Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)

Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN VĂN QUANG

PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT

KẾT CẤU HỆ THANH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

Hà nội - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN VĂN QUANG

PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cám ơn gia đình, đồng nghiệp đã động viện ủng hộ tôi

trong thời gian thực hiện luận án

ii

LỜI CAM ĐOAN

Các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi và

được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình

Tác giả luận án

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC BẢNG ix

MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu chung 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình 5

1.2 Các phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu dựa trên tham số động lực học của kết cấu 6

1.3 Phương pháp phân tích wavelet nhằm phát hiện hư hỏng của kết cấu 16

1.4 Kết luận 30

CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM CÓ VẾT NỨT 33

2.1 Giới thiệu về vết nứt trên quan điểm cơ học phá hủy 33

2.2 Mô hình phần tử hữu hạn cho dầm 2D và 3D chứa vết nứt 36

2.2.1 Dầm 2D chứa vết nứt 36

2.2.2 Dầm 3D chứa vết nứt 39

2.3 Phương trình dao động của kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn 45

2.4 Kết luận 48

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT 49

3.1 Phương pháp phân tích wavelet 50

3.1.1 Biến đổi wavelet liên tục và biến đổi ngược 50

iv

3.1.2 Phổ năng lượng wavelet 52

3.1.3 Các hàm wavelet 56

3.2 Phương pháp phân bố độ cứng phần tử trong miền tần số 60

3.3 Kết luận 70

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT 72

4.1 Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu dầm xảy ra trong quá trình động đất bằng phương pháp phân tích phổ wavelet 72

4.1.1 Dao động của dầm có vết nứt dưới tác động của động đất 72

4.1.2 Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột bằng phân tích phổ wavelet từ tín hiệu mô phỏng số 74

4.1.3 Kết luận 77

4.2 Bài toán phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lượng tập trung bằng phương pháp phân tích wavelet 78

4.2.1 Kết quả mô phỏng số 81

4.2.2 Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến dao động tự do của hệ dầm kép nguyên vẹn 83

4.2.3 Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên của hệ dầm kép chứa vết nứt 85

4.2.4 Kết luận 88

4.3 Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phương pháp phân bố độ cứng phần tử 88

4.3.1 Phát hiện vết nứt của dầm 88

4.3.2 Phát hiện vết nứt của khung 98

4.3.3 Phát hiện vết nứt của giàn cao tầng 101

4.3.4 Kết luận 104

4.4 Kết luận 105

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 108

5.1 Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột của dầm bằng phương pháp wavelet 108

5.2 Phát hiện vết nứt của giàn bằng phương pháp phân bố độ cứng phần tử 113

v

5.3 Kết luận 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119

1 Kết luận của luận án 119

2 Phạm vi áp dụng của luận án và công việc cần tiếp tục thực hiện trong tương lai 120

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC 134

vi

DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

E mô đun đàn hồi (N/m2)

 mật độ khối (kg/m3)

 hệ số Poisson

a chiều cao vết nứt (m)

b, h tương ứng chiều rộng, chiều cao hình chữ nhật (m)

I mô men quán tính hình học mặt cắt ngang (m4)

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Ba kiểu vết nứt cơ bản 34

Hình 2.2 Mô hình vết nứt mở 35

Hình 2.4 Mô hình phần tử 38

Hình 2.5 Mô hình 3D của phần tử có chứa vết nứt 39

Hình 3.1 Cây phân tích tín hiệu thành xấp xỉ và chi tiết 52

Hình 3.2 Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số không đổi trong quá trình dao động 54 Hình 3.3 Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số thay đổi trong quá trình dao động 54

Hình 3.4 Hàm Haar 56

Hình 3.5 Hàm Daubechies 57

Hình 3.6 Hàm Symlet 58

Hình 3.7 Hàm Coiflets 58

Hình 3.8 Hàm Morlet 59

Hình 3.9 Hàm Mexican Hat 59

Hình 3.10 Hàm Meyer 60

Hình 4.1 Mô hình của dầm nguyên vẹn 73

Hình 4.2 Mô hình dầm chứa vết nứt 73

Hình 4.3 Tần số tức thời của dầm 76

Hình 4.4 Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt 77

Hình 4.5 Phần tử dầm kép chịu tác động của khối lƣợng tập trung 78

Hình 4.6 Sáu dạng riêng đầu tiên 82

Hình 4.7 Ba dạng riêng đầu tiên, mối liên hệ giữa tần số và vị trí khối lƣợng 84

Hình 4.8 Tần số và vị trí khối lƣợng của dầm kép chứa vết nứt 85

Hình 4.9 Chênh lệch tần số đầu tiên df giữa hệ dầm kép chứa vết nứt và hệ dầm kép nguyên vẹn.86 Hình 4.10 Biến đổi wavelet đối với tần số tự nhiên đầu tiên 87

Hình 4.11 Phân bố chỉ số độ cứng phần tử bằng giải tích đối với 5 độ sâu vết nứt 89

Hình 4.12 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, không có nhiễu 91

viii

Hình 4.13 Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu của vết nứt, khi không có nhiễu 92

