luận án tiến sĩ quan trắc và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang

- Hệ thống cảm biến quang FBG để giám sát kết cấu cầu giàn và cầu dây văng - Đặc trưng động học của kết cấu công trình cầu giàn và cầu dây văng; - Mô hình số hóa kết cấu cầu giàn và cầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công

bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Hà Nội, ngày 02 tháng 04 năm 2024

Tác giả

Mai Đức Anh

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xii

KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Mở đầu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6 Nội dung của luận án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG HỆ CẢM BIẾN VÀ CẢM BIẾN QUANG 5

1.1 Tổng quan về hệ thống theo dõi sức khoẻ công trình cầu 5

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu giám sát sức khoẻ công trình cầu 14

1.3 Tổng quan về giám sát sức khoẻ công trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang 19

1.4 Kết luận Chương 1 26

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA CẢM BIẾN FBG 27

2.1 Khái niệm về cảm biến FBG 27

2.2 Phân loại cảm biến FBG 32

2.2.1 Cảm biến quang giản đơn 32

2.2.2 Cảm biến quang đồng nhất 34

2.2.3 Cảm biến quang biến thiên theo chiều dài [72] 35

2.2.4 Cảm biến quang lưới ghép nghiêng [73] 40

2.3 Đặc trưng cơ học của cảm biến quang 43

2.3.1 Khả năng phản xạ của sợi quang học 43

2.3.2 Đặc trưng của băng thông 47

2.3.3 Đặc điểm độ trễ nhóm và sự phân tán 48

2.3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ 52

2.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến quang FBG 57

2.4.1 Cường độ 57

2.4.2 Mô đun đàn hồi và độ cứng 57

2.5 So sánh cảm biến FBG với một số cảm biến truyền thống 58

2.6 Tổng kết chương 2 60

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN FBG ĐỂ THEO DÕI ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC CỦA KẾT CẤU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 62

3.1 Thiết kế thí nghiệm 62

3.1.1 Cầu giàn thép 62

3.1.2 Cầu dây văng 73

3.2 Tiến hành đo đạc và phân tích số liệu 78

3.2.1 Thí nghiệm trên cầu dàn thép 78

3.2.2 Thí nghiệm trên cầu dây văng 81

3.3 Phân tích kết quả 84

3.3.1 Đối với cầu dàn thép 84

3.3.2 Đối với cầu dây văng 95

3.4 Tổng kết chương 3 103

CHƯƠNG 4: GIÁM SÁT SỨC KHỎE KẾT CẤU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU ĐỀ XUẤT KẾT HỢP DỮ LIỆU THU ĐƯỢC TỪ CẢM BIẾN QUANG 105 4.1 Xây dựng mô hình số 105

4.1.1 Mô hình phần tử hữu hạn Cầu giàn thép 105

4.1.2 Mô hình phần tử hữu hạn Cầu dây văng 113

4.2 Thuật toán đề xuất 119

4.2.1 Thuật toán H5N1 119

4.2.2 Phương pháp Phân rã Giá trị riêng (Singular Value Decomposition - SVD) 127

4.2.3 Thuật toán H5N1-SVD 128

4.3 Áp dụng thuật toán đề xuất để cập nhật và xác định hư hỏng cho mô hình 129

4.3.1 Cập nhật mô hình số 129

4.3.2 Xác định hư hỏng cầu giàn thép 137

4.3.3 Xác định hư hỏng cầu dây văng 143

4.4 Kết luận chương 4 152

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 153

Kết luận: 153

Kiến nghị: 154

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 155

TÀI LIỆU THAM KHẢO 156

Phụ lục 165

Phần 1: Mô hình cầu dàn thép thí nghiệm (Matlab) 165

Phần 2: Mô hình cầu dây văng thí nghiệm (Ansys APDL) 174

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Hệ thống cảm biến được lắp đặt trên Cầu Tsing Ma phục vụ cho việc giám

sát sức khỏe 7

Hình 1-2: Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản) 9

Hình 1-3: Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) 10

Hình 1-4: Cầu Tatara (Nhật Bản) 10

Hình 1-5: Hệ thống quan trắc của cầu Tatara (Nhật Bản) 11

Hình 1-6: Cầu Tsingma – Hong Kong 11

Hình 1-7: Hệ thống quan trắc của cầu Tsingma (Hong Kông) 12

Hình 1-8: Cầu Rồng - Thành phố Đà Nẵng 12

Hình 1-9: Cầu Cần Thơ – Tỉnh Cần Thơ 13

Hình 1-10: Hệ quan trắc cầu Cần Thơ 14

Hình 1-11: Cầu Bính – Thành phố Hải Phòng 14

Hình 1-12: Sơ đồ các vị trí cảm biến FBG để giám sát biến dạng của cầu 22

Hình 2-1: Một bức xạ được phản xạ bởi cấu trúc mạng của một tinh thể và sẽ gây nhiễu nếu tuân theo định luật Bragg 27

Hình 2-2: Hình dạng sóng phản xạ Bragg điển hình với các tham số của nó được xác định 29

Hình 2-3: Cách tử Bragg thống nhất với chỉ số biên độ và chu kỳ điều chế không đổi 33

Hình 2-4: Phổ phản xạ điển hình của trung tâm cách tử Bragg ở bước sóng 1550 nm như một hàm của bước sóng 35

Hình 2-5: Sơ đồ của CFBG và phương pháp rời rạc hóa (a) Phác thảo FBG được đa tần số tuyến tính; (b) rời rạc tương ứng CFBG thành MFBG thống nhất 36

Hình 2-6: Mô phỏng phổ CFBG bằng mô hình dựa trên CMT Biểu đồ cho thấy quang phổ có độ dài 𝐿 khác nhau nằm trong khoảng từ 20 mm đến 50 mm và hệ số tốc độ chia đa tần 𝜉 bằng 1–2 nm/mm; các tham số cách tử khác là 𝛿𝑛𝑒𝑓𝑓 = 10 − 6, 𝑛𝑒𝑓𝑓 = 1,5, 𝜆𝐵(0) = 1520 𝑛𝑚, 𝑘𝐿𝑔 = 0,4 và bước rời rạc là 𝐿𝑔 = 0,2 𝑚𝑚 39 Hình 2-7: Mô phỏng sự biến đổi của phổ CFBG với mô hình CMT, tiếp xúc với các

kiểu nhiệt độ khác nhau (a) Các biến đổi nhiệt độ áp dụng cho CFBG dài

50 mm với tốc độ chia đa tần 1 nm/mm; (b) Phổ phản xạ CFBG thu được cho từng cấu hình nhiệt độ Mỗi biến đổi được hiển thị cùng màu trong hai

biểu đồ 40

Hình 2-8 Sơ đồ cấu trúc của TFBG 𝛬 là chu kỳ cách tử và 𝜉 biểu thị góc nghiêng 41

Hình 2-9 Minh họa của vectơ sóng cho sự ghép cặp hình thái trong TFBG 41

Hình 2-10 Phổ truyền của TFBG có góc nghiêng nhỏ hơn hơn 5 độ 42

Hình 2-11: Cách tử Bragg sợi đồng nhất [74] 43

Hình 2-12: Đáp ứng phổ phản xạ và truyền dẫn đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị cường độ cách tử khác nhau đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74] 45

Hình 2-13: Đáp ứng phổ phản xạ và thời gian trễ so với bước sóng đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị khác nhau của cường độ cách tử đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme[74] 46

Hình 2-14: Tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất với chiều dài cách tử (𝐿𝑔) ở các giá trị ξ khác nhau [76] 48

Hình 2-15: Ảnh hưởng của chiết suất trung bình (δn) đến tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất đến chiều dài cách tử (𝐿𝑔) đối với (a) ξ = 2,41 / m và (b) ξ = 61 / m [76] 49

Hình 2-16: Ảnh hưởng của chiết suất trung bình (δn) đến tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất đến chiều dài cách tử (Lg) dựa trên các giá trị tối ưu của (a) ξ = 2,41/m và (b) ξ = 61/m [76] 50

Hình 2-17: Ảnh hưởng của sự biến thiên nhiệt độ (T) đến tính chất phân tán của hàm POF đồng nhất đến chiều dài cách tử (Lg) (a) ξ = 2,41/m và (b) ξ = 61/m [76] 50

Hình 2-18: Phổ phản xạ và truyền dẫn so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị độ bền cách tử khác nhau đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74] 52

Hình 2-19: Phổ phản xạ và thời gian trễ so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với các giá trị cường độ cách tử khác nhau đối với (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74] 54 Hình 2-20: Phổ phản xạ và độ trễ thời gian so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử

Bragg đồng nhất với điều chế chỉ số Δn = 1 × 10 − 4 cho các giá trị khác

nhau của chiều dài cách tử (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme

[74] 55

Hình 2-21: Phổ phản xạ và độ trễ thời gian so với sự thay đổi nhiệt độ đối với cách tử Bragg đồng nhất với điều chế chỉ số Δn = 5 × 10 − 4 cho các giá trị khác nhau của chiều dài cách tử (a) sợi quang silica và (b) sợi quang polyme [74] 56

Hình 3-1: Mô hình cầu giàn thép trong phòng thí nghiệm 62

Hình 3-2: Bản vẽ chi tiết kết cấu nhịp 63

Hình 3-3: Liên kết tại nút giàn 63

Hình 3-4: Gối cầu 64

Hình 3-5: Cáp quang 65

Hình 3-6: Bộ kẹp cáp quang 65

Hình 3-7: Thông số kích thước bộ kẹp cáp (mm) 65

Hình 3-8: Bộ dò tín hiệu quang FAZT-I4G 67

Hình 3-9: Giao diện phần mềm Femtosense 68

Hình 3-10: Giao diện phần mềm MACEC 69

Hình 3-11: Đầu đo nhận dạng dao động 70

Hình 3-12: Cáp truyền tín hiệu 70

Hình 3-13: Bộ thu tín hiệu 71

Hình 3-14: Mô-đun thu tín hiệu 71

Hình 3-15: Sơ đồ bố trí đo đạc 72

Hình 3-16: Mô hình cầu dây văng trong phòng thí nghiệm 73

Hình 3-17: Neo dây cáp được hàn cố định trên bản mặt cầu 74

Hình 3-18: Hệ thống điều chỉnh lực căng dây văng tại đỉnh tháp 74

Hình 3-19: Quả nặng được treo dưới các neo cáp tại bản dưới của kết cấu nhịp 75

Hình 3-20: Bố trí đầu đo gia tốc tại các vị trí theo sơ đồ đo 77

Hình 3-21: Theo dõi dữ liệu đo theo thời gian bằng phần mềm LabView 2014 78

Hình 3-22: Bố trí đo đạc 78

Hình 3-23: Lắp đặt cảm biến quang trên các thanh mạ thượng và mạ hạ 79

Hình 3-24: (a) Vị trí cảm biến quang tại nút giàn (b) tạo kích thích dao động 79

Hình 3-25: Giao diện phần mềm Fentosense trong quá trình đo 80

Hình 3-26: Một số điểm đo trong phòng thí nghiệm 81

Hình 3-27: Lắp đặt cáp quang 81

Hình 3-28: Một số điểm đo FBG trên cầu dây văng trong phòng thí nghiệm 82

Hình 3-29: Tạo kích thích bằng búa 82

Hình 3-30: Tạo kích thích 83

Hình 3-31: Một số điểm đo cảm biến gia tốc trên cầu dây văng trong phòng thí nghiệm 84 Hình 3-32: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền thời gian 84

Hình 3-33: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền tần số 84

Hình 3-34: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền thời gian 90

Hình 3-35: Biểu đồ dữ liệu biến dạng theo miền tần số 90

Hình 3-36: Đo đạc dữ liệu từ cảm biến quang cầu dây văng 96

Hình 3-37: Biểu đồ đo dữ liệu từ cảm biến quang 96

Hình 3-38: Biểu đồ ổn định 97

Hình 3-39: Biểu đồ đo dữ liệu từ cảm biến gia tốc 99

Hình 3-40: Dữ liệu đo trên miền thời gian trước và sau khi áp dụng biến đổi Fourier 99

Hình 4-1:Các kích thước cơ bản của mô hình 105

Hình 4-2: Phần tử ‘beam’ trong Matlab 106

Hình 4-3: Mô hình PTHH 107

Hình 4-4 Mô hình mặt cầu trên thực tế 107

Hình 4-5: Phần tử BEAM188 trong ANSYS 113

Hình 4-6: Phần tử LINK180 trong ANSYS 114

Hình 4-7: Phần tử SHELL181 trong ANSYS 114

Hình 4-8: Mô hình PTHH cầu dây văng trong phòng thí nghiệm 115

Hình 4-9:Phân bố của các giá trị c và p trong quá trình tính toán 123

Hình 4-10: Kết quả hội tụ sau khi cập nhật mô hình 131

Hình 4-11: Kịch bản hư hại D1-1 137

Hình 4-12: Kịch bản hư hại D1-2 138

Hình 4-13: Kịch bản hư hại D2-1 138

Hình 4-14: Kịch bản hư hại D2-2 138

Hình 4-15: Biểu đồ hội tụ của các thuật toán (D1-1) 139

Hình 4-16: Biểu đồ hội tụ của các thuật toán (D1-2) 140

Hình 4-17: Biểu đồ hội tụ của các thuật toán (D2-1) 141

Hình 4-18: Biểu đồ hội tụ của các thuật toán (D2-2) 142

Hình 4-19: Các trường hợp hư hỏng trên mô hình cầu dây văng 145

Hình 4-20: Biểu đồ hội tụ trường hợp 02 147

Hình 4-21: Biểu đồ hội tụ trường hợp 03 148

Hình 4-22 Biểu đồ hội tụ trường hợp 04 149

Hình 4-23 Biểu đồ hội tụ trường hợp 05 150

Hình 4-24: Biểu đồ hội tụ trường hợp 06 151

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Ưu điểm của công nghệ cảm biến FBG so với các hệ thống truyền thống[77] 58

Bảng 3-1: Thông số kỹ thuật của cảm biến quang 66

Bảng 3-2: Thông số kỹ thuật của bộ dò tín hiệu quang 67

Bảng 3-3: Các thông số cảm biến 69

Bảng 3-4: Các sơ đồ bố trí điểm đo dao động 76

Bảng 3-5: Bảng tổng hợp dao động thu được bằng cảm biến FBG 85

Bảng 3-6: Bảng tổng hợp dao động thu được bằng cảm biến gia tốc 90

Bảng 3-7: So sánh kết quả thu được của cảm biến FBG và cảm biến gia tốc cho mô hình cầu giàn thép 94

Bảng 3-8: Bảng tổng hợp hình thái dao động thu được bằng cảm biến FBG 98

Bảng 3-9: Đặc trưng động của 05 hình thái dao động đầu tiên của cầu dây văng 101

Bảng 3-10: Bảng so sánh kết quả thu được từ cảm biến FBG và cảm biến gia tốc 102

Bảng 4-1: Đặc trưng vật liệu của các bộ phận kết cấu mô hình PTHH 106

Bảng 4-2: Đặc trưng động của 04 hình thái dao động đầu tiên của mô hình PTHH 108

Bảng 4-3: Bảng so sánh kết quả giữa mô hình đo bằng thiết bị cảm biến FBG, cảm biến gia tốc và mô hình PTHH 111

Bảng 4-4: Đặc trưng vật liệu của các bộ phận kết cấu mô hình PTHH 115

Bảng 4-5: Đặc trưng động của 05 hình thái dao động đầu tiên của mô hình PTHH 116

Bảng 4-6: Bảng so sánh kết quả giữa mô hình đo bằng thiết bị cảm biến FBG, cảm biến gia tốc và mô hình PTHH 117

