447 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHUYỂN VỊ NÚT ĐỂ CHẨN ĐOÁN HƯ HẠI TRONG KẾT CẤU DẠNG DẦM Lê Liên Hưng, Nguyễn Phan Nhật Trung, Trần Thanh Phong, Phạm Phương Nam, Hồ Ngọc Sỹ Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công n[.]
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHUYỂN VỊ NÚT ĐỂ CHẨN ĐOÁN HƯ HẠI TRONG KẾT CẤU DẠNG DẦM Lê Liên Hưng, Nguyễn Phan Nhật Trung, Trần Thanh Phong, Phạm Phương Nam, Hồ Ngọc Sỹ Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: TS Hà Minh Tuấn TĨM TẮT Với mục đ ch góp phần vào phương pháp theo dõi sức khỏe cơng trình hiệu quả, báo trình bày phương pháp ước tính sử dụng liệu chuyển vị để phát thiệt hại cơng trình Cách tiếp cận dựa mối tương quan hư hại cơng trình biến đổi thông số đo Cụ thể, số chẩn đoán “Chỉ số chuyển vị (DBI)” sử dụng nhiều trường hợp để xác định tình trạng hư hại Các nghiên cứu thực phương pháp phân tích phần tử hữu hạn để đưa mối tương quan DBI với vị trí thiệt hại Ngoài ra, ảnh hưởng tham số ảnh hưởng đến độ xác phương pháp số lượng phép đo vị trí điểm quan sát kiểm tra Kết chứng minh DBI sử dụng trỏ phù hợp để xác định vị trí hư hại Từ khóa: Chẩn đốn sức khỏe cơng trình, chuyển vị nút, SAP2000, xây dựng 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 Trong báo cáo này, nghiên cứu đề xuất phương pháp giúp chẩn đoán 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 đặt tải, hư hại, mức độ hư hại thông số khác cấu kiện Các trường hợp đặt tải qua loại dầm bản: dầm đơn giản, dầm liên tục, dầm đơn giản có đầu thừa, giả định để khảo sát hiệu phương pháp chẩn đoán hư hại bên cấu kiện dầm Kết phương pháp lấy từ số liệu giả định nhiều trường hợp đặt tải cho loại dầm Qua đó, số chẩn đốn hư hại DBI [1] tính tốn từ liệu chuyển vị nút đo Từ số chuyển vị, DBI phân tích để xác định vị trí hư hại hay phần tử hư hại giả định ban đầu kết chẩn đoán hiển thị biểu đồ Line Chart CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuyển vị dầm tích phân góc xoay ∫ ∫ tính với cơng thức: (1) 447 Trong đó, E modun đ n hồi vật liệu, tỷ lệ nghịch với chuyển vị y, giảm modun đ n hồi khoảng cách chuyển vị tăng lên Trong nghiên cứu này, để giả định dầm hư hại, modun đ n hồi giảm theo cấp độ để khảo sát thay đổi chuyển vị dầm giả định so với dầm bình thường với modun đ n hồi ứng với cấp độ bền bê tơng (xem Hình Hình 2) Từ kết chuyển vị dầm, ma trận chuyển vị dầm xác định sau: [ [ ] ] (2) Trong đó, x vị trí nút xác định dầm, yi/d giá trị chuyển vị dầm bình thường/hư hại (m) Từ ma trận chuyển vị, chệnh lệch giá trị yi yd xác định: | | (3) Với giá trị chênh lệch chuyển vị dầm bình thường dầm giả định hư hại, số vị trí hư hại DBI tính với cơng thức: [ Hình 1: Dầm đơn giản bình thường ] (4) Hình 2: Dầm đơn giản giả định hư hại phần tử thứ 3 DẦM ĐƠN GIẢN 3.1 Sơ đồ tính