Hình 4.14 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử 93

Hình 4.15 Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, có nhiễu và không có nhiễu 94

Hình 4.16 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, nhiễu 0% 95

Hình 4.17 Chiều cao của 2 đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khi không có nhiễu 96

Hình 4.18 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử 97

Hình 4.19 Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu 98

Hình 4.20 Chiều cao của đỉnh dh2 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu 98

Hình 4.21 Mô hình khung trong mặt phẳng X-Z 99

Hình 4.22 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, nhiễu 0% 100

Hình 4.23 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, có nhiễu 100

Hình 4.24 Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu 101

Hình 4.25 Mô hình giàn cao tầng 102

Hình 4.26 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt 103

Hình 4.27 Mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh dh với độ sâu vết nứt 104

Hình 5.1 Dầm chứa vết nứt, đặt trên bàn rung 109

Hình 5.2 Phổ Fourier của gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0% 110

Hình 5.3 Tần số tức thời của dầm 112

Hình 5.4 Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt 113

Hình 5.5 Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Viện Cơ học – VAST 114

Hình 5.6 Đo đáp hàm đáp ứng tần số bằng máy PULSE 115

Hình 5.7 Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt 116

Hình 5.8 Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt 117

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Tần số tự nhiên của dầm chứa hai vết nứt 74

Bảng 4.2 Tần số tự nhiên của dầm kép 82

Bảng 4.3 Tần số tự nhiên của dầm công xôn với khối lƣợng tập trung đặt tại đỉnh đầu dầm 83

Bảng 5.1 Vết nứt với độ sâu khác nhau, tại vị trí Lc  L 2 108

1

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung

Hư hỏng trong kết cấu là một vấn đề nghiêm trọng thường xảy ra trong các loại kết cấu như kết cấu cơ khí, kết cấu công trình dân dụng, kết cấu hàng không v.v Các kết cấu này thường xuyên chịu các tải trọng lặp đi lặp lại trong quá trình hoạt động hoặc tác động của thiên nhiên, của con người Sau một thời gian dài chịu tác động của tải trọng lặp lại này thì các hư hỏng sẽ xuất hiện, đặc biệt là các vết nứt mỏi Các vết nứt mỏi này sẽ tiếp tục phát triển cho đến khi kết cấu vượt quá khả năng chịu tải có thể gây nên sự sụp đổ của kết cấu Vì vậy, việc phát hiện sớm các

hư hỏng trong kết cấu là một vấn đề hết sức quan trọng

Hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật được công bố và áp dụng trong lĩnh vực phát hiện hư hỏng của kết cấu Có hai phương pháp giám sát kết cấu chính đó là phương pháp giám sát phá hủy và phương pháp giám sát không phá hủy Phương pháp giám sát phá hủy là các phương pháp giám sát trong đó hư hỏng được quan sát trực tiếp bằng mắt thường, kết cấu cần phải được tháo rời thậm chí cưa, cắt nhằm đo đạc trực tiếp các tham số hư hỏng Phương pháp này đánh giá một cách chính xác,

cụ thể vị trí, hình dáng và kích thước của các hư hỏng Tuy nhiên, rất tốn kém do kết cấu phải dừng hoạt động và phải được tháo rời để kiểm tra, đánh giá

Phương pháp không phá hủy là phương pháp không trực tiếp, giám sát kết cấu thông qua việc phân tích các phản ứng của kết cấu Các phương pháp giám sát kết cấu không phá hủy có thể kể đến: phương pháp dao động, phương pháp tĩnh, phương pháp âm v.v Trong các phương pháp này thì phương pháp dao động là phương pháp được quan tâm và ứng dụng nhiều hơn cả do các tín hiệu dao động chứa nhiều thông tin về hư hỏng và thường dễ dàng đo đạc, rẻ tiền

Các phương pháp phát hiện vết nứt bằng tín hiệu dao động thường dựa trên hai yếu tố chính, đó là: đặc trưng động lực học của kết cấu và các phương pháp xử

lý tín hiệu dao động Khi có vết nứt, các đặc trưng động lực học của kết cấu như dạng dao động riêng, tần số riêng, độ cứng, phản ứng động v.v sẽ bị thay đổi Trạng thái của vết nứt trong quá trình dao động cũng rất quan trọng trong việc phát

2

hiện vết nứt Vết nứt có thể luôn mở trong quá trình dao động được gọi là vết nứt

mở hoàn toàn Nhưng vết nứt cũng có thể đóng và mở liên tục trong quá trình dao động, loại vết nứt này được gọi là vết nứt “thở” (breathing) Khi vết nứt “thở” thì các cạnh của vết nứt sẽ đóng và mở liên tục tạo nên những méo mó trong tín hiệu dao động tại các thời điểm đóng và mở của vết nứt Nếu có thể phân tích được sự thay đổi trong quá trình “thở” thì sự tồn tại của vết nứt có thể được phát hiện Điều này là rất hữu ích cho việc phát triển các phương pháp để phát hiện vết nứt

Trong thực tế sự thay đổi các đặc trưng động lực học của kết cấu gây nên bởi vết nứt thường rất nhỏ và khó có thể phát hiện trực tiếp từ tín hiệu đo dao động Để

có thể phát hiện được những thay đổi nhỏ này cần phải có các phương pháp xử lý tín hiệu hiện đại Trong lĩnh vực xử lý tín hiệu dao động thì biến đổi Fourier đã được biết đến như là một công cụ mạnh và được ứng dụng rộng rãi trong một thời gian dài Mặc dù vậy, việc biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số của phép biến đổi Fourier thì thông tin về thời gian sẽ bị mất, nên phép biến đổi này không thể phân tích được những sự kiện chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn

Để khắc phục khó khăn này, các phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số hiện đang được phát triển và ứng dụng mạnh trong nhiều lĩnh vực Các phương pháp này có thể kể đến như phương pháp biến đổi Short - time Fourier Transform (STFT), phương pháp Wavelet Transform (WT) v.v Các phương pháp này sẽ phân tích tín hiệu trong hai miền thời gian và tần số Khi sử dụng các phương pháp này thì tín hiệu theo thời gian sẽ được biểu diễn trong miền tần số trong khi những thông tin về thời gian vẫn được giữ lại Chính vì thế các phương pháp thời gian - tần số sẽ rất hữu ích trong việc phân tích các biến đổi nhỏ hoặc méo mó trong tín hiệu dao động gây ra bởi vết nứt

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là ứng dụng và phát triển các phương pháp xử

lý tín hiệu dao động để phát hiện các hư hỏng, cụ thể là vết nứt trong kết cấu phục

vụ việc chẩn đoán kỹ thuật công trình

Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng Phương pháp nghiên cứu có thể được mô tả như sau:

Trước tiên, các đặc trưng động lực học của kết cấu có vết nứt như tần số riêng, dạng riêng được tính toán và nghiên cứu thông qua phương pháp phần tử hữu hạn Các tín hiệu dao động của kết cấu khi có vết nứt mở hoàn toàn sẽ được khảo sát

Tiếp theo, phương pháp xử lý tín hiệu thời gian - tần số được ứng dụng để phân tích các tín hiệu dao động mô phỏng của kết cấu chứa vết nứt

Phát triển một phương pháp xử lý tín hiệu dao động để phát hiện sự thay đổi của độ cứng phần tử, từ đó phát hiện vết nứt

Thực hiện một số thí nghiệm nhằm kiểm chứng tính hiệu quả của các phương pháp được ứng dụng trong luận án

4 Bố cục của luận án

Luận án gồm 5 chương và phần mở đầu, phần kết luận, phần danh mục công trình của tác giả, phần tài liệu tham khảo, phần phụ lục

Phần mở đầu giới thiệu về vấn đề sẽ nghiên cứu trong luận án

Chương 1 trình bày tổng quan một số nghiên cứu trong nước và trên thế giới

về các phương pháp phát hiện vết nứt dựa trên đặc trưng động lực học của kết cấu, các phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số phục vụ việc phân tích

và phát hiện vết nứt

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết của động lực học kết cấu có vết nứt

4

Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số và cơ sở lý thuyết của phương pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử ứng dụng trong việc phát hiện vết nứt

Chương 4 trình bày các ứng dụng cụ thể của phương pháp thời gian - tần số

và phương pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử để phát hiện vết nứt trong các kết cấu khác nhau

Chương 5 trình bày một số thí nghiệm kiểm chứng các phương pháp đã phát triển và ứng dụng trong luận án

Phần kết luận trình bày các công việc đã thực hiện, các kết quả đạt được của luận án và một số vấn đề chưa được giải quyết, cần tiếp tục thực hiện trong tương lai

Danh sách các công trình đã công bố có liên quan đến nội dung luận án được trình bày trong phần danh mục công trình của tác giả

Danh sách các tài liệu được trích dẫn trong luận án được trình bày trong phần tài liệu tham khảo

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình

Hiện nay, để phát hiện hư hỏng trong kết cấu người ta có thể sử dụng phương pháp trực tiếp hoặc phương pháp gián tiếp Phương pháp trực tiếp bao gồm việc quan sát bằng mắt thường, quay phim chụp ảnh, hoặc tháo dời các chi tiết của kết cấu để kiểm tra v.v Phương pháp gián tiếp là phương pháp phân tích các tín hiệu phản ứng của kết cấu dưới tác động từ bên ngoài để phát hiện hư hỏng của kết cấu Các phương pháp gián tiếp có thể kể đến như phương pháp âm học, quang học, dao động v.v Các phương pháp trực tiếp thường cho kết quả rõ ràng nhưng phụ thuộc vào chủ quan của người quan sát và rất tốn kém về thời gian và tiền bạc, thậm chí không thể phát hiện được hư hỏng ở những nơi không thể tiếp cận được Trong khi

