Phân tích hiệu quả của tín hiệu dao động trong việc nhận dạng khuyết tật của cầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Phạm Bảo Toàn Phái: nam Ngày, tháng, năm sinh: 01-10-1986 Nơi sinh: Tp Hồ Chí

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GS TS NGÔ KIỀU NHI

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN TƯỜNG LONG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 12 tháng 01 năm 2012

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

1 PGS TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN (Chủ tịch Hội đồng)

2 GS TS NGÔ KIỀU NHI (Giáo viên hướng dẫn)

3 TS PHÙNG MẠNH TIẾN (Ủy viên)

4 TS NGUYỄN TƯỜNG LONG (Ủy viên)

5 TS VŨ CÔNG HÒA (Thư ký)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Phạm Bảo Toàn Phái: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01-10-1986 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật

MSHV: 09230918

1- TÊN ĐỀ TÀI :

PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA TÍN HIỆU DAO ĐỘNG

TRONG VIỆC NHẬN DẠNG KHUYẾT TẬT CỦA CẦU

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :

Nghiên cứu tổng quan các phương pháp phát hiện, xác định và đánh giá khuyết tật bằng cách tham khảo các tài liệu được xuất bản trong và ngoài nước

Nghiên cứu lý thuyết dao động của mô hình thanh dầm trong cả 2 trường hợp nguyên vẹn và hư hỏng

Tìm hiểu độ nhạy cũng như phưong pháp xác định một số thông số dao động như tần số riêng và giảm chấn Từ đó đề xuất phương pháp nhận dạng khuyết tật

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 2/7/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/01/2012

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS TS NGÔ KIỀU NHI

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Luận văn tốt nghiệp này là thành quả mà em tích lũy được dưới sự dạy dỗ của các thầy cô Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP HCM

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy cô trong Bộ môn Cơ Kỹ Thuật (DEM)– Khoa Khoa học Ứng dụng, Phòng Thí nghiệm Cơ học Ứng dụng (LAM) – Khoa Khoa học Ứng dụng đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cho em trong suốt

2 năm học vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn cô GS TS Ngô Kiều Nhi đã giành những thời gian

quý báu tận tình hướng dẫn, chỉ bảo những thiếu sót, giúp em chọn phương pháp nghiên cứu đề tài, các tài liệu tham khảo cần thiết để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô phản biện đã giành thời gian quý báu để xem và cho ý kiến, nhận xét, đánh giá về luận văn của em

Cuối cùng xin cảm ơn các bạn bè đã cho ý kiến đóng góp để luận văn này được

hoàn thiện

Tp.HCM, ngày 3 tháng 1 năm 2012

Phạm Bảo Toàn

ABSTRACT

In this study presents a method of determining the dynamic characteristics of bridge in the process of oscillation Dynamics characteristics of damaged beam structures and no damage is different, this difference is due to the structural change of mass, damping, and stiffness Test model is a imply supported steel beam Free vibration analysis of damaged beam and no damage beam is studied to damage assessment in structure using vibration characteristics This is the one of nondestructive testing methods for detecting damaged In addition, the thesis also presents a method for monitoring the health of bridge based on measured data collected under normal traffic In order to improve the annual inspection progress

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi iv HVTH: Phạm Bảo Toàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 4

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 5

1.4.1 Cơ sở lý thuyết về nhận dạng khuyết tật 7

1.4.1.1 Bài toán thuận 7

1.4.1.2 Bài toán ngược 8

1.4.2 Phân loại kỹ thuật nhận dạng khuyết tật bằng dao động (VBDD) 8

1.4.3 Sơ lược một số phương pháp nhận dạng khuyết tật [6] 10

1.5 NHỮNG ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CƠ BẢN CỦA DAO ĐỘNG 16

1.5.1 Tần số 16

1.5.2 Giảm chấn 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1 PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM 18

2.1.1 Mô hình giảm chấn nhớt 18

2.1.2 Mô hình ma sát Coulomb 20

2.1.3 Mô hình giảm chấn ma sát 22

2.1.4 Mô hình giảm chấn ảo và hiện tượng phách 25

2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI FOURIER 32

2.2.1 Biều thức toán học 32

2.2.2 Tính chất 33

2.2.2.1 Dịch 33

2.2.2.2 Tỷ lệ 33

2.2.3 Phân tích Fourier thời gian ngắn (STFT) 34

2.3 PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 36

2.3.1 Giới thiệu công cụ Wavelet 36

2.3.1.1 Đặc tính tỉ lệ 36

2.3.1.2 Đặc tính thời gian 37

2.3.1.3 Thế nào là phân tích Wavelet ? 37

2.3.1.4 Sơ đồ phân giải thời gian tần số trong phân tích Wavelet 38

2.3.2 Phép biến đổi wavelet liên tục 39

2.3.2.1 Định tỉ lệ ( Scaling ) 40

2.3.2.2 Định vị trí (position) 42

2.3.2.3 Các bước thực hiện phân tích Wavelet 42

2.3.2.4 Tỉ lệ và tần số 43

2.3.3 Biến đổi Wavelet rời rạc ( Discrete Wavelet Transform ) : 44

2.3.3.1 Lọc một tầng 44

2.3.3.2 Phân tách đa mức 45

2.3.4 Biến đội wavelet tĩnh (Stationary Wavelet Transform- SWT) 46

2.3.5 Biến đổi wavelet gói (Wavelet Packet 1-D) 46

2.3.6 Tái tạo wavelet 47

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 49

3.1 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 49

3.1.1 Tổ chức thí nghiệm 50

3.1.2 Quy định tên file 52

3.2 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU 53

3.2.1 Phương pháp suy giảm loga 54

3.2.2 Phương pháp đường hồi quy 55

3.2.3 Phương pháp wavelet 55

3.2.3.1 Wavelet Morlet 56

3.2.3.2 Modun và pha của biến đổi wavelet Morlet 56

3.2.3.3 Xác định giảm chấn và tần số riêng 58

3.2.3.4 Khả năng phân giải mode dao động 58

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ KẾT QUẢ 61

4.1 THÍ NGHIỆM 61

4.1.1 Các nhận định từ tín liệu thu thập được 61

4.1.2 Sơ đồ tính toán 62

4.1.3 Kết quả phân tích 63

4.1.3.1 Tần số dao động 63

4.1.3.2 Tỉ lệ phân tán δ 65

4.1.3.3 Tần số riêng 67

4.1.3.4 Hệ số giảm chấn 69

4.2 PHÂN TÍCH SỐ LIỆU THỰC NGIỆM 70

4.2.1 Mô hình đo (cầu Bến Nọc và Ông Tán ) 70

4.2.2 Kết quả xử lý 72

4.2.2.1 Tần số 72

4.2.2.2 Giảm chấn 73

4.2.2.3 Hệ số xung kích 75

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

5.1 KẾT LUẬN 77

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi vi HVTH: Phạm Bảo Toàn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thống kê về các số liệu cầu của hệ thống cầu tại Việt Nam năm 2007 1

Bảng 1.2: Danh muc một số phương pháp nhận dạng khuyết tật 9

Bảng 4.1 : Kết quả tần số thu được từ phân tích FFT đối với từng vị trí cảm biến 64

Bảng 4.2 : Giá trị tỉ lệ phân tán theo các trạng thái kích thích 66

Bảng 4.3 :Giá trị tần số riêng theo các trạng thái kích thích 68

Bảng 4.4 : Tần số riêng của cầu Bến Nọc 73

Bảng 4.5 : Tần số riêng của cầu Ông Tán 73

Bảng 4.6: Hệ số giảm chấn của các cầu khảo sát 75

Bảng 4.7: Hệ số xung kích của cầu Bến Nọc 76

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cầu Bưng Sen(trái), Tân Văn (phải) sau khi sập 2

