Phân Tích Trường Biến Dạng Dầm Bê Tông Cốt Thép Chịu Uốn Bằng Phương Pháp Tương Quan Ảnh Kỹ Thuật Số.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

/81 917+&6
/ầ48ộ&


3+ặ17ậ&+751*%,1'1*7521*'0
%ầ7é1*&77+e3&+881%1* 

3+1*3+ẩ371*48$11+.7+876





1*ơ1+.7+87;ặ<'1*&é1*75ẻ1+'ặ1'1*
9ơ&é1*1*+,3

SKC007470

Tp. H Chớ Minh, tháng 


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN

: LÊ QUÝ ĐỨC

MÃ SỐ HỌC VIÊN

: 1680812

PHÂN TÍCH TRƢỜNG BIẾN DẠNG TRONG DẦM
BÊ TƠNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BẰNG
PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG QUAN ẢNH KỸ THUẬT SỐ

NGÁNH:KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD &CN
Hƣớng dẫn khoa học:

TS. LÊ ANH THẮNG

TP. Hồ Chí Minh, tháng 9/ 2017








LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: LÊ QUÝ ĐỨC

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 28/07/1974

Nơi sinh: Gia Lai

Quê quán: Nhơn Mỹ - An Nhơn - Bình Định

Dân tộc: Kinh.

Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giám đốc công ty CP
QL&SCĐB Gia Lai.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 32A Phạm Văn Đồng - TP. Pleiku - Gia Lai.
Điện thoại cơ quan: 0269.3824528

Điện thoại nhà riêng:

Fax: 0269.3744222

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Mở rộng

Thời gian đào tạo từ: Tháng 9/1992 đến 01/1998.

Nơi học: Trƣờng Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.

Ngành học: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp.
Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế trụ sở làm việc sở tài nguyên môi trƣờng Quảng Nam
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Trƣờng Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Bình.
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ tháng

/2016 đến 10/2017.

Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP.HCM.
Ngành học: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp.
Tên luận văn: Phân tích trƣờng biến dạng trong dầm bê tơng cốt thép chịu uốn bằng
phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 22/10/2017 tại Trƣờng Cao đẳng nghề Gia Lai.
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Lê Anh Thắng.
3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh B1.
i


4. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
III. Q TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

03/1998 –

Công ty cổ phần quản lý và sửa chữa

8/2002
08/2002 –
8/2012
Từ tháng
08/2012 đến nay

đƣờng bộ Gia Lai
Công ty cổ phần quản lý và sửa chữa
đƣờng bộ Gia Lai
Công ty cổ phần quản lý và sửa chữa
đƣờng bộ Gia Lai

Công việc đảm nhiệm
Cán bộ kỹ thuật
Đội trƣởng thi công
Giám đốc điều hành

IV. CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ:
Ngày 21 tháng 11 năm 2017
Ngƣời khai ký tên

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “PHÂN TÍCH TRƢỜNG BIẾN
DẠNG TRONG DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BẰNG PHƢƠNG

PHÁP TƢƠNG QUAN ẢNH KỸ THUẬT SỐ” là cơng trình nghiên cứu của cá
nhân tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 09 năm 2017

Ngƣời thực hiện luận văn

LÊ QUÝ ĐỨC

iii


LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học sƣ phạm Thành phố
Hồ Chí Minh, Em đã đƣợc học tập và nghiên cứu trong môi trƣờng hiện đại, đầy đủ
tiện nghi; đƣợc các Thầy cô nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý
báu. Những kiến thức đó giúp em vận dụng vào cuộc sống, cơng việc của mình,
đồng thời nó cũng khơng thể thiếu để giúp Em hoàn thành Luận văn.Em xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc đến Nhà trƣờng và tất cả quý Thầy cô.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn Luận văn, Thầy TS. Lê
Anh Thắng, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ cho em những kiến thức sâu rộng
trong suốt quá trình thực hiện Luận văn. Sự quan tâm chỉ bảo và hƣớng dẫn thƣờng
xuyên của các Thầy là động lực rất lớn giúp Em hoàn thành tốt Luận văn.
Xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp - những ngƣời đã không
ngừng động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho Em trong suốt quá trình
học tập và thực hiện hồn thành Luận văn của mình.
Do thời gian thực hiện đề tài khơng nhiều và trình độ có hạn, mặc dù đã hết

sức cố gắng nhƣng trong luận văn không tránh khỏi những hạn chế nhất định, rất
mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cơ giáo cùng các bạn để luận
văn hồn thiên hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 09 năm 2017

Ngƣời thực hiện luận văn

LÊ QUÝ ĐỨC

iv


TĨM TẮT
ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH TRƢỜNG BIẾN DẠNG
TRONG DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP CHỊU UỐN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG QUAN ẢNH KỸ THUẬT SỐ
Phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số (DIC) là một kỹ thuật hiện đại để
xây dựng trƣờng biến dạng của vật thể chịu lực.Trƣờng biến dạng và chuyển vị bao
gồm biến dạng và chuyển vị theo các phƣơng xx, yy và xy. Thí nghiệm dầm bê tơng
cốt thép chịu uốn 3 điểm đƣợc chọn để áp dụng phƣơng pháp DIC. Bê tông cốt thép
với cốt liệu là đá và xỉ đƣợc xét đến trong luận văn. Ban đầu các thông số của kỹ
thuật DIC đƣợc kiểm chứng bằng so sánh biến dạng thực đo và biến dạng xác định
đƣợc từ DIC. Sau đó, kết hợp kết quả phân tích thí nghiệm uốn dầm bằng phƣơng
pháp phần tử hữu hạn và DIC để xây dựng mối liên hệ giữa lực gây nứt và các đặc
trƣng cơ bản của cơ học phá hủy cho dầm bê tông cốt thép.Kết quả nguyên cứu của
đề tài cho thấy tính khả thi của việc sử dụng phƣơng pháp này cho việc xây dựng

trƣờng biến dạng và xác định các đặc trƣng cơ học phá hủy của vật liệu.

v


ABSTRACT
RESEARCH TOPIC
ANALYSE THE DISPLACEMENT FIELDS IN REINFORCED CONCRETE
UNDER THREE POINTS BENDING USING THE DIGITAL IMAGE
CORRELATION (DIC) TECHNIQUE
The digital image correlation (DIC) technique is a modern method to establish
the displacement fields of the load bearing object. The deformation and
displacements contain deformation and displacements in the xx, yy and xy
directions. The reinforced concrete beam under three points bending experiment
was chosen to apply DIC technique. Reinforced concrete is the material with the
aggregates are rock and cinder was used in this experiment. Originally, the DIC
parameters were verified by comparing deformation results from physical
measurement and DIC technique. Then, combining the analyzed results of the three
point bending experiment by finite element method and DIC to establish the
relationship between the cracking stress and the characteristics of fracture mechanic
for reinforced concrete beams. The result of this research showed the feasibility of
applying this technique to establish the displacement fields and determine the
characteristics of fracture mechanic of the material.

vi


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................1
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu: .............................................................1

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc: ..................................................3

1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nƣớc: ..........................................................3

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc ...........................................................3

1.3.

Mục tiêu đề tài nghiên cứu ............................................................................4

1.4.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài .......................................................................4

1.5.

Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài .....................................................................4

CHƢƠNG 2 ................................................................................................................6
2.1.

Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số .....................6

2.1.1.

Lý thuyết về biến dạng và chiều rộng vết nứt: .......................................6

2.3 Xác định năng lƣợng phá hủy phát triển vết nứt (G): ..................................12
CHƢƠNG 3 ..............................................................................................................14
3.1

Nguyên liệu sử dụng ....................................................................................14

3.1.1

Cốt liệu xỉ thép ......................................................................................14

3.1.2

Cốt liệu lớn (đá dăm) ............................................................................16

3.1.3

Cốt liệu mịn (cát vàng) .........................................................................18

3.1.4

Nƣớc......................................................................................................19

3.1.5

Xi măng .................................................................................................19

3.2

Quy chuẩn thiết kế cấp phối bê tông đá và xỉ thép......................................20

3.3

Thí nghiệm cấu kiện dầm ............................................................................21

3.3.1

Mục đích thí nghiệm .............................................................................21

3.3.2

Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm ........................................................21

3.3.3

Cơng tác chuẩn bị .................................................................................25

3.3.4

Trình tự thí nghiệm ...............................................................................25

3.3.5

Kiểm tra mẫu thử ..................................................................................26

CHƢƠNG 4 ..............................................................................................................28
4.1.

