Thiết lập lực căng cáp trong dầm bê tông cốt thép ứng suất trước sử dụng tần số dao động

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng một phương pháp hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn sử dụng thuật giải di truyền cho dầm bê tông cốt thép ứng suất trước dựa vào sự thay đổi của các đặc tr

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN THIÊN

THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TẦN SỐ

Công trình được hoàn thành tại: Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồ Đức Duy

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Bùi Công Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Văn Phước Nhân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2014

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

1 PGS TS Nguyễn Thời Trung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN THIÊN MSHV:11210248

Ngày, tháng, năm sinh: 27/10/1987 Nơi sinh: Đăk lăk Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp

I TÊN ĐỀ TÀI : THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Xây dựng một phương pháp hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn sử dụng thuật giải di truyền cho dầm bê tông cốt thép ứng suất trước dựa vào sự thay đổi của các đặc trưng dao động

Dựa vào tần số tự nhiên đo được từ thí nghiệm và tần số dao động của mô hình hiệu chỉnh phần tử hữu hạn ở trạng thái không ứng suất trước, xác định được trạng thái mất ứng suất trước của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/01/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS Hồ Đức Duy, thầy

đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn Với cá nhân tôi, sự tận tâm chỉ bảo của thầy là hình ảnh người thầy đáng kính trong sự nghiệp giáo dục

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học Bách khoa Tp HCM, các thầy cô

đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học tập Đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và công việc của tôi sau này Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, các anh chị học viên khoá 2011

Sau cùng, tôi muốn tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân đã luôn động viên tinh thần, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2014

Nguyễn Văn Thiên

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Mục tiêu của đề tài là xây dựng một phương pháp hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng thuật giải di truyền cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) ứng suất trước dựa vào sự thay đổi của các đặc trưng dao động, từ đó đưa ra sự đánh giá trạng thái mất mát lực ứng suất trước trong dầm bê tông cốt thép ứng suất trước Để đạt được mục tiêu đó, phải thực hiện được các bước sau:

(1) Thiết lập biểu thức đánh giá mối quan hệ lực ứng suất trước và tần số dao động tự nhiên trong dầm BTCT ứng suất trước

(2) Xây dựng mô hình PTHH dầm BTCT ứng suất trước kết hợp với kết quả thí nghiệm dầm BTCT ứng suất trước Sử dụng thuật giải di truyền tiến hành hiệu chỉnh các thông số mô hình theo từng trạng thái lực ứng suất trước cho đến khi bài toán thỏa mãn sự hội tụ

(3) Sử dụng phân tích hồi quy tuyến tính xác định mô PTHH của dầm ở trạng thái không ứng suất trước

(4) Dựa vào kết quả thí nghiệm và tần số mô hình ở trạng thái không ứng suất trước, dự đoán được trạng thái mất ứng suất trước của dầm BTCT ứng suất trước

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu kết quả tham khảo từ các công trình nghiên cứu khác đã ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do cá nhân tôi thực hiện

dưới sự hướng dẫn của TS Hồ Đức Duy Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là

trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thiên

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i 

LỜI CẢM ƠN ii 

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii 

LỜI CAM ĐOAN iv 

MỤC LỤC v 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii 

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x 

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi 

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1 

1.1.  Giới thiệu chung 1 

1.2.  Tình hình nghiên cứu 6 

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 6 

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 8 

1.3.  Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 9 

1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu 9 

1.3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu 9 

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 

2.1.  Thiết lập biểu thức theo dõi lực căng cáp dựa vào tần số dao động, [17] 10  2.2.  Kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn 14 

2.3.  Thuật giải di truyền (Genetic algorithm) 15 

2.3.1. Tổng quan về thuật giải di truyền 15 

2.3.2. Hàm mục tiêu bài toán 19 

CHƯƠNG 3. THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG MÔ HÌNH DẦM

BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 21 

CHƯƠNG 4. CẬP NHẬT CÁC THAM SỐ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ KẾT QUẢ 26 

4.1.  Mô hình phần tử hữu hạn ban đầu 26 

4.2.  Các bước thực hiện quá trình hiệu chỉnh 29 

4.3.  Kết quả hiệu chỉnh mô hình với các lực ứng suất trước khác nhau 33 

4.4.  Thiết lập mối quan hệ giữa lực ứng suất trước và biến thông số 47 

CHƯƠNG 5. THEO DÕI LỰC ỨNG SUẤT TRƯỚC DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 54 

5.1.  Ước lượng tần số dao động tự nhiên với các trường hợp lực ứng suất trước khác nhau 54 

5.2.  Đánh giá kết quả sự theo dõi lực ứng suất trước 57 

5.3.  Thực tế ứng dụng của bài toán 63 

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 

6.1.  Kết luận 66 

6.2.  Kiến nghị 67 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68  

PHỤ LỤC 72  

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 85 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bãi đỗ xe Metro Park (2002), Halifax, Nova Scotia, Canada ứng

dụng kết cấu ƯST 1 

Hình 1.2 Cầu Mars Hill (2006), Wapello, USA ứng dụng kết cấu ƯST 2 

Hình 1.3 Hư hỏng dầm ƯST do giảm độ cứng uốn giữa dầm 3 

Hình 1.4 Hư hỏng dầm ƯST do quá tải ở bãi đỗ xe ở Washington, DC 3 

Hình 1.5 Các bước đánh giá lực ứng suất trước trong dầm 5 

Hình 2.1 Mô hình độ cứng uốn của dầm BTCT ứng suất trước 11 

Hình 2.2 Mô hình độ cứng uốn của sợi cáp 12 

Hình 2.3 Minh họa bánh xe Roulette biểu diễn giá trị thích nghi của 8 cá thể 17  Hình 2.4 Vùng khả năng xuất hiện cá thể con của phép lai tạo trung gian 18 

Hình 3.1 Thí nghiệm dao động dầm BTCT ứng suất trước 21 

Hình 3.2 Biểu đồ tần số dao động tự nhiên và lực ứng suất trước 24 

Hình 3.3 Tín hiệu gia tốc, đáp ứng tần số và hai dạng dao động uốn từ thực nghiệm 25 

