Cốt thép chịu kéo sử dụng thép AII 516cho dầm bê tông đá Cốt thép chịu kéo sử dụng thép AII 514cho dầm bê tông xỉ
27 Cốt thép chịu nén sử dụng thép AIII 212. Cốt thép đai chịu cắt 6 a150 mm.
Bố trí Cốt thép dầm bê tơng đá
Bố trí Cốt thép dầm bê tông xỉ
28
CHƢƠNG 4
PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG QUAN ẢNH KỸ THUẬT SỐ (DIC)
Trong quá trình thực nghiệm tiến hành đúc 3 dầm bê tông cốt thép xỉ và 3 dầm bê tông cốt thép thƣờng, mỗi dầm ta xử lý bề mặt dầm tại vị trí chụp ảnh khác nhau. Một dầm sơn phủ màu trắng, một dầm sơn màu xám và một dầm ta để nguyên màu bê tông chỉ dùng giấy nhám tạo phẳng bề mặt. Kết quả 2 dầm sơn màu trắng và màu xám khi thu thập hình ảnh đƣa vào xử lý bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số cho kết quả không đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài. Dầm còn lại để nguyên màu bê tơng dùng giấy nhám, tạo phẳng khi thu thập hình ảnh chạy phần mềm thì thích hợp với phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số cho ra đƣợc kết quả.
4.1. Xác định độ phân giải
4.1.1. Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 và B22.5
Kết quả biến dạng theo số liệu thực nghiệm và kết quả hình ảnh đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp DIC.
Sau khi thu đƣợc số liệu hình ảnh, chụp bằng máy ảnh Canon EOS 7D chụp trong quá trình thí nghiệm dầm bê tơng cốt thép chiu uốn 3 điểm.Do trong quá trình thu thập hình ảnh khơng đồng bộ nhau về kích thƣớc và dung lƣợng nên, cần phải sử dung phần mền IMAGEJ để xử lý sơ bộ hình ảnh sao cho các hình ảnh có kích thƣớc hình học đồng bộ nhau và đúng vị trí hình ảnh cần xử lý.
Tiến hành chạy NCORR, mã nguồn mở,môi trƣờng Matlab, chọn một hình gốc tại thời điểm khi chƣa gia tải, tiếp theo chọn hình ảnh đối chứng tại các thời điểm gia tải và chọn vùng trong hình ảnh đối diện trùng với vị trí đặt Strain gauge (Vị trí Strain gauge đặt ở chính giữa đầm và cách mép trên của dầm 100mm tƣơng đƣơng với pixels). Phƣơng pháp DIC cho kết quả vùng biến dạng theo từng cấp tải trọng.
29
(a) (b)
Hình 4.1: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 ở cấp tải P=89,94KN: Hình(a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết quả thu đƣợc từ Data Logger
Hình 4.1 thể hiện so sánh biến đạng ở cấp tải trọng là 89,84 KN, Hình 4.1a thể hiện kết quả biến dạng đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số tại vị trí đặt Strain gauge. Giá trị có đƣợc là 1046,6 µε. Hình 4.1b thể hiện kết quả biến dạng thực đo từ Strain gauge. Giá trị thu đƣợc từ màn hình của dataloger là 1043,28 µε. Sai số tính đƣợc 1%. Nếu cho rằng giá trị thực đo từ Strain gauge là giá trị đúng, thì sai lệch của phƣơng pháp DIC so với kết quả thực là khơng đáng kể. Từ đó cho thấy độ phân giải của ảnh thu đƣợc cũng nhƣ phƣơng pháp DIC là tƣơng đối chính xác.
(c) (d)
30
Hình (c) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (d) Kết quả thu đƣợc từ Data Logger.
Hình 4.2 thể hiện so sánh biến đạng ở cấp tải trọng là 93,28KN, Hình 4.2c thể hiện kết quả biến dạng đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số tại vị trí đặt Strain gauge. Giá trị có đƣợc là 1325,4 µε. Hình 4.2(d) thể hiện kết quả biến dạng thực đo từ Strain gauge. Giá trị thu đƣợc từ màn hình của dataloger là 1317,62 µε. Sai số tính đƣợc 1%. Nếu cho rằng giá trị thực đo từ Strain gauge là giá trị đúng, thì sai lệch của phƣơng pháp DIC so với kết quả thực là khơng đáng kể. Từ đó cho thấy độ phân giải của ảnh thu đƣợc cũng nhƣ phƣơng pháp DIC là tƣơng đối chính xác.
Bảng 4.1: Kết quả tổng hợp số liệu vùng biến dạng dầm B22.5
Thứ tự Tải trọng (KN) Kết quả từ Data Logger (µε) Kết quả từ PP DIC (µε) Sai số (%) Hình 1 6.19 -1.93 -2.10 8.1 Hình 2 54.93 -482.03 -491.90 2.0 Hình 3 58.02 -514.88 -519.80 0.9 Hình 4 60.15 -619.21 -625.50 1.0 Hình 5 69.65 -655.97 -663.20 1.1 Hình 6 83.63 -844.28 -852.10 0.9 Hình 7 84.88 -864.57 -871.80 0.8 Hình 8 86.84 -915.77 -922.70 0.8 Hình 9 87.22 -966.00 -972.40 0.7 Hình 10 89.94 -1043.28 -1046.60 0.3 Hình 11 90.31 -1047.14 -1052.90 0.5 Hình 12 92.78 -1294.44 -1304.50 0.7 Hình 13 93.28 -1317.62 -1325.40 0.6 Hình 14 94.64 -1411.33 -1421.50 0.7
31
Tại hình 1 tải trọng P= 6.19KN so sánh kết quả giữa phƣơng pháp DIC và kết quả thực nghiệm từ máy Data logger ta thấy sai số 8,1% lớn hơn nhiều so với các cấp tải trọng khác, vì tại hình 1 ở cấp tải trọng nhỏ, biến dạng nhỏ nên sự chênh lệch nhỏ nhƣng cho ra sai số % lớn.
(a) (b)
Hình 4.3: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=52.58KN:
Hình (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b) Kết quả thu đƣợc từ Data Logger
Hình 4.3 thể hiện so sánh biến đạng ở cấp tải trọng là 52.58 KN, Hình 4.3a thể hiện kết quả biến dạng đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số tại vị trí đặt Strain gauge. Giá trị có đƣợc là 207.61 µε. Hình 4.3b thể hiện kết quả biến dạng thực đo từ Strain gauge. Giá trị thu đƣợc từ màn hình của dataloger là 206.72µε. Sai số tính đƣợc dƣới 1%.
( a) (b)
32
Hình (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b) Kết quả thu đƣợc từ Data Logger
Hình 4.3 thể hiện so sánh biến đạng ở cấp tải trọng là 72.25 KN, Hình 4.3a thể hiện kết quả biến dạng đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số tại vị trí đặt Strain gauge. Giá trị có đƣợc là 437.36 µε. Hình 4.3b thể hiện kết quả biến dạng thực đo từ Strain gauge. Giá trị thu đƣợc từ màn hình của dataloger là 438.56µε. Sai số tính đƣợc dƣới 1%.
(a) (b)
Hình 4.5: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=75.46KN:
Hình (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b) Kết quả thu đƣợc từ Data Logger
Hình 4.3 thể hiện so sánh biến đạng ở cấp tải trọng là 75.34 KN, Hình 4.3a thể hiện kết quả biến dạng đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số tại vị trí đặt Strain gauge. Giá trị có đƣợc là 553.99 µε. Hình 4.3b thể hiện kết quả biến dạng thực đo từ Strain gauge. Giá trị thu đƣợc từ màn hình của dataloger là 549.65 µε. Sai số tính đƣợc 1%. Nếu cho rằng giá trị thực đo từ Strain gauge là giá trị đúng, thì sai lệch của phƣơng pháp DIC so với kết quả thực là khơng đáng kể. Từ đó cho thấy độ phân giải của ảnh thu đƣợc cũng nhƣ phƣơng pháp DIC là tƣơng đối chính xác.
4.1.2. Dầm bê tông cốt thép xỉ
Kết quả biến dạng theo số liệu thực nghiệm và kết quả hình ảnh đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp DIC.
33
Tƣơng tự nhƣ dầm bê tông cốt thép thƣờng, sau khi thu đƣợc số liệu hình ảnh, chụp bằng máy ảnh Canon EOS 7D chụp trong q trình thí nghiệm dầm bê tơng cốt thép chiu uốn 3 điểm. Do trong q trình thu thập hình ảnh khơng đồng bộ nhau về kích thƣớc và dung lƣợng nên, cần phải sử dung phần mền IMAGEJ để xử lý sơ bộ hình ảnh sao cho các hình ảnh có kích thƣớc hình học đồng bộ nhau và đúng vị trí hình ảnh cần xử lý.
Tiến hành chạy NCORR, mã nguồn mở, môi trƣờng Matlab, chọn một hình gốc tại thời điểm khi chƣa gia tải, tiếp theo chọn hình ảnh đối chứng tại các thời điểm gia tải và chọn vùng trong hình ảnh trùng với vị trí đặt Strain gauge (Vị trí Strain gauge đặt ở chính giữa dầm, lệch bên trái 100mm và cách mép trên của dầm 120mm) Phƣơng pháp DIC cho kết quả vùng biến dạng theo từng cấp tải trọng.
( a ) ( b )
34 ( e ) ( f )
( g ) ( h )
Hình 4.6: Kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge
Hình 4.6 là kết quả biến dạng của phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số (a) vị trí biến dạng ở tải trọng P=17.94KN, (b) vị trí biến dạng ở tải trọng P=36,25, (c) vị trí biến dạng ở tải trọng P=47.26, (d) vị trí biến dạng ở tải trọng P=62.35KN, (e) vị trí biến dạng ở tải trọng P=70.27KN, (f) vị trí biến dạng ở tải trọng P=91.17KN, (g) vị trí biến dạng ở tải trọng P=94.89, (h) vị trí biến dạng ở tải trọng P=99.46KN.
Bảng 4.2: Kết quả tổng hợp sớ liệu vùng biến dạng dầm xỉ
Thứ tự Tải trọng (KN) Kết quả từ Data Logger (µε) Kết quả từ PP DIC (µε) Sai số (%) Hình 1 1.48 -7.73 -8.02 3.6 Hình 2 9.53 -37.67 -39.20 3.9
35 Hình 3 17.94 -75.42 -79.87 5.6 Hình 4 23.13 -101.43 103.53 2.0 Hình 5 29.20 -127.51 -125.69 1.4 Hình 6 36.25 -150.05 -142.16 5.3 Hình 7 47.26 -258.94 -272.75 5.1 Hình 8 62.35 -327.47 -316.39 3.4 Hình 9 70.27 -350.08 -338.48 3.3 Hình 10 81.77 -429.87 -432.67 0.6 Hình 11 85.61 -451.12 -458.62 1.6 Hình 12 89.19 -468.51 -473.89 1.1 Hình 13 91.17 -478.17 -480.21 0.4 Hình 14 94.89 -505.22 -502.85 0.5 Hình 15 96.25 -511.98 -515.03 0.6 Hình 16 99.46 -528.40 -521.04 1.4 Hình 17 101.07 -539.99 -543.58 0.7 Hình 18 101.81 -545.79 -553.22 1.3
Theo kết quả trên so sánh biến dạng ở các cấp tải trọng tại vị trí đặt Strain gauge đƣợc tính tốn bằng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số với giá trị thu đƣợc từ máy dataloger, sai số trung bình khồng 3%. Nếu cho rằng giá trị thực đo từ Strain gauge là giá trị đúng, thì sai lệch của phƣơng pháp DIC so với kết quả thực là khơng đáng kể. Từ đó cho thấy độ phân giải của ảnh thu đƣợc cũng nhƣ phƣơng pháp DIC là tƣơng đối chính xác.
Nhận xét chung: Từ kết quả thu đƣợc nhƣ trên cho thấy phƣơng pháp DIC xác định trƣờng biến dạng cho cả 2 dầm bê tông cốt thép thƣờng B15, B22.5 và dầm bê tơng cốt thép xỉtƣơng đối chính xác, từ đó cho thấy độ phân giải 5184x3456 của máy ảnh Canon EOS 7D đạt yêu cầu.
36
4.2.1. Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 & B22.5
Sau khi tiến hành uốn mẫu và chụp hình bằng máy ảnh kỹ thuật số, trong suốt quá trình uốn mẫu đến khi hình thành và phát triển vết nứt. Các kết quả hình ảnh đƣợc ghi lại, tiến hành chạy NCORR, mã nguồn mở, môi trƣờng Matlab, chọn một hình gốc tại thời điểm khi chƣa gia tải, tiếp theo chọn hình ảnh đối chứng tại các thời điểm gia tải và chọn vùng trong hình ảnh dọc theo chiều dài vết nứt, sau đó chạy phần mền và xuất ra kết quả bề rộng vết nứt và vùng ứng suất đƣợc thể hiện qua các dãy màu theo từng cấp tải trọng.
( a ) (b)
37 ( e ) (f) ( g ) (h) ( i) (k)
Hình 4.7: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B22.5 theo từng cấp tải trọng.
38
Hình (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.
Quan sát quá trình phát triển vết nứt thơng qua kết quả xử lý hình ảnh, khi tải trọng tác dụng P <60KN thì chƣa xuất hiện vết nứt trên dầm, lúc này dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Khi gia tăng cấp tải trọng lên trên 70KN thì phần dƣới của dầm bắt đầu xuất hiện vết nứt Wc= 0.102mm, vết nứt phân bố trong khoảng giữa dầm. Bề rộng vết nứt tăng dần cùng với sự gia tăng của tải trọng, lúc này cốt thép trong bê tông đã chảy dẻo, tiếp tục gia tăng tải trọng lên đến P=94,64KN thì dầm bị phá hoại hồn tồn, bề rộng vết nứt lớn nhất ở giai đoạn này làWc = 1,085mm.
(a) (b)
39
( e) (f)
( g) (h)
Hình 4.8: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B15 theo từng cấp tải trọng.
Hình (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.
Quan sát quá trình phát triển vết nứt thơng qua kết quả xử lý hình ảnh, khi tải trọng tác dụng P < 38KN thì chƣa xuất hiện vết nứt trên dầm, lúc này dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Khi gia tăng cấp tải trọng lên trên 38kN thì phần dƣới của dầm bắt đầu xuất hiện vết nứt Wc= 0.113mm, vết nứt phân bố trong khoảng giữa dầm. Bề rộng vết nứt tăng dần cùng với sự gia tăng của tải trọng, lên đến P=77.81KN thì dầm bị phá hoại hoàn toàn, bề rộng vết nứt lớn nhất ở giai đoạn này là Wc = 0.184mm.
40
So sánh q trình phát triển vết nứt của dầm bê tơng cốt thép B15 và B22.5 ta thấy quá trình phát triển vết nứt của dầm B15 nhanh hơn ở cấp tải trọng P=38KN đã xuất hiện vết nứt còn dầm B22.5 ở cấp tải trọng P= 70KN mới xuất hiện vết nứt. Đồng thời cho ta thấy dầm B15 phá hoại hoàn toàn ở cấp tải trọng P=77.81KN nhanh hơn dầm B22.5 phá hoại hoàn toàn ở cấp tải trọng P=94.64KN.
Bảng 4.3: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rộng vết nứt dầm BTCT B22.5 STT P(KN) MẶT CẮT STT P(KN) MẶT CẮT 30(mm) 40 (mm) 60 (mm) 100 (mm) 145(mm) Hình 1 6.19 0 0 0 0 0 Hình 2 54.93 0 0 0 0 0 Hình 3 58.02 0 0 0 0 0 Hình 4 60.15 0 0 0 0 0 Hình 5 69.65 0.102 0 0 0 0 Hình 6 83.63 0.194 0.108 0 0 0 Hình 7 84.88 0.203 0.201 0.115 0 0 Hình 8 86.84 0.223 0.209 0.206 0.124 0 Hình 9 87.22 0.337 0.235 0.236 0.156 0.13 Hình 10 89.94 0.384 0.313 0.288 0.251 0.139 Hình 11 90.31 0.621 0.546 0.572 0.551 0.367 Hình 12 92.78 0.743 0.702 0.632 0.631 0.437 Hình 13 93.28 1.033 0.909 0.778 0.715 0.456 Hình 14 94.64 1.085 0.988 0.802 0.836 0.457
41
Hình 4.9 : Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD)
Hình 4.10: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1
Hinh 4.10 thể hiện sự phát triển bề rộng vết nứt tại vị trí mặt cắt 1-1 cách đáy dầm 30mm. Mặt cắt 30mm từ đáy dầm đƣợc chọn để xem xét vì đây vị trí trọng tâm của lớp cốt thép chịu kéo. Độ mở rộng vết nứt tại vị trí này cũng là độ giãn dài của cốt thép. Thơng qua hình thấy ở cấp tải P=69.65 KN thì bắt đầu xuất hiện vết nứt với chiều rông Wc = 0.102mm. ở cấp tải P=94.64 KN thì vết nứt phát triển nhanh với chiều rông Wc = 1.085 mm, mối quan hệ là đƣờng cong cho thấy mối liên hệ giữa tải trọng và độ mở rộng là khơng tuyến tính. ở cấp tải càng cao thì độ mở rộng vết
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 54.93 60.15 83.63 86.84 89.94 92.78 94.64 Chiều rộng vết nứt (mm) Tải tr ọ n g P (KN ) Mặt cắt 1-1
42
nứt càng lớn. Điều này là hợp lý vì vết nứt càng phát triển thì diện tích ngun của bê tơng càng giảm, tiết diện giảm dẫn đến độ cứng của dầm giảm, dầm mềm hơn thì vết nứt càng phát triển nhanh.
Hình 4.11: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2
Hinh 4.11 thể hiện sự phát triển bề rộng vết nứt tại vị trí mặt cắt 2-2 cách đáy dầm 40mm. P=83.63 KN tƣơng ứng Wc = 0.108mm, P=84.88 KN tƣơng ứng Wc = 0.201mm, P=86.84 KN tƣơng ứng Wc = 0.209mm, P=87.22 KN tƣơng ứng Wc = 0.235mm, P=89.94 KN tƣơng ứng Wc = 0.313 mm, P=90.31 KN tƣơng ứng Wc = 0.546 mm, P=92.78 KN tƣơng ứng Wc = 0.702 mm, P=93.28 KN tƣơng ứng Wc = 0.909 mm,P=94.64 KN tƣơng ứng Wc = 0.988 mm.
Hình 4.12: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 3-3
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 54.93 60.15 83.63 86.84 89.94 92.78 94.64 Chiều rộng vết nứt (mm) Tải tr ọ n g P (KN ) Mặt cắt 2-2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 54.93 60.15 83.63 86.84 89.94 92.78 94.64 Chiều rộng vết nứt (mm) Tải tr ọ n g P (KN ) Mặt cắt 3-3
43
Hinh 4.12 thể hiện sự phát triển bề rộng vết nứt tại vị trí mặt cắt 3-3 cách đáy dầm 60mm. Bắt đầu xuất hiện vết nứt ở cấp tải trọng P=84.88 KN tƣơng ứng Wc = 0.115mm, P=86.84 KN tƣơng ứng Wc = 0.206mm, P=87.22 KN tƣơng ứng Wc = 0.236mm, P=89.94 KN tƣơng ứng Wc = 0.288 mm, P=90.31 KN tƣơng ứng Wc = 0.572 mm, P=92.78 KN tƣơng ứng Wc = 0.632 mm, P=93.28 KN tƣơng ứng Wc = 0.778 mm, P=94.64 KN tƣơng ứng Wc = 0.802 mm.
Hình 4.13: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 4-4