1.Tìm hiểu đáp ứng trở kháng cơđiện của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP dựa trên đáp ứng trở kháng cơđiện2.Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán dầm nhôm để kiểm chứng tính đúng đắn của tín hiệu trở kháng cơđiện so với kết quả đã công bố.3.Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán hiện tượng tách lớp sử dụng đáp ứng trở kháng cơđiện.
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN VĂN BÃO CHẨN ĐOÁN HIỆN TƯỢNG TÁCH LỚP TRONG DẦM
BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM FRP SỬ DỤNG
Trang 2CÔNG TRINH ĐƯỢC HOAN THANH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HÒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn 1: PGS TS HÒ ĐỨC DUY
Cán bộ hướng dẫn 2: TS TRẰN THÁI MINH CHÁNH
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS LÊ TRUNG KIÊN
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN THÁI BÌNH
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, vào ngày
21 tháng 08 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 PGS TS NGUYỄN MINH LONG
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1991 Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: KTXD CT dân dụng và công nghiệp Mã số: 60 58 02 08
I TÊN ĐÈ TÀI: CHẨN ĐOÁN HIỆN TƯỢNG TÁCH LỚP TRONG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM FRP SỬ DỤNG ĐẶC TRƯNG TRỞ KHÁNG CƠ-ĐIỆN
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1 Tìm hiểu đáp ứng trở kháng cơ-điện của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP dựa trên đáp ứng trở kháng cơ-điện
2 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán dầm nhôm để kiểm chứng tính đúng đắn của tín hiệu trở kháng cơ-điện so với kết quả đã công bố
3 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán hiện tượng tách lớp sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018
V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: PGS TS HỒ ĐỨC DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS TRẰN THÁI MINH CHÁNH
Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ TỊCH
HỘI ĐÒNG NGÀNH
PGS TS HỒ ĐỨC DUY TS TRẦN THÁI MINH CHÁNH
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố
Hồ Chí Minh nói chung và các thày cô trực tiếp truyền thụ kiến thức nói riêng, đã giúp tôi cókhoảng thời gian thực sự đáng nhớ dưới mái trường này
Tôi xin cảm ơn các anh, chị, bạn học viên cao học đã cùng đồng hành trong quá trình học tập
Tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn là điểm tựa vững chắc trong học tập, công việc cũng như trong cuộc sống
Tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn giảng viên hướng dẫn - Thầy PGS TS Hồ Đức Duy và Thầy TS Trần Thái Minh Chánh, đã tận tình, kiên nhẫn chỉ dạy, truyền đạt kiến thức, định hướng phương pháp trong quá trình học tập và thực hiện luận văn
Tp Hồ Chi Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2018
NGUYỄN VĂN BẢO
Trang 5TÓM TẮT
Mục tiêu của đề tài này là chẩn đoán hiện tượng hư hỏng tách lớp trong cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện Các mô hình phần tử hữuhạn được sử dụng để mô phỏng hiện tượng tách lớp giữa tấm FRP và dầm BTCT trong nhiềutrường hợp hư hỏng giả định khác nhau Kết quả phân tích trở kháng được sử dụng để chẩn đoán hư hỏng cho cấu kiện
Để đạt được mục tiêu đó, các bước sau được thực hiện:
1 Tìm hiểu đáp ứng trở kháng cơ-điện của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP dựa trên đáp ứng trở kháng cơ-điện
2 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán dầm nhôm để kiểm chứng tính đúng đắn của tín hiệu trở kháng cơ-điện so với kết quả đã công bố
3 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp củacấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoánhiện tượng tách lớp sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện
4 Kết luận, kiến nghị và định hướng phát triển của đề tài
Trang 6The objective of this study is to investigate the debonding failure of reinforced concrete beams reinforced by FRP sheets using electro-mechanical impedance responses Finite element models are used to simulate the debonding of FRP sheets and reinforced concrete beams under various damage scenarios Then, the impedance-based monitoring methods are used to diagnose the structural damages
In order to achieve the objective, the following steps are taken:
1 The electro-mechanical impedance responses and the impedance-based
monitoring methods for debonding failure of reinforced concrete beams
reinforced by FRP sheets are investigated
2 The accuracy of impedance responses analyzed by finite element model using ANSYS software are evaluated to pre-published results
3 Finite element models are employed to simulate the structural damages caused
by debonding between reinforced concrete beams and FRP sheets Impedance responses are analyzed The debonding failure is alarmed by using the
impedance-based monitoring methods
4 Conclusions and recommendations are draw
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu, kết quả tham khảo tù các công trình nghiên cứu
đã công bố và đuợc ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do tôi thục hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Hồ Đức Duy và TS Trần Thái Minh Chánh Các số liệu, kết quả nêu trongluận văn là trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác
Tp Hồ Chi Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2018
NGUYỄN VĂN BẢO
Trang 8MỤC LỤC
NHIỆM vụ i
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT iii
ABSTRACT iv
LỜI CAM ĐOAN V MỤC LỤC vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG xi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiu CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 4
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4
1.2.2 Nội dung nghiên cứu 4
1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu 5
1.4 Cấu trúc luận văn 5
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN cúư 6
2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 6
2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 8
2.3 Tổng kết 9
CHƯƠNG 3 Cơ SỞ LÝ THUYẾT 11
3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM) 11
3.2 Phương pháp trở kháng cơ-điện 12
3.2.1 Nguyên lý chung 12
3.2.2 Cảnh báo hư hỏng bằng độ lệch bình phương trung bình 15
Trang 93.2.3 Định vị hư hỏng bằng chỉ số RMSD chuẩn hóa 16
3.3 Mô phỏng số 17
3.3.1 Giới thiệu 17
3.3.2 Mô hình phần tử 18
CHƯƠNG 4 CÁC BÀI TOÁN ÚNG DỤNG 21
4.1 Bài toán 1 21
4.1.1 Mô hình 21
4.1.2 Kết quả 23
4.2 Bài toán 2 26
4.2.1 Mô hình 26
4.2.2 Các trường hợp mô phỏng hư hỏng 33
4.2.3 Chọn vùng tần số 34
4.2.4 Kết quả 40
4.3 Bài toán 3 63
4.3.1 Mô hình 63
4.3.2 Kết quả 64
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67
5.1 Kết luận 67
5.2 Kiến nghị 67
TÀI LIỆU THAM KHẢƠ 68
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 71
Trang 10DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Gia cố dầm bằng tấm FRP 1
Hình 1.2 Gia cố sàn bằng tấm FRP 2
Hình 1.3 Gia cố cột bằng tấm FRP 2
Hình 1.4 Hư hỏng kéo đứt tấm FRP 3
Hình 1.5 Hư hỏng tách lớp dầm BTCT gia cường FRP 3
Hình 3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu 12
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đáp ứng trở kháng cơ-điện (Liang và cộng sự 1994) 14
Hình 33 Phần tư Solid 65 18
Hình 3.4 Phần tử Link8 19
Hình 3.5 Phần tử Solid46 19
Hình 3.6 Phần tử Solid45 20
Hình 3.7 Phần tử Solid5 20
Hình 4.1 Mô hình của Liu và Jiang (2009) 21
Hình 4.2 Mô hình dầm nhôm trong ANSYS 22
Hình 4.3 So sánh tín hiệu trường hợp không nứt 23
Hình 4.4 So sánh tín hiệu trường hợp nứt 3mm 23
Hình 4.5 So sánh tín hiệu trường hợp nứt 6mm 24
Hình 4.6 So sánh tín hiệu các trường hợp mô phỏng 24
Hình 4.7 Chỉ số RMSD của các trường hợp hư hỏng 25
Hình 4.8 Mô hình thí nghiệm của Jumaat và Alam (2010) 27
Hình 4.9 Mô hình dầm gia cường tấm FRP mô phỏng trong đề tài 27
Hình 4.10 Định vị PZT trong dầm 28
Hình 4.11 Tín hiệu trở kháng PZT 2 30
Hình 4.12 Tín hiệu trở kháng PZT 2* 30
Hình 4.13 So sánh tín hiệu trở kháng PZT 2 và PZT 2* 31
Hình 4.14 Tín hiệu trở kháng PZT 3 31
Hình 4.15 Tín hiệu trở kháng PZT 3* 32
Hình 4.16 So sánh tín hiệu trở kháng PZT 3 và PZT 3* 32
Hình 4.17 Vị trí bố trí các PZT trong mô hình 33
Hình 4.18 Tín hiệu trở kháng PZT 1 trong vùng 0-100 kHz 35
Hình 4.19 Tín hiệu trở kháng PZT 2 trong vùng 0-100 kHz 35
Hình 4.20 Tín hiệu trở kháng PZT 3 trong vùng 0 - 100 kHz 36
Hình 4.21 Khảo sát chỉ số RMSD PZT 1 36
Hình 4.22 Khảo sát chỉ số RMSD PZT 2 37
Hình 4.23 Khảo sát chỉ số RMSD PZT 3 37
Hình 4.24 Tín hiệu trở kháng PZT1 giữa trường hợp chưa hư hỏng và tách lớp 2cmtại vị trí A 38
Trang 11Hình 4.25 Tín hiệu trở kháng PZT2 giữa trường hợp chưa hư hỏng và tách lớp 2cmtại vị
trí B 39
Hình 4.26 Tín hiệu trở kháng PZT3 giữa trường hợp chưa hư hỏng và tách lớp 2cm tại vị trí c 39
Hình 4.27 Chỉ số RMSD PZT1 - hư hỏng đơn vị trí A 40
Hình 4.28 Chỉ số RMSD PZT1 - hư hỏng đơn VỊ trí B 40
Hình 4.29 Chỉ số RMSD PZT1 - hư hỏng đơn vị trí c 41
Hình 4.30 Chỉ số RMSD PZT1 - hư hỏng kép vị trí A + c 41
Hình 4.31 Chỉ số RMSD PZT2 - hư hỏng đơn vị trí A 42
Hình 4.32 Chỉ số RMSD PZT2 - hư hỏng đơn vị trí B 42
Hình 4.33 Chỉ số RMSD PZT2 - hư hỏng đơn vị trí c 43
Hình 4.34 Chỉ số RMSD PZT2 - hư hỏng kép vị trí A + c 43
Hình 4.35 Chỉ số RMSD PZT3 - hư hỏng đơn vị trí A 44
Hình 4.36 Chỉ số RMSD PZT3 - hư hỏng đơn VỊ trí B 44
Hình 4.37 Chỉ số RMSD PZT3 - hư hỏng đơn VỊ trí c 45
Hình 4.38 Chỉ số RMSD PZT3 - hư hỏng kép vị trí A + c 45
Hình 4.39 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm 46
Hình 4.40 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm 46
Hình 4.41 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 4cm 47
Hình 4.42 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 6cm 47
Hình 4.43 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí B lcm 48
Hình 4.44 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí B 2cm 48
Hình 4.45 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí B 4cm 49
Hình 4.46 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí B 6cm 49
Hình 4.47 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí c lcm 50
Hình 4.48 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí c 2cm 50
Hình 4.49 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí c 4cm 51
Hình 4.50 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí c 6cm 51
Hình 4.51 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c lcm 52
Hình 4.52 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c 2cm 52
Hình 4.53 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm + c lcm 53
Hình 4.54 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm + c 2cm 53
Hình 4.55 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm 54
Hình 4.56 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm 55
Hình 4.57 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A 4cm 55
Hình 4.58 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A 6cm 56
Hình 4.59 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí B lcm 56
Trang 12Hình 4.60 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí B 2cm 57
Hình 4.61 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí B 4cm 57
Hình 4.62 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí B 6cm 58
Hình 4.63 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí c lcm 58
Hình 4.64 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí c 2cm 59
Hình 4.65 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lóp vị trí c 4cm 59
Hình 4.66 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí c 6cm 60
Hình 4.67 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c lcm 60 Hình 4.68 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c 2cm 61 Hình 4.69 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lóp vị trí A 2cm + c lcm 61 Hình 4.70 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm + c 2cm 62 Hình 4.71 Bố trí PZT trên bề mặt tấm FRP 63
Hình 4.72 Bố trí PZT trên bề mặt bê tông 64
Hình 4.73 Tín hiệu trở kháng PZT1 gắn lên bê tông 65
Hình 4.74 Tín hiệu trở kháng PZT1 gắn lên FRP 65
Hình 4.75 So sánh chỉ số RMSD giữa các vị trí gắn PZT 66
Trang 13DANH MỤC CÀC BÁNG
Bảng 4.1 Thông số vật liệu PZT (theo Fuji Ceramics Corporation) 21
Bảng 4.2 Thông số vật liệu nhôm 22
Bảng 4.3 Thông số mô hình dầm nhôm trong ANSYS 22
Bảng 4.4 Thông so các mô hình thí nghiệm của Jumaat và Alam (2010) 26
Bảng 4.5 Tính chất vật liệu bê tông 28
Bảng 4.6 Tính chất vật liệu cốt thép 28
Bảng 4.7 Tính chất vật liệu FRP 28
Bảng 4.8 Tính chất vật liệu PZT 29
Bảng 4.9 Thông số mô hình dầm BTCT gia cường tấm FRP trong ANSYS 30
Bảng 4.10 Các trường hợp mô phỏng hư hỏng 33
Bảng 4.11 Khoảng tần số khảo sát cho mỗi PZT 38
Trang 14DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BTCT Bê tông côt thép
cc Cross Correlation
CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer
FEM Finite Element Method
FRP Fiber Reinforced Polymer
PZT Lead Zirconate Titanate
RMSD Root Mean Square Deviation
SHM Structural Health Monitoring
UCL Upper Control Limit
Trang 16CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Trước hiện trạng hư hỏng nhà ở và xuống cấp của các công trình hiện nay, việcnghiên cứu về sửa chữa, cải tạo, nâng cấp công trình xây dựng là vấn đề rất cần thiết.Thỉ công gia cố công trình bằng vật liệu FRP là một phương pháp mới đã được nghiêncứu và áp dụng
Vật liệu polymer cốt sợi dạng tấm (Fiber Reinforced Polymer - FRP) ngày càngđược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ngành xây dựng, có thể kể đến như
sử dụng gia cường cho dầm (Hình 1.1), gia cường sàn (Hình 1.2), gia cường cột (Hình13), vì rất nhiều ưu điểm nổi trội so với phương pháp truyền thống (sử dụng théptấm, tăng tiết diện cấu kiện ) như (Jumaat và Alam 2010, Nguyen 2015):
Cường độ chịu kéo cao, gấp 10 -15 lần cường độ chịu kéo thép
Nhẹ và đa năng
Thích hợp với hình dạng cấu kiện khác nhau
Gia cố những kết cấu chịu uốn, cắt và nén
Lắp đặt nhanh, dễ dàng, không ảnh hưởng đến kiến trúc của công trình Bền
bỉ với thời gian và trong môi trường hóa chất
Dễ dàng tính toán và kiểm tra lại với phần mềm do nhà sản xuất cung cấp
Hình 1.1 Gia cố dầm bằng tấm FRP
Trang 17Hình 1.2 Gia cố sàn bằng tấm FRP
Hình 1.3 Gia cố cột bằng tấm FRPTuy nhiên việc sử dụng chúng lại tiềm ẩn rủi ro về việc hư hỏng công trình,nguyên nhân xuất phát từ việc mất liên kết có thể xảy ra giữa tấm FRP và bề mặt cấukiện bê tông, hoặc hư hỏng trong nội tại dầm BTCT
Các trường hợp hư hỏng cỗ thể xuất hiện:
Hư hỏng nứt trong bê tông
Trang 18Hư hỏng mất liên kết giữa FRP và bê tông do lớp keo dán mất tác dựng.
Hư hỏng tách lớp giữa các tấm FRP (trường hợp gia co nhiều lớp)
Hư hỏng đứt các tấm FRP
Hình 1.4 Hư hỏng kéo đứt tấm FRP
Hình 1.5 Hư hỏng tách lớp dầm BTCT gia cường FRP
Trong các trường hợp phá hoại của dầm bê tông cốt thép được gia cường tấmFRP, mô hình phá hoại sớm bong tách tấm FRP ra khỏi dầm bê tông cốt thép thườnghay xảy ra nhất Nguyên nhân là tại vị trí mép tấm gia cường giữa tấm FRP và bê tôngxuất hiện ứng suất tập trung vượt quá khả năng chịu lực của lớp keo dán làm bong táchtấm gia cường và dầm BTCT, do chất lượng thi công và chất lượng keo dán khôngđược đảm bảo tuyệt đối Những hư hỏng loại này thường xuất hiện với mức độ banđàu rất nhỏ nhưng làm ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu được giacường, dẫn đến sự lây lan nhanh của loại hư hỏng tách lớp này Vì vậy việc cảnh báosớm các hư hỏng tách lớp này ngay từ thời điểm xuất hiện có ý nghĩa quan trọng trongviệc đảm bảo an toàn cho kết cấu
Do đó, vấn đề đặt ra là càn chẩn đoán được hiện tượng tách lớp trong kết cấuBTCT có gia cường tấm FRP Đề tài này khảo sát khả năng sử dụng đặc trưng trởkháng cơ-điện trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa FRP và bê tông trong cấukiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP, nhằm cảnh báo sớm và kịp thời sửa chữa
Trang 191.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là chẩn đoán dạng hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có giacường tấm FRP sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện Mô phỏng sự làm việc thực tếcủa kết cấu dầm BTCT có gia cường bằng tấm FRP trong nhiều trường hợp xuất hiện
hư hỏng tách lớp với mức độ khác nhau Tín hiệu trở kháng thu được từ các trườnghợp đó được phân tích Từ đó, hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp chẩnđoán hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP bằng tín hiệu trở khángđược đánh giá và phát triển thêm đối với các cấu kiện khác
1.2.2 Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi luận văn sẽ đượcthực hiện:
- Lập biểu thức đánh giá sự xuất hiện của hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT
có gia cường tấm FRP sử dụng trở kháng cơ-điện: phương pháp đánh giábằng độ lệch bình phương trưng bình RSMD (Root Mean SquareDeviation)
- Lập biểu thức xác định vị trí của hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép có giacường tấm FRP sử dụng trở kháng cơ-điện: phương pháp chỉ số RSMDchuẩn hóa
- Mô phỏng sự làm việc cho dam BTCT có gia cường tấm FRP với nhiềutrường hợp hư hỏng tách lớp khác nhau bằng phương pháp phàn tử hữuhạn (sử dụng phần mềm ANSYS)
- Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán hiện tượng tách lóp sử dụng đápứng trở kháng cơ-điện
- Nêu kết luận và hướng phát triển
Các bài toán sau sẽ được thực hiện:
- Bài toán 1: Khảo sát tính khả thi của việc thu đáp ứng trở kháng thông qua
mô phỏng bằng mô hình phần tử hữu hạn (ANSYS) bằng cách mô phỏngmột dầm nhôm có gắn PZT, thu tín hiệu trở kháng và so sánh với kết quảnghiên cứu đã được công bố
- Bài toán 2: Mô phỏng một dầm BTCT có gia cường tấm FRP trong nhiềutrường hợp hư hỏng tách lớp với mức độ khác nhau, thu tín đáp ứng trởkháng từ các PZT trong mô hình và phân tích kết quả chẩn đoán
- Bài toán 3: Phát triển từ bài toán 2, khảo sát độ nhạy của việc cảnh báo hưhỏng tách lớp trong 2 trường hợp giữa gắn PZT lên bề mặt tấm FRP và gắnPZT lên bề mặt bê tông
Trang 201.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
Những hư hỏng dạng tách lớp do mất liên kết giữa tấm FRP và bê tông là loại hưhỏng thường xuất hiện nhất trong cấu kiện BTCT có gia cường tấm FRP, những hưhỏng này thường xuất hiện với mức độ ban đầu rất nhỏ nhưng làm ảnh hưởng lớn đếnkhả năng chịu lực của kết cấu được gia cường, dẫn đến sự lây lan nhanh của loại hưhỏng tách lớp này Vì vậy việc cảnh báo sớm các hư hỏng tách lớp này ngay từ thờiđiểm xuất hiện có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho kết cấu
Phương pháp trở kháng là phương pháp sử dụng các cảm biến có kích thước vàkhối lượng rất nhỏ, vì vậy sẽ không ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu Phươngpháp này có thể cảnh báo sớm về sự xuất hiện của hư hỏng thông qua việc đánh giá sựthay đổi các chỉ số trong tín hiệu thu được
Việc kiểm tra tính khả thi của phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng đặc trưng trởkháng cơ-điện để tạo cơ sở áp dụng rộng rãi trong thực tế
1.4 Cấu trúc luận văn
Cấu trúc luận vãn gồm 5 chương:
- Chương 1 Giới thiệu: Giới thiệu đề tài, mục tiêu và nội dung luận văn, tínhcần thiết và ý nghĩa thực tiễn, cấu trúc luận văn
- Chương 2 Tổng quan nghiên cứu: Giới thiệu các nghiên cứu trong nước vàngoài nước
- Chương 3 Cơ sở lý thuyết: Cở sở lý thuyết và phương pháp dùng để đánhgiá hư hỏng tách lớp trong cấu kiện dầm BTCT gia cường FRP
- Chương 4 Các bài toán ứng dụng: Giới thiệu các bài toán ứng dụng, nhậnxét, phân tích kết quả
- Chương 5 Ket luận và kiến nghị: Nêu các kết luận và hướng phát triển của
đề tài
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN cứu
2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài
Liang và cộng sự (1994) phát triển lý thuyết áp dụng việc đo trở kháng để tìm ra
hư hỏng của kết cấu Liang và cộng sự đã sử dụng tần số kích thích lớn hơn 30 kHzthông qua tấm PZT được dán trên kết cấu chủ để khảo sát những thay đổi trong trởkháng cơ học của kết cấu
Wang và cộng sự (1996) đâ mở rộng nghiên cứu của Liang và cộng sự (1994) cho
sử dụng nhiều cảm biến PZT được gắn lên hai mặt của kết cấu chủ và chứng minhđược khả năng cảm biến và kích thích của chúng, dựa vào việc theo dõi sự dẫn nạp cơ-
Trang 21Raju (1998) đã mở rộng nghiên cứu bằng cách xét đến ảnh hưởng của tham số trởkháng như mức độ kích thích, chiều dài dây dẫn, điều kiện biên, .và rút ra kết luậnrằng những sự thay đổi này không ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu trở kháng.
Zhu và cộng sự (2009) đã khảo sát phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu bêtông cốt thép, đặc biệt khảo sát sự phân tách giữa cốt thép và bê tông bằng trở khánggắn trong lõi bê tông
Ibrahim và Mahmood (2009) mô hình dầm bê tông cốt thép có sự gia cường bênngoài tấm FRP sử dụng phần mềm ANSYS Sự chính xác của kết quả từ phần mềm đãđược kiểm chứng bằng việc so sánh với kết quả thực nghiệm, kết quả thu được từANSYS thì tương tự với kết quả thực nghiệm Biểu đồ tải trọng - độ võng từ ANSYScũng tương tự với kết quả thực nghiệm
Park và cộng sự (2010) đã tiến hành thí nghiệm khảo sát điều kiện liên kết củadầm bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP sử dụng phương pháp thực nghiệm trởkháng cơ-điện Mô hình thí nghiệm dầm BTCT kích thước 40cm X 10cm X 10cm,được gia cường bằng tấm CFRP kích thước 30cm X 5cm X 0.3cm dán ở đáy dầm HaiPZT kích thước 3.6cm X 3.6cm X 0.05cm được dán vào tấm CFRP tại các vị trí cáchđầu tấm PZT 10cm và 20cm Ket quả cho thấy phương pháp chẩn đoán sức khỏe kếtcấu bằng trở kháng có thể sử dụng một cách hiệu quả để kiểm tra tình trạng liên kếttrong cấu kiện bê tông cốt thép gia cường bằng tấm dán CFRP, trong nghiên cứu tácgiả sử dụng hệ số tương quan chéo cc (Cross Correlation) để đánh giá
Jumaat và Alam (2010) sử dụng phương pháp số và thực nghiệm khảo sát ứng xửuốn của dầm bê tông cốt thép với tấm thép neo chống trượt gia cường Chương trìnhthực nghiệm gồm 7 dầm Trong đó, 1 dầm được thực nghiệm trong trường hợp không
có gia cường, 3 dầm được gia cường bằng thép tấm và 3 dầm còn lại được gia cườngbằng vật liệu CFRP, trong mỗi nhóm dầm gia cường một dầm không có tấm thép neochống trượt gia cường tại cuối, một dầm được gia cường với chiều dài neo ngẫu nhiên(200mm) và một dầm được gia cường với chiều dài neo tối ưu (lOOmm) Chiều dàineo tối ưu có được từ biểu đồ ứng suất cắt bề mặt của dầm gia cường bằng phần mềm(LUSAS) Kết quả thể hiện rằng chiều dài neo tối ưu có thể ngăn chặn sớm sự pháhoại tách lớp tại cuối tấm, tải trọng phá hoại của các dầm có gia cường tấm thép neochống trượt thì lớn hơn các dầm không có tấm thép neo chống trượt gia cường
Trang 22Voutetaki và cộng sự (2012) đã xây dựng một mô hình phần tử hữu hạn đơn giản
để khảo sát sự làm việc của PZT trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép cógia cường FRP
Chen và Teng (2013) đã khảo sát khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép cógia cường tấm FRP, trong đó xét đến liên kết giữa tấm FRP và dầm BTCT
Nguyen và cộng sự (2013) đã tiến hành thí nghiệm phát hiện hư hỏng trong kếtcấu dạng dầm thông qua phản ứng áp điện kép của PZT Mô hình thí nghiệm là mộtdầm nhôm consol kích thước 600x60x10mm 5 PZT được gắn trên dầm với khoảngcách đều 150mm, lực tác động cách đầu tự do của dầm 180mm Phương pháp chẩnđoán sức khỏe kết cấu sử dụng trở kháng có khả năng cảnh báo thành công sự xuấthiện của hư hỏng, tuy nhiên đối với việc xác định vị trí hư hỏng, nó chỉ thực sự hiệuquả trong việc định vị các hư hỏng nhỏ, và cần phải kết hợp với các phương pháp khác
để có thể dự đoán một cách chính xác nhất
Sevillano và cộng sự (2014) đã tiến hành thực nghiệm khảo sát hư hỏng của dầmBTCT có gia cường FRP sử dụng cảm biến trở kháng cơ-điện, đánh giá thông qua 2thông số là độ lệch bình phương trung bình RMSD và hệ số độ lệch tương quan CCD.Chalioris và cộng sự (2015) đã tiến hành thí nghiệm khảo sát ứng dụng hệ thốngchẩn đoán hư hỏng dầm bê tông cốt thép dưới tác động của tải động đất sử dụng hệthống PZT không dây
Tzoura và cộng sự (2015) đã tiến hành thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng của cột bêtông cốt thép gia cường bằng bọc tấm FRP sử dụng cảm biến trở kháng PZT Kết luậnđược đưa ra là phương pháp này chẩn đoán tương đối chính xác hư hỏng đối với cáccột BTCT gia cường từ 2 lớp FRP trở xuống, đối với các cột gia cường nhiều hơn 2lớp thì không còn chính xác nữa
Silva và cộng sự (2016) đã tiến hành thí nghiệm chẩn đoán sức khỏe kết cấu dầm
bê tông cốt sợi bằng phương pháp trở kháng cơ-điện, có xét đến sự ảnh hưởng củanhiệt độ
Sevillano và cộng sự (2016) đã tiến hành thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng của dầm
bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP dưới tác dụng của tải trọng uốn bằng 2phương pháp sử dụng cảm biến PZT và FBG Những dữ liệu thu thập được từ PZTbằng phương pháp trở kháng cơ-điện có thể dự đoán, cảnh báo một cách tương đốichính xác về sự xuất hiện cũng như vị trí tương đối của hư hỏng trong kết cấu dầmBTCT gia cường tấm CFRP
Trang 232.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Tran (2009) nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của kết cấu dầm BTCT
có và không có gia cường tấm AFRP Kết quả thực nghiệm cho thấy việc gia cườngtấm AFRP trong kết cấu sẽ nâng cao khả năng chịu lực của kết cấu một cách đáng kể
và góp phần làm gia tăng tuổi thọ cho công trình, kết quả cũng thể hiện rằng việc giacường dầm BTCT bằng 2 lớp AFRP thì khả năng chịu uốn sẽ lớn hơn 15.8% so vớidầm BTCT chỉ gia cường 1 lớp AFRP
Nguyen (2009) nghiên cứu thực nghiệm gia cường khả năng kháng cắt của dầmBTCT bằng vật liệu FRP Chương trình thực nghiệm với 15 dầm BTCT gia cườngtheo kỹ thuật EBR và NSMR Ket quả thực nghiệm thể hiện rằng việc gia cường vậtliệu FRP sẽ nâng cao đáng kể khả năng kháng cắt của dầm BTCT, kỹ thuật NSMR sẽhiệu quả hơn so với kỹ thuật EBR trên các khía cạnh kinh tế, khả năng chịu lực và tínhdẻo của cấu kiện sau khi kết cấu bị phá hoại
Nguyen (2011) nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình đến khả năngkháng cắt của dầm BTCT có gia cường tấm GFRP Kết quả thể hiện rằng, hiệu quả giacường của tấm GFRP dạng chữ u sẽ giảm dần theo sự gia tăng kích thước của dầmthực nghiệm Ngoài ra, tấm gia cường GFRP dạng chữ u sẽ giúp giảm chuyển vị, giúptái phân bố ứng suất trong vùng cắt góp phần làm giảm bề rộng vết nứt cắt và làmmềm hóa kiểu phá hoại giòn nguy hiểm của dầm
Ngo và Ho (2014) đã nghiên cứu mô phỏng hư hỏng kết cấu kim loại sử dụng trởkháng thông quan chương trình ứng dụng COMSOL 4.0 Mô phỏng được tiến hànhtrên các mẫu dầm bằng nhôm trước và sau hư hỏng, tấm tròn bằng nhôm với sự thayđổi của vị trí hư hỏng, chi tiết liên kết bulông trong cột thép Kết quả từ các mô phỏng
số chứng tỏ hư hỏng trong kết cấu kim loại được chẩn đoán thành công từ đáp ứng trởkháng
Ho (2015) trong luận văn thạc sỹ của mình đã sử dụng phần mềm ANSYS môphỏng một dầm BTCT ứng suất trước căng sau, sau đó khảo sát sự tổn hao ứng suấtcủa cáp trong dầm Nghiên cứu đã cho thấy tính khả thi trong việc sử dụng mô hìnhbằng phần mềm ANSYS để theo dõi và phát hiện hư hỏng xảy ra trong kết cấu
Le (2015) trong luận vãn thạc sỹ của đã sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏnglại kết cấu, chứng minh được tính hiệu quả của phần mềm ANSYS trong việc thu thậptín hiệu trở kháng của kết cấu Tác giả đã đề xuất một phương pháp loại bỏ sự ảnhhưởng của nhiệt độ đối với sự làm việc của tấm cảm biến Phuong pháp này được xem
là có hứa hẹn đối với ngành Theo dõi và chẩn đoán kết cấu
Nguyen (2015) trong luận văn thạc sỹ đã nghiên cứu mô phỏng số phân tích ứng
xử của dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP khi chịu uốn Kết quả cho thấy
Trang 24việc sử dụng vật liệu FRP và tấm thép neo chống trượt là biện pháp gia cường hiệuquả để tăng khả năng kháng uốn và kháng cắt của dầm BTCT, độ võng được giảmđáng kể do sự gia tăng độ cứng của dầm khi gia cường tại mọi cấp tải trọng.
Nguyen (2016) trong luận văn thạc sỹ, đã nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hưhỏng 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 hỏngtrong dầm Dầm BTCT ƯST được mô phỏng bằng phàn mềm ANSYS Kết quả chothấy theo dõi hỗn hợp đề xuất có khả năng chẩn đoán chính xác hư hỏng cho dầmBTCT ƯST
Nguyen (2017) đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kếtcấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trìnhthủy lợi Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kếgia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite
2.3 Tông kết
Các nghiên cứu về chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu bằng phương pháp đáp ứngtrở kháng cơ-điện đã được thực hiện khá nhiều trên thế giới, tuy nhiên số lượng nghiêncứu về chẩn đoán hư hỏng trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRPbằng phương pháp đáp ứng trở kháng cơ-điện còn ít, riêng ở Việt Nam thì chưa cónghiên cứu chính thức về vấn đề này được công bố
Các nghiên cứu đã được công bố chỉ xem xét sự thay đổi tín hiệu trở kháng đốivới hư hỏng giả định tại một vị trí cố định, trong thực tế hư hỏng có thể xảy ra đồngthời tại nhiều vị trí với nhiều mức độ khác nhau, đồng thời kết quả thu được đa phần từthực nghiệm, chưa có sự so sánh đối chứng qua lại giữa thực nghiệm và mô phỏng số
Hư hỏng dạng tách lớp trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP
là dạng hư hỏng thường xảy ra và gây ảnh hưởng lớn tới khả năng làm việc của kếtcấu Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu sự khả thi của phương pháp trở kháng cơ-điện
để chẩn đoán hư hỏng tách lớp của cấu kiện dầm bê tông cốt thép có gia cường tấmFRP với các giả định hư hỏng tại nhiều vị trí với nhiều mức độ khác nhau, đồng thờikhảo sát vị trí tối ưu để gắn PZT trong phương pháp này, tạo cơ sở để có thể áp dụngrộng rãi trong thực tế
Trang 25CHƯƠNG 3 Cơ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM)
Quá trình phát hiện những hư hỏng và biến đổi về đặc tính của các kết cấu xâydựng được gọi là chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM).Những hư hỏng này được xác định khi có những biến đổi trong vật liệu và/hoặc tínhchất hình học của một hệ kết cấu, bao gồm các thay đổi liên quan đến điều kiện biên
và hệ thống kết nối, ảnh hưởng xấu đến hiệu quả làm việc của toàn bộ hệ kết cấu Quytrình chẩn đoán sức khỏe kết cấu là việc theo dõi một hệ thống kết cấu theo thời gian,
sử dụng các tín hiệu (đáp ứng) theo chu kì thu được từ hệ thống cảm biến, từ các dữliệu đó phân tích bằng các thuật toán để xác định được tình trạng sức khỏe hiện tại của
hệ thống kết cấu Đối với chẩn đoán sức khỏe kết cấu dài hạn, các dữ liệu đầu ra củaquá trình này được cập nhật định kỳ để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu theothời gian trước sự ảnh hưởng không thể tránh khỏi của sự thoái hóa về vật liệu cũngnhư ảnh hưởng của môi trường Đối với một số sự cố bất thường không thể dự báotrước như động đất, no, SHM được sử dụng như một công cụ để sàng lọc và cungcấp thông tin một cách nhanh chóng, đáng tin cậy về tính toàn vẹn cũng như khả nănglàm việc tiếp tục của hệ thống kết cấu
Trang 26Hình 3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu
3.2 Phuong pháp trở kháng C0’-điện
3.2.1 Nguyên lý chung
Trong những năm gần đây, phương pháp trở kháng cơ-điện, sử dụng cảm biếnPZT, đã đuợc áp dụng rộng rãi trong chẩn đoán sức khỏe kết cấu Một số ưu điểm củaPZT có thể kể đến như trọng lượng nhẹ, nhiều hình dạng và kích cỡ, dễ dàng lắp đặttrên các kết cấu chủ, hiệu quả chuyển đổi cơ-điện và độ ổn định cao, phù hợp cho việcsản xuất hàng loạt và tính kinh tế Ưu điểm chính làm cho chúng là vượt trội so vớicác loại khác chính từ việc chúng là một thiết bị chủ động có thể vừa khảo sát đượckết cấu chủ lẫn phản ứng của bản thân cảm biến dưới tác động của các kích thích từbên ngoài Bên cạnh đó, các cảm biến này có thể sử dụng để khảo sát đối với các dảitần số cao hàng trăm kHz, thậm chí cao hơn nữa, do đó bước sóng của các kích thích
đó gây ra rất nhỏ và cảm biến có đủ độ nhạy để phát hiện các hư hỏng do chúng gây
ra Khả năng làm việc vừa đóng vai trò bộ cảm biến và bộ truyền xung động giúp chocảm biến cơ-điện rất phù hợp sử dụng trong chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Liang vàcộng sự 1994, Wang và cộng sự 1996)
Phương pháp trở kháng cơ-điện sử dụng các cảm biến làm từ vật liệu hoạt độngtheo nguyên tắc áp điện, đóng vai trò vừa là bộ kích thích vừa là bộ cảm biến Nguyêntắc chính là khi có một tác động cơ học trên cảm biến sẽ sinh ra một dòng điện vàngược lại, các hiệu ứng điện và cơ học được thể hiện thông qua phương trình sau:
Trang 27Sg ~ s ijki^id + d U jE k (3.1)
12
Trong đó:
Sy là tensor ứng suất từ tác động cơ học.
Dj là sự biến đổi về điện (Coulomb/m2)
Sy tí là tính thuận cơ học của vật liệu đuợc đo đạc khi không có điện truờng
có tác động trực tiếp vào trở kháng cơ học của kết cấu, và do đó cũng ảnh hưởng tớitrở kháng cơ-điện của cảm biến PZT gắn liền với nó, và trở kháng cơ-điện này có thể
đo được bằng một máy phân tích trở kháng Khi được điều khiển bởi một điện trườngxoay chiều, cảm biến PZT được gắn vào kết cấu chủ sẽ gây ra một kích thích cơ họclên kết cấu, kết cấu chủ sẽ sinh ra ứng suất tác động trở lại vào cảm biến và ta thuđược các tín hiệu điện do cảm biến sinh ra từ tác động ngược đó Đối với mỗi tìnhtrạng nhất định của kết cấu (tương ứng với trở kháng cơ học nhất định) sẽ gây ra tácđộng ngược khác nhau, dẫn đến tín hiệu đầu ra khác nhau nhất định Do đó phân tíchcác dữ liệu này ta sẽ chẩn đoán được tình trạng sức khỏe của kết cấu
Trang 29Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đáp ứng trở kháng cơ-điện (Liang
và cộng sự 1994)Mối quan hệ giữa trở kháng cơ và trở kháng điện được trình bày lần đầu tiên bởiLiang và cộng sự (1994) bởi phương trình sau:
Trong đó:
y(<o) : sự dẫn nạp điện, nghịc đảo của trở kháng cơ-điện của PZT (đơn vịSiemens hoặc Ohm'1); là hàm tổng hợp của trở kháng cơ của kết cấu chủ,
Z s (ữì), và trở kháng cơ của PZT, Zfl(ứ?)
yjf = (1+jĩj)Y^ : mô đun Young của PZT tại điện trường bằng 0.
e^Ị - (1 - jơ)e£j : hằng số điện môi của PZT
đ 31 : hằng số áp điện theo phương 1 tại ứng suất bằng 0
Y(à) — iũ)—
t p
Z a {à)
Trang 30k = ũỉyỊp / Y* : số sóng, phụ thuộc vào khối lượng riêng và mô đun Young của
ỗ : hệ số mất mát điện môi của tấm PZT.
Trở kháng cơ của kết cấu chủ, Z s (ũj)ỉà tỷ so giữa lực từ PZT và vận tốc của kết
Phương pháp chẩn đoán sức khỏe kết cấu dựa trên trở kháng được sử dụng chomục đích chẩn đoán hư hỏng cục bộ:
- Cảnh báo hư hỏng bằng độ lệch bình phương trung bình RMSD (Root MeanSquare Deviation) của tín hiệu trở kháng (Sun và cộng sự 1995)
- Định vị hư hỏng bằng chỉ so RMSD chuẩn hóa Phương pháp chỉ so RMSDchuẩn hóa được đề xuất để định vị vị trí hư hỏng thông qua các chỉ số thống kêcủa tín hiệu trở kháng
3.2.2 Cảnh báo hư hỏng bằng độ lệch bình phưưng trung bình
Đe phát hiện hư hỏng, RMSD của tín hiệu trở kháng được lựa chọn để xác định sựthay đổi trong tín hiệu trở kháng gây ra do hư hỏng xuất hiện RSMD được tính toán
từ tín hiệu trở kháng đo được từ trước và sau khi xảy ra hư hỏng:
Trang 31Để giải quyết vấn đề đó, giới hạn trên được định nghĩa như một ngưỡng cảnh báo tại đó hư hỏng xuất hiện:
3.2.3 Định vị hư hỏng bằng chỉ số RMSD chuẩn hóa
Ở giai đoạn tiếp theo, định vị hư hỏng được thực hiện sau khi có cảnh báo hưhỏng xuất hiện Thông thường, phản ứng trở kháng của PZT ở gần vị trí xuất hiện hưhỏng sẽ thay đổi nhạy cảm hơn so với các PZT ở xa vị trí xuất hiện hư hỏng (Park vàcộng sự năm 2000, Zagrai và Giurgiutiu 2001) Trong thí nghiệm thực hiện bởi Park
và cộng sự năm 2006, hư hỏng ở trong bản cánh của một kèo thép I được phát hiện tại
vị trí PZT có chỉ số RMSD tăng 10% Tuy nhiên, việc sử dụng một giá trị cố định (vídụ: 10%) như một giới hạn có thể dẫn đến những sai lầm trong việc định vị hư hỏng
(3.7)
Trang 32Để giải quyết vấn đề này, một giả thuyết thống kê được sử dụng để định vị vị trí
của hư hỏng bằng việc xem toàn bộ các chỉ so RMSD (RMSD p j = \ + N ) như các giá
trị ngẫu nhiên với phân bố chuẩn, các chỉ số RMSD được chuẩn hóa như sau:
Hư hỏng được định vị từ phân tích thống kê:
- Đầu tiên, giá trị z^ 0 được định nghĩa là hệ số tin cậy thống kê phụ thuộc vào độtin cậy của tập họp dữ liệu thống kê (tra từ bảng tích phân Laplace)
- Tiếp đến, hư hỏng được định vị tại vị trí PZT thứ j nếu z™™ > Z™ SD ; ngượclại, hư hỏng xuất hiện tại vị trí khác Nói cách khác, hư hỏng xuất hiện tại vị trí
PZT thứ j nếu chỉ số z™^ lớn hơn khoảng tin cậy.
3.3 Mô phỏng số
3.3.1 Giới thiệu
Phân tích phàn tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) là một phương pháp
số, cung cấp giải pháp để giải quyết các bài toán thông qua mô phỏng bằng phần mềm.Phương pháp nghiên cứu đượcc tác giả thực hiện trong luận văn đó là sử dụng phầnmềm ANSYS để mô phỏng và giải quyết bài toán Phần mềm này là một phần mềm
mô phỏng mạnh mẽ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn với hệ thống thư viện phần
tử và thư viện vật liệu phong phú, nó có thể giải quyết các bài toán ứng suất tuyếntính, kết cấu phi tuyến hình học hay phi tuyến vật liệu, có thể phân tích các bài toánđộng với các phương pháp dao động tự do , phổ, điều hòa, dao động ngẫu nhiên, bàitoán nhiệt ổn định, truyền nhiệt Chính vì một số ưu điểm nêu trên cộng với độ tincậy của phần mềm mà trong nghiên cứu khoa học cũng như trong các lĩnh vực cơ họcứng dụng, ANSYS rất hay đươc sử dụng
Phần mềm ANSYS có nhiều mô đun khác nhau: ANSYS/Multiphyics,ANSYS/Mecchanical, ANSYS/Structural, ANSYS/LinearPlus, ANSYS/Thermal,ANSYS/PrePost, ANSYS/ED Trong đó, mô đun ANSYS/Multiphyics được tác giả
sử dụng trong luận văn để mô phỏng bài toán theo 3 bước sau:
Trang 331 Pre-processing p - Định nghĩa các đặc trung hình học, thông số vật liệu và
mô hình cấu kiện
2 Analysis solver - Giải bài toán
3 Post - Thu thập các kết quả cần thiết
3.3.2 Mô hình phần tử
3.3.2.1 Phần tử bê tông
Phần tử khối Solid65 được sử dụng để mô hình bê tông Phần tử này có 8 nút với
3 bậc tự do tại mỗi nút đó là: chuyển vị theo phương X, y, z Phần tử này có khả năngbiến dạng dẻo, vết nứt có thể xảy ra theo các phương trực giao và phần tử cỗ khả năng
Trang 353.3.2.S PhầntửPZT
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 mỗinút, được sử dụng trong phân tích kết cấu và áp điện SOLID5 là phần tử đặc trưngđược sử dụng để mô phỏng đầy đủ tính chất cơ-điện cho vật liệu Piezoelectric
J T*liặhởínal Opt I or no? recommended
Hình 3.7 Phần tử Solid5
J
(Prism Option ị
Trang 36CHƯƠNG 4 CÁC BÃI TOÁN ỨNG DỤNG
4.1 Bài toán 1
4.1.1 Mô hình
Bài toán 1 khảo sát tính khả thi của việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn trong
mô hình ANSYS để mô phỏng đáp ứng trở kháng cơ-điện, được thực hiện bằng cách sosánh tín hiệu trở kháng thu được từ mô hình của tác giả và một công trình nghiên cứukhoa học đâ được công bố
Nghiên cứu khoa học đã được công bố được sử dụng để kiểm tra đối chiếu là mẫudầm nhôm có gắn PZT của Liu và Jiang (2009)
Hình 4.1 Mô hình của Liu và Jiang (2009)Trong nghiên cửu này, Liu và Jiang đã sử dụng mẫu dầm nhôm có kích thướclOOOmm X 20mm X 2mm, dầm nhôm này có điều kiện biên xem như tự do Tấm PZT
có kích thước 50mm X lOmm X 0.5mm được đặt cách đầu bên trái dầm một khoảng62.5mm Sử dụng hiệu điện thế V = 4V để kích thích PZT
Thông số vật liệu được sử dụng như sau:
Bảng 4.1 Thông số vật liệu PZT (theo Fuji Ceramics Corporation)
Thông số Don vị Ký hiệu Giá trị
Khối lượng riêng Kgm'3
Trang 37Bảng 4.2 Thông sô vật liệu nhôm
Thông số Đơn vị Ký hiệu Giá trị
Hình 4.2 Mô hình dầm nhôm trong ANSYSChi tiết về mô hình ANSYS được thể hiện trong Bảng 4.3
Bảng 4.3 Thông số mô hình dầm nhôm trong ANSYS
Cấu kiện Kích thước (mm) Loại phần tử Thông số
Trang 390
24Hình 4.6 So sánh tín hiệu các trường hợp mô phỏng
Trang 40Trường họp hư hỏng
Hình 4.7 Chỉ số RMSD của các trường hợp hư hỏng
So sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và nghiên cứu đã được công bố của Liu
và Jiang (2009):
- Số lượng đỉnh trở kháng có giá trị lớn và xuất hiện rõ ràng đều giống nhau trong
cả 2 trường hợp: 2 đỉnh, xuất hiện tại khoảng tần số ~20900Hz và 23400Hz.(Hình 4.3, 4.4 và 4.5)
- Sự sai khác về giá trị đỉnh trở kháng tại mỗi vị trí tan so khảo sát là không lớn,chênh lệch khoảng 50 Ohm tại vị trí đỉnh trở kháng lớn nhất
- So sánh tín hiệu trở kháng thu được từ mô hình trong các trường hợp hư hỏngkhác nhau (Hình 4.6), có thể thấy tín hiệu trở kháng có sự thay đổi, thể hiện rõnhất ở vị trí đỉnh trở kháng tại tần số 23400Hz, các đỉnh trở kháng có xu hướngdịch chuyển về bên trái, đồng thời khi hư hỏng lớn (6mm), xuất hiện thêm đỉnhtrở kháng tại ví trí 22900Hz
- So sánh về chỉ so RMSD (Hình 4.7) của tín hiệu trở kháng giữa 2 trường hợp hưhỏng trong mô phỏng, có thể thấy khi mức độ hư hỏng càng lớn thì sự thay đổicủa tín hiệu trở kháng mà đặc trưng là chỉ số RMSD càng lớn, trong trường họpnày khi xuất hiện vết nứt 6mm thì chỉ số RMSD là 0.632, gần gấp đôi so với chỉ
số RMSD khi xuất hiện vết nứt 3mm là 0.358 Như vậy vết nứt 3mm và 6mmđược chẩn đoán thành công bằng việc sử dụng phương pháp trở kháng
Những so sánh trên cho thấy tính khả thi của việc sử dụng phàn mềm ANSYS trongviệc mô phỏng lại kết cấu và thu tín hiệu trở kháng cơ-điện, kết quả đem lại tương đốichính xác so với nghiên cứu đã được công bố, có thể sử dụng để khảo sát sự hư hỏngcủa kết cấu bằng phương pháp trở kháng cơ-điện
4.2 Bài toán 2