THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ ĐO TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng để kiểm tra so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết).Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng để kiểm tra so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết).Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng để kiểm tra so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết).Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng để kiểm tra so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết).

THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ ĐO

TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

1

THỰC NGHIỆM KẾT CẤU

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

3

 Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng

để kiểm tra so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết)

 Thí nghiệm công trình bao gồm các thí nghiệm, thử nghiệm được thực hiện trên các mẫu thử vật liệu, cấu kiện và kết cấu công trình tuân theo một qui trình được xác lập bởi các mục tiêu của đề tài nghiên cứu, hay của các tiêu chuẩn, qui phạm hiện hành.

1.1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

 Thí nghiệm công trình là lĩnh vực nghiên cứu giải các bài toán phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của các kết cấu bằng thực nghiệm

 Ý nghĩa của thí nghiệm trong kỹ thuật dân dụng

 Các bài toán thực tế đôi khi rất phức tạp: hình dạng kết

cấu, điều kiện biên, điều kiện đầu, tính chất của vật liệu

1.1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN

DỤNG

tính toán

Phương pháp tính toán

Thí nghiệm kiểm tra (kiểm định)

Thí nghiệm kiểm tra (kiểm định)

5

 Dùng phương pháp giải tích để tìm ra kết quả dưới dạng một biểu thức giải tích đôi khi rất khó khăn, thậm chí có trường hợp không thể thực hiện được

 Trên cơ sở hàng loạt những kết quả thí nghiệm, ta sử dụng công cụ toán học (xác suất thống kê) có thể tìm ra những công thức tính toán công trình dưới dạng những biểu thức thuận lợi cho tính toán thiết kế (đường hồi qui)

1.1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

 Trong giai đoạn đầu thiết kế có thể dùng thực nghiệm tiến hành thực hiện nhiều phương án, từ đó chọn được phương

án tối ưu

 Trong quá trình nghiên cứu, thiết kế các công trình xây dựng, đặc biệt khi nghiên cứu, áp dụng các loại vật liệu mới, kết cấu mới, những công trình đặc biệt, cần thiết tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tra các kết quả tính toán, so sánh, đánh giá sự làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình so với các giả thiết đã đặt ra.

1.1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

7

 Đối với các công trình đã và đang khai các sử dụng, khi có nhu cầu cần sửa chữa, cải tạo hay nâng cấp, bước đầu tiên cần thực hiện chính là tiến hành thực nghiệm và kiểm định công trình.

 Kiểm định công trình xây dựng là hoạt động khảo sát, kiểm tra, đo đạc, thử nghiệm, định lượng một hay nhiều tính chất của vật liệu, sản phẩm hoặc kết cấu công trình Trên cơ sở

đó, căn cứ vào mục tiêu kiểm định, tiến hành phân tích, so sánh, tổng hợp, đánh giá và rút ra những kết luận về công trình theo quy định của thiết kế và tiêu chuẩn xây dựng hiện

1.1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

 Để phân tích, đánh giá và so sánh khả năng làm việc của vật liệu và kết cấu công trình, công tác thực nghiệm và kiểm định không thể tách rời khỏi kiến thức của các ngành khoa học liên quan như Sức bền vật liệu,

Cơ học kết cấu, Vật liệu xây dựng, Kết cấu bê tông cốt thép và gạch đá, Kết cấu thép - gỗ, Công nghệ và kỹ thuật thi công v.v

1.1 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG

9

 Chia thí nghiệm thành 2 loại: thí nghiệm vật liệu và thí

nghiệm công trình

 Thí nghiệm vật liệu là những thí nghiệm chủ yếu nhằm mục đích xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu, khả năng chịu lực và các dạng phá hỏng của vật liệu trong các trạng thái ứng suất khác nhau, ví dụ thí nghiệm kéo, nén, uốn, xoắn

 Thí nghiệm công trình là những thí nghiệm nhằm mục đích kiểm tra các kết quả tính toán, kiểm tra khả năng làm việc của công trình hay các chi tiết máy, kiểm định công trình

1.2 PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM

 Thí nghiệm vật liệu có thể được tiến hành trên các mẫu thí nghiệm chế tạo từ các vật liệu thực của công trình ( thí nghiệm phá hoại ) hoặc thí nghiệm ngay trên các cấu kiện của công trình thực ( thí nghiệm không phá hoại ) Các mẫu thí nghiệm được chế tạo theo những quy định của nhà nước

 TN phá hoại:

TN kéo nén mẫu thép, gang nhằm xđ RK, RN

TN kéo nén mẫu bê tông nhằm xđ cường độ

TN các mẫu đất nhằm xđ thành phần hạt, dung trọng,

độ ẩm, độ chặt, độ dẻo, hệ số thấm…

1.2 PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM

11

 TN không phá hoại: thường được thực hiện ngay trên

công trình thực, có thể sử dụng các thiết bị:

- Súng bắn nảy: xđ cường độ bê tông

- Máy siêu âm: xđ cường độ bê tông, các khuyết tật trong các kết cấu bê tông, trong cọc khoan nhồi, bề dày các cấu kiện, xác định các cốt thép trong kết cấu BTCT…

- Máy đo độ chặt của đất dùng phóng xạ

- Búa tạo sóng: xđ cường độ của bê tông, môđun đàn hồi…

1.2 PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM

Nhận xét:

quả phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật thực nghiệm: độ chính xác của thiết bị, tuân theo các quy trình TN (kích thước mẫu, tốc độ gia tải…)

TN không phá hoại cũng có thể cho kết quả tin cậy

TN cần lựa chọn pp thích hợp để thu được kết quả mong muốn.

1.2 PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm công trình: tiến hành ngay trên các cấu kiện của công trình thực (thí nghiệm mô hình 1:1) hoặc trên các mô hình tương tự

 Tỉ lệ về kích thước, đặc trưng cơ lý của vật liệu, tỉ lệ về tải trọng tác dụng lên mô hình, các điều kiện biên, các điều kiện ban đầu phải được qui định theo định luật tương tự.

 Mục đích:

◦ Kiểm tra KQ tính toán lý thuyết

◦ Kiểm tra khả năng làm việc của công trình

1.2 PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM

 Một trong những vấn đề cơ bản của việc nghiên cứu

bằng thực nghiệm là việc đo biến dạng và chuyển vị

của mẫu thí nghiệm

 Để xác định ứng suất trong công trình hoặc trong mô

hình thường thông qua việc đo biến dạng, rồi trên cơ sở của định luật Hooke mà tìm ra ứng suất

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT ĐO ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG

15

 Các pt cơ bản của lý thuyết đàn hồi – mối liên hệ giữa các đại lượng cơ học

PT vật lý (Định luật Hooke)

PT hình học Cauchy

PT cân bằng Navier Ngoại lực

Nội lực (ứng suất)

Chuyển vị

Biến dạng

 1.3.1 Trạng thái ứng suất của vật thể tại một điểm

 Giới hạn ở trường hợp TTƯS phẳng (bài toán phẳng).

 Ứng suất trên mặt cắt nghiêng

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT ĐO ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG

 Ứng suất chính và phương chính

2

2 max

 1.3.2 Trạng thái biến dạng tại một điểm

Mối liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị

Biến dạng trên mặt nghiêng u và v

1.3.3 Mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng

1.3.4 Xác định ứng suất chính khi biết phương chính

- Dùng hoa điện trở vuông góc Các tấm điện trở được

dán vuông góc với nhau và dán theo các phương chính (phương 1 và phương 2) Các biến dạng đo được này

chính là các biến dạng chính Từ các biến dạng chính,

nhờ định luật Hooke ta xác định được các ứng suất

chính max, min:

21

1.3.5 Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương

chính

1.3.4 Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương

chính

23

1.3.4 Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương

chính

1.3.4 Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương

chính

25

1.4 Các bước tổ chức một TN công trình

1.4.1 Công tác chuẩn bị:

ráp, điện trở, các loại sơn đánh dấu, giấy bút và các văn phòng phẩm khác…

thiết bị máy móc, phương tiện đi lại, chỗ ăn ở cho cán

bộ thí nghiệm…

1.4.2 Công tác khảo sát thực địa (mục đích):

 Sơ đồ làm việc của k/c hoặc cấu kiện cần n/c

 Thu thập các kích thước hình học của k/c

 Kiểm tra chất lượng của VL, nếu có nghi ngờ phải xác định lại các đặc trưng cơ lý

 Kiểm tra các mối nối, chất lượng đường hàn

 Kiểm tra các khuyết tật

 Kiểm tra và đánh dấu các vết nứt đối với các công trình bê tông, công trình đất để theo dõi sự phát triển của vết nứt theo thời gian

 Kiểm tra những chỗ có sự tập trung ứng suất, những cấu kiện chịu nén, cấu kiện chịu ứng suất thay đổi theo thời gian (mỏi)

chuyển vị, gia tốc

gió, tải trọng, nổ…)

1.4.3 Công việc sau thí nghiệm

Xử lý số liệu:

đưa ra kết quả, song cần chọn cách thích hợp để thể hiện đầy đủ mục đích n/c

CHƯƠNG 2

CÁC THIẾT BỊ ĐO

 5 nhóm thiết bị đo

1 Đo chuyển vị thẳng thường dùng các thước đo độ dài như thước cặp, panme, đồng hồ đo chuyển vị, các đầu đo dịch chuyển cảm biến…

2 Đo độ giãn dài, biến dạng tương đối của các thớ vật liệu: phổ biến là các loại tenzomet cơ học, quang học điện cảm, điện trở…

3 Đo lực và áp suất: thông dụng là các loại lực kế lò xo, lực kế cảm biến hoặc các loại đồng hồ đo áp lực chất lỏng, chất khí…

4 Đo xoay, biến dạng góc của các phần tử, các liên kết trong kết cấu

5 Đo trượt và biến dạng trượt tương đối giữa các thớ vật liệu, các phần tử kết cấu ghép.

2.1 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA THIẾT BỊ ĐO

31

 Với mỗi tham số khảo sát của đối tượng nghiên cứu sẽ có những phương pháp và thiết bị đo phù hợp, thoả mãn được các yêu cầu và độ nhạy cảm và độ chính xác.

 Nhóm thiết bị đo lực và áp suất nhằm xác định giá trị của tải trọng tác dụng khi tiến hành thí nghiệm, còn các nhóm khác đều phục vụ cho mục đích chủ yếu trong nghiên cứu công trình là xác định trạng thái ứng suất - biến dạng

 Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần căn cứ vào các đặc trưng của đối tượng nghiên cứu, tính chất của tham số cần

đo và yêu cầu về độ chính xác của nó để chọn các dụng cụ

2.1 NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA THIẾT BỊ ĐO

2.2.1 Đo chuyển vị theo nguyên lý cơ học

◦ Võng kế (đồng hồ đo chuyển vị lớn)

2.2 DỤNG CỤ ĐO CHUYỂN VỊ

- Đĩa quay không hạn chế

khoảng đo, nên có thể đo

◦ Chuyển vị kế - indicator cơ học (đồng hồ đo chuyển vị bé)

- Đồng hồ đo thông dụng có các giá trị vạch đo là 0,01; 0,02; 0,001, và 0,002 mm.

- Khoảng chuyển vị lớn nhất đo được của đồng hồ thường bị khống chế bởi giá trị của vạch đo Cụ thể:

- Với loại đồng hồ 0,01 và 0,02 có khoảng đo từ 10 đến 50 mm.

- Với loại đồng hồ 0,001 và 0,002 có khoảng đo từ 5 đến 10 mm.

