Xác định tổn hao lực căng cáp cho trụ anten sử dụng đáp ứng trở kháng và mạng nơ ron nhân tạo có xét độ nhạy của miền tần số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHÚC VINH XÁC ĐỊNH TỔN HAO LỰC CĂNG CÁP CHO TRỤ ANTEN SỬ DỤNG ĐÁP ỨNG TRỞ KHÁNG VÀ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO CÓ XÉT ĐỘ NHẠY CỦA MIỀN TẦN SỐ 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 1: PGS.TS Hồ Đức Duy Cán hướng dẫn khoa học 2: TS Đặng Ngọc Lợi Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Đỗ Nguyễn Văn Vương Cán chấm nhận xét 2: TS Thái Sơn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM ngày 13 tháng 01 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Lương Văn Hải Chủ tịch TS Liêu Xuân Quí Thư ký PGS TS Đỗ Nguyễn Văn Vương Phản biện TS Thái Sơn Phản biện TS Nguyễn Phú Cường Ủy viên CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ PHÚC VINH Ngày, tháng, năm sinh: 09/06/1991 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng MSHV: 1970683 Nơi sinh: Đồng Tháp Mã số: 8580201 I TÊN ĐỀ TÀI: Xác định tổn hao lực căng cáp cho trụ anten sử dụng đáp ứng trở kháng mạng nơron nhân tạo có xét độ nhạy miền tần số (Cable force monitoring for guyed mast structures using impedance response and artificial neural network considering frequency spectrum's sensitivity) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu sử dụng đáp ứng trở kháng; Sử dụng mô hình PTHH để mơ vùng neo cáp thực tế trụ anten nhằm xác định tín hiệu trở kháng tổn hao lực căng dây cáp Độ nhạy tín hiệu trở kháng khảo sát miền tần số từ 10-100 kHz Ứng với miền tần số có độ nhạy cao nhất, mạng nơ-ron nhân tạo xây dựng áp dụng để chẩn đoán lực căng dây cáp trụ anten; Độ nhạy tín hiệu trở kháng khảo sát thơng qua trường hợp: (a) vị trí đặt PZT-tấm tương tác, (b) vật liệu PZT tương tác (c) kích thước PZT tương tác III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Cán hướng dẫn 1: PGS.TS Hồ Đức Duy Cán hướng dẫn 2: TS Đặng Ngọc Lợi Tp.HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PGS.TS Hồ Đức Duy TS Đặng Ngọc Lợi TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin cảm ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Hồ Đức Duy TS Đặng Ngọc Lợi hỗ trợ tơi suốt q trình thực luận văn Tơi nhận thấy cịn nhiều lỗ hổng kiến thức thường hay tập trung việc hoàn thành nhiệm vụ mà thầy giao Tuy nhiên, thầy kiên nhẫn dẫn tận tình cho tơi, tạo mơi trường nghiên cứu phù hợp điều kiện dịch bệnh diễn biến phức tạp Điều khiến tơi cảm kích trân trọng thầy từ tận đáy lịng Đồng thời, tơi biết ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn bè nhóm nghiên cứu tạo điều kiện để tơi thực luận văn hoàn thành luận văn theo kế hoạch Trong q trình thực luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý q thầy bạn để tơi có bước điều chỉnh để hoàn thành luận văn cách tốt Tp.HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2022 HỌC VIÊN CAO HỌC Lê Phúc Vinh iii TÓM TẮT XÁC ĐỊNH TỔN HAO LỰC CĂNG CÁP CHO TRỤ ANTEN SỬ DỤNG ĐÁP ỨNG TRỞ KHÁNG VÀ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO CÓ XÉT ĐỘ NHẠY CỦA MIỀN TẦN SỐ Ngày nay, kỹ thuật dự ứng lực sử dụng rộng rãi xây dựng cơng trình kết cấu cầu bê tơng cốt thép hay trạm thu phát sóng (BTS) Trong kết cấu tăng cáp BTS, lực căng cáp yếu tố thể sức khỏe kết cấu Trong trình thi cơng vận hành, lực căng cáp bị tổn hao tức thời thời điểm căng cáp theo thời gian dài trình vận hành kết cấu Khi lực căng cáp tổn hao ngưỡng an tồn, dẫn đến phá hủy phận hay tồn kết cấu Trong khn khổ luận văn thạc sĩ, phương pháp xác định tổn hao lực căng cáp cho trụ anten sử dụng đáp ứng trở kháng mạng nơ-ron nhân tạo có xét độ nhạy miền tần số nghiên cứu Để đạt mục tiêu trên, bước sau thực hiện: 1) Cơ sở lý thuyết phương pháp quan trắc sức khỏe cơng trình dựa vào tín hiệu trở kháng giới thiệu tóm tắt; 2) Mơ hình phần tử hữu hạn bốn loại PZT-tấm nhôm tương tác mơ Tín hiệu trở kháng so sánh với liệu thí nghiệm từ nghiên cứu trước; 3) Năm loại mơ hình khác PZT-tấm tương tác mơ nhằm xác định vị trí đặt sensor cho độ nhạy tín hiệu trở kháng hao tổn lực căng cáp cao Miền tần số phân tích chọn 10-100 kHz; 4) Chương trình khảo sát độ nhạy miền tần số (trong miền 10-100 kHz) đề xuất nhằm xác định khoảng nhạy miền tần số Với miền tần số có độ nhạy cao nhất, mạng nơ-ron nhân tạo huấn luyện áp dụng để xác định lực căng cáp tăng sử dụng; 5) Các đặc trưng vật liệu, kích thước hình học tương tác PZT khảo sát nhằm tối ưu hóa thơng số cho tốn quan trắc sức khỏe kết cấu; 6) Kết luận kiến nghị rút iv ABSTRACT CABLE FORCE MONITORING FOR GUYED MAST STRUCTURES USING IMPEDANCE RESPONSE AND ARTIFICIAL NEURAL NETWORK CONSIDERING FREQUENCY SPECTRUM'S SENSITIVITY Nowadays, the prestressing technique is widely used in construction, such as prestressed reinforced concrete bridges or base transceiver stations (BTS) In the BTS structure, cable tension is one of the main factors representing the structural health conditions Cable tension can be lost due to instantaneous losses at prestressing cable state or long-time losses during the operation process When the cable tension loss is below a control threshold, it can lead to damage to a part or the entire structure In this master thesis, a method for determining cable tension loss of an antenna pole using impedance features and an artificial neural network considering the sensitivity of the frequency ranges is studied To achieve the goal, the following steps are applied: 1) The fundamentals of impedance-based structural health monitoring are briefly introduced; 2) Finite element models of four PZT interfaces are simulated Impedance signals are compared with experimental data from the previously published paper; 3) Five different types of PZT-interface models attached to the monitored structure are simulated to determine damage-sensitive impedance sensor placement under cable force loss in the frequency range of 10-100 kHz; 4) A tool for the determination of sensitive frequency range (analyzing in the 10-100 kHz domain) is proposed The artificial neural network is trained and applied to determine the cable tension loss of the monitored structure using the highest sensitive frequency range (Step 4); 5) The material characteristics and geometrical dimensions of the interface and PZT are investigated in order to optimize these parameters for structural health monitoring; 6) Conclusion and recommendation are drawn v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng việc luận văn thạc sĩ thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Đức Duy TS Đặng Ngọc Lợi Các kết luận văn hoàn toàn với thật chưa công bố nghiên cứu khác, ngoại trừ kết liên quan đến luận văn trích dẫn phần tài liệu tham khảo Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cơng việc thực Tp HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2022 HỌC VIÊN CAO HỌC Lê Phúc Vinh 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 x DANH MỤC CÁC HÌNH xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xv CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Tính cần thiết ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu 1.5 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan phương pháp quan trắc sức khỏe cơng trình 2.2 Ứng dụng phương pháp trở kháng chẩn đoán sức khỏe kết cấu 2.2.1 Nghiên cứu phương pháp trở kháng cho nước 2.2.2 Nghiên cứu phương pháp trở kháng Việt Nam 11 2.2.3 Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (ANN) lĩnh vực chẩn đốn sức khỏe kết cấu cơng trình 12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 3.1 Vật liệu áp điện 14 3.1.1 Giới thiệu 14 3.1.2 Vật liệu áp điện PZT 15 3.2 Phương pháp trở kháng ứng dụng chẩn đoán sức khỏe kết cấu 16 3.2.1 Mơ hình bậc tự PZT-kết cấu chủ 17 3.2.2 Mơ hình bậc tự PZT-tấm tương tác kết cấu chủ 19 vii 3.3 Phương pháp đánh giá tổn hao lực căng cáp sử dụng tín hiệu trở kháng 22 3.3.1 Đánh giá tổn hao lực căng cáp dựa vào số thống kê 22 3.3.2 Đánh giá tổn hao lực căng cáp dùng mạng ANN huấn luyện từ liệu trở kháng 23 3.3.2.1 Tổng quan phương pháp đánh giá lực căng cáp sử dụng mạng ANN 23 3.3.2.2 Giới thiệu mạng nơ-ron nhân tạo 24 3.3.2.3 Mơ hình nơ-ron nhân tạo 25 3.3.2.4 Chẩn đốn hư hỏng thuật tốn trí tuệ nhân tạo sử dụng phần mềm SPSS 27 3.4 Trình tự thực tốn chẩn đốn tổn hao lực căng cáp dùng tín hiệu trở kháng kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo 29 CHƯƠNG CHẨN ĐOÁN TỔN HAO LỰC CĂNG CÁP CỦA TRỤ ANTEN SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG VÀ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO CÓ XÉT ĐỘ NHẠY CỦA MIỀN TẦN SỐ 30 4.1 Bài tốn 1: Tín hiệu trở kháng mơ số so với thí nghiệm 30 4.1.1 Tín hiệu trở kháng từ thí nghiệm PZT-tấm nhơm tương tác 30 4.1.2 Tín hiệu trở kháng từ mơ hình số PZT-tấm nhơm tương tác 31 4.2 Bài toán 2: Ảnh hưởng vị trí đặt PZT-tấm nhơm tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 38 4.2.1 Mô tả kết cấu trụ anten 38 4.2.2 Ảnh hưởng vị trí đặt PZT-tấm nhơm tương tác đến tín hiệu trở kháng 40 4.2.2.1 Mơ hình 1: PZT-tấm nhơm tương tác trịn đặt mặt phẳng ngồi neo 40 4.2.2.2 Mơ hình 2: PZT-tấm nhôm tương tác khuyết lỗ đặt mặt phẳng neo 42 4.2.2.3 Mô hình 3: PZT-tấm nhơm tương tác khuyết lỗ đặt mặt cong neo theo chiều ngang 44 4.2.2.4 Mơ hình 4: PZT-tấm nhơm tương tác khuyết lỗ đặt mặt cong neo theo chiều dọc 47 4.2.2.5 Mơ hình 5: PZT-tấm nhơm tương tác khuyết lỗ gắn tròn 49 4.2.3 Chọn vị trí PZT-tấm nhơm tương tác phù hợp cho việc chẩn đoán tổn hao lực căng cáp 51 4.3 Bài toán 3: Chẩn đoán tổn hao lực căng cáp trụ anten sử dụng trở kháng mạng nơ-ron nhân tạo có xét độ nhạy miền tần số 52 4.3.1 Khảo sát độ nhạy tín hiệu trở khác PZT-tấm nhôm tương tác miền tần số 10-100 kHz 52 viii 4.3.1.1 Tín hiệu trở kháng ứng với tổn hao lực căng cáp F1-F5 52 4.3.1.2 Chương trình khảo sát độ nhạy miền tần số 54 4.3.2 Chẩn đoán tổn hao lực căng cáp mạng ANN 57 4.3.2.1 Huấn luyện 57 4.3.2.2 Kết chẩn đoán tổn hao lực căng cáp mạng ANN 58 4.3.2.3 Ảnh hưởng hàm truyền đến kết chẩn đoán tổn hao lực căng cáp sử dụng mạng ANN 59 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG VẬT LIỆU VÀ KÍCH THƯỚC CỦA PZT-TẤM TƯƠNG TÁC ĐẾN ĐỘ NHẠY CỦA TÍN HIỆU TRỞ KHÁNG 65 5.1 Ảnh hưởng vật liệu kích thước tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 65 5.1.1 Ảnh hưởng vật liệu tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 65 5.1.1.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 65 5.1.1.2 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với loại vật liệu tương tác 66 5.1.1.3 Đánh giá ảnh hưởng vật liệu tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 69 5.1.2 Ảnh hưởng kích thước tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 71 5.1.2.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 71 5.1.2.2 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với chiều dày tương tác 71 5.1.2.3 Đánh giá ảnh hưởng độ dày tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 75 5.2 Ảnh hưởng vật liệu kích thước PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 76 5.2.1 Ảnh hưởng vật liệu PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 76 5.2.1.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 76 5.2.1.2 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với loại cảm biến PZT 78 5.2.1.3 Đánh giá ảnh hưởng loại cảm biến PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 81 5.2.2 Ảnh hưởng kích thước PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 83 5.2.2.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 83 5.2.2.2 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với chiều dày PZT 83 5.2.2.3 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với chiều rộng PZT 85 82 cảm biến PZT có vật liệu khác cho phản ứng gần giống tín hiệu trở kháng Tất trường hợp xuất đỉnh trở kháng chính, Đỉnh (miền tần số 10-15 kHz) Đỉnh (miền tần số 40-45 kHz) Hình 5.16 Tổng hợp tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác ứng với loại cảm biến biến (kết cấu nguyên vẹn) Hình 5.17 thể số RMSD tính tốn từ tín hiệu trở kháng hai trạng thái nguyên vẹn (T0) tổn hao 