Hình 4.1 Mô hình PTHH của dầm BTCT ứng suất trước 27 

Hình 4.2 Hai dạng dao động đầu tiên của mô hình PTHH 29 

Hình 4.3 Sáu tham số hiệu chỉnh trong mô hình dầm BTCT ứng suất trước 29 

Hình 4.4 Biểu đồ độ nhạy của các biến thông số 31 

Hình 4.5 Các bước hiệu chỉnh mô hình PTHH sử dụng thuật giải di truyền 32 

Hình 4.6 Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ nhất ứng với trường hợp 1 117.7 T  kN 34 

Hình 4.7 Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ hai ứng với trường hợp 1 117.7 T  kN 35 

Hình 4.8 Sai số hiệu chỉnh hai dạng dao động đầu tiên ứng với trường hợp 1 117.7 T  kN 35 

Hình 4.9 Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ nhất ứng với trường hợp 2 98.1 T  kN 37 

Hình 4.10 Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ hai ứng với trường hợp

Hình 5.1. Dự đoán tần số dao động tự nhiên dầm BTCT ứng suất trước 56 

Hình 5.2. So sánh mất ứng suất trước từ mô hình hiệu chỉnh PTHH 59 

Hình 5.3. Dự đoán lực ứng suất trước bằng mô hình hiệu chỉnh PTHH và 117.7

ref

T  kN 61 

Hình 5.4. Ảnh hưởng sai số của n trong dự đoán mất ứng 63 

Hình 5.5. Biểu đồ thể hiện tần số dao động trạng thái giả định và thí nghiệm của dầm BTCT ứng suất trước 65 

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Tần số dao động tự nhiên thu được từ thí nghiệm 23 

Bảng 4.1. Phân tích độ nhạy các biến thông số 30 

Bảng 4.2. Thiết lập trong thuật giải di truyền 33 

Bảng 4.3. Sai số hiệu chỉnh tần số tự nhiên trường hợp T1117.7kN 34 

Bảng 4.4. Sai số hiệu chỉnh tần số tự nhiên trường hợp T2 98.1kN 36 

Bảng 4.5. Sai số hiệu chỉnh tần số tự nhiên trường hợp T3 78.5kN 39 

Bảng 4.6. Sai số hiệu chỉnh tần số tự nhiên trường hợp T4 58.9kN 41 

Bảng 4.7. Sai số hiệu chỉnh tần số tự nhiên trường hợp T5 39.2kN 44 

Bảng 4.8. Tấn số dao động tự nhiên mô hình hiệu chỉnh PTHH và thực nghiệm với năm trạng thái ứng suất trước 46 

Bảng 4.9. Giá trị các biến thông số mô hình hiệu chỉnh với năm trạng thái lực ứng suất trước 46 

Bảng 4.10. Giá trị tương đối các biến thông số mô hình hiệu chỉnh với năm trạng thái lực ứng suất trước 47 

Bảng 4.11. Giá trị các biến thông số sau hiệu chỉnh 52 

Bảng 4.12. Giá trị tương đối các biến thông số sau hiệu chỉnh 52 

Bảng 4.13. Tần số dao động sau quá trình hiệu chỉnh 53 

Bảng 5.1. Giá trị các thông số mô hình trạng thái không lực ứng suất trước 54 

Bảng 5.2. Tần số dao động thu được từ mô hình PTHH hiệu chỉnh 55 

Bảng 5.3. Dự đoán mất ứng suất trước với mô hình PTHH hiệu chỉnh (T ref 117.7kN) 58 

Bảng 5.4. Dự đoán lực ứng suất trước với mô hình PTHH hiệu chỉnh (T ref 117.7kN) 60 

Bảng 5.5. Ảnh hưởng sai số của n trong dự đoán mất ứng 62 

Bảng 5.6. Dự đoán lực ứng suất trước trong dầm BTCT ứng suất trước với các trạng thái giả định 64 

E Mô đun đàn hồi của bê tông phần dư bên phải dầm

Ic Mô men quán tính của bê tông

p

I Mô men quán tính của bó cáp ứng suất trước

Il Mô men quán tính của bê tông phần dư bên trái dầm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung

Dầm bê tông cốt thép (BTCT) ứng suất trước có khả năng chịu tải trọng lớn hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu dầm BTCT thường Dựa vào những ưu điểm này, dầm BTCT ứng suất trước được ứng dụng rộng rãi trong thực tế các công trình dân dụng nhịp lớn, các công trình cầu đường Đại diện cho

công trình dân dụng là bãi đỗ xe Metro Park, Canada (hình 1.1) sử dụng dầm BTCT

ứng suất trước Đối với công trình cầu đường, dầm BTCT ứng suất trược được ứng

dụng ở công trình cầu Mars Hill, USA (hình 1.2)

Hình 1.1. Bãi đỗ xe Metro Park (2002), Halifax, Nova Scotia, Canada ứng

dụng kết cấu ƯST

Hình 1.2. Cầu Mars Hill (2006), Wapello, USA ứng dụng kết cấu ƯST

Sự quan tâm về mức độ an toàn của dầm BTCT ứng suất trước ngày càng tăng Đối với dầm BTCT ứng suất trước, các loại phá hoại điển hình bao gồm mất mát ứng suất trước trong sợi cáp, giảm độ cứng uốn bê tông dầm, hư hỏng các liên kết

và sự khắc nghiệt của môi trường xung quanh Trong số đó, sự mất mát ứng suất trước là mục tiêu giám sát quan trọng để đảm bảo khả năng sử dụng và mức độ an toàn của dầm đối với tải trọng và điều kiện môi trường xung quanh Việc mất ứng suất trước xảy ra dọc toàn bộ dầm do giảm khả năng đàn hồi và uốn của bê tông, từ biến và co ngót trong bê tông, giảm ứng suất trong sợi cáp, giảm ma sát và hư hỏng

các đầu neo Hình 1.3 đại diện hình thức hư hỏng do giảm độ cứng uốn giữa dầm được thực hiện trong phòng thí nghiệm của FHWA (USA), hình 1.4 là dạng hư

hỏng do quá tải của dầm BTCT ứng suất trước trong công trình bãi đỗ xe

Hình 1.3. Hư hỏng dầm ƯST do giảm độ cứng uốn giữa dầm

Hình 1.4. Hư hỏng dầm ƯST do quá tải ở bãi đỗ xe ở Washington, DC

Ngoại trừ các dầm BTCT ứng suất trước được lắp đặt sẳn các thiết bị đo trong giai đoạn thi công, việc trực tiếp phát hiện các phá hoại là không khả thi Cho nên, việc cấp thiết là cần phải đưa ra các phương án thay thế để phát hiện phá hoại Từ

đầu thập niên 70, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào khả năng sử dụng các đặc trưng dao động như là dấu hiệu nhận dạng phá hoại kết cấu Tuy nhiên cho đến ngày nay, chưa có nhiều thành công trong vấn đề đánh giá mối quan hệ giữa sự mất mát lực ứng suất trước và sự thay đổi đặc trưng hình học, các đặc trưng vật liệu và các điều kiện biên Do đó, thật cần thiết để phát triển một phương pháp đánh giá mối liên hệ giữa các thông số kết cấu và lực ứng suất trước

Một mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) chính xác là điều kiện tiên quyết cho các ứng dụng kỹ thuật dân dụng như phát hiện các phá hoại, theo dõi sự làm việc và kiểm soát kết cấu Tuy nhiên, đối với các kết cấu phức tạp, thật không dể để đưa ra

mô hình PTHH chính xác để có thể theo dõi sự làm việc, bởi các đặc tính vật liệu, hình học, điều kiện biên, và điều kiện nhiệt độ xung quanh là rất khó xác định chính xác Do đó, một mô hình PTHH dựa vào những thông số thiết kế có thể không thực

sự đại diện cho tất cả các khía cạnh vật lý cho một kết cấu thực tế Cho nên tồn tại một vấn đề quan trọng là làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình PTHH sử dụng các kết quả thực nghiệm để việc phân tích số các thông số kết cấu phù hợp với thực nghiệm

Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất những phương pháp hiệu chỉnh mô hình PTHH sử dụng các đặc trưng dao động Trong số những phương pháp này, thuật

toán di truyền (Genetic algorithm) là một thuật toán hiệu quả giúp đưa ra mô hình

cơ bản cho vấn đề đánh giá sự làm việc công trình Hiệu chỉnh mô hình PTHH là công đoạn giúp cho kết quả phân tích PTHH phản ánh chính xác hơn số liệu thực nghiệm so với mô hình ban đầu

Mục tiêu của đề tài này là đưa ra một phương pháp đánh giá lực ứng suất trước trong dầm BTCT ứng suất trước sử dụng sự thay đổi của các thông số dao động

Các bước đánh giá lực ứng suất trước trong dầm được trình bày trên hình 1.5 Bước

đầu tiên, phương pháp theo dõi lực ứng suất trước được thành lập để đánh giá sự thay đổi của lực ứng suất trước trong dầm BTCT ứng suất trước bởi những thay đổi

đo lường của các thông số dao động Bước hai, xây dựng thuật toán di truyền dựa trên các đặc trưng dao động để đưa ra mô hình chuẩn đại diện cho các mục tiêu kết cấu Bước ba, đánh giá phương pháp theo dõi lực ứng suất trước từ kết quả mô hình

thí nghiệm dầm BTCT ứng suất trước Một vài tần số tự nhiên và hình dạng dao động của dầm BTCT ứng suất trước được đo từ thì nghiệm với các trường hợp lực ứng suất trước khác nhau Các thông số đặc trưng của mô hình PTHH chuẩn được xác định thông qua việc hiệu chỉnh thông số đặc trưng ứng với các trạng thái lực ứng trước khác nhau Kết quả cuối cùng, trạng thái mất ứng suất trước được dự đoán dựa vào tần số tự nhiên đo được và mô hình hiệu chỉnh PTHH của dầm ở trạng thái không ứng suất trước Các bước đánh giá lực ứng suất trước trong dầm

BTCT ứng suất trước được thể hiện như hình 1.5

Hình 1.5. Các bước đánh giá lực ứng suất trước trong dầm

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình PTHH đã được đưa ra từ đầu những năm 70, nhưng chỉ thực sự phát triển trong vòng mười lăm năm trở lại đây Sau đây là quá trình phát triển cùng với những nghiên cứu đã được công bố trên thế giới

Adams, R.D., Cawley, P., Pye, C.J and Stone, B.J [3], (1978) đưa ra một phương pháp không phá hoại kết cấu để đánh giá toàn bộ kết cấu

Wright, A.H [4], (1991) bài báo đề cập việc áp dụng thuật giải di truyền để tối

ưu hóa bài toán với các thông số thực Điều này cho thấy thuật giải di truyền có sử dụng các vec tơ tham số thực như các nhiễm sắc thể, các thông số thực như là các gen Kết quả chỉ ra rằng thuật giải di truyền mã số thực cho kết quả tốt hơn các thuật giải di truyền mã nhị phân của 7 trên 9 bài toán

Collins, M.P and Mitchell, D [5], (1991) phân tích kết cấu bê tông ứng suất trước Nhận thấy mất ứng suất trước xảy ra dọc theo toàn bộ dầm do giảm khả năng đàn hồi và uốn của bê tông, từ biến và co ngót trong bê tông, giảm ứng suất trong cáp, giảm ma sát và hư hỏng các đầu neo

Tate, D M và Smith, A E [6], (1993) bài báo cho rằng tỉ lệ đột biến phụ thuộc nhiều vào sự lựa chọn dạng mã hóa, các vấn đề yêu cầu loại mã hóa không nhị phân

có lợi thế từ tỉ lệ đột biến cao so với dùng dạng mã hóa nhị phân thông thường Doebling, S.W., Farrar, C.R và Prime, M.B [8], (1998) đưa ra một phương pháp để phát hiện và khoanh vùng phá hoại tuyến tính trong kết cấu sử dụng các thông số dao động đo được

Zhang, Q.W., Chang, C.C and Chang, T.Y.P [10], (2000) bài báo trình bày quy trình hiệu chỉnh một mô hình PTHH áp dụng đối với các kết cấu phức tạp bằng cách sử dụng phương pháp hiệu chỉnh độ nhạy của trị riêng Mục tiêu của việc hiệu chỉnh mô hình là nhằm giảm chênh lệch giữa giá trị tính toán từ mô hình PTHH và