35

◦ Chuyển vị kế - indicator cơ học (đồng hồ đo chuyển vị bé)

 Muốn đo chuyển vị tại một điểm nào đó của k/

c, ta dùng bộ gá lắp để đặt đầu của trục 1 tiếp

xúc với điểm đó Bộ gá được kẹp chặt vào vỏ 2

và được đặt trên 1 vị trí cố định (không bị

chuyển vị) Khi mẫu bị chuyển vị thì đầu của

trục 1 cũng dịch chuyển theo Hiệu số đọc được

trên đồng hồ khi mẫu đã chuyển vị và khi chưa

chuyển vị cho ta trị số chuyển vị của mẫu

xác tới 0,01 mm (bách phân kế) hoặc 0,001

mm (thiên phân kế)*.

37

Ưu điểm:

 Đơn giản, dễ sử dụng

 Cho kết quả tin cậy

 Ít chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài

Nhược điểm:

 Cần phải có điểm cố định để đặt bộ gá lắp (có thể tạo điểm cố định giả trong 1 số trường hợp)

 Mỗi chuyển vị kế chỉ đo được chuyển vị tại 1 điểm

 Chuyển vị kế cơ học chỉ có thể sử dụng để đo chuyển vị tĩnh

 2.2.2 Đo chuyển vị theo nguyên lý điện

◦ Chuyển vị kế điện

◦ Chuyển vị kế điện tử (Digital indicator)

- Bên trong lắp một cầu đo nên độ

khuếch đại cao hơn nhiều và có quán tính

nhỏ có thể dùng để đo được cả chuyển vị

2.2.3 Máy đo chuyển vị

kế tĩnh hoặc chuyển vị kế động và đọc trực tiếp trên đồng hồ

thì có thể sử dụng loại chuyển vị kế động và thiết bị

đo biến dạng động*

Đo chuyển vị của dầm chịu uốn

Máy đo biến dạng động

2.3.1 Đo biến dạng theo nguyên lý cơ học

◦ Tenxomet cơ học (tenxomet đòn bẩy)

2.3 DỤNG CỤ ĐO BIẾN DẠNG

- Đo biến dạng từng điểm

rời rạc, được dùng khi khảo

- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, trọng lượng không lớn, độ chính xác cao

- Nhược điểm:

 Vật liệu dòn, các chi tiết dễ hỏng.

 Liên kết các bộ phận chuyển động và liên kết bản lề dễ bị xộc

xệch khi tháo lắp.

 Không đo được biến dạng động.

 Không sử dụng được ngoài trời mưa nắng

- Phương pháp gá lắp tenxomet đòn

 Trục của Tenzomet phải trùng với phương biến dạng

 Bề mặt vật liệu ở vị trí tenxomet phải phẳng, nhẵn và đủ cứng để các lưỡi dao không bị trượt khi vật liệu kết cấu biến dạng

45

Comparator (đi-mếch):

 Chỉ cần một Comparator

có thể đo biến dạng tại

nhiều vị trí khác nhau

trên công trình, nhiều

lần ở nhiều thời điểm

khác nhau (đo biến dạng

theo thời gian)

 Kết quả đo không phụ

thuộc vào kĩ thuật gá lắp

2.3.2 Đo biến dạng theo nguyên lý điện – Tenxomet cảm biến điện trở

 Là phương pháp đo biến dạng dài được dùng phổ biến

◦ Đo biến dạng theo nhiều phương khác nhau tại cùng một

điểm → có thể xác định được giá trị, phương của ứng suất

chính

◦ Đo biến dạng gây ra do tải trọng tĩnh, động, xung

47

◦ Đo biến dạng ở khoảng cách xa vị trí đặt máy đo, ở những

vị trí kín không thể quan sát được (trong lòng cấu kiện

bêtông, kết cấu chìm ngập dưới nước, trong lòng công

trình đất )

