Proceedings VCM 2012 19 nghiên cứu đáp ứng dao động tự do trong việc nhận dạng

Tóm tắt Bài báo này trình bày một hướng mới và đề xuất chỉ số trong việc đánh giá tình trạng cấu trúc dầm . Phương pháp này được xây dựng dựa trên việc phân tích các thay đổi trong tín hiệu dao động tự do của dầm có xẩy ra hiện tượng phách đối với từng mức độ khuyết tật khác nhau. Đây thường là đoạn tín hiệu dao động tắt dần của cầu trong tình trạng lưu thông thực tế, là trạng thái dao động của cầu sau khi phương tiện lưu thông đi qua. Phương pháp được kiểm chứng dựa trên các tập số liệu đo trên một thanh kim loại dạng dầm dao động, thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng (PTN CHUD) của trường Đại học Bách khoa Tp.HCM. Từ khóa : dao động, hư hỏng, hiện tượng phách Abstract This paper presents an experimental study on damage condition assessment of beam structure. This new method is based on the presence of a beat in the free response of damaged beam. This phenomenon often occurs in free delay response which is the vibration state of the bridge after vehicle go across it under real traffic. The result of the study is based on data measured from a metal experimental beam which is created by Applied Mechanics Laboratory (LAM) of HoChiMinh City University of Technology. Damage is modeled with a sawcut damage on the bottom surface of the intact specimen. Keyworks: vibration, damage, beat phenomenon

124 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn VCM2012 Nghiên cứu đáp ứng dao động tự do trong việc nhận dạng khuyết tật của dầm A study on damage detection of beam using free decays vibration tests Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn Trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh e-Mail: ngokieunhi@yahoo.com, phambaotoan04@yahoo.com Tóm tắt Bài báo này trình bày một hướng mới và đề xuất chỉ số trong việc đánh giá tình trạng cấu trúc dầm. Phương pháp này được xây dựng dựa trên việc phân tích các thay đổi trong tín hiệu dao động tự do của dầm có xẩy ra hiện tượng phách đối với từng mức độ khuyết tật khác nhau. Đây thường là đoạn tín hiệu dao động tắt dần của cầu trong tình trạng lưu thông thực tế, là trạng thái dao động của cầu sau khi phương tiện lưu thông đi qua. Phương pháp được kiểm chứng dựa trên các tập số liệu đo trên một thanh kim loại dạng dầm dao động, thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng (PTN CHUD) của trường Đại học Bách khoa Tp.HCM. Từ khóa : dao động, hư hỏng, hiện tượng phách Abstract This paper presents an experimental study on damage condition assessment of beam structure. This new method is based on the presence of a beat in the free response of damaged beam. This phenomenon often occurs in free delay response which is the vibration state of the bridge after vehicle go across it under real traffic. The result of the study is based on data measured from a metal experimental beam which is created by Applied Mechanics Laboratory (LAM) of HoChiMinh City University of Technology. Damage is modeled with a saw-cut damage on the bottom surface of the intact specimen. Keyworks: vibration, damage, beat phenomenon Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa m kg Khối lượng cơ hệ c Hằng số giảm chấn của cơ hệ d Hằng số phân tán năng lư ợng của cơ hệ k N/m Độ cứng cơ hệ x m Chuyển động của cơ hệ n w rad/s tần số riêng của cơ hệ z Hệ số giảm chấn d Hệ số phân tán năng lượng 1 2 , w w rad/s Hai tần số lân cận tần số riêng của hiện tượng phách x(t) Tín hiệu dao động của cơ hệ X(f) Biến đổi Fourier của tín hiệu Chữ viết tắt VBDD Vibration Based Damage Detection PRC Prestressed Reinforced Concrete DI Damage Index FT Fourier Transform 1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của