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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN ANH RIN

MÔ PHỎNG CẤU 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

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số: 85 80 20 5

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2023

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Huỳnh Ngọc Thi

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Phan Thị Anh Thư

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

PGS.TS NGUYỄN MẠNH TUẤN PGS.TS LÊ ANH TUẤN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN ANH RIN MSHV: 1970084

Ngày, tháng, năm sinh: 07/10/1996 Nơi sinh: Tỉnh Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 8 58 02 05

I TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng cấu 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 (Simulate the bridge pier appurtenance by finite element method using point cloud data collected by terrestrial laser scanning (TLS))

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Xây dựng thành công mô hình lưới khối trụ cầu 3D từ đám mây điểm thu được bằng máy quét laser mặt đất (TLS)

2 Độ chính xác của mô hình lưới được tạo ra hợp lý, đáng tin cậy, với sai số tương đối của các tham số đặc trưng hình học trong khoảng cho phép

3 Tính đa dạng, mô hình tạo ra tương khích với một vài phần mềm phần tử hữu hạn thương mại như ABAQUS CAE, ANSYS Workbench R19.2

4 Đánh giá được nhanh sức khỏe của kết cấu trụ cầu khi bề mặt bị bong tróc, chịu ảnh hưởng của động đất hay trường hợp bất kỳ bằng mô hình tạo ra bằng phương pháp đề xuất, từ đám mây điểm thu được từ TLS

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/08/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

1 Tiến sĩ HUỲNH NGỌC THI 2 Tiến sĩ PHAN THỊ ANH THƯ

TpHCM, ngày 19 tháng 08 năm 2023

(Họ tên và Chữ ký) (Họ tên và Chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS NGUYỄN MẠNH TUẤN PGS.TS LÊ ANH TUẤN

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên con xin cảm ơn gia đình, mẹ và chị chăm lo, ủng hộ con trong quá trình học tập từ mẫu giáo lên cao học Ngoài ra, vợ yêu dấu, người bên cạnh chăm lo, ủng hộ, động viên và là hậu phương cho anh trong quá trình hoàn thiện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ này

Em xin cảm ơn các Thầy, Cô của bộ môn Kỹ thuật Xây Dưng Công Trình Giao Thông đã hướng dẫn cho em rất nhiều kiến thức chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Giao Thông Tất cả kiến thức nhận được sẽ là nền tảng cơ bản để em có thể từ đó tiếp tục nghiên cứu, trau dồi thêm kiến thức Em thật sự rất biết ơn và trân trọng những gì mà em đã nhận được từ Thầy Cô

Em xin cảm ơn Tiến sĩ Trương Hồng Linh- fellow, giảng viên tại trường Đại học TUDeft, Hà Lan, đã hỗ trợ em thực hiện đề tài nghiên cứu này Trong quá trình thực hiện đề tài và được anh hướng dẫn em có cơ hội hiểu rõ hơn về các thuật toán chuyên ngành remote senseing, và cách ứng dụng nó xử lý công việc trong nghiên cứu cũng như trong thực tế Cảm ơn anh đã nhiệt tình hướng dẫn, dành thời gian trong Đại dịch Covid-19, hàng tuần để nghe em báo cáo, giải đáp các thắc mắc, gợi ý các thuật toán trong python, bổ sung nhiều kiến thức mới giúp em đạt kết quả tốt nhất

Em xin cảm ơn thầy Huỳnh Ngọc Thi và cô Phan Thị Anh Thư đã đồng ý hướng dẫn đề tài luận văn của em và giúp em chỉnh sửa bài báo và luận văn này thật chỉn chu, cô đã giúp em có cơ hội tiếp cận một lĩnh vực mới như Laser Scanning Ngoài ra, trong lúc khó khăn thầy cô hỗ trợ học phí cho mượn trong suốt quá trình học tại trường Cảm ơn cô và thầy vì đã kiên nhẫn và tạo mọi điều kiện, thời gian để giúp em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp của mình

Cuối cùng, em xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã tạo mọi điều kiện để em được học tập, rèn luyện kỹ năng sống trong suốt 3 năm cao học

TP.HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2023

NGUYỄN ANH RIN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong những năm gần đây, việc kiểm tra và đánh giá phương tiện giao thông cơ sở hạ tầng đã có sự gia tăng đáng kể Theo cách truyền thống, những dữ liệu kết cấu này được thu thập thủ công bằng cách đo và vẽ lại công trình so với hồ sơ thiết kế Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ quét laser có thể giúp thu thập dữ liệu 3D nhanh chóng và chính xác Các đám mây điểm 3D có thể cung cấp kết cấu chi tiết và thông tin hình dạng của công trình phức tạp như cầu Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một mô hình 3D mô hình lưới cho mô phỏng phần tử hữu hạn từ đám mây điểm 3D của trụ cầu được thu thập bởi máy Quét lazer mặt đất (TLS) Đám mây điểm được cấu trúc và các điểm biên của trụ cầu là được tạo bằng cách sử dụng thuật toán tạo khối Các điểm biên ngoài và bên trong, có nghĩa là đỉnh của phần tử khối trong mô hình lưới 3D, được nhóm thành một đám mây điểm mới, sau đó được tạo ra đám mây điểm được nhập vào 3D CAD và mô hình khối 3D được tạo thủ công Kết quả thu được là mô hình khối lưới 3D được phát triển và nhập thành công vào phần mềm thương mại phân tích phần tử hữu hạn cho ứng xử của kết cấu mô phỏng Độ chính xác của mô hình lưới được tạo ra là tốt, với sai số tương đối của thông số hình học nhỏ hơn 4% Khoảng cách từ đám mây điểm gốc đến mô hình lưới được tạo ra là khoảng 5mm Ngoài ra, kết quả phân tích đánh giá khả năng làm việc của trụ cầu sau khi đặt nội lực, điều kiện biên và giả sử một vài trường hợp kết cấu trụ cầu bị ảnh bong tróc, sứt mẻ một vài vị trí trên bề mặt kết cấu cũng được thực hiện trong luận văn này

Từ khóa: Đám mây điểm, khởi tạo mô hình lưới 3D, trụ cầu, FEM, ANSYS

ABSTRACT

In recent years, there has been a significant increase in inspecting and evaluating transport infrastructure Traditionally, these structural data were collected manually by measuring and redrawing the construction against design documents In recent decades, laser scanning technology can help collect 3D data rapidly and accurately The 3D point clouds can provide detailed texture and shape information of complex construction such as bridges This study aims to develop a 3D mesh model for a finite element simulation from a 3D point cloud of a bridge's Pier collected by Terrestrial Laser Scanning (TLS) The point cloud is structured, and the object boundary points are generated using the marching cube algorithm The boundary and inside points, which imply the vertex of the solid element in the 3D mesh model, are grouped as a new point cloud The generated point cloud is input into 3D CAD, and the 3D solid model is manually created As a result, the 3D mesh model is developed and successfully imported to FEM software for the structural behavior simulation The accuracy of generated mesh model is good, with the relative error of geometric parameters being less than 4% The distance from the point cloud to the mesh model is approximately 5 mm In addition, the analysis results evaluate the working ability of the piers after applying internal forces, boundary conditions and assuming some cases of peeling, chipping at several locations on the pier structure surface have also carried out in this thesis

Keywords: Point cloud, 3D mesh model generation, Pier, FEM, ANSYS

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan tất cả các số liệu và kết quả trong quá trình thực hiện đề tài là khách quan và không sao chép dưới sự hướng dẫn của TS Huỳnh Ngọc Thi, TS Phan Thị Anh Thư

Các tài liệu tham khảo, bài báo nghiên cứu khoa học đều được trích dẫn nguồn cụ thể, rõ ràng

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực và các nội dung trong đề tài TP HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2023

Tác giả

NGUYỄN ANH RIN

1.3 Mục tiêu của nghiên cứu 15

1.4 Đối tượng nghiên cứu 16

1.5 Giới hạn đề tài 16

1.6 Bố cục luận văn 17

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH CẦU 18

2.1 Phương pháp kiểm tra độ toàn vẹn bề mặt 18

2.2 Phương pháp kiểm tra chất lượng vật liệu của kết cấu cầu 23

2.3 Phương pháp kiểm tra khả năng chịu lực của cầu bê tông cốt thép 25

2.3.1 Thử nghiệm tải trọng (gia tải) 25

3.2.1 Bước 1: Cấu trúc dữ liệu 31

3.2.2 Bước 2: Tạo mặt phẳng, xác định đỉnh của các phần tử biên 32

3.2.3 Bước 3: Tìm điểm giao đường biên 35

3.3.4 Bước 4: Tạo mô hình lưới 3D 37

3.4 Kết quả thu được và sai số cho phép trong mô hình 38

3.4.1 Kết quả thu được 38

4.1.1 Cơ sở đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu 43

4.1.2 Lý thuyết tính toán: Phương pháp đàn hồi dạng đơn 43

4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình số trong phần mềm ABAQUS CAE và ANSYS Workbench 49

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 69

5.1 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 69

5.2 Kết luận chung 72

5.3 Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai 73

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC MÔ HÌNH NỘI LỰC CÁC TRƯỜNG HỢP GIẢ ĐỊNH TRỤ CẦU BỊ BONG TRÓC/ SỨT MẺ 85

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 93

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Trụ cầu Shinkansen 2004, Nhật Bản, bị ảnh hưởng động đất 1

Hình 1 2 Tạo mô hình 3D từ bộ dữ liệu điểm 8

Hình 1 3 Tạo mô hình phần tử hữu hạn từ dữ liệu đám mây điểm 9

Hình 1 4 Quá trình tổ chức xây dựng theo xu thế cách mạng công nghiệp 4.0 13

Hình 2 1 Kiểm tra,đo đạc thủ công bề mặt kết cấu bằng quan sát trực tiếp 19

Hình 2 2 Thanh tra viên gõ Búa tại mố cầu 21

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 23

Hình 2 4 Kiểm tra mẫu bê tông tại phòng thí nghiệm 24

Hình 2 5 Chất tải bằng xe tải trên bề mặt cầu 26

Hình 2 6 Ghi chép đo đạc định kỳ bằng phương pháp truyền thống và drone 27

Hình 3 1 Quang cảnh thực tế cây cầu trên đường CO16, Seßlach, CHLB Đức 28

Hình 3 2 5 trạm quét TLS được đặt ở những vị trí khác nhau để thu dữ liệu đám mây điểm 29

Hình 3 3 Tổng thể cây cầu thu được từ quét laser trên mặt đất 30

Hình 3 4 Trụ cầu được tách ra thủ công bằng phần mềm CloudCompareV10 (mật độ điểm trung bình là 57.130 điểm/m2) 30

Hình 3 5 TraumaBot Mẫu khởi tạo và nhận dạng 3D: Điểm dựa trên Octree 31

Hình 3 6 Một minh họa về khởi tạo các thứ bậc octree 32

Hình 3 7 Hình dạng trụ được tạo bởi cả thuật toán Delaunay surface và Tracing Method 33

Ray-Hình 3 8 Lưu đồ của phương pháp bán thủ công được phát triển 34

Hình 3 9 Giao điểm mới tạo ra từ phương pháp dựa theo kinh nghiệm Heuristic” 35 Hình 3 10 Mặt phẳng màu xanh được tạo thành từ Po và vecto pháp tuyến, điểm màu đỏ, giao điểm chung, được tạo ra từ giá trị trung bình 36

Hình 3 11 Sử dụng thuật toán Delunay, hình dạng đường bao của khối trụ cầu được tạo ra 37

Hình 3 12 Khởi tạo mô hình khối 38

Hình 3 13 Lưới trụ cầu khối 3D được tạo ra từ quá trình xử lý thủ công trong phần mềm AutoCAD/ Conceptal 38

Hình 3 14 Mô hình khối lưới trụ 3D được chia là 4 phần theo từng lớp 39

Hình 3 15 Đám mây điểm gốc ban đầu hòa vào mô hình được tạo ra để tính toán sai số từ mô hình 40

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 41

Hình 3 17 Độ chính xác tuyệt đối của việc tạo khối lưới 42

Hình 4 1 Sơ đồ tính Vs(x) theo phương ngang và dọc cầu dưới tác dụng của tải trọng rải đều Po 45

Hình 4 2 Mặt cắt ngang thân trụ cầu cạn 45

Hình 4 3 Mô hình trụ cầu được nhập thành công vào phần mềm ABAQUS 54

Hình 4 4 Vật liệu được khai báo cho trụ cầu trong phần mềm ABAQUS 55

Hình 4 5 Make Independent được chọn khai báo cho trụ cầu trong ABAQUS 56

Hình 4 6 Khai báo điều kiện biên và nội lực cho trụ cầu 57

Hình 4 7 Lưới (mesh) của trụ cầu được giải thành công trong ABAQUS 58

Hình 4 8 Hình dạng hình học của trụ cầu được nhập thành công vào phần mềm ANSYS Workbench R19.2 59

Hình 4 9 Phần tử bê tông cốt thép khối- solid 65 3D 60

Hình 4 10 Mô hình trụ cầu khối 3D được nhóm thành 1 part, 9160 bodies 61

Hình 4 11 Thông số thành phần vật liệu được khai báo trong phần mềm ANSYS 62 Hình 4 12 Body sizing được khai báo trong ANSYS Workbench R19.2 63

Hình 4 13 Mô hình lưới (mesh) khối 3D của trụ cầu được tạo thành công 64

Hình 4 14 Khiếm khuyết 6 vị trí được chọn để mô hình đánh giá kết cấu trụ cầu 65 Hình 4 15 Điều kiện biên đặt tại đáy của mô hình trụ cầu được khai báo 66

Hình 4 16 Mô hình tải trọng bản thân được khai báo trong phần mềm ANSYS 66

Hình 4 17 Mô hình tải trọng phân bố được khai báo trong phần mềm ANSYS 67

Hình 4 18 Mô hình dữ liệu phổ phản hồi động đất theo gia tốc trong trận động đất Koceali (Thổ Nhĩ Kỳ) 68

Hình 4 19 Kết quả nội lực mô hình trụ cầu trong phần mềm ANSYS Workbench 68 Hình 5 1 Đánh giá độ chính xác của giải mesh trong ANSYS Workbench 69

Hình 5 2 Phân tích lưới (mesh) thành công trong ABAQUS và ANSYS 70

Hình 5 3 Quan hệ ứng suất cắt từ mô hình mô phỏng và ứng suất cắt cho phép 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1 Thông số kích thước và sai số hình học của trụ 41

Bảng 4 1 Bảng tính toán chi tiết các tác dụng của lực do động đất vào trụ cầu 49

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

FHWA

TLS

: Hiệp hội đường bộ liên bang (Federal Highway Administration)

: Quét laser trên mặt đất (Terrestrial Laser Scanning)

UAV : Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle) LiDAR : Dò tìm ánh sáng và phạm vi (Light Detection and Ranging) GIS : Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems) 3D : Không gian 3 chiều (3-Demension)

B-Rep : Biểu diễn biên cho đối tượng (Boundary Represention) BIM : Xây dựng mô hình thông tin (Building Informtion Modeling) CAD : Máy tính hỗ trợ thiết kế (Computer-aided Design)

FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

FEA : Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis) BrIM : Mô hình thông tin cầu (Bridge Information Modeling) LTR : Phản ứng thử tải phản hồi (Load Testing Response) NDT : Thử nghiệm không phá hủy (Non-Destructive Testing) PCA : Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis) CSG : Khối hình xây dựng (Constructive Solid Geometry)

MC : Phát triển tạo khối (Marching Cube)

R-TM : Phương pháp dò tia (Ray-Tracing Method)

3DDM : Phương pháp không gian 3 chiều (3D-Delaunay Method

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm qua, sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế đã thúc đẩy cho sự kết nối mạng lưới hạ tầng giao thông ở các đô thị lớn, góp phần quan trọng trong vận chuyển hàng hóa, đảm bảo an ninh quốc phòng, nâng cao chất lượng đời sống nhân dân Trong đó, một số tỉnh thành từng bước phát triển theo hướng hiện đại, đô thị hóa, nhờ vậy nguồn đầu tư được thu hút nhiều nên dẫn tới mật độ phương tiện giao thông tăng nhanh chóng, đặc biệt tại các khu công nghiệp có nhiều phương tiện giao thông tải trọng nặng Hệ thống hạ tầng cầu đường dù đã được đầu tư nâng cấp, sửa chữa và bảo dưỡng theo định kỳ, nhưng hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông vẫn không đáp ứng kịp tốc độ phát triển của nền kinh tế Phần lớn các cầu đã nhiều năm sử dụng thành thử tính năng hình học bị xuống cấp do bị thời tiết, động đất, khí hậu ăn mòn (Hình 1 1.) Ngoài ra, độ bền của vật liệu giảm dần theo thời gian Do đó, sức khỏe của kết cấu cầu cần được theo dõi để đảm bảo an toàn

Hình 1 1 Trụ cầu Shinkansen 2004, Nhật Bản, bị ảnh hưởng động đất (Moehle và cộng sự, 2000)

Có ba yếu tố chính được sử dụng để đánh giá khả năng làm việc của cầu đó là: tính nguyên vẹn của bề mặt, chất lượng vật liệu và khả năng chịu lực của kết cấu Do đó,

quá trình đánh giá là cần thiết để dự đoán độ an toàn của các công trình hiện hữu này và đưa ra quyết định duy tu sửa chữa và thay thế một phần hoặc toàn bộ kết cấu Hướng dẫn đánh giá cầu của Hiệp hội đường bộ liên bang (FHWA) đã vạch ra một cách tiếp cận có hệ thống bao gồm mọi khía cạnh của đánh giá cầu, bao gồm đánh giá tính toàn vẹn bề mặt của kết cấu, chất lượng vật liệu và khả năng thi công FHWA đã đưa ra những hướng dẫn chi tiết để đánh giá tình trạng của một cây cầu đường cao tốc ở Mỹ Căn cứ vào hướng dẫn, các thanh tra viên sẽ đưa ra quyết định về việc bảo trì, xây dựng lại hoặc thay thế các cây cầu hiện có [1]

Trước đây, tính toàn vẹn bề mặt và đánh giá chất lượng vật liệu được kiểm tra trực quan bởi một thanh tra viên Việc kiểm tra trực quan có thể xác định các vấn đề như vết nứt, rỉ sét hoặc ăn mòn, chỉ ra các vấn đề tiềm ẩn đối với sự ổn định và an toàn của kết cấu công trình [2] Ví dụ như mất mát khối lượng bề mặt kết cấu bởi dao động do các điều kiện tải trọng động gây ra như xe lưu thông và gió lớn, hoặc tác động của thời tiết khắc nghiệt, có thể tạo ra các hư hỏng như mất khối lượng, có thể nghiêm trọng theo thời gian [3] Do đó, việc kiểm tra và giám sát tình trạng sức khỏe của các kết cấu cầu theo các khoảng thời gian nhất định có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện các dấu hiệu xuống cấp và lập kế hoạch các biện pháp đối ứng hoặc khôi phục thích hợp [4] Tuy nhiên, kết quả phụ thuộc nhiều vào các thí nghiệm và quyết định cá nhân của thanh tra viên Khi sử dụng các phương pháp truyền thống, các thanh tra viên đến thực tế tại chỗ để kiểm tra thường xuyên và đánh giá tình trạng là khá tốn kém, tốn thời gian và có khả năng không an toàn Hơn nữa, bất kỳ sơ suất bảo trì hoặc bất kỳ hoạt động chậm trễ nào có thể dẫn đến chi phí tăng đáng kể trong tương lai Điều này sẽ cần thiết hơn khi công trình được sử dụng hoặc có tầm quan trọng đặc biệt như huyết mạch vận chuyển hoặc quốc phòng vận chuyển các khí tài quân sự Các thành phần quan trọng của hệ thống mạng lưới đường bộ, đặc biệt là các cây cầu, là một trong những cấu trúc dễ bị ảnh hưởng nhất và quan trọng nhất, cần được kiểm tra chính xác và bảo trì tốt.Những kết cấu quan trọng này thường nằm ở những địa hình hiểm trở và được xây dựng ở những nơi khó tiếp cận Do đó, việc thực hiện một phương pháp kiểm tra hiệu quả và có chiến lược bảo trì/phục hồi định

kỳ về cơ bản là cần thiết Hơn nữa, việc áp dụng một phương pháp kiểm tra hiệu quả, nếu xét về chi phí là một yếu tố quan trọng khác Dựa trên báo cáo gần đây nhất của Bộ phận Đường bộ và Hàng hải (RMS) của New South Wales (NSW) tại Úc, [5] hơn 28% ngân sách của chính phủ NSW được chi cho việc quản lý và duy trì tài sản cơ sở hạ tầng, đặc biệt là cầu đường Do đó, việc áp dụng các phương pháp kiểm tra, giám sát chủ động và hiệu quả về chi phí cũng như quản lý tài sản có thể giảm đáng kể những chi phí quá mức này

