Xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu SHM nhằm cung cấp dữ liệu định lượng đáng tin cậy về các điều kiện thực tế của cầu qua việc quan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHAN BÁ TẠO

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG TRỌNG LÂM

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và quý Thầy Cô trong Khoa Xây dựng Cầu Đường nói riêng Cảm ơn Thầy Cô đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tôi trong suốt 2 năm học vừa qua

Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót

là điều khó tránh khỏi Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô

để đề tài được hoàn thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau này

Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe

Trà Vinh, ngày tháng năm 2019

Học viên thực hiện

Phan Bá Tạo

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến

sĩ Hoàng Trọng Lâm là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo

Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Phan Bá Tạo

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG

Học viên: Phan Bá Tạo

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 8580205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) nhằm cung cấp dữ liệu định lượng

đáng tin cậy về các điều kiện thực tế của cầu qua việc quan sát sự thay đổi của nó cũng như phát hiện sự xuống cấp Bằng cách thiết lập lâu dài một số cảm biến, liên tục đo các thông số liên quan đến tình trạng kết cấu cũng như nghiên cứu các thông số môi trường quan trọng khác, chúng ta có thể có được một bức tranh thời gian thực về tình trạng và sự thay đổi của kết cấu Trong SHM, các tham số dao động (bao gồm tần số tự nhiên, dạng dao động và hệ số cản) đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích ứng xử động của kết cấu Một vài phương pháp sẵn có để xác định đặc trưng dao động dựa vào sự chuyển động có thể kể đến là: phương pháp biến đổi Fourier (FT) [14], phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [15] và phương pháp phân tích tại các đỉnh (PPM) [16] Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng của phương pháp phân tích theo giá trị riêng (ERA) [3] trong việc xác định dao động Đây là hệ thống duy nhất sử dụng kết quả đầu ra là dao động tự do hoặc phản ứng xung Nghiên cứu cũng cung cấp thuật toán toán học của phương pháp ERA và sử dụng nó nhằm phân tích phản ứng dao động của cầu dưới tác dụng của xe tải di động Kết quả thu được từ ERA đồng thời được so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn

Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; phân tích dao động theo

giá trị riêng; phần tử hữu hạn; phương pháp hệ thống định dạng

THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE

STRUCTURES USING EIGEN REALIZATION ALGORITHM

Abstract -Structural health monitoring (SHM) aims to provide quantitative and reliable

data on the real conditions of a bridge observe its evolution and detect the appearance of degradations By permanently installing a number of sensors, continuously measuring parameters relevant to the structural conditions and other important environmental parameters, it is possible to obtain a real-time picture of the structure’s state and evolution In structural health monitoring, the dynamic parameters (including natural frequencies, mode shapes and damping properties) play an important role in the understanding of the dynamic behavior of structures Several methodologies are available to determine modal characteristics based on vibration such as Fourier transform (FT) [14], Frequency Response Function (FRF) [15] and Peak Picking Method (PPM) [16] This study focuses on the using of the Eigen Realization Algorithm (ERA) [3] for modal identification This is an output-only system identification using free vibration or impulse response The study provides a mathematic algorithm on ERA method and then application to analyze dynamic responses of the bridge under excitation by difference truck modes The results from ERA also compared with Finite Element Method

Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Eigen Realization

Algorithm (ERA); Finite Element Method (FEM); system identification method

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Mục tiêu nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn: 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU 5

1.1 Hệ thống quan trắc kết cấu cầu 5

1.1.1 Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu 5

1.1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu 6

1.1.3 Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu 7

1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc 9

1.1.5 Các cấp độ quan trắc 11

1.2 Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe 14

1.2.1 Các thành phần của hệ thống quan trắc 14

1.2.2 Các cảm biến 17

1.2.2.1 Giới thiệu về các cảm biến 17

1.2.2.2 Cơ sở đo đạc của các cảm biến 17

1.2.2.3 Cảm biến quang học 19

1.3 Một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu 21

1.3.1 Phương pháp biến đổi Fourier 22

1.3.2 Phương pháp hàm phản ứng tần số 22

1.3.3 Phương pháp phân tích tại các đỉnh 23

1.3.4 Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA 24

Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG 25

2.1 Thuật toán phân tích theo giá trị riêng 25

2.2 Xây dựng thuật toán ERA bằng ngôn ngữ Matlab 30

2.2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 30

2.2.2 Thuật toán ERA 31

2.2.3 Thuật toán tính tham số Markov 36

2.3 Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000 37

2.3.1 Giới thiệu phần mềm SAP2000 37

2.3.2 Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000 38

2.3.2.1 Tổng quan về cầu Thuận Phước 38

2.3.2.2 Kết quả mô phỏng cầu Thuận Phước 40

Kết luận chương 2 40

CHƯƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH 41

3.1 Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu 41

3.1.1 Đo đạc thực nghiệm 41

3.1.2 Thu thập dữ liệu 43

3.2 Ứng dụng chương trình phân tích kết quả 47

3.3 Kết quả từ phần tử hữu hạn 50

Kết luận chương 3 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

Kết luận 53

Kiến nghị 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 0.1: Mô hình hệ thống quan trắc cầu 1

Hình 1.1: Quá trình phát triển của hệ thống quan trắc 7

Hình 1.2: Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc 13

Hình 1.3: Sơ đồ các hệ thống quan trắc 15

Hình 1.4: Sơ đồ của một hệ thống quan trắc 16

Hình 1.5: Chi tiết bố trí của một của một sợi cám biến 18

Hình 1.6: Hình ảnh cảm biến sợi quang học 19

Hình 1.7: Biến đổi Fourier 22

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp Frequency Response Function 23

Hình 1.9: Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn 24

Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ liên tục giữa z(t) và y(t) trong thực tế 26

Hình 2.2: Kết quả đo được mối quan hệ giữa z(t) và y(t) 26

Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán ERA 29

Hình 2.4: Giao diện Matlab 30

Hình 2.5: Sơ đồ khối thuật toán ERA trên Matlab 31

Hình 2.6: Giao diện SAP2000 38

Hình 2.7: Trắc dọc cầu Thuận Phước 39

Hình 2.8: Mặt cắt ngang đại diện 39

Hình 2.9: Mô phỏng cầu Thuận Phước trong phần mềm SAP2000 40

Hình 3.1: Cầu Thuận Phước 41

Hình 3.2: Ô tô tác dụng lực kích thích 41

Hình 3.3: Hệ thống đo đạc BDI 42

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí sensor 42

Hình 3.5: Đo đạc tại hiện trường 43

Hình 3.6: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1 ở vận tốc xe chạy 20km/h 43

Hình 3.7: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1 giai đoạn dao động tự do 44

Hình 3.8: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 2 ở vận tốc xe chạy 20km/h 44

Hình 3.9: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 2 giai đoạn dao động tự do 45

Hình 3.10: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 3 ở vận tốc xe chạy 20km/h 45

Hình 3.11: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 3 giai đoạn dao động tự do 46

Hình 3.12: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 4 ở vận tốc xe

chạy 20km/h 46

Hình 3.13: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 4 giai đoạn dao động tự do 47

Hình 3.14: Tham số Markov 47

Hình 3.15: Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit 48

Hình 3.16: Xác định số bậc hệ thống 48

Hình 3.17: Dạng dao động ứng với tần số f=0,73518 Hz từ kết quả ERA 49

Hình 3.18: Tần số thu được từ phương pháp FFT 50

Hình 3.19: Dạng dao động ứng với mode 1 từ kết quả SAP2000 51

Hình 3.20: Dạng dao động ứng với mode 2 từ kết quả SAP2000 51

Hình 3.21: Dạng dao động ứng với mode 3 từ kết quả SAP2000 52

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1:Thông số động lực học tính bằng phương pháp ERA 49 Bảng 3.2: Tần số dao động riêng 50

CÁC TỪ VIẾT TẮT

SHM: Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu) FT: Fourier transform (Biến đổi Fourier)

FRF: Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số)

PPM: Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh)

ERA: Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng)