Dầm mơ phần mềm SAP2000 Mơ hình dài 8m, chia thành phần tử nhau, phần dài m Vật liệu sử dụng bê tông B25 với trọng lượng riêng 2.50 T/m3 (khô cứng tự nhiên) modun đ n hồi E = 30000 MPa Kích thước mặt cắt ngang dầm bxh = 20 x 40 cm Sơ đồ tính Hình với tải tập trung đặt nhịp Hình 3: Mơ hình dầm đơn giản mơ 448 Hình 4: Tiết diện dầm 3.2 Các trường hợp khảo sát Các trường hợp khảo sát trình bày Bảng Trường hợp A2 nhằm xác định khả hư hại phương pháp, giả định dầm hư hại phần tử thứ (Hình 2), modun đ n hồi E đoạn dầm thứ giảm 10% Trường hợp A3 khảo sát khả nhận biết phá hoại phần tử dầm, chẳng hạn phần tử sát gối tựa (phần tử 8) Trường hợp A4 khảo sát hiệu phương pháp tải trọng tác dụng lên dầm 10 kN so với 100 kN ban đầu Để nghiên cứu trường hợp vị trí đặt tải thay đổi, trường hợp A5 khảo sát Mức độ phá hoại dầm thể qua việc khảo sát trường hợp A6 với việc giảm modun đ n hồi xuống nửa so với ban đầu Với tải tập trung, khảo sát việc hư hại xảy bên bên vị trí đặt tải, ứng với trường hợp A7 A8 Trường hợp A9 khảo sát việc phát hư hại dầm đơn giản chịu tải phân bố Bảng 1: Các trường hợp khảo sát với case A1 dầm bình thường Trường Loại tải trọng hợp Độ lớn tải trọng (kN) Số đoạn chia Phần tử hư hại Độ giảm Vị trí đặt tải modun đàn (m) hồi (%) A1 Tải tập trung 100 A2 Tải tập trung 100 10 A3 Tải tập trung 100 8 10 A4 Tải tập trung 10 10 A5 Tải tập trung 100 10 A6 Tải tập trung 100 50 A7 tải tập trung 100 10 A8 tải tập trung 100 10 A9 Phân bố 100 10% 3.3 Kết 3.3.1 Trường hợp A2 Giá trị DBI tính tốn phần mềm Excel cơng thức (4) dựa chênh lệch chuyển vị nút sơ đồ tính Từ sử dụng chức Line Chart Excel để đưa đồ thị DBI dựa giá trị tính tốn từ cơng thức (4) Biểu đồ cho thấy đỉnh đồ thị DBI trùng với vị trí giả định hư hại phần tử thứ Các giá trị DBI vị trí khác thấp Do DBI nhận biết vị trí phá hoại dầm 3.3.2 Trường hợp A3 Thay đổi vị trí phần tử hư hại, giả định hư hại phần tử thứ đoạn dầm sát gối tựa Sau chạy SAP200, xuất chuyển vị nút qua Excel, đưa kết vào cơng thức tính tốn số DBI, sử dụng Line Chart để vẽ đồ thị DBI, đỉnh DBI ứng với vị trí giả định hư hại Vì vậy, DBI xác định phá hoại vị trí dầm 449 3.3.3 Trường hợp A4 Trường hợp tải trọng tác dụng lên dầm thay đổi, chẳng hạn 10 kN, phần tử giả định hư hại vị trí thứ 3, khảo sát khả nhận biết hư hại DBI tải trọng tác dụng lên kết cấu thay đổi Bằng liệu chuyển vị SAP2000 A4 A4BT (dầm đơn giản bình thường chịu tải trọng 10 kN), DBI tính tốn xuất đồ thị, đỉnh DBI ứng với vị trí số Do đó, DBI dự báo hư hại tải trọng 10% so với ban đầu 3.3.4 Trường hợp A5 Để khảo sát khả nhận biết phá hoại DBI thay đổi vị trí tải trọng tác dụng, dầm khai báo với vị trí tải cách vị trí cũ 2m bên phải phần mềm SAP2000, giả định hư hại phần tử thứ 3, A5 so sánh với A5BT (dầm đơn giản bình thường ứng với vị trí đặt tải