Tài liệu giảng dạy thí nghiệm chuyên môn chuyên ngành Cầu Hầm (ĐH GTVT)

Ý nghĩa của trạng thái ứng suất - biến dạng trong nghiên cứu kết cấu công trình Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong lĩnh vực cơ học vật liệu và công trình thực chất là khảo sát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRUNG TÂM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN HỌC

THÍ NGHIỆM CHUYÊN MÔN

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH VILAS 047

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRUNG TÂM KHOA HOC CÔNG NGHỆ GTVT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

-o0o -

Số : … /TTKHCN Hà nội, ngày tháng 11 năm 2013

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT MÔN HỌC

(Thí nghiệm chuyên môn)

1. Tên môn học: Thí nghiệm chuyên môn

+ Xây dựng Đường Ô tô Sân bay,

+ Xây dựng công trình giao thông Việt - Nhật;

+ Đường Sắt,

+ Đường sắt đô thị

+ Vật liệu và công nghệ Việt - Pháp;

+ Vật liệu và công nghệ xây dựng giao thông;

+ Địa kỹ thuật công trình giao thông;

- CN2:

+ Cầu đường bộ,

+ Cầu hầm,

+ Xây dựng cầu đường ô tô và sân bay

+ Công trình giao thông công chính;

+ Cầu Đường Sắt,

+ Cầu đường Pháp,

+ Tự động hoá thiết kế cầu đường;

+ Công trình giao thông thuỷ;

+ Công trình giao thông thành phố;

+ Đường hầm và Metro

4 Phân bổ thời gian:

- Lý thuyết : 5 tiết (10 tiết x 0.5)

- Thí nghiệm thực hành : 10 tiết (20 tiết x0.5)

- Tiểu luận, bài tập lớn : 0 tiết

- Nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật cơ bản của các thiết bị thí nghiệm

- Phương pháp thí nghiệm kiểm tra công trình

+ Các phương pháp thí nghiệm không phá huỷ

+ Các phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu

7 Nhiệm vụ của sinh viên

- Dự lớp: Có mặt ít nhất 80% số giờ lý thuyết quy định

- Bắt buộc thực hiện chương trình thí nghiệm thực hành tại phòng thí nghiệm Làm và nộp báo cáo kết quả thí nghiệm

8 Tài liệu học tập:

- Tài liệu môn học Thí nghiệm chuyên môn

- Hướng dẫn thí nghiệm thực hành môn học

- Các tài liệu tham khảo

9 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên

- Điểm đánh giá quá trình học tập (chuyên cần, ý thức) : 30%

- KS Lương Văn An

11 Nội dung chi tiết học phần

NỘI DUNG CHÍNH CỦA MÔN HỌC

A Phần lý thuyết (Chung cho chuyên ngành cầu và đường)

1 Vai trò nhiệm vụ công tác thí nghiệm, kiểm định chất lượng công trình

2 Các phương pháp chủ yếu trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình

3 Một số thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm và kiểm định chất lượng công trình

4 Phương pháp khảo sát kiểm định chất lượng công trình - Hướng dẫn xây dựng đề cương thí nghiệm, kiểm định

5 Phụ lục: Giới thiệu một số thí nghiệm tiêu biểu đang ứng dụng trong thực tế sản xuất

3 Bài 3: Xác định mối quan hệ giữa lực, biến dạng, độ võng trên

mô hình dầm giản đơn

C Phần kiểm tra (thi kết thúc môn học)

1 Cách thức tổ chức thi

+ Làm báo cáo thí nghiệm theo nhóm

+ Bảo vệ báo cáo thí nghiệm từng sinh viên (vấn đáp)

2 Nội dung thi

Báo cáo kết quả thí nghiệm cần nêu rõ mục đích, yêu cầu, dụng cụ, các bước thí nghiệm, kết quả thí nghiệm trên mô hình

hoặc mẫu chuẩn, phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm, nhận xét kết quả thí nghiệm

3 Cách thức chấm điểm môn học

+ Điểm quá trình học tối đa A=30% (3 điểm)

+ Điểm bảo vệ báo cáo môn học tối đa B=70% (7 điểm)

- Phần lý thuyết: 30% x B (2,1 điểm)

- Phần thực hành: 70% xB (4,9 điểm) + Sinh viên không tham gia học sẽ không được bảo vệ báo cáo thí nghiệm và phải học lại

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1 Phương pháp khảo sát - nghiên cứu thực nghiệm công trình: Võ Văn Thảo

2 Chuẩn đoán công trình - PGS TS Nguyễn Viết Trung

3 Kiểm định cầu - PGS TS Nguyễn Viết Trung

4 Các tiêu chuẩn quy trình đang áp dụng

PHẦN A: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM

ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CÔNG TRÌNH

1 Vai trò của công tác TNVL và kiểm định CLCT

Trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học công nghệ nói chung cũng như của ngành xây dựng GTVT nói riêng, vai trò của thí nghiệm VL và TNCT đã được khẳng định nhằm mục đích:

• Giải quyết các vấn đề của công nghệ và của thực tế sản xuất đòi hỏi như đánh giá chất lượng của vật liệu của kết cấu công trình làm cơ sở cho công tác thiết kế, thi công, nghiệm thu, bàn giao và khai thác v.v

• Giải quyết và hoàn thiện những bài toán mà các phương pháp lý thuyết chưa và không giải quyết được đầy đủ hoặc đang còn nằm trong ý tưởng cần thăm dò

Công tác TNVL và TN công trình là nhiệm vụ bắt buộc để được sản phẩm có chất lượng, đồng thời trong suốt thời gian thi công cho đến khi hoàn thành chúng ta luôn kiểm soát được từng hạng mục của công trình, giúp cho chúng ta phát hiện kịp thời những khiếm khuyết, những lỗi trong giai đoạn thi công để điều chỉnh kịp thời

Nói tóm lại công tác TNVL và thực nghiệm công trình giúp cho chúng ta kiểm định và đánh giá chất lượng công trình dựa trên cơ sở khoa học thực tiễn và khách quan, giải quyết và hoàn thiện những bài toán mà các phương pháp lý thuyết chưa và không giải quyết được đầy đủ hoặc là còn nằm trong ý tưởng cần thăm dò, giúp hoàn thiện cho việc tính toán lý thuyết của kết cấu công trình được chính xác hơn do các giả thiết khi tính toán gắn với thực tế khách quan hơn

Đối tượng của công tác TN ở giáo trình môn học này là vật liệu XD và kết cấu công trình Bằng các phương pháp cảm thụ trực tiếp, đó là các phép thử thí nghiệm trên các thiết bị thí nghiệm có được những số liệu đo đạc và trạng thái thực tế qua quá trình tiến hành khảo sát đối tượng, xử lý các số liệu có thể đưa đến những kết luận mang đầy đủ tính quy luật cũng như tính tiêu biểu đối với các tham số khảo sát cả về chất lượng lẫn số lượng Như những quy luật và giá trị của sự phân bố ứng suất - biến dạng, trạng thái làm việc và hình thức phá hoại của đối tượng nghiên cứu, không chỉ hỗ trợ cho các quá trình thiết kế, tính toán thi công, nghiệm thu, khai thác công trình mà còn thay thế các lời giải của các bài toán đặc thù phức tạp mà việc giải quyết chúng bằng đường lối lý thuyết mất quá nhiều công sức hoặc chưa có biện pháp giải quyết

