BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN HỌC THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM − Kiểm nghiệm sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm: • Ứng suất trong các thanh dàn.. Trạng thái ứng suất – biến dạng phản ánh khả năng làm việc thực tế của dàn t

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MỤC LỤC

PHẦN 1 PHÂN TÍCH KẾT CẤU DÀN THÉP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH 6

A MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM _ 6

B YÊU CẦU THÍ NGHIỆM 6

C THÔNG SỐ CHO TRƯỚC _ 6

I Cấu tạo, kích thước và đặc trưng hình học tiết diện dàn _ 6

II Sơ đồ thí nghiệm, các vị trí đo biến dạng và độ võng 7

G Tính toán theo phần mềm sap2000: _ 15

I Mô hình dàn trong sap2000: _ 15

1 Kết quả tính toán từ phần mềm sap2000: _ 19

2 Tính biến dạng trong thanh theo kết quả từ phần mềm _ 20

II Đồ thị so sánh ứng suất thực nghiệm, tính theo cơ kết cấu và phần mềm SAP2000 21 III Đồ thị so sánh chuyển vị thực nghiệm, cơ kết cấu và phần mềm SAP2000 24

H PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 26

I Phân tích và nhận xét kết quả thí nghiệm đo biến dạng 26

II Phân tích thí nghiệm và lí thuyết _ 27 III Nguyên nhân sai số _ 28

1 Sai số trong quá trình thí nghiệm _ 28

2 Sai số trong quá trình tính toán _ 29

1 Khung gia tải + kích thủy lực (𝑃𝑚𝑎𝑥 = 1000𝑘𝑁) _ 34

2 Cảm biến điện trở đo biến dạng thép và bê tông (Stain Gages: 120Ω, GF = 2.1) 34

3 Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến P3500 + SB10 34

4 Đồng hồ đo độ võng của dầm (Dial Micrometers) 34

5 Hệ thống đo lực (Load cells) _ 34

6 Thước 34

E QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM DẦM _ 34

1 Đo các kích thước dầm: b, h, 𝐿1, L 35

2 Xác định vị trí đo đạc, kiểm tra thiết bị và chạy thí nghiệm thử 35

3 Kiểm tra hệ thống lần cuối, khử biến dạng dư trong dầm (áp tải 𝑃 ≤ 3𝑘𝑁 𝑣à𝑖 𝑙ầ𝑛 và tiến hành thí nghiệm 35

4 Điều khiển kích thủy lực để áp đặt tải tập trung lên mặt trên dầm (mỗi nhóm được phân công giá trị tải đỉnh và bước tải khác nhau) _ 35

5 Trong quá trình thí nghiệm, tại mỗi cấp tải trọng, cần ghi các giá trị độ võng và biến dạng của bê tông và thép (Bảng 2) _ 35

6 Thực hiện tổng cộng 2-3 vòng đo lặp để lấy giá trị trung bình Thời gian cho phép dầm nghỉ khoảng 15 phút giữa các vòng đo lặp (thời gian để dầm trở về trạng thái ban đầu) 35

F THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM _ 35

G KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 38

I Số liệu đầu vào 38

II Xử lý số liệu và tính toán _ 39 III Xử lý số liệu biến dạng _ 40

H TÍNH TOÁN THÍ NGHIỆM 40

I Từ thí nghiệm 40

1 Ứng suất từ biến dạng theo định luật Hooke _ 40

2 Biểu đồ _ 41

3 Biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất 42

II Kết quả lý thuyết khi tính toán theo phương pháp cơ học kết cấu _ 43

1 Xây dựng mô hình tính toán trong SAP2000 50

2 Kết quả _ 51

3 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và lý thuyết: 52

I PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM _ 56

I Phân tích và nhận xét kết quả thí nghiệm đo biến dạng 56

1 Đồ thị tải trọng – chuyển vị _ 56

II Phân tích thí nghiệm và lí thuyết _ 57

1 Kiểm tra: 57 III Nguyên nhân sai số _ 58

1 Sai số trong quá trình thí nghiệm _ 58

2 Sai số trong quá trình tính toán _ 59

IV Cách khắc phục 60

V Bài học từ thí nghiệm 60

Phần 1 PHÂN TÍCH KẾT CẤU DÀN THÉP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH

A MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

− Kiểm nghiệm sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Ứng suất trong các thanh dàn

• Độ võng và chuyển vị của dàn

− Bằng các biện pháp:

• Xác định chuyển vị và biến dạng của dàn thép tại một số vị trí nhất định

• Khảo sát sự biến động của trạng thái ứng suất – biến dạng của dàn thép

Trạng thái ứng suất – biến dạng phản ánh khả năng làm việc thực tế của dàn thép cũng như các yếu tố cấu thành như: vật liệu, sơ đồ kết cấu, công nghệ chế tạo

Đây là cơ sở để đánh giá sự đúng đắn của lý thuyết tính toán, thiết kế công trình và thực nghiệm

B YÊU CẦU THÍ NGHIỆM

− Khảo sát ứng xử của dàn thép (thông qua biến dạng ε và độ võng δ)

− Thiết lập các quan hệ tải trọng – độ võng (P – δ) và tải trọng – nội lực ( P -  hoặc P –N );

− So sánh kết quả đo thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết

C THÔNG SỐ CHO TRƯỚC

I Cấu tạo, kích thước và đặc trưng hình học tiết diện dàn

Dàn thép hình thang 5 nhịp, mỗi nhịp cao 0.5m, bước nhịp 1m

Thanh cánh: 2L40x40x5, khe hở giữa 2 thanh 6mm

Thanh bụng: 2L30x30x4, khe hở giữa 2 thanh 6mm

Mô-đun đàn hồi của thép: Es = 2.1x108 kN/m2

II Sơ đồ thí nghiệm, các vị trí đo biến dạng và độ võng

Hình 1: Sơ đồ dàn thép

D THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

− Hệ dàn thép thực tế

Hình 2: Dàn thép thực tế thí nghiệm

− Thiết bị gia tải: Kích thủy lực 20 T (đường kính piston Dpiston = 5.82 cm), 2 quang treo và

− Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến P3500 + SB10

B2 Xác định cách thức đặt tải trọng lên dàn

B3 Xác định vị trí các vị trí đo đạc, kiểm tra thiết bị và chạy thí nghiệm thử

B4 Kiểm tra hệ thống lần cuối và tiến hành thí nghiệm

B5 Điều khiển kích thủy lực để áp đặt 2 tải tập trung lên cách trên dàn (0-5-10-15-20 kN) B6 Trong quá trình thí nghiệm, tải mỗi cấp tải trọng, cần ghi các trị độ võng và biến dạng B7 Thực hiện tổng cộng 2-3 vòng đo lặp để lấy giá trị trung bình Thời gian cho phép dàn nghỉ khoảng 15p giữa các vòng đo lặp ( thời gian để dàn trở về trạng thái ban đầu)

20 10 2.556 2.521 1529 1084 -1711 3279

II Xử lý số liệu

Sau khi đã có số liệu thô, ta tiến hành tính giá trị trung bình và trừ tất cả các giá trị biến dạng ở cấp tải cho giá trị biến dạng ở cấp tải 0 và tính giá trị trung bình của biến dạng và chuyển vị Giá trị được sử dụng tính toán sau này là giá trị trung bình

Bảng 3: Bảng xử lý số liệu trung bình 2 lần đo thực nghiệm

15 15 1.9195 1.8945 14910 4410 -30660 20895

Hình 7: Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng thực nghiệm tại các vị trí

Hình 8: Biểu đồ tải trọng - ứng suất thực nghiệm tại các vị trí

0 5 10 15 20 25

III Tính toán theo lý thuyết bằng phương pháp tính cơ kết cấu

− Ứng suất trong thanh:

i i i

N F

 =

− Biến dạng thanh theo định luật Hooke:

i i

E



 =Trong đó:

•  : Ứng suất (daN/cm2)

• N: lực dọc trong thanh (daN)

• F: diện tích mặt cắt ngang tiết diện

• F2L40x5 = 7.58 (cm2)

• F2L30x4 = 4.54 (cm2)

•  : Biến dạng của cấu kiện

• E: Modul đàn hồi của thép, E = 2,1x108 (kN/m2)

• Dpiston: Đường kính Piston kích thủy lực = 5.82 (cm)

Ghi chú: Tải trọng tác dụng lên dàn (P) xác định bằng:

𝑷 = 𝟎 𝟓∆𝒑𝒊 𝝅(𝟎 𝟓𝑫𝒑𝒊𝒔𝒕𝒐𝒏)𝟐Bảng 5: Bảng tải trọng tác dụng

Quy đổi tải trọng

- Dựa vào lý thuyết sức bền-kết cấu, ta tính được nội lực trong các thanh ứng với tải P như sau:

Bảng 6: Nội Lực trong các thanh

- Tính toán nội lực trong các thanh qua các lần gia tải:

Bảng 7: Nội lục tại các thanh

P

(kN)

F=P/2 (kN)

- Ứng suất trong các thanh:

Bảng 8: Ứng suất tại các thanh

P

(kN)

F=P/2 (kN)

- Biến dạng trong các thanh:

Bảng 9: Ứng suất tại các thanh

Chuyển vị kế (mm)

G Tính toán theo phần mềm sap2000:

I Mô hình dàn trong sap2000:

− Để tính toán các giá trị lý thuyết ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Sap2000 Các bước thực hiện bao gồm mô hình dàn, gán tải trọng tương ứng với các cấp tải

đã được chuyển về đơn vị kN, chạy nội lực và dùng nội lực để tính ứng suất và biến dạng

- Khai báo vật liệu:

Hình 9: Khai báo vật liệu

- Khai báo tiết diện:

Hình 10: Khai báo tiết diện trong dàn

1 Kết quả tính toán từ phần mềm sap2000:

Bảng 11: Mô hình nội lực theo từng cấp tải trong sap2000

2 Tính biến dạng trong thanh theo kết quả từ phần mềm

− Ứng suất trong thanh: i

i i

N F

•  : Biến dạng của cấu kiện

• E: Modul đàn hồi của thép, E = 2,1x108 (kN/m2)

Bảng 13: Giá trị ứng suất không xét đến TLBT

P

(kN/m²)

P (kN)

Độ võng

5 19749.3 22.03 -19736.15 19722.9 19788.

9 0

19788.9 19788.9 9870 3255 -18270 15645 7.5 29617.4 44.05 -29591.03 29577.8 29683.

-8 0

29683.3 29683.3 14910 4410 -30660 20895

-10 39485.5 44.05 -39459.10 39445.9 39577.

8 0

39577.8 39577.8 21630 2625 -28665 34650

-Bảng 16: -Bảng so sánh ứng suất phương pháp so với thực nghiệm

F kN

% Ứng suất SAP2000 so với thực nghiệm Cơ kết cấu so với thực nghiệm

2.5 161.06 -99.54 6.80 -34.82 161.76 -100.00 7.08 -34.56

5 100.09 -99.32 8.02 26.07 100.50 -100.00 8.31 26.49 7.5 98.64 -99.00 -3.49 41.55 99.08 -100.00 -3.19 42.06

10 82.55 -98.32 37.66 13.84 82.98 -100.00 38.07 14.22

Hình 14: Biểu đồ quan hệ tải trọng và ứng suất tại thanh 1

Hình 15: Biểu đồ quan hệ tải trọng và ứng suất tại thanh 2

0.00 5000.00 10000.00 15000.00 20000.00 25000.00 30000.00 35000.00 40000.00 45000.00

Hình 16: Biểu đồ quan hệ tải trọng và ứng suất tại thanh 4

Hình 17: Biểu đồ quan hệ tải trọng và ứng suất tại thanh 6

-45000.00 -40000.00 -35000.00 -30000.00 -25000.00 -20000.00 -15000.00 -10000.00 -5000.00

III Đồ thị so sánh chuyển vị thực nghiệm, cơ kết cấu và phần mềm SAP2000

F = P/2 (kN)

Chuyển vị SAP2000 Cơ kết cấu Thực nghiệm

2.5 0.38 0.53 0.37 0.53 0.645 0.651

5 0.75 1.06 0.75 1.06 1.275 1.285 7.5 1.13 1.6 1.12 1.58 1.920 1.895

10 1.51 2.13 1.49 2.11 2.561 2.530 Bảng 17: Bảng tổng hợp chuyển vị của 3 phương pháp

F (kN)

SAP200 so với thực nghiệm (%)

Cơ kết cấu so với thực nghiệm (%)

− Đồ thị so sánh giữa thực nghiệm, cơ kết cấy và phần mềm Sap 2000 tại vị trí chuyển vị kế 1:

Hình 18: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí I

− Đồ thị so sánh giữa thực nghiệm, cơ kết cấy và phần mềm Sap 2000 tại vị trí chuyển vị kế 4:

Hình 19: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí IV

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000

H PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

I Phân tích và nhận xét kết quả thí nghiệm đo biến dạng

− Theo kết quả lý thuyết (Sap 2000), theo cơ 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 dàn hồi

− Ứng suất ở thanh 1 theo cơ kết cấu và sap2000 lớn hơn nhiều so với thực nghiệm

− Ứng suất ở thanh 2 theo cơ kết cấu và sap2000 thì có giá trị gần bằng 0 và tải đạt P = 20 kN thị Ứng suất theo thực nghiệm giảm đi

− Ứng suất ở thanh 4 theo cơ kết cấu và sap2000 thì có giá trị tuyến tính và tải đạt P = 20kN thì Ứng suất theo thực nghiệm giảm đi

− Ứng suất ở thanh 6 theo cơ kết cấu và sap2000 thì có giá trị nhỏ hơn thực nghiệm nhưng tải càng cao bắt đầu từ khoảng P = 8 kN thì sẽ nhỏ hơn cơ kết cấu và sap2000

− Ở vị trí cảm biến 2, giá trị ứng suất không tăng khi tăng cấp tải; giá trị ứng suất của thực

nghiệm, SAP, cơ kết cấu có thể xem là bằng 0

➢ Vì thanh bụng 2 không có lực dọc truc (thanh bụng cấu tạo) do đó có ứng suất rất nhỏ (tuy

nhiên vẫn có) nên đồ thị cảm biến 2 có hình dạng như trên

− Đường biểu diễn quan hệ tải trọng – Ứng suất thực nghiệm có hệ số góc khác với đường lý thuyết

➢ Kết quả cho thấy các tính toán theo cơ kết cấu (lớn hơn) với kết quả thực nghiệm trong giai

đoạn dàn làm việc đàn hồi

Đồ thị tải trọng – chuyển vị

− Chuyển vị thực nghiệm, sap2000 và cơ kết có biến thiên tuyến tính Tải trọng càng lớn chuyện

vị của thực nghiệm càng lớn hơn so với sap2000 và cơ kết cấu ( Cơ kết cấu và sap2000 gần như bằng nhau)

− Chuyển vị theo thực nghiệm lớn hơn chuyển vị theo cơ 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,…, mô 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 sức bền vật liệu khi dàn thép làm việc trong giai đoạn đàn hồi

− Kết quả cho thấy các tính toán SAP 2000 tương đối sát với kết quả cơ kết cấu trong giai đoạn dàn làm việc đàn hồi

Đồ thị tải trọng – nội lực: 2 phương pháp sap2000 và cơ lý thuyết gần bằng nhau

II Phân tích thí nghiệm và lí thuyết

❖ Kiểm tra:

− 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 ngoài P (kích thủy lực) không 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 ngoài P (kích thủy lực) không bao gồm trọng

• Modun đàn hồi của thép Es = 2.1E8kN/m2

− 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 toán:

− Thực nghiệm: lấy kết quả thực nghiệm chuyển vị, ứng suất tính theo kết quà biến dạng thực nghiệm thông qua định luật Hooke

− Tính theo lý thuyết:

• Sức bền vật liệu: Chuyển vị và ứng suất tính lý thuyết sức bền + định luật Hooke

• SAP 2000: Chuyển vị và ứng suất tính theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) + định luật Hooke

▪ Xem chuyển vị là đại lượng cần tìm trước

▪ Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố chuyển vị trong phần tử

▪ Điều kiện tương thích chỉ đúng bên trong và tại các điểm nút phần tử

▪ Từ điêu kiện cân bằng nút và các điều kiện biên => hệ phương đại số trình tuyến tính

▪ Giải hệ phương trình đại số tuyến tính => các chuyển vị nút => chuyển vị trong phần tử; Dùng phương trình Cauchy => trường biến dạng; phương trình định luật Hooke => trường ứng suất

III Nguyên nhân sai số

1 Sai số trong quá trình thí nghiệm

Có rất nhiều nguyên 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 không chuẩn, khi kích chỉ cần có chuyển vị nhỏ cũng tác động đến các thiết bị cảm biến

• Đường dây điện không 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 còn biến dạng dư, do chúng ta làm thí nghiệm liên tục, dàn chưa trở về trạng thái ban đầu

• Máy đo biến dạng rất nhạy, ban đầu ta không thể chỉnh hoàn toàn về số 0, do đó kết quả đó

về sau sẽ sai số

• Do mỗi thiết bị có một độ chính xác nhất định, nếu phải đọc số liệu nhiều lần sẽ dẫn đến nhiều lần sai số hơn Vì thế, thí nghiệm càng nhiều với mật độ cao thì sai số sẽ càng nhiều

− Sai số do tác nhân con người:

• Việc đọc số cũng không đảm bảo chính xác hoàn toàn, phụ thuộc nhiều vào người đọc đồng

hồ đo Đồng thời, có thể do việc gắn đồng hồ đo không cẩn thận

• Trong quá trình làm thí nghiệm có thể vô tình đụng chạm vào hệ dàn, dây dẫn, Strain Gage

để xảy ra sự cố

• Gia tải kích lực chưa đạt tới hoặt vượt quá gia tải yêu cầu

− Ảnh hưởng của môi 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

2 Sai số trong quá trình tính toán

− Do kết cấu thực làm việc quá lâu so với mô hình kết cấu của lý thuyết làm xuất hiện hiện tượng từ biến Dù trong thanh bụng có Strain Gage số 2 không có nội lực trong thanh, nhưng thực tế vẫn gây ra biến dạng

− Hầu hết các bạn mô hình trên phần mềm Sap 2000 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 toán 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 không là sự hội tụ nghiệm

− SAP2000 xuất kết quả là tiết diện gồm 2 thanh thép góc còn trong thí nghiệm cảm biến chỉ đặt trên một thanh thép góc

− Kết quả nội lực trong Sap và trong lúc tính tay được làm tròn thông qua excel

IV Cách khắc phục

Nhìn chung, sai số trong thí nghiệm là điều không thể tránh khỏi Tuy nhiên, có thể hạn chế sai số bằng cách:

− 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

− Tiến hành thí nghiệm theo hướng dẫn của giảng viên

− Đọc số đo và điều khiển thiết bị chính xác

− Hạn chế tối đa các tác động từ môi trường bên ngoài đến quá trình thí nghiệm (sự thay đổi nhiệt

độ, va chạm,…)

− Nâng cấp trang thiết bị thí nghiệm hiện đại hơn và thường xuyên bảo dưỡng các thiết bị dụng

cụ đo

V Bài học từ thí nghiệm