Thông thường, vật liệu sẽ ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng, chủ yếu bị ảnh hưởng của thời tiết và ăn mòn Do đó, một nghiên cứu để xem xét kỹ lưỡng tính toàn vẹn của bề mặt và đánh giá tỉ mỉ khả năng thi công kết cấu của nó cần phải thực hiện.Gần đây, một nhóm đặc biệt chung của Hiệp hội các cơ quan giao thông và đường cao tốc tiểu bang Hoa Kỳ (ASCE/SEI – AASHTO) đã được thành lập để xác định các nhu cầu và vấn đề liên quan đến việc đảm bảo sự an toàn của các cây cầu trên đường cao tốc trên khắp Hoa Kỳ và để kiểm tra xem có thể cải thiện các hoạt động kiểm tra cầu hiện tại như thế nào trong tương lai Họ giải quyết nhiều thách thức lớn, bao gồm chính sách kiểm tra cầu và tính nhất quán của xếp hạng kiểm tra (ASCE/SEI-AASHTO) Tuy nhiên, một trong những thách thức là việc phát triển các phương pháp kiểm tra không phá hủy Non-destructive (NDT) hiệu quả và các hướng dẫn của chúng để áp dụng các phương pháp sao cho phù hợp Trong vài thập kỷ qua, các phương pháp NDT đã được phát triển và sử dụng như một phương tiện kiểm tra kết cấu nhanh chóng và hiệu quả Năm 1990, cuốn sách hướng dẫn tham khảo kiểm tra cầu ((Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) [6] đề xuất cho cầu bê tông: Ultrasonic Testing (UT)-siêu âm, Ground Penetration Radar (GPR), Impact Echo -tiếng vang (IE), Infrared Thermography – nhiệt độ hồng ngoại, Radiography Testing (RT) phóng xạ Tuy nhiên, những phương pháp này chưa có được thực hành rộng rãi Một cuộc khảo sát để xác định tình trạng của thực tiễn cho kiểm tra cầu ở Hoa Kỳ được thực hiện bởi Rolander và cộng sự [7] là cần thiết để giảm thiểu sự thực hiện bởi con người

Phản hồi thử tải (LTR) là một trong những phương pháp đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu cầu Đây là một phương pháp được sử dụng để xem xét khả năng sử dụng/ chịu đựng của kết cấu cầu bằng cách cho nó chịu tải và quan sát phản ứng của nó Theo sách hướng dẫn AASHTO, phản ứng thử tải là một thành phần quan trọng của quy trình đánh giá sức khỏe kết cấu cầu [6] Để kiểm chứng và so sánh kết quả của phương pháp LTR, Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô phỏng ứng xử của kết cấu Wang và cộng sự [8] đã đánh giá một số kết cấu cầu hiện có và các hướng dẫn được đề xuất dựa trên chương trình thử tải kết hợp và mô hình phần tử hữu hạn Hiện tại, FEM có thể cung cấp phân tích chi tiết về ứng xử của kết cấu cầu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các kế hoạch sửa chữa và bảo trì khác nhau đối với tuổi thọ còn lại của kết cấu [9] Cụ thể, FEM được sử dụng trên các cấu kiện cầu khác nhau, bao gồm trụ cầu, dầm và mặt cầu, để mô phỏng thử nghiệm phá hủy cấu trúc cầu ở các cấp độ khác nhau Do đó, việc thu thập dữ liệu và tái tạo lại các bộ phận của kết cấu trở nên cấp thiết để kiểm tra và đánh giá chất lượng kết cấu Mô hình số trong FEM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác hình học của các bộ phận, điều này rất quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu cầu [10] Mô hình hình học thường được dựng lại thủ công từ bản vẽ hiện có Nó có thể chứa những lỗi gây ra bởi sự bất cẩn của các kỹ thuật viên Quá trình này dẫn đến nhiều sai sót cản trở chất lượng đánh giá tổng thể về khả năng làm việc của kết cấu hiện có [11] Ngoài ra, ở các công trình cũ, tình trạng mất bản thiết kế, công trình bị biến dạng, sụt lún, bong tróc một số lớp bê tông bao che kết cấu dẫn đến việc thu thập số liệu đo đạc trực tiếp gặp nhiều khó khăn Những tiến bộ của khoa học và công nghệ ngày nay đã đưa ra một số phương pháp mới mang lại những lợi thế đáng kể, thay thế các phương pháp truyền thống đo lường trực tiếp Cụ thể, camera ghi lại hình ảnh công trình để trực quan hóa bề mặt công trình Đây là một phương pháp không phá hủy để kiểm tra trực quan chất lượng xây dựng Quá trình kiểm tra chất lượng có thể được thực hiện bởi người kiểm tra hoặc bằng cách áp dụng thuật toán xử lý hình ảnh để xử lý dữ liệu lớn Tuy nhiên, việc sử dụng hình ảnh 2D không tốt trong một số cuộc khảo sát, cần biết

độ chính xác của kích thước hình học hoặc thành phần bị ẩn bởi những người khác, trong khi hình ảnh đám mây điểm 3D được tạo ra là không chính xác Một phương pháp khác để thu thập các đám mây điểm 3D chính xác của bề mặt công trình là công nghệ quét lazer Máy quét Laser hiện nay hỗ trợ thu thập đám mây điểm 3D nhanh chóng với mật độ điểm cao trong thời gian ngắn Công nghệ này ngày càng trở nên nổi bật và đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là trong ngành cơ sở hạ tầng giao thông [12] Đám mây điểm 3D giúp đánh giá tính toàn vẹn của cấu trúc và xác định các khiếm khuyết tiềm ẩn [13] Đối với điều này, đám mây điểm trở thành dữ liệu đầu vào để tạo mô hình lưới khối cho phân tích FEM Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phương pháp cho việc chuyển đổi này, bao gồm sử dụng máy học và chỉnh sửa thủ công Vẫn còn những thách thức trong việc chuyển đổi từ đám mây điểm sang mô hình khối, bao gồm cả việc thu thập dữ liệu và độ chính xác trong quá trình xử lý dữ liệu thu được [12]

Vì những lý do đã đề cập, nghiên cứu này tập trung vào việc tạo mô hình khối lưới của các cấu kiện xây dựng từ đám mây điểm 3D được thu thập bằng máy quét laser để mô phỏng FEM.Công đoạn tạo mô hình 3D bao gồm ba bước: tiền xử lý, phân đoạn và tạo mô hình thiết kế bằng CAD [14] Tiền xử lý đề cập đến việc dọn sạch dữ liệu và đặt định danh các điểm dữ liệu thô Nói chung, các điểm dữ liệu thô do TLS thu được chứa nhiễu ảnh hưởng đến việc xây dựng mô hình 3D Điểm nhiễu này có thể được giảm bằng cách sử dụng các bộ lọc khác nhau như Góc, Trung bình trong giai đoạn làm sạch dữ liệu [15,16] Bên cạnh đó, xem xét nhiều vị trí quét, các dữ liệu đám mây điểm thu được cần được điều chỉnh bằng cách sử dụng các điểm mục tiêu và phương pháp căn chỉnh [17] Gần đây, các giai đoạn tiền xử lý dữ liệu thu được từ thiết bị quét chuyển qua phần mềm TLS đang được quan tâm đáng kể, mục tiêu giúp tăng tốc chuyển đổi và giảm bớt công việc văn phòng [18,19] Giai đoạn này là một bước quan trọng để xác định các dữ liệu đám mây điểm thu được dưới dạng hình dạng hình học đại diện bề mặt của đối tượng [14,19] Do số lượng điểm dữ liệu thu được thường rất lớn nên việc trình bày một phương pháp phân đoạn tự động chính xác đã trở thành một thách thức trong những năm gần đây Để khắc phục điều này, các

phương pháp xây dựng hình học khối (CSG) và biểu diễn theo biên/ ranh giới (B-rep) đã được áp dụng [20,21] Phương pháp CSG tạo ra các mô hình khối 3D dựa trên sự kết hợp của các nguyên hàm thể tích bằng cách sử dụng các phép toán Boolean trong khi phương pháp B-rep cung cấp một cách để kích hoạt tập hợp các bề mặt dưới dạng khối 3D Trong CSG, các mô hình solid được mô tả là một loạt các nguyên hàm đơn giản có giới hạn bao gồm hình nón, hình trụ, hình cầu và hình khối trong một quy trình cụ thể được gọi là cây phân cấp CSG để tạo ra một mô hình solid [20] Tuy nhiên, phương pháp B-rep cố gắng trích xuất các đường biên từ các điểm dữ liệu thô đại diện cho các cạnh, đỉnh và bề mặt, dưới dạng khung của mô hình khối [22] Sử dụng phương pháp CSG, tất cả các thành phần được phát hiện của kết cấu cầu được chia thành một số tập con/phần nguyên ban đầu được trích xuất từ các điểm dữ liệu thô Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng kết hợp B-rep trong phương pháp CSG [19,20] Dữ liệu đám mây điểm ngày nay đã trở thành một công cụ quan trọng để theo dõi tình trạng kết cấu trong kiểm tra và đánh giá kết cấu cầu Mục tiêu của giai đoạn này là tạo mô hình khối 3D của kết cầu cầu từ các điểm dữ liệu thô thu thập được để sử dụng cho mô hình thông tin cầu (BrIM), phục vụ cho đánh giá và bảo trì Mô hình 3D được tạo có thể được sử dụng trong suốt vòng đời của cây cầu, từ giai đoạn thiết kế (còn được gọi là thiết kế nguyên trạng) đến các mục đích thực tế của cấu trúc hiện có (“hiện trạng”) Trong suốt tuổi thọ của cầu, hiện trạng cầu có thể bị thay đổi do các giai đoạn thi công và khai thác có sự thay đổi gây ra hiện trạng khác so với hồ sơ thiết kế hoặc hiện trạng ban đầu.Trong những trường hợp như vậy, chỉ có một mô hình 3D xây dựng chính xác bắt nguồn từ khảo sát chi tiết mới có thể minh họa những thay đổi thực tế của kết cấu [23, 24]

Giai đoạn tạo mô hình 3D bao gồm ba bước: 1) tiền xử lý, 2) phân đoạn và 3) tạo mô hình (CAD) [25] Tiền xử lý đề cập đến việc tối ưu và bỏ những điểm không phù hợp trong dữ liệu và làm dấu các điểm dữ liệu thô Phân đoạn là một bước khác của việc xác định các phân chia hợp lý để các dữ liệu đám mây điểm thu được có thể hiểu được dưới dạng hình học, thể hiện bề mặt của đối tượng được phát hiện [25, 26] Do số lượng điểm dữ liệu thu được thường rất lớn nên việc trình bày một phương pháp

công đoạn tự động chính xác đã trở thành một thách thức trong những năm gần đây Để khắc phục điều này, phương pháp xây dựng khối hình (CSG) và biểu diễn biên của đối tượng (B-rep) đã được áp dụng [27, 28] Phương pháp CSG tạo ra các mô hình khối 3D dựa trên sự kết hợp của các thể tích khối bằng cách sử dụng các phép toán Boolean, trong khi phương pháp B-rep dùng để tạo tập hợp các bề mặt dưới dạng đối tượng 3D Trong CSG, các mô hình khối được mô tả là một loạt các nguyên hàm đơn giản bao gồm hình nón, hình trụ, hình cầu và hình khối khác trong một quy trình được gọi là cây phân cấp CSG để tạo ra một mô hình solid [27] Tuy nhiên, phương pháp B-rep sẽ trích xuất các ranh giới/ biên từ các điểm dữ liệu thô đại diện cho các cạnh, đỉnh và bề mặt, dưới dạng khung của mô hình khối [28]

Khi trích xuất các đám mây điểm của các bề mặt riêng lẻ để tạo mô hình 3D, các nhà nghiên cứu đã phát triển các thuật toán phân đoạn tự động phân loại các điểm dữ liệu đã thu được, đáp ứng các tính năng giống nhau vào cùng một tập hợp con được gọi là “Phân đoạn dựa trên tính năng” hoặc các phân đoạn dựa trên các điểm dữ liệu thỏa các mô hình toán học có tên là “Phân đoạn dựa trên mô hình” Cả việc xác định độ cong của bề mặt dựa trên các điểm dữ liệu thu được [29,30] và so sánh các đặc điểm của điểm lân cận, chẳng hạn như góc của vectơ pháp tuyến và vectơ đơn vị [31], là một số đặc điểm được phát triển trong các thuật toán như tăng vùng (region growing) [32], dò tia (ray-tracing) [33], thuật toán phân loại (clustering) và voxel/dựa theo trên ô (voxel/cell-based) [34] trong “phân đoạn dựa trên tính năng” Tuy nhiên, trong “phân đoạn tạo khối dựa vào mô hình”, các thuật toán như Hough transform [35,36,37] và RANSAC [38,39] thường được sử dụng

Việc tạo mô hình CAD 3D là bước cuối cùng để tạo mô hình hình học tích hợp bằng cách sử dụng các điểm dữ liệu được chọn Có một số cách tiếp cận, điều chỉnh (fitting) và quét (sweeping) là hai kỹ thuật thường xuyên được sử dụng Kỹ thuật đề cập đến việc khớp các khối mẫu đơn giản (lập phương, tứ diện, ) được trích xuất từ các điểm được phân đoạn, trong khi kỹ thuật sau chỉ ra kỹ thuật kéo dãn (extruding) một hình dạng phân đoạn dọc theo một đường dẫn để có được hình ảnh mô hình CAD 3D Ví dụ về các kỹ thuật này đã được phát triển trong các công trình hiện hữu được thực

hiện bởi Walsh, Borello, Guldur và Hajjar [32], Xiong, Adan, Akinci và Huber [33], Stull và Earls [40], Laefer [41 ], Yang và cộng sự [42]

Hiện nay, nhiều nghiên cứu được thực hiện và nhắm mục tiêu vào kỹ thuật thứ hai là bao quát Trong một nghiên cứu, Yan và cộng sự [43] đã phát triển một phương pháp tạo lưới dựa trên voxel bao gồm ba cách thức để tạo mô hình 3D tính toán của kết cấu Phương pháp này bắt đầu với việc trích xuất các vết cắt ngang bằng cách sử dụng thuật toán dựa trên điểm ảnh 3D và sau đó bản đồ chính xác của các thành phần bằng cách kéo dãn (extruding) các vết cắt được nhận dạng dọc theo trục chính của chúng Để kiểm tra phương pháp được đề xuất, một cây cầu đủ kích thước đã được quét và mô hình 3D hình học của nó đã được tạo, như trong Hình 1 2 a, b

Hình 1 2 Tạo mô hình 3D từ bộ dữ liệu điểm: (a) Đám mây điểm cầu Robot City,

Pennsylvania [44]; (b) Mô hình phần tử hữu hạn 3D của cầu Robot City [44]

Việc tạo các mô hình 3D bằng các phương pháp trên có thể hỗ trợ đáng kể cho các kỹ sư kết cấu thực hiện phân tích bằng phương thức phần tử hữu hạn (FEM) Và nó đem lại lợi ích khi có mô hình 3D chính xác và phân tích chính xác đối với các kết cấu lớn như cầu Lubowiecka và cộng sự đã đánh giá một cây cầu xây cổ với hình học phức tạp dựa trên phân tích phần tử hữu hạn [45] Dữ liệu thu nhận được từ TLS được sử dụng để xác định hình dạng hiện trạng của cây cầu nói trên [46] Tương tự, Armesto và cộng sự đã trình bày một phân tích về kích thước và cấu trúc của một cây cầu vòm cổ xưa để kiểm soát độ lệch của nó phát sinh từ quá trình lão hóa vật liệu Ngoài ra, Ming và cộng sự đã sử dụng TLS để thu thập dữ liệu không gian 3D của một kết cấu thép lớn [47] Dữ liệu thu được sau đó được sử dụng để tái tạo mô hình 3D và phân tích biến dạng Hơn nữa, Sánchez-Aparicio và cộng sự [48] đã đề xuất

một quy trình làm việc để cải thiện việc hiệu chuẩn các mô hình phần tử hữu hạn (FE) được chuyển đổi từ các dữ liệu đám mây điểm thu được Nghiên cứu này, phương thức thử nghiệm nhận dạng đã được dùng như một hệ thống không xâm nhập để xác định các thuộc tính toàn cầu của hệ thống cấu trúc Tương tự, Khaloo và Lattanzi đã sử dụng quy trình công việc như vậy để trích xuất thông tin từ TLS để tạo mô hình FE của cây cầu gỗ [49] Trong một nghiên cứu khác, Bitelli và cộng sự đã tạo lưới dựa trên voxel theo phương pháp bán tự động để chuyển đổi các điểm dữ liệu trực tiếp thành mô hình phần tử hữu hạn [50] Trong nghiên cứu này, phương pháp đề xuất đã được thử nghiệm trên một di sản văn hóa với mục đích phân tích kết cấu Đây là một khái niệm ban đầu cho các nghiên cứu khác trong đó Castellazzi và cộng sự [51], Korumaz và cộng sự [52], và D'Altri và cộng sự [53] đã trình bày một mục tiêu bán tự động cho phép chuyển đổi điểm dữ liệu thành lưới phần tử hữu hạn với mục đích đánh giá sức khỏe của các cấu trúc lịch sử Trong một nghiên cứu khác, Conde-Carnero và cộng sự [54] đã đệ trình một phương thức tiếp cận tự động khác để chuyển đổi trực tiếp các điểm dữ liệu thành một mô hình FE phù hợp với phân tích kết cấu Trong lần này, phương pháp được trình bày khi được sử dụng để đánh giá kết cấu của

một cây cầu dùng riêng cho người đi đường, như trong Hình 1 3 a, b

Hình 1 3 Mô hình phần tử hữu hạn được tạo ra từ dữ liệu đám mây điểm để đánh

giá kết cấu: (a) đám mây điểm thu được được tối ưu hóa của cầu đi bộ [54]; (b) mô hình FE của kết cấu cầu đi bộ [54]

Nhờ những ưu điểm và phương pháp xử lý từ dữ liệu trong tập đám mây điểm 3D giúp đánh giá tính toàn vẹn của cấu trúc và xác định các khiếm khuyết tiềm ẩn Đối với điều này, đám mây điểm được coi như dữ liệu đầu vào để tạo mô hình lưới phục vụ cho công tác phân tích FEM Một số nhà nghiên cứu đã điều tra các phương pháp cho việc chuyển đổi này, bao gồm sử dụng thuật toán và chỉnh sửa thủ công Những thách thức vẫn còn trong việc chuyển đổi từ đám mây điểm sang mô hình khối, bao gồm thu nhặt dữ liệu và xử lý chính xác [12]

1.2 Thực trạng nghiên cứu

Trong vòng thập kỷ qua, nhu cầu kiểm tra, đánh giá và quản lý trong ngành xây dựng đã tăng nhiều đáng kể Một số lượng lớn cơ sở hạ tầng, đặc biệt là cầu, được xây dựng vào hơn 50 năm trước nhưng vẫn còn đi vào hoạt động Hầu hết các cây cầu này được thiết kế và xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn cũ và cần phải được đảm bảo không hỏng trong suốt quãng thời gian sử dụng theo quy định Mặc khác, hầu hết các cây cầu này được thiết kế và thi công theo các tiêu chuẩn cũ và cần được phục hồi trong suốt thời gian còn lại của chúng Trong một báo cáo cơ sở hạ tầng gần đây của Hiệp hội Kỹ thuật Xây dựng Hoa Kỳ (ASCE), hơn 40% cầu ở Mỹ đã cũ hơn 50 năm và hơn 13,6% bị lỗi chức năng [55]

Quét lazer ba chiều (3D) là một công nghệ đo lường không tiếp xúc mới để thu thập nhanh chóng và chính xác các điểm dữ liệu địa hình trên bề mặt của vật thể Các điểm dữ liệu thu được thường được xác định dựa trên tọa độ x, y, z kết hợp với các thuộc tính như cường độ chùm tia lazer phản xạ từ đối tượng quan sát Các đơn vị quét lazer có thể được sắp xếp dựa trên vị trí của các cảm biến lazer trong quá trình thu nhận dữ liệu; các phân loại này là quét laser trên không, di động và trên mặt đất tương ứng với không khí (ví dụ: trực thăng, máy bay hoặc máy bay không người lái (UAV)), thiết bị di động (ví dụ: xe hơi, thuyền) và mặt đất Cho dù mỗi phương pháp này luôn có những điểm mạnh riêng nhưng sử dụng máy quét laser trên mặt đất (TLS) phổ biến và thông dụng hơn Gần đây, TLS cũng có tiềm năng lớn được sử dụng trong những

phương thức kiểm tra do khả năng chụp các đối tượng ở tốc độ cao với độ chính xác đến từng milimet và chi phí thấp so với các phương thức đánh giá truyền thống khác Tiềm năng của TLS như đã khẳng định ở trên, Son và cộng sự đã tiến hành các phương pháp mới để trích xuất và phân tích các mô hình BIM từ các điểm dữ liệu thu được với mục đích là nền tảng quản lý (FM) và quản lý sản xuất (PM) [56] Pătrăucean et al đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về việc tạo mô hình 3D tự động cho các cơ sở hiện có, mô hình BIM hoàn công, từ dữ liệu máy quét laze [57] Lu và Lee đã trình bày một phác thảo chung để tạo mô hình 3D những hình ảnh từ dữ liệu đám mây điểm được chụp từ một tòa nhà hiện có [58] Wang và Kim đã khám phá các ứng dụng của TLS trong ngành xây dựng và nhóm tác giả đã thảo luận về các tham số thu thập dữ liệu và chất lượng của dữ liệu quét lazer để đáp ứng nhu cầu cho các ứng dụng xây dựng [59] Kim và cộng sự đã xem xét các nghiên cứu gần đây về kiểm tra chất lượng hình học của các kết cấu dân dụng dựa trên việc sử dụng máy quét lazer trong các giai đoạn dự án khác nhau [60] Trong một nghiên cứu khác, Spencer và cộng sự đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật giám sát máy tính tiên tiến hiện có để đánh giá tình trạng cơ sở hạ tầng kết cấu [61] Gần đây, Czerniawski và Leite đã tóm tắt những nỗ lực trong mười năm nghiên cứu về việc số hóa các cấu trúc hiện có một cách tự động [62]

Bởi vì tính hiệu quả công việc cao, trên thế giới công nghệ quét laser đã và đang phát triển rất mạnh mẽ, ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực: sản xuất, y học, xây dựng, Các đơn vị tại Việt Nam cũng đã đầu tư thiết bị quét laser trong công tác khảo sát địa hình, dựng mô hình 3D, quản lý xây dựng Dưới đây là thực trạng nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ quét laser tại Việt Nam Trong xây dựng, công nghệ quét laser 3D mặt đất ngày nay được sử dụng hiệu quả và phổ biến trong thành lập mô hình số địa hình, đánh giá sự thay đổi của địa hình, sửa chữa và khôi phục công trình và các lĩnh vực bảo tồn, đang phát triển một cách vượt bậc trong quãng thời gian gần đây Bộ dữ liệu này là thông số đầu vào quan trọng của các lĩnh vực như: khảo sát địa hình, mô hình BIM, … Với độ chính xác cao và được cải thiện dần theo thời gian, tốc độ khảo sát rất nhanh, nhưng chi phí đầu tư ban đầu khá cao, để có thể sử

dụng hiệu quả hơn kết quả thu nhận dữ liệu những năm gần đây, những nghiên cứu trong nước đã đệ trình nhiều cách thức khác nhau để thực hiện cải thiện độ chính xác, nâng cao tính ứng dụng, … ngày càng nhiều

Lúc trước, công tác đo đạc để vẽ hiện trường các hình dạng kết cấu hoặc chi tiết đối tượng cần xét đến được thực hiện bằng các cách truyền thống Tuy nhiên, khả năng nhận diện các yếu tố hiển thị của vật thể còn bị hạn chế Thế nhưng gần đây, mô hình số 3D xem như là mô hình kỹ thuật sử dụng để quản lý vòng đời kết cấu công trình từ thiết kế, bản vẽ thi công, giám sát vận hành và bảo trì Khảo sát trực tiếp tại hiện trường là phương pháp được áp dụng phổ biến trong công tác khảo sát địa hình Tuy nhiên, cách thức này tốn nhiều công sức và thời gian Ngoài ra, chất lượng của bản báo cáo đánh giá phụ thuộc nhiều vào trình độ, ý kiến chủ quan của chuyên viên đánh giá Đặc biệt, trong công cuộc chuyển đổi số hiện nay, xây dựng được nhận định là ngành trọng điểm được Chánh phủ nước Việt Nam thúc đẩy thay đổi mạnh Số liệu dẫn chứng là xây dựng nhà riêng lẻ, nhà máy công nghiệp và công trình hạ tầng với tiền đầu tư của Ngành xây dựng này chiếm 30-40% vốn cả nước– khoảng từ 40-50 tỷ đô la Mỹ trong những năm từ 2021-2025 [63] Bao gồm, tiêu chuẩn số, quy chuẩn, thông tư định mức, đơn giá dùng trong công tác quản lý của Bộ đặt ra cho ngành là hướng đến việc chuyển đổi số ngành công chánh Thực hiện tự động hóa chánh phủ các hoạt động xây dựng như: Tư vấn thiết kế, thẩm tra – thẩm định, thi công xây lắp, và nghiệm thu công trình; Sử dụng và sử chữa trong quá trình khai thác; Hoạch định xây dựng, phát triển phố thị và đi đôi với phát triển đường xá hạ tầng (bao gồm nhà dân dụng, tòa nhà lớn)

Hình 1 4 Tổ chức xây dựng theo xu hướng cách mạng công nghiệp 4.0.[63] Cụ thể là trong tiến trình chuyển đổi số, thì mô hình thông tin xây dựng (BIM) và GIS là 2 điều trọng điểm được Chánh phủ đề cập đến Với BIM, hiện tại thì Việt Nam vẫn chưa được dùng triệt để khi so sánh với thế giới PGS.TS Trần Chủng – Chủ tịch VARSI thông cáo rằng việc áp dụng BIM chưa dùng nhiều, trước hết là doanh nghiệp phải được dùng cho hệ thống máy, thiết bị và phần mềm về BIM đi kèm; Bên cạnh đó thì lộ trình làm việc cũng cần phải cập nhật để sử dụng BIM, cũng như nhân viên cũng phải bắt buộc trao dồi để sử dụng nhuần nhuyễn về BIM Mặc khác, trở ngại lớn khi doanh nghiệp vận hành BIM là kết quả của nó ở các bước sau thiết kế, bảo trì và thẩm tra đánh giá khả năng làm việc của kết cấu hiện hữu trong ngắn hạn vẫn chưa được khai thác sử dụng [63]

Vì những lý do trên, năm 2023 sẽ là thời điểm cần thiết để triển khai BIM trong ngành xây dựng khi Chánh phủ Việt Nam thông qua Quyết định 258/QĐ-TTg về kế hoạch sử dụng BIM Thành thử, áp dụng BIM với các công trình cấp I từ năm 2023 (Giai đoạn 1), và các công trình cấp II từ năm 2025 (Giai đoạn 2) là bắt buộc phải áp dụng Từ khi đệ trình việc sử dụng BIM trong nghề xây dựng và quản lý vận hành ngoài công trường (theo Quyết định 2500/QĐ-TTg ngày 22/12/2016) được đệ trình, những dự án công trình lớn sử dụng vốn đầu tư trong ngân sách như: xây dựng tòa nhà của

Tập đoàn Viettel, cầu Cửa Đại Ngoài ra, nhiều dự án của tư nhân cũng đã ứng dụng BIM giúp tối ưu hóa thiết kế, nâng cao việc tính toán khối lượng cũng như nghiệm thu được chất lượng công trình, và hồ sơ thi công của nhà thầu như: Becamex IDC, Novaland…

Trong nghiên cứu, công nghệ quét laser đang ngày càng phát triển và được sử dụng thu thập cơ sở dữ liệu cho nhiều dự án thuộc nhiều ngành nghề khác nhau Có thể kể đến như việc sử dụng công nghệ quét TLS trong việc theo dõi thay đổi địa hình – trường hợp nghiên cứu ở Quảng Ninh của nhóm tác giả Ngô Sỹ Cường.[64] Với kết quả là tái hiện 100% thực tiễn ở tỷ lệ 1:1, và quan trọng hơn là tất cả số liệu đã được xác lập trong không gian 3 chiều hoàn chỉnh sau đó hoàn toàn thực hiện trực quan trên mô hình 3D Toàn bộ quá trình đo vẽ sẽ được tiến hành trên mô hình 3D này với độ chính xác rất cao (lên tới mm) mà không cần phải ra ngoài thực tế để đo bằng máy thủy bình, toàn đạc, thước dây hay các thiết bị đo chuyên dụng trong ngành xây dưng Mặc khác, nghiên cứu ứng dụng TLS để nâng cấp chất lượng dữ liệu 3D mặt đất nhằm nâng cao việc quản lý của Chánh phủ trong khai thác tài nguyên khoáng sản [65] của tác giả Vũ Quốc Lập Thứ nhất, quét TLS là một công nghệ mới phù hợp với việc thu thập, xử lý, phân tích, hiển thị và chia sẻ dữ liệu đám mây điểm trong hoạt động khai thác khoáng sản Thứ hai là đo đạc vẽ, dựng bản đồ và tính toán khối lượng mỏ bên ngoài được dùng nhiều nhất tại mỏ khoáng sản Ứng dụng công nghệ TLS cho phép tổ chức xây dựng các bản đồ, địa hình, bình đồ hiện trạng, các mô hình số độ cao, mô hình số địa hình là các sản phẩm thông tin mặt đất 3D cần thiết cho việc tính toán khối lượng đất và khoáng sản, lập và điều chỉnh biện pháp khai thác, xây, khoan, chuyển sản phẩm… nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và sức lực Khi khai thác mỏ xuống càng sâu, thì hiện tượng xê dịch đất đá và trượt lở mép mỏ càng xảy ra liên tục Công nghệ quét TLS với khả năng tổ chức trích xuất và thu thập dữ liệu giản đơn, cung cấp nhanh các kết quả quan trắc tình trạng hiện hữu tại mép mỏ giữa các chu kỳ, cho phép dự đoán chính xác hiện tượng sạt lở mép mỏ góp phần kiểm soát hiệu quả ổn định của mép bờ mỏ Cuối cùng, quét laser có ưu điểm hoạt động được trong những vị trí khai thác hầm lò chật hẹp khó đến mục tiêu, thiếu ánh sáng,

gây khó khăn cho việc đo vẽ v.v…Công nghệ TLS là thiết bị tuyệt vời trong việc đo vẽ hiện trường công trình tại các khu hầm mỏ hiện hữu phục vụ cho công tác phục dựng đánh giá khả năng an toàn trong quá trình vận hành đào hầm Tập dữ liệu và mô hình mặt đất hiện trạng 3D đảm bảo nhanh chóng tính toán khối lượng đào, nghiên cứu chuyển vị do ảnh hưởng áp lực đất,… trong tiến trình tổ chức sản xuất, kiểm ta hoạt động khai thác khoáng sản trong hầm

Chính vì sự hiệu quả mà công nghệ quét laser mang lại, gần đây nhiều đơn vị như BIMlab thuộc khoa Kỹ thuật Xây dựng của trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh và trung tâm Portcoast BIM đã đầu tư các thiết bị thu thập dữ liệu phục vụ công tác khảo sát các công trình khảo sát cảng, công trình xây dựng bằng đám mây điểm Tuy nhiên cách sử dụng các phần mềm thương mại chuyên dùng như AutoCAD, Revit, Global Mapper được dùng để xử lý dữ liệu Tuy những ưu điểm vượt bậc của phương pháp đo bằng quét laser mặt đất trong các lĩnh vực đời sống nói chung, và trong thẩm tra đánh giá kết cấu công trình nói riêng Song qua đó, vẫn còn một số hạn chế của việc xử lý dữ liệu thu được từ TLS Cụ thể, hầu hết trích xuất các đối tượng như cầu, nhà, đường giao thông phải thực hiện thủ công, tốn nhiều thời gian và chi phí cao Để khai thác tối đa hiệu quả công việc mà công nghệ quét laser mang lại cần tập trung nguồn lực phát triển các thuật toán trích xuất dữ liệu tự động để giảm chi phí và tăng độ chính xác của kết quả, tránh những sai số chủ quan từ người dựng mô hình thu được từ TLS để đánh giá sức khỏe cũng như khả năng làm việc của kết cấu

1.3 Mục tiêu của nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung trình bày một quy trình mới để chuyển đổi các đám mây điểm ba chiều của trụ cầu ở những vị trí khó khăn để đo đạc, khảo sát đến mô hình FE 3D Tệp dữ liệu thu được bằng máy quét laser mặt đất, sau khi xử lý dữ liệu thô từ phần mềm của thiết bị, hình dạng trụ cầu 3D sẽ được xây dựng từ các thuật toán được đề xuất trong nghiên cứu này Sau cùng, dùng phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng mô hình 3D xây dựng được để đánh giá sức khỏe kết cấu trụ cầu

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Trong khuôn khổ luận văn này đối tượng được nghiên cứu là cây cầu hộp bê tông cốt thép trên đường CO16, Seßlach, CHLB Đức; Cầu 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 Trụ của cây cầu này là dạng trụ cầu cạn thân tường đặt như trong Hình 3 1

Trụ thân tường khối (Solid Wall Piers) - Trụ thân tường khối như cột chịu tác động của lực và mô men theo 2 phương chủ yếu: phương yếu và phương cứng Trụ có thể được chốt, ngàm hoặc di động ở phần trên, và thông thường được cố định ở đáy Loại trụ này có chiều cao thấp và ngắn thường được cố định ở móng để loại bỏ mô men lớn do ngàm chặt [66] Nghiên cứu dùng bộ dữ liệu quét laser để thu nhận hình ảnh bề mặt cấu trúc trụ cầu Với bộ dữ liệu thu nhận là tệp các đám mây điểm đã xử lý

thô bằng phần mềm của thiết bị thu, xuất ra file dưới định dạng txt Sau đó, ngôn ngữ

lập trình Python sẽ được sử dụng để tổ chức lại bộ dữ liệu theo thuật toán như octree, xử lý và tạo mặt phẳng đường biên/ đường bao bằng các thuật toán Delaunay, Marching Cube, Ray-Tracing Method…

1.5 Giới hạn đề tài

Mục tiêu trong luận văn này là dựa trên dữ liệu thu được từ đám mây điểm, xác định được đúng tọa độ không gian 3 chiều như những kích thước, tiết diện hình học của tổng thể kết cấu trụ cầu…Sử dụng các phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn thương mại như ABAQUS/ ANSYS Workbench xây dựng mô hình mô phỏng hình dạng kết cấu bên ngoài, phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cầu, được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn hiện hành

Trong nghiên cứu này, giả thiết rằng công trình cầu hiện hữu tồn tại khá lâu nên không còn hồ sơ thiết kế ban đầu Do đó, những thông số thí dụ như kích thước hình học, mặt cắt tiết diện những cấu kiện công trình hiện hữu không còn lưu trữ Phương pháp dùng TLS để thu thập dữ liệu bên ngoài của kết cấu, là cơ sở để phục dựng, đánh giá khả năng làm việc của mô hình cầu, cụ thể là hình ảnh trụ cầu cạn dạng tường đặt Các giá trị thành phần vật liệu của kết cấu như hệ số poison, modul đàn hồi, cường

độ vật liệu hiện tại sẽ được giả định Tuy nhiên, một hàm số nào đó, hay quá trình thay đổi vật liệu theo thời gian cũng sẽ được tìm hiểu hoặc tiến hành mô phỏng bằng phần mềm thương mại bởi nghiên cứu trong tương lai

1.6 Bố cục luận văn

Luận văn này được trình bày trong 5 chương: - Chương 1: Đặt vấn đề

- Chương 2: Các phương pháp kiểm định cầu

- Chương 3: Phương pháp xây dựng mô hình lưới (mesh model) phục vụ trong mô phỏng phần tử hữu hạn

- Chương 4: Xác định khả năng làm việc của mô hình phần tử hữu hạn - Chương 5: Kết quả, kết luận và hướng nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH CẦU 2.1 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 có tại giữa nhịp, ¼ nhịp, và tại gối Bên cạnh đó, 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

2.2 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]

2.3 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]

2.3.3 Đo đạc định kỳ

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]