2 Nhiệm vụ cơ bản của TNCT và KĐCL

Từ bản chất hiện thực và khả thi, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm có thể thực hiện được các nhiệm vụ cơ bản sau đây trong lĩnh vực ký thuật xây dựng và cơ học công trình

2.1 Xác định, đánh giá khả năng làm việc và tuổi thọ của VL và KCCT:

Đây là nhiệm vụ bắt buộc thường được tiến hành đối với tất cả các vật liệu XD và KCCT trước khi đưa vào sử dụng và khai thác

Khả năng làm việc thực của một kết cấu công trình mới xây dựng xong sẽ được phản ánh trong công việc đánh giá chất lượng chúng thông qua các kết quả thí nghiệm kiểm tra, được thực hiện trong quá trình xây dựng và kết quả kiểm định trực tiếp trên công trình Kết quả này là tài liệu quan trong trong hồ sơ nghiệm thu bàn giao công trình

Công tác xác định và đánh giá khả năng chịu lực cũng được tiến hành đối với những kết cấu công trình đã được khai thác quá lâu năm, chất lượng đã bị giảm yếu theo thời gian, đối với các kết cấu công trình có yêu cầu sửa chữa cải tạo, cũng như các công trình khi đưa vào khai thác với nhiệm vụ thiết kế XD ban đầu

Đặc biệt quan trọng và không thể thiếu được công việc xác định, đánh giá trạng thái làm việc, khả năng chịu lực còn lại của các KCCT bị những sự cố tác động như: thiên tai (gió bão, lũ lụt, động đất …) Chiến tranh tàn phá, hỏa hoạn và sai sót trong quá trình thi công, nên những khuyết tật tồn tại và ẩn dấu trong KCCT Mục đích của công tác thí nghiệm, kiểm định là xác định được khả năng chịu lực KCCT, khi có sự cố về chất lượng là phát hiện và đánh giá mức độ hư hỏng và độ bền theo thời gian của chúng để từ đó thông qua các kết quả thí nghiệm khoa học và khách quan có thể đưa ra được những nhận xét khẳng định khả năng tồn tại, hủy bỏ từng bộ phận kết cấu hay toàn bộ CT Đồng thời để nghiên cứu thiết kế tìm gia các biện pháp gia cường, sửa chữa và phục hồi CT

2.2 Đề xuất và nghiên cứu các hình thức kết cấu mới, kết cấu đặc biệt vào việc thiết kế

XDCT:

Một trong những biện pháp để tiến hành tìm kiếm một loại kết cấu mới, phù hợp là dùng phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm, vì nó cho phép xác định nhanh được một hình thức kết cấu phù hợp, có ngay được những số liệu cần thiết và tin cậy về tham số phù hợp, phục vụ trực tiếp cho việc thiết kế và tính toán CT Kết quả trong những trường hợp chọn một dạng kết cấu có sẵn lý thuyết tính toán nhưng khi đưa vào ứng dụng cho một công trình cụ thể tùy thuộc vào tầm quan trọng của công trình và mức độ chặt chẽ của phương pháp tính, cũng cần phải triển khai thực nghiệm từng phần hay toàn bộ kết cấu để kiểm tra sự đúng đắn của phương pháp tính toán lý thuyết và tính khả thi của CT

2.3 Nghiên cứu và phát triển các Vật Liệu mới, đánh giá chất lượng các loại vật liệu

đang sử dụng và tái sử dụng các loại Vật Liệu địa phương:

Quá trình nghiên cứu để hình thành một loại vật liệu mới thực chất là một quá trình tiến hành thực nghiệm Bởi vì vật liệu được công nhận để đưa vào sử dụng trong XDCT cần

phải có đầy đủ các chỉ tiêu đặc trưng về cường độ biến dạng, khối lượng riêng và tất cả các tính chất lý - hóa khác Việc xác định số lượng và chất lượng các đặc trưng đó chỉ có được thông qua quá trình tiến hành thí nghiệm - thực nghiệm

2.4 Nghiên cứu phát minh những vấn đề mới:

Trong khoa học kỹ thuật chuyên ngành, trong cơ học vật rắn biến dạng, cơ học công trình v.v mà nghiên cứu lý thuyết hoàn toàn chưa được giải quyết hoặc chưa giải quyết đầy đủ tận gốc đòi hỏi phải có kết quả nghiên cứu thực nghiệm để làm cơ sở cho việc đánh giá sự phù hợp của các giả thiết đưa ra và xác nhận sự đúng đắn của kết quả nhận được từ nghiên cứu lý thuyết

3 Ý nghĩa của trạng thái ứng suất - biến dạng trong nghiên cứu kết cấu công trình

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong lĩnh vực cơ học vật liệu và công trình

thực chất là khảo sát sự biến động của trạng thái ứng suất - biến dạng của chúng Thực vậy trên cơ sở trạng thái ứng suất - biến dạng nhận được mới có thể xác định giá trị và tính chất của nội lực sẽ hình thành và phát triển trong quá trình làm việc của đối tượng Trạng thái ứng suất - biến dạng phản ánh đầy đủ trạng thái và khả năng làm việc của đối tượng khảo sát cũng như các yếu tố cấu thành đối tượng như vật liệu, cấu tạo hình học, sơ

đồ kết cấu, công nghệ chế tạo và ngoại lực tác dụng

Kết quả nhận được từ quá trình khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của một đối tượng cho phép giải quyết những vấn đề cơ bản sau:

- Giá trị và hình ảnh phân bố nội lực trên tổng thể đối tượng khảo sát, từ đó có thể bố trí vật liệu và cấu tạo kết cấu thích hợp

- Đánh giá được khả năng và mức độ làm việc thực tế của đối tượng khảo sát, cho phép rút ra những tiêu chuẩn phục vụ cho việc kiểm tra độ bền, độ cứng và độ ổn định của đối tượng

- Dự doán được đời sống và tuổi thọ công trình khi trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm có tiến hành khảo sát và đo đạc sự biến động và tốc độ phát triển của ứng suất - biến dạng cũng như sự hình thành và phát triển của các khuyết tật (các hư hỏng và nứt nẻ) xuất hiện trong quá trình làm việc của đối tượng

Trạng thái ứng suất biến - dạng có được trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm không chỉ phản ánh khả năng làm việc thực tế của đối tượng khảo sát mà trong nhiều trường hợp còn là chuẩn mực cho việc đánh giá sự đúng đắn của lý thuyết tính toán và thiết kế công trình Thật vậy, vấn đề tính toán nội lực trong quá trình khảo sát các đối tượng thực chất là xác định trạng thái ứng suất - biến dạng trên cơ sở những số liệu được cung cấp và những giả thiết ban đầu

