Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Đánh giá các chỉ số cho việc chẩn đoán hiện tượng tách lớp cho dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP sử dụng đáp ứng trở kháng

Tìm hiểu về đáp ứng trở kháng, phương pháp chẩn đoán hiện trạng tách lớp của kết cấu dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện.. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Mục t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN NGỌC HUỲNH

ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ SỐ CHO VIỆC CHẨN ĐOÁN

HIỆN TƯỢNG TÁCH LỚP CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN NGỌC HUỲNH MSHV : 1870484 Ngày, tháng, năm sinh: 11/04/1995 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 8580201

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ SỐ CHO VIỆC CHẨN ĐOÁN HIỆN TƯỢNG TÁCH LỚP TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

CÓ GIA CƯỜNG TẤM FRP SỬ DỤNG ĐÁP ỨNG TRỞ KHÁNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu về đáp ứng trở kháng, phương pháp chẩn đoán hiện trạng tách lớp của kết cấu dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện Tìm hiểu về các chỉ số chẩn đoán hư hỏng được sử dụng

2 Mô phỏng tấm tròn bằng nhôm theo phương pháp phần tử hữu hạn Sử dụng đáp ứng trở kháng và các chỉ số đánh giá hư hỏng để phân tích kết quả sau đó so sánh và kiểm chứng với kết quả đã công bố

3 Mô phỏng dầm BTCT có gia cường tấm FRP Tiến hành gia tải từ từ cho dầm ứng xử như thực tế để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp của cấu kiện dầm BTCT và tấm FRP gia cường

4 Sử dụng đáp ứng trở kháng và các chỉ số đánh giá hư hỏng để chẩn đoán hiện tượng tách lớp trong kết cấu Dựa trên kết quả thu được, sự phù hợp của các chỉ số trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa dầm bê tông cốt thép và tấm FRP gia cường được phân tích và đánh giá

III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/02/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/01/2021

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: PGS.TS HỒ ĐỨC DUY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS HÀ MINH TUẤN

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH

PGS.TS Hô Đức Duy TS Hà Minh Tuấn

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Hồ Đức Duy

và TS Hà Minh Tuấn, người luôn tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tôi trong quá trình

nghiên cứu thực hiện luận văn cũng như trong quá trình học tập Thầy là người

truyền cảm hứng giúp tôi rất nhiều trong việc định hướng con đường học tập nghiên

cứu của bản thân Tôi sẽ ghi nhớ mãi những kiến thức và kỹ năng làm nghiên cứu

được thầy truyền dạy

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Xây Dựng và

nhà trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện học tập

và truyền đạt cho tôi các kiến thức quý báu trong quá trình học tập

Tiếp theo tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các anh chị học viên cao học khóa

2018 đã giúp đỡ tôi trong các môn học

Sau cùng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn với ba mẹ, người thân trong gia đình

đã luôn ủng hộ, làm chỗ dựa tinh thần cho tôi mỗi lúc khó khăn trong quá trình học

tập và làm luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021

Trần Ngọc Huỳnh

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Mục tiêu của đề tài này là đánh giá các chỉ số cho việc chẩn đoán hiện tượng lớp trong kết cấu dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đáp ứng trở kháng Để đạt được mục tiêu nghiên cứu của đề tài, các nội dung nghiên cứu sau được thực hiện Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dầm BTCT có gia cường tấm FRP trong nhiều trường hợp hư hỏng khác nhau bằng cách tiến hành gia tải từ

từ trên mô hình phần tử hữu hạn có xét đến sự làm việc chung của cốt thép và bê tông; cho dầm ứng xử và xuất hiện sự tách lớp giữa dầm bê tông và FRP Lấy tín hiệu từ trở kháng, chẩn đoán sự tách lớp của dầm BTCT và FRP bằng các chỉ số đánh giá hư hỏng Phân tích và đánh giá các chỉ số trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa dầm BTCT và tấm FRP

iv

ABSTRACT

The main objective of this study is to evaluate the damage indexes for debonding detection in reinforced concrete beams strengthened FRP using impedance responses The following approaches are implemented to achieve the objective Finite element models are used to simulate the debonding of FRP sheets and reinforced concrete beams under various damage scenarios corresponding to various loadings Then, the impedance-based monitoring methods are used to diagnose the debonding by using four different damage indexes Base on the results, the damage indexes for debonding detection in reinforced concrete beams strengthened FRP using impedance responses are analyzed and evaluated

v

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng nghiên cứu được trình bày ở đây là do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồ Đức Duy và TS Hà Minh Tuấn Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021

Học viên thực hiện

Trần Ngọc Huỳnh

vi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Vai trò của chẩn đoán hư hỏng kết cấu 1

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 4

Mục tiêu nghiên cứu 4

1.2.1 Nội dung nghiên cứu 4

1.2.2 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Phân tích tính hiệu quả khi áp dụng vào bài toán thực tế 5

1.5 Cấu trúc luận văn 6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 7

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 7

2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 13

2.3 Tổng kết 16

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM) 18

3.2 Phương pháp trở kháng 20

Vật liệu áp điện, PZT và hệ phương trình tương thích 20

3.2.1 Đáp ứng trở kháng cơ-điện 22

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của phương pháp trở kháng 24

3.2.3 3.3 Các chỉ số đánh giá hư hỏng bằng phương pháp trở kháng 25

Chỉ số CC (Correlation Coefficcient) 25

3.3.1 Chỉ số CCD (Correlation Coefficcient Deviation) 26

3.3.2 Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation) 27

3.3.3 Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) 27

3.3.4 Định vị hư hỏng bằng chỉ số chuẩn hóa 28

3.3.5 3.4 Ứng dụng phần mềm ANSYS 28

Phần tử bê tông 29

3.4.1 Phần tử cốt thép 29

3.4.2 Phần tử FRP, keo Epoxy và đệm thép 30

3.4.3 Phần tử PZT 31

3.4.4 Phần tử nhôm 32 3.4.5

vii

Liên kết giữa các thành phần 32

3.4.6 CHƯƠNG 4: CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 34

4.1 Bài toán 1: Tấm tròn nhôm điều kiện biên tự do 34

Mô hình bài toán 35

4.1.1 Kết quả mô phỏng 38

4.1.2 Đánh giá hư hỏng trong tấm nhôm bằng 4 chỉ số CC, CCD, RMSD, 4.1.3 MAPD 49

4.2 Bài toán 2: Dầm BTCT có gia cường FRP 54

Mô hình bài toán 55

4.2.1 Bài toán gia tải trong dầm BTCT có gia cường FRP 61

4.2.2 Bài toán khảo sát tín hiệu trở kháng trong dầm BTCT có gia cường tấm 4.2.3 FRP ở các trạng thái hư hỏng tách lớp keo Epoxy .66

Đánh giá hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường FRP bằng 4 4.2.4 chỉ số 79

Xác định miền tần số nhạy cảm 92

4.2.5 Định vị hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT gia cường FRP bằng 4 chỉ số 4.2.6 99

So sánh việc lấy tín hiệu năm PZT đồng thời và lần lượt từng PZT 106

4.2.7 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116

5.1 Kết luận 116

5.2 Kiến nghị 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 122

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Gia cố sàn bằng tấm FRP 1

Hình 1.2 Gia cố dầm bằng tấm FRP 1

Hình 1.3 Gia cố cột bằng tấm FRP 2

Hình 1.4 Hư hỏng nứt dầm BTCT gia cường FRP 3

Hình 1.5 FRP và dầm BTCT tách rời nhau 3

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của phương pháp trở kháng cơ-điện [1] 7

Hình 2.2 Thí nghiệm phương pháp trở kháng cơ-điện trên tấm nhôm [4] 8

Hình 2.3 Mô hình có xét đến độ cứng của liên kết giữa PZT và kết cấu[5] 9

Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm dầm BTCT có gia cường FRP[6] 9

Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm chẩn đoán tách lớp trong mẫu dầm BTCT có gia cường FRP bằng phương pháp trở kháng [7] 10

Hình 2.6 Một số hình ảnh thí nghiệm dầm [8] 10

Hình 2.7 Thí nghiệm phát hiện hư hỏng trong kết cấu dạng dầm [10] 11

Hình 2.8 Thí nghiệm phát hiện sự trượt trong kết cấu liên hợp thép-bê tông [12] 12

Hình 2.9 Thí nghiệm phát hiện vết nứt trong dầm BTCT gia cường FRP 13

Hình 2.10 Thí nghiệm trên dầm BTCT có gia cường AFRP [16] 13

Hình 2.11 Thí nghiệm xác định khả năng kháng cắt của dầm BTCT 14

Hình 2.12 Thí nghiệm xác định khả năng kháng cắt của dầm BTCT 15

Hình 3.1 Mô hình của việc sử dụng SHM cho một công trình đường hầm [25] 19

Hình 3.2 Sử dụng SHM cho một công trình cầu Harbin Songhua ở Trung Quốc [26] .19

Hình 3.3 Nguyên tắc hoạt động của hiệu ứng áp điện thuận – nghịch 20

Hình 3.4 Một số hình dạng của PZT 21

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa trở kháng cơ và trở kháng điện [4] 22

Hình 3.6 Phần tử SOLID65 trong ANSYS 29

Hình 3.7 Phần tử Link180 trong ANSYS 30

ix

Hình 3.8 Phần tử SOLID185 cấu trúc đồng nhất trong ANSYS 31

Hình 3.9 Phần tử SOLID185 cấu trúc lớp trong ANSYS 31

Hình 3.10 Phần tử SOLID5 trong ANSYS 32

Hình 3.11 Phần tử SOLID45 trong ANSYS 32

Hình 3.12 Liên kết giữa các phần tử trong ANSYS 33

Hình 4.1 Mô hình thí nghiệm tấm tròn nhôm gắn PZT [28] 35

Hình 4.2 Mô hình 3D tấm tròn nhôm trong ANSYS 38

Hình 4.3 Đáp ứng trở kháng của trường hợp N0 39

Hình 4.4 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 40

Hình 4.5 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N1 40

Hình 4.6 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N2 41

Hình 4.7 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N3 41

Hình 4.8 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N4 42

Hình 4.9 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 đến N4 42

Hình 4.10 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 43

Hình 4.11 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N1 43

Hình 4.12 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N2 44

Hình 4.13 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N3 44

Hình 4.14 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N4 45

Hình 4.15 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 đến N4 45

Hình 4.16 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 46

Hình 4.17 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N1 46

Hình 4.18 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N2 47

Hình 4.19 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N3 47

Hình 4.20 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 và N4 48

Hình 4.21 Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình thí nghiệm N0 đến N4 48

Hình 4.22 Chỉ số CC 49

Hình 4.23 Chỉ số CCD 50

x

Hình 4.24 Chỉ số RMSD 50

Hình 4.25 Chỉ số MAPD 51

Hình 4.26 Mô hình bài toán dầm BTCT có gia cường tấm FRP bài toán tỉnh [31] 54 Hình 4.27 Vị trí các cảm biến PZT 54

Hình 4.28 Đường cong ứng suất – biến dạng nén dọc trục của bê tông [29] 56

Hình 4.29 Biểu đồ ứng suất chảy dẻo của thép 57

Hình 4.30 Mô hình phần tử hữu hạn dầm BTCT có gia cường tấm FRP 60

Hình 4.31 Biểu đồ quan hệ lực-chuyển vị dầm BTCT gia cường FRP mô phỏng 61

Hình 4.32 Biểu đồ quan hệ lực-chuyển vị dầm BTCT gia cường FRP 62

Hình 4.33 Ứng suất cắt tại bước tải P=29 kN trường hợp T1 63

Hình 4.34 Tách lớp keo Epoxy trường hợp T1 63

Hình 4.35 Ứng suất cắt tại bước tải P=35kN trường hợp T2 64

Hình 4.36 Tách lớp keo Epoxy trường hợp T2 64

Hình 4.37 Ứng suất cắt tại bước tải P=38kN trường hợp T3 65

Hình 4.38 Tách lớp keo Epoxy trường hợp T3 65

Hình 4.39 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong miền tần số 10-100 kHz 66

Hình 4.40 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong miền tần số 10-100 kHz 66

Hình 4.41 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong miền tần số 10-100 kHz 67

Hình 4.42 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong miền tần số 10-100 kHz 67

Hình 4.43 Tín hiệu trở kháng PZT3 trong miền tần số 10-100 kHz 68

Hình 4.44 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong miền tần số 10-100 kHz 68

Hình 4.45 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong miền tần số 10-100 kHz 69

Hình 4.46 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong miền tần số 10-100 kHz 69

Hình 4.47 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong miền tần số 10-100 kHz 70

Hình 4.48 Tín hiệu trở kháng PZT3 trong miền tần số 10-100 kHz 70

Hình 4.49 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong miền tần số 10-100 kHz 71

Hình 4.50 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong miền tần số 10-100 kHz 71

Hình 4.51 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong miền tần số 10-100 kHz 72

xi

Hình 4.52 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong miền tần số 10-100 kHz 72

Hình 4.53 Tín hiệu trở kháng PZT3 trong miền tần số 10-100 kHz 73

Hình 4.54 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong miền tần số 10-100 kHz 73

Hình 4.55 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong miền tần số 10-100 kHz 74

Hình 4.56 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong miền tần số 10-100 kHz 74

Hình 4.57 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong miền tần số 10-100 kHz 75

Hình 4.58 Tín hiệu trở kháng PZT3 trong miền tần số 10-100 kHz 75

Hình 4.59 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong miền tần số 10-100 kHz 76

Hình 4.60 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong miền tần số 10-100 kHz 76

Hình 4.61 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong miền tần số 10-100 kHz 77

Hình 4.62 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong miền tần số 10-100 kHz 77

Hình 4.63 Tín hiệu trở kháng PZT3’ trong miền tần số 10-100 kHz 78

Hình 4.64 Chỉ số CC PZT1 79

Hình 4.65 Chỉ số CCD PZT1 79

Hình 4.66 Chỉ số RMSD PZT1 80

Hình 4.67 Chỉ số MAPD PZT1 80

Hình 4.68 Chỉ số CC PZT1’ 81

Hình 4.69 Chỉ số CCD PZT1’ 81

Hình 4.70 Chỉ số RMSD PZT1’ 82

Hình 4.71 Chỉ số MAPD PZT1’ 82

Hình 4.72 Chỉ số CC PZT2 83

Hình 4.73 Chỉ số CCD PZT2 83

Hình 4.74 Chỉ số RMSD PZT2 84

Hình 4.75 Chỉ số MAPD PZT2 84

Hình 4.76 Chỉ số CC PZT2’ 85

Hình 4.77 Chỉ số CCD PZT2’ 85

Hình 4.78 Chỉ số RMSD PZT2’ 86

Hình 4.79 Chỉ số MAPD PZT2’ 86

xii

Hình 4.80 Chỉ số CC PZT3 87

Hình 4.81 Chỉ số CCD PZT3 87

Hình 4.82 Chỉ số RMSD PZT3 88

Hình 4.83 Chỉ số MAPD PZT3 88

Hình 4.84 Giá trị các chỉ số PZT1 miền tần số 10-100 kHz 94

Hình 4.85 Giá trị các chỉ số PZT1’ miền tần số 10-100 kHz 94

Hình 4.86 Giá trị các chỉ số PZT2 miền tần số 10-100 kHz 95

Hình 4.87 Giá trị các chỉ số PZT2’ miền tần số 10-100 kHz 95

Hình 4.88 Giá trị các chỉ số PZT3 miền tần số 10-100 kHz 96

Hình 4.89 Chỉ số CC chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T1 100

Hình 4.90 Chỉ số CC chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T2 100

Hình 4.91 Chỉ số CC chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T3 101

Hình 4.92 Chỉ số CCD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T1 101

Hình 4.93 Chỉ số CCD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T2 102

Hình 4.94 Chỉ số CCD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T3 102

Hình 4.95 Chỉ số RMSD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T1 103

Hình 4.96 Chỉ số RMSD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T2 103

Hình 4.97 Chỉ số RMSD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T3 104

Hình 4.98 Chỉ số CCD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T1 104

Hình 4.99 Chỉ số CCD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T2 105

Hình 4.100 Chỉ số CCD chuẩn hóa trường hợp hư hỏng T3 105

Hình 4.101 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong miền tần số 10-100 kHz 106

Hình 4.102 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong miền tần số 10-100 kHz 107

Hình 4.103 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong miền tần số 10-100 kHz 107

Hình 4.104 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong miền tần số 10-100 kHz 108

Hình 4.105 Tín hiệu trở kháng PZT3 trong miền tần số 10-100 kHz 108

Hình 4.106 Tín hiệu trở kháng PZT1 trong cách lấy tín hiệu trở kháng 112

Hình 4.107 Tín hiệu trở kháng PZT1’ trong cách lấy tín hiệu trở kháng 112

xiii

Hình 4.108 Tín hiệu trở kháng PZT2 trong cách lấy tín hiệu trở kháng 113 Hình 4.109 Tín hiệu trở kháng PZT2’ trong cách lấy tín hiệu trở kháng 113 Hình 4.110 Tín hiệu trở kháng PZT3 trong cách lấy tín hiệu trở kháng 114

xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Thông số vật liệu nhôm 35

Bảng 4.2 Thông số vật liệu PZT 36

Bảng 4.3 Các trường hợp hư hỏng tấm nhôm được khảo sát 37

Bảng 4.4 Thông số mô hình tấm tròn nhôm trong ANSYS 37

Bảng 4.5 So sánh tần số đỉnh trở kháng mô phỏng và thực nghiệm 39

Bảng 4.6 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 11-40 kHz 51

Bảng 4.7 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 11-150 kHz 51

Bảng 4.8 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 300-450 kHz 52

Bảng 4.9 Các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 11-40 kHz thí nghiệm [28] 52

Bảng 4.10 Các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 11-150 kHz thí nghiệm [28] 52 Bảng 4.11 Các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 300-450 kHz thí nghiệm [28] .52

Bảng 4.12 Thông số vật liệu bê tông 56

Bảng 4.13 Thông số vật liệu cốt thép 57

Bảng 4.14 Thông số vật liệu FRP 57

Bảng 4.15 Thông số vật liệu Keo 58

Bảng 4.16 Thông số vật liệu PZT-5A 59

Bảng 4.17 Thông số mô hình dầm BTCT gia cường FRP trong ANSYS 60

Bảng 4.18 Bảng so sánh kết quả tải trọng cực hạn và chuyển vị tương ứng của dầm BTCT gia cường FRP giủa mô phỏng số và thí nghiệm 62

Bảng 4.19 Các trường hợp mô phỏng hư hỏng 65

Bảng 4.20 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 75-85 kHz 89

Bảng 4.21 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 85-95 kHz 90

Bảng 4.22 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 75-95 kHz 91

Bảng 4.23 Tổng hợp các chỉ số đánh giá PZT1 trong miền tần số từ 10-100 kHz 96

Bảng 4.24 Tổng hợp các chỉ số đánh giá PZT1’ trong miền tần số từ 10-100 kHz 97 Bảng 4.25 Tổng hợp các chỉ số đánh giá PZT2 trong miền tần số từ 10-100 kHz 97

xv

Bảng 4.26 Tổng hợp các chỉ số đánh giá PZT2’ trong miền tần số từ 10-100 kHz 97 Bảng 4.27 Tổng hợp các chỉ số đánh giá PZT3 trong miền tần số từ 10-100 kHz 98 Bảng 4.28 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 75-85 kHz 109 Bảng 4.29 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 85-95 kHz 110 Bảng 4.30 Tổng hợp các chỉ số đánh giá trong miền tần số từ 75-95 kHz 111

xvi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTCT: Bê tông cốt thép

SHM: Structural Health Monitoring

PZT: Lead Zirconate Titanate

FRP: Fiber Reinforced Polymer

CFRP: Carbon Fiber Reinforced Polymer

GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic

AFRP: Aramid Fiber Reinforced Polymer

CC: Correlation Coefficcient

CCD: Correlation Coefficcient Deviation

RMSD: Root Mean Square Deviation

MAPD: Mean Absolute Percentage Deviation

NDE: Non – Destructive Evaluation

ƯST: Ứng suất trước

f Ứng suất tương ứng với biến dạng của bê tông

 Biến dạng tại ứng suất f c

8 trên thế giới, … Bên cạnh các công trình mới được xây dựng ngày càng nhiều, hiện trạng hư hỏng nhà ở và xuống cấp của các công trình hiện nay cũng ngày càng nhiều, cần được cải tạo sửa chửa, nâng cấp Một giải pháp hiệu quả và được sử dụng phổ biến hiện nay để gia cố cho các công trình là vật liệu polymer cốt sợi dạng tấm (FRP)

Hình 1.1 Gia cố sàn bằng tấm FRP (Nguồn: Internet)

Hình 1.2 Gia cố dầm bằng tấm FRP (Nguồn: Internet)

2

Hình 1.3 Gia cố cột bằng tấm FRP (Nguồn: Internet)

Vật liệu polymer cốt sợi dạng tấm (Fiber Reinforced Polymer – FRP) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ngành xây dựng, có thể kể đến như

sử dụng gia cường cho dầm, gia cường sàn, gia cường cột, … bởi những đặc tính nổi trội so với các phương pháp gia cố truyền thống (sử dụng thép tấm, tăng tiết diện cấu kiện,….) như:

- Khả năng chịu lực va đập, lực kéo tốt hơn hẳn so với vật liệu làm từ thép không rỉ lên tới 15 lần

- Với cấu trúc sắp xếp nguyên tử carbon theo mạng lưới theo hình sợi 2 chiều giúp vật liệu này có khả năng linh hoạt rất tốt, tạo thuận lợi trong việc lắp ghép, gia cố công trình

- Trọng lượng rất nhẹ, giúp dễ dàng vận chuyển di chuyển từ nơi này đến nơi khác

- Khả năng chống ăn mòn bởi các hóa chất, axit rất tốt, qua đó bảo vệ vật liệu xây dựng khỏi bị rỉ

- Dễ dàng tính toán và kiểm tra lại với phần mềm do nhà sản xuất cung cấp

Bên cạnh những ưu điểm thì việc sử dụng chúng lại tiềm ẩn rủi ro về việc hư hỏng công trình nguyên nhân xuất phát từ việc mất liên kết có thể xảy ra giữa tấm FRP và bề mặt cấu kiện bê tông, hoặc hư hỏng trong nội tại dầm BTCT

Các trường hợp hư hỏng có thể xuất hiện:

- Hư hỏng nứt trong bê tông

- Hư hỏng mất liên kết giữa FRP và bê tông do lớp keo dán mất tác dụng

- Hư hỏng tách lớp giữa các tấm FRP (trường hợp gia cố nhiều lớp)

- Hư hỏng đứt các tấm FRP

3

Hình 1.4 Hư hỏng nứt dầm BTCT gia cường FRP (Nguồn: Internet)

Hình 1.5 FRP và dầm BTCT tách rời nhau (Nguồn: Internet)

Trong các trường hợp phá hoại trên thì phá hoại do bong tách tấm FRP ra khỏi dầm BTCT thường hay xảy ra nhất Nguyên nhân là do chất lượng thi công và chất lượng keo dán không được đảm bảo tuyệt đối Những hư hỏng loại này thường xuất hiện với mức độ ban đầu rất nhỏ nhưng làm ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu được gia cường, dẫn đến sự lây lan nhanh của loại hư hỏng tách lớp này Vì vậy việc cảnh báo sớm các hư hỏng tách lớp này ngay từ thời điểm xuất hiện có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho kết cấu

Vấn đề đặt ra là cần chẩn đoán được hiện tượng tách lớp trong kết cấu BTCT có gia cường tấm FRP Đề tài này khảo sát khả năng sử dụng đặc trưng trở kháng trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa FRP và bê tông trong cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP, nhằm cảnh báo sớm và kịp thời sửa chữa Phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng cách sử dụng đáp ứng trở kháng là sử dụng tích hợp thiết bị cảm biến PZT (Lead Zirconate Titanate) với kích thích ở một dải tần số cao

để cung cấp khả năng tự theo dõi các thay đổi động học của kết cấu từ đó chẩn đoán phát hiện vị trí hư hỏng trong kết cấu Hiện nay có nhiều loại chỉ số được sử dụng

4

cho việc phân tích chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu nói chung và hư hỏng tách lớp giữa dầm BTCT và FRP nói riêng, cho nên cần có sự đánh giá lựa chọn chỉ số phù hợp

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1.

Mục tiêu của đề tài là chẩn đoán hư hỏng và đánh giá các chỉ số cho việc chẩn đoán dạng hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đáp ứng trở kháng Bằng cách sử dụng mô hình phần tử hữu hạn, mô phỏng sự làm việc của dầm BTCT có gia cường tấm FRP chịu tác động của tải trọng Từ tín hiệu trở kháng thu được, các chỉ số đánh giá hư hỏng được phân tích và đánh giá

Nội dung nghiên cứu

1.2.2.

Để đạt được mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu sau sẽ được thực hiện:

- Tìm hiểu về đáp ứng trở kháng, phương pháp chẩn đoán hiện trạng tách lớp của kết cấu dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện Tìm hiểu về các chỉ số chẩn đoán hư hỏng được sử dụng

- Mô phỏng tấm tròn bằng nhôm theo phương pháp phần tử hữu hạn

Sử dụng đáp ứng trở kháng và các chỉ số đánh giá hư hỏng để phân tích kết quả sau đó so sánh và kiểm chứng với kết quả đã công bố

- Mô phỏng dầm BTCT có gia cường tấm FRP Tiến hành gia tải từ từ cho dầm ứng xử như thực tế để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp của cấu kiện dầm BTCT và tấm FRP gia cường

- Sử dụng đáp ứng trở kháng và các chỉ số đánh giá hư hỏng để chẩn đoán hiện tượng tách lớp trong kết cấu Dựa trên kết quả thu được, sự phù hợp của các chỉ số trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa dầm bê tông cốt thép và tấm FRP gia cường được phân tích và đánh giá

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Thi công gia cố công trình bê tông cốt thép bằng vật liệu FRP đang ngày trở nên phổ biến trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Sử dụng tấm FRP dán vào mặt dầm BTCT với mục đích tăng khả năng chịu lực cho dầm ngày càng phổ biến Tuy nhiên tấm FRP dán vào dầm BTCT có thể bị tách do nhiều nguyên nhân dẫn đến mất tác dụng gia cố có thể gây hậu quả nguy hiểm nên cần phải có biện pháp theo dõi, đánh giá hư hỏng tách lớp này Dầm BTCT có gia cường tấm FRP là đối tượng đầu tiên của luận văn này

5

Việc sử dụng phương pháp trơ kháng để đánh giá sự hư hỏng trong kết cấu đã được áp dụng từ lâu và phổ biến trên thế giới tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa được áp dụng nhiều ở Việt Nam Đặc biệt việc áp dụng phương pháp trở kháng để đánh giá hư hỏng tác lớp trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP vẫn chưa được nghiên cứu và áp dụng thực tế ở Việt Nam Việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn

mô phỏng kết cấu thực tế kết hợp với sử dụng phương pháp trở kháng để chẩn đoán

hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT là đối tượng nghiên cứu thứ hai của luận văn này

Dựa trên tín hiệu trở kháng thu được từ các kết quả mô phỏng thí nghiệm, ta có thể sử dụng các chỉ số đánh giá hư hỏng khác nhau để đánh giá sự hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường FRP được sử dụng Trong luận văn này, bốn chỉ số bao gồm: CC (Correlation Coefficient), CCD (Correlation Coefficcient Deviation), RMSD (Root Mean Square Deviation), MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation) được chọn để khảo sát Các chỉ số đánh giá trong đánh giá sự hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP là đối tượng nghiên cứu thứ ba của luận văn này

1.4 Phân tích tính hiệu quả khi áp dụng vào bài toán thực tế

Hư hỏng dạng tách lớp giữa dầm BTCT và tấm FRP là phổ biến ở các cấu kiện được gia cường bằng vật liệu FRP Những hư hỏng này xuất hiện ban đầu với mức

độ nhỏ nhưng ảnh hưởng lớn đến kết cấu, nếu được chẩn đoán, phát hiện và xử lý kịp thời sẽ không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu

Việc sử dụng trở kháng PZT để theo dõi ứng xử của kết cấu là rất khả thi do kích thước và khối lượng của PZT là rất nhỏ không ảnh hưởng đến kết cấu và đồng thời có nhiều phương pháp để gắn các PZT lên các cấu kiện một cách dễ dàng Thêm vào đó việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng và đưa ra các đánh giá về sự xuất hiện của hư hỏng với mức độ tin cậy cao sẽ góp phần đơn giản hóa việc theo dõi và chẩn đoán sự xuất hiện của hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT

có gia cường FRP

Có nhiều chỉ số để đánh giá sự hư hỏng trong kết cấu cũng như hư hỏng tách lớp giữa dầm BTCT và tấm FRP gia cường Cần có sự phân tích đánh giá các chỉ số này để lựa chọn ra chỉ số phù hợp và nhạy cảm trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường FRP

6

1.5 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn gồm 5 chương:

Chương 1 Giới thiệu: Giới thiệu đề tài, lĩnh vực đang thực hiện nghiên cứu bao gồm thực trạng, mục tiêu, nội dung và cấu trúc luận văn

Chương 2 Tổng quan nghiên cứu: Giới thiệu các nghiên cứu trong nước và ngoài nước đã có, các tổng kết và đưa ra định hướng nghiên cứu

Chương 3 Cơ sở lý thuyết: Cơ sở lý thuyết và phương pháp dùng để đánh giá

hư hỏng tách lớp trong cấu kiện dầm BTCT gia cường tấm FRP và các chỉ số sử dụng để chẩn đoán hiện tượng hư hỏng này

Chương 4 Các bài toán ứng dụng: Giới thiệu các bài toán ứng dụng, nhận xét, phân tích kết quả

Chương 5: Kết luận và kiến nghị: dựa trên các số liệu thu được từ nghiên cứu rút ra kết luận và đưa ra các kiến nghị để phát triển quá trình nghiên cứu

7

2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Chương này trình bày về tình hình nghiên cứu sử dụng FRP trong gia cường dầm BTCT và việc sử dụng trở kháng để theo dõi chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu này trên thế giới và Việt Nam Trong phần này, luận văn sẽ nêu ra những vấn đề còn tồn đọng và hướng nghiên cứu thực hiện để giải quyết các vấn đề này

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Sự ra đời của các vật liệu thông minh như trở kháng hỗ trợ cho cuộc cách mạng trong lĩnh vực giám sát sức khỏe cấu trúc (SHM) dựa trên các phương pháp thử nghiệm không phá hủy (NDT) Việc sử dụng trở kháng để ghi nhận thông tin chẩn đoán mức độ hư hỏng trong kết cấu đã được sử dụng trên thế giới trong những năm gần đây

Liang và cộng sự (1994) [1] đã phát minh ra phương pháp sử dụng trở kháng cơ-điện dán lên kết cấu để đo trở kháng của kết cấu và khảo sát những thay đổi trong trở kháng cơ học của kết cấu Phân tích này sử dụng một mô hình đơn giản, được thể hiện như hình [2.1] Kết quả đã rút ra được sự liên quan giữa trở kháng động lực học của miếng PZT với trở kháng cơ học của kết cấu chủ bằng nhiều thí nghiệm khác nhau

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của phương pháp trở kháng cơ-điện [1]

Wang và cộng sự (1996) [2] đã mở rộng nghiên cứu của Liang và cộng sự cho

sử dụng nhiều bộ kích thích PZT được dán lên kết cấu cả hai mặt Nghiên cứu chứng thực khả năng cảm biến của chúng, dựa vào việc theo dõi sự dẫn nạp điện trên trở kháng của kết cấu Nghiên cứu chứng minh được rằng có khả năng tìm ra ứng xử của kết cấu thông qua việc đo trở kháng điện của PZT

Wang và cộng sự (1997) [3] đã xây dựng một mô hình thuật toán diễn tả được

sự tương thích của biến dạng giữa các tấm PZT trên dầm hoặc tấm Thiết lập quan

8

hệ đặc trưng tĩnh học giữa các tấm PZT và biến dạng của kết cấu Nghiên cứu cho thấy độ nhạy của chúng đối với biến dạng phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc của các PZT dán vào dầm hoặc tấm Ngoài ra độ nhạy còn bị ảnh hưởng bởi điện áp của tấm PZT

Giurgiutiu và Zagrai (2000) [4] đã nghiên cứu sử dụng trở kháng cơ-điện phát hiện hư hỏng trên tấm nhôm vuông được sản xuất để làm cánh máy bay Chi tiết thí nghiệm như hình [2.2] Đề xuất sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và so sánh để tìm ra mối quan hệ giữa vết nứt và cảm biến cơ-điện Kết quả cho thấy phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn là tương đương với kết quả thực nghiệm

Hình 2.2 Thí nghiệm phương pháp trở kháng cơ-điện trên tấm nhôm [4]

Xu và Liu (2002) [5] đã sử dụng phương pháp trở kháng nghiên cứu ảnh hưởng của lớp liên kết trong tương tác giữa tấm PZT và kết cấu chính Mô hình thí nghiệm thể hiện trên hình [2.3] Nghiên cứu này cho thấy rằng ảnh hưởng của điều kiện liên kết đến sự chính xác của kết quả Tuy nhiên việc xác định độ cứng của lớp liên kết giữa tấm PZT và kết cấu chủ là rất khó

9

Hình 2.3 Mô hình có xét đến độ cứng của liên kết giữa PZT và kết cấu[5]

Ibrahim và Mahmood (2009) [6] đã mô hình dầm BTCT có gia cường bên ngoài tấm FRP Mô hình thí nghiệm như hình [2.4] Sử dụng phần mềm ANSYS

mô phỏng và so sánh với kết quả thực nghiệm cho thấy hai kết quả tương tự nhau Biểu đồ tải trọng – độ võng từ ANSYS cũng tương tự với kết quả thực nghiệm

Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm dầm BTCT có gia cường FRP[6]

Park và cộng sự (2010) [7] đã thí nghiệm khảo sát điều kiện liên kết của mẫu dầm BTCT có gia cường tấm CFRP sử dụng phương pháp thực nghiệm trở kháng cơ-điện Mô hình thí nghiệm dầm BTCT kích thước 40cm x 10cm x 10cm, được gia cường bằng tấm CFRP kích thước 30cm x 5cm x 0.3cm Hai PZT kích thước 3.6cm

x 3.6cm x 0.05cm được dán vào tấm CFRP tại các vị trí cách đầu tấm PZT 10cm và 20cm Mô hình thí nghiệm như hình [2.5] Kết quả cho thấy hiệu quả của phương pháp chẩn đoán sức khỏe kết cấu bằng trở kháng trong kiểm tra tình trạng liên kết trong cấu kiện BTCT gia cường bằng tấm dán CFRP, trong nghiên cứu tác giả sử dụng hệ số tương quan CC (Cross Correlation) để đánh giá hư hỏng

Hình 2.6 Một số hình ảnh thí nghiệm dầm [8]

Voutetaki và cộng sự (2012) [9] đã xây dựng một mô hình phần tử hữu hạn đơn giản để khảo sát sự làm việc của PZT trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu BTCT có gia cường FRP và sử dụng mức điện áp tối ưu để gây ra lực ngăn cản sự tách lớp giữa tấm FRP và dầm BTCT Kết quả cho thấy, với mức điện áp tối ưu hoạt động

áp điện loại bỏ ứng suất tại khu vực kết cấu bị tách lớp tấm FRP Cần có sự nghiên cứu để hạn chế sự tách lớp này

11

Nguyen và cộng sự (2013) [10] đã thí nghiệm phát hiện hư hỏng trong kết cấu dạng dầm thông qua phản ứng áp điện kép của PZT Thí nghiệm thực hiện trên một dầm nhôm công xôn kích thước 600x60x10mm chi tiết như hình [2.7] 5 PZT được gắn trên dầm với khoảng cách đều 150mm, lực tác động cách đầu tự do của dầm 180mm Phương pháp chẩn đoán sức khỏe kết cấu sử dụng trở kháng có khả năng cảnh báo thành công sự xuất hiện của hư hỏng, tuy nhiên đối với việc xác định vị trí

hư hỏng nó chỉ thực sự hiệu quả trong việc định vị các hư hỏng nhỏ và cần phải kết hợp với các phương pháp khác để có thể dự đoán một cách chính xác nhất Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng chỉ số RMSD để đánh giá hư hỏng trong kết cấu

Hình 2.7 Thí nghiệm phát hiện hư hỏng trong kết cấu dạng dầm [10]

Tzoura và Triantafillou (2014) [11] đã thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng của cột BTCT gia cường bằng tấm FRP sử dụng cảm biến trở kháng PZT Phương pháp trở kháng PZT chẩn đoán tương đối chính xác hư hỏng đối với các cột BTCT gia cường

từ 2 lớp FRP trở xuống, trong trường hợp gia cường nhiều hơn 2 lớp thì không còn chính xác nữa

Liang và cộng sự (2016) [12] đã nghiên cứu về sự trượt trong kết cấu liên hợp thép-bê tông sử dụng phương pháp trở kháng Mô hình thí nghiệm như hình [2.8] Chỉ số RMSD được sử dụng để chẩn đoán hư hỏng Bên cạnh kết quả thực nghiệm, nghiên cứu còn xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để kiểm chứng kết quả Mô phỏng và thí nghiệm cho kết quả tương tự nhau khẳng định khả năng sử dụng phương pháp trở kháng để chẩn đoán sự trượt trong kết cấu liên hợp thép-bê tông

12

Hình 2.8 Thí nghiệm phát hiện sự trượt trong kết cấu liên hợp thép-bê tông [12]

Li và cộng sự (2017) [13] đã nghiên cứu sự tách lớp khi sử dụng vật liệu FRP thay thế cho cốt thép trong kết cấu BTCT Nghiên cứu đã sử dụng trở kháng cơ điện trong phương pháp theo dõi sức khỏe kết cấu để phát hiện ra hư hỏng Kết quả là kết cấu bị phá hoại do tách lớp giữa kết cấu và FRP Nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả trong việc sử dụng trở kháng cơ-điện phát hiện hư hỏng trong kết cấu có sử dụng vật liệu FRP Nghiên cứu sử dụng chỉ số RMSD và MAPD để đánh giá hư hỏng

Na và Baek (2018) [14] đã tổng hợp về việc sử dụng trở kháng điện trong SHM trong kết cấu xây dựng Bài báo trình bày các nghiên cứu về sử dụng trở kháng điện trong chẩn đoán kết cấu, đưa ra các khái niệm, ý tưởng mới được đề xuất bởi các tác giả khác nhau và đưa kết luận với một cuộc thảo luận về tiềm năng phương hướng cho các công trình trong tương lai

Jiang và cộng sự (2019) [15] đã thực hiện nghiên cứu về phát hiện vết nứt trong dầm BTCT có gia cường FRP bằng phương pháp sử dụng PZT thông minh Mô hình thí nghiệm thể hiện như hình [2.9] Việc sử dụng công nghê mới SAs (smart aggregates) hỗ trợ cho phương pháp sử dụng PZT truyền thống trong việc phát hiện

ra hư hỏng trong kết cấu dầm BTCT Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp hoạt động dựa trên PZT yêu cầu chi phí thấp, có thể theo dõi thiệt hại do vết nứt gây

ra và có khả năng đưa ra cảnh báo sớm về sự xuất hiện vết nứt và phát triển cho dầm bê tông cốt thép có gia cường FRP

13

Hình 2.9 Thí nghiệm phát hiện vết nứt trong dầm BTCT gia cường FRP

bằng phương pháp trở kháng [15]

2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Trần (2007) [16] đã tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu quả làm việc của dầm BTCT có gia cường tấm AFRP Mô hình thí nghiệm thể hiện như hình [2.10] Phát triển phương pháp tính toán bán thực nghiệm về khả năng chịu uốn của BTCT

có gia cường AFRP theo hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT Kết quả nghiên cứu cho thấy tấm AFRP giúp tăng khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt thép, tăng tuổi thọ công trình, sự có mặt của tấm AFRP ảnh hưởng nhiều đến sự phá hoại của kết cấu

Hình 2.10 Thí nghiệm trên dầm BTCT có gia cường AFRP [16]

14

Nguyễn (2009) [17] đã nghiên cứu thực nghiệm gia cường khả năng kháng cắt của dầm BTCT bằng vật liệu FRP Nghiên cứu tiến hành thí nghiệm trên 15 dầm được gia cường bằng kỹ thuật EBR (FRP dạng tấm) và NSMR (FRP dạng thanh cán mỏng) Mô hình thí nghiệm thể hiện như hình [2.11] Kết quả cho thấy vật liệu FRP nâng cao đáng kể khả năng chịu cắt của dầm BTCT Xét trên các khía cạnh kinh tế, khả năng chịu lực và tính dẻo của cấu kiện sau khi kết cấu bị phá hoại, kỹ thuật NSMR hiệu quả hơn so với kỹ thuật EBR

Hình 2.11 Thí nghiệm xác định khả năng kháng cắt của dầm BTCT

gia cường bằng vật liệu FRP [17]

Nguyễn (2011) [18] đã nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình đến khả năng kháng cắt của dầm BTCT có gia cường tấm GFRP Mô hình thí nghiệm thể hiện như hình [2.12] Kết quả cho thấy hiệu quả gia cường của tấm GFRP dạng chữ

U sẽ giảm dần theo sự gia tăng kích thước của dầm thực nghiệm Kết quả còn thể hiện tấm gia cường GFRP dạng chữ U sẽ giúp tăng khả năng kháng cắt của dầm, tăng khả năng kháng nứt xiên, giảm chuyển vị của dầm

15

Hình 2.12 Thí nghiệm xác định khả năng kháng cắt của dầm BTCT

gia cường bằng vật liệu FRP [18]

Ngô (2014) [19] đã mô phỏng các mẫu dầm nhôm trong giai đoạn không hư hỏng và có hư hỏng, so sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và thí nghiệm Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và đánh giá hư hỏng liên kết bu lông Tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng trước và sau khi có hư hỏng trong liên kết bu lông Từ những thay đổi đó đánh giá mức độ hư hỏng trong liên kết bu lông Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp trở kháng hiệu quả trong theo dõi và chẩn đoán sức khỏe kết cấu, phần mềm Comsol 4.0 cho kết quả mô phỏng độ tin cậy cao Nghiên cứu sử dụng chỉ số RMSD để đánh giá hư hỏng trong kết cấu

Lê (2015) [20] đã nghiên cứu một phương pháp theo dõi không phá hủy trong theo dõi và chẩn đoán kết cấu, đó là phương pháp sử dụng trở kháng Nghiên cứu về

sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tín hiệu thu được cũng như đề xuất những phương pháp loại bỏ sự ảnh hưởng đó mà không làm tác động đến kết quả theo dõi hư hỏng Bên cạnh đó, khảo sát sự khả dụng của phần mềm ANSYS 14.5 trong việc mô phỏng lại các bài toán thực nghiệm Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả của phương pháp trở kháng trong theo dõi và đánh giá hư hỏng trong kết cấu Mô hình phần tử hữu hạn trong phần mềm ANSYS cho kết quả có độ tin cậy cao Nghiên cứu sử dụng chỉ số RMSD để đánh giá hư hỏng trong kết cấu

16

Nguyễn (2015) [21] đã mô phỏng số phân tích ứng xử của dầm BTCT có gia cường tấm FRP và tấm thép neo chống trượt khi chịu uốn Từ kết quả mô phỏng, phân tích và so sánh với kết quả thực nghiệm Phát triển bài toán bằng cách thay đổi chiều dài tấm thép neo chống trượt gia cường để xem xét tải trọng cực hạn và xác định chiều dài neo tối ưu cho dầm BTCT có gia cường tấm FRP và tấm thép neo chống trượt

Nguyễn (2016) [22] đã nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT ƯST căng sau sử dụng hệ thống chẩn đoán hỗn hợp dao động và trở kháng

để xác định hai loại hư hỏng (hư hỏng trong cáp và hư hỏng trong dầm) Kết quả cho thấy khả năng chẩn đoán chính xác của phương pháp theo dõi hỗn hợp

Lê (2017) [23] đã nghiên cứu khả năng kháng chấn của khung BTCT gia cường kháng uốn bằng FRP Nghiên cứu đã phân tích đánh giá hiệu quả gia cường kháng uốn bằng FRP cho khung BTCT chịu các mức độ động đất khác nhau Nghiên cứu đánh giá gia cường kháng uốn bằng FRP cho kết cấu để tăng khả năng chịu động đất của công trình

Nguyễn (2018) [24] đã chẩn đoán hiện tượng hư hỏng tách lớp trong cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện Các mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng hiện tượng tách lớp giữa tấm FRP

và dầm BTCT trong nhiều trường hợp hư hỏng giả định khác nhau Kết quả phân tích trở kháng được sử dụng để chẩn đoán hư hỏng cho cấu kiện Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp trở kháng cơ-điện hiệu quả trong việc chẩn đoán sự tách lớp giữa dầm bê tông và tấm FRP Trong một số trường hợp, sử dụng chỉ số RMSD chuẩn hóa trong phương pháp đáp ứng trở kháng cơ-điện có thể định vị một cách chính xác vị trí hư hỏng tách lớp đơn xuất hiện trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP

2.3 Tổng kết

Nghiên cứu về sử dụng trở kháng trong theo dõi và chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu đã được thực hiện khá nhiều trên thế giới Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp sử dụng trở kháng trong theo dõi và chẩn đoán hư hỏng vào chẩn đoán hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường FRP vẫn còn hạn chế Ở Việt Nam hiện nay đã có nghiên cứu về vấn đề này nhưng chưa phân tích cho kết cấu dầm BTCT có gia cường tấm FRP dưới tác dụng của tải trọng và chưa có sự đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về chẩn đoán hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường FRP sử dụng đáp ứng trở kháng đã công bố chỉ dừng lại trong

17

phạm vi giả định các hư hỏng ở vị trí cố định và trực tiếp tạo ra hư hỏng để nghiên

cứu Thực tế các vị trí hư hỏng xảy ra ở nhiều vị trí khác nhau và phụ thuộc nhiều

vào tải trọng tác dụng

Ngày nay, các công trình sử dụng FRP để gia cường cho các vị trí hư hỏng ngày

càng nhiều Song song đó hư hỏng do việc tách lớp giữ FRP và các cấu kiện BTCT

là phổ biến Vì vậy nghiên cứu về việc sử dụng trở kháng cơ điện để chẩn đoán và

phát hiện hư hỏng trong tách lớp trong dầm BTCT có gia cường FRP là cần thiết,

tạo cơ sở tin cậy hơn cho việc áp dụng rộng rãi trong thực tế Luận văn thực hiện

nghiên cứu về việc gia tải để tạo ra hư hỏng để mô phỏng ở mức độ tương đồng cao

với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu Sử dụng đáp ứng trở kháng và các chỉ số

đánh giá để chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa dầm BTCT và tấp FRP gia cường

Đánh giá các chỉ số cho việc chẩn đoán hiện tượng tách lớp này Hơn nữa, một

phương pháp chuẩn hoán chỉ số cũng được đề xuất để chẩn đoán vị trí các hư hỏng

18

3 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết được sử dụng trong luận văn bao gồm: Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM); Phương pháp sử dụng đáp ứng trở kháng để ghi nhận các thông tin, số liệu dùng cho chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu; Lý thuyết sử dụng các chỉ số đánh giá cho việc chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu; Phương pháp mô hình phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng kết cấu, lấy thông tin, số liệu

3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM)

Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring-SHM) được sử dụng để phát hiện ra những hư hỏng trong kết cấu dựa trên các số liệu phân tích đặc tính của kết cấu Những đặc tính kết cấu có thể biến đổi như biến đổi trong vật liệu hoặc tính chất hình học của một hệ kết cấu, bao gồm các thay đổi liên quan đến điều kiện biên và hệ thống kết nối Quá trình chẩn đoán sức khỏe kết cấu được định nghĩa như chuỗi quá trình thu thập, xử lí và phân tích dữ liệu nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lí công trình xây dựng Để thực hiện quá trình giám sát này thì phải quan sát được đáp ứng động của hệ thống trong một khoảng thời gian xác định Việc quan sát được thực hiện nhờ sử dụng một tổ hợp các cảm biến được lắp đặt trên các công trình cần theo dõi Những thông tin về hư hỏng hiện tại (nếu có) của công trình sẽ đạt được nhờ các kết quả đo lường này kết hợp với các phân tích thống kê Những hư hỏng sẽ được xem là những thay đổi khác biệt về đặc trưng

hệ thống khi hoạt động tốt so với tình trạng hiện tại hoặc tương lai

Brownjohn (2007) [36] đã có nghiên cứu về quá trình phát triển của các dạng ứng dụng SHM trong các công trình hạ tầng và tổng hợp cung cấp thông tin về một

số dạng nghiên cứu điển hình của SHM Hình 3.1 bên dưới là mô hình của việc sử dụng SHM cho một công trình đường hầm

19

Hình 3.1 Mô hình của việc sử dụng SHM cho một công trình đường hầm [25]

Dalian (2009) [37] đã có nghiên cứu về việc sử dụng hệ thống SHM trong các công trình cơ sở hạ tầng ở Trung Quốc Hình 3.2 dưới đây là một công trình cầu có trong nghiên cứu Nghiên cứu cho thấy được sự phát triển của hệ thống SHM ở quốc gia này Từ việc ứng dụng các tiến bộ công nghệ như cảm biến thông minh, cảm biến không dây, vào SHM, đến các thiết bị hiện đại giúp hỗ trợ phân tích dữ liệu nhanh chống, chính xác

Hình 3.2 Sử dụng SHM cho một công trình cầu Harbin Songhua ở Trung Quốc [26]

Ngày nay, hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu SHM được phát triển và ứng dụng rộng mà hình thức sử dụng PZT làm thiết bị thu thập dữ liệu kết cấu là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến

20

3.2 Phương pháp trở kháng

Vật liệu áp điện, PZT và hệ phương trình tương thích

3.2.1.

Với ưu điểm giá thành rẻ, nhẹ, đa năng hình dạng kích thước đa dạng Vật liệu

áp điện đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực SHM Vật liệu áp điện là một vật liệu có thể chuyển đổi năng lượng điện và năng lượng cơ học qua lại với nhau và tạo ra hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch, xảy ra trong một số chất rắn như thạch anh, gốm kỹ thuật, Khi đặt dưới áp lực thì bề mặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện bề mặt thì khối sẽ nén dãn

Hình 3.3 Nguyên tắc hoạt động của hiệu ứng áp điện thuận – nghịch (Nguồn:

Internet)

PZT là một dạng của vật liệu áp điện PZT được tạo ra và sản xuất (dưới nhiệt

độ cao) với hai thành phần hóa học-chì và zirconium- và kết hợp với một hợp chất hóa học được gọi là titanate Công thức hóa học PZT là (Pb [Zr (x) Ti (1-x)] O 3 )

Nó thường được sử dụng để sản xuất siêu âm đầu dò, tụ điện gốm, và các cảm biến khác và thiết bị truyền động

21

Hình 3.4 Một số hình dạng của PZT (Nguồn: Internet)

Hệ phương trình tương thích của hiệu ứng áp điện thể hiện tương tác cơ-điện của vật liệu áp điện (quan hệ giữa vật liệu áp điện với ứng suất và điện trường) thể hiện thông qua hệ phương trình sau:

ij

E ijkl kl kij k

S : là ma trận độ mềm đàn hồi ứng với một điện trường bất biến

T jk

 : là hằng số điện môi đo được khi không có tác động cơ học (ma trận hằng số điện môi ứng với một trường ứng suất bất biến)

E : là vector cường độ điện trường

Dạng tường minh của các đại lượng: