Chẩn đoán hư hỏng dầm bêtông cốt thép ứng suất trước căng sau sử dụng mô hình hỗn hợp dao động trở kháng

v TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn thạc sĩ nhằm nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong dầm bêtông cốt thép ứng suất trước BTCTƯST căng sau sử dụng hệ thống chẩn đoán hỗn hợp d

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG - Tp.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HỒ ĐỨC DUY

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM ngày tháng năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Hiệp

2 PGS.TS Nguyễn Minh Long

3 PGS.TS Hồ Hữu Chỉnh

4 TS Huỳnh Minh Phước

5 TS Lê Văn Phước Nhân

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

- -oo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

MSHV: 13210124

Họ và tên học viên:NGUYỄN MINH TUẤN ANH

Ngày, tháng, năm sinh: 20/03/1988

Chuyên ngành: KT Xây dựng Công trình DD&CN

Nơi sinh: Đà Nẵng

Mã ngành : 60.58.02.08

I TÊN ĐỀ TÀI: CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP ỨNG

SUẤT TRƯỚC CĂNG SAU SỬ DỤNG MÔ HÌNH HỖN HỢP DAO ĐỘNG - TRỞ KHÁNG

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Chẩn đoán hư hỏng trong dầm bêtông cốt thép ứng suất trước căng sau sử dụng

hệ thống chẩn đoán hư hỏng hỗn hợp sử dụng đáp ứng dao động và trở kháng bằng phương pháp mô phỏng số trong phần mềm ANSYS Kết quả khảo sát được so sánh với thực nghiệm và nghiên cứu mở rộng cho những trường hợp hư hỏng khác

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 24/12/2015

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HỒ ĐỨC DUY

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS HỒ ĐỨC DUY

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS Hồ Đức Duy, người

đã tận tình hướng dẫn, khuyến khích và hỗ trợ mạnh mẽ trong quá trình thực hiện luận văn Tôi mãi mãi biết ơn sự ân cần, sự hướng dẫn hữu ích và những buổi thảo luận với Thầy không chỉ định hướng nghiên cứu của tôi cũng như phương pháp nghiên cứu khoa học

Tôi chân thành cảm ơn ThS Hồ Thanh Dũng đã hỗ trợ và đưa ra những lời khuyên về vấn đề trở kháng trong luận văn này

Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, các Thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học tập, nghiên cứu

Tôi cũng chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Trường đại học xây dựng Miền Trung, cơ quan tôi hiện công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian cũng như vật chất trong thời gian thực hiện luận văn

Sau cùng, tôi muốn tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, người thân trong gia đình đã

hỗ trợ và sát cánh bên tôi, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tại trường

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

Nguyễn Minh Tuấn Anh

v

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nội dung luận văn thạc sĩ nhằm nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong dầm bêtông cốt thép ứng suất trước (BTCTƯST) căng sau sử dụng hệ thống chẩn đoán hỗn hợp dao động và trở kháng để xác định hai loại hư hỏng trong dầm BTCTƯST căng sau là hư hỏng trong cáp và hư hỏng trong dầm Trước tiên, lý thuyết

về hệ thống chẩn đoán hư hỏng hỗn hợp được trình bày gồm ba bước: (1) cảnh báo

hư hỏng tổng thể, (2) phân loại hư hỏng và (3) đánh giá hư hỏng Tiếp theo, tính khả thi của mô phỏng số cho đáp ứng trở kháng cơ điện được minh chứng bằng việc so sánh với dữ liệu thực nghiệm trên tấm PZT tự do, tấm tương tác bằng nhôm và cho đáp ứng dao động được thực hiện trên dầm BTCTƯST căng sau Cuối cùng, một số trường hợp hư hỏng trên dầm BTCTƯST được khảo sát Kết quả cho thấy hệ thống theo dõi hỗn hợp đề xuất có khả năng chẩn đoán chính xác hư hỏng cho dầm BTCTƯST

ABSTRACT

This study presents a hybrid health monitoring system using sequential vibration-impedance approaches to detect two damage types in prestressed concrete (PSC) beams, which are tendon damage and girder damage Firstly, the theories of hybrid health monitoring system are outlined It mainly consist of three sequential steps: (1) global damage warning, (2) damage classification, and (3) damage estimation Secondly, the feasibility of numerical simulation of impedance responses

is verified for pre-published experimental examples on a PZT plate, aluminum interface washer; and vibration responses is verified for a pre-published experimental examples on a PSC beam Finally, numerical simulation of hybrid health monitoring system is performed for a PSC beam with several damage scenarios of tendon damage and girder damage The analytical results show that the hybrid health monitoring system accurately identifies the occurrence damage of PSC beam

vii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy TS Hồ Đức Duy

Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Nguyễn Minh Tuấn Anh

Tháng 12 năm 2015

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

ABSTRACT vi

LỜI CAM ĐOAN vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xvii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU xviii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Sự phá hoại kết cấu 2

1.3 Theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM) 5

1.4 Đối tượng nghiên cứu 6

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 7

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.5.2 Nội dung nghiên cứu 7

1.6 Tính cấp thiết và tính thực tiễn của đề tài 7

1.6.1 Tính cấp thiết 7

1.6.2 Tính thực tiễn của đề tài 8

ix

1.7 Cấu trúc luận văn 8

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 10

2.1 Trên thế giới 10

2.1.1 Tổng quan về theo dõi chẩn đoán kết cấu dựa trên dao động 10

2.1.2 Tổng quan về lí thuyết mô hình trở kháng cơ điện 12

2.1.3 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn cho mô hình trở kháng cơ điện 13

2.2 Tại Việt Nam 16

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG THEO DÕI SỨC KHỎE KẾT CẤU HỖN HỢP CHO DẦM BTCTƯST 18

3.1 Giới thiệu 18

3.2 Chẩn đoán hư hỏng dầm BTCTƯST bằng phương pháp dao động 21

3.2.1 Phân tích dao động và tần số của dầm bê tông ứng lực trước căng sau bằng phần mềm ANSYS 21

3.2.2 Cảnh báo hư hỏng dầm BTCTƯST căng sau dựa trên sự thay đổi tần số 26

3.2.3 Đánh giá hư hỏng dầm BTCTƯST căng sau bằng phương pháp dao động 28

3.2.4 Đánh giá tổn hao ứng suất dựa vào tần số 32

3.3 Cảnh báo hư hỏng cục bộ bằng phương pháp trở kháng 35

3.3.1 Hiện tượng áp điện và vật liệu áp điện 35

3.3.2 Nguyên tắc vật lí của công nghệ trở kháng cơ học (EMI) 40

3.3.3 Một số vấn đề liên quan đến công nghệ EMI trong SHM 41

3.3.4 Mô hình phân tích trở kháng một chiều trong công nghệ EMI (Liang và cộng sự 1994) 44

3.3.5 Phương pháp đánh giá hư hỏng RMSD 48

3.3.6 Cách lấy tín hiệu từ phần mềm ANSYS 14.0 49

3.4 Hệ thống chẩn đoán hỗn hợp hư hỏng dầm BTCTƯST căng sau 51

CHƯƠNG 4 VÍ DỤ ÁP DỤNG 53

4.1 Bài toán 1: Mô phỏng tấm PZT tự do dao động 54

4.1.1 Thông số bài toán 54

4.1.2 Sự hội tụ của bài toán 55

4.1.3 Ảnh hưởng của độ cản đến dao động của tấm PZT 57

4.1.4 Kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm 58

4.2 Bài toán 2: Mô phỏng tấm tương tác 58

4.2.1 Thông số bài toán: 59

4.2.2 Trường hợp tấm tương tác với điều kiện biên tự do 61

4.2.3 Mô hình vùng neo 63

4.3 Bài toán 3: Chẩn đoán hư hỏng dầm bêtông ứng suất trước căng sau 68

4.3.1 Thông số bài toán 69

4.3.2 Mô hình dầm bê tông ứng lực trước căng sau 72

4.3.3 Theo dõi hư hỏng cáp 73

4.3.4 Theo dõi hư hỏng do tăng khối lượng trên dầm 81

4.3.5 Theo dõi hư hỏng dầm BTCTƯST khi hư hỏng xảy ra đồng thời 93

4.3.6 Theo dõi hư hỏng do nứt trên dầm 97

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

5.1 Kết luận 106

5.2 Kiến nghị 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 114

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Tai nạn trên hãng hàng không Aloha 1988 (LAMSS, 2003) 2

Hình 1.2 Sự sụp đổ của cầu Mississippi River (NTSB,2007) 2

Hình 1.3 Sự phá hoại của bản nối thép (NTSB,2007) 3

Hình 1.4 Sụp cầu treo Chu Va – Lai Châu (Chu Va, 2014) 3

Hình 1.5 Sự cố sập đổ tháp truyền hình cao 180m ở Nam Định (Nam Định, 2012) 3 Hình 1.6 Cầu dây văng Nhật Tân – Hà Nội (TEDI, 2014) 4

Hình 1.7 Toà nhà Bitexco – Thành phố Hồ Chí Minh cao 262m (Bitexco, 2010) 5

Hình 1.8 Mô hình thí nghiệm dầm BTCTƯST căng sau (Kim và cộng sự 2010) 6

Hình 1.9 Các trường hợp hư hỏng xảy ra trên dầm BTCTƯST 8

Hình 2.1 Mô hình tương đương của vết nứt trên dầm 12

Hình 2.2 Mô hình số và thí nghiệm đối với hư hỏng trên dầm bêtông cốt thép 14

Hình 2.3 So sánh kết quả giữa mô phỏng số và thí nghiệm 14

Hình 2.4 Bài toán mô phỏng số và thí nghiệm tín hiệu trở kháng trên dầm nhôm 15

Hình 2.5 Bài toán mô phỏng số và thí nghiệm tín hiệu trở kháng trên tấm PZT 16

Hình 3.1 Hệ thống chẩn đoán kết hợp hư hỏng dầm BTCTƯST (Kim và cộng sự 2010) 20

Hình 3.2 Phần tử bêtông SOLID65 21

Hình 3.3 Phần tử mô phỏng thép và cáp LINK180 22

Hình 3.4 Phần tử mô phỏng gối tựa 22

Hình 3.5 Phần tử mô phỏng vật liệu thép 22

Hình 3.6 Mối quan hệ giữa môđun đàn hồi Ec của bêtông và lực căng cáp N 25

Hình 3.7 Đồ thị phần trăm độ lệch tần số giữa các dạng dao động 27

Hình 3.8 Mô phỏng vị trí hư hỏng bằng phương pháp năng lượng biến dạng 29

Hình 3.9 Độ cứng uốn tương đương của dầm BTCTƯST 32

Hình 3.10 Dao động uốn của cáp dưới tác dụng của lực kéo N 33

Hình 3.11 Mạng tinh thể đối xứng (µ là moment lưỡng cực) 36

Hình 3.12 Mạng tinh thể không đối xứng (µ là moment lưỡng cực) 36

Hình 3.13 Tương tác giữa cơ học và điện trong tấm PZT 37

Hình 3.14 Vật liệu áp điện với các trục qui ước 1,2 và 3(theo IEEE) 38

Hình 3.15 Sự thay đổi tín hiệu tấm PZT theo nhiệt độ (Yang và cộng sự 2008a) 42

Hình 3.15 Mô hình lý tưởng sự tương tác giữa PZT-kết cấu chính 44

Hình 3.16 Mô hình một chiều của sự tương tác cơ điện giữa miếng PZT và kết cấu 45

Hình 3.17 Phần tử SOLID5 50

Hình 3.19 Hệ thống chẩn đoán kết hợp hư hỏng dầm BTCTƯST 51

Hình 4.1 Mô hình tấm PZT trong không gian ANSYS 14.0 trong luận văn 55

Hình 4.2 Tín hiệu độ dẫn nạp của tấm PZT tự do dao động trong khoảng tần số (0-1000kHz) với nhiều kích cỡ phần tử khác nhau 56

Hình 4.3 Khảo sát độ hội tụ của tín hiệu trở kháng theo kích thước phần tử 56

Hình 4.4 Khảo sát tín hiệu trở kháng theo tỉ số cản 57

Hình 4.5 Tín hiệu độ dẫn nạp của tấm PZT giữa mô phỏng và thực nghiệm 58

Hình 4.6 Kích thước tấm nhôm tương tác 59

Hình 4.7 Mô hình FEM cho tấm tương tác có điều kiện biên tự do 62

Hình 4.8 Tín hiệu trở kháng của mô hình PTHH và thực nghiệm 62

Hình 4.9 Mô hình thực nghiệm vùng neo dầm bê tông ứng lực trước căng sau có gắn tấm tương tác (interface washer) 63

Hình 4.10 Kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số10kHz đến 100kHz trong 64

Hình 4.11 Mô hình vùng neo dầm bê tông ứng suất trước gắn tấm tương tác trong ANSYS 14.0 65

Hình 4.12 Mô hình thực nghiệm vùng neo dầm bê tông ứng lực trước căng sau có gắn tấm tương tác (interface washer) 66

Hình 4.13 So sánh kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 30kHz đến 40kHz 66 Hình 4.14 Kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 30kHz đến 40kHz trong mô 67

Hình 4.15 Kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 30kHz đến 40kHz trong mô hình ANSYS 14.0 ở từng cấp lực khác nhau 67

Hình 4.16 So sánh chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 30kHz đến 40kHz giữa mô hình thực nghiệm và mô hình ANSYS 14.0 67