đo tần số từ thực nghiệm

Miyamoto, A., Tei, K., Nakamura, H and Bull, J.W [11], (2000) phân tích ứng

xử động của dầm composite ứng suất trước được gia cường sợi cáp bên ngoài

Kim, J.T., Ryu, Y.S., Cho, H.M and Stubbs, N [14], (2003) trình bày một phương pháp không phá hoại để xác định vị trí và kích thước của phá hoại dựa vào tần số tự nhiên hoặc dạng dao động

Wu, J.R and Li, Q.S [15], (2004) trình bày thủ tục hiệu chỉnh mô hình PTHH dựa vào độ nhạy trị riêng được áp dụng cho mô hình tòa tháp truyền hình Nam Kinh cao 310m dựa vào phép đo độ rung trong môi trường xung quanh

Yong Lu và Zhenguo Tu [16], (2004) trình bày phương pháp hiệu chỉnh mô hình dao động dựa sự kết hợp thuật giải di truyền và độ nhạy Và được ứng dụng trong dự đoán phản ứng địa chấn của khung BTCT 6 tầng

Kim, J.T., Yun, C.B., Ryu, Y.S and Cho, H.M [17], (2004) đưa ra một phương pháp không phá hủy nhằm phát hiện mất mát ứng suất trước của dầm BTCT 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

Jaishi, B and Ren, W.X [20], (2005) đưa ra một kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu thực sử dụng kết quả thí nghiệm dao động chịu ảnh hưởng của môi trường xung quanh

Kim, J.T., Park, J.H and Lee, B.J [21], (2007) đề xuất một chương trình giám sát hư hỏng dựa vào dao động để đưa ra cảnh báo về sự xuất hiện, vị trí và mức độ nghiêm trọng của hư hỏng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi

Yang, Y.B and Chen, Y.J [22], (2009) đề xuất một phương pháp trực tiếp cho việc hiệu chỉnh ma trận độ cứng và ma trận khối lượng của mô hình kết cấu, như vậy có thể mô phỏng chính xác các tần số đo cho kết cấu

Kim, J.T., Park, J.H., Hong, D.S and Park, W.S [23], (2010) đề xuất một hệ thống lai sử dụng phương pháp tuần tự rung động trở kháng để phát hiện hai loại phá hoại trong dầm BTCT ứng lực trước, đó là phá hoại về sợi cáp ứng lực trước và dầm BTCT

Tshilidzi Marwala [24], (2010) giới thiệu lý thuyết hiệu chỉnh mô hình PTHH

sử dụng thuật giải di truyền, được áp dụng hiệu chỉnh mô hình dầm nhôm

Duc-Duy Ho, Jeong-Tae Kim, Norris Stubbs and Woo-Sun Park [25], (2012) đưa ra phương pháp đánh giá lực ứng suất trước trong một dầm BTCT ứng suất trước bằng cách sử dụng các đặc trưng dao động và hệ thống nhận dạng Phương pháp này sử dụng thuật toán độ nhạy để hiệu chỉnh các thông số trong mô hình PTHH

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Phương pháp hiệu chỉnh mô hình PTHH hầu như chưa có nghiên cứu trong nước đề cập đến Tuy nhiên, những nghiên cứu sau đây đã đề cập đến những khái niệm quan trọng sẽ được nhắc đến trong luận văn:

Lê Trung Kiên [26], (2000-luận văn cao học) tính tối ưu hệ dàn phẳng sử dụng thuật giải di truyền

Thái Quốc Dũng [27], (2001-luận văn cao học) thiết kế tối ưu kết cấu composite dùng thuật giải di truyền

Lê Đức Hiển [28], (2001-luận văn cao học) thiết kế tối ưu dầm bê tông cốt thép dùng thuật giải di truyền

Bùi Công Thành và Nguyễn Trường Sơn [29], (2005) thiết kế tối ưu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước bằng thuật toán di truyền

Nguyễn Trung Sơn [30], (2006-luận văn cao học) thiết kế tối ưu cầu dầm hộp

bê tông cốt thép dự ứng suất bằng thuật toán di truyền

Châu Đức Hải [31], (2007-luận văn cao học) tối ưu hóa dầm thép cán nguội thành mỏng sử dụng giải thuật di truyền và phương pháp dải hữu hạn

Lê Anh Thái [32], (2008-luận văn cao học) thiết kế tối ưu khung bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Việt Nam – sử dụng thuật giải di truyền

Lê Xuân Hàng và Nguyễn Thị Hiền Lương [33], (2009) Bài báo này trình bày cách 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 dao động riêng của dầm

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng một phương pháp hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn sử dụng thuật giải di truyền cho dầm BTCT ứng suất trước dựa vào sự thay đổi của các đặc trưng dao động, từ đó đưa ra sự đánh giá trạng thái mất mát lực ứng suất trước trong dầm BTCT ứng suất trước

1.3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Thiết lập biểu thức đánh giá mối quan hệ lực ứng suất trước và tần số dao động

tự nhiên trong dầm BTCT ứng suất trước

Xây dựng mô hình PTHH ban đầu dầm BTCT ứng suất trước bằng chương trình SAP2000

Dựa vào kết quả thí nghiệm dầm BTCT ứng suất trước, có được tần số dao động tự nhiên ứng với năm trường hợp lực ứng suất trước khác nhau Tiến hành hiệu chỉnh các thông số mô hình theo từng trạng thái lực ứng suất trước cho đến khi bài toán thỏa mãn sự hội tụ

Dựa vào phân tích hồi quy tuyến tính xác định được các thông số của mô hình PTHH của dầm ứng với trường hợp không có lực ứng suất trước Từ đó, gán giá trị các thông số vào mô hình PTHH xác định được tần số dao động mô hình của dầm ở trạng thái không ứng suất trước

Dựa vào tần số tự nhiên đo được từ thí nghiệm và tần số mô hình ở trạng thái không ứng suất trước kết hợp với biểu thức quan hệ ở trên, xác định được trạng thái mất ứng suất trước của dầm BTCT ứng suất trước

Rút ra kết luận về những công việc đã thực hiện Nêu lên những hướng phát triển đề tài trong tương lai

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Thiết lập biểu thức theo dõi lực căng cáp dựa vào tần số dao động, [25]

Dựa vào nghiên cứu trước đây của Kim và cộng sự (2004), mô hình độ cứng

uốn của dầm đơn giản BTCT ứng suất trước với cáp lệch tâm như hình 2.1 Sợi cáp

được kéo và neo để chịu được lực ứng suất trước Như hình 2.1(b), kết cấu chịu lực

nén dọc trục do lực ứng suất trước tác động vào các đầu neo Khi đó dầm sẽ chịu

lực phân bố hướng lên, f(x), gây ra bởi cáp ứng suất trước Kết cấu ban đầu chịu

biến dạng nén, sợi cáp vẫn chịu biến dạng kéo Sợi cáp cũng chịu tải phân bố hướng

xuống, f(x) Biến dạng ban đầu của dầm L( L L r), và mở rộng mặt cắt ngang

bởi hiệu ứng Poisson

Phương trình vi phân động lực học độ cứng uốn của dầm BTCT ứng suất trước:

Ở đây E I r rlà độ cứng uốn của dầm BTCT ứng suất trước, được xem là hằng số

trong toàn bộ chiều dài dầm Độ cứng uốn của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

được tính như sự kết hợp giữa độ cứng uốn của tiết diện bê tông dầm và độ cứng

uốn tương đương của sợi cáp Và m r là khối lượng phân bố theo chiều dài dầm

Theo hình 2.1, độ cứng uốn E I r r và m r khối lượng phân bố được tính như sau:

p p A

 là khối lượng sợi cáp phân bố theo chiều dài

(a) Dầm ứng suất trước với cáp quĩ đạo parabol

(b) Lực phân bố hướng lên và lực đầu neo T trong dầm

(c) Lực căng cáp T trong sợi cáp hai đầu tựa đơn với chiều dài cung L s

Hình 2.1. Mô hình độ cứng uốn của dầm BTCT ứng suất trước

     và  e L( r / 2)e(0) với ( )e x là độ lệch tâm giữa trục

hình học của dầm và tâm của sợi cáp tại vị trí x Bằng việc phân tích sợi cáp hai đầu liên kết đơn với cùng chiều dài L svà khối lượng phân bố p p A như hình

2.2(a), sợi cáp với lực căng T có tần số tự nhiên thứ n là c

một dầm tương ứng với chiều dài nhịp L r có cùng tần số dao động tự nhiên thứ n

(a) Mô hình cáp hai đầu gối tựa đơn chiều dài nhịp L s chịu lực căng T

(b) Mô hình dầm tương đương chiều dài nhịp L r với độ cứng uốn E p I p

Hình 2.2. Mô hình độ cứng uốn của sợi cáp

Thay phương trình (5) vào phương trình vào phương trình (2) Ta thu được tần

chiều dài nhịp ( )L duy trì không đổi so với sự thay của lực ứng suất trước Biến r

thiên bậc nhất lực ứng suất trước xác định như sau:

f do sự thay đổi lực ứng suất trước

Sự thay đổi tương đối của lực ứng suất trước được xác định từ sự kết hợp phương trình (7) và (8):

2

2 2

2

r

r n

Từ phương trình (10), sự thay đổi tương đối của lực ứng suất trước giữa một trạng thái ứng suất trước tham chiếu (T n ref, ) và một trạng thái mất ứng suất trước ,

(T n los) được xác định như sau T n/T n(T n ref, T n los, ) /T n ref, từ giá trị đo tương ứng tần số tự nhiên thứ n f n ref, và f n los, của dầm BTCT ứng suất trước Từ đó giá trị đặc trưng tham chiếu được xác định như sau f n2  f n ref2, và đặc trưng thay đổi

được tính  f n2  f n ref2,  f n los2, Trừ khi đo tại thời điểm xây dựng, tần số tự nhiên trạng thái không ứng suất trước n chỉ được xác định từ phân tích số Hầu hết các kết cấu hiện tại, việc đo lường n gần như không thể và chúng ta nên dựa vào mô hình PTHH chuẩn có được từ việc hiệu chỉnh

2.2 Kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn

Mô hình PTHH đầu tiên được phát triển bởi Hrennikoff [1] (1941) Tuy nhiên,

mô hình PTHH thường cho kết quả không giống với kết quả đưa ra bởi thực nghiệm Có thể do các nguyên nhân sau:

 Lỗi trong quá trình xây dựng mô hình kết cấu

 Khó khăn trong quá trình mô hình phi tuyến

 Lỗi các tham số mô hình (khó khăn trong việc xác định chính xác các thông số vật liệu…)

 Lỗi trong các phép đo thực nghiệm

Trong luận văn này, giả định kết quả đo thực nghiệm là chính xác Do đó, mô hình PTHH phải được hiệu chỉnh để phù hợp với số liệu đo

Hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn về bản chất là phương pháp tối ưu hóa Các biến thiết kế là các biến chưa chắc chắn trong mô hình Mục tiêu làm giảm thiểu sai khác giữa dữ liệu dự đoán từ mô hình PTHH và các dữ liệu đo

Kỹ thuật phát triển để hiệu chỉnh mô hình PTHH được chia thành hai nhóm:

 Phương pháp trực tiếp: hiệu chỉnh mô hình PTHH không liên quan đến các thông số vật lý Cho nên dẫn đến, ma trận độ cứng và ma trận khối lượng có ít ý nghĩa vật lý và không thể hiện sự thay đổi vật lý của mô hình ban đầu

 Phương pháp lặp: các tham số vật lý được hiệu chỉnh đến khi mô hình tái tạo được dữ liệu đo với độ chính xác nhất định Bản chất của phương pháp lặp là đưa ra mô hình PTHH đảm bảo các liên kết các nút, ma trận độ cứng và ma trận khối lượng mang nhiều ý nghĩa về mặt vật lý Kỹ thuật lặp sẽ được giới thiệu trong luận văn này

2.3 Thuật giải di truyền (Genetic algorithm)

Thuật giải di truyền dựa trên các qui luật di truyền tự nhiên theo luật tiến hóa của Darwin, được đưa ra đầu tiên bởi John H Holland [2] (Đại học Michigan) vào năm 1962

Thuật giải di truyền là kỹ thuật dò tìm ngẫu nhiên trực tiếp, có thể tìm được lời giải tối ưu toàn cục trong không gian đa chiều phức tạp

Ý tưởng chung của GA: tìm kiếm cá thể tối ưu từ quần thể này sang quần thể khác Các quần thể được thay đổi liên tục nhờ vào các toán tử di truyền bao gồm toán tử chọn lọc, lai tạo, đột biến Một hàm để đánh để đánh giá mức độ thích nghi

của cá thể gọi là hàm thích nghi (fitness function)

2.3.1 Tổng quan về thuật giải di truyền

Tiến trình nghiên cứu bắt đầu từ thuyết tiến hóa và chọn lọc tự nhiên Tính năng nổi bật của thuật giải di truyền là đặc tính thích nghi của cá thể Yếu tố cơ bản của thuật giải di truyền là các nhiễm sắc thể, đây là đoạn mã chứa thông tin các kiểu hình của biến Một nhiễm sắc thể là sự kết hợp của nhiều gen Các gen là đại diện của các biến Lựa chọn kiểu biến cũng là yếu tố quan trọng dẫn đến sự thành công của bài toán Đối với bài toán liên quan đến những vấn đề riêng lẽ, kiểu biến nhị phân được lựa chọn Còn đối với những vấn đề mang tính liên tục (chẳng hạn như hiệu chỉnh mô hình PTHH trong đề tài này) thì sử dụng kiểu gen số thực Mỗi

nhiễm sắc thể đều có một giá trị thích nghi (fitness value), là giá trị tương ứng được

xác định bởi hàm mục tiêu Thuật toán được tiến hành theo từng bước, sau bước khởi tạo quần thể ban đầu các toán tử di truyền (lựa chọn, lai tạo, đột biến) được lặp lại qua các thế hệ

 Khởi tạo quần thể ban đầu

Bước đầu tiên trong một giải thuật di truyền là bước khởi tạo quần thể ban đầu, quần thể được sinh ra một cách ngẫu nhiên hoặc theo kinh nghiệm Lựa chọn kích thước quần thể (số nhiễm sắc thể) là sự kết hợp giữa yếu tố thời gian tính toán và

tính chính xác của lời giải Nhìn chung kích thước càng lớn thì độ chính xác càng tốt

Ví dụ minh họa một quần thể ban đầu với kiểu gen số thực của bài toán sáu biến:

NST 1: 0.565 0.657 0.759 0.086 0.816 0.870 NST 2: 0.826 1.433 4.425 4.163 3.408 2.365 NST 3: 1.928 0.063 0.602 1.786 0.647 3.591 NST 4: 1.198 0.486 2.660 2.460 4.008 0.640 Trong thực tế, kích thước quần thể có thể lớn hơn ở trên Sau khi quần thể ban đầu được khởi tạo, một quần thể mới được sinh ra Mỗi cá thể của quần thể được đánh giá và được gán cho một giá trị thích nghi

 Toán tử chọn lọc (selection operator)

Toán tử này quyết định số lượng bản sao của mỗi cá thể được đưa vào thế hệ tiếp theo Có nhiều phương pháp chọn lọc, chọn lọc theo bánh xe Roulette được lựa chọn trong đề tài này

Chọn lọc theo bánh xe Roulette là một toán tử di truyền được sử dụng để lựa chọn các giải pháp tiềm năng hữu ích trong quá trình tối ưu hóa sử dụng thuật giải

di truyền Xác suất của việc chọn lọc tương xứng với độ thích nghi của cá thể Giả

sử f là giá trị thích nghi của cá thể thứ i trong quần thể, xác suất chọn lọc cá thể i

được tính như sau:

f p

f

Ở đây n là số cá thể hay còn gọi là kích thước quần thể

Thế hệ tiếp theo của quần thể sẽ khác so với thế hệ trước đó và có trị thích nghi trung bình cao hơn so với thế hệ trước đó

Hình 2.3. Minh họa bánh xe Roulette biểu diễn giá trị thích nghi của 8 cá thể

Cơ chế lựa chọn, bánh xe Roulette được quay 8 lần, mỗi lần một cá thể sẽ được chọn bởi vị trí con trỏ của bánh xe Xác suất các thể thứ i được chọn là p i, f i là giá trị thích nghi cá thể thứ i Chu vi bánh xe được đánh dấu theo giá trị thích nghi của các thể Cơ chế của bánh xe Roulette dự kiến sẽ tạo (n 8) p i cá thể thứ i

 Toán tử lai tạo (crossover operator)

Sau khi chọn lọc, toán tử lai tạo (crossover operator) được thực hiện trên quần

thể trung gian Việc này có thể được xem như việc tạo ra quần thể tiếp theo từ quần thể trung gian Việc lai tạo được áp dụng cho các cá thể được ghép cặp một cách ngẫu nhiên: lấy ra một cặp cá thể bố mẹ ngẫu nhiên, lai ghép hai cá thể này để tạo nên cá thể con

Dựa vào kiểu mã của nhiễm sắc thể, có nhiều cách khác nhau để thực hiện toán

tử lai tạo Chẳng hạn, lai tạo một điểm (one-point crossover), hai điểm (two-point

crossover ) và lai tạo đều (uniform crossover)… thích hợp với thuật giải di truyền

mã nhị phân; lai tạo trung gian (intermediate crossover), lai tạo số học (arithmetic

crossover ), lai tạo đường (line crossover)… phù hợp với thuật giải di truyền mã số

thực

Trong đề tài này, lai tạo trung gian (intermediate crossover) được lựa chọn

Phương pháp lai tạo này tạo ra cá thể con theo qui luật:

O là cá thể con sau lai tạo 1

 là một số ngẫu nhiên nằm trong khoảng  0,1

Mỗi biến trong cá thể con là kết quả lai tạo biến của cá thể bố mẹ theo qui luật

ở trên Trong thuật ngữ hình học, lai tạo trung gian có khả năng tạo ra các biến mới trong vùng lớn hơn một chút so với cá thể bố mẹ và được giới hạn bởi 

Hình 2.4. Vùng khả năng xuất hiện cá thể con của phép lai tạo trung gian

 Toán tử đột biến (mutation operator)

Ý tưởng chính của toán tử đột biến là tạo ra sự đa dạng hóa trong quần thể, tránh cho thuật giải hội tụ quá nhanh và giúp tìm ra lời giải tối ưu toàn cục Đây là phép thay đổi một biến trong cá thể dựa vào một quy luật nhất định Chẳng hạn, đột biến biên trong thuật giải di truyền số thực chỉ thay thế giá trị ngẫu nhiên của một biến bởi một trong hai điều kiện biên của chúng Ở đây, tồn tại rất nhiều kiểu đột

biến khác nhau Trong đề tài này, phép đột biến thích nghi (adapt feasible mutation)

Phép đột biến thích nghi (adapt feasible mutation) được áp dụng cho các vấn đề

ràng buộc tuyến tính

Với mã không thuộc dạng nhị phân, đột biến đạt được bằng cách xáo trộn giá trị các biến hoặc lựa chọn ngẫu nhiên giá trị mới trong phạm vi cho phép Wright [4] đã chứng tỏ thuật giải di truyền mã số thực có lợi thế với đột biến tỉ lệ cao, tăng mức độ thăm dò của không gian tìm kiếm mà không làm ảnh hưởng đến đặc tính hội tụ Thật vậy, Tate và Smith [6] cho rằng đối với vấn đề tối ưu phức tạp, tỉ lệ đột biến cao và mã hóa không phải dạng nhị phân mang lại giải pháp tốt hơn đáng kể so với phương pháp bình thường

Khi toán tử chọn lọc, lai tạo và đột biến hoàn thành, một quần thể mới được hình thành Quá trình chuyển từ quần thể hiện thời tới quần thể mới được gọi là một thế hệ trong tiến trình thực hiện thuật giải di truyền Quần thể này lại được đưa vào chu trình lặp với các bước như trên Như vậy một thế hệ mới đã được sinh ra khi thực hiện thuật giải di truyền Quá trình này được lặp lại qua các thế hệ cho đến khi thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ

Bên cạnh đó, khi tạo ra quần thể mới bằng cách lai tạo và đột biến, có thể dẫn

đến sự đánh mất các cá thể tốt nhất Cho nên toán tử tinh chọn (elitism operator) đã

được thêm vào để có thể xử lý vấn đề này Toán tử tinh chọn là phương pháp lưu giữ một hoặc vài cá thể tốt nhất cho quần thể Với toán tử này, sự hội tụ của bài toán được đảm bảo

2.3.2 Hàm mục tiêu bài toán

Hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn về bản chất là hiệu chỉnh các biến thông

số kết cấu trong mô hình tính toán nhằm giảm thiểu sai khác giữa dữ liệu dự đoán từ

mô hình tính toán và các dữ liệu đo Quá trình hiệu chỉnh mô hình về bản chất là qua trính tối ưu một hàm sai số

Trong đề tài này, giá trị đo được là tần số dao động tự nhiên, cho nên hàm mục tiêu được xác định là hàm sai số của tần số dao động tự nhiên J f :

1

1 n mi ai

f

mi i

Ở đây: n là số dao động tự nhiên

f milà tần số dao động thứ i đo được từ thí nghiệm

f ai là tần số dao động thứ i từ mô hình phân tích số

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM DAO ĐỘNG MÔ HÌNH DẦM

BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

Thí nghiệm dao động được thực hiện trong phòng thí nghiệm với dầm BTCT

ứng suất trước để xác định các thông số dao động ứng với các trường hợp ứng suất

trước khác nhau, [25] Sơ đồ thí nghiệm như hình 3.1 Dầm BTCT ứng suất trước

liên kết đơn với chiều dài nhịp 6m và được đặt trên một khung thí nghiệm cứng Hai

gối liên kết đơn được làm bằng các đệm cao su mỏng tiếp giáp giữa dầm và khung

thí nghiệm cứng Tiết diện dầm chữ T được gia cường thép 10 theo phương dọc và

ngang (Grade 60) Thép đai được sử dụng để cố định vị trí các thanh thép dọc Một

bó cáp 7 sợi đường kính 15.2mm (Grade 250 theo ASTM A416) được dùng làm cáp

ứng suất trước, bó cáp được đặt trong ống đường kính 25mm (không bơm vữa trong

ống) Kết cấu được thí nghiệm trong Phòng thí nghiệm Kĩ thuật Kết cấu thông minh

đặt tại Pukyong National University, Busan, Korea

(a) Thiết lập thí nghiệm dầm BTCT ứng suất trước

(b) Dầm thí nghiệm (c) Bộ kích và đông hồ đo lực

Hình 3.1. Thí nghiệm dao động dầm BTCT ứng suất trước

Trong suốt quá trình thí nghiệm, nhiệt độ và độ ẩm trong phòng được duy trì ở 18-190C và 40-45% để giảm thiểu sự ảnh hưởng của môi trường xung quanh Gần đây, sự quan tâm đến sự thay đổi của các đặc tính động của cầu (như tần số tự nhiên, dạng dao động, hệ số cản) bởi môi trường xung quanh (như nhiệt độ, độ ẩm, gió) ngày càng tăng Cornwell và cộng sự [9] (1999) đã báo cáo tần số tự nhiên của Cầu Alamosa Canyon ở miền nam New Mexico thay đổi 6% trong vòng 24 giờ Kết quả gần một năm theo dõi Cầu Z24 ở Thụy Sỹ đã được báo cáo bởi Peeters và De Roeck [12] (2001) Trong suốt thời gian theo dõi, sự thay đổi của tần số dao động khoảng 14%-18% do sự thay đổi của môi trường xung quanh Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường xung quanh với thông số dao động, trong suốt 8 tháng theo dõi cầu BTCT ứng suất trước dạng dầm hộp Romeo ở Thụy Sỹ của Huth và cộng sự [19] (2005) Do sự thay đổi nhiệt độ là 400C, sự thay đổi tần số tự nhiên của ba dạng dao động đầu tiên lần lượt là 0.3Hz, 0.35Hz, 0.5Hz Ngoài ra, Kim và cộng sự [21] (2007) đã đề xuất một chương trình theo dõi phá hoại dựa vào dao động để đưa

ra các cảnh báo về sự xuất hiện, vị trí và mức độ thiệt hại của mô hình cầu dạng dầm – tấm trong điều kiện nhiệt độ thay đổi gây ra Trong các thí nghiệm về cầu, tần số tự nhiên giảm khi nhiệt độ tăng và các dạng dao động uốn nhạy hơn các dạng dao động xoắn

Xem hình 3.1(a), bảy gia tốc kế (Cảm biến 1-7) được đặt ở mặt trên của dầm

với khoảng cách đều 1m Tải kích thích hướng theo phương đứng bởi một kích điện VTS100 tại vị trí cách đầu bên phải 0.95m Bảy gia tốc kế ICP – loại PCB 393B04 với độ nhạy danh định 1V/g và quy định dải tần số ( 5%) 0.06 – 450Hz được sử dụng để đo đáp ứng động với các mẫu tần số 1kHz Các gia tốc kế được lắp thêm khối từ và được gắn vào các tấm đệm thép ở mặt trên của dầm Các hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm 16 kênh PXI – 4472 DAQ, một PXI – 8186 điều khiển với LabVIEW (2009) và MATLAB (2004)

Lực ứng suất trước dọc trục được đưa vào bó cáp bởi một bộ kích ứng suất (bó cáp được neo cố định một đầu và kéo ở đầu còn lại) Một đồng hồ đo lực được đặt ở đầu bên trái để đo lực ứng suất trước trong sợi cáp Mỗi thí nghiệm được tiến hành sau khi lực ứng suất trước đã tác dụng và cáp đã được neo Trong toàn bộ quá trình

đo, bộ kích ứng suất được tháo ra khỏi dầm để tránh sự ảnh hưởng của khối lượng

bộ kích vào đặc trưng dao động của kết cấu Lực ứng suất trước tác dụng với năm trường hợp khác nhau (T1 – T5) Lực ứng suất trước lớn nhất và nhỏ nhất tương ứng là 117.7 kN và 39.2 kN Lực ứng suất được giảm đều một lượng không đổi là

19.6 kN cho các trường hợp tiếp theo Hình 3.3(a) biểu diễn tín hiệu đáp ứng của gia tốc đo được từ Cảm biến 5 ứng với lực ứng suất trước là 117.7 kN Hình 3.3(b)

biểu diễn đường đáp ứng tần số đo được của Cảm biến 5 với năm trường hợp lực

ứng suất trước khác nhau (T1 – T5) Kĩ thuật phân tích miền tần số (Frequency

domain decomposition – FDD) (Brincker và cộng sự [13] (2001), Yi và Yun [18]

(2004)) đã được thực hiện để trích xuất tần số tự nhiên và dạng dao động từ tín hiệu gia tốc Với năm trường hợp lực ứng suất trước, tần số tự nhiên của hai dạng dao

động đầu tiên đã được trích xuất theo bảng 3.1 Hai dạng dao động uốn đầu tiên được trích xuất như hình 3.3(c) Lưu ý rằng dạng dao động thay đổi không đáng kể

so với sự thay đổi lực ứng suất trước Từ đồ thị về đáp ứng tần số, hình 3.3(b), có

vài đỉnh xuất hiện giữa dạng dao động uốn thứ nhất và thứ hai, đây là các dạng dao động xoắn, dạng dao động dọc trục, dạng dao động uốn theo phương ngang Tuy nhiên, chỉ có dạng dao động uốn theo phương đứng được xem xét trong đề tài này

Như hình 3.1(a), bảy gia tốc kế được đặt tại mặt trên của dầm Và lực kích thích

hướng theo phương đứng Bởi lý do này, chỉ có dạng dao động uốn theo phương đứng được trích xuất chính xác từ thí nghiệm

Bảng 3.1. Tần số dao động tự nhiên thu được từ thí nghiệm

Trạng thái ứng suất trước

Lực ứng suất trước (kN)

Tần số tự nhiên (Hz) Mode1 Mode2

(a) Dạng dao động uốn thứ nhất

(b) Dạng dao động uốn thứ hai

Hình 3.2. Biểu đồ tần số dao động tự nhiên và lực ứng suất trước

Quan sát biểu đồ hình 3.2 nhận thấy mối tương quan đồng biến giữa giá trị tần

số dao động và lực ứng suất trước Cụ thể, tăng lực ứng suất trước thì giá trị tần số dao động tự nhiên theo hai dạng dao động đầu tiên cũng tăng theo Lực ứng suất trước thay đổi từ 39.2kN 117.7 kN, thì tần số dao động dạng đầu tiên thay đổi

từ 23.08 Hz 23.72 Hz và tần số dạng dao động thứ hai thay đổi từ 98.73Hz 102.54Hz

(a) Tín hiệu gia tốc (b) Đáp ứng tần số

Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến

(c) Hai dạng dao động uốn đầu tiên

Hình 3.3. Tín hiệu gia tốc, đáp ứng tần số và hai dạng dao động uốn từ thực

nghiệm

CHƯƠNG 4 HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH

PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ KẾT QUẢ

4.1 Mô hình phần tử hữu hạn ban đầu

Chương trình phân tích và thiết kế kết cấu SAP2000 được sử dụng để mô hình

dầm BTCT ứng suất trước Hình 4.1, dầm được xây dựng trên mô hình PTHH ba

chiều sử dụng phần tử solid và phần tử tendon Dầm được chia thành 11264 phần tử

bao gồm 11136 phần tử solid và 128 phần tử tendon, để thể hiện liên kết giữa bó cáp (phần tử tendon) với bê tông dầm (phần tử solid) sử dụng 8 liên kết link ở hai

đầu Mô hình PTHH của dầm được mô tả như hình 4.1a và hình 4.1b Hình 4.1c

thể hiện chi tiết liên kết link ở hai đầu dầm trong mô hình PTHH Đối với điều kiện

biên, các ràng buộc lò xo được gán tại các gối liên kết là lò xo theo phương ngang, phương đứng cho gối liên kết bên trái và lò xo theo phương đứng cho gối liên kết bên phải

(a) Mô hình không gian của dầm BTCT ứng suất trước

(b) Mặt cắt ngang đoạn giữa dầm

(c) Chi tiết liên kết hai đầu dầm (chi tiết A)

Hình 4.1. Mô hình PTHH của dầm BTCT ứng suất trước

Liên kết Link

Bó cáp ưst

CHI TIEÁT A