Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Mô phỏng cầu kiện trụ cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn từ dữ liệu đám mây điểm thu nhận bởi máy quét laser trên mặt đất

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 được quan tâm trong công tác đánh giá từ chi tiết đến tổng quan kết cấu nhanh chóng Trong tiêu chuẩn TCVN 12882-2020, việc đánh giá tải sử dụng hay là tải trọng khai thác cầu đường bộ đề cập một số phương pháp như: Phương pháp quan sát trực tiếp (Visual Inspection): Phương pháp này nhằm đánh giá trực quan bề mặt của cầu để phát hiện các vết nứt, vết mài mòn, vết trầy xước, hư hỏng hoặc các vấn đề khác Hình 2 1 Khi khảo sát hiện trạng công trình, những hư hỏng tại các bộ phận và phần tử của cầu được tìm thấy (vết nứt, những chỗ bị bong tróc, cong vẹo, chỗ tiếp xúc và kết nối với các phần bị tách rời, chỗ bị gỉ sét, vị trí sạt lở như ta-luy mố, bờ kè, chỗ gia cố bờ, các hư hao tại hệ thống thoát nước, lớp chống thấm, khe co giãn trên mặt cầu, của lớp bê tông nhựa asphalt/bê tông phủ trên bề mặt cầu, ) Những chỗ do đọng vũng/ổ gà cũng không tránh khỏi ảnh hưởng của bụi, rác, nước hoặc những chỗ bị gỉ sắt, cây mục có khả năng bị ảnh hưởng mạnh theo thời gian sử dụng [67] Các chỗ khảo sát bị hư hỏng phát hiện được phải ghi chép đầy đủ trong cơ sở dữ liệu khảo sát công trình hiện hữu cụ thể điểm hư hao, kích thước các hư hao, ghi rõ cụ thể thời gian xuất hiện và dự đoán các nguyên nhân hư hỏng của chúng Các hư hao và khuyết tật đặc biệt nguy hiểm cũng như những hư hỏng và khiếm khuyết đặc trưng thì cần phải được liệt kê, mô tả cụ thể bằng cách phác thảo nhanh hay chụp hình hiện trạng Việc đo lại, kiểm tra kích thước từ tổng thể công trình đến cục bộ như kích thước các mặt cắt tiết diện ngang, những chỗ tiếp giáp và các mối nối (hàn, bu lông, đinh tán,…) phải được thực hiện nhằm đánh giá nhanh gọn mức độ hợp lý hay không các đặc trưng hình học thực tế của công trình so với các đặc trưng cũ được lưu trong các hồ sơ kỹ thuật trong vòng đời từ thiết kế, hoàn công, và khai thác (kiểm tra các sai số cho phép) Đặc điểm và khối lượng cần phải được tiến hành đo đạc kiểm tra do người có nhiều kinh nghiệm và thực hiện điều phối công tác kiểm tra, thử nghiệm công trình cầu đề xuất sau khi nghiên cứu hồ sơ kỹ thuật và quan sát bằng mắt 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 sử dụng công cụ đo (Measurement Tools): Các công cụ đo có thể được sử dụng để đo đạc và ghi lại các thông số liên quan đến bề mặt của cầu [67]

Ví dụ, đo độ phẳng bề mặt, đo chiều sâu của các vết nứt, đo kích thước của các vết hư hỏng hoặc đo các thông số khác liên quan đến độ toàn vẹn bề mặt Công tác đo vẽ lại bằng thiết bị trắc đạc phải được thực hiện tại những điểm cố định ngàm hay theo những mốc đặt lâu tại chỗ (trong trường hợp cần theo dõi lâu dài) và với điều kiện thời tiết thuận tiện (thời gian ít nắng gió) Trong bộ tài liệu đo vẽ cần ghi chi tiết, cụ thể thời gian tiến hành đo vẽ, điều kiện khí hậu, kiểu loại và độ chính xác của thiết bị trắc đạc và các mốc chuẩn được sử dụng Trong đó, cần đo và thiết lập dựng lại các bản vẽ mặt bằng, trắc dọc – ngang của cầu, các mặt cắt và từng bộ phận của kết cấu nhịp, mố trụ cầu, nền móng, đường dẫn đầu cầu, … Các tài liệu mới đo và vẽ này phải được so sánh với các tài liệu thiết kế ban đầu, hồ sơ bàn giao công trình, hoặc các hồ sơ thẩm định lúc trước đó để đánh giá chính xác vùng xác định của các bộ phận cầu trong không gian 3D, từ các nguyên nhân hư hỏng, móp méo, hay chuyển vị của các bộ phận cầu theo thời gian Việc tính toán lại kết cấu của các bộ phận cầu và tính toán kiểm định cầu sẽ dùng các số liệu đo đạc này Ngoài ra, bản vẽ trắc dọc có được từ kết quả đo cao độ Vậy nên phân bố vẽ lại từng cặp những bộ phận giống nhau của 2 phía bên của kết cấu để phân biệt nhận xét sự biến dạng theo phương ngang cầu Dựa theo trắc dọc và mặt bằng đo vẽ được, từ đó kết luận những nhận xét trên cơ sở: 1) Hình dạng đồng nhất của trắc dọc có độ vồng chứng minh rằng kết cấu nhịp cầu có chất lượng tốt; 2) Hình dạng nhấp nhô, không đều, bị gãy khúc của trắc dọc có thể là sai trong lúc thi công chế tạo và lắp dựng kết cấu nhịp, hoặc do cong vênh quá mức trong giai đoạn sử dụng cầu; Trong trường hợp tài liệu đo vẽ của những lần trước tương tự, thì cần đối chiếu để coi có sự sai lệch quá mức giữa những lần đo thì xác định nhanh nguyên nhân và đệ trình cách thức xử lý kịp lúc Nếu sai lệch nhỏ thì cũng cần tìm hiểu lý do và từ đó đánh giá khả năng chịu đựng của cầu nếu việc khai thác sử dụng vẫn tiếp tục

Những phần của kết cấu cầu bằng thép, đặc biệt là hệ giàn thép, cần đo kỹ mặt cắt ngang ngoài hiện trường của các chỗ chịu tải, các hệ giàn chính, dầm dọc, dầm ngang, các hệ liên kết, mố cầu, gối cầu… Cần ghi chép cụ thể chiều dày cấu kiện thép còn lại sau khi bỏ phần đã bị gỉ sét do ăn mòn thời tiết Trong khi có đủ hồ sơ thiết kế cũ, chỉ cần đo đạc một số vị trí phỏng đoán bị ảnh hưởng hoặc gỉ nặng để kiểm tra các kích thước trong bộ hồ sơ dữ liệu ghi nhận cũ Nếu kích thước của chúng giống nhau về cơ bản thì không cần đo quá kỹ Còn đối với kết cấu nhịp cầu bằng bê tông, đá xây, bê tông cốt thép chỉ đo tại các mặt cắt điển hình tượng trưng, nhưng bắt buộc phải cú tại giữa nhịp, ẳ nhịp, và tại gối Bờn cạnh đú, cần đo tại những mặt cắt bị hỏng hốc đến mức có thể ảnh hưởng không tốt đến khả năng chịu lực của kết cấu (phải xác định vị trí mặt cắt đó trên bản vẽ bằng tọa độ) Khi đó, khoảng sai số đo được phép đối với kết cấu thép là  0,5mm, còn kết cấu đá xây, bê tông, và bê tông cốt thép là  5mm [67]

Phương pháp đánh giá khác là quá trình thử nghiệm không phá hủy (Non-Destructive Testing): Các phương pháp thử nghiệm không phá huỷ như thử nghiệm búa phản âm (rebound hammer test), hay thử nghiệm đo độ cứng bề mặt (surface hardness test) có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng và độ toàn vẹn của bề mặt cầu mà không gây hư hỏng đối tượng Hình 2 2

Hình 2 2 Thanh tra viên gõ Búa tại mố cầu [69]

Khi nói đến phương pháp thử nghiệm không phá hủy, trong những năm gần đây sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sử dụng công nghệ laser như công cụ hữu hiệu để đánh giá sức khỏe của kết cấu cũng được quan tâm nghiên cứu Trong đó có thể kể đến, dữ liệu đám mây điểm thu thập từ máy quét laser trang bị cảm biến LiDAR, viết tắt của Lighting Detection And Ranging là kỹ thuật viễn thám chủ động sử dụng ánh sáng của tia laser để đo khoảng cách của mọi đối tượng trên bề mặt Trái Đất ở nhiều vị trí khác nhau tạo ra tọa độ x, y, z có độ chính xác cao [14] LiDAR là một cảm biến sử dụng chùm tia laser hẹp, phát ra 2000 đến 25000 xung laser mỗi giây giúp cho việc thu thập dữ liệu nhanh chóng với độ phân giải cao, vì vậy mà độ chính xác của máy quét phụ thuộc vào sự cải tiến và phát triển của cảm biến LiDAR Chính nhờ tính ưu việt của nó nên công nghệ này đã trở thành một công cụ ngày càng quan trọng để theo dõi tình trạng kết cấu trong kiểm tra và đánh giá kết cấu cầu Dữ liệu này có thể cung cấp thông tin chính xác và chi tiết về tình trạng của cây cầu, cho phép phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra quyết định sáng suốt để bảo trì và sửa chữa

Cụ thể, đánh giá theo dõi sức khỏe của cầu dựa trên LiDAR chủ yếu liên quan đến việc mô tả đặc tính hình học của các cấu kiện khác nhau (dầm, mặt cầu, v.v.) Thông tin này thường được sử dụng để đánh giá khoảng trống dọc bên dưới cầu nhằm đảm bảo rằng các xe tải lớn có thể đi qua bên dưới cấu trúc một cách an toàn Các nghiên cứu khác nhau sử dụng dữ liệu LiDAR đã được tiến hành để xác định mối tương quan giữa các đặc tính môi trường, chẳng hạn như tải trọng, nhiệt độ và lượng mưa, ảnh hưởng biến dạng cầu Một số nghiên cứu đã triển khai LiDAR để định lượng các thiệt hại về cấu trúc khác nhau, bao gồm phát hiện nứt vỡ và nứt vỡ Ví dụ, Teza, G và cộng sự đã đề xuất một phương pháp tự động để nhận biết sự mất khối lượng của cầu bê tông bằng TLS [70] Một đánh giá cầu dựa trên LiDAR để định lượng tổn thất khối lượng vật liệu đã được khám phá [71] Trong một nghiên cứu giám sát cầu, một hệ thống laser dựa trên pha được sử dụng để so sánh cả phương pháp định lượng thiệt hại dựa trên khoảng cách và độ dốc để phát hiện khu vực bị khuyết Kết quả cho thấy rằng việc kết hợp hai phương pháp sẽ cải thiện khả năng nhận dạng và định lượng của LiDAR Trong một nghiên cứu khác, Liu và cộng sự đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh không cầu tự động và độ chính xác cao dựa trên TLS [72] Phần có liên quan của cây cầu đã được chọn từ hình ảnh quét phẳng để tính toán độ hở, cho thấy độ chính xác đến từng milimet Theo một hướng tương tự, Ref đã đánh giá tác động của các thông số khác nhau (ví dụ: co ngắn đàn hồi, từ biến, co ngót, giãn và giãn nở nhiệt) đối với các phép đo độ hở của cầu trong cấu trúc toàn diện bằng cách sử dụng quét TLS định kỳ [73] Các ứng dụng, độ tin cậy và phương pháp đánh giá của công nghệ LiDAR để theo dõi tình trạng cầu được đánh giá [74] Ba phân tích cảm biến (nghĩa là phân tích kích thước tuyến tính, phân tích diện tích bề mặt và phân tích thể tích) đã được thực hiện trên một cây cầu lớn để kiểm tra các tham số điều chỉnh hệ thống, khả năng đo phạm vi và độ chính xác của máy quét cũng như thuật toán kiểm tra tự động

DF Laefer và cộng sự đã nhấn mạnh lợi ích của việc sử dụng dữ liệu đám mây điểm để theo dõi tình trạng kết cấu, vì nó cho phép tạo các mô hình 3D chi tiết có thể được sử dụng để đánh giá tính toàn vẹn của kết cấu và các khiếm khuyết tiềm ẩn [75]

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 này có rất nhiều ưu điểm trong công tác đánh giá, thu nhặt dữ liệu nhanh gọn, tính chi tiết cụ thể với độ chính xác cao, quá trình thu dễ dàng tại một số vị trí khó tiến hành đo đạc bằng truyền thống như vách núi, vị trí hẫng của cầu, có thể đo khi mật độ giao thông qua lại đông đúc mà không bị ảnh hưởng gián đoạn công việc Tuy vậy vẫn còn những hạn chế đối với việc thu thập đám mây điểm, xử lý dữ liệu và trích xuất tính năng mà các phương pháp hiện tại chưa giải quyết được Trong lúc thu thập dữ liệu, tiếng ồn từ các yếu tố môi trường và độ phân giải đám mây điểm thấp, do góc nhìn bị che khuất, vẫn còn phổ biến trong lĩnh vực nghiên cứu này Do đó, việc thu thập dữ liệu thường không chính xác hoặc bị hạn chế bởi các thông số vật lý vẫn đang được tìm kiếm Những phác kiến trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương thức tối ưu hóa cho việc lựa chọn tham số để tự động giảm nhiễu và tắc nghẽn trong quá trình thu thập dữ liệu, tùy thuộc vào loại kết cấu Ngoài ra, nên phát triển các phương pháp mới nhất để chọn vị trí và khoảng cách quét để đảm bảo tính đầy đủ của dữ liệu được quét và nâng cao hiệu quả của quy trình quét.

Phương pháp kiểm tra chất lượng vật liệu của kết cấu cầu

Để kiểm tra chất lượng của vật liệu kết cấu cầu sử dụng trong thời gian dài, một số phương pháp được sử dụng phổ biến trong tiêu chuẩn TCVN và ASSHTO như đầu tiên là công tác lấy mẫu vật liệu Lấy mẫu từ các vị trí đại diện trên cầu và kiểm tra chất lượng của mẫu vật liệu trong phòng thí nghiệm, việc này được thực hiện trong một thời gian dài và cần nhiều thiết bị để đánh giá một cách khách quan Điều này có thể bao gồm thử nghiệm mẫu để đo đạc độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ bền nén, hoặc phân tích hóa học của mẫu Thử nghiệm vật lý các mẫu thu tập, được sử dụng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu như độ bền kéo- nén, và bên uốn, độ cứng, độ dẻo, độ nhẹ, độ bền mài mòn và độ dẻo của vật liệu Hình 2 4 Thử nghiệm này giúp xác định tính chất và chất lượng của vật liệu sử dụng trong kết cấu cầu Kế tiếp là phân tích hóa học, phương pháp này giúp xác định tính chất hóa học và đảm bảo chất lượng vật liệu Xác nhận tính chính xác của thành phần hóa học của vật liệu, chẳng hạn như tỷ lệ phần trăm của các thành phần như xi măng, nước, cát, đá, thép, và các chất phụ gia khác [68] Các nồng độ các chất phụ gia, tạp chất hoặc các hợp chất gây ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu Phân tích hóa học giúp xác định tính chất hóa học và đảm bảo chất lượng vật liệu Các phương pháp phân tích hóa học như phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ vi lượng (ICP), hoặc phổ tử ngoại (UV-Vis) có thể được dùng kiểm tra tính chính xác của thành phần hóa học

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 cổ điển được dùng phổ biến trong hầu hết công trình hạ tầng cầu đường theo tiêu chuẩn trong và ngoài nước trong công tác đánh giá khả năng chịu tải của cầu [67] Các tải trọng được áp dụng lên cầu thông qua các phương tiện tải trọng hoặc hệ thống tải trọng giả định Thông qua việc đo lường biến dạng, chuyển vị, và ứng suất của các bộ phận cầu, ta có thể đánh giá hiệu suất chịu lực của cấu kiện Thử tải cầu là một phương pháp phổ biến để chứng minh khả năng chịu tải trọng thiết kế của cầu một cách an toàn Các tình huống điển hình phát sinh có thể kể đến như: Sự không chắc chắn liên quan đến điều kiện hoàn công hiện tại, thay đổi mục đích sử dụng không thực tế liên quan đến việc tăng tải, thiệt hại do bom hoặc lửa, lỗi vật liệu hoặc hư hỏng kết cấu, bàn giao tiêu chuẩn xây dựng cầu mới,

…Phương pháp đảm bảo chất lượng được dùng sau khi hoàn thành công việc sửa chữa và gia cố (được dùng để xác minh khả năng chịu tải của cấu kiện cầu và xác nhận tính toàn vẹn của kết cấu) Gia tải xe thường được sử dụng trong thử nghiệm này, trong trường hợp dù là xe di chuyển hay tĩnh, đủ để đánh giá khả năng sử dụng cây cầu Qua thử nghiệm, độ võng thường được quan sát bằng cách sử dụng các cảm biến được lắp đặt trên kết cấu cần thử nghiệm, kết quả có thể được đo như độ rộng vết nứt, biến dạng và nhiệt độ [67] Ví dụ tại Mỹ để thử tải phản hồi, xe được xếp trên bề mặt cầu tải ở giữa cầu, vị trí nguy hiểm nhất và thử khả năng chịu lực của cầu (Hình 2 5.)

Tiêu chí để đánh giá bao gồm kiểm tra tĩnh, động, và bán tĩnh Cụ thể, thử nghiệm tĩnh mô tả cơ bản của thử nghiệm kiểm chứng là xác định giới hạn tải trọng an toàn bằng thực nghiệm bằng cách tăng dần tải trọng lên kết cấu cho đến khi đạt được tải trọng mục tiêu hoặc quan sát thấy sự cố Tải mục tiêu bao gồm tải sẽ tạo ra các phản ứng tương đương với tải định mức mong muốn cộng với hệ số an toàn cần thiết Điều này có nghĩa là tải trọng cần tính có thể sẽ là tải trọng lớn nhất từng được áp dụng cho kết cấu Ứng suất kết cấu thường được định nghĩa là ứng suất hoặc độ võng quá mức, vết nứt có thể nhìn thấy và/hoặc ứng xử phi tuyến tính hoặc không đàn hồi giữa các chu kỳ tải trọng Nói chung, thử nghiệm tải bằng chứng được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu hoặc tổ chức chính phủ do bảo trợ và chi phí liên quan Chỉ những cấu trúc nguy hiểm được coi là có độ dẻo cao và độ dự phòng cao mới được coi là đối tượng cho thử nghiệm kiểm chứng Thứ hai là kiểm tra tải trọng động, thử nghiệm này tương tự như thử nghiệm tải trọng tĩnh nhưng thay vì sử dụng và giữ tải trọng mục tiêu trong hơn 24 giờ, tải trọng di động được sử dụng ở các tốc độ khác nhau Điều này thường được dùng để xem xét ảnh hưởng của các hiệu ứng động đối với phản ứng của kết cấu cầu và cuối cùng bổ sung cho các phát hiện của thử tải tĩnh Cuối cùng là kiểm tra bán tĩnh, sự kết hợp giữa thử nghiệm tải trọng tĩnh và động, qua đó một chiếc xe tải duy nhất lăn qua kết cấu với tốc độ bò dọc theo các tuyến đường cụ thể (thường là các làn đường) Phương pháp này đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây do chi phí thấp và thời gian đóng và thử nghiệm tối thiểu liên quan đến việc thực hiện thử nghiệm này cũng như bản chất không phá hủy của nó Mục tiêu của thử nghiệm tải chẩn đoán cũng là để xác định giới hạn tải an toàn Phần kiểm tra tải của quy trình được thực hiện với tải nhỏ hơn hoặc bằng tải định mức mong muốn Các phép đo được sử dụng để hiệu chỉnh hoặc xác nhận một mô hình máy tính

Hình 2 5 Chất tải bằng xe tải trên bề mặt cầu [78]

Thực hiện các đo đạc hằng kỳ theo quy định để theo dõi sự biến đổi của kết cấu cầu theo thời gian Các đo đạc bao gồm việc đo lường biến dạng, chuyển vị, ứng suất và các thông số khác để xem xét sự ảnh hưởng của tải trọng và yếu tố môi trường lên kết cấu Thường sử dụng thước, ghi chép hoặc thu dữ liệu bằng máy toàn đạc, thủy bình, drone, TLS,… để dựng lại mô hình phục vụ cho phân tích khả năng làm việc của đối tượng trong Hình 2 6 [67] Ví dụ:các trường hợp cấp thiết (như nhìn thấy trụ cầu bị nghiêng hoặc lún, nhịp cầu bị chuyển vị, các chỗ bị nứt trên bề mặt đang phát triển ) Vì vậy cơ quan quản lý khai thác kết cấu cầu hiện tại đang cần đánh giá phải lên kế hoạch đặt tại vị trí đặc biệt để tiến hành quan sát theo dõi lâu dài Những loại quan trắc thường xuyên hoặc định kỳ (đo đạc) phải được hoạch định chi tiết và tiến hành làm theo, còn tuỳ thuộc vào hình dạng cụ thể và tốc độ biến dạng có thể dự đoán của tại những thực đianj cần theo dõi đánh giá Tùy mục tiêu đặt ra và nội dung, các quan trắc cố định này cần được công ty chuyên nghiệp thử nghiệm kết cấu cầu hoặc cơ quan quản lý khai thác cầu thực hiện Kiểm tra độ bền: Thử nghiệm kiểm tra độ cứng được thực hiện để đánh giá khả năng của kết cấu chịu được các tác động không ổn định như lực uốn, lực nén, và lực kéo Các thử nghiệm như thử nghiệm uốn, thử nghiệm kéo, thử nghiệm nén và các phương pháp phân tích số có thể được sử dụng để đánh giá độ vững chắc của kết cấu Đánh giá độ mỏi: đánh giá độ bền-mỏi của kết cấu bê tông cốt thép thông qua các thử nghiệm như thử nghiệm nứt gãy, thử nghiệm mỏi, hoặc thử nghiệm mỏi nứt Các thử nghiệm này giúp xác định độ bền mỏi và khả năng chịu lực của kết cấu trong trường hợp xảy ra mỏi hoặc nứt gãy

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

Trong khuôn khổ luận văn này, đối tượng được xem xét là cây cầu dầm hộp bê tông trờn đường CO16, Seòlach, CHLB Đức; Cầu hai nhịp cú 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 Trụ của cây cầu này là dạng trụ cầu cạn thân tường đặt như trong Hình 3 1

Hỡnh 3 1.Quang cảnh thực tế cõy cầu trờn đường CO16, Seòlach, CHLB Đức [80]

Cây cầu được quét bởi trạm quét Leica P20 với phạm vi quét tối đa là 120 m và độ chính xác góc là 8 arcs theo cả hướng dọc và ngang Trong quá trình thu thập dữ liệu, phạm vi 10 m đã được sử dụng, nghĩa là bước mẫu trung bình là 10 mm trên bề mặt đối với khoảng cách quét trung bình là 15 m tính từ mặt đất Tổng cộng có 5 trạm quét khác nhau (1 trạm trên vỉa hè) được thiết lập để tối đa hóa vùng phủ sóng dữ liệu

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 của các trạm quét đã được xử lý bởi phần mềm Leica Cyclone Hình 3 2., bao gồm 5 (năm) trạm đặt máy quét laser 3D sẽ được liên hệ với nhau thông qua những điểm khống chế Hiện trạng cây cầu cần đo thì việc quét bằng laser 3D sẽ được thực hiện nhiều lần tại các vị trí phù hợp để đảm bảo sao cho dữ liệu được thu thập một cách trọn vẹn nhất, thì như vậy những điểm mà tia laser quét thu được sẽ được gọi là đám mây điểm (point cloud) Điểm đặt của từng trạm máy quét TLS được đặt cách nhau khoảng 10m, với sampling step: 6,3 mm, nghĩa là bước mẫu trung bình là 10 mm trên bề mặt đối với khoảng cách quét trung bình là 15 m tính từ mặt đất Bằng khoảng cách này, mật độ đám mây điểm mà tia laser quét ở bề mặt đối tượng khoảng 3mm Chính nhờ mật độ như vậy đã đem lại không những mức độ chính xác cao cho mô hình, mà còn tiết kiệm thời gian so với cách đo vẽ truyền thống

Do đó, mật độ của những điểm ảnh rất quan trọng trong quá trình thực hiện phương pháp quét 3D bằng laser Bởi vì khi mật độ của những điểm ảnh (tập dữ liệu đám mây điểm) càng dày thì độ tin cậy của mô hình càng cao và ngược lại

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 là 57.130 điểm/m 2 ) Các điểm không liên quan tương ứng là mặt đất và thảm thực vật bên ngoài biên giới hạn của cầu và các điểm trên phương tiện xe (hoặc vật thể chuyển động) bên dưới cầu đã được xóa thủ công bằng cách sử dụng CloudCompareV10 Quá trình này mất khoảng 2 phút cho cây cầu Mục tiêu của việc loại bỏ này là để tránh xử lý các điểm dữ liệu không cần thiết Đáng chú ý, sự sẵn có của các điểm này không ảnh hưởng đến tính hiệu quả của phương pháp vì (1) điểm trên mặt đất, thảm thực vật và công trình đường bộ (ví dụ: hàng rào an toàn đường bộ) vẫn có sẵn trong dữ liệu đầu vào, trong khi (2) điểm trên phương tiện xe (hoặc vật thể chuyển động) thưa thớt và có mật độ điểm thấp và không đại diện cho bất kỳ vật thể nào tương tự như bề mặt của kết cấu cầu Cuối cùng, các đám mây điểm có tọa độ x-, y- và z- được dùng làm dữ liệu đầu vào cho phương pháp được đề xuất, trong đó tập dữ liệu của Bridge bao gồm 28,505 triệu điểm (mật độ điểm trung bình là 57.130 điểm/m 2 ).

Phương pháp thực hiện

3.2.1 Bước 1: Cấu trúc dữ liệu

Tệp dữ liệu đám mây điểm với mật độ điểm rất lớn như đề cập ở phần trên, vì vậy để thuận lợi cho quy trình xử lý và kiểm soát dữ liệu, cây dữ liệu (octree) được đề xuất dùng trong nghiên cứu này Hiển thị dữ liệu theo Octree là một hình thể cấu trúc dữ liệu dạng cây mà mỗi nút trong có chính xác tám con, gọi là Octree Dữ liệu hiển thị theo Octree thường được dùng với mục đích phân chia không gian 3D bằng cách chia đệ quy không gian ra thành 8 phần (Hình 3 5.)

Hình 3 5 TraumaBot Mẫu khởi tạo và nhận dạng 3D: Điểm dựa trên Octree [81]

Khởi tạo Octree sẽ mất khá nhiều thời lượng để chạy ra dữ liệu Một Octree như là một phần biểu hiện thể tích dữ liệu thường được dùng trong hình dạng để cấu trúc lại đối tượng 3D Trong đại diện này, một đối tượng được xấp xỉ bởi một bộ octants được tổ chức trong cấu trúc cây để mô tả Octree có thể được dùng để định vị một đối tượng trong không gian 3D Có nhiều cách để tạo ngưỡng dừng (Threshold) trong việc tạo lập chia nhỏ Octree, ngoài cách dựa vào số lượng điểm trong Voxel, trong nghiên cứu này, ngưỡng dừng (Threshold) của nó được giới hạn bởi kích thước ô Voxel Size (Hình 3 6.)

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 được khởi tạo ngoài mục tiêu để quản lý cấu trúc lại dữ liệu point 3D, nó còn dùng tối ưu trong việc xử lý trong các bước tiếp theo để create shape 3D trong Local Voxel Việc truy xuất vị trí hoặc quản lý Octree Hierarchies hỗ trợ mạnh mẽ cho việc Cluster những ô Empty Voxels và Full Voxels Nhờ vào việc nhóm/ phân cụm (Cluster) dữ liệu này, tốc độ xử lý khi trích xuất dữ liệu nhanh hơn, cũng như hạn chế việc hiển thị những ô chứa và không chứa dữ liệu đám mây điểm để tập trung xử lý trong các giải thuật được đề xuất áp dụng trong phương pháp đề xuất này Những ô Empty Voxel lại được phân cụm một lần nữa phân thành những ô trống bên trong và bên ngoài (Inside và Outside Empty Voxel) Việc nhóm này được thực hiện bằng thuật toán phương pháp Ray-Tracing, được tham khảo từ Predefined Library trong Pyvista [82] Những ô không chứa điểm bên trong được sử dụng cho bước tạo những phần tử lập phương khối (Solid Cube element) sau khi đã Delaunay bề mặt tạo đường nét/ hình dáng khối rắn 3D cho đối tượng trụ cầu trong nghiên cứu này (Hình 3 7.)

Hình 3 7 Hình dạng trụ được tạo bởi cả thuật toán Delaunay surface và Ray-

Tracing Method và đảm bảo trực quan hóa hiệu quả, thuật toán MC nói chung là được áp dụng cho Octree MC tiêu chuẩn xây dựng một bề mặt đẳng diện được facetized bằng cách xử lý tập dữ liệu theo cách tuần tự, theo từng khối (đường quét) Thuật toán được tham khảo từ pyvistaCách để tạo hình trong mỗi local voxel, hoặc để dời các điểm dữ liệu dư thừa, predefined library [83] Tập điểm trong mỗi voxel cell được quản lý bởi cấu trúc octree là những full voxels Các mặt phẳng (plane) được tạo thành từ tập điểm (tối thiểu 3 điểm trong một voxel), tạo ra từ normal vector, và một điểm được Po có được là điểm có giá trị trung bình từ tập điểm

Bước đầu tạo mặt phẳng từ tập điểm trong voxel sẽ xảy ra những trường hợp như có những điểm ngoại lai, vùng bị che khuất bởi cây cỏ, con người ngồi dưới chân trụ,… làm cho mật độ (density) của điểm giữa các full voxel phân bố không đều Kết quả

MC từ thuật toán sẽ cho ra những mặt phẳng bị xoay lệch, hoặc không có mặt phẳng so với kết quả mong đợi Để xử lý các trường hợp này nhóm tác giả đề xuất cách xử lý thủ công manual Để giải quyết sự ambiguity (mơ hồ) trong việc xác định hình dạng của mặt phẳng như ý muốn, lấy vector pháp tuyến theo kinh nghiệm (heuristic normal plane vector) bao gồm các bước: 1) Thuật toán Delaunay 3D được thực hiện; 2) Lấy các vector pháp tuyến của bề mặt (get face-normal vectors); 3) Tính toán giá trị trung bình của vector pháp tuyến bề mặt mỗi ô (compute average vector of normal vectors) sau khi được tạo ra từ Delaunay 3D trong từng full voxels Để tính toán và kiểm soát sao cho hướng của mặt phẳng được tạo ra đúng như hướng mong đợi của vector pháp tuyến bề mặt, phương pháp đề xuất xử lý là sự kết hợp giữa thuật toán hồi quy tuyến tính (linear regression) và heuristic như đã đề cập ở trên (để xử lý ra bề mặt tuyến tính) (Hình 3 9.)

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 trên ô voxel (edges of voxel cell) tạo ra các điểm giao nhau Nếu trong trường hợp có điểm giao bị nhiễu (noises intersection) nhiều hơn 4 giao điểm (intersection) trên 1 cạnh (edge) thì cho chạy lại MC một lần nữa Tuy nhiên lần này MC được tạo thành từ Véc-tơ mặt phẳng pháp tuyến (normal plane vector) sử dụng hồi quy tuyến tính (linear regression) Sau khi xử lý xong ta có được những ô có các cạnh (edges) 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

Trong và ngoài trụ cầu Vectơ pháp tuyến và điểm trung bình (Po) xác định mặt phẳng của bề mặt trụ Chúng được tính toán từ các điểm bên trong voxel bằng phân tích thành phần chính (PCA) Sau đó, các đỉnh mới của các góc bên ngoài được định nghĩa là các điểm giao nhau giữa bề mặt và các cạnh voxel Trong trường hợp các điểm ngoại lệ hoặc khu vực bị che khuất bởi chướng ngại vật, chẳng hạn như thảm thực vật hoặc các vật thể khác gần trụ cầu, mật độ điểm của các điểm ảnh ba chiều đầy đủ sẽ bị thưa thớt Từ đó nó có thể dẫn đến các mặt phẳng bị xoay hoặc thiếu để tạo ra các bề mặt trụ Cần đề xuất một quy trình cụ thể để tính toán vectơ pháp tuyến của mặt phẳng từ các mặt tam giác Delaunay để giải quyết các trường hợp này Kết quả là một nhóm các voxel có hình dạng thay đổi để cố định bề mặt của trụ cầu thay vì hình khối như ban đầu (Hình 3 11.)