đó phương pháp gián tiếp thường tiết kiệm được thời gian và tiền bạc Trong các phương pháp gián tiếp thì các phương pháp dao động hiện đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới cũng như ở Việt Nam Trong thực tế,

hư hỏng dạng vết nứt là dạng hư hỏng tiềm ẩn, rất nguy hiểm do khó quan sát và nó

sẽ phát triển từ từ cho đến khi chịu tải trọng lớn có thể gây nên sụp đổ kết cấu Vì vậy, các phương pháp dao động để phát hiện hư hỏng của kết cấu sẽ được ứng dụng trong đề tài luận án Đồng thời hư hỏng dạng vết nứt sẽ là đối tượng nghiên cứu chính trong luận án này

Có nhiều phương pháp dao động để phát hiện hư hỏng của kết cấu Ví dụ: phương pháp dao động dựa trên sự thay đổi của tần số, dạng riêng, độ cong dạng riêng, ma trận độ mềm; phương pháp dựa trên hiện tượng vết nứt đóng - mở, mạng

nơ ron nhân tạo, thuật toán gen; phương pháp phổ, phương pháp thời gian tần số; hoặc kết hợp một số phương pháp trên Các phương pháp này có thể được phân thành hai nhóm chính: phương pháp dựa trên tham số động lực học kết cấu và phương pháp dựa trên việc xử lý dữ liệu dao động Tình hình nghiên cứu về các phương pháp trên nhằm phát hiện hư hỏng, đặc biệt là hư hỏng dạng vết nứt sẽ được trình bày và phân tích ở phần tiếp theo

 Một số tác giả [1-27] đã nghiên cứu sự thay đổi của tần số riêng để phát hiện

hư hỏng trong kết cấu:

Chondros và đồng nghiệp [1] đã phát triển lý thuyết dao động cho dầm Euler-Bernoulli có vết nứt trên một hoặc hai mặt của dầm Vết nứt được mô hình như sự suy giảm độ cứng tại vị trí vết nứt sử dụng trường chuyển vị tại khu vực gần vết nứt được trình bày trong cơ học phá hủy Các kết quả của công bố này đã chỉ ra rằng tần số riêng của dầm sẽ giảm khi độ sâu vết nứt tăng

Lee và đồng nghiệp [2] đã nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt lên tần số riêng

và dạng riêng của dầm Ma trận độ cứng của dầm có vết nứt sẽ thu được từ ma trận

độ mềm tính từ cơ học phá hủy Trong nghiên cứu này, bốn tần số riêng cơ bản được tính từ phương pháp phần tử hữu hạn Vị trí vết nứt được xác định xấp xỉ bằng phương pháp Armon’s Rank-ordering Tiếp theo độ sâu vết nứt được xác định xấp

xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn Cuối cùng, vị trí thực của vết nứt được xác định bởi phương trình Gudmundson sử dụng độ sâu vết nứt và tần số riêng nói trên Kết quả của nghiên cứu cho thấy tần số riêng thay đổi nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ

và chỉ thay đổi đánh kể khi độ sâu vết nứt lớn đến 40% độ cao của dầm

Orhan [3] đã thiết lập mối liên hệ giữa tần số riêng và độ sâu cũng như vị trí vết nứt của dầm Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn đã được áp dụng để tính ma trận độ mềm của vết nứt sử dụng hệ số cường độ ứng suất Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng, tần số của dầm giảm khi có vết nứt Khi vị trí vết nứt xa đầu cố định của dầm thì tần số riêng tăng lên

Zheng và đồng nghiệp [4] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích dao động tự do của dầm có hai vết nứt Ma trận độ cứng của phần tử chứa vết

7

nứt được tính từ ma trận độ mềm tổng thể thay vì độ mềm địa phương Trong nghiên cứu này, tần số riêng thứ nhất sẽ tăng lên khi vị trí vết nứt ở vị trí xa đầu ngàm và gần với đầu gối tựa di động Trong khi đó tần số riêng thứ hai sẽ giảm mạnh nhất khi vết nứt nằm ở khu vực giữa dầm

Trong một nghiên cứu khác, Gudmundson [5] đã sử dụng phương pháp nhiễu loạn và phương pháp ma trận truyền để nghiên cứu ảnh hưởng của các vết nứt nhỏ đến tần số riêng của kết cấu mảnh Kết quả cũng chỉ ra rằng tần số riêng của kết cấu giảm khi có vết nứt Độ suy giảm của tần số riêng là nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ

Kisa và đồng nghiệp [6] đã trình bày một phương pháp để phân tích dao động tự do của dầm có vết nứt sử dụng phương pháp kết hợp giữa phần tử hữu hạn

và phương pháp tổng hợp các dạng dao động thành phần Dầm được chia thành hai thành phần được nối với nhau thông qua một ma trận độ mềm mà nó sinh ra bởi lực tương tác tại vị trí vết nứt nằm giữa hai thành phần này Mối quan hệ giữa độ suy giảm tần số riêng và độ sâu vết đã được thiết lập Nghiên cứu này chỉ ra rằng, tần số riêng thay đổi nhỏ khi có vết nứt và chỉ đáng kể khi độ sâu vết nứt lớn đến khoảng 40% độ cao của dầm

Saez và đồng nghiệp [7] đã trình bày một phương pháp đơn giản hóa để đánh giá tần số riêng của dao động uốn của dầm Euler - Bernouilli Các tác giả ứng dụng các phương pháp đã biết bằng cách biểu diễn vết nứt trong dầm thông qua một khớp

và một lò xo đàn hồi, trong đó chuyển vị uốn của dầm có vết nứt được xây dựng bằng cách cộng thêm một hàm đa thức vào dầm không có vết nứt

Một số tác giả khác [8-17] đã mô hình hóa vết nứt như những lò xo xoay không khối lượng mà độ cứng của nó được tính bằng cách sử dụng cơ học phá hủy

để nghiên cứu tần số riêng của dầm có vết nứt Kết quả của các nghiên cứu này cũng cho thấy tần số riêng sẽ giảm khi có vết nứt Tuy nhiên sự thay đổi của tần số riêng là nhỏ khi vết nứt có kích thước nhỏ

Yang và đồng nghiệp [18] trình bày một phương pháp mới sử dụng mặt tần

số riêng (MFS) để phát hiện sự tách lớp của một tấm composite dạng lớp Bằng cách gắn một khối lượng tập trung tại các điểm khác nhau, MFS sẽ được thiết lập

Sự tách lớp sẽ gây ra sự không liên tục của MFS do sự suy giảm độ cứng địa

8

phương Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để mô phỏng các số liệu tần

số riêng Sự sai lệch tần số riêng chỉ ra rằng có một sự suy giảm theo luật tựa hàm

mũ khi độ sâu của sự tách lớp tăng lên

Trong quá trình dao động, vết nứt sẽ mở và đóng theo thời gian do sự thay đổi của tải trọng bên ngoài tác dụng lên kết cấu Đây gọi là hiện tượng “thở” hay còn gọi là hiện tượng đóng - mở của vết nứt Khi xảy ra hiện tượng này, hai cạnh của vết nứt đóng vào và không tiếp xúc với nhau, do đó độ cứng trong vùng chứa vết nứt có thể tăng hoặc giảm Ngoài ra, còn có thể xuất hiện một số dạng khác như vết nứt trượt, rách… Điều này sẽ làm thay đổi phản ứng động của phần tử chứa vết nứt do đó rất hữu ích trong việc phát hiện vết nứt Có nhiều nghiên cứu liên quan đến sự thay đổi tần số tự nhiên đối với hiện tượng vết nứt đóng - mở Trong những nghiên cứu này, tần số tự nhiên của dầm có vết nứt đóng - mở được chứng minh là thay đổi trong quá trình dao động

Carlson [19] và Gudmunston [20] nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đóng -

mở đến các đặc trưng động lực học của dầm công xôn chứa vết nứt Họ nhận thấy rằng khi xuất hiện tượng vết nứt đóng, sẽ làm giảm tần số tự nhiên, tuy nhiên việc giảm này là nhỏ hơn nhiều so với hiện tượng vết nứt mở Trong trường hợp vết nứt đóng, các tần số gần như không đổi khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50% và tần số bắt đầu giảm khi độ sâu vết nứt lớn hơn 50% Rõ ràng, rất khó để phát hiện các vết nứt

có độ sâu nhỏ hơn 50% bằng cách sử dụng tần số Hơn nữa, vị trí của vết nứt cũng không được đề cập trong nghiên cứu này

Kisa và đồng nghiệp [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng vết nứt đóng - mở đến phản ứng động lực học của dầm công xôn bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn Trong nghiên cứu này, vết nứt phân chia dầm thành các phần Có ba trạng thái được giả định xảy ra: bám, trượt không ma sát và tiếp xúc trượt ma sát Khi vết nứt

mở hoàn toàn, độ cứng nhỏ nhất; khi hai phần tiếp xúc dần vào nhau thì độ cứng tăng lên Kết quả là, tần số tự nhiên tăng từ trạng thái mở đến đóng Trong nghiên cứu này, tần số tự nhiên thay đổi rất ít khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50% Ví dụ, khi

độ sâu vết nứt là 50%, sự thay đổi trong ba tần số đầu tiên là: 1,71%; 6,6% và 0,1%

9

Dao động dọc và dao động uốn của một dầm liên tục với vết nứt đóng - mở được Chondros và đồng nghiệp [22, 23] nghiên cứu Phương trình chuyển động và các điều kiện biên của dầm chứa vết nứt được coi là liên tục một chiều Các tác giả

đã nghiên cứu sự thay đổi về tần số dao động đối với vết nứt đóng - mở do mỏi và chỉ ra sự thay đổi này phụ thuộc vào tính chất song tuyến tính của hệ Các tác giả giả sử vết nứt đóng - mở chỉ có hai trạng thái: mở hoàn toàn hoặc đóng kín Ngoài

ra, giả định rằng giai đoạn chuyển tiếp từ trạng thái mở sang trạng thái đóng xảy ra tại thời điểm mà dầm trở lại trạng thái không biến dạng Do tính chất song tuyến tính của hệ nên không có tần số tự nhiên duy nhất, mà sẽ xuất hiện một tần số chính của dao động Các tác giả đưa ra kết luận sự thay đổi tần số dao động gây ra bởi vết nứt đóng - mở nhỏ hơn gây ra bởi vết nứt mở Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 40%, sự thay đổi tần số thấp nhất cho vết nứt mở chỉ là 1,9%, còn đối với vết nứt đóng - mở

là 0,5% Tuy nhiên, những thay đổi nhỏ của tần số tự nhiên khi xuất hiện vết nứt đóng - mở sẽ khó cho việc phát hiện vết nứt Hơn nữa, trong nghiên cứu này không đưa ra phương pháp phát hiện vị trí vết nứt

Trong nghiên cứu của Cheng và đồng nghiệp [24] chỉ ra rằng đối với vết nứt đóng - mở thì tần số tự nhiên giảm, nhưng giảm ít hơn nhiều so với vết nứt mở Theo các tác giả, với độ sâu vết nứt 30%, sự thay đổi tần số đầu tiên của vết nứt mở

là 2%, trong khi đó vết nứt đóng - mở là 1% Như vậy, rất khó phát hiện vết nứt mỏi dựa vào tần số và việc phát hiện vết nứt bằng mô hình vết nứt đóng - mở sẽ không chính xác khi vết nứt phát triển dưới điều kiện của tải trọng mỏi Tương tự như các nghiên cứu trên, hiện tượng vết nứt đóng - mở gây nên sự thay đổi nhỏ đối với tần

số, do đó sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi sử dụng tần số để phát hiện vết nứt

Luzzato [25] sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu hiện tượng phi tuyến của dầm chứa vết nứt Tác giả dựa vào sự suy giảm độ cứng ở vị trí vết nứt (đối với vết nứt đóng - mở và vết nứt mở hoàn toàn) để mô hình vết nứt Ứng xử phi tuyến của vết nứt đóng - mở được mô hình hóa bởi lò xo Kết quả của nghiên cứu cho thấy tần số tự nhiên của dầm chứa vết nứt mở nhỏ hơn dầm chứa vết nứt đóng -

mở Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 30%, sự thay đổi ở tần số đầu tiên là khoảng 4% đối với vết nứt mở và khoảng 2% đối với vết nứt đóng - mở Tuy nhiên, tác giả chỉ nêu lên mối liên hệ giữa sự thay đổi của tần số và sự xuất hiện vết nứt đóng - mở,

mở và đóng Trong nghiên cứu của họ, tác giả dùng hai lực tác dụng vào kết cấu với hai tần số khác nhau, và nhận thấy rằng xuất hiện phản ứng tần số mà tần số này là khác nhau đối với hai lực tác dụng, hiện tượng này là do tính chất phi tuyến của dầm Tuy nhiên, rất khó áp dụng kết quả này để phát hiện vết nứt vì việc xuất hiện phản ứng phi tuyến phụ thuộc vào sự khác nhau về độ cứng ở các trạng thái mở và đóng của vết nứt, bậc của cản, tần số và biên độ của lực tác dụng Hơn nữa, nghiên cứu này cũng chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm

Rivola và đồng nghiệp [27] đã sử dụng phân tích phổ song song của dao động song tuyến tính giám sát vết nứt đóng - mở Tác giả xem rằng độ cứng của dầm giảm khi vết nứt mở và khi vết nứt đóng thì độ cứng của dầm bằng với độ cứng của dầm nguyên vẹn Khi dầm ở trạng thái nguyên vẹn, một kích động dạng hình sin sẽ gây nên một phản ứng điều hòa ở tần số kích động Ngược lại, khi dầm có vết nứt, phản ứng của dầm sẽ chứa vài tần số kích động điều hòa Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng phân tích phổ song song Mặc dù các kết quả của phương pháp này có thể phát hiện được sự tồn tại vết nứt, tuy nhiên không thể biết được độ sâu và vị trí của vết nứt

Như vậy, khi kết cấu xuất hiện vết nứt đóng - mở thì tần số của kết cấu sẽ có

sự thay đổi Ngoài ra khi vết nứt đóng - mở thì cũng xuất hiện những biến dạng về phản ứng động lực học của kết cấu so với vết nứt mở hoàn toàn tại thời điểm vết nứt đóng và mở Sự biến dạng méo mó này được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây

Các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, đã có nhiều tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt lên tần số riêng Khi xuất hiện vết nứt, tần số riêng của kết cấu sẽ

bị suy giảm Điều này có thể được giải thích là khi có vết nứt thì độ cứng của kết cấu bị suy yếu dẫn đến tần số riêng bị suy giảm Tuy nhiên, tần số riêng của kết cấu

hư hỏng) Vị trí hư hỏng được xác định bằng cách so sánh sự biến dạng của dạng riêng trước và sau khi kết cấu xuất hiện hư hỏng Tuy nhiên, phương pháp này cần phải đo dạng riêng trong khi việc đo đạc dạng riêng một cách chính xác là rất khó

và tốn nhiều công sức Hơn nữa, để đo dạng riêng trong phương pháp này, cần máy

đo laser Nhược điểm của việc sử dụng máy đo laser là khó có thể áp dụng được cho các bộ phận ẩn hoặc kết cấu phức tạp

Haritos và đồng nghiệp [29] đã nghiên cứu hai phương pháp giám sát kết cấu: nhận dạng hệ thống và nhận dạng mẫu thống kê dựa trên phân tích dạng riêng Các tác giả đã so sánh những điểm mạnh và điểm yếu của hai phương pháp trên khi

áp dụng cho kết cấu cầu dạng thanh phẳng Từ đó đưa ra kết luận rằng phương pháp nhận dạng hệ thống có thể xác định được vị trí và định lượng được mức độ hư hỏng Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi đo được dạng riêng một cách chính xác, yêu cầu mà không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng được trong thực tế Trong khi đó, mặc dù phương pháp nhận dạng mẫu thống kê không thể xác định được vị trí và định lượng được mức độ hư hỏng, nhưng phương pháp này có thể chỉ rõ sự tồn tại của hư hỏng xuất hiện trong kết cấu từ một số phép đo đơn giản và hiệu quả Các tác giả gợi ý rằng nên kết hợp cả hai phương pháp trên Phương pháp nhận dạng mẫu thống kê được sử dụng để phát hiện hư hỏng xuất hiện trong kết cấu Một khi

đã phát hiện kết cấu có hư hỏng thì phương pháp nhận dạng hệ thống sẽ được áp dụng để đánh giá và xác định chính xác vị trí hư hỏng

Verboven và đồng nghiệp [30, 31, 32] trình bày phương pháp tự động giám sát kết cấu dựa trên các tham số dạng riêng Trong nghiên cứu này, hư hỏng được

12

xem là một khối lượng bổ sung Sự thay đổi dạng riêng đối với kết cấu thanh mỏng

có hư hỏng, được xác định tự động bằng cách sử dụng phương pháp ước lượng cực đại độ rộng miền tần số [33, 34] Mặc dù vậy, phương pháp này dựa trên dạng riêng nên đòi hỏi nhiều dữ liệu đáng tin cậy

Nguyen [35] trình bày phương pháp phân tích dạng riêng của dầm chứa vết nứt với mặt cắt ngang hình chữ nhật, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Tác giả nghiên cứu về dạng riêng bị ảnh hưởng bởi dao động uốn ngang và dao động uốn dọc do vết nứt gây ra Do hiện tượng dao động kết hợp của các dạng riêng gây

ra bởi vết nứt, dạng riêng của dầm thay đổi từ đường cong phẳng sang đường cong không gian Do đó, sự tồn tại của vết nứt có thể được phát hiện dựa trên dạng riêng: khi dạng riêng là đường cong không gian thì dầm sẽ chứa vết nứt Ngoài ra, khi có vết nứt, thì dạng riêng sẽ bị biến dạng hoặc thay đổi đột ngột tại vị trí vết nứt Vì vậy, dựa vào sự thay của dạng riêng mà tác giả xác định được vị trí của vết nứt Tác giả cũng đưa ra phân tích định lượng giữa độ sâu và vị trí của vết nứt Những kết quả này có thể được áp dụng để phát hiện vết nứt của dầm Tuy nhiên đây là phương pháp dạng riêng nên cần phải đo được một lượng dữ liệu lớn về dao động

để có thể tính được các dạng riêng một cách chính xác

El-Gebeily và đồng nghiệp [36] đã phát triển phương pháp nhận dạng hư hỏng bên trong của một ống dựa trên dạng dao động riêng Các hư hỏng dạng mòn và dạng vết nứt được mô phỏng như là sự thay đổi từ từ và đột ngột tại bề mặt bên trong của ống Quá trình nhận dạng hư hỏng chỉ yêu cầu một dạng riêng mà không đòi hỏi việc giám sát sự thay đổi của các đặc trưng động lực học Ngoài ra cũng không cần biết trước số liệu ban đầu của ống không có hư hỏng Tuy nhiên việc đo đạc chính xác dạng riêng là một khó khăn của phương pháp này

Pandey và đồng nghiệp [37], Abdel [38] đã đề xuất việc áp dụng độ cong dạng riêng trong việc phát hiện hư hỏng Đối với kết cấu dạng dầm, độ cong tỉ lệ nghịch với độ cứng địa phương của kết cấu Do đó, sự suy giảm về diện tích ở mặt cắt ngang gây ra bởi hư hỏng sẽ có xu hướng làm tăng độ cong dạng riêng trong vùng lân cận của hư hỏng này Ở nghiên cứu này, độ cong được tính từ thành phần chuyển vị bên của dạng riêng đo được bằng cách sử dụng biểu diễn khác biệt trung tâm Vị trí của hư hỏng đã được chỉ ra một cách chính xác bằng cách sử dụng độ

13

cong dạng riêng đối với các mode từ mode 1 đến mode 5 Tuy nhiên do phương pháp này cũng dựa trên dạng riêng, nên cũng cần một lượng lớn dữ liệu đo chính xác

Qian và đồng nghiệp [39] nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đóng - mở bằng

mô hình phần tử hữu hạn Ảnh hưởng của vết nứt đóng - mở được tính toán bằng cách xác định các tham số dạng riêng trong miền thời gian Sự khác biệt giữa phản ứng của chuyển vị đối với dầm nguyên vẹn và dầm có vết nứt đóng - mở là nhỏ hơn

so với dầm nguyên vẹn và dầm chứa vết nứt mở Các tác giả đưa ra mối quan hệ giữa tham số đặc trưng liên quan đến véc tơ riêng thứ nhất với vị trí của vết nứt Tuy nhiên, không nêu ra được cách xác định độ sâu của vết nứt

 Bên cạnh việc nghiên cứu tần số riêng và dạng riêng của kết cấu có hư hỏng, một số tác giả [40-56] đã nghiên cứu sự thay đổi các tính chất động lực học khác của kết cấu nhằm phát hiện hư hỏng:

Pandey và đồng nghiệp [40] đưa ra một phương pháp để phát hiện vết nứt dựa trên sự khác biệt giữa ma trận độ mềm của kết cấu không hư hỏng và có hư hỏng Nghiên cứu cho thấy phương pháp này cho kết quả rất tốt khi hư hỏng nằm ở

vị trí xuất hiện mô men uốn cao

Patjawit và đồng nghiệp [41] đề xuất một phương pháp sử dụng chỉ số hư hỏng tổng thể (GFI) để giám sát kết cấu cầu đường cao tốc Chỉ số này là phổ của

ma trận độ mềm được kết hợp với các điểm tham chiếu đã chọn, nhạy cảm với biến dạng của kết cấu Khi chỉ số GFI thay đổi mạnh thì khả năng xuất hiện sự suy yếu trong kết cấu là rất lớn Đây chính là cảnh báo ban đầu về sự suy yếu của kết cấu, để xác định khu vực suy yếu và mức độ suy yếu cần thiết phải có những khảo sát chi tiết hơn Phương pháp này cần một lượng lớn dữ liệu chính xác, vì dựa trên dạng riêng

Rizzo và đồng nghiệp [42, 43] đã cải tiến phương pháp sóng siêu âm để phát hiện khuyết tật trong các sợi dây cáp Do đặc tính nhạy và mạnh của tín hiệu sóng, bằng cách sử dụng biến đổi wavelet để xây dựng lại chỉ số hư hỏng Chỉ số hư hỏng trong nghiên cứu này được định nghĩa là tỷ số giữa đặc tính của phản xạ từ khuyết tật và đặc tính tương tự của tín hiệu đi trực tiếp từ máy phát tới máy thu Đối với

14

dây cáp còn nguyên vẹn, chỉ số hư hỏng là 1, và đối với các dây cáp có hư hỏng, chỉ

số hư hỏng nhỏ hơn 1 Mặc dù phương pháp này là phương pháp giám sát địa phương do đó sẽ khó cho việc áp dụng đối với toàn bộ kết cấu, tuy nhiên nghiên cứu cũng chỉ ra rằng chỉ số hư hỏng là tuyến tính với độ sâu vết nứt trong thang tỷ

Li và đồng nghiệp [45] đã sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích dạng dao động thực nghiệm (EMD) và phân tích wavelet để phát hiện những thay đổi trong dữ liệu phản ứng của kết cấu Phương pháp EMD lần đầu tiên được sử dụng

để phân tích phản ứng động của kết cấu thành nhiều tín hiệu thành phần Mỗi tín hiệu thành phần lại được phân tích bằng biến đổi wavelet để phát hiện ra hư hỏng Kết quả này cho thấy phương pháp kết hợp giữa EMD và phân tích wavelet có thể xác định được thời điểm xảy ra hư hỏng của kết cấu Tuy nhiên, phương pháp này không phát hiện mức độ và vị trí của hư hỏng

Bovsunovsky và đồng nghiệp [46, 47] đã nghiên cứu, phân tích những biến dạng phi tuyến về các đặc trưng dao động của dầm chứa vết nứt đóng - mở Sự thay đổi của tần số tự nhiên, dạng riêng của dầm cũng được nghiên cứu Tác giả sử dụng thuật toán tính toán liên tiếp đối với biên độ dạng riêng của dầm Khái niệm về dạng riêng trùng nhau xảy ra vào thời điểm vết nứt đóng và mở Dạng riêng trùng nhau này khác với dạng riêng ban đầu Trong nghiên cứu của tác giả, sự biến dạng của chuyển vị, gia tốc, ứng suất của dầm chứa vết nứt đã được chứng minh và đánh giá,

so sánh độ nhạy của chúng Các tác giả cũng nêu ra một phương pháp phát hiện vết nứt đó là áp dụng hàm phân bố đặc tính dao động của hư hỏng liên quan đến dạng

Luận văn đầy đủ ở file:Luận văn Full