Vietnam Ministry of Construction 59 ISSN 0866-8762 NĂM THỨ 59 Th Year MỤC LỤC Bìa 1: Nhà Long An, giải thưởng Kiến trúc Arcasia Awards for Architectures 19 Tổng Biên tập: Trần Thị Thu Hà Hội đồng khoa học: TS Thứ trưởng Lê Quang Hùng (Chủ tịch) PGS.TS Vũ Ngọc Anh (Thư ký) GS.TS Phan Quang Minh GS.TS Phạm Xuân Anh GS.TS Ngô Tuấn GS.TS Nguyễn Quốc Thông GS.TS Nguyễn Việt Anh PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn PGS.TS Phạm Duy Hòa TS Ứng Quốc Hùng GS.TS Hiroshi Takahashi GS.TS Chien Ming Wang TS Ryoichi Fukagawa Giá 35.000VNĐ Chủ nhiệm: Bộ trưởng Phạm Hồng Hà 3.2020 3.2020 Chairman: Minister Pham Hong Ha Editor-in-Chief: Tran Thi Thu Ha Scientific commission: Le Quang Hung, Ph.D (Chairman of Scientific Board) Assoc Prof Vu Ngoc Anh, Ph.D Prof Phan Quang Minh, Ph.D Prof Pham Xuan Anh, Ph.D Prof Ngo Tuan, Ph.D Prof Nguyen Quoc Thong, Ph.D Prof.Nguyen Viet Anh, Ph.D Assoc Prof Nguyen Van Tuan, Ph.D Assoc Prof Pham Duy Hoa, Ph.D Ung Quoc Hung, Ph.D Prof Hiroshi Takahashi, Ph.D Prof Chien Ming Wang, Ph.D Prof Ryoichi Fukagawa, Ph.D 3.2020 Nghiên cứu xác định đặc trưng học phá hủy dầm bê tông cốt thép phương pháp DIC A study on evaluating the destructive mechanical characteristics of the reinforcement concrete beams by DIC Ngày nhận bài: 22/01/2019 Ngày sửa bài: 19/2/2020 Ngày chấp nhận đăng: 08/3/2020 TÓM TẮT Phương pháp DIC (phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số) tiến khoa học kỹ thuật Đây phương pháp rẻ tiền, giúp xác định biến dạng bề mặt vật thể q trình thí nghiệm Trong nghiên cứu này, đặc trưng học phá hủy dầm bê tông cốt thép với hai mác bê tông khác xác định khảo sát Để xác định lượng cần cho phát triển vết nứt cụ thể, lực gây phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép xác định mơ hình mơ phần tử hữu hạn Biến dạng thực tế thông số vết nứt xác định từ phương pháp DIC Kết kết hợp cho thấy khác biệt rõ rệt thông số học phá hủy cho loại dầm có hai mác bê tơng khác Từ khóa: tương quan ảnh kỹ thuật số, dầm bê tơng cốt thép, thí nghiệm uốn dầm, lượng phá hủy ABSTRACT DIC (Digital Image Correlation) method is a scientific and technical progress It is an inexpensive method for determining the deformation on an object's surface In this study, the destructive mechanical characteristics of reinforcement concrete beams with two different concrete grades will be identified and surveyed To determine the energy required for the development of a certain crack, the force causing crack development in the reinforcement concrete beams is determined by a finite-element model Actual surface deformation and crack parameters are determined from DIC method The result shows a difference in the mechanical destruction parameters for the same type of beam with two different concrete grades Keywords: the digital image correlation, reinforcement concrete beams, beam bending experiments, destructive energy Lê Anh Thắng Giảng viên, Khoa Xây Dựng, Trường Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Email: thangla@hcmute.edu.vn Điện thoại: 0938308076 Lê Anh Thắng Giới thiệu Để đánh giá khả chịu lực vật liệu khác nhau, nhiều nghiên cứu sử dụng đặc trưng học phá hủy Bao gồm bề rộng miệng khe nứt, kích thước vùng rạng nứt, tốc độ phát triển vết nứt, lượng phá hủy, cường độ ứng xuất phá hoại chính, số lần gia tải đến phá hoại vật liệu v.v Năm 2011, nhóm tác giả Shah, S G [1] công bố kết nghiên cứu liên quan đến việc xác định lượng phá hủy dầm bê tông, không xét tác động cốt