Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng mẫu trên mẫu thí nghiệm bê tông

Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông Đo độ võng dầm bằng dụng cụ LVDT Linear Variable Displacement T

Trang 1

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TƯƠNG QUAN HÌNH ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG TRƯỜNG BIẾN DẠNG

TRÊN MẪU THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2019

SKC 0 0 6 7 8 5

MÃ SỐ:T2019-83TĐ

Trang 2

TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Anh Thắng

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TƯƠNG QUAN HÌNH ẢNH SỐ ĐỂ XÂY DỰNG TRƯỜNG BIẾN DẠNG

TRÊN MẪU THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG

Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Anh Thắng

TP HCM, Tháng 12, Năm 2018

Trang 4

MỞ ĐẦU 1

A CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 2

B CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 2

C TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

D MỤC TIÊU 4

E CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

F ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DIC 7

1.1 Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số 2 chiều 7

1.2 Tính toán vùng biến dạng 8

1.3 Tính toán chiều rộng vết nứt và độ dài chuyển vị (dislocation length) 10

1.4 Công cụ hỗ trợ 11

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM DẦM BTCT 14

2.1 Nguyên liệu sử dụng 14

2.2 Cốt liệu xỉ thép 14

2.3 Cốt liệu lớn (đá dăm) 16

2.4 Cốt liệu mịn (cát vàng) 18

2.5 Nước 20

2.6 Xi măng 20

2.7 Thiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép 21

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM CẤU KIỆN DẦM 23

3.1 Mục đích thí nghiệm 23

Trang 5

Đo độ võng dầm bằng dụng cụ LVDT (Linear Variable Displacement Transducer)

24

Máy ảnh kỹ thuật số 24

Khung uốn cấu kiện 25

Dụng cụ đồng bộ lực, chuyển vị và biến dạng (Datalogger) 25

3.3 Công tác chuẩn bị 26

3.4 Trình tự đúc mẫu dầm 27

3.5 Thực nghiệu uốn mẫu dầm 28

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH BIẾN DẠNG VÀ KIỂM CHỨNG PHƯƠNG PHÁP DIC 30 4.1 Dầm bê tông cốt thép thường B22.5 30

4.2 Dầm bê tông cốt thép thường B15 33

4.3 Kết quả xác định trường biến dạng của dầm bê tông cốt thép xỉ 35

CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT THÔNG SỐ VẾT NỨT THEO PHƯƠNG PHÁP DIC 38 5.1 Khảo sát bề rộng đường nứt 38

Dầm bê tông cốt thép B22.5 38

Dầm bê tông cốt thép B15 45

Dầm bê tông cốt thép xỉ (B22.5) 49

5.2 Khảo sát chiếu dài đường nứt 56

Dầm bê tông cốt thép B22.5 và B15 56

Dầm bê tông cốt thép xỉ (B22.5) 60

KẾT LUẬN 62

Trang 6

Bảng 1.1: Mô tả ứng xử của đường nứt 11

Bảng 2.1:Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN 15

Bảng 2.2: Kết quả thí nghiệm cơ lý xỉ thép 16

Bảng 2.3: Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng 17

Bảng 2.4: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng 19

Bảng 2.5: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng sử dụng 20

Bảng 2.6: Bảng cấp phối bê tông xỉ và đá tự nhiên (1m3) 22

Bảng 4.1: Kết quả tổng hợp số liệu vùng biến dạng dầm B22.5 32

Bảng 4.2: Kết quả tổng hợp sớ liệu vùng biến dạng dầm xỉ 37

Bảng 5.1: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rộng vết nứt dầm BTCT B22.5 40

Bảng 5.2: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rộng vết nứt dầm BTCT B15 47

Bảng 5.3: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rông vết nứt dầm xỉ 52

Bảng 5.4: Thông số đường nứt của dầm B15 57

Bảng 5.5: Thông số đường nứt của dầm B22.5 57

Bảng 5.6: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm xỉ 57

Trang 7

Hình 1.1: Sơ đồ vị trí hình ảnh của vùng biến dạng trước và sau khi chuyển vị 8

Hình 1.2: Vẽ sơ đồ của hình ảnh phụ trên bề mặt 9

Hình 1.3: Thay đổi về vị trí tương đối sau khi nứt xảy ra (a) trước khi nứt,(b) sau khi nứt,(c) chuyển vị tương đối 11

