Ebook cơ sở quan trắc công trình cầu trong thi công và khai thác phần 1

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

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:

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

H ệ thống quan trắc kết cẩu là một hệ thống được đặc trưng bởi nhiều dụng

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;

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

thông minh"

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

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

'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 \

Suto , a

J Ê K j k : m ầ M i

~ j p r ^ I/sIb.ó

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:

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

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

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