Kiến trúc - Xây dựng - Thí nghiệm sức bền vật liệu

Phòng thí nghiệm khoa kỹ thuật công trình 1 Giảng Viên: NCS. Ngô Tấn Dược ThS. Lê Văn Tâm 2 1. MỤC ĐÍCH  Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng khi kéo mẫu thép.  Xác định đặc trưng cơ học của thép:  Giới hạn chảy (c).  Giới hạn bền (b).  Độ giãn dài tương đối khi đứt ().  Độ thắt tỷ đối (y). 3 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực kéo và biến dạng dài (P- DL) của mẫu trong thí nghiệm kéo thường có dạng. Đồ thị này gồm 3 giai đoạn: P C Giai đoạn đàn hồi Pb Pch B A D Ptl Giai đoạn chảy - dẻo Giai đoạn tái bền 4 O DL  Đặc trưng tính bền Ptl Giới hạn tỷ lệ : tl  F0 Pch Giới hạn chảy : ch  F0 Pb Giới hạn bền : b  F0  Đặc trưng tính dẻo L  L Độ giãn tương đối: %  1 0 100 L0 F  F Độ thắt tỉ đối : %  0 1 100 F Trong đó: 0 F0- F1: Diện tích mặt cắt ngang ban đầu&chỗ bị đứt của mẫu L0-L1: Chiều dài tính toán ban đầu &s au khi đứt của mẫu 5 3. MẪU THÍ NGHIỆM a) Mẫu thử thép tấm và thép hình  Theo TCVN 197 – 1985: mẫu thí nghiệm có thể có tiết diện tròn hoặc chữ nhật d0 L0 L Mẫu tiết diện tròn: Mẫu tiết diện chữ nhật: L0 = 5d0  10d0 L0  5.65 F0 11.3 F0 L = L0 + (0,5d0  2,0d0) L  L0  (1.5 F0 2.5 F0 ) 6 b) Mẫu thử thép cốt Bêtông L  Chiều dài tối thiểu Lmin = 14do + 2h do - đường kính thanh thép (mm) h - Chiều cao miệng kẹp máy thí nghiệm (mm) 7 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM  Máy kéo đa năng model WE – 1000B 8 9 10 11 12 13 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM (tt)  Thước kẹp  Thước thép 14  Cân và dụng cụ khắc vạch 15 5. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM  Kiểm tra mẫu thử.  Xác định L0, d0 cho mẫu thử.  Khắc vạch lên mẫu thử khoảng cách giữa các vạch 10mm. N Khoảng L0 16 6. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM  Cho tăng lực từ từ, theo dõi đồng hồ đo và đọc các giá trị Ptl, Pch, Pb (dựa vào đồ thị) 7. ĐO ĐẠC SAU KHI THÍ NGHIỆM  Đo xác định độ dãn dài.  Đo xác định độ thắt 17 8. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ  TínhNGHIỆM toán các ứng suất giới hạn: chảy, bền.  Tính độ giãn dài tương đối, độ thắt tương đối. 18 8. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ CáchNGHIỆM xác định(tt) chiều dài mẫu sau khi đứt: O A L1 Nếu L0/3 £ x £ L0/2 thì : L1 được lấy bằng khoảng cách giữa 2 vạch biên. 19 8. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ CáchNGHIỆM xác định(tt) chiều dài mẫu sau khi đứt O C A B LAB LBC n khoảng (N-n)/2 khoảng Nếu x < L0/3 và N – n là số chẵn thì : L1 = LAB + 2LBC Trong đó OB £ OA 20 8. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ CáchNGHIỆM xác định(tt) chiều dài mẫu sau khi đứt (tt): LAB LBC (N-n-1)/2 - Khoảng n - Khoảng LBD O A B CD Nếu x < L0/3 và N – n là số lẻ thì : L1 = LAB + LBC + LBD Trong đó OB £ OA, CD = 1 Khoảng 21 1. MỤC ĐÍCH  Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng khi kéo mẫu gang.  Xác định đặc trưng cơ học của gang: Giới hạn bền (b).  So sánh tính chất cơ học của vật liệu dẻo (thép) và vật liệu dòn (gang) 22 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT  Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực kéo và biến dạng dài (P - DL) của mẫu trong thí nghiệm kéo thường có dạng. Đồ thị này gồm 2 giai đoạn: 23 P Pb Giai đoạn đàn hồi Ptl A Giai đoạn chảy – dẻo – phá hoại O DL Pb  Đặc trưng tính bền : b  F0 24 3. MẪU THÍ NGHIỆM  Theo TCVN 197 – 1985: mẫu thí nghiệm có thể có tiết diện tròn hoặc chữ nhật d0 L0 L Mẫu tiết diện tròn: L0 = 5d0  10d0 L = L0 + (0,5d0  2,0d0) 25 Mẫu tiết diện chữ nhật: L0  5.65 F0 11.3 F0 L  L0  (1.5 F0 2.5 F0) 26 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM  Máy kéo đa năng model WE – 1000B 27 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM (tt)  Thước kẹp  Thước thép 28  Cân và dụng cụ khắc vạch 29 5. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM  Kiểm tra mẫu thử.  Xác định L0, d0 cho mẫu thử.  Khắc vạch lên mẫu thử khoảng cách giữa các vạch 10mm. N Khoảng L0 30 6. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM  Cho tăng lực từ từ, theo dõi đồng hồ đo và đọc các giá trị Ptl, Pch, Pb (dựa vào đồ thị) 7. ĐO ĐẠC SAU KHI THÍ NGHIỆM  Đo xác định độ dãn dài.  Đo xác định độ thắt 31 8. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ  TínhNGHIỆM toán các ứng suất giới hạn: chảy, bền.  Tính độ giãn dài tương đối, độ thắt tương đối. 32 1. MỤC ĐÍCH Xác định độ dẽo của kim loại nguyên. Mẫu uốn xong được quan sát mức độ rạng nứt (nếu có) để đánh giá khả năng chịu uốn (độ dẽo) của vật liệu 33 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT có dạng. uốn 90o uốn 180o 34 1. MỤC ĐÍCH Xác định đặc trưng cơ học của thép: Giới hạn chảy (c). 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực kéo và biến dạng dài (P - DL) của mẫu trong thí nghiệm kéo thường có dạng. 35 Đồ thị này gồm 2 giai đoạn: P Giai đoạn đàn hồi A Pch Giai đoạn chảy - dẻo O DL Đặc trưng chịu lực của thép khi chịu nén Pch Giới hạn chảy : ch  F0 36 3. MẪU THÍ NGHIỆM  Theo TCVN 197 – 1985: mẫu thí nghiệm có thể hình trụ tròn hoặc lăng đa giác. h0 d Trong đó: 0 d0 - Đường kính mẫu. h 1 0  3 d h0 – Chiều cao mẫu. 0 37 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM  Máy kéo đa năng model WE – 1000B 38 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM (tt)  Thước kẹp  Thước thép 39  Một số loại thước kẹp 40 5. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM Xác định h0, d0 cho mẫu thử. 6. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Cho tăng lực từ từ, theo dõi đồng hồ đo và đọc giá trị Pch, tiếp tục tăng thêm khoảng 70 – 80% Pch thì dừng lại. 7. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆMTính toán các ứng suất giới hạn chảy. 41 1. MỤC ĐÍCH Xác định đặc trưng cơ học của gang: Giới hạn bền (b). 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lực kéo và biến dạng dài (P - DL) của mẫu trong thí nghiệm kéo thường có dạng. 42 Đồ thị này có 2 giai đoạn: P Giai đoạn đàn hồi Pb A Ptl Giai đoạn chảy – dẻo – phá hoại O DL Pb Đặc trưng tính bền : b  F0 43 3. MẪU THÍ NGHIỆM  Theo TCVN 197 – 1985: mẫu thí nghiệm có thể hình trụ tròn hoặc lăng đa giác. h0 d Trong đó: 0 d0 - Đường kính mẫu. h 1 0  3 d h0 – Chiều cao mẫu. 0 44 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM  Máy kéo đa năng model WE – 1000B 45 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM (tt)  Thước kẹp  Thước thép 46  Một số loại thước kẹp 47 5. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM Xác định h0, d0 cho mẫu thử. 6. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Cho tăng lực từ từ, theo dõi đồng hồ đo và đọc giá trị Pb. 7. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Tính toán các ứng suất giới hạn bền. 48 1. MỤC ĐÍCH Xác định mô đun đàn hồi E khi uốn thép. 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Dưới tác dụng của tải trọng ngang đặt trong mặt phẳng quán tính chính trung tâm, ta có uốn phẳng và trục dầm bị uốn cong 49  P O 1 z y  f O2 z Đường đàn hồi y 50 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chuyển vị tại đầu công xon của dầm được tính bằng: Trong đó: PL3 f  (1) P – tải trọng tập trung. 3EI x L – Chiều dài dầm công xon. PL3 E  (2) Ix – Mô men quán tính. 3fI x E – Mô đun đàn hồi. f – Chuyển vị tại đầu công xon. 51 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM Thanh thép hình chữ nhật đầu công xon như hình vẽ. P 52 Đặt tải trọng tác dụng lênh thanh, chuyển vị tại đầu công xon được tính: 3 P1L f1  (3) 3EIx 3 P2L f2  (4) 3EIx 53 Khi đó: 3 3 P2  P1L DPL (5) Df  f2  f1   3EIx 3EIx Trong đó: P1, P2 – Tải trọng gia tải tại thời điểm 1 và 2. L – Chiều dài dầm công xon. Ix – Mô men quán tính. E – Mô đun đàn hồi. f1, f2 – C.vị tại đầu công xon tại thời điểm 1 & 2. 54 4. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM (tt)  Thước kẹp có độ chính xác 0.02mm: 1 cái  Thước thép có độ chính xác 0.1mm: 1 cái  Chuyển vị kế điện tử có độ chính xác 0.001mm: 1 cái  Bộ phận treo cân và các quả cân gia tải. 55 5. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM  Đo kích thước mẫu, tính mômen quán tính Ix  Lắp thiết bị đo, đo chiều dài dầm công xon.  Chuẩn bị bộ phận gia tải. 56 Lập bảng biểu mẫu để tính toán : Lần Tải trọng Chuyển vị kế gia tài P (kG) D P (kG) A (mm) DA (mm) i i 1 1.0 2.000 1.0 2.000 2 2.0 4.000 1.0 2.000 3 3.0 6.000 1.0 2.000 4 4.0 8.000 57 6.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Gia tải theo từng cấp tải. Ghi lại kết quả chuyển vị trên chuyển vị kế. 7. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ DựaNGHIỆM trên kết quả chuyển vị kế tính toán độ võng theo công thức (5). Tính toán mô đun đàn hồi theo công thức (3), tính giá trị trung bình của mô đun đàn hồi E. So sánh với kết quả lí thuyết, giải thích 58 1. MỤC ĐÍCH Xác định mô đun đàn hồi trượt G. Kiểm định định luật Hoocke’s khi trượt. 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Khi xoắn thuần túy thanh có mặt cắt ngang hình tròn thì góc xoắn tương đối giữa hai mặt cắt ngang A và B các nhau 1 khoảng LAB 59 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT (tt) M L z AB (1) AB  GJp Trong đó: AB – Góc xoắn tương đối giữa 2 mặt cắt A, B. Mz – Mô men xoắn trong đoạn AB. Jp - Mô men quán tính độc cực của mặt cắt ngang thanh. 60 d4 J  0 (2) p 32 Với d0 – Đường kính của thanh tròn. Nếu ta xác định được Mz, Jp, LAB và đo được góc xoắn AB thì có thể suy ra mô men đàn hồi trượt G: M L G z AB (3) ABJP 61 3. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM DP 62 4. MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Mẫu thí nghiệm 1 là 1 thanh có tiết diện tròn, một đầu ngàm và một đầu gắn vào bạn đạn (ô bi) có thể xoay tự do. Bên ngoài đầu thừa gắn thanh 2 để treo quả cân tạo mô men xoắn Mz (xem hình vẽ). Giữa ngàm và ổ bi gắn 2 thanh ngang 3 tại A và B. Ở đầu mỗi thanh ngang đặt 1 chuyển vị kế. 63 4. MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM (tt) Khi đặt quả cân, thanh chịu xoắn thuần túy. Tại A và B có góc xoắn A và B (góc xoắn tuyệt đối giữa A, B với ngàm). Khi thanh bị xoắn thì mặt cắt ngang ở A và B bị xoay làm cho 2 thanh ngang 3 cũng xoay quay trục thanh. 64 Đầu các thanh ngang 3 chuyển vị các Chuyển vị kế đo được chuyển vị DA, DB. Khi đó: DA   (4) A a DB   (5) B a Trong đó: a – Độ dài thanh 3 tính từ trục thanh 1 đến đầu chuyển vị kế. 65 Từ trên ta xác định được: AB = A - B (6) 5. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM Thước kẹp có độ chính xác 0.02mm: 1 cái Thước thép có độ chính xác 0.1mm: 1 cái Chuyển vị kế điện tử có độ chính xác 0.001mm 2 cái Bộ phận treo cân và các quả cân gia tải. 66 7. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Đo đường kính mẫu thí nghiệm, tính mô men quán tính độc cực. Đặt chuyển vị kế. Đo khoảng cách giữa 2 mặt cắt A và B: LAB Gắn thanh treo và hệ thống gia tải. 67 7.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM (tt) Lập bảng ghi giá trị thí nghiệm: Lần Tải trọng Số đọc trên chuyển vị kế gia P D P Chuyển vị kế A Chuyển vị kế B tải (kG) (kG) Ai (mm) DAi (mm) Bi (mm) DBi (mm) 1 1 2.500 3.000 1 6.500 3.000 2 2 9.000 6.000 1 6.000 3.000 3 3 15.000 9.000 1 6.500 3.500 4 4 21.500 12.500 68 7.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM (tt) Xem trọng lượng của móc treo và thanh ngang 2 là tải trọng ban đầu P1 ta đọc được cá trị số A1, B1 trên chuyển vị kế A, B (có thể điều chỉnh trị số trên chuyển vị kế về 0). 69 7.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM (tt) Đặt quả cân 1KG vào móc treo (tức P2 = P1 + 1KG) đọc các trị số A2, B2 tương ứng. Giả sử có n cấp tải trọng cứ thực hiện tương tự cho đến khi kết thúc. 70 7. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Dựa vào các trị số đo được trên bảng số liệu đã thí nghiệm và các trị số tính toán d0, LAB, a, b, GLT tính được Mô men xoắn Mz: Mz = DP.z (7) 71 Trung bình cộng hiệu các số đọc trên C.vị kế: n DAi DA  i1 (8) tb n n DBi DB  i1 (9) tb n Trong đó: n – Số cấp tải trọng. 72 7. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆMGóc xoắn t(tt)ương đối trung bình giữa các mặt cắt ngang A, B so với ngàm. DA D  tb (10) Atb a DB D  tb (11) Btb a 73 Góc xoắn tương đối giữa 2 mặt cắt ngang A và B: Dtb = DAtb - DBtb (12) Tính mô đun đàn hồi trượt G theo công thức (3). 74