BÁO cáo THÍ NGHIỆM phần 1 PHÂN TÍCH kết cấu dàn THÉP CHỊU tải TRỌNG TĨNH

• 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

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 - σ 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

− Cảm biến điện trở đo biến dạng thép (Strain gages) Biến trở loại 120Ω và hệ số

GF = 2.1

Hình 4: Cảm biến điện trở

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

Hình 5: Hệ thống thu nhận tín hiệu

− Đồng hồ đo độ võng (Dial micrometers).

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 dạngB7 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)

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

P kN F = P/2kN

Chuyển vị kế δi(mm) Số đo biến dạng ɛi (x10-6)

10 5 0.8855 0.8545 47.000 15.500 -87.000 74.500

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

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

i i

N F

− Biến dạng thanh theo định luật Hooke:

i i

• N: lực dọc trong thanh (daN)

• F: diện tích mặt cắt ngang tiết diện

• F2L40x5 = 7.58 (cm2)

• F2L30x4 = 4.54 (cm2)

• ε

: 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:

- 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

- Ứng suất trong các thanh:

Bảng 8: Ứng suất tại các thanh

- 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

III

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

− Ứng suất trong thanh:

i i i

N F

σ =

− Biến dạng thanh theo định luật Hooke:

i i

E

σ

ε =

: 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

29683.3 29683.3 14910 4410 -30660 20895

-10 39485.5 44.05 -39459.10 39445.9 39577.

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

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

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

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

F = P/2(kN) SAP2000 Cơ kết cấuChuyển vị Thực nghiệm

F (kN)

SAP200 so với thựcnghiệm (%) Cơ kết cấu so với thựcnghiệm (%)

− 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

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 gầnnhư là tuyến tính (đồ thị có dạng đường thẳng), từ đó ta có thể thấy kết cấu vẫn còn làm việctrong 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 thịỨng 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 thìỨng 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 tảicàng 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

• Đặc trưng hình học tiết diện tra bảng

• 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 đànhồi 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 đếncác 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 trạngthái 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 đếnnhiều 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 đọcđồng 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 thínghiệm 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 thờitiết 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 hiệntượng 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 xemnhư bài toán đã hội tụ) Trong khi đối với phương pháp phần tự hữu hạn, yếu tố quan trọngquyết 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 chỉđặt 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 chếsai 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 sốquá 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 đổinhiệt 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

− Thí nghiệm này giúp sinh viên có hiểu biết biết, đồng thời làm quen thêm nhiều thiết bị đo nhưtensormet, đồng hồ đo chuyển vị, strain gage … và nắm được cách thức làm thí nghiệm dànthép trong thực tế Giúp sinh viên tránh được những bỡ ngỡ khi ra làm việc ngoài thực tế

− Học hỏi được nhiều kinh nghiệm, biết cách chỉnh các thiết bị đo và các sai sót thường gặp khithí nghiệm

− Giúp sinh viên hiểu rõ thêm về sự làm việc của kết cấu dàn thép khi chịu lực và những sự khácbiệt so với kiến thức lý thuyết được học trên lớp

− Biết được các sai sót thường mắc phải trong quá trình thí nghiệm làm cho kết quả đo khôngchính xác Giúp tránh tối đa những sai sót khi làm thí nghiệm vào lần sau ở nơi khác

Phần 2 PHÂN TÍCH CẤU KIỆN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

CHỊU TẢI TRỌNG TÁC DỤNG TĨNH

A MỤC TIÊU

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

- Ứng suất của các thành phần trong dầm

- Chuyển vị của dầm

B YÊU CẦU

- Khảo sát ứng xử của dầm BTCT (thông qua biến dạng và độ võng );

- Thiết lập các quan hệ tải trọng – độ võng và tải trọng 0 nội lực

- So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết

C THÔNG SỐ CHO TRƯỚC

I Kích thước hình học

Hình 2.1 Mặt cắt dọc bố trí thép của dầm

Hình 2.2 – Mặt cắt ngang bố trí thép của dầm

Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm dầm BTCT bằng khung gia tải MAGUS

Dầm BTCT tiết diện chữ nhật bxh=15x30 cm, dài L=3.00 m

II Vật liệu

Vật liệu: Bê tông B30; Thép CB400V

III Sơ đồ thí nghiệm

Hình 3.1 – Sơ đồ thí nghiệm và bố trí thiết bị đo

- Vị trí đo độ võng: 03 điểm (giữa dầm và tại các điểm đặt lực)

- Vị trí đo biến dạng: 03 điểm (SG1 – vùng nén bê tông; SG2 & SG3 – chính giữa dầm trên 2 thanh thép chịu kéo)

Hình 3.2 – Liên kết hai đầu dầm

D Thiết bị thí nghiệm

1 Khung gia tải + kích thủy lực (

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

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

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

5 Hệ thống đo lực (Load cells)

6 Thước

E QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM DẦM

1 Đo các kích thước dầm: b, h, , L

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

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

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)

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)

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).

F THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

- Kích thủy lực Hi-Force 100T

Hình 4.1 – Kích thủy lực Hi-Force 100T

- Đồng hồ hiển thị giá trị lực

Hình 4.2 – Loadcell 60T và đồng hồ hiện thị giá trị lực

Hình 4.3 – Cảm biến điện trở dùng cho bê tông (=10mm)