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

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

CƠNG 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

MÃ SỐ:T2019-83TĐ

SKC 0 0 6 7 8 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019


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

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 TƠNG
Mã số: T2019-83TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Lê Anh Thắng

TP. HCM, Tháng 12, Năm 2019

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 tơng


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
Mã số: T2019-83TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Lê Anh Thắng

TP. HCM, Tháng 12, Năm 2018
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


Mục lục
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
A. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC................................................................... 2
B. CÁC NGHIÊN CỨU NGỒI 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 tốn vùng biến dạng ..................................................................................... 8
1.3. Tính tốn 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
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


3.2. Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gauge (cảm biến điện trở dây) ...................... 23
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. Cơng 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

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 tơng


DANH MỤC BẢNG
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

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 tơng


DANH MỤC HÌNH ẢNH
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 thơ 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 cơng cốt thép và ván khuôn ................................................................. 26
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 tơng


Hình 2.14. Q trình trộn bê tơng................................................................................. 27
Hình 2.15. Cơng tác đầm dùi ........................................................................................ 27
Hình 2.16. Mơ 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
Hình 5.4: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2 .............................. 42
Hình 5.5: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 3-3 .............................. 43

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 tơng


Hình 5.6: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 4-4 .............................. 43
Hình 5.7: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 5-5 .............................. 44
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 5.9: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1 .............................. 48
Hình 5.10: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2 ............................ 48
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 5.13: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 1-1 ............................ 53
Hình 5.14: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 2-2 ............................ 54
Hình 5.15: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 3-3 ............................ 55
Hình 5.16: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 4-4 ............................ 55
Hình 5.17: Biểu đồ cấp tải trọng và bề rộng vết nứt tại mặt cắt 5-5 ............................ 56
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

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 tơng


Hình 5.21: Biểu đồ giữa chiều rộng (Wc) và chiều dài vết nứt (Lc) của dầm BTCT xỉ
...................................................................................................................................... 61

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 tơng


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA XÂY DỰNG
Tp. HCM, ngày 26 tháng 03 năm 2020
THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng 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 tơng.
- 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 tơng 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 q trình thí nghiệm.
4. Kết quả nghiên cứu:
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


Mơ hình có thể được áp dụng để xây dựng trường biến dạng trên các cấu kiện
bê tông cốt thép mà không cần đặt nhiều Strain Gauge đo biến dạng.
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:
-

01 Tạp chí trong nước.

-

01 Hội nghị quốc tế

Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)

TS. LÊ ANH THẮNG

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 tơng


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
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:

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 tơng


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. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
-

01 national journal

-

01 paper in International Conference Proceeding

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 tơng


Trang 1

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 khơng 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 Q
Đức. Ngồi ra, báo cáo này đã được sự giúp sức biên soạn của anh. Chúng tơi trân trọng
cảm ơn đóng góp của anh cho sự thành công của đề tài.

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


Trang 2

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 cơng bố
trong nhiều nghiên cứu khác nhau ở nước ngồi.
B. CÁC NGHIÊN CỨU NGỒI NƯỚC
Vào năm 2008, các ơng 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 tơng trong q 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 tơng 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 tơng cốt thép. Ơng 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 khơng 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 tơng cốt
thép nói riêng được chia thành 2 giai đoạn chính:

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 tơng


Trang 3
Giai đoạn hình thành vết nứt: hình thành các vùng biến dạng, vết nứt nhỏ li ti, mắt
thường chúng ta khơng 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 hồn tồn.
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 rơng, 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 q 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 sốt q
trình phá hủy của bê tơng cốt thép. Ở quy mơ phịng 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 khơng mơ
tả được sự khác nhau về kích thước vùng nứt khi bê tơng 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 tơng. Ơng dùng mơ hình
phẳng cho dầm bê tơng 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. Mơ 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
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 tơng


Trang 4
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 q 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 mơ 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.

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 tơng


Trang 5
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 q trình thí nghiệm
- Lấy ảnh trong q 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.

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 tơng

Trang 6

NỘI DUNG

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 tơng


Trang 7

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DIC

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 khơng 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:

 x*= x + u ( x, y )
 *
 y = y + v( x, y )

(1)

Với hình ảnh chưa biến dạng, lưới hữu hạn được sử dụng để chia những ảnh gốc
thành các ảnh phụ. Giả sử ảnh phụ chưa biến dạng là A, hình ảnh phụ sau biến dạng là
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

COF =

∑ g g
∑ g .∑ g
ij

2
ij

ij

(2)

2
ij

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 tơng


Trang 8

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

 " lần lượt là thang độ xám của ảnh A ở tọa độ (i,j) và ảnh
Trong đó, " g ij " và " g
ij
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 tốn vùng biến dạng
Green–Lagrange’s tensor E được định nghĩa là:

=
E

1 T
 F ⊗ F − 1
2

(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.

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 tơng


Trang 9

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:

Eij =

1
1
(ui , j + u j ,i ) + uk ,iuk , j
2

2

(4)

Trong đó:

i, j , k ∈ ( x, y ) và ui , j =

∂ui
∂j

Biến dạng được tính theo các biểu thức sau:
2
∂u x 1  ∂u x   ∂u y
ε xx =
+ 
 +
∂x 2  ∂ x   ∂ y






2
∂u y 1  ∂u x   ∂u y
+ 
ε yy =
 +
∂y 2  ∂ y   ∂ y







ε xy =

2






2






1  ∂u x ∂u y  1  ∂u x ∂u x ∂u y ∂u y 
+
+


+ 
∂x  2  ∂ x ∂y
∂ x ∂y 

2  ∂y

(5a)

(5b)

(5c)

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 tơng


Trang 10

ευ M =

2((ε1 − ε 3 ) 2 + ε12 + ε 32 )
3

(5d)

Trong đó:
εvM là biến dạng tương đương; ε1 và ε3 là những biến dạng lớn nhất và nhỏ
nhất.
1.3.Tính tốn 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 tốn như mơ 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 vng 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 QQ ' . Vector QQ ' đại diện cho sự dịch chuyển


của 2 khối ở 2 bên vết nứt. Gọi góc φ là góc giữa 2 vector QQ ' và PQ . Chuyển vị tách,


ωc, hay còn gọi là sự phát triển chiều rộng vết nứt theo phương của vector PQ và
chuyển vị trượt, τc, có thể được tính toán bằng các biểu thức sau:

w c = QQ ' cosϕ


τ c = QQ ' sin ϕ

(6)
(7)

Trong các biểu thức trên, đơn vị tính wc, τc là pixel. Để đổi ra mm, chúng ta phải
xác định tỉ lệ pixel/mm. Biểu thức (6) cho thấy góc φ chỉ đáng kể nếu như giá trị của nó
nằm trong khoảng giữa ± π

/ 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 tơng


Trang 11
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.

TT

Góc φ

1

π /2

2

0

3

-π

Bảng 1.1: Mô tả ứng xử của đường nứt
Vết nứt wc Chuyển vị τc
Mô tả hành vi nứt
Chỉ chuyển vị ngược chiều kim đồng
0
>0
hồ mà không tách rời hoặc nứt

/2

>0

0

0

<0

Chỉ tách hoặc nứt mà không chuyển vị
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

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 tơng