THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 4

THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH DÀN THÉP
Trong các công trình dân dụng và công nghiệp, dạng kết cấu hệ thanh chịu lực
được sử dụng rất phổ biến. Một trong những kết cấu thường gặp là dàn thép được cấu tạo
bằng thép hình. Trong bài thí nghiệm này, sẽ khảo sát sự làm việc của mô hình dàn đơn
giản có hai cánh song song.
4.1. Mục đích thí nghiệm
Nghiên cứu quy luật phân bố nội lực trong giới hạn đàn hồi của mô hình dàn thép
chịu tác dụng của tải trọng tĩnh tập trung tại các mắt dàn.
Xác định các giá trị chuyển vị của các mắt dàn và biểu đồ độ võng tổng thể của dàn
tương ứng với các cấp tải trọng tác dụng.
Làm quen với phương pháp thí nghiệm một kết cấu hệ thanh, biết cách sử dụng các
thiết bị đo để xác định các giá trị biến dạng, ứng suất và chuyển vị bằng phương pháp thực
nghiệm.
4.2. Yêu cầu thí nghiệm
Đo biến dạng ε tại một số thanh đại diện trong dàn. Từ đó tính được ứng suất σ và lực dọc
trong các thanh dàn.
Xác định độ võng Δ tại một số vị trí trên dàn.
So sánh kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết.
4.3. Cấu tạo và kích thước dàn thép chịu tải trọng tĩnh

Hình 4.1. Mô hình dàn thép
Dàn thép hình thang năm nhịp, mỗi nhịp cao 0.5m, bước nhịp 1m
Các thanh cánh thép 2L40x40x4 có F= 6.16 cm2, Jx= 9.16 cm4, E= 21.107 N/cm2

Các thanh bụng thép 2L40x40x3 có F= 4.7 cm2, Jx= 7.1 cm4, E= 21.107 N/cm2
4.4. Thiết bị thí nghiệm
1/20

Thiết bị gia tải:
+ Kích thủy lực 20T (đường kính piston Dpiston= 5.59cm) như Hình 4.2
+ Hai quang treo và đòn gia tải như Hình 4.2
Thiết bị đo biến dạng:
+ Các cảm biến đo biến dạng của các thanh thép (strain gage) Hình 4.3
+ Thiết bị ghi tín hiệu P3500 và bộ chuyển kênh SB10 Hình 4.3
Thiết bị đo độ võng: các ±0.01mm (dialmicrometer)
đồng hồ đo chuyển vị bé, độ chính xác như Hình 4.4

Hình 4.2. Hệ thống thí nghiệm mô hình dàn


Hình 4.3. Thiết bị ghi tín hiệu P3500, bộ chuyển kênh SB10 và Strain gage


Hình 4.4. Đồng hồ đo chuyển vị bé dialmicrometer
4.5. Sơ đồ thí nghiệm và các vị trí đo độ võng, biến dạng


Hình 4.5. Sơ đồ thí nghiệm
Có 4 vị trí đo chuyển vị I, II, III, IV
Có 5 vị trí đo biến dạng 1, 2, 3, 4, 5
Diện tích các thanh dàn: F1=F3=F4=F5= 6.16cm2; F2= 4.7cm2
4.6. Quy trình thí nghiệm
Kiểm tra lại dàn thép, vị trí các thiết bị đo biến dạng, chuyển vị
Dự tính cấp gia tải ∆P (kG/cm2) của kích thủy lực :
Diện tích Piston : Fpiston = = π .5,592 πD 2
4

= 24,530(cm 2 )

4

Từ đó ta suy ra lực tác
dụng lên dầm thông qua hai quang treo và đòn gia tải:

P = AFpiston (kG). Ở đây, A= trị số đọc trên kích thủy lực (kG/cm2)
Gia tải theo từng cấp tải: 0 – 10 – 20 – 30 – 40 (daN/m2)
Đầu tiên tiến hành gia tải thử với tải trọng ở cấp thứ nhất quan sát sự làm việc của
dụng cụ đo và toàn bộ mô hình thí nghiệm. Nếu phát hiện sự cố thì cần điều chỉnh lại.
Nếu chúng làm việc bình thường thì hạ tải về không. Đọc các số liệu ban đầu (tương ứng
với P=0) ở các dụng cụ đo.
Tiến hành tác dụng tải trọng theo từng cấp. Sau khi bơm kích thủy lực đạt trị số lực
cần thiết phải dùng lại 5-7 phút rồi ghi số liệu trên các dụng cụ đo
Sau khi đọc số liệu trên các dụng cụ đo ứng với cấp tải trọng cuối cùng thì tiến
hành hạ tải về không. Quá trình giảm tải phải thực hiện từ từ, từng cấp ngược với quá
trình tăng tải và cũng ghi số liệu tương ứng để có những nhận xét về quá trình làm việc
thuận nghịch.
Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng sau:
Kết quả đo lần 1:


Số đọc chuyển vị kế (mm)

Số đọc máy đo µε

Áp lực
(daN/cm2)

biến dạng ()

I

II

III

IV

1

2

3

4

5

0

13

10

1

34

-1924

-1243

-2481

-1469

-2163

10

12.85

10.2

1.24

33.76

-1914

-1242

-2471

-1485

-2178

20

12.56

10.59

1.72

33.30

-1893

-1240

-2446

-1511

-2208

30

12.27

10.99

2.21

33.10

-1870

-1238

-2420

-1538

-2242

40

11.97

11.42

2.71

32.70

-1846

-1234

-2394

-1566

-2279

Kết quả đo lần 2:
Số đọc chuyển vị kế (mm)

Số đọc máy đo µε

Áp lực
(daN/cm2)

biến dạng ()

I

II

III

IV

1

2

3

4

5

0

12.60

10.2

1.1

33.99

-1925

-1243

-2482

-1464

-2161

10

12.35

10.60

1.34

33.73

-1914

-1241

-2472

-1481

-2179

20

12.10

11.1

2.31

33.27

-1893

-1239

-2447

-1509

-2210

30

11.85

11.35

2.81

32.80

-1871

-1236

-2421

-1539

-2243

40

11.97

11.42

2.71

32.35

-1849

-1233

-2395

-1568

-2283

Giá trị trung bình các lần đo:
Chuyển vị (mm)

Biến dạng ()

µε

Áp lực
(daN/cm2)

I

II

III

IV

1

2

3

4

5

0

12.495

10

1

33.995

-1923.5

-1243

-2480

-1465.5

-2162.5

10

12.34

10.205

1.255

34.245

-1913

-1242

-2470

-1482

-2179

20

12.05

10.6

1.735

33.285

-1892

-1240

-2445.5

-1509

-2210

30

12.76

10.995

2.225

33.315

-1869.5

-1238.5

-2419.5

-1537.5

-2243.5

40

11.495

11.41

2.715

32.35

-1846.5

-1234.5

-2394.5

-1566.5

-2282

Chuyển vị và biến dạng qua từng cấp tải ( so với cấp tải ở áp lực 0)


Chuyển vị (mm)

µε

Áp lực
(daN/cm2)

Biến dạng ()

I

II

III

IV

1

2

3

4

5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

10

0.155

0.205

0.255

0.25

10.5

1

10.5

16.5

16.5

20

0.455

0.6

0.735

0.71

31.5

3

35.5

43.5

47.5

30

0.735

0.995

1.225

0.68

54

5.5

61

72

81

40

1.03

1.41

1.715

1.645

77

8.5

86

101

119.5

4.7. Tính toán lý thuyết
Tải trọng tác dụng lên mắt dàn: Pmd =0.5 AFpiston với A nhẫn giá trị lần lượt là: 0, 10,
20, 30, 40.

σi =

N i Tính ứng suất: . Ở đây Ni= lực dọc
Fi trong các thanh dàn được xác định bằng

phần mềm tính kết cấu SAP 2000
Xác định biến dạng theo định luật ε = σ i Hooke:
i
E
Chuyển vị tại các vị trí đã chọn sẽ
được xác định bằng phần mềm tính kết
cấu SAP 2000

Kết quả tính toán được ghi trong bảng sau
Áp
lực
(daN/
cm2)

Lực tác
dụng Pmd
(kN)

0

Chuyển vị (mm)

Lực dọc N (kN)

I

II

III

IV

1

2

3

4

5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

10

1,227

0,177

0,32

0,463

0,592

1,275

0,152

1,275

-4,544

-4,544

20

2,454

0,247

0,448

0,649

0,83

2,256

0,154

2,256

-8,218

-8,218

30

3,681

0,294

0,532

0,77

0,984

3,237

0,155

3,237

-11,89

-11,89

40

4,908

0,289

0,523

0,756

0,967

4,120

0,156

4,120

-15,19

-15,19


Áp lực
(daN/c
m2)

