Bài giảng Thí nghiệm và thiết bị đo trong kỹ thuật dân dụng

THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ ĐO TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG 
1 
 CHƯƠNG 1  MỞ ĐẦU  
2 
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. 
 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG  
3 
Thí nghiệm công trình là lĩnh vực nghiên cứu giải các bài toán phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của các kết cấu bằng thực nghiệm 
Ý nghĩa của thí nghiệm trong kỹ thuật dân dụng 
Các bài toán thực tế đôi khi rất phức tạp: hình dạng kết cấu, điều kiện biên, điều kiện đầu, tính chất của vật liệu 
 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG  
Thí nghiệm 
Giả thiết 
Phương pháp tính toán 
Thí nghiệm kiểm tra 
(kiểm định) 
4 
Dùng phương pháp giải tích để tìm ra kết quả dưới dạng một biểu thức giải tích đôi khi rất khó khăn, thậm chí có trường hợp không thể thực hiện được 
Trên cơ sở hàng loạt những kết quả thí nghiệm, ta sử dụng công cụ toán học (xác suất thống kê) có thể tìm ra những công thức tính toán công trình dưới dạng những biểu thức thuận lợi cho tính toán thiết kế (đường hồi qui) 
 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG  
5 
Trong giai đoạn đầu thiết kế có thể dùng thực nghiệm tiến hành thực hiện nhiều phương án, từ đó chọn được phương án tối ưu 
Trong qu á tr ì nh nghi ê n cứu , thiết kế c á c c ô ng tr ì nh x â y dựng , đ ặc biệt khi nghi ê n cứu , á p dụng c á c loại vật liệu mới , kết cấu mới , những c ô ng tr ì nh đ ặc biệt , cần thiết tiến h à nh c á c nghi ê n cứu thực nghiệm đ ể kiểm tra c á c kết quả t í nh to á n , so s á nh , đá nh gi á sự l à m việc thực tế của vật liệu v à kết cấu c ô ng tr ì nh so với c á c giả thiết đã đ ặt ra. 
 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG  
6 
Đ ối với c á c c ô ng tr ì nh đã v à đ ang khai c á c sử dụng , khi c ó nhu cầu cần sửa chữa , cải tạo hay n â ng cấp , b ư ớc đ ầu ti ê n cần thực hiện ch í nh l à tiến h à nh thực nghiệm v à kiểm đ ịnh c ô ng tr ì nh . 
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. Tr ê n c ơ sở đó, c ă n cứ v à o mục ti ê u kiểm đ ịnh , tiến h à nh ph â n t í ch , so s á nh , tổng hợp , đá nh gi á v à r ú t ra những kết luận về c ô ng tr ì nh theo quy đ ịnh của thiết kế v à ti ê u chuẩn x â y dựng hiện h à nh đư ợc á p dụng 
 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG  
7 
Đ ể ph â n t í ch , đá nh gi á v à so s á nh khả n ă ng l à m việc của vật liệu v à kết cấu c ô ng tr ì nh , c ô ng t á c thực nghiệm v à kiểm đ ịnh kh ô ng thể t á ch rời khỏi kiến thức của c á c ng à nh khoa học li ê n quan nh ư Sức bền vật liệu , C ơ học kết cấu , Vật liệu x â y dựng , Kết cấu b ê t ô ng cốt th é p v à gạch đá, Kết cấu th é p - gỗ , C ô ng nghệ v à kỹ thuật thi c ô ng v . v ... 
 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA THÍ NGHIỆM TRONG KỸ THUẬT DÂN DỤNG  
8 
Chia thí nghiệm thành 2 loại: thí nghiệm vật liệu và thí nghiệm công trình 
Thí nghiệm vật liệu là những thí nghiệm chủ yếu nhằm mục đích xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu, khả năng chịu lực và các dạng phá hỏng của vật liệu trong các trạng thái ứng suất khác nhau, ví dụ thí nghiệm kéo, nén, uốn, xoắn... 
Thí nghiệm công trình là những thí nghiệm nhằm mục đích kiểm tra các kết quả tính toán, kiểm tra khả năng làm việc của công trình hay các chi tiết máy, kiểm định công trình và chẩn đoán hư hỏng... 
 1.2. PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM   
9 
Thí nghiệm vật liệu có thể được tiến hành trên các mẫu thí nghiệm chế tạo từ các vật liệu thực của công trình ( thí nghiệm phá hoại ) hoặc thí nghiệm ngay trên các cấu kiện của công trình thực ( thí nghiệm không phá hoại ). Các mẫu thí nghiệm được chế tạo theo những quy định của nhà nước. 
TN phá hoại: 
	TN kéo nén mẫu thép, gang nhằm xđ R K , R N 
	TN kéo nén mẫu bê tông nhằm xđ cường độ 
	TN các mẫu đất nhằm xđ thành phần hạt, dung trọng, độ ẩm, độ chặt, độ dẻo, hệ số thấm 
 1.2. PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM   
10 
TN không phá hoại: thường được thực hiện ngay trên công trình thực, có thể sử dụng các thiết bị: 
	- Súng bắn nảy: xđ cường độ bê tông 
	- Máy siêu âm: xđ cường độ bê tông, các khuyết tật trong các kết cấu bê tông, trong cọc khoan nhồi, bề dày các cấu kiện, xác định các cốt thép trong kết cấu BTCT 
	- Máy đo độ chặt của đất dùng phóng xạ 
	- Búa tạo sóng: xđ cường độ của bê tông, môđun đàn hồi 
 1.2. PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM   
11 
12 
Nhận xét: 
PP TN phá hoại thường cho kết quả tin cậy hơn. Kết quả phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật thực nghiệm: độ chính xác của thiết bị, tuân theo các quy trình TN (kích thước mẫu, tốc độ gia tải) 
Nếu đáp ứng được các y/c về chuẩn (calibration), pp TN không phá hoại cũng có thể cho kết quả tin cậy 
Tùy vào loại vật liệu (VL cứng, VL mềm), người làm TN cần lựa chọn pp thích hợp để thu được kết quả mong muốn. 
 1.2. PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM  
Thí nghiệm công trình: tiến hành ngay trên các cấu kiện của công trình thực (thí nghiệm mô hình 1:1) hoặc trên các mô hình tương tự 
Tỉ lệ về k í ch th ư ớc , đặc trưng cơ lý của vật liệu, tỉ lệ về tải trọng t á c dụng l ê n m ô h ì nh , c á c đ iều kiện bi ê n , c á c đ iều kiện ban đ ầu ... phải đư ợc qui đ ịnh theo đ ịnh luật t ươ ng tự . 
Mục đích: 
Kiểm tra KQ tính toán lý thuyết 
Kiểm tra khả năng làm việc của công trình 
Xác định tình trạng thực của k/c và chẩn đoán hư hỏng của công trình 
 1.2. PHÂN LOẠI THÍ NGHIỆM  
13 
Một trong những vấn đề cơ bản của việc nghiên cứu bằng thực nghiệm là việc đo biến dạng và chuyển vị của mẫu thí nghiệm 
Để xác định ứng suất trong công trình hoặc trong mô hình thường thông qua việc đo biến dạng, rồi trên cơ sở của định luật Hooke mà tìm ra ứng suất. 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
14 
15 
Các pt cơ bản của lý thuyết đàn hồi – mối liên hệ giữa các đại lượng cơ học 
Trong các TN công trình thường phải xác định 2 đại lượng cơ bản: ứng suất và chuyển vị 
PT vật lý (Định luật Hooke) 
PT hình học Cauchy 
PT cân bằng Navier 
Ngoại lực 
Nội lực 
(ứng suất) 
Chuyển vị 
Biến dạng 
1.3.1. Trạng thái ứng suất của vật thể tại một điểm 
Giới hạn ở trường hợp TTƯS phẳng (bài toán phẳng). 
 Ứng suất trên mặt cắt nghiêng 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
16 
Ứng suất chính và phương chính 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
17 
1.3.2. Trạng thái biến dạng tại một điểm 
Mối liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị 
Biến dạng trên mặt nghiêng u và v 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
18 
1.3.3. Mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
19 
1.3.4. Xác định ứng suất chính khi biết phương chính 
 - D ùng hoa điện trở vuông góc. Các tấm điện trở được dán vuông góc với nhau và dán theo các phương chính (phương 1 và phương 2). Các biến dạng đo được này chính là các biến dạng chính. Từ các biến dạng chính, nhờ định luật Hooke ta xác định được các ứng suất chính  max ,  min : 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
20 
1.3.5. Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương chính 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
21 
1.3.4. Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương chính 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
22 
1.3.4. Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương chính 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
23 
1.3.4. Xác định ứng suất chính khi chưa biết phương chính 
 1.3. C Ơ SỞ L Ý THUYẾT CỦA KỸ THUẬT Đ O ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG   
24 
25 
1.4 Các bước tổ chức một TN công trình 
1.4.1. Công tác chuẩn bị: 
Chuẩn bị dụng cụ máy móc cần thiết 
Chuẩn bị nguyên VL cần thiết: dây điện, mỏ hàn, giấy ráp, đattric, các loại sơn đánh dấu, giấy bút và các văn phòng phẩm khác 
Chuẩn bị cán bộ TN, cán bộ bảo vệ, người phục vụ... 
Chuẩn bị hiện trường bố trí TN: các vị trí đo, chỗ đặt thiết bị máy móc, phương tiện đi lại, chỗ ăn ở cho cán bộ thí nghiệm 
26 
1.4.2. Công tác khảo sát thực địa (mục đích): 
Sơ đồ làm việc của k/c hoặc cấu kiện cần n/c 
Thu thập các kích thước hình học của k/c 
Kiểm tra chất lượng của VL, nếu có nghi ngờ phải xác định lại các đặc trưng cơ lý 
Kiểm tra các mối nối, chất lượng đường hàn 
Kiểm tra các khuyết tật 
Kiểm tra và đánh dấu các vết nứt đối với các công trình bê tông, công trình đất để theo dõi sự phát triển của vết nứt theo thời gian 
27 
Kiểm tra những chỗ có sự tập trung ứng suất, những cấu kiện chịu nén, cấu kiện chịu ứng suất thay đổi theo thời gian (mỏi) 
Xác định các vị trí TN kiểm tra: chỗ cần đo US, chuyển vị, gia tốc.. 
Xác định các vị trí đặt máy móc thiết bị 
Đề xuất phương án bảo vệ trong quá trình TN (mưa, gió, tải trọng, nổ) 
28 
1.4.3. Công việc sau thí nghiệm 
Xử lý số liệu: 
Chọn phương pháp xử lý 
Loại bỏ các số liệu không tin cậy 
Chọn phương pháp đưa ra kết quả: có rất nhiều cách đưa ra kết quả, song cần chọn cách thích hợp để thể hiện đầy đủ mục đích n/c 
 CHƯƠNG 2  CÁC THIẾT BỊ ĐO  
29 
5 nhóm thiết bị đo 
1. Đo chuyển vị thẳng thường dùng các thước đo độ dài như thước cặp, panme, đồng hồ đo chuyển vị, các đầu đo dịch chuyển cảm biến 
2. Đo độ giãn dài, biến dạng tương đối của các thớ vật liệu: phổ biến là các loại tenzomet cơ học, quang học điện cảm, điện trở 
3. Đo lực và áp suất : thông dụng là các loại lực kế lò xo, lực kế cảm biến hoặc các loại đồng hồ đo áp lực chất lỏng, chất khí 
4. Đo xoay, biến dạng góc của các phần tử, các liên kết trong kết cấu 
5. Đo trượt và biến dạng trượt tương đối giữa các thớ vật liệu, các phần tử kết cấu ghép. 
 2.1. NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA THIẾT BỊ ĐO   
30 
Với mỗi tham số khảo sát của đối tượng nghiên cứu sẽ có những phương pháp và thiết bị đo phù hợp, thoả mãn được các yêu cầu và độ nhạy cảm và độ chính xác. 
Nhóm thiết bị đo lực và áp suất nhằm xác định giá trị của tải trọng tác dụng khi tiến hành thí nghiệm, còn các nhóm khác đều phục vụ cho mục đích chủ yếu trong nghiên cứu công trình là xác định trạng thái ứng suất - biến dạng 
Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần căn cứ vào các đặc trưng của đối tượng nghiên cứu, tính chất của tham số cần đo và yêu cầu về độ chính xác của nó để chọn các dụng cụ và thiết bị đo thích hợp. 
 2.1. NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA THIẾT BỊ ĐO   
31 
2.2.1. Đo chuyển vị theo nguyên lý cơ học 
Võng kế (đồng hồ đo chuyển vị lớn) 
 2.2. DỤNG CỤ ĐO CHUYỂN VỊ   
- Đĩa quay không hạn chế khoảng đo, nên có thể đo độ võng của kết cấu nhịp lớn, độ lún của cọc móng,  
- Dây thép có đường kính  0,2  0,3mm. 
- Quả nặng m = 1  3kg. 
- Giá trị 1 vạch trên mặt đồng hồ:  1 = 1/K v = 0,1mm. 
- Có độ nhạy và độ chính xác cao. 
32 
33 
Chuyển vị kế - indicator cơ học (đồng hồ đo chuyển vị bé) 
- Đ ồng hồ đo thông dụng có các giá trị vạch đo là 0,01 ; 0,02; 0,001, và 0,002 mm. 
- Khoảng chuyển vị lớn nhất đo được của đồng hồ thường bị khống chế bởi giá trị của vạch đo. Cụ thể: 
- Với loại đồng hồ 0,01 và 0,02 có khoảng đo từ 10 đến 50 mm. 
- Với loại đồng hồ 0,001 và 0,002 có khoảng đo từ 5 đến 10 mm. 
34 
Chuyển vị kế - indicator cơ học (đồng hồ đo chuyển vị bé) 
35 
Muốn đo chuyển vị tại một điểm nào đó của k/c, ta dùng bộ gá lắp để đặt đầu của trục 1 tiếp xúc với điểm đó. Bộ gá được kẹp chặt vào vỏ 2 và được đặt trên 1 vị trí cố định (không bị chuyển vị). Khi mẫu bị chuyển vị thì đầu của trục 1 cũng dịch chuyển theo. Hiệu số đọc được trên đồng hồ khi mẫu đã chuyển vị và khi chưa chuyển vị cho ta trị số chuyển vị của mẫu. 
Các chuyển vị kế kiểu này thường có độ chính xác tới 0,01 mm (bách phân kế) hoặc 0,001 mm (thiên phân kế)* . 
36 
37 
Ưu điểm: 
Đơn giản, dễ sử dụng 
Cho kết quả tin cậy 
Ít chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài 
Nhược điểm: 
Độ nhạy không cao 
Cần phải có điểm cố định để đặt bộ giá lắp (có thể tạo điểm cố định giả trong 1 số trường hợp) 
Mỗi chuyển vị kế chỉ đo được chuyển vị tại 1 điểm 
Chuyển vị kế cơ học chỉ có thể sử dụng để đo chuyển vị tĩnh . 
2.2.2. Đo chuyển vị theo nguyên lý điện 
Chuyển vị kế điện 
Chuyển vị kế điện tử ( Digital i ndicator ) 
- B ên trong lắp một cầu đo nên độ khuếch đại cao hơn nhiều và có quán tính nhỏ có thể dùng để đo được cả chuyển vị động với tần số không lớn lắm. 
- C ó chức năng như chuyển vị kế loại cơ học và chuyển vị kế động. 
Thiết bị có độ nhạy cao, có thể đạt đến 0,01  m. Khoảng đo thường nhỏ hơn ±25mm 
38 
39 
2.2.3. Máy đo chuyển vị 
Muốn đo chuyển vị tĩnh thì có thể sử dụng chuyển vị kế tĩnh hoặc chuyển vị kế động và đọc trực tiếp trên đồng hồ 
Muốn đo chuyển vị động với tần số không lớn lắm thì có thể sử dụng loại chuyển vị kế động và thiết bị đo biến dạng động* 
40 
Đo chuyển vị của dầm chịu uốn 
41 
Máy đo biến dạng động 
2.3.1. Đo biến dạng theo nguyên lý cơ học 
Tenxomet cơ học (tenxomet đòn bẩy) 
2.3. DỤNG CỤ ĐO BIẾN DẠNG 
 Đ o biến dạng từng điểm rời rạc , được dùng khi khảo sát trạng thái biến dạng tĩnh và kết cấu công trình 
 C ó cấu tạo đơn giản, độ chính xác cao và ổn định trong quá trình đo 
 Hệ số khuếch đại K=1000 
 Sai số đọc lớn nhất 2,5.10 -6 
 Giá trị một vạch đo:  1 = 1/K = 0,001 mm = 1  m 
42 
43 
Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, trọng lượng không lớn, độ chính xác cao 
Nhược điểm: 
Vật liệu dòn, các chi tiết dễ hỏng. 
Liên kết các bộ phận chuyển động và liên kết bản lề dễ bị xộc xệch khi tháo lắp. 
Không đo được biến dạng động. 
Không sử dụng được ngoài trời mưa nắng 
Phương pháp gá lắp tenxomet đòn 
 Trục của Tenzomet phải trùng với phương biến dạng 
Bề mặt vật liệu ở vị trí tenxomet phải phẳng, nhẵn và đủ cứng để các lưỡi dao không bị trượt khi vật liệu kết cấu biến dạng 
44 
Comparator (đi-mếch): 
Chỉ cần một Comparator có thể đo biến dạng tại nhiều vị trí khác nhau trên công trình, nhiều lần ở nhiều thời điểm khác nhau (đo biến dạng theo thời gian). 
Kết quả đo không phụ thuộc vào kĩ thuật gá lắp dụng cụ. 
Do mở rộng được chuẩn đo nên độ nhậy tăng. 
Dụng cụ này có quán tính lớn nên chỉ đo được biến dạng tĩnh. 
45 
2.3.2. Đo biến dạng theo nguyên lý điện – Tenxomet cảm biến điện trở 
Là phương pháp đo biến dạng dài được dùng phổ biến hiện nay 
Ưu điểm: 
Độ chính xác cao 
1 máy đo có thể đo biến dạng tại nhiều vị trí trên công trình 
Đo biến dạng theo nhiều phương khác nhau tại cùng một điểm → có thể xác định được giá trị, phương của ứng suất chính 
Đo biến dạng gây ra do tải trọng tĩnh, động, xung 
46 
Đo biến dạng ở khoảng cách xa vị trí đặt máy đo, ở những vị trí kín không thể quan sát được (trong lòng cấu kiện bêtông, kết cấu chìm ngập dưới nước, trong lòng công trình đất ...) 
Có thể sử dụng tấm điện trở để chế tạo thành các đầu chuyển đổi để đo nhiều các đại lượng cơ học khác. 
Nhược điểm: 
	Chịu ảnh hưởng rất nhiều của môi trường ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, từ trường,  ... h tập hợp một hệ thống lực tập trung có cường độ như nhau, với mật độ cao (thường từ 16-25 điểm/m 2 ), được sắp xếp theo quy luật trên bề mặt chịu tải của kết cấu. 
86 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
Ưu điểm của pp gia tải thông qua hệ dầm tĩnh định 
Có thể quan sát được bề mặt của kết cấu chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng. 
Không có hiện tượng ngăn cản biến dạng của lớp vật liệu bên ngoài của kết cấu do sự xuất hiện của lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa tải trọng và kết cấu; 
Tăng, dỡ tải trọng nhanh chóng và đồng đều trên toàn bộ các điểm tải 
87 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
3.1.3. Gia tải tập trung 
Gây tải trọng bằng biện pháp treo vật nặng 
Hình 3.15 Chất tải trọng bằng cách treo vật nặng 
a) Treo tải trực tiếp	b) Treo qua hệ dầm phân lực 
88 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
Đặc điểm: 
Treo trực tiếp vật nặng lên kết cấu để làm tải trọng tập trung là phương pháp đơn giản nhất nhưng lại rất cồng kềnh. Ưu điểm của biện pháp này so với các biện pháp khác là trị số cuả tải trọng không thay đổi khi kết cấu khảo sát bị biến dạng. 
Đặt tải qua hệ thống đòn bẩy khuếch đại. Khi thí nghiệm các kết cấu riêng lẻ cần có giá trị tải trọng tác dụng lớn, thường dùng các hình thức gây tải trọng tập trung qua các đòn bẩy khuếch đại. 
89 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
90 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
Tạo tải trọng lên kết cấu thí nghiệm bằng thiết bị căng kéo được áp dụng trong những trường hợp: 
- Thí nghiệm tiến hành trong địa bàn chật hẹp; 
- Không có điều kiện triển khai biện pháp treo tải bằng vật nặng; 
- Đòi hỏi phải điều chỉnh nhẹ nhàng giá trị tải trọng tác dụng; 
- Phương pháp tác dụng của tải trọng lên công trình bất kỳ. 
91 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
Nhược điểm của pp tạo tải trọng lên kết cấu thí nghiệm bằng thiết bị căng kéo 
Không đảm bảo được giá trị tải trọng không đổi theo thời gian, đặc biệt trong những trường hợp cần giữ tải khi kết cấu làm việc ở giai đoạn phát triển biến dạng dẻo. 
Giá trị tải trọng thay đổi do ảnh hưởng biến động của nhiệt độ môi trường đến hệ thiết bị gây tải như chiều dài của dây cáp. 
92 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
Gây tải trọng bằng kích thuỷ lực 
Là một biện pháp thuận tiện nhất khi làm thí nghiệm kết cấu công trình chịu tải trọng tĩnh 
Chiếm ít diện tích hơn các biện pháp khác 
Thiết lập và điều chỉnh tải trọng dễ dàng; 
Có khả năng đặt tải theo hướng bất kỳ. 
93 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
3.1.4. Giá trị của tải trọng thí nghiệm 
Đối với các công trình hay kết cấu có yêu cầu cần chuyển giao cho sử dụng sau lúc khảo sát thực nghiệm: không được làm thay đổi hoặc hư hỏng trạng thái bình thường của chúng, có nghĩa là trong quá trình chất và dỡ tải trọng, trên đối tượng khảo sát không cho phép phát triển biến dạng dư và càng không được làm hư hỏng sự liên tục của kết cấu mà trong điều kiện làm việc bình thường không thể xuất hiện. 
Đối với các kết cấu không có nhu cầu sử dụng sau khi thí nghiệm, nếu mục đích của thí nghiệm là để xác định khả năng chịu lực hay là để nghiên cứu điều kiện xuất hiện những hư hỏng cục bộ (nứt, trượt), thì giá trị cực đại của tải trọng thí nghiệm sẽ được tăng dần cho đến khi trong đối tượng xuất hiện các kết quả yêu cầu. 
94 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
Với các sản phẩm chế tạo sẵn: 
- Khi tiến hành kiểm tra cường độ, thì tải trọng kiểm tra thường dùng bằng tải trọng tính toán nhân với hệ số từ 1,4 đến 2,0 tùy thuộc chủng loại kết cấu, vật liệu sử dụng và tính chất phá hoại mong muốn; 
- Khi tiến hành kiểm tra độ cứng, thì tải trọng kiểm tra được dùng bằng giá trị tải trọng tiêu chuẩn đặt ở vị trí bất lợi nhất trên cầu kiện; 
- Khi cần kiểm tra khả năng chống nứt trong các cầu kiện bê tông cốt thép, thì trị số của tải trọng kiểm tra nứt lấy bằng 1,05 giá trị tải trọng tính toán đối với cầu kiện có khả năng chống nứt loại I và bằng 1,05 giá trị tải trọng tiêu chuẩn đối với cấu kiện loại II. 
95 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
3.1.5. Trình tự chất và dỡ tải liên kết kết cấu thí nghiệm 
3.1.5.1. Chất tải trọng 
Tải trọng chất lên các đối tượng thí nghiệm cần được phân chia thành cấp. Số lượng cấp tải và giá trị mỗi cấp thương được xác định trên cơ sở những điều cần cân nhắc sau: khi giá trị các cấp tải càng nhỏ có nhiều số đọc trên dụng cụ đo . 
Việc phân chia hợp lý các cấp tải trọng nên tiến hành cho từng đối tượng cụ thể; tuy nhiên, theo kinh nghiệm, giá trị mỗi cấp tải thường bằng khoảng (1/5-1/10) trị số tải trọng tính toán. Giá trị cấp tải trọng đầu tiên nên chỉ bằng 5-10% giá trị tải trọng cực đại mong muốn. 
96 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
3.1.5.2. Dỡ tải trọng 
Về nguyên tắc, số lượng cấp dỡ tải trọng và giá trị mỗi cấp được lấy bằng như cấp chất tải; điều đó cho phép dễ dàng thể hiện sự tương ứng của quá trình thuận nghịch của số đọc trên các thiết bị đo. 
Thường để rút ngắn thời gian, số lượng cấp giảm tải có thể ít hơn. 
97 
 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI TĨNH  
3.1.5.3. Giữ tải trọng 
Để làm sáng tỏ quy luật biến thiên chuyển vị và biến dạng của đối tượng khảo sát 
Sau lúc đặt các cấp tải trọng phải giữ nguyên giá trị của nó trên đối tượng khảo sát trong một khoảng thời gian đủ để cho chuyển vị và biến dạng của kết cấu được hoàn tất. 
Đối với kết cấu kim loại giữ từ 15 đến 30 phút, đối với kết cấu bê tông cốt thép giữ từ 6 đến 12 giờ. 
Nếu trong thời gian quy định giữ trị số tải trọng không đổi mà chuyển vị và biến dạng của kết cấu chưa hoàn tất thì thời gian giữ tải phải kéo dài thêm. Nếu sự phát triển của chuyển vị và biến dạng không chậm lại, thì kết cấu đó xem như không đưa vào sử dụng được trong điều kiện chịu tải tương ứng. 
98 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
3 . 2 .1. Các dạng tải trọng động 
Tải trọng thay đổi theo chu kỳ - loại tải trọng tác dụng theo nhịp điệu không đổi hoặc thay đổi tại một vị trí trên công trình, biên độ và tần số biến thiên theo một quy luật xác định. Một trong những dạng cơ bản của loại này là tải trọng điều hòa, biên độ, tần số biến đổi theo quy luật hình sin. 
Tải trọng rung động không quy luật - loại tải trọng phụ thuộc các đặc trưng của những quá trình ngẫu nhiên tác dụng vào công trình. 
Tải trọng xung kích - loại tải trọng tác dụng trong khoảnh khắc tức thời lên một vị trí trên đối tượng sau những thời gian ngắt quãng đều hoặc không đều. 
99 
Hình 3.16. Dao động tự do 
a) Biểu đồ dao động tự do tắt dần; b) Đặc trưng tính toán hệ số tắt dần 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
3 . 2 . 2. Sự làm việc của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động 
3.2.2.1. Dao động bản thân (tự do) 
Khi kết cấu chịu tác động xung kích như va chạm, nổ hay chuyển vị cưỡng bức ban đầu, rồi sau đó được giải phóng khỏi những tác động khác bên ngoài 
Có tần số xác định và phụ thuộc các đặc trưng của KCCT 
100 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Giá trị các biên độ tắt dần của dao động : A, a 1 , a 2 ,..., a n ; 
Chu kỳ dao động T (s); 
Tần số dao động f = 1/T (Hz); 
Thời gian tắt dao động T n . 
Hình 3.16. Dao động tự do 
a) Biểu đồ dao động tự do tắt dần; b) Đặc trưng tính toán hệ số tắt dần 
101 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
3.3.2.2. Dao động cưỡng bức là dao động xảy ra trong đối tượng khi có tác dụng thường xuyên của một hoặc nhiều tải trọng động 
Dao động theo chu kỳ - dao động được lặp lại qua một thời gian xác định. 
Tham số cơ bản của dao động theo chu kỳ 
Chu kỳ dao động T ; 
Tần số dao động f và tần số vòng ω (số vòng dao động trong khoảng thời gian 2 π giây). 
Dao động điều hòa là dao động theo chu kỳ thường gặp nhất trong thực tế sản xuất. 
102 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Chuyển vị z phụ thuộc thời gian t 
	z = a sin (ωt + α) 
a - biên độ dao động; α – pha ban đầu (khi t = 0); 
ωt + α – pha dao động, xác định theo vị trí của điểm dao động tại thời điểm t; 
Mọi quá trình dao động theo chu kỳ đều có thể là tổ hợp những dao động điều hòa có tần số và biên độ được chọn tương ứng. 
103 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Dao động không theo chu kỳ 
Dao động tắt dần; 
Dao động phát triển, thường xảy ra trong thời gian khởi động một quá trình động; 
Dao động có các đặc trưng thay đổi không theo quy luật nhất định (hình 3.17d). 
104 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
H iện tượng cộng hưởng : khi tần số cưỡng bức tiến gần đến tần số dao động bản thân của công trình thì biên độ cưỡng bức phát triển lớn dần và sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng khi hai tần số dao động đó bằng nhau, biên độ cưỡng bức đạt đến giá trị cực đại và có thể dẫn đến phá hoại công trình 
H iện tượng dao động “biên” : k hi cùng tác dụng hai nguồn dao động theo chu kỳ lên đối tượng nghiên cứu có các chu kỳ dao động T 1 và T 2 gần bằng nhau 
	C hu kỳ “biên” 
105 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
3. 2 .3. Các biện pháp và thiết bị tạo tải trọng động lên công trình 
Yêu cầu: 
Đối với các thí nghiệm kiểm định, cường độ của tải trọng động phải được chọn sao cho đồng thời đảm bảo độ bền, độ ổn định cho kết cấu công trình, nhưng phải đủ để các dụng cụ và thiết bị đo với độ nhạy của chúng có thể chỉ thị hay ghi lại các tham số động cần phải xác định. 
	 Có thể tạo tải trọng động bằng các phương tiện sẵn có như các máy móc, thiết bị sản xuất, các phương tiện vận tải tàu, xe v.v... ( tải trọng thực ) . 
Các thí nghiệm nghiên cứu thường được tiến hành với nhiều dạng và cường độ của tải trọng động khác nhau. Tải trọng được tạo ra bằng các thiết bị chuyên dùng, các máy rung hoạt động bằng nguyên lí cơ hoặc thủy lực. 
106 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
3.2 .3.1. Tải trọng thực 
Gây rung động tại một vị trí cố định như các máy móc cơ khí trong các xưởng máy; 
Vừa gây rung động vừa chuyển dời vị trí như các phương tiện vận tải ôtô, tàu, ... và các phương tiện trong nội bộ nhà xưởng (cần trục, cầu thang máy,...) 
Tải trọng thực có thể là 
M ột nguồn chấn động 
N hiều nguồn gây chấn động t ồn tại đồng thời : phức tạp , q uá trình thí nghiệm phải thực hiện theo trình tự từ đơn giản đến phức tạp và từ chế độ làm việc nhẹ đến chế độ làm việc nặng dần. 
107 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Nếu nguồn gây rung động là các máy móc, thiết bị được lắp đặt tại một vị trí cố định trên công trình , t rong quá trình thí nghiệm cần khảo sát các trạng thái làm việc khác nhau của máy móc, thiết bị như khởi động, dừng tắt, các mức công suất khác nhau (vòng quay, tải trọng ...) để xác định được các tham số động gây bất lợi nhất, hoặc nguy hiểm nhất. 
Nếu các nguồn chấn động là di chuyển, thì ngoài những trường hợp thí nghiệm như đối với nguồn chấn động tại chỗ (tàu xe nổ máy tại chỗ, cần trục nâng hạ tải trọng ), còn cần phải tìm sự ảnh hưởng đến trạng thái công trình khi tốc độ di chuyển của các nguồn chấn động phát triển lớn và khi xuất hiện lực hãm các chuyển động 
108 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
3.2.3.2. Tải trọng thí nghiệm chuyên dùng 
V iệc dùng tải trọng thực để làm thí nghiệm thường bị hạn chế, không đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu về cường độ tải trọng cũng như sự khống chế của tần số dao động. 
C ần phải tạo các nguồn tải trọng rung động chuyên dùng có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các chỉ tiêu thiết kế công trình 
109 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
a . Tải trọng xung kích (va chạm) 
Va chạm đơn sẽ gây dao động bản thân của kết cấu công trình. 
Để xác định tần số và cường độ của dao động cưỡng bức này , không đòi hỏi phải đo chính xác các đại lượng của nguồn va chạm, mà chỉ cần đảm bảo tạo được lực va chạm đủ để ghi được dao động bản thân của kết cấu. 
Phân thành tải trọng va chạm đứng và tải trọng va chạm ngang 
110 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Va chạm đứng 
Cho r ơ i một vật nặng c ó trọng l ư ợng Q t ươ ng đươ ng khoảng 0,01% trọng l ư ợng của đ ối t ư ợng khảo s á t , đ ặt ở đ ộ cao h =2,0 - 2,5 m . 
Tại vị trí điểm rơi của vật nặng trên kết cấu, rải một đệm cát dày khoảng 10 - 20cm để bảo vệ bề mặt của kết cấu thí nghiệm và để ngăn chặn các nhát va chạm thứ cấp. 
111 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Biểu đồ dao động ghi được sẽ cho phép xác định chu kỳ dao động bản thân của cả công trình và vật nặng 
Chu kỳ dao động bản thân T o của kết cấu được xác định từ kết quả đo thực nghiệm 
T - chu kỳ dao động riêng của kết cấu và vật nặng; 
 m qd - khối lượng quy đổi tại vị trí va chạm; 
 m - khối lượng của vật rơi; k - giá trị của vật nặng làm kết cấu chuyển vị 1 cm. 
Va chạm đứng còn có thể tạo được bằng biện pháp thả rơi vật nặng Q từ kết cấu thí nghiệm tạo nên một xung lực chuyền qua sợi cáp treo và làm cho kết cấu dao động. 
112 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Va chạm ngang 
D ùng một thanh gỗ tròn, đường kính từ 20 - 25 cm, chiều dài từ 250 - 300 cm được treo ngang bằng trên hai dây . 
Sau nhát va chạm đầu tiên, cần phải giữ sợi dây để giữ búa không cho xảy ra các nhát va chạm thứ cấp. 
Có thể tạo va chạm ngang bằng cách treo một vật nặng trên sợi dây có ròng rọc chuyển hướng nối với một cơ cấu mở tự động khi có xung lực kéo xác định 
113 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
b. Tải trọng rung động 
Dùng máy rung động chuyên dùng đư ợc thiết kế v à chế tạo theo nguy ê n l ý quay c á c quả nặng đ ặt lệch tâm . 
Máy rung với một quả nặng đặt lệch tâm 
 P = me ω 2 P x = meω 2 cosωt; P y = meω 2 sinωt; 
R ất thường gặp trong thực tế sản xuất (đầm dùi, đầm mặt để rung lắc bê tông tạo độ chặt) khi động lực có dạng dao động điều hòa xuất hiện trên cả hai phương đều có lợi 
114 
Hình 3.21 Máy rung ly tâm định hướng (hai quả lệch tâm) 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Máy rung với 2 quả nặng đặt lệch tâm 
K hi một trong hai phương xuất hiện của động lực có dạng dao động điều hòa là không cần thiết hoặc gây hại (thiết bị rung cọc móng, rung hạ giếng chìm, rung ván khuôn v.v...) 
Thỏa mãn y êu cầu chỉ gây tải trên một phương để khảo sát các thông số động 
G hép đồng bộ hai quả lệch tâm để triệt tiêu thành phần không mong muốn 
115 
Hình 3.22 Bốn vị trí đặc trưng của máy rung hai quả lệch tạo tải trọng rung động hình sin 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
P x (t)=0 P y (t) = 2 m e ω 2 sint 
P y cực hạn khi ω t = ± π / 2 
Từ quy luật làm việc của thiết bị chấn động hai khối, có thể chế tạo các thiết bị rung có công suất lớn hơn với bốn hoặc tám quả nặng, dùng để gây những dao động cưỡng bức đối với các công trình lớn như kết cấu nhịp cầu 
116 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Khi đặt các khối lượng như trên hình 3.23a, sự làm việc của thiết bị chấn động trong mọi thời điểm đều giống sự làm việc của thiết bị rung có hai khối lượng 
117 
 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA TẢI ĐỘNG  
Hình 3.23a: sự làm việc của thiết bị chấn động trong mọi thời điểm đều giống sự làm việc của thiết bị rung có hai khối lượng 
Hình 3.23b: hình chiếu lực P y (t) tại mỗi điểm sẽ bằng hình chiếu của lực P y’ (t) nhưng ngược chiều. 
	T hiết bị chấn động tạo trong mặt phẳng yz một mômen đổi dấu M ( t ) = 2 meω 2 sinωt 
M ô men đ ộng M k = ∑ω m i e i 
T hiết bị gây chấn động cần phải có phạm vi thay đổi số vòng quay rộng. Vì thế, bộ phận động lực trong thiết bị chấn động thường phải dùng các động cơ điện có dòng không đổi cùng với bộ chuyển tốc độ để có thể thay đổi số vòng quay của thiết bị từ 15 đến 20 lần. 
118