giống A5) Sau tính tốn, đồ thị DBI đưa đỉnh trùng với vị trí số DBI xác định hư hại với vị trí mà tải trọng tác dụng lên kết cấu 3.3.5 Trường hợp A6 Nâng mức độ hư hại tăng lên, khảo sát khả nhận biết phương pháp cách khai báo modun đ n hồi vật liệu giảm 50% thay giảm 10% so với trường hợp khác, giả định hư hại vị trí thứ Tính tốn giá trị DBI đưa đồ thị có đỉnh ứng với vị trí giả định hư hại Nên DBI nhận biết phá hoại với mức độ phá hoại 3.3.6 Trường hợp A7 Đối với trường hợp dầm đơn giản chịu tải tập trung, khảo sát với trường hợp phần tử hư hại nằm vị trí đặt tải, khai báo SAP2000 dầm bao gồm tải tập trung có độ lớn 100 kN đặt vị trí m m từ gối trái tính qua, phần tử hư hại vị trí thứ 5, nằm tải Chạy chương trình xuất chuyển vị, tính tốn đồ thị DBI (biểu đồ 2) đỉnh cao ứng với đầu đoạn dầm thứ DBI có khả nhận biết hư hại dầm đơn giản chịu tải tập trung Mơ hình A7 so sánh với mơ hình A7BT (dầm bình thường) 3.3.7 Trường hợp A8 Khảo sát khả nhận biết hư hại phương pháp với trường hợp phần tử hư hại đặt bên ngồi vị trí đặt tải Hai tải đặt vị trí m m tính từ gối trái sang phải, phần tử hư hại giả định vị trí thứ Tính tốn xuất biểu đồ DBI biểu đồ với đỉnh đồ thị trùng với vị trí thứ Do đó, DBI có khả nhận biết hư hại nằm lẫn ngồi vị trí đặt tải 3.3.8 Trường hợp A9 Khi dầm chịu tải tải phân bố toàn chiều dài dầm, khảo sát trường hợp A9 với kết cấu dầm đơn giản chịu tải phân bố có độ lớn 100 kN/m Sau tính tốn vẽ đồ thị DBI (Hình 4), số DBI cao ứng với vị trí giả định hư hại Vậy, DBI xác định hư hại trường hợp dầm đơn giản chịu tải phân bố 450 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 DBI DBI 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 x (m) Hình 1: Trường hợp A2 x (m) 8 Hình 2: Trường hợp A7 1.6 1.8 1.4 1.6 1.2 1.4 1.2 DBI DBI 0.8 0.6 0.8 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 x (m) Hình 3: Trường hợp A8 x (m) Hình 4: Trường hợp A9 DẦM LIÊN TỤC 4.1 Sơ đồ tính Dầm gồm nhịp, nhịp m, chia làm đoạn nhau, đoạn dài m, thông số vật liệu, tiết diện dầm giống với dấm đơn giản (Hình 5) Sơ đồ tính dầm liên tục Hình Hình 5: Tiết diện dầm Hình 6: Sơ đồ tính dầm liên tục 4.2 Các trường hợp khảo sát Khảo sát trường hợp lại, không trùng với trường hợp khảo sát dầm đơn giản Lấy gối làm gối đối xứng, khảo sát trường hợp phần tử hư hại nằm phía với vị trị đặt tải, phần tử hư hại nằm ngược phía với vị trí đặt tải Các bước tính tốn giống với việc khảo sát dầm đơn giản 451 4.3 Kết 4.3.1 Trường hợp đoạn dầm hư hại nằm phía vị trí đặt tải Tải tập trung có độ lớn 100kN đặt vị trí cách gối tựa bên trái m, phần tử hư hại giả định đoạn dầm thứ Sau tính tốn, vẽ đồ thị, DBI cho thấy đỉnh trùng vị trí số (Hình 2) Khảo sát DBI hư hại dầm liên tục 4.3.2 Trường hợp phần tử hư hại nằm khác phía với vị trí đặt tải Tiếp tục sử dụng tải tập