Cụ thé là, xác định tần số riêng của phố công suất đại diện dé đánh giá tìnhtrạng sức khỏe cau một cách tong quát, đồng thời sử dụng thông số moment tĩnh SSMđể chân đoán sức khỏe của cầu
Trang 1LE BAO QUYNH
NGHIEN CUU DAC DIEM PHO DAI DIEN CUA TIN
HIEU DAO DONG NGAU NHIEN DUNG
Chuyén nganh : CO HOC KY THUAT
TP HO CHÍ MINH, Tháng 12 năm 2013
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : GS TS NGO KIEU NHI
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI DONG CHAM BAO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨTRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA, ngày 07 tháng 01 năm 2014
Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
PGS TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN (Chủ tịch Hội đồng)GS TS NGÔ KIÊU NHI (Giáo viên hướng dẫn)
TS PHUNG MANH TIEN (Ủy viên)TS NGUYÊN TƯỜNG LONG (Ủy viên)TS VŨ CÔNG HÒA (Thư ký)
nm BP DO t2Xác nhận của Chu tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quan lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa.
Chú tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành
Trang 3~ -
-OÓO -Tp HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2013
NHIEM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ
Họ và tên học viên: Lê Bảo Quỳnh Phái: namNgày, thang, năm sinh: 20-03-1989 Noi sinh: Ba Ria Ving TauChuyén nganh: Co hoc ky thuat
MSHV: 12230841
1- TEN DE TAIL:
NGHIEN CUU DAC DIEM PHO DAI DIEN CUA TIN HIEU DAO
DONG NGAU NHIEN DUNG
2- NHIEM VU LUAN VAN:> Nghiên cứu tổng quan các phương pháp theo dõi va giám sát tinh trang cầu trên
thê giới và nước ta hiện nay.
> Nghiên cứu lý thuyết dao động của mô hình thanh dầm và phép biến đổi Fourier
Va từ đo thực tê dao động cua 37 câu thu được tín hiệu đê xây dung Pho côngsuât đại diện (PCSDD).
> Đánh giá độ nhạy giữa thông số thông số tần số riêng với thông số moment tĩnh
(SSM) dé từ đó chọn thông sô quan trọng dé đánh giá tình trạng “sức khỏe” câu.
> Để xuất quy trình phân loại nhịp và phân loại cau.3- NGÀY GIAO NHIỆM VU : 24/06/2013
4- NGAY HOAN THANH NHIEM VU : 18/12/20135- HO VA TEN CAN BỘ HUONG DAN : GS TS NGO KIỂU NHINoi dung va dé cương Luan văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua
CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MON KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) QUAN LÝ CHUYỂN NGANH (Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là thành quả mà em đạt được dưới sự dạy dỗ tận tình của các
thay, cô Bộ môn Cơ kỹ thuật — Khoa Khoa học Ứng dung nói riêng và của trường Dai
học Bách khoa TP.HCM nói chung.
Nhân dịp này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô đãtruyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm, kỹ năng cho em trong suốt quá trình học tập
và nghiên cứu.
Đặc biệt, em xin chân thành gửi lời cảm ơn cô GS TS Ngô Kiều Nhi đã tậntình hướng dẫn em hoà về kiến thức, về phương pháp nghiên cứu đề tài Sự giúp đỡcủa cô không chỉ về kiến thức mà còn vẻ cách làm việc, cách suy nghĩ, thái độ nghiêmtúc trong công việc Đó là bài học quý giá mà em đã nhận được và đúc kết cho bản
than.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô phản biện đã giành thời gian quýbáu để xem và cho ý kiến, nhận xét, đánh giá về luận văn của em
Cuối cùng em xin gửi đến các bạn bè đã cho ý kiến đóng góp để luận văn này
được hoàn thiện.
TP.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2013.
Lê Bảo Quỳnh
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi i HVTH: Lé Bao Quynh
Trang 5TOM TAT LUẬN VĂNGiám sát sức khỏe cau là một vẫn dé rất quan trọng đối với nhiều quốc gia, trong đó
có Việt Nam Vì lý do này, mục tiêu của Luận văn đưa ra đánh giá tình trạng sức khỏe
và phân loại cầu một cách đơn giản và hiệu quả.Luận văn này tập trung vào việc xây dựng và phân tích pho công suất đại diện(PCS DD) Cụ thé là, xác định tần số riêng của phố công suất đại diện dé đánh giá tìnhtrạng sức khỏe cau một cách tong quát, đồng thời sử dụng thông số moment tĩnh (SSM)để chân đoán sức khỏe của cầu một cách chỉ tiết Cuối cùng, trong luận văn này đã đềxuất bảng phân loại nhịp và phân loại 37 cầu nhằm phục vụ công tác giám sát, lên kếhoạch Kiểm định phù hợp đúng thời điểm, đúng đối tượng cũng như có phương án sửachữa cau kịp thời
Từ khóa: Giám sát sức khỏe câu.
GVHD: GS.TS Ngô Kiéu Nhi il HVTH: Lé Bao Quynh
Trang 6Bridge Health Monitoring is an important problem in many countries, includingViet Nam For this reason, the objective of the thesis presents an evaluation of healthystatus and classification for a simple and efficient way.
This thesis focuses on the construction and analysis of representative powerspectrum (PCS DD).Specifically, determine frequency of power spectrum representativeto assess health needs in general, while some systems use a static moment (SSM) todiagnose the health of a detailed requirements Finally, in this thesis proposedclassification spans and 37 bridges in order to monitoring and giving a plant to testing ontime, as well as a plan for repairing bridges.
Keywords: Bridge health monitoring.