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

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

Hiện nay, các công trình giao thông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lượng lớn nhằm đáp ứng kịp thời với nhịp độ phát triển của nền kinh tế Do đó, chất lượng khai thác của công trình cũng phải 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 Kết quả thu thập được là một bức tranh tổng thể về ứng xử của công trình trong giai đoạn làm việc, là cơ sở quan trọng cho việc đưa ra các đánh giá về khả năng khai thác phục vụ của công trình

Với nhu cầu thực tế hiện nay, 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, 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

Hình 0.1: Mô hình hệ thống quan trắc cầu

Mỗi kết cấu cầu trong 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 yếu tố nội tại và tác động bên ngoài Một số yếu tố phát sinh ngay trong quá trình thi công làm cho các ứng xử về kết cấu khác với các ứng xử dự 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 như gió, giãn nở nhiệt thông thường các tác động này khá khác biệt và trong rất nhiều trường hợp không thể biết được nguyên nhân xuất hiện và cường độ của chúng [1]

Ở Việt Nam hiện nay, các công trình cầu thường được kiểm định và thử tải trước khi được vào sử dụng hoặc thử tải định kỳ trong quá trình khai thác Phương pháp thử tải tĩnh thường được ứng dụng để xác định khả năng chịu tải của công trình cầu Đối với phương pháp thử tải động, phương pháp lực như là sử dụng xe tải di động để kích thích dao động và xác định một số đặc trưng dao động kết cấu (thường chỉ có tần số dao động bằng phương pháp phân tích FFT) hay được sử dụng [2]

Các phương pháp phân tích dao động trước đây hay được sử dụng như phép biến đổi Fourier (FFT) chỉ thu được tần số dao động riêng, phương pháp Pick Peaking Method thu được cả tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản nhưng độ chính xác lại không cao và không thể thực hiện khi đỉnh các tần số không tách biệt rõ ràng

Thuật toán phân tích theo giá trị riêng áp dụng thông số đầu ra là dạng dao động

tự do thu được từ dao động của cầu cho chúng ta kết quả là các thông số dao động của kết cấu (tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản) với độ chính xác cao [3] Kết quả thu được từ phương pháp phân tích theo giá trị riêng cho phép đánh giá mức

độ suy giảm của kết cấu và là cơ sở để cập nhật hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn

và sử dụng nó để đánh giá khả năng chịu tải và phân tích ứng xử động của công trình cầu

2 Đối tượng nghiên cứu

- Dao động tự do của kết cấu nhịp công trình cầu

3 Phạm vi nghiên cứu

- Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu (tần số dao động riêng, mode dao động và hệ số cản) bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng

- Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô hình cầu thực tế

- Phân tích kết quả thí nghiệm và cập nhật mô hình phần tử hữu hạn

4 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng

- Ứng dụng kết quả từ chương trình phân tích kết quả đo đạc thực nghiệm để phân tích và đánh giá năng lực phục vụ của công trình cầu

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu dưới tác dụng tải trọng động, xây dụng thuật toán phân tích số liệu thí nghiệm công trình cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng

- Đo đạc số liệu dao động thực nghiệm công trình cầu thực tế và sử dụng thuật toán để phân tích kết quả

- Cập nhật mô hình phần tử hữu hạn

6 Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn:

PHẦN MỞ ĐẦU

- Lý do chọn đề tài (sự cần thiết phải nghiên cứu)

- Đối tượng nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu

- Mục tiêu nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU

1.1 Hệ thống quan trắc kết cấu cầu

1.1.1 Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu

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

1.1.3 Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu

1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc

1.1.5 Các cấp độ quan trắc

1.2 Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe

1.2.1 Các thành phần của hệ thống quan trắc

1.2.2 Các cảm biến

1.3 Một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu

1.3.1 Phương pháp biến đổi Fourier (FT)

1.3.2 Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function)

1.3.3 Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method)

1.3.4 Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA

Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG

2.1 Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) 2.2 Xây dựng thuật toán ERA bằng ngôn ngữ Matlab

2.2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab

2.2.2 Thuật toán ERA

2.2.3 Thuật toán tính tham số Markov

2.3 Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000

2.3.1 Giới thiệu phần mềm SAP2000

2.3.2 Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000

Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH

3.1 Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU

1.1 Hệ thống quan trắc kết cấu cầu

1.1.1 Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu

Quan trắc kết cấu cầu 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 hỏng 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 [1]

So với việc thử tải cầu cũng như so với các phương pháp kiểm tra truyền thống khác thì quan trắc 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 và ghi lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biệt (động đất, bảo…) mà các phương 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 lường trước giúp cho Cơ quan quản lý cầu có các quyết định kịp thời dựa trên số liệu thực tế làm việc của công trình cầu

- Công tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuyết về mặt kết cấu

và tăng độ an toàn cho công trình cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà không thể phát hiện bằng các kiểm tra bằng mắt hoặc kiểm tra trên mô hình Trong những trường 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 được tiến hành sớm 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 cầu

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 tác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công, vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do đó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho công việc không đạt chất lượng Rất nhiều công trình có khiếm khuyết hoặc điểm yếu về kết cấu được tạo ra ngay trong quá trình thi công, nhưng các khiếm khuyết này chỉ có thể nhìn thấy được sau một vài năm Lúc này chi phí sửa chửa sẽ trở nên rất lớn và đã nằm ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thầu

- Công tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ 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 phận 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 trữ về cường độ của cây cầu: có nhiều hạng mục của kết cấu có tình trạng tốt hơn so với dự kiến (nguyên nhân có thể 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 hợp này, công việc quan trắc sẽ xác định được biên độ cho phép có thể chịu đựng thêm của cây cầu, giúp đơn vị quản lý nắm rõ tải trọng an toàn có thể đi trên cầu

- Ngoài ra hệ thống quan trắc sẽ cung cấp các thông tin tham khảo rất bổ ích trong công tác thực hiện các dự án có quy mô tương tự trong lương lai: thông tin về sự làm việc thực tế của cây cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quản lý thực hiện các đồ án thiết kế rẻ hơn, an toàn hơn và bền vững hơn với độ tin cậy và tính năng làm việc được nâng cao Một chi phí đầu tư nhỏ thực hiện ngay từ đầu dự án sẽ có thể 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 thì 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 phương 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

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

Lịch sử phát 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

- 1965-1975: Phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính

- 1970-1980: Phát triển của phương pháp dao động

- 1975-1990: Bồ sung của phươnạ pháp phần tử hữu hạn tuyến tính

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

- 1992-1995: Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh

- 1993-1996: Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu

- Từ 1994: Áp dụng các phương pháp đo dao động

- 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 kỷ gần đây, do sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực khoa học máy tính, con nguời và hệ thống theo dõi "thông minh" Thuật ngữ "thông minh" sau đó được sử dụng đế nhấn mạnh ý nghĩa của hệ thống quan trắc thông minh vì có độ bền, đáng tin cậy và kinh tế

Hình 1.1: Quá trình phát triển của hệ thống quan trắc

Hiện nay với sự phát triền của khoa học kỹ 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"

1.1.3 Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu

Hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thông tin cơ bản như là [4]:

- Chứng nhận rằng kết cấu 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 kỹ thuật và vận hành hệ thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lưu trữ 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 thể 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 thể

yên tâm vì đã có một hệ thống đang theo dõi thường 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 ưu 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 lường 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 tuyến 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 thường thì Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trờ nên đơn giản, các kỹ 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

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 xảy 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 căn cứ của hệ thống quan trắc

Căn cứ 1: Đánh giá các hư hại của kết cấu cầu đòi hỏi phải so sánh giữa hai trạng thái 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 phương 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 đường 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 nghiêm trọng của hư hại đạt được cấp độ cao hơn thì trong bộ dữ liệu hướng 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 dữ 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 hợp trong khả năng có thể Đường 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 định dạng đường cơ bản theo đặc tính của nó

Căn cứ 2: Xác định các tồn tại và vị trí cua hư hỏng có thể được thực hiện không thông qua các phương pháp, nhưng xác định các loại hư hỏng và mức độ quan trọng chỉ có thể được thực hiện thông qua phuơng pháp nghiên cứu

Việc xác định sự hiện hữu và vị trí của hư hại có thể được thực hiện bằng 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, trong điều kiện bình thường, không quan trọng lắm bởi vì một hư hại hiện hữu thuần túy sẽ kéo theo 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 trong 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

Căn cứ 3: Dụng cụ đo luờng có độ nhạy càng cao thì nó càng nhạy với sự thay đổi của hệ thống và các tác động của môi truờng xung quanh

Nếu không có tính năng 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 nhạy cảm của các công trình xây dựng 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 tưởng thì có thề loại trừ các điều kiện này bằng các chương trình bù trừ

dự kiến Tuy nhiên, vẫn còn tồn lại điểm bất định khá lớn vì các kỳ quan sát quá ngắn

và không thể lường trước được các điều kiện ngoại lệ Vì vậy, cần phải thận trọng khi nhận định kết quả, ví dụ như kết quả đo thấy độ cứng giảm đôi khi không phải là chỉ

số đo lường hư hại tốt mà vì độ nhạy cảm của phép đo hay dụng cụ đo kém Vì độ cứng không phải là chỉ số đo lường duy nhất nên việc kết hợp các phương pháp lại với nhau xem ra sẽ mang lại kết quả tốt hơn Những biến đổi riêng biệt về trạng thái có thể

sẽ điền hình hơn và lời giải thích cho những thay đổi này sẽ được đưa ra thảo luận

Căn cứ 4: Tồn tại tác động qua lại giữa các thuật toán để phân tích các dữ liệu hữu ích (dữ liệu để xác định hư hỏng) và những dữ liệu được loại bỏ đi

Sẽ có sự đánh đổi giữa 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 Đối 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 giản là số tương đương với bộ hướng 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

Căn cứ 5: Mức độ hư hỏng có thể được nhận biết từ những thay đổi động đặc trưng động của hệ thống là nó tỷ lệ nghịch với miền tần số kích 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 rằng kích thước hư hại phụ thuộc vào phạm vi của đợt đo bao gồm số luợng các điểm đo trên một công trình cũng như tỷ lệ lấy mẫu đạt được Chỉ có thể phát hiện được hư hại nếu thực sự đo lường các đặc tính của nó

Một vấn đề cần phải đề cặp đến ở đây là các yếu tố phi tuyến liên quan đến trạng thái hoạt động và những thay đổi của chúng khi phát hiện ra hư hỏng sẽ làm cho các biện pháp xác định trở nên khó khăn Mối quan hệ giữa bước sóng và độ nhạy cảm thiệt hại có thế được phát triển thành các phương pháp nhận biết hư hại dựa vào độ rung dưới những dạng tổng quát hơn Trong những ứng dụng này, bước sóng đàn hồi chạy qua vật chất được thay thế bằng mô hình bước sóng đứng được tạo lập trong kết cấu mà được hiểu là một dạng chấn dộng Trong các tài liệu kỹ thuật có rất nhiều bằng chứng chỉ ra rằng dải tần số không phải là chỉ số tốt để đo lường các hư hại cục bộ Dạng kết cấu chung tần số thấp có bước sóng đặc trưng dài thường có xu hướng ít nhạy cảm với các thiệt hại cực bộ Đối với các công trình xây dựng như cầu treo, bước sóng dạng này có thể lên tới hàng trăm mét và những thiệt hại như các vết nứt mỏi dài khoảng vài cm sẽ không thể phát hiện được

1.1.5 Các cấp độ quan trắc

Để phân loại cầu thì cần phải có các thông tin về hiện trạng và các yếu tố khác của nó Hệ thống quan trắc đưa ra cơ hội để xác định số lượng các điều kiện và cung cấp những vấn đề quan trọng cho việc đưa ra các quyết định Có nhiều loại cấp độ quan trắc, sơ đồ bên dưới đưa ra các phương pháp phát triển từ việc điều tra đơn giản thông thường tới các chiến dịch quan trắc tinh vi, phức tạp Quy mô của hệ thống quan

trắc phụ thuộc chủ yếu vào các kết quả cần có, chính xác là có 5 cấp độ được sử dụng

để quyết định mức độ điều tra [4]

- Cấp độ 1: Phân loại

Các quy tắc đánh giá thông thường của kết cấu bắt đầu từ việc quan sát bằng thị giác sẽ cung cấp các nhận định chủ quan về kết cấu cầu Các phân tích ban đầu được thực hiện để phân loại các vấn đề cơ bản cần biết cho việc ra các quyết định sau này Nhiều chủ đầu tư lưu trữ các kết quả này

- Cấp độ 2: Đánh giá các điều kiện

Điều tra bằng thị giác phải được thực hiện trong bất kỳ kế hoạch quan trắc nào Sau đó mới đưa ra các quyết định là có triển khai các bước tiếp theo hay không, có tiên hành các cuộc khao sát chi tiết hay không Xác định loại và số lượng các dụng cụ đo Dùng các dụng cụ đơn giản để đánh giá có thể đưa ra các quyết định đơn giản cho toàn

hệ thống và sẽ cũng cấp thêm các thông tin cần thiết Lưu trữ và xử lý các dữ liệu nên được thực hiện trong cấp độ này Việc quan trắc có thể chỉ cần thực hiện tại các điểm đơn (cục bộ) thay vì cho toàn bộ kết cấu

Hình 1.2: Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc

- Cấp độ 3: Đánh giá tính 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 phân 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 dữ 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 hợp 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

- Cấp độ 5: Dự 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

Để kiểm soát số lượng lớn các dữ liệu, cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng Thêm vào đó, công tác kiểm tra các vi kết cấu có thể rất hữu ích để xem xét các yếu tố 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 trường hợp tải trọng, không tải và bao gồm cả yếu tố 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 đặt 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, dựa trên nguyên tắc là so sánh ứng xử thực của kết cấu theo các số liệu đo đạc và mô hình lý thuyết

1.2 Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe

1.2.1 Các thành phần của 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, tất cả các hệ thống quan trắc có thể được chia thành hai loại cơ bản sau: Hệ thống quan trắc tĩnh và hệ thống quan trắc động

Hình 1.3: 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

Hệ thống quan trắc bao gồm những công việc sau đây:

- Thu thập dữ liệu;

- Truyền tải dữ 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 trường

Hệ thống cảm biến bao gồm các dụng cụ điện trở đo biến dạng, dây đo dao động, đầu dò độ lệch, đầu đo gia tốc, cảm biến sợi quang học, v.v

Hình 1.4: 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 hợp 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 tốn 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 mở trở lại Cũng có thể lưu 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 lưu 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 trắc 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 trình 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

1.2.2 Các cảm biến

1.2.2.1 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 Mạng 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 bằng 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

1.2.2.2 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 "kết cấu dầm" đơn giản thể hiện trong hình dưới Các biến dạng tương đối (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 [5]:

Trong đó: wxx là độ cong (chỉ số dưới biểu thị không gian theo x)

Bằng cách chia các "kết cấu dầm" 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 (1.1) có thể viết độ võng ngang w, trong một phần tử cảm biến cầu, trong điều kiện vector độ võng tại nút {i} của phần tử dầm i như sau:

Phương trình (1.4) đưa ra sự thay đổi chiều dài L i của sợi cảm biến trong đó có

4 ẩnsố {wj j wk k}T của vector độ võng {i} Cách khác, phương trình (1.4) là phương trình tuyến tính với 4 ẩn số của các biến dạng đường và góc của phần tử dầm 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 } được xác định bởi:

1 { } [  i G i] { L} (1.6) Trong đó:   L { L1 L4}có thể được xác định bằng cách đo sự thay đổi điện trở của các đoạn sợi khác nhau

1.2.2.3 Cảm biến quang học

Cảm biến quang học đo lường 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) [6] Bốn 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 biến 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

Hình 1.6: Hình ảnh cảm biến sợi quang học

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 tươmg 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 thườmg:

- 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 hợp để sử dụng trong môi trưòng nổ cao

- Chịu được nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn

- Băng thông rộng

- Thích hợp 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 cảm biến khác 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 sáng, 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 thường được làm bằng thủy tinh silica hoặc bằng nhựa, và đệm một lớp bên ngoài của acrylate 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 thường là không lớn 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 lường quang học bao gồm một đèn hai

cực, chuyển đổi quang năng lượng thành năng lượng điện Photodiodes bán dẫn (PD)

và quang điốt (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 100V 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 bang 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 trong để đạt được một sự hiểu biết đầy đủ về các ứng xử kết cấu Nếu 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 giản để tăng cảm biến có thể được giải quyết cùng một đường cáp duy nhất Trong trường 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 cả hai đầu của dây 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

1.3 Một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu

Mục đích của việc quan trắc sức khỏe kết cấu công trình (SHM) được thể hiện các mức độ như sau: phát hiện các ứng xử bất thường trong kết cấu (ví dụ như khuyết tật hoặc hư hỏng gọi là mức độ 1 trong SHM), xác định vị trí vật lý của các ứng xử bất thường (vị trí của hư hỏng gọi là mức độ 2 trong SHM), đánh giá định lượng kích cỡ

và mức độ của các ứng xử bất thường (mức độ 3 trong SHM), đánh giá định lượng sức khỏe và năng lực phục vụ của công trình (gọi là dự báo - mức độ 4) Việc phát hiện, định vị và định lượng ứng xử bất thường ở giai đoạn đầu (mức độ 3) rất quan trọng trong việc thành công của SHM cho phép tiên lượng và đưa ra các giải pháp sửa chữa, bảo trì hoặc gia cường nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ công trình [7] Yêu cầu đặt ra là kết cấu cần được theo dõi, quan trắc một cách thường xuyên và sử dụng những phương pháp có độ chính xác và tin cậy cao đồng thời giá thành phải thấp Kỹ thuật xác định các thông số dao động từ phương pháp dao động tự do đã được áp dụng rất phổ biến trong bài toán phân tích động học của kết cấu Phương pháp này cho kết quả chính xác

và có độ tin cậy cao

Một vài thuật toán phân tích đặc trưng động học của kết cấu hay được sử dụng như phương pháp sử dụng nhiều số liệu đầu vào và số liệu đầu ra MIMO (multi input multi output system) [8]; phương pháp sử dụng thông tin các ma trận SRIM (system realization using information matrix) [9], phương pháp này cũng sử dụng thông số từ

số liệu lực kích thích (input) và phản ứng của kết cấu (output) Hai phương pháp này yêu cầu phải thu được tín hiệu của lực kích thích và phản ứng của kết cấu nên thường được sử dụng để quan trắc sức khỏe của công trình dưới tác dụng động đất Phương pháp sử dụng dao động ngẫu nhiên như Random Decrement Technique [10] hay SSI (stochastic state space system identification) [11, 12], NExT-ERA (Natural Excitation Technique -Eigen Realization Algorithm) [13] Đây là những thuật toán chỉ sử dụng thông tin từ phản ứng kết cấu (thông tin đầu ra) để xác định các đặc tính dao động (tần

số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản) của kết cấu Kỹ thuật xác định các thông số dao động từ phương pháp kích thích dao động ngẫu nhiên có nhiều ưu điểm hơn kích thích bằng phương pháp lực như: biên độ dao động kết cấu nhỏ rất phù hợp trong việc phân tích kết cấu làm việc trong giai đoạn tuyến tính, có thể quan trắc được liên tục và giá thành rất thấp Tuy nhiên phương pháp này cũng tồn tại nhược điểm trong một số kết cấu có độ cứng lớn, cầu nhịp ngắn tỷ số giữa tính hiệu và nhiễu khá nhỏ làm cho quá trình phân tích khó khăn và độ tin cậy không cao

1.3.1 Phương pháp biến đổi Fourier (FT)

Biến đổi Fourier là một công cụ mạnh để giải phương trình vi phân tuyến tính Phản ứng của hệ thống đối với sự kích thích ngẫu nhiên có thể được viết dưới dạng một cặp biến đổi Fourier như sau [14]:

Trong đó, x(t) được gọi là biến đổi Fourier ngược của X 

Hình 1.7: Biến đổi Fourier

Sau khi biến đổi Fourier theo miền tần số, ta có thể dễ dàng xác định được tần số của kết cấu

