BÁO cáo THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH THÍ NGHIỆM dàn THÉP CHỊU tải TRỌNG TĨNH

Môn học thí nghiệm công trình là môn học giới thiệu kiến thức tổng quát về các phương pháp khảo sát và nghiên cứu thực nghiệm công trình, giới thiệu các kỹ thuật dùng để đo lực và biến d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO

GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn

L01 Nhóm 1A

M ỤC LỤC

1.8.1 Khai báo số liệu đầu vào 21 1.8.2 Xác định chuyển vị của dàn thép 23 1.8.3 Xác định ứng suất trong các thanh dàn của dàn thép _ 24

1.9.1 Đồ thị quan hệ tải trọng P và độ võng δ 26 1.9.2 Đồ thị quan hệ tải trọng P và ứng suất 𝜎 27

1.10 Đánh giá, nhận xét kết quả 31

1.10.1 Nhận xét kết quả và đánh giá sự phù hợp giữa các phương pháp 31 1.10.2 Đánh giá khả năng làm việc của dàn thép 33 1.10.3 Đề xuất các kiến nghị 33

CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP _ 34

2.8.1 Khai báo số liệu đầu vào 46 2.8.2 Xác định chuyển vị của dầm bê tông cốt thép 47 2.8.3 Xác định ứng suất của dầm bê tông cốt thép _ 47

Hình 1.14 Hệ chuẩn chịu lực đơn vị 15 Hình 1.15 Hệ chuẩn cơ bản _ 16

Hình 1.25 Biểu đồ nội lực của hệ DH2 19

Hình 1.26 Mô hình dàn thép trong SAP2000 _ 22 Hình 1.27 Mô hình dàn thép được gia tải trong SAP2000 _ 22 Hình 1.28 Chuyển vị tại điểm đặt chuyển vị kế I 23 Hình 1.29 Chuyển vị tại điểm đặt chuyển vị kế II _ 23

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm dầm bê tông cốt thép 34

Hình 2.7 Đồng hồ đo độ võng _ 36 Hình 2.8 Thước cuộn _ 36

Hình 2.11 Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt thép _ 42 Hình 2.12 Khai báo vật liệu dầm (SAP2000) _ 46 Hình 2.13 Gán từng giá trị tải vào đúng vị trí (SAP2000) _ 46

Hình 2.14 Đồ thị tải trọng P và độ võng δ (3 phương pháp) _ 49

DANH M ỤC BẢNG

B ảng 2.1 Bảng giá trị số đọc chuyển vị kế và máy đo biến dạng (lần 1) 38

L ỜI NÓI ĐẦU

Thí nghiệm công trình là một công tác hết sức quan trọng nhằm thử nghiệm, kiểm định, đánh giá chất lượng của vật liệu và kết cấu trong công tác thi công và nghiệm thu công trình trước khi đưa vào sử dụng Đây là yêu cầu bắt buộc giúp kiểm định và đánh giá chất lượng,

là tài liệu quan trọng trong hồ sơ xây dựng công trình

Môn học thí nghiệm công trình là môn học giới thiệu kiến thức tổng quát về các phương pháp khảo sát và nghiên cứu thực nghiệm công trình, giới thiệu các kỹ thuật dùng để đo lực

và biến dạng của kết cấu công trình, cung cấp kỹ năng thực hành các khảo sát cơ bản trên cấu kiện kích thước vừa và nhỏ Đây là cơ hội để sinh viên được tiếp cận với phương pháp học tập kết hợp với thực nghiệm - cơ sở để thực hiện những công tác kiểm định và đánh giá

thực nghiệm trong công việc sau này

Quá trình thực hiện thí nghiệm không chỉ đòi hỏi việc nắm vững các tiêu chuẩn, quy phạm, các lý thuyết cơ bản mà còn cần một hiểu biết nhất định về thực tế sản xuất và thi công Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức quý báu đó cho chúng em trong suốt quá trình thí nghiệm

CHƯƠNG 1: THÍ NGHIỆM DÀN THÉP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH

1.1 M ục đích thí nghiệm:

Làm quen với phương pháp thí nghiệm một kết cấu hệ thanh, biết cách sử dụng các thiết

bị đo để xác định ứng suất, chuyển vị bằng phương pháp thực nghiệm

Đo biến dạng tại 2 điểm I và II bằng đồng hồ đo chuyển vị

Đo biến dạng tại các thanh 2, 3, 5, 7 thông qua các cảm biến kết nối với máy đo biến dạng điện trở di động P-3500, bộ chuyển đổi SB-10

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

- Ứng suất trong các thanh dàn (thể hiện qua biến dạng của thanh dàn)

- Chuyển vị của dàn (dựa vào đo độ võng và chuyển vị tại một số vị trí trên dàn thép)

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

+ Các thanh cánh và thanh bụng ngoài: Thép 2L40x40x4

b) Cảm biến điện trở đo biến dạng thép (Strain gages: 120Ω, GF = 2.1)

Hình 1.6 Tensometer cảm biến điện trở

Hình 1.4 Màn hình

thể hiện tải

c) Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến P3500 + SB10

Hình 1.7 Máy đo biến dạng điện trở di động P-3500 và bộ chuyển đổi SB-10

Thông số kỹ thuật máy đo biến dạng điện trở di động P-3500:

Dải đo: ±19.999με với hệ số gauge < 6.000

Dải đo:±6.000×19.999με với hệ số gauge < 6.000

Phạm vi áp dụng: phù hợp với strain gauges 120Ω và 350Ω

Độ chính xác: 0.5% Độ phân giải: 1με

Số cổng đo: 5 Nguồn: pin hoặc nguồn 220V

Kích thước: 228x152x152mm Khối lượng: 2.9kg

Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi SB-10:

Số cổng: 10

Kích thước: 228x152x152mm Khối lượng: 2.5kg

d) Thước kẹp, thước cuộn

e) Đồng hồ đo độ võng (Dial micrometer)

Bước 1: Đo đạc các kích thước của dàn thép

Bước 2: Xác định cách thức đặt tải trọng lên dàn Xác định các vị trí đo đạc, kiểm tra thiết

bị và chạy thí nghiệm thử

Bước 3: Kiểm tra hệ thống lần cuối và tiến hành thí nghiệm

Bước 4: Chỉnh tải trọng trên đồng hồ chuyển vị về 0, đọc số trên thiết bị đo biến dạng được

đặt trên bàn

Bước 5: Bắt đầu kích áp lực tới 4kN bằng cách dùng tay đẩy piston phía dưới Quan sát màn hình điện tử thể hiện 4.00kN ta bắt đầu đọc chuyển vị trên đồng hồ I và II sau đó tiếp

tục đọc số trên đồng hồ biến dạng và ghi các số liệu vào giấy của lần kích tải đầu tiên là 4, các bạn chưa có nhiệm vụ đứng xung quanh hỗ trợ kiểm tra đọc và ghi số của các bạn

Bước 6: Tiếp tục tăng áp lực lên 8.00kN và 11.00kN Đọc các số liệu được đo trên đồng

hồ chuyển vị và biến dạng Kiểm tra lại số liệu đọc và ghi

Khi k ết thúc lần đo 1, ta để dàn thép nghỉ ngơi 5 phút để hồi phục lại và tiếp tục làm thí nghiệm lần 2 Số lần gia tải và kích tải như trên

1.6 K ết quả thí nghiệm:

1.6.1 S ố liệu thí nghiệm:

1.6.2 X ử lý số liệu thí nghiệm:

Do đồng hồ chuyển vị được reset về 0 tại mốc áp lực 0 nên ta không cần tính hiệu số mà

số đọc đồng hồ cũng chính là giá trị chuyển vị cần đo so với chuyển vị mốc tại áp lực 0

Ta cần phải hiệu chỉnh giá trị biến dạng để xác định được giá trị biến dạng so với mốc

tại cấp áp lực 0

Trong đó: σ là ứng suất của thanh dàn (kN/cm2)

E là modul đàn hồi của thép E = 21000 (kN/cm2)

ε là biến dạng của thanh dàn, bằng trị số đọc trên P3500 (×10-6)

B ảng 1.5 Bảng giá độ võng và ứng suất (thực nghiệm)

0.000.400.801.201.602.00

Hình 1.13 Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm tải trọng P - ứng suất σ thanh số 5

1.7 K ết quả tính toán bằng lý thuyết cơ học kết cấu:

σ là ứng suất (kN/cm2) N là lực tác dụng lên điểm đặt (kN)

A là diện tích mặt cắt ngang tiết diện (cm2) ε là biến dạng của cấu kiện (×10-6)

E là mô đun đàn hồi của thép E = 21000 (kN/cm2)

Gi ải hệ bằng lý thuyết cơ học kết cấu:

Để giải hệ dàn siêu tĩnh chịu lực F, ta giải hệ chuẩn có F = 1 (kN) Khi đó, hệ chịu lực

F sẽ tuyến tính F lần so với hệ chuẩn Ta giải hệ bằng phương pháp lực:

Hình 1.14 Hệ chuẩn chịu lực đơn vị

-2.40-2.00-1.60-1.20-0.80-0.400.00

Bước 1:

Giải phóng liên kết thừa siêu tĩnh tại B, ta có hệ cơ bản tĩnh định và ẩn lực ngang X

Hình 1.15 Hệ chuẩn cơ bản Bước 2:

Để tìm ẩn lực X ta cần giải điều kiện chuyển vị ngang tại B của hệ cơ bản bằng 0

Tương tự, vẽ biểu đồ nội lực hệ N1 do lực X đơn vị gây ra cho hệ cơ bản:

Bước 5: Giải hệ chuẩn ban đầu

Vậy hệ chuẩn ban đầu sẽ tương đương với hệ:

Hình 1.20 Hệ tương đương hệ chuẩn

Hệ tĩnh định này phương pháp giải như giải hệ NP ta có nội lực như sau:

Bước 6: Giải hệ chuyển vị hệ chuẩn

Để giải chuyển vị, ta dùng lý thuyết chuyển vị khả dĩ của cơ học kết cấu Đặt lực đơn vị

tải điểm cần tìm chuyển vị và vẽ biểu đồ đơn vị rồi nhân biểu đồ với hệ cần giải để tìm chuyển vị

Hình 1.22 Hệ DH1 có lực đơn vị đặt tải điểm cần tính 1

Hình 1.23 Biểu đồ nội lực của hệ DH1

DH1 DH1

Tính ∆𝐃𝐇𝟐

Hình 1.24 Hệ DH2 có lực đơn vị đặt tải điểm cần tính 2

Để tính nội lực của hệ chịu lực F bất kỳ, ta chỉ cần lấy hệ chuẩn nhân với F

B ảng 1.7 Bảng giá trị ứng suất (lý thuyết cơ học kết cấu)

1.8 K ết quả tính toán bằng lý thuyết phần tử hữu hạn (phần mềm SAP2000):

1.8.1 Khai báo s ố liệu đầu vào:

Thép 2L40x40x3 và thép 2L40x40x4:

V ật liệu dàn thép:

Hình 1.26 Mô hình dàn trong SAP2000

Hình 1.27 Mô hình dàn được gia tải trong SAP2000

1.8.2 Xác định chuyển vị của dàn thép:

Thực hiện gia tải lần thứ nhất với F = 4kN, ta được kết quả chuyển vị tại các vị trí đặt các đồng hồ như sau:

Hình 1.28 Chuyển vị tại điểm đặt chuyển vị kế I

Hình 1.29 Chuyển vị tại điểm đặt chuyển vị kế II

Tiếp tục thực hiện gia tải cho các lần gia tải tiếp theo với F = 8 và F = 11, ta lập được

1.8.3 Xác định ứng suất trong các thanh dàn của dàn thép:

Xác định ứng suất các thanh dàn của dàn thép

𝛔 =𝐍𝐀+ A là diện tích mặt cắt ngang tiết diện

A2L40×40×4 = 6.16cm2; A2L40×40×3 = 4.70cm2

+ N là lực dọc được trích xuất từ SAP2000

Tiếp tục thực hiện gia tải cho các lần gia tải tiếp theo với F = 8kN và F = 11kN

B ảng 1.16 Bảng tổng hợp giá trị độ võng tại vị trí II (kết quả 3 phương pháp)

1.9.2 Đồ thị quan hệ tải trọng P và ứng suất 𝛔:

0.000.400.801.201.602.002.40

B ảng 1.17 Bảng tổng hợp giá trị ứng suất thanh thép số 2 (kết quả 3 phương pháp)

Hình 1.34 Đồ thị tải trọng P và ứng suất σ thanh thép số 3 (kết quả 3 phương pháp)

-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.00

B ảng 1.20 Bảng tổng hợp giá trị ứng suất thanh thép số 7 (kết quả 3 phương pháp)

dụng cụ (ví dụ: đặt nghiêng so với phương chuyển vị, độ nhạy của dụng cụ, ảnh hưởng của nhiệt độ…)

- Đường biểu diễn tải trọng - độ võng từ tính toán lý thuyết cơ học kết cấu (màu cam) và

từ phần mềm SAP2000 (màu xám) gần như trùng nhau Chứng tỏ kết quả tính toán độ võng

bằng lý thuyết cơ học kết cấu và bằng phần mềm SAP2000 là tương đồng

thực tế có cấu tạo không hoàn toàn chính xác là khớp ở mắt dàn, sẽ lảm xuất hiện moment

ở các cấp tải lớn và tạo nên biến dạng của thanh Ứng suất trong thanh thép nhỏ, vì biến dạng do moment nếu có cũng không đáng kể

- Đồ thị tải trọng và ứng suất của các thanh thép số 3, 5, 7 thể hiện thanh thép 3, 7 làm

việc chịu kéo và thanh thép 5 làm việc chịu nén đúng như lý thuyết của cấu kiện chịu uốn nói chung và dàn phẳng chịu uốn nói riêng

Các nguyên nhân sai s ố:

- Sai s ố do thí nghiệm nhiều lần: Kết cấu dàn thép bị “mỏi”, chỉ thực sự làm việc (tiếp

nhận tải) khi xuất hiện một chuyển vị, biến dạng nhỏ ban đầu

- Sai s ố do gia công dàn thép: Gia công cơ khí mô hình dàn thép không chính xác về tiết

diện thanh, kích thước dài, tâm hình học của thanh dàn không đi qua mắt dàn Cấu tạo của dàn thép thực tế không hoàn toàn đúng như sơ đồ tính Mắt dàn không hoàn toàn là liên kết khớp như sơ đồ tính Hai đầu cũng không hoàn toàn là gối tựa cố định Moment có thể xuất hiện ở trong thanh dàn làm gia tăng biến dạng

- Sai s ố thiết bị, dụng cụ thí nghiệm: Máy đo biến dạng rất nhạy, dễ bị biến động do tác

động bên ngoài, nên việc đưa về 0 là rất khó, dẫn đến sai số trong quá trình đo

- Sai s ố trong quá trình thí nghiệm: Kích lực nhanh và không đều dẫn tới việc tải trọng

thực chất là “động”, không phải “tĩnh” như lý thuyết Lúc này, khi đọc kết quả, dàn thép vừa chịu tác động của tải trọng “động” và chưa hoàn toàn ổn định như sơ đồ chịu tải tĩnh

- Sai s ố do ảnh hưởng môi trường: Dàn thép chịu tác động của môi trường, tính chấn cơ

lý của vật liệu không còn như lý thuyết

Đánh giá sự phù hợp giữa các phương pháp:

Qua 3 phương pháp tính toán độ võng và ứng suất của dàn thép, ta thấy kết quả thực nghiệm có sự chênh lệch nhỏ so với kết quả tính toán bằng lý thuyết cơ học kết cấu và phần mềm SAP2000 Vì vậy, trong thiết kế dàn thép, tùy theo mục đích, ta có thể chọn lựa phương pháp tính toán độ võng và ứng suất cho phù hợp Đồng thời, ta thấy rằng phương pháp mô phỏng dàn thép chịu tải trọng tĩnh để tính toán độ võng và ứng suất tại các vị trí

cụ thể bằng phần mềm SAP2000 tối ưu hơn, sai số nhỏ và tiết kiệm thời gian hơn thực nghiệm và tính toán bằng lý thuyết cơ học kết cấu

1.10.2 Đánh giá khả năng làm việc của dàn thép:

Độ võng của dàn thép khi thực nghiệm, tính toán bằng lý thuyết cơ học kết cấu, mô phỏng bằng phần mềm SAP2000 có kết quả sai lệch không đáng kể Tuy nhiên, biến dạng thực tế của dàn thép lớn, dẫn đến ứng suất của các thanh thép khảo sát lớn hơn ứng suất tính toán bằng lý thuyết cơ học kết cấu Từ đây, ta có một số đánh giá về khả năng làm việc của dàn thép:

- Dàn thép vẫn có khả năng làm việc ổn định, tuy nhiên khả năng chịu tải trọng tĩnh đã giảm (thể hiện ở số liệu thực nghiệm lớn hơn số liệu tính toán) Do dàn thép đã được thí nghiệm nhiều lần, chịu tác động của môi trường, tính chấn cơ lý của vật liệu không còn như

lý thuyết

1.10.3 Đề xuất các kiến nghị:

Để hạn chế sai số trong quá trình thí nghiệm cần:

- Kiểm tra cẩn thận việc lắp đặt, bố trí sơ đồ thí nghiệm và các dụng cụ

- Tăng số lần thí nghiệm để hạn chế sai số ngẫu nhiên

- Xác định kích thước hình học đúng, đủ

- Tiến hành thí nghiệm đúng theo chỉ dẫn của giảng viên

CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1 M ục đích thí nghiệm:

Làm quen với phương pháp thí nghiệm kết cấu dầm bê tông cốt thép, biết cách sử dụng các thiết bị đo để xác định ứng suất, chuyển vị bằng thực nghiệm

Nghiên cứu ứng xử dầm bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn II

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

- Ứng suất của các thành phần trong các dầm

Lớp bê tông bảo vệ cốt thép c = 25mm

Bê tông: Cường độ bê tông là B30

2.3 Thi ết bị thí nghiệm:

a) Khung gia tải và kích thủy lực (Pmax= 1000kN)

b) Cảm biến điện trở đo biến dạng thép và bê tông (Strain gages: 120Ω, GF = 2.1)

Hình 2.5 Tensometer cảm biến điện trở

c) Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến P3500 + SB10

Thông số kỹ thuật máy đo biến dạng điện trở di động P-3500:

Dải đo: ±19.999με với hệ số gauge < 6.000

Dải đo:±6.000×19.999με với hệ số gauge < 6.000

Phạm vi áp dụng: phù hợp với strain gauges 120Ω và 350Ω

Độ chính xác: 0.5% Độ phân giải: 1με

Số cổng đo: 5 Nguồn: pin hoặc nguồn 220V

Kích thước: 228x152x152mm Khối lượng: 2.9kg

Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi SB-10:

Số cổng: 10

Kích thước: 228x152x152mm Khối lượng: 2.5kg

d) Đồng hồ đo độ võng của dầm (Dial micrometers) e) Thước

2 4 Sơ đồ thí nghiệm:

2.5 Trình t ự thí nghiệm:

Bước 1: Đo các kích thước dầm

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

Bước 3: Kiểm tra hệ thống lần cuối, khử biến dạng dư trong dầm (áp tải P ≤ 4kN vài lần)

và tiến hành thí nghiệm

Bước 4: Bắt đầu gia tả bằng cách dùng tay nâng hạ cần pittong (trên thiết bị kích tải có

thanh vặn qua lại để điều chỉnh chiều đi lên xuống của pittong) Đọc và ghi số liệu chuyển

vị và biến dạng vào giấy cho từng cấp tải 0, 4, 8, 12kN

Bước 5: Kết thúc lần thí nghiệm đầu tiên, xả tải về không

Khi k ết thúc lần đo 1, ta để dầm nghỉ ngơi 5 phút để hồi phục lại và tiếp tục làm thí nghiệm lần 2 Số lần gia tải và kích tải như trên