ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẶNG NGỌC THÚY VY
ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ SỐ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CHO KẾT CẤU DẦM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP
ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA CHUYỂN VỊ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐHQG HCM - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hà Minh Tuấn Chữ ký:
PGS.TS Hồ Đức Duy Chữ ký:
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trần Tuấn Nam Chữ ký:
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Cao Văn Vui Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 11 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có:
1 PGS TS Lương Văn Hải - Chủ tịch
2 TS Nguyễn Thái Bình - Thư ký
3 TS Trần Tuấn Nam - Phản biện 1
4 PGS TS Cao Văn Vui - Phản biện 2
5 PGS TS Châu Đình Thành - Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐẶNG NGỌC THÚY VY MSHV: 2070523
Ngày, tháng, năm sinh: 13/08/1997 Nơi sinh: Tây Ninh
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201
I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị (Evaluation on damage detection indicators for beam-type structures using displacement influence line)
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1 Tìm hiểu và nắm vững phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa vào đường ảnh hưởng của chuyển vị
2 Xây dựng mơ hình dầm bê tông, dầm bê tông cốt thép lần lượt bằng phần mềm phần tử hữu hạn SAP2000 và ANSYS
3 Thu thập kết quả phân tích chuyển vị - tải trọng của dầm, đường ảnh hưởng của chuyển vị ứng với từng trường hợp khảo sát
4 Xác định tình trạng hư hỏng của dầm dựa trên kết quả của phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị
5 Phân tích và đánh giá kết quả 6 Kết luận và kiến nghị
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023
V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HÀ MINH TUẤN PGS.TS HỒ ĐỨC DUY
TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH ĐÀO TẠO
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS Hà Minh Tuấn và PGS.TS Hồ Đức Duy, đã tận tình hướng dẫn và đưa ra đề xuất đầu tiên hình thành ý tưởng của đề tài Các thầy đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ cách đưa ra những nhận định đúng đắn trong vấn đề nghiên cứu và cách giải quyết vấn đề, tiếp cận nghiên cứu một cách hiệu quả Sự tận tâm chỉ bảo là động lực to lớn giúp tơi hồn thành xuất sắc đề cương luận văn của mình
Tơi cũng gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã từng tham gia giảng dạy lớp cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng Các thầy cô đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, đã từng bước hướng dẫn tôi đi vào con đường nghiên cứu khoa học Nếu khơng có sự giúp đỡ của thầy cơ thì chắc chắn chúng ta sẽ khơng có được kiến thức
như ngày hơm nay
Ngồi ra, tơi cũng xin cảm ơn các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực chẩn đốn sức khỏe kết cấu đã có những đóng góp to lớn, cung cấp những kiến
thức, hiểu biết để tôi thực hiện đề tài này
Đề cương Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể khơng có những thiếu sót Kính mong các thầy cô hướng dẫn để em bổ sung kiến thức và hoàn thiện bản thân hơn
Xin trân trọng cảm ơn
TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
Trang 5TÓM TẮT
Tên đề tài luận văn: “Đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị”
Nghiên cứu này trình bày về việc chẩn đoán sức khỏe kết cấu của dầm chịu tải trọng di động thông qua dữ liệu đường ảnh hưởng của chuyển vị Ứng xử của một kết cấu dầm bê tông cốt thép dài 2.2m chịu tải trọng di động được tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Dầm được đánh giá tình trạng hư hỏng với các cấp độ bao gồm chẩn đoán sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng Dữ liệu chuyển vị của dầm ở trạng thái chuẩn (trạng thái chưa hư hỏng) và trạng thái cần đánh giá (trạng thái hư hỏng) truy xuất từ mơ hình tính tốn phục vụ cho cơng tác đánh giá Sau đó,
hai chỉ số Root Mean Square Deviation (RMSD), và Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) được xác định để đánh giá sự tương quan giữa hai đường ảnh
hưởng chuyển vị ở hai trạng thái trên Kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai chỉ số đều giúp xác định sự hiện diện và vị trí của hư hỏng Bên cạnh đó, với mục đích chẩn
đốn được mức độ hư hỏng, hai chỉ số RMSD và MAPD được đề xuất cải tiến thông
Trang 6ABSTRACT
The thesis title: “Evaluation on damage detection indicators for beam-type structures using displacement influence line”
This study aimed to evaluate the structural health of reinforcement beam structures exposed to moving loads using displacement influence line data Initially, the behavior of a 2.2 m long beam exposed to a moving load is estimated using the finite element method in order to analyze the degradation of the beam on three levels: appearance, location, and degree of damage For assessment, the displacement data of the beam in the intact state (undamaged state) and the state to be evaluated (damaged state) are retrieved from the computational model To examine the correlation between two influence lines of beam displacement in the two data
collection states, the Root Mean Square Deviation (RMSD) and Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) indices were generated According to the results of
this study, these indicators help determine the presence and location of damage In addition, for the aim of identifying the degree of damage, it is recommended to
enhance the RMSD and MAPD indices by standardization, charting, damage zoning,
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề cương luận văn do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Hà Minh Tuấn và PGS TS Hồ Đức Duy
Các kết quả của luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác
Tôi xin chịu trách nhiệm về cơng việc thực hiện của mình
TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023
Trang 8MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2
1.2.2 Nội dung nghiên cứu 2
1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu 3
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 5
2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 5
2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 7
2.3 Tổng kết 8
CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
3.1 Giới thiệu phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị 10
3.1.1 Định nghĩa 10
3.1.2 Công tác lấy dữ liệu 11
3.2 Các chỉ số dùng để chẩn đoán hư hỏng 12
