CƠ SỞ QUAN TRẮC CÔNG TRÌNH CẦU TRONG THI CÔNG VÀ KHAI THÁC

Xét riêng về kết cấu nhịp cầu thép đang được áp dụng có thể thấy như sau:- Kết cấu nhịp cầu dầm thép đã và đang được áp dụnc với ti lệ tương đối lớn và đang tồn tại các khuyết tật khó có

GS TS NGUYỄN VIẾT TRUNG (Chủ biên)

Cơ SỞ QUAN TRẮC CỒNG TRÌNH CẦU TRONG THI CỒNG VÀ KHAI THÁC

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG

LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề quan trắc cầu là vấn đề mới ở Việt Nam lĩnh vực nghiên cím hệ thống quan trắc kết cấu cầu rất rộng và mang khái niệm khá mới chưa có tài liệu tiếng Việt giới thiệu Cuốn sách này chỉ giới hạn thảo hiận vê nguyên lý quan trắc cầu nói chung và những áp dụng cụ thê cho loại kêt cáu nhịp câu thép, mà chủ yếu là dựa trên các thông số đặc trưng quan trắc được như sự thay đôi vê tán sô tự nhiên, ứng siiát.

Nội dung sách chưa để cập được hết cơ sở lý thuyết áp dụng cho tất cả các loại kết cấu nhịp cũn^ như két cáu mo trụ cầu và móng, mồ chỉ mới tập trung bàn đến việc phái hiện các hư hỏtìg cơ bản.

Các nội dung được trình bày trong sách này dựa trên cơ sở ỉý thuyêt được nghiên cihi ỏ' nước níĩoài, còn cần được kiêm chứng thực tế nhiều năm nữa trong điêu kiện và môi trurmíỊ ìàni việc của kêt câu cáu tại Việt Nam.

M ột vài ví dụ về khả nâng áp dụng thiết lập hệ thổng quan trắc kết cầu nhịp cầu thép điên hình ỏ- Việt Num tại một số cầu dâv của Việt Nam được đưa ra chi đê minh họa (hệ íhoiiiỉ >^ày chưa được lắp đặt) nham tạo cơ sở cho việc hiêu rỗ thêm và cỏ ihê áp dụng hệ thong này một cách hợp lỷ và khoa học Sách được biên soạn lần đầu, chắc không tránh khỏi thiếu sót Kính mong bạn đọc góp ý, thư góp ỷ xin gừi về Nhà xuất bản Xây dựng hoặc email của các tác giả: viettrungngí^vcihoo.com.

Xin chán ihành cám ơn.

Tác giả

MỞ ĐẨU

1 ĐẶT VÂN ĐỂ

Hệ thống giao thông là một trong nhŨTig hệ thống rất quan trọng của nền kinh tế quốc gia Trong mối quan hệ tổníỉ hòa với nền kinh tế, hệ thống giao thông được ví như mạch máu trong cơ thổ sống, ớ nước ta, trong điều kiện hội nhập và phát triển kinh tế hiện nay, mạng lưới eiao thông không ngừng được xây dựng mở rộng từ thành thị đến nông thôn và vùng sâu, vùng x a

Hiện nay, các công trình giao tliông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lưọng lớn nhằm đáp ứng kịp ihời với nhịp độ phát triển của nền kinh tế Do đó, chất lượng khai thác của công trình cũng phủi được xem xét một cách thỏa đáng Việc nghiên cứu

hệ thống theo dõi sự làm việc của công trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng Kcl quá thu thập được là một bức tranh tồng ihế về ứng xử của công trình trong giai đoạn làiiì Việc, là cơ sớ quan irọng cho việc đưa ra các đánh giá

về khả năng khai thác phục vụ của công trình

Với nhu cầu thực tế hiện nav, các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng cần phải được theo dõi, đánh giá một cách liên tục Sự theo dõi, quan sát kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết cần phải sửa chữa, lăng cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật và côiiíi nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày càng chính xác hơn

Mỗi kết cấu cầu trone thực tế thường có sự khác biệt rất lớn so với dự đoán trong giai đoạn thiết kế Nó phụ thuộc vào rất nhiều vào các yếu tố bất định, kế cả yéu tố nội tại và tác động bên ngoài MỘI số yếu tố phát sinh riRay trong quá trình thi công làm cho các ứng xử về kết cấu khác với các ứng \ ử dir kiến hoặc được mô hình trong bước thiết kế Khi được đưa vào sử dụng, kết cấu cầu còn chịu sự tác động trực tiếp của tải trọng xe cộ và các tác động khác nliư gió giãn nở nhiệt thông thường các tác động này khá khác biệt và trontĩ rất nhiều trưòng họp không thể biết được nguvên nhân xuất liiện và cường độ của chúng Một vcu cầu được đặt ra là phải có một hệ thống theo dõi ihườne xuyên để đánh siá các tác dộng này và kịp thời đưa ra các cảnh báo trong trường hợp cần thiết

Hiện nay ở Việt Nam, số lượng các cầu đang trong giai đoạn khai thác rất lớn bao gồm cả những cầu được xây dựng cách đày rất lâu, cũng như những cầu mới đưa vào khai thác sử dụng Xét riêng về kết cấu nhịp cầu thép đang được áp dụng có thể thấy như sau:

- Kết cấu nhịp cầu dầm thép đã và đang được áp dụnc với ti lệ tương đối lớn và đang tồn tại các khuyết tật khó có thể nhận biết được:

- Xu hướng sử dụng cầu thép tăng lên vỉ những ưu điểm cùa nó;

Trong khi đó các yếu tố chi phối tác độns lên kết cấu nhịp cầu thép vô cùng phức tạp như:

- Tải trọng luu thông qua cầu càng ngày càng tăng lên cả về số lượng và trọng lượng vì vậy cần phải có hệ thống theo dõi để đánh giá tác động của tải trọng này;

- Luôn có một số lượng lớn các khuyết tật tồn tại trong kết cấu các khuyết tật này khó nhận biết bằng các quan sát thông thường trước khi các sự cố công trình cầu xảy

ra, kết cấu cần phải được theo dõi liên tục để đưa ra các cảnh báo sớm khi cần thiôt;

- Việc đánh giá cầu bằng các phương pháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn như công tác phải phân luồng giao thông, dừng xe, (đặc biệl là dối với các hệ ihống cầu nằm trên các tuyến đường giao thông quan trọng như Q U ) Các số liệu thu được thì ít, không liên tục và mang tính chủ quan của người đo nên dễ dẫn dến sai sót các

kỳ thuật do dạc hiện đại giúp khắc phục hạn chề này;

- Trong công tác quản lý cầu việc kiem tra định kỳ cũng có Ihê làm giảm dirợc các rủi ro, tuy nhiên công việc này cũng chi có giới hạn về độ an toàn do vẫn có các khoảng thời gian kết cấu không được theo dõi kiểm tra (không liên tục), sẽ dẫn dến tình trạng chủ đầu tư không đưa ra được các quyết định kịp thời, do vậy cần phải cỏ một hệ thống theo dõi liên tục và giúp chủ đầu tư kịp thời đưa ra các cảnh báo:

- Tuổi thọ của kết cấu cầu thường có sự khác biệt rất lớn so với dự đoán trong eiai đoạn thiết kế, nó chịu sự tác động của nhiều yếu tố cả trong giai đoạn thi công và khai thác mà không thể đoán trước được, đây là thách thức lớn cho các kỳ sư và cơ quan quản lý chịu trách nhiệm về độ an toàn, tuổi thọ của công trình, cần phải có công cụ

để nhận biết sự thay đổi này và cập nhật chúng vào các mô hình phân tích;

- Việc xác định mức độ phục vụ cũng như lập ngân sách và kế hoạch duy tu bảo dưỡng chỉ dựa trên các quan sát bằng mắt, và các phép đo thông thường có thề dẫn đến các sai lầm rất nguy hiểm ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn phục vụ của kết cấu đặc biệt này;

- Sự phát triển của khoa học, kỹ thuật và ti'uyền thông đã đưa đến các phương pháp đánh giá kết cấu cầu mới, các dụng cụ đo đạc mới tin cậy hơn khách quan hơn thu thập đầy đủ các dữ liệu một cách liên tục và đưa ra các cành báo kịp thời cho người sử

dụng Nhũng phương pháp kiểm tra trước kia tỏ ra không còn phù họp nữa, hơn nữa việc này đòi hỏi nhiều thời gian, và trong điều kiện khó khăn tại hiện trưòng thì nhân tố này thường không đảm bảo Bên cạnh dó thì cũng cần một lưọng lớn nhân công, vì vậ\ hay gặp các sai sót như: sai sót khi lắp đặt thiết bị, hiệu chỉnh với điều kiện môi trường xung quanh, khi ghi chép và truyền đạt lượng thông tin không lô

Hàng năm chi phí duy trì hệ thống cầu trên cả nước rất lớn, các sự cố của các công trình cầu mang lại hậu quả to lớn về kinh tế - xã hội Vì vậy, cấp bách cần phải có một

hệ thống quan trắc để theo dõi sức khỏe của kết cấu cầu nói chung và kết cấu nhịp cầu thép nói riêng để có thể cuno, cấp các thông lin có độ tin cậy cao hơn, thông tin được cập nhật liên tục và hầu như tức thời về sự làm việc thực tế Sự thay đổi điều kiện làm việc của kết cấu, hay sự xuống cấp của công trình phải được ghi nhận một cách tự động, liên tục và chuyển thành các thông tin để đánh giá chính xác của sức khỏe kết cấu, xác định các vị trí hư hỏng và dự đoán trước được công việc sửa chữa, tăng cường trước khi kết cấu bị sụp đổ làm cơ sở để cơ quan quản lý có thể đưa ra các quyết định một cách kịp thời Do đó, nghiên cứu về hệ thống quan trẳc kết cấu nhịp cầu thép sẽ mang lại mộl ý nghĩa rất lớn và đặc biệt quan trọng đối với công tác xây dựng và quản lý công trình cầu ớ Việt Nam

2 NỘI DUNG C ơ BẢN CỦA SÁCH

Trong sách này trình bầy cơ sở vè phương pháp luận, cơ sở lý thuyết của hệ thống quan trắc cho kết cấu cầu nói chung và kết cấu nhịp cầu thép nói riêng ở Việt Nam.Một ví dụ thực tế về khả năng áp dụng thiết lập hệ thống quan trắc kết cấu nhịp cầu thép điển hình ở Việt Nam lại cầu treo dây võng TP (T.p Đà Nang) được đưa ra để minli họa (hệ thống này chưa được lắp đặt) nhằm tạo cơ sở cho việc áp dụng hệ thống này một cách hợp lý và khoa học