thép Nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) để xác định thông số học phá hủy gồm hệ số cường độ ứng suất KI (dạng phá hoại I), KII (dạng phá hoại II), lượng phá hủy G Năm 2013, nhóm tác giả Skarżyński [2] ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) để đo chuyển vị bề mặt bê tơng Cùng năm 2013, nhóm tác giả MingHsiang Shih and Wen-Peisung [3] nghiên cứu ứng dụng phương pháp DIC vào việc phân tích phát triển vết nứt bề mặt cấu kiện bê tông cốt thép Bài báo tiếp cận đánh giá khả chịu lực dầm bê tơng cốt thép có mác bê tông khác nhau, thông qua thông số học phá hủy Hình minh họa cho cách tiếp cận báo Hình Lưu đồ xác định lượng phá hoại dầm bê tơng cốt thép thí nghiệm Thí nghiệm uốn dầm kích thước lớn thực phịng thí nghiệm trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Các đặc trưng liên quan đến vết nứt khảo sát ghi nhận suốt q trình thí nghiêm xử lý phương pháp xử lý ảnh DIC Lực trực tiếp gây phát triển vết nứt, Q, xác định thơng qua tốn mơ 3.2020 43 phần mềm ABAQUS Đồng kết có từ việc phân tích mơ hình kết có từ DIC để xác định thay đổi lượng phá hủy, G, theo cấp tải trọng Các bình luận, liên quan đến tác động mác bê tông đến khả chịu tải dầm, rút thông qua biến thiên lượng phá hủy vết nứt dầm Phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số Hình mơ tả trực quan phương thức mà DIC xác định biến dạng bề mặt cấu kiện quan sát Điểm P(x,y) chuyển sang điểm P*(x*,y*) sau vật thể bị biến dạng lực Biểu thức liên hệ điểm P sang P* sau: 2.3 Năng lượng phá hoại Năng lượng phá hoại vết nứt (G) lượng cộng dồn Nó xác định thơng qua tham số J Năng lượng cần thiết để vết nứt tiếp tục phát triển từ trạng thái sang trạng thái gọi �G Mối quan hệ lượng phá hoại vùng vị trí đầu vết nứt (J) độ mở rộng đầu vết nứt CTOD (crack tip opening displacement, ký hiệu làδ , xem Hình 5) xác định theo lý thuyết đàn hồi tuyến tính Mối quan hệ mơ tả theo biểu thức (3) (4) [4]: X * XU(X, Y) δ * Vì J=G, Y ⇒J YV(X,Y Sự thay đổi điểm ảnh, kích thước hình dạng phần tử, trước sau chịu lực sở để xác định biến dạng Do thực tế biến dạng bé, nên phải chia nhỏ lưới vùng tập trung khảo sát biến dạng Tập hợp vùng khảo sát bé bề mặt cấu kiện cho ta thấy hình ảnh trường biến dạng bề mặt cấu kiện Ở vị trí đầu khe nứt, vùng biến dạng có hiển thị màu khác biệt rõ rệt Hình Các công cụ hỗ trợ phương pháp DIC thường cho phép xác định kích thước đối tượng cần quan tâm chiều dài đường nứt, bề rộng miệng vết nứt (CMOD), bề rộng đầu vết nứt (CTOD) Trong đó, m số khơng thứ ngun phụ thuộc vào trạng thái ứng suất ngoại lực tính chất vật liệu,σYS ứng suất gây nứt, r chiều dài vùng phát triển vết nứt (FPZ) minh họa Hình Hình x X 2uy(X) r Hình Hình minh họa vị trí vùng lượng phá hủy Để xác định lượng phá hủy G, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ta cần xác định lực kéo Q Q xác định phương pháp phần tử hữu hạn cho dầm bê tông cốt thép môi trường mô phần mềm ABAQUS Trong thí nghiệm uốn dầm, Q tổng lực kéo cốt thép vị trí khe nứt khảo sát Thông qua trường biến dạng bề mặt dầm, ta có từ kết xử lý hình ảnh, phương pháp DIC, thơng số CTOD CMOD CMOD bề rộng miệng vết nứt xác định trọng tâm vùng thép chịu kéo Hình Vùng biến dạng trước sau chuyển vị [1] Hình Vùng biến dạng đầu vết nứt Hình Chiều dài vết nứt hữu hiệu (Shah, S G., & Kishen, J C (2011)) 44 3.2020 3 Thí nghiệm uốn dầm Vật liệu thí nghiệm Thành phần nguyên vật liệu chế tạo bê tông sử dụng bao gồm đá, Kiểm chứng mơ hình Kiểm chứng thông số DIC Các thông số DIC kiểm chứng cách so sánh biến cát, xi măng nước Bê tông thiết kế theo cấp phối bê tông cấp độ bền B15 B22.5 dạng xác định Strain gauge theo cấp gia tải khác biến dạng xác định theo DIC Ngun liệu đầu vào cho bê tơng có mác khác chất lượng Đá tự nhiên sử dụng để đúc mẫu đá Hoà An thuộc tỉnh Đồng Nai Đá tự nhiên làm sạch, có kích thước trung bình 20 Hình minh họa cho sai số có DIC Strain gauge DIC cho kết -207,81µε, giá trị quan sát từ hình Dataloger -207,72 µε Sai số tính chưa đến 1% Cấp tải khảo sát 52,58 kN, độ võng nhịp dầm 10,68 mm mm Cát vàng sử dụng cát sông Đồng Nai Nước sử dụng nước sinh hoạt Hàm lượng tạp chất thoả mãn TCVN 4506-1987 Xi măng sử dụng loại Portland PC40 3.2 Thiết bị thí nghiệm Strain gauge, Hình 6a, dùng để đo biến dạng bề mặt cấu kiện Trong thí nghiệm này, Strain gauge đặt vị trí dầm cách mép dầm 100mm Giá trị Strain Gauge lấy để xác định thông số ảnh, cần cho việc xác định đặc trưng vết nứt theo cơng cụ DIC (a) (a) (b) Hình (a) Strain gauge, (b) Data Logger Data logger, Hình 6b, dùng để đồng giá trị tải trọng uốn chuyển vị dầm bê tông cốt thép Chuyền vị dầm đo LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) Tải trọng uốn ghi nhận Load cell Máy ảnh kỹ thuật số loại Cannon EOS 7D sử dụng để lấy ảnh Độ phân giải ảnh 5184 x 3456 Chế độ ánh sáng phịng Máy ảnh có chân máy cố định, đặt vng góc với dầm, cách dầm khoảng mét Ảnh thu thập theo cấp tải Ảnh đồng với liệu thí nghiệm, có từ Data logger, theo đồng hồ thời gian ghi ảnh đồng hồ Data logger 3.3 Mẫu thí nghiệm (b) Hình Biến dạng dầm theo phương pháp: (a) DIC, (b) Strain gauge 4.2 Kiểm chứng mơ hình dầm bê tơng cốt thép Mơ hình dầm bê tơng cốt thép mô phần mềm ABAQUS Ứng xử vật liệu bê tông mô tả mô hình Hsu-Hsu (1994) Trong đó, ứng xử vật liệu thép mơ hình mơ hình đàn dẻo cải tiến (IEPL) Tồn mơ hình dầm đánh giá thông qua kết so sánh mô thí nghiệm Hình thể kết mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng dầm lực uốn dầm Đường cong có từ phân tích mơ hình thể nét liền Đướng cong tạo từ chấm tròn số liệu ghi nhận từ Dataloger q trình thí nghiệm Dầm khảo sát dầm bê tơng cốt thép có bê tông loại B22.5 Mỗi loại mác bê tông đúc 03 dầm Dầm bê tơng kích thước 3300 x 200 x 300 (mm) Vị trí tải vị trí gối tựa thể Hình Cốt thép chịu kéo loại thép AII, bố trí 5φ16 bụng dầm Cốt thép cấu tạo, vùng bê tông chịu nén, thép AII 2φ12 Thép đai bố trí rải theo chiều dài dầm, φ6 a150 mm Hình Mẫu thí nghiệm 3.4 Cơng cụ xử lý ảnh Ảnh thu từ máy ảnh Canon EOS 7D, ảnh cần xử lý trước cho phân tích DIC Công cụ NCORR công cụ chọn để thực phân tích DIC [5] Đầu tiên chọn hình chụp bề mặt hơng dầm thời điểm chưa gia tải Ảnh gọi ảnh gốc Tiếp theo, hình vị trí với ảnh gốc cấp tải khác chọn để phân tích so sánh thay đổi điểm ảnh so với ảnh gốc Từ thay đổi vị trí điểm ảnh so với ảnh gốc, đặc trưng vết nứt xác định Hình So sánh mối liên hệ Lực uốn dầm chuyển vị dầm Chúng ta thấy dầm bê tông cốt thép làm việc miền đàn hồi tải trọng đạt giá trị 70 (kN) Đường mô thực nghiệm khơng có sai lệch lớn Khi tải trọng vượt giá trị 80 (kN), dầm bê tông cốt thép làm việc ngồi miền đàn hồi tuyến tính, chuyển vị dầm tăng nhanh Chuyển vị dầm theo mơ hình sai khác với kết thực nghiệm khoảng 7% cấp tải 90kN Kết sai lệch nhỏ chứng tỏ mơ hình xử dụng để xác định lực kéo (Q) gây phát triển vết nứt 3.2020 45 Kết bình luận Vết nứt khảo sát vết nứt dầm Trọng tâm nhóm cốt thép chịu kéo cách thớ dầm 3cm Đây vị trí để xác định CMOD Q Năng lượng phá hủy (ΔG) bước tải xác định théo Biểu thức (3) (4), với trị số m = Tổng lượng phá hủy cộng dồn (G) Hình 10 thể mối quan hệ Q, CMOD, ΔG G cho hai trường hợp dầm bê tông B15 B22.5 thể cách tiếp cận triển vọng, giúp đánh giá tác động khả chịu lực cấu kiện bê tông cốt thép thay đổi vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Shah, S G., & Kishen, J C (2011) Fracture properties of concrete–concrete interfaces using digital image correlation Experimental mechanics, 51(3), 303-313 L Skarzynski, J Kozicki, and J Tejchman (2013), Application of DIC Technique to Concrete— Study on Objectivity of Measured Surface Displacements, Experimental Mechanics 53:1545–1559 Skarżyński, Ł., & Tejchman, J (2013) Experimental investigations of fracture process using DIC in plain and reinforced concrete beams under bending Strain, 49(6), 521543 Ming-Hsiang Shih, and Wen-Peisung (2013), Application of digital image correlation method for analysing crack variation of reinforced concrete beams, Sadhana Vol 38 Part 4, 723– 741 (a) (b) Anderson, T L (1991) Fracture mechanics-fundamentals and applications NASA STI/Recon Technical Report A, 92 NCORR (2015), NCORR manual, Georgia Institute of Technology (c) (d) Hình 10 Mối liên hệ giữa: (a) Q CMOD, (b) Q G, (c) ΔG CMOD, (d) G CMOD Hình 10(a) thể mối liên hệ lực kéo Q độ mở rộng khe nứt CMOD Khi lực kéo tăng độ mở rộng khe nứt tăng, nhiên mối quan hệ khơng tuyến tính ảnh hưởng cốt thép bên dầm Hình thể CMOD phát triển sớm (cấp tải nhỏ hơn) dầm bê tông B15 Biểu đồ thể khác biệt rõ ràng dầm bê tông B15 dầm bê tông B22.5 Khả chịu tải dầm bê tông B15 nhỏ dầm bê tơng B22.5 Hình 10(b) thể mối liên hệ lực kéo Q lượng phá hủy cộng dồn G Khi lực kéo tăng lượng phá hủy cộng dồn tăng, mối quan hệ gần tuyến tính Độ dốc đường B15 B22.5 Hình 10(c) thể mối liên hệ lượng phá hủy độ mở rộng khe nứt CMOD Hình thể lượng phá hủy giảm nhanh CMOD tăng Nói cách khác CMOD tăng nhanh vết nứt hấp thu thêm lượng để tiếp tục phát triển Hình 10(c) thể khác biệt rõ ràng mối quan hệ ΔG CMOD so sánh dầm bê tông B15 dầm bê tơng B22.5 Hình 10(d) thể mối liên hệ của lượng phá hủy cộng dồn độ mở rộng khe nứt CMOD Khi lượng phá hủy tăng độ mở rộng khe nứt tăng, mối quan hệ gần tuyến tính Hình thể mức lượng phá hủy bê tông B15 thấp hẳn (nằm dưới) so với mức lượng phá hủy bê tông B22.5 Dựa vào biểu đồ, nói dầm có bê tơng B15 yếu dầm có bê tơng B22.5 Kết luận Phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số kỹ thuật đại, khả thi môi trường nghiên cứu Việt Nam Bài báo trình bày đề xuất liên quan đến việc kết hợp phương pháp DIC mô để xác định đặc trưng học phá hủy dầm bê tông cốt thép Cụ thể lượng phá hủy vết nứt dầm Thí nghiệm uốn dầm bê tơng cốt thép kích thước 3300x200x300, với hai cấp độ bền bê tông khác nhau, thực để minh họa cho giải pháp đề xuất Kết quan sát cho thấy khác biệt rõ rệt đặc trưng học phá hủy, so sánh dầm bê tông cốt thép khác cấp độ bền Các đặc trưng học phá hủy khảo sát gồm CMOD, ΔG G Bài báo 46 3.2020 ... Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Trang 32 Bảng 4.1: K Thứ tự Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 10 Hình. .. đề tài TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Trang A CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Việc áp dụng kỹ thuật DIC để xây. .. Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu thí nghiệm bê tơng Mơ hình áp dụng để xây dựng trường biến dạng cấu kiện bê tông cốt thép mà không
Ngày đăng: 29/12/2021, 05:49
Xem thêm:
