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

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

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN HỌC
THÍ NGHIỆM CHUYÊN MÔN
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM
PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH VILAS 047

GV : Lương Văn An
ĐT : 0913 340 535
Email :
Đ/C : Phòng 202 - Nhà A4 - Đại học GTVT

CHỦ NHIỆM DỰ ÁN
HÀ NỘI THÁNG 12 NĂM 2014

CƠ QUAN LẬP HỒ SƠ


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
TRUNG TÂM KHOA HOC CÔNG NGHỆ GTVT
------o0o-----Số :....…..../TTKHCN
Hà nội, ngày tháng 11 năm 2013

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT MÔN HỌC
(Thí nghiệm chuyên môn)
1. Tên môn học: Thí nghiệm chuyên môn.
2. Số tín chỉ: 01

3. Trình độ:
Sinh viên năm thứ 4 ngành: Xây dựng Công trình Giao thông
Chuyên ngành:
- CN1:
+ Đường Bộ,
+ Xây dựng Đường Ô tô Sân bay,
+ Xây dựng công trình giao thông Việt - Nhật;
+ Đường Sắt,
+ Đường sắt đô thị
+ Vật liệu và công nghệ Việt - Pháp;
+ Vật liệu và công nghệ xây dựng giao thông;
+ Địa kỹ thuật công trình giao thông;
- CN2:
+ Cầu đường bộ,
+ Cầu hầm,
+ Xây dựng cầu đường ô tô và sân bay
+ Công trình giao thông công chính;
+ Cầu Đường Sắt,
+ Cầu đường Pháp,
+ Tự động hoá thiết kế cầu đường;
+ Công trình giao thông thuỷ;
+ Công trình giao thông thành phố;
+ Đường hầm và Metro
4. Phân bổ thời gian:
- Lý thuyết

: 5 tiết (10 tiết x 0.5)


- Thí nghiệm thực hành

: 10 tiết (20 tiết x0.5)

- Tiểu luận, bài tập lớn

: 0 tiết

5. Điều kiện:
Sinh viên đã hoàn thành các Tín chỉ: Sức bền vật liệu, Cơ học kết cấu, Vật liệu
xây dựng, Kết cấu BTCT.
6. Mô tả vắn tắt nội dung học phần:
6.1. Phần lý thuyết
- Nguyên tắc xây dựng đề cương chi tiết phần thí nghiệm đánh giá chất lượng thi
công xây dựng công trình theo quy định hiện hành.
- Nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật cơ bản của các thiết bị thí nghiệm
- Phương pháp thí nghiệm kiểm tra công trình
+ Các phương pháp thí nghiệm không phá huỷ.
+ Các phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu.
+ Thí nghiệm tải trọng tĩnh.
+ Thí nghiệm tải trọng động.
6.2. Nơi thí nghiệm thực hành
Sinh viên được hướng dẫn và trực tiếp tiến hành thí nghiệm tại Phòng thí
nghiệm Công trình- Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải.
7. Nhiệm vụ của sinh viên
- Dự lớp: Có mặt ít nhất 80% số giờ lý thuyết quy định
- Bắt buộc thực hiện chương trình thí nghiệm thực hành tại phòng thí nghiệm.
Làm và nộp báo cáo kết quả thí nghiệm.
8. Tài liệu học tập:
- Tài liệu môn học Thí nghiệm chuyên môn
- Hướng dẫn thí nghiệm thực hành môn học

- Các tài liệu tham khảo
9. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên
- Điểm đánh giá quá trình học tập (chuyên cần, ý thức)
- Điểm kết thúc học phần (% trọng số)
10. Giáo viên, người hướng dẫn thực hành.
- ThS. Vũ Quang Trung
- Ths. Lương Xuân Chiểu
- Ths. Ngô Ngọc Quý
- Ths. Trương Tuấn An

: 30%
: 70%


- KS. Lương Văn An
11. Nội dung chi tiết học phần


NỘI DUNG CHÍNH CỦA MÔN HỌC
A. Phần lý thuyết (Chung cho chuyên ngành cầu và đường)
1. Vai trò nhiệm vụ công tác thí nghiệm, kiểm định chất lượng
công trình.
2. Các phương pháp chủ yếu trong thí nghiệm vật liệu và thí
nghiệm công trình.
3. Một số thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm và kiểm định chất
lượng công trình.
4. Phương pháp khảo sát kiểm định chất lượng công trình Hướng dẫn xây dựng đề cương thí nghiệm, kiểm định.
5. Phụ lục: Giới thiệu một số thí nghiệm tiêu biểu đang ứng dụng
trong thực tế sản xuất.
B. Phần thực hành (Chuyên ngành cầu)

1. Bài 1: Phương pháp siêu âm kết hợp súng bật nẩy xác định
cường độ chịu nén của bê tông xi măng.
2. Bài 2: Kiểm tra vị trí cốt thép, bề dày lớp bê tông bảo vệ bằng
phương pháp điện từ.
3. Bài 3: Xác định mối quan hệ giữa lực, biến dạng, độ võng trên
mô hình dầm giản đơn.
C. Phần kiểm tra (thi kết thúc môn học)
1. Cách thức tổ chức thi.
+ Làm báo cáo thí nghiệm theo nhóm
+ Bảo vệ báo cáo thí nghiệm từng sinh viên (vấn đáp)
2. Nội dung thi.
Báo cáo kết quả thí nghiệm cần nêu rõ mục đích, yêu cầu,
dụng cụ, các bước thí nghiệm, kết quả thí nghiệm trên mô hình


hoặc mẫu chuẩn, phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả thí
nghiệm, nhận xét kết quả thí nghiệm.
3. Cách thức chấm điểm môn học
+ Điểm quá trình học tối đa A=30% (3 điểm)
+ Điểm bảo vệ báo cáo môn học tối đa B=70% (7 điểm)
- Phần lý thuyết: 30% x B (2,1 điểm)
- Phần thực hành: 70% xB (4,9 điểm)
+ Sinh viên không tham gia học sẽ không được bảo vệ báo cáo
thí nghiệm và phải học lại.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Phương pháp khảo sát - nghiên cứu thực nghiệm công trình: Võ Văn Thảo
2. Chuẩn đoán công trình - PGS TS Nguyễn Viết Trung
3. Kiểm định cầu - PGS TS Nguyễn Viết Trung

4. Các tiêu chuẩn quy trình đang áp dụng


PHẦN A: LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1: VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM
ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CÔNG TRÌNH
.
1. Vai trò của công tác TNVL và kiểm định CLCT
Trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học công nghệ nói chung cũng như của
ngành xây dựng GTVT nói riêng, vai trò của thí nghiệm VL và TNCT đã được khẳng định
nhằm mục đích:
• Giải quyết các vấn đề của công nghệ và của thực tế sản xuất đòi hỏi như đánh giá chất
lượng của vật liệu của kết cấu công trình làm cơ sở cho công tác thiết kế, thi công, nghiệm
thu, bàn giao và khai thác v.v.
• Giải quyết và hoàn thiện những bài toán mà các phương pháp lý thuyết chưa và không
giải quyết được đầy đủ hoặc đang còn nằm trong ý tưởng cần thăm dò.
Công tác TNVL và TN công trình là nhiệm vụ bắt buộc để được sản phẩm có chất
lượng, đồng thời trong suốt thời gian thi công cho đến khi hoàn thành chúng ta luôn kiểm
soát được từng hạng mục của công trình, giúp cho chúng ta phát hiện kịp thời những
khiếm khuyết, những lỗi trong giai đoạn thi công để điều chỉnh kịp thời.
Nói tóm lại công tác TNVL và thực nghiệm công trình giúp cho chúng ta kiểm định và
đánh giá chất lượng công trình dựa trên cơ sở khoa học thực tiễn và khách quan, giải
quyết và hoàn thiện những bài toán mà các phương pháp lý thuyết chưa và không giải
quyết được đầy đủ hoặc là còn nằm trong ý tưởng cần thăm dò, giúp hoàn thiện cho việc
tính toán lý thuyết của kết cấu công trình được chính xác hơn do các giả thiết khi tính toán
gắn với thực tế khách quan hơn.
Đối tượng của công tác TN ở giáo trình môn học này là vật liệu XD và kết cấu công
trình. Bằng các phương pháp cảm thụ trực tiếp, đó là các phép thử thí nghiệm trên các
thiết bị thí nghiệm có được những số liệu đo đạc và trạng thái thực tế qua quá trình tiến
hành khảo sát đối tượng, xử lý các số liệu có thể đưa đến những kết luận mang đầy đủ tính

quy luật cũng như tính tiêu biểu đối với các tham số khảo sát cả về chất lượng lẫn số
lượng. Như những quy luật và giá trị của sự phân bố ứng suất - biến dạng, trạng thái làm
việc và hình thức phá hoại của đối tượng nghiên cứu, không chỉ hỗ trợ cho các quá trình
thiết kế, tính toán thi công, nghiệm thu, khai thác công trình mà còn thay thế các lời giải
của các bài toán đặc thù phức tạp mà việc giải quyết chúng bằng đường lối lý thuyết mất
quá nhiều công sức hoặc chưa có biện pháp giải quyết.
2. Nhiệm vụ cơ bản của TNCT và KĐCL


Từ bản chất hiện thực và khả thi, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm có thể thực hiện
được các nhiệm vụ cơ bản sau đây trong lĩnh vực ký thuật xây dựng và cơ học công trình
2.1 Xác định, đánh giá khả năng làm việc và tuổi thọ của VL và KCCT:
Đây là nhiệm vụ bắt buộc thường được tiến hành đối với tất cả các vật liệu XD và KCCT
trước khi đưa vào sử dụng và khai thác.
Khả năng làm việc thực của một kết cấu công trình mới xây dựng xong sẽ được phản ánh
trong công việc đánh giá chất lượng chúng thông qua các kết quả thí nghiệm kiểm tra,
được thực hiện trong quá trình xây dựng và kết quả kiểm định trực tiếp trên công trình.
Kết quả này là tài liệu quan trong trong hồ sơ nghiệm thu bàn giao công trình.
Công tác xác định và đánh giá khả năng chịu lực cũng được tiến hành đối với những kết
cấu công trình đã được khai thác quá lâu năm, chất lượng đã bị giảm yếu theo thời gian,
đối với các kết cấu công trình có yêu cầu sửa chữa cải tạo, cũng như các công trình khi
đưa vào khai thác với nhiệm vụ thiết kế XD ban đầu.
Đặc biệt quan trọng và không thể thiếu được công việc xác định, đánh giá trạng thái làm
việc, khả năng chịu lực còn lại của các KCCT bị những sự cố tác động như: thiên tai (gió
bão, lũ lụt, động đất …) Chiến tranh tàn phá, hỏa hoạn và sai sót trong quá trình thi công,
nên những khuyết tật tồn tại và ẩn dấu trong KCCT. Mục đích của công tác thí nghiệm,
kiểm định là xác định được khả năng chịu lực KCCT, khi có sự cố về chất lượng là phát
hiện và đánh giá mức độ hư hỏng và độ bền theo thời gian của chúng để từ đó thông qua
các kết quả thí nghiệm khoa học và khách quan có thể đưa ra được những nhận xét khẳng
định khả năng tồn tại, hủy bỏ từng bộ phận kết cấu hay toàn bộ CT. Đồng thời để nghiên

cứu thiết kế tìm gia các biện pháp gia cường, sửa chữa và phục hồi CT.
2.2.

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

Một trong những biện pháp để tiến hành tìm kiếm một loại kết cấu mới, phù hợp là dùng
phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm, vì nó cho phép xác định nhanh được một
hình thức kết cấu phù hợp, có ngay được những số liệu cần thiết và tin cậy về tham số phù
hợp, phục vụ trực tiếp cho việc thiết kế và tính toán CT. Kết quả trong những trường hợp
chọn một dạng kết cấu có sẵn lý thuyết tính toán nhưng khi đưa vào ứng dụng cho một
công trình cụ thể tùy thuộc vào tầm quan trọng của công trình và mức độ chặt chẽ của
phương pháp tính, cũng cần phải triển khai thực nghiệm từng phần hay toàn bộ kết cấu để
kiểm tra sự đúng đắn của phương pháp tính toán lý thuyết và tính khả thi của CT.
2.3.

Nghiên cứu và phát triển các Vật Liệu mới, đánh giá chất lượng các loại vật liệu
đang sử dụng và tái sử dụng các loại Vật Liệu địa phương:

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


phải có đầy đủ các chỉ tiêu đặc trưng về cường độ biến dạng, khối lượng riêng và tất cả
các tính chất lý - hóa khác. Việc xác định số lượng và chất lượng các đặc trưng đó chỉ có
được thông qua quá trình tiến hành thí nghiệm - thực nghiệm.
2.4.

Nghiên cứu phát minh những vấn đề mới:

Trong khoa học kỹ thuật chuyên ngành, trong cơ học vật rắn biến dạng, cơ học công trình
v.v. mà nghiên cứu lý thuyết hoàn toàn chưa được giải quyết hoặc chưa giải quyết đầy đủ
tận gốc đòi hỏi phải có kết quả nghiên cứu thực nghiệm để làm cơ sở cho việc đánh giá sự
phù hợp của các giả thiết đưa ra và xác nhận sự đúng đắn của kết quả nhận được từ nghiên
cứu lý thuyết.
3. Ý nghĩa của trạng thái ứng suất - biến dạng trong nghiên cứu kết cấu công trình
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong lĩnh vực cơ học vật liệu và công trình
thực chất là khảo sát sự biến động của trạng thái ứng suất - biến dạng của chúng. Thực
vậy trên cơ sở trạng thái ứng suất - biến dạng nhận được mới có thể xác định giá trị và
tính chất của nội lực sẽ hình thành và phát triển trong quá trình làm việc của đối tượng.
Trạng thái ứng suất - biến dạng phản ánh đầy đủ trạng thái và khả năng làm việc của đối
tượng khảo sát cũng như các yếu tố cấu thành đối tượng như vật liệu, cấu tạo hình học, sơ
đồ kết cấu, công nghệ chế tạo và ngoại lực tác dụng.
Kết quả nhận được từ quá trình khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của một đối
tượng cho phép giải quyết những vấn đề cơ bản sau:
- Giá trị và hình ảnh phân bố nội lực trên tổng thể đối tượng khảo sát, từ đó có thể bố trí
vật liệu và cấu tạo kết cấu thích hợp
- Đánh giá được khả năng và mức độ làm việc thực tế của đối tượng khảo sát, cho phép
rút ra những tiêu chuẩn phục vụ cho việc kiểm tra độ bền, độ cứng và độ ổn định của đối
tượng.
- Dự doán được đời sống và tuổi thọ công trình khi trong quá trình nghiên cứu thực
nghiệm có tiến hành khảo sát và đo đạc sự biến động và tốc độ phát triển của ứng suất biến dạng cũng như sự hình thành và phát triển của các khuyết tật (các hư hỏng và nứt nẻ)
xuất hiện trong quá trình làm việc của đối tượng.
Trạng thái ứng suất biến - dạng có được trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm không
chỉ phản ánh khả năng làm việc thực tế của đối tượng khảo sát mà trong nhiều trường hợp
còn là chuẩn mực cho việc đánh giá sự đúng đắn của lý thuyết tính toán và thiết kế công
trình. Thật vậy, vấn đề tính toán nội lực trong quá trình khảo sát các đối tượng thực chất là
xác định trạng thái ứng suất - biến dạng trên cơ sở những số liệu được cung cấp và những
giả thiết ban đầu.
Chẳng hạn, khi giải quyết bài toán về cường độ và biến dạng cho một kết cấu công trình,

quá trình tính toán dựa trên cơ sở đặc trưng của vật liệu làm việc trong miền đàn hồi;


nhưng trong thực tế khi phần lớn các kết cấu của công trình làm việc trong giới hạn đàn
hồi của vật liệu thì có không ít bộ phận khác của công trình tồn tại những vùng trong đó
vật liệu làm việc ngoài miền biến dạng đàn hồi hoặc làm việc ở trạng thái dẻo, trạng thái
phá hủy vật liệu….mà những trạng thái làm việc đó luôn luôn là nguồn gốc của sự giảm
tuổi thọ hoặc gây phá hoại kết cấu công trình
Mức độ chính xác và tin cậy của phép đo lường trạng thái ứng suất - biến dạng thường
ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có:
a. Kích thước và số lượng mẫu thử
Khi khảo sát trên những mẫu thử có kích thước bằng thực hoặc là kết cấu nguyên hình thì
kết quả trạng thái ứng suất biến dạng nhận được là kết quả trực tiếp và thực, không cần
qua quá trình tính toán chuyển đổi trung gian, nhưng số đo của một tham số thường bị giới
hạn bởi số lượng đối tượng thí nghiệm không nhiều (thường chỉ có 1 hoặc 2). Ngược lại
khi khảo sát bài toán trên những mẫu thử là mô hình tương tự thì kết quả trạng thái ứng
suất biến dạng của mẫu thử thực chỉ nhận được sau quá trình tính toán chuyển đổi tương
tự qua các hệ số tỷ lệ của các tham số đo; ví thế nếu có một sai số nhỏ trong quá trình đo
sẽ dẫn đến sự lệch lạc của kết quả, song vì số thí nghiệm tiến hành trên mô hình tương tự
tương đối nhiều nên sau khi tổng hợp số liệu của nhiều mô hình thí nghiệm, vẫn có được
kết quả đáng tin cậy. Vì vậy với thí nghiệm vật liệu, kích thước và số lượng mẫu thử phải
tuân theo các quy định của tiêu chuẩn thử nghiệm.
b. Hình dáng và cấu tạo liên kết các phần tử của mẫu thử.
Việc xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của các đối tượng có hình dáng đơn giản
thường được tiến hành không mấy khó khăn vì ở đây ứng suất - biến dạng thường phân bố
đồng đều trong kết cấu, trí số của chúng cũng không lớn, thường chỉ dao động trong miền
đàn hồi của vật liệu. Vì vậy phương pháp và số đo trong những trường hợp này thường
không dẫn đến sai số đáng kể cho kết quả nghiên cứu. Đối với những trường hợp kết cấu
có hình dạng phức tạp hay ghép từ nhiều phần tử với nhau thì việc khảo sát và xác định
trạng thái ứng suất biến dạng sẽ gặp nhiều khó khăn vì ở đây sự phân bố ứng suất biến

dạng thường thay đổi lớn, trị số đo của hai điểm hay hai vùng lân cận có thể khác nhau rất
nhiều (ở điểm này có thể vật liệu đang làm việc trong giai đoạn đàn hồi, nhưng ở điểm
bên cạnh đã xuất hiện biến dạng dẻo).
c. Cấu tạo vật liệu của mẫu thử.
Các đối tượng khảo sát thực nghiệm dù ở dạng nguyên hình hoặc ở dạng mô hình đều
được cấu tạo từ những vật liệu thực có các đặc trưng khác nhau và thông thường các đặc
trưng đó được thể hiện qua mối quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất và biến dạng khi vật
liệu chịu kéo hoặc nén một trục. Trong thực tế sản xuất, tồn tại nhiều loại vật liệu có mối
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khác nhau:
- Tuyến tính


- Hoàn toàn phi tuyến
- Không đồng nhất trong suốt quá trình chịu tải
- Tuyến tính ở giai đoạn vật liệu chịu tải còn thấp nhưng khi qua một giá trị đặc trưng
xác định tùy thuộc bản chất của vật liệu thì lại không còn tuyến tính nữa.
Việc xác định chính xác mối quan hệ này của vật liệu giữ một vai trò quan trọng trong
quá trình khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng của đối tượng nghiên cứu.
d. Công nghệ chế tạo mẫu thử.
Các kết cấu công trình trong sản xuất cũng như các đối tượng dùng để tiến hành nghiên
cứu thực nghiệm được thiết kế và chế tạo theo nhiều biện pháp công nghệ khác nhau:
- Chế tạo băng biện pháp đúc tại chỗ như các công trình bê tong toàn khối, các mô hình
thach cao, nhựa lưỡng chiết…
- Tổ hợp bằng biện pháp ghép nối từ những phần tử kết cấu đã chế tạo sẵn như các kết
cấu công trình lắp ghép bằng bê tong hoặc bằng kim loại, mà các mối ghép liên kết
được thực hiện bằng cách hàn hồ quang, bằng đinh tán hoặc bằng các loại bu lông
thường, bu lông cường độ cao…
- Hình thành bằng biện pháp tạo những lực căng kéo trước trong đối tượng như các kết
cấu công trình ứng lực trước…
Dù bằng biên pháp chế tạo nào thỉ cuối cùng trong đối tượng đều tồn tại một trạng thái

ứng suất ban đầu hoặc ứng suất trước. Muốn xác định giá trị và quy luật phân bố của
chúng để loại trừ trong quá trình khảo sát trạng thái ứng suất biến dạng của đối tượng thì
thật sự khó khăn và phức tạp.
e. Tính chất tác dụng của tải trọng ngoài.
Giá trị và tính chất phân bố ứng suất biến dạng trong đối tượng khảo sát thường chịu
ảnh hưởng trực tiếp của đại lượng và quy luật tác động của tải trọng ngoài. Kết quả đo
lường các tham số khảo sát một đối tượng chịu tác dụng tĩnh sẽ nhận được khá dễ dàng,
đảm bảo độ chính xác và rõ rang vì ở trường hợp này các dụng cụ đo và phương pháp đo
thường không quá phức tạp, đặc biệt là việc đo lường được tiến hành trong điều kiện yên
tĩnh, số đo không phụ thuộc vào thời gian. Nhưng khi đối tượng chịu tải trọng ngoài tác
dụng như lực xung, lực rung động thì công việc đo lường trở nên phức tạp, vì ở đay quá
trình đo thực hiện thực hiện trong môi trường dao động và số đo của các tham số khảo sát
phụ thuộc vào yếu tố thời gian. Điều này có thể làm ảnh hưởng mức độ chính xác của các
phép đo và các số liệu thu nhận được.
f. Môi trường tiến hành thí nghiệm.


Trong kỹ thuật đo lường các đại lượng, để đảm bảo chính xác các phép đo thường phải
được thực hiện trong những môi trường xác định hoặc môi trường chuẩn về nhiệt độ, độ
ẩm và các tác nhân ăn mòn khác. Trong phép đo giá trị biến dạng tương đối của vật liệu
và kết cấu công trình cũng vậy, ảnh hưởng của môi trường xung quanh đặc biệt là nhiệt
nđộ và độ ẩm thường làm cho số đo bị nhiễu loạn. Thật vậy, khi thực hiện phép đo, nếu
nhiệt độ môi trường thay đổi sẽ làm cho vật liệu bị biến dạng theo và ngay bản thân thiết
bị đo cũng bị co giản làm sai lêch giá trị số đo của tham số biến dạng tương đối do tải
trọng ngoài gây ra trong đối tượng khảo sát.
3. Biến dạng của kết cấu công trình và phép đo biến dạng tương dối.
Cho đến nay, vấn đề đo trực tiếp giá trị của tham số ứng suất trong vật liệu và kết cấu
công trình vẫn chưa được giải quyết. Bởi vậy, khi cần khảo sát trạng thái ứng suất biến
dạng của một đối tượng cụ thể đều phải thông qua các số đo của tham số biến dạng tương
đối. Điều này được thực hiện khá dễ dàng khi khảo sát các vật liệu đàn hồi tuyến tính hoặc

các đối tượng làm việc trong giai đoạn biến dạng đàn hồi vì ở đây quy luật biến động của
ứng suất và biến dạng hoàn toàn đồng nhất, các đại lượng này luôn tỷ lệ với nhau qua các
hằng số đặc trưng tính đàn hồi của vật liệu: đó là trị số mô đun đàn hồi của vật liệu khi đối
tượng chịu trạng thái ứng suất một trục, hệ số Poisson trong trường hợp đối tượng làm
việc ở trạng thái ứng suất phẳng. Vì vậy, việc khảo sát sự biến động của ứng suất biến
dạng của đối tượng ở giai đoạn đàn hồi hoàn toàn có thể tiến hành trên quy luật biến đổi
của trạng thái biến dạng nhận được. Tuy nhiên, khi khảo sát các vật liệu và kết cấu công
trình có quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không tuân theo định luật Hooke hoặc trạng
thái biến dạng ngoài giới hạn đàn hồi, thì quá trình khảo sát sự biến động của trạng thái
ứng suất biến dạng chỉ tiến hành qua trạng thái biến dạng như ở trường hợp vật liệu đàn
hồi tuyến tính thì chưa đầy đủ mà còn phải khảo sát quy luật phân bố của ứng suất, bởi vì
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không còn là tuyến tính. Đối với trường hợp này, để
có thể nhận được giá trị ứng suất của đối tượng khảo sát trên cơ sở của các số đo biến
dạng, cần thiết phải dựa vào biểu đồ quan hệ thực nghiệm giữa ứng suất biến dạng khi kéo
phá hoại vật liệu. Như vậy trong nghiên cứu thực nghiệm, để khảo sát trạng thái và khả
năng chịu lực của một đối tượng dù làm việc trong hay ngoài giới hạn đàn hồi của vật liệu
đều phải đo đạc trị số của tham số biến dạng tương đối diễn biến trong đối tượng đó.
Thực ra, việc đo lường tham số biến dạng còn bị nhiều hạn chế do phương pháp và kỹ
thuật đo cho đến nay chưa đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của công việc nghiên cứu.
Chẳng hạn, để xác định trị số và quy luật biến dạng trong miền vật liệu có ứng suất tập
trung hoặc ngay cả trong những vùng chịu trạng thái ứng suất bình thường trong kết cấu
công trình thì các phương pháp đo hiện nay (kể cả khi áp dụng hiệu ứng của các tia vật lý
như rơngen, gamma để xác định trị số biến dạng của các tinh thể vật liệu), cũng chỉ thực
hiện ở lớp vật liệu vỏ ngoài của đối tượng. Điều hạn chế này sẽ ảnh hưởng đến những bài
toán cần phải khảo sát biến dạng khối hoặc thành phần biến dạng theo chiều sâu của vật
thể…. Tuy nhiên, việc đo đạc giá trị biến dạng trên lớp vật liệu bề mặt vẫn giữ vai trò
quan trọng trong các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm vì trong thực tế các kết quả đo


này cũng đã đáp ứng được nhiều mục đích trong khi khảo sát các kết cấu công trình xây

dựng. Thật vậy, phần lớn các trường hợp nghiên cứu thường gặp đều xuất phát từ đặc
trưng biến dạng của lớp vật liệu mặt ngoài để xác định nội lực tương ứng với sự xuất hiện
biến dạng dẻo hay phá hoại mà không đòi hỏi phải xác định quy luật phân bố biến dạng
của lớp vật liệu nằm sâu trong đối tượng khảo sát
Về nguyên tắc, quá trình thực hiện các phép đo biến dạng tương đối cần phải tiến hành
với số lượng dụng cụ đo tối thiểu và thời gian đo ngắn nhất; nhưng trên thực tế phải căn
cứ vào điều kiện và hoàn cảnh cụ thể để lựa chọn cho phù hợp
a. Đo biến dạng trong điều kiện công trình chịu các loại tải trọng có tính chất khác nhau
Tùy theo tính chất tác dụng của tải trọng ngoài cũng như các tác nhân khác bên ngoài,
trong đối tương khảo sát thường xẩy ra hai trạng thái làm việc sau:
- Trạng thái tĩnh hoặc phát triển dần đều: Điều này xẩy ra trong đối tượng khi có tác
dụng của tải trọng tĩnh, nhiệt độ hoặc các yếu tố cơ học khác. Kết quả thực nghiệm của
trường hợp này khi khảo sát các đối tượng là xác định được giá trị và quy luật phân bố
của biến dạng. Khi khảo sát các kết cấu công trình thực hoặc kích thước thực, thường
phải dùng phương pháp đo ở một số điểm rời rạc, nhưng tại một vùng khảo sát nào đó
thì số lượng điểm đo phải đủ lớn và phân bố đủ mau để có thể xác định giá trị và tính
chất phân bố biến dạng. Vấn đề phức tạp ở đây là làm thế nào qua quá trình đo và đọc
số đo với số lượng lớn mà ngăn ngừa được khả năng phân bố lại biến dạng trong đối
tương khảo sát hoặc đại lượng biến dạng nhận được tại các điểm đo không tương ứng
với cùng một trị số ngoại lực vì phải giữ lực trong thời gian dài. Để khắc phục một
phần ảnh hưởng đó, cần chọn phương pháp đo và thiết bị đo nhanh, ổn định. Khi đối
tượng khảo sát là các mô hình tương tự thường phải tiến hành đo biến dạng bằng các
phương pháp chuyên dụng trong nghiên cứu mô hình hóa.
- Trạng thái động hoặc biến thiên nhanh: Điều này xảy ra trong các đối tượng nghiên cứu
khi chịu tác động của tải trọng động, tải trọng di chuyển, va chạm, nổ…Đo biến dạng
trong trường hợp này rất phức tạp vì giá trị của nó thay đổi nhanh theo thời gian; đặc
biệt trong đối tượng chịu tác dụng của tải trọng va chạm, ngoài việc ứng suất thay đổi
nhanh theo thời gian (trong khoảnh khắc < 10-4s) còn có cả tập trung ứng suất quanh
vùng gần điểm tác dụng lực. Trong thực tế để đo nhanh giá trị biến dạng theo thời gian
thường dùng phương pháp tenzo cảm biến điện trở với số điểm đo có thể thực hiện

trong một máy đo hiện nay chỉ được từ 25 - 50 điểm. Để quan sát được quá trình dao
động của đối tượng thường phải dùng các thiết bị tự ghi đồng thời như osilograph, băng
từ tính, máy vi tính… Các thiết bị tự ghi đó thường có thể nhận được các biến dạng
động trong dải tần số (10 - 5000)Hz
b. Đo biến dạng tương đối trong điều kiện vật liệu làm việc ở các trạng thái khác nhau.


Quá trình làm việc của vật liệu từ giai đoạn đàn hồi sang giai đoạn dẻo thường rất
ngắn; trong nhiều trường hợp quá độ này chỉ là một điểm hay một giá trị giả định nào đó
(chẳng hạn 0.2%) trên biểu đồ đặc trưng của vật liệu. trong những trường hợp này giá trị
tương đối của biến dạng dẻo còn rất nhỏ (thường chỉ khoảng 2000.10-6 đến 6000.10-6 đối
với thép; từ 3000.10-6 đến 8000.10-6 đối với hợp kim nhôm); nhưng vượt qua khỏi giai
đoạn quá độ này thì giá trị của biến dạng dẻo tăng rất nhanh.
Điều kiện biến dạng đàn hồi trong những kết cấu có hình dáng đơn giản thường được
đặc trưng bởi sự phân bố đều đặn các giá trị biến dạng và mối tương quan giữa các thành
phần biến dạng đối với các trường hợp biến dạng phẳng hoặc biến dạng khối hầu như
không thay đổi. Trong trường hợp này, phần lớn các loại vật liệu đều tuân theo quan hệ
Hooke không những về mặt định tính mà cả về mặt định lượng và phương pháp đo biến
dạng ở đây có thể dùng các loại tenzomet đơn giản.
Tuy nhiên, trong thực tế phần lớn các kết cấu công trình xây dựng có cấu tạo hình dáng
phức tạp, do đó quan hệ giữa biến dạng theo các phương sẽ rất phức tạp và điều đó làm
thay đổi rất nhanh sự phân bố ứng suất trong các vùng khảo sát. Khi đó, vật liệu tại những
vùng này sẽ chuyển rất nhanh sang làm việc ở giai đoạn đàn - dẻo hay dẻo.
Việc đo biến dạng khi vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi thường chịu ảnh hưởng
do sự xuất hiện thành phần biến dạng theo phương ngang lớn và sự biến dạng không đồng
đều trong phạm vi chuẩn đo. Lượng biến dạng tương đối ngoài đàn hồi trong vật liệu xây
dựng có thể đạt tới giá trị (10 000 - 100 000) 10-6, có trường hợp còn lớn hơn. Trong
những trường hợp này, mối quan hệ giữa ứng suất biến dạng vô cùng phức tạp; vì thế kết
quả đo biến dạng trong điều kiện vật liệu làm việc ngoài giới hạn hạn đàn hồi thường khó
đảm bảo chính xác. Để khắc phục phần nào các yếu tố ảnh hưởng nêu trên, khi đo biến

dạng tại những vùng có gradient biến dạng lớn hoặc những vùng phát triển biến dạng dẻo
cần sử dụng phương pháp đo bằng tenzo cảm biến điện trở có cjieeuf dài chuẩn đo càng
nhỏ càng tốt, thông thường từ 1 đến 5mm; đặc biệt trong những vùng có ứng suất tập
trung cao thì chỉ nên dùng chuẩn đo nhỏ hơn 1mm, vì nhiệm vụ chính của việc đo đạc
trong những vùng này là phải nắm bắt được trị số biến dạng lớn nhất tồn tại trong đó
nhằm mục đích xác định chính xác hệ số tập trung ứng suất. Ngoài ra khi khảo sát trạng
thái ứng suất biến dạng cục bộ còn có thể sử dụng những phương pháp chuên dùng khác
để đo giá trị và hình ảnh phân bố tổng thể của biến dạng như phương pháp quang đàn hồi,
phương pháp sơn phủ dòn.
c. Đo biến dạng trong điều kiện đối tượng làm việc với các trạng thái ứng suất khác nhau.
Qua thực tế khảo sát các đối tượng cho thấy: tùy thuộc vào hính dáng cấu tạo cũng như
tính chất của tải trọng ngoài tác dụng, trong đối tượng sẽ tồn tại một trong những trạng
thái ứng suất sau:
- Trạng thái ứng suất theo một trục và phân bố đều đặn theo suất chiều dài của phần tử
như trong kết cấu thanh, kết cấu chịu lực dọc đúng trục.


- Trạng thái ứng suất hai trục, các đặc trưng biến dạng của vật liệu ở trạng thái này được
nghiên cứu bằng lý thuyết rất đầy đủ.
- Trạng thái ứng suất ba trục, việc đo đạc biến dạng trở nên vô cùng khó khăn và cho đến
nay các phương pháp đo vẫn chưa thông dụng.


