P (kN) F=P/2 (kN) Ứng suất (kN/m2) 1 2 5 6 0 0 0.000 0.000 0.000 0.000 4 2 7898.417 8.811 -7891.821 7889.182 6 3 11846.966 13.216 -11707.124 11832.454 8 4 15796.834 17.621 -15784.960 15777.045
27 Bảng 15. Giá trị biến dạng không xét đến trọng lượng bản thân
P (kN) F=P/2 (kN) Biến dạng (x10-6) 1 2 5 6 0 0 0.000 0.000 0.000 0.000 4 2 37.612 0.042 -37.580 37.568 6 3 56.414 0.063 -55.748 56.345 8 4 75.223 0.084 -75.166 75.129
10. So sánh và vẽ các đồ thị quan hệ tải trọng – độ võng (P-δ) và tải trọng – nội lực (P-σ)(P-σ) (P-σ)
28 Bảng 16. Tổng hợp giá trị ứng suất theo 3 phương pháp
P (kN)
F = P/2 (kN)
Ứng suất (kN/m2)
Thí nghiệm Cơ học kết cấu SAP2000
1 2 5 6 1 2 5 6 1 2 5 6 0 0 0 0 0 0 0.000 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4 2 6825 1050 -7455 5040 7915.567 0 -7915.567 7915.567 7898.417 8.811 -7891.821 7889.182 6 3 9870 1260 -11550 7455 11873.351 0 -11873.351 11873.351 11846.966 13.216 -11707.124 11832.454 8 4 12810 1890 -15540 10080 15831.135 0 -15831.135 15831.135 15796.834 17.621 -15784.960 15777.045
Bảng 17. So sánh giá trị ứng suất theo 3 phương pháp
P (kN) Cơ học kết cấu so với thực nghiệm (%)
SAP2000 so với thực nghiệm (%) 1 2 5 6 1 2 5 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 15.98 100.00 6.18 57.05 15.73 99.16 5.86 56.53 6 20.30 100.00 2.80 59.27 20.03 98.95 1.36 58.72 8 23.58 100.00 1.87 57.05 23.32 99.07 1.58 56.52
Hình 25. Đồ thị quan hệ tải trọng - ứng suất tại vị trí 1
30 Hình 27. Đồ thị quan hệ tải trọng - ứng suất tại vị trí 5
31 Bảng 18. Tổng hợp giá trị độ võng theo 3 phương pháp
P
(kN)
F = P/2 (kN)
Độ võng (mm)
Thí nghiệm Cơ học kết cấu SAP2000
1 2 1 2 1 2 0 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4 2 0.690 0.626 0.498 0.479 0.502 0.483 6 3 1.021 0.935 0.747 0.719 0.753 0.725 8 4 1.347 1.237 0.996 0.958 1.000 0.966
Bảng 19. So sánh giá trị độ võng theo 3 phương pháp
P (kN) Cơ học kết cấu so với thực nghiệm (%)
SAP2000 so với thực nghiệm (%) 1 2 1 2 0 0 0 0 0 4 27.83 23.48 27.25 22.84 6 26.84 23.10 26.25 22.46 8 26.06 22.55 25.76 21.91
32 Hình 29. Đồ thị quan hệ tải trọng – độ võng tại vị trí đặt chuyển vị kế 1
Hình 30. Đồ thị quan hệ tải trọng – độ võng tại vị trí đặt chuyển vị kế 2
11. Phân trích và nhận xét kết quả thí nghiệm
* Phân tích thí nghiệm và lí thuyết:
33
Sơ đồ:
- Sơ đồ tính thực nghiệm: 2 liên kết cố định
- Sơ đồ tính lý thuyết: 1 gối cố định, 1 gối di động (Dầm đơn giản)
Tải trọng:
- Tải trọng thực nghiệm là tải trọng ngồi P (kích thủy lực) khơng bao gồm tải trọng bản thân, do các thiết bị đo chuyển vị đã được reset ngay từ đầu, thiết bị đo biến dạng cũng đã được ghi lại số liệu ngay từ đầu.
- Tải trọng tính lý thuyết cũng là tải trọng ngồi P (kích thủy lực) khơng bao gồm trọng lượng bản thân
Vật liệu:
- Vật liệu thực nghiệm vá tính lý thuyết: • Thanh cánh: L40x40x5 • Thanh bụng: L30x30x4
• Đặc trưng hình học tiết diện tra bảng • Modun đàn hồi của thép Es = 210000N/mm2
- Vật liệu thực nghiệm: Thép là vật liệu liên tục, đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính.
- Vật liệu tính theo lý thuyết: Vật liệu được coi là liên tục, đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính.
➢ Lý thuyết tính tốn
- Thực nghiệm: lấy kết quả thực nghiệm chuyển vị, ứng suất tính theo kết quả biến dạng thực nghiệm thơng qua định luật Hooke.
- Tính theo lý thuyết:
• Cơ học kết cấu: Chuyển vị và ứng suất tính lý thuyết cơ học kết cấu và cơng thức định luật Hooke.
34 • SAP 2000: Chuyển vị và ứng suất tính theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
và công thức định luật Hooke.
* Phân tích và nhận xét kết quả thí nghiệm đo biến dạng
- Có sự chênh lệch kết quả từ các phương pháp tính giữa SAP2000, cơ học kết cấu và thực nghiệm.
- Sự chệnh lệch ứng suất giữa SAP2000 và cơ kết cấu là rất nhỏ, gần như bằng 0.
- Theo kết quả SAP2000, cơ học kết cấu và thực nghiệm tải trọng – ứng suất gần như là tuyến tính (đồ thị có dạng đường thẳng), từ đó ta có thể thấy kết cấu vẫn còn làm việc trong miền đàn hồi. Tuy nhiên đường biểu diễn thực nghiệm có thể xem như tuyến tính vì sai sót trong q trình thí nghiệm dẫn đến một số điểm phi tuyến.
- Biến dạng tại vị trí đo biến dạng 2 có sự khác biệt giữa tính tốn theo lý thuyết đàn hồi và kết quả thực nghiệm. Trong cách tính tốn lý thuyết đàn hồi tại vị trí số 2, thanh cánh xiên giải ra khơng có nội lực và theo định luật Hooke thì thanh cánh xiên này khơng có biến dạng, do đó có thể nói rằng dàn thép đã nhận được lực gia tải đứng khi thí nghiệm bị lệch trục thay vì nhận lực thẳng đứng vng góc với thanh cánh trên tại vị trí đầu thanh xiên. Vì vậy có sự chênh lệch rõ ràng giữa đường biểu diễn tải trọng ứng suất theo thực nghiệm và lý thuyết.
* Phân tích và nhận xét kết quả thí nghiệm đo chuyển vị
- Chuyển vị thực nghiệm, SAP2000 và cơ kết cấu có biến thiên tuyến tính. Tải trọng càng lớn chuyển vị của thực nghiệm càng lớn hơn so với SAP2000 và cơ học kết cấu (kết quả thu được từ phương pháp tính theo cơ học kết cấu và SAP2000 gần như bằng nhau). - Chuyển vị theo thực nghiệm lớn hơn chuyển vị theo cơ học kết cấu và SAP2000. Tuy nhiên chuyển vị tỏ ra khá gần giá trị của nhau vì vật liệu được sử dụng là thép, tính đồng nhất cao, đẳng hướng, ít khuyết tật, …, mơ hình thí nghiệm cũng khá đơn giản nên giảm bớt sai số.
- Tuy các đồ thị vẫn có sự chênh lệch nhau về giá trị nhưng mà vẫn cho ta thấy được chế độ làm việc tuân theo lý thuyết của sức bền vật liệu khi dàn thép làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
- Kết quả cho thấy các tính tốn SAP2000 tương đối sát với kết quả tính tốn theo cơ học kết cấu trong giai đoạn dàn làm việc đàn hồi.
35
* Nguyên nhân sai số
Kết quả chuyển vị và biến dạng đo được khi thí nghiệm khơng giống với kết quả tính tốn theo lý thuyết. Chứng tỏ có yếu tố gây ra sai số trong q trình làm thí nghiệm.
Sai số trong q trình thí nghiệm:
Có rất nhiều ngun nhân dẫn đến kết quả thí nghiệm sai lệch so với lý thuyết, các nguyên nhân chính gồm có:
- Sai số do thiết bị, dụng cụ thí nghiệm:
• Do bộ phận kích lực khơng chuẩn, khi kích chỉ cần có chuyển vị nhỏ cũng tác động đến các thiết bị cảm biến.
• Đường dây điện khơng ổn định, chỉ cần 1 chút tác động nhẹ lên dây (có thể là do gió, hay bạn nào lỡ chạm vào), sẽ dẫn tới kết quả sai khác rất lớn so với kết quả đang đo.
• Dàn thép cịn biến dạng dư, do chúng ta làm thí nghiệm liên tục, dàn chưa trở về trạng thái ban đầu (Dàn thép sau khi thí nghiệm nhiều lần, khả năng đàn hồi bị giảm, sau lần thí nghiệm 1, thời gian chờ cho dàn phục hồi người thí nghiệm khơng tính tốn được nên lần thí nghiệm 2 kết quả thí nghiệm có sai số lớn hơn lần 1. Mặt khác, dàn chưa trở lại trạng thái ban đầu, người thí nghiệm đã bắt đầu tiến hành gia tải cho lần 2, nhưng lần này dàn thép ở trạng thái khác với lần thí nghiệm 1, do đó có sai số).
