Bài viết Đánh giá các chỉ số cho việc chẩn đoán sự suy giảm độ cứng cho dầm bê tông cốt thép sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị các chỉ số đánh giá hư hỏng tập trung vào những thay đổi trong đường ảnh hưởng chuyển vị của dầm được đề xuất. Đầu tiên, các chỉ số sử dụng các đường ảnh hưởng chuyển vị làm đầu vào được giới thiệu và sử dụng trong nhiều tình huống để xác định các đặc tính hư hỏng của mô hình phần tử hữu hạn của dầm đơn giản.
ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ SỐ CHO VIỆC CHẨN ĐOÁN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA CHUYỂN VỊ Mã Khang, Nguyễn Tấn Niên, Hồ Ngọc Trung Kiên, Phạm Chí Hào* Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: TS Hà Minh Tuấn TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, số phát hư hỏng kết cấu đề xuất cách sử dụng đường ảnh hưởng chuyển vị dầm làm liệu đầu vào quy trình đánh giá Đường ảnh hưởng chuyển vị dùng để đánh giá tính tốn từ kết phân tích ứng xử mơ hình phần tử hữu hạn dầm bê tông cốt thép đơn giản chịu tải trọng di động dầm Dầm bê tông cốt thép mô phần mềm SAP2000 Sau đó, tải trọng di động gán để di động dầm từ vị trí đầu đến vị trí cuối dầm Chuyển vị nút khảo sát xuất ứng với trường hợp tải di động để vẽ đường ảnh hưởng Kết phân tích chuyển vị dầm trước sau giả định hư hỏng ứng với trường hợp tải di động sử dụng để tính tốn số chẩn đốn Từ đó, kết chẩn đốn hư hỏng dầm tính khả thi phương pháp ứng dụng thực tiễn phân tích đánh giá MỞ ĐẦU Dầm cầu trục nhà thép công nghiệp trở nên xuống cấp thời gian sử dụng yếu tố khác phản ứng ăn mịn cốt thép, dẫn đến chức năng, gây nguy hiểm trình vận hành Dầm cầu trục kết cấu chịu lực cầu trục thiết kế dạng hộp giàn không gian Tùy thuộc vào tình trạng hư hỏng, hư hỏng cục dẫn đến rơi vật nặng hỏng tồn Vì vậy, cần phải đánh giá hư hỏng sửa chữa gia cố theo yêu cầu định kỳ 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 vòng 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 1239 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 (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) Tuy nhiên, DBI sử dụng liệu đầu vào có từ tải trọng tĩnh không xét đến tải trọng di động Trong nghiên cứu này, số đánh giá hư hỏng tập trung vào thay đổi đường ảnh hưởng chuyển vị dầm đề xuất Đầu tiên, số sử dụng đường ảnh hưởng chuyển vị làm đầu vào giới thiệu sử dụng nhiều tình để xác định đặc tính hư hỏng mơ hình phần tử hữu hạn dầm đơn giản Sau đó, nghiên cứu thay đổi vị trí hư hỏng để đánh giá hiệu phương pháp PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO CÁC CHỈ SỐ CHUẨN ĐỐN CC, RMSD, MADP Như thể Hình 1, đường ảnh hưởng chuyển vị điểm C dầm đàn hồi thu cách di chuyển liên tiếp tải đơn vị P từ gối A đến gối B Sau đó, với thuộc tính đường ảnh hưởng chuyển vị, từ định lý tương hỗ Maxwell – Betti, chuyển vị điểm C tải đơn vị đặt điểm định có độ lớn với chuyển vị điểm cụ thể tạo tải đơn vị đặt điểm C Trong nghiên cứu này, để giả định dầm hư hại, modun đàn hồi giảm theo cấp độ để khảo