(Luận văn thạc sĩ) xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu SHM nhằm cung cấp dữ liệu định lượng đáng tin cậy về các điều kiện thực tế của cầu qua việc quan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH THANH KHẢI

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU

BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH THANH KHẢI

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU

BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG TRỌNG LÂM

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và quý Thầy Cô trong Khoa Xây dựng Cầu Đường nói riêng Cảm ơn Thầy Cô đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tôi trong suốt 2 năm học vừa qua

Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến

sĩ Hoàng Trọng Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót

là điều khó tránh khỏi Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để

đề tài được hoàn thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau này Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Huỳnh Thanh Khải

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN

Học viên:Huỳnh Thanh Khải

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) nhằm cung cấp dữ liệu định lượng đáng tin

cậy về các điều kiện thực tế của cầu qua việc quan sát sự thay đổi của nó cũng như phát hiện sự xuống cấp Trong SHM, các tham số dao động (bao gồm tần số tự nhiên, dạng dao động và hệ số cản) đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích ứng xử động của kết cấu Một vài phương pháp sẵn có để xác định đặc trưng dao động dựa vào sự chuyển động có thể kể đến là: phương pháp biến đổi Fourier (FT) [4], phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [11] và phương pháp phân tích tại các đỉnh (PPM) [12] Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng của Kỹ thuật kích thích tự nhiên (NExT)[5] kết hợp với Thuật toán phân tích theo gí trị riêng Eigensystem (NExT-ERA) trong việc xác định dao động Phương pháp NExT dựa trên việc lấy tương quan chéo (cross-correlation) giữa các kết quả dao động tại các điểm đo dưới tác dụng ngẫu nhiên Hàm tương quan giữa hai kết quả dao động được tạo ra cùng một dao động ngẫu nhiên của kết cấu được chứng minh giống như một hàm xung (impulse response) hay một dao động tự do (free response) Từ đó sử dụng nó như là kết quả đầu vào của thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) [9]

Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; Kỹ thuật dao động tự nhiên; phân

tích dao động theo giá trị riêng

THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE STRUCTURES

USING NATURAL EXCITATION TECHNIQUE Abstract -Structural health monitoring (SHM) aims to provide quantitative and reliable data on the

real conditions of a bridge observe its evolution and detect the appearance of degradations In structural health monitoring, the dynamic parameters (including natural frequencies, mode shapes and damping properties) play an important role in the understanding of the dynamic behavior of structures Several methodologies are available to determine modal characteristics based on vibration such as Fourier transform (FT) [4], Frequency Response Function (FRF) [11] and Peak Picking Method (PPM) [12] This study focuses on the using of the Natural Excitation Technique (NexT) [5] in combination with Eigen Realization Algorithm (ERA) for modal identification Natural Excitation Technique (NexT) based on the taking of cross-correlation between the results at the measuring points it works with ambient vibration The cross-correlation function between the two ambient vibrations is generated together with a random vibration of the structure which is demonstrated as an impulse response or a natural oscillation From there use it as the input of Eigen Realization Algorithm-ERA [9]

Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Natural Excitation Technique

(NexT); Eigen Realization Algorithm (ERA)

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG……….viii

MỞ ĐẦU ix

1 Cơ sở thực tiễn của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 4

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4

4 Phương pháp nghiên cứu 5

5 Bố cục luận văn 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU 6

1.1 Hệ thống quan trắc kết cấu cầu 6

1.1.1 Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu: 6

1.1.2 Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu: 9

1.1.3 Các cấp độ quan trắc 11

1.2 Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe 14

1.2.1 Giới thiệu các thành phần của hệ thống quan trắc 14

1.2.2 Các cảm biến 17

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN 21

2.1 Tổng quan một số phương pháp dùng để mô hình hóa bài toán động lực học 21 2.1.1 Phương pháp khối lượng tập trung 21

2.1.2 Phương pháp chuyển vị tổng quát (phương pháp Rayleigh-Ritz) 21

2.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 22

2.2 Một số phương pháp xác định thông số động lực học sử dụng trong quan trắc sức khỏe cầu 23

2.2.1 Phương pháp biến đổi Fourier (FT) 24

2.2.2 Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function) 25

2.2.3 Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method) 26

2.2.4 Xác định các thông số dao động kết cấu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên 27

2.2.5 Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) 31

2.3 Xây dựng thuật toán bằng ngôn ngữ Matlab 33

2.3.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Matlab 33

2.3.2 Code thuật toán NExT-ERA 36

CHƯƠNG 3 ĐO ĐẠT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH CẦU 44

3.1 Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô hình cầu thực tế 44 3.1.1 Tổng quan về Cầu Thuận Phước – Đà Nẵng 44

3.1.2 Sơ đồ bố trí các cảm biến 45

3.1.3 Quy trình đo 46

3.1.4 Kết quả đo: Sau đó được lưu tệp định dạng xlsx 46

3.2 Ứng dụng chương trình phân tích kết quả 46

3.2.1 Kết quả từ cầu Thuận Phước 46

3.2.2 Kết quả từ cầu Yokohama, Nhật Bản 51

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ERA : Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng)

FT : Fourier transform (Biến đổi Fourier)

FRF : Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số)

NEXT : Natural Excitation Technique (Kỹ thuật dao động tự nhiên)

PPM : Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh)

SHM : Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu)

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.3 Sơ đồ các cấp độ của hệ thống quan trắc 13

2.4 Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp

2.5 Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và

2.7 Giao diện làm việc của phần mềm Matlab 35

3.4 Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số

viii

Số hiệu

3.12 Hình dạng mode dao động, tần số tự nhiên và hệ số cản 53

1

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở thực tiễn của đề tài

Giao thông vận tải là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội, một trong những khâu đột phá, cần ưu tiên đầu tư phát triển đi trước một bước với tốc độ nhanh, bền vững nhằm tạo tiền đề cho phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước

Hiện nay, các công trình giao thông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lượng lớn nhằm đáp ứng kịp thời với nhịp độ phát triển của nền kinh tế Thời gian gần đây hàng loạt các công trình cầu nhịp lớn, phức tạp được thi công và đưa vào khai thác như: Cầu Bãi Cháy, Cầu Nhật Tân, Cầu Trần Thị Lý, Cầu Cần Thơ, Cầu Vàm Cống

Do đó, chất lượng khai thác của công trình cũng phải được xem xét một cách thỏa đáng Việc nghiên cứu hệ thống theo dõi sự làm việc của công trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng Kết quả thu thập được là một bức tranh tổng thể về ứng xử của công trình trong giai đoạn làm việc, là cơ sở quan trọng cho việc đưa ra các đánh giá về khả năng khai thác phục vụ của công trình

Với nhu cầu thực tế hiện nay, các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng cần phải được theo dõi, đánh giá một cách liên tục Sự theo dõi, quan sát kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết cần phải sửa chữa, tăng cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày càng chính xác hơn

Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam

Cầu Trần Thị Lý Cầu Phú Mỹ

Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam

Mục đích của việc quan trắc sức khỏe kết cấu công trình (SHM) nhằm phát hiện các ứng xử bất thường trong kết cấu, xác định vị trí vật lý của các ứng xử bất thường, đánh giá định lượng kích cở và mức độ của các ứng xử bất thường, đánh giá định lượng sức khỏe và năng lực phục vụ của công trình, đặt biệt các công trình nhịp lớn, kết cấu phức tạp Việc phát hiện, định vị và định lượng ứng xử bất thường ở giai đoạn đầu rất quan trọng trong việc thành công của SHM cho phép tiên lượng và đưa ra các giải pháp sửa chữa, bảo trì hoặc gia cường nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ công trình.[3]

Kỹ thuật xác định các đặc trưng dao động từ phương pháp kích thích dao động ngẫu nhiên được áp dụng rất phổ biến trên thế giới trong thời gian gần đây Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn kích thích bằng phương pháp lực như: biên độ dao động kết cấu nhỏ rất phù hợp trong việc phân tích kết cấu làm việc trong giai đoạn tuyến tính, có thể quan trắc được liên tục và giá thành rất thấp

Hiện nay các công trình giao thông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lượng lớn nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, đồng thời với việc nâng cấp các công trình cầu cũ để đáp ứng lưu lượng và tải trọng phương tiện lưu thông ngày càng tăng Do đó việc nghiên cứu hệ thống quan trắc sức khỏe theo dõi sự làm việc của công trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng Quá trình theo dõi,

Bố trí thiết bị đo biến dạng (ứng suất) dầm chủ

Bố trí thiết bị đo võng dầm chủ

Xếp xe đo võng và ứng suất dầm chủ

Phương pháp dao động ngẫu nhiên (Ambient Vibration Technique) [1] không cần

sử dụng lực kích thích nhân tạo mà công trình được kích thích dưới tác dụng của gió tự nhiên hoặc phương tiện giao thông ngẫu nhiên trên cầu Phương pháp dao động ngẫu nhiên có ưu điểm là không phải ngăn cầu đảm bảo giao thông xuyên suốt, có thể quan trắc được liên tục và giá thành thực hiện rất thấp Đây được xem là một phương pháp rất cần thiết đảm bảo được mục tiêu về quan trắc sức khỏe trong điều kiện lưu lượng giao thông rất lớn như hiện nay

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: dao động của kết cấu nhịp công trình cầu dưới tác dụng dao động ngẫu nhiên

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên, thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô hình cầu thực tế, phân tích kết quả thí nghiệm và đánh giá năng

5

lực phục vụ của công trình cầu

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu dưới tác dụng tải trọng động, xây dụng thuật toán phân tích số liệu thí nghiệm công trình cầu dưới tác dụng tải trọng ngẫu nhiên

Phương pháp thực nghiệm hiện trường:

Phương pháp thực nghiệm hiện trường do tác giả sử dụng số liệu từ kết quả đo dao động tại cầu Thuận Phước – Đà Nẵng

Phương pháp thực nghiệm hiện trường là một phần quan trọng của luận án nhằm khảo sát, đánh giá các công trình thật, có kích thước lớn làm cơ sở để hiệu chỉnh mô hình phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (làm cơ sở để đánh giá chât lượng công trình)

Phương pháp mô hình toán:

Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình tính toán từ số liệu

đo đạc hiện trường như phân tích trong luận án hoàn toàn có thể mô phỏng đúng đắn ứng xử của kết cấu cầu dưới tác dụng của tải trọng ngẫu nhiên

5 Bố cục luận văn

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về quan trắc sức khỏe kết cấu công trình cầu

Chương 2: Xây dựng chương trình xác định các đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên

Chương 3: Đo đạt thực nghiệm và ứng dụng chương trình phân tích

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE

KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU

1.1 Hệ thống quan trắc kết cấu cầu

1.1.1 Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu:

Cùng với sự phát triển của đất nước, các cầu hiện đại vượt nhịp lớn đưa vào sử dụng ngày càng nhiều nêu nhu cầu theo dõi, đánh giá cầu ngày càng lớn với quy mô và chất lượng đòi hỏi càng cao Sự theo dõi, quan trắc kết cấu một cách liên tục và tự động

có thể chỉ ra sự cần thiết là cần phải sửa chữa, tăng cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ

mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày càng chính xác hơn

Có hai hướng để nhận dạng và dự báo khuyết tật của cầu, hướng thứ nhất đi sâu nghiên cứu đặc điểm của từng dạng khuyết tật riêng biệt dựa vào những nét đặc trưng của chúng để xây dựng lý thuyết về nhận dạng và dự báo các khuyết tật Hướng thứ hai

là hướng phi cấu trúc, không quan tâm một cách chi tiết về từng loại khuyết tật mà chỉ nghiên cứu đặc trưng chung về đáp ứng động lực học khi có khuyết tật để nhận dạng và

dự báo, nghĩa là dựa vào lời giải bài toán ngược động lực học cơ hệ

Quan trắc kết cấu cầu, thuật ngữ tiếng Anh là "Health monitoring of Bridge", là một thuật ngữ dùng để mô tả việc giám sát tình trạng tổng thể của kết cấu cầu, vì vậy nó được định nghĩa theo mục tiêu và yêu cầu đặt ra đối với kết cấu cầu Quan trắc cầu là một trong nhiều cách để theo dõi trạng thái ứng xử của kết cấu cầu dưới các loại tải trọng khai thác khác nhau Như vậy, việc tiến hành xác định các hư hỏng của cầu như là

sự thay đổi về tính chất của vật liệu, kích thước hình học, điều kiện biên và hệ thống liên kết chỉ là một khía cạnh của quan trắc kết cấu cầu

