Bài viết Nghiên cứu sử dụng đường biến dạng để chẩn đoán hư hại trong kết cấu dạng dầm trình bày một phương pháp chẩn đoán chỉ sử dụng đường biến dạng để phát hiện sự giảm độ cứng của dầm bê tông cốt thép. Cách tiếp cận dựa trên mối tương quan giữa đường biến dạng của dầm đo được tại hai trạng hái có hư hỏng và không có hư hỏng.
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐƯỜNG BIẾN DẠNG ĐỂ CHẨN ĐOÁN HƯ HẠI TRONG KẾT CẤU DẠNG DẦM Võ Lý Minh Khang*, Phạm Quốc An*, Dương Ngọc Q*, Nguyễn Đồn Dĩ*, Vũ Xuân Hiệu* 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 dầm bê tông cốt thép Cách tiếp cận dựa mối tương quan đường biến dạng dầm 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 dầm Kết chứng minh DAC sử dụng số đánh giá để xác định xuất hư hỏng Từ khóa: chẩn đốn sức khỏe cơng trình, 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 khơng 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 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 1231 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) Trong báo cáo này, nghiên cứu đề xuất phương pháp giúp chẩn đoán xuất hư hại cấu kiện dạng dầm giúp kỹ sư có phương án giải phá hoại kịp thời Nghiên cứu khảo sát trường hợp kết cấu dầm khác thông qua việc thay đổi vị trí hư hại, mức độ hư hại dầm Kết phương pháp lấy từ số liệu giả định nhiều trường hợp hư hại cho kết cấu dầm đơn giản Qua đó, số bảo tồn chuyển vị (DAC) tính tốn từ liệu đường biến dạng đo Từ số DAC phân tích để xác định xuất suy giảm độ cứng kết chẩn đoán hiển thị biểu đồ Line Chart 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 dầm Giả sử chuyển vị điểm mặt dầm mô tả véc tơ chuyển vị: F = Ku T u = [u1u2 un ] (1) Trong đó: - u : véc tơ chuyển vị tĩnh - K : ma trận độ cứng - F : véc tơ ngoại lực Từ véc tơ chuyển vị u xác định sau: u = K-1F Do đó, 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 khơng cịn tương ứng với trạng thái ban đầu Trong nghiên cứu hệ số DAC (Displacement Assurance Criterion) đề xuất sử dụng cho việc phát giảm độ cứng có xảy 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 1232 2 ∑𝑛 𝑢 𝑗=1 𝐻𝑗 (2) Trong đó: - 𝑢𝐻𝑗 (j = ~ n+1) chuyển vị chuẩn hóa dầm trạng thái ban đầu (dầm chưa bị hư hỏng) - 𝑢𝐷𝑗 (j = ~ n+1) chuyển vị chuẩn hóa dầm trạng thái bị hư hỏng Trong nghiên cứu đường cong chuyển vị dầm chuẩn hóa dầm 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 Nghiên cứu mơ dầm đơn giản bê tơng cốt thép có chiều dài L = 10m (Hình 2), mặt cắt ngang hình chữ nhật có kích thước bxh = 0,4 x 0,7 m chịu tải trọng thân tải trọng phân bố kN/m tác dụng dầm Bê tông 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 dầm trường hợp khảo sát Trong nghiên cứu này, 11 điểm cách m từ đầu gối tựa A sang gối tựa B chọn để trích xuất đường biến dạng chuyển vị Trong nghiên cứu này, dầm có giảm độ cứng cục tạo cách giảm mô đun đàn hồi hai đoạn nhỏ dầm Hình thể minh họa dầm có hư hại vị trí phần tử thứ Cụ thể mơ đun đàn hồi phần tử thứ bị giảm với mức độ từ 10% đến 70% Các phần tử cịn lại giữ ngun thơng số vật liệu dầm bình thường Hình thể đường biến dạng dầm trạng thái bình thường dầm có phần tử thứ giảm mơ đun đàn hồi 70% Hình thể đường biến dạng chuẩn hóa Hình Sơ đồ dầm đơn giản ETABS Hình Sơ đồ dầm đơn giản giả định hư hại vị trí phần tử thứ ETABS 1233 -0.0005 10 -0.001 Chuyển vị (m) -0.0015 -0.002 -0.0025 -0.003 -0.0035 Dầm bình thường Dầm giảm 70% Khoảng cách từ đầu dầm bên trái (m) -0.004 -0.0045 Hình Đường biến dạng dầm khảo sát Khoảng cách từ đầu dầm bên trái (m) 10 Dầm bình thường Dầm giảm 70% Chuyển vị chuẩn hóa 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình Đường biến dạng chuẩn hóa dầm khảo sát 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 hai trường hợp có số lượng phần tử hư hỏng khác Trong trường hợp, mô đun đàn hồi giảm từ 10% đến 70% Trường hợp hư hỏng giả định hư hỏng vị trí phần tử thứ Ở trường hợp hai hư hỏng, hai hư hỏng giả định phần tử thứ phần tử thứ Các trường hợp khảo sát trình bày Bảng Bảng 1: Các trường hợp khảo sát Độ giảm mô đun Mô đun đàn hồi Phần tử đàn hồi (%) phần tử hư hỏng (T/m2) giảm Bình thường 0% 3.00E+06 - 10% 2.70E+06 Trường hợp 1234 20% 2.40E+06 30% 2.10E+06 40% 1.80E+06 5 50% 1.50E+06 60% 1.20E+06 70% 9.00E+05 10% 2.70E+06 4,6 20% 2.40E+06 4,6 10 30% 2.10E+06 4,6 11 40% 1.80E+06 4,6 12 50% 1.50E+06 4,6 13 60% 1.20E+06 4,6 14 70% 9.00E+05 4,6 KẾT QUẢ Từ liệu đường biến dạng dầm tải trọng thân tải trọng gây nứt gây ra, số bảo tồn chuyển vị DAC tính tốn ứng với trường hợp Các đường biến dạng ứng với cấp giảm mơ đun đàn hồi chuẩn hóa Trong đường biến dạng chuẩn hóa trạng thái bình thường khơng 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 1235 0.9998 0.9996 DAC 0.9994 0.9992 0.999 0.9988 0.9986 Một hư hỏng 0.9984 Hai hư hỏng 0.9982 0% 20% 40% 60% Độ giảm mô đun đàn hồi E 80% Hình 6: Liên hệ DAC giảm độ cứng Hình thể thay đổi số DAC dầm xuất suy giảm độ cứng cục với mức độ tăng dần 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 tăng dần giảm mô đun đàn hồi, số DAC giảm dần Biểu đồ số DAC giảm với tăng độ giảm mô đun đàn hồi E, độ giảm cục lớn 40% biểu đồ xu hướng xuống rõ rệt Bên cạnh đó, so sánh số DAC tính từ dầm có giảm độ cứng vị trí vị trí, DAC tính từ đường biến dạng dầm có phần tử hư hỏng có xu hướng lớn DAC trường hợp có vị trí hư hỏng 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 dầm chịu tải trọng phân bố sử dụng làm liệu đầu phương pháp chẩn đốn hư hỏng kết cấu Chỉ số bảo tồn chuyển vị DAC đề xuất nhằm phát suy giảm độ cứng dầm Kết phân tích cho thấy rằng, số DAC chẩn đoán hiệu nhận biết kết cấu có hư hỏng hay không Khi độ giảm mô đun đàn hồi tăng, số DAC giảm dần 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 1236 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 1237 ... hình dạng chuyển vị để phát hư hỏng kết cấu mơ hình dầm bê tơng ứng suất trước (PC) Trong báo cáo này, nghiên cứu đề xuất phương pháp giúp chẩn đoán xuất hư hại cấu kiện dạng dầm giúp kỹ sư có phương... thời Nghiên cứu khảo sát trường hợp kết cấu dầm khác thơng qua việc thay đổi vị trí hư hại, mức độ hư hại dầm Kết phương pháp lấy từ số liệu giả định nhiều trường hợp hư hại cho kết cấu dầm đơn... 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 hai trường hợp có số lượng phần tử hư hỏng khác Trong trường hợp, mô