trung có độ lớn 100 kN, thay đổi vị trí đặt tải, tải đặt vị trí cách gối tựa bên trái m, phần tử hư hại giả định đoạn dầm thứ Chạy chương trình xuất chuyển vị nút tính tốn, Hình Đỉnh biểu đồ đ ng vị trí thứ 2, DBI phát hư 2 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 DBI DBI hại kể hư hại có nằm phía với tải tập trung hay không 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 x (m) Hình 7: Tải nằm phía x (m) Hình 8: Tải nằm ngược phía với đoạn dầm hư hại DẦM ĐƠN GIẢN CÓ ĐẦU THỪA 5.1 Sơ đồ tính Dầm có nhịp dài m, đầu thừa dài m, đoạn dầm chia làm đoạn nhau, đoạn dài m; thông số vật liệu, tiết diện mặt cắt ngang (Hình 9) dầm giống với dầm đơn giản dầm liên tục Sơ đồ tính dầm đơn giản có đầu thừa Hình 10 Hình 9: Tiết diện dầm 452 Hình 10: Sơ đồ tính dầm đơn giản có đầu thừa 5.2 Các trường hợp khảo sát Khảo sát trường hợp đặc biệt dầm đơn giản có đầu thừa, trường hợp tải đặt đầu thừa đo n dầm hư hại nằm bên nhịp dầm, trường hợp tải với phần tử hư hại đặt nhịp dầm Các bước tính tốn giống với dầm đơn giản dầm liên tục 5.3 Kết 5.3.1 Trường hợp tải đặt đầu thừa Đặt tải tập trung có độ lớn 100kN vị trí đầu dầm, phần tử hư hại giả định đoạn dầm thứ nằm bên nhịp dầm Hình 11 đỉnh DBI trùng với vị trí giả định hư hại ban đầu DBI có khả nhận biết phá hoại tải nằm đầu thừa 5.3.2 Trường hợp tải đặt bên nhịp dầm Tải tập trung có độ lớn 100 kN tiếp tục sử dụng thay đổi vị trí đặt tải vào bên nhịp dầm, khoảng cách m so với gối tựa bên trái dầm, phần tử hư hại đoạn dầm thứ Sau tính tốn xuất biểu đồ DBI Hình 12 thể đỉnh DBI trùng vị trí giả định hư hại Do 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 DBI DBI đó, dù tải tập trung có nằm bên hay ngồi nhịp dầm DBI phát hư hại 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 x (m) Hình 11: Tải nằm vị trí đầu thừa x (m) Hình 12: Tải nằm nhịp dầm KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để xác định hư hại kết cấu Dựa vào kết trường hợp khảo sát loại dầm cho thấy vị trí hư hại dựa biểu đồ DBI Từ chứng tỏ hệ số hư hại DBI sử dụng cơng cụ để tìm định vị hư hại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using changes in nodal displacement J Civ Struct Heal Monit 7:385–403 453 ... nhịp dầm KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để xác định hư hại kết cấu Dựa vào kết trường hợp khảo sát loại dầm cho thấy vị trí hư hại dựa biểu đồ DBI Từ chứng tỏ hệ số hư hại DBI sử dụng. .. (2) Trong đó, x vị trí nút xác định dầm, yi/d giá trị chuyển vị dầm bình thường /hư hại (m) Từ ma trận chuyển vị, chệnh lệch giá trị yi yd xác định: | | (3) Với giá trị chênh lệch chuyển vị dầm. .. thường dầm giả định hư hại, số vị trí hư hại DBI tính với cơng thức: [ Hình 1: Dầm đơn giản bình thường ] (4) Hình 2: Dầm đơn giản giả định hư hại phần tử thứ 3 DẦM ĐƠN GIẢN 3.1 Sơ đồ tính Dầm