50% lực căng cáp (T1) sử dụng bốn loại vật liệu khác cảm biến PZT Chỉ số RMSD gần tương đồng sử dụng cảm biến PZT khác phạm vi khảo sát, số RMSD Đỉnh dao động từ 40.3% đến 42.8% số RMSD Đỉnh khoảng 4% Chỉ số RMSD tính tốn từ tín hiệu trở kháng Đỉnh có giá trị lớn nhiều so với Đỉnh nên có độ nhạy cao chẩn đốn sớm hư hỏng Hình 5.17 Tổng hợp số RMSD trường hợp vật liệu PZT khác 83 5.2.2 Ảnh hưởng kích thước PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 5.2.2.1 Mơ hình phần tử hữu hạn Mơ hình cho tốn ảnh hưởng vật liệu PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng trình bày mục 5.1.1.1 Hai kích thước PZT khảo sát bao gồm: (a) chiều dày PZT (hp) (b) chiều rộng PZT (wp) Mơ hình phân tích miền tần số 10-100 kHz, bước tần số 0.1kHz (901 điểm) Hình 5.18 Kích thước vị trí PZT khảo sát ảnh hưởng sensor đến độ nhạy tín hiệu trở kháng 5.2.2.2 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với chiều dày PZT  Tấm PZT dày hp1=0.267 mm Hình 5.19a thể tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác, trường hợp PZT dày hp1=0.267 mm, miền tần số 10-100 kHz ứng với trường hợp lực căng cáp T0=6 kN (kết cấu nguyên vẹn) lực căng cáp T1=3 kN (tổn hao 50%) Như quan sát hình, có đỉnh trở kháng chính, bao gồm Đỉnh (12.1 kHz) Đỉnh (39.7 kHz) thể Hình 5.19b Hình 5.19c Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhơm tương tác dịch chuyển bên trái xuất tổn hao lực căng cáp Chỉ số RMSD áp dụng để tính tốn thay đổi tín hiệu miền tần số Đỉnh (11.5-12.5 kHz) Đỉnh (39.2-40.2 kHz) Kết tính tốn RMSD cho miền tần số 57.5% (Đỉnh 1), 5.4% (Đỉnh 2) Chỉ số RMSD miền tần số 11.5-12.5 kHz (Đỉnh 1) nhạy miền lại Như vậy, trường hợp sử dụng PZT dày 0.267 mm nhạy ứng với thay đổi lực căng cáp vị trí nhạy miền tần số 11.5-12.5 kHz (Đỉnh 1) dùng để so sánh với trường hợp khác 84 (a) Miền tần số 10-100 kHz (b) Đỉnh (11.5-12.5 kHz), RMSD=57.5% (c) Đỉnh (39.2-40.2 kHz), RMSD=5.4% Hình 5.19 Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhơm tương tác với chiều dày PZT 0.267 mm tổn hao lực căng cáp 50%  Tấm PZT dày hp2=0.51 mm Tín hiệu trở kháng trường hợp sử dụng cảm biến có độ dày hp2=0.51 mm thực chương 4, trình bày Hình 4.25, Miền tần số 10-100 kHz có đỉnh, bao gồm Đỉnh (12.03 kHz) Đỉnh (42.13 kHz) Chỉ số RMSD áp dụng để tính tốn thay đổi tín hiệu miền tần số 10100 kHz, Đỉnh (11.5-12.5 kHz) Đỉnh (41.6-42.6 kHz) Kết tính toán RMSD cho miền tần số 21.93% (10-100 kHz), 42.08% (Đỉnh 1), 4.09% (Đỉnh 2)  Tấm PZT dày hp3=1.02 mm Hình 5.20a thể tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác, trường hợp PZT dày hp3=1.02 mm, miền tần số 10-100 kHz ứng với trường hợp lực căng cáp T0=6 kN (kết cấu nguyên vẹn) lực căng cáp T1=3 kN (tổn hao 50%) Như quan sát hình, có đỉnh trở kháng chính, bao gồm Đỉnh (12 kHz) Đỉnh (44.4 kHz) thể Hình 5.20b Hình 5.20c Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác dịch chuyển bên trái xuất tổn hao lực căng cáp 85 Chỉ số RMSD áp dụng để tính tốn thay đổi tín hiệu miền tần số Đỉnh (11.5-12.5 kHz) Đỉnh (43.9-44.9 kHz) Kết tính tốn RMSD cho miền tần số 34.5% (Đỉnh 1), 3.8% (Đỉnh 2) Chỉ số RMSD miền tần số 11.5-12.5 kHz (Đỉnh 1) nhạy miền lại Như vậy, trường hợp sử dụng PZT dày 1.02 mm nhạy ứng với thay đổi lực căng cáp vị trí nhạy miền tần số 11.512.5 kHz (Đỉnh 1) dùng để so sánh với trường hợp khác (a) Miền tần số 10-100 kHz (b) Đỉnh (11.5-12.5 kHz), RMSD=34.5% (c) Đỉnh (43.9-44.9 kHz), RMSD=5.8% Hình 5.20 Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác với chiều dày PZT 1.02 mm tổn hao lực căng cáp 50% 5.2.2.3 Độ nhạy tín hiệu trở tráng tương ứng với chiều rộng PZT  Chiều rộng PZT wp1=10 mm Hình 5.21a thể tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhơm tương tác, trường hợp chiều rộng PZT wp1=10 mm, miền tần số 10-100 kHz ứng với trường hợp lực căng cáp T0=6 kN (kết cấu nguyên vẹn) lực căng cáp T1=3 kN (tổn hao 50%) Như quan sát hình, có đỉnh trở kháng chính, bao gồm Đỉnh (12 kHz) Đỉnh (42.7 kHz) thể Hình 5.21b Hình 5.21c Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác dịch chuyển bên trái xuất tổn hao lực căng cáp 86 Chỉ số RMSD áp dụng để tính tốn thay đổi tín hiệu miền tần số Đỉnh (11.5-12.5 kHz) Đỉnh (42.2-43.2 kHz) Kết tính tốn RMSD cho miền tần số 58.7% (Đỉnh 1), 3.7% (Đỉnh 2) Chỉ số RMSD miền tần số 11.5-12.5 kHz (Đỉnh 1) nhạy miền lại Như vậy, trường hợp sử dụng PZT rộng 10 mm nhạy ứng với thay đổi lực căng cáp vị trí nhạy miền tần số 11.512.5 kHz (Đỉnh 1) dùng để so sánh với trường hợp khác (a) Miền tần số 10-100 kHz (b) Đỉnh (11.5-12.5 kHz), RMSD=58.7% (c) Đỉnh (42.2-43.2 kHz), RMSD=3.7% Hình 5.21 Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác với chiều rộng PZT 10 mm tổn hao lực căng cáp 50%  Chiều rộng PZT wp2=12 mm Tín hiệu trở kháng trường hợp sử dụng cảm biến có chiều rộng PZT wp2=12 mm mm thực chương 4, trình bày Hình 4.25, Miền tần số 10-100 kHz có đỉnh, bao gồm Đỉnh (12.03 kHz) Đỉnh (42.13 kHz) Chỉ số RMSD áp dụng để tính tốn thay đổi tín hiệu miền tần số 10100 kHz, Đỉnh (11.5-12.5 kHz) Đỉnh (41.6-42.6 kHz) Kết tính toán RMSD cho miền tần số 21.93% (10-100 kHz), 42.08% (Đỉnh 1), 4.09% (Đỉnh 2)  Chiều rộng PZT wp3=14 mm 87 Hình 5.22a thể tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhơm tương tác, trường hợp chiều rộng PZT wp3=14 mm, miền tần số 10-100 kHz ứng với trường hợp lực căng cáp T0=6 kN (kết cấu nguyên vẹn) lực căng cáp T1=3 kN (tổn hao 50%) Như quan sát hình, có đỉnh trở kháng chính, bao gồm Đỉnh (12 kHz) Đỉnh (39.3 kHz) thể Hình 5.22b Hình 5.22c Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác dịch chuyển bên trái xuất tổn hao lực căng cáp Chỉ số RMSD áp dụng để tính tốn thay đổi tín hiệu miền tần số Đỉnh (11.5-12.5 kHz) Đỉnh (38.8-39.8 kHz) Kết tính toán RMSD cho miền tần số 32.6% (Đỉnh 1), 2.8% (Đỉnh 2) Chỉ số RMSD miền tần số 11.5-12.5 kHz (Đỉnh 1) nhạy miền lại Như vậy, trường hợp sử dụng PZT rộng 14 mm nhạy ứng với thay đổi lực căng cáp vị trí nhạy miền tần số 11.512.5 kHz (Đỉnh 1) dùng để so sánh với trường hợp khác (a) Miền tần số 10-100 kHz (b) Đỉnh (11.5-12.5 kHz), RMSD=32.6% (c) Đỉnh (38.8-39.8 kHz), RMSD=2.8% Hình 5.22 Tín hiệu trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác với chiều rộng PZT 14 mm tổn hao lực căng cáp 50% 88 5.2.2.4 Đánh giá ảnh hưởng kích thước PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng  Ảnh hưởng chiều dày PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng Hình 5.23 thể so sánh tín hiệu trở kháng loại chiều dày tương tác gồm wp1  0.267 mm , wp2  0.51mm , wp3  1.02 mm Như quan sát hình, sử dụng cảm biến PZT có độ dày khác cho phản ứng khác tín hiệu trở kháng tín hiệu trở kháng có quy luật định Tất trường hợp có đỉnh trở kháng chính, Đỉnh xuất miền tần số 10-15 kHz, Đỉnh xuất tần số 35-55 kHz Khi chiều dày cám biến PZT tăng, Đỉnh dịch chuyển nhỏ (khơng đáng kể), Đỉnh có xu hướng dịch chuyển sang bên phải Hình 5.23 Tổng hợp trở kháng PZT-tấm nhôm tương tác ứng với chiều dày PZT5A (kết cấu nguyên vẹn) Hình 5.24 thể số RMSD tính tốn từ tín hiệu trở kháng đo hai trạng thái nguyên vẹn (T0) tổn hao 50% lực căng cáp (T1) sử dụng loại chiều dày khác cảm biến PZT Chỉ số RMSD giảm cảm biến có chiều dày tăng Đỉnh (từ 57.5% trường hợp hp1 đến 34.5% trường hợp wp3 Đỉnh (từ 5.7% trường hợp wp1 đến 2.4% trường hợp wp3) Chỉ số RMSD tính tốn từ tín hiệu trở kháng Đỉnh có giá trị lớn nhiều so với Đỉnh nên có độ nhạy cao chẩn đốn sớm hư hỏng 89 Hình 5.24 Tổng hợp số RMSD trường hợp chiều dày PZT khác  Ảnh hưởng chiều rộng PZT đến độ nhạy tín hiệu trở kháng Hình 5.25 thể so sánh tín hiệu trở kháng loại chiều rộng PZT, bao gồm a1  10mm , a2  12mm , a3  14mm Như quan sát hình, sử dụng PZT có chiều rộng khác cho phản ứng khác tín hiệu trở kháng tín hiệu trở kháng có quy luật định Tất trường hợp có đỉnh trở kháng chính, Đỉnh xuất miền tần số 10-15 kHz, Đỉnh xuất tần số 35-45 kHz Khi chiều rộng cám biến PZT tăng, Đỉnh dịch chuyển nhỏ (khơng đáng kể), Đỉnh có xu hướng dịch chuyển sang bên trái Hình 5.25 Tổng hợp trở kháng trạng thái ban đầu trường hợp chiều rộng PZT khác Hình 5.26 thể số RMSD tính tốn từ tín hiệu trở kháng đo hai trạng thái nguyên vẹn (T0) tổn hao 50% lực căng cáp (T1) sử dụng loại chiều rộng khác cảm biến PZT Chỉ số RMSD giảm cảm biến có chiều dày tăng Đỉnh (từ 58.7% trường hợp a1 đến 32.6% trường hợp a3) Đỉnh (từ 5.7% trường hợp a1 đến 2.8% trường hợp a3) Chỉ số RMSD tính tốn từ tín hiệu 90 trở kháng Đỉnh có giá trị lớn nhiều so với Đỉnh nên có độ nhạy cao chẩn đoán sớm hư hỏng Hình 5.26 Tổng hợp số RMSD trường hợp chiều rộng PZT khác 5.3 Tóm tắt ảnh hưởng vật liệu kích thước PZT-tấm tương tác đến độ nhạy tín hiệu trở kháng  Ảnh hưởng vật liệu kích thước tương Về vật liệu trở kháng: vật liệu có độ cứng cao (> 70 GPa) sử dụng làm tương tác cho tín hiệu trở kháng với đỉnh trở kháng rõ ràng Vật liệu nhựa PP cho số RMSD nhỏ (xem Hình 5.4) so với loại vật liệu khác Nhựa PP không nhạy tín hiệu trở kháng Nói cách khác, vật liệu nhựa PP không nên sử dụng tương tác đo tín hiệu trở kháng Về độ dày trở kháng: trở kháng có độ dày nhỏ cho tín hiệu trở nhạy lực căng cáp Với điều kiện sản xuất chế tạo nhôm, độ dày trở kháng 0.8 mm khuyến khích sử dụng để làm tăng độ nhảy tín hiệu trở kháng  Ảnh hưởng vật liệu kích thước PZT Về ảnh hưởng loại cảm biến: Hình 5.17 chứng tỏ loại cảm biến khác khơng có khác biệt lớn độ nhạy tín hiệu trở kháng Trong loại cảm biến khác nhau, loại cảm biến 5A hay sử dụng phổ biến giá thành rẻ loại cảm biến khác Hơn nữa, thông số vật liệu cảm biến bị ảnh hưởng điều kiện mơi trường 91 Hình 5.27 So sánh thông số cảm biến loại 5A 5H Nguồn: https://support.piezo.com/article/62-material-properties Về kích thước cảm biến (PZT-5A): (a) Chiều dày cảm biến: Tấm cảm biến có độ dày mỏng cho RMSD có số lớn (Hình 5.24), điều có chứng tỏ loại cảm biến mỏng nên sử dụng cho nhơm tương tác loại cảm biến tốn đặt tương tác có độ dày mm Trường hợp PZT đặt trực tiếp chơn kết cấu (ví dụ kết cấu bê tơng cốt thép) cảm biến có độ dày tăng khả kích thích tác dụng điện áp so với cảm biến mỏng (b) Chiều rộng cảm biến: Tấm cảm biến có chiều rộng nhỏ cho RMSD có số lớn (Hình 5.26) Cần lưu ý rằng, vật liệu cảm biến loại vật liệu dịn (rất dễ vỡ) Kích thước cảm biến nên chọn ~ mm để đảm bảo khả điều kiện chế tạo PZT-tấm tương tác 92 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Từ kết trình bày toán chẩn đoán hao tổn lực căng cáp đánh giá độ nhạy miền tần số ảnh hưởng đặc tính vị trí đặt, loại vật liệu kích thước hình học PZT-tấm tương tác, kết luận sau rút ra: 1) Tín hiệu trở kháng xuất mơ hình PTHH sử dụng cho chẩn đốn đánh giá lực căng cáp Kết mô kiểm chứng so với kết thực nghiệm từ nghiên cứu trước nhằm làm tăng độ tin cậy kết nghiên cứu này; 2) Các mơ hình khác PZT-tấm tương tác kết cấu chủ nghiên cứu Vị trí tối ưu cho đặt PZT-tấm tương tác kết cấu chủ đề xuất (Mơ hình 5); 3) Chương trình khảo sát độ nhạy miền tần số tín hiệu trở kháng đề xuất Đỉnh PZT-tấm nhôm tương tác cho kết nhạy thay đổi lực căng cáp; 4) Mô hình ANN xây dựng áp dụng thành cơng để xác định lực căng cáp trụ anten với sai số tương đối thấp liệu huấn luyện (~7% sai số) 5) Ảnh hưởng vật liệu kích thước hình học PZT-tấm tưởng tác lên độ nhạy tín hiệu trở kháng đánh giá Vật liệu nhôm cho kết tối ưu sử dụng làm tương tác tương tác mỏng tín hiệu trở kháng nhạy Đối với PZT sensor, loại sensor khác không ảnh hưởng lớn đến độ nhạy tín hiệu trở kháng kích thước sensor cho nghiên cứu thích hợp 8x8x0.267 mm 6.2 Kiến nghị Qua nghiên cứu ứng dụng phương pháp trở kháng cho quan trắc lực căng cáp tăng (của kết BTS), kết cho thấy tiềm sử dụng phương pháp việc quan trắc sức khỏe kết cấu Trong tương lai, hướng vấn đề sau cần tiếp tục nghiên cứu phát triển: 1) Nghiên cứu thực nghiệm PZT-tấm tương tác với thơng số tối ưu hóa nhằm kiểm chứng tăng độ tin cậy kết từ mơ hình số; 2) Đánh giá tác động môi trường (sự thay đổi nhiệt độ, tiếng ồn, dao động) đến kết quan trắc lực căng cáp; 3) Mở rộng nghiên cứu ứng dụng phương pháp trở kháng để chẩn đoán loại hư hỏng khác kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] R Mohammadi Ghazi and O Büyüköztürk, "Damage detection with small data set using energy‐based nonlinear features," Structural Control Health Monitoring, vol 23, no 2, pp 333-348, 2016 J T Kim et al., "Vibration-based damage monitoring in model plate-girder bridges under uncertain temperature conditions," Engineering Structures, vol 29, no 7, pp 1354-1365, 2007 J.-J Sinou, "A review of damage detection and health monitoring of mechanical systems from changes in the measurement of linear and non-linear vibrations," Mechanical vibrations: measurement, vol.32, no.2, pp 643-702, 2009 W Fan and P Qiao, "Vibration-based damage identification methods: a review and comparative study," Structural health monitoring, vol 10, no 1, pp 83-111, 2011 G Park et al., "Overview of Piezoelectric Impedance-Based Health Monitoring and Path Forward," Shock and Vibration Digest, vol 35, no 6, pp 451-463, 2003 J T Kim et al., "System identification of a cable-stayed bridge using vibration responses measured by a wireless sensor network," Smart Structures and Systems, vol 11, no 5, pp 533-553, 2013 H Abdel‐Jaber and B Glisic, "Monitoring of prestressing forces in prestressed concrete structures—An overview," Structural Control and Health Monitoring, vol 26, no 8, 2019 D Balageas et al., Structural health monitoring John Wiley & Sons, 2010 S Wang and M Xu, "Modal Strain Energy-based Structural Damage Identification: A Review and Comparative Study," Structural Engineering International, vol 29, no 2, pp 234-248, 2018 T C Huynh et al , "Advances and challenges in impedance-based structural health monitoring," Structural Monitoring and Maintenance, vol 4, no 4, pp 301329, 2017 C Liang et al., "Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems-determination of the actuator power consumption and system energy transfer," Journal of intelligent material systems structures, vol 8, no 4, pp 335343, 1994 X Wang et al., "Electro-mechanical dynamic analysis of the piezoelectric stack," Smart materials structures, vol 5, no 4, p 492, 1996 X Wang et al., "An analytical investigation of static models of piezoelectric patches attached to beams and plates," Smart materials structures, vol 6, no 2, p 204, 1997 V Raju, "Impedance-based health monitoring technique of composite reinforced structure," in Proceedings of the 9th International Conference on Adaptive Structures and Technologies, Cambridge, MA, 1998, 1998, pp 448-457 94 [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] F P Sun et al., "Truss structure integrity identification using PZT sensoractuator," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol 6, no 1, pp 134-139, 1995 A N Zagrai and V Giurgiutiu, "Electro-mechanical impedance method for crack detection in thin plates," Journal of Intelligent Material Systems Structures, vol 12, no 10, pp 709-718, 2001 K.-D Nguyen et al., "Hybrid SHM of cable-anchorage system in cable-stayed bridge using smart sensor and interface," in Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2012, 2012, vol 8345, pp 1253-1262: SPIE T C Huynh and J T Kim, "Impedance-based cable force monitoring in tendonanchorage using portable PZT-interface technique," Mathematical Problems in Engineering, vol 2014, pp 1-11, 2014 J Y Ryu et al., "Tension force estimation in axially loaded members using wearable piezoelectric interface technique," Sensors (Basel), vol 19, no 1, pp 117, Dec 22 2018 T C Huynh et al., "Sensitivity of piezoelectric-based smart interfaces to structural damage in bolted connections," Sensors (Basel), vol 19, 2019 N L Dang, Q Q Pham, and J T Kim, "Piezoelectric‐based hoop‐type interface for impedance monitoring of local strand breakage in prestressed multi‐strand anchorage," Structural Control and Health Monitoring, vol 28, no 1, 2020 K.-D Nguyen and J.