Hình 1.4: Biểu đồ ứng suất và chuyển vị vết nứt qua mặt cắt ngang 12

Hình 1.5: Biểu đồ ứng suất và chuyển vị vết nứt qua mặt cắt dọc 13

Hình 2.1: Xỉ thép thay cốt liệu thô tự nhiên 14

Hình 2.2: Biểu đồ thành phần hạt của xỉ thép sử dụng 16

Hình 2.3: Đá dăm tự nhiên 17

Hình 2.4: Biểu đồ thành phần hạt của đá sử dụng 18

Hình 2.5: Cát vàng 18

Hình 2.6: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng 19

Hình 2.7: Xi măng 20

Hình 3.1: Strain gauge 23

Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị 24

Hình 2.10: Máy ảnh Cannon EOS 7D 25

Hình 2.11: Khung uốn cấu kiện 25

Hình 2.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm 26

Hình 2.13 Gia công cốt thép và ván khuôn 26

Trang 8

Hình 2.15 Công tác đầm dùi 27

Hình 2.16 Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm 28

Hình 2.17 Thiết kế dầm thí nghiệm 29

Hình 4.1: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 ở cấp tải P=89,94KN: (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết quả thu được từ Data Logger 30

Hình 4.2: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 ở cấp tải P=93,28KN: (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (d) Kết quả thu được từ Data Logger 31

Hình 4.3: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=52.58KN: (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết quả thu được từ Data Logger 33

Hình 4.4: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=72.25KN: (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b) Kết quả thu được từ Data Logger 33

Hình 4.5: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=75.46KN: (a) kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge, (b)Kết quả thu được từ Data Logger 34

Hình 4.6: Kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge 36

Hình 5.1: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B22.5 theo từng cấp tải trọng: (a) 60.15KN, (b) 69.65KN, (c) 84.88 KN, (d) 86.84 KN, (e)87.22 KN, (f) 89.94 KN, (g) 90.31 KN, (h) 92.78 KN, (i) 93.28 KN,(k) 94.64 KN 39

Hình 5.2: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) 41

Hình 5.3: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1 41

Trang 9

Hình 5.8: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tông cốt thép B15 theo từng cấp tải trọng: (a) 21.65KN, (b) 38.60KN, (c) 61.24 KN, (d) 69.80 KN, (e)72.12 KN, (f) 75.36 KN, (g) 76.45 KN, (h) 77.81 KN 46

Hình 5.11: Quá trình phát triển vết nứt: (a) P=17.94KN, (b) P= 29.20KN, (c) P=47.26 KN, (d) P=62.35 KN, (e) P=70.27 KN, (f) P=85.61 KN, (g) P=94.89 KN, (h)P=96.25KN, (k)P=99.46 KN, (i)P=101.81KN 51

Hình 5.12: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) 53

Hình 5.18: Biểu đồ giữa cấp tải trọng (P) và chiều dài vết nứt (Lc) của dầm BTCT thường 58

Hình 5.19: Biểu đồ giữa chiều rộng (Wc) và chiều dài vết nứt (Lc) của dầm BTCT thường 59

Hình 5.20: Biểu đồ giữa cấp tải trọng (P) và chiều dài vết nứt (Lc) của dầm BTCT xỉ 60

Trang 10

Trang 11

TS Lê Anh Thắng| Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng

trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số để xây dựng

trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông

- Mã số: T2019 – 83TĐ

- Chủ nhiệm: TS Lê Anh Thắng

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu:

- Phát triển một quy trình có hệ thống để xác định trường biến dạng trên mẫu thí

nghiệm

- Khảo sát độ nhạy và độ chính xác của các phép đo DIC đối với các thí nghiệm kết

cấu bê tông xi măng

3 Tính mới và sáng tạo:

Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật tương quan ảnh kỹ thuật số để xây dựng trường

biến dạng trên bề mặt của mẫu dầm bê tông cốt thép Giá trị biến dạng từ kỹ thuật DIC

được kiểm chứng thông qua Strain Gauge dán trên dầm trong quá trình thí nghiệm

4 Kết quả nghiên cứu:

Trang 12

5 Sản phẩm:

1- Lê Anh Thắng (2020),”Nghiên cứu xác định các đặc trưng cơ học phá hủy của dầm bê tông cốt thép bằng phương pháp DIC”, Tạp chí xây dựng tháng 03/2020, ISSN 0866–8762

2- A T Le, Q D Nguyen (2020), “Applying Dic Method To Build Deformation Contours For Reinforcement Concrete Beams” , The International Conference on Sustainable Civil Engineering and Architecture (ICSCEA) 2019

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Trang 13

1 General information:

Project title: Studying and applying the digital image correlation techniques

to explore the strain fields on the surface of the reinforcement concrete beams Code number: T2019 – 83TĐ

Coordinator: Dr Le, Anh Thang

Implementing institution: University of Technical Education HCM City

Duration: 12 months

2 Objective(s):

- Develop a procedure to build up strain fields on a surface of sample

- Survey the sensitivity and accuracy of DIC technique for reinforcement concrete structure samples

3 Creativeness and innovativeness:

Research and apply the digital image correlation techniques to build a strain field on the surface of reinforced concrete beams The strain value from DIC technique was verified through Strain Gauge glued on beams during the experiment

4 Research results:

The model can be applied to build up strain fields on reinforced concrete structures without placing multiple Strain Gauge points for strain measurements during testing process

5 Products:

Trang 14

ISSN 0866–8762

2- A T Le, Q D Nguyen (2020), “Applying Dic Method To Build Deformation Contours For Reinforcement Concrete Beams” , The International Conference on Sustainable Civil Engineering and Architecture (ICSCEA) 2019

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- 01 national journal

- 01 paper in International Conference Proceeding

Trang 15

MỞ ĐẦU

Trường biến dạng và chuyển vị thường được xác định theo các phương xx, yy và xy Các điểm cần xác định biến dạng hoặc chuyển vị thường được đặt các Strain Gauge hay LVDT Mỗi dụng cụ đo này chỉ có thể do được chuyển vị hoặc biến dạng theo một phương nào đó

Phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số (DIC) là một kỹ thuật hiện đại được áp dụng

để xây dựng trường biến dạng của vật thể khi chịu lực Phương pháp này có thể giúp giảm được số lượng strain gauge và số đầu đo chuyển vị (LVDT) của mẫu thí nghiệm

Biến dạng thường mang các giá trị rất nhỏ mà mắt thường có thể không phân biệt được, việc áp dụng thành công phương pháp DIC để xây dựng trường biến dạng trên bề mặt mẫu bê tông cốt thép cần được thử nghiệm và nghiên cứu

Thí nghiệm dầm bê tông cốt thép chịu uốn 3 điểm đã được thực hiện và áp dụng phương pháp DIC để xây dựng trường biến dạng Dầm bê tông cốt thép thử nghiệm có hai loại cốt liệu khác nhau là đá nghiền và xỉ thép được xét đến trong nghiên cứu Các thông số của kỹ thuật DIC được kiểm chứng bằng so sánh biến dạng thực đo từ strain gauge và biến dạng xác định được từ DIC

Kết quả nguyên cứu của đề tài cho thấy tính khả thi của việc sử dụng phương pháp này cho việc xây dựng trường biến dạng và xác định các đặc trưng đặc trưng của đường nứt Kết quả nghiên cứu của đề tài là một phần của luận văn thạc sỹ của học viên Lê Quí Đức Ngoài ra, báo cáo này đã được sự giúp sức biên soạn của anh Chúng tôi trân trọng cảm ơn đóng góp của anh cho sự thành công của đề tài

Trang 16

A CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Việc áp dụng kỹ thuật DIC để xây dựng trường biến dạng cho mẫu dầm bê tông cốt thép chưa được nghiên cứu rộng rãi ở trong nước Tuy nhiên, kỹ thuật này đã được công bố trong nhiều nghiên cứu khác nhau ở nước ngoài

B CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

Vào năm 2008, các ông T Yamaguchi, S Nakamura, R Saegusa, S Hashimoto [1] đã

giới thiệu phương pháp tiếp cận dựa trên hình ảnh để phát hiện các vết nứt trên bề mặt

bê tông Các ông J Valenca, D.Dias-da-Costa, E.N.B.S Julio (2012) [2] đề xuất việc xác định tính chất của vết nứt của bê tông trong quá trình kiểm tra thí nghiệm sử dụng

xử lý hình ảnh Nhóm nghiên cứu gồm R.S Adhikari, O Moselhi, và A Bagchi (2012) [3] đề xuất một phương pháp mới để xác định thuộc tính của vết nứt bê tông dựa trên các

kỹ thuật xử lý ảnh và xác định các thông số vết nứt trong bê tông Vào năm 2013, các ông Skarzynski J Kozicki J.Tejchman [4] đã tiến hành một nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số khách quan để đo chuyển vị trên bề mặt bê tông Cùng năm 2013, các ông Ming-Hsiang Shih and Wen-Peisung [5] cũng đã tiến hành một nghiên cứu ứng dụng của phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số trong khảo sát các sự phát triển vết nứt của bê tông cốt thép Ông Huang và Xu [6] đề xuất phương pháp tự động xác định vết nứt phát triển cho mặt đường bê tông xi măng Đối với sự phát triển vết nứt dưới tải trọng lặp như tải trọng xe, ban đầu phương pháp này tìm kiếm điểm phát sinh của vết nứt và sau đó tìm kiếm và kết nối các điểm phát sinh lại với nhau tạo thành vùng phát sinh nứt Bắt đầu từ vùng phát sinh nứt, vết nứt phát triển bằng cách liên kết với các vết nứt khác (liền kề) tại một thời điểm tạo thành vùng nứt Quá trình tìm kiếm được thực hiện cho đến khi không thể tìm thấy các vết nứt phát sinh

C TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Quá trình hình thành và phát triển vết nứt của vật liệu nói chung và của dầm bê tông cốt thép nói riêng được chia thành 2 giai đoạn chính:

Trang 17

Giai đoạn hình thành vết nứt: hình thành các vùng biến dạng, vết nứt nhỏ li ti, mắt thường chúng ta không nhìn thấy được

Giai đoạn phát triển vết nứt: các vết nứt nhỏ li ti phát triển dần dần và kết nối lại với nhau hình thành vết nứt lớn hơn, quá trình này tiếp diễn cho đến khi mắt thường của chúng ta nhìn thấy được Đường nứt chính sẽ phát triển đến khi phá hủy hoàn toàn

Vùng hình thành vết nứt (gọi là FPZs) trong bê tông cốt thép được xác định thông qua các đặc trưng gồm chiều dài, chiều rông, hình dạng vùng nứt và khoảng cách của chúng Các vùng nứt này thường rất nhỏ so với kích thước mẫu, vùng FPZs thường liên quan đến tốc độ phát triển vết nứt và bước phát triển vết nứt Kích thước vùng FPZs thường phụ thuộc vào kích thước mẫu

Việc quan sát trực tiếp một quá trình nứt rất khó bởi vì kích thước vùng nứt là rất nhỏ Do đó, người ta đã sử dụng nhiều hình thức khảo sát khác nhau để kiểm soát quá trình phá hủy của bê tông cốt thép Ở quy mô phòng thí nghiệm, các phương pháp đã thực hiện bao gồm phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số (DIC), scanning, siêu âm và tia X

Tác giả Yehia (2009) [7] đã ứng dụng cơ học phá hủy để xác định khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép, dựa trên kết quả thực nghiệm Phương pháp này không mô

tả được sự khác nhau về kích thước vùng nứt khi bê tông có các thành phần hỗn hợp khác nhau

Ru (2011) [8] đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng (XFEM) để xác định vị trí hình thành và phát triển vết nứt của dầm bê tông Ông dùng mô hình phẳng cho dầm bê tông cốt thép chịu uốn 3 điểm

Ray & Kishen (2012) [9] đã đề xuất sử dụng phương pháp “scaling laws” để dự đoán sự phát triển vết nứt Mô hình này được ứng dụng để mô phỏng sự phát triển vết nứt dưới tác động của tải trong lặp

Tất cả các phương pháp nghiên cứu kể trên được xem là phương pháp thực nghiệm truyền thống Gần đây phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số (DIC) trở nên

Trang 18

phổ biến vì có tính khả thi cao, đơn giản và chi phí thấp Theo phương pháp DIC, chuyển vị được xác định bằng cách theo dõi sự thay đổi vị trí và biến dạng vùng ảnh tại các điểm ngẫu nhiên trên bề mặt thông qua các ảnh kỹ thuật số Sự sai lệch vị trí của cùng một điểm thu được ở các giai đoạn khác nhau khi chịu tải là cơ sở để xác định biến dạng Tập hợp các biến dạng có giá trị tương đồng tạo nên “contour” của vùng biến dạng với độ phân giải cao

Phân tích và xây dựng vùng biến dạng là một chủ đề quan trọng trong kỹ thuật xây dựng Nó liên quan đến khái niệm ứng suất tập trung đặc biệt là ở các vật liệu không đồng nhất

Công cụ đo biến dạng truyền thống trong suốt quá trình thí nghiệm là sử dụng các tấm đo biến dạng (strain gauge) Strain gauge có thể đo được biến dạng tại một điểm nào

đó trên mẫu thí nghiệm, phương của Strain gauge cũng là phương biến dạng đo được Để

có thể xây dựng được trường biến dạng, mẫu thí nghiệm được mô phỏng trong các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Hay nói cách khác, trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm sẽ được xây dựng khi kết hợp mô phỏng và thực nghiệm

Phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số là một kỹ thuật hiện đại Nổ lực của đề tài là về tính khả thi của việc sử dụng phương pháp này nhằm xây dựng trường biến dạng, quan sát được sự phát triển của vùng nứt (tại đầu các vết nứt) trong dầm bê tông cốt thép Từ đó có thể áp dụng phương pháp này vào trong thực tiễn

D MỤC TIÊU

Mục đích của nghiên cứu này là về sự khả thi của việc sử dụng phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số (DIC) Các bước cụ thể bao gồm:

- Phát triển một quy trình có hệ thống để xác định trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm

- Khảo sát độ nhạy và độ chính xác của các phép đo DIC đối với các thí nghiệm kết cấu

bê tông xi măng

Trang 19

E CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các bước tiếp cận sau:

-Thiết kế và thực hiện thí nghiệm trên mẫu dầm

- Đo đạc độ võng và biến dạng trên mẫu dầm trong quá trình thí nghiệm

- Lấy ảnh trong quá trình thí nghiệm

- Sử dụng kỹ thuật DIC để phân tích ảnh và xây dựng trường chuyển vị

-Khảo sát độ chính xác của phép đo DIC

Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp thực nghiệm

+ Phương pháp DIC

F ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu chỉ tập trung vào phân tích vùng biến dạng của dầm bê tông cốt thép chịu uốn ba điểm

- Chỉ xét vết nứt phát triển theo mode 1 (chịu kéo) trong dầm bê tông cốt thép

Trang 20

NỘI DUNG

Trang 21

1.1 Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số 2 chiều

Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật nhận biết hình ảnh bằng cách tương quan cục bộ 2 hình ảnh; mối quan hệ giữa hình ảnh biến dạng và không biến dạng có thể được nhận biết

Ở Hình 1.1 điểm P(x,y) sau khi gia tải chuyển trí sang điểm P*(x*,y*) sau khi biến dạng Biểu thức liên hệ giữa 2 điểm P sang P*như sau:

*

( , ) ( , )

B, hệ số tương quan (COF) được dùng để định nghĩa là mối liên hệ giữa ảnh phụ A và ảnh phụ B Khi ảnh phụ B giống hệt ảnh phụ A thì hệ số này bằng 1

∑ ∑ (2)

Trang 22

Hình 1 1: Sơ đồ vị trí hình ảnh của vùng biến dạng trước và sau khi chuyển vị

Trong đó, " gij" và" g ij" lần lượt là thang độ xám của ảnh A ở tọa độ (i,j) và ảnh

B ở tọa độ (" "i ," "j ) Tọa độ (" " i ," " j ) của ảnh B tương ứng với tọa độ (i, j) của ảnh A

1.2 Tính toán vùng biến dạng

Green–Lagrange’s tensor E được định nghĩa là:

1

1 2

T

E =   F ⊗ − F   (3) Trong đó, F là gradient tensor của vùng biến dạng và I là ma trận đơn vị E là modun đàn hồi của vật liệu của vùng biến dạng

Trang 23

Hình 1 2: Vẽ sơ đồ của hình ảnh phụ trên bề mặt

Tensor E được viết lại theo biểu thức của vùng biến dạng như sau:

i j k ∈ x y và , i

i j

u u

12

Trang 24

εvM là biến dạng tương đương; ε1 và ε3 là những biến dạng lớn nhất và nhỏ nhất

1.3 Tính toán chiều rộng vết nứt và độ dài chuyển vị (dislocation length)

Sự không liên tục của bề mặt vùng biến dạng trên bề mặt mẫu cũng có thể được xác định nhờ phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số (DIC) Chiều rộng vết nứt và khoảng cách trượt được tính toán như mô tả ở phần sau:

Hình 1.3 cho thấy các biến số của bề mặt mẫu trước và sau biến dạng, góc tính từ phương ngang đến đường nứt là θ Các điểm P, Q là 2 điểm trước khi bị nứt nằm ở 2 bên đường nứt Đoạn thẳng nối 2 điểm P, Q là vuông góc với đường nứt Vết nứt tạo ra sự dịch chuyển tương ứng của 2 khối ở 2 bên đường nứt Ở Hình 1.3, sự di chuyển tương ứng bao gồm các thành phần của sự chia cắt và chuyển vị có thể xác định dựa trên sự chuyển vị tương ứng giữa 2 điểm P và Q

Vị trí mới của P và Q lần lượt là P’ và Q’ sau khi nứt Khi cho điểm P về gần như trùng với P’, vector chuyển vị là vector '

'

wc = QQ c os ϕ

(6)

' sin

Trang 25

Biểu thức (7) cho thấy góc φ dương sẽ tạo ra 1 chuyển động ngược chiều kim đồng hồ để tách 2 khối, trong khi góc φ âm sẽ tạo ra chuyển động cùng chiều kim đồng

hồ

Bảng 2.1 tóm tắt các mô tả tương ứng với 3 trường hợp phát triển của vết nứt khác nhau, tương ứng với 3 khoảng giá trị của φ

Hình 1 3: Thay đổi về vị trí tương đối sau khi nứt xảy ra (a) trước khi nứt,(b) sau

khi nứt,(c) chuyển vị tương đối

B ảng 1.1: Mô tả ứng xử của đường nứt

TT Góc φ Vết nứt w c C huyển vị τ c Mô tả hành vi nứt

hồ mà không tách rời hoặc nứt

3 -π / 2 0 <0 Chỉ chuyển vị chiều kim đồng hồ mà

không tách rời hoặc nứt

1.4 Công cụ hỗ trợ

Kỹ thuật DIC được hỗ trợ bởi một chương trình mã nguồn mở NCORR là một chương trình mã nguồn mở dùng để phân tích ảnh 2D, tương thích với MATLAB Các

Trang 26

thuật toán chuyên sâu tính toán được tối ưu hóa thông qua việc sử dụng C++ / MEX GUI (Graphical User Interface) được viết chủ yếu dựa trên m-code

Sử dụng phiên bản “ncorr_v1_2_1” để thực hiện xử lý hình ảnh, xác định ứng xuất và biến dạng “Ncorr_post_v1_2” được sử dụng để xác định chiều dài, chiều rộng, vùng biến dạng, bề rộng, và vẽ các biểu đồ thông số của một vết nứt bất kỳ

“Ncorr_post_CSTool” dùng để vẽ các biểu đồ ứng xuất Kết quả có thể được lưu thành file hình ảnh dưới dạng file jpg, tex, avi Hình 1.4 đến 1.6 là các hình ảnh minh họa của công cụ NCORR

Hình 1 4: Biểu đồ ứng suất và chuyển vị vết nứt qua mặt cắt ngang

Tương ứng với một mặt cắt ngang theo phương xx, Hình 1.4a thể hiện biến dạng

xx phân bố theo phương x Hình 1.4b biểu thị biến dạng yy phân bố theo phương x Hình 1.4c biểu thị biến dạng theo phương xy (biến dạng tổng hợp của hai biến dạng theo phương xx và phương yy) phân bố theo phương x Hình 1.4d biểu thị chuyển vị ngang (phương x) dọc theo đường cắt Hình 1.4e biểu thị chuyển vị đứng (phương y) dọc theo đường cắt

Trang 27

Hình 1 5: Biểu đồ ứng suất và chuyển vị vết nứt qua mặt cắt dọc

Tương ứng với một mặt cắt đứng theo phương yy, Hình 1.5a thể hiện biến dạng

xx phân bố theo phương y Hình 1.5b biểu thị biến dạng yy phân bố theo phương y Hình 1.5c biểu thị biến dạng theo phương xy phân bố theo phương y Hình 1.5d biểu thị chuyển vị ngang (phương x) dọc theo đường cắt Hình 1.4e biểu thị chuyển vị đứng (phương y) dọc theo đường cắt

Trang 28

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM DẦM BTCT

2.1 Nguyên liệu sử dụng

Thành phần nguyên vật liệu chế tạo bê tông xỉ thép tái chế tương tự như nguyên vật liệu chế tạo bê tông thông thường Nguyên liệu sử dụng bao gồm xỉ thép, đá, cát, xi măng và nước

Dầm thí nghiệm có các kích thước, rộng 200mm, cao 300mm, dài 3300mm Thép

bố trí là loại thép AII Các loại đường kính thép sử dụng gồm φ12, φ14, φ16 và φ6 Mỗi

tổ mẫu thí nghiệm gồm 03 dầm

2.2 Cốt liệu xỉ thép

Xỉ thép nghiên cứu trong đề tài này được lấy từ KCN Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Xỉ thép có tính chất khá tương đồng với loại xỉ thép đã

và đang được sử dụng trên thế giới

Xỉ thép sau khi thu thập về phòng được thí nghiệm xác định các tính chất cơ bản như thành phần hóa, khối lượng riêng, khối lượng thể tích, cường độ nén dập xi lanh và khả năng thải các kim loại nặng ra ngoài môi trường trong quá trình sử dụng Các tính chất cơ lý của xỉ thép được tổng hợp thể hiện ở Bảng 2.1, Bảng 2.2 Thành phần cấp phối hạt đưa vào bê tông được thể hiện ở Hình 2.2

Hình 2 1: Xỉ thép thay cốt liệu thô tự nhiên

Trang 29

B ảng 2.1:Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN STT Tên chỉ tiêu

thử nghiệm Đơn vị Phương pháp thử Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3

Trung bình

Sáng hơn màu chuẩn

7572-9 Thành phần

Trang 30

B ảng 2.2: Kết quả thí nghiệm cơ lý xỉ thép Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp

thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm

Khối lượng riêng TCVN 7572-4:2006 3.56 g/cm3 Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 3.32 g/cm3 Khối lượng thể tích ở trạng tháibảo hoà TCVN 7572-4:2006 3.39 g/cm3

Trang 31

Hình 2.3 là hình đá sử dụng khi chế tạo mẫu thí nghiệm; Bảng 2.3 tóm tắt các chỉ tiêu cơ lý của đá Cấp phối hạt của đá dăm lấy tương tự cấp phối hạt của xỉ thép (Hình 2.4)

Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2.61 g/cm3

Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo hoà TCVN 7572-4:2006 2.67 g/cm3

Khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6:2006 1415 kg/m3

Trang 32

Hình 2.4: Biểu đồ thành phần hạt của đá sử dụng

2.4 Cốt liệu mịn (cát vàng)

Cát vàng được sử dụng là cát sông, rửa sạch, phơi khô, sàng lọc bớt hàm lượng hạt nhỏ, phù hợp với TCVN 6227:1996, các thành phần hạt và độ sạch của cát phải thoả mãn theo TCVN 1770-1986

Hình 2.5: Cát vàng

Trang 33

Hình 2.5 là hình cát sử dụng khi chế tạo mẫu thí nghiệm; Bảng 2.4 tóm tắt các chỉ tiêu cơ lý của cát Cấp phối hạt của cát đưa vào hỗn hợp bê tông lấy theo qui định của tiêu chuẩn TCVN 7572-2:2006 (Hình 2.6)

B ảng 2.4: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng

nghiệm

Kết quả thí nghiệm

Khối lượng thể tích ở trạng thái khô TCVN 7572-4:2006 2.43 g/cm3

Khối lượng thể tích ở trạng thái bảo

Trang 34

2.5 Nước

Nước để chế tạo bê tông phải đảm bảo chất lượng tốt, không gây ảnh hưởng đến thời gian đông kết và rắn chắc của xi măng và không gây ăn mòn cho cốt thép Nước được sử dụng là nước sinh hoạt Hàm lượng các tạp chất phải thoả mãn TCVN 4506-

Độ dẻo tiêu chuẩn (N/X) (%) TCVN 6017:1995 29.0

+ Bắt đầu (phút) 145

+ Kết thúc (phút) 204

Khối lượng riêng (g/cm3) TCVN 4030:2003 3.01

Độ ổn định thể tích (mm) TCVN 6017:1995 5.90

Trang 35

+ Phần còn sót lại trên sàng 0.09 (%) 1.74

2.7.T hiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép

Tương tự bê tông thông thường, việc thiết kế hỗn hợp bê tông xỉ thép dựa vào các chỉ tiêu đặc trưng của nó như cường độ, tính công tác Trong bê tông xỉ, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng bao gồm tỷ lệ nước và chất kết dính, nhiệt độ, thời gian dưỡng hộ,

độ hút nước,

Các tỉ lệ thành phần bê tông đối với bê tông đá, xỉ rất đa dạng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức cường độ yêu cầu theo tuổi bê tông (thời điểm kiểm tra), các tính

chất của vật liệu và kiểu ứng dụng

Thực nghiệm được tiến hành trên 03 cấp phối khác nhau Tên gọi các cấp phối lần lượt là CPĐ1, CPĐ2, và CPX1 Tỷ lệ phối trộn các thành phần được tóm tắt ở Bảng 2.6 Mác thiết kế được kiểm định thông qua việc nén các mẫu khối vuông

Cấp phối CPĐ1 được sử dụng để đúc 3 mẫu dầm Đ1-1, Đ1-2 , Đ1-3 trong đó cốt liệu được phối trộn với các tỷ lệ thành phần hạt cát và đá đã qua sàng phù hợp với biểu

Trang 36

B ảng 2.6: Bảng cấp phối bê tông xỉ và đá tự nhiên (1m3)

(kg)

Cát (kg)

Xỉ/Đá (kg)

N (lít) N/X

Phụ gia (ml)

Ghi chú

CPĐ1 375 591.5 1364.4 180 0.45 3.0 Bê tông cốt liệu đá B22.5 CPĐ2 281 638.1 1394.1 180 0.45 3.0 Bê tông cốt liệu đá B15 CPX1 360.0 591.5 1664.4 162 0.45 2.9 Bê tông cốt liệu xỉ thép

B22.5

Trang 37

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM CẤU KIỆN DẦM

3.1 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm với mục đích thu thập dữ liệu hình ảnh, sử dụng phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số để đo đạc bề rộng, chiều dài vết nứt và kiểm tra vùng biến dạng tại đầu vết nứt khi vết nứt phát triển (FPZs)

So sánh với kết quả đo đạc từ strain gauge và phương pháp DIC Khảo sát ứng xử

bề mặt và khả năng chịu lực của các cấu kiện dầm bê tông cốt thép khi chịu tải trọng

3.2 Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gauge (cảm biến điện trở dây)

Strain gauge dùng để đo biến dạng của bề mặt cấu kiện Strain gauge là cảm biến

có cấu tạo rất mỏng (Hình 3.1) Nó có thể được gọi với nhiều tên khác nhau như cảm biến điện trở dây, cảm biến điện trở biến dạng, cảm biến lá đo, cảm biến sức căng

Hình 3.1: Strain gauge

Strain gauge được dán chặt lên bề mặt các cấu kiện cần đo đạc biến dạng Căn cứ vào sự thay đổi điện trở, liên quan đến độ giãn dài, của các dây bên trong strain gauge, thiết bị có thể tính toán được biến dạng bề mặt của cấu kiện so với trạng thái ban đầu

Mục đích đặt Strain Gauge là dung để kiểm chứng độ chính xác của một phương pháp đo biến dạng khác, phương pháp DIC Trong thí nghiệm này, ta dùng Strain Gauge đặt ở vị trí giữa dầm và cách mép trên dầm 100mm Vị trí Strain Gauge được chọn sao cho trong quá trình thí nghiệm vết nứt phát triển từ thớ chịu kéo của dầm không ảnh

Trang 38

hưởng đến biến dạng trên bề mặt dầm, tại vị trí dán Strain Gauge Ngoài ra, Strain Gauge cũng không sát đỉnh dầm, tránh sự phá hoại ép cục bộ tại vị trí đặt tải

Đo độ võng dầm bằng dụng cụ LVDT

LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) được dùng để đo độ võng của cấu kiện dưới tác động của tải trọng tĩnh hay động Để thu được kết quả chính xác và tốt nhất, đầu tiên là phải xác định chính xác mặt phẳng chuẩn Đế và mặt chuẩn không được

di chuyển, không bị tác động bên ngoài, trong suốt quá trình thử nghiệm Chuyển vị đi xuống của đầu đo là độ võng của dầm

Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị

Trong thí nghiệm này, ta dùng 2 LVDT để đo độ võng của dầm Cả hai LVDT đều được đặt ở giữa dầm Hai điểm đo đặt cách nhau 50cm, theo phương vuông góc với trục dọc của dầm

Máy ảnh kỹ thuật số

Trong quá trình uốn dầm, ta sử dụng máy ảnh kỹ thuật số Cannon EOS 7D độ phân giải 5184 x 3456, có chân máy cố định, đặt vuông góc với khu vực trung tâm chính diện của dầm Máy được đặt cách khoảng 1m đến bề mặt dầm bê tông Ảnh được thu thập trong từng giai đoạn gia tải

Trang 39

Hình 2 10: Máy ảnh Cannon EOS 7D

Khung uốn có khả năng chịu được lực uốn là 50 tấn Khung uốn được đặt tại phòng thí nghiệm kết cấu công trình, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP HCM

Hình 2.11: Khung uốn cấu kiện

Dụng cụ đồng bộ lực, chuyển vị và biến dạng (Datalogger)

Dữ liệu thu được trong quá trình thử nghiệm bao gồm: giá trị lực uốn, độ võng của dầm và biến dạng Dữ liệu này được ghi lại và đồng bộ hóa theo thời gian bằng một thiết bị gọi là Datalogger Tất cả các kết quả có thể được xuất thành tập tin, với một số

Trang 40

định dạng khác nhau Hình 2.12 là hình của Datalogger sử dụng trong quá trình thí nghiệm

Hình 2.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm

Hình 2.13 Gia công cốt thép và ván khuôn

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	10,84 MB