Bảng 4-7: Các đặc trưng vật liệu được chọn làm tham số cập nhật 130

Bảng 4-8: Thông số chung 131

Bảng 4-9: Kết quả so sánh giữa tần số đo được và kết quả cập nhật 133

Bảng 4-10: Kết quả độ cứng của kết cấu sau khi cập nhật 133

Bảng 4-11: Các đặc trưng vật liệu được chọn làm tham số cập nhật 135

Bảng 4-12: Thông số chung 135

Bảng 4-13: Kết quả so sánh giữa tần số đo được và kết quả cập nhật 136

Bảng 4-14: Kết quả độ cứng của kết cấu sau khi cập nhật 136

Bảng 4-15: Kết quả sau khi chạy chương trình xác định hư hỏng (D1-1) 139

Bảng 4-16: Kết quả sau khi chạy chương trình xác định hư hỏng (D1-2) 140

Bảng 4-17: Kết quả sau khi chạy chương trình xác định hư hỏng (D2-1) 141

Bảng 4-18: Kết quả sau khi chạy chương trình xác định hư hỏng (D2-2) 142

Bảng 4-19: Khối lượng(kg) tương ứng với 06 vị trí trong từng trường hợp 143

Bảng 4-20: Tần số thu được tương ứng với mỗi trường hợp hư hỏng sử dụng cảm biến quang FBG 146

Bảng 4-21: Bảng kết quả trường hợp 02 147

Bảng 4-22: Bảng kết quả trường hợp 03 148

Bảng 4-23:Bảng kết quả trường hợp 04 149

Bảng 4-24: Bảng kết quả trường hợp 05 150

Bảng 4-25: Bảng kết quả trường hợp 06 151

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Tiếng Việt

Phương pháp phần tử hữu hạn Finite Element Method - FEM

Chuyển đổi nhanh Fourier Fast Fourier Transform – FFT

Phân rã giá trị kỳ dị Singular value decomposition (SVD)

Cảm biến quang học Fiber Bragg Grating - FBG

Thuật toán tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization - PSO

Thuật toán di truyền Genetic Algorithm - GA

Thuật toán bầy Sáp Salp Swarm Algorithm - SSA

công nghệ phân tích miền thời gian

quang học Brillouin phân tán

Brillouin Optical Time-Domain Analysis - BOTDA

băng thông tối đa nửa chiều rộng toàn

chiều rộng

Full-Width Half-Maximum - FWHM

Lý thuyết chế độ kết hợp Coupled-Mode Theory - CMT

Sợi quang polyme Polymer Optical Fiber - POF

Sợi quang silica Silica Optical Fiber - SOF

Điốt phát sáng hồng ngoại Light Emitting Diode - LED

phương pháp nhận dạng không gian

con ngẫu nhiên

(Stochastic Subspace Identification – SSI)

Cảm biến quang lưới ghép nghiêng Tilted Fiber Bragg Gratings - TFBG Cảm biến quang biến thiên nhiều chiều Chirped Fiber Bragg Grating - CFBG

(𝑑𝑛 / 𝑑𝑇) Biểu thị sự phụ thuộc nhiệt

độ của chiết suất

𝑘𝑓 Máy đo sóng của bức xạ

𝛿𝑛𝑒𝑓𝑓 Biên độ điều chế chiết suất

(𝑛𝑒𝑓𝑓, 𝛿𝑛𝑒𝑓𝑓, 𝑘) Các tham số điều chế chiết

𝑋𝑜 Giá trị ban đầu được tìm

thấy ở nhiệt độ chuẩn (𝑇𝑜)

không thứ nguyên được giả định là không đổi đối với một dạng khuyết tật nhất

𝑤𝑚𝑖𝑛 và 𝑤𝑚𝑎𝑥 Biểu thị giá trị tối thiểu và

tối đa của trọng số

virus hiện tại

𝑚𝑥𝑝 Vector hệ số biến đổi trong

dân số của virus

giao

MỞ ĐẦU

Trong quá trình vận hành, các công trình có thể bị hư hỏng, giảm hiệu quả khai thác và giảm tuổi thọ do các tác động như ăn mòn, quá tải, yếu tố môi trường, thiên tai, và các tác động do con người Theo dõi 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 kéo dài tuổi thọ vượt ra ngoài tuổi thọ thiết kế

Có nhiều kỹ thuật để xác định hư hỏng nhưng phổ biến nhất là kỹ thuật dựa trên mô hình vật lý sử dụng mô hình toán học kết hợp với các chương trình máy tính để nhận dạng hư hỏng Theo phương pháp này, mô hình phần tử hữu hạn được dùng để so sánh với phép đo thử từ đó đánh giá về sức khỏe công trình

Các thập kỷ trước đây trên thế giới cũng như ở Việt nam, kiểm tra trực quan là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để phát hiện hư hỏng của kết cấu Tuy nhiên, kích thước và độ phức tạp của các kết cấu ngày nay đang tăng lên, điều này làm giảm hiệu quả của phương pháp kiểm tra trực quan Ngoài ra, theo dõi sức khỏe kết cấu bằng phương pháp trực quan gây tốn kém và mất thời gian, đặc biệt là khi việc tháo dỡ kết cấu (cắt, xẻ kết cấu ) là bắt buộc để có thể truy cập vào khu vực cần kiểm tra Những tác động này làm thay đổi đặc trưng vật lý và có thể làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu Kỹ thuật kiểm tra trực quan cũng không có khả năng để xác định

hư hỏng nằm sâu trong kết cấu

Bên cạnh phương pháp kiểm tra trực quan, phương pháp dựa trên đặc trưng về tĩnh học (ứng suất, biến dạng) cũng được áp dụng chủ yếu ở Việt nam hiện nay để theo dõi sức khỏe các công trình Tuy nhiên, phương pháp này không phát hiện được các hư hỏng trong kết cấu một cách trực tiếp và vẫn cần đến các phương pháp phá hủy như cưa, cắt để thu được các tham số hư hỏng Phương pháp này cũng có nhược điểm đó là phải tạm dừng khai thác công trình khi tiến hành thí nghiệm, điều này gây những khó khăn cho các công trình trên tuyến giao thông quan trong với mật độ giao thông qua lại lớn, hoặc các cầu nằm trong thành phố

Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp kiểm tra trực quan, cũng như phương pháp kiểm tra tĩnh, các kỹ thuật phát hiện hư hỏng trong kết cấu không phá

hủy sử dụng các cảm biến để thu thập các đặc trưng của kết cấu (biến dạng, tần số dao động riêng, hình dạng dao động ) đã được phát triển Cùng với lịch sử phát triển có nhiều loại cảm biến (như cảm biến đo dao động, chuyển vị, ) đã ra đời nhằm thúc đẩy hiệu quả của việc quan trắc, đo dao động kết cấu Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các cảm biến tiên tiến đã và đang được ứng dụng ngày càng mạnh mẽ trên thế giới nhằm giải quyết nhiều vấn đề phức tạp, với độ chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh khi thực hiện quan trắc, đánh giá sức khỏe công trình cầu

Trong lĩnh vực giao thông hiện nay đang có sự quan tâm lớn trong việc sử dụng các cảm biến quang để theo dõi liên tục khả năng chịu lực của kết cấu lớn như cầu Trường hợp số lượng điểm đo lớn, khó có thể lắp đặt được hệ thống dây dẫn, thì với một bộ cảm biến quang, có thể phát hiện nhanh hơn các vấn đề về kết cấu so với các cảm biến hiện tại Cảm biến quang có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt và trong các khu vực thiếu nguồn điện gần đó Nếu một sợi quang đơn được đặt dọc theo chiều dài của một cây cầu, các thay đổi kết cấu tại bất kỳ điểm cảm biến dọc theo sợi quang sẽ gây ra những thay đổi có thể phát hiện trong nguồn sáng di chuyển trong sợi Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng về sử dụng sợi quang để đánh giá theo dõi hư hỏng kết cấu, đặc biệt là các công trình đường sắt, đường bộ Việc sử dụng

bộ cảm biến sợi quang có thể phát hiện chính xác sự ăn mòn hoặc nứt trước khi kết cấu

bị hư hỏng, việc này đồng nghĩa với việc có thể ngăn ngừa trước khi kết cấu xảy ra các vấn đề nghiêm trọng

Mặc dù cảm biến quang có những ưu điểm vượt trội, tuy nhiên tại Việt Nam lại

có rất ít các nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng cảm biến quang vào giám sát sức khoẻ công trình Chính vì những ưu điểm vượt trội của cảm biến quang, trong nội

dung nghiên cứu của mình, nghiên cứu sinh tập trung đi sâu nghiên cứu: “quan trắc

và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang” làm chủ đề nghiên cứu

trong luận án của mình

- Xây dựng hệ thống quan trắc kết cấu bằng cảm biến quang FBG

- Đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống cảm biến quang trong việc thu thập đặc trưng động của kết cấu

- Nghiên cứu bài toán chẩn đoán hư hỏng của kết cấu công trình cầu dựa vào các

dữ liệu động thu được từ các cảm biến

- Đề xuất thuật toán để cập nhật mô hình và chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu

- Phương pháp tổng hợp phân tích lý thuyết;

- Phương pháp số;

- Phương pháp phân tích số kết hợp với thực nghiệm

- Hệ thống cảm biến quang FBG để giám sát kết cấu cầu giàn và cầu dây văng

- Đặc trưng động học của kết cấu công trình cầu giàn và cầu dây văng;

- Mô hình số hóa kết cấu cầu giàn và cầu dây văng;

- Các phương pháp xử lý số liệu

- Các loại cảm biến để thu thập dữ liệu giám sát sức khỏe công trình

- Chẩn đoán vị trí và hư hỏng của kết cấu

- Sử dụng các loại cảm biến tiên tiến để thu thập dữ liệu giám sát sức khỏe công trình

- Đề xuất thuật toán tối ưu mới lai giữa thuật toán tối ưu và phương pháp giảm kích thước ma trận (H5N1-SVD) để cập nhật mô hình, chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu

- Tạo cơ sở dữ liệu công trình như một dạng hồ sơ lưu trữ giúp giám sát sức khoẻ công trình

- Kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho lĩnh vực giám sát sức khoẻ công trình

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án bao gồm những nội dung như sau:

Chương 1 - Tổng quan về giám sát sức khoẻ công trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang

Chương 1 giới thiệu tổng quan về giám sát sức khỏe công trình cũng như một số

hệ thống giám sát sức khỏe công trình ở Việt Nam cũng như trên thế giới Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu tổng quan về giám sát sức khoẻ công trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang

Chương 2 - Lý thuyết tính toán và các đặc trưng cơ lý của cảm biến FBG

Chương 2 giới thiệu và đi sâu vào việc nghiên cứu về cảm biến quang Fiber Bragg Grating (FBG), một công nghệ cảm biến tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giao thông, dầu khí, viễn thông, y tế và môi trường Đầu tiên, khái niệm cơ bản và về cảm biến FBG được giới thiệu Tiếp theo, các cách phân loại cảm biến FBG được đề cập Mặc dù có nhiều loại cảm biến quang FBG khác nhau, chúng đều dựa trên cùng một cơ sở lý thuyết về hiệu ứng Bragg Chương này cũng đã thảo luận về các đặc trưng cơ học và cơ lý của cảm biến FBG Với khả năng chịu lực cao,

độ bền mỏi tốt, và khả năng chống ăn mòn, cảm biến FBG là lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng cần độ chính xác cao và độ tin cậy Trong khi đó, các đặc trưng cơ lý của cảm biến FBG, bao gồm độ nhạy với ánh sáng, độ nhạy với nhiệt độ, và khả năng phản ứng với áp suất, cũng được giới thiệu

Chương 3 – Nghiên cứu ứng dụng cảm biến FBG để theo dõi đặc trưng động học của kết cấu

Chương 3 trình bày các mô hình thí nghiệm sử dụng phương pháp đo truyền thống cũng như đo bằng cảm biến FBG Để có sự so sánh, các kết quả thu được từ cảm biến quang cũng được so sánh với cảm biến gia tốc thông thường

Chương 4 - Giám sát sức khỏe kết cấu sử dụng thuật toán tối ưu đề xuất kết hợp

dữ liệu thu được từ cảm biến quang

Chương 4 tập trung vào xây dựng mô hình số và đề xuất các thuật toán để xác định hư hỏng và cập nhật mô hình Nội dung của chương tập trung vào mô hình phần

tử hữu hạn và thuật toán đề xuất: H5N1, và H5N1-SVD Với sự kết hợp giữa xây dựng

mô hình số và các thuật toán đề xuất, Chương 4 áp dụng thuật toán đề xuất để cập nhật

mô hình và xác định hư hỏng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CÔNG TRÌNH SỬ

DỤNG HỆ CẢM BIẾN VÀ CẢM BIẾN QUANG

1.1 Tổng quan về hệ thống theo dõi sức khoẻ công trình cầu

Các kết cấu, bao gồm cả cầu, tòa nhà, đập, đường ống, máy bay, tàu biển và nhiều công trình khác, là những hệ thống kỹ thuật phức tạp đảm bảo sự phát triển kinh

tế và công nghiệp của xã hội Để thiết kế các công trình an toàn cho việc sử dụng công cộng, các tiêu chuẩn xây dựng và phương pháp thiết kế đã được tạo ra Để thiết kế các công trình an toàn và bền vững hơn, các kỹ sư, nhà khoa học đang tích cực theo đuổi các công nghệ cảm biến mới và các phương pháp phân tích có thể được sử dụng để nhanh chóng xác định sự hỏng hóc kết cấu trong một hệ thống kết cấu được trang bị cảm biến đó là giám sát sức khỏe kết cấu, mô hình mới này cung cấp một phương pháp

tự động để theo dõi sức khỏe của một kết cấu bằng cách kết hợp các thuật toán phát hiện hỏng hóc với hệ thống giám sát cấu trúc

Mặc dù ban đầu khi thiết kế, các kết cấu công trình cầu đã được tính toán để đảm bảo các trạng thái về cường độ cũng như trạng thái sử dụng, tuy nhiên, các kết cấu thường phải chịu những tình huống tải trọng quá mức và điều kiện môi trường khắc nghiệt không được dự đoán trong quá trình thiết kế, dẫn đến sự suy thoái kết cấu dài hạn Ví dụ, các sự kiện động đất gần đây, bao gồm động đất Loma Prieta (1989), Northridge (1994), Kobe (1995) và Chi-Chi (1999), đã cho thấy sự dễ bị tổn thương và hỏng hóc của kết cấu trong các thảm họa tự nhiên Ngoài ra, trong kết cấu sự xuống cấp còn do nhiều nguyên nhân khác nhau như ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như ăn mòn thép, cacbon hóa bê tông cũng như sự lão hóa của vật liệu Do đó, sức khỏe kết cấu sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vận hành và môi trường, bao gồm điều kiện tải bình thường, môi trường hiện tại và tương lai cũng như các nguy cơ dự kiến trong suốt thời gian tồn tại Một yếu tố nữa có thể dẫn đến hư hỏng trong kết cấu công trình là các công trình còn có các hình thái dao động riêng, gây ra rung động khuếch đại khi tần số dao động riêng của kết cấu trùng khớp với tần số của phương tiện di chuyển (cộng hưởng cơ học) sẽ làm cho kết cấu công trình bị hư hỏng Việc hư hỏng các công trình giao thông không chỉ làm ảnh hưởng đến kinh tế mà còn gây mất an toàn cho người và phương tiện tham gia giao thông

Vì vậy, những năm gần đây, các hệ thống đánh giá sức khỏe kết cấu công trình (Structural Health Monitoring - SHM) đã được triển khai rộng rãi và nhận được nhiều

sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng công trình trên thế giới Nhiệm vụ của hệ thống đánh giá sức khỏe công trình là quan trắc để phát hiện sớm những hư hỏng dựa trên các dữ liệu đo đạc và phân tích đánh giá mức độ nghiêm trọng của những hư hỏng này trước khi đưa ra các quyết định sửa chữa SHM có tiềm năng

