Proceedings VCM 2012 19 nghiên cứu đáp ứng dao động tự do trong việc nhận dạng

Tóm tắt Bài báo này trình bày một hướng mới và đề xuất chỉ số trong việc đánh giá tình trạng cấu trúc dầm . Phương pháp này được xây dựng dựa trên việc phân tích các thay đổi trong tín hiệu dao động tự do của dầm có xẩy ra hiện tượng phách đối với từng mức độ khuyết tật khác nhau. Đây thường là đoạn tín hiệu dao động tắt dần của cầu trong tình trạng lưu thông thực tế, là trạng thái dao động của cầu sau khi phương tiện lưu thông đi qua. Phương pháp được kiểm chứng dựa trên các tập số liệu đo trên một thanh kim loại dạng dầm dao động, thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng (PTN CHUD) của trường Đại học Bách khoa Tp.HCM. Từ khóa : dao động, hư hỏng, hiện tượng phách Abstract This paper presents an experimental study on damage condition assessment of beam structure. This new method is based on the presence of a beat in the free response of damaged beam. This phenomenon often occurs in free delay response which is the vibration state of the bridge after vehicle go across it under real traffic. The result of the study is based on data measured from a metal experimental beam which is created by Applied Mechanics Laboratory (LAM) of HoChiMinh City University of Technology. Damage is modeled with a sawcut damage on the bottom surface of the intact specimen. Keyworks: vibration, damage, beat phenomenon

Nghiên cứu đáp ứng dao động tự do trong việc nhận dạng

khuyết tật của dầm

A study on damage detection of beam using free decays

vibration tests Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn

Trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh e-Mail: ngokieunhi@yahoo.com, phambaotoan04@yahoo.com

Tóm tắt

Bài báo này trình bày một hướng mới và đề xuất chỉ số trong việc đánh giá tình trạng cấu trúc dầm Phương pháp này được xây dựng dựa trên việc phân tích các thay đổi trong tín hiệu dao động tự do của dầm có xẩy ra hiện tượng phách đối với từng mức độ khuyết tật khác nhau Đây thường là đoạn tín hiệu dao động tắt dần của cầu trong tình trạng lưu thông thực tế, là trạng thái dao động của cầu sau khi phương tiện lưu thông đi qua Phương pháp được kiểm chứng dựa trên các tập số liệu đo trên một thanh kim loại dạng dầm dao động, thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng (PTN CHUD) của trường Đại học Bách khoa Tp.HCM

Từ khóa : dao động, hư hỏng, hiện tượng phách

Abstract

This paper presents an experimental study on damage condition assessment of beam structure This new method is based on the presence of a beat in the free response of damaged beam This phenomenon often occurs in free delay response which is the vibration state of the bridge after vehicle go across it under real traffic The result of the study is based on data measured from a metal experimental beam which is created by Applied Mechanics Laboratory (LAM) of HoChiMinh City University of Technology Damage is modeled with a saw-cut damage on the bottom surface of the intact specimen

Keyworks: vibration, damage, beat phenomenon

Ký hiệu

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

của cơ hệ

n

w rad/s tần số riêng của cơ hệ

1, 2

w w rad/s Hai tần số lân cận tần số

riêng của hiện tượng phách x(t) Tín hiệu dao động của cơ hệ

X(f) Biến đổi Fourier của tín hiệu

Chữ viết tắt

VBDD Vibration Based Damage Detection

PRC Prestressed Reinforced Concrete

FT Fourier Transform

1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhiều công trình cầu đã được xây dựng phục vụ nhu cầu về lưu thông ngày càng nhiều của các họat động thường ngày Nhưng tuổi thọ của các công trình cầu không phải là vĩnh cửu, nhiều cây cầu khi đưa vào sử dụng một thời gian dài (khoảng 10-20 năm) đã bắt đầu nảy sinh sự xuống cấp và xuất hiện nhiều khuyết tật (hư hỏng) và không đảm bảo an toàn cho con người khi lưu thông trên cầu Nguyên nhân quan trọng khiến tốc độ xuống cấp tăng trầm trọng hơn đó là do sự khác biệt rất lớn kể từ hơn mười năm gần đây về khối lượng giao thông dự kiến khi thiết kế và khối lượng giao thông diễn ra trong thực tế tại thời điểm hiện tại Do vậy đánh giá tình trạng hoạt động và kiểm tra khuyết tật của các công trình cầu một cách thường xuyên trở thành một vấn đề cấp thiết trong xã hội Hiện tại

