Nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa móng cọc và nền đàn hồi

Luận văn

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TSKH Nguyễn Văn Hợi

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Xuân Bàng

Tác giả trân trọng cảm ơn Trung tâm Kỹ thuật các công trình đặc biệt (trước đây), bộ môn Xây dựng Công trình quốc phòng, Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt, phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã thông cảm, động viên và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án

Tác giả luận án

Nguyễn Xuân Bàng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Ý nghĩa thực tiễn của việc chẩn đoán trạng thái kỹ thuật công trình và nhận dạng liên kết móng - nền 4

1.2 Bài toán nhận dạng kết cấu 5

1.3 Tổng quan các phương pháp nhận dạng kết cấu 7

1.3.1 Các phương pháp cơ bản giải bài toán nhận dạng kết cấu 7

1.3.2 Phương pháp giải liên tiếp các bài toán thuận 10

1.3.3 Phương pháp quy hoạch phi tuyến 11

1.3.4 Ứng dụng trực tiếp phần mềm MATLAB 12

1.3.5 Phương pháp hàm phạt (Penalty function methods) 14

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu về nhận dạng kết cấu 14

1.5 Kết luận 17

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU HỆ THANH - MÓNG CỌC NGUYÊN VẸN 19

2.1 Các phương trình và ma trận cơ bản đối với các phần tử thanh trong hệ tọa độ cục bộ [19], [22], [34] 20

2.1.1 Hàm xấp xỉ chuyển vị 20

2.1.2 Các ma trận cơ bản đối với phần tử thanh không gian 22

2.1.3 Phương trình cân bằng động của phần tử thanh không gian 28

2.2 Các phương trình và ma trận cơ bản đối với các phần tử cọc tiếp xúc với nền trong

hệ tọa độ cục bộ 28

2.2.1 Mô hình liên kết giữa cọc và nền 28

2.2.2 Các phương trình và ma trận cơ bản đối với các phần tử cọc tiếp xúc với nền trong hệ tọa độ cục bộ [22] 29

2.3 Phương trình cân bằng động kết cấu hệ thanh - móng cọc nguyên vẹn và các phương pháp giải [19], [22], [34] 31

2.3.1 Biến đổi các véc tơ chuyển vị và lực nút từ hệ toạ độ cục bộ sang hệ toạ độ tổng thể 31

2.3.2 Phương trình cân bằng động của kết cấu hệ thanh - móng cọc 34

2.3.3 Thuật toán giải bài toán dao động riêng của kết cấu 35

2.3.4 Thuật toán giải bài toán dao động cưỡng bức của kết cấu 37

2.4 Tính toán số 38

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH NHẬN DẠNG LIÊN KẾT GIỮA MÓNG CỌC VÀ NỀN ĐÀN HỒI 41

3.1 Bài toán chẩn đoán trạng thái kỹ thuật công trình và nhận dạng liên kết cọc - nền đàn hồi 41

3.2 Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền 43

3.3 Giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền đàn hồi bằng phương pháp hàm phạt (Penalty function method) [26] 44

3.4 Các tính toán bằng số 52

3.4.1 Bài toán phẳng 52

Bài toán 1 52

Bài toán 2 54

3.4.2 Bài toán không gian 56

CHƯƠNG 4 NHẬN DẠNG LIÊN KẾT MÓNG - NỀN CỦA CÁC CÔNG TRÌNH DKI 60

4.1 Tổng quan các giải pháp kết cấu móng công trình biển DKI và bài toán nhận dạng

liên kết cọc - nền 60

4.1.1 Tổng quan các giải pháp kết cấu móng công trình biển DKI 60

4.1.2 Bài toán nhận dạng liên kết móng - nền các công trình DKI 65

4.2 Các mô hình liên kết giữa móng công trình DKI với nền 66

4.3 Thí nghiệm xác định các tần số dao động riêng công trình DKI/2 69

4.3.1 Phương pháp và thiết bị thí nghiệm 69

4.3.2 Các kết quả thí nghiệm 75

4.4 Nhận dạng liên kết móng - nền của công trình DKI/2 80

4.4.1 Sơ đồ tính của công trình DKI/2 và các tham số nhận dạng liên kết móng - nền. 80

4.4.2 Rời rạc hoá PTHH đối với kết cấu 83

4.4.3 Các số liệu xuất phát 85

4.4.4 Kết quả giải bài toán nhận dạng liên kết móng - nền của công trình DKI/2 87

KẾT LUẬN CHUNG 89

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 98

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A Tham số mô tả cấu trúc, đặc tính của đối tượng bài toán nhận dạng

a Chiều dài phần tử thanh

b Chiều rộng (đường kính) cọc

C Ma trận cản của kết cấu trong hệ tọa độ chung (chưa xử lý

điều kiện biên)

C Ma trận cản của kết cấu trong hệ tọa độ chung (sau khi xử lý

điều kiện biên)

c hệ số nền Winkler theo phương chuyển vị ngang w của phần tử cọc

cϕ hệ số nền Winkler theo phương chuyển vị xoắn của phần tử cọc cxX Cosin chỉ phương của trục x so với trục X

cxY Cosin chỉ phương của trục x so với trục Y

cxZ Cosin chỉ phương của trục x so với trục Z

cyX Cosin chỉ phương của trục y so với trục X

cyY Cosin chỉ phương của trục y so với trục Y

cyZ Cosin chỉ phương của trục y so với trục Z

czX Cosin chỉ phương của trục z so với trục X

czY Cosin chỉ phương của trục z so với trục Y

czZ Cosin chỉ phương của trục z so với trục Z

z

c Hệ số nén đều và trượt đều (hệ số nền loại 1 và loại 2) của nền

dưới đáy trụ theo phương đứng

x

c Hệ số nén đều và trượt đều (hệ số nền loại 1 và loại 2) của nền

dưới đáy trụ theo phương ngang

cα Hệ số nén không đều của nền dưới đáy trụ

cϕ Hệ số trượt không đều của nền dưới đáy trụ

d Tham số đầu vào bài toán nhận dạng

E Mô đun đàn hồi kéo nén của vật liệu phần tử

F Diện tích tiết diện ngang của phần tử thanh

Iy Mô men quán tính đối với trục y của tiết diện thanh

Iz Mô men quán tính đối với trục z của tiết diện thanh

k Ma trận độ cứng trong trạng thái uốn thuần túy tương ứng với

các véc tơ chuyển vị nút qv(t) của phần tử thanh

w

k Ma trận độ cứng trong trạng thái uốn thuần túy tương ứng với

các véc tơ chuyển vị nút qw(t) của phần tử thanh

ϕ

k Ma trận độ cứng trong trạng thái xoắn tương ứng với véc tơ

chuyển vị nút qϕ(t)của phần tử thanh

k c Ma trận độ cứng của phần tử thanh

k Ma trận độ cứng của nền đất kết hợp với ma trận độ cứng của

phần tử cọctrong trạng thái kéo - nén dọc trục

sv

k Ma trận độ cứng của nền đất kết hợp với ma trận độ cứng của

phần tử cọctrong trạng thái uốn thuần túy trong mặt phẳng xy

sw

k Ma trận độ cứng của nền đất kết hợp với ma trận độ cứng của

phần tử cọctrong trạng thái uốn thuần túy trong mặt phẳng xz

sϕ

k Ma trận độ cứng của nền đất kết hợp với ma trận độ cứng của

phần tử cọctrong trạng thái xoắn

s

k Ma trận độ cứng của nền đất kết hợp với ma trận độ cứng của

phần tử cọctrong trạng thái không gian

K Ma trận độ cứng của kết cấu trong hệ tọa độ chung (chưa xử lý

điều kiện biên)

K Ma trận độ cứng của kết cấu trong hệ tọa độ chung (sau khi xử

lý điều kiện biên)

K Độ cứng của liên kết đàn hồi tương ứng với chuyển vị đứng

của đáy trụ theo trục z

x

K Độ cứng của liên kết đàn hồi tương ứng với chuyển vị ngang

của đáy trụ theo trục x

x

Kα Độ cứng của liên kết đàn hồi dưới đáy trụ tương ứng với

chuyển vị xoay của đáy trụ quanh trục ngang x

y

Kα Độ cứng của liên kết đàn hồi dưới đáy trụ tương ứng với

chuyển vị xoay của đáy trụ quanh trục ngang y

Kϕ Độ cứng của liên kết đàn hồi tương ứng với chuyển vị xoay

của đáy trụ quanh trục ngang x (hoặc y)

Kψ Độ cứng của liên kết đàn hồi tương ứng với chuyển vị xoắn

của đáy trụ quanh trục z

n

l Khoảng cách từ mặt nền đến vị trí ngàm

(chiều sâu ngàm tương đương)

u

m Ma trận khối lượng trong trạng thái kéo nén

m Khối lượng phân bố trên đơn vị dài của phần tử

v

m Ma trận khối lượng trong trạng thái uốn thuần túy tương ứng

với các véc tơ chuyển vị nút qv(t) của phần tử

w

m Ma trận khối lượng trong trạng thái uốn thuần túy tương ứng

với các véc tơ chuyển vị nút qw(t) của phần tử

ϕ

m Ma trận khối lượng quy nút trong trạng thái xoắn tương ứng

với véc tơ chuyển vị nút qϕ(t) của phần tử

m Ma trận khối lượng của phần tử

M Ma trận khối lượng của kết cấu trong hệ tọa độ chung (chưa

xử lý điều kiện biên)

M Ma trận khối lượng của kết cấu trong hệ tọa độ chung (sau khi

xử lý điều kiện biên)

p Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử tương ứng với trạng thái

uốn thuần túy trong mặt phẳng Oxy do p (x, t) gây ra v

w(t)

p Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử tương ứng với trạng thái

uốn thuần túy trong mặt phẳng Oxz do p (x, t) gây ra w

u

p Tải trọng dọc phân bố tác dụng theo phương trục x (hoặc theo

phương của chuyển vị u)

v

p Tải trọng ngang phân bố tác dụng tương ứng theo phương trục

y (hoặc theo phương của chuyển vị v)

w

p Tải trọng ngang phân bố tác dụng tương ứng theo phương trục

z (hoặc theo phương của chuyển vị w)

(t)

ϕ

p Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử tương ứng với trạng thái

xoắn do pϕ(x, t) gây ra

pϕ Tải trọng xoắn phân bố tác dụng theo phương quanh trục x

(hoặc theo phương của chuyển vị ϕ )

p Véc tơ tải trọng quy nút trong hệ toạ độ cục bộ

p Véc tơ tải trọng quy nút trong hệ toạ độ chung

P Véc tơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ tọa độ chung (chưa

xử lý điều kiện biên)

P Véc tơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ tọa độ chung (đã xử

lý điều kiện biên)

t +Δ t

P Véc tơ tải trọng quy nút của kết cấu tại thời điểm t+ Δ t

q Véc tơ chuyển vị nút của phần tử (gồm chuyển vị ngang và

xoay) tương ứng với trạng thái uốn thuần túy trong mặt phẳng đứng Oxy

( )

w t

q Véc tơ chuyển vị nút của phần tử (gồm chuyển vị ngang và

xoay) tương ứng với trạng thái uốn thuần túy trong mặt phẳng ngang Oxz

( )t

ϕ

q Véc tơ chuyển vị nút của phần tử tương ứng với trạng thái

xoắn quanh trục x (chuyển vị xoắn)

q Véc tơ chuyển vị nút trong hệ toạ độ cục bộ

q Véc tơ chuyển vị nút trong hệ toạ độ chung

r Phản lực theo phương pháp tuyến ngang (trục w) của phần tử cọc

rϕ Phản lực theo phương xoắn quanh trục u của phần tử cọc

S Ma trận độ nhạy cảm - đạo hàm bậc nhất của các trị riêng tính

toán theo các tham số nhận dạng

u Véc tơ chuyển vị tại điểm bất kỳ trên trục trung hòa của phần

tử thanh có tọa độ x thuộc hệ toạ độ cục bộ (địa phương) Oxyz

u Chuyển vị dọc trục của phần tử

t

U Véc tơ chuyển vị nút tại thời điểm t

U& Véc tơ vận tốc nút tại thời điểm t

t

U&& Véc tơ gia tốc nút tại thời điểm t

v Chuyển vị ngang theo trục v (phương y) của phần tử

w Chuyển vị ngang theo trục w (phương z) của phần tử

ε

W Ma trận trọng số dạng đường chéo xác định dương

x Tham số đầu ra bài toán nhận dạng

e

z Véc tơ của m trị riêng đầu tiên (trị riêng bằng bình phương tần

số dao động riêng) nhận được từ đo đạc khi thử nghiệm động kết cấu tại hiện trường

c

z Véc tơ của m trị riêng đầu tiên nhận được từ tính toán, phụ

thuộc vào các tham số nhận dạng, zc =z θc( )

1

α ,α2 Các hệ số cản Rayleigh

α Các hằng số tích phân Newmark

β Góc hợp bởi trục (z,Y) trong mặt phẳng của tiết diện Oyz

γ Góc hợp bởi trục (y,Y) trong mặt phẳng của tiết diện Oyz

ϕ Chuyển vị xoắn quanh trục u (phương x) của phần tử

φ Véc tơbiên độ dao động riêng của hệ tương ứng với tần số ω

i

φ Véc tơ dao động riêng thứ i của hệ

i,k

φ Véc tơ riêng chuẩn hóa của kết cấu tương ứng với trị riêng thứ

i tại bước lặp thứ k (hay tại θ θ= k)

ω Tần số dao động riêng thứ 2 của hệ

ω Tần số dao động riêng của hệ

Penalty

function

Hàm phạt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Kết quả tính của thí dụ 1 39

Bảng 2.2 Kết quả tính của thí dụ 2 40

Bảng 3.1 Kết quả tính toán bằng số bài toán 1 54

Bảng 3.2 Kết quả tính toán bằng số bài toán 2 56

Bảng 3.3 Kết quả tính toán bằng số bài toán không gian 59

Bảng 4.1 Thông số thiết bị đo dao động 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Hệ kết cấu thanh - cọc không gian 20

Hình 2.2 Các thành phần chuyển vị nút của phần tử (a) và các thành phần tải trọng phân bố trên phần tử (b) 20

Hình 2.3 Ký hiệu lại các thành phần chuyển vị nút của phần tử thanh không gian 26

Hình 2.4 Mô hình liên kết cọc - nền không gian 28

Hình 2.5 Phần tử thanh không gian 31

Hình 2.6 Sơ đồ tính thí dụ 1 38

Hình 2.7 Sơ đồ kết cấu và sơ đồ rời rạc hóa PTHH trong thí dụ 2 39

Hình 3.1 Sơ đồ khối chương trình UFEM - 2 51

Hình 3.2 Mô hình thực và mô hình tính bài toán 1 53

Hình 3.3 Kết quả tính bài toán 1 54

Hình 3.4 Mô hình thực và mô hình tính bài toán 2 55

Hình 3.5 Kết quả tính bài toán 2 56

Hình 3.6 Mô hình thực hệ kết cấu thanh - cọc - nền không gian 57

Hình 3.7 Mô hình tính hệ kết cấu thanh - cọc - nền không gian 58

Hình 3.8 Đồ thị tham số nhận dạng theo từng bước tính 59

Hình 4.1 Sơ đồ kết cấu công trình DKI dạng giàn thép - móng cọc 61

Hình 4.2 Ảnh công trình DKI dạng giàn thép - móng cọc 62

Hình 4.3 Phương án gia tải trực tiếp vào các ống đứng của khối chân đế 63

Hình 4.4 Phương án mở rộng khối chân đế bằng các giàn thép kết hợp với các khối bê tông gia tải 64

Hình 4.5 Sơ đồ kết cấu công trình DKI xây dựng năm 2011 với giải pháp kết cấu móng bán trọng lực 65

Hình 4.6 Mô hình công trình DKI với kết cấu móng là cọc có các khối trụ gia tải 67

Hình 4.7 Hình chiếu mặt bên liên kết móng - nền trong mô hình tính 68

Hình 4.8 Thiết bị gây tải trọng động 69

Hình 4.9 Đầu đo gia tốc và thiết bị đo lắp trên công trình DKI 70

Hình 4.10 Sơ đồ bố trí máy gây tải ly tâm và vị trí các đầu đo gia tốc trên công trình 71

Hình 4.11 Công trình DKI – nơi tiến hành các thí nghiệm động tại hiện trường 72

Hình 4.12 (a,b) Thí nghiệm động tại hiện trường 73

Hình 4.12 (c,d) Thí nghiệm động tại hiện trường 74

Hình 4.13 Trích đoạn quan hệ gia tốc chuyển động - thời gian của DKI/2 theo phương pháp thí nghiệm 1 76

Hình 4.14 Trích đoạn quan hệ biên độ gia tốc - tần số của công trình DKI/2 theo phương pháp thí nghiệm 1 77

Hình 4.15 Trích đoạn quan hệ gia tốc chuyển động - thời gian của DKI/2 theo phương pháp thí nghiệm 2 78

Hình 4.16 Trích đoạn quan hệ biên độ gia tốc - tần số của công trình DKI/2 (nhiều bản ghi) theo phương pháp thí nghiệm 2 79

Hình 4.17 Hình chiếu mặt bên của sơ đồ tính công trình DKI.2 80

Hình 4.18 Sơ đồ đánh số nút 84

Hình 4.19 Sơ đồ đánh số phần tử 85

Hình 4.20 Kết quả tính bài toán nhận dạng liên kết công trình DKI 88

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Móng cọc là loại kết cấu được sử dụng rất rộng rãi trong các công trình xây dựng như: nhà cao tầng, cầu, cảng, tường kè, công trình biển đảo (giàn khoan dầu khí, công trình đặc biệt dạng DKI), Nhân tố quan trọng đảm bảo cho công trình giữ được ổn định và bền vững là liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa các cọc và môi trường đất đá (nền đàn hồi) Tuy nhiên, dưới tác dụng của các loại tải trọng bên ngoài, các liên kết nói trên (mô hình hóa cho các tính chất đàn hồi, đàn dẻo, ma sát của môi trường xung quanh cọc) bị suy giảm theo thời gian, dẫn đến khả năng chịu lực của công trình cũng suy giảm theo

Để đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm phục hồi, duy trì và nâng cao khả năng làm việc tiếp theo của công trình, trước hết cần phải đánh giá được trạng thái thực của các liên kết này tại các thời điểm bất kỳ trong quá trình khai thác

Mục đích nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu phương pháp, mô hình, thuật toán và chương trình tính để nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu móng cọc và môi trường đàn hồi phục vụ cho chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của công trình

Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Kết cấu: hệ thanh - móng cọc không gian

- Môi trường nền: đàn hồi tuyến tính

Nội dung và cấu trúc của luận án

Luận án gồm có: phần mở đầu, 04 chương và phần kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục

Phần mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, mục đích, phạm

vi, nội dung và cấu trúc của luận án

Chương 1: Tổng quan

Nêu ý nghĩa thực tế và khoa học của bài toán nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa móng cọc - nền, tổng quan về các phương pháp nhận dạng kết cấu và tình hình nghiên cứu bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền ở trong nước và trên thế giới, từ đó đề xuất mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án

Chương 2: Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình tính toán động lực

học kết cấu hệ thanh - móng cọc nguyên vẹn Trong chương này xây dựng các phương trình, thuật toán và chương trình tính toán động lực học kết cấu hệ thanh - móng cọc không gian còn nguyên vẹn chịu tác dụng của tải trọng động bất kỳ để làm công cụ tính toán khi giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền ở chương 3 Tiến hành tính toán bằng số để kiểm tra độ tin cậy của chương trình đã lập

Chương 3: Xây dựng thuật toán và chương trình nhận dạng liên kết giữa

móng cọc và nền đàn hồi Chương này giành cho việc xây dựng mô hình, phương trình, thuật toán và chương trình tính toán để giải bài toán nhận dạng liên kết giữa kết cấu móng cọc với nền đàn hồi bằng phương pháp hàm phạt

Sử dụng chương trình đã lập tiến hành các nghiên cứu bằng số để kiểm tra độ tin cậy của mô hình, thuật toán và chương trình tính

Chương 4: Nhận dạng liên kết móng cọc các công trình DKI Trong chương

này, sử dụng chương trình đã lập ở chương 2 và chương 3, trình bày kết quả giải bài toán nhận dạng liên kết móng - nền của một công trình thực tế đặc biệt - công trình biển DKI/2 (bao gồm cả các kết quả thí nghiệm tại hiện trường để xác định tần số dao động riêng của công trình làm tham số đầu vào khi giải bài toán nhận dạng liên kết móng - nền bằng phương pháp hàm phạt)

Phần kết luận nêu lên các kết quả mới của luận án, các vấn đề cần nghiên

cứu tiếp theo

Phần phụ lục giới thiệu mã nguồn của các chương trình đã lập trong luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Ý nghĩa thực tiễn của việc chẩn đoán trạng thái kỹ thuật công trình

và nhận dạng liên kết móng - nền

Trạng thái kỹ thuật của công trình được xác định bởi độ bền, độ cứng

và độ ổn định của chúng Trong giai đoạn khai thác sử dụng, dưới tác động của môi trường bên ngoài xuất hiện các hư hỏng của kết cấu, làm cho trạng thái kỹ thuật của các công trình sẽ giảm dần theo thời gian Do đó, cần phải định kỳ tiến hành công tác chẩn đoán trạng thái kỹ thuật công trình nhằm đánh giá chất lượng hiện tại, dự báo sự thay đổi trạng thái kỹ thuật tiếp theo

và tuổi thọ còn lại, đề xuất các biện pháp và thời gian duy tu bảo dưỡng, nâng cao độ tin cậy và sức sống công trình Với các nội dung trên thuật ngữ chẩn đoán trạng thái kỹ thuật công trình đồng nghĩa với một thuật ngữ khác trong bệnh học công trình là giám định sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM)

Dấu hiệu bên ngoài của sự hư hỏng kết cấu được thể hiện dưới các dạng và mức độ khác nhau của từng phần tử hoặc toàn bộ kết cấu Đối với từng phần tử sự hư hỏng mang tính cục bộ như sự tổn hao các kích thước hình học, các khuyết tật, độ cong vênh, nứt vỡ, đứt gãy Đối với toàn hệ sự hư hỏng mang tính tổng thể như sự nghiêng lệch của công trình, kết cấu có chuyển vị

và dao động lớn, các cọc bị nhổ và cao nhất - sự sụp đổ toàn bộ công trình Sự suy giảm các chỉ tiêu của chất lượng của công trình trong thời gian khai thác

sử dụng so với các tiêu chuẩn thiết kế có nhiều nguyên nhân, tích lũy từ giai đoạn thiết kế đến chế tạo, vận chuyển, thi công và sử dụng Ở giai đoạn thiết

kế có thể phạm phải các sai lầm như: số liệu đầu vào không phù hợp với thực

tế (khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất, ma sát cọc - nền ), lựa chọn sai các giải pháp kết cấu, các mô hình tính toán, phương pháp tính, sử dụng sai

các quy trình quy phạm, hoặc áp đặt các quy trình quy phạm của nước ngoài

vào Việt Nam nhưng không tính đến các điều kiện của địa phương Trong giai

đoạn chế tạo, vận chuyển và xây lắp chất lượng của sản phẩm không đảm

bảo: cường độ vật liệu thấp hơn mức quy định, tạo ra các khuyết tật công

nghệ (nứt nẻ, cong vênh, biến dạng, nghiêng lệch) Trong giai đoạn sử dụng

khai thác, công trình chịu nhiều tác dụng phá hoại nhất do các tác động cơ - lý

- hóa khắc nghiệt của môi trường, sự lão hóa của vật liệu, sự vượt tải sử dụng

so với quy định, sự phá vỡ đất đá xung quanh móng công trình, sự suy giảm

ma sát cọc - nền và các nguyên nhân khác không xác định trước được (thiên

tai, hỏa hoạn,…) Loại hư hỏng và mức độ hư hỏng của công trình trong một

số trường hợp không thể đo đạc một cách trực tiếp (chẳng hạn các vết nứt vi

mô trên các phần tử kết cấu, sự suy giảm ma sát cọc - nền,…), mà chỉ có thể

xác định bằng phương pháp nhận dạng dựa trên các số liệu đo đạc các đặc

trưng cơ học của công trình tại hiện trường Từ kết quả nhận dạng về hư hỏng

của công trình sẽ tính toán, đánh giá được khả năng chịu lực hiện tại của công

trình và tính toán dự báo tuổi thọ còn lại của công trình (bài toán chẩn đoán

trạng thái kỹ thuật của các công trình)

1.2 Bài toán nhận dạng kết cấu

Lý thuyết nhận dạng kết cấu là trường hợp riêng của lý thuyết nhận

dạng hệ thống Lý thuyết nhận dạng hệ thống (System Identification) là lý

thuyết nhằm thiết lập lại mô hình thực của một hệ thống dựa vào phản ứng

của hệ dưới một nhóm các tác động nào đó Ban đầu lý thuyết nhận dạng hệ

thống được sử dụng để giải các bài toán nhận dạng của lý thuyết điều khiển,

mô phỏng Hiện nay lý thuyết này được áp dụng cho nhiều bài toán khác

trong đó có bài toán thiết lập mô hình thực trạng công trình Trong khoa học

kỹ thuật hay trong các lĩnh vực của đời sống kinh tế xã hội, sự hoạt động của

bất cứ đối tượng cụ thể nào cũng có thể mô hình hoá dưới dạng:

Ax d,= (1.1) trong đó:

d - tham số đầu vào,

A - tham số mô tả cấu trúc, đặc tính của đối tượng,

x - tham số đầu ra

Theo mô hình trên bài toán thuận được hiểu là cần phải xác định đầu ra x nếu

đã biết được đầu vào d và mô hình hoá A của đối tượng Ngược lại, bài toán

ngược là bài toán xác định đầu vào d và mô hình hóa A khi đã biết đầu ra x

Khi đó ẩn số có thể là A hoặc d hoặc cả hai A và d Bài toán tìm đầu vào d

nếu đã biết x và A là bài toán ngược cơ bản Bài toán xác định A khi đã biết x

và d được gọi là bài toán nhận dạng (hay là bài toán chẩn đoán) hệ thống

Trong trường hợp bài toán nhận dạng kết cấu công trình thì A là tham số về

đặc trưng hình học, khối lượng, độ cứng kết cấu và môi trường, (các tham số

nhận dạng), d là tham số tải trọng, còn x là các tham số về chuyển vị, biến

dạng, tần số và dạng dao động riêng …(các tham số trạng thái) của kết cấu

Bài toán nhận dạng hệ thống của kết cấu (sau này sẽ gọi tắt là nhận dạng kết

cấu) dựa trên các đặc trưng dao động là bài toán cơ bản và phát triển mạnh

nhất của bài toán ngược

Để giải bài toán nhận dạng kết cấu, cần thực hiện các bước cơ bản sau đây:

- Chọn các tham số (biến) nhận dạng và tham số (biến) trạng thái

- Xây dựng mô hình tính của kết cấu trên cơ sở bản thiết kế ban đầu và kết

quả khảo sát hiện trạng bên ngoài của của công trình tại hiện trường, trong đó

chứa các tham số nhận dạng có giá trị chưa biết Xây dựng phần mềm tính

toán kết cấu theo mô hình trên

- Thử tải đối với kết cấu tại hiện trường để đo đạc các tham số trạng thái của

nó (gọi là tham số trạng thái đo đạc)

- Sử dụng một trong các phương pháp nhận dạng kết cấu và các giá trị tham

số trạng thái đo đạc, tiến hành tính toán các tham số trạng thái của kết cấu (gọi là tham số trạng thái tính toán) Từ sự so sánh giá trị tham số trạng thái tính toán với giá trị tham số trạng thái đo đạc sẽ tìm được giá trị các tham số nhận dạng Mô hình của kết cấu tương ứng với giá trị tham số nhận dạng đã tìm được là mô hình thực trạng của công trình

Nhiệm vụ của bài toán nhận dạng kết cấu đến đây được coi là đã hoàn thành Nếu nhiệm vụ đặt ra là đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình thì cần thực hiện tiếp giai đoạn 2 là sử dụng mô hình thực trạng của công trình đã được nhận dạng ở trên, tiến hành tính toán trạng thái nội lực - chuyển vị, ứng suất - biến dạng (trạng thái kỹ thuật) của kết cấu và kiểm tra độ cứng độ bền

và độ ổn định của chúng trên cơ sở các các tiêu chuẩn thiết kế

1.3 Tổng quan các phương pháp nhận dạng kết cấu

Nội dung tổng quan dưới đây chỉ đề cập các phương pháp nhận dạng kết cấu khi các tham số trạng thái đo đạc là các đặc trưng dao động riêng (tần

số và dạng dao động riêng) của kết cấu

1.3.1 Các phương pháp cơ bản giải bài toán nhận dạng kết cấu

Về bản chất bài toán nhận dạng kết cấu nói chung và nhận dạng liên kết cọc - nền nói riêng là bài toán ngược Với các tham số trạng thái đo đạc là các tần số dao động riêng của kết cấu ta có 2 nhóm phương pháp cơ bản để giải bài toán ngược nói trên

K và M - tương ứng là ma trận độ cứng và khối lượng của kết cấu,

ω - tần số dao động riêng và λ = ω - trị riêng của kết cấu 2

Trong các bài toán nhận dạng kết cấu ma trận độ cứng K phụ thuộc vào véc

Với (1.4) phương trình dao động riêng của kết cấu (1.2) và phương trình tần

số (1.3) dẫn tới dạng phương trình của tham số θ :

[K θ( )− λM φ 0] = , (1.5)

det K θ( )− λM =F( , ) 0θ λ = (1.6)

Trong bài toán nhận dạng (bài toán ngược) các trị riêng λ là các giá trị đo

đạc đã biết và được ký hiệu là ze:

Giải hệ phương trình trên sẽ nhận được véc tơ tham số chưa biết θ θ= c

Nếu thay ngược giá trị này vào (1.3) ta có K K θ và giải hệ phương trình = ( )c

(1.6) đối với trị riêng λ (bài toán thuận) có thể tính được nghiệm (gọi là véc

tơ các trị riêng tính toán và ký hiệu là zc): T

c( )= ( ) [ ,c = λ λc1 c2, , , ,λci λcn]

z θ λ θ Nếu hệ phương trình (1.7) có nghiệm thì các nghiệm này là nghiệm chính xác,

theo nghĩa là sai số ( )ε θ giữa véc tơ trị riêng đo đạc zevà véc tơ trị riêng tính

toán zcsẽ bằng 0 Hệ phương trình (1.7) là hệ phương trình siêu việt Nhóm

các phương pháp giải bài toán nhận dạng theo ý tưởng trên được gọi là nhóm các phương pháp chính xác (hay các phương pháp trực tiếp)

- Nhóm các phương pháp tối ưu

Với các phương pháp này, thay cho việc tìm nghiệm chính xác từ hệ phương trình (1.7) sẽ tìm nghiệm tối ưu, theo đó véc tơ nghiệm cần tìm θ

được tính toán sao cho tổng bình phương sai số ( )ε θ giữa véc tơ trị riêng đo

đạc zevà véc tơ trị riêng tính toán zc có giá trị cực tiểu và nghiệm θ phải

thỏa mãn điều kiện ràng buộc (1.5) Nhóm các phương pháp giải bài toán nhận dạng theo ý tưởng trên được gọi là nhóm các phương pháp tối ưu (hay phương pháp quy hoạch toán học)

Trong 2 nhóm phương pháp trên thì nhóm phương pháp chính xác chỉ

áp dụng được khi m=p (m - số lượng các trị riêng đo đạc, p - số lượng các tham số nhận dạng) Khi m<p hoặc m>p hệ phương trình (1.7) sẽ dẫn tới hệ phương trình không chỉnh (Incorrect equations), theo đó các nghiệm nhận được từ hệ phương trình này sẽ không xác định (không ổn định, hoặc vô số nghiệm, hoặc vô nghiệm) Còn nhóm các phương pháp tối ưu là các phương pháp có thể áp dụng đối với bất kỳ quan hệ nào giữa m và p (có thể m<p, m=

p hoặc m>p) và nghiệm nhận được bằng các phương pháp này luôn luôn là nghiệm xác định Như vậy có thể thấy, các phương pháp tối ưu là các phương pháp tổng quát để giải bài toán nhận dạng kết cấu Tuy nhiên, nghiệm của các phương pháp tối ưu không phải là nghiệm chính xác tuyệt đối mà chỉ là nghiệm tối ưu (nghiệm gần đúng) Ngoài ra, độ chính xác của chúng còn phụ thuộc vào số lượng m của các trị riêng đo đạc (m càng nhiều thì nghiệm θ

càng chính xác), vào độ chính xác của thiết bị đo và mô hình đo

Dưới đây tổng quan một số phương pháp cụ thể trong nhóm các phương pháp tối ưu với các tham số trạng thái đo đạc là các tần số dao động riêng của kết cấu

1.3.2 Phương pháp giải liên tiếp các bài toán thuận

Với phương pháp này thay cho việc giải bài toán ngược sẽ tiến hành các giải một loạt bài toán thuận [2], [20] Ở đây chỉ cần sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu có sẵn (thí dụ như SAP, LUCAS,…) làm công cụ để tính toán các tham số trạng thái (trị riêngλ ) từ phương trình (1.6) theo một loạt các giá trị tham số nhận dạng θ cho trước trong một khoảng giới hạn nào

đó được coi là phù hợp nhất với tham số này Tiếp đó, tính tổng bình phương

độ lệch giữa tham tham số trạng tính toán và tham số trạng thái đo đạc theo tất cả các giá trị tham số trạng tính toán đã nhận được ở trên Cuối cùng tìm giá trị nhỏ nhất của tổng bình phương độ lệch trong tập các giá trị đã nhận được,theo đó sẽ xác định được giá trị của tham số nhận dạng cần tìm

Các bước tính toán theo phương pháp này:

1/ Chọn tham số nhận dạng S của mô hình (S ở đây có thể là vết nứt, miền tiếp xúc kết cấu - nền, độ cứng kết cấu,…) (S là tham số θ nói trên )

2/ Chọn tham số trạng thái đo đạc W (chẳng hạn trị riêng λ nói trên )

3/ Tiến hành thí nghiệm đo đạc các tham số trạng thái tại hiện trường Wo,

trong đó: { }a,b - khoảng giới hạn dự đoán của tham số nhận dạng

6/ Sử dụng Si(i 1 k= ÷ ) và phần mềm phân tích kết cấu, tính toán các tham số trạng thái (i)

W và được: (i) (i) (i) (i)

W = ⎣⎡W W W ⎤⎦

7/ Tính tổng bình phương độ lệch giữa W(i) và Wo:

9/ Giá trị Ss ứng với δs sẽ là tham số nhận dạng cần tìm

Đây là phương pháp đơn giản, tránh được sự phức tạp phải giải bài toán

ngược Tuy nhiên, phương pháp này có các nhược điểm là khối lượng tính

toán rất lớn

1.3.3 Phương pháp quy hoạch phi tuyến

Như đã trình bày ở trên, các phương pháp tối ưu (hay các phương pháp

quy hoạch toán) là các phương pháp tổng quát để giải bài toán nhận dạng kết

cấu với hàm mục tiêu (tổng bình phương sai số ( )ε θ giữa véc tơ trị riêng đo

đạc zevà véc tơ trị riêng tính toán zc) có dạng:

2 2

e c

)= ( ) = ( − ( ) →min

với điều kiện ràng buộc là phương trình dao động riêng của kết cấu (1.5)

Hàm mục tiêu dưới dạng (1.10) được gọi là hàm phạt (penalty function)

Trong các bài toán nhận dạng kết cấu hàm mục tiêu này thường là hàm phi

tuyến, thậm chí là hàm phi tuyến bậc cao của tham số nhận dạng θ Do đó bài

toán trên sẽ dẫn đến bài toán quy hoạch phi tuyến

Trong trường hợp tổng quát bài toán quy hoạch toán học phi tuyến có

thể diễn đạt như sau: tìm các giá trị tối ưu của các tham số x, làm cực tiểu

hàm mục tiêu: fx R⊂ *(x)⇒ min, (1.11) với các điều kiện ràng buộc:

3/ Đo đạc các tham số trạng thái ở hiện trường

4/ Xây dựng công thức lý thuyết tính các tham số trạng thái

- Thuật toán Medium - Scale Algorithms (MSA) Khi tìm cực tiểu hoá các hàm

không ràng buộc chủ yếu sử dụng phương pháp tìm kiếm Nelder - Mead và phương pháp Newton - BFGS Khi tìm cực tỉểu hoá các hàm có ràng buộc, cực tiểu tuyệt đối, quy hoạch đa mục tiêu và cực tiểu hoá trên bán không gian

vô hạn, …chủ yếu sử dụng các biến thể khác nhau của quy hoạch toàn phương liên tiếp Khi giải quyết các vấn đề liên quan đến bài toán phương pháp bình phương nhỏ nhất phi tuyến thường sử dụng phương pháp Gauss - Newton và phương pháp Levenberg - Marquardt

- Thuật toán Large - Scale Algorithms (LSA) Tất cả các phương pháp trong

LSA - trừ quy hoạch tuyến tính - đều là các phương pháp miền - tin cậy Các bài toán có ràng buộc biên thường được giải theo phương pháp Newton Các bài toán có ràng buộc phương trình thường dựa trên các phương pháp lặp gradient,…

Để giải bài toán tối ưu hoá bằng cách sử dụng các thủ tục trong hộp công cụ Tối ưu hoá cần tiến hành các bước:

1/ Xây dựng hàm mục tiêu

2/ Xác định các biến cần tìm để tối ưu hoá hàm mục tiêu

3/ Biểu diễn các hàm mục tiêu, các ràng buộc và các điều kiện biên theo ngôn ngữ ma trận

4/ Tính toán các đạo hàm riêng của hàm mục tiêu, của các ràng buộc và các điều kiện biên

5/ Viết chương trình bằng ngôn ngữ MATLAB mô tả hàm mục tiêu

6/ Gọi các thủ tục trong hộp công cụ tuỳ theo dạng bài toán

Trong [37] T Marwala trình bày đầy đủ các thuật toán giải bài toán nhận dạng (chẩn đoán) theo phương pháp này Phương pháp trên áp dụng đối với bài toán nhận dạng kết cấu có các ưu, nhược điểm sau đây:

Ưu điểm: là các phương pháp có lập luận chặt chẽ và có thể tận dụng được các thư viện chương trình và các phần mềm tính toán đã được lập trình sẵn

Nhược điểm: để sử dụng được các phương pháp trên thì các tham số nhận dạng và các điều kiện ràng buộc phải biểu diễn được dưới dạng toán học Điều này, trong nhiều trường hợp rất khó thực hiện

1.3.5 Phương pháp hàm phạt (Penalty function methods)

Hàm sai số ( )ε θ và hàm mục tiêu (hàm phạt) J( ) θ trong phương trình

(1.10) thường là các hàm phi tuyến bậc cao của các tham số cập nhật θ Vì

vậy, nghiệm θ của bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu phi tuyến nói trên khó

có thể nhận được dưới dạng kín bằng phương pháp giải tích chính xác Để vượt qua khó khăn trên có thể xấp xỉ hàm ( )ε θ bởi biểu thức tuyến tính theo

các tham số nhận dạng θ bằng phép khai triển hàm ( ) ε θ theo chuỗi Taylor,

trong đó chỉ giữ lại 2 thành phần đầu tiên của chuỗi Kết quả cực tiểu hóa hàm phạt J( )θ với việc sử dụng hàm gần đùng này sẽ nhận được nghiệm của bài

toán theo lời giải gần đúng dần (lời giải lặp) Phương pháp giải bài toán tối ưu theo phương pháp lặp nói trên được gọi là phương pháp hàm phạt (penalty function method) Phương pháp này có ưu điểm là hội tụ nhanh, độ tin cậy cao, các tham số nhận dạng là các đại lượng vật lý có ý nghĩa rõ ràng, các bước tính toán không phức tạp Do đó, phương pháp này đã trở thành một công cụ hiệu quả trong việc mô hình hóa, chẩn đoán hư hỏng và nhận dạng kết cấu Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp trên không hề đơn giản, đòi hỏi

sự hiểu biết tốt về bản chất vật lý của kết cấu Sự hiểu biết này là cần thiết để

có thể lựa chọn được các tham số ảnh hưởng nhiều đến hư hỏng của kết cấu,

và các thông số đo đạc nhạy cảm với các thông số lựa chọn kể trên Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp là phải tính lặp

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu về nhận dạng kết cấu

Bài toán nhận dạng kết cấu công trình đã được các nhà khoa học trên thế giới đề cập đến từ những năm cuối thập kỷ 70 đầu thập kỷ 80 thế kỷ 20 Đặc biệt trong các ngành hàng không vũ trụ và dàn khoan dầu khí [24] đã có

nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu như Farrar và Doebling [24], Ghoshal et al [30], Friswell và Penny [28], Lee và Shin [35], …Link (2004) Chan Ghee Koh, Lin Ming See, Thambirajah, Balendra [33] đã đánh giá chỉ số độ cứng của từng tầng để chẩn đoán hư hỏng của kết cấu khung Narkis Y [45] xác định vị trí vết nứt trong kết cấu dầm Hassiotis S và Jeong G.D [31] sử dụng phương pháp quy hoạch toàn phương kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn

để giải bài toán nhận dạng kết cấu Zhenhan Yao, Bing Gong [52] kết hợp phương pháp quy hoạch toàn phương với phương pháp phần tử biên để chẩn đoán vết nứt trong tấm đàn hồi J.K.Sinha, M.I Friswell, S.Edwards [50], J.K.Sinha, P.M.Mujumdar, R.I.K.Moorthy [51], M.I.Friswell, J.E.T.Penny, S.D.Garvey [27], M.I Friswell [29], J.K.Sinha, M.I Friswell [47] nghiên cứu bài toán chẩn đoán vị trí hư hỏng kết cấu, độ cứng liên kết bằng phương pháp hàm phạt

Bài toán nhận dạng kết cấu cũng được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu trong vài chục năm trở lại đây Đối tượng nhận dạng chủ yếu

là các vết nứt trong các dầm BTCT của kết cấu nhà, kết cấu cầu,…Nguyễn Văn Phó, Lê Ngọc Hồng, Lê Ngọc Thạch [18] đã phân loại các bài toán ngược, nêu ra những đặc điểm cơ bản và đề nghị cách đánh giá tính ổn định nghiệm của bài toán chẩn đoán theo quan điểm tiền định và ngẫu nhiên Trần Trọng Toàn [20] sử dụng phương pháp giải liên tiếp các bài toán thuận với phương pháp thay đổi điểm đo và tần số kích động (trên cơ sở đó vẽ đồ thị quan hệ chiều dài – tần số) để xác định chiều dài dầm conxon có tiết diện thay đổi Trần Văn Liên [15] sử dụng phương pháp quy hoạch phi tuyến (thư viện Matlab) để giải bài toán chẩn đoán vết nứt cho kết cấu dầm, khung Hầu hết các tác giả trong nước cho đến nay đều đưa vào tham số hư hỏng cho phần tử dầm có vết nứt [16], [17], [15], [4], từ đó đánh giá sự suy giảm độ cứng của kết cấu Nguyễn Tiến Khiêm, Đào Như Mai, Nguyễn Việt Khoa [10], Trần

Văn Liên [15] mở rộng mô hình PTHH thông thường khi đưa vào tham số hư hỏng cho phần tử dầm có một vết nứt Các phương pháp giải chủ yếu được đề cập là phương pháp độ nhạy cảm, phương pháp sử dụng nghiệm điều chỉnh, phương pháp tựa nghịêm, phương pháp nghịch đảo ngẫu nhiên Đào Như Mai [16] giải các bài toán nhận dạng hư hỏng (vết nứt) trong kết cấu dầm đơn giản

và kết cấu khung bằng phương pháp độ nhạy cảm kết hợp với chương trình SAP4 và các phần mềm tính toán khác Trần Thanh Hải [4] sử dụng phương pháp điều chỉnh Tikhonov để giải bài toán chẩn đoán vết nứt trong dầm Phạm Xuân Khang [9] áp dụng phương pháp chẩn đoán động để đánh giá trạng thái làm việc của một số cầu

Bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền là trường hợp riêng của bài toán nhận dạng kết cấu Bài toán này, cho đến nay, cả trên thế giới và cả trong nước còn

ít được nghiên cứu Ở Việt Nam sự xuất hiện của bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền liên quan đến bài toán đánh giá trạng kỹ thuật của công trình biển, đặc biệt là các công trình DKI và cũng chỉ mới được đặt ra trong 10 - 15 năm trở lại đây Các nghiên cứu trong lĩnh vực này được thực hiện chủ yếu do 2 nhóm tác giả: nhóm của Viện Cơ học Việt Nam do GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm và các cộng sự tiến hành [11], [12], [16] và nhóm của Học viện Kỹ thuật quân sự do GS.TSKH Nguyễn Văn Hợi và các cộng sự thực hiện [1], [5], [6] Trong các công trình nghiên cứu của nhóm tác giả thứ nhất các tham

số nhận dạng liên kết cọc - nền là các độ cứng liên kết lò xo nhưng chỉ sử dụng một loại liên kết phân bố dọc cọc (đối với cọc đơn) hoặc độ cứng các liên kết tập trung ở đáy cọc (đối với hệ khung không gian như các công trình DKI); để giải bài toán nhận dạng các tác giả trên sử dụng phương pháp trực tiếp (đối với bài toán cọc đơn) bằng cách giải trực tiếp phương trình tần số của cọc, hoặc phương pháp độ nhạy cảm với sự trợ giúp của SAP2000 và các phần mềm khác (đối với hệ khung không gian) Còn đối với nhóm tác giả thứ

2 trong các công trình nghiên cứu của mình ở thời kỳ đầu chọn các tham số nhận dạng liên kết cọc - nền là chiều dài ngàm tương đương của cọc và sử dụng phương pháp giải liên tiếp các bài toán thuận để tìm nghiệm Hiện tại nhóm tác giả này bắt đầu mở rộng và phát triển phạm vi nghiên cứu với đối tượng nhận dạng là hệ cọc không gian, với nó để làm các tham số nhận dạng

sử dụng đầy đủ các loại độ cứng liên kết phân bố dọc cọc (tương ứng với tất

cả các thành phần chuyển vị của cọc trong không gian) và các liên kết tập trung ở đáy cọc; để giải bài toán nhận dạng sử dụng phương pháp hàm phạt (các kết quả nghiên cứu trên được phản ánh trong luận án này của nghiên cứu sinh)

1.5 Kết luận

Từ tổng quan trên có thể rút ra các nhận xét:

- Bài toán nhận dạng kết cấu nói chung và bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền nói riêng là vấn đề rất cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Cho đến nay, bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền còn ít được đề cập đến

- Để giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền nói trên có nhiều phương pháp, trong số đó phương pháp hàm phạt là phương pháp nhận dạng rất hiệu quả nhưng còn ít được sử dụng

Từ các nhận xét trên đề tài của luận án sẽ được lựa chọn là “Nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu móng cọc với nền đàn hồi” với mục

đích và phương pháp nghiên cứu như sau:

Mục đích nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu phương pháp, mô hình, thuật toán và chương trình tính để nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa kết cấu móng cọc và nền đàn hồi phục

vụ cho chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của công trình

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để thiết lập phương trình thuật toán

và chương trình tính kết cấu hệ thanh - móng cọc không gian

+ Sử dụng phương pháp hàm phạt để thiết lập thuật toán nhận dạng liên kết cọc - nền

+ Thử nghiệm số trên máy tính (để kiểm tra độ tin cậy của mô hình, thuật toán

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU

HỆ THANH - MÓNG CỌC NGUYÊN VẸN

Đối tượng cần nhận dạng trong bài toán của luận án là liên kết cọc - nền Kết cấu có các liên kết chưa bị hư hỏng, tương ứng với thời điểm khi mới xây dựng, được gọi là kết cấu nguyên vẹn Kết cấu có các liên kết cần nhận dạng tại bất cứ thời điểm nào trong thời gian sử dụng của công trình thường là kết cấu có một bộ phận liên kết nào đó đã bị hư hỏng (bị suy giảm một phần hoặc toàn bộ độ cứng) - được gọi là kết cấu không nguyên vẹn Trong quá trình giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền của kết cấu không nguyên vẹn cần đến một mô đun chương trình tính kết cấu nguyên vẹn hay, tổng quát hơn, một mô đun chương trình tính kết cấu có các độ cứng xác định

- như là một phần mềm tính toán hỗ trợ cho chương trình tính toán chính ở chương 3 Chương này giành cho việc xây dựng các thuật toán và chương trình tính toán hỗ trợ này

Khảo sát hệ kết cấu thanh - cọc không gian còn nguyên vẹn (hình 2.1)

Để tính toán kết cấu trên sẽ sử dụng phương pháp PTHH Khi rời rạc hóa hệ kết cấu trên sẽ có 2 loại PTHH điển hình: Phần tử thanh không gian (thuộc phần trên của kết cấu từ mặt đất trở lên) và phần tử cọc không gian (thuộc phần dưới của kết cấu từ mặt đất trở xuống)

Hình 2.1 Hệ kết cấu thanh - cọc không gian

2.1 Các phương trình và ma trận cơ bản đối với các phần tử thanh trong

Hình 2.2 Các thành phần chuyển vị nút của phần tử (a)

và các thành phần tải trọng phân bố trên phần tử (b) Nếu ký hiệu các thành phần chuyển vị nút của phần tử như trên hình 2.2, ta có hàm xấp xỉ chuyển vị của các phần tử thanh không gian như sau:

( )x, t = ( ) ( )x t

Kết cấu cọcKết cấu thanh

trong đó:

(x, t)

u - véc tơ chuyển vị tại điểm bất kỳ trên trục trung hòa của phần tử thanh

có tọa độ x thuộc hệ toạ độ cục bộ (địa phương) Oxyz,

q - véc tơ chuyển vị nút của phần tử (gồm chuyển vị ngang và xoay)

tương ứng với trạng thái uốn thuần túy trong mặt phẳng đứng

q - véc tơ chuyển vị nút của phần tử (gồm chuyển vị ngang và xoay)

tương ứng với trạng thái uốn thuần túy trong mặt phẳng ngang Oxz,

2.1.2 Các ma trận cơ bản đối với phần tử thanh không gian

Sử dụng các công thức tính toán quen biết đối với ma trận khối lượng

m, ma trận độ cứng k, tải trọng quy nút p của phần tử với các các hàm dạng

=