Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG NGỌC THÚY VY

ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ SỐ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CHO KẾT CẤU DẦM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA CHUYỂN VỊ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐHQG HCM - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hà Minh Tuấn Chữ ký:

PGS.TS Hồ Đức Duy Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trần Tuấn Nam Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Cao Văn Vui Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 11 tháng 07 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm có:

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị (Evaluation on damage detection indicators for beam-type structures using displacement influence line)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu và nắm vững phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa vào đường ảnh hưởng của chuyển vị

2 Xây dựng mô hình dầm bê tông, dầm bê tông cốt thép lần lượt bằng phần mềm phần tử hữu hạn SAP2000 và ANSYS

3 Thu thập kết quả phân tích chuyển vị - tải trọng của dầm, đường ảnh hưởng của chuyển vị ứng với từng trường hợp khảo sát

4 Xác định tình trạng hư hỏng của dầm dựa trên kết quả của phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị

5 Phân tích và đánh giá kết quả 6 Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HÀ MINH TUẤN PGS.TS HỒ ĐỨC DUY

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS Hà Minh Tuấn và PGS.TS Hồ Đức Duy, đã tận tình hướng dẫn và đưa ra đề xuất đầu tiên hình thành ý tưởng của đề tài Các thầy đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ cách đưa ra những nhận định đúng đắn trong vấn đề nghiên cứu và cách giải quyết vấn đề, tiếp cận nghiên cứu một cách hiệu quả Sự tận tâm chỉ bảo là động lực to lớn giúp tôi hoàn thành xuất sắc đề cương luận văn của mình

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã từng tham gia giảng dạy lớp cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng Các thầy cô đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, đã từng bước hướng dẫn tôi đi vào con đường nghiên cứu khoa học Nếu không có sự giúp đỡ của thầy cô thì chắc chắn chúng ta sẽ không có được kiến thức

như ngày hôm nay

Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu đã có những đóng góp to lớn, cung cấp những kiến

thức, hiểu biết để tôi thực hiện đề tài này

Đề cương Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong các thầy cô hướng dẫn để em bổ sung kiến thức và hoàn thiện bản thân hơn

Xin trân trọng cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023

Đặng Ngọc Thúy Vy

hai chỉ số Root Mean Square Deviation (RMSD), và Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) được xác định để đánh giá sự tương quan giữa hai đường ảnh

hưởng chuyển vị ở hai trạng thái trên Kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai chỉ số đều giúp xác định sự hiện diện và vị trí của hư hỏng Bên cạnh đó, với mục đích chẩn

đoán được mức độ hư hỏng, hai chỉ số RMSD và MAPD được đề xuất cải tiến thông

qua các bước chuẩn hóa, vẽ biểu đồ, khoanh vùng hư hỏng, và xác định ngưỡng hư hỏng Kết quả của các kịch bản khảo sát trong nghiên cứu này đều có độ chính xác giữa thực tế và chẩn đoán là trên 90% và sự đồng thuận đều ở mức trung bình hoặc tốt Mở rộng, nghiên cứu còn khảo sát việc tăng số điểm lấy dữ liệu để xác minh tính hiệu quả của phương pháp phù hợp với điều kiện thực tế

collection states, the Root Mean Square Deviation (RMSD) and Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) indices were generated According to the results of

this study, these indicators help determine the presence and location of damage In addition, for the aim of identifying the degree of damage, it is recommended to

enhance the RMSD and MAPD indices by standardization, charting, damage zoning,

and calculating the failure threshold Overall, the assessment situations in this study showed a fact-to-diagnosis accuracy of above 90%, with a consensus ranging from moderate to very good Furthermore, the study also investigates increasing the number of data points to verify the effectiveness of the method under real conditions

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề cương luận văn do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Hà Minh Tuấn và PGS TS Hồ Đức Duy

Các kết quả của luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023

Đặng Ngọc Thúy Vy

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 2

1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 5

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 5

2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 7

2.3 Tổng kết 8

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

3.1 Giới thiệu phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị 10

3.1.1 Định nghĩa 10

3.1.2 Công tác lấy dữ liệu 11

3.2 Các chỉ số dùng để chẩn đoán hư hỏng 12

3.2.1 Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation) 13

3.2.2 Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) 13

3.2.3 Chỉ số chuẩn hóa XjZ 14

3.3 Xác định mức độ hư hỏng 15

3.3.1 Khoanh vùng hư hỏng 15

3.3.2 Biểu đồ chuẩn hóa 18

3.3.3 Ngưỡng hư hỏng đề xuất 18

3.4 Quy trình chẩn đoán 22

3.5 Phương pháp đánh giá độ chính xác của chẩn đoán 23

3.5.1 Chỉ số A, B, C 23

3.5.2 Chỉ số K (Cohen's Kappa Coefficient) 26

3.6 Mô hình trong ANSYS 29

3.6.1 Quy trình giải bài toán cơ bản 29

3.6.2 Mô hình phần tử 30

4.2.1 Thông số đầu vào 46

4.2.2 Kết quả phân tích tải trọng – chuyển vị 50

5.2 Điểm mới và đóng góp của luận văn 78

5.3 Những điểm cần cải thiện 79

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Xe nâng và robot trong kho bãi logistics (Nguồn: Internet) 1

Hình 3.1 Minh họa sơ bộ phương pháp chẩn đoán 10

Hình 3.2 Minh họa dầm đơn giản và vị trí đo đạc 11

Hình 3.3 Minh hoạ đường ảnh hưởng của chuyển vị tại vị trí trung điểm của dầm 11Hình 3.4 Thiết bị đo chuyển vị bằng cảm biến thường được sử dụng cho dầm 12

Hình 3.5 Thiết bị đo chuyển vị bằng laser thường được sử dụng cho dầm 12

Hình 3.6 Minh họa sự thay đổi của giá trị thuần sau khi chuẩn hóa 15

Hình 3.7 Các bước khoanh vùng chứa hư hỏng 17

Hình 3.8 Minh họa thành phần giá trị trong biểu đồ chuẩn hóa 18

Hình 3.9 Các trường hợp xét số điểm giao nằm trong vùng nghi vấn hư hỏng 21

Hình 3.10 Sơ đồ khối phương pháp chẩn đoán hư hỏng 23

Hình 3.11 Minh họa chẩn đoán trường hợp 1 24

Hình 3.12 Minh họa chẩn đoán trường hợp 2 26

Hình 3.13 Minh họa chẩn đoán trường hợp 3 26

Hình 3.14 Minh họa mô hình ma trận nhầm lẫn áp dụng cho nghiên cứu 28

Hình 3.15 Các bước mô phỏng kết cấu công trình bằng ANSYS 29

Hình 3.16 Phần tử khối bê tông SOLID65 30

Hình 3.17 Phần tử BEAM188 30

Hình 3.18 Mặt phá hoại của bê tông theo mô hình William và Warnke (1975) [45] 31

Hình 3.19 Mô hình ứng suất - biến dạng của cốt thép 32

Hình 3.20 Mô hình liên kết giữa bê tông và cốt thép 32

Hình 3.21 Phương pháp lặp Newton-Raphson 33

Hình 4.1 Mô tả đề bài bài toán dầm đơn giản phần tử thanh 36

Hình 4.2 Mô tả hư hỏng bài toán dầm đơn giản phần tử thanh 36

Hình 4.3 Khai báo Path điểm đặt tải và lực đơn vị 37

Hình 4.4 Khai báo trường hợp tải 37

Hình 4.5 Xuất bảng giá trị đường ảnh hưởng 38

Hình 4.6 Đường ảnh hưởng chuyển vị tại vị trí 1.1m của dầm ở các trạng thái ban đầu và có hư hỏng 38