việc kiểm tra thường xuyên sử dụng biện pháp

quan sát bằng mắt hay dùng một số dụng cụ kiểm

tra chuyên dùng như thiết bị siêu âm, súng bắn bê

tông, bức xạ âm thanh… Các biện pháp này có

chung đặc điểm là muốn áp dụng thì phải xác định

được khu vực hư hỏng của cấu trúc, đồng thời vi

trí hư hỏng phải cho phép tiếp xúc dễ dàng Do đó

sử dụng biện pháp này rất khó đánh giá được các

hư hỏng bên trong cấu trúc Ngày nay một xu

hướng mới trong việc “đánh giá tình trạng cấu

trúc” là dựa vào dao động của cơ hệ (VBDD) Cơ

sở khoa học của phương pháp VBDD là: Sự xuất

hiện khuyết tật trong cơ hệ sẽ làm thay đổi các

đặc trưng động lực học của nó như tần số riêng,

dạng dao động, giảm chấn (là những giá trị phụ

thuộc vào các đặc trưng vật lý như khối lượng, độ

cứng, sự tiêu tán năng lượng của cấu trúc) Hàng

trăm công trình khoa học về nhận dạng khuyết tật

xuất phát từ cơ sở này đã ra đời Sau đó, một số

nhà nghiên cứu đã thực hiện một cuộc khảo sát và

đánh giá các phương pháp phát hiện khuyết tật dựa

vào dao động cũng như áp dụng các đối tượng cấu

trúc khác nhau như Doebling [1,2] , Zou [3], Sohn

[4] và Chang [5] Theo các tác giả thì công tác

đánh giá tình trạng cấu trúc có thể chia thành 4

mức độ:

-Mức 1: sự hiện diện của khuyết tật ;

-Mức 2: định vị khuyết tật;

-Mức 3: đánh giá mức độ hư hỏng;

-Mức 4: dự báo tuổi thọ của cấu trúc;

Tuy nhiên trong các đặc trưng dao động, thông số

tần số và giảm chấn thường được áp dụng trong

các nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm hay cấu

trúc thực

* Tần số

Tần số riêng là một trong những thông số phổ biến

nhất được sử dụng trong công tác kiểm định cầu

Trong giai đoạn thiết kế cũng như xây dựng một

cây cầu, các kỹ sư luôn tính toán sao cho tần số

riêng của cấu trúc cầu phải lớn hơn các tần số dao

động cưỡng bức gây ra bởi tác động môi trường

mà cầu phải chịu khi đưa vào sử dụng như gió,

động đất, phương tiện lưu thông v,v… Tuy nhiên

qua thời gian sử dụng lâu dài, dưới tác dụng của sự

lão hóa vật liệu cũng như những tác động môi

trường không lường trước, cầu sẽ ngày càng xuống

cấp và tần số riêng sẽ thay đổi Salawu ( 1997) [6]

là người đầu tiên áp dụng phương pháp VBDD

bằng cách so sánh tần số tự nhiên của cấu trúc dầm

qua các mức độ khuyết tật khác nhau Ông thấy

rằng phương pháp này không thật sự hiệu quả vì

vết nứt trên dầm chỉ gây ra thay đổi rất nhỏ đối với

tần số riêng của dầm Thật vậy nhiều công trình

nghiên cứu cũng cho rằng tần số riêng không cung

cấp đủ thông tin cho bài toán nhận dạng khuyết tật

Hơn nữa tần số riêng lại thường không đủ nhạy để phát hiện khuyết tật đối với một số cấu trúc Salawu [7] đã tiến hành đo đạc tình trạng của một cầu bê tông trước và sau khi sửa chữa thì nhận thấy tần số của 6 mốt đầu thay đổi trung bình khoảng 1,7% Farrar và các công sự [8,9] tiến hành thử nghiệm trên cầu thực (kết cấu dầm thép I-40)

và xác minh rằng tuy giảm độ cứng uốn của cầu tới 21% nhưng tần số riêng vẫn không có dấu hiệu thay đổi rõ ràng Tương tự trong [10], Wang đã làm thí nghiệm trên một dầm thép dày 6 mm ngàm

2 đầu có 2 vết cắt sâu 3 mm ở mặt trên và mặt dưới tại vị trí giữa dầm (độ cứng uốn suy giảm tới 87,5%), thì tần số cũng chỉ suy giảm 2% Chen [10] nghiên cứu sự thay đổi các đặc tính của cấu trúc giàn thép bị ăn mòn cũng cảm thấy tần số thay đổi không đáng kể Do đó Amir [11] cho rằng phương pháp này chỉ có thể xác định sự tồn tại của khuyết tật tương đối lớn, và không cho chúng ta định vị tương đối vị trí của khuyết tật được vì có thể khuyết tật ở những vị trí khác nhau lại gây ra cùng sự thay đổi tần số

* Giảm chấn

Một khuynh hướng nghiên cứu khác là sử dụng giảm chấn để đánh giá tình trạng “sức khỏe” của cấu trúc cầu bắt nguồn từ cảm nhận rằng giảm chấn nhạy hơn tần số riêng khi có sự thay đổi độ cứng hay khuyết tật Nhiều nhà nghiên cứu [12] đã

đề nghị sử dụng giảm chấn như một dấu hiệu và công cụ đầy triển vọng để phát hiện hư hỏng Zhang and Hartwig [13] đã tiến hành thống kê trong nhiều mẫu thử và phát hiện rằng giảm chấn dường như hiệu quả hơn tần số riêng trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng sức khỏe cấu trúc bởi vì sự thay đổi giảm chấn thì rõ ràng hơn sự thay đổi giá trị tần số riêng Tương tự, Saravanos and Hopkins [14] tiến hành thí nghiệm trên nhiều dầm composit và nhận thấy sự tách lớp vật liệu ảnh hưởng nhiều đến đặc trưng giảm chấn hơn là

tần số riêng của dầm Tác giả Colakoglu với

nghiên cứu của mình [15] cho rằng hệ số giảm chấn tỉ lệ với số chu kỳ mỏi của cấu trúc Trong nghiên cứu của Modena [16], tác giả cho rằng giảm chấn nhạy với các đặc tính đặc biệt của bê tông dự ứng lực và đã làm kiểm chứng trên mô hình thí nghiệm với cùng vết nứt vi mô.Thí nghiệm cho thấy tần số riêng rất ít thay đổi trong khi đó thì có sự thay đổi lớn ở giảm chấn (có khi thay đổi tới 50%) Tuy nhiên một số nghiên cứu lại cho kết quả ngược lại, điển hình là nghiên cứu của Kawiecki [17] Ông đo dao động trên một dầm mỏng (90x20x1 mm) và trên một dĩa bằng kim loại Kết quả cho thấy rằng giảm chấn không thực

sự nhạy với khuyết tật Ông cho rằng dấu hiệu giảm chấn không phù hợp trong việc đánh giá tình trạng các cấu trúc nhẹ hay vi mô

Trong những những thí nghiệm đo dao động của

các cấu trúc bê tông cốt thép dự ứng lực (PRC)

