Thí nghiệm và kiểm định công trình (bài giảng, giáo trình)

ĐẠI CƯƠNG VỀ THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM ĐỊNH CÔNG TRÌNH 2 1.1 Vai trò và nhiệm vụ của thí nghiệm và kiểm định công trình

Sơ lược quá trình phát triển của khoa học thực nghiệm xây dựng

1.2.1 Sự ra đời của khoa học thực nghiệm xây dựng

Sự phát triển mạnh mẽ của nền sản xuất, dẫn đến việc chuyên môn hóa trong các lĩnh vực của xây dựng

Trong thế kỷ 17 - 18, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm về vật liệu trong lĩnh vực sức bền vật liệu (SBVL), chủ yếu tập trung vào cường độ phá hủy của vật liệu dưới tải trọng tại thời điểm phá hoại kết cấu Tuy nhiên, diễn biến theo thời gian của vật liệu và kết cấu vẫn chưa được chú ý Các thí nghiệm đầu tiên đã được thực hiện để khám phá những vấn đề này.

- Thí nghiệm kết cấu vòm: Năm 1732 của kỹ sư Danizơ (Pháp);

- Thí nghiệm cấu kiện chịu uốn: Năm 1767 của kỹ sư Duygamen (Pháp);

- Thí nghiệm mô hình kết cấu dàn: Năm 1776 của kỹ sư Kulibin (Nga)

1.2.2 Sự hình thành các phòng thí nghiệm xây dựng

Vào năm 1847, Phòng thí nghiệm cơ học Cambridge được thành lập, đánh dấu sự ra đời của cơ sở đầu tiên trên thế giới chuyên trang bị máy thí nghiệm nhằm xác định các đặc tính cơ học của vật liệu và kiểm tra hoạt động của các cấu kiện đơn giản.

Năm 1853, Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng Peterbua được thành lập tại Trường Đại học Giao thông vận tải Peterbua, Nga Đây là một trung tâm thí nghiệm danh tiếng, nơi thực hiện các thử nghiệm phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng hàng loạt các cấu kiện và kết cấu xây dựng mới.

Cuối thế kỷ 19, các phòng thí nghiệm xây dựng được thành lập tại châu Âu, đặc biệt là ở Paris, Berlin và Roma, với mục tiêu nghiên cứu các vật liệu như gỗ, gang thép và gạch đá Các cấu kiện thí nghiệm bao gồm tấm, dầm, dàn và vòm bể chứa Một trong những kết quả quan trọng từ các nghiên cứu này là phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn Hiện nay, các phòng thí nghiệm xây dựng trên toàn thế giới đã phát triển mạnh mẽ và được đầu tư đáng kể để đáp ứng nhu cầu của ngành xây dựng hiện đại.

Sự phát triển của thí nghiệm xây dựng ở Việt Nam

Sau năm 1954, với sự giúp đỡ của khối các nước xã hội chủ nghĩa như Liên

Xô, Trung Quốc… trên miền Bắc của Việt Nam mới hình thành một số phòng thí nghiệm gồm:

Viện Khoa học Giao thông Vận tải, thuộc Bộ Giao thông Vận tải, được thành lập đồng thời với việc xây dựng và đưa vào hoạt động phòng thí nghiệm vào những năm gần đây.

Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng, thuộc Bộ Xây dựng, được thành lập từ năm 1956 - 1960 với sự hỗ trợ từ Trung Quốc Viện có hệ thống phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu cơ bản về xây dựng, thử nghiệm cấu kiện và mô hình kết cấu Hiện nay, nhờ vào việc đầu tư và trang bị nhiều thiết bị hiện đại, các phòng thí nghiệm tại đây đã trở thành hệ thống tiên tiến nhất trong lĩnh vực xây dựng tại Việt Nam.

- Viện Khoa học Thủy lợi: Xây dựng khoảng những năm 1960 - 1961;

Phòng thí nghiệm công trình thuộc Khoa Xây dựng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, hiện nay được biết đến là Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình (LAS125-XD), đã được thành lập từ năm 1962 đến 1964 với sự hỗ trợ từ Liên Xô.