xã hội, nhiều công trình cầu đã được xây dựng phục vụ nhu cầu về lưu thông ngày càng nhiều của các họat động thường ngày. Nhưng tuổi thọ của các công trình cầu không phải là vĩnh cửu, nhiều cây cầu khi đưa vào sử dụng một thời gian dài (khoảng 10-20 năm) đã bắt đầu nảy sinh sự xuống cấp và xuất hiện nhiều khuyết tật (hư hỏng) và không đảm bảo an toàn cho con người khi lưu thông trên cầu. Nguyên nhân quan trọng khiến tốc độ xuống cấp tăng trầm trọng hơn đó là do sự khác biệt rất lớn kể từ hơn mười năm gần đây về khối lượng giao thông dự kiến khi thiết kế và khối lượng giao thông diễn ra trong thực tế tại thời điểm hiện tại. Do vậy đánh giá tình trạng hoạt động và kiểm tra khuyết tật của các công trình cầu một cách thường xuyên trở thành một vấn đề cấp thiết trong xã hội. Hiện tại Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 125 Mã bài: 33 việc kiểm tra thường xuyên sử dụng biện pháp quan sát bằng mắt hay dùng một số dụng cụ kiểm tra chuyên dùng như thiết bị siêu âm, súng bắn bê tông, bức xạ âm thanh…. Các biện pháp này có chung đặc điểm là muốn áp dụng thì phải xác định được khu vực hư hỏng của cấu trúc, đồng thời vi trí hư hỏng phải cho phép tiếp xúc dễ dàng. Do đó sử dụng biện pháp này rất khó đánh giá được các hư hỏng bên trong cấu trúc. Ngày nay một xu hướng mới trong việc “đánh giá tình trạng cấu trúc” là dựa vào dao động của cơ hệ (VBDD). Cơ sở khoa học của phương pháp VBDD là: Sự xuất hiện khuyết tật trong cơ hệ sẽ làm thay đổi các đặc trưng động lực học của nó như tần số riêng, dạng dao động, giảm chấn (là những giá trị phụ thuộc vào các đặc trưng vật lý như khối lượng, độ cứng, sự tiêu tán năng lượng của cấu trúc). Hàng trăm công trình khoa học về nhận dạng khuyết tật xuất phát từ cơ sở này đã ra đời. Sau đó, một số nhà nghiên cứu đã thực hiện một cuộc khảo sát và đánh giá các phương pháp phát hiện khuyết tật dựa vào dao động cũng như áp dụng các đối tượng cấu trúc khác nhau như Doebling [1,2] , Zou [3], Sohn [4] và Chang [5]. Theo các tác giả thì công tác đánh giá tình trạng cấu trúc có thể chia thành 4 mức độ: -Mức 1: sự hiện diện của khuyết tật ; -Mức 2: định vị khuyết tật; -Mức 3: đánh giá mức độ hư hỏng; -Mức 4: dự báo tuổi thọ của cấu trúc; Tuy nhiên trong các đặc trưng dao động, thông số tần số và giảm chấn thường được áp dụng trong các nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm hay cấu trúc thực. * Tần số Tần số riêng là một trong những thông số phổ biến nhất được sử dụng trong công tác kiểm định cầu. Trong giai đoạn thiết kế cũng như xây dựng một cây cầu, các kỹ sư luôn tính toán sao cho tần số riêng của cấu trúc cầu phải lớn hơn các tần số dao động cưỡng bức gây ra bởi tác động môi trường mà cầu phải chịu khi đưa vào sử dụng như gió, động đất, phương tiện lưu thông v,v… Tuy nhiên qua thời gian sử dụng lâu dài, dưới tác dụng của sự lão hóa vật liệu cũng như những tác động môi trường không lường trước, cầu sẽ ngày càng xuống cấp và tần số riêng sẽ thay đổi. Salawu ( 1997) [6] là người đầu tiên áp dụng phương pháp VBDD bằng cách so sánh tần số tự nhiên của cấu trúc dầm qua các mức độ khuyết tật khác nhau. Ông thấy rằng phương pháp này không thật sự hiệu quả vì vết nứt trên dầm chỉ gây ra thay đổi rất nhỏ đối với tần số riêng của dầm. Thật vậy nhiều công trình nghiên cứu cũng cho rằng tần số riêng không cung cấp đủ thông tin cho bài toán nhận dạng khuyết tật. Hơn nữa tần số riêng lại thường không đủ nhạy để phát hiện khuyết tật đối với một số cấu trúc. Salawu [7] đã tiến hành đo đạc tình trạng của một cầu bê tông trước và sau khi sửa chữa thì nhận thấy tần số của 6 mốt đầu thay đổi trung bình khoảng 1,7%. Farrar và các công sự [8,9] tiến hành thử nghiệm trên cầu thực (kết cấu dầm thép I-40) và xác minh