trong cả hai tình trạng nguyên vẹn và có vết nứt,

Zonta và cộng sự [18] phát hiện xuất hiện sự tồn

tại của hiện tượng phách trong đáp ứng dao động

tự do của các bộ phận hư hỏng Trong phân tích

phổ, ông lại thấy có sự tách ra thành 2 tần số lân

cận nhau gần bằng tần số riêng Tương tự, chúng

tôi cũng tiến hành khảo sát và thấy hiện tượng này

cũng xảy ra trong một số tín hiệu dao động trên

cầu thực (H 1) Hiện tượng tần số tách ra này

(giống như phổ hiện tượng phách) dường như chỉ

liên quan đến trạng thái dao động tự do, nó chỉ

xuất hiện trong phân tích phổ tín hiệu của các thí

nghiệm dao động tắt dần nhưng không xuất hiện

trong thí nghiệm khác như dao động cưỡng bức,

dao động điều hòa… Trong tài liệu [19] các tác giả

cho rằng hiện tượng này có thể đặc thù cho vết nứt

của cấu trúc bê tông cốt thép, nó dường như chỉ

xuất hiện khi cấu trúc bị hư hỏng Nhiều nhà

nghiên cứu cho rằng hiện tượng này hoàn toàn có

thể diễn tả bằng một mô hình tuyến tính nếu chúng

ta chấp nhận sự tồn tại của lực giảm chấn ảo trong

cơ hệ một bậc tự do

Để kiểm tra sự hiện diện và quan hệ giữa các

thông số (tần số, giảm chấn, hiện tượng phách),

một mô hình thí nghiệm là dầm thép đã được tổ

chức trong nghiên cứu này Các thông số thay đổi

trong từng điều kiện kích thích khác nhau gồm tải

trọng, vị trí tác động đối với mức độ hư hỏng khác

nhau Qua đây, tác giả cũng đề xuất một chỉ số liên

quan đến tính chất giảm chấn của cấu trúc nhằm

đánh giá tình trạng hiện tại của cấu trúc Chỉ số

này thông qua phân tích các giá trị tần số của hiện

tượng phách

H 1 Đồ thị dao dộng tắt dần (hình trên ) và phổ

(hình dưới) từ tín hiệu đo gia tốc.(cầu Bến Nọc Q

2 Tp HCM)

2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Mô hình giảm chấn ảo

Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ 1 bậc

tự do (H 2) thường gặp:

0

H 2 Mô hình giảm chấn nhớt

Nhưng công thức này không lý giải được nguyên nhân xảy ra hiện tượng phách Trong nghiên cứu [18], các tác giả đã đề xuất phương trình :

mx   c id x    kx  (2)

H 3 Mô hình giảm chấn ảo

Trong phương trình (2), ta nhận thấy xuất hiện thêm một hệ số d (đặc trưng cho tính phân tán năng lượng của cơ hệ) và i là đơn vị ảo của số phức Chúng ta đặt :

2

n

Phương trình (2) trở thành

2

Nghiệm của phương trình (4) có dạng

Với s1 và s2 là nghiệm của phương trình đặc trưng:

1 2

2

1 2

n

n

s s





 





(6)

Vậy s1 và s2 là nghiệm phức có dạng:

2

2

1 1

(7)

H 4 Biểu diễn tần số phách trên mặt phẳng phức

Cuối cùng phương trình (5) sẽ trở thành :

( )

n

n

t

     

 



(8)

Ta thấy nghiệm tổng quát của hệ dao động giảm

chấn ảo sẽ là tổng hợp 2 nguồn dao động cùng

phương với tần số lần lượt là 1 và  Nếu 2 tần 2

số này càng gần nhau thì hiện tượng phách sẽ xảy

ra Khi đó tần số phách sẽ được tính như sau

2 1

   với 21 (9)

Ta thấy rằng z

và d đều là những hệ số phụ thuộc

các thông số cơ học của vật liệu cấu trúc Dựa trên

cơ sở nhận dạng khuyết tật bằng dao động, trong

nghiên cứu này một chỉ số hư hỏng (DI) kết hợp từ

2 hệ số nói trên dùng để đánh giá tình trạng cấu

trúc được đề xuất Dựa vào phương trình (7) ta có

2 1 2

2 1

1

DI

i

w w d

w w

z d





2.2 Phân tích Fourier

Khi đo lường được một tín hiệu, cách phổ biến

nhất và hiệu quả để truy xuất những thông tin nó

mang theo là phân tích tín hiệu thành những thành

phần cơ bản, ít phức tạp hơn (H 5) Phân tích

Fourier (FT) có khả năng biến đổi tín hiệu phức

tạp thành những hàm sin và cos Biến đổi Fourier

của một tín hiệu x(t) liên tục như sau:

2







Trên thực tế chúng ta chỉ thu được dạng tín hiệu

rời rạc Do đó công thức (11) được biến đổi sang

dạng rời rạc:

   

2 1

0

0,1, , 1

j

N

n





Trong đó N là chiều dài đoạn tín hiệu, x[n] là thành phần n của tín hiệu rời rạc x

H 5 Phân tích Fourier của một tín hiệu phức tạp

3 Tổ chức thí nghiệm 3.1 Mô hình thí nghiệm

H 6 Mô hình dầm dao động tự do với vị trí cảm

biến, vị trí đặt tải và vết cắt

Mô hình thí nghiệm là một dầm thép phẳng dài 1m với kích thước mặt cắt ngang hình chữ nhật (100 x

8 mm) được chế tạo tại PTN CHUD trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (H 6) Dầm thép được mài nhẵn phẳng suốt chiều dài và sơn cách điện toàn bề mặt để chắc chắn dầm hoàn toàn nguyên vẹn hạn chế bị khuyết tật trong quá trình chế tạo

và tránh ảnh hưởng của các yếu tố môi trường Nhờ vậy những yếu tố bên trong lẫn bên ngoài tác động lên dầm hoàn toàn làm chủ được trong toàn

bộ thí nghiệm Dầm thép được mô hình gần như một dầm cầu thực Hai đầu dầm là bệ đỡ theo liên kết tựa Vết nứt được mô hình bằng cách một vết cắt ở mặt đáy của dầm

Để cho khách quan, 4 cảm biến dao động kiểu MEMS có đáp ứng tần số từ 0÷50 Hz với thang đo

± 2g được lắp cố định cách đều nhau trên dầm và cách đều hai gối đỡ để kiểm tra sự đồng nhất của dầm khi dao động

FFT

Phương pháp tạo trạng thái dao động tự do của hệ

cơ học để xác định giảm chấn thường được chia

thành 2 phương pháp phổ biến Phương pháp thứ

nhất là đo lường tín hiệu của đáp ứng dao động

của hệ sau khi tác dụng một lực điều hòa với tần

số thích hợp trùng với tần số riêng của hệ Phương

pháp này ít phù hợp đối với cấu trúc thực bởi vì để

thực hiện điều này cần có thiết bị chuyên dụng đặc

biệt, thời gian tiến hành cho một lần thử tương đối

lâu, và phải xác định trước tần số riêng và hàm

dạng của hệ Phương pháp thứ 2 là đo lường tín

hiệu của đáp ứng dao động của hệ sau khi hệ chịu

một xung lực kích động hay đang chịu một thế

năng biến dạng (H 7) Phương pháp này thực hiện

thuận tiện hơn phương pháp thứ nhất rất nhiều, chỉ

cần giải phóng đột ngột một khối lượng trước đó

gắn liền với hệ (không cần bất kỳ một thiết bị đặc

biệt nào) và chỉ cần thực hiện một lần là có thể xác

định giảm chấn của hệ cơ học [20] Vì thế trong thí

nghiệm này, biện pháp để kích thích hệ dao động

là treo một vật nặng có khối lượng đủ lớn lên dầm

tại các vị trí xác định Sau đó, vật nặng được giải

phóng đột ngột sẽ làm cho dầm dao động với

chính thế năng đàn hồi đã tích lũy được

H 7 Phương pháp tạo dao động tự do cho cầu

3.2 Tiến hành thí nghiệm

Khuyết tật của dầm được tạo ra bởi một vết cắt

nằm ở mặt đáy của dầm Vết cắt nằm giữa vị trí

đặt cảm biến 3 và 4 (H 6) Thí nghiệm được tiến

hành với các yếu tố kích thích cùng các mức độ

khác nhau nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của chúng

đối với trạng thái dao động tự do của dầm:

* Mức độ hư hỏng

Thí nghiệm được chia thành 6 trường hợp khác

nhau ứng với 6 tình trạng khác nhau của dầm về

mức độ tăng dần của khuyết tật ký hiệu là Hi Mỗi

mức độ hư hỏng đặc trưng cho chiều sâu và chiều

rộng vết cắt trên dầm thí nghiệm như trên H 8

* Vị trí đặt tải

Ký hiệu bằng Vi với i là các vị trí khác nhau

V1: vị trí cảm biến 1 V3: vị trí cảm biến 3 V2: vị trí cảm biến 2 V4: vị trí cảm biến 4

* Khối lượng tải trọng

Ký hiệu bằng Mi với i là mức khối lượng của vật

nặng

M1: tương ứng với 500g M2: tương ứng với 1000g

H 8 Lưu đồ các trạng thái kích thích

3.3 Phương pháp xử lý 3.4

H 9 Lược đồ tính toán chỉ số DI và tần số riêng

4 Kết quả thu được 4.1 Dạng dao động

Tín hiệu đo đồng thời của các cảm biến ở vị trí khác nhau đều cho đồ thị dao động đồng dạng (H 9) trong cùng một điều kiện kích thích Cho nên có thể hình dung tại mọi điểm trên dầm đều dao động như nhau khi ở trạng thái dao động tự do

M2 M1

M?

V1

V2 V3

V?

V4

H0: tình trạng ban đầu H1: vết cắt rộng 1 mm, sâu

1mm dài nửa chiều rộng dầm

H? H2: vết cắt rộng 1 mm, sâu 1 mm dài suốt chiều rộng dầm

H3: vết cắt rộng 2 mm, sâu 1

mm dài suốt chiều rộng dầm

H4: vết cắt rộng 2 mm, sâu 2

mm dài suốt chiều rộng dầm

H5: vết cắt rộng 5 mm, sâu 2

mm dài suốt chiều rộng dầm

Phân tích FFT

2

f

F

1

f

2

n

DI

f











H 10 Tín hiệu dao động tại 4 vị trí khác nhau

trên dầm thép trong cùng điều kiện kích thích

Mặt khác, khi di chuyển điểm đặt tải lần lượt qua

các vị trí V1, V2, V3, V4 hay thay đổi tải trọng

của vật nặng thì dao động tại cùng điểm đo cũng

đều cho dạng dao động tương đồng (H 11 và H

12) Từ đây có thể cho rằng dạng dao động tự do

của dầm ít phụ thuộc vào các điều kiện kích thích

bên ngoài như tải trọng hay vị trí kích động

Những điều này góp phần làm cho phương pháp

đánh giá tình trạng cấu trúc của nghiên cứu áp

dụng cấu trúc thực dễ dàng và thuận tiện

Tuy nhiên, khi tăng mức độ hư hỏng của dầm thì

dạng dao động lại thay đổi rõ rệt (H 13) Dấu hiệu

đặc trưng này mở ra một cơ hội mới rất triển vọng

trong công tác nhận biết mức độ khuyết tật

H 11 Tín hiệu dao động thu được của cảm biến 2

qua các lần đặt tải ở các vị trí khác nhau

H 12 Dạng dao động và phân tích phổ thu được

từ cảm biến 2 ứng với các tải trọng khác nhau

H 13 Dạng dao động của dầm qua các mức độ

hư hỏng khác nhau

4.2 Tần số

Qua các kết quả xử lý từ số liệu thu được, các giá trị tần số dao động của dầm ở mọi điểm ứng với tải trọng bất kì và vị trí tác động bất kì trong mỗi tình trạng hư hỏng thì hoàn toàn giống nhau Các giá trị sai số <1% (Bảng 1) nằm trong khoảng cho phép chứng tỏ nhiễu tín hiệu không đáng kể Từ đây khẳng định điều mô phỏng trong lý thuyết là chấp nhận được: tần số dao động riêng chỉ phụ thuộc vào đặc trưng kết cấu của dầm và sẽ không đổi dù

vị trí đặt tải, vị trí cảm biến hay khối lượng tải khác nhau

Bảng 1: Giá trị tần số qua các lần đo

Mức

độ

hư

hỏng

f1 (Hz) Sai số các

lần đo f2 (Hz)

Sai số các lần

đo

H1 14,35 0,47% 13,433 0,86%

H2 14,445 0,45% 13,77 0,35%

H3 15,045 0,56% 13,93 0,68%

H4 15,055 0,28% 14,195 0,77%

H 14 Giá trị trung bình của tần số theo mức độ

hư hỏng ứng với tải trọng 500 g

H 15 Giá trị trung bình của tần số theo mức độ

hư hỏng ứng với tải trọng 1000 g

Dựa vào H.14 và H.15 ta nhận thấy rằng tần số f1

(tần số luôn ứng với giá trị và biên độ lớn luôn

không đổi mặc dù tải trọng thay đổi) Tuy nhiên

tần số f2 (tần số ứng với giá trị và biên độ nhỏ)

dường như có sự khác biệt nhỏ giữa 2 lần thay đổi

vật nặng Khi mức độ hư hỏng còn nhỏ thì tần số f2

ứng với tải trọng lớn thì có đặc điểm nhỏ hơn f2

khi tác dụng tải trọng nhỏ Điều này chứng tỏ tải

trọng càng lớn thì tần số f2 có xu hướng cách xa

tần số f1, hiện tượng phách xảy ra rõ ràng hơn

Nhưng khi mức độ hư hỏng tăng lên thì dường như

ảnh hưởng của tải trọng đối với đặc điểm này

không còn đáng kể nữa

Tần số f2 có xu hướng tỉ lệ theo mức độ hư hỏng

của dầm (kể cả khi tăng bề rộng lẫn chiều sâu hay

chiều dài) Tần số thứ nhất (tần số ứng với biên độ lớn) ban đầu (ứng với H1) có xu hướng giảm nhanh so với tình trạng ban đầu (H0) , nhưng các tình trạng tiếp theo thì có xu hướng tăng

13.4 13.6 13.8 14.0 14.2 14.4 14.6 14.8

Tình trạng hư hỏng

H 16 Giá trị tần số riêng theo các mức độ hư

hỏng của dầm

Trong nhiều tài liệu, tần số riêng thường suy giảm theo mức độ của khuyết tật Nhưng từ những số liệu thu thập được từ mô hình dầm thép của nghiên cứu này, tần số riêng lại có xu hướng tăng lên so với sự gia tăng hư hỏng Điều này tuy không phù hợp với nhiều kết quả của nhiều nghiên cứu trước đây nhưng kết quả này cũng góp phần khẳng định tần số riêng hoàn toàn không phù hợp với bài toán xác định khuyết tật Điều này cần được xem xét sâu hơn nữa trong những nghiên cứu sau này

4.3 Chỉ số DI

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Tình trạng hư hỏng

H 17 Giá trị chỉ số hư hỏng (DI) theo các mức độ

hư hỏng của dầm

Từ đồ thị trên (H 17) có thể rút ra một vài chú ý Chỉ số DI tỉ lệ nghịch với độ sâu (tương ứng với tình trạng H1,H2, H4) và tỉ lệ với chiều rộng vết cắt trên dầm (tương ứng với tình trạng H3 và H5) Hay nói cách khác là dường như chỉ số DI có mối quan hệ với tỉ lệ giữa các kích thước của vết cắt

Để làm sáng tỏ điều này nhiều thí nghiệm cần được tiến hành thêm

5 Kết Luận

Từ việc phân tích hiện tượng dao động tự do của

một dầm thép, đa số các thí nghiệm này đều cho ta

kết quả của một cơ hệ giảm chấn nhớt hay giảm

chấn ma sát Coulomb Tuy nhiên mô hình dao

động tự do của dầm ở đây lại xuất hiện thêm hiện

tượng phách Thực tế hiện tượng này cũng đã xảy

ra ngoài mô hình cấu trúc thực (H 1)

Ta thấy rằng hiện tượng dao động này không chỉ

xảy ra đối với cấu trúc bê tông cốt thép [18] mà nó

còn xuất hiện ngay cả trong cấu trúc thép.Vì vậy

hiện tượng này có thể xem là hiện tượng điển hình

của cấu trúc, không hoàn toàn chỉ phụ thuộc vào

vật liệu

Hiện tượng này dễ dàng được phát hiện ngay trên

đồ thị dao động và giúp ta nhìn nhận sự tồn tại hư

hỏng của cấu trúc không cần phải xử lý bất kì

thông số nào Do vậy hiện tượng này có thể được

áp dụng để hỗ trợ các nhà kiểm định đánh giá tổng

quát tình trạng hiện tại của cấu trúc ngay tại hiện

trường đo đạc một cách thuận tiện và ít tốn kém

Theo kết quả phân tích ở trên, chúng ta nhận thấy

chỉ số hư hỏng DI dường như có một mối quan hệ

với kích thước khuyết tật Đây là một phát hiện

mới của nghiên cứu này Bên canh đó việc tính

toán hệ số này khi xảy ra hiện tượng phách tương

đối đơn giản nên có thể sử dụng chỉ số này như là

một công cụ tiềm năng trong bài toán đánh giá tình

trạng cấu trúc bằng dao động Tuy nhiên cần nhiều

nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện công cụ này

Tài liệu tham khảo

[1] Doebling SW, Farrar Ch, Prime MB, Shevitz

DW: Damage identification and health monitoring of

structural and mechanical systems from changes in

theirvibration characteristics: A Literature Review

Los Alamos National Laboratory Report

LA-13070-MS UC900; 1996

[2] Doebling SW, Farrar CR, Prime MB: A summary

review of vibration-based damage identification

methods Shock and Vibration Digest 1998;30:91–

105

[3] Zou Y, Tong L, Steven GP: Vibration-based

model-dependent damage (delamination)

identification and health monitoring for composite

structures– a review J Sound Vibration 2000;

230(1):357–78

[4] Sohn H, Farrar CR, Hemez FM, Shunk DD,

Stinemates DW, Nadler BR: A review of structural

health monitoring literature, 1996–2001, Los

Alamos National Laboratory, USA; 2003

[5] Chang PC, Flatau A, Liu SC Review Paper:

Health monitoring of civil infrastructure Struct

Health Monit 2003;2(3):257–67

[6] Salawu, O S (1997): "Detection of structural damage through changes in frequency: a review",

Engineering Structures, 19, 718-723

[7] O.S Salawu 1997: Assessment of bridges: use of dynamic testing Canadian Journal of Civil Engineering 24, 218—228

[8] Farrar CR, Baker WE, Bell TM, Cone KM, Darling TW, Duffey TA et al: Dynamic characterization and damage detection in the I-40 Bridge over the Rio Grande.Los Alamos National

Laboratory report LA-12767-MS; 1994

[9] Farrar CR, Jauregui DA: Comparative study of damage identification algorithms applied to a bridge: I experiment Smart Mater Structure

1998;7(5):704–19

[10] Chen B, Xu YL, Qu WL: Evaluation of atmospheric corrosion damage to steel space structures in coastal areas Int J Solids Struct

2005;42:4673–94

[11]Amir Shahdin, Joseph Morlier, Yves Gourinat:

Damage monitoring in sandwich beams by modal parameter shifts: A comparative study of burst random and sine dwell vibration testing Journal of

Sound and Vibration 329 (2010) 566 –584

[12] D Montalvao, A M Ribeiro, J Duarte-Silv: A method for the localization of damage in a CFRP plate using damping Mechanical Systems and Signal

Processing (2008), doi:10.1016/j.ymssp.20 08.08.011

[13] Z Zhang, G Hartwig: Relation of damping and fatigue damage of unidirectional fibre composites

International Journal of Fatigue 24 (2004 ) 713–738

[14] D.A Saravanos, D.A Hopkins: Effects of delaminations on the damped dynamic characteristics of composites Journal of Sound and

Vibration 19 2 (1995) 977–993

[15] M Colakoglu: Description of fatigue damage using a damping monitoring technique Turkish

Journal of Engineering and Environmental Sciences

27 (2003) 125–130

[16] Modena C, Sonda D, Zonta D:Damage localization in reinforced concrete structures by using damping measurements Damage assessment

of structures In: Proceedings of the international conference on damage assessment of structures, DAMAS 99 1999, p 132–141

[17] Kawiecki G: Modal damping measurements for damage detection European COST F3 conference on

system identification and structural health monitoring Madrid, Spain; 2000, p 651–658

[18] Zonta D, Modena C, Bursi OS: Analysis of dispersive phenomena in damagedstructures

European COST F3 conference on system identification and structural health monitoring

Madrid, Spain; 2000, p 801–810

[19] Zonta D., Modena C : "Observations on the

Appearance of Dispersive Phenomena in Damaged

Structures" Journal of Sound and Vibration, Vol 5,

n 241, p 925-933 2001

[20] Filipe Magalhães, Álvaro Cunha, Elsa Caetano,

Rune Brincker “Damping estimation using free

decays and ambient vibration tests” Mechanical

Systems and Signal Processing 24 (2010) 1274–1290

Ngô Kiều Nhi nhận bằng kỹ sư

thạc sĩ chuyên ngành Động lực học và Sức bền máy, bằng tiến

sĩ kỹ thuật chuyên ngành Nguyên lý máy tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Kharkov, Liên Xô 1970-1974 – là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.Từ 1975 đến

nay là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học Bách

Khoa Tp Hồ Chí Minh Năm 2004- được nhận

chức danh Giáo sư Năm 2006 được nhận danh

hiệu Nhà Giáo Nhân Dân Là trưởng phòng PTN

CHUD trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM từ

1993 đến nay Hướng nghiên cứu chính: Theo dõi

và chẩn đoán tình trạng máy móc, kết cấu công

trình; Kỹ thuật đo lường, cân bằng và thiết kế chế tạo thiết bị đo, máy cân bằng; Động lực học và điều khiển máy, thiết kế chế tạo bộ điều khiển CNC nhiều bậc tự do và các thiết bị tự động trên nền bộ CNC được chế tạo

Đã nhận được các giải thưởng lớn: giải

“Kovalevskaia”, năm 2002 , giải thưởng Khoa học Công nghệ Việt nam “Nghiên cứu chế tạo các thiết

bị đo lường để phục vụ sản xuất” của Chủ tịch nước khen tặng, năm 2005

Phạm Bảo Toàn sinh năm

1986 Nhận bằng thạc sỹ cơ học

kỹ thuật năm 2012 tại trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM

về nghiên cứu dao động cấu trúc, thu thập và xử lý tín hiệu Hiện là nghiên cứu viên của bộ môn Cơ Kỹ Thuật (DEM) và PTN CHUD trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Hướng nghiên cứu chính: Các phương pháp khai thác dữ liệu (data mining) trong việc theo dõi tình trạng và phát hiện sớm hư hỏng của máy móc

và cấu trúc