Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để chẩn đoán vị trí giảm độ cứng trong bản sàn bê tông cốt thép

Bài viết Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để chẩn đoán vị trí giảm độ cứng trong bản sàn bê tông cốt thép được nghiên cứu với mục đích góp phần vào các phương pháp theo dõi sức khỏe công trình hiệu quả, bài báo này trình bày một phương pháp chẩn đoán chỉ sử dụng đường biến dạng để phát hiện sự giảm độ cứng của bản sàn bê tông cốt thép.

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHUYỂN VỊ NÚT ĐỂ CHẨN ĐOÁN VỊ TRÍ GIẢM ĐỘ CỨNG TRONG BẢN SÀN BÊ TƠNG CỐT THÉP Trần Tiến*, Phạm Nhật Văn*, Phạm Văn Hiếu*, Trần Quang Khải* Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) GVHD: TS Hà Minh Tuấn TĨM TẮT Với mục đích góp phần vào phương pháp theo dõi sức khỏe cơng trình hiệu quả, báo trình bày phương pháp chẩn đốn sử dụng đường biến dạng để phát giảm độ cứng sàn bê tông cốt thép Cách tiếp cận dựa mối tương quan đường biến dạng sàn đo hai trạng hái có hư hỏng khơng có hư hỏng Cụ thể, số chẩn đoán dựa vào chuyển vị nút DBI sử dụng nhiều trường hợp để xác định xuất việc giảm độ cứng Dữ liệu đường biến dạng tính tốn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn dựa phần mềm thương mại ETABS Nhiều kịch hư hỏng giả định để khảo sát độ nhạy số DBI việc phát hư hỏng Kết chứng minh DBI sử dụng số đánh giá để xác định vị trí hư hỏng Từ khóa: bê tơng cốt thép, đường biến dạng, ETABS, suy giảm độ cứng GIỚI THIỆU Hiện số lượng cơng trình có tuổi đời 50 năm ngày nhiều, dẫn việc chẩn đoán sớm hư hại kết cấu dần trở nên chủ đề thiết Nếu không đưa chẩn đốn kịp thời, kết cấu có khả bị phá hoại cách đột ngột, tác động đến tâm lý người sử dụng Theo dõi sức khỏe kết cấu (SHM) phương pháp để đánh giá tính tồn vẹn kết cấu cách định lượng SHM nhằm cung cấp, thời điểm suốt vịng đời kết cấu, chẩn đốn tình trạng vật liệu, phận khác lắp ráp hoàn chỉnh phận tạo thành kết cấu nói chung Phương pháp xác định vị trí hư hỏng mức độ hư hỏng kết cấu SHM phân loại rộng rãi thành hai loại tập trung vào đặc tính động phản ứng tĩnh kết cấu khảo sát Nhiều nghiên cứu liên quan đến việc áp dụng phản ứng động để phát hư hỏng thực (Dawari cộng sự, 2013; Miyashita cộng 2012), ví dụ, tần số tự nhiên hình dạng mode dao động Tuy nhiên, nghiên cứu trước (Watanabe cộng sự, 2014) chứng minh tần số tự nhiên bậc thấp không nhạy cảm với thay đổi độ cứng cấu kiện Hơn nữa, có đủ số lượng thiết bị đo quan trọng để ước tính xác hình dạng mode dao động Nhiều nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng thông số liên quan đến độ cứng kết cấu chuyển vị độ cong liên quan đến phương pháp phát hư hỏng dựa liệu tĩnh Năm 2005, Chen cộng 1261 (2005) chứng minh hư hỏng phát mơ hình khảo sát cách tính hệ số GRC sử dụng độ cong thu từ liệu dịch chuyển thời điểm khỏe mạnh thời điểm suy giảm Năm 2017, Ha Fukada (2017) giới thiệu Chỉ số dựa chuyển vị (DBI) phương pháp xác định hư hỏng sử dụng thay đổi hình dạng chuyển vị để phát hư hỏng kết cấu mơ hình dầm bê tông ứng suất trước (PC) Trong báo cáo này, nghiên cứu đề xuất phương pháp giúp chẩn đoán xuất hư hại cấu kiện sàn bê tơng cốt thép giúp kỹ sư có phương án bảo trì kịp thời Nghiên cứu khảo sát trường hợp kết cấu sàn khác thông qua việc thay đổi vị trí hư hại Kết phương pháp lấy từ số liệu giả định nhiều trường hợp hư hại cho kết cấu sàn dạng ô đơn kê cạnh Qua đó, số dựa vào chuyển vị nút DBI tính tốn từ liệu đường biến dạng đo Từ số DBI phân tích để xác định vị trí phần tử suy giảm độ cứng kết chẩn đoán hiển thị biểu đồ DBI CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuyển vị dầm tích phân góc xoay 𝜑 tính với cơng thức: 𝑀 𝑦 = ∫𝐿(∫𝐿 − 𝐸𝐼𝑧 𝑑𝑧)𝑑𝑧 𝑥 (1) Trong đó, E modun đàn hồi vật liệu, tỷ lệ nghịch với chuyển vị y, giảm modun đàn hồi khoảng cách chuyển vị tăng lên Năm 2017, cách đánh giá đường cong chuyển vị đo dầm chịu tải trọng tĩnh trạng thái bình thường suy giảm chất lượng, Hà Fukada tính tốn DBI xác định vị trí hư hỏng kết cấu Nghiên cứu khảo sát hiệu DBI cho trường hợp bê tông cốt thép (BTCT) Trong nghiên cứu này, để giả định hư hại, modun đàn hồi giảm theo cấp độ để khảo sát thay đổi chuyển vị giả định so với BTCT bình thường Khi BTCT chịu tải trọng; chuyển vị nút theo dải cho phương trình sau: [𝑥, 𝑢𝑜 ] = [(𝑥1 , 𝑢𝑜1 ), … , (𝑥𝑗 , 𝑢𝑜𝑗 ), … , (𝑥𝑘 , 𝑢𝑜𝑘 )] (2) [𝑥, 𝑢𝑑 ] = [(𝑥1 , 𝑢𝑑1 ), … , (𝑥𝑗 , 𝑢𝑑𝑗 ), … , (𝑥𝑘 , 𝑢𝑑𝑘 )] (3) Trong đó, x vị trí nút xác định bản, uo/d giá trị chuyển vị bình thường/hư hại (m) Từ ma trận chuyển vị, chệnh lệch giá trị uo ud xác định: ∆𝑢𝑗 = |𝑢𝑜 − 𝑢𝑑 | (4) Với giá trị chênh lệch chuyển vị bình thường giả định hư hại, số vị trí hư hại DBI tính với cơng thức: 1262 𝐷𝐵𝐼𝑗 = max[0; ∆𝑢𝑗 −𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒(∆𝑢𝑗 ) 𝑠𝑡𝑑(∆𝑢𝑗 ) ] (5) Hệ số DBIj đánh giá mức độ quan hệ điểm điểm thứ j hai đường biến dạng Cụ thể là, DBI = kết cấu không bị hư hại vị trí quan sát, DBI đạt giá trị cao vị trí hư hỏng BÀI TỐN ÁP DỤNG Nghiên cứu mơ đơn bê tơng cốt thép có kích thước hai phương 4m x 4m (Hình 2), chiều dày 100mm chịu tải trọng thân tải trọng phân bố 0.3 T/m2 tác dụng Các biên giả định có liên kết ngàm (Hình 1(a)) Bê tơng mơ vật liệu đàn hồi tuyến tính có mơ đun đàn hồi E = 3.0 × 107 𝑘𝑁/𝑚2 ; hệ số Poisson v = 0.2 Phần mềm ETABS sử dụng để xây dựng mơ hình gán tải trọng, từ tính tốn đường biến dạng trường hợp khảo sát Để trích xuất liệu chuyển vị ô bản, ô chia nhỏ thành 10 ô nhỏ theo phương Trong nghiên cứu này, 11 đường biến dạng 0.4 m theo phương trích xuất làm liệu đầu vào cho quy trình chẩn đốn Sự giảm độ cứng cục tạo cách giảm mô đun đàn hồi hai phần tử nhỏ BTCT Hình 1(b) thể minh họa có hư hại vị trí phần tử vị trí 6,7 theo phương X 4,5 theo phương Y Cụ thể mô đun đàn hồi phần tử bị giảm 50% Các phần tử lại giữ nguyên thơng số vật liệu dầm bình thường Hình thể đường biến dạng trạng thái bình thường có phần tử giảm mô đun đàn hồi 50% (b) Phần tử giả định suy giảm độ cứng (a) Ô 4m x 4m 1263 Hình Minh họa phần tử suy giảm độ cứng ô Series10 Series7 Series4 Series1 -0.0001 10 11 -0.0002 Series10 Series7 Series4 Series1 -0.0001 10 11 Chuyển vị (m) Chuyển vị (m) -0.0002 -0.0003 -0.0003 -0.0004 -0.0004 -0.0005 -0.0005 -0.0006 -0.0006 -0.0007 -0.0007 Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến (a) Ơ bình thường (b) Ơ có phần tử hư hỏng Hình Đường biến dạng ô CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT Để kiểm tra hiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đường biến dạng chuyển vị, nghiên cứu khảo sát ba trường hợp có vị trí số lượng phần tử hư hỏng khác Trong trường hợp, mô đun đàn hồi giảm 50% phần tử giả định hư hỏng, phần tử cịn lại có thơng số vật liệu tương tự dầm bình thường Vị trí hư hỏng trường hợp khảo sát minh họa Hình (a) Trường hợp (b) Trường hợp Hình Minh họa trường hợp khảo sát KẾT QUẢ 1264 (c) Trường hợp Từ liệu đường biến dạng dầm tải trọng thân tải trọng phân bố sàn gây ra, số bảo tồn chuyển vị DBI tính tốn ứng với trường hợp Các đường biến dạng ứng với cấp giảm mô đun đàn hồi chuẩn hóa Trong đường biến dạng chuẩn hóa trạng thái bình thường khơng có hư hỏng lấy làm đường chuẩn DBI = kết cấu khơng bị hư hại vị trí quan sát, Series1 Series2 Series2 Series3 Series3 Series4 Series4 Vị trí cảm biến Series1 Series5 Series6 Series7 Series8 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9 Series9 Series10 Series10 Series11 Vị trí cảm biến 2-3 1-2 3-4 Series11 10 11 Vị trí cảm biến 3-4 2-3 1-2 0-1 (a) DBI theo phương X (Trường hợp 1) 10 11 0-1 (b) DBI theo phương Y (Trường hợp 1) Series1 Series2 Series2 Series3 Series3 Series4 Series4 Series5 Series6 Series7 Series8 Vị trí cảm biến Series1 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9 Series9 Series10 Series10 Series11 Series11 10 11 Vị trí cảm biến 3-4 2-3 1-2 Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến DBI đạt giá trị cao vị trí hư hỏng Vị trí cảm biến 3-4 2-3 1-2 0-1 (c) DBI theo phương X (Trường hợp 2) 10 11 0-1 (d) DBI theo phương Y (Trường hợp 2) 1265 Series2 Series3 Series3 Series4 Series4 Series5 Series6 Series7 Series8 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9 Series9 Series10 Series10 Series11 Series11 3-4 Vị trí cảm biến 2-3 1-2 Vị trí cảm biến Series1 Series2 Vị trí cảm biến Series1 10 11 3-4 0-1 (e) DBI theo phương X (Trường hợp 3) Vị trí cảm biến 2-3 1-2 10 11 0-1 (f) DBI theo phương Y (Trường hợp 3) Hình Biểu đồ xác định vị trí hư hỏng Hình thể thay đổi số DBI xuất suy giảm độ cứng cục Khi so sánh hai liệu chuyển vị nút trạng thái (trạng thái bình thường), số DBI có giá trị 0, lúc dầm chưa có thay đổi độ cứng cục Khi có phần tử hư hỏng, số DBI lớn dần Biểu đồ số DBI nhô cao lên rõ rệt vị trí có phần tử hư hỏng phân tích đường biến dạng theo phương x y Bên cạnh đó, biểu đồ chẩn đốn DBI vị trí phần tử hư hỏng bê tông cốt thép ứng với trường hợp có hư hỏng hai vị trí phần tử khác Nhìn chung, số DBI thể trạng thái dầm bị hư hỏng xác định vị trí hư hỏng KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, đường biến dạng chịu tải trọng phân bố sử dụng làm liệu đầu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu Chỉ số dựa vào chuyển vị DBI đề xuất nhằm phát suy giảm độ cứng Kết phân tích cho thấy rằng, số DBI chẩn đốn hiệu vị trí phần tử có suy giảm độ cứng BTCT trường hợp có hư hỏng trường hợp có hư hỏng Do đó, có liên hệ suy giảm độ cứng dầm, thể qua thay đổi đường biến dạng số DBI Trong nghiên cứu tiếp theo, yếu tố ảnh hưởng đến độ xác số số lượng điểm lấy chuyển vị, ảnh hưởng nhiễu, loại tải trọng khảo sát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chen X, Zhu H, Chen C (2005) Structural damage identification using test static data based on grey system theory J Zhejiang Univ A 6A:790–796 [2] Dawari VB, Vesmawala GR (2013) Structural damage identification using modal curvature differences 1266 IOSR J Mech Civ Eng 4:33–38 [3] Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using changes in nodal displacement J Civ Struct Health Monit 7:385–403 [4] Miyashita T, Tamada K, Liu C, Iwasaki H, Nagai M (2012) Relationship between damage and change of dynamic characteristic in an existing bridge for vibration-based structural health monitoring J Jpn Soc Civ Eng Ser A1 Struct Eng Earthq Eng 68:367–383 [5] Watanabe G, Tomohiro F, Goto S, Emoto H (2014) Health monitoring and identification of dynamic characteristic of a skewed bridge based on the vibration test using a moving vehicle J Struct Eng A 60A:513– 521 1267 ... hình dạng chuyển vị để phát hư hỏng kết cấu mơ hình dầm bê tông ứng suất trước (PC) Trong báo cáo này, nghiên cứu đề xuất phương pháp giúp chẩn đoán xuất hư hại cấu kiện sàn bê tơng cốt thép giúp... dựa vào chuyển vị nút DBI tính tốn từ liệu đường biến dạng đo Từ số DBI phân tích để xác định vị trí phần tử suy giảm độ cứng kết chẩn đoán hiển thị biểu đồ DBI CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuyển vị dầm tích... bình thường suy giảm chất lượng, Hà Fukada tính tốn DBI xác định vị trí hư hỏng kết cấu Nghiên cứu khảo sát hiệu DBI cho trường hợp bê tông cốt thép (BTCT) Trong nghiên cứu này, để giả định hư