to lớn, có thể mang lại những lợi ích kinh tế và an toàn khai thác cho các công trình, đặc biệt là các công trình giao thông trọng điểm như cầu vượt nhịp lớn, Hệ thống giám sát cấu trúc cũng có thể được tìm thấy trong nhiều cấu trúc thông thường bao gồm máy bay, tàu biển và cấu trúc dân sự Ví dụ, một số tiêu chuẩn thiết kế tòa nhà yêu cầu các công trình nằm trong khu vực có hoạt động động đất mạnh phải có hệ thống giám sát cấu trúc được cài đặt [1] Hệ thống giám sát chịu trách nhiệm chính cho việc thu thập dữ liệu đo đạc từ các cảm biến được cài đặt trong cấu trúc và lưu trữ dữ liệu đo đạc trong một kho dữ liệu trung tâm Để đảm bảo dữ liệu đo đạc được thu thập một cách đáng tin cậy, hệ thống giám sát cấu trúc sử dụng dây truyền thông trục lọc cho việc truyền thông giữa các cảm biến và kho dữ liệu Hiện nay, các quốc gia đang chi rất mạnh cho các hệ thông cảm biến dây truyền thông trục lọc cung cấp một kết nối truyền thông rất đáng tin cậy Ví dụ, hệ thống giám sát cấu trúc được cài đặt trong các tòa nhà cao tầng đã được báo cáo trong tài liệu là có chi phí hơn 5000 đô la Mỹ (USD) cho mỗi kênh cảm biến [2] Chi phí của hệ thống giám sát có thể tăng nhanh hơn một cách không tuyến tính Ví dụ, chi phí cài đặt cảm biến trên cây cầu treo Tsing Ma ở Hồng Kông được ước tính đã vượt quá 8 triệu đô la Mỹ[3] Hình 1-1 thể hiện hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu được lắp đặt trên cầu treo dây võng Tsing Ma (Hồng Kông), với tổng số 283 cảm biến gồm nhiều nhóm cảm biến khác nhau: thiết bị đo gió, cảm biến đo gia tốc, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo chuyển vị động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), cảm biến đo chuyển vị, trạm cân động, … phục vụ thu thập thông tin môi trường, tải trọng giao thông, đặc điểm và đặc trưng động của cầu Dữ liệu từ các cảm biến sẽ được xử lý và lưu trữ để giám sát sức khỏe kết cấu lâu dài, đưa ra các cảnh báo trong trường hợp xảy ra các bất thường trong các công trình cầu

Hình 1-1: Hệ thống cảm biến được lắp đặt trên Cầu Tsing Ma phục vụ cho việc

giám sát sức khỏe

Cùng với việc kiểm tra cầu theo kế hoạch thì đối với các công trình cầu lớn, việc theo dõi liên tục trạng thái công trình là cần thiết Một trong các biện pháp mang lại nhiều triển vọng để đánh giá quá trình làm việc và khai thác của các công trình cầu là lắp đặt trên một số cấu kiện hoặc bộ phận kết cấu cầu các thiết bị quan trắc, các cảm biến chuyển vị hay các cảm biến đo lường liên tục các đại lượng vật lý của công trình,

từ các trạng thái biến dạng đến các trạng thái ứng suất trong các thành phần kết cầu của cầu Hệ thống SHM bắt đầu được đưa vào ứng dụng và phát triển trên thế giới trong những năm gần đây

Công tác theo dõi giữ vai trò quan trọng trong quá trình xây dựng, thi công và khai thác, nó cho phép kiểm chứng các giả thiết đặt ra khi thiết kế và có thể tác động đến giá thành thi công của công trình Vì vậy việc triển khai và áp dụng các phương pháp hiện đại, các kỹ thuật tiên tiến để quan trắc công trình cầu phục vụ cho thi công, nghiên cứu và quản lý khai thác công trình hiệu quả và an toàn là hết sức cần thiết và cấp bách

Một hệ thống theo dõi và quan trắc kết cấu cầu thường bao gồm các thành phần:

• Cảm biến: Các cảm biến được cài đặt trên các điểm quan trọng của cầu

để thu thập dữ liệu về tình trạng cầu, bao gồm độ rung, nhiệt độ, độ ẩm, áp

suất, và nhiều yếu tố khác

• Hệ thống truyền dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các cảm biến được truyền

đến một hệ thống xử lý dữ liệu Việc truyền dữ liệu có thể thực hiện thông qua dây cáp, sóng vô tuyến, hoặc các phương pháp truyền thông không

dây khác

• Hệ thống xử lý dữ liệu: Một khi dữ liệu được thu thập, nó sẽ được xử lý

và phân tích Điều này thường bao gồm việc loại bỏ nhiễu, chuẩn hoá dữ liệu, và áp dụng các phương pháp phân tích để nhận biết các xu hướng,

mẫu, hoặc vấn đề có thể phát sinh

• Giao diện người dùng: Hệ thống theo dõi sức khoẻ cầu cũng cần cung

cấp một giao diện người dùng để người quản lý có thể dễ dàng hiểu và sử dụng thông tin Giao diện này thường cung cấp một bức tranh tổng quan

về tình trạng cầu, cũng như các công cụ để xem chi tiết hơn về dữ liệu cụ

thể

• Hệ thống cảnh báo: Trong trường hợp phát hiện ra vấn đề nghiêm trọng

hoặc tiềm ẩn, hệ thống sẽ tự động phát ra cảnh báo để ngăn chặn các tai nạn có thể xảy ra

Những lợi ích rõ ràng, quan trọng nhất của quan trắc kết cấu cầu như sau:

- Việc quan trắc sẽ làm giảm các rủi ro về các nguyên nhân không lường trước giúp cho Cơ quan quản lý cầu có các quyết định kịp thời dựa trên sổ liệu thực tế làm việc của công trình cầu

- Công tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuvết về mặt kết cấu và tăng độ an toàn cho công trình cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà không thể phát hiện bằng cách kiểm tra bằng trực quan hoặc kiểm tra trên mô hình

- Việc quan trắc đảm bảo chất lượng lâu dài: Bằng việc cung cấp số liệu liên tục

về sự làm việc của công trình cầu, công tác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công, vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do dó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho công việc không đạt chất lượng Rất nhiều công trình có khiếm khuyết hoặc điểm yếu

về kết cấu được tạo ra ngay trong quá trình thi công, nhưng các khiếm khuyết này chỉ

có thể nhìn thấy được sau một vài năm Lúc này chi phí sửa chừa sẽ trở nên rất lớn và

đã nằm ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thầu

- Công tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ liệu quan trắc có thể giúp cho việc thực hiện công tác "bảo dưỡng theo nhu cầu" Các hoạt động vận hành, duy tu bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận của kết cấu sẽ được tối ưu hóa dựa trên các số liệu tin cậy phản ánh tình trạng làm việc thực của kết cấu

- Ngoài ra hệ thống quan trắc sẽ cung cấp các thông tin tham khảo rất bổ ích trong công tác thực hiện các dự án có quy mô tương tự trong lương lai: thông tin về sự làm việc thực tế của công trình cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quản lý thực hiện các đồ án thiết kế rẻ hơn, an toàn hơn và bền vững hơn với độ tin cậy và tính năng làm việc được nâng cao

Chính vì tầm quan trọng của hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu Hiện nay nhiều công trình cầu trên thế giới đang áp dụng các hệ thống SHM để giám sát sức khỏe công trình cầu Dưới đây là một số ví dụ điển hình, các công trình cầu trên thế giới áp dụng hệ thống SHM

Cầu Akashi Kaikyo, Nhật Bản

Cầu dây võng Akashi Kaikyo (Hình 1-2) hiện đang giữ kỷ lục thế giới về chiều dài nhịp (1991m), được khánh thành vào ngày 05 tháng 4 năm 1998

Hình 1-2: Cầu Akashi Kaiyo (Nhật Bản)

Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaiyo (Hình 1-3) bao gồm 75 cảm biến (đo địa chấn, đo gió, gia tốc, vận tốc, chuyển vị, nhiệt độ, )

Hình 1-3: Hệ thống quan trắc của cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản)

Cầu Tatara, Nhật Bản

Cầu Tatara (Hình 1-4), nối đảo Ikuchi và Oumishima của Nhật, là công trình cầu dây văng dài nhất thế giới tại thời điểm hoàn thành (tháng 4 năm 1999) với nhịp chính dài 890m và tổng chiều dài là 1,480m

Hình 1-4: Cầu Tatara (Nhật Bản)

Tương tự như cầu Akashi Kaikyo, cầu Tatara được lắp đặt rất nhiều cảm biến cho công tác giám quan trắc như thể hiện ở Hình 1-5

Hình 1-5: Hệ thống quan trắc của cầu Tatara (Nhật Bản)

Cầu Tsingma, Hong Kong

Cầu Tsing Ma (Hình 1-6), khánh thành ngày 27/04/1997, là công trình cầu treo

có nhịp lớn thứ bảy thế giới (1.377m), được thiết kế cho cả giao thông đường sắt lẫn đường bộ

Hình 1-6: Cầu Tsingma – Hong Kong

Hệ thống cảm biến sử dụng cho quan trắc cầu Tsingma (Hình ) gồm: máy đo gia tốc, máy đo biến dạng, phong kế, cảm biến nhiệt, hệ thống cân động Hệ thống này tiến hành đo nhiệt độ mặt đường nhựa, biến dạng trong các phần tử cho tới tốc độ gió,

độ võng và bất kỳ những chuyển động nào của hệ mặt cầu và tháp Với hơn 350 cảm biến, các ứng xử của cầu được ghi nhận trong liên tục trong ngày, cũng như cung cấp các thông tin cần thiết giúp theo dõi chính xác các điều kiện làm việc của cầu

Hình 1-7: Hệ thống quan trắc của cầu Tsingma (Hong Kông)

Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công tác duy tu, bảo dưỡng cầu, nhất là cầu nhịp lớn tại Việt Nam, hệ thống quan trắc cầu cũng đã từng bước được áp dụng tại Việt Nam, đặc biệt sau khi Bộ GVTV ban hành Thông tư 52/2013/TT-BGTVT quy định về quản lý, khai thác và bảo trì công trình đường bộ, trong đó yêu cầu các công trình cầu có nhịp dài hơn 150m hoặc trụ cầu cao hơn 50m phải được lắp đặt hệ thống quan trắc

Tại Việt Nam, hệ thống quan trắc được thiết kế và lắp đặt ở nhiều công trình cầu lớn như: Cầu Nhật Tân, cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý, Cầu Cần Thơ, Cầu Cao Lãnh, Cầu Nhật Lệ 2, Cầu dây văng – Nút giao thông Ngã Ba Huế…

Cầu Rồng , Việt Nam

Hình 1-8: Cầu Rồng - Thành phố Đà Nẵng

Cầu Rồng - công trình biểu tượng của thành phố Đà Nẵng, nối liền khu vực trung tâm thành phố tại vị trí giao cắt giữa đại lộ Nguyễn Văn Linh và đường Bạch Đằng với đại lộ Võ Văn Kiệt, phía bên kia bờ đông sông Hàn

Hệ thống thiết bị và kết nối bao gồm các thành phần sau: Cảm biến (sensors); cáp truyền tín hiệu từ tất cả các cảm biến này về thiết bị thu dữ liệu; thiết bị điện tử, vi xử

lý, bộ nhớ, bộ xử lý hình ảnh, bộ lưu trữ, hệ điều hành, màn hình, để tích hợp và chuyển đổi tín hiệu trên đường truyền;

Cầu Cần Thơ, Việt Nam

Cầu Cần Thơ (Hình 1-9) là cầu dây văng bắc qua sông Hậu, nối TP Cần Thơ và tỉnh Vĩnh Long Cầu được khởi công xây dựng vào tháng 9/2004 và hoàn thành vào tháng 4/2010

Hình 1-9: Cầu Cần Thơ – Tỉnh Cần Thơ

Tại thời điểm hoàn thành, đây là cầu hai mặt phẳng dây văng có nhịp chính dài nhất khu vực Đông Nam Á (550m) Trụ tháp cầu hình chữ Y ngược cao 134.7m tính từ mặt cầu Móng trụ tháp được đặt trên hệ cọc khoan nhồi đường kính 2.5m, dài 94m Kết cấu mặt cầu chính gồm đoạn giữa dài 210m là kết cấu dầm hộp thép ghép nối với hai đoạn cầu còn lại là kết cấu dầm hộp bê tông ứng suất trước

Hai năm sau khi khánh thành, một hệ quan trắc (Hình 1-10) đã được lắp đặt cho cầu Cần Thơ, tuy nhiên hệ này chỉ mới minh họa khả năng của các thiết bị cảm biến và nhận diện các dữ liệu đo bất thường, chưa thật sự cung cấp thông tin trợ giúp đánh giá trạng thái kết cấu cầu từ các dữ liệu quan trắc

Hình 1-10: Hệ quan trắc cầu Cần Thơ

Năm 2017, trong khuôn khổ Dự án xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu quan trắc cầu dây văng ở Việt Nam, hệ quan trắc cũ của cầu đã được tiến hành hiệu chuẩn lại và

bổ sung cảm biến mới, sau đó đồng bộ truyền dẫn - xử lý dữ liệu

Cầu Bính, Việt Nam

Cầu Bính (Hình 1-11) bắc qua sông Cấm ở Thành phố Hải Phòng Cầu Bính có chiều dài 1.280 m, rộng 22,5 m, cho bốn làn xe cơ giới và hai làn xe thô sơ, chiều cao thông thuyền 25 m cho phép tàu 3.000 tấn qua lại

Hình 1-11: Cầu Bính – Thành phố Hải Phòng

Vào tháng 7/2010, cầu bị hư hỏng nghiêm trọng do bị tàu vận tải va vào Sau đó, cầu đã được sửa chữa để phục hồi khả năng chịu tải Năm 2013, cầu được lắp đặt hệ thống quan trắc, thiết kế bởi công ty VITEC, sau đó là công ty Chodai, để theo dõi dao động của cầu

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu giám sát sức khoẻ công trình cầu

Trong những thập kỷ gần đây, cập nhật mô hình để theo dõi sức khỏe kết cấu dựa trên đặc trưng dao động ngày càng được sử dụng phổ biến hơn Nhiều ứng dụng thành công của theo dõi sức khỏe kết cấu dựa trên phương pháp không phá hủy đã được báo

cáo trong các tài liệu Perera và cộng sự [4] sử dụng một số thuật toán di truyền (Genetic Algorithm – GA) đa biến dựa trên sự tối ưu Pareto và các hàm tổng hợp để xác định hư hỏng trong các kết cấu Nghiên cứu thảo luận về việc áp dụng các thuật toán di truyền trong các phương pháp xác định thiệt hại cho các kết cấu khác nhau, chẳng hạn như dầm, vòm và kết cấu lưới Theo đó, tác giả so sánh hiệu suất của thuật toán di truyền với các thuật toán tối ưu hóa khác, chẳng hạn như thuật toán mô phỏng

ủ và trình tối ưu hóa kiến sư tử, trong việc phát hiện hư hỏng cấu trúc Kết quả chứng minh rằng các thuật toán di truyền, đặc biệt là khi kết hợp với các kỹ thuật tối ưu hóa khác, thể hiện tính mạnh mẽ, hiệu quả và độ chính xác trong việc xác định vị trí và mức độ thiệt hại trong các hệ thống cấu trúc đa dạng Chou và cộng sự [5] đã xác định

vị trí và mức độ của hư hỏng trong các kết cấu bằng cách giải quyết vấn đề nghịch đảo

sử dụng thuật toán GA Các phép đo tĩnh của chuyển vị được áp dụng để xác định sự thay đổi của các tính chất như diện tích mặt cắt ngang và mô đun đàn hồi Hao và cộng

sự [6] đã sử dụng thuật toán GA để phát hiện hư hỏng trong khung và dầm công xon

sử dụng hàm mục tiêu bao gồm tần số dao động riêng, hình dạng dao động và kết hợp

cả hai Kết quả chỉ ra rằng phương pháp đề xuất có thể xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng của kết cấu xem xét, ngay cả khi mô hình phân tích có xét đến sai số của dữ liệu đo Goncalves và cộng sự [7] đã giới thiệu thuật toán nhóm tìm kiếm, đây

là một phương pháp tối ưu hóa siêu dữ liệu mới để giải quyết vấn đề tối ưu hóa các kết cấu giàn Kết quả của thuật toán đề xuất đã chứng minh khả năng nhận diện hư hỏng trong các kết cấu Guo và cộng sự [8] áp dụng thuật toán GA và kỹ thuật tổng hợp thông tin để xác định vị trí và mức độ của hư hỏng tại nhiều vị trí trong kết cấu Đầu tiên, hư hỏng được nhận dạng bằng cách sử dụng hàm mục tiêu của cả tần số dao động riêng và hình dạng dao động Sau đó, một thuật toán GA tìm kiếm vi mô được áp dụng

để xác định mức độ hư hỏng Yu và cộng sự [9] áp dụng tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony – AC) để xác định vị trí hư hỏng của khung 2 tầng và kết cấu khung thép 3 tầng được hiệu chỉnh trên các phép đo Thuật toán đề xuất cung cấp dự đoán chính xác

về cả vị trí và mức độ của hư hỏng trong các kết cấu được xem xét Yan và cộng sự [10] đề xuất một phương pháp dựa trên sóng wavelet của các phản ứng dao động tự do của các kết cấu bị hư hỏng Phương pháp này không chỉ nhận dạng được các hư hỏng đang xảy ra trong kết cấu mà còn xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng Một tòa nhà 5 tầng và 20 tầng đã được sử dụng để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp

đề xuất Sim và cộng sự [11] sử dụng cả các phép đo toàn cục và cục bộ thay thế các phép đo gia tốc để cải thiện độ chính xác của các phương pháp giám sát sức khỏe kết cấu Seyedpo [12] đã kết hợp một chỉ số dựa trên năng lượng biến dạng với PSO để xác định vị trí và mức độ của nhiều trường hợp hư hỏng khác nhau Trong giai đoạn đầu tiên, thuật toán đề xuất được sử dụng để xác định chính xác vị trí hư hỏng của kết cấu Trong giai đoạn thứ hai, mức độ của hư hỏng thực tế được xác định bằng cách áp dụng PSO dựa trên kết quả của giai đoạn đầu tiên Kết quả cho thấy thuật toán đề xuất

có thể cung cấp một công cụ đáng tin cậy để phát hiện hư hỏng kết cấu Sandesh và cộng sự [13] đã sử dụng thuật toán tối ưu hóa kết hợp giữa GA và PSO để xác định hư hỏng trong một tấm mỏng Nguyên lý năng lượng biến dạng tương đương được chọn

là hàm mục tiêu để giảm thiểu sự khác biệt giữa gia tốc đo được và dự đoán theo lý thuyết Ashebo và cộng sự [14] kết hợp các phép đo hiện trường với mô hình phần tử hữu hạn để xem xét ảnh hưởng của độ lệch của dầm chính đối với sự phân bố tải trọng của phương tiện theo hướng ngang trên cầu Zhong và cộng sự [15] đã xác định các tham số kết cấu không chắc chắn của cầu dây văng dài sử dụng mô hình cập nhật kết hợp với lý thuyết xác suất Arangio và cộng sự [16] đã sử dụng mạng lưới nơ ron Bayes để xác định hư hỏng trong cầu dây văng quy mô lớn dựa trên các đặc trưng động học kết cấu Kuok và cộng sự [17] đã áp dụng xác suất Bayes để xác định các phản ứng kết cấu của cầu Ting Kau, đây là cây cầu dây văng quy mô lớn ở Hàn Quốc Cheng và cộng sự [18] đã phân tích các đặc trưng động học của cầu đường sắt bằng cách sử dụng các lò xo giảm chấn.Trong những thập kỷ gần đây, cập nhật mô hình để theo dõi sức khỏe kết cấu dựa trên đặc trưng dao động ngày càng được sử dụng phổ biến hơn Nhiều ứng dụng thành công của theo dõi sức khỏe kết cấu dựa trên phương pháp không phá hủy đã được báo cáo trong các tài liệu

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về lĩnh vực giám sát sức khỏe kết cấu đầu tiên tập trung vào phát hiện các vết nứt tồn tại trong kết cấu, sau đó các nghiên cứu tiếp tục đi vào phân tích sự phát triển của các vết nứt Các nghiên cứu về phát hiện hư hỏng trong kết cấu được thực hiện với nhiều loại kết cấu như cầu đường, các loại nền móng và các giàn khoan Nguyễn Tiến Minh [19] đề xuất phương pháp xác định sự thay đổi của các tham số trong kết cấu cầu như mô đun đàn hồi của bê tông bằng cách so sánh kết cấu ở trạng thái chưa hư hỏng và trạng thái hư hỏng Tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa

đề cập đến khả năng phát hiện khu vực cũng như mức độ hư hỏng của kết cấu Bùi

Đức Chính [20]–[23] sử dụng biến đổi Hilbert-Huang để chẩn đoán hư hỏng của kết cấu phần dưới của công trình cầu Kết quả chứng minh rằng biến đổi Hilbert-Huang có thể phân biệt được các ứng xử dao động khác nhau của các trụ cầu, ngoài ra còn có thể xác định được sự giảm về độ cứng của các trụ, trong khi đó các phương pháp biến đổi

cũ như Fast Fourier Transform (FFT), và Wavelet Transform (WT) chỉ cho thấy có sự thay đổi nhỏ về biên độ dao động của các trụ cầu, nhưng không thể đưa ra được mức

độ của sự thay đổi biên độ này Ngoài ra các phương pháp chuyển đổi như FFT và

WT còn chịu ảnh hưởng khá nhiều của hiện tượng nhiễu Ngô Trọng Đức và cộng sự [24] áp dụng phân tích các dao động riêng để xác định các vết nứt trong các dầm sử dụng vật liệu có cơ tính biến thiên Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nhiễu cũng được xem xét Kết quả chỉ ra rằng, phương pháp đề xuất có thể phát hiện được vị trí của vết nứt Khiem và cộng sự [25] đề xuất phương pháp phân tích tần số riêng của kết cấu dầm với một số vết nứt ngẫu nhiên dựa trên phương pháp ma trận chuyển giao và

mô hình lò xo quay của các vết nứt Phương pháp đề xuất có thể xác định chính xác khu vực hư hỏng và giảm thời gian tính toán so với các phương pháp khác Phạm Xuân Khang [26]–[28] đề xuất thuật toán để xác định các hư hỏng trong kết cấu dựa vào các đặc trưng động học (so sánh dao động riêng của kết cấu ở các trạng thái đo khác nhau) Nghiên cứu đề xuất được áp dụng cho công trình cầu thực tế và đem lại những kết quả phù hợp với thực tế Tác giả cũng áp dụng phương pháp động dựa vào

sự thay đổi của dạng dao động riêng để đề xuất trình tự chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu nhịp giản đơn Nguyễn Việt Khoa [29]–[34] đã áp dụng các phương pháp giám sát sức khỏe không phá hủy dựa vào đặc trưng động học của kết cấu để chẩn đoán các hư hỏng trong kết cấu Ở Việt Nam, các nghiên cứu về lĩnh vực giám sát sức khỏe kết cấu đầu tiên tập trung vào phát hiện các vết nứt tồn tại trong kết cấu, sau đó các nghiên cứu tiếp tục đi vào phân tích sự phát triển của các vết nứt Các nghiên cứu về phát hiện

hư hỏng trong kết cấu được thực hiện với nhiều loại kết cấu như cầu đường, các loại nền móng và các giàn khoan Lê Cao Thanh cùng cộng sự [35] đề xuất một phương pháp gồm hai bước để chẩn đoán vị trí và mức độ nghiêm trọng của hư hỏng cho các kết cấu tấm Trong bước thứ nhất, chỉ số năng lượng biến dạng mô-đun được sử dụng

để xác định vị trí hư hỏng dựa trên sự thay đổi năng lượng biến dạng giữa trạng thái trước và sau khi hư hỏng xuất hiện Trong bước thứ hai, thuật toán di truyền được áp dụng để tối ưu hóa hàm mục tiêu với biến là mức độ suy giảm chiều dày của các phần

tử có khả năng bị hư hỏng Hàm mục tiêu cũng dựa trên năng lượng biến dạng từ đó cho kết quả hoàn toàn khả quan Tuy nhiên nghiên cứu hạn chế bởi phần tử tấm nhỏ, khó có thể thực hiện trên phạm vi lớn Dang Viet Hung cùng cộng sự [36] nghiên cứu

đề xuất một thuật toán học sâu lai để phát hiện hư hỏng công trình, kết hợp Mạng nơ ron tích chập (Convolution neural network-CNN) và trí nhớ ngắn hạn dài (Long short term memory -LSTM) Thuật toán giảm được chi phí tính toán, lưu trữ dữ liệu và xử lý được nhiều mức độ hư hỏng dưới tác động của nhiễu dữ liệu Tuy nhiên nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở khung ba tầng, bên cạnh đó với dữ liệu phức tạp dưới tác động của nhiều loại tải trọng cùng với kết cấu lớn, phức tạp dẫn đến cần bộ thiết bị thu dữ liệu đáp ứng được thu chính xác các dữ liệu với mức nhiễu nhỏ nhất Truong Viet Hung cùng cộng sự [37] đã nghiên cứu để ước tính tải trọng giới hạn của giàn thép phi tuyến đàn hồi dựa trên phân tích nâng cao Mặc dù nghiên cứu chưa xét đến nhiều trường hợp tải trọng nhưng vẫn đạt được kết quả đáng khích lệ, làm tiền đề để phát triển các giám sát kết cấu

Một số nghiên cứu cũng đã được tiến hành để giám sát sức khỏe cho các công trình cầu lớn như cầu Mỹ Thuận, cầu Bãi Cháy, hay cầu Kiền bằng cách lắp đặt các thiết bị theo dõi thường xuyên để theo dõi sức khỏe kết cấu Tuy nhiên, những thiết bị này chỉ cung cấp các thông tin cơ bản và cần được kiểm chứng cũng như so sánh với các mô hình tính toán bằng cách áp dụng cập nhât mô hình từ đó xác định các tham số chưa tường minh hoặc thay đổi trong quá trình khai thác hay tác động của ảnh hưởng môi trường như tính chất vật liệu, độ cứng của các bộ phận, điều kiện biên, từ đó đánh giá đúng khả năng chịu lực cũng như chẩn đoán các hư hỏng xảy ra nếu có của công trình Nguyễn Hữu Thuấn và cộng sự [38] giám sát sức khỏe cầu dây văng Mỹ Thuận bằng cách tiến hành đo thực nghiệm tại hiện trường Một mô hình số cũng được xây dựng để so sánh với kết quả từ thực nghiệm Hàm mục tiêu so sánh bao gồm tần

số dao động riêng và hình dạng dao động Bùi Tiến Thành và cộng sự [39] tiến hành

đo đạc thực nghiệm cầu dây văng Mỹ Thuận Tuy nhiên trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào lựa chọn vị trí tối ưu của các cảm biến để có thể thu nhập được nhiều thông tin nhất về các đặc trưng động học của kết cấu như tần số dao động riêng và hình dạng dao động Hoàng Nam [40] nghiên cứu về hệ thống quan trắc để lắp đặt cho cầu Cần Thơ nhằm thu thập các dữ liệu về tần số dao động riêng và hình dạng dao động Bùi Xuân Ngó và cộng sự [41] xác định một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của cầu

dây văng thông qua các hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu theo thời gian thực Nguyễn Trọng Nghĩa và cộng sự [42] đo lực căng dây cáp của cầu dây văng Phú Mỹ dựa trên phương pháp đồ thị Lực căng cáp được tính toán dựa vào kết quả đo dao động, bao gồm tần số dao động riêng

Tuy nhiên các phương pháp giám sát sức khỏe kết cấu đã và đang thực hiện ở Việt Nam chủ yếu phân tích hoặc xác định các đặc trưng động học của kết cấu như tần

số dao động riêng, hình dạng dao động mà chưa xác định được các tham số có thể thay đổi theo thời gian như các đặc trưng của vật liệu (mô đun đàn hồi ), hình dạng mặt cắt, và điều kiện biên Những tham số này ảnh hưởng đến độ cứng cũng như sự làm việc của kết cấu và cũng phản ánh rõ ràng nhất những ứng xử của kết cấu khi xảy

ra các hư hỏng Ngoài ra, mặc dù gần đây, trên thế giới các nghiên cứu sử dụng các thuật toán tối ưu, hay các phương pháp học máy đã được áp dụng rỗng rãi và hiệu quả

để giám sát sức khỏe các công trình Ở Việt nam, các kỹ thuật này vẫn còn mới, chưa

có nhiều nghiên cứu sử dụng các thuật toán tối ưu, hay các phương pháp học máy để giám sát sức khỏe các công trình

1.3 Tổng quan về giám sát sức khoẻ công trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang

Trên thế giới ngày nay, khi mà các công trình xây dựng ngày càng trở nên phức tạp và hiện đại, việc đảm bảo an toàn và hiệu quả của chúng qua thời gian trở thành một yếu tố không thể bỏ qua Giám sát sức khoẻ công trình, một lĩnh vực nghiên cứu

và ứng dụng kỹ thuật tối tân, nổi bật lên như một phần thiết yếu trong việc duy trì và tối ưu hóa độ an toàn cũng như tuổi thọ của các công trình kiến trúc và cơ sở hạ tầng Mục đích chính của việc giám sát sức khoẻ công trình không chỉ là phát hiện sớm những tổn thương hoặc suy giảm chức năng, mà còn là cung cấp dữ liệu quan trọng để

hỗ trợ trong việc bảo trì và sửa chữa kịp thời, qua đó giảm thiểu nguy cơ tai nạn và tối

ưu hóa chi phí bảo dưỡng

Sự phát triển của hệ thống cảm biến trong việc giám sát sức khoẻ công trình đã

mở ra một chân trời mới cho ngành kỹ thuật dân dụng và công nghệ xây dựng Từ những hệ thống cảm biến cơ bản, ngành công nghiệp này đã chứng kiến sự tiến bộ vượt bậc với sự ra đời của các cảm biến quang hiện đại, mang lại khả năng giám sát chính xác và liên tục mà trước đây không thể đạt được Cảm biến quang, với khả năng

cung cấp dữ liệu chính xác về biến dạng cấu trúc, nhiệt độ, áp suất và các yếu tố môi trường khác, đã trở thành công cụ không thể thiếu trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng của các công trình

Lịch sử của hệ thống cảm biến trong giám sát công trình phản ánh một hành trình

từ những bước đầu đơn giản đến những đổi mới công nghệ đột phá Ban đầu, các hệ thống cảm biến được sử dụng chủ yếu để phát hiện những biến đổi cơ bản như nhiệt độ

và áp suất Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực điện

tử và quang học, hệ thống cảm biến đã trở nên tinh vi hơn, có khả năng phát hiện các vấn đề phức tạp hơn như nứt cấu trúc, ổn định địa chất, và thậm chí là dấu hiệu của sự mệt mỏi vật liệu

Như đã trình bày tại mục 1.1, mức độ hiệu quả của một hệ thống SHM phụ thuộc rất nhiều vào việc thu thập các dữ liệu đo theo thời gian thực về tình trạng sức khỏe của kết cấu với độ chính xác cao Những dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích xử lý ngay hoặc chuyển đến trung tâm lưu trữ phân tích, từ đó đưa ra các cảnh báo cần thiết nếu quan sát thấy những hiện tượng bất thường xuất hiện trên kết cấu Do vậy, hệ thống cảm biến để theo dõi tình trạng kết cấu được thiết kế nhằm tạo thuận lợi cho quá trình giám sát cũng như cho phép các kỹ sư bảo trì có thể xử lý hệ thống theo dõi một cách chính xác và hiệu quả nhất nhằm đảm bảo tối đa an toàn cho kết cấu Một hệ thống giám sát sức khỏe điển hình bao gồm một mạng lưới các cảm biến chịu trách nhiệm đo các thông số khác nhau liên quan đến trạng thái hiện tại của kết cấu cũng như môi trường xung quanh, chẳng hạn như ứng suất, sức căng, dao động, độ nghiêng,

độ ẩm và nhiệt độ Điều này dẫn đến sự tích hợp của nhiều hệ cảm biến tiên tiến vào

hệ thống SHM như cảm biến cơ điện-gia tốc (piezoelectric accelerometer), cảm biến

sử dụng bộ chuyển đổi dây rung (vibrating-wire transducer), cảm biến đo biến dạng (strain gage), cảm biến quang (fiber optic sensor), vv Việc nghiên cứu áp dụng và tăng cường hiệu năng của những hệ cảm biến này đã và đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới

Lin và cộng sự [43], [44] đề xuất một hệ thống thiết bị giám sát sức khỏe kết cấu cho cầu nhịp lớn bao gồm ba cảm biến gia tốc đồng trục, một bộ vi xử lý, một bộ chuyển đổi tín hiệu số và lưu trữ dữ liệu đo Hệ thống được áp dụng thí điểm cho một công trình cầu trên thực tế và cho thấy độ chính xác cao trong việc theo dõi và phát