Xác định độ phân giải ..................................................................................28
vii


4.1.1.

Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 và B22.5 ........................................28

4.1.2.

Dầm bê tông cốt thép xỉ ........................................................................32

4.2.

Xác định chiếu dài và bề rộng vết nứt .........................................................35

4.2.1.

Dầm bê tông cốt thép thƣờng B15 & B22.5 .........................................36

4.2.2.

Dầm bê tông cốt thép xỉ: .......................................................................48

CHƢƠNG 5 ..............................................................................................................57
5.1.

Các bƣớc mơ hình hóa trên phần mền ABAQUS. ......................................57

5.1.1.

Xây dựng cấu kiện. ...............................................................................57

5.1.2.

Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt. ............................................62

5.1.3.

Định nghĩa lắp ghép cấu kiện. ..............................................................66

5.1.4.

Định nghĩa gán buộc. ............................................................................68

5.1.5.

Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên..................................................70

5.1.6.

Chia lƣới cho cấu kiện dầm. .................................................................72

5.1.7.

Thiết lập các bƣớc phân tích. ................................................................74

5.2.

Thơng số tính tốn cho mơ hình. .................................................................75

5.2.1.

Mơ hình vật liệu bê tơng. ......................................................................75

5.2.2.

Mơ hình vật liệu thép. ...........................................................................76

5.2.3.

Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử. .......................................77

5.3.

Kết quả mô phỏng dầm BTCT đá và dầm bê tông cốt thép xỉ: ...................78

5.3.1.

Dầm bê tông cốt thép B15 và B22.5: ....................................................78

5.3.2.

Dầm bê tông cốt thép xỉ: .......................................................................83

5.4.

Kết luận........................................................................................................84

5.5.

Hƣớng nghiên cứu tiếp theo. .......................................................................84

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Tính chất cơ lý của xỉ thép Phú Mỹ 1 theo TCVN ...................................15
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm cơ lý xỉ thép ..............................................................16
Bảng 3.3: Các chỉ tiêu cơ lý của đá sử dụng .............................................................17
Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của cát sử dụng ............................................................18
Bảng 3.5: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng sử dụng ....................................................20
Bảng 3.6: Bảng cấp phối bê tông xỉ và đá tự nhiên (1m3) ........................................21
Bảng 4.1: Kết quả tổng hợp số liệu vùng biến dạng dầm B22.5 ..............................30
Bảng 4.2: Kết quả tổng hợp sớ liệu vùng biến dạng dầm xỉ .....................................34
Bảng 4.3: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rộng vết nứt dầm BTCT B22.5.............40
Bảng 4.4: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rộng vết nứt dầm BTCT B15................44
Bảng 4.5: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm B15 .............................................46
Bảng 4.6: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm B22.5 ..........................................46
Bảng 4.7: Tổng hợp số liệu tải trọng và bề rông vết nứt dầm xỉ ..............................50
Bảng 4.8: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm xỉ .................................................54
Bảng 5.1: Thông số đặc trƣng của bê tông thƣờng và bê tông xỉ. ............................75
Bảng 5.2: Thông số miền chịu nén của mơ hình Hsu-Hsu. .....................................75
Bảng 5.3: Thơng số miền chịu kéo của mơ hình Hsu-Hsu. ......................................76
Bảng 5.4: Thơng số đặc trƣng của cốt thép. ..............................................................76
Bảng 5.5: Thông số đặc trƣng của mơ hình IEPL. ...................................................77

Bảng 5.6: Loại phần tử mơ phỏng dầm. ...................................................................77
Bảng 5.7: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo mơ hình. ................................................78
Bảng 5.8: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm B15 .............................................80
Bảng 5.9: Tổng hợp số liệu thông số cơ học dầm B22.5 .......................................... 80

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Xác định ơ lƣới vùng khảo sát ....................................................................5
Hình 2.1: Sơ đồ vị trí hình ảnh của vùng biến dạng trƣớc và sau khi chuyển vị ........7
Hình 2.2: Vẽ sơ đồ của hình ảnh phụ trên bề mặt .......................................................8
Hình 2.3: Thay đổi về vị trí tƣơng đối sau khi nứt xảy ra.........................................10
Hình 2.4: Biểu đồ ứng suất và chuyển vị vết nứt qua mặt cắt ngang .......................11
Hình2.5: Biểu đồ ứng suất và chuyển vị vết nứt qua mặt cắt dọc ............................12
Hình 2.6: Hình minh họa vị trí vùng năng lƣơng phá hủy ........................................13
Hình3.1: Xỉ thép thay cốt liệu thơ tự nhiên ...............................................................14
Hình3.2: Biểu đồ thành phần hạt của xỉ thép sử dụng ..............................................16
Hình 3.3: Đá dăm tự nhiên ........................................................................................17
Hình 3.4: Biểu đồ thành phần hạt của đá sử dụng ....................................................17
Hình 3.5: Cát vàng ....................................................................................................18
Hình 3.6: Biểu đồ thành phần hạt cát sử dụng ..........................................................19
Hình 3.7: Xi măng .....................................................................................................19
Hình 3.8: Strain gauge...............................................................................................22
Hình 3.9: Thiết bị đo chuyển vị ................................................................................23
Hình 3.10: Máy ảnh Cannon EOS 7D .......................................................................23
Hình 3.11: Máy uốn cấu kiện ....................................................................................24
Hình 3.12: Máy ghi số liệu thực nghiệm...................................................................24
Hình 3.13. Gia cơng cốt thép và ván khn ..............................................................25
Hình 3.14. Q trình trộn bê tơng .............................................................................25

Hình 3.15. Cơng tác đầm dùi ....................................................................................26
Hình 3.16. Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm ..........................................................26
Hình 3.17. Thiết kế dầm tính tốn ............................................................................27
Hình 4.1: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 ở cấp tải P=89,94KN: ...................29
Hình 4.2: So sánh biến dạng dầm BTCT B22.5 ở cấp tải P=93,28KN: ...................29
x


Hình 4.3: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=52.58KN: ......................31
Hình 4.4: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=72.25KN: ......................31
Hình 4.5: So sánh biến dạng dầm BTCT B15 ở cấp tải P=75.46KN: ......................32
Hình 4.6: Kết quả biến dạng tại vị trí đặt Strain gauge .............................................34
Hình 4.7: Quá trình phát triển vết nứt dầm bê tơng cốt thép B22.5 theo từng cấp tải
trọng. .........................................................................................................................37
Hình 4.8: Q trình phát triển vết nứt dầm bê tơng cốt thép B15 theo từng cấp tải
trọng. .........................................................................................................................39
Hình 4.9: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) ....................................41
Hình 4.10: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1 .........................41
Hình 4.11: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2 .........................42
Hình 4.12: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 3-3 .........................42
Hình 4.13: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 4-4 .........................43
Hình 4.14: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 5-5 .........................43
Hình 4.15: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1 .........................44
Hình 4.16: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2 .........................45
Hình 4.17: Biểu đồ giữa cấp tải trọng (P) và chiều dài vết nứt (Lc).........................46
Hình 4.18: Biểu đồ giữa chiều rộng (Wc) và chiều dài vết nứt (Lc) .........................47
Hình 4.19: Quá trình phát triển vết nứt .....................................................................49
Hình 4.20: Mặt cắt xác định vị trí phát triển vết nứt (CTOD) ..................................51
Hình 4.21: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1 .........................51
Hình 4.22: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2 .........................52

Hình 4.23: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 3-3 .........................53
Hình 4.24: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 4-4 .........................53
Hình 4.25: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 5-5 .........................54
Hình 4.26: Biểu đồ giữa cấp tải trọng (P) và chiều dài vết nứt (Lc).........................55
Hình 4.27: Biểu đồ giữa chiều rộng (Wc) và chiều dài vết nứt (Lc) .........................56