sát thay đổi chuyển vị dầm giả định so với dầm bình thường Giả sử tải trọng đơn vị di chuyển từ gối A đến gối B; chuyển vị nút điểm C cho phương trình sau: [𝑥, 𝑢𝑜 ] = [(𝑥1 , 𝑢𝑜1 ), … , (𝑥𝑗 , 𝑢𝑜𝑗 ), … , (𝑥𝑘 , 𝑢𝑜𝑘 )] (1) [𝑥, 𝑢𝑑 ] = [(𝑥1 , 𝑢𝑑1 ), … , (𝑥𝑗 , 𝑢𝑑𝑗 ), … , (𝑥𝑘 , 𝑢𝑑𝑘 )] (2) Trong đó, x vị trí nút xác định dầm, uo/d giá trị chuyển vị dầm bình thường/hư hại (m) Hình Đường ảnh hưởng chuyển vị Chỉ số hư hỏng đại lượng vô hướng, kết việc xử lý so sánh giá trị đường ảnh hưởng chuyển vị có dầm Nó thể khác biệt giá trị có hư hỏng Với điều kiện lý tưởng, 1240 số hư hỏng thể khác giá trị đường ảnh hưởng chuyển vị thay đổi trực tiếp hư hỏng kết cấu bỏ qua tác động yếu tố khác như: tác động môi trường, ảnh hưởng kỹ làm thí nghiệm, sai số thiết bị,…Trong việc tìm hư hỏng kết cấu sử dụng số CC (Correlation Coefficcient), RMSD (Root Mean Square Deviation), MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) 2.1 Chỉ số CC (Correlation Coefficcient) Chỉ số CC (hệ số tương quan) số thống kê đo lường mức độ mạnh yếu mối quan hệ hai biến số Ở ta sử dụng phương pháp độ lệch hệ số tương quan CC để theo dõi thay đổi đường ảnh hưởng chuyển vị hai trạng thái khảo sát Hệ số tương quan có giá trị từ -1.0 đến 1.0 Kết tính lớn 1.0 nhỏ -1 có nghĩa có lỗi phép đo tương quan Hệ số tương quan có giá trị âm cho thấy hai biến có mối quan hệ nghịch biến tương quan âm (nghịch biến tuyệt đối giá trị -1) Hệ số tương quan có giá trị dương cho thấy mối quan hệ đồng biến tương quan dương (đồng biến tuyệt đối giá trị 1) Tương quan cho hai biến độc lập với Chỉ số CC xác định sau: CC = COV(σZ∗ ,σZ ) σZ∗ σZ (3) Trong đó: - Z* ( i ) Z* ( i ) giá trị chuyển vị đo trước sau xảy hư hỏng đường ảnh hưởng thứ I, - σZ σZ độ lệch chuẩn tín hiệu Z* ( i ) Z* ( i ), COV(σZ σZ ) = n ∑ n I=1 (Z∗ ( i ) − Z ∗ ) (Z ( i ) − Z), Với Z∗ , Z giá trị trung bình chuyển vị điểm đường ảnh hưởng 2.2 Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation) Chỉ số RMSD từ lâu sử dụng phổ biến nhiều nghiên cứu để đánh giá hư hỏng nhiều loại kết cấu khác Sun cộng (1995) sử dụng RMSD (root-mean-square deviation: bậc bình phương độ lệch trung bình) tín hiệu hai giai đoạn trước sau hư hỏng xảy để đánh gí hư hỏng kết cấu hệ giàn thép Liang cộng (2016) sử dụng số RMSD đánh giá hư hỏng trượt bê tông kết cấu thép kết cấu bê tơng thép liên hợp RSMD tính tốn từ đường ảnh hưởng chuyển vị điểm đo từ trước sau xảy hư hỏng: 1241 𝑛 ∑ [𝑍 ∗ ( i )−𝑍( i )] 𝐼=1 𝑅𝑀𝑆𝐷 = √ 𝑛 ∑ (4) [𝑍( i )] 𝐼=1 Trong đó: - Z* ( i ) Z* ( i ) trở kháng đo trước sau xảy hư hỏng tần số thứ I, - n: số lượng dải tần số, - RMSD = 0: khơng có hư hỏng, RMSD > 0: xảy hư hỏng 2.3 Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) Giurgiutiui cộng (2002) sử dụng phương pháp thống kê số hư hỏng: Trị tuyệt đối tỷ lệ độ lệch trung bình MAPD (Mean absolute percentage deviation) để đánh giá hư hỏng trịn nhơm Li cộng (2017) sử dụng số MAPD để đánh giá hư hỏng tách lớp sử dụng vật liệu FRP thay cho cốt thép kết cấu BTCT MAPD hai tín hiệu (i=1,2,3…n) trước sau hư hỏng xác định sau: 𝑛 [𝑍 ∗ ( | | 𝑀𝐴𝑃𝐷 = 𝑛 ∑ 𝐼=1 i )−𝑍( i )] [𝑍( i )] | | (5) Trong đó: - Z* ( i ) Z* ( i ) trở kháng đo trước sau xảy hư hỏng tần số thứ I, - Chỉ số so sánh MAPD tương tự RMSD đánh giá độ lệch trung bình điểm truyền tín hiệu riêng lẻ BÀI TỐN ÁP DỤNG Nghiên cứu mơ dầm đơn giản bê tơng cốt thép có chiều dài L = 10m, mặt cắt ngang hình chữ nhật có kích thước bxh = 0.35 x 0.7 m chịu tải trọng di động đơn vị chạy dầm Bê tông mơ vật liệu đàn hồi tuyến tính có mơ đun đàn hồi E = 2.7 × 107 𝑘𝑁/𝑚2; hệ số Poisson v = 0.2 Phần mềm SAP2000 sử dụng để xây dựng mơ hình gán tải trọng di động, từ tính tốn đường ảnh hưởng chuyển vị điểm dầm Trong nghiên cứu này, 11 điểm cách m từ đầu gối tựa A sang gối tựa B chọn để trích xuất đường ảnh hưởng chuyển vị 1242 Đầm có hư hại tạo cách giảm mơ đun đàn hồi hai đoạn nhỏ dầm Hình thể minh họa dầm có hư hại vị trí phần tử số Cụ thể mô đun đàn hồi phần tử thứ bị giảm cịn E = 1.7 × 107 𝑘𝑁/𝑚2 Các phần tử lại giữ nguyên thơng số vật liệu dầm bình thường Để kiểm tra hiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đường ảnh hưởng chuyển vị, nghiên cứu khảo sát hai trường hợp có đặc điểm hư hỏng khác Trường hợp (Case 1) giả định hư hỏng vị trí phần tử thứ 2, lệch phía gối tựa Trường hợp (Case 2) giả định hư hỏng vị trí phần tử cuối nhịp, đầu nhịp (phần tử thứ 2,8) Hình thể kết phân tích đường ảnh hưởng chuyển vị vị trí số dầm khỏe mạnh dầm có giả định hư hại phần tử thứ Khi có liệu thu từ trường hợp ta tiến hành tính tốn, khảo sát số CC (Correlation Coefficcient), RMSD (Root Mean Square Deviation), MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) Hình Sơ đồ dầm đơn giản giả định hư hại vị trí thứ SAP2000 10 11 Chuyển vị (m/kN) -0.00001 -0.00002 -0.00003 -0.00004 -0.00005 -0.00006 -0.00007 Khỏe mạnh Hư hại Khoảng cách (m) Hình Đường ảnh hưởng thu vị trí số dầm khỏe mạnh KẾT QUẢ CHẨN ĐỐN VÀ PHÂN TÍCH Các số đánh giá hư hỏng CC, CCD, RMSD, MAPD xác định theo công thước (4), (5), (6) với liệu đầu vào đáp ứng trở kháng có từ mơ Kết tính tốn số trình bày Hình đến Hình Nhìn chung số đánh giá phản ánh đắn hư hỏng dầm khảo sát Đối với số CC, giá trị nhỏ cho trường hợp có suy giảm độ cứng dầm ngược lại cho trường hợp khơng có hư hỏng Giá trị CC cho kết thấp phân tích liệu đầu vào đường ảnh hưởng chuyển vị thu từ cảm biến gần vị trí giảm độ cứng Trong đó, số RMSD, MAPD giá trị lớn cho trường hợp có hư hỏng nhôm ngược lại cho trường hợp hư hỏng Các số RMSD MAPD cho giá trị nhô cao rõ rệt vị trí giả định hư hỏng Như xuất vị trí 1243 suy giảm độ cứng dầm chẩn đốn thành cơng sử dụng số đánh giá dựa đường ảnh hưởng chuyển vị Chỉ số MAPD có độ nhạy tổn hao ba số lại, giá trị số MAPD trường hợp hư hỏng lớn số lại Kết mô cho thấy số RMSD, MAPD giảm khoảng cách phần tử giảm độ cứng cảm biến tăng lên Chỉ số CC tiến khoảng cách phần tử giảm độ cứng cảm biến tăng lên Từ ta suy cảm biến gần vị trí hư hỏng số đánh giá hư hỏng nhạy Dựa đặc điểm ta áp dụng vào việc định vị vị trí hư hỏng kết cấu theo