3 PHẠM VI ĐỂ CẬP CỬA CUỐN SÁCH

Vấn đề quan trắc cầu là vấn đề mới, chưa có tài liệu tiếng Việt giới thiệu, Sách này chỉ giới hạn thảo luận về nguyên lý quan trắc cầu nói chung và những áp dụng cụ thể cho loại kết cấu nhịp cầu thép, mà chú yếu là dựa trên các thông số đặc trưng quan trắc được như sự thay đổi về tần sổ tự nhiên, ứng suất ứng với 4 cấp độ đánh giá thông qua hệ thống quan trắc:

- Cấp 1: Phát hiện các hư hỏng: xác định các hư hóng trên kết cấu;

- Cấp 2: Xác định vị trí các hư hỏne: xác định vị trí cùa hư hỏng;

- Cấp 3: Định lượng mức độ nghiêm trọng cúa hư hỏng;

- Cấp 4: Dự đoán thời gian tồn tại của kết cấu cầu

Nội dung sách mới chỉ tập trung bàn đến vào cấp độ 1 và cấp độ 2 là phát hiện các

hư hỏng cơ bản

Các nội dung được trình bày trong sách này dựa trên cơ sở lý thuyết được nghiên cứu ờ nước ngoài, còn cần được kiểm chứng thực tế nhiều năm nữa trong điêu kiện và môi trường làm việc của kết cấu cầu tại Việt Nam

Lĩnh vực nghiên cứu hệ thống quan trắc kết cấu cầu rất rộng và mang khái niệm khá mới ở Việt Nam nên nội dung sách chưa đề cập được hết cơ sở lý thuyết áp dụng cho tất cả các loại kết cấu nhịp cũng như kết cấu mố trụ cầu và móng

ChưoTig 1

TỔNG QUAN VỂ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

1.1 HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CÂU CẦU

Với nhu cầu thực tế hiện nay, các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói nêng cần phải được theo dõi, đánh giá một cách liên tục Sự theo dõi, quan trắc kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết là cần phải sửa chữa, tăng cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày càng chính xác hơn

Có hai hướng để nhận dạng và dự báo khuyết tật cùa cầu, hướng thứ nhất đi sâu nghiên cứu đặc điểm của từng dạng khuyết tật riêng biệt dựa vào những nét đặc trưng của chúng để xây dựng lý thuyết về nhận dạng và dự báo các khuyết tật Hướng thứ hai là hướng phị cấu trúc, không quan tâm một cách chi tiết về từng loại khuyết tật mà chỉ nghiên cứu đặc trưng chung về đáp ứng động lực học khi có khuyết tật để nhận dạng và dự báo, nghĩa là dựa vào lời giải bài toán ngược động lực học cơ hệ

1.1.1 Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu

Quan trắc kết cấu cầu (Helmut Wenzel, 2009), thuật ngữ tiếng Anh là "Health

monitoring o f Bridge", là một thuật ngữ dùng để mô tả việc giám sát tình trạng tổng thể của kết cấu cầu, vì vậy nó được định nghĩa theo mục tiêu và yêu cầu đặt ra đối với kết cấu cầu Quan trắc cầu là một trong nhiều cách để theo dõi trạng thái ứng xử của kết cấu cầu dưới các loại tải trọng khai thác khác nhau Như vậy, việc tiến hành xác định các hư hòng của cầu như là sự thay đổi về tính chất của vật liệu, kích thước hình học, điều kiện biên và hệ thống liên kết chỉ là một khía cạnh của quan trắc kết cấu cầu

So với việc Thử tải cầu cũng như so với các phương pháp kiểm tra truyền thống khác thì Quan ứ-ắc cầu có một ưu điểm khác biệt hơn như:

- Cung cấp thời gian thực trong giám sát, phân tích và liên tục phát hiện sự giảm khả năng chịu lực, hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu trong suốt quá trình khai thác của công trình

- Đặc biệt hệ thống này còn theo dõi \ ’à ghi lại các ứne xử của kết câu troniỉ trường hợp đặc biệt (như bão lũ, thiên tai hoặc sự cố tai nạn nghiêm trọne) mà các phirơng pháp truyền thống khác không thể giám sát được.

Những lợi ích rõ ràng, quan trọng nhất của quan trắc kết cấu cầu như sau:

- Việc quan trắc sẽ làm giảm các rủi ro về các nguyên nhân không lưcTiiơ trước giúp cho Cơ quan quản lý cầu có các quyết định kịp thời dựa trên sổ liệu thực tế làm việc của công trình cầu

- Công tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuvết về mặt kêt càu

và tăng độ an toàn cho cây cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà không tliể phát hiện bằng các kiểm tra bằng mắt hoặc kiểm tra trên mô hinh Trong những trưòng hợp này yêu cầu đảm bảo sự sống còn của các cây cầu là phải có các biện pháp khắc phục kịp thời trước khi tình hình trở nên quá muộn Công tác sửa chữa nếu đu'ỢC tiến hành sóm và đúng thời điểm sẽ có chi phí thấp và thời gian phải ngừng lưu thông

là ngắn nhất Có được thông tin từ hệ thống quan trắc được gắn sẵn trên càu sẽ làm tăng mức độ an toàn cả cho kết cấu và người sử dụng

- Việc quan trắc đảm bảo chất lượng lâu dài: Bằng việc cung cấp số liệu liên tục về

sự làm việc của cây cầu, công lác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công, vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do dó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho công việc không đạt chất lượng Rất nhiều công trình có khicm khuyết hoặc diém yếu về kết cấu được tạo ra ngay trong quá trình thi công, nlunm các khiếm khuyết này chỉ có thể nhìn thấy được sau một vài nám Lúc này chi phí sửa chừa sẽ trở nên rất lón và đã nằm ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thần

- Công tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kếl cấu cầu: dừ liệu quan trắc có thể giúp cho việc thực hiện công tác "bảo dưỡng theo nhu cầu" Các hoạt động vận hành, duy tu bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thay thế các bộ pliận của kết cấu sẽ được tối ưu hóa dựa trên các số liệu tin cậy phản ánh tình trạng làm việc thực của kết cấu

- Việc quan trắc sẽ xác định được mức độ dự trừ về cưòng độ của cây câu: có nhiều hạng mục của kết cấu có tinh trạng tốt hơn so với dự kiến (nguyên nhân có thê

là thiết kế với hệ số an toàn lớn hoặc sử dụng vật liệu có chỉ tiêu cơ lý tốt hơn nhiều so với số liệu tối thiểu dùng trong tính toán thiết kế) Trong những trường họfp này, công việc quan trắc sẽ xác định được biên độ cho phép có thể chịu đựng thèm cùa cây cầu, giúp Đon vị quản lý nắm rõ tải trọng an toàn có thể đi trên cầu

- Ngoài ra hệ thống quan trắc sỗ cung cấp các thông tin tham khảo rất bồ ích trong công tác thực hiện các dự án có quy mô tươne tự trong lương lai: thông tin về sự !àm việc thực tế của cây cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quán lý thực hiện các

đồ án thiết kế rẻ hon, an toàn hơn và bền vừng hơn với độ tin cậy và tính năng làm việc được nâng cao M ột chi phí đầu tư nhỏ thực hiện ngay từ đâu dự án sẽ có thê đạt

được các tiết kiệm lớn sau này nhờ việc tối ưu hóa thiết kế và phát hiện kịp thời các điểm yếu.

Đối với công tác thiết kế thỉ hiệu quả cụ thể nhất của hệ thống quan trắc thể hiện tại những điểm sau:

- Đánh giá và hiểu được ứng xử thực tế của kết cấu

- Kiểm soát và cập nhật phưong pháp tính và mô hình tính toán

- Xác minh các thông số tính toán được sử dụng

- Đo các loại tải trọng, hiệu ứng và sự phân bố tải trọng

- Nâng cấp cầu hiện tại cho tải trọng cao hơn và tốc độ lớn hơn

cụ cảm biến và nhiều hệ thống phụ khác Một hệ thống quan trắc hoàn chỉnh bao gồm:

- Hệ thống thu nhận (các cảm biến)

- Hệ thống thu thập dữ liệu

- Hệ thống xử lý dữ liệu

- Hệ thống truyền tải dữ liệu

- Hệ thống đánh giá và đưa ra các kết luận

Khi xây dụng hệ thống quan trắc cần phải có một mục tiêu và động lực rõ ràng đểChủ đầu tư chấp nhận, cần phải chỉ ra ràng các công việc hiện tại mà Chủ đầu tư đangthực hiện không đáp ứng được yêu cầu là giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình

Quán lý và thu thập

d ữ iiệ u íừ xa

Hệ thống truyền dữliệu IntGrnet

Bộ phận xử lý

vả phân tich kết quả

Bộ phận cánh báo khi có sự cố

Các động lực chính để xúc tiến việc lắp đặt hệ thống quan trắc là;

- Hiện trạng công trình cầu đang lão hóa và các vấn đề kinh tể - xã hội liên quan với việc tăng cường, sừa chữa so với xây dựng mới

- Tiến bộ kỳ thuật trong lĩnh vực máy tính, lưu trừ và các cảm biến

- Những vụ sập cầu gần đây gây ra các hậu quả nặng nề và được các phương tiện truyền thông đưa tin, do đó tạo ra mối quan tâm lớn của công đồng tạo nên áp lực lớn

vì vậy nên tăng quỹ cho nghiên cứu

- Trách nhiệm, điều này có nghĩa là phương pháp mới cần được đưa vào các quy trình, và có các hướng dẫn cụ thể

Hướng về kinh tế, ví dụ như tình huống xếp hạng cầu để có kế hoạch sửa chữa vì không đủ vốn để thay mới hoặc cần sử dụng kết cấu với thời gian dài so với dự kiến, mức độ phục vụ lón hơn

Thúc đẩy tính tò mò, trưòng hợp này khi muốn biết thêm về tầm quan trọng và tính phức tạp của kết cấu cầu, để đưa đến một kế hoạch tốt hơn cho kết cấu cầu trong tương lai

1.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống quan trắc kết cấu cầu

Theo Wenzel (2003) lịch sử phái triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn sau;

- Thế kỷ 19 Phát triển cùa động lực học của kết cấu

- 1920-1945 Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp

- 1990-2000 Bổ sung phưong pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến

- Từ 1995 Phát triển thêm phương pháp thu nhận kết quả quan trắc "quan trắc

thông minh"

- Từ 1996 Thương mại hóa các thiết bị đo

Hoạt động quan trắc đã bùng nổ mạnh trong thập ký gần đâv, do sự phát triên không ngừng trong lĩnh vực khoa học máy lính và con nguời và hệ ihống Iheo dõi

"thông minh" Thuật ngữ "thông minh" sau đó được sử dụng đế ỉihấn mạnh ý nghĩa của hệ thống quan trắc thông minh vì có độ bền, đáng tin cậy và kinh tế