- Ƣu điểm: Phương pháp tính toán đơn giản đối với trường hợp chỉ yêu cầu thông số là tần số dao động riêng của kết cấu

- Nhƣợc điểm: Vì chuổi Fourier là chuổi bao gồm các hàm sin hoặc cosin nên

nếu số liệu đầu vào trong một số trường hợp không thỏa mãn yêu cầu thì phải xử lý số liệu trước với kỹ thuật window và overlap nếu không kết quả sẽ không chính xác

1.3.2 Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function)

Phương trình động lực học có thể được viết bằng biểu thức toán học liên quan đến đầu ra x(t) và lực đầu vào f (t) là [15]:

2

( )( )

Hàm số phức được ký hiệu là H(i) trong phương trình (1.9) được gọi là hàm phản ứng tần số (frequency response function) Phương trình (1.9) cho thấy hàm phản ứng tần số chứa thông tin về các đặc tính cấu trúc (khối lượng, độ cứng và độ cản) Do

đó, nếu chúng ta biết đầu vào, đầu ra và mối quan hệ giữa đầu vào-đầu ra thì có thể được xây dựng bằng hàm phản ứng tần số Từ đó, ta có thể vẽ được biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp Frequency

+ Phương pháp này chỉ sử dụng được khi đo được lực kích thích

+ Kết quả tính toán có độ chính xác không cao

+ Chỉ tính được tần số dao động riêng

1.3.3 Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method)

Từ kết quả biểu đồ từ phương pháp biến đổi Fourier hoặc phương pháp Frequency Response Function, ta sử dụng phương pháp Pick Peaking Method để xác

định hệ số cản và dạng dao động [16]

Hình 1.9: Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn

+ Phương pháp tính toán đơn giản

+ Kết quả thu được tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản

- Nhƣợc điểm:

+ Kết quả tính toán có độ chính xác không cao đối với xác định hệ số cản + Phương pháp không thể thực hiện được khi đỉnh các tần số không tách biệt rõ ràng

1.3.4 Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO

GIÁ TRỊ RIÊNG

2.1 Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA)

Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (ERA) là một phương pháp xác định dao động trong xây dựng, đặc biệt là theo dõi sức khỏe kết cấu ERA được đề xuất bởi Juang và Pappa và đã được sử dụng để theo dõi hệ thống các cấu trúc hàng không vũ trụ như tàu vũ trụ Galileo, tuabin, kết cấu xây dựng và nhiều loại hệ thống khác

Phương trình dao động của hệ có n bậc tự do được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:

Trong đó: M, C, K lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng,

( ), ( ), ( )

u t u t u t lần lượt là vector gia tốc, vận tốc và chuyển vị và z(t) là vector lực

Phương trình (2.1) có thể được biểu diễn trong không gian trạng thái tuyến tính (2N) dưới dạng:

I A

Bc: Ma trận ảnh hưởng đầu vào (2N x r)

z(t): Vectơ đầu vào (r x 1)

Nếu phản ứng của hệ thống động được đo bằng đầu ra m, thì vectơ đầu ra y (t):

y t  C C M K C C M C  u t u t M Bz t (2.6) Phương trình (2.6) có thể được viết lại thành:

( ) c ( ) c ( )

Trong đó:

y(t): đầu ra mà chúng ta đo được (gia tốc, vận tốc, chuyển vị)

z(t): kích thích đầu vào cho kết cấu (đo hoặc không đo)

x(t): vectơ trạng thái (không đo được)

Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ liên tục giữa z(t) và y(t) trong thực tế

Mối quan hệ thực tế giữa lực kích thích và phản ứng của kết cầu là liên tục nhưng chúng ta không thể đo được kết quả liên tục mà chỉ đo được các giá trị rời rạc

Hình 2.2: Kết quả đo được mối quan hệ giữa z(t) và y(t)

Các phản ứng của kết cấu được lấy mẫu trên cơ sở khoảng thời gian bằng nhau t :0, t, 2 t, 3t, … (k+1)t