- Đặc biệt hệ thống này còn theo dõi và ghi lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biệt (động đất, bảo…) mà các phương pháp truyền thống khác không thể giám sát được

Những lợi ích rõ ràng, quan trọng nhất của quan trắc kết cấu cầu như sau:

- Việc quan trắc sẽ làm giảm các rủi ro về các nguyên nhân không lường trước giúp cho Cơ quan quản lý cầu có các quyết định kịp thời dựa trên sổ liệu thực tế làm việc của công trình cầu

- Công tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuyết về mặt kết cấu và tăng độ an toàn cho công trình cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà không thể phát hiện bằng các kiểm tra bằng mắt hoặc kiểm tra trên mô hình Trong những trường hợp này yêu cầu đảm bảo sự sống còn của các cây cầu là phải có các biện pháp khắc phục kịp thời trước khi tình hình trở nên quá muộn Công tác sửa chữa nếu được tiến hành sớm và đúng thời điểm sẽ có chi phí thấp và thời gian phải ngừng lưu thông là ngắn nhất Có được thông tin từ hệ thống quan trắc được gắn sẵn trên cầu sẽ làm tăng mức độ an toàn cả cho kết cấu và người sử dụng

- Việc quan trắc đảm bảo chất lượng lâu dài: Bằng việc cung cấp số liệu liên tục

về sự làm việc của cây cầu, công tác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công,

vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do đó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho công việc không đạt chất lượng Rất nhiều công trình có khiếm khuyết hoặc điểm yếu về kết cấu được tạo ra ngay trong quá trình thi công, nhưng các khiếm khuyết này chỉ có thể nhìn thấy được sau một vài năm Lúc này chi phí sửa chửa sẽ trở nên rất lớn và đã nằm ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thầu

- Công tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ liệu quan trắc có thể giúp cho việc thực hiện công tác "bảo dưỡng theo nhu cầu" Các hoạt động vận hành, duy tu bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận của kết cấu sẽ được tối ưu hóa dựa trên các số liệu tin cậy phản ánh tình trạng làm việc thực của kết cấu

- Việc quan trắc sẽ xác định được mức độ dự trữ về cường độ của cây cầu: có nhiều hạng mục của kết cấu có tình trạng tốt hơn so với dự kiến (nguyên nhân có thể là thiết kế với hệ số an toàn lớn hoặc sử dụng vật liệu có chỉ tiêu cơ lý tốt hơn nhiều so với

số liệu tối thiểu dùng trong tính toán thiết kế) Trong những trường hợp này, công việc quan trắc sẽ xác định được biên độ cho phép có thể chịu đựng thêm của cây cầu, giúp đơn vị quản lý nắm rõ tải trọng an toàn có thể đi trên cầu

- Ngoài ra hệ thống quan trắc sẽ cung cấp các thông tin tham khảo rất bổ ích trong công tác thực hiện các dự án có quy mô tương tự trong lương lai: thông tin về sự làm việc thực tế của cây cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quản lý thực hiện các

đồ án thiết kế rẻ hơn, an toàn hơn và bền vững hơn với độ tin cậy và tính năng làm việc được nâng cao Một chi phí đầu tư nhỏ thực hiện ngay từ đầu dự án sẽ có thể đạt được các tiết kiệm lớn sau này nhờ việc tối ưu hóa thiết kế và phát hiện kịp thời các điểm yếu

Đối với công tác thiết kế thì hiệu quả cụ thể nhất của hệ thống quan trắc thể hiện tại những điểm sau:

- Đánh giá và hiểu được ứng xử thực tế của kết cấu

- Kiểm soát và cập nhật phương pháp tính và mô hình tính toán

- Xác minh các thông số tính toán được sử dụng

- Đo các loại tải trọng, hiệu ứng và sự phân bố tải trọng

- Nâng cấp cầu hiện tại cho tải trọng cao hơn và tốc độ lớn hơn

Hệ thống quan trắc kết cấu cầu: là một hệ thống được đặc trưng bởi nhiều dụng

cụ cảm biến và nhiều hệ thống phụ khác Một hệ thống quan trắc hoàn chỉnh gồm:

- Hệ thống thu nhận (các cảm biến)

- Hệ thống thu thập dữ liệu

- Hệ thống xử lý dữ liệu

- Hệ thống truyền tải dữ liệu

- Hệ thống đánh giá và đưa ra kết luận

9

Hình 1.2 Mô hình hệ thống quan trắc cầu

Khi xây dựng hệ thống quan trắc cần phải có một mục tiêu và động lực rõ ràng

để Chủ đầu tư chấp nhận, cần phải chỉ ra rằng các công việc hiện tại mà Chủ đầu tư đang thực hiện không đáp ứng được yêu cầu là giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình

Các động lực chính để xúc tiến về việc lắp đặt hệ thống quan trắc là:

- Hiện trạng công trình đang lão hóa và các vấn đề kinh tế - xã hội liên quan đến việc tăng cường, sửa chữa so với xây dựng mới

- Các loại cầu mới, hiện đại như cầu dây văng, dây võng rất nhạy cảm với các yếu tố khí động cần được quan trắc thường xuyên

- Tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật lĩnh vực máy tính, lưu trữ, các cảm biến và cuộc cách mạng công nghệ 4.0

- Các vụ sập cầu trong quá khứ cũng như gần đây gây ra các hậu quả nặng nề về con người và vật chất, do đó tạo nên mới quan tâm lớn của cộng đồng vì vậy việc nghiên cứu, cải tiến, lắp đặt hệ thống quan trắc là rất thiết thực

- Các phương pháp mới cần được được vào quy trình và có hướng dẫn cụ thể

1.1.2 Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu:

Theo Helmut Wenzel (2009) [6], hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thông tin cơ bản như là:

- Chứng nhận rằng kết cấu cầu đáp ứng các yêu cầu của các quy trình, nó đưa đến

kỹ thuật mới trong công tác quản lý cầu và tạo môi trường cạnh tranh tốt trong ngành Xây dựng.,

- Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu cầu về kỹ thuật và vận hành

hệ thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lưu trữ dữ liệu của cầu thành sự kiểm soát tư nhân, từ đó thúc đẩy các công việc mới như là cung cấp sự đổi mới và kế hoạch sửa chữa mới

- Đối với các kết cấu cầu đặc biệt đòi hỏi những quan tâm đặc biệt, mà các ý kiến của các chuyên gia không phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ cũng đòi hỏi phải cập nhật liên tục

- Nhân viên thiếu năng lực, gặp khó khăn khi lên kế hoạch sửa chữa thường xuyên

và đánh giá cầu với các dữ liệu khổng lồ Những kỹ thuật mới có thể khắc phục được điểm yếu này

- Trong tình huống khẩn cấp thì Chủ đầu tư cần phải đưa ra các quyết định nhanh chóng và chính xác Các đánh giá dựa trên kết quả đo đạc thì được dễ dàng chấp nhận hơn ý kiến đánh giá chủ quan của các chuyên gia Điều này làm cho Chủ đầu tư có thể yên tâm vì đã có một hệ thống theo dõi thường xuyên, tự động và kịp thời đưa ra các cảnh báo cho họ

- Lĩnh vực này cũng được áp dụng trong trường hợp ngẫu nhiên hoặc khẩn cấp, việc sử dụng các đánh giá chủ quan làm tăng nhiều nhược điểm và độ tin cậy không cao

- Từ kết quả quan trắc trong một khoản thời gian cần thiết và ứng dụng các mô hình tính toán ta có thể đưa ra dự báo tương đối về khả năng phục vụ của kết cấu cầu trong tương lai

- Càng nhiêu dữ liệu, mức độ chi tiết và chính xác của dữ liệu càng cao thì việc

tổ chức sửa chữa càng rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro, giảm các việc sửa chữa không cần thiết và giúp đưa ra các quyết định có biên độ an toàn thấp hơn, tiết kiệm được chi phí nhiều hơn

- Việc đưa ra các quyết định thông qua số liệu định lượng trên cơ sở đo lường kết cấu giúp đưa ra biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn nhỏ, chỉ một bộ phận nhỏ các kết cấu mới đòi hỏi có sự can thiệp vào Kỹ thuật do đạc mới nâng cao cơ

sở dữ liệu và chât lượng của kết quả để phục vụ cho việc đưa ra các quyết định cần thiết

Việc lựa chọn các tình huống quan sát phải được dựa trên các yếu tố chính, vì vậy chỉ có một số các bộ phận của kết cấu cần được quan sát trong hệ thống với nguồn vốn cố định Tùy thuộc vào các mức độ khác nhau mà được chia thành nhiều điểm, chu

kỳ, chiến lược đánh giá tại chỗ, trực tuyến của kết cấu như sau:

- Điểm quan sát nên bao gồm các dụng cụ đo nhanh với các cảm biến đơn giản cầm tay, nó cung cấp các thông tin hiện trạng tổng quan của kết cấu

- Các đánh giá định kỳ có nghĩa là có một kế hoạch đo nhiều lần lặp lại trên kết cấu cầu, nó được lặp lại sau một khoảng thời gian

11

- Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới hạn cầu bị vượt qua, các quan sát này cho phép đánh giá chi tiết dựa vào các dữ liệu và giúp đưa ra các quyết định nhanh chóng

- Quan sát và đánh giá trực tuyến cho phép cảnh báo thông qua các phương tiện truyền thông, thông qua tin nhắn SMS hoặc thông qua internet Các quyết định này có thể thực hiện nhanh chóng trên các máy tính dựa vào thôn tin dữ liệu đo đạc Hệ thống cảnh báo này áp dụng khi giới hạn của kết cấu bị vượt qua

Thông thường Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trở nên đơn giản, kết quả cuối cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỹ thuật đơn giản, cung cấp các thông tin rõ ràng, chính xác Nêu các thông tin chính được cung cấp trên một cửa sổ chương với ngưỡng trên và dưới được đưa ra và các kết quả đo lường trong một khoảng thời gian được đặt trong ngưỡng này Bằng cách nhìn biểu đồ người ta cho thể thấy có bị vượt qua ngưỡng này hay không

Bảng báo cáo định kỳ cần cung cấp những thông tin dưới đây:

- Các hình ảnh và hệ thống biểu đồ khi quan sát kết cấu có thể xác định một cách

dễ dàng

- Một cửa sổ giao diện cung cấp các kết quả có tính chu kỳ được đặt trong một ngưỡng giới hạn

- Một cửa sổ khác cung cấp thông tin đặc biệt được yêu cầu như tóc độ gió, nhiệt

độ môi trường, độ ẩm… bất cứ số liệu nào khác

- Cuối cùng một sự phân loại được thực hiện dựa trên các thông số đo đạc trong bản báo cáo thường kỳ, dựa vào bảng phân loại này có thể thấy ngay lập tức là có sự thay đổi nào hay không

- Các tiểu chuẩn liên qua đến khả năng khai thác của cầu có thể được cung cấp nếu các dữ liệu cần thiết được ghi nhận

1.1.3 Các cấp độ quan trắc

Theo Helmut Wenzel (2009), để phân loại cầu thì cần phải có thông tin về hiện trạng và các yếu tố khác của nó, hệ thống quan trắc đưa ra cơ hội để xác định số lượng các điều kiện và cung cấp những vấn đề quan trọng cho việc đưa ra các quyết định Có nhiều loại cấp độ quan trắc, sơ đồ bên dưới đưa ra các phương pháp phát triển từ việc điều tra đơn giản thông thường tới các chiến ịch quan trắc tinh vi, phức tạp Quy mô của

hệ thống quan trắc phụ thuộc chủ yếu vào các kết quả cần có, chính xác là có 5 cấp độ

sử dụng để quyết định mức độ điều tra

- Cấp độ 1: Phân loại

Các quy tắc đánh giá thông thường của kết cấu bắt đầu từ việc quan sát bằng thị giác sẽ cung cấp các nhận định chủ quan về kết cấu cầu Các phân tích ban đầu được

thực hiện để phân loại các vấn đề cơ bản cần biết về việc cho ra các quyết định sau này Nhiều chủ đầu tư lưu trữ kết quả này

- Cấp độ 2: Đánh giá các điều kiện:

Điều tra bằng thị giác phải được thực hiện trong bất kỳ kết hoạch quan trắc nào Sau đó mới đưa ra các quyết định là có triển khai các bước tiếp theo hay không, có tiến hành các cuộc khảo sát chi tiết hay không Xác định loại và số lượng các dụng cụ đo Dùng các dụng cụ đơn giản để đánh giá có thể đưa ra các quyết định đơn giản cho toàn

hệ thống và sẽ cung cấp thêm các thông tin cần thiết Lưu trữ và xử lý các dữ liệu nên được thực hiện trong cấp độ này Việc quan trắc có thể chỉ cần thực hiện tại các điểm đơn (cục bộ) thay vì cho toàn kết cấu

- Cấp độ 3: Đánh giá tính hiệu quả

Cấp độ này được thực hiện theo cùng một phương pháp được mô tả trong cấp độ

2 Cấp độ này được thực hiện chi tiết và cung cấp các quyết định chính xác hơn như việc thêm các thông tin ví dụ như là đo mode hình dạng và các đánh giá chi tiết khác Việc này đòi hỏi phải cung cấp thêm các dụng cụ quan trắc dày đặc, đồng bộ để đánh giá kết cấu

- Cấp độ 4: Đánh giá chi tiết và phân loại

Bước tiếp theo sẽ thiết lập và phân tích mô hình hiện tại của kết cấu cầu Mô hình này được so sánh với kết quả quan trắc được Nếu nó được xác định đơn giản, thì có thể trở lại cấp độ 3, nếu nó có các dấu hiện bất thường không thể giải thích được từ việc ghi nhận dữ liệu, phải làm bước tiếp theo để làm rõ tình huống này Việc rõ ràng nhất là thu nhận các dữ liệu bất thường trong trường hợp đặc biệt Với việc cập nhật những kết quả này vào mô hình đơn giản ban đầu có thể thực hiện đánh giá kết quả và phân loại công trình Dữ liệu cần phải ghi nhận ít nhất suốt 24h, nhưng tốt nhất là nên lâu hơn để thu nhận các kết quả từ môi trường và các tình huống giao thông

13

Hình 1.3 Sơ đồ các cấp độ của hệ thống quan trắc

- Cấp độ 5: Dự báo thời gian tồn tại

Các dữ liệu được ghi nhận để dự đoán thời gian tồn tại của cầu phải đủ lớn để vượt qua ít nhất là 3 chu kỳ làm việc của kết cấu cầu, thời gian này thường là 3 năm Công việc mô phỏng nên được thực hiện từ phân tích mô hình để so sánh với lý thuyết

Để kiểm soát số lượng lớn các dữ liệu, cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng Thêm vào đó, công tác kiểm tra các vi kết cấu có thể rất hữu ích để xem xét các yếu tố của kết cấu Tiến trình cập nhật sẽ được thực hiện và xem xét nhiều điều kiện của kết cấu, nó bao gồm rất nhiều trường hợp tải trọng, không tải và bao gồm các yếu tố phi tuyến Trong trường hợp nghi ngờ, hệ thống quan trắc này nên được làm việc trực tuyến để máy tính có thể đưa ra các quyết định cảnh báo

Nhiều cầu đã có tuổi đã vượt quá thời gian khai thác, chúng được thiết kế theo tải trọng trước đây không còn phụ hợp với hiện tại, có thể bị hư hại do các hư hỏng hoặc

do quá tải Câu hỏi đặt ra cho Chủ đầu tư là các cầu này vẫn còn có thể khai thác và thực hiện đầy đủ các chức năng của chúng hay không Một kết hoặc theo dõi dao động có thể đưa ra các thông tin cho các điều kiện này, nó đã được chứng minh bởi Wenzel và Pichler (2005), dựa trên nguyên tắc là so sánh ứng xử thực của kết cấu theo các số liệu

đo đạc và mô hình lý thuyết

1.2 Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe

1.2.1 Giới thiệu các thành phần của hệ thống quan trắc

Hiện nay tồn tại nhiều hệ thống quan trắc khác nhau, các loại khác nhau phụ thuộc vào các đặc trưng của đại lượng cần đo Tuy nhiên, nói chung thì tất cả các hệ thống quan trắc có thể chia thành hai loại cơ bản như sau: Hệ thống quan trắc tĩnh và hệ thống quan trắc động

Hình 1.4 Sơ đồ các hệ thống quan trắc

Mỗi hệ thống “con” bao gồm nhiều loại thí nghiệm khác nhau: như hệ thống đo tĩnh theo dõi ứng suất trong quá khứ của cầu Khi có nhu cầu xem xét ứng xử tức thời của kết cấu thì sử dụng hệ thống quan trắc tạm thời Những thay đổi toàn bộ và cục bộ

Tạm thời/ theo

dõi định kỳ

Dài hạn/theo dõi liên tục

Tạm thời/theo dõi định kỳ

Dài hạn/theo dõi liên tục

15

trong các bộ phận kết cấu cầu có thể được xác định bằng cách sử dụng hệ thống theo dõi lâu dài Hệ thống theo dõi động xác định những hiệu ứng của tải trọng thực tế và các tham số cần thiết của kết cấu như: tần số tự nhiên, mode hình dạng và hệ số cản, đây là các đặc trưng riêng cho mỗi câu cầu

Theo ISIS (2001), hệ thống quan trắc bao gồm những công việc sau đây:

- Thu thập dữ liệu;

- Truyền tải dữ liệu;

- Phân tích tín hiệu và xử lý dữ liệu;

- Lưu trữ dữ liệu đã xử lý;

- Hệ thống lựa chọn giá trị thông minh/thông tin kết quả;

- Đánh giá dữ liệu;

- Trình bày kết quả và tài liệu;

Các thông số chính quan trắc cầu bao gồm:

- Thời gian, điều kiện môi trường…

Hệ thống cảm biến bao gồm các dụng cụ điện trở đo biến dạng, dây đo dao động, đầu đo lệch, đầu đo gia tốc, cảm biến sợi quan học, v.v…

Công việc thu thập dữ liệu rất phức tạp và phụ thuộc lớn vào số lượng dữ liệu mẫu Do đó, điều quan trọng là giữ cho khối lượng dữ liệu trong giới hạn hợp lý cho phép mà không xảy ra rủi ro mất các thông tin có giá trị, do đó cần lấy mẫu thích hợp Một tỷ lệ mẫu thấp sẽ dẫn đến nguy có có thể không đạt được thông tin mong muốn Ngược lại với tỷ lệ quá cao sẽ tốn nhiều tài nguyên bộ nhớ, ổ địa trên máy tính dẫn đến tốn kém không cần thiết và vì vậy sẽ không cần thiết cho hệ thống theo dõi lâu dài

Một vấn đề trong quá trình thu thập dữ liệu là truyền tải dữ liệu từ bộ cảm ứng vào hệ thống thu thập dữ liệu Quá trình truyền tải này thường đi qua dây dẫn Bất lợi ở đây là chiều dài của dây dẫn thường được giới thiệu các cấp độ khác nhau do sự nhiễu của các tín hiệu Do đó, chiều dài của nó tốt hơn là nên được giới hạn trong phạm vi tương thích với hệ thống thu thập dữ liệu Truyền dẫn không dây giữa các cảm biến và

hệ thống thu thập sẽ thích hợp hơn khi số lượng lớn các bộ cảm ứng được thực hiện

Hình 1.5 Sơ đồ của một hệ thống quan trắc

Việc truyền dữ liệu quan trắc liên quan đến việc tuyền tải dữ liệu từ hệ thống thu thập dữ liệu cho văn phòng, nơi các xử lý và phân tích được thực hiện Ví dụ như hệ thống thu thập dữ liệu có thể được kết nối với mạng internet làm cho nó có thể kết nối với hệ thống từ các máy tính trong văn phòng và tải dữ liệu Tuy nhiên, tốt nhất là nếu

dữ liệu quan trắc có thể được phân tích thô tại web bằng cách thực hiện các thuật toán phân tích vào hệ thống theo dõi

Lưu trữ dữ liệu gồm các phương tiện lưu trữ dữ liệu được xử lý để nó sẵn sàng cho việc đánh giá trong thời điểm hiện tại hay trong tương lai Điều quan trọng là làm cho dữ liệu nhận được bất cứ khi nào muốn để phân tích mới Vì vậy, dữ liệu quan trọng này cần phải được đảm bảo khi lưu trữ bao gồm cả các chú thích và mô tả để làm cho

Thu thập dữ liệu (bao gồm lắp

đặt các cảm biến, lựa chọ dữ liệu)

Truyền tải dữ liệu (bao gồm việc

truyền tải dữ liệu cho việc xử lý)

Xử lý dữ liệu (bao gồm việc phân

tích và lựa chọn các dữ liệu)

Lựa chọ dữ liệu (sự phân

loại thông minh dựa vào các dấu hiện của loại dữ liệu)

Lưu trữ dữ liệu (bao gồm việc

lưu trữ đầy đủ thông tin và dùng

để truy xuất lại)

Đánh giá dữ liệu (liên quan đến

việc giải thích kết quả theo sự phản ứng của kết cấu cầu)

17

rõ ý nghĩa của tất cả mọi thứ rõ ràng sau nhiều năm khi các tập tin được mở trở lại Cũng

có thể lưu trữ các file dữ liệu thô, đặc biệt là từ các dự án mà dữ liệu không được chia làm nhiều phần và đĩa cứng trên máy tính hoặc các thiết bị lưu trữ tương đương không giới hạn

Việc lựa chọn và đánh giá dữ liệu phụ thuộc chặc chẽ với nhau Việc giải thích,

lý luận các dữ liệu quan trắc là một phần quan trọng nhất trong các dự án quan trắc, vì

nó phản ánh kết quả phản ứng thực sự của kết cấu Một điều quan trọng là chọn dữ liệu phù hợp cho những phân tích và trình bày

Vì vậy, nếu mục đích của phân tích được biết đến, và đánh giá có kinh nghiệm, việc lựa chọn dữ liệu có thể thực hiện trước khi đánh giá Tuy nhiên, việc đánh giá các

dữ liệu thực sự có thể được thực hiện trước khi lựa chọn các kết quả có giá trị

1.2.2 Các cảm biến

a Giới thiệu về các cảm biến

Sự phân bố các cảm biến được sử dụng được tin cậy nhờ vào một mạng lưới các dây dẫn có độ bền cao được đặt vào bên cạnh hoặc dán vào dầm cầu, tại một khoảng cách z của mặt phẳng trung hòa để theo dõi các biến dạng đường, biến dạng góc và xoắn, toàn bộ các đặc trưng của cầu Mạng lưới dây tạo thành một mạng theo hệ tọa độ

Descartes như trong Hình 1.7 Tất cả các dây được chia thành nhiều phân đoạn cho phép

giám sát liên tục biến dạng đường, góc và góc xoắn của một số điểm rời rạc trên cầu Như vậy công việc theo dõi đạt được bằng cách đo và biến đổi độ dài của các phân đoạn dây khác nhau của cảm biến Quá trình xử lý thay đổi chiều dài được xác định theo các

lý thuyết

Hình 1.6 Lắp đặt cảm biến

Hình 1.7 Hệ tọa độ bố trí cảm biến

b Cảm biến quang học

Theo Francis T.S.Yu và Shizhuo Yin (2002), cảm biến quang học đo lường sự thay đổi ánh sáng được dẫn trong sợi, có hai loại sợi quang dựa vào thay đổi của ánh sáng: nội tại (bên trong sợi) và bên ngoài sợi Bốn thông số thay đổi trong ánh sáng được

đo là: pha, phân cực, cường độ và bước sóng, tương ứng có bốn loại cảm biến là: cảm biến giao thoa, cảm biến phân cực, cảm biến cường độ và cảm biến quang phổ, trong đó các cảm biến thông dụng nhất là cảm biến cường độ và cảm biến quang phổ

Các sợi quan học của là một đầu dò và chuyển đổi các đại lượng đo như nhiệt độ, ứng suất, biến dạng, xoay hoặc điẹn và dòng từ trường vào một sự thay đổi tương ứng trọng các bức xạ quang học, ánh sáng được đặc trưng bởi biên độ, pha, tần số và phân cực Tính hữu dụng của sợi quang do đó phụ thuộc vào cảm biến mức độ của sự thay đổi này và khả năng của chúng để đo lường và định lượng cùng một cách đáng tin cậy

Thiết bị đo cáp quang cung cấp một số lợi ích khi so sánh với thiết bị đo đạc điện thông thường:

- Không bị ảnh hưởng với EMI, RFI, và các hiệu ứng nổ hạt nhân

- Không bị ảnh hưởng đến các vấn đề nối đất và sét đánh

- An toàn và phù hợp để sử dụng trong môi trường nổ cao

19

- Chịu được nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn

- Băng thông rộng

- Thích hợp để sử dụng trong môi trường ẩm ướt

- Kích thước linh hoạt và kinh tế

Nói chung cảm biến cáp quang được đặc trưng bởi tính nhạy cảm cao so với các loại cảm biến khác Đặc biệt sợi quang được sản xuất có thể chịu được nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt,

Một cảm biến quang nói chung sẽ bao gồm một nguồn sáng, một cảm biến và cáp truyền dẫn, một bộ tách sóng quang, bô giải điều, xử lý, quan học hiển thị và các thiết

bị điện tử kèm theo

Sợi quang học: Sợi quang học mỏng, dài cấu trúc hình trụ, truyền ánh sáng qua

được vài km Một sợi quang học thông thường gồm một lõi thủy tinh, một lớp thường làm bằng thủy tinh silica hoặc bằng nhựa, và đệm một lớp bên ngoài acrylate hoặc vật liệu khác Những lớp này lần lược được bảo vệ bởi dây cáp tương tự như được sử dụng cho dây dẫn

Bộ chuyển phát: Nhiều hệ thống máy phát sợi quang chỉ cần có một ánh sáng

phát ra đèn hai cực (LED); trong khi cho hình thức ứng dụng duy nhất đèn hai cực laze

là cần thiết để đạt được băng thông đa truyền dẫn mà thường là không lớn hơn 50Mbps/s

có chiều rộng quang phổ lớn so với điốt laser So với điốt laser, LED thường điều khiển khó hơn, rẻ tiền, tiết kiệm điện, phát ra các khu vực lớn hơn, và tuổi thọ lâu hơn Laser, không giống như LED sẽ không hoạt động dưới một ngưỡng hiện hành

Máy thu: Bộ phận của một hệ thống đo lường quang học bao gồm một đèn hai

cực, chuyển đổi quang năng lượng thành năng lượng điện Photodiodes bán dẫn (PD) và quang đi ốt (APDs) là những phát hiện phù hợp nhất trong hệ thống đo lường sợi quang APD có thể cảm nhận ánh sáng thấp, nhưng cần phải cung cấp điện áp lớn thường khoảng 100V Các cơ chế tiếng ồn khác nhau liên quan đến việc phát hiện và điện tử mạch hạn chế khả năng phát hiện cuối cùng Nhiệt và bắn tiếng ồn là hai nguồn chính

và tiếng ồn cần phải được giảm thiểu cho hiệu năng bộ cảm biến tốt Phát hiện phản ứng khác nhau như là một chức năng bước sóng Silicon PD là tốt cho các bước sóng hồng ngoại nhìn thấy và gần Nói chung không có băng thông hạn chế do sự dò như vậy, mặc

dù các kết mạch điện tử có thể gây ra một số hạn chế

Khả năng ghép kênh: Trong hầu hết các cấu trúc cần thiết đặt một số lượng lớn

các cảm biến trong để đạt được một sự hiểu biết đầy đủ về các ứng xử kết cấu Nếu một kết nối cáp quang cần thiết giữa các đơn vị đọc và cảm biến duy nhất, sự phức tạp của

hệ thóng giám sát tăng nhanh với số lượng của cảm biến Trong dòng ghép cung cấp một cách đơn giản để tăng cảm biến có thể được giải quyết cùng một đường cáp duy

nhất Trong trường hợp này các bộ cảm biến được nhịp độ trong một chuỗi sau khi một trong các đơn vị khác và đọc có thể truy cập tất cả các bộ cảm biến được đặt dọc theo một dòng, nó luôn luôn có thể sắp xếp chuỗi này để theo dõi một bề mặt hay ngay cả một khối lượng với một dòng đơn

Kết luận chương 1

- Trong chương 1 đã tìm hiểu khái niệm, chức năng, căn cứ, cấp độ quan trắc, tổng quan một số hệ thống quan trắc cầu và một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu

- Cùng với sự phát triển của hệ thống quan trắc cầu thì việc xây dựng chương trình

để tính toán đặc trưng động lực học công trình là hết sức cần thiết Phương pháp dao động ngẫu nhiên có nhiều ưu điểm trong việc xác định các đặc trương dao động của kết cấu Trong chương 2 tác giả sẽ tiến hành xây dựng chương trình tính toán tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản bằng phương pháp này

21

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG

2.1.1 Phương pháp khối lượng tập trung

Khi một hệ phức tạp ( vô hạn bậc tự do), người ta có thể đơn giản hóa bài toán bằng cách tập trung khối lượng của hệ tại một số hữu hạn các điểm trên hệ đó Như vậy lực quán tính chỉ sẽ xuất hiện tại các điểm này Xét một cây cầu gồm 3 nhịp có mặt cắt thay đổi như hình 2.1 Trong trường hợp tổng quát hệ có vô hạn bậc tự do Để đơn giản, chúng ta đưa hệ về hệ mà các khối lượng tập trung tại 7 điểm Nếu chấp nhận giả thuyết

bỏ qua biến dạng dọc trục và momen quán tính xoay, hệ cố 7 bậc tự do [2]

Hình 2.1 Mô hình khối lượng tập trung 2.1.2 Phương pháp chuyển vị tổng quát (phương pháp Rayleigh-Ritz)

Đối với hệ liên tục, chúng ta có thể đơn giản hóa việc phân tích bằng các giả định dạng biến dạng của hệ Ta giả định biến dạng của hệ là tổng một chuỗi các sơ đồ biến dạng ( hàm chuyển vị hay hàm nội suy) Các hàm chuyển vị này trở thành các bậc tự do tổng quát của hệ và số các hàm được sử dụng chính là số bậc tự do Một cách tổng quát,

ta có thể chọn bất kỳ hàm chuyển vị tổng quát  ( )x nào thõa mãn điều kiện hình học

tại các liên kết gối Biểu thức tổng quát cho tất cả các hệ một chiều có thể viết dưới dạng sau:

là bật tự do của hệ Như vậy, phương pháp Rayleigh-Ritz sử dụng hàm nội suy để biểu diễn chuyển vị tại các điểm của hệ theo một bậc tự do Phương pháp này sử dụng nhiều hàm nội suy các chuyển vị theo một số hữu hạn bậc tự do dẫn đến việc giải đồng thời các phương trình đại số Độ chính xác của kết quả sử dụng phương pháp Rayleigh-Ritz phụ thuộc vào hàm nội suy được chọn, độ chính xác tăng lên theo số bậc tự do được sử dụng trong phương pháp này [2]

Hình 2.2 Mô hình phần tử hữu hạn

23

Đầu tiên chia dầm thành một số đoạn dầm gọi là phần tử hữu hạn Đầu mút của mỗi phần tử được gọi là nút, mỗi phần tử dầm trong ví dụ đang xét có hai nút Chuyển

vị của các nút này tọa thành các tọa độ tổng quát 𝑍𝑖 = 𝑢𝑖 Bên trong mỗi phần tử, chuyển

vị được xác định theo công thức:

đa thức bậc ba Hermite như hình 2.2 [2]

Ưu điểm của phương pháp phần tử hữu hạn:

- Số tọa độ tổng quát có thể chọn tùy ý bằng cách chia kết cấu thành một số đoạn hoặc phần tử

- Kết quả thu được càng chính xác khi tăng số phần tử (tăng số bặc tự do)

- Hàm nội suy được chọn như nhau cho tất cả các phần tử

- Các thông số tạo nút chỉ ảnh hưởng đến các phần tử lân cận

- Áp dụng dễ dàng cho hệ phức tạp bằng cách ghép các phần tử do dạng đơn giản như: đường, tam giác, tứ giác, tứ diện…

2.2 Một số phương pháp xác định thông số động lực học sử dụng trong quan trắc sức khỏe cầu

Mục đích của việc quan trắc sức khỏe kết cấu công trình (SHM) được thể hiện các mức độ như sau: phát hiện các ứng xử bất thường trong kết cấu (ví dụ như khuyết tật hoặc hư hỏng gọi là mức độ 1 trong SHM), xác định vị trí vật lý của các ứng xử bất thường (vị trí của hư hỏng gọi là mức độ 2 trong SHM), đánh giá định lượng kích cở và mức độ của các ứng xử bất thường (mức độ 3 trong SHM), đánh giá định lượng sức khỏe và năng lực phục vụ của công trình (gọi là dự báo - mức độ 4) Việc phát hiện, định vị và định lượng ứng xử bất thường ở giai đoạn đầu (mức độ 3) rất quan trong trong việc thành công của SHM cho phép tiên lượng và đưa ra các giải pháp sửa chữa, bảo trì hoặc gia cường nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ công trình Yêu cầu đặt ra là kết cấu cần được theo dõi, quan trắc một cách thường xuyên và sử dụng những phương pháp có độ chính xác và tin cậy cao đồng thời giá thành phải thấp.[3]

Kỹ thuật xác định các thông số dao động từ phương pháp kích thích dao động ngẫu nhiên có nhiều ưu điểm hơn kích thích bằng phương pháp lực như: biên độ dao động kết cấu nhỏ rất phù hợp trong việc phân tích kết cấu làm việc trong giai đoạn tuyến tính, có thể quan trắc được liên tục và giá thành rất thấp Tuy nhiên phương pháp này cũng tồn

tại nhược điểm trong một số kết cấu có độ cứng lớn, cầu nhịp ngắn tỷ số giữa tính hiệu

và nhiễu khá nhỏ làm cho quá trình phân tích khó khăn và độ tin cậy không cao

Sự làm việc của một cây cầu dưới tác động của gió, địa chấn và các tải trọng động khác phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc của nó chẳng hạn như khối lượng, độ cứng,

sự tắt dần và tải trọng phân bố của nó Mặc dù các thuộc tính này có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng các mô hình phân tích phức tạp, các ứng xử thực tế của cây cầu vẫn cấn được xác minh từ những kiểm tra rung động với kết cấu thật Kiểm tra dao động của kết cấu thật sẽ tạo điều kiện cho việc xác định đặc điểm dao động kết cấu như: tần

số tự nhiên, hệ số cản và biểu đồ mẫu (mode shape), có số lượng kết quả làm cơ sở để xác nhận và / hoặc cập nhật các mô hình phân tích của cấu trúc, như cung cấp các thuộc tính cấu trúc thực tế và điều kiện biên Hơn nữa, đo lường và phân tích thường xuyên những đặc điểm này sẽ tạo điều kiện cho việc đánh giá cấu trúc, giám sát an toàn và sức khỏe

2.2.1 Phương pháp biến đổi Fourier (FT)

Biến đổi Fourier là một công cụ mạnh để giải phương trình vi phân tuyến tính Phản ứng của hệ thống đối với sự kích thích ngẫu nhiên có thể được viết dưới dạng một cặp biến đổi Fourier như sau [4]:

25

Hình 2.3 Biến đổi Fourier

Sau khi biến đổi Fourier theo miền tần số, ta có thể dễ dàng xác định được tần số của kết cấu

- Ưu điểm: Phương pháp tính toán đơn giản đối với trường hợp chỉ yêu cầu thông

số là tần số dao động riêng của kết cấu

- Nhược điểm: Vì chuỗi Fourier là chuỗi bao gồm các hàm sin hoặc cosin nên

nếu số liệu đầu vào trong một số trường hợp không thỏa mãn yêu cầu thì phải xử lý số liệu trước với kỹ thuật window và overlap nếu không kết quả sẽ không chính xác

2.2.2 Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function)

Phương trình động lực học có thể được viết bằng biểu thức toán học liên quan đến đầu ra x(t) và lực đầu vào f (t) là [11]:

2

( )( )

số và độ lớn

Hình 2.4 Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp Frequency

+ Phương pháp này chỉ sử dụng được khi đo được lực kích thích

+ Kết quả tính toán có độ chính xác không cao

+ Chỉ tính được tần số dao động riêng

2.2.3 Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method)

Từ kết quả biểu đồ từ phương pháp biến đổi Fourier hoặc phương pháp Frequency Response Function, ta sử dụng phương pháp Pick Peaking Method để xác định hệ số

cản và dạng dao động [12]

Hình 2.5 Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn