Hình 1.1: Các bước trong việc tiễn hành đánh giá và nhận dạng khuyết tậtTrong đó các công việc được xếp theo thứ tự từ thấp đến cao bao gồm: e Viéc kiểm tra và kết luận có hay không có s
TÔNG QUAN
Nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu về mô hình cầu, luận văn thạc sĩ này sẽ tiếp cận mô hình cầu bằng cách mô hình hóa cơ hệ ay thành một dầm đơn tựa hai đầu [1] trong đó nhịp cầu sẽ mô hình bằng một dầm đơn, điều kiện biên liên kết được thê hiện bởi hai gối đơn Vì khuyết tật trên mô hình dầm cầu được thể hiện dưới nhiều hình thức khác nhau như: vết nứt trên dầm, sự lão hóa của dầm theo thời gian, tac nhân lý — hóa từ môi trường bên ngoài, do đó với luận văn này, khuyết tật trên dam cầu sẽ được hiểu là bất kỳ sự thay đổi độ cứng của dầm làm ảnh hưởng trực tiếp đến kha năng chịu lực của đầm Khi ấy khuyết tật gây bởi sự thay đổi kích thước hình học, dạng hình học hay như thay đôi trong cầu trúc của vật liệu có thé được tham khảo bởi:
[2-12], trong đó các tác giả thường sử dụng vết nứt, vết cắt, vết cắt ngang, vết cắt đọc, vết cách theo chiêu sâu, hay dang hình học của vết nứt như vết cắt hình tròn, vết cắt hình oval, vết cắt xiên, hay sự suy giảm về cơ tính như modun đàn hồi, modun chống xoan, hay tổ hợp của những yếu tố trên đề được nghiên cứu quy về một trang thái duy nhất là làm suy giảm độ cứng, trong đó chủ yếu được quy về độ cứng chống biến dạng EJ;.
Khi tải trọng di chuyển trên đầm, dù dim có khuyết tật hay không thì đồng thời luôn xuất hiện của hai thành phần mang năng lượng (cơ năng) bao gồm [13]: động năng và thế năng Trong đó động năng thé hiện sự di chuyển dưới tác dụng của lực mang vận tốc, khi đó động năng gây ra những xung làm cho dao động Ngược lại với động năng, thế năng được sinh ra do sự thay đổi trong tâm của dim bởi tải trọng bản thân vốn có của dam và tải trọng di chuyển trên dầm làm cho độ võng của dầm tăng lên Khi đó, đường trung hòa của dầm sẽ thay đổi cho ảnh tưởng của thé năng theo thời gian Như vậy, dưới tác dụng của tải trọng, thế năng của vật sẽ tăng theo thời gian (chuyến vị tĩnh của dầm tăng theo thời gian) Đối với những dam mang khuyết tật thì chính khuyết tật ấy sẽ làm tiêu hao năng lượng va năng lượng sẽ được truyền từ bản thân cơ hệ đến bề mặt của vết cắt Năng lượng này xuất hiện từ năng lượng biến dạng (cơ năng) tích lũy hoặc năng lượng được cung cấp bởi lực bên ngoài của dầm.
Khi khuyết tật đủ lớn sẽ làm cho dầm bị phá hủy bởi các hiện gãy, đứt, trên đầm hay nói cách khác dé giải thích cho hiện tượng này khi độ võng của dầm vượt qua giá trị độ võng cho phép khi đó sẽ gây hiện tượng phá hủy của dầm Về mặt tổng quan có thé thấy, cơ năng luôn được bảo toàn (theo định luật bảo toàn năng lượng) trong khi thế năng lại tăng lên do độ võng của dầm tăng như vậy động năng sẽ phải giảm theo độ tăng của thế năng Tuy nhiên, theo khảo sát và đánh giá của những cây cầu bị sập trong quá trình lưu thông thì hầu hết các hiện tượng trước khi bị sập (bị phá hủy cơ tính) thì cầu đều bị rung động rất mạnh Như vậy, đã có sự chuyên hóa năng lượng rất lớn từ thế năng qua động năng để gây ra sự phá hủy Từ đánh giá trên, luận văn sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa động năng và thế năng trong mô hình dầm có khuyết tật từ đó tìm hiểu quá trình chuyển đôi năng lượng khi dầm suy giảm co tính.
1.1 Thực trạng trong đánh giá và nhận dạng khuyết tật trong cau trúc dam Các bước nhận dang khuyết tật trên dầm và đặc biệt trên những công trình giao thông thường được thể hiện qua (H.1).
Hình 1.1: Các bước trong việc tiễn hành đánh giá và nhận dạng khuyết tật
Trong đó các công việc được xếp theo thứ tự từ thấp đến cao bao gồm: e Viéc kiểm tra và kết luận có hay không có sự hiện diện của khuyết tật trên cơ hệ dé từ đó có những biện pháp đánh giá kịp thời. e Nếu trên dầm được xác định có khuyết tật thì cần xác định được vị tri, hay khoanh vùng vị trí có khuyết tật hoặc nghi vẫn có khuyết tật. e Đánh giá các ảnh hưởng của khuyết tật ấy có ảnh hưởng như thế nào đối qua trình hoạt động của cầu kiện, ngoài ra sẽ tiến hành xác định mức độ hư hỏng đến tiền hành kiểm định, kiểm tra thường xuyên và định kỳ. e Bước cuối cùng trong bài toán nhận dạng khuyết tật khi phải đưa ra những cảnh báo kịp thời nhằm hạn chế tối đa những tác hại về người và vật chất khi có sự cô của các công trình và đặc biệt đối với các công trình cầu. Đề tiến hành các bước trên cho bài toàn nhận dạng khuyết tật đã hình thành nhiều phương pháp khác nhau trong đó có thê kế đến: e Kiém tra thủ công bằng quan trắc khi thực hiện bằng biện pháp đơn giản như xem xét bang trực quan hoặc bang thiết bị chuyên dung: đây là biện pháp chi mang tính chất định tính là chủ yếu khi các nhân viên quản lý cầu kiểm tra hàng ngày, hàng tuần, hàng quý hay những chu kỳ định trước tùy theo mức độ quan trọng của câu Khi tuần tra trên cầu, các nhân viên có thể phát hiện những bất thường và cảnh báo cho người và phương tiện lưu thông trên cầu Ưu điểm của
GVHD: GS.TS.NGND Ngô Kiều Nhi 8 HVTH: Vương Công Luan biện pháp này là đơn giản, dé thực hiện, chi phi đầu tư ban đầu cho công tác kiểm tra thấp, nhưng nó có nhiều nhược điểm: không phát hiện các hư hỏng nằm bên trong chi tiết, không đánh giá được sự thay đôi cơ tính vật liệu Biện pháp nay cũng không cho phép đánh giá định lượng nhiều thông số cơ học, định lượng sự suy yếu hay khả năng chịu tải hiện tại của công trình Việc đánh giá thuộc về định tính và rất phụ thuộc vào chủ quan nhân viên thực thi việc kiểm tra Song đây là biện pháp dễ thực hiện, duy trì thường xuyên liên tục được ngày này qua ngày khác Ở mọi nước, dù trình độ kỹ thuật hiện đại hay lạc hậu, đều duy trì đội ngũ kỹ thuật làm nhiệm vụ này Đây là biện pháp cho phép phát hiện và ngăn chặn từ rất sớm sự phát triển các hư hỏng bề mặt, cũng như loại trừ nguyên nhân gây ra chúng, các nguyên nhân làm mất vẻ thâm mỹ và tiện ích sử dụng của công trình.
Kiểm tra thủ công tuy có các nhược điểm nêu trên nhưng là biện pháp không thể thiếu. e Kiểm tra bang kỹ thuật siêu âm: Chi sau biện pháp kiểm tra trực quan, biện pháp siêu âm là một trong những biện pháp lâu đời nhất tính đến thời điểm này.
Cơ sở khoa học của biện pháp này là truyền xuống dam một xung sóng siêu âm vào bề mặt cần được kiểm tra Phân tích sóng thu được từ vật thé được kiểm tra có thé xác định khuyết tật thông qua sự khác biệt giữa hai sóng siêu âm Đây là biện pháp khá đơn giản và thực hiện một cách dé dang, trong đó không tốn quá nhiều nhân công cũng như tiết kiệm nhiều chi phí khi tiễn hành kiểm tra Tuy nhiên nó khá lỗi thời và kết qua chưa chính xác đối với những khuyết tật tế vi, khuyết tật sâu bên trong vật thé. e Kiểm tra bằng phương pháp Kiểm định định kỳ, Kiểm định chất lượng công trình cầu bao gom cac hoat dong kiểm tra va xác định chất lượng hoặc đánh giá sự phù hợp chất lượng của công trình so với yêu cầu của thiết kế, quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật thông qua việc xem xét hiện trạng công trình bằng trực quan kết hợp với phân tích, đánh giá các số liệu thử nghiệm công trình Biện pháp khảo sát định kỳ ứng xử cơ học của cầu Biện pháp này có nhiệm vụ đánh giá khả năng làm việc thực tế của cầu Quy trình kiểm định cầu đã được luật hóa bởi các văn bản Nhà nước, cho phép đánh giá bằng cách định lượng khả năng làm việc của cầu.
Trong khi thực hiện biện pháp này một số thiết bị được sử dung dé cho phép đánh giá định lượng tình trạng: thiết bị đo biến dạng, đo độ võng, đo độ xê dịch tương đối của các bộ phận cầu (xê dich mé cầu, độ lún géi đỡ ), tan số riêng Ưu điểm của biện pháp kiểm định là cho ta số liệu biến dạng cầu đưới các tải trọng đã biết rõ về giá trị và các phương án tác động của chúng được dự kiến là gây ra trạng thái biến dạng nguy hiểm nhất Nhược điểm của qui trình hiện hành về kiểm định cầu là các số liệu đo thu được trong tình trạng tĩnh, ngoại trừ giá trị tần số riêng và hệ sỐ xung kích được xác định bằng cách tạo tình trạng dao động bởi một xung kích.
Ngoài ra các trường hợp thử tải (giá trị, đặc biệt là phương án đặt tải) không thể bao trùm mọi tỉnh huống thật có thé xay ra; kiểm định cầu thực hiện theo định kỳ UBND Thành phố đã có văn bản số 24/2003/QD-UB ngày 3/3/2003 v/v “Ban hành quy định tam thời về công tác kiểm định cau đường bộ khu vực thành phố Hồ Chi Minh ” qui định về khoảng thời gian giữa 2 lần kiểm định đối với từng loại kết cầu cầu, trong đó khoảng thời gian gần nhất là 3 năm, xa nhất là 10 năm Khoảng thời gian giữa hai lần kiểm định khá xa, do vậy tinh trạng giữa hai lần kiểm định không thê được xác định, gây khó khăn cho cơ quan quản lý kỹ thuật trong việc ra quyết định thời điểm tổ chức, cũng như biện pháp, bộ phận cụ thể nào của cầu cần bảo trì, duy tu. e Kiểm tra bằng phương pháp dao động, đây là biện pháp khảo sát ứng xử cầu ngay trong quá trình lưu thông thực tế thông qua công tác đo dao động Biện pháp chưa được áp dụng một cách rộng rãi và chưa được luật hóa Đối với biện pháp này cho phép thay được các giá trị thé hiện quá trình chịu lực thực tế gây bởi hệ tải trọng thực khi di chuyển trên cầu một cách rất đa dạng và động Cơ sở khoa học của phương pháp này thường dựa vào sự thay đối của dao động khi cầu có khuyết tật Theo [14] cho thấy khi khuyết tật hiện hữu trên dầm thì làm thay đổi các thông số đặc trưng của dao động như: giá trị tần số riêng giảm bởi giá trị này tỷ lệ thuận với độ cứng EJ; của dầm đồng thời sẽ làm thay đổi các mode dao động của cơ hệ chịu khuyết tật so với ban đầu [15] Như vậy, đề tìm ra khuyết tật và nhận dạng khuyết tật người ta tìm những thay đổi về dao động Ưu điểm của biện pháp khảo sát ứng xử trong quá trình lưu thông thực tế là: cho phép phát hiện tình hình thực tế quá tải (quá khả năng chịu đựng cho phép của cầu); ghi nhận các diễn biến của các thông số cơ học; tập hợp các số liệu ghi nhận cùng diễn biến của chúng tạo ra khả năng tìm kiếm các nơi mà khả năng chịu đựng của cầu bị suy yếu và tốc độ của sự suy yếu, giúp cho việc đưa ra quyết định và lập kế hoạch kiểm định chất lượng công trình, kế hoạch sửa chữa hợp lý Tuy nhiên, biện pháp này cũng còn tồn đọng nhiều khuyết điểm như nó phụ thuộc rất lớn vào độ “nhay” của thiết bị và phương thức xử lý khi hệ chịu ảnh hưởng rat lớn từ nhiễu. e Kiểm tra bằng phương pháp tích hợp bởi nhiều biện pháp khác nhau tạo thành một hệ thống lớn với nhiều tính năng khác nhau Rõ ràng qua phân tích từ trên cho thay những biện pháp cũ tuy đã đáp ứng một phan nao đó nhu cầu và mức độ bức thiết mà các nhà quản lý đề ra bởi các biện pháp này chưa toàn diện, chưa phản ảnh đúng và hết những trạng thái chịu lực khác nhau của cầu trong quá trình hoạt động Trên thế giới, từ 20 năm nay, xuất hiện các hệ thống đo liên tục các thông số trong điều kiện chịu tải lưu thông thực tế [16] tương đối nhiều thường được gọi là
GVHD: GS.TS.NGND Ngô Kiều Nhi 10 HVTH: Vương Công Luận các hệ thống “theo dõi sức khỏe” của cầu, phân bố chủ yếu tại các quốc gia phát triển như Mỹ, Canada, EU và tiêu biểu tại Hàn Quốc, Nhật Bản là các quốc gia Châu A với hệ thống sông, biển nhiều Đối với các hệ thống nay thì trang thái ứng xử của cầu khi có lưu thông là dao động với các tần số phụ thuộc vào tình trạng lưu thông Tuy rằng không thé xác định giá tri tai trọng thật, nhưng việc năm bắt các thông số dao động thực của cầu cho phép hình dung các ứng xử của toàn bộ cơ hệ và từ đó suy ra tình trạng “sức khỏe” [17] của nó Dữ liệu được sử dụng phân tích có thể từ những thiết bị điện tử chuyên dùng Với tính năng ưu việt hơn so với các biện pháp cũ khi hệ thống tích hợp nhiều biện pháp khác nhau mang lại hiệu quả cao trong quá trình sử dụng Đối với quá trình hoạt động, hệ thống có tính năng cảnh báo và giám sát thường xuyên (24/24), giám sát khi có những sự cố nghiêm trọng về môi trường như: gió, bão, tuyết, Khuyét điểm của các hệ thống này ở chi phí lắp đặt, chi phí bảo trì quá cao, vòng đời hoạt động ngắn (thường chỉ hoạt động từ 2-3 năm/ hệ thống) Như vậy những hệ thống này chỉ được lắp đặt cho những cây cầu lớn, cầu dây văng, cầu huyết mạch Do đó, những cầu vừa và nhỏ rất khó có điều kiện để áp dụng.
Hình 1.2: Hệ lệ thống HMS tại cầu 1 Đông Hải, Trung Quốc
Xét trong khía cạnh tình hình phát triển kinh tế và xã hội tại Việt Nam thì càng khó để áp dụng các hệ thống đo này và hệ thống cầu tại đây Theo thống kê của SởGTVT TpHCM năm 2013 chỉ tính riêng tại đây đã có trên 1.000 cầu với các loại rất khác nhau về kích cỡ, vật liệu Hầu hết các cau là loại vừa và nhỏ, hầu hết là nhịp giản đơn bắt qua các kênh rạch Tuy nhiên, với yêu cầu bức thiết để áp dụng những tiễn bộ khoa học công nghệ trong duy tu và bảo dưỡng cau thường xuyên thì nhóm nghiên cứu của GS.TS Ngô Kiều Nhi đã tiến hành thực hiện Đề tai trọng điểm DHQG-TPHCM “Lập mạng thử nghiệm đo tự động dao động — biến dạng các công trình cau”, 2006-2009, nghiệm thu ngày 05/12/2009 khi thử nghiệm lập hệ thống tương tự tại cầu Sài Gòn, đề tài này đã kết thúc thành công và gây được tiếng vang lớn với việc thử nghiệm truyén trên 100 tin hiệu từ cảm biến lắp đặt trên cầu Sài Gòn Hệ thống hoạt động 24/24 liên tục trong hai năm thực hiện đề tài.
Hh Dp reventes @2 - là i-Im trol Center| Steeaming®
\e Ci\Program Fles\tP video Contr blorer v1.3.00
1.2 Phân loại các bài toán nhận dạng khuyết tật Đối với với bài toán nhận dang khuyết tật trên dầm nói chung và trên các cau kiện xây dựng như cầu nói chung được chia làm hai xu hướng riêng Trong đó xu hướng thứ nhất sẽ sử dụng mô hình toán học mô phỏng cẫu trúc của cơ hệ Đây là hướng di sâu vào giải pháp theo phương pháp này các nghiên cứu không quan tâm đến chi tiết về đặc điểm của khuyết tật mà chỉ tìm hiểu về đặc trưng chung của đáp ứng động học, động lực học của cơ hệ khi mang khuyết tật Với những thông tin thu được về ứng xử của kết cau sẽ xây dựng thành các phương pháp nhận dang, tìm ra vị trí khuyết tật, mức độ suy giảm khả năng chịu tải đồng thời dự báo chiều hướng phát triển của khuyết tật trên cơ hệ dam Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản hơn và có tính ứng dụng cao trong thực tiễm khi nó không quan tâm đến các chỉ tiết riêng biệt của từng dạng khuyết tật mà chỉ quan tâm đến sự ảnh hưởng của khuyết tật đến các ứng xử cơ học để đánh giá và nhận dạng khuyết tật đó Khuyết điểm của phương pháp này là không thé đánh giá và nhận dạng đối với những khuyết tật không làm suy giảm đến độ cứng của cơ hệ Tuy nhiên, có thé thay rằng những dạng khuyết tật này sẽ không gây ra nguy hiểm cho đầm hoặc cầu Các phương pháp theo hướng này gọi là “model — based methods” Các đặc trưng của “model — based methods” bao gồm biến dang (deformation), độ võng (deflection) trang thái tĩnh, tần số riêng (fundamental frequency), dạng riêng (mode shape), các biến thé của dạng riêng như độ cong của dạng riêng (curvature of mode shape), thé năng bién dang dạng riêng (potential deformation of mode shape) ở trạng thái động Việc chọn lựa thông số nào làm thông số đặc trưng còn phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: khả năng thực thi đo và mức độ nhạy (level of the sensifives) Trong đó yêu t6 thứ nhất thé hiện bởi độ dé dàng thu nhận tín hiệu và chi phí trong quá trình thực hiện Theo đó các đặc trưng
GVHD: GS.TS.NGND Ngô Kiều Nhi 12 HVTH: Vương Công Luan được trích xuất từ số liệu đo dao động là phù hợp nhất Các cảm biến dao động do bang đại lượng gia tốc được sử dung rộng rãi trong các van dé rung động cơ học vì giá thành rẻ, cơ chế hoạt động tiện dụng đã mang lại hiệu quả cao cho quá trình thực hiện.
Cơ hệ dao động 8 5 8 5 8 5 | 8 N | ma ol= -3918 _ | 8 8 8 S9 9 œE= - (en ne Ce is 8 -= - 8 oF 8 g Spools = 8 oF 8 oF 8 oF 8 o eee " -Z18 mh -418 8B 98 3 8 oF 8 FF BS oF 8 "} -— "m} -— wz R g oF 9 g is E g oF kh g g 3 : he! 7 @ oF $ 9 oF 42 to Đ r 9 oF 9 oF 42 Key 4 = @ oF s @ dịs = 8 oF @ oF @ 43 ẳ a) 1 3 _ F— b [— qi — qb FE Bis | b [— > is — b FE 4s j =4