Lực tác
dụng
Pmd (kN)
1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

323,4

2069,8

-7377

-7377

9,86

1,54

9,86

-35,13 -35,13

327,6
6

3662,3

13341

13341

17,44

1,56

17,44

-63,53 -63,53

0

0

10

1,227

2069,
8
3662,
3

30
40

2,454

ε

Ứng suất σ(kN/m )

0

20

Biến dạng (10-6)
2

3,681

5254,
9

329,7
9

5254,9

19305

19305

25,02

1,57

25,02

-91,93 -91,93

4,908

6688,
3

331,9
1

6688,3

24670

24670

31,85

1,58

31,85

-117,5 -117,5

4.8. So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm
Kết quả so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ được thể hiện trong hai đồ thị
biểu hiện mối quan hệ P – ε (Lực tác dụng và biến dạng) và P – Δ (Lực tác dụng và chuyển vị).
Trong mỗi đồ thị sẽ có một đường thể hiện kết quả theo thực nghiệm và một đường thể hiện kết
quả theo lý thuyết như Hình 4.6; Hình 4.7.

Độ sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm được xác định như sau:
+ Độ sai lệch của biến dạng tại vị trí 1:
S BD =

ε TN − ε LT
.100 = −58
ε LT

S BD =

ε TN − ε LT
.100 = −81
ε LT

S BD =

ε TN − ε LT
.100 = −63
ε LT

%
+ Độ sai lệch của biến

dạng tại vị trí 2:
%
+ Độ sai lệch của biến

dạng tại vị trí 3:

dạng tại vị trí 4:

%
+ Độ sai lệch của biến


S BD =

ε TN − ε LT
.100 = 16
ε LT

S BD =

ε TN − ε LT
.100 = 1
ε LT

%
+ Độ sai lệch của biến

dạng tại vị trí 5:

chuyển vị tại điểm I:
SCV =

∆TN − ∆ LT
.100 = 72
∆ LT
%

+ Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm II:
SCV =

∆TN − ∆ LT
.100 = 63
∆ LT
%

+ Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm III:
SCV =

∆TN − ∆ LT
.100 = 56
∆ LT
%

+ Độ sai lệch của chuyển vị tại điểm IV:
SCV =

∆TN − ∆ LT
.100 = 41
∆ LT
%

%
+ Độ sai lệch của


Hình 4.6. Biểu đồ quan hệ P – ε

Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ P – Δ


4.9. Nhận xét kết quả thí nghiệm
Theo lý thuyết vật liệu còn làm việc trong miền đàn hồi, biến dạng tăng
tuyến tính.
Đường biến dạng của lý thuyết và thực tế có có dạng gần tương tự nhau ở
các vị trí 4, 5. Còn ở vị trí 2 theo lý thuyết thanh dàn gần như không biến dạng
nhưng trên thực tế biến dạng thanh dàn lớn hơn rất nhiều
Theo lý thuyết vật liệu còn làm việc trong miền đàn hồi, độ võng tăng tuyến tính.
Biểu đồ giữa lý thuyết và thực tế có dạng và giá trị gần giống nhau, ngoại trừ ở vị
trí IV có sự khác biệt tương đối nhiều.
• Nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch:
Sai số của thiết bị thí nghiệm: bộ phận kích lực, tiết diện dàn không chính xác, khi
đo biến dạng phải lấy giá trị ban đầu khác 0 để làm trung gian…
Dụng cụ thí nghiệm, kết cấu dàn thép được sử dụng làm thí nghiệm nhiều lần nên
không còn đảm bảo chính xác như ban đầu.
Sai số trong quá trình đọc kết quả trên dụng cụ đo, kim đo không chạm hoàn toàn
vào kết cấu, người thí nghiệm chạm vào kết cấu làm ảnh hưởng kết quả đo,…

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 5

THÍ NGHIỆM DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN
Dầm chịu uốn loại kết cấu thường gặp nhất trong các công trình xây dựng. Qua thí
nghiệm này, sinh viên sẽ được quan sát sự làm việc của các vùng bê tông trên kết cấu
dầm, biến dạng, hình thành vết nứt, khớp dẻo và mất ổn định tiến tới phá hoại.
5.1. Mục đích thí nghiệm
Nghiên cứu ứng xử của dầm BTCT theo trạng thái giới hạn II
+ Quan hệ tải trọng – độ võng ( P – Δ) của dầm BTCT. So sánh kết quả tính toán lý
thuyết và số liệu đô đạc thực tế
+ Đo biến dạng của dầm BTCT, so sánh kết quả đo với lý thuyết

5.2. Sơ đồ thí nghiệm và cấu tạo dầm


Hình 5.1. Cấu tạo dầm BTCT

Hình 5.2. Sơ đồ bố trí thiết bị gia tải dầm
Dầm bêtông cốt thép chịu uốn với nhịp L= 2.7m chịu tác dụng của hai lực tập trung
cách gối 0.9m như Hình 5.1
Tiết diện dầm hình chữ nhật bxh= 15 x 25 cm như Hình 5.1
Bêtông cấp độ bền B30, Rb= 17.5 Mpa
Cốt thép dọc AII 2d12 + 3d14, thép đai AI d8a150 như Hình 5.1
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ a= 25mm như Hình 5.1
Ω thép đặt tại giữa nhịp.
Cảm biến điện trở đo biến dạng ±0.5%

Biến trở loại

chuẩn dài 10mm, 120, hệ số GF= 2.05 như Hình 5.1
5.3. Thiết bị thí nghiệm
Khung gia tải MAGNUS, kích thủy lực (Pmax= 200kN) Hình 5.2
Đồng hồ đo độ võng của dầm (dial micrometers)
Cảm biến điện trở đo biến dạng thép
Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến (P3500 + SB10)
5.4. Trình tự thí nghiệm
Cấp tải trọng lấy bằng 1/10 giá trị của tải trọng phá hoại dầm.
Hai tải tập trung được áp đặt lên dầm bằng kích thủy lực
Trước khi thí nghiệm lấy kết quả đo cần phải gia tải thử kiểm tra với ba cấp đầu
tiên, sau đó hạ tải về không (P= 0). Đọc các số liệu ban đầu (tương ứng với P= 0) ở các
dụng cụ đo
Gia tải từng cấp khoảng 2kN tăng dần đến khoảng P= 10kN
Sau mỗi cấp tải cần giữ nguyên giá trị tải trọng từ 3-5 phút rồi tiến hành đọc số liệu
trên các dụng cụ đo. Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng sau:
Kết quả đo lần 1:
Tải trọng
(kN)
0
2
4
6
7.9

Số đọc chuyển vị kế (mm)
I
II
III
4.86

6.1
5.2
4.98
6.19
5.15
5.13
6.38
5.33
5.32
6.56
5.48
5.42
6.75
5.65

Số đọc máy đo biến dạng (10-6)
1
2
+2917
-0521
+2934
-0533
+2961
-0550
+2993
-0568
+3022
-0583

Kết quả đo lần 2:
Số đọc máy đo biến dạng (10-6)
1
2
+2911
-0518
+2933
-0532
+2951
-0549
+2983
-0565
+3009
-0582

Tải trọng
Số đọc chuyển vị kế (mm)
I
II
III
(kN)
0
4.87
6.1
5.1
2
5.0
6.18
5.15
4

5.15
6.34
5.29
6
5.34
6.54
5.46
7.9
5.45
6.76
5.62
Xử lý kết quả thí nghiệm
Giá trị trung bình các lần đo
Số đọc chuyển vị kế (mm)
II
III

Số đọc máy đo biến dạng (106)
1
2

Tải trọng
(kN)

I

0
2

4.865

4.99

6.1
6.185

5.15
5.15

2914
2933.5

-519.5
-532.5

4
6

5.14
5.33

6.36
6.55

5.31
5.47

2956
2988

-549.5

-566.5

7.9

5.435

6.755

5.635

3015.5

-582.5

III
0
0
0.16
0.16
0.165

1
0
19.5
22.5
32
27.5

2
0

-13
-17
-17
-16

Độ võng và biến dạng qua từng cấp tải
Tải trọng
(kN)
I
0
0.125
0.15
0.19
0.105

0
2
4
6
7.9

II
0
0.085
0.175
0.19
0.205

5.5. Tính toán theo lý thuyết
Tiết diện dầm bêtông: bxh= 0.15x0.25m

Diện tích cốt thép chịu kéo: As= 4.62cm2
Diện tích cốt thép chịu nén:

As' = 2.26cm 2

Lớp bê tông bảo vệ:
a=a = 25mm
’

Tính các thông số:
Tiết diện quy đổi:

α=

Es
21× 104
=
= 6.462
Eb 32.5 × 103

Ared = bh + α ( As + As' ) = 150 × 250 + 6.462 × (462 + 2.26) = 41946 mm 2


Moment tĩnh tiết diện quy đổi:
bh 2
150 × 2502
'
'
S red =
+ α  aAs + (h − a ) As  =

+ 6.462 [ 25 × 462 + (250 − 25) × 226 ]
2
2
= 5090728.8mm 2
5090728.8
= 121.36mm
41946
y2 = h − y1 = 250 × 121.36 = 128.64mm Moment quán tính của
bêtông đối với trục trung hòa:
y1 =

2

bh3
h

Ib =
+ bh  y1 − ÷ 2
3
12 
2 

150 × 250
250
4
Ib =
+ 150 × 250 × 121.36 −
÷ = 195809360mm
12
2 



Moment

quán tính của tiết diện quy đổi:
I red = I b + α As ( y1 − a ) 2 + α As' ( y2 − a ' )2 = 239216602.5mm 4
Mô men kháng uốn của tiết diện quy đổi:
Giả thiết ứng suất kéo do cốt thép chịu kéo A s chịu, ứng suất nén do bê tông và cốt thép
chịu nén chịu. Ứng suất trong cốt thép chịu kéo và trong vùng chịu nén được tính theo
công thức:

σs =

M . y1
M . y2
; σb =
I red
I red Biến dạng được tính theo công

thức

σs
σ
; εb = b
Es
Eb Sử dụng phần mềm Sap2000 để xác
định nội lực và chuyển vị của dầm qua từng cấp tải kết quả được thể hiện trong bảng sau:
εs =

Tải trọng

Chuyển vị (mm)
(kN)
I
II
III
0
0
0
0
2
0.117
0.131
0.117
4
0.234
0.263
0.234
6
0.315
0.394
0.315
7.9
0.462
0.519
0.462
Kết quả tính toán ứng suất và biến dạng

Moment (kN.m)
1
0

0.9
1.8
2.7
3.6

2
0
0.9
1.8
2.7
3.6

Ứng suất (kN/m2)
Biến dạng (10-6)
1
2
1
2
0
0
0
0
0
2
456.59
483.98
21.74
14.89
4
913.18

967.96
43.48
29.78
6
1369.77
1451.94
65.23
44.67
7.9
1826.36
1935.92
86.97
59.57
Kết quả so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm sẽ được thể hiện trong hai đồ thị biểu hiện
Tải trọng (kN)


mối quan hệ P – ε ( Lực tác dụng và biến dạng) và P – Δ (Lực tác dụng và chuyển vị). Trong
mỗi đồ thị sẽ có một đường thể hiện kết quả theo thực nghiệm và một đường thể hiện kết quả theo
lý thuyết

Độ sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm được xác định như sau:

ε TN − ε LT
.100
dạng:
ε LT
∆ − ∆ LT
= TN
.100

∆ LT
vị:

S BD =
SCV

5.5. Vẽ biểu đồ so sánh giữa lý thuyết và thực tế
5.5.1. Biểu đồ P – Δ

+ Độ sai lệch của biến
+ Độ sai lệch của chuyển



Nhận xét
Dạng biểu đồ chuyển vị thực tế có dạng tuyến tính, phù hợp với tính toán lý thuyết.
Tại cùng một cấp tải, giá trị chuyển vị của tính toán lý thuyết lớn hơn giá trị chuyển
vị thực tế, điều này là do khi thực tế có sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép.
5.5.2. Biểu đồ P – ε


Nhận xét:
Đối với vị trí 1, biến dạng giữa lý thuyết và thực tế đều có dạng tuyến tính nhưng
giá trị chênh lệch lớn. Nguyên nhân là do khi tính toán lý thuyết, giả thiết ứng suất
kéo do cốt thép chịu kéo chịu nhưng trên thực tế bê tông cũng tham gia chịu một
phần.
Tại vị trí 2, đồ thị biến dạng giữa lý thuyết và thực tế có sự tương đồng về hình
dạng và giá trị vì khi tính toán lý thuyết đã kê đến sự làm việc chung giữa bê tông
và cốt thép chịu nén.