xi


Hình 5.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus. .............................................................58
Hình 5.2: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng. ..........................................58
Hình 5.3: Kích thƣớc mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng. .......................59
Hình 5.4: Cửa số Edit Base Extrusion. .....................................................................59
Hình 5.5: Mơ hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tơng. ............................................59
Hình 5.6: Mơ hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép..........................................60
Hình 5.7: Mơ hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép. ..........................................60
Hình 5.8: Mơ hình hình học hai chiều của cốt đai. ...................................................61
Hình 5.9: Mơ hình hình học ba chiều của cốt đai. ....................................................61
Hình 5.10: Mơ hình hình học hai chiều của cốt thép dọc. ........................................62
Hình 5.12: Xác định thơng số vật liệu bê tơng..........................................................63
Hình 5.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tơng. .................................64
Hình 5.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép. ................................65
Hình 5.15: Lựa đối tƣợng gán mặt cắt. .....................................................................65
Hình 5.16: Cửa sổ Edit Section Assignment. ............................................................65
Hình 5.17: Cửa sổ Create Instance. ...........................................................................66
Hình 5.18: Cửa sổ sau khi hồn thành việc lắp ghép bê tơng và đệm thép. .............67
Hình 5.19: Hồn thành việc lắp ghép các đối tƣợng. ................................................68
Hình 5.20: Mơ hình sau khi chia khối các đối tƣợng. ...............................................68
Hình 5.21: Gán buộc giữa cốt thép và bê tơng. .........................................................69
Hình 5.22: Gán buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tơng...........................................69

Hình 5.23: Gán buộc giữa tấm thép và dầm bê tơng.................................................70
Hình 5.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition. ...........................................................72
Hình 5.25: Cửa sổ Global Seeds. ..............................................................................73
Hình 5.26: Mơ hình thiết lập chia lƣới. .....................................................................73
Hình 5.27: Thơng báo về chia lƣới. ..........................................................................74
Hình 5.28: Mạng lƣới phần tử hữu hạn dầm bê tông. ...............................................74
xii


Hình 5.29: Cửa sổ Edit Step. .....................................................................................74
Hình 5.30: Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị...................................................79
Hình 5.31: Biểu đồ giữa lực kéo (Q) và Năng lƣợng phá hủy (G) ...........................81
Hình 5.32: Biểu đồ giữa lực (Q) và CMOD dầm BTCT B15 và B22.5 ..................82
Hình 5.33: Biểu đồ giữa tái trọng (P) và CMOD dầm BTCT B15 và B22.5 ...........82

xiii


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu:
Bƣớc sang thế kỷ 21, nền kinh tế ngày càng phát triển mạnh, tốc độ đơ thị

hóa tăng nhanh, dân số ngày càng đông dẫn đến nhu cầu về nhà ở, trụ sở làm việc
và các cơng trình cơng cộng trở thành vấn đề bức xúc cho các đô thị trên thế giới
Giải pháp xây dựng các nhà cao tầng là biện pháp hữu hiệu nhất để giải
quyết các vấn đề về tăng dân số cũng nhƣ các nhu cầu khác của các đô thị. Trong

nhiều năm trở lại đây, hàng loạt các cơng trình nhà cao tầng với quy mơ và chiều
cao lớn đã đƣợc đƣa vào xây dựng và sử dụng tại Việt Nam và trên thế giới, nhà cao
tầng cũng phát triển từ rất sớm với tốc độ rất nhanh. Tùy theo cơng năng và mục
đích sử dụng, mỗi cơng trình có thể áp dụng các loại hệ kết cấu khác nhau cho phù
hợp.
Dầm là một bộ phận kết cấu có vai trị nhất định khi tham gia làm việc cùng
hệ kết cấu cơng trình nhà cao tầng và các cầu vƣợt biển, sông lớn. Mỗi loại hệ dầm
có khả năng thích ứng riêng của nó với từng thể loại cơng trình khác nhau. Trong
q trình khai thác và sử dụng cơng trình khơng tránh khỏi sự lão hóa và xuống cấp
theo thời gian, nhu cầu sửa chữa bảo dƣỡng dầm và các kết cấu bê tông cốt thép
(BTCT) đảm bảo chúng hoạt động trong trạng thái bình thƣờng, tránh gặp sự cố xảy
ra khi không phát hiện đƣợc vết nứt trên hệ thống dầm. Điều này đòi hỏi phải lập
nên các mức độ can thiệp phù hợp trong việc duy trì tuổi thọ của cơng trình.
Q trình phá hủy hồn tồn của dầm bê tơng cốt thép đƣợc chia thành 2 giai
đoạn chính:
Giai đoạn hình thành vết nứt: Hình thành vùng biến dạng ban đầu vết nứt
nhỏ li ti mắt thƣờng chúng ta khơng nhìn thấy đƣợc.
Giai đoạn phát triển vết nứt: Các vết nứt nhỏ li ti phát triển dần dần nối lại
với nhau hình thành vết nứt lớn, bằng mắt thƣờng của chúng ta nhìn thấy đƣợc và
tới khi phá hủy hoàn toàn.
1