Chơng 2: các phơng pháp chủ yếu trong thí nghiệm vật liệu
và thí nghiệm công trình
1. Đặt vấn đề.
Khi nghiên cứu trạng thái làm việc và khả năng chịu lực của các đối tợng nói chung,
dù đối tợng đó là mô hình thí nghiệm hay kết cấu công trình thực đều cho thấy: yếu tố
ảnh hởng trực tiếp đầu tiên đến chất lợng, khả năng làm việc và tuổi thọ công trình là
chất lợng của vật liệu sử dụng. Chất lợng đó đợc thể hiện qua giá trị của các loại cờng

độ giới hạn, biến dạng, mô đun đàn hồi, tính chất và số lợng khuyết tật đang tồn tại hay
mới xuất hiện trên công trình trong quá trình khai thác sử dụng.
Các đặc trng về cờng độ biến dạng cũng nh các khuyết tật của vật liệu là những số
liệu và thông tin cần thiết cho cả quá trình thiết kế, chế tạo thi công và khai thác sử dụng
công trình. Vì thế trong nghiên cứu thực nghiệm, để có khả năng thấu hiểu sự làm việc của
công trình trớc tiên phải tiến hành xác định và đánh giá chất lợng của vật liệu. Bên cạnh
đó việc xác định và đánh giá chất lợng của các bộ phận kết cấu cũng là một tiêu chí để
đánh giá chất lợng, khả năng làm việc và tuổi thọ công trình.
Hiện nay trong kỹ thuật, việc khảo sát và xác định các đặc trng cơ bản của vật liệu
hay các bộ phận kết cấu bằng thí nghiệm thờng đợc thực hiện theo 2 phơng pháp cơ
bản là phơng pháp phá hoại mẫu (thí nghiệm nén mẫu BT, thí nghiệm kéo thép...)và
phơng pháp không phá hoại (các thí nghiệm trong công tác kiểm định và thử tải xác định
khả năng chịu lực của công trình).
2. Phơng pháp phá hoại mẫu.
Vật liệu khảo sát đã có sẵn (đúc mẫu BT) hoặc lấy ra từ công trình (khoan mẫu BT)
đợc chế tạo thành các mẫu thử. Hình dạng và kích thớc của mẫu thử đợc xác định tùy
theo:
-

Cấu tạo của vật liệu

-

Mục đích thí nghiệm

-

Các quy định trong tiêu chuẩn.
Các mẫu vật liệu đợc đa vào máy thí nghiệm tơng ứng với trạng thái làm việc của

vật liệu (kéo, nén, uốn xoắn), cho chịu tác dụng của ngoại lực có giá trị tăng dần theo tong
cấp cho đến khi mẫu bị phá hoại hoàn toàn. Dới tác dụng của ngoại lực, vật liệu trong
mẫu thử sẽ bị biến dạng tơng ứng với trị số của ứng suât do các cấp lực tác dụng gây ra
trong mẫu. Tơng ứng với mỗi giá trị ứng suất dùng dụng cụ đo để đo trị số biến dạng


tơng đối trong vật liệu của mẫu thử. Các cặp trị số của ứng suất và biến dạng tơng đối
nhận đợc trong quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu cho phép xây dung đợc một đờng
cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất và biến dạng ( - ) của vật liệu khảo sát và đợc
gọi là biểu đồ đặc trng của vật liệu, bởi vì qua biểu đồ này có thể xác định đợc các đặc
trng cơ lý của vật liệu khảo sát.
Biểu đồ đặc trng của vật liệu ( - ) nhận đợc qua quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu
thờng biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất kéo hoặc nén với biến dạng tơng đối theo
một trục dới tác dụng của tải trọng có tốc độ chậm rãi, ở môi trờng nhiệt độ trong phòng
thí nghiệm. Với điều kiện thí nghiệm đó sẽ tạo ra sự kéo hoặc nén tự do dới ảnh hởng
của trờng ứng suất không đổi suốt chiều dài của mẫu thử. Tuy nhiên, sự làm việc thực tế
của vật liệu trên kết cấu công trình thờng chịu trạng thái ứng suất phức tạp hơn, không
giống hoàn toàn sự làm việc của vật liệu trong các mẫu thử.
Để có đợc một biểu đồ vật liệu phản ánh đúng đắn trạng thái làm việc thực tế của vật
liệu trong mẫu là rất phức tạp trong các khâu: Phơng pháp thí nghiệm, kỹ thuật đo và
biện pháp sử lý kết quả. Chẳng hạn, khi thí nghiệm và sử lý kết quả thí nghiệm kéo phá
hoại mẫu thử để xác định quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu sẽ xẩy ra ba
trờng hợp sau:
a) Biểu đồ ( ) xây dựng trên quan hệ = () chịu lực kéo với giá trị tính toán về ứng
suất và biến dạng tơng đối xuất phát từ tiết diện ban đầu Fo và chiều dài cơ bản đo ban
đầu của mẫu thử Lo
= P/Fo và

= L/Lo

Xây dựng biểu đồ theo phơng pháp này thờng rất đơn giản cho việc thí nghiệm,
nhng thực ra cha phản ánh đúng đắn sự làm việc của vật liệu - đờng a trên hình 2.1
b) Biểu đồ ( ) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất xuất phát
từ giá trị tiết diện eo chảy.
Thực chất việc xây dựng biểu đồ vật liệu theo trờng hợp a cha phản ánh đúng trạng
thái làm việc thực tế làm việc của vật liệu trong mẫu thử. Thực tế khi thí nghiệm tăng tải
trọng thì tiết diện của mẫu thử sẽ bị thu hẹp lại nhất là ở vùng có eo chảy. Vì vậy, biểu đồ
( ) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất xuất phát từ giá trị tiết
diện eo chảy sẽ phản ánh đúng đắn hơn trạng thái làm việc thực tế của vật liệu. Đờng b.


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

= L/Leo.

Đờng biểu diễn mối quan hệ ( ) ở trờng hợp b cũng cha phản ánh đầy đủ mối
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mẫu chịu kéo. Thật vậy trong thí nghiệm nói trên
khi tải trọng tác dụng tăng lên thì không những tiết diện của mẫu thử bị thu hẹp mà độ
giãn dài cũng tăng nhanh nhng không rải đều trên suốt chiều dài mẫu mà chỉ tăng nhanh
ở vùng có eo chảy. Vì vậy, nếu biểu đồ ( ) xây dựng quan hệ chịu kéo với giá trị tính
toán về ứng suất và biến dạng tơng đối xuất phát từ giá trị tính toán ứng suất và biến dạng
theo tiết diện eo chảy Feo và chiều dài cuối cùng của mẫu thử Leo thì sẽ nhận đợc đờng
c. Đờng biểu diễn này mới thể hiện đúng đắn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của
vật liệu khảo sát.

Hình 2.1. Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của thí nghiệm
kéo phá hoại vật liệu
Qua nghiên cứu vật liệu xây dựng cho thấy biểu đồ đặc trng của vật liệu khảo sát nhận

đợc bằng phơng pháp phá hoại mẫu chịu ảnh hởng trực tiếp của các yếu tố sau:
- Tốc độ gia tải: Để nhận đợc quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sát với thực tế làm
việc của vật liệu khảo sát, trong thí nghiệm phá hoại mẫu, bình thờng, cần khống chế
tốc độ gia tải lên mẫu thí nghiệm quanh giới hạn 100 kG/cm2/s. Khi tốc độ gia tải vợt
giá trị giới hạn đó thì biểu đồ biến dạng của vật liệu sẽ nhận đợc giá trị giới hạn chảy
cao hơn. Ngợc lại khi tốc độ gia tải thấp hơn sẽ nhận đợc giá trị giới hạn chảy thấp
hơn bình thờng. Tuy nhiên giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu vẫn giữ nguyên giá trị


không phụ thuộc vào tốc độ gia tải, bởi vậy ứng với mỗi tốc độ gia tải ta sẽ nhận đợc
một họ đờng cong biến dạng nằm trong một vùng nhất định. Hình 2.2
- Nhiệt độ môi trờng: Thực tế khảo sát cho thây khi thí nghiệm kéo phá hoại mẫu trong
môi trờng nhiệt độ khác nhau thì biểu đồ biến dạng của vật liệu thu đợc cũng sẽ
khác nhau. Ngoài việc tăng hay giảm giá trị giới hạn chảy khi thí nghiệm trong môi
trờng nhiệt độ khác với nhiệt độ bình thờng thì giá trị của mô đun biến dạng vật liệu
cũng sẽ thay đổi theo. Khi nhiệt độ tăng thì giá trị mô đun đàn hồi của vật liệu giảm và
ngợc lại. Hình 2.2

Hình 2.2. Biểu đồ biến dạng của vật liệu khi tốc độ gia tải thay đổi và khi nhiệt độ của
môi trờng khác nhau
-

Trạng thái ứng suất tác dụng: Biểu đồ quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu
không giống nhau khi các mẫu vật liệu chịu tác dụng của trờng ứng suất theo 2 trục
hay theo 3 trục. Trên hình 2.3 trình bày sự thay đổi của quan hệ ( - ) khi các phân tố
của vật liệu chịu trạng thái của ứng suất phẳng với sự tơng quan 1 và 2 = 1.
Hình 2.4 trình bày sự thay đổi của quan hệ ( ) khi các phân tố của vật liệu trong
mẫu chịu tác dụng của trạng thái ứng suât 3 trục với sự tơng quan 1 và 2 = 3 =
1
Phơng pháp phá hoại mẫu vật liệu thờng đợc tiến hành trong phòng thí nghiệm, ở

đây các điều kiện thí nghiệm nh: Thiết bị máy móc, môi trờng và thời gian đều đợc
khống chế chuẩn. Cho nên các số liệu nhận đợc của phơng pháp thí nghiệm này ít chịu
ảnh hởng của các yếu tố khác vì vậy kết quả nhận đợc sẽ phản ánh tốt khả năng chịu lực
vốn có của vật liệu.


Khi vật liệu làm việc trên kết cấu công trình thực tế sẽ chịu nhiều ảnh hởng của các
yếu tố khác làm thay đổi khả năng chịu lực của vật liệu so với điều kiện chuẩn. Các
phơng pháp phá hoại mẫu thờng ít có khả năng xét đến sự thay đổi đó.
Trên thực tế, để có thể kể đến những yếu tố ảnh hởng đến sự làm việc của vật liệu trên
công trình thờng dùng phơng pháp nghiên cứu bằng cách khảo sát gián tiếp, không phá
hoại vật liệu.

Hình 2.3. Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất hai trục
F - ứng suất một trục

F - biến dạng kéo một trục (khi = 0)

Hình 2.4. Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất ba trục
F - ứng suất một trục

F - biến dạng kéo một trục (khi = 0)

3. Phơng pháp không phá hoại và lập biểu đồ chuyển đổi chuẩn của vật liệu
Khảo sát vật liệu bằng phơng pháp không phá hoại có u điểm là trong quá trình
nghiên cứu không làm hỏng vật liệu và không cần giải phóng vật liệu khỏi trạng thái làm
việc thực tế của vật liệu. Ngoài ra, một số phơng pháp thí nghiệm không phá hoại còn có
khả năng đánh giá đợc chất lợng và phát hiện các khuyết tật nằm sâu trong vật liệu hay

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

Nhiệm vụ thứ nhất: Xác định cờng độ của vật liệu tại nhiều điểm khác nhau, qua đó
đánh giá mức độ đồng nhất của vật liệu. Trong phơng pháp khảo sát vật liệu theo cách
không phá hoại các tham số đo đợc thực hiện bằng các dụng cụ đo thờng là:
+ Các đại lợng liên quan đến độ cứng H của vật liệu nh kích thớc của vết hằn
trên bề mặt vật liệu, độ nẩy đàn hồi của vật thể có khối lợng xác định va chạm với
bề mặt ngoài của vật liệu khảo sát.
+ Các đại lợng liên quan độ đặc chắc của vật liệu nh thời gian truyền sóng siêu
âm, tốc độ lan truyền các sóng dao động đàn hồi cũng nh các sóng dao động điện
từ.. xuyên qua môi trờng vật liệu nghiên cứu.
Để xác định độ cứng mặt ngoài của vật liệu thờng dùng các dụng cụ cơ học nh
búa bi, búa có thanh chuẩn, súng bi.nhằm tạo nên những vết lõm trên bề mặt của vật
liệu mà kích thớc của nó đặc trng cho độ cứng bề mặt của vật liệu; hoặc các thiết bị
bật nẩy đàn hồi mà khoảng nẩy đàn hồi đó phản ánh độ cứng của vật liệu.
Để xác định độ đặc chắc của vật liệu thờng dùng các máy thử bằng âm thanh, siêu
âm, các máy rọi Rơnghen, Gamma để truyền các sóng dao động đàn hồi, các sóng dao
động điện từ qua môi trờng của vật liệu và đo để xác định thời gian truyền sóng (hay
tốc độ truyền sóng), giá trị của các tham số này phụ thuộc vào độ đặc chắc cũng nh
cờng độ của vật liệu.
Trong phơng pháp không phá hoại để xác định cờng độ của vật liệu cần phải
dùng nguyên lý so sánh chuẩn, tức là từ các số liệu đo nhận đợc khi thử vật liệu trên
kết cấu công trình đa vào đồ thị so sánh chuẩn để suy ra giá trị thực của cờng độ vật
liệu thực. Chuẩn ở đây là mối quan hệ giữa cờng độ vật liệu với tham số đo trên dụng
cụ đo đợc tiến hành thử trực tiếp trên mẫu vật liệu trong các điều kiện tiêu chuẩn

(đờng chuẩn cho thiết bị siêu âm và súng bật nẩy để xác định cờng độ bê tông - Căn
cứ vào số liệu đo siêu âm và chỉ số bật nẩy tra trên đờng chuẩn để xác định cờng độ
bê tông của kết cấu). Vì vậy trong phơng pháp nghiên cứu này đồ thị chuẩn của một
thiết bị đo giữ một vị trí quan trong trong việc xác định đúng cờng độ của vật liệu
khảo sát. Khi có đồ thị chuyển đổi đúng thì mức độ sai lệch của thiết bị đo sẽ giảm và
độ chính xác của kết quả đo sẽ tăng.


Việc xây dựng biểu đồ chuẩn cho mỗi thiết bị đo là không thể thiếu đợc và
thờng mất rất nhiều công sức. Liên quan đến việc xây dựng biểu đồ chuẩn này cần
phải chế tạo một số lợng lớn các mẫu thử vật liệu. Chẳng hạn để có đợc mác bê tông
chỉ cần nén phá hoại của 3 đến 9 mẫu thử, nhng để có đợc một điểm trung bình đặc
trng cho cờng độ bê tông trên mẫu chuẩn cần phải tiến hành từ 70 đến 100 thí
nghiệm. Vì vậy để xây dựng đợc đồ thị chuẩn cho súng bật nẩy hoặc thiết bị siêu âm
cần phải tiến hành thử từ 700 đến 1000 thí nghiệm không phá hoại mẫu.
- Nhiệm vụ thứ hai: cũng là nhiệm vụ chủ chốt của phơng pháp thí nghiệm không phá
hoại vật liệu là phát hiện các khuyết tật tồn tại bên trong môi trờng vật liệu do chế tạo
hay do tác động bên ngoài khác hoặc tải trọng tác dụng. Các khuyết tật đó thờng là lỗ
rỗng, bọt khí, vết nứt, sứt mẻ, lớp vật liệu ngoài bị biến chất. Các khuyết tật này có
thể là nguyên nhân trục tiếp làm giảm tuổi thọ hoặc phá hoại kết cấu công trình. Cho
nên, việc thăm dò đo đạc kích thớc các khuyết tật tồn tại trong môi trờng vật liệu là
một vấn đề quan trọng trong việc đánh giá chất lợng kết cấu công trình. Từ nhu cầu
đó của thực tế sản xuất, trong lĩnh vực đo lờng đã hình thành một hệ thống thiết bị
máy móc thăm dò và phát hiện hoàn chỉnh các khuyết tật trong môi trờng vật liệu, đặc
biệt là trong kết cấu kim loại và đờng hàn. Các thiết bị thăm dò khuyết tật này đợc
nghiên cứu chế tạo dựa trên nhiều cơ sở vật lý khác nhau nh kỹ thuật vô tuyến điện tử,
kỹ thuật điện từ, âm thanh, từ trờng và các tia vật lý phóng xạ.
Hiện nay trong sản xuất, khi khảo sát đặc trng cơ lý của vật liệu xây dựng thờng
đợc tiến hành đồng thời một lúc cả hai phơng pháp thí nghiệm phá hoại và không phá
hoại vật liệu. Kết quả nhận đợc từ hai phơng pháp sẽ bồi bổ cho nhau để có đợc những

kết luận đánh giá chất lợng của vật liệu trên công trình với độ chính xác cao.


CHƯƠNG 3: MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIỆM VÀ
KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CÔNG TRÌNH
1. Chức năng và yêu cầu đối với thiết bị đo
Trạng thái làm việc của các đối tượng thí nghiệm thực tế được đặc trưng bởi sự biến
động của các tham số. Các tham số đó cần được làm sang tỏ bằng những số liệu đo hoặc
những đồ thị ghi nhận trực tiếp hoặc gián tiếp từ các thiết bị đo lường tương ứng.
Với mỗi tham số khảo sát sẽ có những phương pháp và thiết bị đo phù hợp, thỏa mãn
được các yêu cầu về độ nhạy và độ chính xác
Trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình các thiết bị đo được chia thành 5
nhóm cơ bản sau:
• Đo lực và áp suất
• Đo độ dịch chuyển (chuyển vị)
• Đo độ dãn dài, biến dạng tương đối của các thớ vật liệu
• Đo xoay, biến dạng góc
• Đo trượt
Trong nhóm thiết bị nói trên ngoài nhóm đo lực và áp suất nhằm xác định giá trị của
tải trọng tác dụng khi tiến hành thí nghiệm (các loadsell đo lực); còn các nhóm còn lại chủ
yếu phục vụ cho mục đích xác định trạng thái ứng suất biến dạng trong vấn đề thí nghiệm
nghiên cứu công trình. Trong mỗi nhóm thiết bị có thể có nhiều chủng loại được thiết kế
và chế tạo theo những cơ sở vật lý và sơ đồ cấu tạo khác nhau, mức độ chính xác khác
nhau. Trong kỹ thuật đo cần căn cứ vào đặc trưng của đối tượng nghiên cứu, tính chất của
tham số tiến hành khảo sát và yêu cầu về độ chính xác của số đo để lựa chọn những thiết
bị đo thích ứng.
Trong thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình, để nhận được kết quả đo ứng suất
biến dạng hay chuyển vị có độ tin cậy cao, cần chọn được một phương pháp đo đúng,
những thiết bị đo phù hợp có độ chính xác cao. Khi chọn lựa, cần căn cứ vào đặc trưng
của từng đối tượng khảo sát cụ thể và căn cứ vào các tiêu chuẩn phù hợp để tiến hành thí

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


2. Thiết bị và phương pháp đo chuyển vị (độ võng công trình)
Đồng hồ đo chuyển vị lớn và phương pháp đo độ võng công trình
Nguyên lý cấu tạo và chuyển động

a. Cấu tạo mặt đồng hồ đo
b. Cấu tạo hệ chuyển động

Thanh chuyển động (1) xuyên qua trục đồng hồ, trên một phần thanh có khía các răng
cưa, những răng cưa đó khớp với bánh răng khía nhỏ (2). Bộ cấu tạo này nhằm biến
chuyển vị thẳng của thanh chuyển động thành chuyển vị xoay của các bánh răng. Cùng
quay với bánh răng khía (2) là bánh răng lớn (3), bánh răng lớn này nhằm khuếch đại và
truyền chuyển vị của bánh răng (2) đến trục răng khía (4). Trên đầu của trục răng khía (4)
có gắn kim chỉ thị dài (5) quay trên mặt đồng hồ chia độ có 100 vạch, giá trị mỗi vạch
chia tương ứng với 0.01mm hay 0.001mm (còn gọi là Bách phân kế hay Thiên phân kế).
theo trình tự chuyển động, trục răng khía (4) quay kéo bánh răng (6) và làm quay kim
ngắn (7) gắn trên đầu trục của nó. Kim ngắn chạy trên một vòng chia độ gồm 10 vạch
tương ứng với 1mm (Bách phân kế) hay 0.1mm (Thiên phân kế). Ngoài ra trong đồng hồ
còn có các lò xo để đưa các bộ phận chuyển động của đồng hồ về vị trí ban đầu khi phép
đo kết thúc.
Để đo các chuyển vị lớn hay độ võng công trình thường chọn các đồng hồ Bách phân
kế có các hành trình đo là 3cm hay 5cm (chuyển vị lớn nhất có thể đo được).
Trên thực tế khi đo chuyển vị hay độ võng của kết cấu công trình thường dùng hai cách
lắp đặt đồng hồ:

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