◦ Có thể sử dụng tấm điện trở để chế tạo thành các đầu

chuyển đổi để đo nhiều các đại lượng cơ học khác

 Nhược điểm:

Chịu ảnh hưởng rất nhiều của môi trường ngoài như nhiệt

độ, độ ẩm, từ trường, nên cần có biện pháp kĩ thuật xử lí

thích hợp mới cho được kết quả tin cậy

 Các bộ phận chính: Máy đo biến dạng và đầu đo (cảm biến

điện trở)

 Chiều dài được gọi là chuẩn đo (Base) Điện trở thường có

giá trị 120, 350, 600 đến 1000, sai số ±0,25% Chuẩn

 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

 Hệ số nhạy của điện trở (Gauge factor) K = 1 + 2μ

0

1,5% /

 Máy đo biến dạng

R4

R1

D A

Máy đo biến dạng động

Sơ đồ nguyên lý

 Bộ chỉ thị có thể là đồng hồ chỉ thị (Indicator), có thể là màn

hình (Display), có thể là máy in (Printer), có thể là máy ghi

(Recorder), có thể là máy hiện sóng (Oscillograph)

Bộ khuếch đại (Amplifier) có thể là bộ khuếch đại tĩnh, động

53

 Đo biến dạng tại nhiều điểm

Cầu đo không chỉ là một cầu Wheatstone đơn giản mà còn

thêm một bộ chuyển điểm đo (hộp đấu dây, Switching Box)

 Đo ứng suất – biến dạng theo các phương khác nhau

vào sự thay đổi của biến dạng (strain gradient)

 Khối lượng và độ cứng của điện trở đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến sự làm việc của cấu kiện cần đo Cần chú ý đặc biệt khi đo biến dạng của các cấu kiện rất mảnh, các cấu kiện làm bằng các VL có môđun đàn hồi nhỏ: chất dẻo, cao su…VD: đo E, µ của nền đất yếu trên mô hình chất dẻo…

 Dải đo phải rộng đáp ứng các yêu cầu của bài toán

 Đo biến dạng đàn hồi: 0,5 – 0,7%

 Đo cấu kiện có biến dạng lớn: 10 – 12%

 Chất liệu làm điện trở: dây điện trở, vỏ bọc, keo dán…

2 Một số giải pháp kỹ thuật khi đo

trường.

nhiều điểm nên trong quá trình đo, nhiệt độ làm việc của từng điện trở luôn thay đổi ở từng thời điểm, ảnh hưởng rất lớn tới kết quả đo

thay đổi nhiệt độ gây ra Muốn thế phải sử dụng điện trở bù nhiệt độ (Dummy).

R1-Active

R4

R3D

A

B

C i

 (**) không phá vỡ dấu của đẳng thức (*), cầu vẫn cân bằng, →

sự thay đổi của biến dạng do nhiệt độ gây ra sẽ không được chỉ thị trên đồng hồ của máy đo

 Độ ẩm của môi trường, từ trường, điện trường của môi trường xung quanh cũng ảnh hưởng lớn tới kết quả đo → đặt máy đo ở nơi khô ráo, tránh xa các nguồn gây điện trường và từ trường hoặc phải tìm cách giảm thiểu các ảnh hưởng này tới kết quả đo Các điện trở khi dán vào vị trí đo cần có giải pháp chống ẩm

 Dây nối từ điện trở vào máy đo cũng ảnh hưởng tới kết quả đo Nên chọn các dây nối có điện trở nhỏ, tốt nhất dùng dây bọc kim Dây nối cần được giữ cố định, ít bị xê dịch và không được kéo căng trong quá trình đo

 Khi cần đo ƯS tại những điểm bên trong công trình: trong công trình bê tông, công trình đất… cần sử dụng các loại điện trở đặc biệt được chống ẩm cẩn thận, còn dây dẫn phải được luồn trong ống nhựa để đưa lên vị trí đặt máy, đồng thời phải có các điện