Hình 2 Quá trình phát triên của hệ thống quan trắc (Wenzel, 2003)

Hình 3 cho thấy việc kiểm tra cầu có từ rất sớm, tuy nhiên cho đến một vài thập

kỷ gần đây thì việc quan trắc mới được quan tâm và áp dụng rộng rãi Các cây cầu bị phá hoại lớn nhất trong thế kỷ XIX đã dẫn đển tai họa to lớn tại Mỹ, Anh và Pháp Tất cả các tai nạn đều xuất phát từ các nguyên nhân giống nhau là: sự hiểu biết chưa đầy đủ về vật liệu và kết cấu, hơn nữa việc kiểm tra bảo dưỡng đầy đủ hiếm khi được thực hiện Các thảm họa này dẫn đến phải phát triển của các Tiêu chuẩn, các bản Hướng dẫn chi liếl kỹ Ihuậl vả các Quy dịnh kiểm Ira cầu để bảo vệ người tham gia giao thông

Hình 3 Thừ nghiệm một giàn thép tại Anh sẽ được sứ dụng cho một cầu đường sắt ớ Ấn Độ trong thé kỳ 19

Tuy nhiên trải qua một phần tư thế kỷ để phát triền tốt hơn các phương pháp thiết

kế theo những cải tiến cùa lý thuyết phân tích ứng suất, kiến thức vật liệu tốt hcTiì và đơn giản là triết lý thuận theo thiên nhiên Vì vậy, không phải cho đến giữa thế kỷ

XX, mà sau sự sụp đổ bi kịch của cầu Tacoma vào năm 1940 tại Mỳ, các đặc trimg cùa kết cấu cầu đã được nghiên cứu và từng bước kiểm soát

Hiện nay với sự phát triền của khoa học kỳ thuật thì việc quan trắc kết cấu cầu đang đứng trước cơ hội lớn để phát triền và dần hướng tới các hệ thống "quan trắc thông minh"

Wind Speed / Direclion

Located at Tovvcr & Dcck

Acceỉerometers

8 Localions

Temperature

Spare for Others

Hình 4 Giới thiệu mộl hệ í hống "quan trắc thông minh"

1.1.3 Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu

Theo Helmut Wenzel (2009), hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thông tin

cơ bản như là:

- Chứng nhận rằng kết cẩu cầu đáp ứng các yêu cầu của các quy trình, nó đưa đến

kỹ thuật mới trong công tác quản lý cầu và tạo ra môi trường cạnh tranh tốt trong ngành Xây dựng

- Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu về kỳ thuật và vận hành hệ thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lun trừ dữ liệu của cầu thành sự kiểm soát tư nhân, từ đó thúc đẩy các công việc mới như là cung cấp sự đổi mới và kế hoạch sửa chữa mới

- Đối với các kết cấu cầu đặc biệt đòi hòi có những quan tâm đặc biệt, mà các ý kiến của các chuyên gia không phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ cũng đòi hỏi phải cập nhật liên tục.

Nhân viên thiếu năng lực, gặp khó khăn khi lên kế hoạch sửa chữa thường xuyên

và đánh giá cầu với các dữ kiện khổng lồ Những kỹ thuật mới có the khắc phục được điểm yếu này

- Trong tình huống khẩn cấp thì Chủ đầu tư cần phải đưa ra các quyết định nhanh chóng và chính xác Các đánh giá dựa trên kết quả đo đạc thì được dễ dàng chấp nhận hơn ý kiến đánh giá chủ quan của các chuyên gia Điều này làm cho Chủ đầu tư có thê yên tâm vì đã có một hệ thống đang theo dõi thưòng xuyên, tự động và kịp thời đưa ra các cảnh báo cho họ

- Lĩnh vực này cũng được áp dụng trong trường hợp ngẫu nhiên hoặc khẩn cấp, việc

sử dụng các đánh giá chủ quan làm tăng nhiều nhược điểm và độ tin cậy không cao

- Khái niệm tối UXI trong việc sửa chữa cần phải được đưa vào trong quá trình thực hiện, càng nhiều dữ liệu, càng tổ chức tốt hơn và làm cho các công việc sửa chữa được

rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro và giúp đưa ra các quyết định có biên độ an toàn thấp hơn, có nghĩa là tiết kiệm được chi phí,

- Việc đưa ra các quyết định thông qua các số liệu định lượng trên cơ sở đo lưòng kết cấu cầu giúp đưa ra các biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn nhỏ, chỉ một bộ phận nhỏ các kết cấu mới đòi hỏi có sự can thiệp vào Kỹ thuật đo đạc mới nâng cao cơ sở dữ liệu và chất lượng của các kết quả để phục vụ cho việc đưa ra các quyết định cần thiết

- Dự đoán khả năng phục vụ của kết cấu cầu trong tương lai

- Khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả quan sát được đề xuất để đánh giá khi số lượng kết cấu khổng lồ, việc này được chia thành nhiều giai đoạn phụ thuộc vào mức

độ sâu của thông tin yêu cầu

Việc lựa chọn các tình huống quan sát phải được dựa trên các yếu tố chính, vì vậy chỉ có một số các bộ phận kết cấu cầu được quan sát trong hệ thống với nguồn vốn cố định Tùy thuộc vào các mức độ khác nhau mà được chia thành nhiều điểm, chu kỳ, chiến lược đánh giá tại chỗ, trực tuyến của kết cấu như sau:

- Điểm quan sát nên bao gồm các dụng cụ đo nhanh với các cảm biến đơn giản cầm tay, nó cung cấp các thông tin hiện trạng tổng quan của kết cấu cầu

- Các đánh giá định kỳ có nghĩa là có một kế hoạch đo nhiều lần lặp lại trên kết cấu cầu, nó được lặp lại sau một khoảng thời gian

- Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới hạn của cầu bị vượt qua, các quan sát này cho phép đánh giá chi tiết dựa vào các dữ liệu

và giúp đưa ra các quyết định nhanh chóng

- Quan sát và đánh giá trực tLi}'ến cho phép cảnh báo thông qua các phương tiện truyền thông, thông qua các đoạn tin nhắn (SMS) trong trường họp đơn giản hoặc theo dõi trực tuyến từ internet Các quyết định có thể được thực hiện trên các máy tính dựa trên dữ liệu đo đạc Hệ thống cành báo này áp đụng khi giới hạn của kết cấu

bị vượt qua

Trong trường hợp thông thườna thi Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trờ nên đơn giản, các kỳ thuật mới này đòi hòi các yêu cầu phức tạp hơn và có mức độ hiểu biết sâu sắc về động học cùa kết cấu vật lí và các kĩ thuật đo lường Kết quả cuối cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỳ thuật đơn giản, cung cấp các thông tin rõ ràng, chính xác Các thông tin chính được cung cấp trên một cửa sổ đơn của chương trình, ở đây ngưỡnẹ trên và ngưỡng dưới (giới hạn trên và dưới) được đưa ra và các kết quả đo lường trong một khoảng thời gian được đặt trong ngưỡng này Bằng cách nhìn biểu đồ người ta có thể thấy có bị vượt qua ngưỡng này hay không

I ra ttic Im aqe

Mo*-.! R»>rr>nf v* ìh » clr

V e h d c ln cỉc ^ to i

1

Uxpđ ìẠm

'1 0 0 G /■

w«iatí

HPS-

15fl-:oo

ỉratficSta1i5tiợíĩ|l imo I<í Onỵ Mì 41; 0 /

Jũ

30-^ - - —

,04 -

-0^-.;- ,

ào « 0 ioàỡ IM PHỊ BSQH M * « ^ V iằ jl|M P H Ỉ r I ■

00 !cc' ' 1000 D ẽ ỉtd r ^ « c x ir ( j| F ilc ( o S a v u ^ » / ~ a o d ư 95?! :iJ W^H»lỊyạỊTj I ÍO-Ị— I io 4 *' 0-’,

00 i o ióủ Ị ị IBHV KU.«VA^PS| Ị ũo’ 25 ú 75 kÌc M o d e m $ T O f Roal i m ù Trattic s tr â in OnỸn P lôtỉuo) «10 • /i ^ ^ ^ ví ^ " -%»1 4»« X ^ 3 i v Ì a 35 í » ^ « « v « U íi ^ u - ’’ 1 z 3 i ' ” 2 3 ’ * * ' 4 5 *'* ‘ 6 I u n v « r v iry ef c n c t v i a a n r a s t r u c t u r e n stK u t» >»\K^t:e f j d l / i /U % 1 2 Ì m E O Ê m ^ r n ĩ ‘* n □ r X -— 3 i ' ! 1 i 1 1->íi 4H ’ 1 - 1 m r a i H M •• d i a a ^ * — , j v *■— J " A ií* = \ r r

H mcihi I I u |}i«li

ịSQSSEBiH dcviM/ B lf \ti:i\Hrtlhoi iSI Ì-dKi

'N \

WM

Suto , a

J Ê K j k : m ầ M i

l ó g e

U íhiỉe''

Hình 6 Hệ thốn^ giám sát tủi írọng cung cáp một ngưỡng ịriới hạn của kêt ccíi/'^^.

Bảng báo cáo định kỳ cần cung cấp các thông tin dưới đây:

- Các hình ảnh và hệ thống biêu đồ khi quan sát kết cấu đề có thể xác định một cách dễ dàng

- Một cửa sổ cung cấp các kết quả có tính chu kỳ được đặt trong một ngưỡng giới hạn

- Cửa sổ thứ hai cung cấp các thông tin đặc biệt được yêu cầu như tốc độ gió hoặc bất cứ số liệu mong muốn nào khác

- Cuối cùng một sự phân loại được thực hiện dựa trên các thông số đo đạc trong bàng báo cáo thường kỳ, dựa vào bảng phân loại này có thể thấy ngay lập tức là có bất

cứ sự thay đổi nào xảv ra hay không

- Ngay cả các tiêu chuẩn liên quan đến khả năng khai thác của cầu có thể được cung cấp nếu các dữ liệu cần thiết được ghi nhận

1.1.4 Các tiên đề của hệ thống quan trắc (Helmut Wenzel, 2009).

Tiên đề 1: Đánh giá các h ư h(ii của kết cẩu cầu đòi hỏi p h ả i so sánh giữa hai trạng í hái của hệ thống.

Việc đánh giá mức độ hư hại cần phải có sự so sánh giữa các tình trạng của hệ thống Để đi đến một kết luận thống nhất đối với tiên đề này thì nhất thiết phải định

nghĩa được thế nào là đường chuẩn Một số phươiig pháp luận về giám sát tình trạng kết cấu công trình xây dựng không yêu cầu phải có một đường chuẩn được đo từ hệ thống không bị hư hỏng Một đườne chuẩn có thể được tạo ra đơn giản từ sự chi tiết hóa về mặt lý thuyết của tình trạng vận hành hệ thống theo mong muốn Để phán đoán yêu cầu có ước định vị trí và mức độ nshiêm trọng của hư hại đạt được câp độ cao hơn thì trong bộ dữ liệu hướns dẫn phải có dữ liệu mẫu ở điều kiện bình thường và cần phải bổ sung thêm mẫu ở các điều kiện hư hại khác nhau Trong trường hợp này, hiển nhiên là dừ liệu trong điều kiện bình thường tạo nên đường cơ bản Trong một cơ

sở hạ tầng xây dựng thì không thể có một điều kiện tốt đến mức không gây ra hư hỏng nào Cần phải thừa nhận rằng các mô hình lý thuyết sẽ cho ra đường cơ bản của điều kiện lý tưởng không hư hỏng Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ở đây là phải tìm ra một

mô hình phù họp trong khả năng có thể Đưèmg cơ bản cũng có thể được tìm ra qua thực nghiệm với các kết cấu khác nhau được quản lý bởi cùng một cơ sở dữ liệu Đây

là phép so sánh với hiệu suất trung bình của các kết cấu tương tự nhau Hơn nữa, ta có thể xác định được tính linh động từ các thử nghiệm mang tính lịch sử và bất kỳ một sự sai lệch nào cũng bị xem như là một hư hại Bất cứ lúc nào ứng dụng một phưong pháp nhận biết hư hại thì cần phải dịnh dạng đường cơ bản theo đặc tíiih của nó

Tiên đề 2: X ác định các tồn tại và vị trí cua h ư hỏng có th ể được thực hiện không thông qua các p h ư ơ n ẹ pháp, nhưng xác định a ĩc loại hu' h ỏ n g và m ứ c độ quan trọng ch ỉ cỏ th ể được thực hiện thônẹ qua p h u ơ n ẹ p h á p nghiên cứu.

Việc xác định sự hiện hữu \ à vị tn' của hư hại có thê đưực thực hiện bang hình thức nghiên cứu không giám sát nhưng việc nhận biết kiêu tình trạng hư hại và mức độ hư hại chỉ có thề tiến hành bằng hình thức nghiên cứu có giám sát Đối với ngành xây dựng cơ bản thì câu hỏi quan trọng nhất là: Có bị hư hại không? Những câu hỏi xoay quanh vị trí và mức độ nghiêm trọng, trono, điều kiện bình thường, không quan trọng lắm bởi vì một hư hại hiện hữu thuần túy sẽ kéo Iheo sự thay đổi của toàn bộ quy trình, ở đây phải nói đến các câu hỏi về trách nhiệm mà sẽ có nhiều điểm khác biệt khi ứng dụng trong các ngành kỹ thuật ô tô hay hàng không vũ trụ Vì vậy, những lập luận này đối với quan trắc trone xâv dựng mà nói thì nó không có vai trò quan trọng đến vậy

Phần phát triển mô hình thống kê của hệ thống quan trắc cần được xem xét cùng với việc thực hiện các thuật toán làm việc trên các đặc tính dễ bị hư hại nhằm lượng hóa tình trạng hư hại của công trình

Các thuật toán sử dụng trong việc phát triền mô hình thống kê thường rơi vào

3 dạng:

- Khi có dữ liệu khả dụng từ cả công trình bị hư hại và không hư hại, thuật toán nhận biết mẫu theo thống kê rơi vào dạne tổng quát được gọi là nghiên cứu có giám sát

- Phân loại theo nhóm và phân tích hồi quy là hai dạng của thuật toán nghiên cứu

có quan sát và chúng nhìn chung là gắn liền với việc phân loại mẫu hoặc là rời rạc hoặc là liên tục

- Nghiên cứu không quan sát đề cập đến các thuật toán ứng dụng đối với các dữ liệu không chứa mẫu từ cône trình bị hư hại Phát hiện bất thường hay ngoại vi là dạng cơ bản của thuật toán ứng dụng trong các mô hình nghiên cứu không quan sát.Tất cả các thuật toán đều dựa trên phân tích phân phối thống kê của các đặc tính thu thập được hoặc đo Iưòna; được nhằm đẩy mạnh quy trình nhận biết hư hại

Tiên đề 3: D ụ n g cụ đo luờng cỏ độ nhạy càng cao thì nó càng nhạy với s ự thay đổi của h ệ thong và các tác động của m ôi truờng x u n g quanh.

Neu không có tính năriR trích xuất thông minh thì một phép đo lường càng nhạy cảm với thiệt hại thì nó càng nhạy cảm với sự thay đổi của các điều kiện hoạt động và điều kiện môi trưòng Sự nliạy cảm của các công trình xây dựng dân dụng đối với các điều kiện hoạt động và môi trường cần được minh họa một cách chi tiết trong một phần riêng Điều kiện đặt tải và môi trường càng tốt thì việc phát hiện hư hỏng càng hoạt động hiệu quả về lý lưỏng thì có thề loại trừ các điều kiện này bằng các chưong trình

bù trừ dự kiến Tuy nhiên, vẫn còn tồn lại điểm bất định khá lón vì các kỳ quan sát quá ngắn và không thể lường trưóc được các điều kiện ngoại lệ Vì vậy, cần phải thận trọng khi nhận định kết quà, ví dụ như kết qua do thấy dộ cứng giảm dôi khi khỏng phải là clìỉ

số đo lường hư hại tốt mà vì độ nhạy cảm của phép đo hay dụng cụ đo kém Vì độ cứng không phái là chỉ số đo lường duy nhất nôn việc kết hcTp các phương pháp lại với nhau xem ra sẽ mang lại kết quả tốt hơn NhCmg biến đổi riêng biệt về trạng thái có thể sỗ điền hình hơn và lời giải thích cho những thay đổi này sẽ được đưa ra thảo luận

Tiên đề 4: Tồn tại tác động qua lại giữ a các thuật toán đ ể p h â n tích các d ữ liệu

h ữ u ích (dữ liệu đê x á c định hu' hỏng) và n h ữ n g d ữ liệu được loại bỏ đi.

Sẽ có sự đánh đồi giũa độ nhạy thiệt hại và khả năng loại bỏ tiếng ồn do một thuật toán Tỷ lệ này được thể hiện dưới dạng phần trăm của mức truyền tối đa trên véctơ

mô hình chuẩn Đổi với một tỷ lệ tiếng ồn, bộ hướng dẫn và bộ kiểm định phân tích ngoại lai được hình thành như sau Bộ hướng dẫn chứa 1000 mẫu lấy từ mô hình chuẩn Bộ kiểm định đơn íìiản là sỗ tương đương với bộ hưóng dẫn trung bình này Bộ hướng dẫn có thể là một phép đo đường cơ bản của kết cấu trong điều kiện không hư hỏng có tính đến điều kiện thực tế hiện thời

Tiên để 5: M ứ c độ h ư hỏng có th ế được nhận biết từ n h ữ n g thay đối động đặc trư ng động của ỉiệ thống là nó ti lệ nghịch với m iền tần số kicìì thích.

Kích thước của hư hại có thể được phát hiện từ những thay đổi trong động lực học

hệ thống tỷ lệ nghịch với dải tần số kích từ Rõ ràng ràng kích thước hư hại phụ thuộc

vào phạm vi của đợt đo bao cồm sò luợna các điểm đo trên một công trình cũng như

tỷ lệ lấy mẫu đạt được Chỉ có t.hc: phái hiện được hư hại nếu thực sự đo lường các đặc tính của nó

ờ đây, một vấn đề cần phai đề cặp dcn ớ đây là các yếu tố phi tuyến liên quan đến trạng thái hoạt động và nlũrnR t.ha'v đôi cua chúng khi phát hiện ra hư hỏng sẽ làm cho các biện pháp xác định trở nên khó khàn Mối quan hệ giữa bước sóng và độ nhạy cảm thiệt hại có thế được phát iriiển thành các phương pháp nhận biết hư hại dựa vào

độ rung dưới những dạng lôr.s quát hơn Trong những ứng dụng này, bước sóng đàn hồi chạy qua vật chất được ihav tlhế bànu mô hình bước sóng đứng được tạo lập trong kết cấu mà được hiểu là một dạng chấn dộng Trong các tài liệu kỳ thuật có rất nhiều bằng chứng chi ra rằng dải tần ;số khône phải là chỉ số tốt để đo lưòng các hư hại cục

bộ Dạng kết cấu chung tần sô thâip có bước sóng đặc trưng dài thưòng có xu hướng ít nhạy cảm với các thiệt hại cực biộ Đối với các công trình xây dựng như cầu treo, bước sóng dạng này có thề lên tới hàng trăm mét và những thiệt hại như các vết nứt mỏi dài khoảng vài cm sẽ khô-ng lihê phát hiện được

1.1.5 Các cấp độ quan trắc

Theo Helmut Wenzcl (2009), dê phân loại câu thì cân phải có các thông tin về hiện trạng và các yếu tố khác của nó hiệ ihòim quan trắc đưa ra cơ hội để xác định số lượng các điều kiện và cunịí eấp nhuníị ' ’ấ!l ‘.Ịuan trọng cho việc đưa ra các quyết định Có nhiều loại cấp độ quan trác, sư đồ bên dưới đưa ra các phương pháp phát triển từ việc điều tra đơn giản thông tliườnc tới các chiến dịch quan trác tinh vi, phức tạp Quy mô của hệ thống quan trắc plụi thuộc chủ yếu vào các kết quả cần có, chính xác là có 5 cấp độ được sử dụiia dò qu^ ết định mức dộ điều tra

- c ẩ p độ 1: Plíãn loại.

Các quy tắc đánh aiá thông thưcmu cúa kết cấu bắt đầu từ việc quan sát bằng thị giác sẽ cung cấp các nhận địnli chu quan về kết cấu cầu Các phân tích ban đầu được thực hiện đê phân loại các vấn đề cư bàn cần biết cho việc ra các quyết định sau này Nhiều chủ đầu tư lưu trừ các kếi qua này

- Cấp độ 2: Đ ảnh giá cá c điều kiện

Điều tra bằng thị íiiác P’hai đuợc ihực hiện trong bất kỳ kế hoạch quan trắc nào Sau đó mới đưa ra các quv êt định là có triển khai các bước tiếp theo hay không, có tiên hành các cuộc khao sál clni liêt hav khône Xác định loại và số lưọng các dụng cụ

đo Dùng các dụng cụ đưn gian đẽ đánh íiiá có thể đưa ra các quyết định đơn giản cho toàn hệ thống và sẽ cune cấip thcir các thông tin cần thiết Lun trừ và xử lý các dữ liệu nên được thực hiện trong c:ấp) dộ này Việc quan trắc có thể chỉ cần thực hiện tại các điểm đơn (cục bộ) th.a\ vị c:hc) toàn bộ kết cấu

Lĩnh vực điéu tra cơ bản

Điéu tra phân tích

Cấp độ III Đánh giá hiệu quả

Phân tích mô hinh

\ n g h i n g ờ ^

Dày đặt đồng bộ

MôpDhỏng

Quar thường

1 trắc xuyên

Hỗ trợ quyết định

Tải trọng thử

OK Y

Hình 7 Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc

- Cấp độ 3: Đ ánh giá tỉnh hiệu quả.