Vùng hình thành vết nứt (gọi là FPZs) trong bê tơng cốt thép ( bao gồm chiều
dài, chiều rơng, hình dạng và khoảng cách của chúng) quá nhỏ so với kích thƣớc
mẫu, khơng bỏ qua đƣợc vùng FPZs vì nó liên quan đến mức độ an toàn của kết cấu
bê tơng cốt thép trong q trình sử dụng, dự đốn vùng FPZs phụ thuộc vào kích
thƣớc mẫu.
Việc quan sát trực tiếp một q trình nứt rất khó bởi vì kích thƣớc vùng nứt
là rất nhỏ. Do đó, ngƣời ta đã sử dụng nhiều hình thức khảo sát khác nhau để kiểm

sốt q trình phá hủy của bê tơng cốt thép ở quy mơ phịng thí nghiệm nhƣ phƣơng
pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số (DIC), scanning, siêu âm và tia X. Yehia (2009)
ứng dụng cơ học phá hoại để mô phỏng sức bền của dầm bê tông cốt thép dựa trên
kết quả thực nghiệm, nhƣng phƣơng pháp này không thể mơ tả chính xác sự khác
nhau của biến dạng gây ra bởi ứng suất. Ru (2011) đã ứng dụng phƣơng pháp
nguyên tố giới hạn mở rộng, để phân tích vị trí của vết nứt hình thành trên chiều mà
vết nứt lan truyền của dầm bê tông phẳng chịu tải uốn 3 điểm. Ray & Kishen (2012)
đã đề xuất nguyên lý cơ bản của phân tích thứ nguyên và tự đồng dạng để tránh các
tính chất kinh nghiệm của mơ hình phân tích, mơ hình này đƣợc ứng dụng để so
sánh với thí nghiệm thực nghiệm dầm chịu tải uốn 3 điểm và các mẫu ứng suất nén.
Tất cả các phƣơng pháp kiểm tra của nghiên cứu trên đã theo phƣơng pháp thực
nghiệm truyền thống. Gần đây phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số (DIC) trở
nên phổ biến nhất vì tính khả thi, đơn giản và chi phí thấp. Theo phƣơng pháp DIC
sự chuyển vị trên bề mặt một cấu kiện đƣợc xác định bằng cách theo dõi sự thay đổi
vị trí ngẫu nhiên trên bề mặt. Các hình ảnh kỹ thuật số thu đƣợc ở các giai đoạn
chịu tải khác nhau đƣợc sử dụng để xác định biến dạng. Phƣơng pháp này có thể
đƣợc dùng để xây dựng trƣờng biến dạng và xác định kích thƣớc vết nứt. Đây là hai
thơng số quan trọng để ƣớc tính khả năng chịu lực và độ bền của các cấu kiện.
Trƣờng biến dạng có nhiều ứng dụng trong các nghiên cứu về vật liệu và cơ
học phá hủy. Xây dựng vùng biến dạng là một chủ đề trong ngành kỹ thuật xây
dựng. Nó liên quan đến khái niệm ựng suất tập trung. Đặc biệt là ở các vật liệu
không đồng nhất.

2


Phƣơng pháp truyền thống để đo đạc biến dạng gồm 2 loại : Phƣơng pháp sử
dụng 1 máy đo cảm biến (strain gauge) để đo biến dạng của 1 mặt cắt tại vị trí khảo
sát, hoặc sử dụng một máy đo chuyển vị LVDT (Linear Variable Displacement
Transducer) để đo đạc sự dịch chuyển của 2 điểm sau đó quy đổi các kết quả đo về