Chẳng hạn, khi giải quyết bài toán về cường độ và biến dạng cho một kết cấu công trình, quá trình tính toán dựa trên cơ sở đặc trưng của vật liệu làm việc trong miền đàn hồi;

nhưng trong thực tế khi phần lớn các kết cấu của công trình làm việc trong giới hạn đàn hồi của vật liệu thì có không ít bộ phận khác của công trình tồn tại những vùng trong đó vật liệu làm việc ngoài miền biến dạng đàn hồi hoặc làm việc ở trạng thái dẻo, trạng thái phá hủy vật liệu….mà những trạng thái làm việc đó luôn luôn là nguồn gốc của sự giảm tuổi thọ hoặc gây phá hoại kết cấu công trình

Mức độ chính xác và tin cậy của phép đo lường trạng thái ứng suất - biến dạng thường ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có:

a Kích thước và số lượng mẫu thử

Khi khảo sát trên những mẫu thử có kích thước bằng thực hoặc là kết cấu nguyên hình thì kết quả trạng thái ứng suất biến dạng nhận được là kết quả trực tiếp và thực, không cần qua quá trình tính toán chuyển đổi trung gian, nhưng số đo của một tham số thường bị giới hạn bởi số lượng đối tượng thí nghiệm không nhiều (thường chỉ có 1 hoặc 2) Ngược lại khi khảo sát bài toán trên những mẫu thử là mô hình tương tự thì kết quả trạng thái ứng suất biến dạng của mẫu thử thực chỉ nhận được sau quá trình tính toán chuyển đổi tương

tự qua các hệ số tỷ lệ của các tham số đo; ví thế nếu có một sai số nhỏ trong quá trình đo

sẽ dẫn đến sự lệch lạc của kết quả, song vì số thí nghiệm tiến hành trên mô hình tương tự tương đối nhiều nên sau khi tổng hợp số liệu của nhiều mô hình thí nghiệm, vẫn có được kết quả đáng tin cậy Vì vậy với thí nghiệm vật liệu, kích thước và số lượng mẫu thử phải tuân theo các quy định của tiêu chuẩn thử nghiệm

b Hình dáng và cấu tạo liên kết các phần tử của mẫu thử

Việc xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của các đối tượng có hình dáng đơn giản thường được tiến hành không mấy khó khăn vì ở đây ứng suất - biến dạng thường phân bố đồng đều trong kết cấu, trí số của chúng cũng không lớn, thường chỉ dao động trong miền đàn hồi của vật liệu Vì vậy phương pháp và số đo trong những trường hợp này thường không dẫn đến sai số đáng kể cho kết quả nghiên cứu Đối với những trường hợp kết cấu

có hình dạng phức tạp hay ghép từ nhiều phần tử với nhau thì việc khảo sát và xác định trạng thái ứng suất biến dạng sẽ gặp nhiều khó khăn vì ở đây sự phân bố ứng suất biến dạng thường thay đổi lớn, trị số đo của hai điểm hay hai vùng lân cận có thể khác nhau rất nhiều (ở điểm này có thể vật liệu đang làm việc trong giai đoạn đàn hồi, nhưng ở điểm bên cạnh đã xuất hiện biến dạng dẻo)

c Cấu tạo vật liệu của mẫu thử

Các đối tượng khảo sát thực nghiệm dù ở dạng nguyên hình hoặc ở dạng mô hình đều được cấu tạo từ những vật liệu thực có các đặc trưng khác nhau và thông thường các đặc trưng đó được thể hiện qua mối quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất và biến dạng khi vật liệu chịu kéo hoặc nén một trục Trong thực tế sản xuất, tồn tại nhiều loại vật liệu có mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khác nhau:

- Tuyến tính

- Hoàn toàn phi tuyến

- Không đồng nhất trong suốt quá trình chịu tải

- Tuyến tính ở giai đoạn vật liệu chịu tải còn thấp nhưng khi qua một giá trị đặc trưng xác định tùy thuộc bản chất của vật liệu thì lại không còn tuyến tính nữa

Việc xác định chính xác mối quan hệ này của vật liệu giữ một vai trò quan trọng trong quá trình khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng của đối tượng nghiên cứu

d Công nghệ chế tạo mẫu thử

Các kết cấu công trình trong sản xuất cũng như các đối tượng dùng để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế và chế tạo theo nhiều biện pháp công nghệ khác nhau:

- Chế tạo băng biện pháp đúc tại chỗ như các công trình bê tong toàn khối, các mô hình thach cao, nhựa lưỡng chiết…

- Tổ hợp bằng biện pháp ghép nối từ những phần tử kết cấu đã chế tạo sẵn như các kết cấu công trình lắp ghép bằng bê tong hoặc bằng kim loại, mà các mối ghép liên kết được thực hiện bằng cách hàn hồ quang, bằng đinh tán hoặc bằng các loại bu lông thường, bu lông cường độ cao…

- Hình thành bằng biện pháp tạo những lực căng kéo trước trong đối tượng như các kết cấu công trình ứng lực trước…

Dù bằng biên pháp chế tạo nào thỉ cuối cùng trong đối tượng đều tồn tại một trạng thái ứng suất ban đầu hoặc ứng suất trước Muốn xác định giá trị và quy luật phân bố của chúng để loại trừ trong quá trình khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng của đối tượng thì thật sự khó khăn và phức tạp

e Tính chất tác dụng của tải trọng ngoài

Giá trị và tính chất phân bố ứng suất biến dạng trong đối tượng khảo sát thường chịu ảnh hưởng trực tiếp của đại lượng và quy luật tác động của tải trọng ngoài Kết quả đo

lường các tham số khảo sát một đối tượng chịu tác dụng tĩnh sẽ nhận được khá dễ dàng,

đảm bảo độ chính xác và rõ rang vì ở trường hợp này các dụng cụ đo và phương pháp đo thường không quá phức tạp, đặc biệt là việc đo lường được tiến hành trong điều kiện yên tĩnh, số đo không phụ thuộc vào thời gian Nhưng khi đối tượng chịu tải trọng ngoài tác dụng như lực xung, lực rung động thì công việc đo lường trở nên phức tạp, vì ở đay quá trình đo thực hiện thực hiện trong môi trường dao động và số đo của các tham số khảo sát phụ thuộc vào yếu tố thời gian Điều này có thể làm ảnh hưởng mức độ chính xác của các phép đo và các số liệu thu nhận được

f Môi trường tiến hành thí nghiệm

Trong kỹ thuật đo lường các đại lượng, để đảm bảo chính xác các phép đo thường phải được thực hiện trong những môi trường xác định hoặc môi trường chuẩn về nhiệt độ, độ

ẩm và các tác nhân ăn mòn khác Trong phép đo giá trị biến dạng tương đối của vật liệu

và kết cấu công trình cũng vậy, ảnh hưởng của môi trường xung quanh đặc biệt là nhiệt nđộ và độ ẩm thường làm cho số đo bị nhiễu loạn Thật vậy, khi thực hiện phép đo, nếu nhiệt độ môi trường thay đổi sẽ làm cho vật liệu bị biến dạng theo và ngay bản thân thiết

bị đo cũng bị co giản làm sai lêch giá trị số đo của tham số biến dạng tương đối do tải trọng ngoài gây ra trong đối tượng khảo sát

3 Biến dạng của kết cấu công trình và phép đo biến dạng tương dối

Cho đến nay, vấn đề đo trực tiếp giá trị của tham số ứng suất trong vật liệu và kết cấu

công trình vẫn chưa được giải quyết Bởi vậy, khi cần khảo sát trạng thái ứng suất biến

dạng của một đối tượng cụ thể đều phải thông qua các số đo của tham số biến dạng tương đối Điều này được thực hiện khá dễ dàng khi khảo sát các vật liệu đàn hồi tuyến tính hoặc

các đối tượng làm việc trong giai đoạn biến dạng đàn hồi vì ở đây quy luật biến động của ứng suất và biến dạng hoàn toàn đồng nhất, các đại lượng này luôn tỷ lệ với nhau qua các hằng số đặc trưng tính đàn hồi của vật liệu: đó là trị số mô đun đàn hồi của vật liệu khi đối tượng chịu trạng thái ứng suất một trục, hệ số Poisson trong trường hợp đối tượng làm việc ở trạng thái ứng suất phẳng Vì vậy, việc khảo sát sự biến động của ứng suất biến dạng của đối tượng ở giai đoạn đàn hồi hoàn toàn có thể tiến hành trên quy luật biến đổi của trạng thái biến dạng nhận được Tuy nhiên, khi khảo sát các vật liệu và kết cấu công trình có quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không tuân theo định luật Hooke hoặc trạng thái biến dạng ngoài giới hạn đàn hồi, thì quá trình khảo sát sự biến động của trạng thái ứng suất biến dạng chỉ tiến hành qua trạng thái biến dạng như ở trường hợp vật liệu đàn hồi tuyến tính thì chưa đầy đủ mà còn phải khảo sát quy luật phân bố của ứng suất, bởi vì quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không còn là tuyến tính Đối với trường hợp này, để

có thể nhận được giá trị ứng suất của đối tượng khảo sát trên cơ sở của các số đo biến dạng, cần thiết phải dựa vào biểu đồ quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất biến dạng khi kéo phá hoại vật liệu Như vậy trong nghiên cứu thực nghiệm, để khảo sát trạng thái và khả năng chịu lực của một đối tượng dù làm việc trong hay ngoài giới hạn đàn hồi của vật liệu đều phải đo đạc trị số của tham số biến dạng tương đối diễn biến trong đối tượng đó Thực ra, việc đo lường tham số biến dạng còn bị nhiều hạn chế do phương pháp và kỹ thuật đo cho đến nay chưa đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của công việc nghiên cứu Chẳng hạn, để xác định trị số và quy luật biến dạng trong miền vật liệu có ứng suất tập trung hoặc ngay cả trong những vùng chịu trạng thái ứng suất bình thường trong kết cấu công trình thì các phương pháp đo hiện nay (kể cả khi áp dụng hiệu ứng của các tia vật lý như rơngen, gamma để xác định trị số biến dạng của các tinh thể vật liệu), cũng chỉ thực hiện ở lớp vật liệu vỏ ngoài của đối tượng Điều hạn chế này sẽ ảnh hưởng đến những bài toán cần phải khảo sát biến dạng khối hoặc thành phần biến dạng theo chiều sâu của vật thể… Tuy nhiên, việc đo đạc giá trị biến dạng trên lớp vật liệu bề mặt vẫn giữ vai trò quan trọng trong các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm vì trong thực tế các kết quả đo

này cũng đã đáp ứng được nhiều mục đích trong khi khảo sát các kết cấu công trình xây dựng Thật vậy, phần lớn các trường hợp nghiên cứu thường gặp đều xuất phát từ đặc trưng biến dạng của lớp vật liệu mặt ngoài để xác định nội lực tương ứng với sự xuất hiện biến dạng dẻo hay phá hoại mà không đòi hỏi phải xác định quy luật phân bố biến dạng của lớp vật liệu nằm sâu trong đối tượng khảo sát

Về nguyên tắc, quá trình thực hiện các phép đo biến dạng tương đối cần phải tiến hành với số lượng dụng cụ đo tối thiểu và thời gian đo ngắn nhất; nhưng trên thực tế phải căn

cứ vào điều kiện và hoàn cảnh cụ thể để lựa chọn cho phù hợp

a Đo biến dạng trong điều kiện công trình chịu các loại tải trọng có tính chất khác nhau Tùy theo tính chất tác dụng của tải trọng ngoài cũng như các tác nhân khác bên ngoài, trong đối tương khảo sát thường xẩy ra hai trạng thái làm việc sau:

- Trạng thái tĩnh hoặc phát triển dần đều: Điều này xẩy ra trong đối tượng khi có tác dụng của tải trọng tĩnh, nhiệt độ hoặc các yếu tố cơ học khác Kết quả thực nghiệm của

trường hợp này khi khảo sát các đối tượng là xác định được giá trị và quy luật phân bố

của biến dạng Khi khảo sát các kết cấu công trình thực hoặc kích thước thực, thường phải dùng phương pháp đo ở một số điểm rời rạc, nhưng tại một vùng khảo sát nào đó thì số lượng điểm đo phải đủ lớn và phân bố đủ mau để có thể xác định giá trị và tính chất phân bố biến dạng Vấn đề phức tạp ở đây là làm thế nào qua quá trình đo và đọc

số đo với số lượng lớn mà ngăn ngừa được khả năng phân bố lại biến dạng trong đối tương khảo sát hoặc đại lượng biến dạng nhận được tại các điểm đo không tương ứng với cùng một trị số ngoại lực vì phải giữ lực trong thời gian dài Để khắc phục một phần ảnh hưởng đó, cần chọn phương pháp đo và thiết bị đo nhanh, ổn định Khi đối tượng khảo sát là các mô hình tương tự thường phải tiến hành đo biến dạng bằng các phương pháp chuyên dụng trong nghiên cứu mô hình hóa

- Trạng thái động hoặc biến thiên nhanh: Điều này xảy ra trong các đối tượng nghiên cứu khi chịu tác động của tải trọng động, tải trọng di chuyển, va chạm, nổ…Đo biến dạng trong trường hợp này rất phức tạp vì giá trị của nó thay đổi nhanh theo thời gian; đặc biệt trong đối tượng chịu tác dụng của tải trọng va chạm, ngoài việc ứng suất thay đổi nhanh theo thời gian (trong khoảnh khắc < 10-4s) còn có cả tập trung ứng suất quanh vùng gần điểm tác dụng lực Trong thực tế để đo nhanh giá trị biến dạng theo thời gian thường dùng phương pháp tenzo cảm biến điện trở với số điểm đo có thể thực hiện trong một máy đo hiện nay chỉ được từ 25 - 50 điểm Để quan sát được quá trình dao động của đối tượng thường phải dùng các thiết bị tự ghi đồng thời như osilograph, băng

từ tính, máy vi tính… Các thiết bị tự ghi đó thường có thể nhận được các biến dạng động trong dải tần số (10 - 5000)Hz

b Đo biến dạng tương đối trong điều kiện vật liệu làm việc ở các trạng thái khác nhau

Quá trình làm việc của vật liệu từ giai đoạn đàn hồi sang giai đoạn dẻo thường rất ngắn; trong nhiều trường hợp quá độ này chỉ là một điểm hay một giá trị giả định nào đó (chẳng hạn 0.2%) trên biểu đồ đặc trưng của vật liệu trong những trường hợp này giá trị tương đối của biến dạng dẻo còn rất nhỏ (thường chỉ khoảng 2000.10-6 đến 6000.10-6 đối với thép; từ 3000.10-6 đến 8000.10-6 đối với hợp kim nhôm); nhưng vượt qua khỏi giai đoạn quá độ này thì giá trị của biến dạng dẻo tăng rất nhanh

Điều kiện biến dạng đàn hồi trong những kết cấu có hình dáng đơn giản thường được đặc trưng bởi sự phân bố đều đặn các giá trị biến dạng và mối tương quan giữa các thành phần biến dạng đối với các trường hợp biến dạng phẳng hoặc biến dạng khối hầu như không thay đổi Trong trường hợp này, phần lớn các loại vật liệu đều tuân theo quan hệ Hooke không những về mặt định tính mà cả về mặt định lượng và phương pháp đo biến dạng ở đây có thể dùng các loại tenzomet đơn giản

Tuy nhiên, trong thực tế phần lớn các kết cấu công trình xây dựng có cấu tạo hình dáng phức tạp, do đó quan hệ giữa biến dạng theo các phương sẽ rất phức tạp và điều đó làm thay đổi rất nhanh sự phân bố ứng suất trong các vùng khảo sát Khi đó, vật liệu tại những vùng này sẽ chuyển rất nhanh sang làm việc ở giai đoạn đàn - dẻo hay dẻo

Việc đo biến dạng khi vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi thường chịu ảnh hưởng

do sự xuất hiện thành phần biến dạng theo phương ngang lớn và sự biến dạng không đồng đều trong phạm vi chuẩn đo Lượng biến dạng tương đối ngoài đàn hồi trong vật liệu xây dựng có thể đạt tới giá trị (10 000 - 100 000) 10-6, có trường hợp còn lớn hơn Trong những trường hợp này, mối quan hệ giữa ứng suất biến dạng vô cùng phức tạp; vì thế kết quả đo biến dạng trong điều kiện vật liệu làm việc ngoài giới hạn hạn đàn hồi thường khó đảm bảo chính xác Để khắc phục phần nào các yếu tố ảnh hưởng nêu trên, khi đo biến dạng tại những vùng có gradient biến dạng lớn hoặc những vùng phát triển biến dạng dẻo cần sử dụng phương pháp đo bằng tenzo cảm biến điện trở có cjieeuf dài chuẩn đo càng nhỏ càng tốt, thông thường từ 1 đến 5mm; đặc biệt trong những vùng có ứng suất tập trung cao thì chỉ nên dùng chuẩn đo nhỏ hơn 1mm, vì nhiệm vụ chính của việc đo đạc trong những vùng này là phải nắm bắt được trị số biến dạng lớn nhất tồn tại trong đó nhằm mục đích xác định chính xác hệ số tập trung ứng suất Ngoài ra khi khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng cục bộ còn có thể sử dụng những phương pháp chuên dùng khác

để đo giá trị và hình ảnh phân bố tổng thể của biến dạng như phương pháp quang đàn hồi, phương pháp sơn phủ dòn

c Đo biến dạng trong điều kiện đối tượng làm việc với các trạng thái ứng suất khác nhau Qua thực tế khảo sát các đối tượng cho thấy: tùy thuộc vào hính dáng cấu tạo cũng như tính chất của tải trọng ngoài tác dụng, trong đối tượng sẽ tồn tại một trong những trạng thái ứng suất sau:

- Trạng thái ứng suất theo một trục và phân bố đều đặn theo suất chiều dài của phần tử như trong kết cấu thanh, kết cấu chịu lực dọc đúng trục

- Trạng thái ứng suất hai trục, các đặc trưng biến dạng của vật liệu ở trạng thái này được nghiên cứu bằng lý thuyết rất đầy đủ

- Trạng thái ứng suất ba trục, việc đo đạc biến dạng trở nên vô cùng khó khăn và cho đến nay các phương pháp đo vẫn chưa thông dụng

Chương 2: các phương pháp chủ yếu trong thí nghiệm vật liệu

và thí nghiệm công trình

1. Đặt vấn đề

Khi nghiên cứu trạng thái làm việc và khả năng chịu lực của các đối tượng nói chung,

dù đối tượng đó là mô hình thí nghiệm hay kết cấu công trình thực đều cho thấy: yếu tố

ảnh hưởng trực tiếp đầu tiên đến chất lượng, khả năng làm việc và tuổi thọ công trình là chất lượng của vật liệu sử dụng Chất lượng đó được thể hiện qua giá trị của các loại cường

độ giới hạn, biến dạng, mô đun đàn hồi, tính chất và số lượng khuyết tật đang tồn tại hay mới xuất hiện trên công trình trong quá trình khai thác sử dụng

Các đặc trưng về cường độ biến dạng cũng như các khuyết tật của vật liệu là những số liệu và thông tin cần thiết cho cả quá trình thiết kế, chế tạo thi công và khai thác sử dụng công trình Vì thế trong nghiên cứu thực nghiệm, để có khả năng thấu hiểu sự làm việc của công trình trước tiên phải tiến hành xác định và đánh giá chất lượng của vật liệu Bên cạnh

đó việc xác định và đánh giá chất lượng của các bộ phận kết cấu cũng là một tiêu chí để

đánh giá chất lượng, khả năng làm việc và tuổi thọ công trình

Hiện nay trong kỹ thuật, việc khảo sát và xác định các đặc trưng cơ bản của vật liệu hay các bộ phận kết cấu bằng thí nghiệm thường được thực hiện theo 2 phương pháp cơ bản là phương pháp phá hoại mẫu (thí nghiệm nén mẫu BT, thí nghiệm kéo thép )và phương pháp không phá hoại (các thí nghiệm trong công tác kiểm định và thử tải xác định khả năng chịu lực của công trình)

2. Phương pháp phá hoại mẫu

Vật liệu khảo sát đã có sẵn (đúc mẫu BT) hoặc lấy ra từ công trình (khoan mẫu BT)

được chế tạo thành các mẫu thử Hình dạng và kích thước của mẫu thử được xác định tùy theo:

- Cấu tạo của vật liệu

- Mục đích thí nghiệm

- Các quy định trong tiêu chuẩn

Các mẫu vật liệu được đưa vào máy thí nghiệm tương ứng với trạng thái làm việc của vật liệu (kéo, nén, uốn xoắn), cho chịu tác dụng của ngoại lực có giá trị tăng dần theo tong cấp cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu trong mẫu thử sẽ bị biến dạng tương ứng với trị số của ứng suât do các cấp lực tác dụng gây ra trong mẫu Tương ứng với mỗi giá trị ứng suất dùng dụng cụ đo để đo trị số biến dạng

tương đối trong vật liệu của mẫu thử Các cặp trị số của ứng suất và biến dạng tương đối nhận được trong quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu cho phép xây dung được một đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất và biến dạng ( σ - ε) của vật liệu khảo sát và được gọi là biểu đồ đặc trưng của vật liệu, bởi vì qua biểu đồ này có thể xác định được các đặc trưng cơ lý của vật liệu khảo sát

Biểu đồ đặc trưng của vật liệu ( σ - ε) nhận được qua quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu thường biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất kéo hoặc nén với biến dạng tương đối theo một trục dưới tác dụng của tải trọng có tốc độ chậm rãi, ở môi trường nhiệt độ trong phòng thí nghiệm Với điều kiện thí nghiệm đó sẽ tạo ra sự kéo hoặc nén tự do dưới ảnh hưởng của trường ứng suất không đổi suốt chiều dài của mẫu thử Tuy nhiên, sự làm việc thực tế của vật liệu trên kết cấu công trình thường chịu trạng thái ứng suất phức tạp hơn, không giống hoàn toàn sự làm việc của vật liệu trong các mẫu thử

Để có được một biểu đồ vật liệu phản ánh đúng đắn trạng thái làm việc thực tế của vật liệu trong mẫu là rất phức tạp trong các khâu: Phương pháp thí nghiệm, kỹ thuật đo và biện pháp sử lý kết quả Chẳng hạn, khi thí nghiệm và sử lý kết quả thí nghiệm kéo phá hoại mẫu thử để xác định quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu sẽ xẩy ra ba trường hợp sau:

a) Biểu đồ ( σ – ε) xây dựng trên quan hệ σ = ƒ(ε) chịu lực kéo với giá trị tính toán về ứng suất và biến dạng tương đối xuất phát từ tiết diện ban đầu Fo và chiều dài cơ bản đo ban

đầu của mẫu thử Lo

σ = P/Fo và ε = ∆L/Lo

Xây dựng biểu đồ theo phương pháp này thường rất đơn giản cho việc thí nghiệm, nhưng thực ra chưa phản ánh đúng đắn sự làm việc của vật liệu - đường a trên hình 2.1 b) Biểu đồ (σ – ε ) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất xuất phát

từ giá trị tiết diện eo chảy

Thực chất việc xây dựng biểu đồ vật liệu theo trường hợp a chưa phản ánh đúng trạng thái làm việc thực tế làm việc của vật liệu trong mẫu thử Thực tế khi thí nghiệm tăng tải trọng thì tiết diện của mẫu thử sẽ bị thu hẹp lại nhất là ở vùng có eo chảy Vì vậy, biểu đồ (σ – ε) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất xuất phát từ giá trị tiết diện eo chảy sẽ phản ánh đúng đắn hơn trạng thái làm việc thực tế của vật liệu Đường b

c) Biểu đồ (σ – ε ) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất và biến dạng tương đối xuất phát từ giá trị tính toán ứng suất và biến dạng theo tiết diện eo chảy và chiều dài cuối cùng của mẫu thử σ = P/Feo và ε = ∆L/Leo

Đường biểu diễn mối quan hệ (σ – ε) ở trường hợp b cũng chưa phản ánh đầy đủ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mẫu chịu kéo Thật vậy trong thí nghiệm nói trên khi tải trọng tác dụng tăng lên thì không những tiết diện của mẫu thử bị thu hẹp mà độ giãn dài cũng tăng nhanh nhưng không rải đều trên suốt chiều dài mẫu mà chỉ tăng nhanh

ở vùng có eo chảy Vì vậy, nếu biểu đồ (σ – ε) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất và biến dạng tương đối xuất phát từ giá trị tính toán ứng suất và biến dạng theo tiết diện eo chảy Feo và chiều dài cuối cùng của mẫu thử Leo thì sẽ nhận được đường

c Đường biểu diễn này mới thể hiện đúng đắn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu khảo sát

Hình 2.1 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của thí nghiệm

kéo phá hoại vật liệu Qua nghiên cứu vật liệu xây dựng cho thấy biểu đồ đặc trưng của vật liệu khảo sát nhận

được bằng phương pháp phá hoại mẫu chịu ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố sau:

- Tốc độ gia tải: Để nhận được quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sát với thực tế làm việc của vật liệu khảo sát, trong thí nghiệm phá hoại mẫu, bình thường, cần khống chế tốc độ gia tải lên mẫu thí nghiệm quanh giới hạn 100 kG/cm2/s Khi tốc độ gia tải vượt giá trị giới hạn đó thì biểu đồ biến dạng của vật liệu sẽ nhận được giá trị giới hạn chảy cao hơn Ngược lại khi tốc độ gia tải thấp hơn sẽ nhận được giá trị giới hạn chảy thấp hơn bình thường Tuy nhiên giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu vẫn giữ nguyên giá trị

không phụ thuộc vào tốc độ gia tải, bởi vậy ứng với mỗi tốc độ gia tải ta sẽ nhận được một họ đường cong biến dạng nằm trong một vùng nhất định Hình 2.2

- Nhiệt độ môi trường: Thực tế khảo sát cho thây khi thí nghiệm kéo phá hoại mẫu trong môi trường nhiệt độ khác nhau thì biểu đồ biến dạng của vật liệu thu được cũng sẽ khác nhau Ngoài việc tăng hay giảm giá trị giới hạn chảy khi thí nghiệm trong môi trường nhiệt độ khác với nhiệt độ bình thường thì giá trị của mô đun biến dạng vật liệu cũng sẽ thay đổi theo Khi nhiệt độ tăng thì giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu giảm và ngược lại Hình 2.2

Hình 2.2 Biểu đồ biến dạng của vật liệu khi tốc độ gia tải thay đổi và khi nhiệt độ của

môi trường khác nhau

- Trạng thái ứng suất tác dụng: Biểu đồ quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu không giống nhau khi các mẫu vật liệu chịu tác dụng của trường ứng suất theo 2 trục hay theo 3 trục Trên hình 2.3 trình bày sự thay đổi của quan hệ (σ - ε) khi các phân tố của vật liệu chịu trạng thái của ứng suất phẳng với sự tương quan σ1 và σ2 = α σ1 Hình 2.4 trình bày sự thay đổi của quan hệ (σ – ε) khi các phân tố của vật liệu trong mẫu chịu tác dụng của trạng thái ứng suât 3 trục với sự tương quan σ1 và σ2 = σ3 = α σ1

Phương pháp phá hoại mẫu vật liệu thường được tiến hành trong phòng thí nghiệm, ở

đây các điều kiện thí nghiệm như: Thiết bị máy móc, môi trường và thời gian đều được khống chế chuẩn Cho nên các số liệu nhận được của phương pháp thí nghiệm này ít chịu

ảnh hưởng của các yếu tố khác vì vậy kết quả nhận được sẽ phản ánh tốt khả năng chịu lực vốn có của vật liệu

Khi vật liệu làm việc trên kết cấu công trình thực tế sẽ chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố khác làm thay đổi khả năng chịu lực của vật liệu so với điều kiện chuẩn Các phương pháp phá hoại mẫu thường ít có khả năng xét đến sự thay đổi đó

Trên thực tế, để có thể kể đến những yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của vật liệu trên công trình thường dùng phương pháp nghiên cứu bằng cách khảo sát gián tiếp, không phá hoại vật liệu

Hình 2.3 Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất hai trục

σF - ứng suất một trục εF - biến dạng kéo một trục (khi α = 0)

Hình 2.4 Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất ba trục

σF - ứng suất một trục εF - biến dạng kéo một trục (khi α = 0)

3. Phương pháp không phá hoại và lập biểu đồ chuyển đổi chuẩn của vật liệu

Khảo sát vật liệu bằng phương pháp không phá hoại có ưu điểm là trong quá trình nghiên cứu không làm hỏng vật liệu và không cần giải phóng vật liệu khỏi trạng thái làm việc thực tế của vật liệu Ngoài ra, một số phương pháp thí nghiệm không phá hoại còn có khả năng đánh giá được chất lượng và phát hiện các khuyết tật nằm sâu trong vật liệu hay

kết cấu công trình Vì vậy phương pháp thí nghiệm không phá hoại thường được dụng rộng rãi vào việc đánh giá chất lượng ngay trên kết cấu công trình (kiểm định và thử tải cầu) Khảo sát vật liệu bằng phương pháp thí nghiệm không phá hoại thường giải quyết 2 nhiệm vụ cơ bản sau:

- Nhiệm vụ thứ nhất: Xác định cường độ của vật liệu tại nhiều điểm khác nhau, qua đó

đánh giá mức độ đồng nhất của vật liệu Trong phương pháp khảo sát vật liệu theo cách không phá hoại các tham số đo được thực hiện bằng các dụng cụ đo thường là:

+ Các đại lượng liên quan đến độ cứng H của vật liệu như kích thước của vết hằn trên bề mặt vật liệu, độ nẩy đàn hồi của vật thể có khối lượng xác định va chạm với

bề mặt ngoài của vật liệu khảo sát…

+ Các đại lượng liên quan độ đặc chắc của vật liệu như thời gian truyền sóng siêu

âm, tốc độ lan truyền các sóng dao động đàn hồi cũng như các sóng dao động điện từ… xuyên qua môi trường vật liệu nghiên cứu

Để xác định độ cứng mặt ngoài của vật liệu thường dùng các dụng cụ cơ học như búa bi, búa có thanh chuẩn, súng bi….nhằm tạo nên những vết lõm trên bề mặt của vật liệu mà kích thước của nó đặc trưng cho độ cứng bề mặt của vật liệu; hoặc các thiết bị bật nẩy đàn hồi mà khoảng nẩy đàn hồi đó phản ánh độ cứng của vật liệu

Để xác định độ đặc chắc của vật liệu thường dùng các máy thử bằng âm thanh, siêu

âm, các máy rọi Rơnghen, Gamma để truyền các sóng dao động đàn hồi, các sóng dao

động điện từ qua môi trường của vật liệu và đo để xác định thời gian truyền sóng (hay tốc độ truyền sóng), giá trị của các tham số này phụ thuộc vào độ đặc chắc cũng như cường độ của vật liệu

Trong phương pháp không phá hoại để xác định cường độ của vật liệu cần phải dùng nguyên lý so sánh chuẩn, tức là từ các số liệu đo nhận được khi thử vật liệu trên kết cấu công trình đưa vào đồ thị so sánh chuẩn để suy ra giá trị thực của cường độ vật liệu thực Chuẩn ở đây là mối quan hệ giữa cường độ vật liệu với tham số đo trên dụng

cụ đo được tiến hành thử trực tiếp trên mẫu vật liệu trong các điều kiện tiêu chuẩn (đường chuẩn cho thiết bị siêu âm và súng bật nẩy để xác định cường độ bê tông - Căn

cứ vào số liệu đo siêu âm và chỉ số bật nẩy tra trên đường chuẩn để xác định cường độ

bê tông của kết cấu) Vì vậy trong phương pháp nghiên cứu này đồ thị chuẩn của một thiết bị đo giữ một vị trí quan trong trong việc xác định đúng cường độ của vật liệu khảo sát Khi có đồ thị chuyển đổi đúng thì mức độ sai lệch của thiết bị đo sẽ giảm và

độ chính xác của kết quả đo sẽ tăng

Việc xây dựng biểu đồ chuẩn cho mỗi thiết bị đo là không thể thiếu được và thường mất rất nhiều công sức Liên quan đến việc xây dựng biểu đồ chuẩn này cần phải chế tạo một số lượng lớn các mẫu thử vật liệu Chẳng hạn để có được mác bê tông chỉ cần nén phá hoại của 3 đến 9 mẫu thử, nhưng để có được một điểm trung bình đặc trưng cho cường độ bê tông trên mẫu chuẩn cần phải tiến hành từ 70 đến 100 thí nghiệm Vì vậy để xây dựng được đồ thị chuẩn cho súng bật nẩy hoặc thiết bị siêu âm cần phải tiến hành thử từ 700 đến 1000 thí nghiệm không phá hoại mẫu

- Nhiệm vụ thứ hai: cũng là nhiệm vụ chủ chốt của phương pháp thí nghiệm không phá hoại vật liệu là phát hiện các khuyết tật tồn tại bên trong môi trường vật liệu do chế tạo hay do tác động bên ngoài khác hoặc tải trọng tác dụng Các khuyết tật đó thường là lỗ rỗng, bọt khí, vết nứt, sứt mẻ, lớp vật liệu ngoài bị biến chất… Các khuyết tật này có thể là nguyên nhân trục tiếp làm giảm tuổi thọ hoặc phá hoại kết cấu công trình Cho nên, việc thăm dò đo đạc kích thước các khuyết tật tồn tại trong môi trường vật liệu là một vấn đề quan trọng trong việc đánh giá chất lượng kết cấu công trình Từ nhu cầu

đó của thực tế sản xuất, trong lĩnh vực đo lường đã hình thành một hệ thống thiết bị máy móc thăm dò và phát hiện hoàn chỉnh các khuyết tật trong môi trường vật liệu, đặc biệt là trong kết cấu kim loại và đường hàn Các thiết bị thăm dò khuyết tật này được nghiên cứu chế tạo dựa trên nhiều cơ sở vật lý khác nhau như kỹ thuật vô tuyến điện tử,

kỹ thuật điện từ, âm thanh, từ trường và các tia vật lý phóng xạ…

Hiện nay trong sản xuất, khi khảo sát đặc trưng cơ lý của vật liệu xây dựng thường

được tiến hành đồng thời một lúc cả hai phương pháp thí nghiệm phá hoại và không phá hoại vật liệu Kết quả nhận được từ hai phương pháp sẽ bồi bổ cho nhau để có được những kết luận đánh giá chất lượng của vật liệu trên công trình với độ chính xác cao

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM VÀ

KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CÔNG TRÌNH

1 Chức năng và yêu cầu đối với thiết bị đo

Trạng thái làm việc của các đối tượng thí nghiệm thực tế được đặc trưng bởi sự biến động của các tham số Các tham số đó cần được làm sang tỏ bằng những số liệu đo hoặc những đồ thị ghi nhận trực tiếp hoặc gián tiếp từ các thiết bị đo lường tương ứng

Với mỗi tham số khảo sát sẽ có những phương pháp và thiết bị đo phù hợp, thỏa mãn được các yêu cầu về độ nhạy và độ chính xác

Trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình các thiết bị đo được chia thành 5 nhóm cơ bản sau:

• Đo lực và áp suất

• Đo độ dịch chuyển (chuyển vị)

• Đo độ dãn dài, biến dạng tương đối của các thớ vật liệu

• Đo xoay, biến dạng góc

• Đo trượt

Trong nhóm thiết bị nói trên ngoài nhóm đo lực và áp suất nhằm xác định giá trị của tải trọng tác dụng khi tiến hành thí nghiệm (các loadsell đo lực); còn các nhóm còn lại chủ yếu phục vụ cho mục đích xác định trạng thái ứng suất biến dạng trong vấn đề thí nghiệm nghiên cứu công trình Trong mỗi nhóm thiết bị có thể có nhiều chủng loại được thiết kế

và chế tạo theo những cơ sở vật lý và sơ đồ cấu tạo khác nhau, mức độ chính xác khác nhau Trong kỹ thuật đo cần căn cứ vào đặc trưng của đối tượng nghiên cứu, tính chất của tham số tiến hành khảo sát và yêu cầu về độ chính xác của số đo để lựa chọn những thiết

bị đo thích ứng

Trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình, để nhận được kết quả đo ứng suất biến dạng hay chuyển vị có độ tin cậy cao, cần chọn được một phương pháp đo đúng, những thiết bị đo phù hợp có độ chính xác cao Khi chọn lựa, cần căn cứ vào đặc trưng của từng đối tượng khảo sát cụ thể và căn cứ vào các tiêu chuẩn phù hợp để tiến hành thí nghiệm

Trong giáo trình này chủ yếu giới thiệu thiết bị và phương pháp đo hai tham số cơ bản trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiêm công trình: chuyển vị (độ võng) và biến dạng (ứng suất)

2 Thiết bị và phương pháp đo chuyển vị (độ võng công trình)

Đồng hồ đo chuyển vị lớn và phương pháp đo độ võng công trình

Nguyên lý cấu tạo và chuyển động

a Cấu tạo mặt đồng hồ đo

b Cấu tạo hệ chuyển động

Thanh chuyển động (1) xuyên qua trục đồng hồ, trên một phần thanh có khía các răng cưa, những răng cưa đó khớp với bánh răng khía nhỏ (2) Bộ cấu tạo này nhằm biến chuyển vị thẳng của thanh chuyển động thành chuyển vị xoay của các bánh răng Cùng quay với bánh răng khía (2) là bánh răng lớn (3), bánh răng lớn này nhằm khuếch đại và truyền chuyển vị của bánh răng (2) đến trục răng khía (4) Trên đầu của trục răng khía (4)

có gắn kim chỉ thị dài (5) quay trên mặt đồng hồ chia độ có 100 vạch, giá trị mỗi vạch chia tương ứng với 0.01mm hay 0.001mm (còn gọi là Bách phân kế hay Thiên phân kế) theo trình tự chuyển động, trục răng khía (4) quay kéo bánh răng (6) và làm quay kim ngắn (7) gắn trên đầu trục của nó Kim ngắn chạy trên một vòng chia độ gồm 10 vạch tương ứng với 1mm (Bách phân kế) hay 0.1mm (Thiên phân kế) Ngoài ra trong đồng hồ còn có các lò xo để đưa các bộ phận chuyển động của đồng hồ về vị trí ban đầu khi phép

đo kết thúc

Để đo các chuyển vị lớn hay độ võng công trình thường chọn các đồng hồ Bách phân

kế có các hành trình đo là 3cm hay 5cm (chuyển vị lớn nhất có thể đo được)

Trên thực tế khi đo chuyển vị hay độ võng của kết cấu công trình thường dùng hai cách lắp đặt đồng hồ:

3 Thiết bị và phương pháp đo ứng suất biến dạng

Dưới tác động của ứng lực cơ học, trong môi trường chịu ứng lực (ứng suất) xuất hiện biến dạng Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hưởng rất lớn tới khả năng làm việc cũng như độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực Mặt khác giữa ứng suất và biến dạng có mối quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ đó người ta có thể xác định được ứng suất khi

đo biến dạng do nó gây ra Bởi vậy đo biến dạng là một vấn đề được quan tâm nhiều trong

kỹ thuật

- Biến dạng ε: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (∆l) và kích thước ban đầu (l)

+ Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng suất được giải phóng thì biến dạng cũng mất theo

+ Biến dạng mà còn tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi được gọi là biến dạng dư

- Giới hạn đàn hồi: là ứng suất tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%, tính bằng N/mm2

- Môđun Young (E): xác định biến dạng theo phương của ứng lực

F - lực tác dụng, N S - tiết diện chịu lực, mm2

(Mpa) Hệ số Poisson hay tỉ số Poisson (kí hiệu là υ) được đặt theo tên nhà vật lí Denis Poisson là tỉ số giữa độ biến dạng hông (độ co, biến dạng co) tương đối và biến dạng dọc trục tương đối (theo phương tác dụng lực).Trong vùng biến dạng đàn hồi hệ số Poisson của thép là υ ≈ 0,3

Đo biến dạng tương đối trong kết cấu có kích thước lớn, có cấu tạo vật liệu không đồng nhất, có giá trị biến dạng lớn, có trường phân bố biến dạng đều đặn

Đo biến dạng trong những bản mỏng, thép hình, thép thanh có đường kính nhỏ, các dây kim loại, dây cáp có thể dùng thiết bị đo biến dạng bằng cách ghép một cặp đồng hồ chuyển vị trên bộ giá kéo dài chuẩn đo, tiêu biểu cho loại này là thiết bị tenzomet MK-3

Đo biến dạng trên các đối tượng chịu nhiệt độ hoặc biến dạng thay đổi chậm rải theo thời gian, biến dạng từ biến , thường dùng loại thiết bị không lắp cố định tại chỗ đo gọi

là Comparator, đồng hồ đo chuyển vị có độ nhạy 0,001mm

Sử dụng Tenzomet cơ học đo biến dạng

Tenzomet cơ học là loại dụng cụ đo biến dạng được dùng phổ biến khi khảo sát trạng thái biến dạng tĩnh của kết cấu công trình, chúng có cấu tạo đơn giản, độ chính xác cao và

ổn định trong quá trình đo Trong đó, đặc trưng nhất là loại tenzomet đòn bẩy