CHƯƠNG 1: THÍ NGHIỆM DÀN THÉP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH 1. Mục đích thí nghiệm: Làm quen với phương pháp thí nghiệm một kết cấu hệ thanh, biết cách sử dụng các thiết bị đo để xác định ứng suất, chuyển vị bằng phương pháp thực nghiệm. Đo biến dạng tại 2 điểm I và II bằng đồng hồ đo chuyển vị. Đo biến dạng tại các thanh 2, 3, 5, 7 thông qua các cảm biến kết nối với máy đo biến dạng điện trở di động P-3500, bộ chuyển đổi SB-10.
Kiểm chứng và đánh giá sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm: - Ứng suất trong các thanh dàn (thể hiện qua biến dạng của thanh dàn) - Chuyển vị của dàn (dựa vào đo độ võng và chuyển vị tại một số vị trí trên dàn thép) 1. Thông số dàn thép: Hình 1. Hình ảnh dàn thép trong phòng thí nghiệm Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm dàn thép I và II là vị trí đo chuyển vị 2, 3, 5, 7 là vị trí cảm biến điện trở đo biến dạng Lớp L01 – Nhóm 1A 8 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Dàn thép hình thang 5 nhịp, cao 0.5m, bước nhịp 1m: + Các thanh cánh và thanh bụng ngoài: Thép 2L40x40x4 Diện tích: A = 2 × 3.16 cm2 Moment quán tính: Ix = 4.47 cm4 Mô đun đàn hồi: E = 2.1 × 107 N/cm2 + Các thanh bụng trong: Thép 2L40x40x3 Diện tích: A = 2 × 2.70 cm2 Moment quán tính: Ix = 3.45 cm4 Mô đun đàn hồi: E = 2.
Thiết bị thí nghiệm: a) Thiết bị gia tải: Kích thủy lực 20T, 2 quang treo và đòn gia tải Hình 1. Màn hình thể hiện tải Hình 1. Kích thủy lực Hình 1. Quang treo và đòn gia tải b) Cảm biến điện trở đo biến dạng thép (Strain gages: 120Ω, GF = 2.
Tensometer cảm biến điện trở Lớp L01 – Nhóm 1A 9 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn c) Hệ thống thu nhận tín hiệu cảm biến P3500 + SB10 Hình 1. Máy đo biến dạng điện trở di động P-3500 và bộ chuyển đổi SB-10 Thông số kỹ thuật máy đo biến dạng điện trở di động P-3500: Dải đo: ±19.999με với hệ số gauge < 6.999με với hệ số gauge < 6.000 Phạm vi áp dụng: phù hợp với strain gauges 120Ω và 350Ω Độ chính xác: 0.5% Độ phân giải: 1με Số cổng đo: 5 Nguồn: pin hoặc nguồn 220V Kích thước: 228x152x152mm Khối lượng: 2.9kg Thông số kỹ thuật bộ chuyển đổi SB-10: Số cổng: 10 Kích thước: 228x152x152mm Khối lượng: 2.5kg d) Thước kẹp, thước cuộn Hình 1. Thước kẹp Hình 1. Thước cuộn Lớp L01 – Nhóm 1A 10 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn e) Đồng hồ đo độ võng (Dial micrometer) Hình 1.
Đồng hồ đo độ võng 1. Sơ đồ thí nghiệm: Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm dàn thép I và II là vị trí đo chuyển vị 2, 3, 5, 7 là vị trí cảm biến điện trở đo biến dạng 1. Trình tự thí nghiệm: Bước 1: Đo đạc các kích thước của dàn thép.
Bước 2: Xác định cách thức đặt tải trọng lên dàn. Xác định các vị trí đo đạc, kiểm tra thiết bị và chạy thí nghiệm thử. Bước 3: Kiểm tra hệ thống lần cuối và tiến hành thí nghiệm. Bước 4: Chỉnh tải trọng trên đồng hồ chuyển vị về 0, đọc số trên thiết bị đo biến dạng được đặt trên bàn.
Lớp L01 – Nhóm 1A 11 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Bước 5: Bắt đầu kích áp lực tới 4kN bằng cách dùng tay đẩy piston phía dưới. Quan sát màn hình điện tử thể hiện 4.00kN ta bắt đầu đọc chuyển vị trên đồng hồ I và II sau đó tiếp tục đọc số trên đồng hồ biến dạng và ghi các số liệu vào giấy của lần kích tải đầu tiên là 4, các bạn chưa có nhiệm vụ đứng xung quanh hỗ trợ kiểm tra đọc và ghi số của các bạn. Bước 6: Tiếp tục tăng áp lực lên 8. Đọc các số liệu được đo trên đồng hồ chuyển vị và biến dạng.
Kiểm tra lại số liệu đọc và ghi. Khi kết thúc lần đo 1, ta để dàn thép nghỉ ngơi 5 phút để hồi phục lại và tiếp tục làm thí nghiệm lần 2. Số lần gia tải và kích tải như trên. Kết quả thí nghiệm: 1.
Số liệu thí nghiệm: Bảng 1. Bảng giá trị số đọc chuyển vị kế và máy đo biến dạng (lần 1) Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6) F (kN) I II 2 3 5 7 0 0. Bảng giá trị số đọc chuyển vị kế và máy đo biến dạng (lần 2) Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6) F (kN) I II 2 3 5 7 0 0.780 -1535 -2238 -0657 -3411 Lớp L01 – Nhóm 1A 12 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn 1. Xử lý số liệu thí nghiệm: Giá trị trung bình 2 lần thí nghiệm: Bảng 1.
Bảng giá trị trung bình 2 lần đo số đọc chuyển vị kế và máy đo biến dạng Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6) F (kN) I II 2 3 5 7 0 0.5 Do đồng hồ chuyển vị được reset về 0 tại mốc áp lực 0 nên ta không cần tính hiệu số mà số đọc đồng hồ cũng chính là giá trị chuyển vị cần đo so với chuyển vị mốc tại áp lực 0. Ta cần phải hiệu chỉnh giá trị biến dạng để xác định được giá trị biến dạng so với mốc tại cấp áp lực 0. Bảng giá trị chuyển vị và biến dạng so với mốc 0 Số đọc chuyển vị kế (mm) Số đọc máy đo biến dạng (10-6) (so với mốc 0) F (kN) I II 2 3 5 7 0 0.5 Tính ứng suất trong các thanh dàn: (thể hiện qua biến dạng của các thanh dàn) Định luật Hooke: 𝛔 = 𝐄𝛆 Trong đó: σ là ứng suất của thanh dàn (kN/cm2) E là modul đàn hồi của thép E = 21000 (kN/cm2) ε là biến dạng của thanh dàn, bằng trị số đọc trên P3500 (×10-6) Lớp L01 – Nhóm 1A 13 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Bảng 1. Bảng giá độ võng và ứng suất (thực nghiệm) Độ võng (mm) Ứng suất (kN/cm2) F (kN) I II 2 3 5 7 0 0.80 Vị trí I Vị trí II 0.00 0 4 8 12 Tải trọng (kN) Hình 1.
Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm tải trọng P - độ võng δ tại vị trí I và II 2.00 Thanh số 2 Thanh số 3 0.00 0 4 8 12 Tải trọng (kN) Hình 1. Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm tải trọng P - ứng suất σ thanh số 2, 3, 7 Lớp L01 – Nhóm 1A 14 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Tải trọng (kN) 0 4 8 12 0. Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm tải trọng P - ứng suất σ thanh số 5 1. Kết quả tính toán bằng lý thuyết cơ học kết cấu: N Ta có: = A Mà = E (Định luật Hooke) N Vậy = AE σ là ứng suất (kN/cm2) N là lực tác dụng lên điểm đặt (kN) A là diện tích mặt cắt ngang tiết diện (cm2) ε là biến dạng của cấu kiện (×10-6) E là mô đun đàn hồi của thép E = 21000 (kN/cm2) Giải hệ bằng lý thuyết cơ học kết cấu: Để giải hệ dàn siêu tĩnh chịu lực F, ta giải hệ chuẩn có F = 1 (kN).
Khi đó, hệ chịu lực F sẽ tuyến tính F lần so với hệ chuẩn. Ta giải hệ bằng phương pháp lực: Hình 1. Hệ chuẩn chịu lực đơn vị Lớp L01 – Nhóm 1A 15 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Bước 1: Giải phóng liên kết thừa siêu tĩnh tại B, ta có hệ cơ bản tĩnh định và ẩn lực ngang X. Hệ chuẩn cơ bản Bước 2: Để tìm ẩn lực X ta cần giải điều kiện chuyển vị ngang tại B của hệ cơ bản bằng 0.
Phương trình chính tắc là: ∆B = δ11 × X + ∆1P = 0 Bước 3: Vẽ biểu đồ nội lực hệ NP do lực F gây ra cho hệ cơ bản: Hình 1.16 Hệ NP Dưới tác dụng của lực đơn vị X = 1, hệ tĩnh định trên có thể giải đơn giản bằng phương trình cân bằng lực và tìm được phản lực gối tựa tại A và B. Sau đó dùng phương pháp tách nút lần lượt theo thứ tự nút 1, 2, 3, 4, 5, 6, mỗi nút có 2 ẩn lực là lực dọc trong các thanh. Cân bằng lực theo 2 phương ta giải được toàn bộ lực dọc trong thanh. Các thanh còn lại đối xứng.
Nội lực hệ NP Lớp L01 – Nhóm 1A 16 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Tương tự, vẽ biểu đồ nội lực hệ N1 do lực X đơn vị gây ra cho hệ cơ bản: Hình 1. Nội lực hệ N1 Bước 4: Giải tìm ẩn lực X Nhân biểu đồ ta có: 1 5 11 = (−1 5 −1) = EAcánh EAcánh 1 −11 1P = + + − = EAcánh EAcánh 5 11 11 X + 1P = 0 X− = 0 X = 2.2 EAcánh EA cánh Bước 5: Giải hệ chuẩn ban đầu Vậy hệ chuẩn ban đầu sẽ tương đương với hệ: Hình 1. Hệ tương đương hệ chuẩn Lớp L01 – Nhóm 1A 17 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Hệ tĩnh định này phương pháp giải như giải hệ NP ta có nội lực như sau: Hình 1. Nội lực hệ chuẩn Bước 6: Giải hệ chuyển vị hệ chuẩn Để giải chuyển vị, ta dùng lý thuyết chuyển vị khả dĩ của cơ học kết cấu.
Đặt lực đơn vị tải điểm cần tìm chuyển vị và vẽ biểu đồ đơn vị rồi nhân biểu đồ với hệ cần giải để tìm chuyển vị. Hệ DH1 có lực đơn vị đặt tải điểm cần tính 1 Hình 1. Biểu đồ nội lực của hệ DH1 1 2 DH1 = (N) (N DH1 ) = (2 1 + 3 2 + 3 2 + 2 + 1.7 4 4 Lớp L01 – Nhóm 1A 18 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CÔNG TRÌNH GVHD: ThS Hoàng Anh Tuấn Tính ∆𝐃𝐇𝟐 Hình 1. Hệ DH2 có lực đơn vị đặt tải điểm cần tính 2 Hình 1.
Biểu đồ nội lực của hệ DH2 1 2 DH 2 = (N) (N DH 2 ) = (2 + 3 + 3 + 2 + 1.7 4 4 Để tính nội lực của hệ chịu lực F bất kỳ, ta chỉ cần lấy hệ chuẩn nhân với F. Bảng giá trị lực dọc (lý thuyết cơ học kết cấu) Lực dọc N (kN) F (kN) 2 3 5 7 0 0.