Hình 4.7 Biểu đồ chỉ số RMSD (S01) 39

Hình 4.8 Biểu đồ chỉ số MAPD (S01) 39

Hình 4.9 Biểu đồ độ dốc chỉ số RMSD (S01) 40

Hình 4.10 Biểu đồ độ dốc chỉ số MAPD (S01) 40

Hình 4.11 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (S01) 41

Hình 4.12 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (S01) 42

Hình 4.13 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (S02) 44

Hình 4.14 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (S02) 44

Hình 4.15 Hệ thống ghi nhận dữ liệu Trần và cộng sự (2019) [3] 47

Hình 4.16 Thông số mô hình dầm thực nghiệm Trần và cộng sự (2019) [3] 47

Hình 4.17 Đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông Kent và Park (1971) [46] 48

Hình 4.18 Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu được dùng cho mô hình PTHH 49

Hình 4.19 Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của dầm bê tông cốt thép giữa mô phỏng và thí nghiệm 50

Hình 4.20 Quá trình tác dụng tải cho dầm bê tông cốt thép 51

Hình 4.22 Chiều dài vết nứt trường hợp hư hỏng giữa nhịp 52

Hình 4.23 Biểu đồ chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 53Hình 4.24 Biểu đồ độ lệch chuẩn của chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 54

Hình 4.25 Biểu đồ độ dốc RMSD và MAPD với trường hợp hư hỏng giữa nhịp 55

Hình 4.26 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (M11) 56

Hình 4.27 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (M11) 57

Hình 4.28 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (M12) 57

Hình 4.29 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (M12) 58

Hình 4.30 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (M13) 58

Hình 4.31 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (M13) 59

Hình 4.32 Chiều dài vết nứt trường hợp hư hỏng lệch nhịp 61

Hình 4.33 Biểu đồ độ lệch chuẩn của chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng lệch nhịp 62

Hình 4.34 Biểu đồ chỉ số thuần RMSD và MAPD của trường hợp hư hỏng lệch nhịp 63

Hình 4.35 Biểu đồ độ dốc RMSD và MAPD với trường hợp hư hỏng lệch nhịp 64

Hình 4.36 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (D11) 66

Hình 4.37 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (D11) 66

Hình 4.38 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (D02) 67

Hình 4.39 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (D02) 68

Hình 4.40 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số RMSD (D03) 68

Hình 4.41 Kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt dựa trên chỉ số MAPD (D03) 69

Hình 4.42 Biểu đồ độ dốc RMSD với kịch bản M13-E 71

Hình 4.43 Biểu đồ độ dốc MAPD với kịch bản M13-E 72

Hình 4.44 Biểu đồ độ dốc RMSD với kịch bản M13-E 72

Hình 4.45 Biểu đồ độ dốc MAPD với kịch bản D11-E 73

Hình 4.46 Kết quả chẩn đoán dầm thông qua chỉ số chuẩn hóa RMSD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản M13-E 73

Hình 4.47 Kết quả chẩn đoán dầm thông qua chỉ số chuẩn hóa MAPD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản M13-E 74

Hình 4.48 Kết quả chẩn đoán dầm thông qua chỉ số chuẩn hóa RMSD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản D11-E 74

Hình 4.49 Kết quả chẩn đoán dầm thông qua chỉ số chuẩn hóa MAPD (15 điểm lấy dữ liệu) với kịch bản D11-E 75

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Phân loại đánh giá chỉ số K [43] 27

Bảng 4.1 Tên tương ứng của các kịch bản hư hỏng 34

Bảng 4.2 Thông số hình học của dầm cho bài toán dầm đơn giản phần tử thanh 35

Bảng 4.3 Thông số về vật liệu 35

Bảng 4.4 Giá trị chuẩn hóa các chỉ số của kịch bản S01 41

Bảng 4.5 Đánh giá dựa trên chỉ số A, B, C của kịch bản S01 42

Bảng 4.6 Đánh giá dựa trên chỉ số K của kịch bản S01 43

Bảng 4.7 Đánh giá dựa trên chỉ số A, B, C và K của kịch bản S02 45

Bảng 4.8 Thông số hình học của dầm 46

Bảng 4.9 Thông số về vật liệu 47

Bảng 4.10 Các kiểu phần tử sử dụng trong mô phỏng 48

Bảng 4.11 Dữ liệu đường cong ứng suất − biến dạng của bê tông trong ANSYS 49

Bảng 4.12 Giá trị chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 52

Bảng 4.13 Giá trị chuẩn hóa RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng giữa nhịp 55

Bảng 4.14 Đánh giá dựa vào chỉ số A, B, C và K của trường hợp hư hỏng giữa nhịp 60

Bảng 4.15 Giá trị chỉ số thuần RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng lệch nhịp 61

Bảng 4.16 Giá trị chuẩn hóa RMSD và MAPD trường hợp hư hỏng lệch nhịp 64

Bảng 4.17 Đánh giá dựa vào chỉ số A, B, C và K của trường hợp hư hỏng lệch nhịp 69

Bảng 4.18 Kết quả chỉ số thuần và chỉ số chuẩn hóa trường hợp mở rộng 70

Bảng 4.19 Đánh giá dựa trên chỉ số A, B, C và K của trường hợp hư hỏng mở rộng 75

Bảng 4.20 So sánh chỉ số đánh giá trường hợp mở rộng 76

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DBI Displacement Based Index

nMSEDI Normalized Modal Strain Energy Indicator PSO Particle Swann Optimization

DANH MỤC KÍ HIỆU

B Độ chính xác vùng không nứt

Ec Mô-đun đàn hồi của bê tông

Es Mô-đun đàn hồi của thép

f’c Cường độ chịu nén của bê tông

ft Cường độ chịu kéo của bê tông

fy Giới hạn chảy dẻo của cốt thép IFi

j Tập hợp giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái chưa hư hỏng IFdj Tập hợp giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái đã hư hỏng

Lcrack Chiều dài vùng nứt thực tế

Lpred,in Chiều dài vùng nứt chẩn đoán nằm trong vùng nứt thực tế

Lpred,out Chiều dài vùng nứt chẩn đoán nằm ngoài vùng nứt thực tế

Lo,pred Chiều dài vùng không nứt chẩn đoán đã loại bỏ vùng nứt chẩn đoán nằm ngoài phạm vi vùng nứt thực tế

Lo,crack Chiều dài vùng không nứt thực tế N Tổng thành phần được xét đến

P Tỷ lệ đồng thuận ngẫu nhiên cho sự kiện “xảy ra” là có hư hỏng

Z Chỉ số chuẩn hóa của tập hợp giá trị chỉ số thuần

max(Zj) Giá lớn nhất của trị tuyệt đối chỉ số chuẩn hóa dương trong khoanh vùng hư hỏng

n Số lần đo chuyển vị tại điểm đang xét

u Giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái chưa hư hỏng

u Giá trị đường ảnh hưởng ở trạng thái đã hư hỏng

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Khoa học công nghệ trong ngành xây dựng đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ gần đây Một sự thật mà ta không thể phủ nhận là các tòa nhà cao tầng, cầu treo, sân vận động, nhà máy,… không ngừng được xây dựng với quy mô ngày càng lớn hơn Trong công cuộc phát triển kinh tế toàn cầu thì việc luân chuyển hàng hóa trở nên hiệu quả hơn nhờ ứng dụng khoa học công nghệ Một trong các loại công trình có công năng quan trọng trong việc vận hành hàng hóa trên khắp thế giới là dạng nhà kho phân loại phục vụ công tác logistics trong ngành quản lý chuỗi cung ứng Bằng chứng là rất nhiều kho bãi phục vụ cho các công tác này đang được xây dựng trên khắp thế giới Trong đó, phân loại hàng hóa đều đã được tự động hóa bằng robot nhằm giảm thiểu đối đa nhầm lẫn và việc vận chuyển trong nhà kho sẽ được thực hiện

bởi các xe nâng chuyên dụng (Hình 1.1) Hệ thống thiết bị này có đặc điểm là di

chuyển thường xuyên, chúng gây tác động đến các kết cấu của kho bãi khi giờ đây các cấu kiện như cột, dầm, sàn sẽ chịu tải trọng động ngoài các tĩnh tải thông thường Bảo trì liên tục các kết cấu của công trình là công tác thiết yếu để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của chúng

Hình 1.1 Xe nâng và robot trong kho bãi logistics (Nguồn: Internet)

Những công trình quy mô lớn cần có thời gian xây dựng lâu dài nên việc theo dõi, bảo trì liên tục các kết cấu của công trình là công tác thiết yếu Bởi không chỉ do các sai lệch trong quá trình thi công mà các yếu tố tự nhiên như gió, bão, động đất,… kèm các tác dụng động lực học khác cũng sẽ khiến cấu kiện không đạt chuẩn so với thiết kế Để đảm bảo chất lượng của các cấu kiện, chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) là một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này Việc này giúp nhận biết sớm các mối nguy hại trên kết cấu, tạo điều kiện

thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hư hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của công trình, giảm thiểu mọi hậu quả có thể phát sinh

Đánh giá phát hiện hư hỏng kết cấu dựa trên hai phương pháp chính là thí nghiệm phá hủy và thí nghiệm không phá hủy Phương pháp thí nghiệm phá hủy được hiểu là thực hiện kiểm tra chất lượng trực tiếp trên các mẫu thử cấu kiện theo nhiều tiêu chí khác nhau để tìm ra hư hỏng, điều này làm cho cấu kiện sau khi thí nghiệm sẽ bị phá hủy hoặc biến dạng Ngược lại, phương pháp thí nghiệm không phá hủy sẽ không làm ảnh hưởng đáng kể cho cấu kiện Phương pháp này có ưu điểm về tính linh hoạt và tiết kiệm chi phí nên ngày càng trở nên phổ biến Cùng với việc phát triển của máy móc, các thiết bị hiện đại có thể giúp ta theo dõi ứng xử của kết cấu với độ chính xác vẫn rất cao mà không cần trực tiếp ở công trình Khi cần đánh giá một kết cấu, chỉ cần có dữ liệu thu được từ các cảm biến dao động về tần số, gia tốc, chuyển vị, do đó có thể theo dõi để chẩn đoán kết cấu đang làm việc như thế nào trong điều kiện môi trường thực tế, giúp giải quyết nhanh chóng nếu phát sinh các tình huống bất lợi Trong nghiên cứu này, dầm bê tông cốt thép là đối tượng nghiên cứu chẩn đoán kết cấu thông qua dữ liệu đường ảnh hưởng (ĐAH) của chuyển vị Các chỉ số đánh giá được sử dụng trong nghiên cứu này không chỉ tập trung vào những thay đổi trong đường ảnh hưởng chuyển vị mà còn từ các chỉ số này phát triển phương pháp cải tiến nhằm xác định chiều dài vùng nứt, đồng nghĩa với đánh giá mức độ hư hỏng Đầu tiên, các chỉ số chẩn đoán sử dụng các đường ảnh hưởng chuyển vị làm dữ liệu đầu vào được khảo sát trong kịch bản dầm có hư hỏng giả định giữa nhịp Sau đó, vị trí cũng như mức độ được thay đổi để khảo sát sự hiệu quả của phương pháp trong việc

chẩn đoán hư hỏng Ngoài ra, bộ ba chỉ số A, B, C [1] và chỉ số K [2] cũng được tính

toán để đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đoán

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị Sau khi thu thập được dữ liệu ĐAH, các chỉ số đề xuất sẽ được phân tích và đánh giá sự xuất hiện và vị trí của hư hỏng Ngoài ra, luận văn còn cải tiến các chỉ số để xác định mức độ hư hỏng của kết cấu

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

Bài nghiên cứu được thực hiện qua các nội dung cụ thể sau:

- Mô phỏng kết cấu dầm đơn giản chịu tải trọng di động bằng phần mềm SAP2000

- Giả định các trường hợp hư hỏng của các mô hình SAP2000 bằng cách giảm độ cứng của một hoặc nhiều phần tử

- Áp dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị của từng trường hợp làm dữ liệu đầu vào để chẩn đoán các đặc trưng hư hỏng dựa trên các chỉ số

- Sử dụng phần mềm ANSYS mô phỏng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm của Trần và cộng sự (2019) [3]

- Gia tải cho dầm bê tông cốt thép để tìm được tải gây nứt dầm, so sánh với kết quả với thí nghiệm của Trần và cộng sự (2019) [3]

- Sau đó, gia tải tại các cấp tải khác nhau mục đích tạo ra những hư hỏng khác nhau theo cách tăng tải đến giá trị mong muốn và giảm tải về 0 Tiếp tục giữ nguyên trạng thái dầm để tiếp tục khảo sát

- Tại mỗi cấp tải, sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị cho từng trường hợp làm dữ liệu đầu vào để chẩn đoán các đặc trưng hư hỏng dựa trên các chỉ số

- Phân tích và đánh giá ưu nhược điểm các chỉ số

- Cải tiến các chỉ số để đưa ra kết quả chẩn đoán chính xác hơn - Đưa ra các kết luận và kiến nghị

Trong nghiên cứu này cấu kiện được mô phỏng là dầm đơn giản có gối tựa cách hai đầu dầm một khoảng bằng nhau Hư hỏng trên dầm được khảo sát và giới hạn trong vùng giữa hai gối tựa Nguyên nhân là do vùng này dễ bị hư hỏng hơn so với các đoạn tự do ở hai đầu dầm Đồng nghĩa, hư hỏng ở hai đoạn đầu dầm không được xét đến trong nghiên cứu này

1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu phổ biến trong ngành xây dựng, xuất hiện ở hầu hết các công trình lớn nhỏ Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện quan trọng, đảm bảo độ cứng và ổn định của toàn bộ công trình Hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu sử dụng đặc trưng động học của kết cấu để chẩn đoán sức khỏe kết cấu Nhằm mục đích mở rộng cũng như nâng cao phạm vi nghiên cứu trong lĩnh vực này, phương pháp được đề xuất chẩn đoán dựa trên đặc trưng tĩnh học, cụ thể là chuyển vị

Sử dụng dữ liệu đường ảnh hưởng của chuyển vị để đánh giá trạng thái của kết cấu là một cách hiệu quả vì thao tác đơn giản, đặc biệt là chi phí thấp Nghiên cứu này đề xuất phương pháp chẩn đoán hư hỏng thông qua đường ảnh hưởng của chuyển vị nhằm tập trung vào cấu kiện dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng di động

Phát triển nghiên cứu về dầm trong nhà kho chịu tải trọng di động là thiết thực bởi tầm quan trọng của chúng trong việc duy trì công năng của công trình Phát hiện hư hỏng của dầm bê tông cốt thép giúp ngăn chặn thiệt hại, góp phần vô hiệu hóa những mối nguy hiểm tiềm tàng bởi sự phức tạp của công nghệ khi kỹ thuật xây dựng càng ngày càng phát triển

