đồ án kết cấu công trình uốn TĨNH dầm THÉP

- Sinh viên tính toán ứng suất và nội lực tại một số tiết diện ngang của dầm dựa vào kết quả thực nghiệm và một số giả thiết bổ sung.. 2.2 Xác định nội lực và ứng suất pháp tại hai mặt c

BÀI 1 UỐN TĨNH DẦM THÉP

1 Mục đích thí nghiệm

- Sinh viên hiểu cách bố trí thí nghiệm với kết cấu cơ bản

- Bằng thực nghiệm, sinh viên xác định biến dạng tại một số điểm tại mặt ngoài tiết diện dầm và độ võng tại một số điểm của dầm

- Sinh viên tính toán ứng suất và nội lực tại một số tiết diện ngang của dầm dựa vào kết quả thực nghiệm và một số giả thiết bổ sung

- Sinh viên so sánh kết quả nội lực và độ võng có được từ thực nghiệm với kết quả từ lý thuyết

- Sinh viên áp dụng các kỹ năng sử dụng các thiết bị gia tải, đo biến dạng và

đo chuyển vị vào một thí nghiệm thực tế

2 Mô hình thí nghiệm

2.1 Kích thước hình học và sơ đồ làm việc

Mô hình được khảo sát là mô hình dầm đơn giản tiết diện hình chữ I cán nóng có các kích thước hình học như sau:

- Nhịp: l = 3m

- Tiết diện:

o Chiều dày bản bụng : 5mm

o Chiều dày bản cánh : 7.5mm

o Moment kháng uốn : Wx = 89.89 cm3

o Diện tích tiết diện : F = 18 cm2

- Kết cấu được làm bằng thép CT3 với các thông số vật liệu như sau:

2.2 Xác định nội lực và ứng suất pháp tại hai mặt cắt ngang trong dầm theo lý thuyết

Trong tính toán thiết kế ta coi dầm thép như cấu kiện một chiều chịu lực vuông góc với trục dọc Bằng phương pháp cơ học kết cấu, sức bền vật liệu, ta tính được nội lực dầm và ứng suất tại hai mặt cắt ngang của dầm như sau:

2.3 Xác định tải trọng thí nghiệm

Tải trọng thí nghiệm tối đa được xác định theo điều kiện: nội lực lớn nhất phát sinh trong kết cấu không vượt quá 0.25 lần khả năng chịu lực tính toán của vật liệu

Nội lực lớn nhất trong kết cấu dầm trong thí nghiệm này là M = Pl tại đoạn 1/3 giữa dầm

Từ đó ta tính được lực kích lớn nhất là:

P max

3W ≤ 0.25f ⟹ Q max = 2P ≤ 2×0.25×3×2100×89.89 300 = 943.85 kG

Chọn lực kích lớn nhất là 960 kG phù hợp với thiết bị gia tải là máy bơm thủy lực có độ chia nhỏ nhất là 160 kG, kích thủy lực có lực kích cực đại là 10000 kG

Tải trọng thí nghiệm cần được chia thành từng cấp gia tải để có thời gian cho vật liệu kịp phản ứng và ghi lại số liệu các thiết bị đo Việc xác định cấp gia tải dựa vào các nguyên tắc

- Tải trọng tăng thêm qua mỗi cấp gia tải phải đủ lớn để các dụng cụ đo ghi được

- Số cấp tải phải đảm bảo cung cấp đủ số liệu cho việc vẽ các đồ thị

- Số cấp tải nằm trong phạm vi từ 5 đến 10

Số cấp tải được chọn là 6 cấp tăng tải với 3 cấp hạ tải Biểu đồ gia tải theo thời gian được thể hiện:

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 41 42 43 44 45 46

0

320

640

960

1280

Với thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm này và cách chia cấp tải nói trên độ thay đổi số chỉ của các extensometer sau mỗi cấp tăng tải 4 lần độ chia nhỏ nhất và của indicator từ 45 lần độ chia nhỏ nhất, đảm bảo đủ quan sát được

3 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm gồm:

- Khung gia tải

- Quang treo

- Bơm và kích thuỷ lực

- Thiết bị đo chuyển vị

- Thiết bị đo biến dạng

Bố trí dụng cụ đo như hình vẽ:

4 Trình tự thí nghiệm

4.1 Chu trình 1

- Gia tải thử với giá trị cấp tải đầu tiên Q1 = 2P1 = 160 kG (2 vạch đo trên áp kế)

- Kiểm tra hệ thống

- Hạ tải về mức 0

- Chỉnh kim chỉ thị trên dụng cụ đo về vị trí thích hợp và ghi chỉ số ban đầu với cấp tải đầu tiên (cấp 0)

4.2 Chu trình 2

Tăng tải lần lượt theo 6 cấp

- Tăng tải tương ứng với mỗi cấp tải là 160 kG

- Các số liệu đo biến dạng hoặc chuyển vị phải được ghi tại một thời điểm thống nhất ứng với mỗi cấp tải vào bảng ghi số liệu

- Số liệu ghi được nên được sơ bộ so sánh với số liệu tính toán từ lý thuyết ngay tại thời điểm đang tiến hành thí nghiệm

- Trong quá trình gia tải cần quan sát tổng thể thiết bị và con người để tránh sai sót và đảm bảo an toàn

4.3 Chu trình 3

Hạ tải lần lượt theo 3 cấp

- Sau khi hoàn thành ghi số liệu thí nghiệm ở cấp tải trọng số 6, mở van xả dầu trên bơm thủy lực một cách nhẹ nhàng để giảm tải từ từ theo 3 cấp Thời gian mỗi cấp là 4 phút

- Số liệu mỗi cấp hạ tải được ghi chép so sánh với các cấp tăng tải

- Với cấp hạ tải cuối cùng (hạ tải về mức 0), thời gian dừng cần lâu hơn để theo dõi sự ổn định hoàn toàn của dụng cụ đo, phản ứng của mẫu thí nghiệm

và các nguy cơ đe dọa sự an toàn

4.4 Ghi chép số liệu

Số liệu trong quá trình thí nghiệm được ghi vào các mẫu in sẵn cùng các ghi chú về các phản ứng của mẫu và các ghi chú khác

Gia tải (mỗi cấp 1 vạch – 160kG)

Giảm tải (mỗi cấp 2 vạch – 320kG)

5 Xử lý số liệu:

5.1 Số liệu thí nghiệm

5.2 Xác định nội lực trong dầm theo từng cấp tải trọng

a Cách tính thực nghiệm: Giá trị nội lực trong dầm ứng với cấp tải trọng thứ i được tính theo công thức:

M=ε×E×W= (ci -c o)L E×W (kG m )

Trong đó:

ci : số chỉ tensometer tại cấp tải thứ i

co : số chỉ tensometer tại cấp tải 0 (cấp ban đầu)

E = 2.1x 102 kG/cm2 : mô đun đàn hồi của thép

W = 89.89 cm3 : mô men kháng uốn của dầm

L = 100mm : chuẩn đo của tensometer

b Kết quả tính toán:

- Vị trí giữa dầm (đồng hồ T2):

- Vị trí biên (đồng hồ T2): x = a/2

5.3 Xác định độ võng của dầm

- Vị trí giữa dầm (đồng hồ I2):

- Vị trí biên (đồng hồ I1):

5.4 Biểu đồ quan hệ

0 200 400 600 800 1000 1200

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 100 200 300 400 500 600 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 200 400 600 800 1000 1200

0

0.2

0.4

0.6

0.81

1.2

1.4

1.6

1.82

0 200 400 600 800 1000 1200 0

1 2 3 4 5 6 7 8

5.5 Kết luận thí nghiệm: Lý do sai khác giữa thực nghiệm và lý thuyết

Đối với mô hình thí nghiệm là dàn thép có các đặc điểm sau:

- Các mắt dàn theo lý thuyết là các khớp lý tưởng, trên thực tế các mắt dàn là những liên kết hàn

- Theo lý thuyết tải trọng được đặt tại các mắt dàn, trên thực tế thí nghiệm tải trọng có thể được đặt lệch so với mắt dàn

- Theo lý thuyết thì vật liệu xem như là đồng nhất, kích thước mặt cắt ngang cũng đồng nhất nhưng trên thực tế thí không phải lúc nào cũng có sự đồng nhất đó mà có một số khuyết tật nhất định dù là nhỏ

- Theo lý thuyết tải trọng ở đây là tĩnh tải, tức là không có biến động về độ lớn của tải trọng trong khi ở thực nghiệm tải trọng được gia tải dần từ mức 0 Như vậy dù việc gia tải là chậm nhưng đây vẫn là điểm khác biệt so với lý thuyết tính toán

- Độ chính xác của các thiết bị đo lực và đo chuyển vị

- Thao tác thực hiện thí nghiệm không đúng yêu cầu

- Điểm đặt lực, kích, đồng hồ cũng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo

- Độ chính xác của các thiết bị đo lực và đo chuyển vị

- Thao tác thực hiện thí nghiệm khôn yêu cầu

- Điểm đặt lực, kích, đồng hồ cũng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo

BÀI 2 UỐN TĨNH DÀN THÉP

1 Mục đích thí nghiệm

- Sinh viên hiểu cách bố trí thí nghiệm với kết cấu cơ bản

- Bằng thực nghiệm, sinh viên xác định biến trên một số thanh dàn và chuyển

vị tại một số mắt dàn

- Sinh viên tính toán nội lực trong các thanh dàn dựa vào kết quả biến dạng đo được từ thực nghiệm

- Sinh viên so sánh kết quả nội lực và chuyển vị có được từ thực nghiệm với kết quả từ lý thuyết

- Sinh viên áp dụng các kỹ năng sử dụng các thiết bị gia tải, đo biến dạng và

đo chuyển vị vào một thí nghiệm thực tế

2 Mô hình thí nghiệm

2.1 Kích thước hình học và sơ đồ làm việc

Mô hình được khảo sát là mô hình dàn tĩnh định tựa đơn giản có cánh song song Các kích thước hình học gồm:

- Nhịp: l = 4m

- Chiều cao: h = 0.5m

- Tiết diện các thanh dàn: 2L40 x 4 (Diện tích tiết diện: F = 640 mm2)

Kết cấu được làm bằng thép CT3 với các thông số vật liệu như sau:

- Cường độ tính toán: R = 2100 kG/cm2

- Module đàn hồi: E = 2.1x106 kG/cm2

2.2 Xác định nội lực và ứng suất pháp tại hai mặt cắt ngang trong dầm theo lý thuyết

Trong tính toán thiết kế ta coi dàn thép như một hệ thanh với liên kết tại các nút là hoàn toàn khớp Bằng phương pháp tính toán đơn giản như tách mắt, mặt cắt hay biểu đồ Cremona để xác định nội lực trong các thanh dàn

Ghi chú:

- Đỏ: thanh chịu nén

- Xanh: thanh chịu kéo

- Đen: thanh có nội lực bằng 0

2.3 Xác định tải trọng thí nghiệm

Tải trọng thí nghiệm tối đa được xác định theo điều kiện: nội lực lớn nhất phát sinh trong kết cấu không vượt quá 0.25 lần khả năng chịu lực tính toán của vật liệu

Nội lực lớn nhất trong kết cấu dầm trong thí nghiệm này là 4P (thanh GH và LM)

Ta tính được lực kích lớn nhất là

4 P max

F ≤ 0.25 f ⇒Q max =4 P max ≤ 0.25 f F=0.25 × 2100× 6.4=3360 kG

Chọn lực kích lớn nhất là 3200 kG phù hợp với thiết bị gia tải là máy bơm thủy lực có độ chia nhỏ nhất là 160 kG, kích thủy lực có lực kích cực đại là 10000 kG