• Máy đo biến dạng rất nhạy, ban đầu ta khơng thể chỉnh hồn tồn về số 0, do đó kết quả đó về sau sẽ sai số.
• Đồng hồ sử dụng đo chuyển vị là dạng hoạt động theo nguyên tác tín hiệu điện tử, nên sau nhiều lần sử dụng, thời gian dài dụng cụ giảm độ nhạy dẫn đến kém chính xác, gây sai số trong q trình đo chuyển vị.
- Sai số do tác nhân con người:
• Việc đọc số cũng khơng đảm bảo chính xác hồn tồn, phụ thuộc nhiều vào người đọc đồng hồ đo.
• Trong q trình làm thí nghiệm có thể vơ tình đụng chạm vào hệ dàn, dây dẫn, Strain Gage để xảy ra sự cố.
36 • Gia tải kích lực chưa đạt tới hoặt vượt quá gia tải yêu cầu (do giả tải bằng phương
pháp bơm thủ cơng nên có thể chưa đạt hoặc vượt mức tải yêu cầu. Bên cạnh đó, trong một vài trường hợp khi đã bơm tải đến tải trọng yêu cầu nhưng tải trọng đột nhiên bị giảm làm thay đổi kết quả).
- Ảnh hưởng của mơi trường:
• Bị ảnh hưởng bởi các tác nhân như gió, nhiệt độ, … trong lúc làm thí nghiệm. Lúc làm thí nghiệm nên tắt tất cả quạt và làm vào lúc ít gió, vì khi gió thổi qua làm đung đưa dây dẫn, dẫn đến sai số rất lớn, đặc biết đối với hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến P3500 + SB10, khi dây dẫn bị rung có thể làm kết quả sai lệch rất lớn.
• Dàn thép đã được sử dụng lâu ngày nên dẫn đến sai lệch do từ biến, ảnh hưởng bởi thời tiết đến vật liệu.
Sai số trong q trình tính tốn:
• Do kết cấu thực làm việc q lâu so với mơ hình kết cấu của lý thuyết làm xuất hiện hiện tượng từ biến. Dù trong thanh bụng có Strain Gage số 2 khơng có nội lực trong thanh, nhưng thực tế vẫn gây ra biến dạng.
• Hầu hết các bạn mơ hình trên phần mềm SAP2000 chưa kiểm tra sự hội tụ của bài toán tụ (Kiểm tra hội tụ của bài toán, bằng cách kiểm tra kết quả chuyển vị tại các vị trí bất kì trên hệ dàn giữa 2 lần mesh, khi sự sai lệch kết quả giữa 2 lần mesh nhỏ hơn 1% thì có thể xem như bài tốn đã hội tụ). Trong khi đối với phương pháp phần tự hữu hạn, yếu tố quan trọng quyết định đến kết quả có chính xác hay khơng là sự hội tụ nghiệm.
• SAP2000 xuất kết quả là tiết diện gồm 2 thanh thép góc cịn trong thí nghiệm cảm biến chỉ đặt trên một thanh thép góc.
• Kết quả nội lực trong SAP2000 và trong lúc tính tay được làm trịn thơng qua excel.
Sai số do cơ khí và cấu tạo dàn thép:
• Sai sót trong q trình chế tạo dàn thép, điển hình như chi tiết mối nối tại các nút dàn không đảm bảo khả năng làm việc của các thanh dàn.
37 • Dàn thép được đặt trên một dầm thép chữ I lớn trong một thời gian lâu dài, làm cho dầm thép bị võng. Mà chân đế đồng hồ đo chuyển vị lại đặt trên dầm thép chữ I nên làm tăng độ giá trị độ võng đo được khi thí nghiệm.
• Bộ phận truyền tải trọng là: 2 quang treo và đòn gia tải làm bằng thép, 2 quang treo làm bằng thép nên bị dãn dài khi gia tải làm cho tải trọng truyền lên dàn thép không cịn đúng với cấp tải gia bằng kích thủy lực.
• Dàn thép được giữ thăng bằng bằng cặp thanh thép nối giữa dàn thép với dầm thép chữ I nên gây cản trở chuyển vị của dàn thép khi được gia tải.
• Đường truyền lực đi xa cộng với sự sai sót trong q trình chế tạo hệ truyền tải trọng và thời gian lâu ngày làm cho khi thí nghiệm, lực gia tải truyền đi bị sai lệch.
12. Đánh giá khả năng làm việc của dàn thép
Các thanh trong dàn đang chịu ứng suất khá nhỏ so với ứng suất giới hạn => Dàn đang làm việc trong miền đàn hồi.
13. Đề xuất và kiến nghị
- Kiểm tra cẩn thận việc lắp đặt, bố trí sơ đồ thí nghiệm trước khi thí nghiệm. - Kiểm tra dụng cụ thí nghiệm đạt yêu cầu trước khi thí nghiệm.
- Tăng số lần thí nghiệm để tăng độ chính xác của thí nghiệm và loại bỏ các kết quả bị sai số quá lớn giữa những lần thí nghiệm.
- Đọc số đo và điều khiển thiết bị chính xác
- Hạn chế tối đa các tác động từ mơi trường bên ngồi đến q trình thí nghiệm (sự thay đổi nhiệt độ, va chạm, …)
38
PHẦN 2: DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
1. Mục đích thí nghiệm
- Nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép (BTCT) theo TTGH II thông qua ứng suất và độ võng δ.
- So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính tốn bằng phần mềm SAP2000 và tính tốn theo TCVN 5574-2018.
- Nhận xét mối quan hệ giữa tải trọng – ứng suất và tải trọng – chuyển vị.
2. Mơ tả cấu tạo kích thước dầm BTCT, sơ đồ làm việc và sơ đồ tính tốn
2.1 Cấu tạo kích thước dầm BTCT
Hình 31. Cấu tạo và kích thước dầm BTCT
- Kích thước dầm BTCT tiết diện hình chữ nhật bh = 150300 mm, chiều dày lớp bê tông bảo vệ c = 25 mm.
- Bê tơng sử dụng B30 có đặc trưng vật liệu: + Rb = 17 Mpa
39 + Rb, ser = 22 Mpa + Rbt, ser = 1.75 Mpa + Eb = 32500 MPa - Cốt thép sử dụng CB400V có đặc trưng vật liệu: + Rs = 350 Mpa + Rsc = 350 Mpa + Es = 200000 Mpa
2.2 Sơ đồ làm việc và sơ đồ tính tốn
Hình 32. Sơ đồ tính dầm BTCT
- Dầm được đặt trên 2 gối tựa đơn cách nhau một đoạn 2700mm chịu 2 lực tập trung theo sơ đồ.
- Chiều dài dầm tính từ đầu thừa L + 2 L0 = 2700 + 2x150 = 3000 (mm) - Khoảng cách từ đầu thừa đến điểm đặc lực là L1 = 1050 (mm)
40
3. Mô tả chi tiết thiết bị thí nghiệm
41 Hình 34. Loadcell 60T và đồng hồ hiển thị giá trị lực
42 Hình 36. Tensometer cảm biến điện trở đo biến (Strain gage) (LSG=10mm)
43 Hình 38. Truyền lực và liên kết gối tựa tại 2 đầu dầm
44
4. Mơ tả sơ đồ thí nghiệm và các vị trí đo biến dạng ε và độ võng δ
Hình 40. Sơ đồ thí nghiệm dầm BTCT
- Dầm được đặt trên 2 gối tựa đơn cách nhau một đoạn 2700mm và chịu 2 lực tập trung theo sơ đồ.
* Vị trí đo biến dạng ε và độ võng δ
- Bố trí 1 đồng hồ đo chuyển vị tại vị trí giữa dầm
- Bố trí 3 Strain gage để đo biến dạng, SG1 đặc ở vùng nén bê tông, SG2 và SG3 đặc ở chính giữa dầm trên 2 thanh thép chịu kéo.
5. Mơ tả quy trình thí nghiệm
Bước 1: Đo lại các kích thước dầm: b, h, L, và kiểm tra lại các đồng hồ đo chuyển vị, về
độ ổn định, vị trí đặt và độ nhạy của các đồng hồ trước khi tiến hành thí nghiệm.
Bước 2: Điều khiển hệ gia tải để áp đặt tải tập trung lên mặt dầm bằng kích thủy lực Bước 3: Chất tải và dỡ tải trọng thử ban đầu (5-10% Pmax) một vài lần để phát hiện, sửa
chữa dụng cụ đo và loại trừ biến dạng dư.
Bước 4: Tiến hành gia tải bằng kích thủy lực, mỗi cấp gia tải là 4kN/cấp, gia tải đến 12
kN. Đọc và ghi lại kết quả cho từng đại lương đo tương ứng với từng cấp tải.
Bước 5: Sau khi tiến hành đo xong 4 cấp tải ở lần thứ nhất, tiến hành xả tải để dầm nghỉ
ngơi 15 phút cho dầm quay về trạng thái ban đầu, rồi tiếp tục tiến hành gia tải thí nghiệm