CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH CẦU
Phương pháp kiểm tra độ toàn vẹn bề mặt
Kiểm tra toàn vẹn bề mặt kết cấu trụ cầu là một phần quan trọng trong đánh giá kết cấu, theo tiêu chuẩn TCVN 12882-2020 Phương pháp quan sát trực tiếp được sử dụng để phát hiện các hư hỏng như vết nứt, mài mòn, và các vấn đề khác trên bề mặt cầu Trong quá trình khảo sát, các hư hỏng cần được ghi chép đầy đủ vào cơ sở dữ liệu, bao gồm kích thước và thời gian xuất hiện, cùng với nguyên nhân dự đoán Những hư hao nguy hiểm và đặc trưng cần được mô tả cụ thể qua hình ảnh hoặc phác thảo Việc đo đạc kích thước từ tổng thể đến từng bộ phận cũng rất quan trọng để so sánh với các hồ sơ kỹ thuật cũ và đánh giá tính hợp lý của các đặc trưng hình học Công tác này cần được thực hiện bởi những người có kinh nghiệm, sau khi nghiên cứu hồ sơ kỹ thuật và quan sát trực tiếp tại công trình.
Hình 2 1 Kiểm tra,đo đạc thủ công bề mặt kết cấu bằng quan sát trực tiếp [68]
Phương pháp thứ hai là áp dụng các công cụ đo để ghi lại và phân tích các thông số liên quan đến bề mặt cầu Những công cụ này giúp đảm bảo tính chính xác trong việc đánh giá chất lượng và tình trạng của cầu.
Việc đo đạc độ phẳng bề mặt, chiều sâu vết nứt và kích thước hư hỏng là cần thiết để đánh giá độ toàn vẹn của cầu Công tác này phải thực hiện tại các điểm cố định và trong điều kiện thời tiết thuận lợi, đồng thời ghi chép chi tiết về thời gian, khí hậu, loại thiết bị và mốc chuẩn Các bản vẽ mặt bằng, trắc dọc và các bộ phận cầu cần được lập lại và so sánh với tài liệu thiết kế ban đầu để xác định chính xác vị trí và tình trạng của cầu trong không gian 3D Từ kết quả đo đạc, sẽ tính toán lại cấu trúc và kiểm định cầu, đồng thời phân tích hình dạng trắc dọc để đánh giá chất lượng kết cấu Hình dạng đồng nhất cho thấy chất lượng tốt, trong khi hình dạng nhấp nhô có thể chỉ ra sai sót trong thi công hoặc cong vênh Nếu có sự sai lệch lớn giữa các lần đo, cần xác định nguyên nhân và đưa ra giải pháp kịp thời; nếu sai lệch nhỏ, cũng cần tìm hiểu lý do để đánh giá khả năng chịu đựng của cầu trong quá trình sử dụng.
Các phần của kết cấu cầu bằng thép, đặc biệt là hệ giàn thép, cần được đo đạc kỹ lưỡng tại các vị trí chịu tải, như giàn chính, dầm dọc, dầm ngang, hệ liên kết, mố cầu và gối cầu Cần ghi chép chiều dày của các cấu kiện thép sau khi loại bỏ phần bị gỉ sét do ăn mòn Nếu có hồ sơ thiết kế cũ, chỉ cần đo tại một số vị trí nghi ngờ bị ảnh hưởng hoặc gỉ nặng để xác minh kích thước Đối với kết cấu nhịp cầu bằng bê tông, chỉ cần đo tại các mặt cắt điển hình, nhất là tại giữa nhịp, ẳ nhịp và gối Cần lưu ý đo tại những mặt cắt bị hỏng có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, và xác định vị trí mặt cắt trên bản vẽ bằng tọa độ Sai số cho phép đối với kết cấu thép là ±0,5mm, trong khi đối với kết cấu bê tông, đá xây và bê tông cốt thép là ±5mm.
Phương pháp đánh giá không phá hủy (Non-Destructive Testing) là cách hiệu quả để kiểm tra chất lượng và độ toàn vẹn của bề mặt cầu mà không gây hư hỏng Các kỹ thuật như thử nghiệm búa phản âm (rebound hammer test) và thử nghiệm đo độ cứng bề mặt (surface hardness test) được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực này.
Hình 2 2 Thanh tra viên gõ Búa tại mố cầu [69]
Trong những năm gần đây, phương pháp thử nghiệm không phá hủy đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ nhờ vào công nghệ laser, đặc biệt là việc sử dụng cảm biến LiDAR (Lighting Detection And Ranging) để đánh giá sức khỏe của kết cấu LiDAR hoạt động bằng cách phát ra từ 2000 đến 25000 xung laser mỗi giây, cho phép thu thập dữ liệu nhanh chóng với độ phân giải cao, tạo ra tọa độ x, y, z chính xác Công nghệ này trở thành công cụ quan trọng trong việc theo dõi tình trạng kết cấu cầu, cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng của cây cầu, giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra quyết định hợp lý cho công tác bảo trì và sửa chữa.
Đánh giá sức khỏe cầu bằng công nghệ LiDAR chủ yếu tập trung vào việc mô tả đặc tính hình học của các cấu kiện như dầm và mặt cầu, nhằm đảm bảo khoảng trống dọc dưới cầu đủ an toàn cho xe tải lớn Nhiều nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu LiDAR để phân tích mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường như tải trọng, nhiệt độ và lượng mưa ảnh hưởng đến biến dạng cầu Một số nghiên cứu đã triển khai LiDAR để định lượng thiệt hại cấu trúc, bao gồm phát hiện nứt và mất khối lượng Ví dụ, Teza và cộng sự đã phát triển phương pháp tự động nhận diện mất khối lượng cầu bê tông bằng TLS Hệ thống laser dựa trên pha cũng được sử dụng để so sánh các phương pháp định lượng thiệt hại, cho thấy sự kết hợp giữa các phương pháp này cải thiện khả năng nhận diện của LiDAR Liu và cộng sự đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh không cầu tự động với độ chính xác cao, cho phép đo độ hở đến từng milimet Ngoài ra, tác động của các thông số như co ngót và giãn nở nhiệt đối với đo đạc độ hở cầu cũng đã được nghiên cứu thông qua quét TLS định kỳ Cuối cùng, ba phân tích cảm biến đã được thực hiện trên một cây cầu lớn để kiểm tra khả năng đo lường và độ chính xác của hệ thống.
DF Laefer và cộng sự đã chỉ ra rằng việc sử dụng dữ liệu đám mây điểm để theo dõi tình trạng kết cấu mang lại nhiều lợi ích Phương pháp này cho phép tạo ra các mô hình 3D chi tiết, giúp đánh giá tính toàn vẹn của kết cấu và phát hiện các khiếm khuyết tiềm ẩn.
Hình 2 3 Máy quét laser mặt đất (TLS) và UAV được dùng để thu thập dữ liệu đánh giá sức khỏe của kết cấu cầu [76,77]
Phương thức thu thập dữ liệu này mang lại nhiều ưu điểm như đánh giá nhanh chóng, độ chính xác cao và khả năng tiếp cận những vị trí khó khăn như vách núi hay cầu hẫng mà không làm gián đoạn giao thông Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế trong việc xử lý dữ liệu và trích xuất tính năng, đặc biệt là tiếng ồn từ môi trường và độ phân giải đám mây điểm thấp do góc nhìn bị che khuất Điều này dẫn đến việc thu thập dữ liệu không chính xác hoặc bị giới hạn bởi các yếu tố vật lý Do đó, cần phát triển các phương thức tối ưu hóa để tự động giảm nhiễu và tắc nghẽn trong quá trình thu thập, cùng với việc cải tiến các phương pháp chọn vị trí và khoảng cách quét nhằm đảm bảo tính đầy đủ và hiệu quả của dữ liệu.
Phương pháp kiểm tra chất lượng vật liệu của kết cấu cầu
Để đảm bảo chất lượng vật liệu kết cấu cầu trong thời gian dài, việc lấy mẫu từ các vị trí đại diện và kiểm tra chất lượng mẫu trong phòng thí nghiệm là rất quan trọng Các thử nghiệm vật lý như độ bền kéo-nén, độ cứng, và độ dẻo giúp đánh giá tính chất cơ học của vật liệu Bên cạnh đó, phân tích hóa học đóng vai trò xác định thành phần hóa học, như tỷ lệ xi măng, nước, cát, đá, thép và các chất phụ gia, nhằm đảm bảo chất lượng vật liệu Các phương pháp phân tích như phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ vi lượng (ICP), và phổ tử ngoại (UV-Vis) được sử dụng để kiểm tra tính chính xác của các thành phần hóa học, từ đó đánh giá chất lượng vật liệu một cách khách quan.
Hình 2 4 Kiểm tra mẫu bê tông tại phòng thí nghiệm [70]
Phương pháp kiểm tra khả năng chịu lực của cầu bê tông cốt thép
2.3.1 Thử nghiệm tải trọng (gia tải)
Thử nghiệm tải trọng là phương pháp truyền thống được áp dụng rộng rãi trong các công trình cầu đường nhằm đánh giá khả năng chịu tải của cầu Tải trọng được thực hiện thông qua các phương tiện hoặc hệ thống tải trọng giả định, cho phép đo lường biến dạng, chuyển vị và ứng suất của các bộ phận cầu Phương pháp này không chỉ giúp xác minh khả năng chịu tải trọng thiết kế của cầu một cách an toàn mà còn ứng phó với các tình huống như sự không chắc chắn về điều kiện hoàn công, thay đổi mục đích sử dụng, thiệt hại do bom hoặc hỏa hoạn, lỗi vật liệu, hư hỏng kết cấu, và việc bàn giao tiêu chuẩn xây dựng cầu mới.
Phương pháp đảm bảo chất lượng sau khi sửa chữa và gia cố cấu kiện cầu nhằm xác minh khả năng chịu tải và tính toàn vẹn của kết cấu Thử nghiệm thường sử dụng gia tải xe, bao gồm cả xe di chuyển và tĩnh, để đánh giá khả năng sử dụng của cầu Độ võng được theo dõi qua các cảm biến lắp đặt trên kết cấu, với kết quả đo được như độ rộng vết nứt, biến dạng và nhiệt độ Tại Mỹ, trong thử tải phản hồi, xe được đặt ở giữa cầu, vị trí có nguy cơ cao nhất, để kiểm tra khả năng chịu lực của cầu.
Tiêu chí đánh giá bao gồm kiểm tra tĩnh, động và bán tĩnh Thử nghiệm tĩnh xác định giới hạn tải trọng an toàn bằng cách tăng dần tải lên kết cấu cho đến khi đạt tải mục tiêu hoặc xảy ra sự cố Tải mục tiêu là tải tạo ra phản ứng tương đương với tải định mức cộng với hệ số an toàn Ứng suất kết cấu được định nghĩa qua ứng suất, độ võng quá mức, và các hiện tượng phi tuyến tính Thử nghiệm tải bằng chứng thường do các nhà nghiên cứu hoặc tổ chức chính phủ thực hiện, chỉ áp dụng cho các cấu trúc nguy hiểm có độ dẻo cao Kiểm tra tải trọng động tương tự thử nghiệm tĩnh nhưng sử dụng tải di động ở tốc độ khác nhau để xem xét ảnh hưởng động Kiểm tra bán tĩnh kết hợp cả tĩnh và động, với một chiếc xe tải lăn qua kết cấu ở tốc độ thấp, phổ biến do chi phí thấp và tính không phá hủy Mục tiêu của thử nghiệm tải chẩn đoán là xác định giới hạn tải an toàn, thực hiện với tải nhỏ hơn hoặc bằng tải định mức mong muốn, và sử dụng các phép đo để hiệu chỉnh mô hình máy tính.
Hình 2 5 Chất tải bằng xe tải trên bề mặt cầu [78]
Để theo dõi sự biến đổi của kết cấu cầu theo thời gian, việc thực hiện các đo đạc hằng kỳ là rất cần thiết Các đo đạc này bao gồm đo lường biến dạng, chuyển vị, ứng suất và các thông số khác nhằm đánh giá ảnh hưởng của tải trọng và yếu tố môi trường Thông qua các công cụ như thước, máy toàn đạc, thủy bình, drone và TLS, mô hình cầu được dựng lại để phân tích khả năng làm việc Các trường hợp cấp thiết như trụ cầu bị nghiêng, lún hoặc nứt bề mặt cần được theo dõi đặc biệt Kế hoạch quan trắc định kỳ phải được hoạch định chi tiết tùy thuộc vào hình dạng và tốc độ biến dạng của cầu Kiểm tra độ bền của kết cấu cũng rất quan trọng, với các thử nghiệm như thử nghiệm uốn, kéo và nén để đánh giá khả năng chịu lực Cuối cùng, đánh giá độ mỏi của kết cấu bê tông cốt thép thông qua các thử nghiệm nứt gãy và mỏi giúp xác định độ bền mỏi và khả năng chịu lực trong các tình huống khác nhau.
Hình 2 6 Ghi chép đo đạc định kỳ bằng phương pháp truyền thống và drone [79]
PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH LƯỚI (MESH MODEL) PHỤC VỤ CHO PHẦN TỬ HỮU HẠN
Dữ liệu thực nghiệm
Luận văn này nghiên cứu cây cầu dầm hộp bê tông trên đường CO16, Seòlach, CHLB Đức Cầu có hai nhịp với chiều dài mỗi nhịp khoảng 10,5 m, mặt cắt ngang gồm 2 làn xe rộng 7,0 m và 2 vỉa hè mỗi bên rộng khoảng 2,0 m Trụ cầu được thiết kế dưới dạng trụ cầu cạn thân tường, như thể hiện trong Hình 3.1.
Hỡnh 3 1.Quang cảnh thực tế cõy cầu trờn đường CO16, Seòlach, CHLB Đức [80]
Cây cầu đã được quét bằng trạm quét Leica P20, với khả năng quét tối đa lên đến 120 m và độ chính xác góc 8 arcs theo cả hai hướng dọc và ngang Trong quá trình thu thập dữ liệu, phạm vi quét 10 m được áp dụng, với bước mẫu trung bình là 10 mm trên bề mặt, tương ứng với khoảng cách quét trung bình 15 m từ mặt đất Để tối ưu hóa vùng phủ sóng dữ liệu, tổng cộng có 5 trạm quét khác nhau được thiết lập, bao gồm 1 trạm trên vỉa hè.
Hình 3 2 5 trạm quét TLS được đặt ở những vị trí khác nhau để thu dữ liệu đám mây điểm
Dữ liệu đám mây điểm từ các trạm quét laser 3D đã được xử lý bằng phần mềm Leica Cyclone, với năm trạm được kết nối qua các điểm khống chế Quá trình quét laser 3D được thực hiện nhiều lần tại các vị trí thích hợp trên cầu để đảm bảo thu thập dữ liệu đầy đủ, tạo ra đám mây điểm chính xác Các trạm quét TLS được đặt cách nhau khoảng 10m, với bước mẫu trung bình là 10mm trên bề mặt ở khoảng cách quét 15m từ mặt đất Với mật độ đám mây điểm khoảng 3mm, phương pháp này không chỉ mang lại độ chính xác cao cho mô hình mà còn tiết kiệm thời gian so với phương pháp đo vẽ truyền thống.
Mật độ điểm ảnh đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện phương pháp quét 3D bằng laser Mật độ cao của dữ liệu đám mây điểm sẽ tăng cường độ tin cậy của mô hình, trong khi mật độ thấp sẽ làm giảm độ chính xác.
Hình 3 3 Tổng thể cây cầu thu được từ quét laser trên mặt đất [12]
Xử lý số liệu thô, dùng cloudcompare: thủ công cắt các pointcloud của cấu kiện không có trong phạm vi xét, và dữ liệu dư thừa
Hình 3 4 Trụ cầu được tách ra thủ công bằng phần mềm CloudCompareV10
Mật độ điểm trung bình của dữ liệu là 57.130 điểm/m², trong đó các điểm không liên quan như mặt đất và thảm thực vật bên ngoài cầu, cũng như các điểm trên phương tiện di chuyển dưới cầu, đã được loại bỏ thủ công bằng CloudCompareV10 trong khoảng 2 phút Việc loại bỏ này nhằm tránh xử lý dữ liệu không cần thiết, và sự hiện diện của các điểm này không ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp, vì điểm trên mặt đất và công trình đường bộ vẫn còn trong dữ liệu đầu vào Bên cạnh đó, các điểm trên phương tiện di chuyển có mật độ thấp và không đại diện cho bề mặt cầu Cuối cùng, các đám mây điểm với tọa độ x, y và z được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho phương pháp đề xuất, với tập dữ liệu của cầu gồm 28,505 triệu điểm.
Phương pháp thực hiện
3.2.1 Bước 1: Cấu trúc dữ liệu
Để xử lý và kiểm soát tệp dữ liệu đám mây điểm có mật độ điểm lớn, nghiên cứu này đề xuất sử dụng cấu trúc dữ liệu cây octree Octree là một hình thể cấu trúc dữ liệu dạng cây, trong đó mỗi nút có chính xác tám con Việc hiển thị dữ liệu theo octree cho phép phân chia không gian 3D một cách hiệu quả bằng cách chia đệ quy không gian thành tám phần.
Hình 3 5 TraumaBot Mẫu khởi tạo và nhận dạng 3D: Điểm dựa trên Octree [81]
Khởi tạo Octree yêu cầu thời gian đáng kể để xử lý dữ liệu, vì nó là một biểu diễn thể tích của dữ liệu thường được sử dụng để cấu trúc lại đối tượng 3D Trong cấu trúc này, một đối tượng được xấp xỉ bởi một tập hợp các octants, giúp mô tả và định vị đối tượng trong không gian 3D Có nhiều phương pháp để thiết lập ngưỡng dừng (Threshold) khi chia nhỏ Octree, nhưng trong nghiên cứu này, ngưỡng dừng được xác định dựa trên kích thước ô Voxel Size thay vì số lượng điểm trong Voxel.
Hình 3 6 Một minh họa về khởi tạo các thứ bậc octree (a) octree ở cấp độ đầu tiên với 8 voxels và (b) octree ở cấp độ cuối cùng với kích thước ô là 0,1 mm
Các voxel trống được loại bỏ
3.2.2 Bước 2: Tạo mặt phẳng, xác định đỉnh của các phần tử biên
Octree không chỉ được khởi tạo để quản lý cấu trúc dữ liệu point 3D mà còn tối ưu hóa quá trình tạo hình khối 3D trong Local Voxel Việc truy xuất vị trí và quản lý Octree Hierarchies hỗ trợ hiệu quả cho việc phân cụm các ô Empty Voxels và Full Voxels, giúp tăng tốc độ xử lý dữ liệu Nhờ vào việc phân cụm này, việc hiển thị các ô chứa và không chứa dữ liệu đám mây điểm được tối giản, tập trung vào các thuật toán được đề xuất Các ô Empty Voxel được phân loại thành Inside và Outside Empty Voxel thông qua thuật toán Ray-Tracing, tham khảo từ Predefined Library trong Pyvista Những ô không chứa điểm bên trong sẽ được sử dụng để tạo các phần tử lập phương khối (Solid Cube element) sau khi thực hiện Delaunay bề mặt, từ đó tạo ra hình dáng khối rắn 3D cho đối tượng trụ cầu trong nghiên cứu.
Hình 3 7 Hình dạng trụ được tạo bởi cả thuật toán Delaunay surface và Ray-
Phương pháp Tracing Method và đảm bảo trực quan hóa hiệu quả, thuật toán Marching Cubes (MC) thường được áp dụng cho Octree MC tiêu chuẩn xây dựng bề mặt đẳng diện thông qua việc xử lý dữ liệu theo cách tuần tự, từng khối (đường quét) Thuật toán này được tham khảo từ pyvista để tạo hình trong mỗi voxel địa phương hoặc để loại bỏ các điểm dữ liệu dư thừa từ thư viện đã định nghĩa Tập điểm trong mỗi ô voxel được quản lý bởi cấu trúc octree và bao gồm các voxel đầy đủ Các mặt phẳng được hình thành từ tập điểm (ít nhất 3 điểm trong một voxel) thông qua vector pháp tuyến, với một điểm được chọn là điểm có giá trị trung bình từ tập điểm.
Khi tạo mặt phẳng từ tập điểm trong voxel, có thể gặp phải các tình huống như điểm ngoại lai, vùng bị che khuất bởi cây cỏ hoặc người ngồi dưới chân trụ, dẫn đến mật độ điểm giữa các voxel không đồng đều Kết quả là sự phân bố không đồng nhất của các điểm trong không gian.
MC từ thuật toán có thể tạo ra các mặt phẳng bị xoay lệch hoặc không đạt yêu cầu mong đợi Để khắc phục vấn đề này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp xử lý thủ công Để giảm thiểu sự mơ hồ trong việc xác định hình dạng mặt phẳng, quy trình bao gồm: thực hiện thuật toán Delaunay 3D, lấy các vector pháp tuyến của bề mặt, và tính toán giá trị trung bình của các vector pháp tuyến trong từng voxel đầy đủ Phương pháp kết hợp giữa hồi quy tuyến tính và kỹ thuật heuristic được sử dụng để đảm bảo hướng mặt phẳng được tạo ra đúng như mong muốn.
Hình 3 8 Lưu đồ của phương pháp bán thủ công được phát triển
Hình 3 9 Giao điểm mới tạo ra từ phương pháp dựa theo kinh nghiệm
Kết quả của thuật toán MC là tạo ra các mặt phẳng cắt các cạnh của ô voxel, tạo ra các điểm giao nhau Nếu có hơn 4 điểm giao bị nhiễu trên một cạnh, thuật toán MC sẽ được chạy lại với việc sử dụng Véc-tơ mặt phẳng pháp tuyến thông qua hồi quy tuyến tính Sau khi xử lý, các ô sẽ có các cạnh chứa tối đa 4 điểm giao nhau.
3.2.3 Bước 3: Tìm điểm giao đường biên
Từ 4 điểm giao trên mỗi cạnh của khối cục bộ (local voxel) ta sẽ tính giá trị trung bình và cố định (fit) được 1 giao điểm chung trên cạnh đó Ngoài ra, trong trường hợp voxel nào đó không thể chọn được điểm giao hoặc bị nhiễu (noise) thì sẽ tạo những điểm giao nhau (intersection points) từ các mặt phẳng đã cố định (fit) thành công tạo thành từ những voxel lân cận (neighbour voxels) lấy được giao điểm chung với ô không tạo được Mục đích là tạo được kết nối (connectivity) giữa các mặt phẳng (plane) trong mỗi ô voxel, từ đó tạo cơ sở cho bước fitting bề mặt bằng thuật toán Delaunay 3D
Hình 3 10 Mặt phẳng màu xanh được tạo thành từ Po và vectơ pháp tuyến, điểm màu đỏ, giao điểm chung, được tạo ra từ giá trị trung bình
Vectơ pháp tuyến và điểm trung bình (Po) xác định mặt phẳng bề mặt trụ cầu thông qua phân tích thành phần chính (PCA) từ các điểm bên trong voxel Các đỉnh mới của các góc bên ngoài được xác định là điểm giao nhau giữa bề mặt và các cạnh voxel Khi gặp các điểm ngoại lệ hoặc khu vực bị che khuất bởi chướng ngại vật như thảm thực vật, mật độ điểm của các điểm ảnh ba chiều có thể bị thưa thớt, dẫn đến các mặt phẳng bị xoay hoặc thiếu Để giải quyết vấn đề này, cần đề xuất một quy trình cụ thể để tính toán vectơ pháp tuyến từ các mặt tam giác Delaunay Kết quả là tạo ra một nhóm voxel với hình dạng thay đổi, giúp cố định bề mặt của trụ cầu thay vì hình khối ban đầu.
Hình 3 11 Sử dụng thuật toán Delunay, hình dạng đường bao của khối trụ cầu được tạo ra
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp tạo mắt lưới hình tam giác dựa trên kết quả của thuật toán hiệu chỉnh MC Đầu tiên, Octree được cắt lát và hàm mật độ trong mỗi lát có điều kiện cụm được ước tính Tiếp theo, cây phân cụm liên quan đến các phân loại giữa các mảnh liền kề cũng được ước tính Cuối cùng, thuật toán 3D Delaunay được áp dụng để kết nối các cụm, và các miếng vá hình tam giác được tích lũy để xây dựng bề mặt tam giác không lồi cuối cùng.
3.3.4 Bước 4: Tạo mô hình lưới 3D
Trong bước này, các đỉnh của đường bao mới và các điểm ảnh ba chiều bên trong được nhập vào phần mềm CAD 3D để tạo ra mô hình CAD khối 3D Mô hình này được hình thành bằng cách tạo các phần tử tứ diện từ tập hợp điểm bao bên ngoài và các phần tử hình khối bên trong trụ cầu Một yếu tố quan trọng là đảm bảo sự giao nhau của các mặt, tức là mô hình khối 3D trụ cầu được tạo ra bằng cách nối các điểm giao theo định dạng Tetrahedral của lớp bao ngoài Đồng thời, các điểm trên cạnh của ô voxel trống sẽ được tạo thành khối 3D Cube Điều cần lưu ý là sự tiếp giáp giữa các bề mặt phải khớp với nhau tại các điểm trên cạnh.
Kết quả thu được và sai số cho phép trong mô hình
Cuối cùng, mô hình khối 3D sẽ được xuất dưới định dạng tệp *.igs để nhập vào phần mềm ANSYS/ABAQUS Việc kiểm tra mô hình bằng phần mềm sẽ xác nhận xem lưới có được phân tích thành công hay không; nếu có lỗi, phần mềm sẽ không giải mesh thành công Bên cạnh đó, độ chính xác hình học của mô hình lưới sẽ được kiểm tra thông qua so sánh giữa đám mây điểm và mô hình lưới đã tạo.
Hình 3.12 minh họa quá trình khởi tạo mô hình khối, trong đó các đỉnh của phần tử tập hợp được thể hiện bằng màu đỏ, trong khi đám mây điểm ban đầu được hiển thị bằng màu xanh lam Hơn nữa, khối lưới của trụ cầu được tạo ra thông qua quy trình xử lý thủ công trên phần mềm AutoCAD.
Hình 3 13 Lưới trụ cầu khối 3D được tạo ra từ quá trình xử lý thủ công trong phần mềm AutoCAD/ Conceptal
Giá trị sai số tuyệt đối được tính bằng công thức Δx = x0 - x, trong đó x là giá trị thực và x0 là giá trị đo được Để tính toán sai số sau khi khởi tạo mesh thành công, mô hình được chia thành 4 vùng, như minh họa trong Hình 3.14 bên dưới.
Mô hình khối lưới trụ 3D được chia thành 4 phần gồm 2 vùng trụ chữ nhật và 2 vùng nửa hình trụ tròn với bán kính R Để đánh giá độ chính xác, đám mây điểm ban đầu được lồng vào mô hình mới tạo ra từ thuật toán trong AutoCAD 3D Qua đó, các bước đánh giá sai số giữa 2 mô hình được thực hiện.
Trong mô hình tính toán sai số, O(xo, yo, zo) đại diện cho tọa độ tâm của nửa đường tròn được tạo ra thông qua phương pháp vẽ bán thủ công Khoảng cách tuyến tính d(Pi, S) hay sai số tuyệt đối được xác định trong đoạn nửa hình trụ tròn, với đoạn thẳng từ tâm đường tròn đến vector pháp tuyến tại điểm gốc Pi(xi, yi, zi) được ký hiệu là Ri Đồng thời, đoạn thẳng từ tâm O đến Pj(xj, yj, zj) là tập điểm giao nhau giữa mặt phẳng và các cạnh của ô voxel, được ký hiệu là R'j Do đó, sai số tuyệt đối được tính toán theo công thức d(Pj, S) = Ri – R'j.
Mặt phẳng (S) được tạo ra từ tập điểm Pi(xi,yi,zi) và vector pháp tuyến nij có được trong mỗi ô voxel (Hình 3 16.)
Hình 3 16 Hình minh họa đám mây điểm và đường bao được tạo ra tại vùng hình trụ tròn của trụ cầu có tâm và bán kính R
Tập hợp các sai số từ khoảng cách tuyến tính sai số tuyệt đối d(P j , S) trong đám mây điểm của mỗi ô voxel sẽ được sử dụng để tính phương sai (Root Mean Square Error - RMSE) Kết quả sai số toàn mô hình được trình bày trong Bảng 3.1.
Sai số tương đối là tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tế của phép đo Phương pháp này cho phép xác định độ lớn của sai số tuyệt đối dựa trên kích thước thực tế của phép đo Nó cung cấp thông tin về mức độ chính xác của phép đo so với kích thước của đối tượng được đo.
Bảng 3 1.: Thông số kích thước và sai số hình học của trụ
Thể tích (m3) Đám mây điểm 7,004 1,006 2,136 15,166 6,8323 14,5976
Độ chính xác tuyệt đối trong việc tạo khối lưới được thể hiện rõ qua hình 3.17 Hầu hết các khoảng cách nhỏ hơn 0,05 mm, tuy nhiên có sự lệch đáng kể 0,02 m tại đầu và cuối trụ, nơi có thể xuất hiện lỗi ở điểm biên.
Kết quả cho thấy sự khác biệt giữa mô hình lưới và dữ liệu đám mây điểm ban đầu là không đáng kể, với sai số tương đối nhỏ hơn 1,5% đối với các thông số kích thước, chu vi và diện tích Sai số tương đối của thể tích cũng nhỏ hơn 4% Khoảng cách từ các điểm đến bề mặt lưới được kiểm tra bằng Cloudcompare, và hầu hết các điểm có khoảng cách đến mặt trụ nhỏ hơn 5mm, đáp ứng yêu cầu sai số cho cấu trúc bê tông cốt thép là ± 5mm.
2.1) Độ chính xác tuyệt đối của việc tạo lưới phù hợp để tạo mô hình lưới từ đám mây điểm phục vụ kiểm tra đánh giá kết cấu
Nu mb er o f p o in ts
XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN
Trường hợp nghiên cứu: giả thiết trụ của cây cầu cạn trên đường CO16, Seòlach, CHLB Đức chịu ảnh hưởng tại vựng địa chấn
4.1.1 Cơ sở đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu
Trong đánh giá kết cấu cầu, phương pháp mô phỏng FE được sử dụng để xác định khả năng làm việc của kết cấu bên cạnh việc đánh giá toàn vẹn bề mặt và khả năng làm việc của vật liệu trụ cầu Ba yếu tố chính cần xem xét bao gồm khả năng chịu lực dọc trục (nén), khả năng kháng uốn và kháng cắt Để kiểm tra các khả năng này, phương pháp gia tải thường được áp dụng, theo dõi phản hồi của kết cấu sau khi gia tải Các tiêu chuẩn và công thức hiện có được sử dụng để đánh giá khả năng kháng nén so với giới hạn cho phép trong tiêu chuẩn.
Cầu cạn trên vựng ngoại ụ Seòlach, Cộng Hòa Liên Bang Đức, không có khả năng va tàu dưới lòng sông, điều này giúp giảm thiểu nguy cơ hư hỏng trụ theo phương yếu cầu do va chạm Trong nghiên cứu này, trạng thái cầu chịu uốn không được xem xét, mà tập trung vào đánh giá khả năng chịu cắt của cầu Tải trọng động đất được chọn để mô phỏng tác động lực tải Hơn nữa, tình trạng tổn hại và bong tróc bề mặt cầu gây suy giảm khả năng làm việc của kết cấu, do đó, cần thiết phải thực hiện các biện pháp kiểm tra và đánh giá.
4.1.2 Lý thuyết tính toán: Phương pháp đàn hồi dạng đơn
Dựa vào TCVN 11823:2017, có nhiều phương pháp để đánh giá tải trọng động đất tác dụng lên trụ cầu, bao gồm phương pháp đàn hồi tải phân bố đều, đàn hồi dạng đơn, đàn hồi dạng phức và phương pháp dựa trên thời gian lịch sử Trong nghiên cứu này, phương pháp đàn hồi dạng đơn được sử dụng để tính toán ảnh hưởng của tải động đất lên trụ cầu.
Phương pháp này áp dụng hình thái dao động riêng theo phương dọc hoặc ngang cầu để tính toán chuyển vị tương đương của hệ kết cấu khi chịu tải trọng nằm ngang phân bố đều Dao động riêng dạng này được xác định khi thế năng và động năng đạt cân bằng lớn nhất, đồng thời chu kỳ dao động riêng (T) cũng được tính toán Biên độ chuyển vị được xác định thông qua phổ chuyển vị và hệ số phản hồi động đất đàn hồi Csm Từ đó, hiệu ứng lực do động đất tác động vào kết cấu được xác định qua biên độ này.
Phương án đàn hồi dạng đơn được áp dụng tùy theo kết cấu cầu, phù hợp cho tính toán giai đoạn cuối với cầu nhịp giản đơn và thiết kế sơ khai cho cầu phức tạp hơn Phương pháp này mang lại độ chính xác cao cho cầu thẳng với độ cứng và trọng lượng ổn định Trình tự tính toán tải động đất lên trụ cầu bê tông cốt thép hai nhịp dầm giản đơn được tham khảo từ AASHTO LRFD 1998 Độ cứng kháng chuyển vị ngang của kết cấu nhịp cầu có thể bỏ qua do độ cứng của trụ cầu và mối nối bản mặt cầu không đáng kể Đối với cầu sử dụng gối cao su bản thép, chỉ một nửa lực động đất từ kết cấu thượng tầng tác động lên trụ cầu theo phương dọc.
Bước đầu tiên trong quá trình tính toán là xác định chuyển vị tĩnh Vs(x) của nhịp cầu dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều, giả định Po = 1,0 N/mm Tải trọng này có thể tác động theo phương ngang hoặc dọc của cầu, và sơ đồ tính toán Vs(x) cho hai phương này được thể hiện trong Hình 4.1.
Hình 4 1 Sơ đồ tính Vs(x) theo phương ngang và dọc cầu dưới tác dụng của tải trọng rải đều Po
Khi E là mô đun đàn hồi của trụ cầu, và Ix và Iy là mô men quán tính kháng uốn theo
2 (hai) phương của trụ cầu tương ứng Xét trường hợp trụ cầu bê tông cốt thép có thân trụ cầu cạn với tiết diện ngang như Hình 4 2., ta có:
Hình 4 2 Mặt cắt ngang thân trụ cầu cạn
Trọng lượng riêng 𝛾 𝑐 và cường độ kháng nén 𝑓 𝑐 ′ của phần trụ cầu bê tông là những yếu tố quan trọng Hàm Vs(x) được xem như hàm bậc nhất, trong đó Vsmax là thông số đặc trưng cho cầu theo phương ngang.
Và Vs(x) là hằng số theo phương dọc cầu không đổi có trị số bằng Vs, Ta có:
Trong đó, Kx, Ky là độ cứng chống chuyển vị theo 2 phương của trụ cầu
- Bước 2: Tính các hệ số α = ∫ V s (x)dx (9) β = ∫ W(x) V s (x)dx (10) γ = ∫ W(x) V s 2 (x)dx (11)
Wx đại diện cho khối lượng của kết cấu nhịp theo đơn vị chiều dài dọc (trục x) Đối với cầu có nhịp dầm cầu giản đơn, Wx là một hằng số, tương đương với khối lượng của kết cấu nhịp trên mỗi đơn vị chiều dài, được biểu thị bằng Wx (N/mm).
Theo phương ngang cầu, ta có: α = ∫ V s (x)dx = V smax L(mm 2 ) (12) β = ∫ W(x) V s (x)dx = W V smax L(N mm) (13) γ = ∫ W(x) V s 2 (x)dx = W V smax 2 2L/3(N mm 2 ) (14) Theo phương dọc cầu, ta có: α = ∫ V s (x)dx = V s 2L(mm 2 ) (15) β = ∫ W(x) V s (x)dx = W V s 2L(N mm) (16) γ = ∫ W(x) V s 2 (x)dx = W V s 2 2L(N mm 2 ) (17)
- Bước 3: Chu kỳ dao động riêng của cầu
Trong đó, g là gia tốc trọng trường, thường lấy bằng 9.18 (g/mm 2 )
- Bước 4: Tính hệ số đáp ứng động đất đàn hồi (tra bảng)
- Bước 5: Tính tải động đất tĩnh tương ứng tác dụng dọc theo phương của nhịp cầu p e (x) =βC sm γ W(x)V s (x)(N mm⁄ ) (19)
Hàm pe(x) là hàm bậc nhất khi tính toán lực động đất theo phương ngang, trong khi đó, nó được coi là một hằng số khi xét lực động đất theo phương dọc.
Khi xác định pe(x), chúng ta sẽ phân tích các tương tác lực tác dụng lên trụ cầu và chia cho hệ số điều chỉnh đáp ứng tương ứng với từng bộ phận kết cấu cầu Theo AASHTO LRFD, hệ số điều chỉnh đáp ứng cho thân trụ và bệ trụ khi cầu được phân loại là rất quan trọng, với giá trị được chọn là 1,5.
Hệ số điều chỉnh này giúp quan sát khả năng ứng xử không đàn hồi của các bộ phận kết cấu cầu trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất, nhưng sẽ không hiệu quả khi lực động đất đàn hồi vượt quá ngưỡng cho phép.
Phương pháp đàn hồi được sử dụng để xác minh lực động đất tác động lên trụ cầu trên đường CO16, Seòlach, CHLB Đức Nghiên cứu này nhằm mô hình hóa và đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu, với các thông số cơ bản được giả định.
Mặt cắt ngang thân trụ (Hình 4 2.), với: b = 6.981 m, h = 0,995 m;
+ Bê tông thiết kế trụ có f'c = 30 Mpa;
+ Giả sử địa chất nơi đặt trụ cầu trờn đường CO16, Seòlach, CHLB Đức tương đương Đất loại I
+ Cầu BTCT hai nhịp có chiều dài nhịp khoảng 10,5 m, mặt cắt ngang gồm 2 làn xe chạy rộng 7,0 m và 2 vỉa hè mỗi bên rộng khoảng 2,0 m Hình 3 1
+ Tổng chiều cao thân trụ H = 2,109 m;
Bảng 4 1 Bảng tính toán chi tiết các tác dụng của lực do động đất vào trụ cầu
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình số trong phần mềm
Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số gần đúng được áp dụng để giải quyết các bài toán trong kỹ thuật và vật lý toán học Phương pháp này thường được sử dụng để phân tích các cấu kiện như kết cấu trụ trong công trình cầu, cũng như trong các lĩnh vực liên quan đến lưu chất, truyền khối, truyền nhiệt và điện thế.
Giá trị biên cho phương trình vi phân từng phần thường được xem là phương pháp giải tích cho bài toán, với kết quả được xây dựng qua hệ phương trình ma trận đại số Các giá trị tương đối của các ẩn tại một số phần tử rời rạc được xác định trên miền xác định Để giải bài toán này, cần chia nhỏ thành nhiều miền con, hay còn gọi là các phần tử hữu hạn (PTHH) Các phương trình mô hình hóa PTHH được gộp thành một ma trận lớn hơn để mô hình số toàn bộ đối tượng Bằng cách áp dụng các phương pháp biến đổi từ phép tính các biến thể, ta có thể tính toán ma trận này và nhận được giá trị hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử trong FEM, từ đó xác định hàm số xấp xỉ hoàn toàn ở từng phần tử.
Phân tích hoặc nghiên cứu hiện tượng với FEM thường được gọi là phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
Trong lĩnh vực Cơ học, các chuyên ngành như hàng hông, cơ khí, công nghiệp xe hơi, xây dựng và điện thường sử dụng Phương pháp Phần tử Hữu hạn (FEM) trong thiết kế và phát triển sản phẩm Nhiều phần mềm FEM thương mại hiện đại tích hợp các môi trường làm việc như nhiệt, điện từ, chất lỏng và cấu trúc Cụ thể, FEM hỗ trợ hiệu quả trong mô hình số kết cấu, giúp tối ưu hóa độ cứng, ứng suất, đồng thời giảm trọng lượng, vật liệu và chi phí sản xuất.
Phần mềm FEM cho phép hiển thị chi tiết về các kết cấu bị uốn hoặc xoắn, đồng thời chỉ ra phân bố ứng suất và chuyển vị Để kiểm soát độ phức tạp của mô hình số và phân tích hệ thống, FEM cung cấp nhiều tùy chọn mô phỏng, giúp giải quyết hầu hết các ứng dụng kỹ thuật với độ chính xác cao và thời gian quản lý hiệu quả Nhờ đó, tất cả các thiết kế có thể được xây dựng, tinh gọn và tối ưu trước khi tiến hành sản xuất đại trà.
Phần mềm FEM đã cải thiện đáng kể tiêu chuẩn và quy trình thiết kế cho các sản phẩm công nghiệp, giúp rút ngắn thời gian từ ý tưởng đến sản xuất hàng loạt Lợi ích của việc sử dụng FEM bao gồm độ chính xác cao, khả năng nắm bắt các thông số thiết kế quan trọng, tạo mô hình ảo, tiết kiệm chi phí phần cứng, tối ưu hóa quy trình thiết kế, và gia tăng hiệu suất cũng như doanh thu.
4.2.1.3 Các biểu thức căn bản của FEM a) Ma trận độ cứng và vec-tơ tải phần tử Để tính bài toán kết cấu với mô hình tương khích bằng FEM, đầu tiên chọn ẩn căn bản là chuyển vị Xong rồi xác định được chuyển vị thì các thành ứng suất, biến dạng mới được tính tiếp Chuyển vị được xác định xấp xỉ bằng các đa thức xấp xỉ và được nội suy thông qua vectơ chuyển vị phần tử nút {q}e
Theo Cauchy về công thức của lý thuyết đàn hồi, từ đó có thể tính được các phần biến dạng:
{ε}e=[∂]{u}e=[∂][N]{q}e=[B]{q}e (21) Trong đó: [B]= [∂][N]: ma trận tính biến dạng
Áp dụng định luật Hooke, ứng suất tại các điểm của phần tử được xác định khi bỏ qua các thành phần ứng suất và biến dạng ban đầu.
Thay phương trình ma trận biến dạng vào ta được:{σ} e =[D] [B]{q}e=[S] {q}e
Trong đó: [S]=[D][B] ma trận ứng suất
Sử dụng các nguyên lý biến phân Lagrange, tương tự như phương pháp Ritz và Galerkin trong phương pháp biến phân, chúng ta có thể xác định phương trình căn bản của phương pháp PTHH Theo đó, thế năng toàn phần của phần tử sẽ được tính toán dựa trên những nguyên lý này.
Thay các kết quả phương trình ma trận biến dạng và ma trận ứng suất vào ta được công thức thu gọn:
[K] e = ∫ [𝐁] V 𝐓 [𝐃] e [B]dV: ma trận độ cứng phần tử
[KP] e = ∫ [𝐍] V 𝐓 {𝐠} 𝐞 e dV + ∫ [𝐍] S 𝐓 {𝐩} 𝐞 e dS: véc-tơ tải phần tử b) Ma trận độ cứng và vecto tải tổng thể
Giả dụ kết cấu được chia thành N phần tử bởi R nút Số bậc tự do của mỗi nút là s Và mỗi phần tử có r nút
+ Số bậc tự do của phần tử sẽ là ne=r x s
+ Số bậc tự do của cả hệ sẽ là n=R x s
{q}e : Vectơ chuyển vị nút phần tử sẽ có kích thước (ne x 1) Vectơ chuyển vị nút tổng thể {q} sẽ có kích thước (n x 1)
Khi đó, {q}e trở thành một phần của {𝑞̅}, dẫn đến mối quan hệ giữa hai vectơ chuyển vị nút phần tử và tổng thể được thể hiện qua biểu thức.
Trong đó: [L]e (ne x n) gọi là ma trận định vị phần tử Ma trận này cho biết hình ảnh sắp xếp của {q}e trong {𝑞̅}
Công thức ma trận độ cứng tổng thể và vectơ tải tổng thể:
[K̅] = ∑ N e=1 [L] e T [K] e [L] e : ma trận độ cứng tổng thể
Khi ta bổ sung thêm điều kiện biên cho {q̅}, phương trình sẽ trở thành
[K̅ ∗ ]{q̅ ∗ } − {P̅ ∗ } = 0 (27) Trên đây là hệ phương trình cơ bản dùng trong FEM
4.2.1.4 Phân tích bài toán bằng FEM
Phân tích bài toán kết cấu bằng phương pháp PTHH được thực hiện theo trình tự sau đây:
- Bước 1: Rời rạc hóa kết cấu
+ Hệ kết cấu được chia thành các phần tử có dạng hình học giản đơn, được nối với nhau bởi các điểm nút
- Bước 2: Chọn hàm gần đúng thích hợp
+ Chọn hàm gần đúng thích hợp tùy theo loại phần tử
+ Nội suy hàm gần đúng theo vectơ các bậc tự do của phần tử {q}e
+ Tìm ma trận hàm dạng [N], ma trận tính biến dạng [B], ma trận tính ứng suất [S]
- Bước 3: Thiết lập ma trận phần tử độ cứng [K] e và vectơ tải phần tử {P}e
+ Sử dụng các biểu thức để ở trên để xác định [K] e và {P}e
- Bước 4: Nối ghép các phần tử
+ Nối kết hợp ma trận cứng tổng thể [𝐾̅] và vectơ tải tổng thể [𝑃̅] theo hệ ma trận chỉ số [b], ta có hệ phương trình:
+ Đặt điều kiện biên của bài toán, được hệ phương trình sau:
[K̅ ∗ ]{q̅ ∗ } = {P̅ ∗ } (29) Đây được xem là hệ thống phương trình để giải
- Bước 5: Tính hệ phương trình (29)
Kết quả nhận được là vectơ chuyển vị nút tổng thể { 𝑞 ̅ ∗ }
- Bước 6: Tính ứng suất, chuyển vị và biến dạng của tất cả các phần tử
4.2.2 Mô hình số phân tích/ giải lưới (mesh) mô hình khối trụ cầu trong phần mềm ABAQUS CAE
Các bước mô hình trong ABAQUS CAE: làm việc với các mô đun theo thứ bậc như: Part, Property, Assembly, Step, Interaction, Load, Mesh, và cuối cùng là Job
Mô-đun này cung cấp một loạt công cụ để xây dựng mô hình với các hình thể đa dạng, từ những hình dạng cơ bản như điểm, đường thẳng, đường tròn đến những hình phức tạp hơn Bằng cách kết hợp các phần tử đơn giản, người dùng có thể tạo ra các cấu kiện có hình dạng phức tạp Mô-đun cũng cho phép định dạng loại phần tử cho phân tích, bao gồm Solid, Shell và Wire Nó hỗ trợ việc nhập dữ liệu từ các phần mềm liên kết như CAD và SOLID, nhằm đảm bảo tính đồng bộ và chuẩn hóa Trong nghiên cứu này, tác giả đã nhập file định dạng igs từ phần mềm AutoCAD 3D.
Hình 4 3 Mô hình trụ cầu được nhập thành công vào phần mềm ABAQUS CAE
- Property: Gán đặc tính vật liệu và định nghĩa các part Trong phần
Công cụ Partition cho phép chia mô hình thành các phần mà người dùng muốn quản lý Phần Property/Creat section được sử dụng để tạo các mặt cắt với các đặc tính vật liệu đã được khai báo trong Property/Creat Material Sau khi sử dụng công cụ Property/Section, các mặt cắt sẽ được gán bằng Property/Assign section, hoàn thiện quá trình xây dựng và gán vật liệu cho mô hình.
Hình 4 4 Vật liệu được khai báo cho trụ cầu trong phần mềm ABAQUS CAE
Module Assembly được sử dụng để tạo và sửa đổi lắp ghép khu của model, với nhiệm vụ chính là ghép các phần từ phần Part Khi sử dụng Instance part, mục tiêu là tạo khối Partition và thực hiện lắp ghép, giữ nguyên hình dạng và vị trí của các partition nếu không có thay đổi Lệnh Assembly/Instance part cho phép chọn giữa Dependent (mesh on part) cho lắp ghép không phụ thuộc vào mesh và Independent (mesh on instance) cho lắp ghép phụ thuộc vào mesh ABAQUS cũng hỗ trợ các công cụ như Linear pattern, Radial pattern, Translate Instance và Rotate instance để sắp xếp, chỉnh sửa và sao chép các đối tượng một cách nhanh chóng và chính xác.
Trong luận văn này, tác giả tạo mesh qua Independent (mesh on instance) là chọn việc ghép phụ thuộc vào lưới chia (mesh)
Hình 4 5 Make Independent được chọn khai báo cho trụ cầu trong
Để thiết lập các bước phân tích cho từng mục đích, cần xác định loại phân tích phù hợp với bài toán, chẳng hạn như phân tích tuyến tính, phi tuyến, ổn định hay động học Việc lựa chọn và khai báo các thông số cần thiết là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của quá trình phân tích.
Để gán tải trọng và điều kiện biên cho cấu kiện, cần chú ý đến định nghĩa bước phân tích Step, vì điều này ảnh hưởng đến các thông số gán tải trọng và điều kiện biên Việc khai báo điều kiện biên là một bước quan trọng trong quá trình phân tích.
(ngàm dưới chân trụ) b) Khai báo lực, tải trọng bản thân (gravity load được khai báo cho trụ cầu)
Hình 4 6 Khai báo điều kiện biên và nội lực cho trụ cầu
Việc chia nhỏ phần tử trong phân tích mô hình, hay còn gọi là mesh, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kết quả Chia phần tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao, nhưng thời gian phân tích cũng sẽ tăng lên tương ứng Module cho phép người dùng định nghĩa các vùng chia nhỏ khác nhau so với tổng thể để thực hiện phân tích cục bộ, với các kiểu chia như hình chữ nhật, tam giác, hoặc theo các vị trí thay đổi tiết diện Ngoài ra, người dùng có thể xác định các loại phần tử như solid, shell, wire beam và wire truss.
KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Kết quả đánh giá kết cấu dựa trên mô hình lưới khối 3D tạo ra từ đám mấy điểm tính toán phần tử hữu hạn
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá độ chính xác của mô hình lưới trụ cầu khối 3D được phát triển bằng phương pháp đề xuất Để xác định độ chính xác của mô hình, nghiên cứu đã nhập mô hình lưới 3D vào phần mềm ANSYS Workbench/ ABAQUS CAE và xác nhận rằng mô hình được phân tích thành công mà không có lỗi nào Kết quả cho thấy hình dạng của trụ cầu được duy trì với độ chính xác cao, giống với hình dạng quan sát được trong tệp đầu ra từ quá trình xử lý thủ công trên CAD Ngoài ra, nghiên cứu cũng tính toán phân tích lực động đất thông qua phương pháp đàn hồi dạng đơn bằng cách sử dụng các điều kiện biên và vật liệu giả định trong phần mềm FEM.
Phần mềm ANSYS cho phép phân tích chi tiết và phân biệt giữa phần tử tứ diện và phần tử khối trong mô hình lưới trụ khối 3D Để thực hiện điều này, một lát cụ thể được trích xuất từ mô hình trụ cầu đầy đủ và được thử nghiệm trong ANSYS Workbench Kết quả cho thấy rằng lưới có thể tạo ra sai sót trong một số lát trụ đã chọn, trong khi đó, một số lát khác lại tạo ra lưới chính xác.
Hình 5 1 Đánh giá độ chính xác của giải mesh trong ANSYS Workbench
Kết quả cho thấy biểu diễn lưới sai của một đoạn đã chọn, như được mô tả trong Hình
5 2 a., được đặt liền kề với mô tả lưới chính xác của cùng một đoạn, được minh họa trong Hình 5 2 b
Ngoài ra, các tác giả của nghiên cứu cho rằng các tổn thương có chiều rộng lớn hơn
Khi kích thước 100mm được áp dụng, có thể xảy ra vấn đề về tính toàn vẹn bề mặt cấu trúc Việc sử dụng thuật toán hình dạng ranh giới cho các tổn thương này có thể dẫn đến lỗi Cụ thể, ngưỡng kích thước voxel tối đa trong thuật toán phát hiện ranh giới được xác định là 100mm, điều này có nghĩa là các đám mây điểm nằm ngoài ngưỡng 100mm voxel sẽ được xem là có khuyết tật bề mặt.
Phần mềm đã nhập mô hình và xử lý hình dạng lưới một cách hoàn hảo, không có lỗi Lưới 3D bao gồm tất cả các thành phần của cầu trụ, kết hợp giữa các phần tử tứ diện và khối lập phương, vẫn giữ nguyên hình dạng Cấu kiện trụ cầu được xây dựng tỉ mỉ qua sự kết hợp giữa thuật toán của phần mềm AutoCAD và lao động thủ công, vẫn còn nguyên vẹn ở dạng ban đầu.
ABAQUS CAE b) Lưới được giải thành công trong ANSYS Workbench R19.2
Hình 5 2 Phân tích lưới (mesh) thành công trong cả 2 phần mềm ABAQUS CAE và
Trong ANSYS Workbench R19.2, hình dạng của trụ cầu được duy trì với sự so sánh giữa lưới và đám mây điểm ban đầu cho thấy sự khác biệt không đáng kể Sai số tương đối nhỏ hơn 1,5% theo ba chiều, chu vi và thể tích, trong khi sai số âm lượng tương đối nhỏ hơn 4% (Bảng 3.1) Khoảng cách từ các điểm đến bề mặt lưới được kiểm tra bằng CloudCompare, với phần lớn điểm có khoảng cách nhỏ hơn 5mm (Hình 3.17b) Độ chính xác tuyệt đối trong việc tạo lưới từ đám mây điểm là phù hợp (Hình 3.17), tuy nhiên, khoảng cách đáng kể 2cm ở phía trên và dưới của trụ cầu có thể do lỗi trong việc chọn điểm biên.
Sau khi xác định tính chính xác và thực hiện thành công việc giải mesh, các mô phỏng đã được tiến hành với cùng thuộc tính vật liệu và điều kiện biên tương tự Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của nội lực tác động lên kết cấu trụ cầu trong vùng địa chấn, đặc biệt khi bề mặt công trình bị bong tróc hoặc sứt nẻ do thời tiết Mô hình lưới được xây dựng từ dữ liệu đám mây điểm thu được bằng máy TLS, dễ dàng nhập vào phần mềm ANSYS để kiểm tra sức khỏe kết cấu Kết quả cho thấy, khi bề mặt kết cấu bị tổn thương, các biểu đồ thể hiện rõ ràng trong Hình 5.3, giúp đưa ra quyết định sửa chữa hoặc thay thế kịp thời, đảm bảo không gián đoạn quá trình sử dụng công trình.
Hình 5 3 Quan hệ ứng suất cắt từ mô hình mô phỏng và ứng suất cắt cho phép
Mối quan hệ ứng suất cắt từ mô hình mô phỏng và ứng suất cắt cho phép Ứng suất cắt từ FEM (Pa) Ứng suất cắt cho phép
Kết quả nghiên cứu cho thấy, vết nứt hoặc sứt mẻ có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 0.1x0.1x0.05 (m) không vượt quá giới hạn ứng suất cho phép, do đó không ảnh hưởng nhiều đến quá trình sử dụng công trình Điều này chỉ ra rằng, độ chính xác của đám mây điểm phụ thuộc vào thiết bị và phương pháp thu thập, xử lý dữ liệu, từ đó đảm bảo độ chính xác của mô hình Phương pháp đề xuất rất phù hợp cho các công trình hiện hữu cần bảo trì mà không có bản vẽ thiết kế.
Kết luận chung
Nghiên cứu này phát triển mô hình lưới 3D từ đám mây điểm 3D của trụ cho phân tích phần tử hữu hạn (FEM) bằng cách sử dụng thuật toán octree để cấu trúc đám mây điểm Các đỉnh của phần tử khối được tạo ra từ thuật toán khối diễu hành và các voxels trống Mô hình trụ cầu khối được thiết kế thủ công trên phần mềm CAD 3D và nhập vào ANSYS cũng như ABAQUS Kết quả cho thấy mô hình lưới được khởi tạo thành công từ đám mây điểm 3D thu được từ TLS, tạo cơ sở dữ liệu đầu vào cho phần mềm mô phỏng FEM Mô hình FEM đã được nhập vào ANSYS, duy trì hình dạng của trụ cầu, và mô phỏng ứng xử kết cấu cho phép đánh giá khả năng làm việc của nó Độ chính xác của mô hình lưới đạt yêu cầu với sai số tương đối của các tham số hình học nhỏ hơn 4% và khoảng cách từ đám mây điểm đến mô hình lưới khoảng 5 mm, chứng minh rằng mô hình lưới phù hợp với đám mây điểm.
Mô hình lưới khối 3D đã được xử lý thành công với độ tin cậy cao hơn so với phương pháp truyền thống, giúp việc đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trở nên dễ dàng Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu dưới tác động của địa chấn, được thực hiện thông qua phần mềm ANSYS Workbench Kết quả địa chấn cho phép đánh giá tác động của cơn địa chấn đến khả năng làm việc của trụ cầu, đặc biệt trong các trường hợp bề mặt trụ cầu bị sứt mẻ hoặc bong tróc sau thời gian dài sử dụng Từ các kết quả tính toán, các biện pháp sửa chữa hoặc thay thế sẽ được đưa ra kịp thời nhằm đảm bảo quá trình sử dụng không bị gián đoạn.
Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai
Trong những năm gần đây, thuật ngữ kỹ thuật số và sản xuất thông minh đã trở thành xu hướng quan trọng trong quy trình tự động hóa và số hóa ngành xây dựng, đặc biệt trong kỹ thuật cầu Việc áp dụng công nghệ mới như TLS giúp nâng cao phương pháp đánh giá và quản lý cầu truyền thống, thông qua việc sử dụng mô hình 3D được tạo ra từ dữ liệu thu thập được.
Việc thu thập dữ liệu là giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình tạo mô hình khối 3D, thường dựa vào kinh nghiệm của người khảo sát Đặc biệt, việc thu thập dữ liệu cho các cấu trúc lớn và phức tạp như cầu đang gặp nhiều thách thức, bao gồm địa hình gồ ghề và các vị trí quét tối ưu vẫn chưa được xác định rõ Mặc dù có một số nghiên cứu về thuật toán phân khúc và phương pháp trích xuất mô hình 3D từ dữ liệu quét laser, nhưng chúng chưa tập trung vào các cấu trúc phức tạp với nhiều hướng khác nhau Do đó, cần thiết phải có nghiên cứu trong tương lai để cải thiện khả năng phát hiện các thành phần cấu trúc phức tạp của cầu Hiện tại, chưa có phần mềm thương mại hay phương pháp tự động nào để chuyển đổi dữ liệu thô thành mô hình hình học chính xác, vì vậy cần tiến hành nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp thực tế cho việc chuyển đổi đám mây điểm thành mô hình 3D hợp lệ.
Mặc dù phương pháp đề xuất đã đạt được thành công ban đầu, nhưng vẫn cần một số bước thủ công Nghiên cứu tiếp theo phát triển một cách tiếp cận mới để đánh giá mô hình cầu trụ mà không cần thực hiện các bước thủ công hoặc áp dụng cho các cấu kiện xây dựng phức tạp Để tối ưu hóa phép tính và chứng minh khả năng làm việc của mô hình số, nghiên cứu này sử dụng phần mềm ANSYS Workbench R19.2 thay vì các phần mềm mô phỏng thương mại khác như ABAQUS CAE, DIANA, MIDAS, hay RM Dù số lượng trường hợp giả định kết cấu bị bong tróc còn hạn chế, phương pháp này vẫn đảm bảo tính ứng dụng thực tiễn khi kết cấu được đo từ thực nghiệm và nhanh chóng xử lý tại phòng kỹ thuật.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
[1] Anh Rin Nguyen, Ngoc Thi Huynh, Linh Truong- Hong, and Anh Thu Thi Phan,
This article discusses the process of creating a mesh model for Finite Element Method (FEM) simulations using point cloud data obtained through Terrestrial Laser Scanning (TLS) It highlights the significance of accurately constructing the mesh to enhance the effectiveness of FEM in civil engineering applications The findings are presented in the Proceedings of the Third ICSCEA 2023, published by Springer in the field of Civil Engineering and Architecture.