dõi sức khỏe kết cấu nhiều cảm biến đo chuyển vị gắn vị trí khác kết cấu KẾT LUẬN Cho đến nay, nhiều phương pháp dùng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm nghiên cứu phát triển Trong nghiên cứu này, phương pháp chẩn đoán dựa số CC, RMSD, MADP đề xuất Ba số đánh giá hư hỏng dầm BTCT dựa vào thay đổi tín hiệu chuyển vị có khả chẩn đốn vị trí tương đối phần tử bị giảm độ cứng dầm BTCT Chỉ số RMSD MAPD cho kết chẩn đốn vị trí hư hỏng dầm BTCT tốt số CC trường hợp hư hỏng Nhìn chung, kết thu cho thấy số đánh giá phản ánh xuất vị trí hư hỏng Trong nghiên cứu tiếp theo, ảnh hưởng yếu tố khác số lượng điểm lấy liệu, ảnh hưởng nhiễu phân tích khảo sát 1.0005 1 0.9995 0.9995 0.999 0.999 CC CC 0.9985 0.998 0.9975 0.9985 0.997 0.9965 0.998 0.996 0.9955 0.9975 10 Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến (a) Trường hợp (b) Trường hợp Hình Kết chẩn đoán số CC 1244 10 0.09 0.14 0.08 0.12 0.07 0.10 0.05 RMSD RMSD 0.06 0.04 0.03 0.08 0.06 0.04 0.02 0.02 0.01 0.00 0.00 10 10 Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến (a) Trường hợp (b) Trường hợp Hình Kết chẩn đoán số RMSD 0.08 0.14 0.07 0.12 0.06 0.10 MAPD MAPD 0.05 0.04 0.03 0.08 0.06 0.04 0.02 0.02 0.01 0.00 0.00 10 10 Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến (a) Trường hợp (b) Trường hợp Hình Kết chẩn đoán số MAPD 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] Giurgiutiui V, Zagrai A, Bao JJ (2002) Piezoelectric Wafer Embedded Active Sensors for Aging Aircraft Structural Health Monitoring Structural Health Monitoring, July 2002 [4] Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using changes in nodal 1245 displacement J Civ Struct Health Monit 7:385–403 [5] Li W, Fan S, Wu J (2017) Interfacial debonding detection in fiberreinforced polymer rebar–reinforced concrete using electro-mechanical impedance technique Article in Structural Health Monitoring, · May 2017 [6] Liang Y, Li D, Parvasi SM, Kong Q, Lim I, Song G (2016) Bondslip detection of concrete-encased composite structure using electromechanical impedance technique Smart Mater Struct, 25 [7] 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 [8] Sun FP, Chaudhry Z, Liang C, Rogers CA (1995) Truss structure integrity identification using PZT sensoractuator Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 6(1):134–139 [9] 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 1246 ... hỏng Các số RMSD MAPD cho giá trị nhơ cao rõ rệt vị trí giả định hư hỏng Như xuất vị trí 1243 suy giảm độ cứng dầm chẩn đốn thành cơng sử dụng số đánh giá dựa đường ảnh hưởng chuyển vị Chỉ số MAPD... x vị trí nút xác định dầm, uo/d giá trị chuyển vị dầm bình thường/hư hại (m) Hình Đường ảnh hưởng chuyển vị Chỉ số hư hỏng đại lượng vô hướng, kết việc xử lý so sánh giá trị đường ảnh hưởng chuyển. .. Trong nghiên cứu này, số đánh giá hư hỏng tập trung vào thay đổi đường ảnh hưởng chuyển vị dầm đề xuất Đầu tiên, số sử dụng đường ảnh hưởng chuyển vị làm đầu vào giới thiệu sử dụng nhiều tình để