Cấp độ này được thực hiện theo cùng một phương pháp được mô tả trong cấp độ 2 Cấp độ này được thực hiện chi tiết và cung cấp các quyết định chính xác hơn như thêm các thông tin ví dụ như là đo mode hình dạng và các đánh giá chi tiết khác Việc

này đòi hỏi phải cung cấp thêm các dụng cụ quan trắc dày đặc, đồng bộ để đánh giá kết cấu.

- Cấp độ 4: Đánh giá chi tiết và p h â n loại.

Bước tiếp theo sẽ thiết lập và phân tích mô hình hiện tại của kết cấu cầu Mô hình này được so sánh với kết quả quan trắc được Nếu nó được xác định đơn giản, thì có thể trở lại cấp độ 3, nếu có các dấu hiệu bất thường không thể giải thích được từ việc ghi nhận dừ liệu, phải làm bước tiếp theo để làm rõ tình huống này Việc rõ ràng nhất là thu nhận các dữ liệu bất thường trong các trường họp đặc biệt Với việc cập nhật những kết quả này vào mô hình đơn giản ban đầu có thể thực hiện đánh giá kết quả và phân loại công trình Dữ liệu cần phải ghi nhận ít nhất là suốt 24h, nhưng tốt nhất là nên lâu hơn để thu nhận các kết quả từ môi trường và các tình huống giao thông

- c ẩ p độ 5: D ự báo thời gian tồn tại.

Các dữ liệu được ghi nhận để dự đoán thời gian tồn tại của cầu phải đủ lớn để vượt qua ít nhất là ba chu kỳ làm việc của kết cấu cầu, thời gian này thường là 3 năm Công việc mô phỏng nên được thực hiện từ phân tích mô hình để so sánh với lý thuyết Đe kiểm soát sổ lượng lớn các dữ liệu, cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng Thêm vào đó, công tác kiểm Ira các vi kết cấu có thể rấl hữu ích để xem xét các yếu lổ của kết cấu Tiến trình cập nhật sẽ được thực hiện và xem xét nhiều điều kiện của kết cấu,

nó bao gồm rất nhiều trưòng hợp tải trọng, không tải và bao gồm cả yếu tổ phi tuyến Trong trường hợp nghi ngờ, hệ thống quan trắc này nên được làm việc trực tuyến để máy tính có thể đưa ra các quyết định cảnh báo

Nhiều cầu đã có tuổi đã vượt quá thời gian khai thác, chúng được thiết kế không theo tải trọng hiện nay, có thể bị hư hại do các hư hỏng hoặc do quá tải Câu hỏi đật

ra cho Chủ đầu tư là các cầu này vẫn còn khai thác và thực hiện các chức năng của chúng hay không Một kế hoạch theo dõi dao động có thể đưa ra các thông tin cho các điều kiện này, nó đã được chứng minh bởi WenZel và Pichler (2005), dựa trên nguyên tắc là so sánh ứng xử thực của kết cấu theo các số liệu đo đạc và mô hình

lý thuyết

1.1,6, Các thành phần của hệ thống quan trắc

1.1.6.1 Giới thiệu các íhàtth p h ầ n hệ thống quan trắc

Tồn tại nhiều hệ thống quan trắc khác nhau, các loại khác nhau phụ thuộc vào các đặc trưng của đại lượng cần đo Tuy nhiên, nói chung thì tất cả các hệ thổng quan trắc

có thể được chia thành hai loại cơ bản sau; Hệ thống quan trắc tĩnh và động

Hình 8 Sơ đồ các hệ thống quan trắc

Mỗi hệ thống "con" bao gồm nhiều loại thí nghiệm khác nhau: như hệ thống đo tĩnh theo dõi ứng suất trong quá khứ của cầu Khi có ý định xem xét ứng xử tức thời của kết cấu thì sử dụng hệ thống quan trắc tạm thời Những thay đổi toàn bộ và cục bộ trong các bộ phận kết cấu cầu có thể được xác định bằng cách sử dụng hệ thống theo dõi lâu dài Hệ thống theo dõi động xác định những hiệu ứng của tải trọng thực tế và các tham số cần thiết của kểt cấu như: tần số tự nhiên, mode hình dạng và hệ số cản, đây là các đặc trung riêng cho mỗi cây cầu

Theo ISIS (2001), hệ thống quan trắc bao gồm những công việc sau đây:

- Thu thập dữ liệu;

- Truyền tải dừ liệu;

- Phân tích tín hiệu và xử lý dữ liệu;

- Lưu trữ dữ liệu đã xử lý;

- Hệ thống lựa chọn giá trị thông minh/thông tin kết quả;

- Đánh giá dữ liệu;

- Trình bày kết quả và tài liệu;

Các thông số chính quan trắc cầu bao gồm:

- Thời gian, điều kiện môi trư ờ ng

Hệ thống cảm biến bao gồm các dụng cụ điện trở đo biến dạng, dây đo dao động,

đ ầu dò độ lệch, đầu đo gia tốc, cảm biến sợi quang học, v.v

Hình 9 Sơ đồ của một hệ thống quan trắc

Công việc thu thập dữ liệu rất phức tạp và phụ thuộc lớn vào số lượng dữ liệu mẫu

Do đó, điều quan trọng nhất là giữ cho khối lượng dữ liệu trong giới hạn hợp lý mà không xảy ra rủi ro mất các thông tin có giá trị, do đó cần lấy mẫu thích họp Một tỷ lệ thấp sẽ dẫn đến nguy cơ không đạt được các thông tin mong muốn Một tỷ lệ quá cao thực tế sẽ tổn nhiều bộ nhớ và ổ đĩa cứng trên máy tính và vì vậy sẽ không cần thiết cho hệ thống theo dõi lâu dài

Một vấn đề trong quá trình thu thập dữ liệu là truyền tải các dữ liệu từ bộ cảm ứng vào hệ thống thu thập dữ liệu Quá trình truyền tải này thường đi qua dây dẫn Bất lợi

ở đây là chiều dài của dây dẫn thường được giới thiệu các cấp độ khác nhau do sự nhiễu của các tín hiệu Do đó, chiều dài của nó tốt hơn là nên được giới hạn trong phạm vi tương thích với hệ thống thu thập dữ liệu Truyền dẫn không dây giữa các cảm biến và hệ thống thu thập dữ liệu sẽ thích hợp hơn khi số lượng lớn các bộ cảm ứng được sử dụng

Việc truyền dữ liệu quan trắc liên quan đến việc vận chuyển dữ liệu từ hệ thống thu thập dữ liệu cho văn phòng, nơi các xử lý và phân tích được thực hiện Ví dụ như hệ

thống thu thập dữ liệu có thể được kết nối với mạng internet làm cho nó có thể kết nối với hệ thống từ các máy tính trong văn phòng và tải dữ liệu Tuy nhiên, tốt nhất là nếu

dừ liệu quan trắc có thể được phân tích thô tại trang web bằng cách thực hiện các thuật toán phân tích vào hệ thống theo dõi

Lưu trữ dữ liệu gồm các phương tiện lưu trữ dữ liệu được xử lý để nó sẵn sàng cho việc đánh giá trong thời điểm hiện tại hay trong tương lai Điều quan trọng là làm cho

dữ liệu nhận được bất cứ khi nào muốn để phân tích mới Vì vậy, dữ liệu quan trọng này cần phải được đảm bảo khi lưu trữ bao gồm cả các chú thích và các mô tả để làm cho rõ ý nghĩa của tất cả mọi thứ rõ ràng sau nhiều năm khi các tập tin được mờ trở lại Cũng có thể luxi trữ các file dữ liệu thô, đặc biệt là từ các dự án mà dữ liệu không được chia làm nhiều phần và đĩa cứng trên máy tính hoặc các thiết bị luxi trữ tương đương không giới hạn

Lựa chọn và đánh giá các dữ liệu phụ thuộc chặt chẽ với nhau Việc giải thích các

dữ liệu quan frắc là một phần quan trọng nhất trong các dự án quan trắc, vì nó phản ánh kết quả phản ứng thực sự của kết cấu Một điều quan trọng là chọn dữ liệu phù hợp cho những phân tích và ừình bày Vì vậy, nếu mục đích của phân tích được biết đến, và đánh giá có kinh nghiệm, việc lựa chọn dữ liệu là có thể thực hiện trước khi đánh giá Tuy nhiên, việc đánh giá các dữ liệu thực sự có thể được thực hiện trước khi lựa chọn các kết quả có giá trị

1.1.6.2 Các cảm biến

1 Giới thiệu về các cảm biến

Sự phân bố các cảm biến được sử dụng ở đây được tin cậy nhờ vào một mạng lưới các dây có độ bền cao được đặt vào bên cạnh hoặc dán vào dầm cầu, tại một khoảng cách z của mặt phẳng trung hòa để theo dõi các biến dạng đường, biến dạng góc và xoắn, toàn bộ các đặc trưng của cầu M ạng lưới dây tạo thành một lưới Cartesian như trong bên dưới Tất cả các dây được chia thành nhiều phân đoạn cho phép các giám sát liên tục biến dạng đường, góc và góc xoắn của một số điểm rời rạc trên cầu Như vậy công việc theo dõi đạt được bàng cách đo và biến đổi độ dài của các phân đoạn dây khác nhau của cảm biển Quá trình xử lý thay đổi chiều dài được xác định theo các lý thuyết

2 Cơ sở đo đạc của các cảm biến

Bên cạnh lý thuyết phân bố các sợi cảm biến, có thể hiểu được bằng cách xem xét các ý tưởng một chiều của các các "beam-like bridge" đon giản thể hiện trong hình trên Các biến dạng tương đổi e(x) của một sợi dây dính bám vào cầu ở một khoảng cách z từ trục trung hòa có thể được xác định theo công thức sau (Zienkiewicz và Taylor, 1989);

e(x) = -zw ^^ ( 1)Trong đó: Wxx là độ cong (chỉ số dưới biểu thị không gian theo x)

Bằng cách chia các "beam like bridge" thành các phần hữu hạn và sử dụng các lý thuyết phần tử hữu hạn để phát triển mối quan hệ biến dạng và độ võng, các độ võng nhỏ được giả định ( 1) có thể viết độ võng ngang w, tì-ong một phần tử cảm biến cầu, trong điều kiện vector độ võng tại nút Ị Aj} của phần tử dầm i như sau:

Phương trình (4) đưa ra sự thay đổi chiều dài ALị của sợi cảm biến trong đó có 4 ẩn

phương trình tuyến tính với 4 ẩn số của các biến dạng đường và góc của phần tử 'beam-like bridge” Theo đó, nếu 4 ẩn số này được tách ra, sợi cảm biến phải được phân thành 4 điểm dọc theo chiều dài của nó và sự thay đổi chiều dài trong mỗi sợi này phải được theo dõi Bằng cách này bốn phương trình được đưa có thể giải quyết các mô phỏng của 4 ẩn số này, vector độ võng I Aj} được xác định bởi:

{ A J = [ G , ] - ' { A L }Trong đó; AL = {AL| AL4} có thể được xác định bằng cách đo sự thay đổi điện trở của các đoạn sợi khác nhau

3 Cảm biến quang học

Theo Prancis T.S.Yu và Shizhuo Yin (2002), cảm biến quang học đo lưòng sự thay đổi ánh sáng được dẫn trong sợi, có hai loại sợi quang dựa vào thay đổi của ánh sáng: nội tại (bên trong sợi) và bên ngoài (bên ngoài sợi) Bổn thông số thay đổi trong ánh sáng đo được là: pha, phân cực, cường độ và bước sóng, tương ứng có 4 loại cảm biến là: cảm biển giao thoa, cảm biến phân cực, cảm biến cường độ, và cảm biến quang phổ, trong đó các cảm biến thông dụng nhất là cảm biến cường độ và quang phổ

Cáp sợi quang

Dây dẫn

* i t 1'

Lá kim loại gắn với mặt ngoái của bu lông

Hình II Hình ảnh cảm biến sợi quang

Các sợi quang học cũng là một đầu dò và chuyển đổi các đại lượng đo như nhiệt

độ, ứng suất, biến dạng, xoay hoặc điện và dòng tò trường vào một sự thay đổi tưcmg ứng trong các bức xạ quang học, ánh sáng được đặc trưng bởi biên độ, pha, tần số và phân cực Tính hữu dụng của sợi quang do đó phụ thuộc vào cảm biến mức độ của sự thay đổi này và khả năng của chúng để đo lường và định lượng cùng một cách đáng tin cậy và chính xác

Thiết bị đo cáp quang cung cấp một số lợi ích khi so sánh với thiết bị đo đạc điện thông thưòmg:

- Không bị ảnh hưởng với EMI, RPI, và các hiệu ứng nổ hạt nhân

- Không bị ảnh hưởng đến các vấn đề nối đất và sét đánh

- An toàn và phù họp để sử dụng trong môi trưòng nổ cao

- Chịu được nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn

- Băng thông rộng

- Thích họp để sử dụng trong môi trường ẩm ướt

- Kích thước linh hoạt và kinh tế

- Nhẹ nhàng và chặt

Nói chung, cảm biến cáp quang được đặc trưng bởi tính nhạy cảm cao so với các loại khác cảm biến Đặc biệt sợi được điều chế có thể chịu được nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt

Một cảm biến cáp quang nói chung sẽ bao gồm một nguồn sảrig, một cảm biến và cáp truyền dẫn, một bộ tách sóng quang, bộ giải điều, chế biến và quang học hiển thị

và các thiết bị điện tử yêu cầu

Sợi quang học: Sợi quang học mỏng, dài cấu trúc hình trụ, truyền ánh sáng qua

được vài km Một sợi quang học thông thường bao gồm một lõi thủy tinh, một lớp thưòng được làm bằng thủy tinh silica hoặc bằng nhựa, và đệm một lớp bên ngoài của acryỉate hoặc vật liệu khác Những lớp này được lần lượt được bảo vệ bởi dây cáp tương tự như được sử dụng cho dây dẫn

Bộ chuyển phát: Nhiều hệ thống máy phát sợi quang chỉ cần có một ánh sáng phát

ra đèn hai cực (LED); trong khi cho hình thức ứng dụng duy nhất đèn hai cực laze là cần thiết để đạt được băng thông rộng hơn Đèn LED được sử dụng làm nguồn phát thải trong các hệ thống đa truyền dẫn mà thưòng là không lón hơn 50 Mbps/s có chiều rộng quang phổ lớn so với điốt laser So với điốt laser, LED thường điều khiển khó hơn, rẻ tiền, tiết kiệm điện, phát ra các khu vực lớn hơn, và tuổi thọ lâu hơn Laser, không giống như LED sẽ không hoạt động dưới một ngưỡng hiện hành

Máy thu: Bộ nhận của một hệ thống đo lưÒTig quang học bao gồm một đèn hai cực,

chuyển đổi quang năng lượng thành năng lượng điện Photodiodes bán dẫn (PD) và quang đi ốt (APDs) là những phát hiện phù hợp nhất trong hệ thống đo lường sợi quang APD có thể cảm nhận ánh sáng thấp, nhưng cần phải cung cấp điện áp lớn thường khoảng lOOV Các cơ chế tiếng ồn khác nhau liên quan đến việc phát hiện và điện tử mạch hạn chế khả năng phát hiện cuối cùng Nhiệt và bắn tiếng ồn là hai nguồn chính và tiếng ồn cần phải được giảm thiểu cho hiệu năng bộ cảm biển tốt Phát hiện phản ứng khác nhau như là một chức năng bước sóng Silicon PD là tốt cho các bước sóng hồng ngoại nhìn thấy và gần Nói chung không có băng thông hạn chế do

sự dò như vậy, mặc dù các kết mạch điện tử có thể gây ra một số hạn chế

Khả năng ghép kênh: Trong hầu hết các cấu trúc cần thiết đặt một sổ lượng lớn các

chủng và/hoặc cảm biến di dời trona; để đạt được một sự hiểu biết đầy đủ về các ứng

xử kết cấu Neu một kết nối cáp quang cần thiết giữa các đơn vị đọc và cảm biến duy nhất, sự phức tạp của hệ thống giám sát tăng nhanh với số lượng của cảm biến Trong dòng ghép cung cấp một cách đơn siản để tăng cảm biến có thể được giải quyết cùng một đường cáp duy nhất Trong trườns hợp này các bộ cảm biến được nhịp độ trong một chuỗi sau khi một trong các đơn vị khác và đọc có thể truy cập tất cả các bộ cảm biến tại một đơn hoặc ở cà hai đầu của dâv chuyền Thậm chí nếu các cảm biến được đặt dọc theo một dòng, nó luôn luôn có thể để sắp xếp chuỗi này để theo dõi một bề mặt hay ngay cả một khối lượng với một dòng đơn

1.2 HIỆN TRẠNG CÔNG TRÌNH CẨU

Hệ thống giao thông trên toàn thế giới có khoảng hơn 2.5 triệu cây cầu Một số các số liệu thống kê như: Cục Đường bộ Liên bang Mỹ (FHW A) vào năm 2005 có 28% trôn tồng số 595,000 cây cầu được kiếm tra là có khuyết tật, trong đó chỉ một phần nhỏ (khoảng 15%) được cho là không hoàn toàn vì nguyên nhân kết cấu công trình; Tại châu Âu khoảng 10% cày cầu bị khuyết lật về kết cấu; Không có số liệu thống kê cho châu Á Neu lấy con số trung bình là 10% trên tổng số cầu hiện có bị khuyết tật về kết cấu thì sẽ có khoang 250,000 cây cầu cần phải được theo dõi thường xuyên^'l

Bảng 1 Thống kê kết quả đánh giá cầu tại Mỹ năm 2004 (FHWA, 2004)

bang

Cầu bị khuyết tật hay quá hạn

%

Cầutrongtiêubang

Cầu bị khuyết tật hay quá hạn

%

Tổng số cầu liên bang và nội bộ

Cầu bị khuyết tật hay quá hạn

650 km Trong số đó, Irên Quốc lộ có khoảng 19.800 cầu với chiều dài vào khoảng

263 km (chiếm khoảng 42.60% tổng chiều dài cầu), còn lại là các cầu trên dường huyện Cầu được phân thành 5 loại chính theo vật liệu sử dụng trong kết cấu nhịp, bao gồm cầu bê tông cốt thép (BTCT) thường; BTCT dự ứng lực (BTCT D ưL ) thép - BTCT liên hợp; cầu dầm dàn thép; còn lại là các loại khác Có thể nhận thấy từ các biểu đồ bên dưới thì cầu thép - BTCT liên hợp chiếm tới 17% về số lượng và 20% về chiều dài

Hình 12 Phân loại cầu đường bộ trên quốc lộ theo số lư ợ n ^‘~^

(Thong kê tính đến năm 2000 - Cục Đường hộ Việt Ntim)

Các Icại khác 3%

Dàn thép 7°/<

Thép - BTCT liên hợp 20%

BTCT DƯL 31%

BTCT thưởng 39%

Hĩnh 13 Phân loại cầu đường bộ trên các tuyến quốc lộ theo chiểu dàể'~L

Nếu chỉ cần lấy số liệu của thế giới trung bình là 10% thì sẽ có khoảng 5220 cây cầu cần được xem xét, trong đó số cầu trên quốc lộ là 1980 (số lượng kết cấu cầu Thép - liên họp BTCT là 440 cầu) Mặt khác công trình cầu Việt Nam có một số đặc điểm riêng như là:

- Đa dạng về chủng loại;

- Có thời gian xây dựng khác nhau, theo nhiều loại tải trọng khác;

- Đưực llìi công và thiếl kế Iheo các Tiêu chuẩn và Quy trình khác nhau (Pháp, Mỹ, Trung Quốc, Liên xô (cũ), Việt Nam );

- Đã qua hai cuộc chiến tranh, là mục tiêu bị đánh phá và triệt hạ;

- Hiện nay đang bị xuống cấp trầm trọng do nhiều nguyên nhân;

- Được xây dựng từ nhiều loại vật liệu khác nhau như bê tông (BT), bê tông cốt thép (BTCT), bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL), thép, thép - BTCT liên họp, gạch, đá

Trong thực tế luôn tồn tại một số lượng lớn các cây cầu có khuyết tật, chúng cần phải được theo dõi thường xuyên, liên tục

1.2.1 Sự cố công trình cầu

Sự cổ công trĩnh cầu là một trong những vấn đề tồi tệ nhất đối với lĩnh vực xây

dựng mà cả thế giới phải đối mặt, nó gây hậu quả nặng nề về sinh mạng, ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế (đặc biệt là các cầu quan trọng, các cầu độc nhất trên tuyến giao

t hông ở Việt Nam nhiều vụ tai nạn về cầu đã xảy ra trên cả nước và gây ra nhiều hậu quả nặng nề như: sập cầu Tân Văn ở Lâm Đồng; sập nhịp dẫn cầu c ầ n Thơ năm 2008; Tàu biển va vào c ầ u Bính năm 2010; Nguyên nhân chủ yếu là chưa đánh giá hết, chưa thường xuyên theo dõi để có các cảnh báo sớm hay lên kế hoạch sửa chữa, tăng cường Các nguyên nhân phá hoại chính của cầu có thể kể ra như sau:

a) Các nguyên nhãn do kết cẩu cầu

Những nguyên nhân chính thường được quy cho thiếu sót trong thiết kế xây dụng, bảo trì, sử dụng vật liệu, những sai sót trong khảo sát Thiếu sót trong thiết kế có thể xảy ra trong quá trình thiết kế và lập kế hoạch Hơn nữa, trong quá trình xây dựng công nhân không lành nghề, không tuân thủ các quy định về thi công Ngoài ra, việc thiếu kiểm tra, bảo trì cũng là nguyên nhân:

- Trong giai đoạn khảo sát, thiết kế bao gồm: những sai lầm trong quan niệm thiốt

kế, không khảo sát hoặc khảo sát không đúng

- Trong giai đoạn xây dựng: Công nhân không lành nghề, không đảm bảo quy trình thi công, không theo hồ sơ thiết kế vì nhiều lý do, công trình phụ lạm không đủ khả năng chịu lực

- Trong giai đoạn khai thác: Các hư hỏng, các khuyết tật (kể cả cầu mới) khôngđược phát hiện, thiếu bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên

- Các vấn đề liên quan đến vật liệu: sử dụng vật liệu kém chất lượng, quy trinh thicông, bảo dưỡng vật liệu không đúng, các vấn đề khách quan k h á c

b) Các nguyên nhãn do tác động bên ngoài: là các nguyên nhân được đặt ra ngoài

những nguyên nhân khiếm khuyết về kết cấu, nguyên nhân này đôi khi vượt ra ngoài kiểm soát của con người như do lũ lụt, động đất sự va của các vật trôi, động dấl

Nguyên nhãn do quản lý: Quản lý không đúng cách, không cỏ sự phoi hựp với

nhau giữa các cơ quan, các vấn đề liên quan đến điều hành vận tải

Bảng 2 Bảng thống kê các nguyên nhân phá hoại càu tại Mỹ (FHWA, 2007)

Trong quá ưình khai thác do kết cấu chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe, môi trường và nhiều yếu tố khác nên sẽ dẫn đển nhiều sự thay đổi trong kết cấu, sự thay đổi này thưòng xảy ra theo chiều hướng bất lợi như sự rỉ của kết cấu nhịp cầu thép, các vết nứt do mỏi, sự suy giảm cường độ của vật liệu, hư hỏng hệ liên kết .Tất cả các nguyên nhân này đều dẫn kết cấu đến một ngưỡng giới hạn mà nếu vượt qua ngưỡng đó thì các sự cố công trình cầu sẽ xảy ra, yêu cầu cấp thiết là phải chỉ rõ và xác định được ngưỡng giới hạn này.

1.2.2 Quản lý công trình cầu

1.2.2.1 Các khái niệm cơ bản về quản lý cầu

Theo Helmut Wenzel (2009), quản lý công trình cầu đòi hỏi phải có kiến thức từ nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ học kết cấu, máy tính và cả hiểu biết về kinh tế Triết

lý của công tác quản lý dựa trên hai vấn đề cơ bản là von và cỉtúv năng khai thác của

cầu (mức độ phục vụ của cầu).

Kết cấu cầu thông thường được đánh giá thông qua các cách phân loại hoặc các chỉ

số như cách xếp hạng cầu thông qua việc so sánh chúng với các dữ liệu của cầu khác đang tồn tại Các chỉ số của cầu cần phải cho biết:

Các cầu được xếp hạng từ xấu nhất đến tốt nhất hoặc ngược lại

Đánh giá khả năng khai thác của cầu để đưa ra hệ số chiết giảm

Xác định được phương hướng diễn biến xấu đi của công trình để có thể đưa ra các

dự đoán về tuổi thọ sử dụng của công trình

Hình 16 Lựa chọn sửa chữa các hư hỏng và chỉ số đánh giá

(A.Emin Aktan, 2002).

Tất cả các dữ liệu này đều phải được lưu trữ và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như là một nguồn thông tin phục vụ cho công việc sửa chữa sau này Một số các đặc điểm riêng của công tác quản lý cầu được đưa ra bởi Casa (2006) như sau:

Tất cả các chủ đầu tư đều có quy trình kiểm tra riêng (thường được chia ra làm 3 cấp độ), có thể phân loại theo thứ tự số học theo số học (từ 1 - 10, 1:100) hoặc theo tính chất (xấu, trung bình, chấp nhận được, tốt)

Hiện nay, tất cả các cơ quan quản lý và điều hành thưòng sử dụng phưong pháp quan sát bàng mắt như là một nguồn cung cấp thông tin chính để tiến hành đánh giá hiện trạng kết cấu cầu

- Mồi cơ quan quản lý sử dụng các quy trình phân loại khác nhau, ví dụ như tình huống cùng nhận được số liệu thực tế từ một cầu, và được đánh giá bởi 2 kỳ sư ở hai nước khác nhau thì có thể đưa ra các cấp khác nhau.

- Luôn tồn tại sự khác biệt của các phương pháp đánh giá, nguyên nhân chủ yếu là

do ý kiến chù quan của con người (từ việc đánh giá các điểm khuyết tật, điều tra các

bộ phận kết cấu phù hợp với các tiêu chuẩn và đánh giá hư hại) và cuối cùng quá trình phân loại được thực hiện bàng tíhh toán (ờ đây các hư hại cơ bản được lựa chọn dựa Irên các báo cáo điều tra)

- Hầu hết các phương pháp đánh giá đều chia kếl cấu cầu ra thành nhiều phần và nhiều bộ phận, và chia những bộ phận thành các chi tiết nhỏ hơn Như vậy trong trường hợp này có sự khône rõ ràng khi đánh giá các yếu tố riêng rẽ mà đem áp dụng

để phân loại loàn bộ kết cấu cầu, điều này được thực hiện chủ quan bởi người điều tra

và người đưa ra quyết định

Cũng quan trọng không kém và thậm chí là còn quan trọng hơn các chỉ sổ là việc tính toán và xây dựng các mô hình để xác định các }'ếu lổ theo thời gian Mô hình số học được phái triên và inô tá các vị trí cùa các trạng thái khác nhau theo thời gian Nhiều mô hình dựa trôn việc phân tích tuyến tính của các trạng thái hư hỏng, ở đây việc phân loại ở hấl kỳ thời diểm nào đều có thê được tính toán Prangopol và Das (1999) đã khăng định sự hạn chế cùa các chi số phân loại là các đặc trưng trạng thái riêng biệt Có nhiều nồ lực đổ xây dựng các công thức cho các mô hình bị khiểm khuyết này, ví dụ irLrờng hợp ăn mòn clorit trong cầu bê tông, các vết nứt do mõi trong cầu thép cũng đã có nhiều phân tích thực nghiệm và nửa thực nghiệm Tuy nhiên việc xây dựng mô hình vẫn còn chưa thống nhất và thường là dự đoán các giá trị

từ các kết quá kinh nghiệm

Có nhiều cố aắn^ để xây dựỉia các mô hình khai thác của cầu giống như trong thực

tế thông thườne sứ dụng các phương pháp thí nghiệm không phá hủy (NDT) để cung cấp các thông số đầu vào cho mô hình cầu Theo dõi cầu liôn tục và tự động là một lựa chọn để thay thế và bố sung dựa trên việc điều tra các thông cơ bản, có nghĩa là giải quyếl được các vấn đề sau: Xử lý các lồi đo đạc thône thường; Những tác động từ bên ngoài và ảnh hưởng của chúng đến thiết bị đo (các cảm biến); Các kĩ thuật đo lường,

và tập hợp dừ liệu từ thời điẻm đo rời rạc của các phương pháp không phá hủy thành theo dõi liên tục phục vụ cho việc phân loại cầu như thế nào; cách tốt nhất là cập nhật các thông số này vào các mô hình tính, như đã được chứng minh bới Faber và Sorensen (2002), Enright và Prangopol (1999) và Rarfiq (2005)

Một kết cấu đạt chất lượno tốt đã có trung bình từ 0.8-1% giá trị của các bộ phận được thay thế mồi năm Một hướng khác được đưa ra là để cho các "cầu yếu" tồn tại

và đưa ra các eiới hạn an toàn của chúng, việc này được áp dụng khi chủ đầu tư không

đủ vốn cho việc xàv mới, tuy nhiên trong thực tế thì công tác này không được làm tốt

như ngăn ngừa các hư hỏng không được theo dõi thường xuyên và liên tục, các bộ phận thì thưòng được thay thế một cách lộn xộ n Trong thực tế kết cấu cầu thường phải phục vụ khai thác nhiều hơn khả năng vốn có của chúng, việc này đòi hỏi sô vôn

bỏ ra nhỏ hon, nhưng thường thì tính mỹ quan không được đảm bảo (do thường phủi tăng cường thêm kết cấu) Trong cả hai cách trên việc phòng ngừa các hư hỏng đòi hỏi nhận biết các thời điểm cần can thiệp để việc sửa chữa sẽ mang lại hiệu quả cao hơn

L2.2.2 Kiểm định và quản lý cầu tại Việt Nam

Việc kiểm tra chẩn đoán đánh giá cầu được tiến hành định kỳ, thường là khoảng từ

6 tháng đến 1 năm/lần cho kiểm tra tổng quát, từ 2 đến 5 nãm/lần cho kiểm tra chi tiết hoặc tiến hành kiểm tra đặc biệt khi thấy cầu có dấu hiệu bất thường hoặc sau một sự

cố đặc biệt nào đó như va chạm, động đất, lũ lụt

Hiện nay việc kiểm tra được tiến hành theo các phương pháp truyền thống là tiếp cận các bộ phận và quan sát bằng mắt để phát hiện các hư hỏng khuyết tật bề mặt, sử dụng các thí nghiệm không phá huỷ để thu thập các số liệu về cường độ bê tông, đo đánh giá mức độ xâm thực của các tác nhân hoá học, tiến hành thử tải tĩnh, thử tải động cầu và dựa trên các kết quả đo đạc này để tính toán đánh giá cầu Việc chẩn đoán đánh giá chủ yếu là thực hiện công việc "tính toán lại" (as built) theo các Tiêu chuẩn, Quy trình thiết kế theo các số liệu thu được ở hiện trường hoặc các Tiêu chuẩn ngành về kiểm định cầu Chất lưọng của công tác kiểm tra đánh giá cầu như trên đã đáp ứng được yêu cầu, đưa ra được các kết quả tin cậy về tình trạng của cầu Tuy nhiên còn một số hạn chế như:

- Việc kiểm tra định kỳ các công trình cầu dẫn đến tình trạng không đưa ra được các quyết định kịp thời của cơ quan quản lý, và trong nhiều trường hợp đã gây ra nhiều hậu quả đáng tiếc

- Công tác kiểm tra, đánh giá, thử tải cầu thường đòi hỏi nhiều thời gian và công sức, trong rất nhiều trường hợp cần phải tạm ngưng giao thông để thực hiện công tác này Nhưng trên thực tế đối với các cầu nằm trên các tuyến đường quan trọng (như

Q L l) thì việc này hầu như là không thực hiện được hay gặp rất nhiều khó khăn

- Việc ứng xử với các cầu đã được xây dựng ở Việt Nam theo các Tiêu chuẩn, Quy trình ở các thời kỳ khác nhau theo những triết lý thiết kế khác nhau khi kiểm tra đánh giá như thế nào?

- Việc giải quyết các vấn đề về số liệu đo đạc khi kiểm tra đánh giá cầu trong điều kiện Việt Nam chưa có đủ những nghiên cứu cơ bản về quá trình suy thoái các đặc trưng cơ lý của vật liệu, ảnh hưởng của các tác nhân xâm thực để vật liệu, dải biến động khi sử dụng các phương pháp thí nghiệm không phá huỷ, sự chưa đầy đủ các Tiêu chuẩn thí nghiệm trong lĩnh vực này

Vì vậy cần phải có một hệ thống theo dõi liên tục và đưa ra các cảnh báo kịp thời

\ ề tình trạng khai thác thực tế của công trinh cầu, để cơ quan quản lý ra các quyết định kịp thời trước khi các khi các hậu quả đáng tiếc xảy ra

1.2.2.3 Kiểm định và quán lý cầu của các nuớc trêit thế giới.

a) Mỹ: Việc đánh giá cầu ở Mỹ được tiến hành dựa trên một hệ thống các quy trình

\à tiôu chuẩn đánh giá cầu được biên soạn rất chi tiết theo các phương pháp bán xác suất, nó trình bày phương pháp luận chung để đánh giá phân loại cầu cũ dựa trên lý thuyết xác suất, số liệu thống kê và các kinh nghiệm trong đánh giá cầu ở Mỹ Đặc biệt, khi đánh giá cầu các Tiêu chuẩn thiết kế cầu của AAHSTO, Tiêu chuẩn về vật liệu \ à thí nghiệm của ACl, A S T M được sử dụng rất rộng rãi

b) Anh: Việc đánh giá công trình cầu ở Anh được tiến hành dựa trên một hệ thống

các quy trình và tiêu chuẩn đánh giá cầu được biên soạn rất chi tiết theo các phưong pháp bán xác suất Tất cả các hệ số đều được quy định rất chặt chẽ được cho dưới dạng báne trong, dựa trên việc nghiên cứu thực nghiệm các công trình đang khai thác

\'à thừa kế các Tiêu chuẩn và Quy ữình, đặc biệt là BS5400

1.3 HỆ THỐN(Ỉ QUAN TRẮC KẾT CÂU CẨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

1.3.1 Trên thế giỏi

Việc áp dụng hệ thống quan trắc trên thế giới đã được áp dụng ở nhiều nước, đặc biệt là ở Châu Âu, tại Canada đã xuất bản các hướng dẫn về sử dụng hệ thống quan trắc theo dõi kết cấu công trình từ năm 2001 Tại Mỹ hệ thống quan trắc đã được triển khai trôn một số công trình cầu và cũng có các đánh giá chi tiết, các báo cáo về hiệu quà của việc áp dụng hệ thống quan trắc này Một số công ty tư vấn về hệ thống quan trắc nổi' tiếng được hình thành như VCE, BDI

Bảng 3 Các công trình cầu đuọc lắp đặt hệ thống quan trắc trên thế giói

Đơn vị tư vấn hệ thống quan trắc,

Arsenal Research GmbH, Business Area Transport Route Engineering Vienna, Austria, 2001

2002

c Bridge, Madrid, Titulcia Steel

Drexel Intelligent Iníastructure

Los Alamos National Institute,

USA, 2001

Taichung,Taiwan

Cầu dây (89.5+89.5)m

Vienna Consulting Engineers,

Austria, 2003

Hệ thống quan trắc cầu ở Việt Nam gần đây mới được quan tâm frong các dự án xây dựng cầu lớn như cầu Bãi Cháy, hệ thống này do công ty Shimizu xây dựng để giám sát trong quá trình thi công và trong thời gian khai thác trước khi kết Ihúc bảo hành công trình và chưa chuyển giao lại cho công ty quản lý cầu phà Bãi Cháy; hệ thống quan trắc cầu Rạch Miễu do công ty VSL va TEDI xây dựng đề giám sát quá trình thi công

Hệ thống quan trắc cho trong giai đoạn khai thác các cầu hầu như chưa có Việc xày dựng hệ thống quan trắc là hết sức cần thiết để giám sát quá trinh khai thác cầu nnàm sớm phát hiện các hư hỏng và ứng xử của công trình trong các trường họp đặc b;ệt như có bão lũ, thiên tai hoặc sự cổ tai nạn nghiêm trọng.

Ví dụ hệ thống quan trắc của cầu Bãi Cháy^'*^^ gồm các nội dung và các thiết bị nnư sau;

* Hệ thống quan trắc điều kiện của môi tarờng :

+ Trạm theo dõi thời tiết:

- Thiết bị đo gió

- Đo độ bức xạ của mặt trời

- Đo độ ẩm của không khí với chắn bức xạ

- Đo nhiệt độ không khí, cáp dây văng và bê tông

- Đo lượng nước mưa

+ Thiết bị đo địa chấn;

Morèloring System

Hĩnh 17 Một sơ các thiết bị quan (rắc dùng trong cầu Dãi Cháy^'^^

* Các thiết bị theo dõi phản ứriiỉ của kết cắLi

- Đo tải trọng gió

- Đo dao động của cáp dây văne

- Đo dao động của ban mặt cầu và tháp

- Đo chuyển vị của bản mặt cầu

- Đo độ nghiêng tháp cầu và góc xoay của mặt cắt dầm chủ

- Thiết bị đo lực căng cáp dây văng

- Thiết bị đo biến dạng (ứng suất) tháp và dầm

+ Hệ thống thu thập, tmyền dẫn và xử lý dữ liệu

- Hệ thống quản lý và kiểm soát giao thông

- Thiết bị phân tích giao thông

- Thiết bị theo dõi giao thông

- Hệ thống thu thập, truyền dẫn và xử lý số liệu

1.4 KẾT LUẬN

Chương 1 đã trình bày tổng quan về các vấn đề của hệ thống quan trắc kết cấu cầu,đưa ra cái nhìn tồng thể về hệ thống quan trẩc két cẩu cầu, đồng thời cho thẩy sự cầnthiết phải nghiên cứu và áp dụng một cách họp lý hệ thống quan trắc đó cho các công trình cầu nói chung, kết cấu nhịp cầu thép ở Việt Nam nói riêng Một số các đặc điểm nổi bật của hệ thống quan trắc là:

- Quan trắc cầu có một ưu điém khác biệt hơn so với các phương pháp kiểm tra ừuyền thống khác như cung cấp thời gian thực trong giám sát, phân tích và liên tục phát hiện sự giảm khả năng chịu lực, hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu trong suốt quá trình khai thác của công trình Đặc biệt hệ thống này còn theo dõi và ghi lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biệt (như có bão lũ, thiên tai hoặc sự cố tai nạn nghiêm trọng) mà các phương pháp truyền thống khác không thể giám sát được

- Việc áp dụng hệ thống quan trắc cầu cho kết cấu cầu hiện đại nói chung và cầu Thép nói riêng ở Việt Nam là cần thiết,

- Hệ thống quan trắc tạo cho chủ đầu tư một tư duy mới để quản lý công trình cầu, loại bỏ những hạn chế của các phương pháp truyền thống, nâng cao độ chính xác và

độ tin cậy giúp cho chủ đầu tư có kế hoặc chủ động hơn trong việc huy động nguồn vốn và khai thác của kết cấu, đặc biệt hệ thống quan trắc còn đưa ra cảnh báo kịp thời trong trường hợp khẩn cấp

- Tồn tại nhiều hệ thống quan trắc và cấp độ quan trắc (hệ thống cố định hay tạm thời) tùy theo mục tiêu để lựa chọn hệ thống cho phù hợp Hệ thống quan trắc gồm nhiều thành phần, và phụ thuộc lớn vào công nghệ và thiết bị đo Hoạt động của nó dựa trên việc thu thập các số liệu về kết cấu cầu (càng nhiều càng chính xác) và đánh giá dựa trên một số các tiêu chuẩn và các thuật toán được cung cấp sẵn.

Sự phát triển của hệ thống quan trắc hiện đại chỉ mới được bắt đầu nghiên cứu và phát triên Sự phát triển của công nghệ hiện đại tạo ra một cơ hội lớn để ứng dụng các loại cảm biến "thông minh" vào trong việc giám sát liên tục của công trình cầu, các cơ

sơ lý thuyết để nhận dạng hư hỏng và các thuật toán liên tục phát triển làm cho hệ thống quan trắc ngày càng phát huy thế mạnh và trở thành công cụ quan trọng hỗ trợ chủ đầu tư trong việc quản lý công trình cầu

C hương 2

QUAN TRẮC KẾT CÂU NHỊP CẦU THÉP

2.1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC KẾT CẤU N HỊP CẦU TH É P

2.1.1 Đặc điểm làm việc của cầu dầm thép

Đặc điểm nổi bật nhất của kết cấu cầu dầm thép là có khả năng chịu lực cao \ới mọi ứng suất kéo nén uốn cắt xoan, có tính dẻo cao do đó chịu được lực xung kích (va đập, động đất) và tải trọng mỏi tốt (cầu đưòng sắt); thời gian thi công nhanh Vì vìy kếí cấu nhịp cầu dầm thép thích hợp cho các công trình trong thành phố; công trình vượt nhịp lớn; công trình tải trọng lớn như tải trọng đưòng sắt; công trình yêu cầu tính thẩm mỹ cao ở nước ta cầu dầm thép trên tuyến quốc lộ chiếm tới 17% về số lượng

và 20% về chiều dài

Thời tiết

Hư hóng gối cẩu, lám phát sinh ứng suất phụ Tốc độ, lưu lượng, tải trọng

cúa hoat tải

Nứt bê tông do tải trong

Hư hòng mố trụ do lún nền móng

Hình 18 Các nguyên nhân gáy hư hỏng cho cầu thóp.