Hiện nay, trên toàn quốc có nhiều phòng thí nghiệm và kiểm định công trình được thành lập nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm định tại các tỉnh thành, góp phần vào sự phát triển kinh tế của đất nước.

Phân loại phương pháp thí nghiệm

1.4.1 Căn cứ theo mức độ biến dạng

Phương pháp thí nghiệm loại này được chia thành hai nhóm gồm:

Phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu thử áp dụng cho các loại vật liệu xây dựng như kim loại, bê tông, gạch đá, vữa và gỗ cho phép quan sát trực tiếp hình ảnh và các chỉ tiêu cơ lý về trạng thái ứng suất biến dạng của vật liệu, bao gồm kéo, nén, uốn và xoắn Thí nghiệm này diễn ra qua từng giai đoạn làm việc cho đến khi vật liệu bị phá hoại hoàn toàn, và kết quả thu được sẽ là cơ sở để đánh giá chất lượng thực tế của vật liệu.

Phương pháp thí nghiệm không phá hoại sử dụng nguyên lý so sánh chuẩn và biểu đồ chuẩn để khảo sát chất lượng vật liệu Quan hệ giữa các thông số trực tiếp như cường độ, độ rỗng, và kích thước khuyết tật với các thông số gián tiếp từ thiết bị không phá hoại như kích thước vết lõm, trị số bật nảy, và tốc độ truyền sóng siêu âm được thiết lập qua khảo sát mẫu chuẩn trong phòng thí nghiệm Biểu đồ chuẩn cụ thể hóa mối quan hệ này, cho phép xác định các thông số chất lượng vật liệu trên kết cấu thông qua các thông số gián tiếp trong khảo sát thực tế.

1.4.2 Căn cứ theo tính chất của tải trọng

Thí nghiệm tĩnh là phương pháp kiểm tra công trình dưới tác động của tải trọng tĩnh, giúp xác định trạng thái ứng suất, biến dạng và chuyển vị của các cấu kiện trong kết cấu công trình.

Thí nghiệm động là quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng thay đổi theo thời gian lên kết cấu công trình, gây ra các tác động động lực học Những tác động này không chỉ ảnh hưởng đến độ cứng, độ bền và ổn định của kết cấu mà còn tác động đến con người, máy móc, dây chuyền công nghệ và môi trường xung quanh Do đó, các dụng cụ và thiết bị đo trong thí nghiệm động cần có đặc tính riêng biệt để có thể chịu được rung động và ghi nhận các thông số thay đổi theo thời gian.

1.4.3 Căn cứ theo địa điểm thí nghiệm

Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện tối ưu, với máy móc và thiết bị đo lường được lắp đặt ổn định Đội ngũ kỹ thuật viên chuyên ngành đảm bảo an toàn và độ chính xác cao cho từng thí nghiệm, đồng thời cung cấp điều kiện chiếu sáng và an toàn cần thiết.

Thí nghiệm hiện trường là một phần quan trọng trong công tác kiểm định công trình, nhằm so sánh và đánh giá chất lượng công trình với hồ sơ thiết kế cũng như các tiêu chuẩn và quy chuẩn hiện hành.

1.4.4 Căn cứ theo đặc điểm kích thước của đối tượng thí nghiệm

Thí nghiệm trên đối tượng nguyên hình mang lại kết quả chính xác và trung thực nhất do sử dụng vật liệu và kích thước hình học thật, phản ánh đúng khả năng làm việc của vật liệu và kết cấu Tuy nhiên, chi phí thí nghiệm cao và trong một số trường hợp, việc thực hiện có thể gặp khó khăn do quy mô của kết cấu quá lớn, dẫn đến việc chỉ có thể tiến hành trên các mô hình.

Mô hình vật lý là một đối tượng được thay thế theo quy luật vật lý, nhằm nghiên cứu các đặc trưng về vật liệu và kích thước hình học của đối tượng gốc Thông thường, mô hình này được thu nhỏ để dễ dàng thực hiện các thí nghiệm Kết quả từ mô hình cần được tính toán và chuyển đổi về đối tượng nghiên cứu, tuy nhiên, quá trình này có thể dẫn đến sai lệch so với thực tế Dù vậy, chi phí cho việc xây dựng mô hình thấp hơn nhiều so với thí nghiệm thực tế, cho phép thực hiện nhiều lần và điều chỉnh các tham số mô hình hóa để đạt được độ tin cậy chấp nhận được.

DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ ĐO ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG TRONG THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM ĐỊNH CÔNG TRÌNH

Các dụng cụ đo chuyển vị

2.1.1 Đồng hồ đo độ võng

2.1.1.1 Cấu tạo và hoạt động

Hình 2.1 Cấu tạo đồng hồ đo chuyển vị lớn (võng kế)

1 Ròng rọc; 2 Bánh răng; 3 Trục răng; 4 Kim

5 Vạch chia; 6 Dây thép; 7 Quả nặng

(Nguồn: Bùi Thiên Lam, Nguyễn Phan Phú, 2008)

Kim quay trên mặt chia 100 vạch tròn từ 0 đến 99 để đọc chữ số hàng chục và đơn vị, trong khi cửa sổ chữ nhật có thang chia từ 0 đến 9, mỗi khoảng được chia thành 10 vạch để đọc chữ số hàng trăm.

Dây thép treo quả nặng được vắt qua ròng rọc, với đầu kia buộc vào điểm chuyển vị trên kết cấu Ròng rọc gắn với bánh răng có khắc vạch và đánh số hàng trăm, cho phép quan sát qua cửa sổ của mặt võng kế Bánh răng quay trục răng gắn kim số theo tỷ số truyền 1:10, giúp kim quay trên mặt chia 100 vạch Cấu tạo này chuyển đổi chuyển vị thẳng của kết cấu thành chuyển động quay của kim và khuếch đại lên 10 lần, được gọi là hệ số khuếch đại của võng kế Kv = 10.

2.1.1.2 Các đặc trưng kỹ thuật Đồng hồ đo chuyển vị kiểu đĩa quay không hạn chế khoảng đo cho nên có thể đo chuyển vị lớn của kết cấu nhịp lớn, độ lún của cọc Có độ nhạy và độ chính xác cao Hạn chế: Dễ bị rung do tác động của môi trường: gió, dòng chảy

Giá trị của vạch đo trên mặt đồng hồ là δ = Kv - 1 = 0,1 mm

Dây thép đường kính: 0,2 ÷ 0,3 mm

Hiện nay, khi đo những kết cấu nhịp lớn và có địa hình phức tạp thường sử dụng thêm máy trắc đạc

2.1.1.3 Lắp đặt và yêu cầu sử dụng

Võng kế được gắn chắc vào cấu trúc hoặc giá cố định thông qua gá kẹp đã được chế tạo sẵn Tùy thuộc vào yêu cầu, có thể thực hiện việc đo lường theo hai phương pháp khác nhau.

- Đo tại điểm nằm trên kết cấu cần đo: Lắp đặt võng kế ngay tại điểm cần đo bằng cách sử dụng gá kẹp (Hình 2.2)

Hình 2.2 Lắp đặt võng kế tại điểm cần đo chuyển vị

- Đo tại điểm cố định nằm ngoài kết cấu Đặt võng kế cố định ở ngoài kết cấu (Hình 2.3)

Hình 2.3 Lắp đặt võng kế cố định bên ngoài kết cấu

Phương của đoạn dây thép phải trùng với phương chuyển vị Khi lắp đặt võng kế cố định, có thể điều chỉnh hướng chuyển vị bằng cách sử dụng ròng rọc lăn, cho phép kéo dài dây và thay đổi vị trí đặt võng kế để thuận tiện hơn trong việc đọc số liệu.

Hình 2.4 Lắp đặt võng kế đo chuyển vị ngang

(Nguồn: Hoàng Như Tầng, Lê Huy Như, Nguyễn Trung Hiếu,

2.1.2 Đồng hồ đo chuyển vị - Indicator

2.1.2.1 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của Indicator cơ học

Hình 2.5 Indicator cơ học a Sơ đồ Indicator; b Indicator cơ học thực tế

Thanh ray (1) có đầu tì với viên bi thép và vít thép, giúp chuyển động khi thanh ray (1) di chuyển Sự chuyển động này làm quay bánh răng kép (2) và (3), trong đó bánh răng (3) tác động vào bánh răng (4) Điều này khiến kim dài (5) quay trên bảng chia từ 0 đến 99, hiển thị số chỉ ở hàng chục và hàng đơn vị Bánh răng (6) nhận truyền động từ bánh răng (4) với tỉ số 1:10, trong khi kim ngắn (7) đọc chữ số hàng trăm từ kim bảng chia.

