Chẩn đoán tổn hao ứng suất trong dầm bê tông ứng suất trước sử dụng trở kháng có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

TÊN ĐỀ TÀI: CHẨN ĐOÁN TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG DẦM BÊ – TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG II.. Hư hỏng có thể làm cho tín hiệu bị nhiễu, m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HẢI DUY

CHẨN ĐOÁN TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG DẦM

BÊ - TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Hồ Đức Duy

2 Ủy viên – Phản biện 1: TS Châu Đình Thành

3 Ủy viên – Phản biện 2: PGS.TS Ngô Hữu Cường

4 Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu

5 Thư ký: TS Nguyễn Hồng Ân

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hải Duy MSHV: 7140146

Ngày, tháng, năm sinh: 08-04-1991 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp Mã số : 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI: CHẨN ĐOÁN TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG DẦM BÊ – TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng đáp ứng trở kháng

2 Nghiên cứu các quy luật biến thiên theo nhiệt độ của vật liệu áp điện, điển hình là PZT

3 Nghiên cứu giải thuật loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ (EFS) trong quá trình thu thập tín hiệu trở kháng

4 Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS APDL áp dụng cho bài toán dao động điện điều hòa

5 Áp dụng phương pháp trở kháng có loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ vào hai bài toán: bài một, dầm nhôm; bài hai, vùng neo cáp của dầm BT ứng lực trước

6 Phát triển kĩ thuật định lượng mức độ tổn hao ứng suất trước ở vùng neo của dầm BTCT ứng lực trước

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 – 01 – 2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18 – 06 – 2017

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Hồ Đức Duy

Tp HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2016

TS Hồ Đức Duy PGS.TS Bùi Công Thành

TRƯỞNG KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này một cách trọn vẹn, một mình tôi

sẽ không làm được điều đó nếu không có sự giúp đỡ từ nhiềungười

Đầu tiên là TS Hồ Đức Duy, thầy đã chấp nhận hướng dẫntôi, từ đó tôi tận dụng cơ hội này để nghiên cứu sâu về mảngchẩn đoán sức khỏe kết cấu Trong quá trình làm việc, thầycũng tận tình cung cấp các tài liệu cần thiết và tư vấn cho tôinhững kiến thức cũng như kinh nghiệm liên quan đến đề tài.Mặc dù giữa tôi và thầy không đồng thuận ở một số quan điểm(đây là điều bình thường) nhưng tóm lại, tôi vẫn tôn trọng vàbiết ơn thầy

Kế đến phải cảm ơn những người bạn đồng hành đã giúp đỡtôi nhiệt tình trên hành trình này Đó là anh Đỗ Văn Trình,người đã dạy và tư vấn cho tôi về phần mềm mô phỏng ANSYSAPDL Phải nói rằng nếu không có sự giúp đỡ mang tính “đònbẩy” từ anh Trình, tôi khó lòng hoàn thành luận văn vào thờiđiểm này Anh đã cung cấp cho tôi các thủ thuật cần thiết cũngnhư khơi gợi cho tôi nhiều ý tưởng lập trình để tôi xây dựngcác phương án tự động hóa quá trình tính toán, từ đó giúptăng tốc luận văn Người thứ hai, cũng là người mà các nghiêncứu thực nghiệm của anh chính là cơ sở cho luận văn của tôi,anh Huỳnh Thanh Cảnh Anh Cảnh đã tận tình cung cấp cáctài liệu tham khảo cũng như các số liệu quan trọng để tôi có

đủ dữ liệu thực hiện việc mô phỏng số; bên cạnh đó, anh cũngsẵn lòng giải đáp những thắc mắc và các hiểu lầm của tôi về

hệ số tương quan và ý tưởng cơ bản của giải thuật bù nhiệt độ

EFS, để từ đó tôi có thể xây dựng thuật toán theo đúng địnhhướng Thật sự, tôi cũng cảm thấy áy náy khi đã làm phiềnanh quá nhiều trong khoảng thời gian anh đang hoàn thànhluận văn tiến sĩ, nhưng tôi không có cách nào khác hơn ngoàiviệc hỏi anh thật nhiều để biết thật nhiều.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các anh: ĐỗHồng Hưng – cung cấp tài liệu, code và tư vấn các phương án

mô phỏng; Lê Minh Quốc – trao đổi tận tình với tôi về giảithuật EFS để từ đó tôi cải thiện được thuật toán này ở mức

độ tối ưu; Nguyễn Minh Tuấn Anh – cung cấp code và tư vấnphương án mô phỏng; Huỳnh Vũ Minh Toàn – cung cấp tài liệu

và trao đổi tận tình với tôi về vấn đề đệm lò xo; Trương MinhTùng – cung cấp tài liệu và trao đổi với tôi về một số vấn đề

lý thuyết của vật liệu áp điện Hồ Phạm Hữu Lộc – cung cấpcác tài liệu về định dạng form kết quả xuất ra trong ANSYSAPDL Đối với tôi, tất cả họ đều xứng đáng được gọi là ngườihùng, những chiến binh can đảm trên con đường tìm đến chânlý

Kế đến, không thể quên một người chị đã cho tôi mượn một

số tiền để tôi trang trải chi phí cho luận văn, đó là chị NguyễnNgọc Chân Chị đúng là một con người phóng khoáng và rộnglượng, sẵn sàng giúp đỡ những người đang gặp khó khăn tàichính như tôi

Cuối cùng tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến người vợ sắpcưới của tôi – Lương Hồng Ái Cô ấy đã ở bên, đồng hành vàđộng viên tôi trong suốt hành trình lý thú này Thật sự, tìnhyêu mà cô ấy ấp ủ cho tôi là suối nguồn cảm hứng vô tận, giúptôi vượt qua những thời khắc khó khăn, xé rào định kiến và tự

do cõi tư duy

Không câu lời nào diễn tả hết sự biết ơn và nể phục của tôiđối với những người đã giúp đỡ tôi trên chuyến phiêu lưu này.Mong sao cho tất cả họ đều có được một cuộc sống vui vẻ,thoải mái và thành công Và hơn hết, mong cho tất cả chúng

ta, đều sẽ còn gặp lại nhau nơi điểm hẹn của trí tuệ, một “trítuệ tự do”

Lời cam kết

Trong luận văn này, ngoại trừ những số liệu tham khảo từ cácnghiên cứu có liên quan nhằm bổ trợ cho việc so sánh, đối chiếukết quả, tất cả những công việc cũng như các kết quả còn lạiđều do chính tôi thực hiện có tham vấn với TS Hồ Đức Duy