-T Kim, "Numerical Simulation of Electro-Mechanical Impedance Response in Cable-Anchor Connection Interlace," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, vol 31, no 1, pp 11-23, 2011 S Baral et al., "Effect of temperature on signatures of piezo sensors for emi technique and its compensation.", Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology Delhi, 2019 T C Huynh et al., "Feasibility verification of mountable PZT-interface for impedance monitoring in tendon-anchorage," Shock and Vibration, vol 2015, pp 1-11, 2015 T C Huynh, "Wireless impedance-based structural health monitoring of civil structures using smart PZT interface technique," Ph.D, Department of Ocean Engineering, Pukyong National University, Korea, 2017 T C Nguyễn, "Mô hình hóa tốn học tốn liên hợp điện áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp thực nghiệm cho vật liệu áp điện," Ph.D, Đại học Khoa học tự nhiên, 2010 T M Ngô, "Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi đánh giá hư hỏng liên kết bulông," Master, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2013 N Đ K Đồn, "Chẩn đốn tổn hao lực căng cáp cho trụ anten sử dụng đáp ứng trở kháng có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ," Master, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2021 V Lopes et al., "Impedance-Based Structural Health Monitoring with Artificial Neural Networks," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol 11, no 3, pp 206-214, 2000 95 [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] J Min et al., "Impedance-based structural health monitoring incorporating neural network technique for identification of damage type and severity," Engineering Structures, vol 39, pp 210-220, 2012 J Min et al., "Impedance-based structural health monitoring using neural networks for autonomous frequency range selection," Smart Materials and Structures, vol 19, no 12, 2010 T K Oh et al., "Nondestructive concrete strength estimation based on electromechanical impedance with artificial neural network," Journal of advanced concrete technology, vol 15, no 3, pp 94-102, 2017 M A Oliveira et al., "Use of Savitzky-Golay Filter for Performances Improvement of SHM Systems Based on Neural Networks and Distributed PZT Sensors," Sensors (Basel), vol 18, no 1, Jan 2018 J Xu et al., "Looseness Monitoring of Bolted Spherical Joint Connection Using Electro-Mechanical Impedance Technique and BP Neural Networks," Sensors (Basel), vol 19, no 8, Apr 22 2019 T V Ngô, "Theo dõi tượng lỏng bu lông chân cột thép sử dụng đáp ứng trở kháng kết hợp với mạng Nơ-ron nhân tạo," Master, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2020 T H T Lưu, "Chẩn đoán tổn hao lực ứng suất trước vùng neo cáp sử dụng đáp ứng trở kháng điện mạng nơ ron nhân tạo," Master, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2020 M H Dương, "Xác định tượng lỏng bu lông chân tháp truyền tải điện sử dụng đáp ứng trở kháng mạng nơ ron nhân tạo," Master, Đại học Bách Khoa TPHCM, 2021 Z L Wang, "Nanostructures of zinc oxide," Materials Today, vol 7, no 6, pp 26-33, 2004 A Kovalovs et al., "Active control of structures using macro-fiber composite (MFC)," Journal of Physics: Conference Series, vol 93, 2007 N L Dang et al., "Piezoelectric skin sensor for electromechanical impedance responses sensitive to concrete damage in prestressed anchorage zone," vol 28, no 6, pp 761-777, 2021 T C Huynh and J T Kim, "Quantitative damage identification in tendon anchorage via PZT interface-based impedance monitoring technique," Smart Structures and Systems, vol 20, no 2, pp 181-195, 2017 N L Dang et al., "Local strand-breakage detection in multi-strand anchorage system using an impedance-based stress monitoring method-feasibility study," Sensors (Basel), vol 19, no 5, Mar 2019 96 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: LÊ PHÚC VINH Ngày, tháng, năm sinh: 09/06/1991 Địa liên lạc: Phường 1, thành phố Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp Điện thoại: 0901090691 Email: lephucvinh@gmail.com Nơi sinh: Đồng Tháp QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2009 – 2014: Kỹ sư Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Tp.HCM 2019 – 2023: Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM