Chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu dầm sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng cải tiến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH QUỐC VIỆT CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG TRONG KẾT CẤU DẦM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NĂNG LƯỢNG BIẾN DẠNG CẢI TIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Hồ Đức Duy Chữ ký:……… Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Trọng Phước Chữ ký:……… Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Châu Đình Thành Chữ ký:……… Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 12 tháng 01 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Ngô Hữu Cường - Chủ tịch hội đồng TS Nguyễn Hồng Ân - Thư ký PGS TS Nguyễn Trọng Phước - Phản biện PGS TS Châu Đình Thành - Phản biện TS Trần Tuấn Nam - Ủy viên CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS TS Ngô Hữu Cường i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH QUỐC VIỆT Ngày, tháng, năm sinh: 23/06/1994 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng MSHV: 2070192 Nơi sinh: TP HCM Mã số: 8580201 I TÊN ĐỀ TÀI: - Tên đề tài tiếng Việt: Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng phương pháp lượng biến dạng cải tiến Tên đề tài tiếng Anh: Damage detection in beam-type structures using an improved modal strain energy method II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mơ phân tích loại kết cấu dầm bị hư hỏng vị trí khác nhau; thu thập đặc trưng dao động tương ứng với trạng thái hư hỏng dầm Ứng dụng hàm xấp xỉ dạng dao động cho trường hợp bị thiếu liệu dạng dao động trường hợp dầm không hư hỏng, để áp dụng phương pháp lượng biến dạng phục vụ công tác chẩn đốn vị trí hư hỏng kết cấu Phân tích đánh giá kết chẩn đốn dựa liệu dạng dao động nội suy từ chuỗi liệu hàm xấp xỉ cho biểu đồ số hư hỏng hiển thị vùng hư hỏng chẩn đoán gần sát với vùng hư hỏng thực tế hạn chế thấp vùng nhiễu nằm ngưỡng hư hỏng Z0 liệu Chẩn đoán hư hỏng cho dầm đơn giản, dầm công xôn dầm liên tục với nhiều kịch hư hỏng khác Kết luận kiến nghị - III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 05/09/2022 18/12/2022 PGS TS Hồ Đức Duy Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) PGS TS Hồ Đức Duy TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Chặn đường để đến hoàn thành luận văn thạc sĩ chặn đường không dễ dàng, đòi hỏi tâm nỗ lực thực học viên, song song với điều khơng thể thiếu nhân tố quan trọng dẫn dắt tận tình giảng viên hướng dẫn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Hồ Đức Duy, người truyền cảm hứng, ln khích lệ, động viên cho tơi lời khuyên quý báu kỹ làm việc hiệu Bên cạnh đó, tơi cịn Thầy gợi ý đề tài nghiên cứu, truyền đạt kiến thức góp ý cách phân tích, nhận định vấn đề, đánh giá kết đạt suốt trình làm luận văn Lời cảm ơn chân thành xin gửi đến quý Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh cung cấp cho kiến thức kinh nghiệm quý giá suốt thời gian học môn học, trang bị cho hành trang vững hành trình nghiên cứu Đồng thời, tơi biết ơn gia đình, bạn bè ln ủng hộ làm chỗ dựa tinh thần cho tơi lúc khó khăn suốt trình học tập thực luận văn Trong trình làm luận văn thạc sĩ khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận dẫn, góp ý q Thầy Cơ bạn Xin trân trọng cảm ơn Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022 HỌC VIÊN CAO HỌC Huỳnh Quốc Việt iii TÓM TẮT Tên đề tài luận văn: “Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng phương pháp lượng biến dạng cải tiến” Ngày nay, phương pháp chẩn đoán sức khỏe kết cấu ngày phổ biến đa dạng Trong đó, lượng biến dạng tiêu có độ nhạy cao tiêu dao động khác chẩn đoán hư hỏng kết cấu Những nghiên cứu trước sử dụng phương pháp lượng biến dạng yêu cầu phải có đầy đủ nguồn liệu trước sau hư hỏng mà việc kết cấu sử dụng thời gian dài, việc tìm lại liệu cơng trình bắt đầu đưa vào sử dụng (dầm trước hư hỏng) vơ khó khăn đặc biệt liệu dạng dao động dầm Để giải khó khăn trên, phương pháp lượng biến dạng cải tiến đề xuất sử dụng hàm xấp xỉ dạng dao động chuẩn hóa trường hợp dầm khơng hư hỏng (giả sử khơng có liệu dạng dao động dầm trước hư hỏng) Dữ liệu dạng dao động dầm sau hư hỏng kết từ việc mơ phân tích kết cấu dầm phần mềm SAP2000 với điều kiện biên khác trường hợp hư hỏng khác Ba loại kết cấu dầm khác dầm đơn giản, dầm công xôn dầm liên tục hai nhịp đưa vào khảo sát với trường hợp hư hỏng giảm độ cứng chống uốn vết nứt hình thành trực tiếp dầm; từ đó, kết số hư hỏng cho vị trí kết cấu (phần tử) đưa chuẩn hóa Bộ số chẩn đoán sử dụng để lựa chọn biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu có kết tốt (chẩn đốn xác vị trí hư hỏng cho vùng chẩn đốn gần sát với vùng hư hỏng thực tế hạn chế thấp vùng nhiễu nằm ngưỡng hư hỏng Z0 liệu) Cuối cùng, kết chẩn đoán phương pháp lượng biến dạng cải tiến so sánh với phương pháp lượng biến dạng thông thường iv ABSTRACT The thesis title: “Damage detection in beam-type structures using an improved modal strain energy method” Nowadays, structural health monitoring methods are more and more popular and diverse In which, modal strain energy is an indicator with higher sensitivity than other vibration-based indicators in structural damage detection Previous studies using the modal strain energy method required adequate pre- and post-damage data sources that the structure has been in use for a long time, the retrieval of data when the construction work starts to be put into use (the beams before being damaged) is extremely difficult, especially for the mode shapes of the beams To address the aforementioned issues, an improved strain energy method based on a normalized approximation function of the mode shape is proposed in the case of undamaged beams (assuming no mode shape data from previous beams is available) The beam mode shape data after damage is the result of an analysis of the beam structure using SAP2000 software with various boundary conditions and damage cases Three different types of beam structures, namely simple beams, cantilever beams, and double-span continuous beams, were investigated, with the damage cases being reduced flexural stiffness and cracks formed directly on the beams; From there, the damage index results for each position on the structure (element) are given and normalized Damage detection indicators are used to select the oscillator damage index chart corresponding to the approximation function from the data series with the best results (precisely diagnose the fault locations so that the diagnostic area is closest to the actual damage area and minimizes the noise area above the damage threshold Z0 in the data set) Finally, the damage detection results of the improved modal strain energy method are compared with those of the normal modal strain energy method v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng việc luận văn thạc sĩ thực hướng dẫn Thầy PGS TS Hồ Đức Duy Các kết luận văn hoàn toàn với thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cơng việc thực Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022 HỌC VIÊN CAO HỌC Huỳnh Quốc Việt vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC .vi DANH MỤC CÁC BẢNG xii DANH MỤC CÁC HÌNH xvii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .xxvi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xxvii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Tầm quan trọng việc theo dõi chẩn đoán kết cấu 1.1.2 Tầm quan trọng việc chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm 1.1.3 Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu 1.1.4 Nguyên nhân hình thành dạng vết nứt dầm 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 10 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 10 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 10 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 10 1.4 Tính cần thiết ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu 11 1.5 Cấu trúc luận văn 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN 14 2.1 Tình hình nghiên cứu nước 14 2.1.1 Các nghiên cứu liên quan đến công tác chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa thay đổi tần số dao động 14 vii 2.1.2 Các nghiên cứu liên quan đến cơng tác chẩn đốn hư hỏng kết cấu dựa thay đổi dạng dao động 15 2.1.3 Các nghiên cứu liên quan đến cơng tác chẩn đốn hư hỏng kết cấu dựa thay đổi độ cong dạng dao động 16 2.1.4 Các nghiên cứu liên quan đến công tác chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa thay đổi lượng biến dạng dạng dao động 17 2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 19 2.2.1 Các nghiên cứu liên quan đến công tác chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa thay đổi đặc trưng dao động 19 2.2.2 Các nghiên cứu liên quan đến cơng tác chẩn đốn hư hỏng kết cấu dựa thay đổi lượng biến dạng dạng dao động 19 2.3 Tổng kết 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 3.1 Phương pháp chẩn đoán dựa vào thay đổi tần số 22 3.1.1 Giới thiệu phương pháp 22 3.1.2 Công thức đánh giá 22 3.2 Phương pháp chẩn đoán dựa vào lượng biến dạng cải tiến 22 3.2.1 Giới thiệu phương pháp 22 3.2.2 Công thức đánh giá 23 3.2.3 Sự thay đổi độ cong dạng dao động vị trí vùng hư hỏng sử dụng hàm xấp xỉ liệu dạng dao động phương pháp lượng biến dạng cải tiến 28 3.2.4 Ảnh hưởng điều kiện biên 31 3.2.5 Các bước tính tốn phương pháp lượng biến dạng cải tiến 33 3.2.6 Lưu đồ tính tốn phương pháp lượng biến dạng cải tiến 36 3.2.7 Diễn giải lưu đồ tính tốn phương pháp lượng biến dạng cải tiến 37 3.2.8 Các bước chẩn đoán hư hỏng dầm phương pháp lượng biến dạng cải tiến 40 3.3 Phương pháp đánh giá độ xác chẩn đốn 41 3.3.1 Ngưỡng hư hỏng 41 3.3.2 Chỉ số chẩn đoán 42 3.4 Ưu điểm hạn chế phương pháp lượng biến dạng cải tiến 46 viii 3.4.1 Ưu điểm 46 3.4.2 Nhược điểm 47 3.5 Phần mềm phân tích 47 CHƯƠNG BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 48 4.1 Bài toán 1: Khảo sát hư hỏng kết cấu dầm đơn giản 49 4.1.1 Thơng số mơ hình dầm đơn giản 49 4.1.2 Mô dầm đơn giản 50 4.1.3 Dạng dao động dầm đơn giản 50 4.1.4 Đánh giá kết phân tích dao động dầm đơn giản 51 4.1.5 Độ giảm tần số trường hợp phân tích 52 4.1.6 Kết chẩn đoán hư hỏng dầm đơn giản sử dụng phương pháp lượng biến dạng cải tiến 55 4.1.6.1 Các biểu đồ số hư hỏng tương ứng với liệu hàm xấp xỉ dạng dao động trường hợp vị trí hư hỏng (cách gối tựa biên bên trái đoạn 7.5m/10m,  (EI) = 5%) 55 4.1.6.2 Kết số chẩn đoán hư hỏng trường hợp vị trí hư hỏng (cách gối tựa biên bên trái đoạn 7.5m/10m,  (EI) = 5%) 57 4.1.6.3 Các biểu đồ số hư hỏng tương ứng với liệu hàm xấp xỉ dạng dao động trường hợp vị trí hư hỏng (cách gối tựa biên bên trái đoạn 5m/10m 7.5m/10m,  (EI) = 5%) 59 4.1.6.4 Kết số chẩn đốn hư hỏng trường hợp vị trí hư hỏng (cách gối tựa biên bên trái đoạn 5m/10m 7.5m/10m,  (EI) = 5%) 61 4.1.6.5 Các biểu đồ số hư hỏng tương ứng với liệu hàm xấp xỉ dạng dao động trường hợp vị trí hư hỏng (cách gối tựa biên bên trái đoạn 2.5m/10m, 5m/10m 7.5m/10m,  (EI) = 5%) 63 4.1.6.6 Kết số chẩn đoán hư hỏng trường hợp vị trí hư hỏng (cách gối tựa biên bên trái đoạn 2.5m/10m, 5m/10m 7.5m/10m,  (EI) = 5%) 66 4.1.7 Lựa chọn biểu đồ số hư hỏng tốt cho toán dầm đơn giản dựa số đánh giá 68 4.1.8 So sánh kết chẩn đoán dạng dao động tổng hợp theo phương pháp lượng biến dạng cải tiến với phương pháp lượng biến dạng 143 PHỤ LỤC Hình PL.1 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.2 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 144 Hình PL.3 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.4 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.5 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 145 Hình PL.6 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.7 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.8 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) 146 Hình PL.9 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.10 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.11 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) 147 Hình PL.12 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.13 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.14 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 148 Hình PL.15 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.16 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.17 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 149 Hình PL.18 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.19 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.20 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) 150 Hình PL.21 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.22 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.23 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) 151 Hình PL.24 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.25 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.26 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 152 Hình PL.27 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.28 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.29 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 153 Hình PL.30 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.31 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.32 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) 154 Hình PL.33 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.34 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.35 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) 155 Hình PL.36 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.37 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) Hình PL.38 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 156 Hình PL.39 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – tốn dầm đơn giản) Hình PL.40 Biểu đồ số hư hỏng dạng dao động tổng hợp tương ứng với hàm xấp xỉ từ chuỗi liệu (trường hợp – toán dầm đơn giản) 157 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: HUỲNH QUỐC VIỆT Ngày, tháng, năm sinh: 23/06/1994 Địa liên lạc: 61 Lý Tuệ, P Tân Quý, Q Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: 090 883 2871 Email: huynhquocvietxd@gmail.com Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO 2012 – 2017: Kỹ sư Xây dựng Dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM 2020 – 2022: Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2017 – 2021: Chun viên kỹ thuật, Phịng kỹ thuật, Cơng Ty Cổ Phần Xây Dựng Đông Nam Á