Hình 4.17 Kích thước dầm (Kim và cộng sự 2010) 70

Hình 4.18 Kích thước vùng neo, Kim và cộng sự (2010) 70

Hình 4.19 Mô hình PTHH của dầm BTCTƯST khi chưa đặt lực căng cáp 72

Hình 4.20 Các dạng dao động của mô hình PTHH 74

xiii

Hình 4.21 Sơ đồ bố trí gia tốc kế và phổ PSD của dầm PSC 75

Hình 4.22 Cảnh báo hư hỏng tổng thể khi tổn hao ứng suất xảy ra 75

Hình 4.23 Đáp ứng tần số - chuyển vị của dầm PSC 76

Hình 4.24 Mô hình tại vùng neo dầm bê tông ứng suất trước căng sau 77

Hình 4.25 Sự thay đổi tín hiệu trở kháng khi thực hiện mô phỏng 78

Hình 4.26 Sự thay đổi tín hiệu trở kháng trong thực nghiệm 78

Hình 4.27 Chỉ số RMSD của tín hiệu trở kháng 78

Hình 4.28 Dự đoán tổn hao ứng suất dầm BTCTƯST bằng phương pháp mô phỏng 80

Hình 4.29 Dự đoán tổn hao ứng suất dầm BTCTƯST bằng thực nghiệm 81

Hình 4.30 Mô hình PTHH dầm BTCTƯST khi có hư hỏng (tăng khối lượng) 82

Hình 4.31 Dạng dao động (mode shapes) cho các mức tăng khối lượng 83

Hình 4.32 Đáp ứng chuyển vị và tần số cho các mức tăng khối lượng 83

Hình 4.33 Phần trăm độ lêch tần số với các mức tăng khối lượng 84

Hình 4.34 Tín hiệu trở kháng tương ứng với 3 mức hư hỏng bằng mô phỏng 85

Hình 4.35 Tín hiệu trở kháng tương ứng với 3 mức hư hỏng bằng mô phỏng 85

Hình 4.36 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 1 86

Hình 4.37 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 2 86

Hình 4.38 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 3 87

Hình 4.39 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 4 87

Hình 4.40 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 1+Mode2+Mode3 87

Hình 4.41 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng 88

Hình 4.42 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 1 88

Hình 4.43 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng – Mode 1+Mode 2+Mode3 89

Hình 4.44 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1+Mode 2+Mode3+ Mode4 89

Hình 4.45 Chẩn đoán hư hỏng dựa trên năng lượng biến dạng theo thực nghiệm 90

Hình 4.46 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1 91

Hình 4.47 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 2 91

Hình 4.48 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1+Mode 2+Mode 3

91

Hình 4.49 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng–Mode 1+Mode 2+Mode 3+Mode4 92

Hình 4.50 Đánh giá mức độ hư hỏng trên dầm 92

Hình 4.51 Dạng dao động (mode shapes) 94

Hình 4.52 Phần trăm độ lêch tần số với các trường hợp hư hỏng D1 94

Hình 4.53 Tín hiệu trở kháng trong trường hợp D1 95

Hình 4.54 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1 95

Hình 4.55 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 3 96

Hình 4.56 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1+Mode 2+Mode 3 96

Hình 4.57 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng–Mode 1+Mode 2+Mode 3+Mode4 96

Hình 4.58 Mô hình dầm BTCTƯST và các trường hợp hư hỏng xảy ra 98

Hình 4.59 Dạng dao động (mode shapes) cho các mức hư hỏng 99

Hình 4.60 Phần trăm độ lêch tần số với các trường hợp hư hỏng do nứt 99

Hình 4.61 Tín hiệu trở kháng tương ứng với 3 mức hư hỏng 100

Hình 4.62 Trường hợp hư hỏng D1 – Mode 1 và Mode 2 100

Hình 4.63 Trường hợp hư hỏng D1 – Mode 3 và Mode 4 101

Hình 4.64 Trường hợp hư hỏng D1 – Mode 1+Mode 2+Mode3 và Mode 1+Mode 2+ Mode 3+Mode 4 101

Hình 4.65 Trường hợp hư hỏng D2 – Mode 1 và Mode 2 101

Hình 4.66 Trường hợp hư hỏng D2 – Mode 3 và Mode 4 102

Hình 4.67 Trường hợp hư hỏng D2 – Mode 1+Mode 2+Mode3 và Mode 1+Mode 2+ Mode 3+Mode 4 102

Hình 4.68 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1 103

Hình 4.69 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 2 103

Hình 4.70 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 3 103

Hình 4.71 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 4 104

Hình 4.72 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng– Mode 1+Mode 2+Mode 3 104

xv

Hình 4.73 Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng–Mode 1+Mode 2+Mode 3+Mode4 104Hình 4.74 Đánh giá mức độ hư hỏng trên dầm hư hỏng do nứt 105

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tần số riêng của dầm PSC Kim và cộng sự (2010) 24

Bảng 4.1 Đặc trưng tấm PZT PIC 151 (PI Ceramic 2010) 54

Bảng 4.2 Đặc trưng tấm tương tác bằng nhôm 60

Bảng 4.3 Đặc trưng tấm PZT 5A 60

Bảng 4.4 Đặc trưng vật liệu lớp keo dán 61

Bảng 4.5 Đặc trưng vật liệu bản thép neo và đầu neo 61

Bảng 4.6 Giá trị tổn hao lực căng cáp 65

Bảng 4.7 Đặc trưng vật liệu bê tông 69

Bảng 4.8 Đặc trưng vật liệu cốt thép 69

Bảng 4.9 Đặc trưng vật liệu cáp 69

Bảng 4.10 Đặc trưng tấm MFC 2814 P2 71

Bảng 4.11 Đặc trưng vật liệu lớp keo dán 71

Bảng 4.12 Tổn hao ứng suất trong cáp 73

Bảng 4.13 Tần số riêng của dầm BTCTƯST 73

Bảng 4.14 Tổn hao ứng suất dự đoán trong dầm PSC bằng mô phỏng 79

Bảng 4.15 Tần số riêng của dầm BTCTƯST 82

Bảng 4.16 Kết quả vị trí hư hỏng dự đoán do tăng khối lượng(13 điểm) 90

Bảng 4.17 Tần số riêng của dầm BTCTƯST trong trường hợp D0 và D1 93

Bảng 4.18 Tần số riêng của dầm PSC trong trường hợp D0 và D1 97

Bảng 4.19 Tổn hao ứng suất được tính từ tần số riêng ở Bảng 4.18 97

Bảng 4.20 Các trường hợp hư hỏng khảo sát 98

Bảng 4.21 Tần số riêng của dầm BTCTƯST cho các trường hợp hư hỏng 98

xvii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SHM Structural Health Monitoring Theo dõi, chẩn đoán kết cấu

DE Destructive Evaluation Đánh giá phá hủy

NDE Non-Destructive Evaluation Đánh giá không phá hủy

PZT Lead Zirconate Titanate Cảm biến làm từ chì, kẽm titan RMSD Root Mean Square Deviation Căn bậc 2 bình phương độ lệc h

trung bình

EMI Electromechanical Impedance Phương pháp trở kháng cơ điện

PM Piezoelectric Material Vật liệu áp điện

FRF Frequency Response Function Kết quả hàm đáp ứng tần số SMD Spring-Mass-Damper system Hệ lò xo – khối lượng – cản PSC Prestressed Concrete Bêtông ứng suất trước

PSD Power Spectrum Density

FRRAC Frequency-Response-Ratio

Assurance Criterion FBDD Frequency Based Damage Xác định hư hỏng dựa trên tần

MBDD Modeshape Based Damage Xác định hư hỏng dựa trên

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

MSE Modal Strain Energy Năng lượng biến dạng dao

động

MFC Macro Fiber Composite

LCR inductance (L), capacitance (C), and resistance (R)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

α j Mức độ hư hỏng của kết cấu tại vị trí thứ j

j Hệ số vị trí hư hỏng tại vị trí thứ j

 D Vectơ cảm ứng điện (vectơ điện dịch)

 d Tensor hệ số biến dạng áp điện bậc 3

D 3 Độ dịch chuyển điện trên miếng PZT

 E Vectơ điện trường ngoài

G i

Hệ số không thứ nguyên tương ứng với sự thay đổi nhỏ trong giá trị đặc trưng của dạng dao động thứ i do hư hỏng

Hệ số không thứ nguyên đặc trưng cho sự thay đổi nhỏ trong giá

trị đặc trưng của dạng dao động thứ i do hư hỏng

L Nhịp dầm BTCTƯST sau khi căng cáp

L Nhịp dầm khi lực căng cáp bằng không

[K] d Ma trận độ dẫn điện môi (dielectric conductivity)

k j Độ cứng của dầm tại phần tử thứ j khi chưa hư hỏng

Z j Chỉ số hư hỏng được chuẩn hóa

j Giá trị trung bình của j

 S Tensor biến dạng bậc 2

Y Mođun đàn hồi của PZT khi điện trường bằng không

w A , h A , l A Chiều rộng, chiều dài, độ dày của miếng PZT

Z s Trở kháng cơ học trong kết cấu chính

{u} Vector chuyển vị kết cấu

{V} Vector điện áp của node

{L} Vector điện tích của node

s 11 Độ mềm đàn hồi của tấm PZT theo phương 1

s 22 Độ mềm đàn hồi của tấm PZT theo phương 2

s 33 Độ mềm đàn hồi của tấm PZT theo phương 3

f s Cường độ chịu kéo của cốt thép

f ps Cường độ chịu kéo của cáp

\

Về mặt lịch sử, độ an toàn của kết cấu nổi lên là một vấn đề chính trong quá trình xây dựng và dịch vụ nhằm đảm bảo cuộc sống cũng như tài sản của con người Trong các thế kỉ trước, việc thiết kế kết cấu phụ thuộc vào kinh nghiệm cũng như phương pháp thử dần để thu được kết quả tốt nhất Vì vậy việc thiết kế là không kinh tế do việc sử dụng quá mức vật liệu nhưng về mặt khác có thể kết cấu này không an toàn

Trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển với sự tiến bộ nhanh chóng của lí thuyết kết cấu cũng như trong vật liệu xây dựng đã dẫn đến kết cấu làm việc hiệu quả hơn Tuy nhiên, độ an toàn của kết cấu thực tế vẫn là thách thức chính của người kĩ sư

vì đi kèm theo tải trọng là các yếu tố xung quanh như môi trường, yếu tố con người làm

hư hỏng kết cấu và những hiện tượng không thể dự đoán trước như động đất, tải trọng

nổ Với công nghệ hiện tại ngay cả với những kết cấu được thiết kế tốt nhất, thi công từ vật liệu cường độ cao cũng không thể tránh khỏi bị hư hỏng sau khi đưa vào sử dụng Yao (1985) đã định nghĩa hư hỏng như là một sự thiếu hoặc suy giảm cường độ của kết cấu mà nguyên nhân gây ra bởi tải trọng ngoài, điều kiện môi trường xung quanh hoặc do con người Về mặt vật lí, một hư hỏng có thể là một vết nứt, sự tách lớp, giảm

chiều dày, mặt cắt ngang Thuật ngữ hư hỏng khác với thuật ngữ phá hoại trong đó phá

hoại thường dùng để chỉ tất cả các tác động dẫn đến kết cấu hoặc máy móc không có

khả năng thực hiện các chức năng đã được thiết kế (Urugal và Fenster, 1995) Sự đứt gãy, biến dạng dư, sự mất ổn định hay thậm chí biến dạng vượt quá phạm vi đàn hồi tuyến tính có thể được coi là dạng phá hoại Kết quả của sự phá hoại là khi một sự hư hỏng cụ thể vượt quá giá trị ngưỡng của nó, do đó làm suy yếu đáng kể đến sự an toàn

và chức năng của kết cấu (Bhalla 2004)

1.2 Sự phá hoại kết cấu

Vào ngày 28/4/1988, các hành khách trên hãng hàng không Aloha Airlines đã phát hiện phần thân của cabin phía trước đã bị xé toạc ra khỏi phần thân chính (Hình

1.1) Nguyên nhân cơ bản của tai nạn này sau đó đã được tìm thấy là do xuất hiện các

vết nứt trên nhiều vùng tại vị trí mối nối, điều này là do các tải trọng lặp, sự ăn mòn và vấn đề bảo trì Những vết nứt này đã không được dự đoán trong quá trình chuẩn bị trước khi bay

Hình 1.1.Tai nạn trên hãng hàng không Aloha 1988 (LAMSS, 2003)

Vào 7/1983, cầu Mississippi River còn gọi là cầu 9340 đã bị phá hoại tại Mỹ làm

13 người chết và bị thương 145 người, nguyên nhân của sự phá hoại này theo Ủy ban

an toàn giao thông quốc gia Mỹ cho rằng sự phá hoại xảy ra tại các bảng nối thép (gusset plates) do mỏi (Hình 1.2, Hình 1.3)

Hình 1.2 Sự sụp đổ của cầu Mississippi River (NTSB,2007)

Hình 1.3 Sự phá hoại của bản nối thép (NTSB,2007)

Ngày 24/02/2014, cầu treo Chu Va ở Lai Châu bị sập làm 8 người chết và 33 người bị thương (Hình 1.4) Nguyên nhân phá hoại theo kết luận của Bộ giao thông vận tải là do đứt đột ngột phần ắc neo tăng đơ tại đầu neo cáp thượng lưu cầu dẫn đến mất khả năng chịu lực của cáp chủ thượng lưu gây xoắn lật mặt cầu

Hình 1.4 Sụp cầu treo Chu Va – Lai Châu (Chu Va, 2014)

Hình 1.5 Sự cố sập đổ tháp truyền hình cao 180m ở Nam Định (Nam Định, 2012)

Ngày 28/10/2015, tháp truyền hình Nam Định cao 180m bị đổ sập do bão Sơn Tinh (Hình 1.5) Nguyên nhân theo Cục Giám định Nhà nước về chất lượng công trình xây dựng (Bộ Xây dựng) khẳng định tháp truyền hình Nam Định được thiết kế không đạt tiêu chuẩn quốc gia về khả năng chống chịu với gió bão Theo đó, tại TP Nam Định tháp truyền hình phải thiết kế với cấp gió vùng IV-B, có Wo = 155 daN/m2 Nếu tính theo tốc

độ gió thì tháp truyền hình Nam Định với chiều cao 180 m muốn đạt chuẩn phải chịu được áp lực gió gần 48,9 m/giây trong khi theo Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương ghi nhận thực tế tại Nam Định trong trận bão số 8 vừa rồi, gió chỉ đến cấp

12 (tương đương 32,7 - 36,9 m/giây) nhưng tháp đã sập

Tất cả hiện tượng phá hoại trên cho thấy rằng độ tin cậy trong công nghệ chẩn đoán là cần thiết cho kết cấu trong điều kiện dịch vụ bởi vì kiểm tra bằng mắt có thể bỏ sót những hư hỏng gây nguy hiểm cho kết cấu Đến nay, tại Việt Nam đang trong quá trình phát triển kinh tế dẫn đến cơ sở hạ tầng phát triển mạnh mẽ đã xuất hiện một số công trình cầu áp dụng những kết cấu đặc biệt, vượt nhịp lớn (Hình 1.6) và những công trình dân dụng như nhà cao tầng, sân vận động… (Hình 1.7) Trong quá trình sử dụng

có thể xuất hiện những hư hỏng xảy ra như hiện tượng ăn mòn, nứt, hư hỏng do tác động chưa được dự đoán trước trong thiết kế Vì vậy một qui trình kiểm định chính xác là cần thiết để đảm bảo an toàn cho con người và ngăn chặn sự phá hoại không mong muốn xảy ra

Hình 1.6 Cầu dây văng Nhật Tân – Hà Nội (TEDI, 2014)

Hình 1.7 Toà nhà Bitexco – Thành phố Hồ Chí Minh cao 262m (Bitexco, 2010)

1.3 Theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM)

SHM là công nghệ quan trọng đảm bảo sữa chữa và bảo trì kết cấu kịp thời để duy trì tính toàn vẹn và khả năng bảo trì ở chi phí thấp nhất Trong trường hợp kết cấu có khả năng bị phá hoại, một cảnh báo sớm cũng giảm tối thiểu thiệt hại về người và tài sản Một SHM thông minh có khả năng phát hiện hư hỏng, đặc điểm mức độ nghiêm trọng của nó, cũng như dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình trước khi yêu cầu bảo trì Công nghệ này đòi hỏi nhiều ngành khoa học khác nhau như khoa học vật liệu, xây dựng, khoa học thống kê …

Lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán kết cấu có thể chia làm 2 loại sau: Theo dõi tổng thể (global monitoring) và theo dõi cục bộ (local monitoring) Việc phân loại này dựa trên cơ sở dữ liệu thu được khi chẩn đoán trên kết cấu chính Trong chẩn đoán hư hỏng tổng thể dữ liệu đầu ra thu được là trên toàn bộ kết cấu (tần số riêng và dạng dao động…)

Do vậy phương pháp này phù hợp cho việc cảnh báo các trường hợp hư hỏng xảy ra trong kết cấu chính bởi vì khi xuất hiện hư hỏng các đặc trưng của kết cấu (độ cứng, độ cản) sẽ thay đổi so với ban đầu Phương pháp này có hạn chế là khó xác định những hư hỏng nhỏ, mới bắt đầu, lực kích thích ban đầu phải lớn và khó áp dụng cho kết cấu lớn, phức tạp Đối với chẩn đoán hư hỏng cục bộ, dữ liệu thu được thuộc một phạm vi nào

đó của kết cấu chính tức là tạo ra một kích thích ở phạm vi tần số cao nên có thể xác

định được những hư hỏng nhỏ Phương pháp này cần sự hiểu biết, kinh nghiệm của người kĩ sư về những vị trí trên kết cấu có khả năng hư hỏng để chẩn đoán Do đó phương pháp chẩn đoán hư hỏng cục bộ phù hợp cho việc xác định loại hư hỏng nào xảy ra trên kết cấu

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Trong luận văn này tập trung nghiên cứu kết hợp ứng dụng của hai phương pháp SHM: Tổng thể và cục bộ để khảo sát hư hỏng cho dầm bêtông cốt thép ứng suất trước căng sau Đối với dầm BTCTƯST, các đặc trưng kết cấu như khối lượng, độ cứng, độ cản trong dầm và lực căng trong cáp là những thông số quan trọng cần được đảm bảo theo điều kiện sử dụng và độ an toàn Khảo sát và đánh giá các trường hợp hư hỏng trong dầm (nứt, tăng khối lượng) và trong cáp (tổn hao ứng suất) nhằm đưa ra một hệ thống chẩn đoán hư hỏng hỗn hợp sử dụng đáp ứng dao động-trở kháng phù hợp Mô hình dầm BTCTƯST căng sau sử dụng trong luận văn được lấy từ thí nghiệm của Kim

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là chẩn đoán hư hỏng trong dầm bêtông cốt thép ứng suất trước căng sau bằng cách sử dụng kết hợp hai phương pháp chẩn đoán hư hỏng tổng thể (dao động) và chẩn đoán hư hỏng cục bộ (trở kháng) bằng phương pháp mô phỏng

số

1.5.2 Nội dung nghiên cứu

- Giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết hợp dao động và trở kháng

- Sử dụng phần mềm ANSYS 14.0 mô phỏng các thí nghiệm và so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với các bài toán sau:

a) Tấm PZT dao động tự do (Lim và Soh 2014)

b) Mô hình kết cấu đầu neo cáp ứng lực trước (Nguyen và Kim 2010)

c) Mô hình dầm bê tông ứng suất trước căng sau (Kim và cộng sự 2010)

- Chẩn đoán hư hỏng dầm bê tông ứng suất trước căng sau xuất hiện đồng thời

hư hỏng trong dầm và hư hỏng trong cáp

- Chẩn đoán hư hỏng dầm bê tông ứng suất trước căng sau khi xuất hiện vết nứt trên dầm

- Đánh giá khả năng của phương pháp SHM trong chẩn đoán hư hỏng dầm bê tông suất suất trước căng sau bằng phương pháp mô phỏng

1.6 Tính cấp thiết và tính thực tiễn của đề tài

1.6.1 Tính cấp thiết

Trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng, dầm BTCTƯST căng sau được sử dụng rất rộng rãi trong các công trình cầu do có khả năng chịu tải trọng và vượt nhịp lớn, thời gian thi công nhanh Tuy nhiên rất nhiều công trình cầu hiện nay đã sử dụng loại cấu kiện này trong thời gian dài chịu nhiều tác động của môi trường xung quanh, bị lão hóa, ăn mòn, chịu tải trọng vượt thiết kế cho phép (Hình 1.9) Tại Việt Nam, vấn đề bảo trì, xác định mức độ làm việc của kết cấu trong quá trình sử dụng hiện nay chưa được quan tâm đúng mức Do đó, việc khảo sát phát hiện hư hỏng trong dầm có ý nghĩa rất quan trọng đảm bảo sự an toàn của công trình trong quá trình sử dụng

a) Vết nứt trên dầm bê tông ở bãi đậu xe

Salt Lake City, Utah (KCWC, 1999)

b) Quá tải trên cầu Đuống (Cầu Đuống, 1999)

Hình 1.9 Các trường hợp hư hỏng xảy ra trên dầm BTCTƯST

1.6.2 Tính thực tiễn của đề tài

Hệ thống chẩn đoán hư hỏng dầm BTCTƯST căng sau sử dụng mô hình hỗn hợp

dao động trở kháng đã chẩn đoán thành công các trường hợp hư hỏng đặt ra trong luận

văn Trong thực tế, hệ thống này có thể áp dụng cho một số trường hợp sau:

- Thiết lập một cảnh báo hư hỏng cho dầm BTCTƯST từ các dữ liệu dao động thu

được qua các gia tốc kế gắn trên dầm

- Xác định được mức độ tổn hao ứng suất trong dầm tại thời điểm kiểm tra thông

qua tín hiệu trở kháng từ tấm PZT gắn ở vùng neo

- Định lượng vùng hư hỏng xảy ra trong dầm do nứt từ dữ liệu dao động thông qua

phương pháp năng lượng biến dạng Số lượng cảm biến gia tốc có thể được xác định

thông qua phương pháp mô phỏng số trong luận văn

1.7 Cấu trúc luận văn

Trong luận văn này thực hiện mô phỏng các kết cấu đơn giản để lấy tín hiệu trở

kháng của mô hình và so sánh với kết quả thực nghiệm Ngoài ra còn theo dõi chẩn đoán

hư hỏng dầm BTCTƯST gồm hư hỏng trong dầm: Tăng khối lượng, vết nứt, hư hỏng

trong cáp: Tổn hao ứng suất, hư hỏng trong dầm và hư hỏng trong cáp xảy ra đồng thời

Cấu trúc luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến luận

2.1 Trên thế giới

2.1.1 Tổng quan về theo dõi chẩn đoán kết cấu dựa trên dao động

Từ đầu những năm 1970 đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề sử dụng đặc trưng dao động như là một chỉ số để xác định hư hỏng xảy ra trong kết cấu và tác động của môi trường xung quanh lên kết cấu

Adam và cộng sự (1978) đã đưa ra phương pháp đánh giá không phá hủy đối với kết cấu làm việc một phương (1-D) dựa vào tần số dao động riêng dọc trục (Axial vibration) để phát hiện và định vị hư hỏng trên cấu kiện Trong nghiên cứu này hư hỏng

tại một vị trí được thay thế bằng một lò xo có độ cứng K x Nếu K x   không có hư hỏng

xảy ra ngược lại khi K x giảm đi thì xuất hiện hư hỏng Nghiên cứu đã tiến hành trên một

số cấu kiện như thanh lăng trụ thẳng, trục cam ô tô So sánh kết quả với thực nghiệm

có sự phù hợp rất lớn giữa hư hỏng dự đoán và hư hỏng thực nghiệm Sau đó, Stubbs và Osegueda (1990) đã tiếp tục phát triển phương pháp này trên phần tử khối

Kim và Stubbs (2003) sử dụng các dữ liệu tần số tự nhiên để xác định vị trí và kích

cỡ các vết nứt trên dầm Phương pháp đề nghị chia làm 2 phần: Đầu tiên là thiết lập công thức cho mô hình định vị vết nứt và mô hình đánh giá kích cỡ vết nứt dựa trên mối liên

hệ khi có sự thay đổi trong năng lượng biến dạng dao động dẫn đến sự thay đổi trong tần số tự nhiên Phần thứ hai là bài báo đã chứng minh tính thực tiễn và khả thi của cơ cấu xác định hư hỏng bằng việc xác định chính xác vị trí và kích cỡ của vết nứt trong thí nghiệm dầm

Kim và cộng sự (2003) đề xuất phương pháp không phá hủy nhằm định vị và đánh giá kích cỡ của hư hỏng trong kết cấu bằng cách sử dụng tần số tự nhiên và dạng dao động Hai phương pháp được đề xuất là phương pháp xác định hư hỏng dựa vào tần số (FBDD) và phương pháp xác định hư hỏng dựa vào dạng dao động (MBDD)

Đối với kết cấu dầm bê tông ứng suất trước, Saiidi và cộng sự (1994) đã theo dõi thay đổi đặc trưng dao động liên quan đến sự thay đổi trong lực ứng suất trước Kim và cộng sự (2003) đã đưa ra phương pháp không phá hủy nhằm xác định được tổn hao ứng

suất trước bằng cách sử dụng tần số tự nhiên Đề xuất thuật toán lời giải nghịch

(inverse-solution algorithm) để phát hiện mất mát ứng suất trước bằng cách đo sự thay đổi của

tần số tự nhiên Ngoài ra, một số phương pháp khác cũng được sử dụng dựa trên dao động, Abdel và De (1999) sử dụng sự thay đổi trong đường cong dao động để xác định

hư hỏng xảy ra trên dầm ứng lực trước Kim và cộng sự (2003) sử dụng sự thay đổi trong năng lượng biến dạng dao động để định vị và đánh giá mức độ hư hỏng bằng mô phỏng

số dầm bêtông ứng lực trước Huth và cộng sự (2005) đã khảo sát độ nhạy của phương pháp xác định hư hỏng dựa trên dao động trong trường hợp vết nứt tăng dần của một dầm cầu bê tông ứng lực trước Kim và các cộng sự (2010) đã đề xuất một hệ thống theo dõi chẩn đoán kết hợp giữa phương pháp dựa trên dao động và trở kháng để theo dõi hai loại hư hỏng trong dầm bê tông ứng lực trước là hư hỏng cáp và dầm Huynh và cộng

sự (2014) đã khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi của nhiệt độ đến đáp ứng dao động của dầm BTCTƯST Các phân tích cho thấy yếu tố này ảnh hưởng lớn đến tần số riêng của kết cấu Jin và cộng sự (2015) đã đề nghị phương pháp xác định hư hỏng của kết cấu dưới tác động của điều kiện môi trường Phương pháp đề nghị dựa trên một hệ thống mang tính thích nghi trong phân tích thống kê đa biến Kết quả mô phỏng số cho thấy phương pháp đề nghị có tính khả thi cao trong xác định hư hỏng

2.1.2 Tổng quan về lí thuyết mô hình trở kháng cơ điện

Phương pháp xác định hư hỏng dựa trên dao động không thể phân biệt được hai loại hư hỏng là hư hỏng dầm và hư hỏng cáp bởi vì hai loại hư hỏng này đều gây ra sự thay đổi các đặc trưng dao động của dầm Do vậy cần tìm một phương pháp không phá hủy khác bổ sung cho phương pháp trên trong đó phương pháp trở kháng có khả năng xác định được những thay đổi nhỏ trong toàn bộ kết cấu

Liang và các cộng sự (1994) được xem như là người tiên phong trong việc mô hình công nghệ trở kháng Họ đã giới thiệu một mô hình trở kháng cơ điện một chiều trong

đó miếng dán PZT được đơn giản hóa như là một thanh mỏng chịu dao động dọc trục

Sự tương tác giữa miếng PZT và kết cấu chính được giới hạn bởi điểm cuối Giả thiết rằng bỏ qua ảnh hưởng lớp keo dán giữa PZT và kết cấu chính Liang đã tìm ra mối liên

hệ giữa tín hiệu điện của miếng PZT với đặc trưng vật lí của kết cấu chính

Park và cộng sự (2000) áp dụng phương pháp trở kháng để theo dõi sức khỏe của các cấu kiện xây dựng, nghiên cứu đã khảo sát mở rộng khả năng của phương pháp trở kháng trên mô hình cầu thép thu nhỏ Khả năng của phương pháp trở kháng để phát hiện và phân biệt hư hỏng mới bắt đầu từ những thay đổi đã được chứng minh

Bhalla và Soh (2003) đã giới thiệu một khái niệm mới gọi là “ trở kháng hiệu dụng

” Họ đề nghị rằng sự tương tác thật sự giữa miếng PZT và kết cấu chính không bị giới hạn bởi điểm cuối của PZT nhưng nó được mở rộng trên tất cả các kích thước hữu hạn của miếng PZT dẫn đến độ dẫn nạp điện của miếng PZT bị thay đổi

Annamdas and Soh (2008) đã giới thiệu một mô hình bán phân tích 3D về sự tương tác giữa miếng PZT và kết cấu trong đó có kể đến ảnh hưởng của lớp keo dính Sau đó Zang và các cộng sự (2011) đã đề nghị một mô hình phân tích trở kháng cơ điện có khả năng mô phỏng vết nứt trong kết cấu dầm Trong nghiên cứu này, vết nứt được giả thiết

là một vết nứt mở hoàn toàn (fully open crack) và chiều sâu của vết nứt nhỏ Vì vậy vết nứt trên dầm được mô hình như là một lò xo chịu xoắn không có khối lượng (weightless

rotational spring) (Hình 2.1) Lực quán tính của cả miếng PZT và lớp keo dính cũng

được xem xét

Hình 2.1 Mô hình tương đương của vết nứt trên dầm

Yang và cộng sự (2008) dùng công nghệ trở kháng cơ học khảo sát hư hỏng trên dầm nhôm Dữ liệu thực nghiệm thu được cho thấy rằng bề dày của lớp keo liên kết nên nhỏ hơn 1/3 bề dày miếng PZT, ảnh hưởng của nhiệt độ đến tín hiệu dẫn nạp có liên quan chặt chẽ đến bề dày lớp liên kết

Moharana và Bhalla (2013) đã đề xuất mô hình tương tác giữa trở kháng và kết cấu chính dựa trên môi trường liên tục (continuum) cho lớp keo dán trong công nghệ EMI Kết quả thu được so sánh với mô hình đã đề xuất trước đó cho thấy mức độ chính xác cao của mô hình tác giả đề xuất Dựa trên mô hình này, một giới hạn tương tác (interaction term) dựa trên tính liên tục được dẫn xuất trong việc định lượng ảnh hưởng

của hiện tượng shear lag và lực quán tính của lớp keo dán

Đối với kết cấu dầm bê tông ứng lực trước, Elsener (2005) đã theo dõi dài hạn cáp

dự ứng lực căng sau dựa trên mô hình đơn giản với điện dung C ( của ống polyme) và điện trở R ( rò rỉ, khuyết tật) Park và cộng sự (2005) theo dõi vết nứt xảy ra trong dầm bêtông cốt thép dựa trên sự thay đổi của tín hiệu trở kháng Yang và cộng sự (2015) đã khảo sát hư hỏng trong cáp của dầm BTCTƯST dựa trên công nghệ EMI theo phương pháp mạng lưới thần kinh nhân tạo

2.1.3 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn cho mô hình trở kháng cơ điện

Mô hình số (Numerical model) là một lựa chọn khả thi để đưa ra một kết quả gần đúng với phương pháp giải tích, phù hợp với các ứng dụng kỹ thuật Hiện nay sự phát triển mạnh mẽ của phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trên các gói phần mềm ứng dụng như ANSYS, ABAQUS… đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc giải quyết các bài toán có tính chất phức tạp

Fairweather (1998) đề nghị một mô hình bán phân tích (semi – analytical) trong

đó cho phép mô hình sự tương tác giữa PZT – kết cấu mà không có miếng PZT trong

mô hình này bởi vì nó đã được đơn giản hóa và thay vào đó là lực hoặc momen

Park và cộng sự (2006) đã mô phỏng một vài mô hình phần tử hữu hạn để đánh giá các nghiên cứu thực nghiệm của họ trên trở kháng dựa vào việc xác định hư hỏng bề

mặt trên dầm bê tông cốt thép (BTCT) (Hình 2.2) Dầm BTCT được giả thiết là đẳng

hướng Tín hiệu trở kháng trong phạm vi tần số 20 – 25 kHz được mô phỏng Kết quả

tương đối phù hợp nhưng sự biến đổi trong biên độ là lớn (Hình 2.3)

Hình 2.2 Mô hình số và thí nghiệm đối với hư hỏng trên dầm bêtông cốt thép

Hình 2.3 So sánh kết quả giữa mô phỏng số và thí nghiệm

Yang và cộng sự (2008) đã nghiên cứu đến khả năng ghép miếng PZT và kết cấu (coupled – field) vào mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng sự tương tác giữa PZT – kết cấu chính Miếng PZT được gắn lên trên bề mặt của kết cấu nhôm với nhiều hình dạng khác nhau được mô phỏng và so sánh với dữ liệu thực nghiệm Kết quả tổng thể của mô phỏng số này phù hợp với các dữ liệu thực nghiệm ở phạm vi tần số cao khoảng

1000 kHz

Hình 2.4 Bài toán mô phỏng số và thí nghiệm tín hiệu trở kháng trên dầm nhôm

Liu and Giurgiutiu (2007) đã so sánh phần thực của trở kháng từ cả mô hình trở kháng dựa trên phần tử hữu hạn (non – coupled) và mô hình ghép (coupled – field) của

kết cấu dầm với dữ liệu thực nghiệm Họ chỉ ra rằng mô hình coupled- field có kết quả

phù hợp hơn với dữ liệu thực nghiệm trong quan điểm về sự phù hợp đỉnh tần số cộng hưởng, biên độ và độ nghiêng

Yan và cộng sự (2011) đã tạo mô hình phần tử hữu hạn 3D cho hư hỏng của tấm với bề mặt được gắn bộ cảm biến PZT Hư hỏng trong tấm được mô hình bằng sự thay đổi mođun đàn hồi trong vùng hư hỏng Kết quả mô phỏng số chỉ ra rằng tần số kích

thích có ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố ứng suất cắt (shear stress) và peel stress

Lim và Soh (2014) đã cập nhật mô hình phần tử hữu hạn 3D (coupled-field) bằng việc điều chỉnh các thông số để phù hợp với dữ liệu thực nghiệm Một trong những nguyên nhân chính làm giảm độ chính xác, đặc biệt theo quan điểm về độ nghiêng và

biên độ của các mô hình phần tử hữu hạn trước là sự khó khăn trong việc xác định hệ số liên quan đến độ cản và độ cứng của lớp keo dán Trong nghiên cứu này sử dụng mô hình độ cản trễ (hysteretic damping model) để thay thế độ cản Rayleigh và cập nhật độ cứng của lớp keo dán bằng phương pháp thử sai Mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng trong nghiên cứu này tương tự như Yang và cộng sự (2008) nhưng thay vì sử dụng độ cản Rayleigh là một hàm phụ thuộc vào khối lượng và độ cứng

Lim và Soh (2014) đã sử dụng thông số tỉ số cản là một hàm độc lập với tần số riêng được tính theo công thức

12

Hình 2.5 Bài toán mô phỏng số và thí nghiệm tín hiệu trở kháng trên tấm PZT

2.2 Tại Việt Nam

Nguyễn và cộng sự (2009) đã giới thiệu một thuật toán mới, mang tên thuật toán

vị trí hư hỏng, dùng để xác định vị trí suy giảm độ cứng chống biến dạng trên cầu dựa vào độ biến thiên thế năng biến dạng dàn hồi của cầu khi xuất hiện khuyết tật - được xác lập thông qua số liệu đo biên độ dao động

Lê Xuân Hàng và Nguyễn Thị Hiền Lương (2009) đã đề xuất phương pháp xác định vị trí và chiều sâu các vết nứt trong dầm công xôn bằng thuật toán di truyền trên cơ

sở dấu hiệu chẩn đoán vết nứt là tần số của dầm

Thiều Hà Khánh Duy (2014) đã khảo sát hư hỏng của kết cấu dầm với các điều kiện biên khác nhau bằng phương pháp năng lượng biến dạng Trong nghiên cứu này, tác giả đã giải quyết vấn đề độ cong tại các điểm biên trên kết cấu dầm theo các điều kiện biên khác nhau và đề xuất số vị trí để theo dõi dao động và chẩn đoán hư hỏng trên kết cấu dầm