Đó là cam kết của tôi

TP.HCM, Ngày 11 tháng 9 năm 2017

Nguyễn Hải Duy

Tóm tắt

Luận văn này được thực hiện nhằm kiểm tra tính khả dụngcủa phần mềm PTHH ANSYS APDL đối với loại bài toánchẩn đoán tổn hao ứng suất trước trong dầm BT-ƯLT khinhiệt độ môi trường thay đổi Kết quả nghiên cứu trên 2 bàitoán trong luận văn cho thấy, hoàn toàn có thể tương thích hóa

mô phỏng với thực nghiệm khi phần mềm cho ra các kết quảtương đồng với thực tế vật lý mặc dù vẫn còn tồn tại nhữngsai số do phương pháp số gây ra Sự biến thiên của nhiệt độđược cụ thể hóa bằng sự thay đổi của các thông số vật liệu.Bên cạnh đó, ảnh hưởng của các tham số mô hình đến tín hiệuchẩn đoán cũng được nghiên cứu một cách cụ thể để thực sựbiết được thông số (tổ hợp thông số) nào đang tác động lêntín hiệu đầu ra, từ đó giúp định hình cho chiến lược hiệu chỉnhkết quả chẩn đoán một cách khôn ngoan

The thesis verifies the constitution between the results of periment and those of simulation, which is taken from ANSYSAPDL – a FEM based software The outcome says stronglyabout the above fitness that appriciates the ability of the soft-ware on working the reality out Moreover, the parametricstudy has also been figured out to, somewhat, get through what

ex-is really affecting the shape of final signal, from which tures the method of parameter justifying in an optimal way.Finally, the needs for several "out-of-the-box" issues is obvi-ousely stated, say, on whose the existent is far much neccessary

struc-as they help to prevent the wrong turns in such a literature

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 26

1.2.1 Bài 1: Dầm nhôm tự do 26

1.2.2 Bài 2: Vùng neo cáp dầm BT-ƯLT 27

1.2.3 Nghiên cứu mở rộng 27

1.3 Cấu trúc luận văn 28

2 TỔNG QUAN 29 2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 29

2.1.1 Các nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng 29

2.1.2 Các nghiên cứu trên nhiệt độ 31

2.1.3 Các nghiên cứu trên cấu kiện ƯLT 34

2.1.4 Các nghiên cứu bằng phương pháp số 36

2.1.5 Các nghiên cứu về tính nhiệt biến 39

2.2 Các nghiên cứu trong nước 42

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 44 3.1 Vật liệu áp điện 44

3.1.1 Nguyên tắc hoạt động 44

3.1.2 Hệ phương trình tương thích 45

3.1.3 Sơ lược về PZT 47

3.2 Sự tương tác PZT–Kết cấu 49

3.3 Chẩn đoán hư hỏng 52

3.3.1 Chỉ số đánh giá hư hỏng 52

3.3.2 Kĩ thuật loại bỏ ảnh hưởng nhiệt độ 52

3.3.3 Nhận biết hư hỏng 56

3.4 Phương pháp Phần Tử Hữu Hạn 56

3.5 Phần mềm ANSYS APDL 16.2a 58

3.5.1 Giới thiệu 58

3.5.2 Các loại phần tử sử dụng 60

3.5.3 Hiệu chỉnh các ma trận vật liệu 61

3.5.4 Truy xuất tín hiệu 62

3.6 Tính nhiệt biến của các loại vật liệu 65

3.6.1 Tính nhiệt biến của PZT 65

3.6.2 Tính nhiệt biến của nhôm 69

4 BÀI TOÁN 70 4.1 Bài 1: Dầm nhôm tự do 70

4.2 Bài 2: Vùng neo dầm BT-ƯLT 82

4.3 Nghiên cứu mở rộng 100

4.3.1 Ảnh hưởng của riêng từng tham số 101

4.3.2 Ảnh hưởng của tổ hợp các tham số 109

5 KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ 117 5.1 Kết luận 117

5.1.1 Ý nghĩa khoa học 117

5.1.2 Ý nghĩa thực tiễn 118

5.2 Kiến nghị 118

Kiểm tra cường độ dầm BT 126

Mô hình một nửa đối xứng 130

Bài 1: Dầm nhôm tự do 130

Bài 2: Vùng neo dầm BT-ƯLT 131

Liên kết lò xo 132

Tính cục bộ của phương pháp trở kháng 136

Trường hợp 1 136

Trường hợp 2 138

Số lượng ước tính của tổ hợp các tham số 140

Một vài chỉ số chẩn đoán hư hỏng 141

Ứng suất trong ANSYS APDL 143

KEYOPTION – Thiết lập PTHH 144

Lớp keo dán 145

Code 146

ANSYS APDL 146

MATLAB – Giải thuật EFS 149

Tính toán nhiệt biến 150

Danh sách hình vẽ

1.1 Các công trình điển hình sử dụng BT-ƯLT 23

1.2 Đầu neo cáp điển hình 24

1.3 Sơ đồ làm việc của phương pháp trở kháng 24

1.4 Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng 25

1.5 Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng 26

2.1 Thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng trên các tấm tròn 30 2.2 Thí nghiệm trên khung BT 31

2.3 Thí nghiệm trên chi tiết cầu thép 33

2.4 Thí nghiêm trên tấm CFRP 34

2.5 Thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất 35

2.6 Thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất 36

2.7 Ứng dụng ANSYS 8.1 xuất tín hiệu trở kháng 37 2.8 Ứng dụng ANSYS chẩn đoán hư hỏng 38