3.2.1 Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation) 13
3.2.2 Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) 13
3.2.3 Chỉ số chuẩn hóa XjZ 14
3.3 Xác định mức độ hư hỏng 15
3.3.1 Khoanh vùng hư hỏng 15
3.3.2 Biểu đồ chuẩn hóa 18
3.3.3 Ngưỡng hư hỏng đề xuất 18
3.4 Quy trình chẩn đốn 22
3.5 Phương pháp đánh giá độ chính xác của chẩn đốn 23
3.5.1 Chỉ số A, B, C 23
3.5.2 Chỉ số K (Cohen's Kappa Coefficient) 26
3.6 Mơ hình trong ANSYS 29
3.6.1 Quy trình giải bài tốn cơ bản 29
Trang 93.6.3 Mơ hình vật liệu 30
3.6.4 Phương pháp phân tích 32
CHƯƠNG 4 CÁC BÀI TỐN KHẢO SÁT 34
4.1 Bài toán 1 35
4.1.1 Kịch bản S01 39
4.1.2 Kịch bản S02 44
4.2 Bài tốn 2 46
4.2.1 Thơng số đầu vào 46
4.2.2 Kết quả phân tích tải trọng – chuyển vị 50
4.3 Bài toán 3 51
4.4 Bài toán 4 61
4.5 Bài toán 5 70
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78
5.1 Kết luận 78
5.2 Điểm mới và đóng góp của luận văn 78
5.3 Những điểm cần cải thiện 79
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 80
Trang 10DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Xe nâng và robot trong kho bãi logistics (Nguồn: Internet) 1
Hình 3.1 Minh họa sơ bộ phương pháp chẩn đốn 10
Hình 3.2 Minh họa dầm đơn giản và vị trí đo đạc 11
Hình 3.3 Minh hoạ đường ảnh hưởng của chuyển vị tại vị trí trung điểm của dầm 11Hình 3.4 Thiết bị đo chuyển vị bằng cảm biến thường được sử dụng cho dầm 12
Hình 3.5 Thiết bị đo chuyển vị bằng laser thường được sử dụng cho dầm 12
Hình 3.6 Minh họa sự thay đổi của giá trị thuần sau khi chuẩn hóa 15
Hình 3.7 Các bước khoanh vùng chứa hư hỏng 17
Hình 3.8 Minh họa thành phần giá trị trong biểu đồ chuẩn hóa 18
Hình 3.9 Các trường hợp xét số điểm giao nằm trong vùng nghi vấn hư hỏng 21
Hình 3.10 Sơ đồ khối phương pháp chẩn đốn hư hỏng 23
Hình 3.11 Minh họa chẩn đốn trường hợp 1 24
Hình 3.12 Minh họa chẩn đốn trường hợp 2 26
Hình 3.13 Minh họa chẩn đốn trường hợp 3 26
Hình 3.14 Minh họa mơ hình ma trận nhầm lẫn áp dụng cho nghiên cứu 28
Hình 3.15 Các bước mơ phỏng kết cấu cơng trình bằng ANSYS 29
Hình 3.16 Phần tử khối bê tơng SOLID65 30
Hình 3.17 Phần tử BEAM188 30
Hình 3.18 Mặt phá hoại của bê tơng theo mơ hình William và Warnke (1975) [45] 31
Hình 3.19 Mơ hình ứng suất - biến dạng của cốt thép 32
Hình 3.20 Mơ hình liên kết giữa bê tơng và cốt thép 32
Hình 3.21 Phương pháp lặp Newton-Raphson 33
Hình 4.1 Mơ tả đề bài bài tốn dầm đơn giản phần tử thanh 36
Hình 4.2 Mơ tả hư hỏng bài toán dầm đơn giản phần tử thanh 36
Hình 4.3 Khai báo Path điểm đặt tải và lực đơn vị 37
Hình 4.4 Khai báo trường hợp tải 37
Hình 4.5 Xuất bảng giá trị đường ảnh hưởng 38
Hình 4.6 Đường ảnh hưởng chuyển vị tại vị trí 1.1m của dầm ở các trạng thái ban đầu và có hư hỏng 38
Hình 4.7 Biểu đồ chỉ số RMSD (S01) 39
Hình 4.8 Biểu đồ chỉ số MAPD (S01) 39
Hình 4.9 Biểu đồ độ dốc chỉ số RMSD (S01) 40
Trang 11Hình 4.11 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (S01) 41
Hình 4.12 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (S01) 42
Hình 4.13 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (S02) 44
Hình 4.14 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (S02) 44
Hình 4.15 Hệ thống ghi nhận dữ liệu Trần và cộng sự (2019) [3] 47
Hình 4.16 Thơng số mơ hình dầm thực nghiệm Trần và cộng sự (2019) [3] 47
Hình 4.17 Đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông Kent và Park (1971) [46] 48
Hình 4.18 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu được dùng cho mô hình PTHH 49
Hình 4.19 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của dầm bê tông cốt thép giữa mơ phỏng và thí nghiệm 50
Hình 4.20 Q trình tác dụng tải cho dầm bê tơng cốt thép 51
Hình 4.22 Chiều dài vết nứt trường hợp hư hỏng giữa nhịp 52
Hình 4.23 Biểu đồ chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 53Hình 4.24 Biểu đồ độ lệch chuẩn của chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 54
Hình 4.25 Biểu đồ độ dốc RMSD và MAPD với trường hợp hư hỏng giữa nhịp 55
Hình 4.26 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (M11) 56
Hình 4.27 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (M11) 57
Hình 4.28 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (M12) 57
Hình 4.29 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (M12) 58
Hình 4.30 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (M13) 58
Hình 4.31 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (M13) 59
Hình 4.32 Chiều dài vết nứt trường hợp hư hỏng lệch nhịp 61
Hình 4.33 Biểu đồ độ lệch chuẩn của chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng lệch nhịp 62
Hình 4.34 Biểu đồ chỉ số thuần RMSD và MAPD của trường hợp hư hỏng lệch nhịp 63
Hình 4.35 Biểu đồ độ dốc RMSD và MAPD với trường hợp hư hỏng lệch nhịp 64
Hình 4.36 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (D11) 66
Hình 4.37 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (D11) 66
Hình 4.38 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (D02) 67
Hình 4.39 Kết quả chẩn đốn bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (D02) 68
Hình 4.40 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (D03) 68
Trang 12Hình 4.42 Biểu đồ độ dốc RMSD với kịch bản M13-E 71
Hình 4.43 Biểu đồ độ dốc MAPD với kịch bản M13-E 72
Hình 4.44 Biểu đồ độ dốc RMSD với kịch bản M13-E 72
Hình 4.45 Biểu đồ độ dốc MAPD với kịch bản D11-E 73
Hình 4.46 Kết quả chẩn đốn dầm thơng qua chỉ số chuẩn hóa RMSD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản M13-E 73
Hình 4.47 Kết quả chẩn đốn dầm thơng qua chỉ số chuẩn hóa MAPD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản M13-E 74
Hình 4.48 Kết quả chẩn đốn dầm thơng qua chỉ số chuẩn hóa RMSD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản D11-E 74
Trang 13DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Phân loại đánh giá chỉ số K [43] 27
Bảng 4.1 Tên tương ứng của các kịch bản hư hỏng 34
Bảng 4.2 Thơng số hình học của dầm cho bài toán dầm đơn giản phần tử thanh 35
Bảng 4.3 Thông số về vật liệu 35
Bảng 4.4 Giá trị chuẩn hóa các chỉ số của kịch bản S01 41
Bảng 4.5 Đánh giá dựa trên chỉ số A, B, C của kịch bản S01 42
Bảng 4.6 Đánh giá dựa trên chỉ số K của kịch bản S01 43
Bảng 4.7 Đánh giá dựa trên chỉ số A, B, C và K của kịch bản S02 45
Bảng 4.8 Thơng số hình học của dầm 46
Bảng 4.9 Thông số về vật liệu 47
Bảng 4.10 Các kiểu phần tử sử dụng trong mô phỏng 48
Bảng 4.11 Dữ liệu đường cong ứng suất − biến dạng của bê tông trong ANSYS 49
Bảng 4.12 Giá trị chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 52
Bảng 4.13 Giá trị chuẩn hóa RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 55
Bảng 4.14 Đánh giá dựa vào chỉ số A, B, C và K của trường hợp hư hỏng giữa nhịp 60
Bảng 4.15 Giá trị chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng lệch nhịp 61
Bảng 4.16 Giá trị chuẩn hóa RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng lệch nhịp 64
Bảng 4.17 Đánh giá dựa vào chỉ số A, B, C và K của trường hợp hư hỏng lệch nhịp 69
Bảng 4.18 Kết quả chỉ số thuần và chỉ số chuẩn hóa trường hợp mở rộng 70
Bảng 4.19 Đánh giá dựa trên chỉ số A, B, C và K của trường hợp hư hỏng mở rộng 75
Trang 14DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BA Bat Algorithm
ĐAH Đường Ảnh Hưởng
DBI Displacement Based Index
FN False Negative
FP False Positive
FRP Fiber Reinforced Polymer
KVS Khoanh Vùng Sau
KVT Khoanh Vùng Trước
LVDT Linear Variable Differential Transformer MAPD Mean Absolute Percentage DeviationMSEDI Modal Strain Energy Damage Index
nMSEDI Normalized Modal Strain Energy Indicator PSO Particle Swann Optimization
PTHH Phần Tử Hữu Hạn
RMSD Root Mean Square DeviationSHM Structural Health Monitoring
TLBO Teaching - Learning Based Optimization Algorithm
TN True Negative
Trang 15DANH MỤC KÍ HIỆU
A Độ chính xác vùng nứt
B Độ chính xác vùng khơng nứt
C Độ chính xác tổng thể
Ec Mơ-đun đàn hồi của bê tông
Es Mô-đun đàn hồi của thép
f’c Cường độ chịu nén của bê tông
ft Cường độ chịu kéo của bê tông
fy Giới hạn chảy dẻo của cốt thép IFi
j Tập hợp giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái chưa hư hỏng IFdj Tập hợp giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái đã hư hỏng
K Chỉ số Kappa
L Chiều dài nhịp dầm
Lcrack Chiều dài vùng nứt thực tế
Lpred,in Chiều dài vùng nứt chẩn đoán nằm trong vùng nứt thực tế
Lpred,out Chiều dài vùng nứt chẩn đốn nằm ngồi vùng nứt thực tế
Lo,pred Chiều dài vùng không nứt chẩn đốn đã loại bỏ vùng nứt chẩn đốn nằm ngồi phạm vi vùng nứt thực tế
Lo,crack Chiều dài vùng không nứt thực tế N Tổng thành phần được xét đến
e
P Tỷ lệ giống nhau ngẫu nhiên
(N)
e
P Tỷ lệ đồng thuận ngẫu nhiên cho sự kiện “không xảy ra” là không
hư hỏng
( )Ye
P Tỷ lệ đồng thuận ngẫu nhiên cho sự kiện “xảy ra” là có hư hỏng
o
P Tỷ lệ quan sát hai dữ liệu đều cho kết quả giống nhau (cả hai cùng hư hỏng hoặc không hư hỏng)
Pk Tải di động dọc theo dầm jX Tập hợp giá trị chỉ số thuần oZ Ngưỡng hư hỏng Xj
Trang 16max(Zj) Giá lớn nhất của trị tuyệt đối chỉ số chuẩn hóa dương trong khoanh vùng hư hỏng
n Số lần đo chuyển vị tại điểm đang xét
ijk
u Giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái chưa hư hỏng
djk
u Giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái đã hư hỏng
k
x Tọa độ điểm đặt lực thứ k theo phương x dọc theo dầm
[Xj]
Giá trị trung bình của tập hợp giá trị chỉ số thuần
, 1
i i+
Độ dốc của chỉ số dầm trong đoạn dầm
x
Khoảng cách giữa hai vị trí lấy điểm dữ liệu [Xj]
Độ lệch chuẩn của tập hợp giá trị chỉ số thuần(Zj+)
Trang 17Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề
Khoa học công nghệ trong ngành xây dựng đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ gần đây Một sự thật mà ta không thể phủ nhận là các tòa nhà cao tầng, cầu treo, sân vận động, nhà máy,… không ngừng được xây dựng với quy mô ngày càng lớn hơn Trong công cuộc phát triển kinh tế tồn cầu thì việc ln chuyển hàng hóa trở nên hiệu quả hơn nhờ ứng dụng khoa học công nghệ Một trong các loại cơng trình có cơng năng quan trọng trong việc vận hành hàng hóa trên khắp thế giới là dạng nhà kho phân loại phục vụ công tác logistics trong ngành quản lý chuỗi cung ứng Bằng chứng là rất nhiều kho bãi phục vụ cho các công tác này đang được xây dựng trên khắp thế giới Trong đó, phân loại hàng hóa đều đã được tự động hóa bằng robot nhằm giảm thiểu đối đa nhầm lẫn và việc vận chuyển trong nhà kho sẽ được thực hiện
bởi các xe nâng chuyên dụng (Hình 1.1) Hệ thống thiết bị này có đặc điểm là di
chuyển thường xuyên, chúng gây tác động đến các kết cấu của kho bãi khi giờ đây các cấu kiện như cột, dầm, sàn sẽ chịu tải trọng động ngoài các tĩnh tải thơng thường Bảo trì liên tục các kết cấu của cơng trình là cơng tác thiết yếu để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của chúng
Hình 1.1 Xe nâng và robot trong kho bãi logistics (Nguồn: Internet)
Trang 18thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hư hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ cịn lại của cơng trình, giảm thiểu mọi hậu quả có thể phát sinh
Đánh giá phát hiện hư hỏng kết cấu dựa trên hai phương pháp chính là thí nghiệm phá hủy và thí nghiệm khơng phá hủy Phương pháp thí nghiệm phá hủy được hiểu là thực hiện kiểm tra chất lượng trực tiếp trên các mẫu thử cấu kiện theo nhiều tiêu chí khác nhau để tìm ra hư hỏng, điều này làm cho cấu kiện sau khi thí nghiệm sẽ bị phá hủy hoặc biến dạng Ngược lại, phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy sẽ không làm ảnh hưởng đáng kể cho cấu kiện Phương pháp này có ưu điểm về tính linh hoạt và tiết kiệm chi phí nên ngày càng trở nên phổ biến Cùng với việc phát triển của máy móc, các thiết bị hiện đại có thể giúp ta theo dõi ứng xử của kết cấu với độ chính xác vẫn rất cao mà không cần trực tiếp ở cơng trình Khi cần đánh giá một kết cấu, chỉ cần có dữ liệu thu được từ các cảm biến dao động về tần số, gia tốc, chuyển vị, do đó có thể theo dõi để chẩn đốn kết cấu đang làm việc như thế nào trong điều kiện môi trường thực tế, giúp giải quyết nhanh chóng nếu phát sinh các tình huống bất lợi Trong nghiên cứu này, dầm bê tông cốt thép là đối tượng nghiên cứu chẩn đốn kết cấu thơng qua dữ liệu đường ảnh hưởng (ĐAH) của chuyển vị Các chỉ số đánh giá được sử dụng trong nghiên cứu này không chỉ tập trung vào những thay đổi trong đường ảnh hưởng chuyển vị mà còn từ các chỉ số này phát triển phương pháp cải tiến nhằm xác định chiều dài vùng nứt, đồng nghĩa với đánh giá mức độ hư hỏng Đầu tiên, các chỉ số chẩn đoán sử dụng các đường ảnh hưởng chuyển vị làm dữ liệu đầu vào được khảo sát trong kịch bản dầm có hư hỏng giả định giữa nhịp Sau đó, vị trí cũng như mức độ được thay đổi để khảo sát sự hiệu quả của phương pháp trong việc
chẩn đoán hư hỏng Ngoài ra, bộ ba chỉ số A, B, C [1] và chỉ số K [2] cũng được tính
tốn để đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đốn
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị Sau khi thu thập được dữ liệu ĐAH, các chỉ số đề xuất sẽ được phân tích và đánh giá sự xuất hiện và vị trí của hư hỏng Ngồi ra, luận văn cịn cải tiến các chỉ số để xác định mức độ hư hỏng của kết cấu
1.2.2 Nội dung nghiên cứu
Trang 19- Mô phỏng kết cấu dầm đơn giản chịu tải trọng di động bằng phần mềm SAP2000
- Giả định các trường hợp hư hỏng của các mơ hình SAP2000 bằng cách giảm độ cứng của một hoặc nhiều phần tử
- Áp dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị của từng trường hợp làm dữ liệu đầu vào để chẩn đoán các đặc trưng hư hỏng dựa trên các chỉ số
- Sử dụng phần mềm ANSYS mô phỏng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm của Trần và cộng sự (2019) [3]
- Gia tải cho dầm bê tông cốt thép để tìm được tải gây nứt dầm, so sánh với kết quả với thí nghiệm của Trần và cộng sự (2019) [3]
- Sau đó, gia tải tại các cấp tải khác nhau mục đích tạo ra những hư hỏng khác nhau theo cách tăng tải đến giá trị mong muốn và giảm tải về 0 Tiếp tục giữ nguyên trạng thái dầm để tiếp tục khảo sát
- Tại mỗi cấp tải, sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị cho từng trường hợp làm dữ liệu đầu vào để chẩn đoán các đặc trưng hư hỏng dựa trên các chỉ số
- Phân tích và đánh giá ưu nhược điểm các chỉ số
- Cải tiến các chỉ số để đưa ra kết quả chẩn đốn chính xác hơn - Đưa ra các kết luận và kiến nghị
Trong nghiên cứu này cấu kiện được mơ phỏng là dầm đơn giản có gối tựa cách hai đầu dầm một khoảng bằng nhau Hư hỏng trên dầm được khảo sát và giới hạn trong vùng giữa hai gối tựa Nguyên nhân là do vùng này dễ bị hư hỏng hơn so với các đoạn tự do ở hai đầu dầm Đồng nghĩa, hư hỏng ở hai đoạn đầu dầm không được xét đến trong nghiên cứu này
1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu phổ biến trong ngành xây dựng, xuất hiện ở hầu hết các cơng trình lớn nhỏ Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện quan trọng, đảm bảo độ cứng và ổn định của toàn bộ cơng trình Hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu sử dụng đặc trưng động học của kết cấu để chẩn đốn sức khỏe kết cấu Nhằm mục đích mở rộng cũng như nâng cao phạm vi nghiên cứu trong lĩnh vực này, phương pháp được đề xuất chẩn đoán dựa trên đặc trưng tĩnh học, cụ thể là chuyển vị
Trang 21Chương 2 TỔNG QUAN
Chẩn đoán sức khỏe kết cấu (structural health monitoring – SHM) là một công cụ quan trọng để đảm bảo rằng kết cấu hoạt động hiệu quả trong vòng đời thiết kế và có thể vượt ra ngồi tuổi thọ thiết kế Đã có nghiên cứu chỉ ra rằng chẩn đoán sức khỏe kết cấu được chú trọng từ nhiều năm trước và 20 năm gần đây số lượng nghiên cứu liên quan đã tăng lên đáng kể [4]
2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi
Hai nhóm đối tượng nghiên cứu chính của SHM là ứng xử động học và ứng xử tĩnh học Về mặt nghiên cứu ứng xử động học, một số phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm dựa trên các đặc trưng dao động đã được nghiên cứu và phát triển hiện nay bao gồm: Phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số (frequency change - based damage detection method), dạng dao động (modal assurance criterion), độ cong dạng dao động (mode shape curvature - based damage detection method), độ cứng và tần số (stiffness, frequency change - based damage detection method), năng lượng biến dạng (modal strain energy - based damage detection method),…
Trang 22học Dầm sau đó được chẩn đốn hư hỏng bằng phương pháp mới dựa trên sự sai khác của dạng dao động do tác giả đề xuất Ba năm sau, Dixit và Hanagud [12] đã đề xuất một phương pháp đánh giá hư hỏng trong dầm có liên quan đến năng lượng biến dạng Trong đó, ngồi các thuộc tính dao động (tần số, dạng dao động) tác giả đã xét đến các đặc tính vật lý của kết cấu khi xảy ra hư hỏng như sự suy giảm độ cứng và khối lượng vào phương pháp Sau đó, Cha và Buyukozturk [13] đã kiến nghị một phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu hỗn hợp dựa vào sự thay đổi của năng lượng biến dạng trong kết cấu vào năm 2015 Phương pháp được triển khai áp dụng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu khung không gian bằng thép Phương pháp có khả năng chẩn đốn hư hỏng trong kết cấu khi mới bắt đầu xuất hiện với mức độ hư hỏng còn nhỏ Năm 2019, Khatir và cộng sự [14] trình bày bài tốn chẩn đốn vị trí và mức độ hư hỏng qua hai bước cho kết cấu dầm Tác giả đưa ra phương pháp chẩn đoán vị trí hư hỏng dựa vào chỉ tiêu đánh giá hư hỏng có tên normalized modal strain energy indicator (nMSEDI) Bước tiếp theo, tác giả sử dụng thuật toán teaching - learning based optimization algorithm (TLBO) để chẩn đoán mức độ hư hỏng với hàm mục tiêu xây dựng trên chỉ số nMSEDI Đồng thời, tác giả còn đánh giá thuật toán TLBO với hai thuật toán khác là particle swarn optimization (PSO) và bat algorithm (BA) Kết quả cho thấy thuật tốn TLBO cho kết quả chính xác hơn hai thuật tốn cịn lại với hàm mục tiêu nMSEDI Vào năm 2022, Feng và Liang [15] đã phát triển công nghệ dựa trên hiệu ứng áp điện để chẩn đốn sức khỏe kết cấu Vẫn trong năm đó, nhóm nghiên cứu Li và cộng sự [16] đã giới thiệu phương án tích hợp hệ thống cảm biến sợi quang, cảm biến điện áp, định vị toàn cầu để chẩn đoán sức khỏe kết cấu cầu Zhijiang (Hangzhou, Trung Quốc)
Trang 23pháp mô tả sự thay đổi của chuyển vị tĩnh với bậc tự do định trước bằng cách giảm thiểu sự chênh lệch giữa véc-tơ tải của kết cấu có phá hoại và khơng phá hoại vào năm 2005 Abdo [22] đã thí nghiệm khảo sát các thông số bằng cách sử dụng độ cong đường chuyển vị để xác định vị trí hư hỏng vào năm 2012, kết quả cho thấy rằng sự thay đổi của độ cong đường chuyển vị có thể được sử dụng là một chỉ số hữu hiệu, thậm chí có khả năng chỉ ra vị trí của phần tử bị giảm một lượng nhỏ độ cứng Năm 2016, Das và cộng sự [23] đã hệ thống lại kỹ thuật liên quan tới sự biến đổi dựa vào sự rung động (Vibration-based damage detection techniques) Schommer và cộng sự [24] thực hiện phân tích chuyển vị của dầm bê tơng cốt thép kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ để chẩn đoán sức khỏe kết cấu vào năm 2017 Cùng năm, Ha và Fukada [25] đã giới thiệu chỉ số Displacement-based Index (DBI) như là một phương pháp để xác định hư hỏng sử dụng sự thay đổi hình dạng chuyển vị để phát hiện hư hỏng kết cấu của mơ hình dầm bê tơng ứng suất trước Tuy nhiên, DBI chỉ sử dụng dữ liệu đầu vào có được từ tải trọng tĩnh và không xét đến tải trọng di động Won và cộng sự (2019) [26] thực hiện giám sát chuyển vị bằng máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear Variable Differential Transformer - LVDT) để đánh giá hư hỏng dầm Vẫn trong năm 2019, Ono và cộng sự [27] đã nghiên cứu phân tích phương pháp phát hiện hư hỏng cho bản dầm thép cầu giao thông bằng đường ảnh hưởng của chuyển vị Cũng trong năm này, đường ảnh hưởng của chuyển vị tiếp tục được Maki và cộng sự [28] nghiên cứu để đánh giá sự suy giảm độ cứng của dầm cầu thép ở khu vực miền núi Nghiên cứu đưa ra được kết luận về vị trí xuất hiện hư hỏng, và đánh giá độ cứng tổng thể của dầm Vào năm 2021, Zhang và cộng sự [29] đã công bố phương pháp giám sát chuyển vị kết cấu dựa trên vùng nhận dạng kết hợp hệ thống mạng nơ-ron Gần đây trong năm 2023, Shokravi và cộng sự [30] đã cơng bố phương pháp chẩn đốn hư hỏng của dầm cầu bê tông cốt thép thông qua việc đo lường biến dạng bằng thiết bị laser không dây được gắn trên xe chạy dọc cầu
Tóm lại, lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu đã một lịch sử lâu dài và đến nay các nghiên cứu vẫn đang phát triển bởi tầm quan trọng của việc phòng chống hư hại ngày càng được ưu tiên
2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Trang 24Năm 2012, Hồ và cộng sự [31] đã nghiên cứu dự đốn lực căng trước của bê tơng ứng suất trước bằng đặc trưng dao động và phương pháp đồng nhất Phương pháp sử dụng trở kháng để dò tìm hư hỏng trên dầm cũng được Nguyễn và cộng sự [32] thực hiện và cho kết quả thực nghiệm trên dầm nhôm công-xôn một năm sau đó Năm 2018, Hồ và cộng sự [33] trình bày phương pháp chẩn đốn hư hỏng trong kết cấu dầm với các điều kiện biên khác nhau, sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng được kiến nghị và áp dụng thành cơng cho bài tốn dầm đơn giản và bài tốn dầm cơng-xơn Kết quả phân tích cho thấy, phương pháp chẩn đốn đề xuất có khả năng chẩn đốn chính xác vị trí hư hỏng trong dầm, đặc biệt khi sử dụng dạng dao động thích hợp Hai năm sau, Cao và cộng sự [34] đề xuất một phương pháp chẩn đoán hư hỏng về cả vị trí và mức độ của hư hỏng cho kết cấu tấm thơng qua quy trình chẩn đốn hai bước Trong bước thứ nhất, chỉ tiêu dựa vào sự thay đổi của năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy Damage Index – MSEDI) được sử dụng để chẩn đoán vị trí của hư hỏng Trong bước thứ hai, thuật tốn di truyền được sử dụng để cực tiểu hóa hàm mục tiêu với biến số là véc-tơ mức độ suy giảm chiều dày của các phần tử có khả năng xảy ra hư hỏng đã được cảnh báo từ bước thứ nhất Tính hiệu quả của phương pháp đề xuất được khảo sát và đánh giá thơng qua bài tốn tấm với các kịch bản hư hỏng khác nhau Tiếp tục trong năm đó, Cao và cộng sự [35] đã phát triển phương pháp năng lượng biến dạng để chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm
Bên cạnh những nghiên cứu trên ứng xử động học của kết cấu một số nghiên cứu sử dụng ứng xử tĩnh học của kết cấu được phát triển Năm 2011, Trần và cộng sự [36] trình bày các kết quả kiểm tra thực nghiệm để khẳng định phương pháp xác định vị trí, độ sâu vết nứt của dầm có một hoặc nhiều vết nứt bằng phân tích wavelet các chuyển vị tĩnh hồn tồn có thể dùng trong thực tế Các kết quả nghiên cứu nhận được là cơ sở cho việc xây dựng một phương pháp đơn giản và hiệu quả để xác định vết nứt trong các kết cấu hệ thanh Năm 2021, Nguyễn [37] đã thực hiện nghiên cứu đánh giá sự xuống cấp của dầm bê tông cốt thép sử dụng phương pháp đường chuyển vị
Có thể nói các nghiên cứu về chẩn đốn sức khỏe kết cấu cũng được chú trọng tại Việt Nam Nhưng tổng quan lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu vẫn cần phải phát triển hơn nữa bởi sự quan tâm chỉ đáng kể trong 10 năm gần đây
2.3 Tổng kết
Trang 25cốt thép luôn thể hiện tác động qua lại giữa bê tông và cốt thép, mối quan hệ giữa hai loại vật liệu sẽ gây ra những sai lệch nhất định cho các phương pháp chẩn đoán và dự báo hư hỏng Do đó ngồi việc đánh giá, xem xét lại tính hiệu quả của phương pháp chẩn đoán trên dầm đơn giản được mô phỏng bằng phần tử thanh trong không gian phần tử thanh thì ta cần đánh giá thêm hiệu quả của phương pháp này khi áp dụng lên phần tử dầm được mô phỏng bằng phần tử khối trong không gian phần tử khối
Trang 26Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, vùng nứt dầm bê tông cốt thép được mô phỏng thông qua việc giảm độ cứng cục bộ khi phân tích bằng phần mềm SAP2000 (đối với dầm đồng chất) và gia tải tạo vùng nứt bằng phần mềm ANSYS (đối dầm bê tông cốt thép) Trong thực tế, phương pháp đánh giá bằng đường ảnh hưởng của chuyển vị được thu nhập dữ liệu từ các cảm biến, thông thường thiết bị được sử dụng là chuyển
vị kế Sau khi tiến hành đo đạc và thu thập dữ liệu đường ảnh hưởng, chỉ số RMSD và MAPD được tính tốn rồi cải tiến, để áp dụng cho phương pháp chẩn đoán đề xuất
Các bước trong phương pháp được mơ tả sơ bộ trong Hình 3.1 Cuối cùng, độ chính
xác của phương pháp chẩn đoán hư hỏng đề xuất được đánh giá dựa trên các chỉ số đánh giá khác nhau đã được giới thiệu từ các nghiên cứu trước
Hình 3.1 Minh họa sơ bộ phương pháp chẩn đoán
3.1 Giới thiệu phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị 3.1.1 Định nghĩa
Đường biểu thị các giá trị của một đại lượng bất kỳ (phản lực, mô-men, lực cắt, lực dọc hoặc chuyển vị) tại một vị trí nào đó khi một tải trọng tập trung bằng đơn vị có phương và chiều không đổi di chuyển trên kết cấu gọi là đường ảnh hưởng Nghiên cứu này sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị để làm dữ liệu đầu vào cho việc
khảo sát vùng nứt trong cấu kiện Hình 3.3 miêu tả chiều chuyển động, tọa độ điểm
đặt lực và hình dạng đường ảnh hưởng của chuyển vị tại trung điểm của dầm được sử dụng trong nghiên cứu này
Chuyển vị nút tại điểm jcủa dầm chịu tải trọng di động Pkdịch chuyển theo tọa độ x của dầm ở trạng thái ban đầu và trạng thái hư hỏng lần lượt được cho bởi k
Trang 2711221( )(1)
IFij =[ ,x ukijk] [( ,= x uij ),( ,x uij ), ,(xn+,uij n+ )] (3.1)
11221( )(1)
IFdj =[ ,x ukdjk] [( ,= x udj ),( ,x udj ), ,(xn+,udj n+ )] (3.2) Trong đó:
• x : tọa độ điểm đặt lực của tải di động Pkk;
• uijk( ,j k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái ban đầu; 1 n 1)
• d ( , 1 1)
jk
uj k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái hư hỏng n
Hình 3.2 Minh họa dầm đơn giản và vị trí đo đạc
Hình 3.3 Minh hoạ đường ảnh hưởng của chuyển vị tại vị trí trung điểm của dầm
3.1.2 Công tác lấy dữ liệu
Để đo chuyển vị trong dầm bê tông cốt thép, cần xác định yêu cầu về phương đo, hình dạng và vị trí của cấu kiện cần đo Phương pháp đo chuyển vị sẽ được lựa chọn theo hướng thẳng đứng hoặc theo hướng góc nghiêng Máy do chuyển vị căn bản
được chia ra làm 2 loại: đo bằng cảm biến và đo bằng laser Hình 3.4, Hình 3.5 mơ
Trang 28(a) Thiết bị do thông dụng (General displacement transducer)
(b) Thiết bị do với độ nhạy cao (High sensitive displacement transducer)
Hình 3.4 Thiết bị đo chuyển vị bằng cảm biến thường được sử dụng cho dầm
(Nguồn: Tokyo Measuring Instruments Laboratory Co., Ltd.)
Hình 3.5 Thiết bị đo chuyển vị bằng laser thường được sử dụng cho dầm
(Nguồn: Keyence Corporation)
Khi vẽ đường ảnh hưởng, cần tuân thủ những quy ước sau:
• Lựa chọn đường chuẩn vng góc với hướng của lực tác động hoặc chọn đường song song với trục của các thanh;
• Các tung độ phải được vẽ vng góc với đường chuẩn; • Trục tung độ dương dựng theo chiều của lực di dộng
Tuy nhiên, trong nghiên cứu này đường ảnh hưởng được lấy bằng cách trích xuất giá trị đường ảnh hưởng thơng qua các phần mềm PTHH gồm SAP2000 và ANSYS
3.2 Các chỉ số dùng để chẩn đoán hư hỏng
Trang 29Hư hỏng của kết cấu được chẩn đoán sử dụng dữ liệu đầu vào là đường ảnh hưởng của chuyển vị thơng qua việc phân tích sự thay đổi của các chỉ số Ba chỉ số chẩn
đoán được sử dụng là RMSD (Root Mean Square Deviation), MAPD (Mean Absolute
Percentage Deviation) và chỉ số chuẩn hóa ( Xj
Z )
3.2.1 Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation)
Root Mean Square Deviation (RMSD) là một chỉ số thống kê được sử dụng để
đánh giá sự khác biệt giữa các giá trị dữ liệu và giá trị dự đốn Nó được tính bằng cách lấy căn bậc hai của trung bình bình phương độ lệch giữa các giá trị dữ liệu và
giá trị dự đoán Chỉ số RMSD từ lâu đã được sử dụng phổ biến trong nhiều nghiên
cứu để đánh giá sự hư hỏng trong nhiều loại kết cấu khác nhau Sun và cộng sự (1995)
[38] sử dụng RMSD giữa giá trị hai giai đoạn trước và sau khi hư hỏng xảy ra để đánh
giá sự hư hỏng trong kết cấu hệ giàn thép Liang và cộng sự (2016) [39] đã sử dụng
chỉ số RMSD đánh giá hư hỏng trượt giữa bê tông và thép trong kết cấu bê tông thép liên hợp Trong nghiên cứu này, chỉ số RSMD được tính tốn từ đường ảnh hưởng
của chuyển vị tại một điểm đo được từ trước và sau khi xảy ra hư hỏng:
2121ndijkjkjnijkjuuRMSDu== − = (3.3) Trong đó:
• uijk( ,j k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái ban đầu; 1 n 1)
• d ( , 1 1)
jk
uj k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái hư hỏng; n
• n: số lần đo chuyển vị tại điểm đang xét;
• RMSD = : khơng có hư hỏng, 0 RMSD : xảy ra hư hỏng 0
3.2.2 Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation)
Giurgiutiui và cộng sự (2002) [40] đã sử dụng một phương pháp thống kê chỉ số
hư hỏng là trị tuyệt đối tỷ lệ độ lệch trung bình MAPD để đánh giá sự hư hỏng trong tấm trịn nhơm Tiếp đó năm 2017, Li và cộng sự [16] đã sử dụng chỉ số MAPD để
đánh giá sự hư hỏng tách lớp khi sử dụng vật liệu FRP thay cho cốt thép trong kết
cấu bê tông cốt thép Trong nghiên cứu này, chỉ số MAPD giữa hai giá trị ĐAH
Trang 3011 ndijkjkijjkuuMAPDn = u − = (3.4) Trong đó: • i ( , 1 1)jk
uj k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái ban đầu; n
• udjk( ,j k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái hư hỏng; 1 n 1)
• n: số lần do chuyển vị tại điểm đang xét;
• MAPD = : khơng có hư hỏng, 0 MAPD : xảy ra hư hỏng 0
3.2.3 Chỉ số chuẩn hóa XjZ
Bên cạnh các chỉ số trên, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới dựa trên các giá trị chuẩn hóa để xác định bề rộng của vùng nứt (mức độ hư hỏng) Cụ thể,
nghiên cứu sử dụng giá trị chuẩn hóa từ các giá trị ban đầu của chỉ số RMSD và
MAPD (giá trị chỉ số thuần) để thể hiện ở biểu đồ chẩn đoán và kết hợp với đường
ngưỡng hư hỏng để tìm ra bề rộng vùng hư hỏng Giả thuyết xem toàn bộ các giá trị thuần của từng chỉ số là tập hợp X như các giá trị ngẫu nhiên với phân phối chuẩn, ta có: [ ][ ]jjXjjXXZX− = (3.5) Trong đó: • Xj(j = → + : giá trị từng phần tử của tập hợp1 n 1) X ; • [Xj]: giá trị trung bình của tập hợpX;
• [Xj]: độ lệch chuẩn của tập hợpX
Định vị hư hỏng được thực hiện sau khi có cảnh báo hư hỏng xuất hiện, cảnh báo này đã xác định ở bước đầu khi kiểm tra điều kiện độ lệch chuẩn X
j
Z sẽ được so sánh
với ngưỡng hư hỏng Z Khi một vị trí có oXXjo
Trang 31Hình 3.6 Minh họa sự thay đổi của giá trị thuần sau khi chuẩn hóa
3.3 Xác định mức độ hư hỏng
Như đã nói trước đó, việc xuất hiện hư hỏng sẽ làm nên sự khác biệt trong giá trị ĐAH của dầm ở hai trạng thái Để xác định mức độ hư hỏng của cấu kiện, học viên khảo sát sự thay đổi của các chỉ số chuẩn hóa dựa trên biểu đồ sử dụng chỉ số chuẩn hóa và đường ngưỡng hư hỏng Trong nghiên cứu này, bề rộng của vùng nứt được hiểu là mức độ hư hỏng của cấu kiện Bề rộng này được xác định bởi hai điểm mà ở đó biểu đồ chỉ số chuẩn hóa sẽ giao với đường ngưỡng hư hỏng
3.3.1 Khoanh vùng hư hỏng
Vị trí có hư hỏng được xác định bởi biểu đồ chỉ số thuần của RMSD và MAPD ở
vị trí thể hiện chỉ số lớn nhất Tuy vậy, biểu đồ chỉ số thuần chưa thể hiện được kích thước của vùng hư hỏng Để xác định bề rộng của vùng hư hỏng, phương pháp đưa ra bước khoanh vùng hư hỏng để chọn lọc ra khu vực nghi vấn Việc này nhằm giảm thiểu dữ liệu không liên quan (khu vực không hư hỏng do nằm xa điểm đạt chỉ số thuần lớn nhất) và tập trung vào những phát hiện quan trọng (khu vực có hư hỏng nằm gần điểm đạt chỉ số thuần lớn nhất)
Khoanh vùng nghi vấn có hư hỏng được giới hạn bởi điểm khoanh vùng trước (KVT) và điểm khoanh vùng sau (KVS) Thứ tự trước sau của hai điểm phụ thuộc vào chiều chuyển động của lực đơn vị ĐAH ở hai trạng thái có sự thay đổi đáng kể tại vị trí xuất hiện hư hỏng, điều này dẫn đến sự thay đổi đột ngột của các chỉ số thuần KVT và KVS của vùng nghi vấn có hư hỏng được xác định dựa trên sự thay đổi đột ngột này Sự thay đổi vượt bậc của chỉ số thuần được đánh giá dựa trên độ dốc giữa các cột chỉ số liền kề, thể hiện theo công thức (3.6):
Trang 32• Xi, Xi+1: lần lượt là giá trị chỉ số thuần tại vị trí lấy điểm dữ liệu thứ i và
i+1;
Trang 34Nhắc lại, vùng nứt được chẩn đoán là vùng nứt nằm ở mặt dưới của dầm do điểm dữ liệu đường ảnh hưởng được lấy tại đây Vùng chứa ranh giới của phần hư hỏng và
không hư hỏng sẽ xuất hiện giá trị độ dốc chỉ số thuần lớn nhất (Hình 3.7(c,d)) Điểm
KVT và KVS được chọn sơ bộ thuộc hai đoạn độ đốc lớn nhất khi so sánh giá trị độ dốc của các đoạn dầm cịn lại Thêm vào đó, việc xác định điểm KVT và KVS khơng chỉ dựa trên đoạn có độ dốc lớn nhất mà còn kể đến độ dốc của các đoạn liền trước KVT và liền sau KVS Nếu độ dốc của các đoạn liền kề này lớn hơn 1/3 giá trị độ dốc lớn nhất thì đoạn đấy được tính thuộc khoanh vùng chứa hư hỏng Nếu độ dốc của các đoạn lân cận không đáp ứng được điều kiện trên, thì KVT và KVS sẽ được xác định chính là hai đoạn có độ dốc lớn nhất đã xét
3.3.2 Biểu đồ chuẩn hóa
Sau khi xác định chỉ số chuẩn hóa (mục 3.2.3), phương pháp đề xuất đưa ra biểu
đồ chuẩn hóa từ các giá trị trên Biểu đồ chuẩn hóa khơng chỉ thể hiện sự trực quan giá trị chuẩn hóa mà cịn giúp đánh giá được xu hướng biến đổi của dữ liệu Từ đây, phương pháp xác định mức độ hư hỏng được đề xuất thực hiện thông qua biểu đồ
chuẩn hóa chỉ số RMSD và MAPD Điểm giá trị chỉ số chuẩn hóa nối với nhau tạo
thành những đường liền mạch Tiếp theo, phần giá trị tuyệt đối được xác định bằng
cách lấy đối xứng các phần đoạn mang giá trị âm qua trục tung Theo Hình 3.8, phần
âm của giá trị chuẩn hóa thuộc đoạn AB và CD, phần dương của giá trị chuẩn hóa thuộc đoạn BC, phần trị tuyệt đối của giá trị chuẩn hóa thuộc đoạn A'BCD'
Hình 3.8 Minh họa thành phần giá trị trong biểu đồ chuẩn hóa
Trang 35Ngưỡng hư hỏng là đường chuẩn song song với trục hoành dùng để xác định bề rộng vùng nứt nhằm loại bỏ đi vùng bị nhiễu để hạn chế những sai sót khi chẩn đốn vị trí vùng nứt trong dầm bê tơng cốt thép
Trước đó, các nghiên cứu về SHM đã sử dụng ngưỡng hư hỏng để xác định hư hỏng có thể kể đến như Hồ và cộng sự (2018) [33] trong việc phát triển phương pháp năng lượng biến dạng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm với các điều kiện biên khác nhau, nghiên cứu của Nguyễn (2021) [41] thực hiện xác định trạng thái hư hỏng của khung bê tơng cốt thép dựa vào kết quả phân tích dao động hoặc Trần (2021) [42] khi chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng phương pháp độ cong đường biến dạng
Trong nghiên cứu này xét từng trường hợp RMSD hoặc MAPD, ngưỡng hư hỏng
được đề xuất là hiệu của giá trị chuẩn hóa lớn nhất và độ lệch chuẩn của giá trị chuẩn hóa dương trong khoanh vùng chứa hư hỏng (công thức (3.7)), cả hai giá trị này đều
được lấy trong đoạn BC theo Hình 3.8 Ngưỡng hư hỏng dùng để xác định vị trí cắt
với biểu đồ chuẩn hóa đã vẽ, từ đó kết luận cho bề rộng vùng nứt
max( ) ( )
ojj
Z = Z − Z+ (3.7)
Trong đó:
• Zo: ngưỡng hư hỏng;
• max(Zj): giá lớn nhất của trị tuyệt đối chỉ số chuẩn hóa dương trong khoanh vùng hư hỏng;
• (Zj+): độ lệch chuẩn của các chỉ số chuẩn hóa dương trong khoanh vùng hư hỏng
Ngưỡng hư hỏng lúc này được thể hiện là đường thẳng song song với trục hồnh
có tung độ Zo Biểu đồ chuẩn hóa được vẽ sau khi xác định giá trị chuẩn hóa của từng
chỉ số RMSD và MAPD (mục 3.3.2) Từ đây, biểu đồ kết hợp giữa biểu đồ chuẩn hóa
và ngưỡng hư hỏng được gọi là biểu đồ chẩn đoán
Dựa vào số điểm giao của đường ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đốn nằm trong vùng nghi vấn có hư hỏng, chiều dài đoạn dầm giả định hư hỏng
được xác định theo bốn trường hợp sau Với trường hợp Hình 3.9(a), giao điểm của
ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đốn nằm ngồi vùng nghi vấn hư hỏng, chiều dài đoạn dầm hư hỏng là khoảng cách giữa hai điểm KVT (điểm T) và KVS
(điểm S) Với trường hợp chỉ có một điểm giao nằm trong vùng nghi vấn (Hình 3.9(b)), chiều dài đoạn dầm hư hỏng là khoảng cách giữa điểm giao nằm trong vùng
Trang 36hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đốn nằm ngồi vùng nghi vấn (điểm K) Với trường
hợp có hai điểm giao nằm trong vùng nghi vấn (Hình 3.9(c)), chiều dài đoạn dầm hư
hỏng là khoảng cách giữa 2 giao điểm của đường ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn
hóa chẩn đốn (điểm H và K) Với trường hợp Hình 3.9(d), khi số giao điểm nhiều
Trang 383.4 Quy trình chẩn đốn
Như đã nói ở trên, mục tiêu của phương pháp đánh giá hư hỏng là xác định được sự hư hỏng đã xảy ra, vị trí và mức độ hư hỏng Quy trình đánh giá trạng thái hư hỏng của dầm được thực hiện theo từng bước đáp ứng được các yêu cầu trên
Đầu tiên, việc xác định dầm có bị hư hỏng hay không sẽ được nhận biết thông qua điều kiện về độ lệch chuẩn của giá trị chỉ số thuần Độ lệch chuẩn (standard deviation) là một khái niệm trong thống kê dùng để đo độ biến động của dữ liệu trong một mẫu hoặc một tập hợp Nó cho biết sự phân tán của các giá trị xung quanh giá trị trung bình Độ lệch chuẩn là căn bậc hai của phương sai (variance) Độ lệch chuẩn của các chỉ số thuần được xác định theo công thức:
211[ ] ( [ ])njjjjXXXn = = − (3.8) Trong đó:
• [Xj]: độ lệch chuẩn của tập hợp chỉ số thuần X;
• [Xj]: giá trị trung bình của tập hợp chỉ số thuần X; • n: số lần đo chuyển vị tại điểm đang xét
Trong phương pháp này, giá trị độ lệch chuẩn của các chỉ số thuần ban đầu khi xuất hiện hư hỏng (vết nứt tồn tại) được sử dụng làm ngưỡng để xác định sự tồn tại của hư hỏng Tại mỗi thời điểm khảo sát, nếu độ lệch chuẩn của chỉ số thuần nhỏ hơn độ lệch chuẩn ban đầu khi vết nứt xuất hiện, kết luận là dầm không bị hư hỏng Ngoài
ra, biểu đồ chỉ số thuần RMSD còn thể hiện sự thay đổi chiều của đỉnh chóp trước và
sau khi có vết nứt Cụ thể, hai biểu đồ này mô tả sự chuyển đổi từ hình dạng lõm sang lồi của đỉnh chóp
Sau khi đã xác định sự tồn tại của hư hỏng, bước tiếp theo là việc tìm ra vị trí hư
hỏng trong dầm như Hình 3.10 đề cập Khi này vị trí do đạc cho kết quả chỉ số thuần
cao nhất được hiểu là hư hỏng nằm ở khu vực này Nhưng để biết được chính xác mức độ hư hỏng tại vị trí này hay cụ thể là bề rộng của vùng nứt trong trường hợp này, nghiên cứu tiếp tục phát triển bằng phương pháp vẽ biểu đồ chẩn đoán bao gồm
Trang 39Hình 3.10 Sơ đồ khối phương pháp chẩn đốn hư hỏng
3.5 Phương pháp đánh giá độ chính xác của chẩn đoán
Trong nghiên cứu này, hai phân loại chỉ số nhằm đánh giá độ chính xác của
phương pháp gồm bộ chỉ số A, B, C đã được Trần [42] sử dụng vào năm 2021 và chỉ số K (Cohen's Kappa Coefficient) do chính tác giả đề xuất dựa trên lí thuyết của
Cohen (1960) [2] Sau khi đã xác định được bề rộng vùng nứt chẩn đoán (mục 3.3),
thực hiện so sánh tương quan với bề rộng vùng nứt thực tế Đối với dầm đồng chất bề rộng này là tổng chiều dài các phần tử được giảm độ cứng trong mơ hình SAP2000, đối với dầm bê tông cốt thép là tổng chiều dài theo phương dọc dầm của các phần tử khối được xác định xuất hiện vết nứt trong mơ hình ANSYS
3.5.1 Chỉ số A, B, C
Trong thực tế, vùng hư hỏng của dầm là không xác định Trong nghiên cứu này, để đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đoán, bề rộng vùng hư hỏng (vùng suy giảm độ cứng từ mô phỏng SAP2000 và vùng nứt thực tế từ mơ phỏng ANSYS) được tính tốn để so sánh với bề rộng vùng hư hỏng được chẩn đoán bằng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị, từ đó đánh giá độ chính xác của phương pháp
Trang 40nhằm đánh giá một cách toàn diện và phù hợp hơn đối với cơng tác chẩn đốn dầm bê tông cốt thép trong thực tế
Chỉ số A, B, C lần lượt là độ chính xác vùng hư hỏng, độ chính xác vùng khơng
hư hỏng và độ chính xác được định nghĩa như sau:
Độ chính xác vùng hư hỏng: A là tỉ số giữa chiều dài vùng hư hỏng chẩn đoán
nằm trong vùng hư hỏng thực tế với chiều dài vùng hư hỏng thực tế Trong đó, vùng
hư hỏng chẩn đốn là hình chiếu lên trục dầm của phần biểu đồ có Zj > Zo Chỉ số này nhằm đánh giá độ chính xác của phương pháp trong việc xác định phạm vi xuất hiện vùng hư hỏng trong dầm
Độ chính xác vùng không hư hỏng: Các nghiên cứu trước đây, thường tập trung
vào việc đánh giá độ chính xác chẩn đốn cho vùng có xuất hiện vết nứt Tuy nhiên, phạm vi vùng nứt là không giống nhau trong các trường hợp gia tải khác nhau Điều này dẫn đến việc sử dụng một chỉ số chẩn đoán cho riêng vùng nứt khơng phản ánh được độ chính xác phương pháp cho tồn bộ chiều dài dầm Vì vậy, ngồi việc đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đoán cho vùng nứt, cần phải đánh giá cho cả
vùng khơng nứt và tồn bộ chiều dài dầm Độ chính xác cho vùng khơng nứt: B là tỉ
số giữa chiều dài vùng khơng nứt chẩn đốn với chiều dài vùng khơng nứt thực tế
Độ chính xác tổng thể: Hai chỉ số độ chính xác của phương pháp chẩn đốn cho
vùng nứt và vùng khơng nứt vẫn chưa đánh giá được độ chính xác của phương pháp khi tải trọng thay đổi (vùng nứt thay đổi), do các chỉ số này phụ thuộc vào độ lớn của vùng nứt ở mỗi cấp tải Vì vậy, cần một chỉ số đánh giá chung cho tổng thể toàn bộ
chiều dài dầm Độ chính xác tổng thể C được đề xuất với ý nghĩa bằng tổng độ chính
xác chẩn đốn vùng nứt và vùng khơng nứt nhân với trọng số của mỗi vùng Trọng số của mỗi vùng (nứt, không nứt) là tỉ số giữa chiều dài vùng nứt hoặc khơng nứt thực
tế với chiều dài tồn bộ dầm, công thức Sau đây là các trường hợp đánh giá chỉ số A,
B, C ứng với các vị trí khả thi của bề rộng vùng nứt chẩn đoán
a Trường hợp 1: Một phần vùng nứt chẩn đoán nằm trong vùng nứt thực tế