rằng tuy giảm độ cứng uốn của cầu tới 21% nhưng tần số riêng vẫn không có dấu hiệu thay đổi rõ ràng. Tương tự trong [10], Wang đã làm thí nghiệm trên một dầm thép dày 6 mm ngàm 2 đầu có 2 vết cắt sâu 3 mm ở mặt trên và mặt dưới tại vị trí giữa dầm (độ cứng uốn suy giảm tới 87,5%), thì tần số cũng chỉ suy giảm 2%. Chen [10] nghiên cứu sự thay đổi các đặc tính của cấu trúc giàn thép bị ăn mòn cũng cảm thấy tần số thay đổi không đáng kể. Do đó Amir [11] cho rằng phương pháp này chỉ có thể xác định sự tồn tại của khuyết tật tương đối lớn, và không cho chúng ta định vị tương đối vị trí của khuyết tật được vì có thể khuyết tật ở những vị trí khác nhau lại gây ra cùng sự thay đổi tần số. * Giảm chấn Một khuynh hướng nghiên cứu khác là sử dụng giảm chấn để đánh giá tình trạng “sức khỏe” của cấu trúc cầu bắt nguồn từ cảm nhận rằng giảm chấn nhạy hơn tần số riêng khi có sự thay đổi độ cứng hay khuyết tật. Nhiều nhà nghiên cứu [12] đã đề nghị sử dụng giảm chấn như một dấu hiệu và công cụ đầy triển vọng để phát hiện hư hỏng. Zhang and Hartwig [13] đã tiến hành thống kê trong nhiều mẫu thử và phát hiện rằng giảm chấn dường như hiệu quả hơn tần số riêng trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng sức khỏe cấu trúc bởi vì sự thay đổi giảm chấn thì rõ ràng hơn sự thay đổi giá trị tần số riêng. Tương tự, Saravanos and Hopkins [14] tiến hành thí nghiệm trên nhiều dầm composit và nhận thấy sự tách lớp vật liệu ảnh hưởng nhiều đến đặc trưng giảm chấn hơn là tần số riêng của dầm. Tác giả Colakoglu với nghiên cứu của mình [15] cho rằng hệ số giảm chấn tỉ lệ với số chu kỳ mỏi của cấu trúc. Trong nghiên cứu của Modena [16], tác giả cho rằng giảm chấn nhạy với các đặc tính đặc biệt của bê tông dự ứng lực và đã làm kiểm chứng trên mô hình thí nghiệm với cùng vết nứt vi mô.Thí nghiệm cho thấy tần số riêng rất ít thay đổi trong khi đó thì có sự thay đổi lớn ở giảm chấn (có khi thay đổi tới 50%). Tuy nhiên một số nghiên cứu lại cho kết quả ngược lại, điển hình là nghiên cứu của Kawiecki [17]. Ông đo dao động trên một dầm mỏng (90x20x1 mm) và trên một dĩa bằng kim loại. Kết quả cho thấy rằng giảm chấn không thực sự nhạy với khuyết tật. Ông cho rằng dấu hiệu giảm chấn không phù hợp trong việc đánh giá tình trạng các cấu trúc nhẹ hay vi mô. 126 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn VCM2012 Trong những những thí nghiệm đo dao động của các cấu trúc bê tông cốt thép dự ứng lực (PRC) trong cả hai tình trạng nguyên vẹn và có vết nứt, Zonta và cộng sự [18] phát hiện xuất hiện sự tồn tại của hiện tượng phách trong đáp ứng dao động tự do của các bộ phận hư hỏng. Trong phân tích phổ, ông lại thấy có sự tách ra thành 2 tần số lân cận nhau gần bằng tần số riêng. Tương tự, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát và thấy hiện tượng này cũng xảy ra trong một số tín hiệu dao động trên cầu thực (H. 1). Hiện tượng tần số tách ra này (giống như phổ hiện tượng phách) dường như chỉ liên quan đến trạng thái dao động tự do, nó chỉ xuất hiện trong phân tích phổ tín hiệu của các thí nghiệm dao động tắt dần nhưng không xuất hiện trong thí nghiệm khác như dao động cưỡng bức, dao động điều hòa… Trong tài liệu [19] các tác giả cho rằng hiện tượng này có thể đặc thù cho vết nứt của cấu trúc bê tông cốt thép, nó dường như chỉ xuất hiện khi cấu trúc bị hư hỏng. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng hiện tượng này hoàn toàn có thể diễn tả bằng một mô hình tuyến tính nếu chúng ta chấp nhận sự tồn tại của lực giảm chấn ảo trong cơ hệ một bậc tự do. Để kiểm tra sự hiện diện và quan hệ giữa các thông số (tần số, giảm chấn, hiện tượng phách), một mô hình thí nghiệm là dầm thép đã được tổ chức trong nghiên cứu này. Các thông số thay đổi trong từng điều kiện kích thích khác nhau gồm tải trọng, vị trí tác động đối với mức độ hư hỏng khác nhau. Qua đây, tác giả cũng đề xuất một chỉ số liên quan đến tính chất giảm chấn của cấu trúc nhằm đánh giá tình trạng hiện tại của cấu trúc. Chỉ số này thông qua phân tích các giá trị tần số của hiện tượng phách. H. 1 Đồ thị dao dộng tắt dần (hình trên ) và phổ (hình dưới) từ tín hiệu đo gia tốc.(cầu Bến Nọc Q 2 Tp. HCM) 2. Cơ sở lý thuyết 2.1. Mô hình giảm chấn ảo Phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ 1 bậc tự do (H. 2) thường gặp: 0 mx cx kx      (1) H. 2 Mô hình giảm chấn nhớt Nhưng công thức này không lý giải được nguyên nhân xảy ra hiện tượng phách. Trong nghiên cứu [18], các tác giả đã đề xuất phương trình : ( ) 0 mx c id x kx       (2) H. 3 Mô hình giảm chấn ảo Trong phương trình (2), ta nhận thấy xuất hiện thêm một hệ số d (đặc trưng cho tính phân tán năng lượng của cơ hệ) và i là đơn vị ảo của số phức. Chúng ta đặt : 2 ; ; 2 2 n k c d m km km       (3) Phương trình (2) trở thành 2 2 ( ) 0 n n x i x x           (4) Nghiệm của phương trình (4) có dạng 1 2 1 2 ( ) s t s t x t A e A e   (5) Với s 1 và s 2 là nghiệm của phương trình đặc trưng: 2 2 1 2 2 1 2 2 ( ) 0 2 ( ) n n n n s i s s s i s s                        (6) Vậy s 1 và s 2 là nghiệm phức có dạng:     2 1 1 2 2 2 1 1 n n n n n n s i i i s i i i                                                 (7) Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 127 Mã bài: 33 H. 4 Biểu diễn tần số phách trên mặt phẳng phức Cuối cùng phương trình (5) sẽ trở thành :   1 2 1 2 ( ) ( ) 1 2 1 2 1 1 1 2 2 2 ( ) cos( ) cos( ) n n n n i t i t t i t i t t x t Ae Ae e Ae Ae e X t X t                                    (8) Ta thấy nghiệm tổng quát của hệ dao động giảm chấn ảo sẽ là tổng hợp 2 nguồn dao động cùng phương với tần số lần lượt là 1  và 2  . Nếu 2 tần số này càng gần nhau thì hiện tượng phách sẽ xảy ra. Khi đó tần số phách sẽ được tính như sau 2 1 2 n        với 2 1    (9) Ta thấy rằng z và d đều là những hệ số phụ thuộc các thông số cơ học của vật liệu cấu trúc. Dựa trên cơ sở nhận dạng khuyết tật bằng dao động, trong nghiên cứu này một chỉ số hư hỏng (DI) kết hợp từ 2 hệ số nói trên dùng để đánh giá tình trạng cấu trúc được đề xuất. Dựa vào phương trình (7) ta có   2 1 2 2 1 1 DI i w w d w w z d       (10) 2.2. Phân tích Fourier Khi đo lường được một tín hiệu, cách phổ biến nhất và hiệu quả để truy xuất những thông tin nó mang theo là phân tích tín hiệu thành những thành phần cơ bản, ít phức tạp hơn (H. 5). Phân tích Fourier (FT) có khả năng biến đổi tín hiệu phức tạp thành những hàm sin và cos. Biến đổi Fourier của một tín hiệu x(t) liên tục như sau:   2 ( ) ( ) ( ) j ft X f x t e dt FT x t        (11) Trên thực tế chúng ta chỉ thu được dạng tín hiệu rời rạc. Do đó công thức (11) được biến đổi sang dạng rời rạc:     2 1 0 0,1, , 1 j N kn N n X k x n e k N         (12) Trong đó N là chiều dài đoạn tín hiệu, x[n] là thành phần n của tín hiệu rời rạc x. H. 5 Phân tích Fourier của một tín hiệu phức tạp 3. Tổ chức thí nghiệm 3.1. Mô hình thí nghiệm H. 6 Mô hình dầm dao động tự do với vị trí cảm biến, vị trí đặt tải và vết cắt Mô hình thí nghiệm là một dầm thép phẳng dài 1m với kích thước mặt cắt ngang hình chữ nhật (100 x 8 mm) được chế tạo tại PTN CHUD trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM (H. 6). Dầm thép được mài nhẵn phẳng suốt chiều dài và sơn cách điện toàn bề mặt để chắc chắn dầm hoàn toàn nguyên vẹn hạn chế bị khuyết tật trong quá trình chế tạo và tránh ảnh hưởng của các yếu tố môi trường. Nhờ vậy những yếu tố bên trong lẫn bên ngoài tác động lên dầm hoàn toàn làm chủ được trong toàn bộ thí nghiệm. Dầm thép được mô hình gần như một dầm cầu thực. Hai đầu dầm là bệ đỡ theo liên kết tựa. Vết nứt được mô hình bằng cách một vết cắt ở mặt đáy của dầm. Để cho khách quan, 4 cảm biến dao động kiểu MEMS có đáp ứng tần số từ 0÷50 Hz với thang đo ± 2g được lắp cố định cách đều nhau trên dầm và cách đều hai gối đỡ để kiểm tra sự đồng nhất của dầm khi dao động. FFT 128 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn VCM2012 Phương pháp tạo trạng thái dao động tự do của hệ cơ học để xác định giảm chấn thường được chia thành 2 phương pháp phổ biến. Phương pháp thứ nhất là đo lường tín hiệu của đáp ứng dao động của hệ sau khi tác dụng một lực điều hòa với tần số thích hợp trùng với tần số riêng của hệ. Phương pháp này ít phù hợp đối với cấu trúc thực bởi vì để thực hiện điều này cần có thiết bị chuyên dụng đặc biệt, thời gian tiến hành cho một lần thử tương đối lâu, và phải xác định trước tần số riêng và hàm dạng của hệ. Phương pháp thứ 2 là đo lường tín hiệu của đáp ứng dao động của hệ sau khi hệ chịu một xung lực kích động hay đang chịu một thế năng biến dạng (H. 7). Phương pháp này thực hiện thuận tiện hơn phương pháp thứ nhất rất nhiều, chỉ cần giải phóng đột ngột một khối lượng trước đó gắn liền với hệ (không cần bất kỳ một thiết bị đặc biệt nào) và chỉ cần thực hiện một lần là có thể xác định giảm chấn của hệ cơ học [20]. Vì thế trong thí nghiệm này, biện pháp để kích thích hệ dao động là treo một vật nặng có khối lượng đủ lớn lên dầm tại các vị trí xác định. Sau đó, vật nặng được giải phóng đột ngột sẽ làm cho dầm dao động với chính thế năng đàn hồi đã tích lũy được. H. 7 Phương pháp tạo dao động tự do cho cầu 3.2. Tiến hành thí nghiệm Khuyết tật của dầm được tạo ra bởi một vết cắt nằm ở mặt đáy của dầm. Vết cắt nằm giữa vị trí đặt cảm biến 3 và 4 (H. 6). Thí nghiệm được tiến hành với các yếu tố kích thích cùng các mức độ khác nhau nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của chúng đối với trạng thái dao động tự do của dầm: * Mức độ hư hỏng Thí nghiệm được chia thành 6 trường hợp khác nhau ứng với 6 tình trạng khác nhau của dầm về mức độ tăng dần của khuyết tật ký hiệu là Hi. Mỗi mức độ hư hỏng đặc trưng cho chiều sâu và chiều rộng vết cắt trên dầm thí nghiệm như trên H. 8 * Vị trí đặt tải Ký hiệu bằng Vi với i là các vị trí khác nhau V1: vị trí cảm biến 1. V3: vị trí cảm biến 3. V2: vị trí cảm biến 2. V4: vị trí cảm biến 4. * Khối lượng tải trọng Ký hiệu bằng Mi với i là mức khối lượng của vật nặng M1: tương ứng với 500g M2: tương ứng với 1000g H. 8 Lưu đồ các trạng thái kích thích 3.3. Phương pháp xử lý 3.4. H. 9 Lược đồ tính toán chỉ số DI và tần số riêng 4. Kết quả thu được 4.1. Dạng dao động Tín hiệu đo đồng thời của các cảm biến ở vị trí khác nhau đều cho đồ thị dao động đồng dạng (H. 9) trong cùng một điều kiện kích thích. Cho nên có thể hình dung tại mọi điểm trên dầm đều dao động như nhau khi ở trạng thái dao động tự do. M2 M1 M? V1 V2 V3 V? V4 H 0: tình tr ạng ban đầu H 1: vết cắt rộng 1 mm, sâu 1mm dài n ửa chiều rộng dầm H? H 2: vết cắt rộng 1 mm, sâu 1 mm dài su ốt chiều rộng dầm H 3: vết cắt rộng 2 mm, sâu 1 mm dài su ốt chiều rộng dầm H 4: vết cắt rộng 2 mm, sâu 2 mm dài su ốt chiều rộng dầm H 5: vết cắt rộng 5 mm, sâu 2 mm dài su ốt chiều rộng dầm Tín hiệu dao động tự do Lọc đoạn tín hiệu giảm chấn Phân tích FFT 2 f F 1 f 2 1 2 1 1 2 2 n f f DI f f f f f      Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 129 Mã bài: 33 H. 10 Tín hiệu dao động tại 4 vị trí khác nhau trên dầm thép trong cùng điều kiện kích thích Mặt khác, khi di chuyển điểm đặt tải lần lượt qua các vị trí V1, V2, V3, V4 hay thay đổi tải trọng của vật nặng thì dao động tại cùng điểm đo cũng đều cho dạng dao động tương đồng (H. 11 và H. 12). Từ đây có thể cho rằng dạng dao động tự do của dầm ít phụ thuộc vào các điều kiện kích thích bên ngoài như tải trọng hay vị trí kích động. Những điều này góp phần làm cho phương pháp đánh giá tình trạng cấu trúc của nghiên cứu áp dụng cấu trúc thực dễ dàng và thuận tiện. Tuy nhiên, khi tăng mức độ hư hỏng của dầm thì dạng dao động lại thay đổi rõ rệt (H. 13). Dấu hiệu đặc trưng này mở ra một cơ hội mới rất triển vọng trong công tác nhận biết mức độ khuyết tật. H. 11 Tín hiệu dao động thu được của cảm biến 2 qua các lần đặt tải ở các vị trí khác nhau H. 12 Dạng dao động và phân tích phổ thu được từ cảm biến 2 ứng với các tải trọng khác nhau H. 13 Dạng dao động của dầm qua các mức độ hư hỏng khác nhau 4.2. Tần số Qua các kết quả xử lý từ số liệu thu được, các giá trị tần số dao động của dầm ở mọi điểm ứng với tải trọng bất kì và vị trí tác động bất kì trong mỗi tình trạng hư hỏng thì hoàn toàn giống nhau. Các giá trị sai số <1% (Bảng 1) nằm trong khoảng cho phép chứng tỏ nhiễu tín hiệu không đáng kể. Từ đây khẳng định điều mô phỏng trong lý thuyết là chấp nhận được: tần số dao động riêng chỉ phụ thuộc vào đặc trưng kết cấu của dầm và sẽ không đổi dù vị trí đặt tải, vị trí cảm biến hay khối lượng tải khác nhau. H 0 H 1 H2 H 3 H 4 H 5 Sensor 1 Sens or 2 Sens or 3 Sens or 4 V1 V2 V3 V4 M1 M1 M2 M2 130 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn VCM2012 Bảng 1: Giá trị tần số qua các lần đo Mức độ hư hỏng f 1 (Hz) Sai số các lần đo f 2 (Hz) Sai số các lần đo H0 14,715 0,2% 13,36 0,32% H1 14,35 0,47% 13,433 0,86% H2 14,445 0,45% 13,77 0,35% H3 15,045 0,56% 13,93 0,68% H4 15,055 0,28% 14,195 0,77% H5 15,09 0,34% 14,04 0,55% H. 14 Giá trị trung bình của tần số theo mức độ hư hỏng ứng với tải trọng 500 g H. 15 Giá trị trung bình của tần số theo mức độ hư hỏng ứng với tải trọng 1000 g Dựa vào H.14 và H.15 ta nhận thấy rằng tần số f 1 (tần số luôn ứng với giá trị và biên độ lớn luôn không đổi mặc dù tải trọng thay đổi). Tuy nhiên tần số f 2 (tần số ứng với giá trị và biên độ nhỏ) dường như có sự khác biệt nhỏ giữa 2 lần thay đổi vật nặng. Khi mức độ hư hỏng còn nhỏ thì tần số f 2 ứng với tải trọng lớn thì có đặc điểm nhỏ hơn f 2 khi tác dụng tải trọng nhỏ. Điều này chứng tỏ tải trọng càng lớn thì tần số f 2 có xu hướng cách xa tần số f 1 , hiện tượng phách xảy ra rõ ràng hơn. Nhưng khi mức độ hư hỏng tăng lên thì dường như ảnh hưởng của tải trọng đối với đặc điểm này không còn đáng kể nữa. Tần số f 2 có xu hướng tỉ lệ theo mức độ hư hỏng của dầm (kể cả khi tăng bề rộng lẫn chiều sâu hay chiều dài). Tần số thứ nhất (tần số ứng với biên độ lớn) ban đầu (ứng với H1) có xu hướng giảm nhanh so với tình trạng ban đầu (H0) , nhưng các tình trạng tiếp theo thì có xu hướng tăng. 13.4 13.6 13.8 14.0 14.2 14.4 14.6 14.8 H0 H1 H2 H3 H4 H5 Tình trạng hư hỏng Tần số (Hz) H. 16 Giá trị tần số riêng theo các mức độ hư hỏng của dầm Trong nhiều tài liệu, tần số riêng thường suy giảm theo mức độ của khuyết tật. Nhưng từ những số liệu thu thập được từ mô hình dầm thép của nghiên cứu này, tần số riêng lại có xu hướng tăng lên so với sự gia tăng hư hỏng. Điều này tuy không phù hợp với nhiều kết quả của nhiều nghiên cứu trước đây nhưng kết quả này cũng góp phần khẳng định tần số riêng hoàn toàn không phù hợp với bài toán xác định khuyết tật. Điều này cần được xem xét sâu hơn nữa trong những nghiên cứu sau này. 4.3. Chỉ số DI 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 H0 H1 H2 H3 H4 H5 Tình trạng hư hỏng Chỉ số hư hỏng (DI) H. 17 Giá trị chỉ số hư hỏng (DI) theo các mức độ hư hỏng của dầm Từ đồ thị trên (H. 17) có thể rút ra một vài chú ý. Chỉ số DI tỉ lệ nghịch với độ sâu (tương ứng với tình trạng H1,H2, H4) và tỉ lệ với chiều rộng vết cắt trên dầm (tương ứng với tình trạng H3 và H5). Hay nói cách khác là dường như chỉ số DI có mối quan hệ với tỉ lệ giữa các kích thước của vết cắt. Để làm sáng tỏ điều này nhiều thí nghiệm cần được tiến hành thêm. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 131 Mã bài: 33 5. Kết Luận Từ việc phân tích hiện tượng dao động tự do của một dầm thép, đa số các thí nghiệm này đều cho ta kết quả của một cơ hệ giảm chấn nhớt hay giảm chấn ma sát Coulomb. Tuy nhiên mô hình dao động tự do của dầm ở đây lại xuất hiện thêm hiện tượng phách. Thực tế hiện tượng này cũng đã xảy ra ngoài mô hình cấu trúc thực (H. 1). Ta thấy rằng hiện tượng dao động này không chỉ xảy ra đối với cấu trúc bê tông cốt thép [18] mà nó còn xuất hiện ngay cả trong cấu trúc thép.Vì vậy hiện tượng này có thể xem là hiện tượng điển hình của cấu trúc, không hoàn toàn chỉ phụ thuộc vào vật liệu. Hiện tượng này dễ dàng được phát hiện ngay trên đồ thị dao động và giúp ta nhìn nhận sự tồn tại hư hỏng của cấu trúc không cần phải xử lý bất kì thông số nào. Do vậy hiện tượng này có thể được áp dụng để hỗ trợ các nhà kiểm định đánh giá tổng quát tình trạng hiện tại của cấu trúc ngay tại hiện trường đo đạc một cách thuận tiện và ít tốn kém. Theo kết quả phân tích ở trên, chúng ta nhận thấy chỉ số hư hỏng DI dường như có một mối quan hệ với kích thước khuyết tật. Đây là một phát hiện mới của nghiên cứu này. Bên canh đó việc tính toán hệ số này khi xảy ra hiện tượng phách tương đối đơn giản nên có thể sử dụng chỉ số này như là một công cụ tiềm năng trong bài toán đánh giá tình trạng cấu trúc bằng dao động. Tuy nhiên cần nhiều nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện công cụ này. Tài liệu tham khảo [1] Doebling SW, Farrar Ch, Prime MB, Shevitz DW: Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in theirvibration characteristics: A Literature Review. Los Alamos National Laboratory Report. LA-13070- MS. UC900; 1996. [2] Doebling SW, Farrar CR, Prime MB: A summary review of vibration-based damage identification methods. Shock and Vibration Digest 1998;30:91– 105. [3] Zou Y, Tong L, Steven GP: Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health monitoring for composite structures– a review. J Sound Vibration 2000; 230(1):357–78. [4] Sohn H, Farrar CR, Hemez FM, Shunk DD, Stinemates DW, Nadler BR: A review of structural health monitoring literature, 1996–2001, Los Alamos National Laboratory, USA; 2003. [5] Chang PC, Flatau A, Liu SC. Review Paper: Health monitoring of civil infrastructure. Struct Health Monit 2003;2(3):257–67. [6] Salawu, O. S. (1997): "Detection of structural damage through changes in frequency: a review", Engineering Structures, 19, 718-723. [7] O.S. Salawu 1997: Assessment of bridges: use of dynamic testing. Canadian Journal of Civil Engineering 24, 218—228 [8] Farrar CR, Baker WE, Bell TM, Cone KM, Darling TW, Duffey TA. et al: Dynamic characterization and damage detection in the I-40 Bridge over the Rio Grande.Los Alamos National Laboratory report LA-12767-MS; 1994. [9] Farrar CR, Jauregui DA: Comparative study of damage identification algorithms applied to a bridge: I. experiment. Smart Mater Structure 1998;7(5):704–19. [10] Chen B, Xu YL, Qu WL: Evaluation of atmospheric corrosion damage to steel space structures in coastal areas. Int J Solids Struct 2005;42:4673–94. [11]Amir Shahdin, Joseph Morlier, Yves Gourinat: Damage monitoring in sandwich beams by modal parameter shifts: A comparative study of burst random and sine dwell vibration testing. Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 566 –584 [12] D. Montalvao, A .M. Ribeiro, J. Duarte-Silv: A method for the localization of damage in a CFRP plate using damping. Mechanical Systems and Signal Processing (2008), doi:10.1016/j.ymssp.20 08.08.011. [13] Z. Zhang, G. Hartwig: Relation of damping and fatigue damage of unidirectional fibre composites. International Journal of Fatigue 24 (2004 ) 713–738. [14] D.A . Saravanos, D.A . Hopkins: Effects of delaminations on the damped dynamic characteristics of composites. Journal of Sound and Vibration 19 2 (1995) 977–993. [15] M. Colakoglu: Description of fatigue damage using a damping monitoring technique. Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences 27 (2003) 125–130. [16] Modena C, Sonda D, Zonta D:Damage localization in reinforced concrete structures by using damping measurements. Damage assessment of structures. In: Proceedings of the international conference on damage assessment of structures, DAMAS 99. 1999, p. 132–141 [17] Kawiecki G: Modal damping measurements for damage detection. European COST F3 conference on system identification and structural health monitoring. Madrid, Spain; 2000, p. 651–658. [18] Zonta D, Modena C, Bursi OS: Analysis of dispersive phenomena in damagedstructures. European COST F3 conference on system identification and structural health monitoring. Madrid, Spain; 2000, p. 801–810 132 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn VCM2012 [19] Zonta D., Modena C. : "Observations on the Appearance of Dispersive Phenomena in Damaged Structures". Journal of Sound and Vibration, Vol. 5, n. 241, p. 925-933 2001. [20] Filipe Magalhães, Álvaro Cunha, Elsa Caetano, Rune Brincker. “Damping estimation using free decays and ambient vibration tests”. Mechanical Systems and Signal Processing 24 (2010) 1274–1290 Ngô Kiều Nhi nhận bằng kỹ sư thạc sĩ chuyên ngành Động lực học và Sức bền máy, bằng tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Nguyên lý máy tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Kharkov, Liên Xô. 1970-1974 – là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.Từ 1975 đến nay là cán bộ giảng dạy của trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Năm 2004- được nhận chức danh Giáo sư. Năm 2006 được nhận danh hiệu Nhà Giáo Nhân Dân. Là trưởng phòng PTN CHUD trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM từ 1993 đến nay. Hướng nghiên cứu chính: Theo dõi và chẩn đoán tình trạng máy móc, kết cấu công trình; Kỹ thuật đo lường, cân bằng và thiết kế chế tạo thiết bị đo, máy cân bằng; Động lực học và điều khiển máy, thiết kế chế tạo bộ điều khiển CNC nhiều bậc tự do và các thiết bị tự động trên nền bộ CNC được chế tạo. Đã nhận được các giải thưởng lớn: giải “Kovalevskaia”, năm 2002 , giải thưởng Khoa học Công nghệ Việt nam “Nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo lường để phục vụ sản xuất” của Chủ tịch nước khen tặng, năm 2005. Phạm Bảo Toàn sinh năm 1986. Nhận bằng thạc sỹ cơ học kỹ thuật năm 2012 tại trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM về nghiên cứu dao động cấu trúc, thu thập và xử lý tín hiệu. Hiện là nghiên cứu viên của bộ môn Cơ Kỹ Thuật (DEM) và PTN CHUD trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM. Hướng nghiên cứu chính: Các phương pháp khai thác dữ liệu (data mining) trong việc theo dõi tình trạng và phát hiện sớm hư hỏng của máy móc và cấu trúc. . 124 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn VCM2 012 Nghiên cứu đáp ứng dao động tự do trong việc nhận dạng khuyết tật của dầm A study on damage detection of beam using. thái dao động tự do, nó chỉ xuất hiện trong phân tích phổ tín hiệu của các thí nghiệm dao động tắt dần nhưng không xuất hiện trong thí nghiệm khác như dao động cưỡng bức, dao động điều hòa… Trong. thay đổi tải trọng của vật nặng thì dao động tại cùng điểm đo cũng đều cho dạng dao động tương đồng (H. 11 và H. 12). Từ đây có thể cho rằng dạng dao động tự do của dầm ít phụ thuộc vào các điều