Chương 2 TỔNG QUAN

Chẩn đoán sức khỏe kết cấu (structural health monitoring – SHM) là một công cụ quan trọng để đảm bảo rằng kết cấu hoạt động hiệu quả trong vòng đời thiết kế và có thể vượt ra ngoài tuổi thọ thiết kế Đã có nghiên cứu chỉ ra rằng chẩn đoán sức khỏe kết cấu được chú trọng từ nhiều năm trước và 20 năm gần đây số lượng nghiên cứu liên quan đã tăng lên đáng kể [4]

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Hai nhóm đối tượng nghiên cứu chính của SHM là ứng xử động học và ứng xử tĩnh học Về mặt nghiên cứu ứng xử động học, một số phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm dựa trên các đặc trưng dao động đã được nghiên cứu và phát triển hiện nay bao gồm: Phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số (frequency change - based damage detection method), dạng dao động (modal assurance criterion), độ cong dạng dao động (mode shape curvature - based damage detection method), độ cứng và tần số (stiffness, frequency change - based damage detection method), năng lượng biến dạng (modal strain energy - based damage detection method),…

Các ví dụ về nghiên cứu thông qua những phương pháp nêu trên như Adams và cộng sự [5] đã đánh giá tần số của dầm thông qua việc áp tải trọng động cho thí nghiệm ba điểm vào năm 1978 Một năm sau, Cawley và Adams [6] đã sử dụng tần số tự nhiên để dự đoán khuyết tật cho cấu kiện tấm nhôm phẳng Năm 1991, Pandey và cộng sự [7] nghiên cứu về độ cong dạng dao động trong dầm công-xôn, kết quả cho thấy sự thay đổi độ cong dạng dao động tỷ lệ thuận với mức độ hư hỏng của kết cấu Stubbs và cộng sự [8] trình bày một phương pháp dựa trên việc giảm năng lượng biến dạng của dạng dao động (từ kết quả đo dạng dao động) giữa hai mô hình kết cấu có nhiều bậc tự do vào năm 1995 Nghiên cứu này đã được ứng dụng thành công trong việc chẩn đoán hư hỏng trên kết cấu dầm của công trình cầu ở bang New Mexico, Hoa Kỳ Một năm sau, Stubbs và cộng sự [9] đã phát triển nghiên cứu khi xem xét tính khả thi của việc định vị hư hỏng bằng cách sử dụng kỹ thuật này khi không có các tham số dạng dao động cơ bản Một phương pháp dựa vào năng lượng biến dạng để xác định vị trí và ước tính mức độ hư hỏng trong kết cấu dầm với một vài tần số và dạng dao động được Kim và cộng sự [10] đề xuất năm 2003 Tiếp đó, Wang và Qiao [11] đã phát triển một phương pháp chẩn đoán vị trí và kích thước của vết nứt trên dầm vào năm 2008 Trong đó, mô hình cấu kiện dầm có vết nứt được phân tích động học để thu được dạng dao động, sau đó sự sai khác giữa dạng dao động ở trạng thái hư hỏng và trạng thái ban đầu được tính toán bằng phương pháp số

học Dầm sau đó được chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp mới dựa trên sự sai khác của dạng dao động do tác giả đề xuất Ba năm sau, Dixit và Hanagud [12] đã đề xuất một phương pháp đánh giá hư hỏng trong dầm có liên quan đến năng lượng biến dạng Trong đó, ngoài các thuộc tính dao động (tần số, dạng dao động) tác giả đã xét đến các đặc tính vật lý của kết cấu khi xảy ra hư hỏng như sự suy giảm độ cứng và khối lượng vào phương pháp Sau đó, Cha và Buyukozturk [13] đã kiến nghị một phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu hỗn hợp dựa vào sự thay đổi của năng lượng biến dạng trong kết cấu vào năm 2015 Phương pháp được triển khai áp dụng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu khung không gian bằng thép Phương pháp có khả năng chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu khi mới bắt đầu xuất hiện với mức độ hư hỏng còn nhỏ Năm 2019, Khatir và cộng sự [14] trình bày bài toán chẩn đoán vị trí và mức độ hư hỏng qua hai bước cho kết cấu dầm Tác giả đưa ra phương pháp chẩn đoán vị trí hư hỏng dựa vào chỉ tiêu đánh giá hư hỏng có tên normalized modal strain energy indicator (nMSEDI) Bước tiếp theo, tác giả sử dụng thuật toán teaching - learning based optimization algorithm (TLBO) để chẩn đoán mức độ hư hỏng với hàm mục tiêu xây dựng trên chỉ số nMSEDI Đồng thời, tác giả còn đánh giá thuật toán TLBO với hai thuật toán khác là particle swarn optimization (PSO) và bat algorithm (BA) Kết quả cho thấy thuật toán TLBO cho kết quả chính xác hơn hai thuật toán còn lại với hàm mục tiêu nMSEDI Vào năm 2022, Feng và Liang [15] đã phát triển công nghệ dựa trên hiệu ứng áp điện để chẩn đoán sức khỏe kết cấu Vẫn trong năm đó, nhóm nghiên cứu Li và cộng sự [16] đã giới thiệu phương án tích hợp hệ thống cảm biến sợi quang, cảm biến điện áp, định vị toàn cầu để chẩn đoán sức khỏe kết cấu cầu Zhijiang (Hangzhou, Trung Quốc)

Bên cạnh các đặc trưng về động học của kết cấu, các đặc trưng tĩnh học cũng có thể thu được chính xác và nhanh chóng từ những công cụ hỗ trợ ít tốn kém về chi phí Các phương pháp phát hiện ra sự hư hại dựa trên thông số tĩnh đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong những năm qua Từ năm 1982, Sheena và cộng sự [17] giới thiệu phương pháp phân tích dựa vào việc giảm độ lệch giữa thực tế và đối tượng phân tích ma trận độ cứng để đo được chuyển vị giảm xuống Năm 1991, Sanayei và Onipede [18] đã đề xuất một phương pháp chính xác để tính các thông số của phần tử kết cấu từ các dữ liệu thí nghiệm tĩnh, ví dụ như việc áp dụng tải tĩnh và đo chuyển vị Sau hai năm, Banan và cộng sự [19] đã đề nghị một phương pháp dựa vào việc xác định các thông số hư hại của mỗi phần tử từ chuyển vị do tải trọng tĩnh xác định trước Năm 2001, Wang và cộng sự [20] đề xuất thuật toán hai bước để nhận biết kết cấu bị hư hỏng dựa vào sự chênh lệch giữa tần số tự nhiên và chuyển vị tĩnh Sau đó, Bakhtiari Nejad và cộng sự [21] đã giới thiệu một phương

pháp mô tả sự thay đổi của chuyển vị tĩnh với bậc tự do định trước bằng cách giảm thiểu sự chênh lệch giữa véc-tơ tải của kết cấu có phá hoại và không phá hoại vào năm 2005 Abdo [22] đã thí nghiệm khảo sát các thông số bằng cách sử dụng độ cong đường chuyển vị để xác định vị trí hư hỏng vào năm 2012, kết quả cho thấy rằng sự thay đổi của độ cong đường chuyển vị có thể được sử dụng là một chỉ số hữu hiệu, thậm chí có khả năng chỉ ra vị trí của phần tử bị giảm một lượng nhỏ độ cứng Năm 2016, Das và cộng sự [23] đã hệ thống lại kỹ thuật liên quan tới sự biến đổi dựa vào sự rung động (Vibration-based damage detection techniques) Schommer và cộng sự [24] thực hiện phân tích chuyển vị của dầm bê tông cốt thép kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ để chẩn đoán sức khỏe kết cấu vào năm 2017 Cùng năm, Ha và Fukada [25] đã giới thiệu chỉ số Displacement-based Index (DBI) như là một phương pháp để xác định hư hỏng sử dụng sự thay đổi hình dạng chuyển vị để phát hiện hư hỏng kết cấu của mô hình dầm bê tông ứng suất trước Tuy nhiên, DBI chỉ sử dụng dữ liệu đầu vào có được từ tải trọng tĩnh và không xét đến tải trọng di động Won và cộng sự (2019) [26] thực hiện giám sát chuyển vị bằng máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear Variable Differential Transformer - LVDT) để đánh giá hư hỏng dầm Vẫn trong năm 2019, Ono và cộng sự [27] đã nghiên cứu phân tích phương pháp phát hiện hư hỏng cho bản dầm thép cầu giao thông bằng đường ảnh hưởng của chuyển vị Cũng trong năm này, đường ảnh hưởng của chuyển vị tiếp tục được Maki và cộng sự [28] nghiên cứu để đánh giá sự suy giảm độ cứng của dầm cầu thép ở khu vực miền núi Nghiên cứu đưa ra được kết luận về vị trí xuất hiện hư hỏng, và đánh giá độ cứng tổng thể của dầm Vào năm 2021, Zhang và cộng sự [29] đã công bố phương pháp giám sát chuyển vị kết cấu dựa trên vùng nhận dạng kết hợp hệ thống mạng nơ-ron Gần đây trong năm 2023, Shokravi và cộng sự [30] đã công bố phương pháp chẩn đoán hư hỏng của dầm cầu bê tông cốt thép thông qua việc đo lường biến dạng bằng thiết bị laser không dây được gắn trên xe chạy dọc cầu

Tóm lại, lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu đã một lịch sử lâu dài và đến nay các nghiên cứu vẫn đang phát triển bởi tầm quan trọng của việc phòng chống hư hại ngày càng được ưu tiên

2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Áp dụng các thông số động học và tĩnh học trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu đã được nghiên cứu trong nhiều năm Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về các thông số động lực học đã được công bố và đăng trên các tạp chí và hội nghị khoa học ở Việt Nam như sau:

Năm 2012, Hồ và cộng sự [31] đã nghiên cứu dự đoán lực căng trước của bê tông ứng suất trước bằng đặc trưng dao động và phương pháp đồng nhất Phương pháp sử dụng trở kháng để dò tìm hư hỏng trên dầm cũng được Nguyễn và cộng sự [32] thực hiện và cho kết quả thực nghiệm trên dầm nhôm công-xôn một năm sau đó Năm 2018, Hồ và cộng sự [33] trình bày phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu dầm với các điều kiện biên khác nhau, sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng được kiến nghị và áp dụng thành công cho bài toán dầm đơn giản và bài toán dầm công-xôn Kết quả phân tích cho thấy, phương pháp chẩn đoán đề xuất có khả năng chẩn đoán chính xác vị trí hư hỏng trong dầm, đặc biệt khi sử dụng dạng dao động thích hợp Hai năm sau, Cao và cộng sự [34] đề xuất một phương pháp chẩn đoán hư hỏng về cả vị trí và mức độ của hư hỏng cho kết cấu tấm thông qua quy trình chẩn đoán hai bước Trong bước thứ nhất, chỉ tiêu dựa vào sự thay đổi của năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy Damage Index – MSEDI) được sử dụng để chẩn đoán vị trí của hư hỏng Trong bước thứ hai, thuật toán di truyền được sử dụng để cực tiểu hóa hàm mục tiêu với biến số là véc-tơ mức độ suy giảm chiều dày của các phần tử có khả năng xảy ra hư hỏng đã được cảnh báo từ bước thứ nhất Tính hiệu quả của phương pháp đề xuất được khảo sát và đánh giá thông qua bài toán tấm với các kịch bản hư hỏng khác nhau Tiếp tục trong năm đó, Cao và cộng sự [35] đã phát triển phương pháp năng lượng biến dạng để chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm

Bên cạnh những nghiên cứu trên ứng xử động học của kết cấu một số nghiên cứu sử dụng ứng xử tĩnh học của kết cấu được phát triển Năm 2011, Trần và cộng sự [36] trình bày các kết quả kiểm tra thực nghiệm để khẳng định phương pháp xác định vị trí, độ sâu vết nứt của dầm có một hoặc nhiều vết nứt bằng phân tích wavelet các chuyển vị tĩnh hoàn toàn có thể dùng trong thực tế Các kết quả nghiên cứu nhận được là cơ sở cho việc xây dựng một phương pháp đơn giản và hiệu quả để xác định vết nứt trong các kết cấu hệ thanh Năm 2021, Nguyễn [37] đã thực hiện nghiên cứu đánh giá sự xuống cấp của dầm bê tông cốt thép sử dụng phương pháp đường chuyển vị

Có thể nói các nghiên cứu về chẩn đoán sức khỏe kết cấu cũng được chú trọng tại Việt Nam Nhưng tổng quan lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu vẫn cần phải phát triển hơn nữa bởi sự quan tâm chỉ đáng kể trong 10 năm gần đây

2.3 Tổng kết

Hiện nay, một số phương pháp giám sát và chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu dầm bê tông cốt thép đã được nghiên cứu và phát triển Các phương pháp chẩn đoán thường sử dụng với dầm được mô phỏng bằng các phần tử thanh và gắn với một vật liệu đồng chất cụ thể: bê tông hoặc thép Nhưng trong thực tế kết cấu dầm bê tông

cốt thép luôn thể hiện tác động qua lại giữa bê tông và cốt thép, mối quan hệ giữa hai loại vật liệu sẽ gây ra những sai lệch nhất định cho các phương pháp chẩn đoán và dự báo hư hỏng Do đó ngoài việc đánh giá, xem xét lại tính hiệu quả của phương pháp chẩn đoán trên dầm đơn giản được mô phỏng bằng phần tử thanh trong không gian phần tử thanh thì ta cần đánh giá thêm hiệu quả của phương pháp này khi áp dụng lên phần tử dầm được mô phỏng bằng phần tử khối trong không gian phần tử khối

Từ những tổng kết nêu trên về tình hình nghiên cứu, học viên thực hiện nghiên cứu, kiến nghị phương pháp xác định vị trí cùng với bề rộng vùng nứt xảy ra trong kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng dữ liệu đầu vào là đường ảnh hưởng của đường chuyển vị Thực tế, một số nghiên cứu về chẩn đoán sức khỏe kết cấu sử dụng đối tượng là đường ảnh hưởng của chuyển vị, điển hình như Ono và cộng sự [27], Maki và cộng sự [28] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào đưa ra phương pháp xác định mức độ hư hỏng, cụ thể là kích thước vùng hư hỏng

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong khuôn khổ nghiên cứu này, vùng nứt dầm bê tông cốt thép được mô phỏng thông qua việc giảm độ cứng cục bộ khi phân tích bằng phần mềm SAP2000 (đối với dầm đồng chất) và gia tải tạo vùng nứt bằng phần mềm ANSYS (đối dầm bê tông cốt thép) Trong thực tế, phương pháp đánh giá bằng đường ảnh hưởng của chuyển vị được thu nhập dữ liệu từ các cảm biến, thông thường thiết bị được sử dụng là chuyển

vị kế Sau khi tiến hành đo đạc và thu thập dữ liệu đường ảnh hưởng, chỉ số RMSD và MAPD được tính toán rồi cải tiến, để áp dụng cho phương pháp chẩn đoán đề xuất

Các bước trong phương pháp được mô tả sơ bộ trong Hình 3.1 Cuối cùng, độ chính

xác của phương pháp chẩn đoán hư hỏng đề xuất được đánh giá dựa trên các chỉ số đánh giá khác nhau đã được giới thiệu từ các nghiên cứu trước

Hình 3.1 Minh họa sơ bộ phương pháp chẩn đoán

3.1 Giới thiệu phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị 3.1.1 Định nghĩa

Đường biểu thị các giá trị của một đại lượng bất kỳ (phản lực, mô-men, lực cắt, lực dọc hoặc chuyển vị) tại một vị trí nào đó khi một tải trọng tập trung bằng đơn vị có phương và chiều không đổi di chuyển trên kết cấu gọi là đường ảnh hưởng Nghiên cứu này sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị để làm dữ liệu đầu vào cho việc

khảo sát vùng nứt trong cấu kiện Hình 3.3 miêu tả chiều chuyển động, tọa độ điểm

đặt lực và hình dạng đường ảnh hưởng của chuyển vị tại trung điểm của dầm được sử dụng trong nghiên cứu này

Chuyển vị nút tại điểm jcủa dầm chịu tải trọng di động Pkdịch chuyển theo tọa độ x của dầm ở trạng thái ban đầu và trạng thái hư hỏng lần lượt được cho bởi k

phương trình sau:

11221( )(1)

IFij =[ ,x ukijk] [( ,= x uij ),( ,x uij ), ,(xn+,uij n+ )] (3.1)

IFdj =[ ,x ukdjk] [( ,= x udj ),( ,x udj ), ,(xn+,udj n+ )] (3.2) Trong đó:

• uijk( ,j k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái ban đầu; 1 n 1)

uj k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái hư hỏng n

Hình 3.2 Minh họa dầm đơn giản và vị trí đo đạc

Hình 3.3 Minh hoạ đường ảnh hưởng của chuyển vị tại vị trí trung điểm của dầm

3.1.2 Công tác lấy dữ liệu

Để đo chuyển vị trong dầm bê tông cốt thép, cần xác định yêu cầu về phương đo, hình dạng và vị trí của cấu kiện cần đo Phương pháp đo chuyển vị sẽ được lựa chọn theo hướng thẳng đứng hoặc theo hướng góc nghiêng Máy do chuyển vị căn bản

được chia ra làm 2 loại: đo bằng cảm biến và đo bằng laser Hình 3.4, Hình 3.5 mô

tả các thiết bị do chuyển vị thông dụng

(a) Thiết bị do thông dụng (General displacement transducer)

(b) Thiết bị do với độ nhạy cao (High sensitive displacement transducer)

Hình 3.4 Thiết bị đo chuyển vị bằng cảm biến thường được sử dụng cho dầm

(Nguồn: Tokyo Measuring Instruments Laboratory Co., Ltd.)

Hình 3.5 Thiết bị đo chuyển vị bằng laser thường được sử dụng cho dầm

(Nguồn: Keyence Corporation)

Khi vẽ đường ảnh hưởng, cần tuân thủ những quy ước sau:

• Lựa chọn đường chuẩn vuông góc với hướng của lực tác động hoặc chọn đường song song với trục của các thanh;

• Các tung độ phải được vẽ vuông góc với đường chuẩn; • Trục tung độ dương dựng theo chiều của lực di dộng

Tuy nhiên, trong nghiên cứu này đường ảnh hưởng được lấy bằng cách trích xuất giá trị đường ảnh hưởng thông qua các phần mềm PTHH gồm SAP2000 và ANSYS

3.2 Các chỉ số dùng để chẩn đoán hư hỏng

Nghiên cứu này tập trung xem xét sự khác biệt giữa các giá trị chuyển vị trong kết cấu do hư hỏng Trong đó, các giá trị chuyển vị này được xét điều kiện lý tưởng, mà không tính đến tác động của môi trường, kỹ năng làm thí nghiệm và sai số thiết bị

Hư hỏng của kết cấu được chẩn đoán sử dụng dữ liệu đầu vào là đường ảnh hưởng của chuyển vị thông qua việc phân tích sự thay đổi của các chỉ số Ba chỉ số chẩn

đoán được sử dụng là RMSD (Root Mean Square Deviation), MAPD (Mean Absolute

Percentage Deviation) và chỉ số chuẩn hóa ( Xj

Z )

3.2.1 Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation)

Root Mean Square Deviation (RMSD) là một chỉ số thống kê được sử dụng để

đánh giá sự khác biệt giữa các giá trị dữ liệu và giá trị dự đoán Nó được tính bằng cách lấy căn bậc hai của trung bình bình phương độ lệch giữa các giá trị dữ liệu và

giá trị dự đoán Chỉ số RMSD từ lâu đã được sử dụng phổ biến trong nhiều nghiên

cứu để đánh giá sự hư hỏng trong nhiều loại kết cấu khác nhau Sun và cộng sự (1995)

[38] sử dụng RMSD giữa giá trị hai giai đoạn trước và sau khi hư hỏng xảy ra để đánh

giá sự hư hỏng trong kết cấu hệ giàn thép Liang và cộng sự (2016) [39] đã sử dụng

chỉ số RMSD đánh giá hư hỏng trượt giữa bê tông và thép trong kết cấu bê tông thép liên hợp Trong nghiên cứu này, chỉ số RSMD được tính toán từ đường ảnh hưởng

của chuyển vị tại một điểm đo được từ trước và sau khi xảy ra hư hỏng:

uj k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái hư hỏng; n

• n: số lần đo chuyển vị tại điểm đang xét;

3.2.2 Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation)

Giurgiutiui và cộng sự (2002) [40] đã sử dụng một phương pháp thống kê chỉ số

hư hỏng là trị tuyệt đối tỷ lệ độ lệch trung bình MAPD để đánh giá sự hư hỏng trong tấm tròn nhôm Tiếp đó năm 2017, Li và cộng sự [16] đã sử dụng chỉ số MAPD để

đánh giá sự hư hỏng tách lớp khi sử dụng vật liệu FRP thay cho cốt thép trong kết

cấu bê tông cốt thép Trong nghiên cứu này, chỉ số MAPD giữa hai giá trị ĐAH

chuyển vị trước và sau hư hỏng được xác định như sau:

uj k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái ban đầu; n

• udjk( ,j k = → + : chuyển vị nút của dầm trạng thái hư hỏng; 1 n 1)

• n: số lần do chuyển vị tại điểm đang xét;

3.2.3 Chỉ số chuẩn hóa XjZ

Bên cạnh các chỉ số trên, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới dựa trên các giá trị chuẩn hóa để xác định bề rộng của vùng nứt (mức độ hư hỏng) Cụ thể,

nghiên cứu sử dụng giá trị chuẩn hóa từ các giá trị ban đầu của chỉ số RMSD và

MAPD (giá trị chỉ số thuần) để thể hiện ở biểu đồ chẩn đoán và kết hợp với đường

ngưỡng hư hỏng để tìm ra bề rộng vùng hư hỏng Giả thuyết xem toàn bộ các giá trị thuần của từng chỉ số là tập hợp X như các giá trị ngẫu nhiên với phân phối chuẩn, ta có:

[ ][ ]

Trong đó:

• Xj(j = → + : giá trị từng phần tử của tập hợp1 n 1) X ; • [Xj]: giá trị trung bình của tập hợpX;

Hình 3.6 Minh họa sự thay đổi của giá trị thuần sau khi chuẩn hóa

3.3 Xác định mức độ hư hỏng

Như đã nói trước đó, việc xuất hiện hư hỏng sẽ làm nên sự khác biệt trong giá trị ĐAH của dầm ở hai trạng thái Để xác định mức độ hư hỏng của cấu kiện, học viên khảo sát sự thay đổi của các chỉ số chuẩn hóa dựa trên biểu đồ sử dụng chỉ số chuẩn hóa và đường ngưỡng hư hỏng Trong nghiên cứu này, bề rộng của vùng nứt được hiểu là mức độ hư hỏng của cấu kiện Bề rộng này được xác định bởi hai điểm mà ở đó biểu đồ chỉ số chuẩn hóa sẽ giao với đường ngưỡng hư hỏng

3.3.1 Khoanh vùng hư hỏng

Vị trí có hư hỏng được xác định bởi biểu đồ chỉ số thuần của RMSD và MAPD ở

vị trí thể hiện chỉ số lớn nhất Tuy vậy, biểu đồ chỉ số thuần chưa thể hiện được kích thước của vùng hư hỏng Để xác định bề rộng của vùng hư hỏng, phương pháp đưa ra bước khoanh vùng hư hỏng để chọn lọc ra khu vực nghi vấn Việc này nhằm giảm thiểu dữ liệu không liên quan (khu vực không hư hỏng do nằm xa điểm đạt chỉ số thuần lớn nhất) và tập trung vào những phát hiện quan trọng (khu vực có hư hỏng nằm gần điểm đạt chỉ số thuần lớn nhất)

Khoanh vùng nghi vấn có hư hỏng được giới hạn bởi điểm khoanh vùng trước (KVT) và điểm khoanh vùng sau (KVS) Thứ tự trước sau của hai điểm phụ thuộc vào chiều chuyển động của lực đơn vị ĐAH ở hai trạng thái có sự thay đổi đáng kể tại vị trí xuất hiện hư hỏng, điều này dẫn đến sự thay đổi đột ngột của các chỉ số thuần KVT và KVS của vùng nghi vấn có hư hỏng được xác định dựa trên sự thay đổi đột ngột này Sự thay đổi vượt bậc của chỉ số thuần được đánh giá dựa trên độ dốc giữa các cột chỉ số liền kề, thể hiện theo công thức (3.6):

1, 1

iii i

Trong đó:

• Xi, Xi+1: lần lượt là giá trị chỉ số thuần tại vị trí lấy điểm dữ liệu thứ i và

i+1;

• Δx: khoảng cách giữa hai vị trí lấy điểm dữ liệu (Hình 3.7(a))

Hình 3.7 Các bước khoanh vùng chứa hư hỏng

Nhắc lại, vùng nứt được chẩn đoán là vùng nứt nằm ở mặt dưới của dầm do điểm dữ liệu đường ảnh hưởng được lấy tại đây Vùng chứa ranh giới của phần hư hỏng và

không hư hỏng sẽ xuất hiện giá trị độ dốc chỉ số thuần lớn nhất (Hình 3.7(c,d)) Điểm

KVT và KVS được chọn sơ bộ thuộc hai đoạn độ đốc lớn nhất khi so sánh giá trị độ dốc của các đoạn dầm còn lại Thêm vào đó, việc xác định điểm KVT và KVS không chỉ dựa trên đoạn có độ dốc lớn nhất mà còn kể đến độ dốc của các đoạn liền trước KVT và liền sau KVS Nếu độ dốc của các đoạn liền kề này lớn hơn 1/3 giá trị độ dốc lớn nhất thì đoạn đấy được tính thuộc khoanh vùng chứa hư hỏng Nếu độ dốc của các đoạn lân cận không đáp ứng được điều kiện trên, thì KVT và KVS sẽ được xác định chính là hai đoạn có độ dốc lớn nhất đã xét

3.3.2 Biểu đồ chuẩn hóa

Sau khi xác định chỉ số chuẩn hóa (mục 3.2.3), phương pháp đề xuất đưa ra biểu

đồ chuẩn hóa từ các giá trị trên Biểu đồ chuẩn hóa không chỉ thể hiện sự trực quan giá trị chuẩn hóa mà còn giúp đánh giá được xu hướng biến đổi của dữ liệu Từ đây, phương pháp xác định mức độ hư hỏng được đề xuất thực hiện thông qua biểu đồ

chuẩn hóa chỉ số RMSD và MAPD Điểm giá trị chỉ số chuẩn hóa nối với nhau tạo

thành những đường liền mạch Tiếp theo, phần giá trị tuyệt đối được xác định bằng

cách lấy đối xứng các phần đoạn mang giá trị âm qua trục tung Theo Hình 3.8, phần

âm của giá trị chuẩn hóa thuộc đoạn AB và CD, phần dương của giá trị chuẩn hóa thuộc đoạn BC, phần trị tuyệt đối của giá trị chuẩn hóa thuộc đoạn A'BCD'

Hình 3.8 Minh họa thành phần giá trị trong biểu đồ chuẩn hóa

3.3.3 Ngưỡng hư hỏng đề xuất

Ngưỡng hư hỏng là đường chuẩn song song với trục hoành dùng để xác định bề rộng vùng nứt nhằm loại bỏ đi vùng bị nhiễu để hạn chế những sai sót khi chẩn đoán vị trí vùng nứt trong dầm bê tông cốt thép

Trước đó, các nghiên cứu về SHM đã sử dụng ngưỡng hư hỏng để xác định hư hỏng có thể kể đến như Hồ và cộng sự (2018) [33] trong việc phát triển phương pháp năng lượng biến dạng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm với các điều kiện biên khác nhau, nghiên cứu của Nguyễn (2021) [41] thực hiện xác định trạng thái hư hỏng của khung bê tông cốt thép dựa vào kết quả phân tích dao động hoặc Trần (2021) [42] khi chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng phương pháp độ cong đường biến dạng

Trong nghiên cứu này xét từng trường hợp RMSD hoặc MAPD, ngưỡng hư hỏng

được đề xuất là hiệu của giá trị chuẩn hóa lớn nhất và độ lệch chuẩn của giá trị chuẩn hóa dương trong khoanh vùng chứa hư hỏng (công thức (3.7)), cả hai giá trị này đều

được lấy trong đoạn BC theo Hình 3.8 Ngưỡng hư hỏng dùng để xác định vị trí cắt

với biểu đồ chuẩn hóa đã vẽ, từ đó kết luận cho bề rộng vùng nứt

Ngưỡng hư hỏng lúc này được thể hiện là đường thẳng song song với trục hoành

có tung độ Zo Biểu đồ chuẩn hóa được vẽ sau khi xác định giá trị chuẩn hóa của từng

chỉ số RMSD và MAPD (mục 3.3.2) Từ đây, biểu đồ kết hợp giữa biểu đồ chuẩn hóa

và ngưỡng hư hỏng được gọi là biểu đồ chẩn đoán

Dựa vào số điểm giao của đường ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đoán nằm trong vùng nghi vấn có hư hỏng, chiều dài đoạn dầm giả định hư hỏng

được xác định theo bốn trường hợp sau Với trường hợp Hình 3.9(a), giao điểm của

ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đoán nằm ngoài vùng nghi vấn hư hỏng, chiều dài đoạn dầm hư hỏng là khoảng cách giữa hai điểm KVT (điểm T) và KVS

(điểm S) Với trường hợp chỉ có một điểm giao nằm trong vùng nghi vấn (Hình 3.9(b)), chiều dài đoạn dầm hư hỏng là khoảng cách giữa điểm giao nằm trong vùng

nghi vấn (điểm H) và giao điểm (điểm S) giữa đường ngưỡng hư hỏng và đường khoanh vùng (KVT hoặc KVS) gần nhất với điểm giao còn lại của đường ngưỡng hư

hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đoán nằm ngoài vùng nghi vấn (điểm K) Với trường

hợp có hai điểm giao nằm trong vùng nghi vấn (Hình 3.9(c)), chiều dài đoạn dầm hư

hỏng là khoảng cách giữa 2 giao điểm của đường ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn

hóa chẩn đoán (điểm H và K) Với trường hợp Hình 3.9(d), khi số giao điểm nhiều

hơn 2, chiều dài đoạn dầm hư hỏng được xét bởi 2 điểm giao giữa đường ngưỡng hư hỏng và đường chuẩn hóa chẩn đoán có khoảng cách xa nhất

