Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ THÍ NGHIỆM VÀ KIỂM ĐỊNH CÔNG TRÌNH 1. Vai trò và nhiệm vụ của thí nghiệm và kiểm định công trình Thí nghiệm công trình là một lĩnh vực của nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá khả năng làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình xây dựng để kiểm tra, so sánh với kết quả tính toán (lí thuyết). Thí nghiệm công trình bao gồm các thí nghiệm, thử nghiệm được thực hiện trên các mẫu thử vật liệu, cấu kiện và kết cấu công trình tuân theo một qui trình được xác lập bởi các mục tiêu của đề tài nghiên cứu hay của các tiêu chuẩn, qui phạm hiện hành. Trong quá trình xây dựng các phương pháp tính toán, các tác giả đã sử dụng nhiều giả thiết để đơn giản bớt nhiều hiện tượng và trạng thái làm việc phức tạp của vật liệu và kết cấu công trình cho phù hợp với các qui luật, tham số của các thuật toán đã lựa chọn.
Những số liệu, thông số và các đặc trưng cơ lý của vật liệu được cung cấp ban đầu để đưa vào tính toán phải đảm bảo đầy đủ, chính xác nhất có thể so với thực tế. Nhiệm vụ cơ bản của nghiên cứu thực nghiệm nói chung, thí nghiệm công trình nói riêng là phát hiện, phân tích, đánh giá và rút ra những kết luận về khả năng làm việc thực tế - độ cứng, độ bền, độ ổn định và tuổi thọ của kết cấu công trình để so sánh với những kết quả đã tính toán bằng các phương pháp tính lí thuyết. Trong nhiều trường hợp, kết quả của nghiên cứu thực nghiệm còn thay thế được lời giải của các bài toán đặc thù, phức tạp mà nếu sử dụng các phương pháp lí thuyết sẽ mất quá nhiều công sức, thậm chí không giải quyết được. Từ kết quả của nghiên cứu thực nghiệm, các nhà khoa học tiếp tục sửa đổi, hoàn thiện các phương pháp tính đã có và có thể phát minh ra phương pháp tính mới cho kết quả có độ chính xác cao hơn.
Kiểm định công trình xây dựng là hoạt động khảo sát, kiểm tra, đo đạc, thử nghiệm, định lượng một hay nhiều tính chất của vật liệu, sản phẩm hoặc kết cấu công trình. Trên cơ sở đó, căn cứ vào mục tiêu kiểm định, tiến hành phân tích, so sánh, tổng hợp, đánh giá và rút ra những kết luận về công trình theo quy định của thiết kế và tiêu chuẩn xây dựng hiện hành được áp dụng. Khi tiến hành công tác kiểm định công trình, một nội dung quan trọng là tiến hành các thí nghiệm công trình để xác định các tính chất, các thông số kĩ thuật của sản phẩm hoặc kết cấu công trình. Để phân tích, đánh giá và so sánh khả năng làm việc của vật liệu và kết cấu công trình, nội dung của các ngành khoa học liên quan như: Sức bền vật liệu, Cơ 3 học kết cấu, Vật liệu xây dựng, Kết cấu bê tông cốt thép và gạch đá, Kết cấu thép - gỗ, Công nghệ và kỹ thuật thi công.
là những kiến thức không tách rời khỏi chuyên ngành thí nghiệm và kiểm định công trình. Những cán bộ khoa học làm công tác nghiên cứu, thiết kế các công trình xây dựng - đặc biệt khi nghiên cứu, áp dụng các loại vật liệu mới, kết cấu mới, những công trình đặc biệt, không thể không tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tra các kết quả tính toán, so sánh, đánh giá sự làm việc thực tế của vật liệu và kết cấu công trình so với các giả thiết đã đặt ra. Trong các phương pháp tính toán đang được sử dụng, các tiêu chuẩn và qui phạm hiện hành, cần có các đặc trưng cơ lí của vật liệu, các hệ số hoặc các giá trị của nhiều tham số được xác định bằng thực nghiệm. Đây cũng là một lĩnh vực có sự đóng góp của thí nghiệm công trình trong quá trình xây dựng các tiêu chuẩn, qui trình, qui phạm.
Chất lượng của công trình xây dựng mới, trước hết phụ thuộc vào chất lượng của các loại vật liệu sử dụng, vào qui trình và công nghệ thi công. Để so sánh, đánh giá chất lượng công trình với các yêu cầu kĩ thuật của đồ án thiết kế, công tác thí nghiệm và kiểm định đóng vai trò quan trọng để đảm bảo chất lượng công trình. Các kết quả thí nghiệm và kiểm định công trình là các tài tiệu bắt buộc để nghiệm thu, lưu hồ sơ kĩ thuật để đưa công trình vào khai thác sử dụng. Đối với các công trình đã và đang khai thác sử dụng, có thể do các nguyên nhân chủ quan hay khách quan, cần phải sửa chữa, cải tạo hay nâng cấp.
Công tác thí nghiệm và kiểm định công trình là bước đầu tiên cần thực hiện để phục vụ cho nhiệm vụ thiết kế sữa chữa, cải tạo hay nâng cấp công trình. Sơ lược quá trình phát triển của khoa học thực nghiệm xây dựng 1. Sự ra đời của khoa học thực nghiệm xây dựng Sự phát triển mạnh mẽ của nền sản xuất, dẫn đến việc chuyên môn hóa trong các lĩnh vực của xây dựng. Thế kỷ 17 - 18, các thí nghiệm về vật liệu được các nhà nghiên cứu thực hiện thuộc lĩnh vực sức bền vật liệu (SBVL).
Chủ yếu quan tâm đến giá trị cường độ phá hoại vật liệu tương ứng với thời điểm và tải trọng ở giai đoạn phá hoại kết cấu. Diễn biến trong thời gian làm việc của vật liệu và kết cấu chưa được quan tâm. Các thí nghiệm đầu tiên: - Thí nghiệm kết cấu vòm: Năm 1732 của kỹ sư Danizơ (Pháp); 4 - Thí nghiệm cấu kiện chịu uốn: Năm 1767 của kỹ sư Duygamen (Pháp); - Thí nghiệm mô hình kết cấu dàn: Năm 1776 của kỹ sư Kulibin (Nga). Sự hình thành các phòng thí nghiệm xây dựng Năm 1847: Phòng thí nghiệm cơ học Cambrige ra đời.
Lần đầu tiên trên thế giới có một cơ sở được tập trung trang bị những máy thí nghiệm chuyên dùng cho việc xác định những đặc tính cơ học của vật liệu và kiểm tra sự làm việc của những cấu kiện đơn giản. Năm 1853: Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng Peterbua ra đời tại Trường Đại học Giao thông vận tải Peterbua (Nga). Trung tâm thí nghiệm vật liệu xây dựng danh tiếng. Đây là nơi mà các thử nghiệm phục vụ nghiên cứu ứng dụng hàng loạt các cấu kiện và kết cấu xây dựng mới được tiến hành.
Cuối thế kỷ 19, các phòng thí nghiệm xây dựng tại các nước châu Âu như Paris (Pháp), Berlin (Đức), Roma (Ý). Nội dung thí nghiệm bao gồm các loại vật liệu thường dùng như gỗ, gang thép, gạch đá. Các cấu kiện thí nghiệm: kết cấu tấm, dầm, dàn các loại, vòm bể chứa. Một trong những kết quả nghiên cứu là: Tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn.
Đến nay, các phòng thí nghiệm xây dựng trên thế giới rất phát triển và được đặc biệt đầu tư để đáp ứng nhu cầu xây dựng hiện đại. Sự phát triển của thí nghiệm xây dựng ở Việt Nam Sau năm 1954, với sự giúp đỡ của khối các nước xã hội chủ nghĩa như Liên Xô, Trung Quốc… trên miền Bắc của Việt Nam mới hình thành một số phòng thí nghiệm gồm: - Viện Khoa học Giao thông vận tải thuộc Bộ Giao thông vận tải được thành lập cùng với việc xây dựng phòng thí nghiệm đã đưa vào hoạt động những năm 1955 - 1956; - Viện Khoa học và Công nghệ xây dựng thuộc Bộ Xây dựng được đầu tư xây dựng vào những năm 1956 - 1960 do Trung Quốc viện trợ, bao gồm hệ thống các phòng thí nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu cơ bản về xây dựng, phòng thí nghiệm công trình, nơi tiến hành thử nghiệm cấu kiện và mô hình kết cấu. Hiện nay, với sự đầu tư, bổ sung nhiều trang thiết bị hiện đại nên hệ thống các PTN tại đây là tiên tiến và hiện đại nhất trong lĩnh vực xây dựng của cả nước; 5 - Viện Khoa học Thủy lợi: Xây dựng khoảng những năm 1960 - 1961; - Phòng thí nghiệm công trình thuộc Khoa Xây dựng Trường Đại học Bách khoa - Hà Nội. Hiện nay là Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình (LAS125- XD) - Trường Đại học Xây dựng được xây dựng vào năm 1962 - 1964 do Liên Xô viện trợ.
Hiện nay, trên cả nước có rất nhiều phòng thí nghiệm và kiểm định công trình được thành lập đáp ứng nhu cầu kiểm định tại các tỉnh thành, phục vụ cho sự phát triển kinh tế của đất nước. Phân loại phương pháp thí nghiệm 1. Căn cứ theo mức độ biến dạng Phương pháp thí nghiệm loại này được chia thành hai nhóm gồm: - Phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu thử: Áp dụng các loại vật liệu xây dựng: kim loại, bê tông, gạch đá, vữa, gỗ. Phương pháp thí nghiệm này cho phép quan sát trực tiếp hình ảnh và các chỉ tiêu cơ lý về trạng thái ứng suất biến dạng của vật liệu (kéo, nén, uốn, xoắn.) qua từng giai đoạn làm việc cho đến khi phá hoại hoàn toàn.
Kết quả thí nghiệm thu được là cơ sở để đánh giá chất lượng thực tế của vật liệu; - Phương pháp thí nghiệm không phá hoại: Sử dụng nguyên lý so sánh chuẩn hay sử dụng biểu đồ chuẩn để làm nguyên lý cơ bản để khảo sát chất lượng vật liệu. Quan hệ giữa các thông số trực tiếp đại diện cho chất lượng vật liệu (như cường độ, độ rỗng, kích thước khuyết tật.) và các thông số gián tiếp thu được từ thiết bị không phá hoại (như kích thước vết lõm, trị số bật nảy, tốc độ truyền sóng siêu âm.) được thiết lập từ việc khảo sát trực tiếp trên mẫu chuẩn trong phòng thí nghiệm và quan hệ này được cụ thể hóa thành biểu đồ chuẩn. Thông qua biểu đồ chuẩn, các thông số trực tiếp đại diện cho chất lượng vật liệu trên kết cấu được xác định thông qua các thông số gián tiếp khi khảo sát thực tế trên kết cấu. Căn cứ theo tính chất của tải trọng Phương pháp thí nghiệm loại này được chia thành hai nhóm gồm: - Thí nghiệm tĩnh: Thí nghiệm công trình dưới tác dụng của tải trọng tĩnh cho phép xác định trạng thái ứng suất, biến dạng và chuyển vị của cấu kiện kết cấu công trình; 6 - Thí nghiệm động: Tải trọng thay đổi theo thời gian tác dụng lên kết cấu công trình gây ra các tác động động lực học.
Các tác động động lực ngoài ảnh hưởng đến độ cứng, độ bền, ổn định của kết cấu công trình còn tác động đến con người, máy móc, dây chuyền công nghệ và môi trường ở trong và lân cận công trình khai thác.