Giá trị vạch đo nhỏ nhất: 0,01; 0,02; 0,001; 0,002 mm

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

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

2.1.2.2 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của Indicator điện tử

Hình 2.6 Indicator điện tử a Sơ đồ nguyên lý hoạt động; b Indicator điện tử (Nguồn: Hoàng Như Tầng, Lê Huy Như, Nguyễn Trung Hiếu,

Đầu đo cảm biến vi sai (1) sử dụng bi thép để phát hiện chuyển vị, giúp lõi sắt non di chuyển trong lòng hai cuộn dây đồng trục, từ đó chuyển đổi chuyển vị thành dòng điện cảm ứng.

- Sau khi được khuếch đại (2) và chỉnh lưu (3) đến chỉ thị (4) là màn hình chỉ thị số (Hình 2.6.b)

2.1.2.3 Lắp đặt và sử dụng Indicator

Hình 2.7 Các bộ gá để lắp đặt Indicator a Gá trọng lực bằng thép; b Gá từ

Bộ gá lắp Indicator được thiết kế với đế thép nặng từ 5 đến 6 kg, giúp duy trì sự ổn định trong quá trình sử dụng Với khả năng chuyển động trượt và quay của các cần và khớp, bộ gá cho phép mô phỏng 6 bậc tự do Sau khi thực hiện các điều chỉnh cần thiết, người dùng cần vặn chặt các vít hãm để cố định vị trí Hiện nay, bộ gá từ với trọng lượng nhẹ và lực hút mạnh vào thép đang được ưa chuộng cho các thí nghiệm trên kết cấu thép.

Khi lắp đặt Indicator vào vị trí cần đo cần chú ý các điều kiện sau:

- Trục của Indicator (trục thanh răng) phải trùng với phương chuyển vị;

Đầu tì cần có bi thép tiếp xúc với bề mặt phẳng và nhẵn để đảm bảo hiệu quả sử dụng Đối với bề mặt vữa hoặc bê tông, có thể mài nhẵn, bôi keo hoặc đánh bóng bằng xi măng nguyên chất Ngoài ra, sử dụng tấm kính nhỏ dày từ 3 đến 5 mm làm lớp đệm giữa mặt tiếp xúc và bi thép cũng là một giải pháp hiệu quả.

Trong kỹ thuật, Indicator được sử dụng như một đồng hồ đo vạn năng với các ứng dụng đo được nhiều đại lượng như:

- Đo biến dạng tương đối trong kết cấu có kích thước lớn (Hình 2.8)

Hình 2.8 Lắp đặt Indicator đo biến dạng kết cấu kích thước lớn a Sơ đồ nguyên lý đo; b Lắp đặt dụng cụ đo

Đo biến dạng trong các vật liệu như bản mỏng, thép hình, thép thanh có đường kính nhỏ, dây kim loại và dây cáp có thể thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị đo biến dạng, cụ thể là ghép một cặp đồng hồ chuyển vị trên bộ giá kéo dài chuẩn đo (Extenzomet).

Hình 2.9 Lắp đặt cặp Indicator đo biến dạng thanh đường kính nhỏ

Đo biến dạng trên các đối tượng chịu nhiệt độ hoặc biến dạng thay đổi chậm theo thời gian thường sử dụng thiết bị không lặp cố định tại chỗ, gọi là comparator Thiết bị này chỉ được lắp vào khi cần lấy số liệu đo, sau đó được giải phóng để tránh bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và không khai thác quá lâu.

Hình 2.10 Lắp đặt cặp Comparator đo biến dạng theo thời gian a Sơ đồ lắp đặt; b Dụng cụ thí nghiệm thực tế

(Nguồn: Bùi Thiên Lam, Nguyễn Phan Phú, 2008) 2.1.3 Nguyên tắc chọn và bố trí dụng cụ đo biến dạng

Dựa trên kinh nghiệm và tính toán lý thuyết, chúng tôi dự báo giá trị chuyển vị tại các vị trí khác nhau trên kết cấu, với nguyên tắc chọn và bố trí cụ thể.

Chọn dụng cụ đo độ nhạy cao (Indicator) cho các điểm đo chuyển vị gối hoặc độ lệch phương đứng là rất quan trọng, vì giá trị chuyển vị ngang tại những điểm này thường rất nhỏ.

Các tiết diện gần giữa nhịp của các kết cấu nhịp lớn, đặc biệt là kết cấu thép có liên kết bằng bu lông hoặc đinh tán, thường chịu chuyển vị lớn Do đó, việc sử dụng võng kế là cần thiết để không bị giới hạn về khoảng đo.

Số lượng dụng cụ đo chuyển vị trong thí nghiệm phụ thuộc vào quy mô của kết cấu Đối với một kết cấu đơn giản chịu uốn, tối thiểu cần ba chỉ số đo chuyển vị, được đặt tại hai gối và giữa nhịp, để tính toán độ võng.

Hình 2.11 Bố trí dụng cụ đo độ võng của dầm

Các dụng cụ đo biến dạng

Khi vật liệu còn làm việc trong giới hạn đàn hồi, quan hệ tuyến tính giữa ứng suất σ và biến dạng tương đối ε thông qua định luật Hook

E: Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo kết cấu, (daN/cm 2 ); ε: Biến dạng dài tương đối được tính theo công thức sau:

ΔL là biến dạng dài tuyệt đối, thể hiện sự thay đổi vị trí tương đối giữa hai điểm đã chọn trên thớ vật liệu, với khoảng cách L trước khi xảy ra biến dạng.

L được gọi là chuẩn đo, (cm)

Các dụng cụ dùng để đo giá trị biến dạng dài tuyệt đối Δl được gọi là các dụng cụ đo biến dạng hay các Tenzomet

Khi vật liệu chịu ứng suất kéo, thớ của nó sẽ giãn ra, dẫn đến Δl có giá trị dương; ngược lại, nếu vật liệu chịu ứng suất nén, Δl sẽ là số âm Các chỉ số trên Tenzomet cũng phản ánh quy luật này.

2.2.1.1 Sơ đồ cấu tạo và các đặc trưng kỹ thuật

Tenzomet cơ học khuếch đại biến dạng tuyệt đối ΔL thông qua hệ thống đòn bẩy được gọi là Tenzomet đòn Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó được minh họa trong hình 2.13b.

Hình 2.13 Tenzomet đòn a Cấu tạo Tenzomet đòn; b Nguyên lý hoạt động

Khung Tenzomet bao gồm lưỡi dao cố định và lưỡi dao di động hình quả trám, được kết nối với đòn đẩy Đòn này tác động lên kim quay trên bảng chia có 50 vạch, tạo ra độ khuếch đại của hệ thống đòn bẩy.

N, n, M, m: Bộ số được chọn sao cho thỏa mãn tỷ số:

KT: Hệ số khuếch đại của Tenzomet đòn

Giá trị 1 vạch trên bảng chia:

Hiệu số Δn giữa lần đọc sau và lần dọc trước cho biết giá trị biến dạng:

Chuẩn đo L = 20 mm là khoảng cách giữa dao cố định và dao di động Khi lắp bộ gá ngoài có thể tăng chuẩn đo lên tới 200 mm

2.2.1.2 Cách lắp đặt Tenzomet đòn

Khi gá lắp Tenzomet vào vị trí đo, trục của Tenzomet (trùng với chuẩn đo) phải trùng với phương biến dạng

Bề mặt vật liệu tại vị trí Tenzomot cần phải phẳng, nhẵn và đủ cứng để đảm bảo các lưỡi dao không bị trượt khi vật liệu biến dạng Các lớp sơn và mạ trên bề mặt kết cấu thép cần được cạo bỏ và đánh ráp cho phẳng, nhẵn Đối với bề mặt bê tông hoặc lớp vữa ngoài bị phong hóa, cần tiến hành đục tẩy và mài nhãn Có thể sử dụng xi măng nguyên chất hoặc keo dán để tạo lớp mặt nhẵn cứng.

Chiều quay của kim trên bảng chia vạch phụ thuộc vào biến dạng kéo hoặc nén, và việc điều chỉnh vị trí ban đầu của kim được thực hiện bằng vít chỉnh (6) Nếu chưa xác định được chiều biến dạng, nên để kim ở giữa bảng chia vạch Sau mỗi cấp tải, nếu kim sáp vượt ra ngoài bảng chia, cần điều chỉnh vít (6) để đưa kim trở lại vị trí trước khi gia tải cấp tiếp theo.

Tenzomet đòn có cấu tạo đơn giản với các liên kết khớp và bản lề của hệ đòn bẩy dễ bị xộc xệch, do đó thường được sử dụng để đo biến dạng tại các điểm rời rạc Thiết bị này phổ biến trong khảo sát trạng thái biến dạng tĩnh của kết cấu công trình Mặc dù độ nhạy của Tenzomet đòn không cao, nhưng nó ít bị ảnh hưởng bởi môi trường, mang lại độ tin cậy cao cho kết quả đo.

Ngoài Tenzomet đòn, còn tồn tại các loại Tenzomet cơ học khác như Tenzomet quang học và Tenzomet dây rung Tuy nhiên, những loại này thường ít được áp dụng trong các thí nghiệm nghiên cứu và kiểm định chất lượng công trình.

2.2.2.1 Các đặc trưng kỹ thuật

Tenzomet cảm biến điện trở là công cụ đo lường phổ biến, hiệu quả và chính xác, được sử dụng để khảo sát tham số biến dạng dài tương đối của nhiều loại vật liệu trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật Các đặc điểm chính của Tenzomet điện trở bao gồm độ nhạy cao và khả năng hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau.

- Đo được những biến dạng nhỏ (10 -5 ÷ 10 -6 ) m đến các biến dạng rất lớn của vật liệu khi làm việc ngoài trạng thái đàn hồi;

- Đo biến dạng tĩnh, động, xung kích, biến dạng trong những vùng có tập trung ứng suất cao;

- Đo biến dạng trong những môi trường và chế độ khắc nghiệt: Nhiệt độ cao - 198,15 ÷ 801,85 0 C; áp lực cao 80 ÷ 1.000 MPa; môi trường xâm thực, phóng xạ, nổ ;

- Có kích thước và hình dạng đáp ứng được trạng thái làm việc của đối tượng Đo được biến dạng phân tán theo nhiều phương;

- Có nhiều loại kích thước chuẩn đo thích hợp, từ rất nhỏ 0,25 m đến rất lớn 1.000 ÷ 1.200 mm;

- Có độ cứng riêng và trọng lượng bản thân nhỏ;

- Có thể tiến hành với số lượng lớn điểm đo lớn trên một kết cấu trong khoảng thời gian ngắn;

- Đảm bảo độ chính xác cao cho kết quả đo;

- Ứng dụng đo được nhiều tham số cơ học khác như trọng lực, chuyển vị

2.2.2.2 Cấu tạo Tenzomet điện trở

Các phần tử cảm biến điện trở được sản xuất từ dây thanh mảnh làm bằng vật liệu hợp kim có điện trở suất cao Hiện nay, có hai kiểu cấu tạo chính cho các cảm biến này.

Tấm điện trở dây kim loại tiết diện tròn được làm từ hợp kim constantan hoặc nicrom, có đường kính từ 0,01 đến 0,04 mm, được cuộn nhiều vòng và dán lên bề mặt của lớp nền mỏng Lớp nền có thể là giấy cellulose hoặc giấy keo Cảm biến điện trở dây tròn thường có chiều dài từ 5 đến 200 mm và điện trở dao động từ 60 đến 1.000 Ω.

Hình 2.14 Cấu tạo Tenzomet điện trở a Kiểu dây tiết diện tròn; b Kiểu dây tiết diện dẹt

1 Dây nối tiếp; 2 Lớp nền; 3 Lớp keo; 4 Dây điện trở

Tấm điện trở dây tiết diện dẹt được chế tạo bằng phương pháp thăng hoa, sử dụng giấy làm từ vật liệu constantan hoặc nicrom với điện trở suất cao và độ dày từ 4 đến 6 micron Bề mặt giấy được phủ một lớp keo mỏng, sau khi khô, áp sát vào tấm kính phim âm bản đã thu nhỏ theo kích thước yêu cầu của các phần tử cảm biến Ánh sáng trắng được chiếu qua bản phim chụp để in hình các phần tử cảm biến lên giấy hợp kim Cuối cùng, tờ giấy điện trở được ngâm trong dung dịch hóa chất ăn mòn để loại bỏ phần vật liệu không được ánh sáng chiếu vào, giữ lại những phần đã được chiếu sáng trên lớp keo.

2.2.2.3 Nguyên lý của phép đo

Hình 2.15 Sơ đồ làm việc của Tenzomet điện trở

Phương pháp đo biến dạng bằng Tenzomet điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý rằng điện trở của dây dẫn thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi chiều dài của nó.

Trị số điện trở R của dây dẫn được xác định bằng công thức:

Trong đó: ρ: Điện trở suất của dây dẫn, (Ωm);

A: Diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn, (m 2 )

Từ (2-6) ta có: ln R  ln ln  lnA (2-6a)

Sự biến đổi tương đối của điện trở là:

Trong (2-6b), tỷ số Δl/l = ε đại diện cho biến dạng theo chiều dài của dây Biến dạng theo phương đường kính dây được ký hiệu là εx, và hệ số nở μ có mối quan hệ tỷ lệ nghịch với biến dạng theo chiều dài dây, được xác định bằng công thức cụ thể.

Thực hiện phép biến đổi tương đương tỷ số ΔA/A ta có:

Thay các kết quả biến đổi theo công thức (2-6c, d, e) vào (2-6b) được:

Hệ số k được gọi là hệ số độ nhạy (Gauge faktor) Phương trình (2-7) thường được gọi là phương trình cơ bản của Tenzomet điện trở

Dây điện trở làm bằng kim loại, thường là hợp kim Constantan (Cu 60%, Ni 40%), có giá trị k từ 1,8 đến 2,2 Trong khi đó, dây điện trở làm bằng chất bán dẫn, chủ yếu là Silic, có giá trị k dao động từ 100 đến 120.

2.2.2.4 Phương pháp đo và cách lắp đặt Tenzomet điện trở

Từ phương trình cơ bản của Tenzomet điện trở có:

  (2-8) Để đo sự thay đổi ΔR người ta dùng cầu điện trở Wheatstone (Hình 2.16) Điều kiện để cầu cân bằng là dòng điện kế Ig = 0 tương đương với:

Các dụng cụ đo lực và mô men

Lực kế là thiết bị dùng để đo lực, hoạt động dựa trên mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng đàn hồi của vật liệu Các lực kế có thể được phân loại theo hai cách khác nhau.

Theo nguyên lý hoạt động hoặc phương pháp khuếch đại biến dạng, có bốn loại lực kế chính: lực kế cơ học, lực kế điện tử, lực kế thủy lực và lực kế quang học.

- Theo chức năng sử dụng: Lực kế kéo; Lực kế nén; Lực kế kéo và nén

2.3.1.1 Lực kế kiểu lò xo

Hình 2.23 Lực kế kiểu lò xo

Nguyễn Thế Anh (2006) mô tả loại lực kế cơ học có biến dạng lớn, thường không cần khuếch đại Loại lực kế này thích hợp cho việc đo tải trọng nhỏ và chủ yếu được sử dụng khi tải trọng tác dụng là kéo, do khi nén, lò xo dễ bị mất ổn định.

Giá trị lực kéo đo được bằng lực kế kiểu lò xo vòng F < 500 N

2.3.1.2 Lực kế kiểu bản nhíp và vành đàn hồi

Lực kế bản nhíp thường được chế tạo từ thép hợp kim với phần bản chịu uốn, cho phép đo lực kéo và lực nén Cấu tạo của lực kế này được minh họa trong hình 2.24, trong khi loại vành đàn hồi được thể hiện ở hình 2.25 Biến dạng được đo bằng Indicator, và mối quan hệ giữa lực và số vạch chỉ thị trên Indicator được chuẩn hóa và lập thành bảng chuẩn.

Hình 2.24 Lực kế cơ bản nhíp Hình 2.25 Lực kế cơ vành đàn hồi

Lực kế bản nhíp có khoảng đo: F < 500 kN Do có cấu tạo hình ô van đặc biệt, lực kế vành đàn hồi có khoảng đo lớn: F < 2000 kN

Các lực kế điện tử sử dụng tenzomet điện trở để đo biến dạng, cho phép chúng có độ nhạy cao và khoảng đo lớn, đồng thời có cấu tạo tương đối đơn giản.

Hình 2.26 Các loại lực kế điện tử

1 Hệ biến dạng; 2 Tenzomet điện trở; 3 Ốp kim loại

Nguyễn Thế Anh (2006) cho biết rằng đầu ra của biến dạng do lực kéo hoặc nén tạo ra là tín hiệu điện, được số hóa để xử lý dữ liệu kết nối với máy tính thông qua các phần mềm chuyên dụng Điều này cho phép hiển thị, lưu trữ và tự động hóa các quy trình tiếp theo Lực kế điện tử cũng được sử dụng làm đầu đo trong các thiết bị cân đong tải trọng lớn như cân xe tải, toa tàu và các băng chuyền tải than, xi măng.

2.3.2 Dụng cụ đo áp lực và hệ thống kích gia tải

Lực đẩy hoặc kéo của một xi lanh thủy lực được xác định bằng công thức:

A: Diện tích tiết diện hiệu dụng của xi lanh thủy lực, (m 2 ); p: Áp lực dầu công tác, (Pa)

Dụng cụ để đo áp lực p của dầu được gọi là áp kế dầu (Hình 2.27)

Dầu áp lực được dẫn vào ống kín hình vành khăn 270 độ, với diện tích thành ống phía ngoài lớn hơn phía trong, dẫn đến áp lực dầu làm ống biến dạng không đều và gây ra chuyển vị ở đầu ống Hệ đòn và bánh răng khuếch đại chuyển vị này và chuyển đổi thành chuyển động quay của kim trên bảng chia vạch Thang chia áp suất thường được đo bằng đơn vị MPa hoặc kG/cm².

Diện tích hiệu dụng của xi lanh được xác định bằng cách đo đường kính diện tích công tác

+ Với xi lanh đơn giản một chiều chỉ thực hiện lực đẩy, thường gọi là kích thủy lực (Hình 2.28)

Hình 2.28 Kích thủy lực một chiều

Diện tích hiệu dụng của kích thủy lực một chiều:

Lực đẩy của kích thủy lực một chiều là:

+ Với xi lanh 2 chiều, thực hiện cả chiều đẩy và chiều kéo (Hình 2.29) a) Chiều đẩy b) Chiều kéo

Hình 2.29 Xi lanh thủy lực 2 chiều

Diện tích hiệu dụng chiều đẩy:

Diện tích hiệu dụng chiều kéo:

Lực đẩy của xi lanh: d d

Lực kéo của xi lanh: k k

D: Đường kính xi lanh, (m); d: Đường kính píttông, (m)

Liên bang Nga và hãng Presiné (Pháp) đã phát triển loại kích 2 ruột với kích thước và trọng lượng tương đương kích 1 ruột, nhưng có lực đẩy gần gấp đôi Dầu áp lực được dẫn vào buồng dưới có đường kính xi lanh D1, sau đó qua đường dẫn trong thanh chống có đường kính d, vào buồng trên nằm trong ruột pít tông có đường kính D2 Kích này được chế tạo từ thép hợp kim cường độ cao, đáp ứng điều kiện d

Tiêu đề	Thí Nghiệm Và Kiểm Định Công Trình
Tác giả	ThS. Vũ Minh Ngọc
Trường học	Trường Đại Học Lâm Nghiệp
Thể loại	bài giảng
Năm xuất bản	2021

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	3,53 MB