Phát triển phương pháp năng lượng biến dạng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu tấm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỊ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THANH CAO PHẤT TR1ÉN PHƯƠNG PHẤP NÀNG LƯỢNG BIÉN DẠNG ĐÉ CHẨN ĐOÁN HU HỎNG CHO KẾT CẤƯ TÁM LUẬN ÁN TIẾN Sĩ TP HỊ CHÍ MINH - NÀM 2023 ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THANH CAO PHÁT TR1ẾN PHƯƠNG PHÁP NÀNG LƯỢNG BIẾN DẠNG ĐÉ CHẮN ĐOÁN Hư HỎNG CHO KÉT CÁƯ TÁM Chuyên ngành: Kỳ thuật Xây dựng Mã số chuyên ngành: 9580201 Phân biện độc lập: PGS TS Nguyễn Văn Hiếu Phàn biện độc lập: PGS TS Trần Cao Thanh Ngọc Phán biện: PGS TS Nguyền Vãn Hiếu Phan biện: PGS TS Bùi Quốc Bảo Phản biện: PGS TS Vũ Cơng Hịa NGƯỜI HƯỚNG DẦN: PGS TS HĨ ĐỨC DUY LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận án tơi thực hướng dẫn khoa học PGS TS Hồ Đức Duy chưa đãng tài liệu trước Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, khơng chép tìr nguồn hình thức Việc tham kháo nguồn tài liệu thực trích dần ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chừ ký Lê Thanh Cao TÓM TÁT LUẬN ÁN Kết cấu thành phần quan trọng cua cơng trình dân dụng Trong trình xây dựng vận hành, kết cấu thường xuất khuyết tật hư hông, làm giàm khả chịu lực cơng trình Vi vậy, kết cấu cần giám sát thường xuyên, liên tục nhàm phát hư hong sớm đố đám báo an tồn vận hành bình thưìmg kết cấu Phưomg pháp lượng biến dạng kết hợp với thuật tốn di truyền có khả xác định xuất hiện, vị trí mức độ hư hỏng kết cấu Tuy nhiên, hiệu xác định hư hỏng phương pháp hạn chế, đặc biệt trường hợp da hư hóng, mức độ hư hỏng nhó, hư hỏng nằm biên, Do đó, mục tiêu nghiên cứu phát triển phương pháp lượng biến dạng để chẩn đoán xuất hiện, vị tri mức độ hư hông cho kết cấu hiệu hon Các cải tiến quan trọng thực luận án bao gồm: (1) Phát triển phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa vào lượng biến dạng với tốn có điều kiện bicn khác nhau: ngàm, tựa đơn, tự (2) Cải tiến phương pháp xấp xi lượng biển dạng phần tử để nâng cao độ xác cùa việc xấp xỉ lượng biến dạng phần tư loại bó ánh hương điều kiện biên cách sử dụng phần tứ đẳng tham số chín nút (3) Phát triển phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng dừ liệu dao động trôn vùng hư hong cục đe giám bớt liệu dầu vào dâm bão độ xác cùa kết chẩn đoán (4) Sừ dụng hệ số tương quan dạng dao động hai trạng thái chưa hư hởng có hư hỏng đe chọn dạng dao động cho kết chấn đoán vị trí hư hỏng tốt (5) Phát triển quy trình chấn đoán hư hỏng hai bước để chần đoán vị trí mức độ hư hỏng (6) Cải tiến quy trình chấn đốn mức độ hư hịng bước thứ hai cách sứ dụng thuật toán di truyền lặp (7) Kiểm chứng quy trình chẩn đốn vị trí hư hỏng đề xuát sàn bê tông cốt thép chịu tác dụng cúa tải trọng Các cải tiến kiêm chứng mơ hình mơ phịng số nhôm bê tông với kịch bán đa hư hơng, hư hỏng nhơ hư hóng nam gần biên Ket cho thấy phương pháp lính lượng biến dạng dựa vào phần tư chín nút cho kết chân đốn vị trí hư hóng tốt so với phương pháp dựa vào phần tử bốn nút Đặc biệt, •• 11 phương pháp xấp xỉ lượng biến dạng áp dụng cho với điều kiện biên Ngoài ra, việc chọn các dạng dao đao động có hệ số tương quan lớn đổ làm đầu vào cúa thuật tốn chẩn đốn cho kết q xác định vị trí hư hởng tốt so với việc sừ dụng ngẫu nhiên dạng dao động Các toán kiềm chứng cho thấy quy trình xác định vị trí hư hỏng sử dụng kết hợp phương pháp lượng biến dạng tổng cục cho kết xác định vị trí hư hơng tốt trường hợp chì áp dụng phương pháp lượng biến dạng tổng thể Trong đó, bước tổng the sử dụng ngưỡng hư hỏng 20% giá trị chi số hư hong lớn để xác định vùng hư hóng sơ Bước cục sử dụng ngưỡng hư hóng 30% đê xác định xác phần tứ hư hong xác định bước tổng thể Đối với trường hợp bước thứ nhát chấn đoán dư nhiều phần tử hư hỏng thuật tốn di truyền lặp giúp loại bơ dần phần tử chân đốn sai thơng qua pha thuật tốn di truyền lặp Quy trình chẩn đốn vị trí hư hịng kiểm chứng với sàn bê tông cốt thép làm việc sau giai đoạn đàn hồi Kết cho thấy quy trinh đề xuất xác định xác vị trí xuất vet nứt sàn cấp tái sau vet nứt bat đầu xuất Điều giúp phát sớm hư hỏng ứng dụng quy trinh chấn đoán thực tiền Các kết cùa luận án giúp nâng cao hiệu qua chân đoán xuất hiện, vị trí mức độ hư hỏng kết cấu sớ khoa học cho nghiên cứu việc triển khai hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu ứng dụng thực tiễn ••• ill ABSTRACT Plate structures are essential components of civil engineering projects However, these structures are susceptible to defects and damages during construction and operation, which can reduce their load-bearing capacity Therefore, it is necessary to regularly and continuously monitor the structure to detect structural loss early and ensure the safety and regular operation of the structure The combination of strain energy method and genetic algorithm can determine the occurrence, location, and extent of damage within plate structures However, the effectiveness of this method in detecting structural deterioration is still limited, particularly in cases involving multiple damages, minor damage and damages located at the boundaries Therefore, the aim of this research is to develop an improved strain energy method for efficiently diagnosing the occurrence, location, and extent of damage in plate structures The essential improvements of the doctoral dissertation include the following: (I) Developing a damage identification method based on the modal strain energy method for the plate structure with different boundary conditions (2) Establishing new formulas utilizing the 9-node iso-parametric element enhances accuracy in estimating the modal strain energy value, while eliminating the impact of boundary conditions on the clement strain energy value (3) Enhancing the local damage identification procedure by utilizing only modal data on the local damaged area to reduce the input data while maintaining the accuracy of diagnostic results (4) Calculating a correlation coefficient between the mode shapes in the undamaged and damaged states of the plate to identify modes that provide the most accurate damage location results (5) Developing a two-step procedure for identifying the location and extent of the damage (6) Enhancing the procedure for estimating the extent of damage in the second step by employing an iterative genetic algorithm (7) Verifying the proposed damage location identification procedure on reinforced concrete slabs subjected to to loads These improvements are verified using numerical simulation models of aluminum and concrete slabs, which include complex damage scenarios such as multiple, minor and near-margin damages The results of the damage diagnostics demonstrate that the strain iv energy calculation method based on the 9-node element outperforms the 4-node element-based method in terms of damage location identification Notably, this strain energy approximation can be applied to plates with any boundary conditions Additionally, selecting mode shapes with higher modal assurance criteria values as input for the diagnostic algorithm yields superior results in locating the damage compared to using some first mode shapes The verification problems also demonstrate that the damage location procedure, which combines both the global and local strain energy methods, yields superior results in locating the damage compared to the application of only the global method In the global step, a damage threshold of 20% of the maximum damage index value is utilized to identify preliminary damaged zones Subsequently, the local step employs a damage threshold of 30% to achieve more accurate identification of the damaged elements identified in the global step In cases where the first step determines an excess of damaged elements, the iterative genetic algorithm aids in gradually removing misdiagnosed elements throughout the iterative phases The damage location diagnostic procedure is verified on a reinforced concrete slab operating beyond the elastic period The results demonstrate that the proposed procedure accurately identifies the location ofcracks in the slab as they begin to appear under load Therefore, this diagnostic procedure facilitates early detection of damage in practical applications The findings of this thesis contribute to diagnosing the occurrence, location, and severity of damage in plate structures Furthermore, these results serve as a scientific basis for further studies on the implementation of structural health monitoring systems in practice V LỜI CẢM ƠN Luận án kết cùa trình làm nghiên cứu sinh Trường Đại học Bách khoa, ĐHỌG TP.HCM Nghiên cứu sinh chặng đường nhiều khó khăn, vất vả đồng thời hành trình khám phá khoa học thú vị thử thách đê chinh phục giới hạn thân Trên đường khoa học đó, tơi may mắn nhận giúp đỡ động viên cúa nhiều người Đó động lực to lớn giúp tơi hồn thành luận án Qua đây, xin bày tô biết ơn chân thành đen giúp đờ người Trước hết, tơi xin bày tị lịng biết ơn sâu sẳc đến PGS TS Hồ Đức Duy, người Thầy trực tiếp hướng dẫn đồng hành với suốt trình làm nghiên cứu sinh Thầy gợi mở cho hướng nghiên cứu, tạo điều kiện để phát triển thực ý tương nghiên cứu Chính kiến thức chun sâu tận tình chì bảo cùa Thầy giúp tơi vượt qua khó khăn q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo, người giảng dạy truyền đạt cho kiến thức kỳ cần thiết để có hành trang quý báu đường nghiên cứu Sự tận tụy, tri thức niềm dam mê khoa học cua Thầy Cô tiếp thêm lừa đam mê với công việc nghiên cứu khoa học Tiếp đến, xin gứi lời cám ơn đến Bộ mơn Cơng trình, Ban chù nhiệm Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Phòng Đào tạo Sau đại học thuộc Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP.HCM lạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trinh làm nghiên cứu sinh Ngồi ra, tơi xin thể lòng biết ơn đến hồ trợ trao đổi chuyên môn quý báu thành viên nhỏm nghiên cứu BK.SHM.Lab Thầy Cô Khoa Xây dựng, Trường Đại học Nha Trang thời gian tơi làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, để đến cuối hành trình, khơng thể khơng kể đến động viên, khích lệ đồng hành từ phía gia đình Qua tơi xin the tình cam biết ơn chân thành tới bố mẹ, em, đặc biệt vợ tơi, dành cho hỗ trợ to lớn vật chất tinh thần suốt hành trình làm nghiên cứu sinh vi 2.5 Các kỹ thuật định lượng hư hong 26 2.5.1 Các phương pháp cập nhật mơ hìnhphần tửhữu hạn 26 2.5.2 Các thuật toán tối ưu 28 2.5.3 Các phương pháp học máy(machinelearning) 30 2.5.4 Các phương pháp kết hợp 31 2.6 Các giới hạn khoảng trống nghiên cứu 33 CHƯƠNG 3.1 Cơ SỞ LÝ THUYẾT 36 Phân tích dao động tựdo sư dụng phương pháp phần tứ hữu hạn 36 3.1.1 Phần tử Q4 36 3.1.2 Phần tử Q9 39 3.1.3 Phân tích dao động 41 3.2 Tiêu chuân so sánh dạng dao động (Modal Assurance Criterion: MAC) 44 3.2.1 Công thức xác định MAC 45 3.2.2 ứng dụng tiêu MAC lĩnhvựcchẩn đoán hưhỏng 45 3.3 Phương pháp lượng biến dạng 47 3.3.1 Phương pháp lượng biến dạng tông the (global MSE) 47 3.3.2 Ngưỡng hư hởng (damage threshold) 48 3.3.3 Phương pháp lượng biến dạng cục bộ(local MSE) 50 3.3.4 Phương pháp sai phân trung tâm 51 3.3.5 Phương pháp xấp xỉ lượng biến dạng dựa vào phần tử Ọ4 .52 3.3.6 Phương pháp xấp xỉ lượng biến dạng dựa vào phần tử Q9 .53 3.4 Chỉ số đánh giá kết chẩn đoán phần tử hư hỏng 55 3.4.1 Chi số đánh giá kết chân đốn vùng hư hịng (chi số A) 56 3.4.2 Chi số đánh giá kết chân đoán vùng khơng hư hỏng (chỉsổ B) 56 3.4.3 Chì số đánh giá kểt chân đoán tống thể (chi số C) 57 3.4.4 Chi số đánh giá mức độ chân đoán sai vùng hư hỏng (chỉ so D) 57 3.5 Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm: GA) 58 3.5.1 Khái niệm q trình cùa thuật tốn di truyền 58 3.5.2 Định nghĩa hư hỏng 59 3.5.3 Thơng số thuật tốn di truyền 60 3.6 Thuật toán di truyền lặp (iterative genetic algorithm) 62 ••• vili MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XV DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẤT xvii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xviii CHƯƠNG GIỚI THIỆU Đặt vấn đề 1.1 1.1.1 Lình vực theo dõi chần đoán kết cấu 1.1.2 Phương pháp phát hư hỏng dựa vào đặc trưng dao động 1.1.3 Phương pháp lượng biến dạng 1.1.4 Thuật toán di truyền 1.1.5 Ket cẩu số dạng hư hóng thường gặp 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 10 1.4 Phạm vi nghiên cứu 10 1.5 Tính cần thiết ý nghía thực tiễn 10 1.6 Những đóng góp cua luận án 12 1.7 Cấu trúc cùa luận án 13 CHƯƠNG TÔNG QUAN NGHIÊN cứu 15 2.1 Giới thiệu 15 2.2 Tình hình nghiên cứu tổng quan VBDI 17 2.3 Phân loại 18 2.3.1 Các cấp độ điều khiển sức khỏe kết cấu 18 2.3.2 Phương pháp dựa vào mơ hình khơng dựa vào mơ hình 19 2.4 Các kỳ thuật khoanh vùng hư hóng dựa vào đặc trưng dao động 20 2.4.1 Phương pháp dựa vào thay đôi tần số 20 2.4.2 Phương pháp dựa vào thay đôi dạng dao động 21 2.4.3 Phương pháp dựa vào độ cong dạng dao động 22 2.4.4 Phương pháp dựa vào lượng biến dạng 24 vii Báng Két q chán đốn mức độ hư hịng phân tử sơ 83 Số vịng lặp Phần tư chấn đốn 83 Giá trị hàm mục tiêu Phần từ chan đoán 83 0.049 1.14E-03 1.0 10 15 Mức độ hư hòng (MĐHH) chấn đoán 0.050 0.050 0.050 0.050 1.67E-05 5.39E-07 7.43E-04 5.39E-07 20 Sai sổ chẩn đoán (%) 0.7 0.0 0.0 r 0.0 r Hình Giá trị hàm mục tiêu sai sơ chân đốn phản từ sơ 83 Già định ràng bước thứ chẩn đoán dư phần tử hư hòng, chẳng hạn bước thứ chân đốn bốn phần tử hư hóng tiềm năng: 81, 82, 83, 84 minh họa Hình Trong có phần từ 83 phần tử hư hóng thực tế 153 Phần tử hư hỏng thực tế 81 82 83 84 Phần tử chấn đoán sai \ * •» r Hình Sơ phán tử chân đoán bước thứ nhát Kết chân đoán Bảng cho thấy dù chạy 100 vòng lập giá trị hàm mục tiêu vần lớn (0.2) sai số chấn đoán phần tử 83 đến 51.2% phần tư khác chẩn đoán có hư hỏng dù thực tế khơng hư hơng Như vậy, bước thứ chân đoán dư nhiều phần tứ hư hỏng kết chân đoản khơng xác, hay nói cách khác thuật tốn di truyền khơng hội tụ Ngồi ra, thời gian đố thuật tốn chạy hết 100 vịng lặp 6416 giây, tức khoáng gần Bàng Kêt chân đoán mức độ hư hỏng Phần tử hư hỏng xác định từ bước thứ nhất: 81, 82, 83, 84 Số vịng lặp 50 25 75 Phần tử chân đốn MĐHH chân đoán 81 (0.000) 0.132 0.063 0.063 0.063 82 (0.000) 0.008 0.008 0.040 0.008 0.024 0.024 0.024 83 (0.005) 0.010 84 (0.000) 0.018 0.018 0.018 0.006 Giá trị• hàm mục • 4.02E-01 1.99E-01 1.99E-01 1.99E-01 tiêu Phần tử chẩn đoán Sai số chẩn đoán (%) 83 (0.005) 79.7 51.2 51.2 51.2 100 0.063 0.008 0.024 0.018 I.99E-0I 51.2 Hình cho sau 25 vòng lặp, mức độ hư hịng chân đốn cùa phần tứ khơng thay đổi Trong mức độ hư hỏng phần tử số 82 nhò nhỏ 0.01 Do đó, phần tử loại bỏ khơi pha di truyền thứ hai 154 0.20 T Ofl0.15 ■ ♦-•Phần tử số 83 • •• Phân tữ sộ 82 A- Phần tử số 84 ỉ 0.10 ■ £ 0.05 ■ 0.00 I 25 50 Số vịng lặp 75 100 Hình Sự hội tụ mức độ hư hỏng chân đoản phần tử 82, pha di truyền Hình Sự hội tụ mức độ hư hỏng chán đoán phân tứ 81, pha di truyên Ở pha di truyền tiếp theo, số biến đầu vào lại ba phần tử (phần tử 81, 83, 84) Thuật toán di truyền thực tiếp 100 vòng lặp đổ khảo sát kết chẩn đoán mức độ hư hỏng phần tữ Sau 50 vòng lặp, mức độ hư hỏng chấn đoán cứa phần tữ khơng thay đồi, thể Hình Đồng thời, mức độ hư hịng chân 155 đốn phần tử 81 nhó nhỏ hon 0.01 Do đó, phần tử loại bị khỏi phần tử hư hỏng sơ chạy lại thuật toán di truyền Ớ pha di truyền tiếp theo, số biển dầu vào chí cịn lại hai phần tứ (phần tử 83, 84) Sau chạy thuật toán di truyền 100 vịng lặp, Hình cho thấy mức độ hư hơng cùa phần tử sổ 84 giảm nhanh sau 25 vòng lặp Phần tử tiếp tục loại bo khỏi pha di truyền Khi toán chẩn đoán trở trường hợp bước thứ chân đốn xác phần tử hư hỏng Ket chân đoán hội tụ nhanh mức độ hư hòng thực tế cùa tẩm sau 615 giây 0.14