một giá trị trung bình và phƣơng pháp tạo các lƣới tọa độ của mẫu đo trƣớc khi làm
biến dạng và đo sự chuyển vị của các lƣới khác nhau sau khi làm biến dạng mẫu để
tính tốn vùng ứng suất của mỗi mạng lƣới. Phƣơng pháp sử dụng 1 máy đo ứng
biến có bất cập là khơng thể dùng để tính ứng suất của 1 vùng, trong khi phƣơng
pháp tạo các lƣới tọa độ của mẫu đo trƣớc khi biến dạng và chuyển vị của các lƣới
khác nhau sau khi làm biến dạng mẫu để tính tốn vùng ứng suất của mỗi mạng lƣới
thì q chậm và mất thời gian. Do đó, các phƣơng pháp truyền thống không thể đáp
ứng nhu cầu của chúng ta để thực hiện phân tich sự phân bố ứng suất.
Phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số là một kỹ thuật hiện đại, trong
nguyên cứu của đề tài, tính khả thi của việc sử dụng phƣơng pháp này để quan sát
sự phát triển của các vết nứt trong dầm bê tơng cốt thép, từ đó có thể áp dụng
phƣơng pháp này vào trong thực tiễn. Phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật số đã
và đang đƣợc ứng dụng trong việc phân tích các vùng biến dạng hay chuyển vị bề
mặt.
Mục đích của nghiên cứu này là sự khả thi của việc sử dụng phƣơng pháp
tƣơng quan ảnh kỹ thuật số (DIC) để quan sát sự phát triển và đo đạc kích thƣớc,
hình dạng của vết nứt trên bề mặt dầm bê tông cốt thép chịu uốn 3 điểm, nhằm xác
định vùng biến dạng trên bề mặt dầm trong quá trình chịu tải uốn.
1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc:

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc:
Trong quá trình nghiên cứu làm chuyên đề luận văn thạc sĩ, đến thời điểm
hiện tại, học viên chƣa tìm thấy đƣợc các cơng trình nghiên cứu trong nƣớc liên
quan đếnviệc sử dụng phƣơng pháp tƣơng quan hình ảnh kỹ thuật số, để khảo
sáttrƣờng biến dạng và vết nứt của dầm bê tông cốt thép.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc

3

-

Vào năm 2008, Yamaguchi và cộng sự [1] Giới thiệu phƣơng pháp tiếp cận

dựa trên hình ảnh để phát hiện các vết nứt trên bề mặt bê tông. Vào năm 2012
Valenca và cộng sự [2] đề xuất tính chất của vết nứt bê tơng trong q trình kiểm tra
thí nghiệm sử dụng xử lý hình ảnh. Adhikari và cộng sự [3] đề xuất một phƣơng
pháp mới để xác định thuộc tính của vết nứt bê tơng dựa trên các kỹ thuật xử lý ảnh
phát hiện và định lƣợng vết nứt trong bê tông. Vào năm 2013 Skarzynski và cộng sự
[4] đã tiến hành một nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tƣơng quan hình ảnh kỹ thuật số
về tính khách quan để đo chuyển vị trên bề mặt bê tông. Cùng năm 2013, Shih và
Wen-Peisung [5] đã tiến hành một nghiên cứu ứng dụng của phƣơng pháp tƣơng
quan hình ảnh kỹ thuật số trong phân tích các biến đổi nứt của bê tông cốt thép.
Huang và Xu [6] đề xuất phƣơng pháp gộp kết nối vết nứt đầu tiên phƣơng pháp
này tìm kiếm xác minh điểm phát sinh của vết nứt và sau đó kết nối các điểm phát
sinh lại với nhau tạo thành vùng phát sinh nứt. Bắt đầu từ vùng phát sinh nứt phát
triển bằng cách liên kết vết nứt liền kề tại một thời điểm cho đến khi khơng cịn phát
sinh nứt gần đó có thể tìm thấy.
1.3.
-

Mục tiêu đề tài nghiên cứu
Mục đích của nguyên cứu là áp dụng phƣơng pháp tƣơng quan ảnh kỹ thuật

số DIC khảo sát trƣờng biến dạng trên bề mặt dầm bê tông cốt thép chịu uốn ba
điểm theo từng cấp độ tải.
-

Thông qua DIC xác định biến dạng và bề rộng của vùng phát triển vết nứt

(FPZs). Đo đạc kích thƣớc hình học của vết nứt theo cấp độ tải của thí nghiệm.
-

Kết hợp DIC và phân tích dầm bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn xây dựng

mối liên hệ giữa tải trọng và các thông số cơ học phá hủy.
1.4.
-

Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Tập trung vào phân tích vùng biến dạng của dầm bê tông cốt thép chịu uốn

ba điểm.
1.5.

Chỉ xét vết nứt phát triển theo mode 1 (chịu kéo)
Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài
Đề tài đƣợc thực hiện với các phƣơng pháp và trình tự nhƣ sau:

4