Bài viết Nghiên cứu sử dụng đường biến dạng để chẩn đoán hư hại 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 ĐƯỜNG BIẾN DẠNG ĐỂ CHẨN ĐOÁN HƯ HẠI TRONG BẢN SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP Phan Minh Mỹ*, Phạm Thuận*, Phạm Huỳnh Anh Tuấn*, Nguyễn Hồng Phát* 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 đốn “Chỉ số bảo tồn chuyển vị (DAC)” 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 DAC việc phát hư hỏng Kết chứng minh DAC sử dụng số đánh giá để xác định xuất 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 1255 (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 bảo tồn chuyển vị (DAC) tính tốn từ liệu đường biến dạng đo Từ số DAC phân tích để xác định vị trí phần tử suy giảm độ cứng kết chẩn đoán hiển thị biểu đồ DAC CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong nghiên cứu này, số bảo toàn chuyển vị (DAC) sử dụng để xác định xuất hư hỏng kết cấu dựa vào liệu chuyển vị đo đạc mặt sàn bê tông cốt thép (BTCT) Nếu kết cấu bị phá hoại điều kiện môi trường tải trọng tác dụng, độ cứng kết cấu điều chỉnh lại việc đo đạc chuyển vị kết cấu trạng thái hư hỏng không tương ứng với trạng thái ban đầu Trong nghiên cứu hệ số DAC (Displacement Assurance Criterion) đề xuất sử dụng cho việc phát phần tử suy giảm độ cứng sàn BTCT Hệ số DAC minh họa cho mối quan hệ hai đường cong chuyển vị hai trạng thái khác (∑𝑛 𝑗=1 𝑢𝐷𝑗 𝑢𝐻𝑗 ) DAC = ∑𝑛 𝑗=1 𝑢𝐷𝑗 2 ∑𝑛 𝑢 𝑗=1 𝐻𝑗 (2) Trong đó: - 𝑢𝐻𝑗 (j = ~ n+1) chuyển vị chuẩn hóa dầm trạng thái ban đầu (bản sàn chưa bị hư hỏng) - 𝑢𝐷𝑗 (j = ~ n+1) chuyển vị chuẩn hóa sàn trạng thái bị hư hỏng Trong nghiên cứu đường cong chuyển vị sàn theo hai phương chuẩn hóa sàn khơng có hư hỏng xem xét đường cong tham chiếu Trong trường hợp, hai đường cong khảo sát đồng hệ số DAC=1 Ngược lại, có suy giảm kết cấu hệ số DAC < BÀI TỐN ÁP DỤNG 1256 Nghiên cứu mô ô 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 Hình Minh họa phần tử suy giảm độ cứng ô 1257 -0.0002 -0.0001 10 Vị trí cảm biến 11 Series7 -0.0003 Series5 -0.0004 Series3 Series7 -0.0005 Series1 -0.0001 Chuyển vị (m) -0.0002 Series5 -0.0003 Series3 -0.0004 Series9 Series11 -0.0006 -0.0005 Series9 Series11 -0.0007 -0.0006 Series1 Chuyển vị (m) -0.0007 Vị trí cảm biến (a) Ơ bình thường 10 11 (b) Ơ có phần tử hư hỏng Hình Đường biến dạng 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 (c) Trường hợp Hình Minh họa trường hợp khảo sát KẾT QUẢ Từ liệu đường biến dạng dầm tải trọng thân tải trọng phân bố sàn gây ra, số bảo toàn chuyển vị DAC 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 1258 có hư hỏng lấy làm đường chuẩn Hệ số DAC = nghĩa dầm chưa bị hư hỏng, ngược lại hệ số DAC < dầm có xuất hư hỏng 11 10 Vị trí cảm biến DAC Y DAC X 1.0000 1.0000 1.0000 0.9960 0.9961 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 - 1.000 1.000 0.994 0.996 1.000 1.000 1.000 1.000 10 1.000 11 - (a) Biểu đồ chẩn đoán DAC Trường hợp 11 10 Vị trí cảm biến DAC Y DAC X 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.996 0.994 1.000 1.000 - 1.000 1.000 1.000 1.000 0.996 0.996 1.000 1.000 10 1.000 11 - (b) Biểu đồ chẩn đoán DAC Trường hợp 11 10 Vị trí cảm biến DAC Y DAC X 1.000 1.000 0.992 1.000 1.000 0.996 0.992 0.982 1.000 - 1.000 0.982 1.000 1.000 1.000 0.996 0.992 0.982 10 1.000 (c) Biểu đồ chẩn đoán DAC Trường hợp Hình Biểu đồ xác định vị trí hư hỏng 1259 11 - Hình thể thay đổi số DAC xuất suy giảm độ cứng cục Khi so sánh hai đường biến dạng trạng thái (trạng thái bình thường), số DAC có giá trị 1, lúc dầm chưa có thay đổi độ cứng cục Khi có phần tử hư hỏng, số DAC nhỏ Biểu đồ số DAC giảm 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 DAC vị trí phần tử hư hỏng bê tơng cốt thép ứng với trường hợp có hư hỏng hai vị trí phần tử khác Nhìn chung, số DAC thể trạng thái dầm bị hư hỏng Khi dầm khơng có hư hỏng, số DAC có giá trị 1, sau giảm dần xuất phần tử có suy giảm độ cứng 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 bảo toàn chuyển vị DAC đề xuất nhằm phát suy giảm độ cứng Kết phân tích cho thấy rằng, số DAC 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 DAC 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 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 1260 ... cảm biến (a) Ơ bình thường 10 11 (b) Ơ có phần tử hư hỏng Hình Đường biến dạng CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT Để kiểm tra hiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đường biến dạng chuyển vị, nghiên cứu. .. đầu (bản sàn chưa bị hư hỏng) -