1. 6 Điều tra các liên kết trong kết cấu thép và bêtông cốt thép
2.5.3. các máy đo dao động kiểu dùng đIện
Thực chất, đó là tổ hợp của bộ cảm biến (đát-tríc) với các thiết bị đo điện. Các bộ cảm biến có khả năng biến đổi các chuyển vị t−ơng đối giữa các bộ phận kết cấu hoặc các sự thay đổi theo thời gian của ứng suất, của tốc độ gia tốc chuyển vị tại các điểm riêng lẻ của kết cấu thành các đại l−ợng điện và truyền về máy đo điện.
Trên hình 2-28 a, b là sơ đồ đo dao động thẳng đứng của kết cấu nhịp nhờ dùng bộ cảm biến kiểu một dầm công xon ngắn có dán các đát-tric điện trở.
Trên hình 2-28 c, d là sơ đồ đo dùng bộ cảm biến kiểu vòng thép.
Những biến đổi của dòng điện lúc đo đạc trong phần đ−ờng chéo của cầu đo điện trở đ−ợc ghi lại bằng máy oxyclograph lên phim ảnh.
Khi sử dụng các dây căng nh− hình vẽ cần phải xét ảnh h−ởng của biến dạng do nhiệt độ, còn trong tr−ờng hợp đo các chuyển vị lớn thì phải xét cả đến các biến dạng có liên quan đến sự thay đổi độ căng dây trong quá trình đo vì dầm dao động lên xuống.
2 3 1 4 5 T2 T1 R4 R1 R2 3 R a) b) 3 1 4 T2 T1 T1 T4 T3 2 T c) d) 1 T 2 T 4 T 3 T
Hình 2-28. Các sơ đồ dao động có dùng các bộ cảm biến điện trở.
a, b-Khi dùng dầm công xon ngắn có dán lá điện trở; c, d-Khi dùng vòng thép có gắn lá điện trở.
1-Dây nối xuống đất; 2-Dầm công xon ngắn; 3-Lò so; 4-Cọc neo; 5-Cọc giữa dầm công xon; T1, T2, T3, T4-Các ten-xơ-mét kiểu lá điện trở. -Bộ ghi dao động
(oxyclograph).
2.6. xác định các đặc tr−ng cơ lý vμ tính chất của vật liệu.
Khi tính toán đánh giá khả năng chịu tải và trạng thái kĩ thuật của cầu cống cũ rất cần có các trị số đặc tr−ng cơ lí của vật liệu trong kết cấu thực. Việc xác định các trị số này nói chung là khó đạt độ chính xác cao. Thông th−ờng tr−ớc tiên cần tham khảo hồ sơ thiết kế hay hồ sơ hoàn công cũ để biết các đặc tr−ng ban đầu của vật liệu. Tuy nhiên ở Việt Nam các hồ sơ này th−ờng không đủ hoặc không có.
Các thí nghiệm vật liệu phải đ−ợc kết hợp thực hiện ở cả trong phòng thí nghiệm và cả ở trên kết cấu thực. Các thí nghiệm trong phòng cho kết quả chính xác cao hơn nh−ng lại phụ thuộc việc lấy mẫu thử từ kết cấu có làm đ−ợc hay không. Số mẫu lấy ra cũng bị hạn chế. Các thí nghiệm ngay trên kết cấu thực sẽ cho các thí nghiệm trong phòng, có thể thực hiện nhanh chóng hơn, nhiều số liệu thu đ−ợc hơn nh−ng có thể là kém chính xác hơn.
Đa số các thí nghiệm trong phòng thuộc loại thí nghiệm có phá hủy mẫu thử, đa số các thí nghiệm trên kết cấu thực thuộc loại thí nghiệm không phá huỷ mẫu và dùng các cách đo gián tiếp.
2.6.1. kim loại
Tr−ớc khi thí nghiệm cần xác định rõ loại vật liệu bằng kim loại, ví dụ đó là gang, sắt mềm (đối với các cầu thép cũ do Pháp để lại), thép th−ờng, thép hợp kim thấp v.v… Các thí nghiệm kim t−ơng sẽ trả lời chính xác vấn đề phân loại vật liệu kim loại.
Khi lấy mẫu kim loại từ kết cấu cầu cũ phải có biện pháp hợp lí sao cho không làm suy yếu quá nhiều đến sức chịu lực của kết cấu. Tại chỗ đã cắt khoét lấy mẫu ra phải đặt các bản thép bù và liên kết bằng hàn hoặc liên kết bulông c−ờng độ cao ngay. Miếng mẫu kim loại đã lấy ra phải đ−ợc gia công sao cho mẫu thí nghiệm có các đ−ờng biên lùi vào ít nhất 10mm so với mép vết cắt bằng nửa lúc lấy mẫu.
Mẫu thử kim loại phải đ−ợcgia công theo đúng các “Tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu” do Bộ GTVT và Bộ Xây dựng ban hành. Nói chung mẫu để thí nghiệm về giới hạn bền (c−ờng độ phá hủy tức thời) giới hạn chảy, độ dãn dài t−ơng đối hay độ co ngắn t−ơng đối của kim loại thép có dạng nh− hình 2-29a, mẫu để xác định độ dai va chạm đ−ợc cắt lõm nh− hình 2-29b. 41 61 6 R1,5 12 2+0,1 2 10+0,2 27,5 55 R1 10+0,1 a) b)
Hình 2-29. Ví dụ loại mẫu thử để xác định các đặc tr−ng cơ học của thép.
a) Mẫu th−ờng; b) Mẫu thử độ dai va đập.
Mỗi loại thí nghiệm phải có ít nhất ba mẫu giống nhau các mẫu thử có thể đ−ợc phân tích hoá học và phân tích phổ nếu thấy cần thiết.
Do đặc điểm của công nghệ cán thép, đặc tr−ng cơ lí của kim loại cán theo h−ớng dọc
chiều cán và theo h−ớng ngang chiều cán sẽ không giống nhau. Vì vậy lúc lấy mẫu phải
đánh dấu rõ h−ớng tác động chủ yếu của lực trên mẫu đó nh− lúc nó ở trong kết cấu thực. Để thí nghiệm nhanh chóng đối với thép ở trên kết cấu thực ng−ời ta th−ờng dùng ph−ơng pháp đập bi tạo vết lõm trên bề mặt thép. Ph−ơng pháp này cho biết độ cứng của
kim loại để từ đó suy ra giới hạn c−ờng độ của nó với độ tin cậy chấp nhận đ−ợc. Tuy nhiên nếu muốn suy diễn ra trị số giới hạn chảy thì không đủ tin cậy. Sai số xác định giới hạn c−ờng độ dựa vào thí nghiệm xác định độ cứng bề mặt thép vào khoảng 7%, còn nếu suy diễn từ giới hạn c−ờng độ đó ra giới hạn chảy thì sai số lớn đến 30%.
Việc thí nghiệm độ cứng có thể làm theo thí nghiệm Brinell hoặc thí nghiệm Rockwell.
Thí nghiệm Brinell:
Tạo một tải trọng 3000kg cho vật liệu cứng và 1500kg hay 500kg cho các mặt cắt
mỏng hay vật liệu mềm, tác dụng thông qua một viên bi cứng có đ−ờng kính 10mm để gây
ra vết lõm trên bề mặt vật liệu. Đ−ờng kính trung bình của vết lõm là cơ sở để tính ra độ cứng Brenell (HB) theo công thức:
HB = P/[(-D/2)(D- D2 d2 ) (2-16) Trong đó: HB - Số đo cứng Brinell. P - Tải trọng tác dụng (kg). D - Đ−ờng kính viên bi thép. d - Đ−ờng kính trung bình của vết ấn, (mm).
Tiêu chuẩn AASHTO T244-90 và ASTM A 370-88 của Mỹ cho sẵn các bảng tra đã đ−ợc tính sẵn theo công thức trên. Ng−ời ta đã chế tạo máy đo độ cứng Brinell xách tay để làm thí nghiệm dễ dàng tại vị trí cầu.
Thí nghiệm Rockwell:
Trong thí nghiệm này, trị số độ cứng đ−ợc đọc trực tiếp từ máy đo. Độ cứng đ−ợc xác
định căn cứ vào chiều sâu vết ấn của đầu nhọn kim c−ơng hoặc của viên bi thép vào vật
liệu. Tr−ớc tiên gia tải bằng tải trọng phụ 10kg để tạo vết ấn ban đầu và đ−a đầu ấn lên rồi giữ nó đúng vị trí trên mặt vật liệu. Tải trọng chính phụ thuộc vào thang đo đ−ợc sử dụng và đ−ợc gia tải dần sẽ làm tăng dần độ sâu vết ấn. Sau đó bỏ tải trọng chính nh−ng vẫn duy trì tải trọng phụ, trên máy đo sẽ cho biết trị số độ cứng Rockwell.
Dựa vào trị số độ cứng bề mặt, có thể theo công thức thực nghiệm suy ra hàm l−ợng Các bon trong kim loại một cách gần đúng theo dãy số so sánh sau:
-Hàm l−ợng C,% 0.05 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50
2.6.2. bêtông
Nói chung độ chính xác của việc thí nghiệm c−ờng độ bêtông trên kết cấu cũ th−ờng không cao do bêtông không đồng nhất và suy thoái theo thời gian một cách không đồng đều. Ngoài ra còn có ảnh h−ởng của vết nứt, độ ẩm −ớt, cốt thép trong bêtông v.v…
Để thí nghiệm trong phòng phải khoan lấy mẫu bêtông rồi gia công thành hình trụ tròn đ−ờng kính 70-150mm từ kết cấu cầu thực. Nh− vậy lỗ khoan trên kết cấu khá lớn và nếu cầu đang khai thác thì th−ờng không đ−ợc phép khoan trên dầm. Chỉ có thể lấy mẫu từ các khối xây to lớn của mố trụ.
Do vậy ng−ời ta th−ờng dùng các ph−ơng pháp không phá huỷ mẫu để đo c−ờng độ
bêtông ngay trên kết cấu thực. Hai ph−ơng pháp đ−ợc dùng phổ biến nhất hiện nay là
ph−ơng pháp siêu âm và ph−ơng pháp dùng súng bật nẩy kiểu Schmid. Bộ Xây dựng đã ban hành tiêu chuẩn sử dụng kết hợp hai loại thiết bị đo này. Ngoài ra trong một số tr−ờng hợp đặc biệt, có thể dùng ph−ơng pháp tia Gamma (ví dụ đã áp dụng đo c−ờng độ bêtông trong cọc khoan nhồi sâu 40m d−ới lòng sông ở cầu Việt Trì 1993).
2.6.2.1 - Súng bật nẩy kiểu Schmidt (hình 2-30a).
1 2 3 4 5
6 7
8 9
10 11
Hình 2-30a. Súng bật nẩy kiểu Schmidt.
1-Bề mặt kết cấu bêtông; 2-Thanh va đập; 3-Nắp bịt đầu; 4-Lò so va đập; 5-Cửa sổ nhìn thang đo vạch; 6-Con chạy chỉ thị; 7-Thanh dẫn h−ớng;
8-Vòng đệm dẫn h−ớng; 9-Lò so nén; 10-Nắp vỏ thân súng; 11-Núm bấm giữ khi súng không hoạt động; 12-Vỏ thân súng; 13-Quả búa;
14-Đá mài; 15-Hộp đựng súng; 16-Dạng chung của súng.
Nguyên lí hoạt động của thiết bị này nh− sau: Khi dùng sức tay ấn cho thân súng tiến dần đến bề mặt bê tông thì thanh 2 tụt sâu vào thân súng 11 cho đến lúc chạm vào quả búa13. Do cú va đập này quả búa 3 chuyển động về phía sau làm di chuyển con chạy 6 trên thang đo vạch. Vị trí con chạy 6 chỉ rõ số bật nẩy khi đo. Căn cứ số bậc này có thể tra đồ
thị hay bảng mà hãng sản xuât Schmid đã bán kèm súng để suy ra c−ờng độ bề mặt nhỏ để
lấy trị số bật nẩy trung bình. Trong các tài liệu kèm theo súng có các bảng tra cụ thể ứng với các góc bắn khác nhau, ví dụ: 45, 90, - 45, v.v… Các súng do Trung Quốc sản xuất còn xét đến hiệu chỉnh theo mức độ các bô nát hóa bề mặt bê tông để gián tiếp xét đến tuổi
bê tông cũ. Các súng do hãng Schmid bán ở Việt Nam chỉ đo c−ờng độ bê tông có tuổi cao nhất là 56 ngày. Tác giả Nga OCU OB khuyên đối với bê tông cũ phải cạo bỏ lớp bề mặt đi sâu 10mm rồi mới dùng súng bật nẩy để thử c−ờng độ bê tông. Điều này khó đ−ợc áp dụng ở Việt Nam.
Hình 2-30b. Thử c−ờng độ BT đáy bản dầm liên hợp cầu Văn-điển bằng súng Schmidt
2.6.2.2 - Ph−ơng pháp siêu âm.
Để xác định c−ờng độ bê tông trong kết cấu có thể dùng máy siêu âm tạo ra sóng siêu âm và đo tốc độ truyền sóng. Từ tốc độ này suy ra c−ờng độ bê tông R. Sóng siêu âm đ−ợc lan truyền theo h−ớng dọc và theo h−ớng ngang. Tốc độ truyền sóng là hàm số phụ thuộc vào độ đàn hồi, mật độ và dạng hình học theo h−ớng dọc và theo h−ớng ngang của kết cấu.
Lúc thí nghiệm bê tông bằng siêu âm phải xét đ−ợc mọi yếu tố ảnh h−ởng đến độ
truyền sóng và quan hệ giữa nó với c−ờng độ bê tông R (đặc tính của cốt liệu, hàm l−ợng cốt liệu trong bê tông, công nghệ chế tạo bê tông nhiệt độ, sự bố trí cốt thép v.v…). Muốn vậy phải lập ra các đồ thị chuẩn thể hiện quan hệ giữa tốc độ truyền sóng siêu âm và c−ờng độ phá huỷ nén mẫu thử bê tông trong phòng thí nghiệm. Sau đó sử dụng đồ thị này để suy diễn các kết quả đo ở ngoài hiện tr−ờng. Nh− vậy độ chính xác đo đạc phụ thuộc độ chính xác của việc lập đồ thị chuẩn, mẫu thử bê tông của cầu sẽ tính theo công thức:
4 cl c cl c v v R R Trong đó: : cl
R - C−ờng độ bêtông của mẫu thử nén vỡ, mẫu này đ−ợc lấy ra từ kết cấu thực.
c
v và vcl: -Tốc độ truyền sóng siêu âm trong bêtôngcủa kết cấu thực và trong mẫu thử nén vỡ.
Ng−ời ta còn đ−a ra thêm các hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm để xét đến các ảnh h−ởng khác. Nói chung sai số của ph−ơng pháp siêu âm đo c−ờng độ bêtông vào cỡ 10%.
Có rất nhiều loại máy siêu âm khác nhau do các hãng n−ớc ngoài sản xuất đang đ−ợc dùng ở Việt Nam. Nguyên lý chung của chúng đ−ợc vẽ trên hình 2-31.
Các xung điện đ−ợc phát ra từ máy phát cao tần kích động 1, truyền định kỳ lên đầu dò phát 10 để truyền vào bề mặt kết cấu bê tông hay bê tông cốt thép. Đồng thời một tín hiệu điện tử đ−ợc đ−a vào khối quét chờ 3 rồi gửi đến ống tia điện tử. Khi sóng siêu âm từ đầu dò phát 10 đi qua bê tông đến đầu dò thu 9, nó tạo ra tín hiệu điện biến đổi để gửi đến bộ khuyếch đại 7, sau đó tín hiệu đi đến ống tia điện tử làm lệch tia điện tử theo h−ớng thẳng đứng. Thời điểm phát sóng siêu âm ở đầu phát 10 và thời điểm nhận đỉnh nhọn trên đ−ờng biểu diễn trên màn ảnh của ống tia điện tử 5. Khoảng cách giữa các đỉnh nhọn theo một tỷ lệ xích đã quy định sẵn sẽ t−ơng ứng với khoảng thời gian t mà xung đi qua vật thể bê tông. Nhờ khối 4 mà trên màn ảnh có thấy thang chia khoảng thời gian 6, theo đó ta biết đ−ợc thời gian t. Căn cứ trị số t và độ dầy vật thể bê tông chúng ta xác định đ−ợc tốc độ truyền sóng siêu âm v = 1/t. Từ đó suy ra c−ờng độ bê tông dựa vào đồ thị chuẩn của máy. Nói chung các máy siêu âm hiện đại còn có nhiều bộ phận khác để dễ đo, dễ mang đi công tr−ờng và tăng độ chính xác. Có thể đo các kết cấu dày từ 0.1m đến 12m.
Hình 2-31. Sơ đồ khối của máy siêu âm đo c−ờng độ bê tông.
1-Bộ phát xung tần số cao; 2- Bộ phát chính ; 3- Khối quét chờ; 4- Khối đo thời gian;
5- Bộ hiện sóng; 6- Thang chia; 7- Bộ khuyếch đại; 8- Cấu kiện BTCT cần đo
c−ờng độ; 9- Đầu dò thu; 10- Đầu dò phát 10 9 l 8 2 3 1 4 7 6 5
2.7- Phát hiện các khuyết tật vμ h− hỏng ẩn giấu
Trong kết cấu cũ th−ờng có những khuyết tật ẩn giấu mà không nhận biết đ−ợc nh−
các vết nứt, vết rỗ vết rỗng xốp bên trong bê tông, trong mối hàn. Các loại máy dò khuyết tật ẩn giấu đ−ợc phát triển ngày càng hiện đại nh−ng đều dựa trên các nguyên lý chung của các ph−ơng pháp âm thanh, ph−ơng pháp từ tr−ờng, ph−ơng pháp phóng xạ và tia Rơn- ghel.
2.7.1- Ph−ơng pháp âm thanh
Ph−ơng pháp này sử dụng sóng đàn hồi ở dải tần rộng. Tuỳ theo tần số dao động đàn hồi có thể phân loại:
- Sóng hạ âm (tần số 20Hz)
- Sóng âm thánh nghe đ−ợc (tần số 20 Hz đến 20 kHz) - Sóng siêu âm (tấn số từ 20 kHz trở lên)
Nh−ng chỉ có sóng âm thanh và siêu âm là dúng đ−ợc trong công tác chuẩn đoán bên trong. Các sóng đàn hồi ở dải tần siêu âm có thể đ−ợc phát ra liên tục hoặc ngắt quảng từng sung. Siêu âm có thể áp dụng cho kiểm tra không phát huy mẫu đối với các bộ phận kết cấu làm bằng bất cứ loại vật liệu nào. Để phát hiện khuyết tật ẩn giấu phải căn cứ vào sự phản xạ và khuyết tán của các sóng siêu âm khi gặp sự bất th−ờng trên con đ−ờng mà sóng đi qua (ví dụ đó là các lỗ rỗng, các vết nứt ngầm, các chỗ bị phân lớp v.v...) hoặc khi đi qua môi tr−ờng không đồng chất.
Tần số siêu âm thông dụng trong chẩn đoán là từ 0,5 đến 255 MHz. Có thể đo sóng xuyên hoặ sóng phản xạ từ bề mặt.
Trên hình 2-32 giới thiệu sơ đồ khồi của máy dò khuyế tật đơn giản hoạt động theo nguyên lý tiếng vọng âm.
1 2 3 5 D 6 4 a b 7
Hình 2-32. Sơ đồ khối của máy đo khuyết tật
a- Bề mặt truyền sóng âm; b- Bề mặt đối diện; D- Khuyết tật;
I- Biểu diễn khuyết tật trên màn hình; 1- Bộ đồng bọ dao động; 2- Bộ phát xung;