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 không 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 Quí Đức. Ngoài ra, báo cáo này đã được sự giúp sức biên soạn của anh.
Chúng tôi trân trọng cảm ơn đóng góp của anh cho sự thành công của đề tài. 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 Luan van 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 công bố trong nhiều nghiên cứu khác nhau ở nước ngoài.
CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Vào năm 2008, các ông T. Hashimoto [1] đã giới thiệu phương pháp tiếp cận dựa trên hình ảnh để phát hiện các vết nứt trên bề mặt bê tông.Dias-da-Costa, E. Julio (2012) [2] đề xuất việc xác định tính chất của vết nứt của bê tông trong quá trình kiểm tra thí nghiệm sử dụng xử lý hình ảnh. Nhóm nghiên cứu gồm R.
Bagchi (2012) [3] đề xuất một phương pháp mới để xác định thuộc tính của vết nứt bê tông 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.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 tông cốt thép. Ông 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 không thể tìm thấy các vết nứt phát sinh. 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 tông 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 tông Luan van Trang 3 Giai đoạn hình thành vết nứt: hình thành các vùng biến dạng, vết nứt nhỏ li ti, mắt thường chúng ta không 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 hoàn toàn. 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 rông, 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 quá 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 soát quá trình phá hủy của bê tông cốt thép.
Ở quy mô phòng 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 không mô tả được sự khác nhau về kích thước vùng nứt khi bê tông 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 tông.
Ông dùng mô hình phẳng cho dầm bê tông 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. Mô 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 tông Luan van 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 quá 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 mô 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. 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. 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 Luan van 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 quá trình thí nghiệm - Lấy ảnh trong quá 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. 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 Luan van 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 tông Luan van Trang 7 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DIC 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 không biến dạng có thể được nhận biết.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 ) * (1) y = y + v( x, y ) Với hình ảnh chưa biến dạng, lưới hữu hạn được sử dụng để chia những ảnh gốc thành các ảnh phụ.