2.9 Ứng dụng phần mềm PTHH COMSOL 38

2.10 Mô phỏng PTHH từ thực nghiệm 39

2.11 Kết quả thí nghiệm 40

2.12 Quy luật biến thiên theo nhiệt độ 41

2.13 Mô hình liên kết bu-lông 42

2.14 Mô phỏng chẩn đoán hư hỏng của liên kết bu-lông 43 3.1 Nguyên tắc hoạt động của vật liệu áp điện 45

3.2 Cấu trúc tinh thể của PZT 48

3.3 Các dạng hình học của PZT 49

3.4 Mô hình giải tích 1-D 50

3.5 Ý tưởng cơ bản của EFS 54

3.6 Cơ cấu hoạt động của EFS 55

3.7 Giao diện ANSYS APDL 59

3.8 Tín hiệu được xuất trực tiếp 60

3.9 Các loại phần tử sử dụng 60

3.10 Quy luật nhiệt biến của độ mềm 66

3.11 Quy luật nhiệt biến của điện dung 67

3.12 Quy luât nhiệt biến của điện môi 68

3.13 Quy luật nhiệt biến của độ cứng 69

4.1 Thông số hình học 71

4.2 Mô hình PTHH dầm nhôm 73

4.3 Đối chiếu giữa mô phỏng và thực nghiệm 76

4.4 Tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm 77

4.5 Kiểm định chất lượng của EFS 79

4.6 Tổng thể dầm BT-ƯLT 82

4.7 Tiết diện dầm 83

4.8 Bản thép 83

4.9 Đầu neo cáp 84

4.10 Tấm tương tác 84

4.11 Bố trí thực tế 85

4.12 Cơ chế của thí nghiệm 85

4.13 Dao động nhiệt độ trong thí nghiệm 86

4.14 Mô hình PTHH vùng neo 88

4.15 Đối chiếu giữa mô phỏng và thực nghiệm 89

4.16 Xu hướng thay đổi của tín hiệu 91

4.17 Đối chiếu 1 – 22.33oC và 12.63oC 92

4.18 Đối chiếu 2 – 22.33 o C và 6.72 o C 93

4.19 Chẩn đoán tổn hao ứng suất 95

4.20 Đường cong chẩn đoán 98

4.21 Ảnh hưởng của các tham số vật lí PZT 101

4.22 Ảnh hưởng của các thành phần độ mềm 103

4.23 Ảnh hưởng của các hằng số điện dung 104

4.24 Ảnh hưởng của các hằng số điện dung 105

4.25 Ảnh hưởng của các tham số vật lý tấm tương tác 106 4.26 Ảnh hưởng của các tham số vật lý bản thép 107

4.27 Ảnh hưởng của các tham số ngoại vi 108

4.28 Ảnh hưởng của tổ hợp độ mềm 109

4.29 Ảnh hưởng của tổ hợp hằng số điện dung 110

4.30 Ảnh hưởng của tổ hợp hằng số điện môi 111

5.1 Mô hình PTHH dầm BT-ƯLT 127

5.2 Biến dạng của dầm BT 127

5.3 Phân bố ứng suất trong dầm BT 128

5.4 Mô hình và kết quả tín hiệu của 1/2 dầm nhôm 130 5.5 Mô hình và kết quả tín hiệu của 1/2 vùng neo 131 5.6 Thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất 132

5.7 Mô hình giải tích lò xo 132

5.8 Phần tử lò xo COMBIN 14 133

5.9 Bài toán vùng neo cáp 134

5.10 Bài toán vùng neo cáp dầm BT-ƯLT 134

5.11 Khu vực vùng neo 135

5.12 Mô hình vùng neo không xét dầm BT 137

5.13 Đối chiếu tín hiệu 137

5.14 Mô hình vùng neo có dầm BT 138

5.15 Đối chiếu tín hiệu 139

5.16 Quy ước ứng suất 143

5.17 Keo dán LOCTITE 401 145

Danh sách bảng

3.1 Quy ước thứ tự chỉ số 62

4.1 Dữ liệu hình học của các vật thể 71

4.2 Thông tin mô phỏng PTHH của dầm nhôm 73

4.3 Thông số vật liệu 74

4.4 Tương quan tín hiệu 78

4.5 Chỉ số tương quan 80

4.6 Vị trí đỉnh cộng hưởng 80

4.7 Thông số vật liệu 87

4.8 Thông tin mô phỏng vùng neo 89

4.9 Kết quả kiểm định EFS 93

4.10 Giá trị ứng lực 94

4.11 Quy ước các trường hợp 94

4.12 So sánh các chỉ số tương quan 97

4.13 Chỉ số tương quan – tham số PZT 112

4.14 Chỉ số tương quan – tham số tấm tương tác 113

4.15 Chỉ số tương quan – tham số bản thép 113

4.16 Chỉ số tương quan – tham số ngoại vi 114

4.17 Chỉ số tương quan – tổ hợp tham số 115

4.18 Danh sách các tham số ảnh hưởng đáng kể 116

5.1 Giá trị ứng suất trong dầm BT 129

5.2 Thông tin mô hình PTHH 136

5.3 Thông tin mô hình PTHH 138

5.4 Các thiết lập KEYOPTION 144

5.5 Gradient – Dầm nhôm 151

5.6 Gradient – Vùng neo 152

Danh sách code

5.1 Khai báo thuộc tính PZT 146

5.2 Khai báo thuộc tính các vật liệu thép, nhôm, keo 147 5.3 Gán điện thế kích thích cho PZT 147

5.4 Giải bài toán dao động điện điều hòa 147

5.5 Giải bài toán tĩnh 148

5.6 Tính toán và xuất tín hiệu 148

5.7 Tính toán và xuất tín hiệu 148

5.8 Xuất kết quả sang MATLAB 149

5.9 Cực tiểu hóa chỉ số CCD 149

Chữ viết tắt

ANN Atificial Neural Network

APDL ANSYS Parametric Design LanguageBT–ƯLT Bê Tông – Ứng Lực Trước

BTS Base Transceiver Station

CC Cross Corelation

CCD Cross Corelation Deviation

CFRP Carbon Fiber Reinforce Polymer

DI Damage Index

EFF Effective

EFS Effective Frequency Shift

FEM Finite Element Method

GUI Graphical User Interface

KPCA Kernel Principal Component AnalysisMAPD Mean Absolute Percentage Deviation

REV Reversible

RMSD Root Mean Square Deviation

SHM Structural Heal Monitoring

POP Procedural – Oriented ProgramimingPTHH Phần Tử Hữu Hạn

PLZT Lead Lithium Zirconate TitanatePZT Lead Zirconate Titanate

UCL Upper Control Limit

X Giá trị trung bình của đại lượng X

σX Độ lệch chuẩn của đại lượng X

∆X Độ biến thiên của đại lượng X

Re(X) Lấy giá trị thực của đại lượng phức X

Im(X) Lấy giá trị ảo của đại lượng phức X

min y(x) Toán tử tìm giá trị nhỏ nhất của hàm y(x)

{V} Vector V

[M] Ma trận M

[M]T Toán tử tìm ma trận chuyển vị của [M]

[M]−1 Toán tử tìm ma trận nghịch đảo của [M]

˙x, x ¨ Đạo hàm cấp 1 và cấp 2 của x theo biến thời gian t

x−D Số chiều trong không gian Euclid (x=1, 2, 3)

Chương 1

GIỚI THIỆU

Ngày nay, cấu kiện BT-ƯLT (Bê Tông – Ứng Lực Trước) được

sử dụng khá rộng rãi trong các kết cấu xây dựng trải dài từcác công trình nhà cao tầng, cầu giao thông, đập thủy điệncho tới các xi–lô, bồn chứa cốt liệu, lò phản ứng hạt nhân, (hình 1.1) Xét trên bình diện kỹ thuật, việc sử dụng cấukiện BT-ƯLT giúp làm giảm hoặc loại bỏ phần nào hiện tượngnứt trong bê tông, giảm kích thước tiết diện cấu kiện, giảm độvõng (do cung cấp trước một lượng mommen âm1) từ đó chophép tăng chiều dài nhịp cấu kiện Xét về phương diện kinh

tế, BT-ƯLT cho phép giảm số lượng tường cũng như các cộtchống đỡ, từ đó tăng không gian sử dụng cho công trình, tiếtkiệm vật liệu, giảm chi phí xây dựng Bên cạnh đó, hầu hếtcác cấu kiện ƯLT (Ứng Lực Trước) đều được chế tạo sẵn tạinhà máy nên khi ra công trường sẽ tiết kiệm được thời gianthi công cũng như thời gian kiểm định chất lượng (vì đã đượckiểm tra tại nhà máy), từ đó cải thiện được tiến độ hoàn thànhcông trình Việc xã hội hóa sự ứng dụng của các loại cấu kiênƯLT, ở một góc nhìn nào đó, là một xu hướng hiển nhiên

1 Mommen làm căng thớ trên của cấu kiện

(a) Nhà hát Sydney, Australia (b) Cầu North Halawa Valley

Viaduct, đảo Hawaii, Mỹ

(c) Đập thủy điện Roseires, Ad

Damazin, Sudan

(d) Nhà máy hạt nhân hals, Videbergshamn, Thụy điển

Ring-Hình 1.1: Các công trình điển hình sử dụng BT-ƯLT2

Tuy nhiên, một vấn đề luôn luôn gặp phải trong các cấu kiệnBT-ƯLT là sự tổn hao ứng suất trong bó dây cáp, thể hiện ở

sự giảm độ siết chặt ở đầu neo cáp cũng như độ căng của toàn

bộ hệ cáp (hình 1.2) Thật vậy, theo thời gian, bất kì cấu kiệnƯLT nào cũng ít nhiều chịu sự thất thoát ứng suất gây ra bởinhiều nguyên nhân khác nhau Các nguyên nhân làm tổn thấtứng suất trong cấu kiện ƯLT có thể là: sự co ngót và quá trìnhđông cứng của bê tông, sự ma sát giữa bê tông và dây cáp

Sự thất thoát ứng suất ngấm ngầm này làm giảm khả năngchịu lực của cấu kiện ƯLT theo thời gian, từ đó ảnh hưởng tới

sự làm việc bình thường của toàn kết cấu, gây nguy hiểm chocông trình Chính vì vậy, cần phải dành một sự quan tâm chuđáo tới hàm lượng ứng suất đang tồn tại trong cấu kiện ƯLTbằng cách định kì theo dõi và dò tìm sự tổn hao ứng suất này

2 Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Prestressed_concrete

Hình 1.2: Đầu neo cáp điển hình3

Việc theo dõi và đánh giá mức độ tổn hao ứng suất tại đầuneo của cấu kiện ƯLT hiện nay được chủ yếu tiến hành bằngphương pháp trở kháng, một nhánh của lĩnh vực chuẩn đoánsức khỏe kết cấu SHM (Structural Health Monitoring) Theophương pháp điện học này, các miếng vật liệu áp điện , điểnhình là PZT (Lead Zirconate Titanate), được dán lên bề mặtcủa vùng cần chẩn đoán hư hỏng4 và kết nối chúng với mộtnguồn điện xoay chiều kích thích và một máy thu xử lý tínhiệu Các miếng PZT cảm ứng dòng điện kích thích từ nguồn

và phản ứng lại dưới dạng tín hiệu điện, sau đó được bộ xử

lý quy đổi thành tín hiệu trở kháng (hình 1.3) Hư hỏng đượcphát hiện khi có sự sai lệch giữa 2 tín hiệu trở kháng ở 2 khoảngthời gian khảo sát khác nhau

Hình 1.3: Sơ đồ làm việc của phương pháp trở kháng (Baptista

et al., 2014)

3 Nguồn: http://civilengineersforum.com/

4 Sự tổn hao ứng suất được coi là một dạng hư hỏng

Nguyên nhân làm thay đổi tín hiệu trở kháng được cho là sựbiến thiên của khối lượng bản thân, độ cứng, độ cản nhớt, của kết cấu Hư hỏng có thể làm cho tín hiệu bị nhiễu, màbiểu hiện cụ thể là làm tăng hoặc giảm số lượng đỉnh cộnghưởng, hoặc làm dịch chuyển đồ thị tín hiệu theo một hướngnhất định (hình 1.4).

Hình 1.4: Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng khi xảy ra hưhỏng (Zagrai and Giurgiutiu, 2001)

Mặc dù vậy, sự tổn hao ứng suất trong các cấu kiện BT-ƯLTkhông phải là nguyên nhân duy nhất gây ra sự thay đổi củatín hiệu trở kháng Thực tế thí nghiệm cũng như khảo sát đãcho thấy nhiệt độ là một trong các nguyên nhân chính yếu,nếu không muốn nói là thường trực, gây ra sự biến đổi của tínhiệu trở kháng (hình 1.5) (Zhou et al., 2009; Baptista et al.,2014; Koo et al., 2009; Huynh and Kim, 2016; Krishnamurthy

et al., 1996; Siebel and Lov, 2013; Lim et al., 2011; Park et al.,1999; Yang et al., 2008b) Khi nhiệt độ môi trường thay đổi,các thuộc tính vật liệu của PZT cũng theo đó biến thiên, từ

đó tín hiệu trở kháng mà PZT tạo ra cũng không thể bấtbiến vì tín hiệu này phụ thuộc vào các thông số vật lý củaPZT (Li et al., 2009; Miclea et al., 2007; Krishnamurthy et al.,1996; Burianova et al., 2005; Hong and Fang, 2008; Sabat andMukherjee, 2007; Sabat et al., 2006; Wolf and Mckinstry, 2004;Basu et al., 2016; Maiwa et al., 2003; Hooker, 1998)

Hình 1.5: Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng khi có biến thiênnhiệt độ (Baptista et al., 2014)

Tinh thần chủ đạo của luận văn này là kiểm chứng khả năng môphỏng của phần mềm ANSYS APDL, một phần mềm PTHH(Phần Tử Hữu Hạn), đối với loại bài toán chẩn đoán hư hỏngkhi nhiệt độ môi trường thay đổi, cụ thể là bài toán chẩn đoán

sự tổn hao ứng suất trong dầm BT-ƯLT (Bê Tông – Ứng LựcTrước) Mọi công việc đều được thực hiện trên máy tính vàphương pháp chủ yếu là lập trình, nhằm mô tả, và chỉ là mô

tả, thực tại vật lý Có thể nói, thế giới quan của luận văn này

là một thế giới quan mô phỏng, do đó, các kết quả thu đượcchỉ là một cái nhìn thông qua lăng kính của phần mềm, khôngphải thực tại

1.2.1 Bài 1: Dầm nhôm tự do

1 Kiểm chứng khả năng của phần mềm ANSYS APDL 16.2ađối với bài toán trở kháng khi nhiệt độ môi trường thayđổi, cụ thể:

(a) Phần mềm có khả năng truy xuất tín hiệu trở kháng(hay độ điện dẫn) hay không

(b) Tín hiệu mà phần mềm xuất ra có tương thích với tínhiệu từ thực nghiệm hay không.

(c) Khi nhiệt độ thay đổi, tín hiệu mà phần mềm xuất ra

có dịch chuyển giống với xu hướng dịch chuyển từ kếtquả thực nghiệm hay không

2 Kiểm chứng tính khả dụng của thuật toán loại bỏ ảnhhưởng của nhiệt độ lên tín hiệu trở kháng EFS (EffectiveFrequency Shift )

1.2.2 Bài 2: Vùng neo cáp dầm BT-ƯLT

1 Kiểm chứng khả năng của phần mềm ANSYS APDL 16.2ađối với bài toán trở kháng đối với cấu kiện phức tạp, cụthể:

(a) Tín hiệu mà phần mềm xuất ra có phù hợp với thựcnghiệm hay không

(b) Phần mềm có thể giúp nhận biết được sự tổn hao ứngsuất tại vùng neo hay không

(c) Phần mềm có thể nhận biết được sự thay đổi của nhiệt

độ môi trường hay không

(d) Phần mềm có khả năng nhận biết sự thay đổi của nhiệt

độ môi trường song song với sự tổn hao ứng suất tạivùng neo hay không

2 Một lần nữa, kiểm tra tính khả dụng của thuật toán bùnhiệt độ EFS

3 Xây dựng một hàm số toán học nhằm định lượng mức độtổn hao ứng suất căn cứ trên các giá trị chỉ số tương quangiữa các tín hiệu do phần mềm xuất ra

1.2.3 Nghiên cứu mở rộng

Do nhu cầu hiệu chỉnh tín hiệu đầu ra sao cho phù hợp với dữliệu từ thực nghiệm nên cần thiết phải biết quy luật ảnh hưởng

của từng tham số mô hình đối với tín hiệu chẩn đoán Nghiêncứu được tiến hành trên bài toán vùng neo dầm BT-ƯLT (bài2) bằng cách khảo sát sự ảnh hưởng lên tín hiệu của các tham

số vật liệu (PZT, thép, nhôm) và các tham số khác (kích thướcphần tử, lực tác dụng, điện thế kích thích, ) Các tham sốđược khảo sát dưới dạng riêng rẽ và tổ hợp của một vài tham

số có liên hệ công thức với nhau

Luận văn được tổ chức như sau: chương 1 giới thiệu và bàn vềtính cần thiết của việc nghiên cứu sự chẩn đoán tổn hao ứngsuất trong dầm BT-ƯLT khi nhiệt độ môi trường thay đổi;chương 2 sơ lược về các nghiên cứu quốc tế và trong nước cóliên quan mật thiết với đề tài, các nghiên cứu được đề cập đếntrải dài từ các chủ đề về chẩn đoán hư hỏng bằng tín hiệu trởkháng, đến các nghiên cứu mô phỏng số bằng phương phápPTHH; chương 3 bàn luận chi tiết về các lý thuyết toán học vàcác quan điểm tính toán mà đề tài sẽ liên hệ đến; chương 4 ứngdụng các phương pháp cũng như lý thuyết vào 2 bài toán, đó

là các bài toán mô phỏng chẩn đoán hư hỏng trên dầm nhôm

tự do và vùng neo cáp của dầm BT-ƯLT, bên cạnh đó, nghiêncứu thêm sự ảnh hưởng của các tham số mô hình lên tín hiệuchẩn đoán nhằm tìm ra các thông số then chốt làm thay đổitín hiệu đầu ra; chương 5 rút ra những nhận xét cũng như ýnghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn mà luận văn đúc kết được;cuối cùng, PHỤ LỤC thực hiện một số nghiên cứu bổ trợ nhằmtăng cường mức độ tin cậy cho các kết quả chính thức, có thểnói các nghiên cứu hành lang là không thể thiếu và đóng vaitrò cực kì quan trọng trong việc định hướng phương pháp luậncho luận văn; bên cạnh đó, phần này cũng cung cấp các tínhtoán, code lập trình cũng như các thông tin thiết lập cho cácphần tử sử dụng trong luận văn

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1.1 Các nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng

bằng trở kháng

Liang et al (1994) đã đặt nền tảng đầu tiên cho phương phápchẩn đoán hư hỏng sử dụng tín hiệu trở kháng Thông qua việcxác định lượng nhiệt năng và cơ năng bị thất thoát trong quátrình tương tác bằng cách xây dựng bài toán giải tích trên môhình một chiều (1–D), các tác giả đã xác lập công thức tươngquan cơ-điện giữa PZT và kết cấu mà về sau được lấy làm cơ

sở lý thuyết cho các nghiên cứu mới

Zagrai and Giurgiutiu (2001) đề xuất mô hình giải tích mô tả sựtương tác cơ-điện giữa PZT và cấu kiện dạng tấm tròn đối xứngtrục (hình 2.1) Nghiên cứu đã khảo sát tín hiệu trên khoảngtần số 300÷400 kHz và định lượng mức độ hư hỏng bằng chỉ

số tương quan CCDα(3< α<7) (Cross Corelation Deviation).Trong một nghiên cứu sau đó, Giurgiutiu and Zagrai (2002)giải quyết vấn đề với kết cấu dạng dầm và kiểm chứng bằngthí nghiệm kết hợp với mô phỏng số trên dầm thép (có chiềurộng và chiều dày thay đổi) và chi tiết máy bay

Hình 2.1: Thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng trên các tấm tròn(Zagrai and Giurgiutiu, 2001)

Bhalla and Soh (2003) thực hiện thí nghiệm trên khung BTCT(Bê Tông Cốt Thép) cao 2 tầng1 và xác định mức độ hư hỏngbằng chỉ số tương quan dạng số phức Tương tự, Yang et al.(2008a) nghiên cứu mối tương quan giữa chỉ số hư hỏng vớikhoảng cách các miếng PZT dán trên một khung BT 2 tầng2

chịu tải động đất (hình 2.2) Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tín hiệutrở kháng có khuynh hướng nhạy cảm hơn tín hiệu độ dẫn nạpđiện3 trong việc dò tìm hư hỏng, cụ thể là sự xuất hiện của cácvết nứt trên khung kết cấu Bên cạnh đó, nghiên cứu này cũng

sơ bộ xác định được các khu vực trên khung BTCT mà tại đó

sẽ dễ dàng cho các PZT phát hiện ra hư hỏng hơn so với cáckhu vục còn lại được cho là kém nhạy cảm hơn Nghiên cứunày cho thấy một thực tế rằng, không phải có PZT trong tay là

có thể chắc ăn 100% chẩn đoán được hư hỏng, thật sự, phươngpháp trở kháng không phải là một phương án vạn năng, màđiều mấu chốt là người kĩ thuật viên cần có sự suy nghiệm,cảm nhận và tư duy phân tích, xem chỗ nào trên “cơ thể” củakết cấu dễ dàng và thuận tiện để anh ta “bắt mạch” và pháthiện sự tồn tại của “căn bệnh” một chính xác nhất và ít tốnkém nhất

1 Mỗi tầng cao 290mm, rộng 420mm

2 Mỗi tầng cao 1750mm, rộng 3000mm

3 Nghịch đảo của trở kháng

(a) Bố trí thí nghiệm (b) Vết nứt trên cột khung BTHình 2.2: Thí nghiệm trên khung BT (Yang et al., 2008a)

Min et al (2012) tiến hành thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng trêncấu kiện dầm nhôm và các liên kết bu lông của mối nối ốngthép và dầm cầu thép Nghiên cứu đã sử dụng giải thuật mạngneuron nhân tạo ANN (Artificial Neural Network) để dò tìm

và khoanh vùng miền tần số nhạy cảm với hư hỏng và dùng hệthống tương tác không dây để thu nhận tín hiệu trở kháng

2.1.2 Các nghiên cứu trên nhiệt độ

Sự tác động của nhiệt độ làm sai lệch tín hiệu trở kháng làđộng lực để người ta tiến hành hàng loạt các nghiên cứu.Krishnamurthy et al (1996) đã tiến hành khảo sát sự ảnhhưởng của nhiệt độ lên tín hiệu trở kháng thông qua miếngPZT tự do4 và miếng PZT5 dán trên một dầm nhôm Hệ sốnhiệt độδT được dùng để loại bỏ ảnh hưởng của sự biến thiệnnhiệt độ trong khoảng 80 o F ÷160 o F 6

4 Kích thước 0.75in × 0.75in × 0.01in

5 Kích thước 0.125in × 0.75in × 10.75in

6 1oF = −17.2222oC

Park et al (1999) nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ lêntín hiệu trở kháng khi tiến hành thí nghiệm trên 3 loại vật thểkhác nhau: mối nối ống thép7, tấm nhôm gia cường bằng vậtliệu composite8 và chi tiết bánh răng9 Khoảng nhiệt độ khảosát là 25oC÷75oC và hệ số phá hủy (damage metric) được dùng

để loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ10

Các nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng trên vật thể có dạng tấmlàm từ vật liệu composite được Tseng et al (2003) thực hiệnvới khoảng nhiệt độ khảo sát tương đối dài (−100 o F÷300 o F) vàdãy tần số trong khoảng 10÷20kHz Mặc dù không chủ độngloại bỏ tác động của nhiệt độ tới kết quả ra khỏi hệ thốngchẩn đoán hư hỏng nhưng nghiên cứu cũng đã cho thấy sự ảnhhưởng mạnh mẽ của nhân tố thường trực này lên tín hiệu trởkháng

Zhou et al (2009) thực hiện giải thuật bù nhiệt độ bằng phươngpháp nội suy, đồng thời, tác giả đã tích hợp kĩ thuât này vào

hệ thống dò tìm SHM để chẩn đoán hư hỏng cho một mẫu dầmnhôm trong khoảng dao động nhiệt độ 0 o C÷70 o C

Kĩ thuật loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ lên kết quả trở khángcũng được Koo et al (2009) áp dụng để chẩn đoán hư hỏng chocấu kiện cầu giao thông làm bằng thép (kích cỡ mẫu được chếtạo theo chuẩn thí nghiệm) (hình 2.3) với 3 mức độ vết nứt:2mm, 4mm và 6mm Các tác giả đã sử dụng kĩ thuật bù nhiệt

độ theo phương ngang (phương tần số) EFS để tìm giá trị lớnnhất có thể (lập trình MATLAB) của chỉ số tương quan tínhiệu CC (Cross Corelation) Dữ liệu trở kháng được ghi nhậnliên tục trên 1600 mẫu tín hiêu bằng máy Data Logger trênmột dãy tần số tương đối ngắn (30.5÷31.5kHz) khi cho nhiệt

độ thay đổi trong khoảng 16.1oC÷31.5oC

7 2 ống thép (đường kính d=50mm, chiều dài l=150mm) được liên kết bu-lông với nhau

8 Kích thước 150mm × 220mm × 5mm

9 Đường kính danh định d=63.5mm, bề dày t=9.5mm

10 Bù nhiệt độ

(a) Chi tiết cầu thép (b) Kích thước

Hình 2.3: Thí nghiệm trên chi tiết cầu thép (Koo et al., 2009)

Lim et al (2011) nghiên cứu sự tác động của nhiệt độ lêntín hiệu trở kháng trên chi tiết liên kết bu–lông trong các phithuyền du hành vũ trụ khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ17oClên 55oC Trong nghiên cứu này, phương pháp chuẩn hóa dữliệu thống kê KPCA (Kernel Principal Component Analysis)được áp dụng và tích hợp vào quy trình chẩn đoán để dò tìm

hư hỏng trong điều kiện chịu nhiều ảnh hưởng từ nhiệt do sự

ma sát của tàu vũ trụ với môi trường ngoài Tuy nhiên, đối vớiđiều kiện ma sát cực mạnh giữa thân phi thuyền với lớp môitrường tiếp xúc bên ngoài, khoảng nhiệt độ mà tác giả khảosát còn khá khiêm tốn khi nhiệt độ của các bô phận con tàu

có thể lên tới hàng ngàn độ C

Siebel and Lov (2013) thực hiện thí nghiệm trên tấm CFRP(Carbon Fiber Reinforce Polymer ) của cánh máy bay11, khi chonhiệt độ thay đổi trong khoảng −50 o C÷100 o C và dãy tần sốkhảo sát là 0÷80kHz Hai hàng PZT được dán lên trên 2 cạnhđối diện của tấm CFRP với 10 miếng PZT12 trên 1 cạnh và 16miếng13 trên cạnh còn lại (hình 2.4) Để nhận diện và đánh giámức độ hư hỏng, tác giả đã sử dụng hệ số tương quan CC và

11 Kích thước 500mm × 500mm × 5mm

12 Kích thước 50mm × 30mm × 0.5mm

13 Kích thước 10mm × 10mm × 0.2mm

tiến hành cực đại hóa chỉ số này nhằm loại bỏ ảnh hưởng do

sự thay đổi nhiệt độ gây ra đối với tín hiệu chẩn đoán

(a) Bố trí thí nghiệm (b) Sơ đồ và kích thướcHình 2.4: Thí nghiêm trên tấm CFRP (Siebel and Lov, 2013)

Baptista et al (2014) tiến hành thí nghiệm với loại PZT-5H14

dán trên một dầm nhôm15 Trong nghiên cứu này, hư hỏngđược chẩn đoán dựa trên các chỉ số tương quan RMSD (RootMean Square Deviation) và CCD với khoảng thay đổi nhiệt độ

và tần số lần lượt là 25oC÷76oC và 16÷19kHz

2.1.3 Các nghiên cứu trên cấu kiện ƯLT

Nguyen and Kim (2012) sử dụng hệ thống chẩn đoán SHMkhông dây để theo dõi sự tổn hao ứng suất tại khu vực đầuneo dây cáp của dầm BT-ƯLT Nghiên cứu này sử dụng mộttấm tương tác bằng nhôm lót giữa bản thép và đầu neo cáp rồidán 1 miếng PZT lên đó (hình 2.5) Trong trường hợp này, tấmtương tác có tác dụng làm tăng độ nhạy của tín hiệu đối với sựtổn hao ứng suất tại đầu neo, đồng thời làm giảm độ lớn củavùng tần số cộng hưởng, tạo thuận lợi cho việc thu thập dữliệu trên máy ghi tín hiệu16 Tuy nhiên, việc chèn tấm tươngtác vào giữa bản thép và đầu neo chỉ áp dụng được cho các cấu

14 Kích thước 15mm × 15mm × 0.267mm

15 Kích thước 500mm × 38mm × 3mm

16 Vì các máy thu thập tín hiệu trở kháng chỉ có thể ghi nhận dữ liệu

ở mức tần số tương đối thấp (Huynh and Kim, 2014; Nguyen and Kim, 2012)

kiện đang trong quá trình thi công, còn đối với các cấu kiện

đã thi công xong (đã siết chặt đầu neo cáp với ứng lực trước)thì không thể thiết lập quy cách chẩn đoán này được

(a) Bố trí thí nghiệm (b) Sơ đồ thí nghiệmHình 2.5: Thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất tại đầu neocáp dầm BT-ƯLT sử dụng tấm tương tác cố định (Nguyen andKim, 2012)

Nhằm khắc phục nhược điểm của tấm tương tác cố định nhưtrên, Huynh and Kim (2014) đã sử dụng tấm tương tác di độngdán ở khu vực lân cận đầu neo cáp, từ đó cho phép theo dõitín hiệu trở kháng ở bất kì thời điểm nào, có thể trước hoặcsau khi thi công (hình 2.6) Trong nghiên cứu này, để nhậnbiết sự tổn hao ứng suất tại vùng neo cáp, các chỉ số tươngquan CCD và RMSD được đối chiếu với một hệ số ngưỡngUCL (Upper Control Limit )17, từ đó cho phép nhận biết sựxuất hiện của hư hỏng, cụ thể là sự tổn hao ứng xuất tại vùngneo cáp Trong một nghiên cứu khác có liên quan, Huynh andKim (2016) đã xét tới ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ môitrường (6.72oC ÷22.33oC) trên cùng loại cấu kiện và dùng kĩthuật bù nhiệt độ EFS để cực tiểu hóa chỉ số đánh giá hư hỏngCCD từ đó, loại bỏ thành công ảnh hưởng của sự biến thiênnhiệt độ lên tín hiệu trở kháng

17 Đây là một đai lượng thống kê, được tính toán từ một tập hợp lớn các dữ liệu thực nghiệm có sẵn

(a) Bố trí thí nghiệm (b) Sơ đồ thí nghiệmHình 2.6: Thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất tại đầu neocáp trong dầm BT-ƯLT sử dụng tấm tương tác di động (Huynhand Kim, 2016)

2.1.4 Các nghiên cứu bằng phương pháp số

Theo khảo sát của Benjeddou (2000), có trên dưới 30 loại phần

tử áp điện được sử dụng cho các bài toán mô phỏng sự chẩnđoán hư hỏng bằng phương pháp PTHH và tập trung chủ yếu

ở 3 chủng loại phần tử chính: dạng khối, dạng tấm và dạngthanh Trên thực tế, các phần tử dạng khối (lập phương, hìnhhộp chữ nhật, tứ diện, ) được ưa chuộng sử dụng hơn so vớicác chủng loại còn lại do sở hữu tính đa năng trong việc môphỏng các loại vật thể có thù hình phức tạp được tích hợp vớikhả năng rời rạc hóa (chia lưới) một cách tự động của đa sốcác phần mềm tính toán bằng phương pháp PTHH (ANSYS,ABAQUS, COMSOL, FREEFEM++, )

Phần mềm phân tích PTHH ANSYS APDL đã được Yang et al.(2008b,c) sử dụng để kiểm định và đối chiếu với các kết quảthực nghiệm khi theo dõi tín hiệu trở kháng thu được trên cácmẫu thí nghiệm: miếng PZT tự do, dầm nhôm và tấm nhôm(hình 2.7) Bên cạnh đó, chuỗi nghiên cứu này còn khảo sát

sự ảnh hưởng của dao động nhiệt độ lên tín hiệu trở khángbằng cách thiết lập khoảng thay đổi nhiệt độ trong khoảng

30oC÷60oC trên miền tần số khảo sát 0÷400kHz

(a) Mô hình PTHH của 1/4

miếng PZT tự do

(b) Độ điện dẫn dưới các kích thước và loại phần tử khác nhauHình 2.7: Ứng dụng ANSYS 8.1 xuất tín hiệu trở kháng củamiếng PZT tự do18(Yang et al., 2008c)

Liu and Jiang (2009) đã ứng dụng phần mềm PTHH ANSYS

để mô phỏng cũng như truy xuất tín hiệu trở kháng của mẫudầm nhôm19 với 2 trường hợp vị trí PZT20: đặt một bên mặtdầm và đặt đối xứng hai bên mặt dầm Bên cạnh đó, nghiêncứu cũng được mở rộng khi tiến hành khảo sát trên mẫu dầmthép với 2 cấp độ vết nứt: 3mm và 6mm Kết hợp với phươngpháp mode shape dao động21, nghiên cứu đã khảo sát số lượngcũng như vị trí dán các miếng vật liệu PZT để thu được dạngtín hiệu trở kháng như ý muốn

Rosiek et al (2012) dùng mô hình PTHH mô phỏng trên phầnmềm ANSYS để chẩn đoán sự xuất hiện của vết nứt trên dầmnhôm tựa đơn (dùng 1 PZT) và dầm console thép (dùng 2PZT) (hình 2.8) Bên cạnh đó, thí nghiệm chẩn đoán hư hỏngcũng được thực hiện trên các mẫu ống thép và vỏ máy baynhằm mở rông đối tượng khảo sát Nghiên cứu đã sử dụng cácchỉ số chẩn đoán hư hỏng CCD, RMSD cùng với 2 chỉ số tươngquan khác do tác giả đề xuất (DI1 và DI3) (Damage Index ) đểđánh giá mức độ của sự phá hủy trên các vật thể

(a) Mô hình PTHH dầm nhôm (b) Mô hình PTHH dầm thépHình 2.8: Ứng dụng ANSYS chẩn đoán hư hỏng trong cácdầm kim loại (Rosiek et al., 2012)

Nguyen (2012) dùng phần mềm COMSOL để mô phỏng chẩnđoán hư hỏng của liên kết bu–lông và sự tổn hao ứng suất tạiđầu neo cáp dầm BT-ƯLT (hình 2.9) Tần số khảo sát trongkhoảng10÷100kHzvà mức độ hư hỏng được đánh giá thông qua

3 chỉ số tương quan RMSD, CCD và MAPD (Mean AbsolutePercentage Deviation) nhằm so sánh độ nhạy cảm cũng nhưtính thích ứng của các chỉ số này đối với một loại bài toán cụthể

(a) Mô phỏng PTHH của vùng

neo cáp trong dầm BT-ƯLT

(b) Mô phỏng PTHH liên kết bu–lông

Hình 2.9: Ứng dụng phần mềm PTHH COMSOL trong môphỏng chẩn đoán hư hỏng (Nguyen, 2012)

Nghiên cứu tham số (Parametric Study) được Lim and Soh(2014) thực hiện trên mô hình PTHH của dầm nhôm nhằm tìm

ra dạng tín hiệu trở kháng phù hợp với kết quả thực nghiệmnhất Cụ thể, các thông số vật liệu của PZT và độ cứng của

lớp keo dán22 được hiệu chỉnh và cập nhật sau mỗi lần giải

mô hình nhằm tiệm cận kết giữa tín hiệu mô phỏng và thựcnghiệm Bên cạnh đó, một điểm mới trong nghiên cứu này làdùng hệ số cản theo chu kì thay cho hệ số cản Rayleigh.Huynh et al (2015) sử dụng phần mềm PTHH ANSYS để môphỏng chẩn đoán sự tổn hao ứng suất trong dây cáp của dầmBT-ƯLT (hình 2.10)

(a) Bố trí thí nghiệm (b) Mô hình PTHH với lò xo

áp mặtHình 2.10: Mô phỏng PTHH từ thực nghiệm (Huynh et al.,2015)

2.1.5 Các nghiên cứu về tính nhiệt biến23của

vật liệu áp điện

Hooker (1998) khảo sát sự thay đổi theo nhiệt độ (−150 o C÷

250oC) của các thuộc tính vật liệu: hằng số điện môi (dij),hằng số tổn hao năng lượng (tanδ), hệ số cơ–điện phẳng (kp),

hệ số cơ–điện hiệu quả (keff), hệ số dãn nở nhiệt (∆l), .Các thí nghiệm được thực hiện trên PZT-4, PZT-5A, PZT-5H, PLZT-9/65/35 với 4 cấp độ tần số 10Hz, 1000Hz, 10000Hz

và 100000Hz Nghiên cứu đã cho thấy các thông số vật liệu kểtrên biến thiên theo nhiệt độ và mức tần số khảo sát

22 Lớp keo dán PZT với kết cấu

23 Tính chất cơ học, vật lý thay đổi theo nhiệt độ

Maiwa et al (2003) nghiên cứu sự phụ thuộc nhiệt độ (−250 o C÷

150oC) của các thông số: hằng số điện môi (d33), chuyển vị cơhọc, của loại PZT [P b(Zr, T i)O3] với 3 mức tỉ lệ thành phần

Zr/T i=30/70, 52/48, 70/30

Wolf and Mckinstry (2004) khảo sát mối tương quan giữa hằng

số ứng suất điện (e31,f) với khoảng nhiệt độ −55oC÷85oC Thínghiệm được thực hiện trên 3 loại PZT với tỉ lệ Zr/T i lần lượt

là 40/60, 52/48, 60/40 và kết luận rằng e31,f tăng theo nhiệt độ(hình 2.11)

(a) Bề mặt vật liệu PZT loại

Zr/T i = 52/48 nhìn dưới kính

hiển vi

(b) Quy luật biến thiên của

e31,f theo nhiệt độ

Hình 2.11: Kết quả thí nghiệm của Wolf and Mckinstry (2004)

Burianova et al (2005) nghiên cứu quy luật biến thiên theonhiệt độ của các hằng số điện môi d33 và d31 từ đó suy ra mốiquan hệ giữa nhiệt độ với hằng số điện môi thủy tĩnh (dh)24.Bên cạnh đó, quan hệ giữa hằng số điện môi thủy tĩnh vi phân(dh,dif f) với cường độ điện trường (E) cũng được khảo sát ởnhiều cấp nhiệt độ khác nhau

Sabat and Mukherjee (2007); Sabat et al (2006) nghiên cứutrên các loại PZT mềm và cứng bằng phương pháp cộng hưởng

để xác định mối quan hệ với nhiệt độ (−165oC ÷195oC) củacác thông số vật liệu: hằng số điện môi, độ mềm đàn hồi, hằng

số điện dung và hệ số cơ điện Kết quả cho thấy các hằng số

24 dh= d33+ 2d31(Burianova et al., 2005)