Tải trọng thí nghiệm cần được chia thành từng cấp gia tải để có thời gian cho vật liệu kịp phản ứng và ghi lại số liệu các thiết bị đo Việc xác định cấp gia tải dựa vào các nguyên tắc

- Tải trọng tăng thêm qua mỗi cấp gia tải phải đủ lớn để các dụng cụ đo ghi được

- Số cấp tải phải đảm bảo cung cấp đủ số liệu cho việc vẽ các đồ thị

- Số cấp tải nằm trong phạm vi từ 5 đến 10

Số cấp tải được chọn là 10 cấp tăng tải với 5 cấp hạ tải Biểu đồ gia tải theo thời gian được thể hiện như hình sau:

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 23 26 29 32 35 38 41

0

320

640

960

1280

1600

1920

2240

2560

2880

3200

3 Trình tự thí nghiệm

3.1 Bước 1

- Gia tải thử với giá trị cấp tải đầu tiên Q1= 4P = 320 kG (2 vạch đo trên áp kế)

- Kiểm tra hệ thống

- Hạ tải về mức 0

- Chỉnh kim chỉ thị trên dụng cụ đo về vị trí thích hợp và ghi chỉ số ban đầu với cấp tải đầu tiên

3.2 Bước 2

Tăng tải lần lượt theo 10 cấp

- Tăng tải tương ứng với các cấp tải trong bảng ghi số liệu Mỗi cấp tải ứng với 2 vạch trên áp kế, ứng với 320 kG

- Các số liệu đo biến dạng hoặc chuyển vị phải được ghi tại một thời điểm thống nhất ứng với mỗi cấp tải vào bảng ghi số liệu

- Số liệu ghi được nên được sơ bộ so sánh với số liệu tính toán từ lý thuyết ngay tại thời điểm đang tiến hành thí nghiệm

- Trong quá trình gia tải cần quan sát tổng thể thiết bị và con người để tránh sai sót và đảm bảo an toàn

3.3 Bước 3

- Sau khi hoàn thành ghi số liệu thí nghiệm ở cấp tải trọng số 10, mở van xả dầu trên bơm thủy lực một cách nhẹ nhàng để giảm tải từ từ theo 5 cấp Thời gian mỗi cấp là 3 phút

- Số liệu mỗi cấp hạ tải được ghi chép so sánh với các cấp tăng tải

- Với cấp hạ tải cuối cùng, thời gian dừng cần lâu hơn để theo dõi sự ổn định hoàn toàn của dụng cụ đo, phản ứng của mẫu thí nghiệm và các nguy cơ đe dọa sự an toàn

3.4 Ghi chép số liệu

Số liệu trong quá trình thí nghiệm được ghi vào các mẫu in sẵn cùng các ghi chú về các phản ứng của mẫu và các ghi chú khác

4 Xử lý số liệu

4.1 Số liệu thí nghiệm

Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm:

Gia tải (mỗi cấp 2 vạch = 320 kG)

Giảm tải (mỗi cấp 4 vạch = 640 kG)

4.2 Xác định nội lực trong các thanh dàn theo từng cấp tải trọng

a Giá trị nội lực trong các thành dàn ứng với cấp tải trọng thứ i được tính theo công thức:

N=ε×E×F= (c i-c o)L E×F (kG)

Trong đó:

ci : số chỉ tensometer tại cấp tải thứ i

co : số chỉ tensometer tại cấp tải 0 (cấp ban đầu)

E = 2.1x 102 kG/cm2 : mô đun đàn hồi của thép

F = 6.4 cm2 : diện tích tiết diện của thanh dàn

L = 100mm : chuẩn đo của tensometer

b Kết quả tính toán:

- Thanh AE:

Cấp

9 2880 181.5 189 2.1x 102 6.4 100 -10080 -8150 23.67

0 200 400 600 800 1000 1200

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

- Thanh AL:

Cấp

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

- Thanh LM:

Cấp

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 500 100015002000250030003500 0

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

- Thanh GH:

Cấp

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

-14000 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0

4.3 So sánh kết quả nội lực xác định theo lý thuyết và thực nghiệm

S=NTN -NLT

Kết quả:

Cấp tải Tải trọng Thanh AE Thanh AL Thanh LM Thanh GH

4.4 Xác định độ võng của dàn

Cấp

tải trọngTải yTN Vị trí I1yLT S (%) yTN Vị trí I2yLT S (%)

1 320 0.29 0.62 -53.29 0.47 0.86 -45.40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

yTN yLT

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

NHẬN XÉT CHUNG VỀ THÍ NGHIỆM

Thực nghiệm kết cấu công trình thực chất là khảo sát ứng suất và biến dạng Nhưng đối tượng ứng suất mà ta cần khảo sát lại không quan sát và đo đạt được, chỉ có biến dạng là có thể đo đạt được

Như vậy việc tính nội lực ở đối tượng cần nghiên cứu sẽ được nội suy từ kết quả đo biến dạng như sau:

N = σ.F

Trong đó F là diện tích mặt cắt ngang ta có thể đo đạt được, σ là ứng suất không

đo đạt được mà phải nội suy như sau:

σ = E.ε

Trong ε là biến dạng tương đối đo được bằng thiết bị đo biến dạng extenzomet Đối với mô hình thí nghiệm là dàn thép có các đặc điểm sau:

- Các mắt dàn theo lý thuyết là các khớp lý tưởng, trên thực tế các mắt dàn là những liên kết hàn

- Theo lý thuyết tải trọng được đặt tại các mắt dàn, trên thực tế thí nghiệm tải trọng có thể được đặt lệch so với mắt dàn

- Theo lý thuyết thì vật liệu xem như là đồng nhất, kích thước mặt cắt ngang cũng đồng nhất nhưng trên thực tế thí không phải lúc nào cũng có sự đồng nhất đó mà có một số khuyết tật nhất định dù là nhỏ

- Theo lý thuyết tải trọng ở đây là tĩnh tải, tức là không có biến động về độ lớn của tải trọng trong khi ở thực nghiệm tải trọng được gia tải dần từ mức 0 Như vậy dù việc gia tải là chậm nhưng đây vẫn là điểm khác biệt so với lý thuyết tính toán

- Độ chính xác của các thiết bị đo lực và đo chuyển vị

- Thao tác thực hiện thí nghiệm không đúng yêu cầu

Những điều kể trên có thể là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt giữa lý thuyết

và thực nghiệm Như vậy đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ở lý thuyết và thực nghiệm sẽ là hai đường cong nằm gần nhau Khi hai đường cong này càng nằm gần nhau càng chứng tỏ là thí nghiệm được tiến hành với độ chính xác cao Khi hai đường cong này nằm quá xa nhau chứng tỏ ta đã mắc sai sót trong quá trình thí nghiệm nên cần phải dừng thí nghiệm và kiểm tra lại

Đối với mô hình thí nghiệm dầm thép có các đặc điểm sau:

- Tải trọng được đặt ở hai vị trí 1/3 nhịp dầm, trong khi thực tế thí nghiệm vị trí đặt tải trọng có thể bị lệch đi so với lý thuyết

- Sự đồng nhất về hình dạng tiết diện và sự đồng nhất về vật liệu

- Tải trọng được tăng dần lên nên không phải là tĩnh tải thực sự

- Độ chính xác của thiết bị làm thí nghiệm

- Độ chính xác của các thao tác làm thí nghiệm

Từ những điều kể trên nên có thể dẫn đến việc xây dựng biểu đồ moment và tính độ võng của dầm trên thực nghiệm và trên lý thuyết sẽ có sự khác biệt nhất định, nhưng sự khác biệt này là không lớn nếu ta tiến hành thí nghiệm với độ chính xác cao Nếu kết quả thí nghiệm quá khác biệt so với lý thuyết chứng tỏ ta đã mắc sai sót trong quá trình tiến hành thí nghiệm