3.3 Thí nghiệm cấu kiện dầm
3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm
Các bộ dụng cụ thí nghiệm địi hỏi phải phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế, độ chính xác cao, dễ lắp ráp sử dụng.
22
3.3.2.1 Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gauge (cảm biến điện trở dây)
Strain gauge dùng để đo biến dạng của bề mặt cấu kiện. Strain gauge lá điện trở đo biến dạng là loại cảm biến có cấu tạo rất mỏng, có thể gọi với nhiều tên khác nhau nhƣ: strain gauge, cảm biến điện trở dây, cảm biến điện trở biến dạng, cảm biến lá đo, cảm biến sức căng.
Hình 3.8: Strain gauge
Strain gauge đƣợc dán lên các kết cấu cần quan trắc. Thiết bị đo kích hoạt và đo tần số rung của dây căng trong strain gauge, qua đó tính tốn đƣợc mức độ thay đổi biến dạng so với trạng thái ban đầu.
Trong thí nghiệm này, ta dùng Strain Gauge đặt ở vị trí giữa dầm và cách mép trên dầm 100mm, mục đích đặt vị trí Strain Gauge ở vị trí đó là dùng để kiểm chứng phƣơng pháp DIC, và trong q trình thí nghiệm vết nứt phát triển khơng ảnh hƣởng đến biến dạng bề mặt dầm, cũng không sát đỉnh dầm quá vì tránh sự phá hoại cục bộ tại vị trí đặt tải.
3.3.2.2 Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) Cảm biến LVDT dùng để đo độ võng của khối cấu kiện dƣới tác động của tải trọng tĩnh hay động. Để thu đƣợc kết quả chính xác và tốt nhất, đầu tiên là phải xác định chính xác mặt phẳng chuẩn để làm điểm tựa. Điểm tựa chuẩn này không di chuyển, xem nhƣ cứng tuyệt đối, gắn một đầu của cảm biến lên kết cấu và đầu kia lên điểm tựa này. Dƣới tác động của tải trọng thì có sự thay đổi vị trí của cấu kiện kết cấu với điểm tựa này, đây chính là độ võng ta cần đo.
23
Hình 3.9: Thiết bị đo chuyển vị
Trong thí nghiệm này ta dùng 2 LVDT cho 2 vị trí cách điểm giữa dầm ra 2 bên một khoảng cách 50mm và 2 LVDT cho vị trí giữa dầm.
3.3.2.3 Máy ảnh kỹ thuật số :
Trong quá trình uốn dầm ta sử dụng máy ảnh kỹ thuật số Cannon EOS 7D độ phân giải 5184 x 3456, có chân máy cố định, đặt vng góc với khu vực trung tâm chính diện của dầm cách khoảng 1000mm, để thu thập hình ảnh trong từng giai đoạn gia tải.
Hình 3.10: Máy ảnh Cannon EOS 7D 3.3.2.4 Máy uốn cấu kiện 3.3.2.4 Máy uốn cấu kiện
Nhằm kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của cấu kiện, thí nghiệm cùng máy uốn dầm với tải trọng tĩnh thƣờng đƣợc lựa chọn để kiểm tra khả năng làm việc của
24
cấu kiện ở giai đoạn phục vụ (Servicebility limit state-SLS) và khả năng chịu lực tới hạn (Ultimate limit state-ULS).
Hình 3.11: Máy uốn cấu kiện 3.3.2.5 Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger) 3.3.2.5 Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger)
Đƣợc sử dụng với tất cả các cảm biến dây rung. Khi đọc các lực tải, chuyển vị hay biến dạng, máy tích hợp đa tự động quét qua tất cả các cảm biến dây rung, áp dụng hệ số hiệu chỉnh và bù đắp, và hiển thị các tải trực tiếp trong đơn vị kỹ thuật. Tất cả các kết quả đọc có thể đƣợc lƣu trữ và xuất sang một số định dạng tập tin khác nhau.
Hình 3.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm
Trong thí nghiệm này, máy data logger sẽ thu thập các thông số của các biến dạng ở vị trí đặt Strain gauge, tải trọng tác dụng và các chuyển vị giữa dầm bê tông cốt thép.
25 3.3.3 Công tác chuẩn bị
Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm cũng đƣợc chuẩn bị để cân đo, pha chế theo tỷ lệ cho trƣớc.
Gia công cốt thép, ván khuôn dầm theo kích thƣớc định sẵn: Cốt thép đƣợc gia công đƣợc đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 25mm. Khuôn đƣợc lau sạch, bôi một lớp dầu mỏng vào mặt trong khn.
Hình 3.13. Gia cơng cốt thép và ván khn 3.3.4 Trình tự thí nghiệm 3.3.4 Trình tự thí nghiệm
Sau khi định lƣợng vật liệu bằng các quy trình cân đo đong đếm theo tỷ lệ thành phần cấp phối, tiến hành công tác trộn bê tông bằng máy trộn dung tích 250lit.
Hình 3.14. Q trình trộn bê tơng
Tiến hành kiểm tra độ sụt trƣớc. Sau đó đổ hỗn hợp bê tơng tƣơi vào khn và tiến hành đầm dùi để bê tơng có thể lắp đầy vào ván khn tránh tình trạng rỗ bề mặt dầm.
26
Hình 3.15. Cơng tác đầm dùi
Dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn cho nƣớc xi măng chảy đều tránh rổ mặt khi tháo khuôn, dùng bay xoa phẳng mặt khn, trong q trình đơng kết bê tông bảo dƣỡng theo đúng quy định.
3.3.5 Kiểm tra mẫu thử
Tất cả các cấu kiện dầm đều đƣợc tiến hành thí nghiệm tại phịng thí nghiệm của Trƣờng ĐHSPKT.
Dầm đƣợc đặt trên tựa đơn trên các gối tựa của máy uốn. Các thiết bị đo biến dạng và chuyển vị đƣợc gắn trên dầm để ghi nhận kết quả.
Dầm bê tơng kích thƣớc 3300 x 200 x 300 (mm). Các gối đỡ cách đầu dầm 150 mm. Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Hình 3.16. Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm Cốt thép chịu kéo sử dụng thép AII 516cho dầm bê tông đá 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 tơng 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 q 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