Hình 1.2: Nội dung và mối quan hệ của công tác kiểm tra cầu hiện nay 3

Hình 2.1: Mô hình giảm sốc nhớt của cơ hệ một bậc tự do 18

Hình 2.2: Lực hồi phục của mô hình giảm sốc nhớt 19

Hình 2.3 : Dao động tự do của hệ chịu giảm chấn (nhớt) yếu 20

Hình 2.4: Mô hình giảm chấn trễ của cơ hệ một bậc tự do 20

Hình 2.5: Lực hồi phục của mô hình giảm chấn trễ 21

Hình 2.6 : Dao động tự do của hệ chịu giảm chấn (ma sát) 22

Hình 2.7: Mô hình giảm chấn ma sát của cơ hệ một bậc tự do 22

Hình 2.8 : Dao động tự do của hệ giảm chấn nhớt và ma sát 25

Hình 2.9 : Đáp ứng tự do của cấu trúc PRC : (a) nguyên vẹn , (b) có vết nứt 26

Hình 2.10 : Phổ tần số của đáp ứng tự do của cấu trúc PRC : (a) nguyên vẹn , (b) có vết nứt 26

Hình 2.11 : Tần số tách trên mặt phẳng 28

Hình 2.12 : Sự biến thiên của tỉ lệ tần số /q ωn theo hệ số tỉ lệ phân tán δ 30

Hình 2.13: Đáp ứng tần số của hệ dao động ứng với các hệ số tỉ lệ phân tán 31

Hình 2.14 : Phép biến đổi Fourier 32

Hình 2.15 : Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn 34

Hình 2.16 : Sóng sin và Wavelet 37

Hình 2.17 : Phép biến đổi Wavelet 38

Hình 2.18: So sánh phân tích Fourier và phân tích Wavelet 38

Hình 2.19 : Phân tích tín hiệu bằng phép biến đổi Fourier 39

Hình 2.20 : Phân tích tín hiệu bằng phép biến đổi Wavelet 40

Hình 2.21 : Đặc tính tỷ lệ của sóng sin 41

Hình 2.22 : Đặc tính tỷ lệ của sóng Wavelet 41

Hình 2.23 : Dịch tín hiệu 42

Hình 2.24 : Các bước thực hiện phép biến đổi Wavelet 43

Hình 2.25: So sánh biến đổi Wavelet ở các tỷ lệ và tần số 43

Hình 2.26: Biểu đồ lọc một tầng 44

Hình 2.27: Biểu đồ phân tách đa mức 45

Hình 2.28: Biểu đồ cấu trúc dạng cây phân tách wavelet 45

Hình 2.29: Biểu đồ các bước phân tách 46

Hình 2.30: Biểu đồ tăng mẫu cho bộ lọc 46

Hình 2.31: Mô hình cây phân tách Wavelet 47

Hình 2.32: Tái tạo tín hiệu từ các hệ số xấp xỉ (cA) và chi tiết (cD) 48

Hình 2.33: Tái tạo tín hiệu đa mức từ các hệ số xấp xỉ (cA) và chi tiết (cD) 48

Hình 3.1: Mô hình dầm thí nghiệm 49

Hình 3.2: Mô hình dầm dao động tự do với vị trí cảm biến, vị trí đặt tải và vết cắt 50

Hình 3.3: Công đoạn tạo vết cắt 51

Hình 3.4: Công đoạn treo vật năng và thu nhận số liệu 51

Hình 3.5: Lưu đồ các trạng thái kích thích 53

Hình 3.6 : Biến đổi wavelet của cơ hệ 3 bậc tự do trong miền thời gian tần số 59

Hình 4.1 : Đáp ứng dao động tự do của dầm thép ( trái ) và phân tich phổ ( phải ) 61

ứng với tình trạng ban đầu (H0M1V1) 61

Hình 4.2: Lược đồ tính toán hệ số tỉ lệ phân tán và tần số riêng của hiện tượng giảm chấn ảo 62

Hình 4.3: Giá trị trung bình của tần số qua các vị trí tác động ứng với tải trọng 500g 63

Hình 4.4: Giá trị trung bình của tần số qua các vị trí tác động ứng với tải trọng 1000g 63

Hình 4.5: Giá trị tỉ lệ phân tán δ theo vị trí đặt tải 66

Hình 4.6: Giá trị tỉ lệ phân tán δ trung bình theo tình trạng hư hỏng 67

Hình 4.7: Giá trị tần số riêng trung bình theo tình trạng hư hỏng 67

Hình 4.8: Giá trị tần số riêng trung bình theo tình trạng hư hỏng 68

Hình 4.9: Dao động tắt dần của dầm 69

Hình 4.10: Kết quả đường bao biên độ tắt dần của dầm bởi wavelet 69

Hình 4.12: Cầu Ông Tán 71

Hình 4.13: Mô hình đo cầu Bến Nọc 71

Hình 4.14: Mô hình đo cầu Ông Tán 71

Hình 4.15: Tín hiệu chuyển vi (a), tín hiệu gia tốc(b), phân tích phổ tín hiệu chuyển vị (c), phân tích phổ tín hiệu gia tốc (d) của cầu Bến Nọc 72

Hình 4.16: Tín hiệu gia tốc và phân tích phổ tần số của cầu Ông Tán 72

Hình 4.17: Lược đồ tính toán hệ số giảm chấn từ số liệu đo thực tế 74

Hình 4.18: Tín hiệu tắt dần (a), đường hồi quy biên độ (b), phổ tín hiệu (c) 74

Hình 4.19: Thành phần động và tĩnh của tín hiệu chuyển vị cầu Bến Nọc 76

là cho các công trình cầu Do đặc điểm có nhiều sông ngòi chằng chịt nên giao thông trên cả nước phụ thuộc rất lớn vào hệ thống cầu Đa số cầu đang sử dụng đều được xây cách đây nhiều năm đang có tình trạng xuống cấp Nhưng nguyên nhân quan trọng khiến tốc độ xuống cấp tăng trầm trọng hơn đó là do sự thay đổi khác biệt rất lớn kể từ hơn mươi năm gần đây về khối lượng giao thông dự kiến khi thiết kế và khối lượng giao thông diễn ra trong thực tế hiện tại do tốc độ tăng trưởng kinh tế kéo theo việc giao thông vận tải hàng hóa cũng tăng theo tương ứng Ví dụ điển hình như cầu Sài Gòn, mỗi ngày cây cầu này phải chịu đựng trên 41.000 lượt ô tô, hàng trăm ngàn lượt xe máy qua lại Hàng trăm cây cầu khác cũng có mật độ, lưu lượng và khối lượng chúng phải chịu tương tự Bảng 1.1 trình bày số lượng, chủng loại và chiều dài các cầu ở Việt Nam

Bảng 1.1: Thống kê về các số liệu cầu của hệ thống cầu tại Việt Nam năm 2007

Vĩnh cửu Bán vĩnh cửu/cầu tạm

Hệ thống Số lượng

(cây)

Chiều dài (mét) Số lượng Tỷ lệ (%) Số lượng Tỷ lệ (%) Quốc lộ 4.239 144.539 3.097 73 1.142 27

Tỉnh lộ 3.640 79.279 1.879 52 1.761 48

Chính vì vậy tình trạng sập cầu diễn ra nhiều trong thời gian gần đây Ví dụ một số vụ sập cầu trong những năm gần đây:

+ Cầu Bưng Sen trên quốc lộ 53 thuộc tỉnh Trà Vinh ngày 26/12/2006

+ Cầu Rạch Sỏi ở Kiên Giang ngày 26/04/2007 (hình 1.3)

+ Cầu Lý Quàn ở huyện Gò Công Đông (Tiền Giang) ngày 14/01/2007

+ Cầu Tân Văn trên tỉnh lộ 725 ngày 27/6/2009

+ Cầu Bình Cách ( Tiềng Giang) ngày 19/07/2011

Hình 1.1: Cầu Bưng Sen(trái), Tân Văn (phải) sau khi sập

+ Cầu Cần Thơ (Cần Thơ) sập khi đang trong quá trình thi công gây ra nhiều thiệt hại về người và vật chất (58 người chết và 181 người bị thương ) lúc 8 giờ 26/09/2007

Vì vậy vấn đề diễn ra bức xúc là: bên cạnh biện pháp xây thêm cầu mới thì cần duy trì

sự toàn vẹn của các cầu hiện hữu trên cơ sở biện pháp sữa chữa Hiện nay cơ sở để quyết định độ ưu tiên trong kế hoạch sữa chữa là tiến hành kiểm định Quy trình kiểm định được quy định chặt chẽ theo TCVN ( 22TCN 243-98) [5] Theo quy trình này thì trạng thái chịu lực tĩnh Tải trọng được tạo ra dựa trên mức tải dự kiến mà cầu phải chịu.Ưu điểm của phương pháp này là cho ta số liệu biến dạng cầu dưới tác động của tải trọng đã biết rõ về giá trị và các phương án tác động của chúng được dự kiến là gây ra trạng thái biến dạng nguy hiểm nhất Nhược điểm của qui trình hiện hành về kiểm định cầu là các số liệu đo thu được trong tình trạng tĩnh, ngoại trừ giá trị tần số riêng và hệ số xung kích, được xác định bằng cách tạo tình trạng dao động bởi một xung kích Ngoài ra các trường hợp thử tải (giá trị, phương án đặt tải) không thể bao trùm mọi tình huống thực có thể xảy ra Do mức độ khó khăn, tốn kém nên biện pháp này được sử dụng trong những đợt kiểm tra “chính” Chu

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 3 HVTH: Phạm Bảo Toàn

kỳ kiểm định được UBND Tp Hồ Chí Minh đưa ra quy định tạm thời là 3 đến 10 năm tuỳ từng loại cầu Hình 1.2 trình bày các bước trong công tác kiểm định cầu hiện nay

Hình 1.2: Nội dung và mối quan hệ của công tác kiểm tra cầu hiện nay

Tình trạng làm việc thực của cầu là tình trạng động Lọai trừ người đi bộ và xe đạp, hầu như mọi phương tiện cơ giới khác di chuyển trên cầu đều khiến cầu dao động Biên độ dao động sẽ khác so với giá trị chuyển dịch khi tải trọng được đặt tĩnh trên cầu Khoảng thời gian giữa 2 lần kiểm định khá xa, do vậy tình trạng thực giữa 2 lần kiểm định không thể được xác định, gây khó khăn cho cơ quan quản lý kỹ thuật trong việc ra quyết định thời điểm tổ chức cũng như chỉ định bộ phận cụ thể cần bảo trì, duy tu, từ đó đưa ra các quyết định về biện pháp kỹ thuật sữa chữa Do vậy vấn đề đặt ra cấp thiết hiện nay là cần có những nghiên cứu mới để nhận dạng và đánh giá khuyết tật trên cấu trúc nhất là cấu trúc nhịp (dầm ) cầu hữu hiệu và kịp thời hơn Vì thế trong luận văn này có trình bày một biện pháp cải thiện công tác kiểm định cầu bằng cách đo trực tiếp các ứng xử động lực học dưới

Kiểm tra thủ công

Không có dấu hiệu khuyết tật Có dấu hiệu khuyết tật

Kiểm tra không định kỳ Kiểm tra định kỳ

Đánh giá trình trạng kỹ thuật công trình

Khả năng chịu tải của công trình

tình trạng lưu thông thực trên cầu Ý tưởng này đã được trình bày trong hội nghi quốc tế về vật lý và cơ kỹ thuật lần thứ nhất diễn ra vào ngày 25 và 26-10-2011 tại Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

1.2 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Nội dung nghiên cứu của đề tài phục vụ mục tiêu đề xuất một hướng mới trong việc đánh giá tình trạng cấu trúc và phát hiện sự tồn tại khuyết tật thông qua phân tích giảm chấn từ tín liệu đo dao dộng của mô hình cầu thực ở Việt Nam Dữ liệu tín hiệu được sử dụng phân tích có thể từ những thiết bị điện tử chuyên dùng, trong nghiên cứu này thì hầu hết là sử dụng dữ liệu đo động từ thiết bị điện tử do phòng thí nghiệm Cơ học Ứng dụng (LAM) chế tạo Các đề xuất từ nghiên cứu là sẽ hỗ trợ các cơ quan quản lý công trình cầu

dể dàng hơn trong công tác hoạch định kế hoạch kiểm tra Việc giám sát tình trạng làm việc của cầu đang là yêu cầu bức xúc đối với nước ta, là nước có hệ thống cầu với số lượng lớn và đóng vai trò trọng yếu trong huyết mạch giao thông cũng như kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng… Ngoài ra , việc từng bước làm chủ khoa học và công nghệ trong công tác quản lý cầu nói riêng và trong công tác giám sát tình trạng hoạt động của các công trình xây dựng khác, các cơ hệ lớn cũng là một việc làm cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn, không chỉ ở Việt Nam mà còn là mối quan tâm của rất nhiều nước trên thế giới

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nhân lực và yêu cầu của một luận văn thạc

sĩ nên đối tượng chủ yếu trong nghiên cứu này là mô hình cầu có các thành phần chịu tải

cơ bản là hai dầu dầm là 2 gối tựa lên trụ cầu Đối với mô hình này khuyết tật chủ yếu xuất hiện ở các dầm, gối liên kết, trụ cầu, trong đó nguy hiểm nhất là dầm cầu vì đối tượng này chịu tải trực tiếp của phương tiện giao thông Do đó trong nghiên cứu này chỉ tập trung nghiên cứu về phương pháp nhận biết khuyết tật thông qua số liệu đo dao động trên đối tượng được khảo sát giới hạn, đó là đối tượng nhịp (được mô hình dầm tựa đơn) với trạng thái dao động tự do Trạng thái này thường gặp trên thực tế trong quá trình có tải lưu thông qua cầu

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 5 HVTH: Phạm Bảo Toàn

Theo Sohn (2003) [11], khi khuyết tật xuất hiện thì có sự khác nhau giữa trạng thái hiện tại và trạng thái ban đầu của cấu trúc Khuyết tật bao gồm sự suy giảm khả năng chịu tải trong suốt thời kì làm việc của cấu trúc Sự suy giảm này thường do sự lão hóa và xuống cấp của các bộ phận và các liên kết bên trong cấu trúc Li (2007) [12] cho rằng khuyết tật chính là nguyên nhân gây ra sự là suy yếu của cấu trúc làm ảnh hưởng xấu tới những đặc tính cơ học Điều này xảy ra khi có sự thay đổi về thuộc tính vật liệu hay hình học ban đầu của cấu trúc Từ đó dẫn đến sự xuất hiện ứng suất lớn, chuyển vị hay dao động bất thường trên cấu trúc Khuyết tật xuất hiện trên cầu có thể ở nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn như khuyết tật do sự rạn nứt hay bong tách một phần vật liệu ra khỏi bề mặt ban đầu làm thay đổi kích thước và đặc trưng hình học của mặt cắt ngang tại vị trí đó; khuyết tật cũng có thể là sự thay đổi cơ, lý tính của vật liệu, hoặc là sự thay đổi mối liên kết giữa các chi tiết trong cấu trúc…; và khuyết tật cũng có thể là tổ hợp các nguyên nhân trên Trong giới hạn của một luận văn thạc sĩ, nghiên cứu chỉ tập trung nhận dạng loại khuyết tật điển hình và thường xảy ra trên cầu đó là sự phân tách vật liệu ( vết nứt, bong tách bề mặt…)

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Cùng với sự phát triển, nhiều công trình cầu đã được xây dựng phục vụ nhu cầu

về lưu thông ngày càng nhiều của các họat động xã hội Nhưng tuổi thọ của các công trình cầu không phải là vĩnh cửu, nhiều cây cầu khi đưa vào sử dụng một thời gian dài ( khoảng 10-20 năm) đã bắt đầu nảy sinh sự xuống cấp và xuất hiện nhiều khuyết tật (hư hỏng) và không đảm bảo an toàn cho con người khi lưu thông trên cầu vì cầu có thể sập bất cứ lúc nào Chính vì vậy đánh giá tình trạng hoạt động và kiểm tra khuyết tật của các công trình cầu một cách thường xuyên trở thành một vấn đề cấp thiết trong xã hội Hiện tại việc kiểm tra thường xuyên chỉ sử dụng có biện pháp quan sát bằng mắt hay sử dụng một số dụng cụ kiểm tra chuyên dùng như thiết bị siêu âm, súng bắn bê tông, bức xạ âm thanh… đang được áp dụng Các biện pháp này có chung đặc điểm là muốn áp dụng thì phải xác định được khu vực nguy hiểm trên cấu trúc nhờ vào kinh nghiệm, đồng thời chúng có nhiều nhược điểm như độ chính xác thấp và không phát hiện hay đánh giá được các hư

hỏng bên trong cấu trúc Những năm gần đây, một biện pháp khác được đề nghị là dựa vào dao động của cơ hệ Cơ sở khoa học của phương pháp này là khi khuyết tật xuất hiện trong cơ hệ sẽ làm thay đổi các các đặc trưng động lực học của cơ hệ như tần số riêng, dạng dao động, giảm chấn hay làm giảm độ cứng chống biến dạng Do đó để tìm khuyết tật trong cơ hệ thì ta phải tìm dấu hiệu thay đổi của các thông số trên Kirmser (1944) là người đầu tiên nghiên cứu biện pháp này, ông đã tìm hiểu mối quan hệ giữa tần

số riêng và vết nứt trên một dầm sắt Từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều phương pháp phát hiện khuyết tật dựa trên dao động ( Vibration based damage detection-VBDD) Doebling

và các cộng sự (1996) [54] đã thực hiện một cuộc khảo sát các phương pháp phát hiện khuyết tật dựa vào dao động cũng như áp dụng các đối tượng cấu trúc khác nhau Theo

Doebling thì việc nhận dạng khuyết tật có thể chia thành bốn mức độ:

- Mức 1: kiểm tra sự hiện diện của khuyết tật trong cơ hệ;

- Mức 2: gồm mức 1 và định vị khuyết tật ( nếu có );

- Mức 3: gồm mức 2 và đánh giá mức độ hư hỏng;

- Mức 4: gồm mức 3 và dự báo tuổi thọ của cấu trúc;

Salawu ( 1997) [56] là người đầu tiên áp dụng VBDD bằng cách so sánh tần số tự nhiên của cấu trúc dầm Ông thấy rằng phương pháp này không thật sự hiệu quả vì vết nứt trên dầm chỉ gây ra thay đổi rất nhỏ đối với tần số riêng của dầm Một trong nhũng phương pháp dựa vào dao động xuất hiện đầu tiên là so sánh hàm dạng (mode shape) của cấu trúc goi là Modal Assurrance Criterion (MAC) hay Coordinate Modal assurance criterion (COMAC) Pandey (1991) [57] cho rằng đạo hàm bậc hai của hàm dạng (hàm độ cong ) thì nhạy hơn hàm dạng trong việc phát hiện khuyết tật Stubbs and Kim (1994) [58] đã dựa trên phương pháp độ cong của Pandy để đề xuất chỉ số nguy hiểm của cấu trúc ( Damage Index-DI ), bằng cách so sánh bình phương chỉ số độ cong của cấu trúc trước và sau khi hư hỏng…

Một trong những kỹ thuật được cho là đầy hứa hẹn nhất cho việc phát hiện hư hỏng trên cầu trúc là dựa vào phân tích wavelet Điểm mạnh của phương pháp wavlet là

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 7 HVTH: Phạm Bảo Toàn

không cần xác định tình trạng không hư hỏng của cấu trúc và không đòi hỏi phải tính toán

số các đáp ứng động học của cấu trúc Liew et al (1998) [8] là người đầu tiên áp dụng wavelet trong việc phát hiện hư hỏng trong cấu trúc xây dựng Hong et al (2002) [9] giới thiệu phương pháp dựa vào phân tích wavelet liên tục và số mũ Holder (số mũ Lipschitz)

để phát hiện hư hỏng Chang et al (2005) [10] đã đề nghị sử dụng phân tích wavelet gói (wavlet packet) để phân giải các đáp ứng động học của cấu trúc dầm, năng lượng của các thành phần và mức độ phân giải của phép phân tích được tính cho tất cả các điểm đo, và

hư hỏng chính là điểm kỳ dị dọc theo vị trí các điểm đo trên cấu trúc

1.4.1 Cơ sở lý thuyết về nhận dạng khuyết tật

Tình trạng ứng xử động học của cơ hệ thường được sử dụng để giải bài toán nhận dạng khuyết tật Có thể phân thành hai dạng bài toán động lực học cơ bản liện quan tới đặc trưng ứng xử động học của cơ hệ, đó là bài toán thuận và bài toán nghịch

1.4.1.1 Bài toán thuận

Bài toán thuận được định nghĩa như sự mô phỏng và phân tích các mô hình cấu trúc trong việc thiết kế với dữ liệu về cấu trúc như khối lượng, giảm chấn, độ cứng, các đặc trưng hình học và tình trạng phân bố tải, điều kiện biên, phải xác định ứng xử của hệ Chẳng hạn như phải tính chuyển vị, độ võng, góc xoay, ứng suất, tần số, biên độ, dạng dao động… Trong bài toán nhận dạng khuyết tật, bài toán thuận thường rơi vào các dạng nhận dạng hư hỏng mức 1 Tính toán mô hình trong bài toán thuận thường được dùng để tạo ra dữ liệu các vector đặc trưng của cấu trúc trong nhiều trường hợp hư hỏng phục vụ cho công tác nghiên cứu Có rất nhiều phương pháp giải bài toán thuận được xây dựng dựa trên cơ sở các phương trình vi phân đặc trưng của hệ, chẳng hạn như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử dải (SEM, Strip Element Method), phương pháp phần tử biên (BEM, Boundary Element Method), hay phương pháp không lưới (MFM, Mesh Free Method)

1.4.1.2 Bài toán ngược

Bài toán ngược được định nghĩa là quá trình mô hình hóa lại một cấu trúc đã tồn tại bằng những số liệu thực (số liệu phản hồi từ cấu trúc) phản ánh ứng xử của hệ như chuyển vị, vận tốc , gia tốc, biến dạng (thường là những số liệu rời rạc đo được bằng thực nghiệm) và xác định lại các đại lượng còn lại như tải trọng, điều kiện biên (chiều dài và vị trí vết nứt…), đặc trưng hình học (moment quán tính) hoặc các thuộc tính cơ học của vật liệu (độ cứng, giảm chấn…) Bài toán ngược thường rơi vào các dạng bài toán nhận dạng khuyết tật mức 2 và 3 Một số bài toán ngược thường được sử dụng như phương pháp tối

ưu, phương pháp sử dụng mạng Neural Networks nhân tạo (ANN), sử dụng Fuzzy Logic hay nhóm các đối tượng kết hợp Lời giải của bài toán ngược được ứng dụng rất hữu ích trong nhiều bài toán kỹ thuật như xác định và ước lượng mức độ hư hỏng trong cơ hệ dựa trên tín hiệu dao động và sóng siêu âm, hay tham dò thám hiểm đại dương, không gian, hướng dẫn và định hướng rada… nhờ vào sóng phản hồi

1.4.2 Phân loại kỹ thuật nhận dạng khuyết tật bằng dao động (VBDD)

Saadat (2007) [13] đã phân loại cơ bản các kỹ thuật nhận dạng khuyết tật dựa trên khả năng phát hiện khuyết tật của các kỹ thuật này ( các kỹ thuật chung để chỉ ra sự tồn tại của khuyết tật, trong khi các kỹ thuật cục bộ để định vị khuyết tật) hay dựa trên quy

mô mức độ kiến thức được yêu cầu (trong kỹ thuật Model-based các đáp ứng dộng lực học của cơ hệ được nghiên cứu dưới dạng những phương trình vi phân toán học, còn kỹ thuật Non-model-based thì dựa vào quá trình xử lý tín hiệu đo đạc thực tế của các đáp ứng động lực học) Hướng tiếp cân chính của Non-model-based là kỹ thuật phân tích mode dao động, đo lường độ cứng, cập nhật ma trận, phân tích wavelet Những phương pháp này chủ yếu xác định khuyết tật dựa trên sự thay đổi các đặc trưng dao động của cấu trúc như tần số riêng, hàm dạng, các vi phân của hàm dạng, ma trận độ cứng, ma trận độ mềm

… Mặc dù có nhiều phương pháp cũng như kỹ thuật nhận dạng khuyết tật trong cơ hệ, tuy nhiên dể thấy rằng chúng đều có chung đặc điểm đó là nhận tín hiệu từ các từ các kích

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 9 HVTH: Phạm Bảo Toàn

thích của cơ hệ và phân tích tín hiệu đó để nhận dạng khuyết tật Lee ( 2004) [14] đã tóm tắt các đặc điểm trong các thuật toán nhận dạng khuyết tật (bảng 1.2)

Bảng 1.2: Danh muc một số phương pháp nhận dạng khuyết tật

Các phương pháp nhận dạng khuyết tật Hướng tiếp cận

Sự thay đổi tần số Tần số riêng của hệ

Sự tối ưu hàm lực dư

Sự thay đổi hàm dạng Năng lượng biến dạng

(Genetic Algorithms ) Tối thiểu hàm mục tiêu

Huấn luyện mạng lan truyền ngược Mạng neuron trễ

Sự học hỏi của máy

(Trí tuệ nhân tạo)

Mạng neuron thần kinh nhân tạo-ANN (Artifical Neural Networks) Hệ thống mạng neuron với phát hiện khuyết tật trong mạng

Phân tích tín hiệu thời gian-tần số ( phân tích wavelet)

Một số kỹ thuật khác

Đánh giá hàm đáp ứng tần số-FRF (Frequency Response Function)

Yan ( 2007) [15] thì dựa vào sự phát triển của phương pháp nhận dạng khuyết tật dựa vào dao động mà chia thành 2 loại phương pháp truyền thống và phương pháp hiện đại Những phương pháp VBDD truyền thống đa số đều dựa vào các tính chất động lực học của cấu trúc như tần số riêng, giảm chấn, thế năng biến dạng đàn hồi hay hàm dạng để phát hiện khuyết tật Phương pháp VBDD hiện đại (chuẩn đoán khuyết tật thông minh),

sử dụng những đáp ứng dao động thông qua dữ liệu truyền từ ngoài hiện trường bằng đường truyền Internet Những phương pháp hiện đại chủ yếu kết hợp các phương VBDD với kỹ thuật phân tích tín hiệu hiện đại hay trí thông minh nhân tạo như phân tích wavelet, thuật toán di truyền (GA), mạng thần kinh nhân tạo (ANN) Những phương pháp này dựa vào một số dữ liệu đo lường và phần lớn dữ liệu mô phỏng từ các đặc trưng dao động của cấu trúc Tổng hợp tên và hướng nghiên cứu của một số phương pháp nhận dạng khuyết tật chủ yếu hiện nay được trình bày vắn tặt trong bảng 1.2

1.4.3 Sơ lược một số phương pháp nhận dạng khuyết tật [6]

Từ khi ý tưởng về nhận dạng khuyết tật bằng dao động (VBDD) xuất hiện, nhiều công trình nghiên cứu về VBDD đã ra đời và đã có một số kết quả đáng kể Đặc biệt khi

áp dụng vào mô hình thí nghiệm nhưng tuy nhiên khi ứng dùng vào mô hình thực tế thì gặp một số hạn chế, chủ yếu là độ chính xác (hay sự nhiễu) của tín hiệu của thiết bị đo

Để khắc phục tình trành này, tín hiệu dao động thường được chuyển sang những tín hiệu khác có độ nhạy cao hơn Chẳng hạn như tín hiệu dao động được chuyển qua vector Ritz [16,17][18] hoặc chuyển qua thế năng biến dạng đàn hồi [1] [19], chuyển qua tín hiệu wavelet [2][20][22][23][24] Một hướng tiếp cân khác là sử dụng VBDD kết hợp với các công cụ khác như phương pháp thống kê [25], phương pháp tối ưu [26], phương pháp Artificial Neural Networks (ANN) [28][29][30][31] [32][33], phương pháp Fuzzy [27] , hay với kỹ thuật neuro- fuzzy [1][34][35] nhằm gia tăng hiệu quả khảo sát tín hiệu

Năm 1991 Hearn and Testa [37] bằng phương pháp xử lý tình trạng đáp ứng động lực học khung kim loại trong phòng thí nghiệm đã thấy rằng sự thay đổi tần số riêng

và thời gian tắt dần của dao động (giảm chấn) là cơ sở tốt để so sánh và phát hiện hư hỏng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 11 HVTH: Phạm Bảo Toàn

trong khung Tuy nhiên từ việc kiểm tra trên cầu thực, Alamplli và Fu [38] và Salawu cùng các cộng sự [55] thấy rằng sự thay đổi tần số riêng không đủ nhạy để xác định hư hỏng cục bộ trên cầu, vấn đề là thiết bị không đủ chính xác để đo sự thay đổi nhỏ này, vả lại tần số là đai lượng toàn cục không nhạy với các thay đổi cục bộ trên cơ hệ Fox và cộng sự [40] cũng nhận thấy rằng sự thay đổi tần số dao động cộng hưởng khi xuất hiện khuyết tật trên dầm là dấu hiệu có độ nhạy thấp Trong [42] Pape và các cộng sự đã đề xuất phương pháp phát hiện khuyết tật bằng cách thống kê các tần số riêng của cơ hệ nhận được bằng cách đo dao động và nhận thấy rằng không có sự thay đổi khác biệt giữa các tần số khi cơ hệ có khuyết tật nhỏ

Một cách giải quyết khác được trình bày trong [39], trong đó Choy và các cộng

sự của mình đã sử dụng hàm truyền dạng ma trận thể hiện mối quan hệ giữa lực và chuyển vị trên các phần tử dạng dầm Nhóm tác giả nhận thấy rằng khuyết tật có thể mô hình hóa thông qua độ suy giảm mô đun đàn hồi của phần tử có khuyết tật Do đó phương pháp lặp Newton-Raphson được áp dụng để tìm các phần tử bị suy giảm mô đun đàn hồi, với giả thiết mô đun đàn hồi ở thời điểm phần tử chưa bị hư (ban đầu) đã biết Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là không thể nhận biết khuyết tật trên hệ thống đối xứng và

số vị trí hư hỏng đồng thời phải được biết

Zhang [43] sử dụng đáp ứng biên độ dao động và phương pháp thống kê để xác định vị trí khuyết tật Hướng tiếp cận của nghiên cứu này là chia cơ hệ thành các phần tử theo cách chia của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Khảo sát mối tương quan giữa các biên độ dao động giống nhau trong hai trường hợp: hệ không hư và hệ ở thời điểm kiểm tra Sai lệch giữa 2 giá trị này trên cùng một phần tử giúp ta xác định vị trí khuyết tật Hê thống quản trị cầu bê tông BMS được giới thiệu trong [28] xây dựng dựa trên sự kết hợp hai bài toán: cực tiểu hàm phí tổn F1 và cực đại hàm chất lượng F2, Trong đó thuật toán di truyền (GA) được sử dụng để tìm lời giải cho bài toán tối ưu các hàm mục tiêu F1 và F2

Koh và các cộng sự của mình trong [41] đã sử dụng ma trận độ cứng tổng thể để đánh giá hư hỏng của công trình Furukawa và Otsuka [44] đã sử dụng ma trận cứng tổng thể [K] và ma trận giảm chấn [C] của cơ hệ để xác định vị trí và mức độ hư hỏng Hư hỏng xuất hiện trong cơ hệ làm giảm một lượng [ ]δK trong ma trận cứng tổng thể [K] và giảm một lượng [ ]δC trong ma trận giảm chấn [C] Như vậy các phần tử có [ ]δK ≠0 và [ ]δC ≠0 là các phần tử có dấu hiệu khuyết tật; đồng thời nhờ vào độ lớn của [ ]δK và [ ]δC ta có thể đánh giá mức độ của khuyết tật Để xác định [ ]δK và [ ]δC , nhóm đã sử dụng phương pháp thống kê, phương pháp Bootstrap

Theo thời gian, lý thuyết ANN không ngừng hoàn thiện và đã trở thành một công

cụ hữu dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có lĩnh vực nhận dạng khuyết tật

Có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan tới nhận dạng khuyết tật và dự báo khả năng làm việc của công trình nói chung và hệ thống cầu nói riệng bằng cách ứng dụng mạng ANN theo nhiều hướng khác nhau Đặc diểm chung của các nghiên cứu này là nhận dạng đối tượng theo mô hình black-box thông qua mạng neuron WU và các cộng sự [32] sử dụng mạng neuron lan tỏa ngược (BPN) để phát hiện trạng thái hư hỏng của khung ba tầng mô hình, trong đó tín hiệu gia tốc và ma trận độ cứng kết cấu được sử dụng làm tập

dữ liệu huấn luyện mạng Szewczyk và Hajela [31] cũng sử dụng mạng BPN để đánh giá

độ suy giảm các phần tử trong ma trận cứng kết cấu thông qua chuyển vị của kết cấu Penday và Barai [30] cũng tìm hư hỏng của cầu bằng mạng neuron lan tỏa ngược nhiều lớp, trong đó sử dụng chuyển vị tĩnh và tần số tự nhiên của cầu làm tín hiệu huấn luyện mạng J.J.Zhao và các cộng sự [33] sử dụng mạng ANN để khảo sát sự thay đổi các thông

số dự báo, bao gồm chuyển vị tĩnh, các tần số dao động tự nhiên, các dạng dao động và một số thông số khác liên quan đến hàm dạng Các thí nghiệm trên mô hình toán của một dầm liên tục cho thấy ANN hoàn toàn có thể dự báo các thông số động lực học cơ hệ khi dao động Masri [29] sử dụng mạng ANN để xây dựng lý thuyết phát hiện hư hỏng của kết cấu trên cơ sở nhận dạng hệ thống phi tuyến, trong đó chuyển vị , vân tốc ,gia tốc và lực tác động được sử dụng để huấn luyện mạng Huang và các cộng sự [28] đã trình bày

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 13 HVTH: Phạm Bảo Toàn

vấn đề nhận dạng sự thay đổi các đặc tính động học của công trình bằng mạng ANN để kiểm tra có hay không tình trạng hư hỏng trong các công trình sau cơn địa chấn, trong đó đặc tính động lực học kết cấu được xác định trực tiếp qua ma trận trọng số mạng, được huấn luyện theo các tín hiệu đáp ứng gia tốc

Ưu điểm cơ bản của phương pháp ANN đặc tính động lực học kết cấu được xác định thông qua ma trận trọng số và được xác định tối ưu thông qua quá trình huấn luyện mạng dựa trên tập các dữ liệu thực nghiệm vào và ra (input-output) Tuy nhiên, khó khăn

cơ bản của phương pháp này là khó có thể xác định một cấu trúc tối ưu cho một đối tượng

cụ thể Thường phải sử dụng phương pháp thử, nghĩa là phải thay đổi cấu trúc mạng nhiều lần để chọn ra đại diện phù hợp nhất Điều này làm độ chính xác của của bài toán dự báo cũng như mức độ tiện ích của phương pháp, đặc biệt khi ứng dụng mạng ANN có ma trận trọng số lớn cho các bài toán phức tạp Mạng neuron-fuzzy là một mô hình có khả năng thích nghi tốt, có tốc độ hội tụ và độ chính xác cao Hiện phương pháp này đã được nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng để nhận dạng khuyết tật công trình như [1] [34] Việc xây dựng

mô hình neuro-fuzzy được thực hiện qua hai bước: nhận dạng cấu trúc, các luật mờ được thực hiện qua hai bước chính: nhận dạng cấu trúc và nhận dạng thông số Anantha Ramu

và Johnson [35] sử dụng mạng neuron-fuzzy để kiểm tra, phân lớp và đánh giá mức độ khuyết tật dựa trên đáp ứng dao động của hệ

Nhìn chung, đa số các nghiên cứu nêu trên đều cho những kết quả có độ tin cậy cao khi ứng dụng cho các mô hình số.Tuy nhiên khi ứng dụng trên mô hình thí nghiệm hay mô hình thực thông qua số liệu thì lại không cho kết quả như mong muốn, nguyên nhân là do sai số của thiết bị do vượt quá độ chính xác của các phương pháp VBDD Gần đây khi công nghệ đo đã có những bước phát triển nhất định, sai số của các thiết bị được cải thiện.Y.Robert-Nicoud và các cộng sự [45] đã giới thiệu phương pháp xác định khuyết tật cầu theo hướng tìm nguyên nhân tạo ra các ứng xử của cơ hệ Tuy nhiên vì ứng với một ứng xử của cơ hệ có thể do nhiều nguyên nhân gây ra, nên tác giả đã tiến hành xây dựng mỗi mô hình ứng với một nguyên nhân chính, sau đó kiểm tra và chọ mô hình có quan hệ dữ liệu vào ra phù hợp nhất với tập dữ liệu đo Thí nghiệm kiểm chứng được thực

hiện trên cầu Lutrive của Thụy Sĩ, trong đó thiết bị cảm biến quang học và các thiết bị chuyên dùng được sử dụng

Ngoài ra để tăng hiệu quả của các tín hiệu dao động, một số nhà nghiên cứu đã

sử dụng các tín hiệu này một cách gián tiếp thông qua các hàm trung gian có độ nhạy tốt hơn, hay sử dụng các mô hình xấp xĩ có khả năng lọc nhiễu, hoặc xây dựng những mô hình kết hợp Chẳng hạn như Hoon Sohn và Kincho [16] [17] đã chuyển tín hiệu dao động qua vector Ritz nhằm nâng cao độ nhay của tín hiệu hoặc sử dụng vector Ritz kết hợp mạng ANN [18], hoặc sử dụng vector tải (load vectors) được giới thiệu trong [36], hoặc kết hợp hàm thế năng biến dạng đàn hồi kết hợp với kỹ thuật Neuro-fuzzy được trình bày trong [1]

Gần dây một hướng mới trong vấn đề nhận dạng khuyết tật là áp dụng phân tích wavelet nhằm giải quyết những vấn đề liên quan tới xử lý tín hiệu trong miền thời gian

Ưu điểm của phương pháp này khả năng phân tích tín hiệu trong vùng hẹp, do đó thông qua phân tích wavelet ta có thể phát hiện sự xuất hiện những nét riêng biệt nhỏ (kỳ dị) của tín hiệu trong từng miền cục bộ Chính nhờ tính chất đặc biệt này của wavelet mà nhiều nghiên cứu ứng dụng wavelet trong việc nhận dạng khuyết tật của cấu trúc xuất hiện Trong [21], khi nghiên cứu trên các phần tử tấm, Douka và các cộng sự thấy rằng khuyết tật xuất hiện trên cơ hệ là thay đổi đặc tính dao động của hệ, đo đó tại những điểm bị nứt thì tính hiệu wavelet xuất hiện những đểm kỳ dị Một số nghiên cứu khác [20][23][24] cũng cho những kết quả tương tự : sự xuất hiện khuyết tật gây ra sự thay đổi đột ngột trên đường đặc tính wavelet Trong [20] các tác giả đã trình bày các khảo sát trên mô hình toán của một trục dao động về ảnh hưởng của dạng dao động cũng như ảnh hưởng của hệ

số tỉ lệ scale trong phép biến đội wavelet tới độ chính xác dự báo vị trí khuyết tật xuất hiện trên trục Kết quả cho thấy ở các dạng lao động càng cao thì độ tin cậy trong nhận dạng khuyết tật càng tăng, ngược lại rất khó phát hiện khuyết tật khi dao động thấp Ngoài

ra, độ tin cậy của kết quả định vị khuyết tật ở cả 2 dạng: suy giảm về khối lượng và độ cứng chống biến dạng của hệ phụ thuộc nhiều vào hệ số tỉ lệ scale trog biến đổi wavelet hàm chuyển vị Trong [2], các tác giả đã đề xuất một phương pháp phát hiện sự có mặt

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 15 HVTH: Phạm Bảo Toàn

của khuyết tật và định vị chúng trên cơ hệ dầm chịu uốn bằng phương pháp phân tích wavelet hàm chuyển vị khi dầm dao động cưỡng bức Tư tưởng chính của phương pháp này là định lượng trung bình mức độ thay đổi hệ số wavelet trong miền tỉ lệ thấp nhằm tìm ra những điểm kỳ dị khi cơ hệ dao động cưỡng bức ở các dạng dao động thấp, dạng xảy ra phổ biến ở các công trình thực tế Thí nghiệm trên khung dao động cưỡng bức ở tần số thấp cho thấy để gia tăng độ chính xác trong việc xác định sự hiện diện của khuyết tật thì có thể thực hiện một hay nhiều hướng tác động: (1) tìm hệ số scale tối ưu cho pháp biến đổi wavelet, (2) tăng tần số dao động, (3) tăng biên độ dao động cượng bức Trong trường hợp chưa biết tình trạng thực tế của cơ hệ, thì ta sẽ không thể xác định được hệ số scale tối ưu, mặt khác trên một cơ hệ có cấu trúc phức tạp thì sẽ không có điều kiện nâng cao tần số dao động cưỡng bức Chính vì vậy trong việc ứng dụng giải pháp này cần thực hiện gia tăng cường độ kích thích nhằm gia tăng độ chính xác trong việc xác định sự hiện diện và định vị khuyết tật trên cơ hệ

Với những ưu điểm trong việc sử lý số liệu đo theo thời gian và quan trong nhất

là phân tích tín hiệu trong miền cục bộ, phân tích wavelet có thể tìm ra những điểm kì dị trên miền tín hiệu mà nguyên nhân gây ra các điểm này chính là khuyết tật Cùng với những kết quả khả quan của các công trình nghiên cứu ứng dụng wavelet trong nhận dạng khuyết tật Phân tích wavelet đang là một trong những phương pháp đầy triển vọng và mới mẻ trong lĩnh vực phát hiện khuyết tật của cấu trúc nói chung và công trình cầu nói riêng Đồng thời viêc kiểm tra tình trạng hoạt động của các công trình cầu đang là một vấn đề bức xúc của xã hội, do vậy mục tiêu cuối cùng của đề tài là nghiên cứu tìm ra giải pháp có thể áp dụng phân tích tín hiệu dao động bằng wavelet để có thể nhận dạng một số khuyết tật trên mô hình cầu Tư tưởng chính của đề tài là ứng dụng nghiên cứu của các tác giả nguyễn Sĩ Dũng và Ngô Kiều Nhi [2] Các tác giả đã ứng dụng wavelet để xác định vị trí cục bộ của hư hỏng trên một khung dầm dao động cưỡng bức và cũng đề xuất ra biện pháp nhằm gia tăng độ chính xác trong việc nhận dạng khuyết tật nhưng các biện pháp này rất khó ứng dụng ngoài cầu thực nhất là gia tăng cường độ dao động Đề tài sẽ khảo

sát tín hiệu dao động bằng wavelet trong điều kiện dầm dao động tự do (điều này có thể thực hiện ngoài cầu thực) để phát hiện khuyết tật

sẽ ngày càng xuống cấp và tần số riêng sẽ giảm Hướng tiếp cận của các phương pháp phát hiện khuyết tật bằng tần số riêng được tác giả Salawu thống kê và bình luận trong tài liệu [56]

Tuy nhiên nhiều công trình nghiên cứu cho rằng tần số riêng không cung cấp đủ thông tin cho bài toán nhận dạng khuyết tật Hơn nữa tần số riêng lại thường không đủ nhạy để phát hiện khuyết tật trong đối với một số cấu trúc.Salawu [47] đã tiến hành đo đạc tình trạng của một cầu bê tông trước và sau khi gối đỡ được thay mới thì nhận thấy tần số của 6 mốt đầu thay đổi trung bình khoảng 1,7% Thường phương pháp này chỉ có thể xác định sự tồn tại của khuyết tật tương đối lớn, và không cho chúng ta định vị tương đối vị trí của khuyết tật được vì có thể khuyết tật ở những vị trí khác nhau lại gây ra cùng

sự thay đổi tần số [46]

1.5.2 Giảm chấn

Mục đích chủ yếu của phương pháp xác định giảm chấn của cấu trúc là nhằm đánh giá kiểm tra tổng thể các cấu trúc kỹ thuật thông qua các số liệu đo lường từ đáp ứng của môi trường xung quanh Vì thế trong một vài nghiên cứu có xu hướng sử dụng giảm chấn

để đánh giá tình trạng làm việc của cấu trúc cầu bởi vì họ cảm thấy rằng giảm chấn thì

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: GS.TS Ngô Kiều Nhi 17 HVTH: Phạm Bảo Toàn

nhạy hơn tần số riêng đối với sự thay đổi độ cứng Khuyết tật trong vật liệu nhìn chung làm tăng sự giảm chấn, liên quan đến sự suy giảm năng lượng trong quá trình dao động

Vì thế nhiều nhà nghiên cứu [48] đã đề nghị sử dụng giảm chấn như một công cụ hấp dẫn

và tiềm năng để phát hiện khuyết tật Zhang and Hartwig [49] đã tiến hành thống kê trong nhiều mẫu thử và cảm thấy rằng giảm chấn dường như nhạy hơn tần số riêng trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng sức khỏe cấu trúc bởi sự thay đổi giảm chấn thì lớn hơn tần số riêng Tương tự, Saravanos and Hopkins [50] cũng đã tiến hành nghiệm trên nhiều dầm composit và nhận thấy sự tách lớp vật liệu thì ảnh hưởng nhiều đến khả năng giảm

chấn hơn là tần số riêng Tác giả Colakoglu với nghiên cứu của mình [51] cho rằng hệ số

giảm chấn tỉ lệ với số chu kỳ mỏi của cấu trúc

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 PHƯƠNG TRÌNH DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA DẦM

Trong công tác kiểm định cầu của Việt Nam, nhịp cầu thì luôn được mô hình hóa thành cơ hệ một bậc tự do (SDOF) bao gồm một khối nặng liên kết với một lò xo và một

bộ phận giảm chấn yếu bị cố định một đầu

2.1.1 Mô hình giảm chấn nhớt

Mô hình giảm sốc nhớt thì được biểu diễn như hình 2.1

Hình 2.1: Mô hình giảm sốc nhớt của cơ hệ một bậc tự do

Phương trình vi phân chuyển động có dạng :

F: lực phục hồi của cơ hệ

Chuyển vế phương trình và chia tất cả cho khối lượng m ta được

m

c

F

k

hệ số giảm chấn tần số riêng

n

n

c m k m

ζ

ωω

Trong thực tế, mơ hình cầu thường là hệ giảm chấn yếu (ζ <1)

Trong mỗi chu kỳ năng lượng dao động bị tiêu tán một lượng :

2 0

( )

T v

Hình 2.3: Dao động tự do của hệ chịu giảm chấn (nhớt) yếu

2.1.2 Mô hình ma sát Coulomb

Sự xuất hiện của ma sát trong cơ hệ SDOF được xem như là một bộ giảm chấn trễ [53]

Hình 2.4: Mô hình giảm chấn trễ của cơ hệ một bậc tự do

Lực tác dụng lên cơ hệ lúc này là hằng số và chỉ phụ thuộc vào hướng của lực:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với xlimlà chuyển vị giới hạn ở trạng thái cân bằng tĩnh

lim C

F x

Hình 2.5: Lực hồi phục của mô hình giảm chấn trễ

Phương trình vi phân (2.8) thuộc loại phương trình phi tuyến điển hình Kết quả của phương trình này có giải được bằng phương pháp tích phân số Nghiệm của phương trình vi phân (2.8) có dạng :

Hình 2.6: Dao động tự do của hệ chịu giảm chấn (ma sát)

2.1.3 Mô hình giảm chấn ma sát

Thực tế, thuộc tính giảm chấn thực của những cấu trúc bê tông cột thép lại không hoàn toàn tuân theo riêng lẻ mô hình giảm chấn nhớt hay ma sát Mà tuân theo cả hai mô hình cùng lúc Vì thế mô hình phối hợp hợp cả hai mô hình trên được đưa ra:

Hình 2.7: Mô hình giảm chấn ma sát của cơ hệ một bậc tự do

Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ:

Ta biết rằng khi có hiện tượng ma sát, cơ hệ dao động nhìn chung không điều hòa Nhưng

ở đây khi lực đàn hồi rất lớn so với lực ma sát thì có thể coi chuyển động của cơ hệ gần như dao động điều hòa, sự xấp xỉ này thì chấp nhận được

2

a

x a a

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Từ phương trình (2.26), ta thấy biên độ dao động của mô hình phối hợp giữa mô hình giảm chấn hình nhớt và mô hình ma sát cũng suy giảm tuân theo quy luật hàm mũ Nhưng

có sự khác biệt là biên độ không tiến về 0 mà tiến về một giá trị âm −a f ( hình 2.8)

Hình 2.8 : Dao động tự do của hệ giảm chấn nhớt và ma sát

2.1.4 Mô hình giảm chấn ảo và hiện tượng phách

Trong những những thí nghiệm đo dao động của các cấu trúc bê tông cốt thép dự ứng lực (prestressed reinforced concrete-PRC) trong cả hai tình trạng nguyên vẹn và có vết nứt, xuất hiện sự tồn tại của hiện tượng phách trong đáp ứng dao động tự do của các

bộ phận hư hỏng Trong phân tích phổ, ta lại thấy có sự tách ra thành 2 tần số lân cận nhau gần bằng tần số riêng Hiện tượng tần số tách ra này (còn gọi là hiện tượng phách) dường như chỉ liên quan đến đáp ứng dao động tự do, nó chỉ xuất hiện trong phân tích phổ của các thí nghiệm va chạm nhưng không xuất hiện trong thí nghiệm khác như dao động cưỡng bức, dao động điều hòa… của cả các cấu trúc điển hình hay vật liệu đặc biệt nào Mặt khác hiện tượng này cũng là đặc thù cho vết nứt của cấu trúc bê tông cốt thép,

nó chỉ xuất hiện khi cấu trúc bị hư hỏng còn đối với cấu trúc nguyên vẹn thì không [53] Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng hiện tượng này hoàn toàn có thể diễn tả bằng một mô hình tuyến tính nếu chúng ta chấp nhận sự tồn tại của một giảm chấn ảo trong cơ hệ một bậc tự

Hình 2.9 : Đáp ứng tự do của cấu trúc PRC : (a) nguyên vẹn , (b) có vết nứt

Hình 2.10: Phổ tần số của đáp ứng tự do của cấu trúc PRC:(a) nguyên vẹn,(b) có vết nứt

Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ:

mx&&+ c id x kx+ &+ = (2.27) Trong phương trình (2.27), so với phương trình (2.1), xuất hiện thêm một hệ số d ( đặc trưng cho tính phân tán năng lương của cơ hệ) và i là đơn vị ảo của số phức

ζω δω

Ta thấy nghiệm tổng quát của hệ dao động giảm chấn ảo sẽ là tổng hợp 2 nguồn dao động cùng phương với tần số lần lượt là ω1 và ω2 Nếu 2 tần số này càn gần nhau thì hiện tượng phách sẽ xảy ra

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1 2 2

1 2

ω ω δ

ω ω

ζ δ

−

= +

Nếu ζ << 1 thì ta có công thức tính hệ số tỉ lệ phân tán gần đúng (2.40)

1 2 2

1 21

ω ω

δ

ω ω δ

−

≈ +

• Đáp ứng tự do của hệ dao động phân tán

Bây giờ ta giả sử xét đáp ứng của cơ hệ chỉ bị ảnh hưởng của điều kiện phân tán Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ lúc này như sau:

rõ ràng chuyển động của hệ có thể xảy ra hiện tượng phách và cũng nhấn mạnh điều kiện phân tán luôn tồn tại Vì thế nó thường được xem như là một giảm chấn ảo

Hình 2.12 : Sự biến thiên của tỉ lệ tần số q/ωn theo hệ số tỉ lệ phân tán δ

• Đáp ứng lực của hệ dao động phân tán

Sau đây ta thử phân tích sơ bộ hệ dao động phân tán đưới tác dụng của ngoại lực cưỡng bức đều hòa: