Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng các đặc trưng dao động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồ Thu Hiền

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

1 Chủ tịch hội đồng : PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn

3 Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Bá Khánh 4 Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Duy Liêm

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

Họ và tên học viên: NGUYỄN NGỌC ĐĂNG MSHV: 190170 Ngày/tháng/năm sinh: 26/10/1996 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: KT Xây Dựng Công trình Giao thông Mã số: 8580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

Chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng

các đặc trưng dao động

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu các đặc trưng về dao động của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng các đặc trưng dao động

2 Mô phỏng dầm bê tông cốt thép bằng phần mềm ANSYS So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm và lý thuyết Từ đó, đánh giá độ tin cậy của phương pháp mô phỏng

3 Chẩn đoán vết nứt của dầm bê tông cốt thép với bốn phương pháp: phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động và phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán bằng phương pháp đánh giá độ chính xác

4 Kết luận và kiến nghị

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/08/2021

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồ Thu Hiền PGS.TS Hồ Đức Duy

Tp.HCM, ngày 12 tháng 08 năm 2020

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Hồ Thu Hiền PGS.TS Hồ Đức Duy

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Hồ Đức Duy và TS Hồ Thu Hiền, là những người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn và dẫn dắt tôi trên con đường nghiên cứu, giúp tôi định hướng được con đường tương lai mà tôi sẽ đi

Trong suốt thời gian qua, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tôi xin gửi lời cảm ơn đến:

Ban Giám hiệu nhà trường, quý Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM và các Thầy Cô khoa Kỹ thuật Xây dựng, đã giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu Đó là những tiền đề và nền tảng giúp tôi thực hiện được nghiên cứu này

Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc, các anh chị đang công tác tại Phân hiệu Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh tại tỉnh Bến Tre – đơn vị tôi hiện đang công tác, đã tạo điều kiện hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và em Nguyễn Thị Cẩm Hồng đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian vừa qua

Lời cuối, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến quý Thầy Cô, gia đình, bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, ngày 12 tháng 08 năm 2021

HỌC VIÊN CAO HỌC

Nguyễn Ngọc Đăng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SỬ DỤNG CÁC ĐẶC TRƯNG DAO ĐỘNG Trong suốt chiều dài phát triển của ngành xây dựng, dầm bê tông cốt thép luôn là kết cấu được sử dụng rộng rãi trong tất cả công trình, từ công trình dân dụng cho đến công trình cầu Tuy nhiên, vấn đề phát hiện hư hỏng trong kết cấu chỉ mới được quan tâm trong bốn thập kỉ gần đây Bên cạnh đó, các nghiên cứu cũng chỉ tập trung xác định trạng thái hư hỏng của kết cấu đồng chất, chỉ khi công nghệ phát triển với các thiết bị đo hiện đại và các phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn, việc xác định hư hỏng trong kết cấu bê tông cốt thép bắt đầu được phát triển mạnh Trong nghiên cứu này, tập trung vào việc chẩn đoán vết nứt của dầm dưới tác dụng của tải trọng Đầu tiên, mô phỏng dầm bê tông cốt thép và so sánh kết quả của phương pháp mô phỏng với công thức lý thuyết và thực nghiệm Thứ 2, sử dụng ma trận độ cứng trong mô phỏng dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng để phân tích dao động của dầm Cuối cùng, áp dụng bốn phương pháp chẩn đoán hư hỏng là phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động và phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số nhằm xác định trạng thái hư hỏng và vị trí hư hỏng trong dầm Từ đó, đưa ra các kết luận và kiến nghị

ABSTRACT

CRACK DETECTION IN REINFORCED CONCRETE BEAMS UNDER VARIOUS LOADING CONDITIONS USING VIBRATION

CHARACTERISTICS CHARACTERISTICS OF VIBRATION

Throughout the development of the construction industry, reinforced concrete beams have always been a widely used structure in all constructions, from civil building to bridges However, even though the problem of detecting damage in structures has received attention in the last four decades, studies only capable focus on determining the failure state of homogeneous structures, only if the technology is developed with modern measuring devices and finite element software, the determination of damage in reinforced concrete structures has begun to be thrived In this research, the focus is on crack identification in reinforced concrete beam under load Firstly, the result from static analysis of reinforced concrete beams without load and first crack load are compared with theoretical formulas and experiment Secondly, the stiffness matrix result from static analysis of reinforced concrete beams under load is used to analyze the beam's vibration Finally, four methods of damage diagnosis are applied such as Frequency change - based damage detection method, Modal assurance criterion (MAC) - based damage detection method, Mode shape curvature (MSC) - based damage detection method and Stiffness – Frequency change - based damage detection method to determine the damage state and damage location Therefore, drawing conclusions and recommendations

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Hồ Thu Hiền 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 HCM, ngày 12 tháng 08 năm 2021

Nguyễn Ngọc Đăng

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiv

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.1 Tầm quan trọng của công tác theo dõi sức khỏe kết cấu 1

1.1.2 Các hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép 4

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 4

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 4

1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu 5

1.4 Cấu trúc luận văn 6

CHƯƠNG 2TỔNG QUAN 7

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 7

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 13

2.3 Tổng kết 14

CHƯƠNG 3CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

3.1 Phương pháp chẩn đoán dựa trên sự thay đổi của tần số (Frequency change – Based damage detection method) 16

3.1.1 Giới thiệu phương pháp 16

CHƯƠNG 4BÀI TOÁN KHẢO SÁT 39

4.1 PHÂN TÍCH DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỨNG 39

4.1.1 Giới thiệu 39

4.1.2 Thông số kỹ thuật của dầm 40

4.1.3 Dữ liệu mô phỏng 41

4.1.4 Kết quả mô phỏng 49

4.1.5 So sánh kết quả mô phỏng với thí nghiệm và tiêu chuẩn 52

4.2 CHẨN ĐOÁN VÙNG NỨT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN SỰ THAY ĐỔI CỦA TẦN SỐ 55

4.3 CHẨN ĐOÁN VÙNG NỨT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN SỰ THAY ĐỔI CỦA DẠNG DAO ĐỘNG (MAC) 58

5.1.3 Những điểm cần cải thiện 1415.2 Kiến nghị 1415.2.1 Kiến nghị về phát triển phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 148

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng giá trị ma trận MAC giữa các dạng dao động 17

Bảng 4.1 Kiểu phần tử ứng với loại vật liệu trong mô phỏng 41

Bảng 4.2 Bảng dữ liệu đường cong ứng suất – biến dạng 44

Bảng 4.3 Bảng khảo sát kích thước phần tử theo thời gian giải mô hình, kết quả tải trọng gây nứt và tần số dao động ban đầu 46

Bảng 4.4 Kết quả vết nứt theo cấp tải từ ANSYS 49

Bảng 4.5 Kết quả tần số dao động theo từng cấp tải 51

Bảng 4.6 Kết quả dạng dao động của dầm từ ANSYS 52

Bảng 4.7 Kết quả tính toán vết nứt 53

Bảng 4.8 Kết quả so sánh tải gây nứt giữa mô phỏng ANSYS; ACI 318-14; [54] 54

Bảng 4.9 Kết quả tính toán và sai số của tần số ban đầu giữa mô phỏng ANSYS; công thức của [60]; thực nghiệm của [54] 55

Bảng 4.10 Sự thay đổi tần số của từng cấp tải (kN) so với dầm ban đầu 55

Bảng 4.11 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số 58

Bảng 4.12 Bảng kết quả MAC của các cặp dao động đặc trưng (mặt dưới dầm) 60

Bảng 4.13 Bảng kết quả MAC của các cặp dao động đặc trưng (đường trung hòa) 62

Bảng 4.14 Bảng kết quả MAC của các cặp dao động đặc trưng (mặt trên dầm) 64

Bảng 4.15 Bảng tổng kết dữ liệu MAC cho 3 vị trí lấy dữ liệu MS của từng cấp tải (*Ghi chú: (1): Mặt dưới dầm; (2): Đường trung hòa; (3): Mặt trên dầm) 65

Bảng 4.16 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MAC 66

Bảng 4.17 Bảng tổng hợp độ chính xác với từng ngưỡng hư hỏng, cấp tải và dạng dao động (mặt dưới dầm) 73

Bảng 4.18 Bảng tổng hợp độ chính xác với từng ngưỡng hư hỏng, cấp tải và dạng dao động (đường trung hòa) 83

Bảng 4.19 Bảng tổng hợp độ chính xác với từng ngưỡng hư hỏng, cấp tải và dạng dao động (mặt trên dầm) 94

Bảng 4.21 Bảng tổng kết độ chính xác (mặt dưới dầm) 107Bảng 4.22 Bảng tổng kết độ chính xác (đường trung hòa) 119Bảng 4.23 Bảng tổng kết độ chính xác (mặt trên dầm) 130Bảng 4.24 Bảng tổng kết độ chính xác trung bình theo từng mode và các vị trí lấy dữ liệu 136

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sự xuống cấp của chung cư 727 Trần Hưng Đạo, Việt Nam 1

Hình 1.2 Sự xuống cấp của cầu Long Biên, Việt Nam 1

Hình 1.3 Bên trong chung cư Carina sau hỏa hoạn, Việt Nam 2

Hình 1.4 Tòa nhà xuất hiện các vết nứt sau động đất tại Mexico 2

Hình 1.5 Dầm cầu bị biến dạng sau va chạm tại cầu Bính, Việt Nam 2

Hình 1.6 Lớp bảo vệ cáp dây văng bị bong tróc sau va chạm 2

Hình 1.7 Sự cố sập cầu Mahakam II, Indonesia 3

Hình 1.8 Sự cố tại cầu I-59/20, Birmingham, AL, USA 3

Hình 1.9 Các cấp độ trong chiến lược chẩn đoán sức khỏe công trình 3

Hình 3.1 Minh họa đường cong dạng dao động 20

Hình 3.2 Mô hình dầm với nhiều vết nứt 23

Hình 3.3 Cấu trúc cơ bản của một bài toán trong ANSYS 36

Hình 4.5 Đường cong ứng suất – biến dạng [55] 43

Hình 4.6 Mô hình vật liệu phi tuyến trong phần mềm ANSYS 44

Hình 4.7 Đường cong ứng suất – biến dạng của cốt thép đơn giản hóa dùng trong mô phỏng trong ANSYS 45

Hình 4.8 Mô hình chia phần tử trong ANSYS 46

Hình 4.9 Điều kiện biên của dầm 47

Hình 4.10 Mô hình thí nghiệm gia tải ([54]) 47

Hình 4.11 Sơ đồ đặt tải trọng trong ANSYS 48

Hình 4.13 Biểu đồ tần số dao động theo cấp tải 51

Hình 4.14 Công thức tính toán tần số của dầm đơn giản ([60]) 55

Hình 4.15 Biểu đồ 3D sự thay đổi của tần số 56

Hình 4.16 Biểu đồ sự thay đổi tần số theo cấp tải 57

Hình 4.17 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 6 kN (mặt dưới dầm) 59

Hình 4.18 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 6.156 kN (mặt dưới dầm) 59

Hình 4.19 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 9.5 kN (mặt dưới dầm) 60

Hình 4.20 Kết quả MAC của các cặp dạng dao động đặc trưng (mặt dưới dầm) 60

Hình 4.21 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 6 kN (đường trung hòa) 61

Hình 4.22 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 6.156 kN (đường trung hòa) 61

Hình 4.23 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 9.5 kN (đường trung hòa) 62Hình 4.24 Kết quả MAC của các cặp dạng dao động đặc trưng (đường trung hòa) 62

Hình 4.25 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 6 kN (mặt trên dầm) 63

Hình 4.26 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 6.156 kN (mặt trên dầm) 63

Hình 4.27 Kết quả tính toán ma trận MAC với cấp tải 9.5 kN (mặt trên dầm) 64

Hình 4.28 Kết quả MAC của các cặp dạng dao động đặc trưng (mặt trên dầm) 64

Hình 4.29 Độ cong dạng dao động cấp tải 6 kN (mặt dưới dầm) 67

Hình 4.30 Độ cong dạng dao động cấp tải 6.156 kN (mặt dưới dầm) 68

Hình 4.31 Độ cong dạng dao động cấp tải 9.5 kN (mặt dưới dầm) 68

Hình 4.32 Độ khác biệt của độ cong dạng dao động cấp tải 3 kN (mặt dưới dầm) 69Hình 4.33 Độ khác biệt của độ cong dạng dao động cấp tải 6 kN (mặt dưới dầm) 69Hình 4.34 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 6.156 kN ứng với Z0 =0.45 (mặt dưới dầm) 70

Hình 4.35 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 6.6 kN ứng với Z0 =0.45 (mặt dưới dầm) 71

Hình 4.36 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 7.3 kN ứng với Z0 =0.45 (mặt dưới dầm) 71

Hình 4.37 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 8 kN ứng

Hình 4.42 Độ chính xác trung bình của từng ngưỡng hư hỏng (mặt dưới dầm) 77

Hình 4.43 Độ cong dạng dao động cấp tải 6 kN (đường trung hòa) 78

Hình 4.44 Độ cong dạng dao động cấp tải 6.156 kN (đường trung hòa) 78

Hình 4.45 Độ cong dạng dao động cấp tải 9.5 kN (đường trung hòa) 79

Hình 4.46 Độ khác biệt của độ cong dạng dao động cấp tải 3 kN (đường trung hòa) 79

Hình 4.47 Độ khác biệt của độ cong dạng dao động cấp tải 6 kN (đường trung hòa) 80

Hình 4.48 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 6.156 kN ứng với Z0 =0.1 (đường trung hòa) 81

Hình 4.49 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 6.6 kN ứng với Z0 =0.1 (đường trung hòa) 81

Hình 4.50 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 7.3 kN ứng với Z0 =0.1 (đường trung hòa) 82

Hình 4.51 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 8 kN ứng với Z0 =0.1 (đường trung hòa) 82

Hình 4.52 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 9.5 kN ứng với Z0 =0.1 (đường trung hòa) 83

Hình 4.53 Độ chính xác trung bình của phương pháp MSC theo từng cấp tải với Z0= 0.05 (đường trung hòa) 86

Hình 4.54 Độ chính xác trung bình của phương pháp MSC theo từng cấp tải với Z0

= 0.1 (đường trung hòa) 86Hình 4.55 Độ chính xác trung bình của phương pháp MSC theo từng cấp tải với Z0

= 0.15 (đường trung hòa) 87

Hình 4.56 Độ chính xác trung bình của từng ngưỡng hư hỏng (đường trung hòa) 87Hình 4.57 Độ cong dạng dao động cấp tải 6 kN (mặt trên dầm) 89Hình 4.58 Độ cong dạng dao động cấp tải 6.156 kN (mặt trên dầm) 89Hình 4.59 Độ cong dạng dao động cấp tải 9.5 kN (mặt trên dầm) 90Hình 4.60 Độ khác biệt của độ cong dạng dao động cấp tải 3 kN (mặt trên dầm) 90Hình 4.61 Độ khác biệt của độ cong dạng dao động cấp tải 6 kN (mặt trên dầm) 91

Hình 4.62 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 6.156 kN ứng với Z0 =0.35 (mặt trên dầm) 92Hình 4.63 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 6.6 kN ứng với Z0 =0.35 (mặt trên dầm) 92Hình 4.64 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 7.3 kN ứng với Z0 =0.35 (mặt trên dầm) 93Hình 4.65 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 8 kN ứng với Z0 =0.35 (mặt trên dầm) 93Hình 4.66 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp MSC với cấp tải 9.5 kN ứng với Z0 =0.35 (mặt trên dầm) 94Hình 4.67 Độ chính xác trung bình của phương pháp MSC theo từng cấp tải với Z0

= 0.3 (mặt trên dầm) 97Hình 4.68 Độ chính xác trung bình của phương pháp MSC theo từng cấp tải với Z0

= 0.35 (mặt trên dầm) 97Hình 4.69 Độ chính xác trung bình của phương pháp MSC theo từng cấp tải với Z0

= 0.4 (mặt trên dầm) 98

Hình 4.70 Độ chính xác trung bình của từng ngưỡng hư hỏng (mặt trên dầm) 98Hình 4.71 Ma trận độ cứng của dầm ứng với từng dạng dao động (mặt dưới dầm) 102

Hình 4.72 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 6.156 kN (mặt dưới dầm) 103Hình 4.73 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 7.3 kN (mặt dưới dầm) 103

Hình 4.74 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 9.5 kN (mặt dưới dầm) 104

Hình 4.75 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 6.156 kN ứng với Z =-0.1 (mặt dưới dầm) 105

Hình 4.76 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 6.6 kN ứng với Z =-0.1 (mặt dưới dầm) 105

Hình 4.77 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 7.3 kN ứng với Z =-0.1 (mặt dưới dầm) 106

Hình 4.78 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 8 kN ứng với Z =-0.1 (mặt dưới dầm) 106

Hình 4.79 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 9.5 kN ứng với Z =-0.1 (mặt dưới dầm) 107

Hình 4.80 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.15 (mặt dưới dầm) 110

Hình 4.81 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.1 (mặt dưới dầm) 111

Hình 4.82 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.05 (mặt dưới dầm) 112

Hình 4.83 Độ chính xác trung bình của từng ngưỡng hư hỏng (mặt dưới dầm) 112

Hình 4.84 Ma trận độ cứng của dầm ứng với từng dạng dao động (đường trung hòa) 114

Hình 4.85 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 6.156 kN (đường trung hòa) 115

Hình 4.86 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 7.3 kN (đường trung hòa) 115

Hình 4.87 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 9.5 kN (đường trung hòa) 116

Hình 4.88 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 6.156 kN ứng với Z =-0.2 (đường trung hòa) 117

Hình 4.89 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 6.6 kN ứng với Z =-0.2 (đường trung hòa) 117

Hình 4.90 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 7.3 kN ứng với Z =-0.2 (đường trung hòa) 118

Hình 4.91 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 8 kN ứng với Z =-0.2 (đường trung hòa) 118

Hình 4.92 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 9.5

kN ứng với Z =-0.2 (đường trung hòa) 119

Hình 4.93 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.2 (đường trung hòa) 122

Hình 4.94 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.15 (đường trung hòa) 123

Hình 4.95 Độ chính xác trung bình của từng ngưỡng hư hỏng (đường trung hòa) 123

Hình 4.96 Ma trận độ cứng của dầm ứng với từng dạng dao động (mặt trên dầm) 124

Hình 4.97 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 6.156 kN (mặt trên dầm) 125

Hình 4.98 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 7.3 kN (mặt trên dầm) 126

Hình 4.99 Vecto hư hỏng phần tử S của cấp tải 9.5 kN (mặt trên dầm) 126

Hình 4.100 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 6.156 kN ứng với Z =-0.1 (mặt trên dầm) 127

Hình 4.101 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 6.6 kN ứng với Z =-0.1 (mặt trên dầm) 128

Hình 4.102 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 7.3 kN ứng với Z =-0.1 (mặt trên dầm) 128

Hình 4.103 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 8 kN ứng với Z =-0.1 (mặt trên dầm) 129

Hình 4.104 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp S-FC-BDD với cấp tải 9.5 kN ứng với Z =-0.1 (mặt trên dầm) 129

Hình 4.105 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.15 (mặt trên dầm) 132

Hình 4.106 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.1 (mặt trên dầm) 133

Hình 4.107 Độ chính xác trung bình của phương pháp S-FC-BDD theo từng cấp tải với Z = -0.05 (mặt trên dầm) 134

Hình 4.108 Độ chính xác trung bình của từng ngưỡng hư hỏng (mặt trên dầm) 135

S-FC-BDD Stiffness – Frequency change – Based damage detection SHM Structural Health Monitoring

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

  Phần trăm thay đổi của tần số dao động (%)  Tần số dao động riêng khi không có hư hỏng

 Dạng dao động đã được chuẩn hóa khi có hư hỏng

Z0 Giá trị dùng để tính toán ngưỡng hư hỏng trong phương pháp dựa trên sự thay đổi độ cong của dạng dao động

Z Giá trị ngưỡng hư hỏng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Tầm quan trọng của công tác theo dõi sức khỏe kết cấu

Trong bối cảnh thế giới hiện nay, dưới áp lực của dân số, nhu cầu về nhà ở, cơ sở hạ tầng, khu công nghiệp…ngày một tăng cao, kéo theo các công trình xây dựng mới tăng nhanh theo từng năm Bên cạnh đó là sự xuất hiện của hàng loạt các công trình xuống cấp, không đáp ứng được nhu cầu sử dụng tại thời điểm hiện tại, gây nguy hiểm cho tính mạng của con người và tài sản Nguyên nhân có thể xuất phát từ vật liệu xuống cấp, ăn mòn, tải trọng ở thời điểm hiện tại cao hơn tải trọng thiết kế hoặc dưới tác động không mong muốn như động đất, va chạm, hỏa hoạn…

Hiện nay, có hàng loạt các công trình xuống cấp trầm trọng nhưng vẫn được sử dụng, tiềm ẩn nguy cơ nguy hiểm có thể kể đến như:

Hình 1.1 Sự xuống cấp của chung cư 727 Trần Hưng Đạo, Việt Nam

Hình 1.2 Sự xuống cấp của cầu Long Biên, Việt Nam

Một số công trình sau khi chịu tác động bởi các sự cố như động đất, hỏa hoạn, va chạm… cần được đánh giá, kiểm tra tình trạng của kết cấu Nhằm đảm bảo độ an toàn hoặc đưa ra các biện pháp xử lý phù hợp

Hình 1.3 Bên trong chung cư Carina sau hỏa hoạn, Việt Nam

Hình 1.4 Tòa nhà xuất hiện các vết nứt sau động đất tại Mexico

Riêng đối với ngành giao thông, lĩnh vực kết cấu được quan tâm đến nhiều nhất là các công trình cầu Sau một thời gian dài sử dụng và khai thác, do lưu lượng xe ngày càng tăng, tải trọng xe lớn hơn so với thiết kế ban đầu và các yếu tố tác động từ môi trường Dẫn tới các công trình cầu xuống cấp và hư hỏng sớm hơn so với thiết kế Mặc dù có chi phí thiết kế và xây dựng cao, cùng với đó là tầm quan trọng của chúng trong hệ thống hạ tầng giao thông khu vực nhưng công tác duy tu bảo dưỡng cầu ở Việt Nam vẫn chưa nhận được sự quan tâm đúng mức, gây phát sinh nhiều khó khăn trong việc phát hiện cũng như sửa chữa hư hỏng Điều này dẫn tới tuổi thọ công trình bị ảnh hưởng, ảnh hưởng lớn đến việc đảm bảo an toàn giao thông cũng như việc khai thác cầu hiệu quả

Một số sự cố có thể kể đến như sự cố năm 2017 tại cầu Bính, Việt Nam Khi một tàu bị tuột neo do bão, đã trôi dạt và va chạm vào dầm cầu Gây biến dạng dầm cầu và làm bong tróc, hư hại một số cáp dây văng của cầu

Hình 1.5 Dầm cầu bị biến dạng sau va chạm tại cầu Bính, Việt Nam

Hình 1.6 Lớp bảo vệ cáp dây văng bị bong tróc sau va chạm

Một số sự cố hư hỏng công trình cầu khác như sự cố sập cầu Mahakam II, Indonesia; Sự cố tại cầu I-59/20, USA;…

Hình 1.7 Sự cố sập cầu Mahakam II,

Indonesia Hình 1.8 Sự cố tại cầu I-59/20, Birmingham, AL, USA

Các vấn đề trên là tiền đề và động lực để lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe công trình SHM (Structural Health Monitoring) ra đời, được quan tâm, nghiên cứu và phát triển Chen and Ni [1] đã định nghĩa SHM là quy trình chẩn đoán sức khỏe công trình thông qua một hệ thống giám sát tự động – yếu tố chính trong cả hệ thống là hiệu quả về chi phí Có thể thấy, trải qua nhiều thập niên phát triển, lĩnh vực SHM đang đặt ra nhiều thách thức mới không chỉ dừng ở việc đánh giá hiện trạng tại một thời điểm nhất định mà còn là một quy trình đầy đủ các bước theo thời gian thực, nhằm đưa ra các cảnh báo chính xác và kịp thời

Mục tiêu chính của SHM là xác định hư hỏng và đánh giá mức độ hư hỏng trong kết cấu Hư hỏng ở đây có thể là sự thay đổi về tính chất vật liệu hoặc hình học của kết cấu Các đặc điểm này có thể tác động không nhỏ tới khả năng làm việc của kết cấu ban đầu Farrar, et al [2] đã đưa ra năm cấp độ của một quy trình SHM như sau:

Phát hiện hư hỏngVị trí hư hỏngPhân loại hư hỏng

Đánh giá hư hỏngTiên lượng hư hỏng

Hình 1.9 Các cấp độ trong chiến lược chẩn đoán sức khỏe công trình

Trong thập niên gần đây, khi các công trình lớn như chung cư, tòa nhà, cầu…được xây dựng nhiều hơn, các biện pháp phát hiện hư hỏng bẳng mắt (trực quang) đã không còn phù hợp, điều này đặt ra vấn đề cần tìm ra các phương pháp mới chẩn đoán sức

các đặc trưng về dao động của kết cấu Cơ sở của phương pháp này dựa trên sự thay đổi của các đặc trưng dao động (tần số tự nhiên, dạng dao động, đường cong dao động, hệ số cản…) dưới tác động của hư hỏng Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm và mặt hạn chế riêng Tuy nhiên, tất cả đều hướng tới việc đáp ứng một hay nhiều cấp độ trong SHM, cùng với đó là chi phí và tính khả thi của phương pháp

1.1.2 Các hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép

1.1.2.1 Nguyên nhân gây hư hỏng

Có nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng của dầm bê tông cốt thép trong thực tế, bao gồm các nguyên nhân chủ quan và khách quan Một số nguyên nhân chủ quan như:

+ Giai đoạn khảo sát xây dựng: quá trình khảo sát địa chất, thủy văn không đánh giá hết các nguy hiểm gây ra cho công trình

+ Giai đoạn thiết kế: các sai sót trong thiết kế hạ tầng, thượng tầng, biện pháp thi công không phù hợp ảnh hưởng đến chất lượng của kết cấu

+ Giai đoạn thi công: chất lượng vật liệu, trình độ thi công kém, không tuân thủ các quy trình thi công đã được đề ra…

+ Giai đoạn vận hành: không có sự kiểm tra định kỳ, đánh giá khả năng hoạt động của công trình sau một thời gian sử dụng…

Ngoài ra, còn một số nguyên nhân khác quan khác như động đất, bão, lũ, tai nạn giao thông, tai nạn đường thủy, hỏa hoạn…

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

Mục tiêu chính của luận văn là chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng các đặc trưng dao động

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

Sau đây là các nhiệm vụ và nội dung của nghiên cứu này:

1 Tìm hiểu các đặc trưng về dao động của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng các đặc trưng dao động

2 Mô phỏng dầm bê tông cốt thép bằng phần mềm ANSYS So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm và lý thuyết, từ đó đánh giá độ tin cậy của phương pháp mô phỏng

3 Chẩn đoán vết nứt của dầm bê tông cốt thép với bốn phương pháp: phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động và phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán bằng phương pháp đánh giá độ chính xác

4 Kết luận và kiến nghị

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

Lịch sử phát triển hiện đại của ngành xây dựng gắn liền với việc sử dụng và phát triển kết cấu bê tông cốt thép Từ các công trình dân dụng, cho đến các công trình cầu, bê tông cốt thép luôn đóng vai trò là kết cấu chịu lực chính của cả công trình Tuy nhiên, sau thời gian dài sử dụng, kết cấu này dưới tác động của môi trường và con người - vật liệu bị lão hóa, xuống cấp hoặc xuất hiện các hư hỏng do tác động ngoài ý muốn Việc tìm ra một phương pháp có khả năng xác định hư hỏng trong dầm có vết nứt là cần thiết Với đặc điểm nhạy đối với hư hỏng, các đặc trưng dao động được chọn là đối tượng nghiên cứu chính trong luận văn

Các nghiên cứu gần đây thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giảm các vấn đề về chi phí và sai sót trong thí nghiệm Tuy nhiên, việc chẩn đoán hư hỏng chỉ mới áp dụng cho các kết cấu đồng chất, hư hỏng đơn lẻ bằng cách giảm độ cứng phần tử hoặc xóa phần tử tại vị trí khảo sát Tiếp nối ý tưởng này, luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng, hư hỏng trong dầm là vết nứt Sau đó, thu được dữ liệu dao động từ quá trình phân tích dao động của dầm Các dữ liệu này được dùng để chẩn đoán hư hỏng trong dầm với bốn phương pháp: phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động và phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số Trong đó, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số mang tính chẩn đoán thực tiễn cao, khi dữ liệu đầu vào không cần đo đạc dạng dao động của dầm đã bị hư hỏng

1.4 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được trình bày gồm 5 chương như sau:

Chương 1 Giới thiệu

Giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Chương 2 Tổng quan

Tổng quan về tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về phương pháp dao động để chẩn đoán hư hỏng của kết cấu Chỉ ra những vấn đề mà luận văn tập trung giải quyết

Chương 3 Cơ sở lý thuyết

Trình bày các cơ sở lý thuyết, các phương pháp sẽ áp dụng để chẩn đoán hư hỏng

Chương 4 Bài toán khảo sát

Thực hiện tính toán các bài toán và nhận xét kết quả đạt được

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

Đưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và kiến nghị hướng phát triển đề tài trong tương lai.

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe công trình SHM (Structural Health Monitoring) tuy đã có mặt khá lâu, nhưng mới chỉ thực sự được phát triển và tập trung nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây

Phương pháp dao động được xếp vào phương pháp phân tích và xác định hư hỏng không phá hủy Ưu điểm của phương pháp là tính hiệu quả cao, chi phí thấp và dễ dàng áp dụng, có thể được áp dụng trên nhiều loại kết cấu, hình dạng khác nhau, nội dung cụ thể sẽ được trình bày dưới đây

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong giai đoạn những năm 1970 đến 1990, đây là thời kỳ đặt nền tảng cho sự phát triển của lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu, với các nghiên cứu sơ khởi nhằm tìm ra mối liên kết giữa hư hỏng và đặc trưng dao động Một số nghiên cứu có thể kể đến như:

Adams, et al [3] đã đưa ra phương pháp thí nghiệm không phá hủy cho thấy mối liên kết giữa sự suy giảm của tần số dao động dọc trục và hư hỏng Hư hỏng trong nghiên cứu được giả định là sự suy giảm của độ cứng lò xo dọc trục liên kết các phần tử Đối tượng nghiên cứu là thanh nhôm đơn giản, thí nghiệm phân tích mô hình 1D khi chưa có vết cắt và có một vết cắt trên thanh, từ đó phát hiện và định vị hư hỏng Nghiên cứu cũng chỉ ra sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên tần số dao động

Cawley and Adams [4] đã tiếp tục phát triển nghiên cứu của Adams, et al [3], đưa ra một phương pháp có thể phát hiện hư hỏng, xác định vị trí hư hỏng và phần nào đánh giá được mức độ hư hỏng cho tấm nhôm và tấm vật liệu composite Cơ sở chính của nghiên cứu là dựa trên sự thay đổi, chênh lệch tần số dao động (Natural

frequency shift NFS) của hai mode dao động khác nhau Nghiên cứu cho thấy mối

liên kết giữa NFS với hư hỏng trong tấm (hư hỏng được giả định là vết cắt, lỗ xuyên thủng tấm) Mặt hạn chế của nghiên cứu là chỉ dừng ở hư hỏng đơn lẻ và không áp dụng cho vật liệu có tính đa hướng

[5] đã nghiên cứu về tính độc lập của các vecto trong một ma trận Từ đó, phát triển khái niệm về tính tương đồng của hai vecto thông qua các hệ số tỷ lệ, qua đó phân tích được sai số giữa hai mô hình Đây là nghiên cứu tiền đề cho các nghiên cứu về sau của phương pháp MAC

Gudmundson [6] đã đưa ra kỹ thuật mô phỏng vết nứt hoặc vết cắt trong dầm và cách xác định sự thay đổi tần số dao động cho các hư hỏng cục bộ này – điều mà các nghiên cứu trước đó chưa làm được Ông đưa ra hai phương pháp mô phỏng: phương pháp thứ nhất dựa trên lý thuyết các yếu tố liên quan đến ứng suất, năng lượng, phương pháp thứ hai là sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 2D để mô phỏng hư hỏng Cả hai phương pháp đều cho thấy tính khả thi trong mô phỏng hư hỏng, cùng với đó là mối liên kết giữa sự thay đổi của tần số cộng hưởng và kích thước của hư hỏng

Sato [7] đã nghiên cứu về dao động tự do của dầm kích thước lớn và tiết diện thay đổi đột ngột Nghiên cứu đưa ra ma trận chuyển đổi độ cứng tại vị trí mặt cắt ngang thay đổi và mô phỏng bằng phần tử hữu hạn Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn (FE) dầm 1D cho thấy sự tương đồng khi so sánh với kết quả thí nghiệm Bên cạnh đó là tính tương quan giữa tần số dao động thứ nhất chịu ảnh hưởng bởi chiều dài và chiều sâu của rãnh (vị trí mặt cắt ngang thay đổi)

Yuen [8] đã tìm ra mối liên kết giữa vị trí hư hỏng, mức độ hư hỏng trong dầm có một đầu ngàm với tần số tự nhiên (NF), dạng dao động (MS), độ dốc của MS (MSS) Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cho thấy khi có hư hỏng dưới dạng giảm mô-đun đàn hồi trong các phần tử, MS sẽ thay đổi kéo theo độ dốc của véc-tơ MS thay đổi, từ đó xác định được vị trí của hư hỏng Tuy nhiên, phương pháp vẫn còn hạn chế trong khả năng đánh giá mức độ hư hỏng

Trong giai đoạn những năm 1990 đến 2000, hàng loạt các nghiên cứu mới, lý thuyết mới trong lĩnh vực SHM ra đời, trong đó có các phương pháp dựa trên sự thay đổi của các đặc trưng về dao động như tần số, dạng dao động, đường dốc của dạng dao động, độ cong của dạng dao động, năng lượng biến dạng… Một số phương pháp và chỉ số mới được đề xuất như MF, DLAC, MDLAC…Trong giai đoạn này, các phương pháp tập trung vào lý thuyết tuyến tính của kết cấu nhưng vẫn có một số ít nghiên cứu quan tâm đến vấn đề phi tuyến

Ismail, et al [9] đã tiến hành nghiên cứu tần số dao động trong trường hợp dầm ngàm có vết nứt đóng - mở và vết nứt mở Nghiên cứu đã đặt ra và giải thích vấn đề của các nghiên cứu trước đó gặp phải, trong thí nghiệm tái gia tải và có biến dạng dư, sự thay đổi của tần số dao động cho kết quả không quá chính xác

Stubbs, et al [10] đã đưa ra công thức đánh giá mức độ hư hỏng của thanh một đầu ngàm dựa trên phương trình ma trận dao động Hư hỏng được giả định là sự suy giảm của độ cứng được thể hiện bằng ma trận tham số suy giảm của độ cứng Tuy nhiên, phương trình vẫn có hạn chế khi có quá nhiều tham số trong phương trình cần xác định gây khó khăn cho việc xác định hư hỏng

Liang, et al [11] đã đưa ra mô hình dầm đơn giản hoặc dầm ngàm có hư hỏng là vết nứt dưới dạng liên kết lò xo xoay không trọng lượng giữa các phần tử Nghiên cứu cho thấy tính khả thi trong việc xác định vị trí hư hỏng và đánh giá mức độ hư hỏng từ dữ liệu dao động

Hearn and Testa [12] đã đưa ra công thức của cho thấy liên hệ giữa sự thay đổi tần số dao động và độ cứng của kết cấu nhiều bậc tự do có hư hỏng tại bậc tự do thứ

i Công thức trên giả định rằng hư hỏng không làm thay đổi ma trận khối lượng Trong

nghiên cứu tiếp theo, Hearn and Testa [12] đã chứng minh tỷ số giữa bình phương biến thiên tần số của hai dạng dao động không phụ thuộc vào mức độ hư hỏng mà chỉ phụ thuộc vào vị trí hư hỏng Vì vậy, kết quả này có thể dùng để xác định vị trí của hư hỏng

[13] đã đề xuất phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên sự khác biệt của độ cong dạng dao động (MSC) Mô hình phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết của [4] được sử dụng để kiểm tra tính khả thi của bài toán Chẩn đoán có sự kết hợp của phương pháp MAC và COMAC, kết quả cho thấy phương pháp MSC đem lại kết quả chẩn đoán tốt trong việc phát hiện hư hỏng và xác định vị trí của hư hỏng

Kam and Lee [14] đã đưa ra mô hình mô phỏng vết nứt trên dầm một đầu ngàm, sử dụng dữ liệu NF và MS để xác định vị trí vết nứt, chiều dài vết nứt Vết nứt được mô phỏng đơn lẻ trên từng phần tử riêng biệt, vị trí của vết nứt dựa trên sự thay đổi của NF và MS, chiều dài vết nứt được tính toán dựa trên lý thuyết cân bằng năng lượng biến dạng

Brincker, et al [15] đã đề xuất sử dụng phương pháp thống kê autoregressive moving average (ARMA) để dự đoán các đặc trưng dao động từ dữ liệu gia tốc ARMA áp dụng cho các chạy mô hình có dữ liệu theo thời gian, từ đó có thể dự đoán giá trị tương lai của chuỗi Trong nghiên cứu đã đưa phương pháp xác định hai tần số đầu tiên của dao động và có xét đến sai số trong thống kê theo thời gian

Doebling, et al [16] đã tổng hợp và thống kê các nghiên cứu trong lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp dao động trong khoảng thời gian từ 1970s đến 1996 Các nghiên cứu được sắp xếp theo từng lĩnh vực đang được quan tâm như NF, MS MSC… Điều này hỗ trợ đáng kể cho các nghiên cứu về sau trong việc tổng hợp và phân loại tài liệu

Salawu [17] đã tổng hợp các nghiên cứu trước đó và đưa ra nhận xét rằng tần số

tự nhiên có khả năng đánh giá tính toàn vẹn của kết cấu và có thể dùng NF để chẩn

đoán tình trạng kết cấu NF có các ưu điểm như tính dễ áp dụng, chi phí thấp (có khả

động có tính chất chung đối với một công trình Tuy nhiên, tính chất “chung” cũng là mặt hạn chế của NF Do đó, NF không phải luôn là lựa chọn tốt nhất khi sử dụng cho các công trình hay hư hỏng phức tạp

Dado [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện biên đối với dầm có hư hỏng là vết nứt Dựa trên lý thuyết dầm Euler-Bernoulli và dao động, Dado đã phát triển công thức xác định vị trí hư hỏng và đánh giá mức độ hư hỏng (độ sâu của vết nứt) Vết nứt được giả định là lò xo xoắn không khối lượng liên kết các phần tử Từ đó, mô phỏng dầm với bốn loại điều kiện biên khác nhau và đưa ra kết luận về ảnh hưởng của điều kiện biên Tuy nhiên, có một nhận xét chung đó là độ sâu của vết nứt tỷ lệ thuận với L/h (chiều dài/chiều cao của dầm) Nghiên cứu vẫn còn nhiều hạn chế do mô hình và phương pháp xác định vết nứt đơn giản, chỉ thích hợp sử dụng hai tần số đầu tiên

Messina, et al [19] đã giới thiệu hai phương pháp mới trong việc xác định vị trí và đánh giá mức độ hư hỏng dựa trên sự thay đổi của NF là: Damage Location Assurance Criterion (DLAC) và Multiple Damage Location Assurance Criterion (MDLAC) Đối tượng của nghiên cứu là hệ khung có hư hỏng được giả định là sự suy giảm độ cứng của thanh Kết quả nghiên cứu cho thấy tính khả thi của phương pháp MDLAC trong việc xác định nhiều vị trí hư hỏng và mức độ hư hỏng

Zhao and DeWolf [20] đã nghiên cứu về sự thay đổi của NF, MS và ma trận dao động linh hoạt (MFM) khi xuất hiện hư hỏng Nghiên cứu đã đưa ra ba công thức tính độ chênh lệch lần lượt của NF, MS, MF trong trường hợp chưa hư hỏng và có hư hỏng (sự suy giảm độ cứng) Từ đó kết luận được rằng MF có độ nhạy đối với hư hỏng cao hơn so với NF và MS, thích hợp dùng trong việc nghiên cứu hư hỏng hơn là chỉ dùng NF, MS đơn lẻ

Hai thập niên gần đây, từ năm 2000 đến 2020, các nghiên cứu về lĩnh vực SHM ngày càng được mở rộng và chuyên sâu Điểm nổi bật của giai đoạn này là việc ứng dụng các phần mềm phần tử hữu hạn vào mô phỏng và đánh giá kết quả Các nghiên cứu đa dạng trên nhiều loại vật liệu, hình dạng kết cấu khác nhau, các yếu tố phi tuyến như động đất, thời tiết…

Chaudhari and Maiti [21] đã đưa ra công thức và phương pháp xác định hư hỏng trong dầm có tiết diện thay đổi, dựa trên lý thuyết dao động của dầm Euler–Bernoulli, từ đó tìm ra được công thức liên hệ giữa vị trí vết nứt, mức độ hư hỏng (sự suy giảm độ cứng của lò xo xoay liên kết phần tử) với các đặc trưng dao động (NF, MS) Nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng, kết quả cho thấy độ chính xác tương đối trong việc xác định vị trí hư hỏng (sai số <5%) Đối với mức độ hư hỏng,

kết quả vẫn còn sai số khá lớn (25%), cho thấy vẫn tồn tại nhiều điểm cần cải tiến Nghiên cứu cũng dừng ở việc mô phỏng hư hỏng đơn lẻ trên dầm

Razak and Choi [22] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của ăn mòn trên dầm bê tông cốt thép đối đối với đặc trưng dao động (NF, hệ số chống rung: damping ratio (DR) Nghiên cứu được tiến hành trên mô hình thí nghiệm thực, kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể của NF, DR khi dầm bị ăn mòn Có thể nhận xét kết quả nghiên cứu là hợp lý khi đặt vấn đề ăn mòn cũng là một dạng hư hỏng và làm giảm khả năng chịu lực của dầm Một điểm đáng lưu ý là sự suy giảm tuyến tính của tần số theo độ cứng của dầm khi có ăn mòn, điều này góp phần dự đoán giá trị độ cứng trong tương lai

Mita and Hagiwara [23] đã đưa ra công thức liên hệ giữa sự thay đổi của ma trận độ cứng và NF tại một bậc tự do của dầm Công thức có ưu điểm so với công thức của Hearn and Testa [12] là giảm các thông số và dữ liệu đầu vào, tuy nhiên mặt hạn chế của công thức là chỉ áp dụng cho mô hình có hư hỏng đơn lẻ

Zhu and Xu [24] đã đưa ra chỉ số độ nhạy của MS, độ dốc của MS (MSS), độ cong của MS (MSC) và sự thay đổi của NF trong mô hình hữu hạn bậc tự do, được liên kết với nhau bằng lò xo không khối lượng Cải tiến của nghiên cứu là các chỉ số độ nhạy không phụ thuộc vào khối lượng và độ cứng liên kết Kết quả nghiên cứu chỉ ra khả năng xác định vị trí hư hỏng của các chỉ số độ nhạy, trong đó MSS cho độ chính xác cao nhất Khả năng đánh giá mức độ hư hỏng dựa trên sự thay đổi của NF, kết quả cho thấy sự tương đồng trong kết quả của trường hợp sử dụng ba NF đầu tiên và hai NF đầu tiên Nghiên cứu cũng đã đạt tới bước xác định nhiều vị trí hư hỏng trong mô hình

Clinton [25] đã công bố số liệu đo đạc gia tốc theo thời gian thực của hai tòa nhà, từ đó xác định được NF của nó Dữ liệu cho thấy ảnh hưởng phi tuyến của các yếu tố tác động tới giá trị NF như động đất, yếu tố môi trường (mưa, gió, nhiệt độ) Nghiên cứu chỉ ra rằng mặc dù các sự thay đổi về độ cứng của kết cấu làm giảm tần số tự nhiên, tuy nhiên, trong một số trường hợp, tần số giảm còn có liên quan đến yếu tố môi trường và các tác động nhỏ xung quanh nó

Gao [26] đã đề xuất phương pháp sử dụng yếu tố ngẫu nhiên (Random factor method RFM) và yếu tố khoảng giá trị (Interval factor method IFM) cho kết cấu thanh dưới tác động của các yếu tố bất thường Công thức được xây dựng xuất phát từ yếu tố ngẫu nhiên của ma trận độ cứng và ma trận khối lượng để tính ra RFM và IFM cho NF và MS Từ đó, ta có cái nhìn tổng thể về tính biến thiên của dữ liệu NF và MS, bao gồm giá trị trung bình, biên trên, biên dưới, độ lệch chuẩn

Zhong and Oyadiji [27] đã đề xuất phương pháp dùng một vật có khối lượng không đổi đặt trên dầm để xác định vết nứt của dầm Đối tượng mô phỏng là dầm đơn giản có 1 vết nứt và một khối lượng đặt trên nó Nghiên cứu tiến hành mô phỏng cho nhiều trường hợp khác nhau về vị trí vết nứt, chiều dài vết nứt; khối lượng, vị trí của cục khối lượng Kết quả cho thấy tính khả thi trong việc xác định vị trí của vết nứt trên dầm

Capozucca [28] đã tiến hành thí nghiệm đo các giá trị tần số dao động cho dầm bê tông cốt thép trong các trường hợp dầm chịu tải trọng Thí nghiệm tiến hành trên ba loại dầm, các hệ số quan tâm trong thí nghiệm là sự thay đổi của NF, mô-men tác dụng lên dầm Từ đó, đưa ra biểu đồ mối liên hệ giữa sự thay đổi tần số và tải trọng tác dụng

Gillich and Praisach [29] đã tìm ra công thức liên kết giữa năng lượng biến dạng trong một phần tử và MSC; sự thay đổi NF khi xuất hiện hư hỏng Nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm để kiểm tra tính chính xác Dầm được mô phỏng có một vết nứt dưới dạng vết cắt, lấy kết quả cho mười tần số đầu tiên trong các trường hợp chưa hư hỏng và có hư hỏng Một điểm đáng lưu ý trong nghiên cứu là đối với dầm đơn giản có một hư hỏng, mỗi NF sẽ có một số vị trí bất thường mà khi xuất hiện hư hỏng tại vị trí này, tần số sẽ không thay đổi, vị trí này được nhận xét nằm tại điểm uốn của MS

Capozucca [30] đã nghiên cứu về sự thay đổi NF của dầm bê tông cốt thép khi xuất hiện vết nứt dưới tác dụng của tải trọng Thí nghiệm gồm 2 bước là gia tải và đo các thông số (NF, chuyển vị giữa dầm) Quá trình đo tại bốn mức tải khác nhau Nghiên cứu cho thấy dầm khi xuất hiện vết nứt sẽ làm giảm giá trị NF, và điểm bất thường của giá trị suy giảm NF tại thời điểm dầm đạt tới điểm chuyển giữa pha tuyến tính và phi tuyến

HoThu and Mita [31] đã phát triển công thức của Mita and Hagiwara [23] và đưa ra chỉ số đánh giá vị trí hư hỏng (DLI) cho hai NF đầu tiên Nghiên cứu cho thấy chỉ số này có thể dùng để xác định vị trí hư hỏng chỉ từ hai NF Mô hình mô phỏng hư hỏng là khối lượng – lò xo, có ngàm ở một đầu Trong một nghiên cứu khác cùng năm, cũng với mô hình tương tự, Hothu and Mita [32] đã cải tiến DLI áp dụng cho ba NF khác nhau, cùng với xây dựng chỉ số định lượng hư hỏng (DQI) có thể dùng để đánh giá mức độ hư hỏng Kết quả của các nghiên cứu đều được kiểm tra với thí nghiệm

Mei, et al [33] đã đề xuất chia một kết cấu chính nhiều bậc tự do thành một vài kết cấu phụ và đưa ra công thức liên kết giữa hư hỏng và hồi quy (AR) trong kết cấu

phụ Từ đó, sử dụng CFAR để xác định vị trí hư hỏng Đối tượng nghiên cứu là mô hình ngàm nhiều bậc tự do, kết quả đánh giá dựa trên PTHH và thí nghiệm

Dahak, et al [34] đã đưa ra phương pháp phát hiện hư hỏng bằng cách chuẩn hóa NF Đối tượng nghiên cứu là dầm một đầu ngàm có một vết nứt, kết quả nghiên cứu được kiểm tra bằng PTHH và thí nghiệm Kết quả cho thấy khả năng phát hiện hư hỏng và một phần xác định được vùng hư hỏng của dầm Nghiên cứu cũng chỉ ra các vị trí bất thường khi xuất hiện hư hỏng sẽ không làm thay đổi NNF của một mode nào đó và tính đối xứng của giá trị NNF khi vết nứt đặt tại vị trí đối xứng tương ứng Hanif, et al [35] đã sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng khiến dầm bị nứt và xác định tần số dao động riêng của dầm bằng phản hồi dao động phi tuyến Kết quả nghiên cứu cho thấy NNF không thay đổi trong giai đoạn dầm làm việc trong miền đàn hồi chưa có vết nứt xuất hiện và giảm dần khi dầm xuất hiện vết nứt cho đến khi dầm bị phá hủy

Sha, et al [36] đã đưa ra giá trị mối quan hệ thay đổi tần số tự nhiên (relative natural frequency change RNFC) để xác định vị trí hư hỏng và mức độ hư hỏng cho dầm ngàm hai đầu có nhiều vị trí hư hỏng (hư hỏng được giả định là giảm độ cứng phần tử) Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng PTHH và thí nghiệm, cho thấy tính khả thi trong việc xác định vị trí và mức độ hư hỏng tại nhiều vị trí (trong nghiên cứu tối đa ba hư hỏng) chỉ từ giá trị NF

Duong, et al [37] đã đánh giá độ chính xác của tần số tự nhiên trong mô hình 1D, 2D, 3D bằng mô phỏng FE so với thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu là một dầm thép, có hai đầu tự do, với hư hỏng là một vết cắt trên dầm Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình 1D cho kết quả sai số lớn nhất, mô hình 2D và 3D cho kết quả gần giống với thực nghiệm Tuy nhiên khi xét đến tổng thể các trường hợp (chưa hư hỏng và hư hỏng) mô hình 2D cho kết quả sai số ổn định hơn hai mô hình còn lại Nghiên cứu cũng chỉ ra mối tương quan giữa kết quả NF và số phần tử trong mô hình, mô hình càng phức tạp (3D>2D>1D; mô hình chưa hư hỏng và có hư hỏng) cần càng nhiều phần tử để tính toán nhằm nâng độ chính xác

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nguyễn, et al [38] đã đưa ra thuật toán vị trí hư hỏng (VTHH), dựa trên độ biến thiên năng lượng biến dạng đàn hồi của cầu khi xuất hiện hư hỏng, từ đó xác định vị trí của hư hỏng Nghiên cứu đề xuất sử dụng hệ thống suy diễn Neuro – Fuzzy để nhận dạng kết cấu ở giai đoạn chưa hư hỏng Dữ liệu này được dùng đánh giá mức độ suy giảm độ cứng của cầu trong trường hợp cầu bị hư hỏng

Lê and Nguyễn [39] đã đưa ra phương pháp xác định vị trí và chiều sâu của vết nứt trên dầm bằng PTHH kết hợp thuật toán di truyền Cơ sở của nghiên cứu dựa trên NF, hư hỏng được giả thuyết là sự tăng lên của độ mềm cục bộ

Thiều [40] đã khảo sát hư hỏng của kết cấu dầm với các điều kiện biên khác nhau bằng phương pháp năng lượng biến dạng Trong nghiên cứu này, tác giả đã giải quyết vấn đề độ cong tại các điểm biên trên kết cấu dầm theo các điều kiện biên khác nhau và đề xuất số vị trí để theo dõi dao động và chuẩn đoán hư hỏng trên kết cấu dầm

Đỗ [41] đã đánh giá phương pháp chẩn đoán nào là tốt nhất khi hư hỏng xuất hiện trên dầm đơn giản, từ đó phân tích tính hiệu quả của bài toán trong thực tế Các phương pháp chẩn đoán dựa trên kết quả phân tích dao động Đầu tiên, các phương pháp chẩn đoán sẽ được áp dụng trên dầm được mô phỏng bằng phần tử thanh trong không gian hai chiều, sau đó mở rộng chẩn đoán trên dầm được mô phỏng bằng phần tử khối trong không gian ba chiều

Nguyễn [42] đã đề xuất sử dụng kết hợp phương pháp dao động và trở kháng để xác định vị trí và đánh giá mức độ hư hỏng Đối với phương pháp dao động, dựa trên kết quả về NF và MS, các hư hỏng tổng thể như tăng khối lượng và vết nứt được cảnh báo khi xuất hiện hư hỏng

Tạ, et al [43] đã thực hiện thí nghiệm đo dao động của dầm thép bằng phương pháp kích động cưỡng bức Cơ sở lý thuyết chính dựa trên hàm đáp ứng tần số (Frequency Response Function FRF) Kết quả cho thấy tính khả thi của thí nghiệm khi so sánh với kết quả giải tích, sai số lớn nhất trong nghiên cứu là 1.4%

2.3 Tổng kết

So với lịch sử của cả ngành kết cấu, lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe công trình chỉ thực sự phát triển và được tập trung nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu nhưng vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép Mặc dù vẫn còn hạn chế nhưng phương pháp dao động vẫn là một trong các phương pháp đáng để cân nhắc bởi các lợi thế mà nó mang lại

Điểm khác biệt trong luận văn này là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng theo từng cấp tải, dầm xuất hiện hư hỏng là vết nứt Từ đó, lấy thu được đặc trưng dao động của dầm như tần số dao động, dạng dao động để phân tích

Từ những vấn đề trên, học viên tiếp tục nghiên cứu và phát triển mở rộng với đề tài “Chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử

dụng các đặc trưng dao động” Mục tiêu nhằm tìm ra phương pháp thích hợp để xác định vị trí và mức độ hư hỏng của dầm bê tông cốt thép có hư hỏng là vết nứt.

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bài toán chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu là bài toán ngược, nghĩa là xác định hư hỏng và vị trí hư hỏng của các phần tử trong thực tế từ việc phân tích các dữ liệu đo đạc thu được từ các cảm biến dao động (gia tốc kế) Đối với bốn phương pháp chẩn đoán trong luận văn, dữ liệu đầu vào cần thiết là tần số dao động và dạng dao động

Bên cạnh các lý thuyết về phương pháp chẩn đoán, chương này đồng thời trình bày các lý thuyết mô phỏng dầm bê tông cốt thép trong phần mềm ANSYS

3.1 Phương pháp chẩn đoán dựa trên sự thay đổi của tần số (Frequency change – Based damage detection method)

3.1.1 Giới thiệu phương pháp

Dựa trên sự thay đổi của tần số dao động đo được của kết cấu hư hỏng và kết cấu không hư hỏng [3], [4], [7] và [17] đã thực hiện các nghiên cứu và tổng kết rằng tần số dao động của kết cấu sẽ giảm khi có hư hỏng Đây là đặc điểm cơ bản nhất khi đánh giá hư hỏng của kết cấu bằng đặc trưng dao động

+ f *: Tần số dao động khi có hư hỏng

Dựa trên giá trị  f (%) hay phần trăm thay đổi của tần số dao động, biểu diễn các giá trị này qua các biểu đồ thể hiện mối tương quan Từ đó, ta đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu theo các cấp tải

3.2 Phương pháp chẩn đoán dựa trên sự thay đổi của dạng dao động (Modal assurance criterion)

3.2.1 Giới thiệu phương pháp

Phương pháp chẩn đoán dựa trên sự thay đổi của dạng dao động dựa hay còn gọi là MAC được – một chỉ số thể hiện sự tương đồng giữa hai mô hình, được xây dựng từ những năm 80 của thế kỷ XIX và tiếp tục được nghiên cứu và phát triển cho đến nay Một số nghiên cứu điển hình có thể kể đến như [5], [44], [45], [46], [47] Ở phương pháp này, MAC dùng để đánh giá sự tương đồng giữa hai dạng dao động (MS), từ đó đưa ra kết luận kết cấu hư hỏng hay không hư hỏng

Giá trị MAC nhận các giá trị trong khoảng [0;1], thể hiện sự tương đồng giữa hai mô hình (MAC càng gần với 1 thì độ tương đồng càng lớn) Ta có thể biểu thị giá trị MAC bằng ma trận sau:

Bảng 3.1 Bảng giá trị ma trận MAC giữa các dạng dao động

f f 2 f 3 f 4

*4

  

+ MAC (M, N): Giá trị MAC giữa hai mô hình M, N

+ M: Mô hình ban đầu không hư hỏng

+ N: Mô hình hư hỏng hoặc mô hình kiểm tra

+   : Lần lượt là dạng dao động của mô hình M và N MN

( ,ij)

+  : Dạng dao động thứ i của mô hình chưa hư hỏng i+ *

 : Dạng dao động thứ j của mô hình hư hỏng

Dựa vào giá trị từ công thức (3.2) và (3.3) để đánh giá mô hình đã hư hỏng hay chưa Phương pháp có giới hạn là chỉ đánh giá được mô hình có hay không có hư hỏng, chưa xác định được vị trí hư hỏng

3.3 Phương pháp chẩn đoán dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động (Mode shape curvature – Based damage detection method)

3.3.1 Giới thiệu phương pháp

[13] đã đưa ra phương pháp chẩn đoán dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động – một phương pháp có thể chẩn đoán được hư hỏng và vị trí của hư hỏng trong kết cấu Cơ sở của phương pháp dựa trên sự thay đổi độ cong của dạng dao động

3.3.2 Công thức đánh giá

Dựa trên công thức xác định độ cong dạng dao động của dầm, ta có:

Trong đó:

+ v : đạo hàm bậc hai của chuyển vị hay độ cong dầm ''+ M : momen uốn

Áp dụng lý thuyết trên vào chẩn đoán hư hỏng, ta tính toán đường cong dạng dao động (MSC) của kết cấu không hư hỏng và kết cấu hư hỏng Sau đó, tính độ khác biệt giữa hai độ cong theo công thức:

*'' ''

Trong đó:

+ M SC Di: độ khác biệt của độ cong dạng dao động tại phần tử thứ i

+ i'': giá trị độ cong dạng dao động đã được chuẩn hóa tại phần tử thứ i của kết cấu chưa hư hỏng

+ *i '': giá trị độ cong dạng dao động đã được chuẩn hóa tại phần tử thứ i của kết cấu đã hư hỏng

Dạng dao động được chuẩn hóa theo chuẩn Euclide Cụ thể:

 

Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng biểu đồ độ khác biệt và vị trí phần tử, những điểm có sự thay đổi lớn của độ cong dạng dao động là các điểm hư hỏng của kết cấu