GVHD: GS.TS Ngô Kiéu Nhi HVTH: Lê Bao Quynh
Trang 7MỤC LỤC
LOT CAM ƠỲN 5 e<< RE E0 E90949088008490849084030903080304030s s69 iTOM TAT LUẬN VAN THẠCC SĨ -5-5- 5-5-5 << << E995 3sEsEsEsEsessssee iiDANH MỤC CAC BANG uvcsssssssssssssessssssscessssssscssssssssssssssssssssssessssssssssssessssssssesssesssssssseses vDANH MỤC CÁC SO ĐÓ, HÌNH ANH sesssssssssssssesssesescssesssessssssesesessssesssescsessessssesess V
CHƯƠNG 1: /09)/019)007.9)077 5 1
1.1 ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU - 5-5 se +eseteserrserrserseerseerseree 11.2 Y NGHĨA CUA DE TÀI s-s<s<s< s9 41.3 MỤC TIỂU VA PHAM VI NGHIÊN CUU s-cs<sseesesssee 51.4 TINH HÌNH NGHIÊN CUU TREN THE GIỚI VA VIET NAM 5
1.4.1 Phân loại các dạng cảm ĐiẾN ST ST S1 12111 51111111111 11111111111111111111 1111111 te 10
142 Cơ sở lý thuyết về việc chan đoán tinh trạng cấu trúc - - 2 s5s+c+sscs2 12
1.4.2.1 Bài toán thuận - - - - 2+ 22220220 221111 11111111 11111 vn ng nen ret 12
1.4.2.2 5181918113) .alã.a.a 13
1.5 NHUNG DAC TRUNG DONG LUC HỌC CƠ BAN CUA DAO DONG 13
1.5.I Giảm chấn St tì th th tr he 131.5.2 TầnSỐ TH nh He 13
CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÝ THUYT «s5 Sseseeseeeseresrssrsssesed 152.1 LY THUYET DAO DONG DAM CHIU TAI DI ĐỘNG s «<< 15
2.1.1 _ Phương trình vi phân tổng quát độ võng dằm 2 22+ 2 +£+E+£z£zzxzze 152.1.2 Phương pháp chung giải phương trình vi phân tổng quát độ võng dầm 17
2.13 Trường hop dam chịu lực tập trung biến thiên đều hòa di chuyển 212.1.4 Trường hợp dâm chịu luc phân bố đều di chuyền -c55- 23
2.2 KHÁI NIỆM TAN SO RIÊNG -« — —- 262.3 PHAN TÍCH TƯƠNG QUAN VÀ KHÁI NIỆM PHO CÔNG SUAT 282.4 PHÉP BIEN DOT EFOURIER 5< << vss+eserrseereeerrserrserrseere 28
2.4.1 Biêu thức toán HOC c cSt 1121211515153 151511111 155115111 1151151111111111111 111.111 re 2824.2 Tính nat ee eeceecceecseessessneesneeseesneesnecsecesecsnscnncsneceneesecsueesueereceueesneeaneareseneeneeeneennen 29
2.4.2.1 0U 4 292.4.2.2 TY 16 cece ceecccccceccsnceesneceseeeeeseecesaeccsaeecesaeeeeaeeeneeecneaeeceaeeeaeeesseeeneeeeenaeeenaeeens 30
243 Phân tích Fourier thời gian ngăn (STFT) cccccccccecceescseseesescssseseessnesesesesseseeen 3l
2.5 PHÉP BIEN ĐÔI WAAVELUE-T 2-<5-< << se se EsesEseseeseseeeeseseesee 32
2.5.1 Gidi ¡03080150 0006.23.08 Ö 32
2.5.1.1 Dac tinh til ee ee = 322.5.1.2 0 :I001000180/1085:10007Ẽ7 = ¬ 32
2.5.1.3 Thế nao là phân tích Wavelet ? - - 5c e Set 12121212111 211111 111121 1x xe 33
2.5.1.4 Sơ đồ phân giải thời gian tần số trong phân tích Wavelet 34
2.5.2 Phép biến đổi wavelet liên tục 5: + S21 111 2121211121212 11010121011 e6 35
2.5.2.1 Dinh ti 16 ( Scaling 001177 362.5.2.2 Dinh V1 tri (POSItION) 2.0 5 372.5.2.3 Cac bước thực hiện phân tích Wavelet ceesccececeeestteeeeeeseneeeeeenens 37
2.5.2.4 Tỉ lệ và tân SỐ tt nh HH grrrrreg 38
2.53 Biến đổi Wavelet rời rac ( Discrete Wavelet Transform ) : 2-5-5 5-5 39GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi iii HVTH: Lé Bao Quynh
Trang 82.5.3.1 — Lọc một tầng -.5-Sc cS 21 1 222121 11012111 1111012111 err 40
2.5.3.2 Phin tach da MC 177 40
2.54 Bién đội wavelet tĩnh (Stationary Wavelet Transform- SWT) - Al2.5.5 _ Biến đổi wavelet gói (Wavelet Packet 1-D) oo cccccccccseeescsceesseseseeeseseeeeseeen 42
2.6 MOMENT CUA HINH PHẲNG -s-s<+es+rssereserrserrsserseere 44CHUONG 3: XU LY SO LIEU ĐO VÀ KET QUUÁ <-< 5 5 << << <<eses 463.1 QUY TRÌNH DO VA THU NHẬN KET QU Á -5 <5 5 << <<e<es 46
3.2 MỘT VÀI HÌNH ANH DO THỰC TE CUA 37 CÂU s 5-s-se<sesesseses 473.3 QUY TRÌNH XỬ LY SO LIỆU 2-.5-< << << se 5s se s s5 e5eseesesse 483.4 KET QUA TAN SO RIENG THU ĐƯỢC TỪ PCS DD <-sscsscces 52
3.4.1 Đặc diém lặp lại tân sÔ r1Êng - 5 2322211111313 113115511 111111821111 E55 52
3.42 Vung giá trị tần số riêng thấp nhất của các nhịp 2 c<scecccce+ 543.43 DO tin cậy giá tri tần $6 riêng - + 222222 2211211211221 56
344 Quan hệ giữa các TTT ON (C1 - S221 1 22121111 11212111 011121 110101211011 e6 59
3.4.5 Quan hệ tân sô riêng g1ữa nhỊp Va TỤ 5c 31112211 9 vn ky 60
3.4.6 Độ nhạy của giá tri tần số riêng đối với sự xuống cấp của hệ 61
3.5 HE SỐ MOMENT TĨNH (SSM) ssssssssssssssssesssssssssessssesssssssssesssssssssssessessesoes 623.6 ĐÈ XUẤT QUY TRINH PHAN LOẠI CÂU 5-5sec<cec<cseseseseseeses 70
3.6.1 Cơ sở lập luận bang phân loại cầu 5: ¿2 5252212 SEEE2E£EEEEEEEEErrkrkrrerred 70
3.6.1.1 Bang phân loại ESCAPPE Hee 703.6.1.2 Quy trình phân loại câu - - - 1111322111332 1 19 1111119011111 khu 733.6.1.2.1 Phân loại nip 0 cece eccceccsssccecessseceeccneneeeeeesesaeeeeeeseseeeeeesetseeeeeneeaaes 73
3.6.1.2.2 Phân loại câu cv cty 74
CHUONG 4: KẾT LUẬN VA HƯỚNG PHÁT TRIẾN .-< 5- << 76
4.1 KET 6090 h6 76
4.2 HUONG PHÁT TRIEN CUA DE TẢ | 5<s<e<cssessesssexseeesesee 77
TÀI LIEU THAM KHAO 522522212 221221122112112211211121122112112112112110111 re 78
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi iv HVTH: Lé Bao Quynh
Trang 9DANH MỤC CAC BANG
Bang 1.1: Những thuận lợi và không thuận lợi của các loại cảm biến -.- 2c ccccc te se reo 10
Bang 3.1 : Giá trị tần số riêng dao động theo phương thang đứng các nhịp thuộc cau Sai Gon 52
Bang 3.2 : Tân số riêng của cầu Bến NỌc 6-5-5221 1 2121111212111 1121111101012 011 0 xe 53Bang 3.3 : Tan số riêng của cầu Ông Nhiêu 52 S212 E232 12152121115 212171 2121212111 cce 54Bang 3.4: Tan số riêng thap nhất của một số cầu Bê tông dự ứng lực_ 54
Bảng 3.5: Tan số riêng thap nhất nhịp thép và thép liên hop -. .cc-cccccccccc c2 55Bang 3.6: Tan số riêng Của frỤ c0 202022212 n nh nh TT nh ch nen hà 56Bang 3.7: So sánh giá trị tan SỐ riêng - cc 202020221 n TH ng ch nh nen He nà: 56Bảng 3.8: Tan số riêng của một $6 cầu _ c2 22222111 ryng 60Bảng 3.9: Tần số đao động theo các phương của một số nhịp và trụ kề nhau của cầu Giồng Ông2 Ha 60
Bang 3.10: Moment tĩnh nhịp 1 cầu Bến Nọc - c2 222222212211 1111 63Bang 3.11: Moment tĩnh nhịp 1 cầu Gò Công - -.c C222 2212211221 112 nh 64Bang 3.12: Moment tĩnh nhịp 5 cầu Vượt Sóng Than 2 cccccc sec 66Bang 3.13: Moment tĩnh nhịp 6 cầu Vượt Thú Đức l ccccccccc c2 68Bang 3.14: Moment tĩnh nhịp 6 cầu Vượt Bình Phước l_ 69
Bang 3.15: Tóm tat tiêu chuẩn phân loại công trình theo ESCAPE 72
Bang 3.16: Đề xuất phương pháp phân loại nhịp cầu BTDUL _ 74
Bang 3.17: Đề xuất phương pháp phân loại nhịp cầu Thép -. -: 74
Bang 3.18: Thống kê và phân loại các cầu - - c2 1222012211211 n1 2h nh nghe ưa 75DANH MỤC CÁC SƠ ĐỎ, HÌNH ANHHình 1.1: Cau K Nai (huyện Đức Trọng, Lâm Đông) Hình 1.2: Cau Yangmingtan (Trung QuỐC) sie sav ves ves tie si sav tes ves sie sav HH wees
Hình 1.3: Cau Blackburn Street (M9) 60 oc ccc csc ces ves see soe cov ves see cà tet ves ve sev sav ees ves sie tiv tees sie aie
Hình 1.4: Hệ thong SHM Cấu Jindo (Hàn Quốc) cà tev ves ves tie ta ee ves
Hình 1.5: Cau Wujiang (Trung QuỐC) ves cà sev tes ves vie sis sav ves ves tie tiv tev ee sie aie
Hình 1.6: Cau Hpwamyung (Hàn Quốc) sie sev ves sie sie sa tes ves ee sie ee eesHình 1.7: Sơ đồ lắp đặt hệ thong HSM Cầu Hpwamyung (Hàn Quốc)_ 1Ũ0 0 @œ WwW t
GVHD: GS.TS Ngô Kiéu Nhi V HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 10Hình 2.1: Dâm đơn giản chịu tải di động P -S SE t2 TH 21111211 1111111111 ro 15
Hình 2.2: Dam don chịu tải frọng biến thiên điều hoà, di chuyển với vận tốc c dọc theo thanh
Hình 2.3: Dam đơn giản với tải di chuyển liên fỊ ve cà va ve es ave 24
Hình 2.4: % độc lập của v(1/2,0) với tốc độ œ 26
Hình 2.5: Phép biến đổi FOuFrieF QQn TH TT TT TT nh nh nh nh na 29
Hình 2.6: Phép biến đổi Fourier thời gian H8ẮN — co con co 30
Hình 2.7: Sóng sin và WaVeÌ@f_ 2Q Q2 2n hy 33
Hình 2.8: Phép biến đổi Ifavelet cọ 2T TT TT TH nh nh nh na 33
Hình 2.9: So sánh phân tích Fourier và phân tích Wavelef 34
Hình 2.10: Phân tích tín hiệu bằng phép biến đổi FOurier 35Hình 2.11: Phân tích tín hiệu bằng phép biến đối Iavelet ¿2-52 S++t+EE+E+E+ESEctctercrkreet 36
Hình 2.12: Đặc tinh ty lỆ CUA SONG SỈH SG ST HH ng kh 36Hình 2.13: Đặc tinh tỷ lệ của sóng ÏÏ(4V€ÏGÍ << S31 HH ng kh 37Hinh 2.14: 80)/4.57//5/12/NWỀ/dHadddiiiaiaiaiiaiiđiẳẳaaadaa 37
Hình 2.15: Các bước thực hiện phép biến đổi Wavelet ccccceccccccecsscscscesescsssssssesessssssessscssesssseesseees 38Hình 2.16: So sánh biến đổi Wavelet ở các ty lệ và fÂN SỐ - 25552 SE E2 E2, 39
Hình 2.17: Biểu đô lọc một tang "——— 40
Hình 2.18: Biểu đồ phân tách AA Mure c5 5S S SE E2211111 1211111111111 11111111111 1e 40Hình 2.19: Biểu đồ cấu trúc dạng cây phân tách vudavelef' + Set ‡E E221 Etrrkreec AlHình 2.20: Biểu đồ các bước phân AACN eecccccecccccccccscscessscssssessscssesesvesesssssesscssssssesescsesussesssessescaeseeees 4]Hình 2.21: Biéu đô tăng mẫu cho bộ LOC ceececccssceserececsesesevscscseevscscsesscsccesvscseeessscesusvseensvsesceceees 42
Hình 2.22: Mô hình cây phân tách WW(V€Ï6[ «<< 2030108119301 11K 1kg ng re 42
Hình 2.23: Tdi tao tín hiệu từ các hệ số xp xỉ (CA) và chỉ tiết (CD) - scccccccccceseseerreee 43Hình 2.24: Tdi tao tín hiệu da mức từ các hệ số xấp xỉ (CA) và chỉ tiết (CD) -c-c5 55c: 45
Hình 2.25: Hình phẳng A c5 << E1 111111211212 2111111 1111111111111 11111 ro 45
Hình 3.1: Sơ đồ do dao đỘng c0 2112111 n1 ng TT ng ng ch TT TT nen crryn 47Hình 3.2: Lắp cảm biến dao động do trụ Cau Giông Ông Tổ Mới(BT DUL) 5555: 47Hình 3.3: Lắp cảm biến dao động do nhịp Câu Vàm Xuông (BT TLH) -2555s+c<cs+se: 41Hình 3.4: Hinh anh do dao động nhịp cẩu vượt Thú Đức Ì 2 cà 48
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi vi HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 11Hình 3.5: Đồ thi tín hiệu gia tốc dao động nhịp 5 cầu Sài GON 5-52 SeScceccsrcecrerree, 49Hình 3.6: Phổ công suất của các đồ thị tương ứng trên ( Hình 3.6 ) ccccceccccccccreee 49
Hinh 6W 6////0/.,)2/0/2/8u0.52/01 0N aaAẠAẠII En EEE EE: 50
Hình 3.8: PCS BD cầu Giông Ông TỔ Mới Q0 nnQnn TH nh Tnhh nh 51Hình 3.9: Thong kê tan số ƒ: thấp nhất các nhịp BTDUL 55Hình 3.10: Thong kê tan số ƒ: thấp nhất các nhịp BTLH và Tháp ccằc Sa 55Hình 3.11: PCS DD cầu Mỹ THY TQ ccc eccuccuecceceeeceeceevereceuceueceueeneeen 57Hình 3.12: PCS ĐD cẩu Gidng Ông TỔ 2 voc cccceccccccc cece ccc eccceccceeeueeseeseeveteveresetevereees 58Hình 3.13: PCS ĐD cầu Sóng Thần 2 oeceececcccccccccceccecececeuccceceuceutereveueseseeteeeereeeees 58Hình 3.14: PCS DD cẩu vượt Linh XUÂN 22202000000 nn nh nh nh nh nh nnnrnrea 58Hình 3.15: PCS BD của nhịp 2 cầu Sài CỒÒN c2 TS TT TH TT TT ch nhà 59Hình 3.16a: PCS - Moment tinh nhịp 1 cu Bến Nọc đo dot Ï 62Hình 3.16b: PCS - Moment tinh nhịp 1 cẩu Bến Nọc đo đợt 2 2.222 cà 62Hình 3.16c: PCS - Moment tinh nhịp 1 cẩu Bến Nọc đo đợt Ä 2.222 nền 63Hình 3.17a: Đồ thi moment tinh nhịp 1 COU Bến NOC voccccccccccccccccccccccceccccucvcsucceeeeeees 63Hình 3.17b: Đồ thi tan số nhịp 1 cầu Bến NOC oo ccc ccc cccc cece ccccecceceucececeuceeceuceuteeeveneeen 63Hình 3.18a: PCS - Moment tinh nhịp 2 cầu Gò Công do dot ÌÏ 64Hình 3.18b: PCS - Moment tinh nhịp 2 cầu Gò Công do đợt 4 _ 64Hình 3.19a: Đồ thi moment tĩnh nhịp 2 cầu GO CÔNG 221 SE nh ni 65Hình 3.19b: Đồ thi tan số nhịp 2 cầu GO CONG c0 22T T nh nh nh na 65Hình 3.20a: PCS - Moment tinh nhịp 5 cẩu Vuot Song Thần 2 đo Got l Ó5Hình 3.20a: PCS - Moment tinh nhịp 5 cẩu Vuot Sóng Thần 2 đo đợt 3 Ó6Hình 3.21a: Đồ thi moment tĩnh nhịp 5 cầu Vượt Sóng Thần 2 cằ cà 66Hình 3.21b: Đồ thi tan số nhịp 5 cầu Vượt Sóng Thần 2 ÓÔHình 3.22a: PCS - Moment tinh nhịp 5 cẩu Vượt Thủ Đức 1 dot l 67Hình 3.22b: PCS - Moment tĩnh nhịp 5 cẩu Vượt Thủ Đức 1 dot 3 67Hình 3.23a: Đồ thi moment tinh nhịp 6 cẩu Vượt Thủ Đức Ï 2.22 ày 68Hình 3.23b: Đồ thi tan số nhịp 6 cầu Vượt Thủ Đức 1 con ch nha 68Hinh 3.24a: PCS - Moment tinh nhip 2 cẩu vượt Binh Phước 1 dot Ï 69Hình 3.24a: PCS - Moment tinh nhịp 2 cẩu vượt Binh Phước 1 dot Ä 69Hình 3.25a: Đồ thi moment tinh nhịp 2 cẩu vượt Bình Phước Ì 70
Trang 12Hình 3.25b: Đồ thi tan số nhịp 2 cầu vượt Bình Phước Ì Ăn nh Tnhh nà 70
Hình 3.26: Lược đồ phân loại CGU _ TH ST TT n nh Tnhh 73
GVHD: GS.TS Ngô Kiểu Nhi viii HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 13CHƯƠNG 1: TONG QUAN1.1 DONG LUC NGHIEN CUU.
Công trình cầu chiếm vi trí đặc biệt quan trong trong mang lưới giao thong Sự hưhỏng của chúng gây ra các tốn thất lớn về kinh tế, xã hội Vì vậy nhiệm vụ đảm bảo an
toàn chịu tải do lưu thông của chúng là việc hệ trọng của cơ quan quản lý Biện pháp
đánh giá khả năng chịu lực của cầu một cách căn cơ được quy định trong Quy trìnhKiểm định do Nhà nước ban hành [1]
Cùng với sự phát triển, nhiễu công trình cầu đã được xây dựng phục vụ nhu cầu vềlưu thông ngày càng nhiều của các họat động xã hội Nhưng tuổi tho của các côngtrình cầu không phải là vĩnh cửu, nhiều cây cầu khi đưa vào sử dụng một thời gian dài(khoảng 10-20 năm) đã có dấu hiệu xuống cấp và không đảm bảo an toàn cho conngười khi lưu thông trên cầu vì cầu có thể sập bất cứ lúc nào Chính vì vậy mà việckiểm tra đánh giá tình trạng cầu thường xuyên là một vẫn đề hết sức cấp thiết hiện nay
Khoảng cách giữa hai lần kiểm định được quy định từ 3 đến 5 năm Do cáccông tác cần thực thi được đề ra theo Quy trình [1] đòi hỏi nhiều chỉ phí nên trongthực tế việc kiểm định chỉ thực hiện khi có nhu cầu sửa chữa lớn Hiện trạng này khiếnđơn vị quản lý có rất ít thông tin để đánh giá tình trạng cơ học (liên kết, cơ tính vậtliệu), khả năng chịu tải thực tế của kết câu Độ an toàn khi sử dụng cầu được đảm bảobởi hai biện pháp: tuần tra định kỳ ngày/lần, tuần/lần (hay tháng/lần ) và biện phápKiểm định Khoảng 20 năm gần đây, trên thế giới sử dụng thêm một biện pháp đó làgiám sát thường xuyên bang việc thu thập các thông số ứng xử thực tế của cầu va cácthông số môi trường liên quan Trong các thông số được giám sát thì thông số daođộng là quan trọng bậc nhất
Biện pháp giám sát thường xuyên thoạt đầu dùng tại các cầu dây văng Ngày nay biệnpháp này triển khai sang các cầu loại khác mà khả năng đảm bảo của nó cho cácphương tiện lưu thông luôn can được khang định
Trong nước tình trạng sập cầu diễn ra nhiều trong thời gian gần đây Đặc biệtsập cầu Can Thơ vào lúc 8 giờ 26/09/2007 khi dang trong quá trình thi công gây raGVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi l HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 14nhiều thiệt hại về người và vật chất (58 người chết và 181 người bị thương ) Gần đâynhất sập cầu K’Nai (huyện Đức Trọng, Lâm Đồng) vào ngày 15/01/2013 mặc dù chưathiệt hại lớn so với sập cầu Cần Thơ nhưng van dé nay lại báo động một lần nữa trong
công tác duy tu, sửa chữa và giám sát Kiêm định câu là vân đê hêt sức cân thiệt.
Trên thế giới tình trạng sập cầu nghiêm trọng diễn ra ở khắp nơi Vào lúc 13h05phút ngày 24/08/2012 một đoạn của cầu Yangmingtan trị giá hàng trăm triệu USD bắtqua sông Tùng Hoa ở tỉnh Hắc Long Giang (Trung Quốc) đã bị sập, khiến 4 xe tải rơitừ độ cao hàng chục mét xuống đất, làm chết 3 người và 5 người khác bị thương
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 2 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 15Hình 1.2: Cau Yangmingtan (Trung Quốc)Cũng tương tự tại Mỹ vào ngày 24/05/2013 cầu Liên tiểu bang 5 (15) 4 lan đường, bắcqua sông Skagit ở Washington đã bị đồ sụp vào lúc 7 giờ tối.
thử nghiệm lập mạng thu thập tự động liên tục dữ liệu từ trên 100 cảm biến biến dạnglắp đặt tại cầu Sài Gòn [2] Nhận định mà LAM rút ra sau đợt thử nghiệm trên là khảnăng lập các hệ thống HMS tại Việt Nam là khả thi Tuy nhiên chỉ phí để lắp đặt hệthống này không rẻ Vì vậy dé kết hợp giữa hai nhiệm vụ quản lý: giám sát cầu Sai Gonvà quản lý số lượng xấp xỉ 1000 cầu với kinh phí chấp nhận được trong điều kiện củađất nước, chúng tôi chọn phương án sử dụng số liệu đo dao động thực tế bằng biện phápGVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 3 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 16tô chức đội cán bộ kỹ thuật trực tiếp đến từng cầu thu thập số liệu Thông số quan trọngnhất cần được xác định trong trạng thái dao động của cầu theo [1] là tần số riêng Theo[1], tan số riêng được xác định từ đồ thị dao động tự do Đề đảm bao công việc đo triểnkhai được với số lượng lớn cầu và khoảng cách giữa hai kỳ đo cho mỗi cầu đáp ứngđược nhu cầu cập nhật số liệu, ví dụ từ 6 tháng đến 3 năm, thì thời gian đo đạc tại mỗi
vị trí không được quá lau Hai van dé cân được giải quyết là:a _ Đưa ra có biện pháp xác định tan sô riêng từ tín hiệu dao động ngau nhiên trong
tình huống dao động bất kỳ để không ảnh hưởng đến giao thông.b Thông qua việc Khảo sát các đồ thị dao động tìm ra, ngoài tần số riêng, các đặc
trưng khác cho phép theo dõi quá trình suy yếu cảu bộ phận cầu được Khảo sát
(nhip/tru).
Dé giải quyết 2 van dé nêu trên nhóm nghiên cứu đã dé xuất phương pháp xâydựng phổ công suất tổng quát từ các phố công suất tức thời Phố xây dung được đặt tênlà phố công suất đại diện (PCS DD) Y tưởng này đã được trình bày trong hội nghị Cơđiện tử toàn quốc diễn ra vào ngày 14 và 15-12-2012 tại Trường Đại học Công NghệHà Nội thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội Luận văn này trình bày phương pháp xác địnhtan số riêng và các Khảo sát khả năng cho phép theo dõi quá trình suy yếu can từ 1thông số được tính toán từ PCS DD
1.2 Ý NGHĨA CUA DE TÀINội dung nghiên cứu của đề tài phục vụ mục tiêu đề xuất một biện pháp trunggian giám sát tình trạng cầu trước khi quyết định Kiểm định Biện pháp này cho phépbồ sung thông tin về tinh trạng cầu với tần suất cao hơn, kinh phí rẻ hơn, công tác tổchức khả thi hơn Với các kết quả đạt được sẽ thực sự hỗ trợ căn cứ khoa học cho cácnhà quản ly cầu lên kế hoạch duy tu bảo dưỡng cau 1 các hợp lý, đúng lúc tiết kiệm.Ngoài ra, việc từng bước làm chủ khoa học và công nghệ trong công tác quản lý cầu
nói riêng và trong công tác giám sát tình trạng hoạt động của các công trình xây dựng
khác, các cơ hệ lớn cũng là một việc làm cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn, không chỉ ở
Việt Nam mà còn là môi quan tâm của rat nhiêu nước trên thê giới.
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 4 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 171.3 MỤC TIỂU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Xuât phát từ mục tiêu nghiên cứu của LAM là tìm các đặc trưng nhạy đôi vớisự xuông câp của Kêt câu từ các tín hiệu dao động ngâu nhiên, Luận văn có nhiệm vụgiới hạn trong việc Khảo sát 2 vân đê:
1 Dé xuất phương pháp xác định tần số riêng và Khảo sát độ tin cậy của phương
pháp.
2 Khảo sát sự thay d6i moment của phô công suất dao động dé xác định khả năngsử dụng thông số này như 1 thông số nhạy hơn ( so với tan số riêng ) trong việc
giám sat sự xuông cap của các bộ phận câu.
Trong luận văn này sử dụng các số liệu đo từ công trình [2] được thực hiện bởiLAM, trong thời gian từ 2009 đến 2012 Việc khảo sát chủ yếu tập trung đối vớinhịp cau, ngoài ra đối với tần số riêng, Khảo sát cũng tiễn hành đối với các trụ cầu.1.4 TINH HINH NGHIÊN CỨU TREN THE GIỚI VÀ VIỆT NAM
Hiện nay, trên thế giới biện pháp thu thập số liệu thường xuyên thực hiện bởicác hệ thống thu thập dữ liệu tự động, gọi là Hệ thống theo dõi sức khỏe (HealthMonitoring System, HMS) [3] phố biến đối với các cầu quan trọng Với các cảm biếnđược cai đặt cố định tại các vị trí trên cầu Các dữ liệu từ cảm biến thu thập liên tục24/24 một cách tự động Các thông số được đo bao gồm các thông số ứng xử cơ học
(dao động, biến dạng, độ võng) và môi trường (nhiệt độ, vận tốc, 210, thủy văn, tai
trọng ) Trong đó dao động là thông số cơ bản không thé thiếu HMS cho phép đồngthời thu thập thông tin từ số lượng lớn các cảm biến
Hiện tại việc kiểm tra thường xuyên chỉ sử dụng có biện pháp quan sát bangmat hay sử dụng một số dụng cụ kiểm tra chuyên dùng như thiết bị siêu âm, súng banbê tông, bức xạ âm thanh đang được áp dụng Các biện pháp này có chung đặc điểmlà muốn áp dụng thì phải xác định được khu vực nguy hiểm trên cấu trúc nhờ vào kinhnghiệm, đồng thời chúng có nhiều nhược điểm như độ chính xác thấp và không pháthiện hay đánh giá được các hư hỏng bên trong cấu trúc Những năm gần đây, một biệnpháp khác được dé nghị là dựa vào dao động cua co hệ Co sở khoa hoc của phương
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 5 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 18pháp này là khi cơ hệ xuống cấp sẽ làm thay đổi các các đặc trưng động lực học của cơhệ như tần số riêng, dạng dao động, giảm chấn hay làm giảm độ cứng chống biến dạng Do đó để đánh giá tình trạng của cơ hệ thì ta phải tìm dấu hiệu thay đổi của cácthông số trên Cơ sở khoa học của phương pháp này là khi cau trúc trong cơ hệ suy yếusẽ làm thay đổi các các đặc trưng động lực học của cơ hệ như tần số riêng, dạng daođộng, giảm chấn hay làm giảm độ cứng chống biến dang Do đó dé đánh giá tìnhtrạng của cơ hệ thì ta phải tìm dau hiệu thay đổi của các thông số trên Kirmser (1944)là người đầu tiên nghiên cứu biện pháp này, ông đã tìm hiểu mối quan hệ giữa tần sốriêng và vết nứt trên một dầm sắt Từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều phương pháp pháthiện sự suy yếu của cấu trúc dựa trên dao động Tung [4 - 5] (1967) có lẽ là tác giả đầutiên trình bày các nghiên cứu dựa trên các đặc điểm sự rung động ngẫu nhiên và độ tin
cậy của một dầm cau chịu tải một đoàn tau ngẫu nhiên di chuyền Trong bài báo của
Sniady va đồng tác giả [6-7] (1984 - 2001) phân tích các rung động của dầm cầu, ướctính độ tin cậy và sự mỏi của cây cầu Những rung động ngẫu nhiên của dầm cầu vớicác điều kiện biên khác nhau do một đoàn tàu di chuyên dọc theo dầm với một tốc độkhông đổi trong cùng một hướng cũng đã được phân tích bởi Zibdeh và Rackwitz [8 -9] (1996) Vẫn đề rung động của một cây cầu treo chịu sự di chuyền ngẫu nhiên củamột đoàn xe đã được thảo luận bởi Bryja và Sniady [10-11] (1998) Những năm 2000cùng với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế đòi hỏi lưu lượng giao thông qua lại trêncác cây cầu cũng nhiều hơn vì vậy các cây cầu xây dựng cũ đã xuống cấp và đã xảy rahiện tượng sập cầu diễn ra trên nhiều nước thế giới Vì vậy vào năm 2003 nhóm
nghiên cứu của Meyyappan thuộc trường đại hoc Missouri (2003) [12] đã trình bay
một hệ thống giám sát sức khỏe cau trúc thực té sử dụng các công cụ kỹ thuật thôngminh và ứng dụng của nó để theo dõi sức khỏe cấu trúc của một cây cầu thép nằm ởMissouri, dữ liệu rung động thu thập từ cầu này đã được xử lý và sử dụng thuật toán di
truyên dự đoán hư hỏng của câu.
Với những công nghệ mới hơn, nhiều cảm biến khác nhau đã được phát triển đểđo tính chất cơ học hoặc ứng xử cơ học của nhiều loại vật liệu khác nhau Những loạicảm biến và thiết bị đo khác nhau được sử dụng trong ứng dụng giám sát sức khỏe cau.Khi giám sát một cây cầu, có hai biện pháp chính thường được sử dụng: động họcGVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 6 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 19(Chuyển vị, biễn dạng, gia tốc) và môi trường (nhiệt độ, độ âm, và gid) của nhómPhares, Robertson, Sawyer, Xia (2005)[13] Cả hai loại đo lường đều cung cấp giá trịthông tin về một cau trúc ứng xử theo thời gian Vì vậy, các bộ cảm biến phô bién nhất
được thực hiện trên cầu gồm: cảm biến quang, thiết bị đo rung, thiét bi do bién dang,
cặp nhiệt điện, và các cam biến Cả hai loại thiết bị cảm biến này có thể được sử dụnggiám sát và thu thập dữ liệu Thiết bị đo biến dạng, thiết bị đo dao động, và cảm biếnquang thường được sử dụng để đo biến dạng, nhiệt độ, tải tĩnh và động Theo [13] dữliệu thu thập có thé được truyền trực tiếp từ xa bằng thiết bị không dây Do sự tiến bộtrong kỹ thuật chế tạo cảm biến, mà nhiều cảm biến có thể được đặt trực tiếp vào trongbê tông tại các vi tri cần đo Việc thu thập thông tin liên tục có thể làm tăng an toàncho cầu bởi được cảnh báo sớm trước khi cầu có dấu hiệu bất thường xảy ra Để ngănchặn những kết luận sai lệch thông qua dữ liệu, SHM được cầu tạo cảm biến dự phòngthêm tin cậy va bảo đảm Trong số nhiều công nghệ đã được phát triển dé hỗ trợ trongviệc đánh giá tình trạng cầu, công nghệ chế tạo cảm biến đã thu hút được quan tâmnghiên cứu lớn do khả năng giám sát liên tục tình trạng cầu Ứng dụng cảm biến dựatrên SHM đã được mở rộng trong hệ thống giám sát sát cầu dé tăng an toan
Vào năm 2010, một nhóm nghiên cứu của giáo sư Jong Woong Park và các
đồng nghiệp thuộc khoa xây dựng Trường Dai học Hanyang, Seoul, Hàn Quốc đứngđầu đã thiết kế hệ thống theo dõi sức khỏe cầu băng các cảm biến gắn vào các nhịp vàdây văng chịu tải cua cầu [14]
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 7 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 20Hình 1.4: Hệ thông SHM Cấu Jindo (Hàn Quốc)Mỗi một cầu bao gồm ba nhịp liên tục, với một nhịp chính 344 m trung tâm và hai
nhịp bên 70 m.
Năm 2012 một nhóm nghiên cứu do Ling, Luo, Hong, Luo, BaiSong, Du [15]
đã nghiên cứu một hệ thống theo dõi tình trang sức khỏe mới cho câu dây văn Wujiang(Trung Quốc) Cau dây văn Wujiang gồm có 2 trụ, 3 nhịp chính dài 100m + 340m +
100m.
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 8 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 21Cũng vào năm 2012, tại Hàn Quốc do nhóm nghiên cứu đứng đầu là Giáo sưJeong — Tae Kim [16] đã sử dụng hệ thống SHM để theo dõi tình trạng cầu dây văngHwamyung bắc qua sông Nakdong River nối giữa hai thành phố Busan và Gimhae đãđược công bố, và các kết quả đó cũng được nhóm nghiên cứu này trình vào buổi hộithảo diễn ra vào tháng 02/2013 tại ĐH Bách Khoa Tp HCM.
Năm 2013, Nhóm nghiên cứu Marco Torbol, Sehwan Kim, Ting-Chou Chien,Masanobu Shinozuka thuộc khoa xây dựng của Đại hoc New York [17] đã theo dõi
sức khỏe cau trúc từ xa để xác định tần số tự nhiên của một cầu dây văng bê tông sửdụng một hệ thống cảm biến mạng lai Một giao diện không dây được sử dụng giữa
các đơn vi tập hợp dữ liệu, trong khi một giao diện có dây được sử dụng giữa một đơn
vị tập hợp dữ liệu và các nút cảm biến Mỗi cảm biến được trang bị gia tốc MEMS cóđộ chính xác cao có thể điều chỉnh tần số lay mẫu từ 0,2 Hz đến 1,2 kHz Toàn bộ hệthống đã được cài đặt bên trong các hộp bê tông cốt thép dầm của cầu Hwamyung tại
Busan, Hàn Quốc Cầu Hwamyung là một cây cầu bê tông dự ứng lực được thiết kế
bao gồm: dầm chính 500m, dầm phụ 115m x 2, đường dốc: 1.039km
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 9 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 22Cate: 4 ponhers [MỤC Pon: pons Toa 13 gophers
Hình 1.7:Sơ đô lap đặt hệ thông HSM Cầu Hpwamyung (Hàn Quốc)1.4.1 Phân loại các dạng cảm biến
Theo tải liệu công bố gần đây, các loại bộ cảm biến phố biến nhất hiện nayđược sử dụng trong hệ thống giám sát cầu Parkview là những cảm biến đo biến dạng
của Giao sư Osama Abudayyeh thuộc khoa xây dựng trường Dai hoc Western
Michigan (2010)[18] Các loại cam biến đã được sử dụng thành công trong việc theodõi sức khỏe cầu, chăng hạn như thiết bị đo rung cầu dây văng, cảm biến quang vàcảm bién không dây Mỗi một loại cảm biến có những lợi thế và bất lợi được trình bày
(bảng 1.1).
Bảng 1.1: Những thuận lợi và không thuận lợi của các loại cảm biến
Loại cảm biến Chức năng Thuận lợi Không thuận lợi
Đo một loạt nhiệt độ Đọc đữ liệu từ thiết
bị thì đắt tiền
Chức năng đơn
Không tốn kém giản, tốn thời gian
cài đặtCảm biến điệntrở |Giámsáttrong | Phủ hợp với tải trọng | Bị anh hưởng bởi
động điện từ
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 10 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 23thời gian ngắn Có săn nhiêu chức năng
khác nhau
Các chức năng đobị giới hạn
Cung câp một tín hiệuđiện mà có thê được đo
băng nhiều mạch khác
Cảm biên đo rungGiám sát trong
thời gian dài
Độ tin cậy caoPhụ thuộc vào độ
đài của dây
Có nhiều kênh Không thể theo dõi
tải hoạt độngDé cài đặt
Chi phí thấp
Không bị nhiễm từ
Có khả năng chống va
đập và chong bị ăn mònĐo được nhiệt độ và
Trọng lượng nhẹDây cáp phải xử lý
cân thận và nhẹ
nhàngKích thước nhỏPhân cứn và phan
Trang 24Cực kỳ chính xác
Làm việc độc lập Tuổi thọ pin hạn
Ciám sát trong chê
nak thoi gian ngan : R
Hệ thong Wireless _ Chỉ phí triên khai Vẫn đang trong
thấp quá trình nghiên
cứu
1.4.2 Cơ sở lý thuyết về việc chan đoán tình trang cấu trúc
Tình trạng ứng xử động của cơ hệ thường được sử dụng để giải bài toán chânđoán tình trạng hưu hỏng của cấu trúc Có thể phân thành hai dạng bài toán động lực
học cơ bản liện quan tới đặc trưng ứng xử động học của cơ hệ, đó là bài toán thuận vàbài toán nghịch.
1.4.2.1 Bài toán thuận
Bài toán thuận được định nghĩa như sự mô phỏng và phân tích các mô hình cầutrúc trong việc thiết kế với dữ liệu về cấu trúc như khối lượng, giảm chắn, độ cứng,các đặc trưng hình học tình trạng phân bồ tải, điều kiện biên Nhiệm vụ bài toán thuậnlà xác định ứng xử của hệ, chăng hạn như phải tính chuyển vi, độ võng góc xoay, ứngsuất, tần số, biên độ, dang dao dong Tính toán mô hình trong bài toán thuận thườngđược dùng để tạo ra dữ liệu các vector đặc trưng của cau trúc trong nhiều trường hợphư hỏng phục vụ cho công tác nghiên cứu Có rất nhiều phương pháp giải bài toánthuận được xây dựng dựa trên cơ sở các phương trình vi phân đặc trưng của hệ, chắnghạn như phương pháp phan tử hữu han (FEM), phương pháp phan tử dai (SEM, StripElement Method), phương pháp phân tử biên (BEM, Boundary Element Method), hay
phương pháp không lưới (MFM, Mesh Free Method).
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 12 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 251.4.2.2 Bài toán ngược
Bài toán ngược được định nghĩa là quá trình mô hình hóa lại một cầu trúc đãton tại bằng những số liệu thực (số liệu phản hỏi từ cấu trúc) phản ánh ứng xử của hệnhư chuyển vị, vận tốc, gia tốc, biến dạng (thường là những số liệu rời rạc đo đượcbang thực nghiệm) Nhiệm vụ là xác định điều kiện biên (chiều dai và vị trí vết nứt ),đặc trưng hình học (moment quán tính) hoặc các thuộc tính cơ học của vật liệu (tầnsố, độ cứng, giảm chan ) Mot số bài toán ngược thường được sử dụng như phươngpháp tối ưu, phương pháp sử dung mạng Neural Networks nhân tao (ANN), sử dụngFuzzy Logic hay nhóm các đối tượng kết hợp Lời giải của bai toán ngược được ứngdụng rất hữu ích trong nhiều bài toán kỹ thuật như xác định và ước lượng mức độ hưhỏng trong cơ hệ dựa trên tín hiệu dao động và sóng siêu âm, hay tham dò thám hiểmđại dương, không gian, hướng dẫn và định hướng rada nhờ vào sóng phản hồi
1.5 NHUNG ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LUC HOC CƠ BAN CUA DAO DONG
1.5.1 Giảm chan
Phương pháp xác định giảm chan của cau trúc là một phương pháp phổbiến nhằm đánh giá kiểm tra tong thé các cấu trúc kỹ thuật thông qua các số liệu dolường từ đáp ứng của môi trường xung quanh Vì thé trong một vai nghiên cứu có xuhướng sử dụng giảm chan dé đánh giá tình trạng làm việc của cau trúc cầu bởi vì hocảm thay răng làm tăng sự giảm chan, liên quan đến sự suy giảm năng lượng trong quátrình dao động của cầu trúc Nhóm tác giả D Montalvao, A M Ribeiro, J Duarte-Silvnăm 2008 đã xác định vi trí của khuyết tật bang cách thông qua phương pháp giảmchan [19] Tương tự, Tác giả Colakoglu với nghiên cứu của mình [20] cho rằng hệ sốgiảm chan tỉ lệ với số chu kỳ mỏi của cấu trúc
1.5.2 Tan số
Tan số riêng là một trong những thông số phổ biến nhất được sử dụng trongcông tác kiểm định cau Trong giai đoạn thiết kế cũng như xây dựng một cây cau, cáckỹ sư luôn tính toán sao cho cấu trúc cầu phải có tần số riêng lớn hơn các tần số daođộng cưỡng bức gây ra bởi tác động môi trường mà cầu phải chịu khi đưa vào sử dụngnhư gió, động dất, phương tiện lưu thông Tuy nhiên qua thời gian sử dụng lâu dài,GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 13 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 26dưới tác dụng của sự lão hóa vật liệu cũng như những tác động môi trường khônglường trước, cau sẽ ngày cảng xuông cap và tân sô riêng sẽ giảm Chính vì vậy mà cáctác giả đã tiệp cận các phương pháp chân đoán tinh trạng suy yêu của câu trúc băng tân
số riêng bởi tác giả Aiko Furukawa và Hisanori Otsuka năm 2006 [21]
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 14 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 27CH ONG 2: CƠ SỞ LÝ THUYET2.1 LÝ THUYET DAO DONG DAM CHIU TAI DI DONG2.1.1 Phương trình vi phân tổng quát độ võng dam
Khi thanh ở trạng thái chịu lực là uốn ngang phang, thanh được gọi là dầm
và định luật Saint_ Venant được áp dụng.
Khối lượng của tải di chuyển là nhỏ khi so sánh với trọng lượng bản thân củadầm, do đó ta chỉ chú ý đến ảnh hưởng của trọng lực tác dụng lên tải
Tải di chuyền với tốc độ không đổi, đi từ trái sang phải
Giả thiệt là xem như không có độ vống và mômen uôn tại 2 dau của dâm.
gi (at), 20" (xt) ô0(x.!)
ay + a3 +2, ~ =6(x-ct)P (2.1)
Điều kiện biên là :
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 15 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 28J - momen quan tinh tai mặt cat dầm.- khối lượng trên don vị chiều dài.O, - vận tốc góc bộ giảm chan của dam.
P - lực tập trung.
| - biên độ dầm.Cc - hang số tốc độ của tai di động
O(x) = dH (x) : gọi là ham Dirac, là hàm suy rộng, dùng dé biểu hiện tải tập trung
như sau p(x,ft) = ö(z)P
Hàm Dirac 6(x) được coi như là lực đơn vi tập trung tác dụng tại điểm x=0
Các đặc tính suy ra như sau:
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi l6 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 29Suy rộng cho dao ham bậc n của ham Dirac :
Trang 30Ta ký hiệu vận tốc góc tại nút thứ j của dao động dầm đơn giản này là :> JjJZz'EI
P
Laplace_Carson, nhân vào phương trình e"”, cận từ 0 đên œ, sau đó nhân p vào nó
( p là giá trị phức ) Mối hệ thức co bản của phép biến đối này là:
V”(7.p)= p|V(j.:)e ”
, 1 ,V”(7.p)
V(j,.t)=— P d(it) => Je — víLúc này phương trình (2.13) kết hợp với (2.14) theo sau điều kiện đầu (2.3) trở thành:
Trang 31Dựa vào vị trí của điểm đặt của hàm phức tạp như (2.16), ta phân biệt giữa nhiềutrường hợp như việc phân tích được dễ dàng biến số ảnh hưởng đến tốc độ @ và ảnhhưởng đến độ giảm chan /Ø :
Tụ =l/ Sin - là chu kỳ của dao động tu do lần thứ nhất
T=I/c - thời gian lực xuất hiện trên dầm
Trang 32Mômen uốn và lực cắt tại giữa dầm gây ra bởi lực cắt tĩnh P tại x=l/2 ta có :
ja|7(7-#)-?7' |(7 TF ) 5 ¿ ”“ sin Opt —2 jap (cosj ot-eTM'coso,,t)| (2.28)
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 20 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 33Chuỗi (2.22) cho độ võng của dam hội tụ rất nhanh, xấp xỉ như chuỗi 3 1/ j*, chuỗi
| “|
Hình 2.2: Dâm đơn chịu tải frọng bién thiên điều hoà, di chuyển với vận tốc c dọc theo
thanh dâm.Cách giải quyết van dé của lực phân bố đều di chuyên với tốc độ c trên | dầmtựa đơn giản, chiều dài / Khi đó lực P được biéu diễn như sau :
P(t) = OsinOt (2.29)O là biên độ và Q là vận tốc góc của lực phân bố Phương trình dao động của dầm
được mồ tả như sau:
Giải quyết phương trình trên bằng biến doi Laplace-Carson Trong đó :
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 21 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 34(đ=ø!2p <<l,Ø = #, Í ®y <1).
(2.35)
AXsin ( (Or + Ø) sin of + 2— 0 = (cosQtcos (0f-€ cos O i) sin —
Trang 35Dâm đạt được ứng suất động 6n định cao nhất trong khoảng cộng hưởng khi :
Q= a, (2.36)Khi đó (2.35) được biểu diễn đơn giản hơn là :
Ta thay rang khi tải di chuyển với tốc độ c trên 1 dầm đơn giản tựa 2 đầu thì
mối quan hệ của các giá tri biến thiên theo thời gian trong hệ toạ độ có quan hệ là:
VỀ bên phải của (2.40) mô tả ảnh hưởng quán tính của khối lượng wz, (£) trênbiến dạng dầm Theo định luật d’Alembert, nó gây ra lực và gia tốc Gia tốc được tínhtoán từ phương trình vi phân toàn phần :
2 2 2
GVHD: GS.TS Ngô Kiéu Nhi 23 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 36Hinh 2.3: Dam don gian voi luc di chuyén lién tucKhi những giá tri độc lập được liên kết với nhau qua (2.38) và chuyển độngthăng đều dé/dt=0 và sự biến đổi của (2.39) dé/dt =dx/dt—c cho ra:
q(é.t)=4.u, (€)=u, =4¢/ 8 Điều kiện biên giống như (2.2) trong khi điều kiện đầu
có thể được chọn tại 0 trong phương trình (2.3) vì đã xác định được giới hạn của daođộng 6n định cho t>0
O'v(x t) Orv (x t) O’v(x t) Ov(x t)
Trang 37Fy = Oj) ul (2.48)
=2 _ c2 2 2
Biến đổi (2.45) phù hop với (2.9) va sử dung diéu kiện biên (2.2) ta được :
2q
A_4 | 22 | ¬ " ——nêu j=1,3,5
Biến đổi (2.51) cho phù hợp với (2.9) và sử dụng (2.3) ta được :
Trang 38Trong đó: E— môđun đàn hồi
J— Môment quán tính diện tích
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 26 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 39A - diện tích tiết diện damu— khối lượng riêng
8,l = nz (2.60)
Các đối tượng di chuyển trên cầu tạo ra lực khiến cầu dao động Tần số daođộng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vận tốc, độ nhấp nhô bề mặt cầu, lực quán tínhcác chi tiết quay Trong trường hợp phô biến thì các phương tiện này tạo ra dao động
cưỡng bức với nhiều tan sô không kiêm soát được.
T, (t) =A, cos(p,t +9, ) (2.62)P,, - tan số riêng thứ n
/,„- góc pha
Trường hợp dao động gây ra bởi tác dụng cưỡng bức thì 7, (z) sẽ là hàm có tần số củatần số tác động cưỡng bức, và biên độ phụ thuộc vào tỉ số giữa tần số cưỡng bức và tầnsố riêng của hệ Hiện tượng biên độ tăng cao xảy ra tại các giá trị tần số cưỡng bứctrùng hay lân cận tan số riêng, gọi là hiện tượng cộng hưởng Dé đảm bảo an toàn, quytrình thiết kế đòi hỏi thiết kế sao cho tần số riêng của các bộ phận, đặc biệt là nhịpkhông trùng với tần số của lực gây bởi lưu thông - Theo [1] điều kiện tránh hiện tượng
cộng hưởng là tân sô riêng của câu không năm trong vung tan so 1.6 Hz — 3.3 Hz.
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 27 HVTH: Lê Bảo Quỳnh
Trang 402.3 PHAN TICH T ONG QUAN VÀ KHÁI NIEM PHO CÔNG SUAT
Như ta đã biết có một cách biểu diễn tín hiệu nữa là biểu diễn tín hiệu trongmiền tần số X(ƒ) Với đối số ƒ là nghịch dao của thời gian việc chuyến tín hiệu đotrong miễn thời gian sang tín hiệu cho miễn tần số được thực hiện bằng phép biến đổi
Fourier.
Việc xử lý tín hiệu trong miễn tan số gọi là phép phân tích phố Bài toán phântích phổ tín hiệu trong nhiều trường hop đưa lại hiệu quả rất thiết thực khi mà phépphân tích tín hiệu trong miễn thời gian không cho kết quả gì đáng kê
Hàm tự tương quan của tín hiệu x(t) được xác định bởi biểu thức :
1Ÿ
RẮt r)=lmr | x(k(:+r)4 (2.63)
Ham phổ của R, (7) được gọi là phố công suất (PCS) của x(t), ký hiệu là S, (a):
oOŠ,(ø)= | R, (t)e"dt (2.64)
—@
2.4 PHÉP BIÊN ĐỎI FOURIERĐể nghiên cứu những đặc điểm của tín hiệu đo lường, cách hiệu quả nhất là biếnđổi một tín hiệu phức tạp thành nhiều thành phan đơn giản hơn Phép biến đối phdbiến nhất là phân tích Fourier Biến đối Fourier hay phân tích Fourier được đặt têntheo nhà toán học người Pháp Joseph Fourier, là một biến doi dùng để khai triển mộttín hiệu thành tong các hàm sin và cos có tan số khác nhau, có nghĩa là dưới dạng tonghay một tích phân của các hàm số sin được nhân với các hằng số khác nhau (hay còngọi là biên độ) Biến đối Fourier có rất nhiều dạng khác nhau được mô tả dưới đây,chúng phụ thuộc vào dạng của hàm được khai triển
Biến đổi Fourier có rất nhiều ứng dụng khoa học, ví dụ như trong vật lý, số học,
xử lý tín hiệu, xác suất, thống kê, mật mã, âm học, hải dương học, quang học, hình học
và rat nhiêu lĩnh vực khác Biên đôi Fourier được mở rộng từ chuôi Fourier băng cach
GVHD: GS.TS Ngô Kiêu Nhi 28 HVTH: Lê Bảo Quỳnh