Đỗ Ngọc Triều (2014) đánh giá phương pháp chẩn đoán nào là tốt nhất khi chẩn đoán hư hỏng trên dầm đơn giản, từ đó phân tích tính hiệu quả của bài toán trong thực

tế Các phương pháp chẩn đoán dựa trên kết quả phân tích dao động Đầu tiên, các phương pháp chẩn đoán sẽ được áp dụng trên dầm được mô phỏng bằng phần tử thanh trong không gian hai chiều, sau đó mở rộng chẩn đoán trên dầm được mô phỏng bằng phần tử khối trong không gian ba chiều

Đối với phương pháp trở kháng, Ngô Thanh Mộng (2014) đã mô phỏng các mẫu dầm nhôm trong giai đoạn không hư hỏng và có hư hỏng, so sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và thí nghiệm; Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi

và đánh giá hư hỏng liên kết bulông Tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng trước và sau khi có hư hỏng trong liên kết bulông Từ những thay đổi đó đánh giá mức độ hư hỏng trong liên kết bulông

Hồ Thanh Dũng (2014) đã chẩn đoán hư hỏng vùng neo của của dầm BTCTƯST

sử dụng tấm tương tác bằng phương pháp mô phỏng số Nghiên cứu cho thấy vật liệu tấm tương tác bằng nhôm có độ nhạy lớn hơn so với vật liệu thép

Lê Minh Quốc (2014) đã chẩn đoán hư hỏng mối nối bu lông trong nhà thép tiền chế có kể đến ảnh hưởng đến nhiệt độ Bằng phương pháp bù nhiệt độ tác giả đã loại bỏ thành công ảnh hưởng của nhiệt độ đến tín hiệu trở kháng trên tấm PZT

Hiện nay trong nước chưa có các đề tài nghiên cứu hư hỏng sử dụng kết hợp cả hai phương pháp dao động và trở kháng trên kết cấu

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG THEO DÕI SỨC KHỎE KẾT CẤU

HỖN HỢP CHO DẦM BTCTƯST

3.1 Giới thiệu

Trong dầm BTCTƯST, các đặc trưng của kết cấu bao gồm khối lượng, độ cứng,

độ cản trong dầm bêtông và lực căng cáp là những thông số quan trọng nên cần được đảm bảo theo các điều kiện về an toàn khi sử dụng Nhìn chung hư hỏng trong dầm như nứt và tăng khối lượng xảy ra tại một tiết diện cục bộ của dầm và hư hỏng cáp như tổn hao ứng suất xảy ra dọc trên toàn bộ dầm (Lin 1963, Nawy 1996) Do vậy cần một hệ thống chẩn đoán hư hỏng để đánh giá chính xác các loại hư hỏng xảy ra trên dầm BTCTƯST

Theo dõi sức khỏe kết cấu dựa trên dao động là hoạt động theo dõi tổng thể nhằm thu được thông tin trên toàn bộ kết cấu để xác định hư hỏng xảy ra và đánh giá độ an toàn bằng việc theo dõi đáp ứng động học trên toàn bộ kết cấu Ý tưởng của phương pháp này là hư hỏng gây ra sự thay đổi trong đặc trưng vật lí của kết cấu như khối lượng,

độ cứng, độ cản dẫn đến sự thay đổi có thể xác đinh được trong các đặc trưng dao động như tần số tự nhiên, dạng dao động Ví dụ như sự xuất hiện của vết nứt làm giảm độ cứng của kêt cấu Thông thường, phương pháp dựa trên dao động có thể đánh giá hư hỏng kết cấu khi dùng các thông tin dao động thu được từ các mảng cảm biến hạn định Tuy nhiên phương pháp này không thể xác định những hư hỏng nhỏ, mới bắt đầu, nó chỉ xác định những dạng đặc biệt của hư hỏng dựa vào các lớp cảm biến Ngoài ra, phương pháp này cần một mô hình cơ sở vững chắc để xác định sự nhiễu loạn từ những thông tin được theo dõi

Ngược lại, phương pháp trở kháng là hoạt động theo dõi cục bộ nhằm thu được những thông tin trên khu vực cục bộ được định hướng nhưng không bao phủ toàn bộ kết cấu Ý tưởng cơ bản của phương pháp này là sự thay đổi trong tính toàn vẹn của kết cấu tại một khu vực cục bộ dẫn đến sự thay đổi trong trở kháng cơ điện, khi đó hư hỏng

được dự đoán bằng việc xác định sự thay đổi trong tín hiệu trở kháng ở vùng cục bộ Phương pháp này yêu cầu những mảng cảm biến phân bố dày hơn tại khu vực cục bộ vì vậy nó có khả năng xác định được những hư hỏng nhỏ, mới bắt đầu

Sự kết hợp của 2 công nghệ theo dõi và chẩn đoán kết cấu đã đề cập cần liên quan đến hai loại hư hỏng đó là hư hỏng dầm cầu tương ứng với phương pháp tổng thể và hư hỏng cáp tương ứng với phương pháp cục bộ Để thiết kế một hệ thống kết hợp theo dõi

và chẩn đoán thích hợp cho dầm cầu bê tông ứng lực trước căng sau, 2 vấn đề sau cần được giải quyết Đầu tiên là định lượng sự thay đổi trong đặc trưng dao động và trở kháng do hai loại hư hỏng khác nhau gây ra vì đối với mỗi loại hư hỏng một cảnh báo chính xác hư hỏng xảy ra là điều kiện tiên quyết để định vị hư hỏng và xác định mức độ nghiêm trọng của nó Vấn đề thứ hai là hiệu chỉnh công nghệ theo dõi sao cho phù hợp với từng loại hư hỏng riêng biệt liên quan đến việc lựa chọn phương pháp cảnh báo hư hỏng

Đối với dầm BTCTƯST, Kim và cộng sự (2010) đã đề xuất hệ thống theo dõi sức khỏe hỗn hợp dựa trên kết quả dao động và trở kháng để xác định hai loại hư hỏng xảy ra: hư hỏng dầm và hư hỏng cáp Hệ thống này bao gồm 3 bước: Bước 1 – Cảnh báo hư hỏng tổng thể, Bước 2 – Phân loại hư hỏng, Bước 3 – Đánh giá hư hỏng

Trong bước 1, hư hỏng xảy ra trên dầm được cảnh báo theo dạng tổng thể dựa trên

sự thay đổi đáp ứng tần số của kết cấu chính Các phương pháp cảnh báo hư hỏng tổng thể dựa vào tần số:

- Chỉ số FRRAC (frequency – response – ratio assurance criterion) (Kim và cộng sự 2010) Chỉ số này sử dụng dữ liệu từ đáp ứng gia tốc kế được gắn trên dầm Khi kết cấu chính xuất hiện hư hỏng dẫn đến dữ liệu gia tốc kế bị ảnh hưởng

và làm hệ số FRRAC giảm đi

- Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số: Dầm hư hỏng và không hư hỏng khi dao động ta đều thu được các tần số dao động riêng Khi kết cấu hư hỏng thì tần số dao động riêng nhỏ hơn tần số của kết cấu không hư hỏng, dựa vào sự thay đổi đó, ta đánh giá được sự hư hỏng của dầm

Chỉ số FRRAC dựa trên dữ liệu gia tốc kế thu được từ thực nghiệm nên không phù hợp khi sử dụng bằng phương pháp mô phỏng số Vì vậy trong luận văn này để cảnh báo hư hỏng xảy ra tác giả dựa trên phương pháp sự thay đổi tần số để khảo sát