Hình 3 11 Sử dụng thuật toán Delunay, hình dạng đường bao của khối trụ cầu được tạo ra

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đề xuất một phương pháp tạo ra mắt lưới hình tam giác từ kết quả thuật toán hiệu chỉnh MC ở trên Đầu tiên, Octree được cắt lát và hàm mật độ trong mỗi lát có điều kiện cụm được ước tính Thứ hai, cây phân cụm/ nhóm liên quan đến các phân loại giữa các mảnh (slices) liền kề được ước tính Cuối cùng, thuật toán 3D Delaunay được áp dụng một phần cho kết nối cụm, và các miếng vá hình tam giác một phần được tích tạo (accumulated) 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 Một mô hình CAD khối 3D đã được tạo thủ công Cụ thể, mô hình CAD 3D được tạo bằng cách tạo các phần tử tứ diện của tập hợp điểm bao bên ngoài và các phần tử hình khối bên trong trụ cầu Việc xem xét quan trọng của bước này là đảm bảo đường giao nhau của các mặt Nói cách khác, mô hình khối 3D trụ cầu được tạo ra dạng bằng cách nối các điểm giao (intersection points) theo định dạng Tetrahedral của boundary layer bên ngoài Còn các điểm trên cạnh của ô voxel trống (empty voxel edges) sẽ được tạo khối 3D Cube, Hình 3 12 Điều quan trọng là sao cho chỗ tiếp giáp giữa các bề mặt khớp với nhau giữa các điểm trên cạnh (edges point).

Kết quả thu được và sai số cho phép trong mô hình

Cuối cùng, mô hình khối 3D sẽ được xuất dưới dạng tệp *.igs để nhập vào phần mềm ANSYS/ABAQUS Bước kiểm tra bằng phần mềm sẽ được thực hiện để xác nhận rằng mô hình lưới được phân tích thành công hoặc có bất kỳ lỗi thì phần mềm sẽ không giải mesh thành công Ngoài ra, độ chính xác hình học của mô hình lưới cũng sẽ được kiểm tra bằng cách so sánh đám mây điểm và mô hình lưới được tạo

Hình 3 12 Khởi tạo mô hình khối (a) Các đỉnh của phần tử tập hợp được hiển thị bằng màu đỏ, trong khi đám mây điểm ban đầu được hiển thị bằng màu xanh lam và (b) Khối lưới của trụ cầu được tạo ra từ quá trình xử lý thủ công trên AutoCAD

Hình 3 13 Lưới trụ cầu khối 3D được tạo ra từ quá trình xử lý thủ công trong phần mềm AutoCAD/ Conceptal

Nếu x là giá trị thực của đại lượng và x0 là giá trị đo được của đại lượng thì giá trị sai số tuyệt đối có thể được tính theo công thức: Δx = x0-x (1) Trong đó, Δx được gọi là sai số tuyệt đối Để tính toán sai số sau khi khởi tạo mesh thành công, tác giả chia mô hình thành 4 vùng để tính toán như trong Hình 3 14 bên dưới

Hình 3 14 Mô hình khối lưới trụ 3D được chia là 4 phần theo từng lớp (2 vùng trụ chữ nhật, 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 được tạo ra từ thuật toán trong AutoCAD 3D trong Hình 3 15., từ đó thực hiện các bước đánh giá sai số của 2 mô hình

Hình 3 15 Đám mây điểm gốc ban đầu hòa vào mô hình được tạo ra để tính toán sai số từ mô hình Đầu tiên, O(xo,yo,zo) là tọa độ tâm của nữa đường tròn có được trong công đoạn vẽ thủ công bằng phương pháp bán thủ công đề xuất Gọi d (Pi, S) là khoảng cách tuyến tính (Linear Distance)/ hoặc là sai số tuyệt đối của mô hình tính trong đoạn nửa hình trụ tròn Nói cách khác, đoạn thẳng từ điểm tâm đường tròn đến điểm vector pháp tuyến tạo ra từ tập điểm gốc Pi(xi,yi,zi) ban đầu trong mỗi ô voxel, đoạn thẳng vuông gốc này được đặt là Ri Còn đoạn thẳng được tạo ra từ tâm O của nửa hình trụ tròn đến Pj(xj,yj,zj) là tập điểm giao nhau (intersection points) giữa mặt phẳng và cạnh (edges) của ô voxel đã tìm được trong phần trên, đoạn này được đặt là R’j Vậy khoảng cách tuyến tính (linear distance) hay gọi là sai số tuyệt đối: d(P j , S) = R i –R’ j (2)

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) khác nhau trong tập đám mây điểm của mỗi ô voxel, kết quả từ sai số này sẽ được dùng để tính phương sai (Root mean square error (RMSE)), kết quả sai số của toàn mô hình được trình bày trong Bảng 3 1

Sai số tương đối được định nghĩa là tỷ số giữa sai số tuyệt đối của phép đo so với phép đo thực tế (giá trị tuyệt đối của đối tượng) Sử dụng phương thức này, độ lớn của sai số tuyệt đối có thể xác định theo kích thước thực tế của phép đo Sai số tương đối cho biết mức độ đo lường tốt 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

Hình 3 17 (a) Độ chính xác tuyệt đối của việc tạo khối lưới (b) Hầu hết khoảng cách nhỏ hơn 0,05 mm Khoảng cách lệch đáng kể 0,02 m nằm ở đầu và cuối trụ có thể chứa lỗi ở điểm biên

Từ kết quả, cho thấy sự khác nhau giữa mô hình lưới và dữ liệu đám mây điểm ban đầu là không đáng kể Sai số tương đối là nhỏ hơn 1,5 % theo thông số kích thước, chu vi và diện tích Sai số tương đối của thể tích là nhỏ hơn 4% Khoảng cách từ các điểm đến bề mặt lưới được kiểm tra bằng cách sử dụng Cloudcompare Dựa theo theo kết quả hầu hết các điểm đều có khoảng cách đến mặt trụ tương ứng nhỏ hơn 5mm, thỏa điều kiện sai số là đối với kết cấu bê tông cốt thép là  5mm (Chương 2, Mục

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, ngoài các phương pháp đánh giá toàn vẹn bề mặt kết cấu, khả năng làm việc của vật liệu trụ cầu, thì phương pháp mô phỏng FE được chọn để xác định khả năng làm việc của kết cấu Trong công tác đánh giá khả năng kết cấu cầu, có 3 yếu tố chính cần đánh giá khả năng chịu lực như là: khả năng chịu lực dọc trục (nén), khả năng kháng uốn và kháng cắt (tính chịu cắt của kết cấu) Thông thường để tiến hành kiểm tra đánh giá các khả năng ở trên, người ta hay dùng phương pháp gia tải và xem phản hồi của nó sau khi gia tải Trường hợp này sử dụng phổ biến trên hầu hết dạng kết cấu cầu Những tiêu chuẩn cũng như công thức sẵn có để kiểm tra khả năng kháng nén của nó thỏa hay không so với giới hạn chịu nén của nó trong tiêu chuẩn [67]

Ngoài ra, vỡ trờn thực tế cầu này thuộc dạng cầu cạn trờn vựng ngoại ụ Seòlach, Cộng Hòa Liên Bang Đức, nên khả năng va tàu dưới lòng sông không thể xảy ra Va tàu là một nguyên nhân chính khiến trụ theo phương yếu cầu bị hư tổn, làm suy giảm khả năng chịu uốn của trụ Do đó, trạng thái cầu chịu uốn được bỏ qua trong nghiên cứu này Đánh giá khả năng chịu cắt của cầu, tải trọng động đất được chọn để mô phỏng khả năng chịu tác dụng của lực tải trong nghiên cứu này Cầu bị tổn hại, bong tróc bề mặt là nguyên nhân khiến cho kết cấu bị suy giảm khả năng làm việc dưới tác dụng của bề mặt, rất cần thiết thực hiện các biện pháp kiểm tra đánh giá

4.1.2 Lý thuyết tính toán: Phương pháp đàn hồi dạng đơn

Dựa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành, TCVN 11823:2017, có rất nhiều cách thức để đánh giá, phân tích được dùng trong việc tính toán tải trọng động đất tác dụng lên trụ cầu Ví dụ: phương pháp đàn hồi tải phân bố đều, phương pháp đàn hồi dạng đơn, phương pháp đàn hồi dạng phức và phương pháp dựa trên thời gian lịch sử xảy ra Phương pháp đàn hồi dạng đơn để tích toán ảnh hưởng tải động đất tác dụng lên trụ cầu được dùng trong nghiên cứu này [66]

Hình thái dao động riêng theo phương dọc hoặc ngang cầu được áp dụng trong phương pháp này Khi tác dụng vào hệ kết cấu một tải trọng nằm ngang phân bố đều và sau đó tính toán chuyển vị tương đương của kết cấu thì dao động riêng dạng này có thể được tìm thấy Ngoài ra khi thế năng và động năng được cân bằng lớn nhất cộng hưởng cùng với hình dạng dao động căn bản thì chu kỳ dao động riêng (T) được tính Còn biên độ của chuyển vị được tính toán thông qua phổ chuyển vị và hệ số phản hồi động đất đàn hồi Csm tương ứng Từ đó, hiệu ứng lực do động đất tác dụng vào kết cấu được xác định qua biên độ này

Tùy dạng kết cấu cầu mà ứng dụng phương án đàn hồi dạng đơn này phù hợp, như là tính toán ở giai đoạn cuối cùng đối với các cây cầu nhịp giản đơn và tại giai đoạn thiết kế sơ khai ban đầu đối với các cây cầu phức tạp hơn Bên cạnh đó, với phương pháp này sẽ tạo ra độ chính xác với kiểu cây cầu thẳng và không có sự biến đổi nhiều về độ cứng và cũng như trọng lượng Trình tự phương thức tính tải động đất tác dụng lên trụ cầu bê tông cốt thép đỡ hai nhịp dầm kiểu giản đơn dưới đây được tham khảo từ AASHTO LRFD 1998 Độ cứng kháng chuyển vị theo phương ngang của kết cấu nhịp cầu có thể được bỏ qua vì trụ cầu đỡ hai nhịp dầm giản đơn và mối nối bản mặt cầu (hoặc khe co giãn) phía trên trụ có độ cứng không đáng kể Ngoài ra, đối với cầu sử dụng gối cao su bản thép (là loại gối cầu nửa di động), nếu xét theo phương dọc cầu thì chỉ có nửa lực động đất truyền xuống từ kết cấu thượng tầng phần nhịp dầm tác dụng lên trụ cầu [66]

- Bước 1: Tính chuyển vị tĩnh Vs(x) của nhịp cầu chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều giả sử là Po= 1,0 N/mm tác dụng lên cầu theo phương ngang hoặc dọc cầu Sơ đồ tính toán Vs(x) theo 2 phương cầu như 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

𝛾 𝑐 và 𝑓 𝑐 ′ là trọng lượng riêng và cường độ kháng nén của phần trụ cầu bê tông Vs(x) là xem như hàm bậc nhất với Vsmax là thông số đặc trưng khi theo phương ngang cầu

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)

Trong đó, Wx là khối lượng của kết cầu nhịp xét trên một đơn vị chiều dài dọc (theo trục x) Với kết cấu cầu có nhịp dầm cầu giản đơn, Wx là một hằng số bằng với khối lượng của kết cấu của nhịp trên đơn vị chiều dài, Wx(N/mm) Do đó:

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)

Trong đó: pe(x) là hàm bậc nhất nếu tính toán lực động đất trường hợp xét theo phương ngang và nó là một hằng số khi xét lực động đất theo phương dọc

- Bước 6: Khi có pe(x), chúng ta sẽ xác định được các tương tác của lực tác dụng lên trụ cầu Bên cạnh đó, chúng cần được chia cho hệ số điều chỉnh đáp ứng khi đã nhận dạng được các dấu hiệu lực tác dụng lên trụ Với từng bộ phận kết cấu cầu sẽ có tương ứng với hệ số khác nhau Theo AASHTO LRFD, hệ số điều chỉnh đáp ứng của thân trụ và bệ trụ khi cầu được phân loại là rất quan trọng được chọn là 1,5 [84]

Hệ số điều chỉnh này được dùng để quan sát khả năng ứng xử không đàn hồi của các bộ phần tử kết cấu cầu trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất, và sẽ không thiết thực nếu xét với lực động đất đàn hồi vượt ngưỡng quá lớn

Phương pháp đàn hồi này được áp dụng để xác minh lực động đất tác dụng vào trụ cầu bờ tụng trờn đường CO16, Seòlach, CHLB Đức Trong nghiờn cứu này, để phục vụ cho việc mô hình đánh giá kiểm tra khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu, thông số cơ bản được giả dụ như sau:

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 số gần đúng được dùng để tính các bài toán thiên xét về kỹ thuật và vật lí toán học được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn Chúng thường được sử dụng cho phân tích cấu kiện (kết cấu trụ) công trình cầu, lưu chất, truyền khối, truyền nhiệt, điện thế

Giá trị biên cho phương trình vi phân từng phần thường coi như là phương pháp giải tích cho bài toán Kết quả bải toán trong phương pháp này được xây dựng qua một hệ phương trình ma trận đại số Những giá trị tương đối của các ẩn tại một số phần tử rời rạc được đưa ra trên miền xác định Để tính bài toán này, nó phải được chia nhỏ thành nhiều miền con (phần tử), hay được gọi là các phần tử hữu hạn (PTHH) Các phương trình giản đơn của mô hình hóa các PTHH này sau đó được gộp thành một ma trận lớn hơn để mô hình số toàn bộ đối tượng Sau đó, sử dụng các phương pháp biến đổi từ phép tính các biến thể để tính ma trận này thì nhận được các giá trị của hàm xấp xỉ tại những điểm nút của mỗi phần tử trong FEM, từ đó hàm số xấp xỉ hoàn toàn được xác định ở từng một phần tử [85]

Phân tích hoặc nghiên cứu hiện tượng với FEM thường được gọi là phân tích phần tử hữu hạn (FEA)

Những chuyên ngành thuộc lĩnh vực Cơ học (như ngành hàng hông, cơ khí, công nghiệp xe hơi, xây dựng, điện…) FEM thường được dùng tích hợp trong thiết kế và phát triển (R&D) sản phẩm Một số phần mềm FEM thương mại hiện đại được tích hợp những phần cụ thể như môi trường làm việc trong nhiệt, điện từ, chất lỏng và cấu trúc Thí dụ trong một mô hình số kết cấu, FEM hỗ trợ rất nhiều trong việc tạo ra độ cứng và ứng suất cũng như trong việc giảm trọng lượng, vật liệu và chi phí

FEM cho phép hiển thị chi tiết về các kết cấu bị uốn hoặc bị xoắn, chỉ ra phân bố ứng suất và chuyển vị Để kiểm soát độ phức tạp của cả mô hình số và phân tích của cả hệ thống thì phần mềm FEM cung cấp một loạt tùy chọn mô phỏng Tương tự, yêu cầu giải quyết hầu hết các ứng dụng kỹ thuật với độ chính xác cao và thời gian liên quan được quản lý đồng thời FEM cho phép tất cả các thiết kế được xây dựng, tinh gọn và tối ưu trước khi sản xuất đại trà

FEM đã cải tiến đáng chú ý về tiêu chuẩn, phương thức và quy trình thiết kế trong những sản phẩm ứng dụng công nghiệp Từ đó làm giảm đáng kể thời gian để chuyển một sản phẩm từ ý tưởng vào sản xuất hàng loạt Nói chung, lợi ích khi dùng phần mềm FEM gồm mức độ chính xác cao, nắm rõ các thông số thiết kế quan trọng, tạo mô hình ảo, tiết kiệm phần cứng, và quy trình thiết kế tối ưu hơn, tiết kiệm tiền bạc, tăng hiệu suất và thu nhập

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

Ta áp dụng định luật Hooke, ứng suất của các điểm thuộc phần tử được tính với trường hợp bỏ qua 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

Dùng các nguyên lý biến phân Lagrange (y như phương pháp Ritz và Galerkin trong phương pháp biến phân) từ đó tìm phương trình căn bản của phương pháp PTHH Khi đó thế năng toàn phần của phần tử sẽ là:

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 là một thành phần của {𝑞̅}, do đó giữa hai vectơ chuyển vị nút phần tử và tổng thể sẽ có mối quan hệ với nhau theo 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

- Part: Mô-đun này là hàng loạt các công cụ dùng để xây dựng mô hình với các hình thể khác nhau từ những dạng căn bản đến phức tạp Thí dụ: điểm, đường thẳng, đường tròn, đường cong bất kỳ, hình chữ nhật,…từ những phần tử đơn giản này ta có thể ghép nối thành các cấu kiện có hình dạng phức tạp hơn Ngoài việc tạo ra dạng hình học của cấu kiện, Mô-đun này cũng định dạng loại phần tử sử dụng để phân tích như Solid, Shell, Wire Hỗ trợ import từ các phần mềm liên kết như CAD, SOLID,…nhằm hướng đến tính đồng bộ và chuẩn hóa; Cụ thể trong nghiên cứu này tác giả nhập file định dạng dưới dạng tệp 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

Tool/Partition để chia được mô hình dựa vào những phần chúng ta muốn quản lý Property/Creat section được dùng để tạo thành các mặt cắt với những đặc tính vật liệu được khai báo và định nghĩa trong Property/Creat Material Công cụ Property/Section sau khi được dùng thì được các mặt cắt như yêu cầu và gán các partition bằng Property/Assige section Từ đó hoàn thiện việc 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

- Assembly: Module này được sử dụng để tạo hoặc sửa đổi lắp ghép khu của model Nhiệm vụ căn bản là ghép các phần của model được tạo ra ở phần Part Sử dụng Instance part mục tiêu căn bản là tạo khối Partition và thực hiện các lắp ghép Khi chúng không thay đổi gì thì sẽ mặc định giữ nguyên hình dạng cũng như vị trí các partition được dựng trong phần trước Dùng lệnh Assembly/Instance part yêu cầu chọn Dependent (mesh on part) là chọn lựa công việc lắp ghép không phụ thuộc vào mesh và Independent (mesh on instance) là lựa chọn việc lắp ghép phụ thuộc vào mesh (lưới chia) Bên cạnh đó, như các phần mềm mô phỏng khác, ABAQUS cũng hổ trợ các công cụ để sắp xếp chỉnh sửa sao chép các đối tượng đưa vào như Linear pattern (sao chép theo đường thẳng), Radial pattern (sao chép theo đường tròn), Tranlate Instance (Di chuyển đối tượng), Rotate instance (xoay đối tượng) Các công cụ khác còn được hỗ trợ trong thanh menu bar để thực hiện nhanh và chính xác cần thời gian tìm hiểu các hỗ trợ trên từ phần mềm;

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

- Step: Thiết lập các bước phân tích cho từng mục đích Có nhiều loại phân tích như phân tích tuyến tính, phi tuyến, ổn định, động học,…tùy vào bài toán mà chọn và khai báo các thông số sao cho phù hợp;

- Load: Gán tải trọng, điều kiện biên cho cấu kiện Tùy vào định nghĩa bước phân tích Step mà có các thông số gán điều kiện biên và tải trọng; a) Khai báo điều kiện biên

(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

- Mesh: Chia nhỏ phần tử phân tích Việc chia nhỏ phần tử ảnh hưởng mức độ chính xác của kết quả Chia phần tử càng nhỏ chương trình cho kết quả càng chính xác tuy nhiên thời gian phân tích sẽ tăng lên theo số phần tử Module hỗ trợ người dùng định nghĩa các vùng muốn chia nhỏ khác so với tổng thể nhằm phân tích cục bộ cấu kiện, hoặc các kiểu chia theo hình chữ nhật, tam giác, các vị trí thay đổi tiết diện,…cũng như định nghĩa các loại phần tử được chia là solid, shell, wire beam, 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 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 đạt được điều này, mô hình lưới trụ cầu khối 3D được nhập vào cả phần mềm ANSYS Workbench/ ABAQUS CAE để xác định độ chính xác của nó Phần mềm phân tích xác nhận rằng mô hình lưới được phân tích thành công mà không có bất kỳ lỗi nào được báo cáo từ phần mềm và ngược lại Hơn nữa, hình dạng của trụ cầu được duy trì với độ chính xác, giống với hình dạng quan sát được trong tệp đầu ra được tạo từ quá trình xử lý thủ công trên CAD, như được minh họa trong Hình 3 13 hoặc ngược lại Nghiên cứu cũng liên quan đến việc 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 được sử dụng để xem xét kỹ lưỡng và phân biệt cả phần tử tứ diện và phần tử khối trong mô hình lưới trụ khối 3D Để đạt được mục tiêu này, một đoạn/ lát (slice) cụ thể được trích xuất từ mô hình trụ cầu đầy đủ được chọn và đưa nó vào thử nghiệm xử lý trong phần mềm ANSYS Workbench a) Lưới tạo sai trong một vài lát trụ đã chọn b) Lưới tạo đúng trong một vài lát trụ đã chọn

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

100mm có thể dẫn đến các vấn đề về tính toàn vẹn bề mặt cấu trúc Nếu thuật toán hình dạng ranh giới được áp dụng cho các tổn thương như vậy, nó sẽ tạo ra lỗi Nói cách khác, trong giả định này, ngưỡng kích thước voxel tối đa trong thuật toán phát hiện ranh giới được đặt thành 100mm Điều này có nghĩa là các đám mây điểm không nằm trong ngưỡng 100mm voxel được coi là có khuyết tật bề mặt

Phần mềm đã nhập mô hình vào và xử lý hình dạng lưới trong phần mềm một cách hoàn hảo, không có chỗ cho lỗi Hơn nữa, lưới 3D bao gồm tất cả các thành phần của cầu trụ, bao gồm sự kết hợp của các phần tử tứ diện và khối lập phương, vẫn hoàn toàn không thay đổi về hình dạng Lưới 3D của cấu kiện trụ cầu, được xây dựng tỉ mỉ thông qua sự kết hợp giữa thuật toán của phần mềm AutoCAD và lao động thủ công, vẫn còn nguyên vẹn ở dạng ban đầu a) Lưới được giải thành công trong

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

ANSYS Workbench R19.2 Hình dạng của trụ cầu được duy trì Cụ thể, hình dạng của lưới được tạo ra được so sánh với đám mây điểm ban đầu Sự khác biệt giữa mô hình lưới và đám mây điểm là không đáng kể Sai số tương đối nhỏ hơn 1,5 % theo ba chiều, chu vi và thể tích Sai số âm lượng tương đối nhỏ hơn 4% (Bảng 3 1.) Ngoài ra, khoảng cách từ các điểm đến bề mặt lưới được kiểm tra bằng cách sử dụng CloudCompare Theo kết quả, phần lớn điểm có khoảng cách đến mặt trụ tương ứng nhỏ hơn 5mm (Hình 3 17 b) Độ chính xác tuyệt đối của việc tạo lưới phù hợp để tạo mô hình lưới từ đám mây điểm (Hình 3 17.) Khoảng cách đáng kể 2 cm nằm ở phía trên và phía dưới của trụ cầu, điều này có thể chứa lỗi trong việc chọn điểm biên

Sau khi xác định được tính chính xác, cũng như thông qua việc giải mesh thành công Các trường hợp mô phỏng cũng được tiến hành với cùng thuộc tính vật liệu, điều kiện biên, cũng như nội lực tác dụng lên kết cấu trụ cầu tại vùng ảnh hưởng địa chấn, kết quả thu được từ việc giả sử bề mặt công trình bị bong tróc hay sứt nẻ do thời tiếp trong quá trình sử dụng Trong nghiên cứu này, mô hình lưới dựng được tập dữ liệu đám mây điểm thu được bằng máy TLS, rất dễ nhập vào phần mềm thương mại bất kỳ, cụ thể là ANSYS được dùng trong nghiên cứu này để kiểm tra đánh giá sức khỏe kết cấu, từ đó đưa quyết định nhanh chóng sửa chữa hoặc thay thế để không gián đoạn quá trình sử dụng công trình Kết quả thu được khi giả thuyết các trường hợp bề mặt kết cấu bị tổn thương được thể hiện trong biểu đồ Hình 5 3

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

Từ kết quả trên cho thấy, nếu vết nứt hoặc sứt mẻ trong khoảng nhỏ hơn hoặc bằng 0.1x0.1x0.05 (m), trong đó ký hiệu “a” là 1 phần tử tứ diện (tetrahedral) bề mặt bị mất tại một trong sáu vị trí như Hình 5 3., tương tự hiệu “b” là 2 phần tử tứ diện (tetrahedral) bề mặt bị mất tại một trong sáu vị trí theo như giả định trong trên mô hình theo kích thước phần tử chọn trong nghiên cứu này Qua kết quả này thì các vết nứt nằm trong ngưỡng an toàn không vượt quá giới hạn ứng suất cho phép, nên không ảnh hưởng nhiều đến quá trình sử dụng của công trình Từ đó có thể thấy rằng, nếu độ chính xác của đám mây điểm phụ thuộc vào thiết bị của người dùng, phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu được chấp nhận, thì độ chính xác của mô hình phương pháp được tạo cũng được chấp nhận Phương pháp đề xuất này phù hợp để thực hiện các công trình hiện hữu cần bảo trì mà không có bản vẽ thiết kế.

Kết luận chung

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển mô hình lưới 3D từ đám mây điểm 3D của trụ cho FEM Đám mây điểm được cấu trúc bằng thuật toán octree Các đỉnh của các phần tử khối được tạo bằng cách sử dụng thuật toán khối diễu hành và từ các voxels trống Mô hình của trụ cầu khối được tạo thủ công trên phần mềm CAD 3D và nhập vào cả 2 phần mềm chuyên phân tích phần tử hữu hạn ANSYS và ABAQUS Nói chung, mô hình khối lưới được khởi tạo thành công từ đám mây điểm 3D thu được từ TLS, nhờ đó làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho phần mềm mô phỏng FEM bằng phương pháp bán tự động Mô hình FEM đã được nhập thành công vào phần mềm ANSYS tương thích và hình dạng của trụ cầu được duy trì Ứng xử của kết cấu trụ cầu được mô phỏng, từ đó đánh giá khả năng làm việc của kết cấu Độ chính xác của mô hình lưới được tạo ra là tốt, với sai số tương đối của các tham số đặc trưng hình học nhỏ hơn 4% Khoảng cách từ đám mây điểm đến mô hình lưới là khoảng 5 mm Kết quả này cho thấy mô hình lưới phù hợp nhất với đám mây điểm

Từ mô hình lưới khối 3D được xử lý thành công với mức độ tin cậy khá cao so với phương pháp truyền thống, các bước còn lại để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu được thực hiện một cách khá dễ dàng Cụ thể, trong nghiên cứu này, đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu chịu ảnh hưởng của địa chấn, được tính toán thành công trong phần mềm phần tử hữu hạn (ANSYS Workbench) Từ kết quả địa chấn thu được, chúng ta có thể cho ra đánh giá ảnh hưởng của cơn địa chấn đến khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu hiện hiện, xét trong các trường hợp giả sử bề mặt kết cấu trụ cầu bị sứt mẻ hoặc bong tróc trong thời gian sử dụng lâu dài Từ kết quả tính toán thu được, người ta sẽ có biện pháp sửa chữa hoặc thay thế kịp thời để không bị gián đoạn trong quá trình sử dụng.

Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong những năm gần đây, các thuật ngữ kỹ thuật số và sản xuất thông minh đã được đưa ra để xác định các xu hướng đầy hứa hẹn của quy trình tự động hóa và số hóa trong ngành xây dựng, đặc biệt là kỹ thuật cầu để đánh giá, kiểm tra toàn vẹn bề mặt và khả năng làm việc của kết cấu Việc giới thiệu các công nghệ mới, chẳng hạn như TLS, mang đến cơ hội cải thiện các phương pháp đánh giá và quản lý cầu truyền thống, sử dụng mô hình 3D được tạo từ dữ liệu thu được

Hiện tại, việc thu thập dữ liệu, là giai đoạn quan trọng nhất để tạo mô hình khối 3D, chủ yếu được thực hiện theo cách thủ công dựa trên kinh nghiệm của người khảo sát Thu thập đủ dữ liệu với phạm vi một cấu trúc lớn và phức tạp, chẳng hạn như cầu, là một tiềm năng phát triển quan trọng và vẫn còn thiếu nghiên cứu để xác định các vị trí và thông số quét tối ưu cần thiết Về vấn đề này, mức độ khó của các bộ phận cầu và phạm vi tiếp cận cầu nằm ở địa hình gồ ghề là một số thách thức mà nghiên cứu vẫn còn thiếu và cần được xem xét Việc tạo các mô hình khối 3D từ các điểm dữ liệu TLS thu được là yếu tố quan trọng đối với các ứng dụng khác nhau Mặc dù một số nghiên cứu đã trình bày các thuật toán phân khúc và các phương pháp được đề xuất để trích xuất các mô hình khối 3D từ dữ liệu quét lazer, những nghiên cứu này không tập trung trực tiếp vào các kết cấu phức tạp của cấu trúc với các hướng khác nhau Nghiên cứu trong tương lai là cần thiết để cải thiện khả năng phát hiện đối tượng của các thành phần cấu trúc phức tạp của cầu Hơn nữa, cho đến nay, không có phần mềm thương mại hay phương pháp tự động nào để chuyển đổi trực tiếp dữ liệu thu được thô thành mô hình hình học chính xác Do đó, nên tiến hành nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp thực tế cho phép chuyển đổi đám mây điểm thô thành mô hình 3D hợp lệ

Mặc dù trong phương pháp đề xuất này đã đạt được thành công bước đầu nhưng nó vẫn cần một số bước thủ công Do đó, nghiên cứu tiếp theo phát triển một cách tiếp cận khác để đánh giá mô hình cầu trụ mà không cần thực hiện các bước thủ công hoặc áp dụng nó cho các cấu kiện xây dựng phức tạp Bên cạnh đó, trong nghiên cứu này để tối ưu phép tính cũng như chứng minh khả năng làm việc của mô hình số của kết cấu trụ cầu được tạo ra trong quá trình xử lý dữ liệu đám mây điểm thu được từ máy quét laser mặt đất (TLS), phần sử dụng phần mềm mô phỏng là ANSYS Workbench R19.2 thay vì dùng cả phần mềm ABAQUS CAE hay một số phần mềm mô phỏng thương mại hiện nay như DIANA, MIDAS, RM,… để đánh giá toàn diện tính hiệu quả của mô hình tạo ra Ngoài ra, số lượng trường hợp giả sử kết cấu bị bong tróc cũng bị giới hạn trong một vài trường hợp đặc trưng, song vẫn đảm bảo tính ứng dụng của phương pháp này trong thực tế khi kết cấu đo được từ thực nghiệm, và đem về phòng kỹ thuật xử lý ra kết quả nhanh chóng

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

[1] Anh Rin Nguyen, Ngoc Thi Huynh, Linh Truong- Hong, and Anh Thu Thi Phan,

"Constructing a Mesh model of the Construction for Finite Element Method (FEM) simulation from the point cloud data collected by Terrestrial Laser Scanning (TLS) ", Proceedings of the Third ICSCEA 2023, Springer in Civil Engineering and Architecture, 2023 [Accepted letter]