Hình 3.9 Các trường hợp xét số điểm giao nằm trong vùng nghi vấn hư hỏng

3.4 Quy trình chẩn đoán

Như đã nói ở trên, mục tiêu của phương pháp đánh giá hư hỏng là xác định được sự hư hỏng đã xảy ra, vị trí và mức độ hư hỏng Quy trình đánh giá trạng thái hư hỏng của dầm được thực hiện theo từng bước đáp ứng được các yêu cầu trên

Đầu tiên, việc xác định dầm có bị hư hỏng hay không sẽ được nhận biết thông qua điều kiện về độ lệch chuẩn của giá trị chỉ số thuần Độ lệch chuẩn (standard deviation) là một khái niệm trong thống kê dùng để đo độ biến động của dữ liệu trong một mẫu hoặc một tập hợp Nó cho biết sự phân tán của các giá trị xung quanh giá trị trung bình Độ lệch chuẩn là căn bậc hai của phương sai (variance) Độ lệch chuẩn của các chỉ số thuần được xác định theo công thức:

• [Xj]: độ lệch chuẩn của tập hợp chỉ số thuần X;

• [Xj]: giá trị trung bình của tập hợp chỉ số thuần X; • n: số lần đo chuyển vị tại điểm đang xét

Trong phương pháp này, giá trị độ lệch chuẩn của các chỉ số thuần ban đầu khi xuất hiện hư hỏng (vết nứt tồn tại) được sử dụng làm ngưỡng để xác định sự tồn tại của hư hỏng Tại mỗi thời điểm khảo sát, nếu độ lệch chuẩn của chỉ số thuần nhỏ hơn độ lệch chuẩn ban đầu khi vết nứt xuất hiện, kết luận là dầm không bị hư hỏng Ngoài

ra, biểu đồ chỉ số thuần RMSD còn thể hiện sự thay đổi chiều của đỉnh chóp trước và

sau khi có vết nứt Cụ thể, hai biểu đồ này mô tả sự chuyển đổi từ hình dạng lõm sang lồi của đỉnh chóp

Sau khi đã xác định sự tồn tại của hư hỏng, bước tiếp theo là việc tìm ra vị trí hư

hỏng trong dầm như Hình 3.10 đề cập Khi này vị trí do đạc cho kết quả chỉ số thuần

cao nhất được hiểu là hư hỏng nằm ở khu vực này Nhưng để biết được chính xác mức độ hư hỏng tại vị trí này hay cụ thể là bề rộng của vùng nứt trong trường hợp này, nghiên cứu tiếp tục phát triển bằng phương pháp vẽ biểu đồ chẩn đoán bao gồm

thành phần khoanh vùng hư hỏng (mục 3.3.1), biểu đồ chuẩn hóa (mục 3.3.2) và ngưỡng hư hỏng (mục 3.3.3) Quy trình chẩn đoán thể hiện trong sơ đồ sau:

Hình 3.10 Sơ đồ khối phương pháp chẩn đoán hư hỏng

3.5 Phương pháp đánh giá độ chính xác của chẩn đoán

Trong nghiên cứu này, hai phân loại chỉ số nhằm đánh giá độ chính xác của

phương pháp gồm bộ chỉ số A, B, C đã được Trần [42] sử dụng vào năm 2021 và chỉ số K (Cohen's Kappa Coefficient) do chính tác giả đề xuất dựa trên lí thuyết của

Cohen (1960) [2] Sau khi đã xác định được bề rộng vùng nứt chẩn đoán (mục 3.3),

thực hiện so sánh tương quan với bề rộng vùng nứt thực tế Đối với dầm đồng chất bề rộng này là tổng chiều dài các phần tử được giảm độ cứng trong mô hình SAP2000, đối với dầm bê tông cốt thép là tổng chiều dài theo phương dọc dầm của các phần tử khối được xác định xuất hiện vết nứt trong mô hình ANSYS

3.5.1 Chỉ số A, B, C

Trong thực tế, vùng hư hỏng của dầm là không xác định Trong nghiên cứu này, để đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đoán, bề rộng vùng hư hỏng (vùng suy giảm độ cứng từ mô phỏng SAP2000 và vùng nứt thực tế từ mô phỏng ANSYS) được tính toán để so sánh với bề rộng vùng hư hỏng được chẩn đoán bằng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị, từ đó đánh giá độ chính xác của phương pháp

thông qua giá trị ngưỡng hư hỏng Zo và 3 chỉ số đánh giá A, B, C sẽ được đề xuất

nhằm đánh giá một cách toàn diện và phù hợp hơn đối với công tác chẩn đoán dầm bê tông cốt thép trong thực tế

Chỉ số A, B, C lần lượt là độ chính xác vùng hư hỏng, độ chính xác vùng không

hư hỏng và độ chính xác được định nghĩa như sau:

Độ chính xác vùng hư hỏng: A là tỉ số giữa chiều dài vùng hư hỏng chẩn đoán

nằm trong vùng hư hỏng thực tế với chiều dài vùng hư hỏng thực tế Trong đó, vùng

hư hỏng chẩn đoán là hình chiếu lên trục dầm của phần biểu đồ có Zj > Zo Chỉ số này nhằm đánh giá độ chính xác của phương pháp trong việc xác định phạm vi xuất hiện vùng hư hỏng trong dầm

Độ chính xác vùng không hư hỏng: Các nghiên cứu trước đây, thường tập trung

vào việc đánh giá độ chính xác chẩn đoán cho vùng có xuất hiện vết nứt Tuy nhiên, phạm vi vùng nứt là không giống nhau trong các trường hợp gia tải khác nhau Điều này dẫn đến việc sử dụng một chỉ số chẩn đoán cho riêng vùng nứt không phản ánh được độ chính xác phương pháp cho toàn bộ chiều dài dầm Vì vậy, ngoài việc đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đoán cho vùng nứt, cần phải đánh giá cho cả

vùng không nứt và toàn bộ chiều dài dầm Độ chính xác cho vùng không nứt: B là tỉ

số giữa chiều dài vùng không nứt chẩn đoán với chiều dài vùng không nứt thực tế

Độ chính xác tổng thể: Hai chỉ số độ chính xác của phương pháp chẩn đoán cho

vùng nứt và vùng không nứt vẫn chưa đánh giá được độ chính xác của phương pháp khi tải trọng thay đổi (vùng nứt thay đổi), do các chỉ số này phụ thuộc vào độ lớn của vùng nứt ở mỗi cấp tải Vì vậy, cần một chỉ số đánh giá chung cho tổng thể toàn bộ

chiều dài dầm Độ chính xác tổng thể C được đề xuất với ý nghĩa bằng tổng độ chính

xác chẩn đoán vùng nứt và vùng không nứt nhân với trọng số của mỗi vùng Trọng số của mỗi vùng (nứt, không nứt) là tỉ số giữa chiều dài vùng nứt hoặc không nứt thực

tế với chiều dài toàn bộ dầm, công thức Sau đây là các trường hợp đánh giá chỉ số A,

B, C ứng với các vị trí khả thi của bề rộng vùng nứt chẩn đoán

a Trường hợp 1: Một phần vùng nứt chẩn đoán nằm trong vùng nứt thực tế

Hình 3.11 Minh họa chẩn đoán trường hợp 1