Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Chẩn đoán tổn hao ứng suất của cáp trong dầm BTCT ứng suất trước sử dụng trở kháng có xét đến độ nhạy của miền tần số

Nghiên cứu trong luận văn đề xuất phương pháp để chẩn đoán hư hỏng là tổn hao ứng suất của cáp trong dầm BTCT ƯST tại vùng neo cáp sử dụng trở kháng có xét đến độ nhạy của miền tần số..

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Với những ưu điểm nổi bật của mình, kết cấu bê tông cốt thép dùng cáp ứng suất trước (BTCT ƯST) căng sau đang ngày càng nhiều ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng như dầm cầu, dầm sàn, Những công trình này thường có chi phí rất lớn, ảnh hưởng nhiều đến cuộc sống con người, cũng như nền kinh tế xã hội như Hình 1.1: Cầu Tân Vũ, Hải Phòng là cầu vượt biển dài nhất của Việt Nam, phục vụ việc vận tải hàng hóa của khu vực tam giác kinh tế Hà Nội – Quảng Ninh – Hải Phòng

Hình 1.2: Cầu vượt Metro Văn Thánh, Tp HCM sẽ được xây dựng trong tương lai có ý nghĩa lớn trong việc giải quyết ùn tắc giao thông cũng như góp phần giảm khí thải gây ô nhiễm môi trường hay Hình 1.3: Bệnh viện Nam Sài Gòn dùng sàn ứng suất trước, có vai trò quan trọng trong việc giải quyết nhu cầu khám chữa bệnh của nhân dân tại khu vực Nam Sài Gòn

Hình 1.1: Cầu Tân Vũ, Hải Phòng

Hình 1.2: Cầu vượt Metro Văn Thánh, Tp HCM sẽ được xây dựng trong tương lai

Hình 1.3: Bệnh viện Nam Sài Gòn

Một bộ phận rất quan trọng trong cấu kiện này chính là liên kết neo, sự hư hỏng của liên kết neo sẽ làm giảm năng lực làm việc của cấu kiện dẫn đến giảm khả năng phục vụ cũng như khả năng chịu lực của kết cấu từ đó có thể gây ra những hậu quả nặng nề như sụp đổ công trình, ảnh hưởng đến sự an toàn và tính mạng của con người Có thể thấy rõ sự ảnh hưởng khi các công trình xảy ra hư hỏng hay gặp sự cố qua các Hình 1.4: Sự sụp đổ của cầu Mahakam II, Indonesia.,Hình 1.5: Sự sụp đổ của cầu Mississippi, Mỹ Hình 1.6: Vết nứt trên dầm cầu một bãi đậu xe ở Mỹ, Hình 1.7: Vết nứt cầu vượt Lăng Cha Cả, Việt Nam, Hình 1.8: Vết nứt trên cầu Vĩnh Tụy

Hình 1.4: Sự sụp đổ của cầu Mahakam II, Indonesia

Hình 1.5: Sự sụp đổ của cầu Mississippi, Mỹ

Hình 1.6: Vết nứt trên dầm cầu một bãi đậu xe ở Mỹ

Hình 1.7: Vết nứt cầu vượt Lăng Cha Cả, Việt Nam

Hình 1.8: Vết nứt trên cầu Vĩnh Tụy

Do đó, việc thường xuyên theo dõi và chẩn đoán hư hỏng của kết cấu nói chung, của vùng neo cáp nói riêng để từ đó đưa ra các kết luận và phương án xử lý giải quyết hư hỏng kịp thời là một việc làm có ý nghĩa quan trọng

Có nhiều phương pháp để phát hiện hư hỏng của kết cấu, trong đó phương pháp trở kháng “hứa hẹn sẽ theo dõi được những hư hỏng nhỏ phôi thai tại những vị trí quan trọng” như liên kết neo Phương pháp 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 Ở tần số kích thích cao như vậy, phản ứng chủ yếu là dạng cục bộ và hư hỏng mới bắt đầu như các vết nứt nhỏ và tách lớp vật liệu, đưa ra những thay đổi có thể có được trong các đặc trưng trở kháng Các tần số cao cũng hạn chế các diện tích cảm biến của thiết bị truyền động

Khu vực cảm biến hạn chế này giúp cô lập các ảnh hưởng của hư hỏng trên tín hiệu trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độ cứng và điệu kiện biên ở khu vực xa hư hỏng Vì vậy , kỹ thuật này sẽ hữu ích trong việc xác định và theo dõi hư hỏng trong những khu vực kết cấu mà tính toàn vẹn kết cấu cần phải được đảm bảo tại mọi thời điểm

Việc sử dụng phương pháp trở kháng có thể giúp theo dõi kết cấu bằng cách thu thập dữ liệu Tuy nhiên dữ liệu thu thập lại trải dài trên một miền tần số rộng, việc lựa chọn miền tần số để đánh giá hư hỏng của kết cấu cho chuẩn xác là một công việc không hề dễ dàng Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin, đặc biệt là mảng trí tuệ nhân tạo điển hình là mạng Neural nhân tạo (Artificial Neural Networks - ANNs) đã cho phép chúng ta có thể ứng dụng được trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu nhằm tiết kiệm công sức con người và nâng cao hiệu quả tính toán.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là chẩn đoán tổn hao ứng suất của cáp trong dầm BTCT ƯST sử dụng trở kháng có xét đến độ nhạy của miền tần số Mạng ANNs để tìm miền tần số nhạy cảm với hư hỏng là tổn hao ứng suất trong cáp, dựa vào miền tần số nhạy cảm để chẩn đoán tổn hao ứng suất trong cáp Để đạt được mục tiêu trên, các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi luận văn sẽ được thực hiện:

- Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng các kết cấu, so sánh kết quả thực nghiệm so với kết quả mô phỏng

- Sử dụng mạng ANNs trong phần mềm IBM SPSS Statistics để tiến hành tìm miền tần số nhạy cảm và chẩn đoán hư hỏng kết cấu

Cụ thể sẽ thực hiện trên 3 bài toán:

+ Bài toán 1: Mô hình dầm nhôm có điều kiện biên tự do, với hư hỏng là vết nứt xuất hiện và phát triển ở giữa dầm, theo dõi tín hiệu trở kháng với hàng loạt các vết nứt khác nhau So sánh với thí nghiệm thực tế, sau đó ứng dụng vào mạng ANNs để chẩn đoán hư hỏng Mục đích đánh giá tính khả thi trong mô phỏng, cũng như tính khả thi trong việc chẩn đoán hư hỏng bằng mạng ANNs

+ Bài toán 2: Mô hình vùng neo dầm BTCTƯST căng sau với 1 dây cáp được kéo căng đã được thí nghiệm thực tế Hư hỏng trong dầm chính là tổn hao lực căng cáp với hàng loạt trường hợp So sánh với thí nghiệm thực tế, sau đó ứng dụng vào mạng ANNs Mục đính đánh giá tính khả thi trong mô phỏng vùng neo bằng ANSYS, cũng như tính khả thi trong việc chẩn đoán tổn hao lực căng cáp bằng mạng ANNs

+ Bài toán 3: Mô hình vùng neo dầm BTCT ƯST căng sau của một dầm cầu bê tông cốt thép với 5 dây cáp của một công trình thực tế Hư hỏng trong dầm chính là tổn hao lực căng cáp tại các vị trí cáp Mục đích áp dụng phương pháp đã thực hiện ở bài toán số 1 và bài toán số 2 để tìm vị trí cáp bị tổn hao lực căng cũng như chẩn đoán được sự tổn hao này

Các bài toán này sẽ được trình bày rõ hơn ở CHƯƠNG 4.

Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Trong quá trình sử dụng, lực ứng suất trước của cáp trong BTCT ƯST có thể bị tổn hao do nhiều nguyên nhân Loại hư hỏng này không chỉ gây tổn hại nghiêm trọng đến kết cấu mà con nguy hiểm đến tính mạng và tài sản của người sử dụng Vì vậy, việc theo dõi và chẩn đoán tổn hao ứng suất xảy ra là việc làm cần thiết

Kỹ thuật trở kháng là kỹ thuật sử dụng các tấm cảm biến có diện tích hạn chế, khối lượng rất nhỏ vì vậy thiết bị này sẽ không làm ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu Vì vậy, kĩ thuật này rất phù hợp trong việc xác định và theo dõi hư hỏng trong những khu vực kết cấu mà tính toàn vẹn kết cấu cần phải được đảm bảo tại mọi thời điểm Các phương pháp đánh giá hư hỏng dựa trên tín hiệu trở kháng như phương pháp RMSD, phương pháp MAPD, có thể cung cấp cho nhà nghiên cứu về sự xuất hiện của hư hỏng thông qua việc thay đổi các chỉ số trong từng trường hợp hư hỏng nhưng không thể cung cấp chính xác hư hỏng xảy ra Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu phương pháp có thể chẩn đoán chính xác hư hỏng xảy ra trong kết cấu, cụ thể là đưa một chẩn đoán chính xác về tổn hao lực căng cáp

Nghiên cứu đề xuất một phương pháp dựa trên việc thu thập tín hiệu trở kháng từ mô hình phần tử hữu hạn, kết hợp với phương pháp RMSD và ANNs MLP để tìm miền tần số nhạy cảm nhất từ đó chẩn đoán chính xác tổn hao ứng suất xảy ra của cáp trong dầm BTCT ƯST để các kỹ sư có thể đưa ra phương án xử lý hư hỏng phù hợp.

Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc luận văn bao gồm 5 chương : - Chương 1 Giới thiệu: giới thiệu sơ lược về đề tài, mục tiêu và nội dung luận văn, tính cần thiết, ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu và cấu trúc luận văn

- Chương 2.Tổng quan nghiên cứu: Giới thiệu các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp trở kháng , cũng như ứng dụng của ANNs để đánh giá hư hỏng của kết cấu bằng phương pháp trở kháng

- Chương 3 Cơ sở lý thuyết: Cơ sở lý thuyết và phương pháp dùng để đánh giá hư hỏng kết cấu

- Chương 4: Các bài toán ứng dụng: Giới thiệu các bài toán ứng dụng, đồng thời đưa ra các nhận xét về kết quả đạt được sau khi xử lý và phân tích số liệu

- Chương 5: Kết luận và kiến nghị: Nêu các kết luận và hướng phát triển của đề tài

- Tài liệu tham khảo trong luận văn

- Phụ lục: gồm trình tự huấn luyện trong IBM SPSS và kết quả liên quan.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Trên thế giới

Liang và cộng sự (1994) đã lần đầu tiên giới thiệu phương pháp trở kháng để để tìm ra hư hỏng của kết cấu, theo đó sự tương tác cơ điện giữa PZT và kết cấu chủ được diễn tả như Hình 2.1, trong nghiên cứu này tác giả đã đã sử dụng tần số kích thích cao, lớn hơn 30 kHz thông qua tấm cảm biến PZT được dán lên kết cấu chủ để tìm ra những thay đổi cơ học của kết cấu 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: Mô hình 1-D tương tác cơ - điện giữa tấm PZT và kết cấu chủ

Sun và cộng sự (1995) đã sử dụng phương pháp trở kháng để kiểm tra kết cấu dàn, bằng cách sử dụng phương pháp thống kê để đánh giá tình trạng hư hỏng Ngoài ra tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng ở các phạm vi tần số khác nhau và mức độ kích thích như thế nào khi theo dõi tín hiệu trở kháng trên một kết cấu dàn như Hình 2.2

Kết quả cho thấy ở các vị trí khác nhau, nên sử dụng các PZT khác nhau để theo dõi kết cấu, ở miền tần số càng cao phạm vi theo dõi kết cấu càng nhỏ Đồng thời, chỉ số RMSD rất hữu dụng trong việc phát hiện xảy ra hư hỏng trong kết cấu

Hình 2.2: Kết cấu dàn sử dụng trong nghiên cứu của Sun và cộng sự (1995)

Chaudhry và cộng sự (1995) đã sử dụng phương pháp trở kháng để tìm hư hỏng của kết cấu trên máy bay Piper Model 601P Hư hỏng trong nghiên cứu này đã đưa ra cả vị trí và khoảng cách hư hỏng Các cảm biến trở kháng cho thấy cực kì nhạy cảm với mức độ hư hỏng cục bộ và chứng minh không nhạy cảm với những thay đổi ở vị trí xa cảm biến PZT

Wang và cộng sự (1996) 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 và chứng thực khả năng cảm biến của chúng, dựa vào việc theo dõi sự dẫn nạp điện trên trở kháng của kết cấu, họ chứng minh được rằng nó có khả năng tìm ra ứng xử của kết cấu thông qua việc đo trở kháng điện của PZT

Esteban (1996) đã mở rộng mô hình số dựa vào lý thuyết truyền sóng để xác định phạm vi cảm biến của phương pháp trở kháng Trong nghiên cứu này đã báo cáo hàng loạt các thí nghiệm về sự thay đổi tải trọng, sự không liên tục trong mặt cắt ngang, liên kết bulong, năng lượng xen kẽ, Từ đó ước tính được vùng cảm biến ( theo bán kính ) của một PZT thay đổi từ 0.4 m đối với kết cấu composite và đến 2m đối với kết cấu thanh kim loại đơn giản Và tần số càng cao thì vùng cảm biến càng nhỏ, với tần số trên 500 kHz cho thấy không có lợi, bởi vì các khu vực cảm biến trở nên vô cùng nhỏ và các cảm biến PZT hiển thị nhạy cảm với các điều kiện bất lợi do liên kết hoặc do chính bản thân PZT chứ không phải do bản thân kết cấu chủ

Krishnamurthy và cộng sự (1996) đã phát triển kỹ thuật hiệu chỉnh dựa trên phần mềm, trong đó loại bỏ những ảnh hưởng của nhiệt độ trên PZT trong khi không loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên kết cấu chủ Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải đo trước nhiệt độ, để có được hệ số nhiệt của PZT, mà ảnh hưởng của nó trở nên quan trọng trong một số trường hợp

Raju và cộng sự (1998) đã mở rộng nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của tham số trở kháng như mức độ kích thích của bộ kích thích, kiểm tra chiều dài dây dẫn, sử dụng một bộ duy nhất để gắn vào nhiều bộ cảm biến, và thay đổi điều kiện biên Raju kết luận rằng sự thay đổi trong nhiều tham số không ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu trở kháng

Soh và cộng sự (2000) sử dụng phương pháp trở kháng cho việc theo dõi một mẫu cầu bê tông cốt thép Nghiên cứu bao gồm hai dầm dọc ( 5x0.5x1 m) đỡ một sàn dày 0.1 m Kết cấu được gia cường bằng các thanh thép, đã phải chịu ba kỳ tải trọng để gây ra các vết nứt trong kết cấu Tín hiệu của các cảm biến trở kháng nằm trong vùng lân cận của hư hỏng đã cho thấy thay đổi lớn về tín hiệu, trong khi những hư hỏng ở xa thì ít bị ảnh hưởng

Park và cộng sự (2000) đã nghiên cứu mô hình cầu bao gồm thép góc, thép chữ C, thép tấm, và được liên kết với nhau hơn 200 con bu lông Kết cấu đã được Park và các cộng sự nghiên cứu dưới các tác động không kiểm soát được, như thay đổi tải khối lượng (mass loading), nhiệt độ (temperature), và hoạt động dao động (operational vibration) Từ đó Park đã cho thấy phương pháp trở kháng có thể phát hiện và phân biệt nhiều dạng hư hỏng khác nhau

Park và cộng sự (2001), với mục tiêu là sử dụng phương pháp trở kháng để giám sát kết cấu đã tiến hành thí nghiệm trên một kết cấu đường ống Thời gian cần thiết để có phép đo trở kháng trong thời gian ít nhất 5 phút với hơn 20 cảm biến trở kháng và để xây dựng các biểu đồ số liệu hư hỏng Đánh giá nhanh này cho thấy tính khả thi của kỹ thuật này

Pohl (2001) đã nghiên cứu khả năng của phương pháp trở kháng để phát hiện hư hỏng sợi nhựa gia cường vật liệu composite (FRP: fiber reinforced plastic) và hư hỏng trong tấm FRP như Hình 2.3, trong nghiên cứu này thì các yếu tố ảnh hưởng tới trở kháng như lão hóa, tải trọng tác dụng, môi trường điện tích khác nhau cũng được xem xét

Hình 2.3: Liên kết PZT và kết cấu FRP

Ong và cộng sự (2002) kiểm tra ảnh hưởng của sự trượt bởi lớp liên kết trên cảm biến trở kháng Sự trượt này là hệ số giữa ảnh hưởng sự hư hỏng trên bề mặt dầm và sự kích thích biến dạng của bộ biến đổi PZT Kết quả thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy những phản ứng trở kháng thường nhạy cảm với các lực tác động, lực trượt của lớp liên kết, gây ra sự thay đổi theo chiều dọc và ngang của phép đo trở kháng Tác giả đề nghị sử dụng chất bám dính cao để đạt tín hiệu trở kháng ổn định nhất

Bhalla và cộng sự (2002a) nghiên cứu các vấn đề liên quan đến ứng dụng thực tế của phương pháp trở kháng Theo dõi thời gian thực tín hiệu trở kháng hơn hai tháng Nghiên cứu của họ bao gồm bảo vệ bộ chuyển đổi PZT với môi trường ẩm ướt sử dụng một lớp “silica”, ghép một dãy PZT để tối ưu hoá thời gian theo dõi cảm biến và có thể sử dụng keo kết dính cao để dán PZT Cũng năm này, Bhalla và cộng sự (2002b) đã nghiên cứu thành công khả năng giám sát cường độ bê tông trong quá trình bảo dưỡng của nó Độ cứng của bê tông cũng liên quan với các thay đổi trong đỉnh trở kháng, như thể hiện trong

Giurgiutiu và cộng sự (2002) cho thấy tính chất cảm biến và tính thống nhất liên kết giữa PZT và kết cấu chủ có thể được đánh giá bằng phần ảo của tín hiệu trở kháng điện Cảm biến được liên kết tốt cho thấy một đường cong mượt mà, trong khi cảm biến không được liên kết tốt cho thấy cộng hưởng trong phần ảo của phép đo trở kháng Do đó, người ta có thể xác định nếu bộ cảm biến được liên kết hoàn toàn với một kết cấu hay không bằng cách tìm phần ảo, mặc dù đánh giá định lượng hoặc ước lượng độ cứng liên kết vẫn không phải là một công việc đơn giản

Tại Việt Nam

Ngô Thanh Mộng và Hồ Đức Duy (2013) đã nghiên cứu mô phỏng hư hỏng kết cấu kim loại sử dụng trở kháng thông quan chương trình ứng dụng COMSOL 4.0

Mô phỏng số được tiến hành trên các mẫu dầm nhôm trước và sau khi hư hỏng, tấm tròn bằng nhôm với sự thay đổi của vị trí hư hỏng, chi tiết liên kết bu lông trong cột thép Hình 2.6 Kết quả từ các mô phỏng số chứng tỏ hư hỏng trong kết cấu kim loại được chẩn đoán thành công từ đáp ứng trở kháng

Hình 2.6: Mô phỏng chi tiết nối cột thép trong COMSOL 4

Hồ Thanh Dũng (2014) trong luận văn thạc sỹ của mình đã sử dụng phần mềm ANSYS V13 mô phỏng một dầm BTCT ứng suất trước căng sau, sau đó khảo sát sự tổn hao ứng uất của cáp trong dầm Nghiên cứu đã cho thấy tính khả thi trong việc sử dụng mô hình bằng phần mềm ANSYS để theo dõi và phát hiện hư hỏng xảy ra trong kết cấu

Lê Minh Quốc (2014) trong luận văn thạc sỹ của mình đã sử dụng phần mềm ANSYS V14.5 để mô phỏng lại kết cấu, chứng minh được tính hiệu quả của phần mềm ANSYS trong việc thu thập tín hiệu trở kháng của kết cấu Tác giả đã đề xuất một phương pháp loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự làm việc của tấm cảm biến Phương pháp này được xem là có hứa hẹn đối với ngành Theo dõi và chẩn đoán kết cấu

Nguyễn Minh Tuấn Anh (2016) trong luận văn thạc sĩ, 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 trong dầm là hư hỏng trong cáp và hư hỏng trong dầm Dầm BTCT ƯST được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS như Hình 2.7 Kết quả cho thấy theo dõi hỗn hợp đề xuất có khả năng chẩn đoán chính xác hư hỏng cho dầm BTCT ƯST

Hình 2.7: Mô phỏng dầm BTCT ƯST bằng phần mềm ANSYS (Nguyễn, 2016

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương pháp trở kháng

Kỹ thuật theo dõi hư hỏng sử dụng phương pháp trở kháng (Impedance method) được giới thiệu đầu tiên bởi Liang và cộng sự (1994) Phương pháp này dựa vào thời gian theo dõi để tìm những thay đổi điện trong đặc trưng trở kháng cơ điện của thiết bị áp điện PZT (Piezoelectric device) được liên kết hoặc chôn chặt vào trong kết cấu thông qua việc truyền dữ liệu trực tuyến Phương pháp trở kháng là một trong những kỹ thuật đánh giá không phá hủy NDE (Non – Destructive Evaluation) đã đáp ứng được các tiêu chí:

+ Cung cấp được thông tin chính xác về bản chất, kích thước và vị trí hư hỏng của kết cấu

+ Không phá hủy toàn bộ hoặc một phần của kết cấu để tìm hư hỏng gây ảnh hưởng đển sự làm việc của kết cấu

+ Giám sát tính toàn vẹn của kết cấu trong khi nó đang được sử dụng

+ Khả năng thực hiện trực tuyến (onlines), theo dõi kết cấu trong thời gian thực (real – time), với tốc độ cao và tiếp cận ít với kết cấu (limited access to the structure)

Các nguyên tắc cơ bản đằng sau kĩ thuật này là sử dụng tần số cao, thường ở mức kHz để phát hiện những thay đổi trong điểm trở kháng do hư hỏng xảy ra những vết nứt bên trong, vết nứt bên ngoài, lỏng liên kết, giảm ứng suất, Lúc này các tấm cảm biến PZT hoạt động như một thiết bị truyền động và cảm biến, nó được điều khiển bởi một điện trường xoay chiều cố định để tạo ra rung động trong kết cấu Kết quả phản ứng rung động là kết quả phản ứng tần số, kết quả này sẽ được phân tích để dự đoán hư hỏng của kết cấu Hình 3.1 mô tả hiệu ứng hoạt động của PZT

Hình 3.1: Hiệu ứng hoạt động của PZT

Hoạt động của phương pháp trở kháng được ứng dụng để tìm hư hỏng trong kết cấu có thể tóm tắt như sau : đầu tiên sử dụng máy phân tích trở kháng (impedance analyzer) tạo một điện áp kích thích hình sin đến tấm PZT được dán lên kết cấu chủ, kích thích điện gây ra kích thích cơ học lên tấm PZT Tấm PZT này được gắn lên kết cấu chủ nhờ một lớp keo cứng Động lực học kết cấu được kích thích dựa trên trở kháng cơ học của kết cấu và một biến dạng tương ứng được đặt trên cảm biến PZT (PZT sensor) Hệ số giữa điện áp kích thích đặt vào và dòng điện ra từ tấm PZT được gọi là trở kháng điện (electrical impedance) được đo từ máy phân tích trở kháng (impedance analyzer) Về cơ bản máy phân tích trở kháng đo tần số phản ứng của kết cấu trên toàn bộ sóng kích thích Khi kết cấu bị hỏng các đặc trưng của kết cấu bao gồm khối lượng (mass), độ cứng (stiffness), và cản (damping) sẽ thay đổi Bất kỳ sự thay đổi các đặc trưng nào của kết cấu sẽ dẫn đến những sự thay đổi trong trở kháng cơ học kết cấu, cũng như tần số phản ứng của kết cấu được đo bởi máy phân tích trở kháng Những thay đổi trong trở kháng đo từ trường hợp không hư hỏng và hư hỏng được dùng để đánh giá hư hỏng kết cấu Hoạt động của phương pháp trở kháng được diễn tả trong Hình 3.2

Hình 3.2: Hoạt động của phương pháp trở kháng

Liang và cộng sự (1994) đã đề xuất lý thuyết tính toán phương pháp trở kháng thông qua mô hình tương tác cơ điện giữa PZT và kết cấu chủ:

Hình 3.3: Mô hình tương tác cơ điện giữa PZT và kết cấu chủ theo đề xuất của

Theo đó các tấm PZT giống như một thiết bị truyền động được gắn lên một kết cấu chủ có đặc trưng là khối lượng M, độ cứng K và hệ số cản C Tương tác động lực học giữa tấm PZT và kết cấu chủ được xác định bởi mối quan hệ cơ bản của chúng với nhau tại trạng thái cân bằng, phương trình kiến nghị của thiết bị truyền động và kết cấu Quan hệ giữa lực và chuyển vị của PZT được diễn tả như sau:

F là lực đặt vào thiết bị truyền động PZT x là chuyển vị của PZT khi đặt lực F xin là chuyển vị tự do của thiết bị PZT được cho bởi xin =d32ElA trong đó d32 là hằng số áp điện và E là điện trường

KA là độ cứng tĩnh định của PZT được cho bởi 22 E w A A

K  l , trong đó wA , hA, lA lần lượt là chiều rộng, chiều dày, chiều dài của thiết bị PZT, Y 22 E là modun đàn hồi của PZT với điện trường E = 0 Đối với kết cấu, dựa trên khái niệm trở kháng thì được sử dụng cho kết cấu ( hệ thống gồm lò xo – khối lượng – cản ) :

Trong đó: Zs là trở kháng cơ của kết cấu, cho bởi:

Với i 1, c là hệ số cản, m là khối lượng, là tần số kích thích Tần số cộng hưởng của kết cấu, n thì được cho bởi: s n

Ks: là độ cứng của kết cấu chủ Thừa nhận một giai đoạn kích thích điều hòa gọi là: xix (3.5)

Lực – chuyển vị của kết cấu có thể được diễn tả như sau:

Trong đó KD được gọi là độ cứng động học

Tương tác giữa thiết bị truyền động và kết cấu có thể được xác định từ phương trình (3.1) và (3.6) như sau:

Trong đó KD phụ thuộc tần số, lực gây trên một kết cấu bởi một thiết bị truyền động cũng phụ thuộc vào tần số

Coi thiết bị truyền động PZT được thể hiện trong Hình 3.3, Điện trường đặt vào theo hướng z, thừa nhận PZT mở rộng và thu gọn theo hướng y

Quan hệ chủ yếu của PZT và (T,E) (ứng suất và điện trường) thể hiện như sau:

S2 là biến dạng T2 là ứng suất

22 s E là biến dạng cơ học của PZT tại điện trường bằng 0 d32 là hệ số áp điện

 E là hằng số điện dung của tấm áp điện tại ứng suất bằng 0.Được cho bởi

   trong đó  là hệ số mất điện dung

D3 là sự dịch chuyển điện

Phương trình chuyển động của PZT dao động theo hướng y được thể hiện như sau:

 là chuyển vị trong hướng y

 là tỷ trọng của PZT,

Y Y i là mođun đàn hồi của PZT với điện trường bằng 0 (E=0)

 là hệ số mất tính cơ học của PZT

Giải phương trình (3.10) bằng cách tách rời chuyển vị v thành miền thời gian và miền không gian

PZT được dán trên kết cấu chủ có trở kháng Zs Trạng thái cân bằng và quan hệ chủ yếu giữ kết cấu chủ và PZT có thể được diễn tả bởi:

Diễn tả đơn giản của trở kháng kết cấu chủ được đưa ra trong phương trình (3.3) cho hệ một bậc tự do của hệ thống SMD (spring – mass – damper system)

Phương trình (3.13) cung cấp một điều kiện biên cho phương trình (3.11) Một điều kiện biên khác cho bởi  y  0 0, dẫn đến B=0

Thay phương trình (3.13) vào phương trình (3.8):

Hệ số A trong phương trình (3.12) có thể được giải quyết từ phương trình (3.14) như sau: 32 cos( ) 22 sin( )

(3.15) Để đơn giản hóa phép lấy đạo hàm và giải thích hiện tượng vật lý từ một điểm của trở kháng, trở kháng cơ học của thiết bị PZT được đưa ra ở đây là ZA Nếu lực kích thích là một hằng số được đặt trong thiết bị PZT trong hướng y, phản ứng thiết bị truyền động có thể xác định giống như phương trình (3.11) tới (3.15) Trở kháng cơ học của thiết bị PZT, được xác định như là tỷ số của lực kích thích với vận tốc phản ứng, có thể được thể hiện như sau:

Chú ý rằng: trở kháng cơ học của thiết bị được xác định ở trên được dựa trên việc thừa nhận rằng thiết bị PZT ứng xử giống như một vật liệu bị động và không có kết nối điện

Hệ số A trong phương trình (3.15) có thể được đơn giản hóa:

Chuyển vị đầu ra của thiết bị PZT, trường biến dạng, trường ứng suất và cũng như trường dịch chuyển điện có thể được thể hiện như sau:

Trường chuyển vị điện: 2 22 32 2  22 32 22  cos( ) cos( )

Dòng điện được tính toán như sau:

Sự dẫn nạp cơ điện : I

Y V , từ đó nó có thể được hiểu như sau:

Sự dẫn nạp cơ điện bao gồm điện dung của vật liệu PZT và tương tác cơ học diễn tả bởi quan hệ trở kháng cơ học Cộng hưởng của hệ thống cơ điện có thể xảy ra trở kháng thiết bị ZA và trở kháng kết cấu ZS trùng nhau

Phương pháp trở kháng dựa vào sự kết hợp đặc trưng của cơ và điện Tác động điện của tấm PZT thì được điều chỉnh bởi tác động cơ học của kết cấu chủ (Liang &

Rogers, 1994) Trong Hình 3.3 tương tác giữa tấm PZT và kết cấu chủ dựa trên các khái niệm được giải thích như một mô hình 1-D lý tưởng hoá quan hệ cơ-điện Kết cấu chủ thì được diễn tả như tác động của khối lượng, độ cứng, cản và điều kiện biên

Trong lúc đó, tấm PZT thì được mô hình như một nguồn mạch ngắn hoạt động bởi một điện áp điều hoà hoặc một dòng điện điều hoà Sự dẫn nạp cơ điện Y(trở kháng cơ điện ngược Z(được phát ra từ tấm PZT là kết hợp chức năng trở kháng của kết cấu chủ Zs(và trở kháng cơ của tấm PZT ZA(

Vùng neo BTCT ƯST căng sau

3.2.1 Định nghĩa vùng neo BTCT ƯST căng sau

Sau khi bê tông đạt đến cường độ Rn thì tiến hành luồn và căng cốt thép ƯST tới ứng suất qui định Sau khi căng xong, cốt ứng lực trước được neo chặt vào đầu cấu kiện Thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép Tiếp đó, bơm vữa vào trong ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn và tạo lực dính giữa bê tông và cốt thép tạo thành một khối chỉnh thể Từ đó vùng neo

BTCT ƯST căng sau hình thành Cấu tạo cơ bản của vùng neo BTCT ƯST căng sau như Hình 3.4: Cấu tạo vùng neo BTCT ƯST căng sau và Hình 3.5: Vùng neo BTCT ƯST trong thực tế

1 – Bó sợ thép, 2 – Chem hình côn, 3 – Khối neo bằng thép, 4 – Bản thép truyền lực, 5 – Đoạn ống neo, 6 – Ống tạo rãnh

Hình 3.4: Cấu tạo vùng neo BTCT ƯST căng sau

Hình 3.5: Vùng neo BTCT ƯST trong thực tế

Trong kết cấu BTCT ƯST căng sau, hư hỏng tại vùng neo rất khó và đắt tiền cho công tác sửa chữa, thường cần phải thay thế toàn bộ kết cấu của cấu kiện Những hư hỏng có thể xảy ra tại vùng neo như sau:

+ Vùng neo có thể bị hư hỏng do không kiểm soát được vết nứt của bê tông, hậu quả của sự bố trí neo không đủ hoặc thiếu cốt thép tăng cường theo phương ngang Hiện tượng hư hỏng bê tông ngay tại phía sau bản neo cũng rất phổ biến và nguyên nhân chủ yếu do diện tích bề mặt bản neo không đủ hoặc chất lượng bê tông kém Sự hư hỏng phía sau bản neo cũng phổ biến do việc thiết kế thiếu tính chính xác hoặc tay nghề công nhân kém dẫn đến độ chặt của bê tông không đảm bảo trong khi vùng này cần được gia cường nhiều Vì thế cần hết sức quan tâm cả trong thiết kế lẫn thi công vùng neo kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau

+ Hư hỏng do neo không đảm bảo chất lượng, bị nứt, không đảm bảo khả năng truyền ứng suất khi tạo ứng suất trước Do lực tập trung tại neo rất lớn nên các thiết bị neo cần phải an toàn tuyệt đối Bất kỳ một hư hỏng nào của neo sẽ có nguy cơ dẫn đến sự cố công trình vì vậy cần phải lựa chọn các nhà sản xuất uy tín đồng thời phải kiểm tra thật kỹ hệ thống neo trước khi đưa vào sử dụng Khi sử dụng cần tuân thủ theo các hướng dẫn của nhà sản xuất Có nhiều loại neo khác nhau, phổ biến là neo tròn và neo dẹp

+ Hư hỏng do tổn hao ứng suất Trong luận văn, loại hư hỏng này sẽ được khảo sát

3.2.3 Tổn hao ứng suất trong BTCT ƯST căng sau

Trong kết cấu BTCT ƯST, sau khi BTCT được nén trước bằng các bó thép, có nhiều yếu tố phát sinh làm giảm hiệu quả của lực căng trước Một vài mất mát xuất hiện hầu như tức thời trong khi nhiều loại khác phát triển theo thời gian và thậm chí phải mất nhiều năm mới kết thúc

- Các mất mát tức thời: xảy ra ngay sau khi kéo căng cáp và truyền ƯST vào

Hình 3.6: Neo cáp tròn và neo cáp dẹp bêtông

+ Do trượt thép trong neo + Do nén đàn hồi (hay co ngắn) của bêtông + Ma sát giữa bó cáp và thành ống

- Các mất mát ứng suất theo thời gian:

+ Do co ngót của bê tông + Do từ biến của bê tông + Do chùng bó cốt thép Việc tính toán mất mát ứng suất để xác định chính xác giá trị lực căng kéo thiết kế phù hợp với vật liệu bê tông và đảm bảo đủ khả năng chịu lực cho kết cấu

Tính mất mát quá thấp hoặc quá cao cũng có hại vì có thể tạo độ vồng và chuyển vị dọc quá mức

Quá trình tính toán và kiểm soát các mất mát ứng suất xảy ra trong kết cấu BTCT ƯST là vấn đề rất phức tạp vì vậy đối với mỗi đồ án thiết kế phải đưa ra những nguyên tắc và hướng dẫn kỹ càng để các đơn vị thi công và các đơn vị tư vấn giám sát nắm rõ, có ý thức và tuân thủ thực hiện Trước khi thi công các cấu kiện BTCT ƯST cần đào tạo cho các cán bộ kỹ thuật và các công nhân để họ được trang bị những kiến thức cơ bản về kết cấu BTCT ƯST nhằm tránh được các sự cố không đáng xảy ra.

Cơ sở lý thuyết của mạng Neural nhân tạo

Mạng Neural nhân tạo (Artificial Neural Networks – ANNs) gọi tắt là mạng Neural (Neural Network), là một mô hình xử lý thông tin mô phỏng theo cách thức xử lý thông tin của các hệ Neural sinh học Nó được tạo lên từ một số lượng lớn các phần tử (gọi là phần tử xử lý hay Neural) kết nối với nhau thông qua các liên kết (gọi là trọng số liên kết) làm việc như một thể thống nhất để giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó

Một mạng ANNs được cấu hình cho một ứng dụng cụ thể (nhận dạng mẫu, phân loại dữ liệu, ) thông qua một quá trình học từ tập các mẫu huấn luyện Về bản chất học chính là quá trình hiệu chỉnh trọng số liên kết giữa các Neural

3.3.2 Cấu trúc Neural nhân tạo

Trước khi xem xét cấu trúc của mạng ta xem xét trước hết cấu trúc của bộ não

3.3.2.1 Cấu trúc của Neural sinh học

Qua quá trình nghiên cứu về bộ não, người ta thấy rằng: bộ não con người bao gồm khoảng 10 11 Neural tham gia vào khoảng 10 15 kết nối trên các đường truyền Mỗi đường truyền này dài khoảng hơn một mét Các Neural có nhiều đặc điểm chung với các tế bào khác trong cơ thể, ngoài ra chúng còn có những khả năng mà các tế bào khác không có được, đó là khả năng nhận, xử lý và truyền các tín hiệu điện hóa trên các đường mòn Neural, các con đường này tạo nên hệ thống giao tiếp của bộ não

Hình 3.7: Cấu tạo Neural sinh học

Mỗi Neural sinh học có 3 thành phần cơ bản:

• Các nhánh vào hình cây (dendrites)

• Thân tế bào (cell body)

• Sợi trục ra (axon) Các nhánh hình cây truyền tín hiệu vào đến thân tế bào Thân tế bào tổng hợp và xử lý cho tín hiệu đi ra Sợi trục truyền tín hiệu ra từ thân tế bào này sang Neural khác Điểm liên kết giữa sợi trục của Neural này với nhánh hình cây của Neural khác gọi là synapse Liên kết giữa các Neural và độ nhạy của mỗi synapse được xác định bởi quá trình hóa học phức tạp Một số cấu trúc của Neural được xác định trước lúc sinh ra Một số cấu trúc được phát triển thông qua quá trình học Trong cuộc đời cá thể, một số liên kết mới được hình thành, một số khác bị hủy bỏ

Như vậy Neural sinh học hoạt động theo cách thức sau: nhận tín hiệu đầu vào, xử lý các tín hiệu này và cho ra một tín hiệu output Tín hiệu output này sau đó được truyền đi làm tín hiệu đầu vào cho các Neural khác

Dựa trên những hiểu biết về Neural sinh học, con người xây dựng Neural nhân tạo với hy vọng tạo nên một mô hình có sức mạnh như bộ não

3.3.2.2 Cấu trúc của Neural nhân tạo

Hình 3.8: Cấu trúc một Neural nhân tạo

Các thành phần cơ bản của một Neural nhân tạo bao gồm:

♦ Tập các đầu vào: Là các tín hiệu vào (input signals) của Neural, các tín hiệu này thường được đưa vào dưới dạng một vector N chiều

♦ Tập các liên kết: Mỗi liên kết được thể hiện bởi một trọng số (gọi là trọng số liên kết – Synaptic weight) Trọng số liên kết giữa tín hiệu vào thứ j với Neural k thường được kí hiệu là w kj Thông thường, các trọng số này được khởi tạo một cách ngẫu nhiên ở thời điểm khởi tạo mạng và được cập nhật liên tục trong quá trình học mạng

♦ Bộ tổng (Summing function): Thường dùng để tính tổng của tích các đầu vào với trọng số liên kết của nó

♦ Ngưỡng (còn gọi là một độ lệch - bias): Ngưỡng này thường được đưa vào như một thành phần của hàm truyền

♦ Hàm truyền (Transfer function) : Hàm này được dùng để giới hạn phạm vi đầu ra của mỗi Neural Nó nhận đầu vào là kết quả của hàm tổng và ngưỡng đã cho

Thông thường, phạm vi đầu ra của mỗi Neural được giới hạn trong đoạn [0,1] hoặc [-1, 1] Các hàm truyền rất đa dạng, có thể là các hàm tuyến tính hoặc phi tuyến Việc lựa chọn hàm truyền nào là tuỳ thuộc vào từng bài toán và kinh nghiệm của người thiết kế mạng Một số hàm truyền thường sử dụng trong các mô hình mạng Neural được đưa ra trong Bảng 3.1.

♦ Đầu ra: Là tín hiệu đầu ra của một Neural, với mỗi Neural sẽ có tối đa là một đầu ra

Xét về mặt toán học, cấu trúc của một Neural k, được mô tả bằng cặp biểu thức sau:

2, , x p: là các tín hiệu vào; (w k1, w k2, , w kp) là các trọng số liên kết của Neural thứ k; u k là hàm tổng; b k là một ngưỡng; f là hàm truyền và y k là tín hiệu đầu ra của Neural

Như vậy tương tự như Neural sinh học, Neural nhân tạo cũng nhận các tín hiệu đầu vào, xử lý (nhân các tín hiệu này với trọng số liên kết, tính tổng các tích thu được rồi gửi kết quả tới hàm truyền), và cho một tín hiệu đầu ra (là kết quả của hàm truyền)

Bảng 3.1: Một số hàm truyền thông dụng

Hàm truyền Đồ thị Định nghĩa

3.3.3 Mô hình mạng Neural nhân tạo 3.3.3.1 Các kiểu mô hình mạng Neural nhân tạo

Cách thức kết nối các Neural trong mạng xác định kiến trúc (topology) của mạng Các Neural trong mạng có thể kết nối đầy đủ (fully connected) tức là mỗi Neural đều được kết nối với tất cả các Neural khác, hoặc kết nối cục bộ (partially connected) chẳng hạn chỉ kết nối giữa các Neural trong các tầng khác nhau Người ta chia ra hai loại kiến trúc mạng chính:

♦ Tự kết hợp (autoassociative): là mạng có các Neural đầu vào cũng là các Neural đầu ra Mạng Hopfield là một kiểu mạng tự kết hợp

Hình 3.9: Mô hình mạng tự kết hợp

♦ Kết hợp khác kiểu (heteroassociative): là mạng có tập Neural đầu vào và đầu ra riêng biệt Perceptron, các mạng Perceptron nhiều tầng (MultiLayer Perceptron - MLP), mạng Kohonen, … thuộc loại này

Ngoài ra tùy thuộc vào mạng có các kết nối ngược (feedback connections) từ các Neural đầu ra tới các Neural đầu vào hay không, người ta chia ra làm 2 loại kiến trúc mạng

♦ Kiến trúc truyền thẳng (feedforward architechture): là kiểu kiến trúc mạng không có các kết nối ngược trở lại từ các Neural đầu ra về các Neural đầu vào; mạng không lưu lại các giá trị output trước và các trạng thái kích hoạt của Neural Các mạng Neural truyền thẳng cho phép tín hiệu di chuyển theo một đường duy nhất; từ đầu vào tới đầu ra, đầu ra của một tầng bất kì sẽ không ảnh hưởng tới tầng đó Các mạng kiểu Perceptron là mạng truyền thẳng

Hình 3.10: Mạng truyền thẳng nhiều lớp

Công cụ nghiên cứu

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý ANSYS (Analysis Systems) là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học Trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí

Chương trình ANSYS gồm các module như sau:

+ ANSYS/Mutiphysics : có thể phân tích đầy đủ các dạng bài toán

+ ANSYS/Mechanical: được thiết kế chủ yếu cho phân tích các kết cấu chi tiết cơ khí

+ ANSYS/Structural: chủ yếu dùng phân tích các bài toán kết cấu xây dựng + ANSYS/Thermal: chủ yếu dùng phân tích các bài toán truyền nhiệt

+ ANSYS/Emag 2D,3D: chủ yếu dùng phân tích các bài toán điện

+ ANSYS/Flotran : chủ yếu dùng phân tích các bài toán thủy lực

Trong luận văn sẽ sử dụng module ANSYS/Mutiphysics để mô phỏng bài toán trở kháng cơ điện

3.4.2 Sử dụng phần tử khối 8 nút solid 45 để mô hình kết cấu chủ

Phần tử solid 45 dùng để mô hình hóa kết cấu đặc ba chiều Phần tử được xác định bởi 8 nút, mỗi nút có ba bậc tự do là chuyển vị tại nút theo các hướng trục x,y,z

Vật liệu mang tính chất trực hướng (orthotropic) Hướng đặc tính vật liệu trùng với hướng trục tọa độ phần tử Phần tử có tính chất dẻo, từ biến, giãn nở, ứng suất cứng hóa, diến hình lớn và biến dạng lớn Trong luận văn, hư hỏng được khảo sát là tổn hao ứng suất trong cáp, xem như bê tông và bản thép không bị hư hỏng (bị nứt, ) đang làm việc ở giai đoạn đàn hồi vì vậy sử dụng Solid 45 để mô hình kết cấu bằng bê tông, thép, nhôm trong nghiên cứu này là phù hợp

Hình dạng, vị trí các nút và hệ tọa độ cho phần tử này được thể hiện như trong Hình 3.15

Hình 3.15: Mô hình phần tử solid 45 dạng 8 nút

Các hàm dạng định nghĩa dạng hình học và biến thiên chuyển vị của phần tử này như sau:

+ Chuyển vị theo phương trục x:

+ Chuyển vị theo phương trục y:

+ Chuyển vị theo phương trục z:

Phần tử solid 45 dạng 8 nút là một trong những dạng phần tử đơn giản nhưng thể hiện khá chính xác mô hình làm việc thực của cấu kiện Đối với các cấu kiện có kích thước hình học đơn giản, việc sử dụng phần tử khối dạng 8 nút giảm đi rất nhiều khối lượng tính toán so với các loại phần tử khác mà vẫn đảm bảo được độ chính xác theo yêu cầu

Thông số đầu vào cơ bản của phần tử solid 45:

- Tên phần tử : solid 45 - Số nút : 8 nút I,J,K,L,M,N,O,P - Bậc tự do : Chuyển vị Ux , Uy , Uz - Đặc tính vật liệu :

+ Mô đun đàn hồi Ex , Ey , Ez ; + Hệ số Possion PRxy , PRyz , PRxz , NUxy , NUxy ,NUyz , NUxz ; + Hệ số nở nhiệt ax , ay , az ;

+ Mô đun chống cắt Gxy ; Gyz ; Gxz

- Tải trọng phân bồ trên bề mặt gồm : mặt 1 (J-I-L-K), mặt 2 (I-J-N-M), mặt 3 (J-K-O-N), mặt 4 (K-L-P-O), mặt 5 (L-I-M-P), mặt 6 ( M-N-O-P)

- Tải do thay đổi nhiệt độ : quy ướt đặt tại nút, gồm T(I), T(J), T(K) , T(L), T(M), T(N), T(O), T(P)

Các thông số đầu ra cơ bản của các phần tử như sau:

- Chuyển vị tại các nút

- Ứng suất theo các phương X, Y, Z, XY, YZ, XZ

- Biến dạng đàn hồi theo các phương X, Y, Z, XY, YZ, XZ

- Biến dạng dẻo trung bình ( Trường hợp vật liệu không tuyến tính theo các phương X, Y, Z, XY, YZ, XZ

3.4.3 Sử dụng phần tử khối 8 nút solid 5 để mô hình PZT

SOLID5 là phần tử khối 3 chiều có khả phân tích các phản ứng vật lý về từ, nhiệt, điện, áp điện, và trong lĩnh vực cơ học Là phần tử có 8 nút với sáu bậc tự do tại mỗi nút, được sử dụng trong phân tích kết cấu và áp điện SOLID5 là phần tử đặc trưng được sử dụng để mô phỏng đầy đủ tính chất cơ-điện cho vật liệu Piezoelectric

Hình 3.16: Mô hình phần tử solid 5 dạng 8 nút

Thông số đầu vào của phần tử solid 5:

- Tên phần tử: solid 5 - Số nút: 8 nút I,J,K,L,M,N,O,P - Bậc tự do: Chuyển vị Ux , Uy , Uz , Điện:VOLT, Nhiệt độ: TEMP, Từ trường:

MAG - Đặc tính vật liệu :

+ Mô đun đàn hồi Ex , Ey , Ez ; + Hệ số Possion PRxy , PRyz , PRxz , NUxy , NUxy ,NUyz , NUxz ; + Khối lượng riêng GXY,GYZ,GXZ

+ Hệ số cản Kxx, Kyy, Kzz

+ Hằng số điện môi PERX,PERY,PERZ - Tải trọng phân bồ trên bề mặt gồm : mặt 1 (J-I-L-K), mặt 2 (I-J-N-M), mặt 3

(J-K-O-N), mặt 4 (K-L-P-O), mặt 5 (L-I-M-P), mặt 6 ( M-N-O-P) + Tải do thay đổi nhiệt độ : quy ướt đặt tại nút, gồm T(I), T(J), T(K) ,

+ Tải do phát sinh nhiệt : HG(I), HG(J), HG(K), HG(L), HG(M), HG(N), HG(O), HG(P)

+ Tải do cường độ điện trường: EFX, EFY, EFZ

+ Tải do phát sinh từ trường: VD(I), VD(J), VD(K), VD(L), VD(M), VD(N), VD(O), VD(P)

- Các thông số đầu ra cơ bản của các phần tử như sau:

+ Chuyển vị tại các nút

+ Ứng suất theo các phương X, Y, Z, XY, YZ, XZ

+ Biến dạng đàn hồi theo các phương X, Y, Z, XY, YZ, XZ

+ Cường độ điện trường theo phương X, Y, Z + Độ từ thẩm MUX, MUY, MUZ

+ Độ cảm ứng điện theo các phương X, Y, Z

3.4.4 Phần mềm IBM SPSS 3.4.4.1 Giới thiệu phần mềm IBM SPSS

SPSS (viết tắt của Statistical Package for the Social Sciences) là một phần mềm máy tính phục vụ công tác phân tích thống kê

SPSS là phần mềm thống kê được sử dụng phổ biến cho các nghiên cứu trong lĩnh vực kinh tế SPSS có giao diện thân thiện với người dùng, dễ sử dụng bởi sử dụng chủ yếu các thao tác click chuột dựa trên các các công cụ (tool) mà rất ít dùng lệnh.

Hiện nay phần mềm SPSS đang được sử dụng rộng rãi trong thống kê phân tích số liệu Đặc biệt trong các trường đại học, việc sử dụng SPSS làm công cụ nghiên cứu đang hết sức phổ biến

Với những tiềm năng trên, cùng với việc tích hợp công cụ Neural Network trong phần mềm, trong luận văn sẽ sử dụng phần mềm này để chẩn đoán hư hỏng từ tín hiệu trở kháng có được trong mô phỏng kết cấu

3.4.4.2 Công cụ Neural Network trong IBM SPSS

Phần mềm IBM SPSS tích hợp nhiều công cụ để xử lý và phân tích số liệu

Một trong những công cụ nổi bật là Neural Network

Neural Network trong IBM SPSS sử dụng 2 mạng điển hình là: Multilayer Perceptron (MLP) và Radial Basis Function (RBF) Trong luận văn, sẽ sử dụng mạng Neural nhân tạo MLP (ANNs MLP) để chẩn đoán hư hỏng tổn hao ứng suất từ tín hiệu trở kháng

Các bước thực hiện để phân tích dữ liệu bằng MLP

B1 Tạo dữ liệu đầu vào: Dữ liệu được tạo dưới dạng các giá trị thuộc các biến với các thuộc tính biến

Hình 3.17: Tên biến và các thuộc tính biến

Hình 3.18: Nhập các giá trị biến

B2 Kích hoạt thuật toán MLP trong Neural Network tool: Analyze\Neural

Hình 3.19: Kích hoạt phân tích MLP

B3 Khai báo các thuộc tính mạng: bao gồm dữ liệu đầu vào, đầu ra, mạng kiến trúc, điều kiện dừng, sau đó click OK để phần mềm phân tích

Hình 3.20: Khai báo thuộc tính cho mạng Neural

B4 Thu thập kết quả và phân tích dữ liệu

Bên trên là các bước cơ bản để phân tích dữ liệu bằng cách sử dụng công cụ MLP của phần mềm SPSS Trình tự làm cụ thể sẽ được giới thiệu ở CHƯƠNG 4 tại các bài toán cụ thể của luận văn.

CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG

Giới thiệu

Trong chương này các mô phỏng bằng phần mềm ANSYS 15.0 sử dụng trở kháng cơ điện để chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm BTCT ƯST căng sau được thực hiện Để đạt được mục tiêu này, các mô phỏng sau đây được thực hiện, từ đó so sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

+ Bài toán 1: Mô hình một dầm nhôm có điều kiện biên tự do (Jiang & Liu, 2009), với hư hỏng là vết nứt ở giữa dầm Mục đích đánh giá khả năng mô hình của

ANSYS V15.0 bằng cách so sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và thực nghiệm, cũng như xem xét tính khả thi trong việc sử dụng mạng ANNs để chẩn đoán hư hỏng

+ Bài toán 2: Mô hình vùng neo cáp (Nguyễn & Kim, 2010), với hư hỏng là tổn hao lực căng cáp Mục đích đánh giá khả năng mô phỏng của ANSYS V15.0 trong việc mô phỏng vùng neo, cũng như đánh giá tính khả thi trong việc sử dụng mạng ANNs để chẩn đoán tổn hao lực căng cáp

+ Bài toán 3: Mô hình vùng neo của 1 dầm cầu BTCT ƯST thực tế có 5 dây cáp Hư hỏng là tổn hao lực căng cáp tại các vị trí cáp Mục đích áp dụng phương pháp đã thực hiện ở bài toán 1 và bài toán 2 để đánh giá tổn hao lực căng cáp, cũng như vị trí cáp bị tổn hao

Một phương pháp chẩn đoán được kiến nghị thực hiện theo trình tự sau để chẩn đoán hư hỏng kết cấu cho 3 bài toán trên như sau:

+ Bước 1: Mô phỏng kết cấu bằng phần mềm ANSYS V15 So sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy của mô phỏng

+ Bước 2: Theo dõi tín hiệu trở kháng của các trường hợp hư hỏng đã biết trong miền tần số từ 10 – 100 kHz với bước nhảy tần số 100 Hz

+ Bước 3: Chia tín hiệu trở kháng thu thập được thành 18 miền tần số, mỗi miền có bề rộng 5 kHz Tính chỉ số RMSD của từng miền tần số Đánh giá chỉ số RMSD để tìm miền tần số cho thấy sự nhạy cảm đối với sự xuất hiện của hư hỏng

+ Bước 4: Sử dụng Mạng ANNs MLP thứ nhất trong phần mềm IBM SPSS để nhận biết các trường hợp hư hỏng trong từng miền tần số được chia ở bước 3 bằng cách sử dụng tín hiệu trở kháng của các trường hợp hư hỏng làm tập huấn luyện Mục đích là tìm miền tần số nhạy cảm để chẩn đoán hư hỏng ở bước sau Tại miền tần số nào có kết quả sai số trung bình chẩn đoán sau huấn luyện thấp nhất và trong miền này có xuất hiện đỉnh trở kháng thì được xem là miền tần số nhạy cảm với hư hỏng của kết cấu

+ Bước 5: Đỉnh trở kháng ở miền tần số được chọn ở bước 4 sẽ được sử dụng làm dữ liệu đầu vào của mạng ANNs MLP thứ hai để chẩn đoán các hư hỏng xuất hiện

Hình 4.1 cho thấy tổng thể phương pháp thực hiện để chẩn đoán hư hỏng kết cấu bằng mạng ANNs

Hình 4.1: Sơ đồ chẩn đoán hư hỏng bằng mạng ANNs

Sau đây, việc phân tích cụ thể từng bài toán sẽ được thực hiện để làm rõ hơn phần giới thiệu trên.

Bài toán 1: Dầm nhôm có điều kiện biên tự do

Khảo sát tín hiệu trở kháng trên dầm nhôm có điều kiện biên tự do được tiến hành thí nghiệm bởi Liu và Jiang (2009) Trong thí nghiệm này, tác giả sử dụng mẫu dầm nhôm có kích thước 1000mm x 20mm x 2mm, dầm nhôm này đặt trên 4 lò xo và điều kiện biên xem như tự do Tấm PZT có kích thước 50mm x 10mm x 0.5mm được đặt cách đầu bên trái dầm một khoảng xa = 62.5mm Tại vị trí cách đầu bên trái một đoạn x = 500mm sẽ cắt các vết nứt có chiều dài 3mm và 6mm từ cạnh của dầm

Sử dụng hiệu điện thế V0 = 4V Như Hình 4.2

Hình 4.2: Dầm nhôm có vết nứt Đặc trưng vật liệu của dầm nhôm và miếng PZT được thể hiện tại Bảng 4.1và Bảng 4.2

Bảng 4.1: Đặc trưng vật liệu dầm nhôm

Tham số Kí hiệu Giá trị

Bảng 4.2: Đặc trưng vật liệu PZT

C11=C22 9.74 x 10 10 C12 5.03 x 10 10 C13=C 23 4.73 x 10 10 C33 7.93 x 10 10 C44 2.3485 x 10 10 C55=C66 1.99 x 10 10 Hệ số ứng suất áp điện e31 -8.70279

Tác giả tiến hành khảo sát với ba trường hợp: dầm nhôm không có vết nứt, dầm nhôm có vết nứt 3mm và dầm nhôm có vết nứt 6mm với khoảng tần số khảo sát từ 19 – 23 kHz

Hình 4.3: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ thực nghiệm

Hình 4.3 cho thấy khi chiều dài vết nứt của dầm nhôm tăng dần thì các đỉnh của trở kháng có xu hướng dịch sang trái (Hồ, 2015) (trong miền tần số khảo sát )

Tuy nhiên, giá trị của các đỉnh trở kháng thì không theo quy luật rõ ràng, nên việc đánh giá sự xuất hiện hư hỏng dựa vào tín hiệu trở kháng này trở nên khó khăn

Tiến hành mô phỏng dầm nhôm bằng phần mềm ANSYS với các thông số vật liệu như Bảng 4.1 và Bảng 4.2

KHÔNG NỨTNỨT 3MMNỨT 6MM

Hình 4.4: Mô hình dầm nhôm mô phỏng trong ANSYS

Hình 4.5: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ mô phỏng ANSYS

Hình 4.3 và Hình 4.5 so sánh tín hiệu trở kháng giữa thực nghiệm và mô phỏng ANSYS, trong miền tần số khảo sát từ 19 – 24 kHz Cho thấy:

- Số lượng các đỉnh tần số ứng với mỗi trường hợp khảo sát là giống nhau với cả thực nghiệm và mô phỏng Ansys trong vùng khảo sát Trường hợp không nứt và nứt 3mm là 2 đỉnh, trường hợp 6mm là 3m đỉnh

- Các đỉnh trở kháng trong mô phỏng Ansys có xu hướng lệch sang trái so với các đỉnh thực nghiệm Độ lệch khoảng 1 kHz Độ lệch này thực tế không đáng kể

Từ những so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng của bài toán trên cho thấy phần mềm ANSYS V15 có tính hiệu quả cao trong việc mô phỏng để theo dõi tín hiệu trở kháng

4.2.2 Tính toán chỉ số RMSD

Dầm nhôm mô phỏng bằng ANSYS đã chứng minh được tính khả thi và độ

KHÔNG NỨTNỨT 3MMNỨT 6MM tin cậy trong việc theo dõi tín hiệu trở kháng như kết luận trên

Sau đây giả định thêm hai trường hợp hư hỏng để mô phỏng là vết nứt 1,5mm và nứt 4.5mm ở giữa dầm (không có trong thực nghiệm) Tiến hành theo dõi tín hiệu trở kháng của các trường hợp: không có vết nứt (không hư hỏng), nứt 1.5mm, nứt 3mm, nứt 4.5mm, nứt 6mm trong miền tần số 10-100 kHz, với bước nhảy tần số 100 kHz Hình 4.6: Tín hiệu trở kháng từ mô phỏng của các trường hợp hư hỏng trong miền tần số 10-100 kHz Cho thấy:

- Trong miền tần số từ 10 – 100 kHz xuất hiện khá nhiều đỉnh trở kháng chủ yếu tập trung nhiều trong khoảng 10 kHz đến 35 kHz và từ 45 kHz đến 60 kHz

- Khoảng từ 65 kHz – 100 kHz tín hiệu trở kháng giảm dần và không xuất hiện đỉnh trở kháng

- Tất cả các trường hợp hư hỏng, đỉnh trở kháng cao nhất đều xuất hiện tại miền tần số từ 48 kHz – 52 kHz Đây là miền tần số xuất hiện cộng hưởng mạnh nhất

Hình 4.6: Tín hiệu trở kháng từ mô phỏng của các trường hợp hư hỏng trong miền tần số 10-100 kHz

Chia tín hiệu trở kháng thành từng miền tần số có bề rộng 5kHz Áp dụng công thức (3.27) để tính chỉ số RMSD Kết quả như Hình 4.7:

KHÔNG NỨTNỨT 1.5MMNỨT 3MMNỨT 4.5MMNỨT 6MM

Hình 4.7: Chỉ số RMSD cho các trường hợp hư hỏng

- Ở các miền tần số khác nhau thì chỉ số RMSD của cùng một trường hợp hư hỏng thì khác nhau Chỉ số RMSD cũng khác nhau đối với các trường hợp hư hỏng khác nhau

- Quy luật biến đổi chỉ số RMSD là khác nhau đối với từng miền tần số khác nhau Ví dụ như ở miền tần số 25-30 kHz, vết nứt còn phát triển thì chỉ số RMSD còn lớn, nhưng ở miền tần số 45-50 kHz vết nứt càng phát triển thì chỉ số RMSD còn nhỏ, hay ở một số miền tần số khác thì không có quy luật nào đối với sự phát triển của vết nứt

- Ở miền tần số từ 50-55 có chỉ số RMSD lớn nhất và lớn hơn rất nhiều so với các miền tần số khác, miền tần số này tương ứng với miền tần số xuất hiện đỉnh trở kháng cao nhất ở đồ thị tín hiệu trở kháng

Như vậy, chỉ số RMSD rất hữu dụng cho việc phát hiện xuất hiện hư hỏng của kết cấu (cụ thể ở đây là dầm nhôm bị nứt) Trong bài toán này, thông qua chỉ số RMSD nhận thấy rằng: tại miền tần số 50-55 kHz là miền tần số nhạy cảm nhất đối với sự xuất hiện của hư hỏng Nhưng, việc các việc phát hiện chính xác đó là hư hỏng gì, như thế nào? Thì việc dựa vào chỉ số RMSD không thể giúp kết luận được

Nứt 1.5mmNứt 3mmNứt 4.5mmNứt 6mm

4.2.3 Sử dụng ANNs MLP 1 để đánh giá miền tần số nhạy cảm với hư hỏng

Trong phần này, bộ công cụ Neural Network trong phần mềm IBM SPSS sẽ được sử dụng để huấn luyện (training) dữ liệu với đầu vào (input) là giá trị tín hiệu trở kháng, mục tiêu (target) của việc huấn luyện là ANNs MLP có thể nhận biết hư hỏng (cụ thể nứt bao nhiêu mm) từ đó thông qua các đánh giá để tìm được miền tần số nhạy cảm

Hình 4.6 cho thấy từ 70 kHz trở đi, tín hiệu trở kháng có giá trị rất thấp gần như tiến về 0 và không xuất hiện đỉnh trở kháng, vì vậy sẽ không tiến hành huấn luyện miền tần số này Như vậy ta sẽ tiến hành huấn luyện từ 10 kHz-70 kHz, mỗi miền huấn luyện rộng 5 kHz, tổng cộng có 12 miền tần số để huấn luyện Từ việc phân tích kết quả huấn luyện của mỗi miền tần số sẽ có kết luận về miền tần số cho kết quả huấn luyện tốt nhất

Các bước thực hiện để tiến hành huấn luyện dữ liệu và phân tích kết quả trong phần mềm IBM SPSS

4.2.3.1 Khai báo các biến, chuẩn bị dữ liệu cho ANNs MLP 1

Vùng neo BTCT ƯST 1 cáp có sử dụng tấm tương tác

Khảo sát tín hiệu trở kháng vùng neo 1 cáp có sử dụng tấm tương tác được tiến hành bởi Nguyễn và Kim (2010) Bằng cách sử dụng tấm tương tác, bất kỳ sự thay

Nứt 1.5mm Nứt 3mm Nứt 4.5mm Nứt 6mm Nứt 5mm

Loại hư hỏng đổi nào của lực căng cáp cũng ảnh hưởng đến tấm tương tác Ưu điểm của việc sử dụng tấm tương tác là các phạm vi tần số hiệu quả được sử dụng và có thể được thiết lập bằng cách thiết kế các chi tiết kỹ thuật của tấm tương tác và tấm PZT dán trên đó

Một ưu điểm khác của việc sử dụng tấm tương tác làm phạm vi tần số trở kháng sử dụng tương đối thấp phù hợp cho việc sử dụng các thiết bị trở kháng không dây

(Giurgiutiu, et al., 2002; Nguyễn & Kim, 2010) Trong luận văn thạc sĩ của Hồ Thanh Dũng (2014) đã chỉ ra việc sử dụng dụng tấm tương tác làm bằng nhôm là hiệu quả nhất trong việc lấy tin hiệu trở kháng Để đánh giá hiệu quả của việc huấn luyện dữ liệu là tín hiệu trở kháng để tìm ra miền tần số nhạy cảm đối với hư hỏng là tổn hao ứng suất lực căng cáp, một mô hình mô phỏng chi tiết vùng neo được thiết lập

Hình 4.28: Mô hình thực nghiệm vùng neo 1 cáp có sử dụng tấm tương tác (Nguyễn

Hình 4.29: Mô hình thực nghiệm tấm tương tác

Hình 4.28 là mô hình thực nghiệm vùng neo có sử dụng tấm tương tác trong nghiên cứu của tác giả Một tấm tương tác bằng nhôm có kích thước 100x60x10 đặt giữa đầu neo bằng thép có đường kính ngoài DEmm, đường kính trong d0mm và bảng neo bằng thép, một PZT-5A có kích thước 14x12x0.2mm gắn trên tấm tương tác như Hình 4.29 Với điện áp kích thích là 1V Bảng 4.8,

Bảng 4.9, Bảng 4.10 thể hiện đặc trưng của các vật liệu sử dụng

Bảng 4.8: Đặc trưng vật liệu PZT-5A

Biến dạng đàn hồi s ijkl E

Hẳng số ghép nối điện môi d kij , ( C/N)

Hằng số điện môi  T jk ,(F/m)

Hệ số mất điện môi,  0.015

Bảng 4.9: Đặc trưng vật liệu tấm tương tác IW (nhôm)

Bảng 4.10: Đặc trưng vật liệu bản neo AP, đầu neo AC (thép)

Cấp lực ban đầu P = 79.5 kN Tín hiệu trở kháng được theo dõi trong phạm vi từ 10 kHz đến 100 kHz, với bước nhảy 100 Hz Kết quả tín hiệu trở kháng từ thực nghiệm như Hình 4.30

Hình 4.30: Tín hiệu trở kháng cấp lực P = 79.5 kN từ thực nghiệm

Hình 4.30 cho thấy đỉnh cao của tín hiệu trở kháng xuất hiện trong miền tần số từ 30-40 kHz, từ đó tác giả (Nguyễn & Kim, 2010) tiến hành khảo sát hàng loạt các trường hợp cấp lực khác nhau trong miền tần số từ 30-40 kHz tại Bảng 4.11 Hình 4.31: Tín hiệu trở từ thực nghiệm ở các cấp lực khác nhau

Bảng 4.11: Giá trị tổn hao lực căng cáp

Kí hiệu Lực kéo cáp (kN)

Hình 4.31: Tín hiệu trở từ thực nghiệm ở các cấp lực khác nhau

Từ thiết lập của thí nghiệm (Hình 4.28 và Hình 4.29) thì một mô hình phần tử hữu hạn vùng neo được thiếp lập trong phần mềm ANSYS với 44200 phần tử bao gồm bản neo, đầu neo, tấm tương tác và PZT-5A gắn trên tấm tương tác

Py.5kNPr.6kNPf.7kNP`.8kNP).4kN

Hình 4.32: Mô hình vùng neo có gắn tấm tương tác

Hình 4.32 cho cái nhìn chi tiết hơn về mô phỏng Với mô hình này khi kéo căng cáp thì sẽ có một lực nén tác dụng lên mặt phẳng đầu neo, sự thay đổi của lực căng cáp sẽ dẫn đến những thay đổi phản ứng động lực học của kết cấu, từ đó ảnh hưởng đến tầm tương tác và PZT Tiến hành theo dõi tín hiệu trở kháng với các cấp lực như thực nghiệm thực hiện Với tần số khảo sát từ 10 – 100 kHz, bước tần số 100 kHz

Tín hiệu trở kháng của các trường hợp hư hỏng từ mô phỏng được thể hiện qua Hình 4.33 và Hình 4.34

Hình 4.33: Tín hiệu trở kháng từ mô phỏng ANSYS miền tần số từ 10-100 kHz

Hình 4.34: Tín hiệu trở kháng từ mô phỏng ANSYS miền tần số từ 30-40 kHz

Từ các Hình 4.31, Hình 4.33 và Hình 4.34 cho thấy:

- Đỉnh trở kháng cao nhất ở thực nghiệm và mô phỏng đều xuất hiện ở miền tần số từ 30-40 kHz

- Đỉnh cao trở kháng trong thí nghiệm xuất hiện tại tần số 35 kHz, trong khi đó đỉnh cao trở kháng trong mô phỏng xuất hiện tại tần số 37 kHz Chênh lệch là 2 kHz, với miền tần số rộng từ 10 – 100 kHz thì sự chênh lệch này không đáng kế

- Tại miền tần số từ 30-40 kHz Khi cấp lực giảm dần thì chiều cao đỉnh trở kháng cũng giảm dần Ở mô hình thực nghiệm khi cấp lực giảm dần, đỉnh trở kháng giảm dần và có xu hướng lệch sang trái, còn ở mô phỏng bằng Ansys đỉnh trở kháng giảm dần nhưng có xu hướng lệch sang phải với độ lệch nhỏ Mô hình bằng phần mềm có thể chấp nhận được

Hình 4.35: So sánh chỉ số RMSD giữa thực nghiệm và mô phỏng trong miền tần số từ 30-40 kHz

Hình 4.35: So sánh chỉ số RMSD giữa thực nghiệm và mô phỏng trong miền tần số từ 30-40 kHz, cho thấy:

- Cả thực nghiệm và mô phỏng, khi hư hỏng càng tăng (lực căng cáp giảm) thì chỉ số RMSD đều tăng

- Trường hợp P).4 kN chỉ số RMSD có sự chênh lệch lớn giữa thực nghiệm và mô phỏng, nguyên nhân do sự chênh lệch đỉnh trở kháng giữa thực nghiệm và mô phỏng

Thông qua việc so sánh tín hiệu trở kháng và chỉ số RMSD giữa mô hình và thực nghiệm, mặc dù có những sai số nhất định, nhưng với những sai số này vẫn có thể chấp nhận được Mô hình ANSYS vùng neo 1 cáp có sử dụng tấm tương tác là tin cậy

Chia miền tín hiệu trở kháng thành từng miền có bề rộng 5kHz Áp dụng công thức (3.27) tính chỉ số RMSD Kết quả như Hình 4.36

Pr.6kN Pf.7kN P`.8kN P).4kN

Hình 4.36: Chỉ số RMSD cho các trường hợp hư hỏng

Hình 4.36 cho thấy : - Xét từng miền tần số, chỉ số RMSD tăng khi hư hỏng tăng Đối với từng hư hỏng ở những miền tần số khác nhau thì chỉ số RMSD khác nhau

- Chỉ số RMSD xuất hiện đồng đều ở các miền tần số (không có đỉnh RMSD như ở bài toán dầm nhôm) Thực chất, chỉ số RMSD có được là nhờ sự chênh lệch tín hiệu trở kháng giữa trường hợp hư hỏng và trường hợp không hư hỏng tại một miền tần số xác định Nếu sự chênh lệch này nhỏ thì chỉ số RMSD cũng sẽ nhỏ (cho dù miền tần số tính toán có xuất hiện đỉnh trở kháng cao nhất) Như vậy, việc sử dụng chỉ số RMSD trong trường hợp này thì sẽ không tìm được miền tần số nhạy cảm để có thể chẩn đoán được hư hỏng của kết cấu

4.3.3 Sử dụng ANNs MLP 1 để đánh giá miền tần số nhạy cảm với hư hỏng

Vùng neo dầm cầu BTCT ƯST căng sau 5 cáp có sử dụng tấm tương tác

Xét công trình cầu Mỹ An vượt qua sông Băng Cung, huyện Thạnh Phú, tỉnh Bến Tre

Py.5 kN Pr.6 kN Pf.7 kN P`.8 kN P).4 kN P@ kN PP kN PE kN

Loại hư hỏng theo nghiên cứu của Lê Viết Thanh Phong (2014)

Hình 4.53: Cầu Mỹ An – Bến Tre

Yêu cầu khoảng thông thuyền của chủ đầu tư là 30m nhưng do đặc điểm công trình ở vùng sâu, giao thông khó khăn nên việc vận chuyển dầm định hình đúc sẵn vào công trường không kinh tế, phương án sử dụng nhịp kết cấu thép cũng không khả thi do đây là vùng nước mặn Giải pháp được đặt ra là sử dụng dầm bê tông ứng suất căng sau Đơn vị tư vấn thiết kế chọn nhịp dầm đơn giản dài 33m, mặt cắt ngang chữ I, phần đầu neo được mở rộng thành mặt ngang hình chữ nhật Chi tiết kích thước và bố trí neo được thể hiện như Hình 4.54

Hình 4.54: Vị trí cáp vùng neo dầm BTCT ƯST cầu Mỹ An

Quy trình theo dõi và chẩn đoán hư hỏng cục bộ dầm cầu BTƯST được giả định như sau:

+ Sau khi dầm được kéo căng cáp và cắt cáp thừa thì tiến hành dán 5 con cảm biến PZT tại vị trí neo 1,2,3,4,5 để theo dõi theo Với cấp lực thiết kế P47kN thì dầm BTƯST làm việc bình thường và không xảy ra hư hỏng, ta tiến hành đo tín hiệu trở kháng ở cấp lực này với 5 cảm biến PZT khác nhau trong miền tần số từ 10-100 kHz, đây được xem là tín hiệu gốc ban đầu không xảy ra hư hỏng

+ Giả định trường hợp hư hỏng riêng cho từng cáp, với độ tổn hao ứng suất lần lượt là 10%, 20%, 50% tương ứng với các cấp lực: 1482.3 kN, 1317.6 kN, 823.5 kN Đo tín hiệu trở kháng trong miền tần số từ 10-100 kHz ở từng cấp lực tương ứng với 5 cảm biến PZT khác nhau Tính chỉ số RMSD của từng PZT theo từng trường hợp hư hỏng Đánh giá về khả năng phát hiện hư hỏng theo vị trí của chỉ số RMSD

+ Giả định thêm các trường hợp hư hỏng khác, sử dụng phương pháp đề xuất để chẩn đoán tổn hao lực căng cáp sau khi đã xác định được vị trí cáp bị tổn hao ứng suất nhờ chỉ số RMSD

4.4.1 Mô phỏng vùng neo BTCT ƯST 5 cáp có sử dụng tấm tương tác

Tiến hành xây dựng mô hình bằng phần mềm ANSYS V15 Xét ảnh hưởng vùng neo trong mô hình là 1m Dầm BTUST được mô phỏng có kích thước 1650x650x1000 mm, thông số vật liệu như Bảng 4.16 Sử dụng 5 PZT-5A kích thước 14x12x12 mm có thông số vật liệu như Bảng 4.8 dán vào 5 vị trí khác nhau, mỗi PZT sẽ theo dõi một cáp Tấm neo được làm bằng thép kích thước 220x220x10 mm thông số vật liệu như trong Bảng 4.10 Tấm tương tác làm bằng nhôm có kích thước

180x160x10 mm, thông số vật liệu của tấm tương tác như

Bảng 4.16: Đặc trưng vật liệu bê tông

Hình 4.55: Mô hình vùng neo dầm cầu BTCT ƯST trong phần mềm ANSYS

Hình 4.56, Hình 4.57 và Hình 4.58 là tín hiệu trở kháng của một số trường hợp điển hình trong miền tần số 10-100 kHz

Hình 4.56: Tín hiệu trở kháng khảo sát trong tần số từ 10-100 kHz của từng PZT trường hợp không xảy ra hư hỏng (cấp lực P= 1647 kN)

Hình 4.57: Tín hiệu trở kháng khảo sát trong tần số từ 10-100 kHz của từng PZT trường hợp cáp 1 bị tổn hao ứng suất 10% (cấp lực P= 1482.3 kN)

PZT1 PZT2 PZT3 PZT4 PZT5

PZT1PZT2PZT3PZT4PZT5

Hình 4.58: Tín hiệu trở kháng khảo sát trong tần số từ 10-100 kHz của từng PZT trường hợp cáp 5 bị tổn hao ứng suất 50% (cấp lực P= 823.5 kN)

Có thể thấy việc dựa vào tín hiệu trở kháng để trực tiếp đánh giá tổn hao ứng suất suất hiện tại vị trí cáp nào là điều không thể

Chỉ số RMSD của các trường hợp hư hỏng được tính toán trong miền tần số 10-100 kHz Kết quả:

Hình 4.59: Chỉ số RSMD của các PZT khi cáp 1 tổn hao ứng suất lần lượt 10%, 20%, 50% ( tương ứng với các cấp lực 1482.3 kN, 1317.6 kN, 823.5 kN)

- Khi hư hỏng xuất hiện và phát triển thì chỉ số RMSD của cả 5 PZT đều thay đổi điều đó cho thấy những PZT ở xa vị trí hư hỏng vẫn cảm nhận được hư hỏng

Nhưng hư hỏng xuất hiện tại vị trí nào thì chỉ số RMSD của PZT gần vị trí đó nhất sẽ lớn nhất

- Xu hướng cho thấy khi khoảng cách từ PZT đến vị trí hư hỏng càng cao thì chỉ số RMSD càng thấp Điều đó cho thấy PZT ở gần vị trí hư hỏng nhận tín hiệu tốt hơn vị trí xa hư hỏng

- Chỉ số RMSD tăng lên khi hư hỏng tăng dần từ 10%, 20%, 50% ở từng PZT khác nhau tương ứng với vị trí xảy ra hư hỏng

Như vậy, việc sử dụng chỉ số RMSD không những cho thấy sự xuất hiện của hư hỏng mà còn cho thấy hiệu quả trong việc phát hiện vị trí xảy ra hư hỏng Hư hỏng xảy ra tại vị trí nào thì chỉ số RMSD của PZT gần vị trí đó nhất sẽ lớn nhất

4.4.3 Sử dụng ANNs để huấn luyện và chẩn đoán tổn hao ứng suất

Sau khi sử dụng chỉ số RMSD để chuẩn đoán vị trí hư hỏng, áp dụng phương

PZT1PZT2PZT3PZT4PZT5 pháp đã thực hiện tại bài toán số 2 để tìm miền tần số nhạy cảm huấn luyện và chuẩn đoán hư hỏng xảy ra

Hai tổn hao ứng suất được giả định thêm, tổn hao ứng suất 30% (tương ứng cấp lực P = 1152.9 kN) được dùng để kiểm tra, tổn hao ứng suất 40% (tương ứng cấp lực P = 988.2 kN) được dùng chuẩn đoán, các cấp lực còn lại được dùng để huấn luyện Kết quả huấn luyện và chuẩn đoán như sau:

4.4.3.1 Huấn luyện và chẩn đoán cho cáp 1

Hình 4.64: Tín hiệu trở kháng dùng để tìm miền tần số nhạy cảm huấn luyện đối với hư hỏng của cáp 1

P47kNP82.3kNP17.6kNP3.5kNP52.9kN

Hình 4.65: Sai số huấn luyện tại các miền tần số tương ứng các cấp hư hỏng tại cáp

Hình 4.66: Sai số huấn luyện trung bình tại các miền tần số tương ứng các cấp hư hỏng tại cáp 1

Các miền tần số đều có kết quả huấn luyện tốt (sai số huấn luyện nhỏ), tại dãy

Dải tần số (kHz) tần số từ 35-40 kHz có xuất hiện đỉnh trở kháng Dãy này được lựa chọn để chuẩn đoán hư hỏng Kết quả như sau:

Hình 4.67: Tín hiệu trở kháng dùng để huấn luyện và chẩn đoán cấp lực P8.2 kN dãy tần số từ 36-37 kHz tại cáp 1 Bảng 4.17: Kết quả huấn luyện và chuẩn đoán cấp lực P8.2 kN tại cáp 1

P47kNP82.3kNP17.6kNP3.5kNP52.9kNP=???

Hình 4.68: : Kết quả sai số huấn luyện và chẩn đoán cấp áp lực P = 988.2 kN tại cáp 1

Hình 4.69: Tín hiệu trở kháng dùng để tìm miền tần số nhạy cảm huấn luyện đối với

P47kNP82.3kNP17.6kNP3.5kNP52.9kN hư hỏng của cáp 2

Các miền tần số đều có kết quả huấn luyện tốt (sai số huấn luyện nhỏ), tại dãy

Dải tần số (kHz) tần số từ 50-55 kHz có xuất hiện đỉnh trở kháng Dãy này được lựa chọn để chuẩn đoán hư hỏng Kết quả như sau:

Hình 4.72: Tín hiệu trở kháng dùng để huấn luyện và chẩn đoán cấp lực P8.2 kN dãy tần số từ 53-54 kHz tại cáp 2 Bảng 4.18: Kết quả huấn luyện và chẩn đoán cấp lực P8.2 kN tại cáp 2

Tập sử dụng Loại hư hỏng Mô phỏng

Hình 4.73: Kết quả sai số huấn luyện và chẩn đoán cấp áp lực P = 988.2 kN tại cáp

Hình 4.77: Tín hiệu trở kháng dùng để huấn luyện và chẩn đoán cấp lực P8.2 kN dãy tần số từ 42-43 kHz tại cáp 3 Bảng 4.19: Kết quả huấn luyện và chẩn đoán cấp lực P8.2 kN tại cáp 3

Hình 4.78: Kết quả sai số huấn luyện và chẩn đoán cấp áp lực P = 988.2 kN tại cáp

Các miền tần số đều có kết quả huấn luyện tốt (sai số huấn luyện nhỏ), tại dãy tần số từ 10-15 kHz có xuất hiện đỉnh trở kháng Dãy này được lựa chọn để chuẩn

Dải tần số (kHz) đoán hư hỏng Kết quả như sau:

Hình 4.82: Tín hiệu trở kháng dùng để huấn luyện và chuẩn đoán cấp lực P8.2 kN dãy tần số từ 13-14 kHz tại cáp 4 Bảng 4.20: Kết quả huấn luyện và chuẩn đoán cấp lực P8.2 kN tại cáp 4

Hình 4.83: Kết quả sai số huấn luyện và chuẩn đoán cấp áp lực P = 988.2 kN tại cáp 4

Hình 4.84: Tín hiệu trở kháng dùng để tìm miền tần số nhạy cảm huấn luyện đối với hư hỏng của cáp 5

P47kNP82.3kNP17.6kNP3.5kNP52.9kN