Proposed research on the health monitoring of my thuan bridge

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐIỀN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU DÂY VĂNG MỸ THUẬN PROPOSED RESEARCH ON THE HEALTH MONITORING OF MY THUAN BRIDGE Chun nghành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông Mã số: 60580205 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc ******** NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên học viên: ĐIỀN THANH BÌNH MSHV: 1770093 Ngày, tháng, năm sinh: 06/12/1993 Nơi sinh: Cà Mau Chun ngành: Xây dựng Cơng Trình Giao Thơng Mã số: 60580205 I TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU DÂY VĂNG MỸ THUẬN II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Lựa chọn thiết bị quan trắc phù hợp với mục đích sử dụng dựa tính thứ tự ưu tiên Xác định vị trí phù hợp cầu dây văng để lắp đặt thiết bị quan trắc cho đạt hiệu thiết bị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/03/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/01/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ THU HIỀN TP.HCM, ngày 02 tháng 01 năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Hồ Thu Hiền CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS Lê Anh Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Lời em Luận văn lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, thầy Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đặc biệt thầy cô Bộ Môn Cầu Đường tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập trường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Hồ Thu Hiền thầy Nguyễn Danh Thắng tận tình giúp đỡ em hoàn thành tốt Luận văn tốt nghiệp thời hạn giao Cuối em xin cảm ơn đến người thân gia đình bạn bè động viên, giúp đỡ để em hoàn thành luận văn Mặc dù nỗ lực nhiều, kiến thức hạn chế nhiều yếu tố khách quan khác nên Luận văn tốt nghiệp nhiều hạn chế thiếu sót Em mong góp ý thầy để em bổ sung thêm thêm kinh nghiệm cho công tác thực tiễn sau Một lần em xin chân thành cảm ơn! Học viên thực luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Điền Thanh Bình iii TĨM TẮT Bài nghiên cứu thực với mục đích nghiên cứu hệ thống quan trắc sức khỏe cho công trình, đặc biệt cơng trình cầu Bằng cách đưa danh sách thiết bị quan trắc thường dùng cơng trình cầu Việt Nam tồn giới Cũng tìm hiểu cấu tạo, chức hoặt động cụ thể thiết bị đề cập Bởi khơng có điều kiện tiếp cận sở liệu thực tế Nên sử dụng phần mềm MIDAS để mơ hình hóa kết cấu cầu Mỹ Thuận dựa phương pháp phần tử hữu hạn, sau đối chiếu số liệu với điều kiện tiêu chuẩn Để đảm bảo số liệu mơ hình phần mềm MIDAS gần giống với cơng trình thực tế Dựa nghiên cứu nhiều tác giả lý luận khách quan, đưa bảng danh sách đánh giá độ ưu tiên thiết bị lắp đặt số cầu tiêu biểu Từ đề xuất phương án thiết kế cho hệ thống quan trắc cầu Mỹ Thuận gồm: Phương án thiết kế đầy đủ phương án thiết kế rút gọn tiết kiệm Dựa liệu trước nghiên cứu lý luận sở khoa học để đưa lựa chọn phương án thiết kế rút gọn tiết kiệm phương án phù hợp cho cầu Mỹ Thuận Dù phương án rút gọn đảm bảo đủ chức thông tin cần thiết hệ thống quan trắc cầu Nghiên cứu giúp việc đánh giá, lựa chọn thiết bị vị trí lắp đặt cho phù hợp, để đạt hiệu suất tối đa, với khoản tài phù hợp Bên cạnh nghiên cứu sở cho nghiên cứu chuyên sâu sau iv CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU • Khái niệm hệ thống quan trắc cầu • Lý cần hệ thống này, nhiệm vụ hệ thống gì? • Lịch sử hình thành phát triển hệ thống SHM giới Việt Nam • Mối quan hệ tương tác tuổi thọ cơng trình vấn đề kinh tế 1.2 SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI • Dựa tình hình thực tế nước ta nêu lý lựa chọ SHM Dẫn chứng dựa cơng trình 1.3 MỤC TIÊU & PHẠM VI NGHIÊN CỨU • Nghiên cứu tính năng, cách thức hoạt động thiết bị quan trắc Từ đưa nhận xét hiệu thiết bị cách bố trí cầu • Đối tượng nghiên cứu cụ thể: cầu Mỹ Thuận • Dựa vào kết nghiên cứu, đưa đề suất hệ thống quan trắc cho cầu Mỹ Thuận CHƯƠNG CÁC THIẾT BỊ CỦA MỘT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG • Các cấp độ đánh giá hệ thống SHM chia làm cấp độ khác từ nhẹ đến nặng Trong đó, hệ thống SHM tiêu chuẩn bao gồm thành phần cấu tạo: Hệ thống thu nhận thông tin, truyền tải thông tin, lưu trữ liệu xử lý 2.2 HỆ THỐNG THU NHẬN THƠNG TIN v • Liệt kê thiết bị cảm biến cần thiết phổ biến nay, gắn cho cầu Việt Nam giới • Mơ tả cụ thể cấu tạo, chức hoạt động thiết bị • Xem xét so sánh tính năng, mục đích sử dụng thiết bị • Kiểm tra vị trí cụ thể giúp đưa giải pháp lựa chọn cho vừa đảm bảo mục đích sử dụng, vừa tiết kiệm vấn đề kinh tế 2.3 HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI THƠNG TIN • Bao gồm phương thức truyền tải phổ biến truyền tải qua nguồn điện, cáp đồng, cáp quang không dây 2.4 HỆ THỐNG LƯU TRỮ THƠNG TIN • Bao gồm thiết bị lưu trữ quang học đĩa DVD, lưu trữ từ trường HDD, số hóa dạng thể rắn SSD công nghệ tiên tiến đại điện toán đám mây CHƯƠNG MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU ĐÃ ĐƯỢC LẮP ĐẶT TRÊN THẾ GIỚI 3.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU TRÊN THẾ GIỚI • Giới thiệu hệ thống quan trắc số cầu giới cầu Naini (Ấn Độ), cầu Kap Shui Mun ( Hong Kong) 3.2 MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM • Các hệ thống quan trắc cầu Việt Nam hệ thống quan trắc cầu Cần Thơ (thành phố Cần Thơ), Cầu Rạch Miễu (Bến Tre), Cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) cầu Cao Lãnh (Đồng Tháp) vi CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU MỸ THUẬN 4.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MỸ THUẬN • Giới thiệu sơ lược cầu Mỹ Thuận, vị trí địa lý, tình hình kinh tế, trị trước sau cầu xây • Chi tiết đặc trưng kỹ thuật thiết kế cầu Mỹ Thuận • Một số kiện gây ảnh hưởng tiêu cực trực tiếp đến tình trạng cầu 4.2 PHÂN TÍCH CẦU MỸ THUẬN BẰNG MIDAS CIVIL • Tạo lập xây dựng mơ hình dựa sở thiết kế có • Phân tích số lieu, so sánh với giá trị tính tốn độ võng, ứng suất, dao động… 4.3 ĐỀ SUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU MỸ THUẬN • Với mục tiêu đề trước nghiên cứu để đưa lụa chọn thiết bị đảm bảo kỹ thuật kinh tế Lựa chọn thiết bị phù hợp đảm bảo tận dụng tối đa sức mạnh thiết bị • Đưa đánh giá dựa sở nghiên cứu • Tiến hành lựa chọn thiết bị vị trí lắp đặt cụ thể lên vị trí mơ hình Kèm với thơng số vài thiết bị có mặt thị trường giá thành sản phẩm, nhà cung cấp tính hoạt động • Đưa phương án thiết kế đầy đủ phương án tiết kiệm cho hệ thống vii CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ • Đưa đánh giá phương án bảng giá tham khảo tổng hợp hệ thống Đưa so sánh nhận xét cụ thể ưu điểm nhực điểm phương án lựa chọn đề xuất phương án thiết kế tiết kiệm cho cầu Mỹ Thuận • Đưa đánh giá nghiên cứu, vấn đề làm thiếu Nhận xét phương án thiết kế 5.2 ĐỀ XUẤT • Đề xuất hướng phát triển đề tài cho hệ thống quan trắc cầu, vấn đề cần khắc phục tương lai để hồn thiện lĩnh vực quan trắc cơng trình viii SUMMARY The study was conducted with the purpose of studying the health monitoring system for buildings, especially bridges By making a list of commonly used monitoring equipment of bridge constructions in Vietnam and around the world As wel as learn about the specific structure and function of each device mentioned Use MIDAS software to model My Thuan bridge structure based on finite element method, then compare the data with the standard conditions To ensure that the model data on the MIDAS software will be close to the actual work Based on the researches of many authors and objective reasoning, List of the priority of the equipment installed on some typical bridges is given Since then proposed design options for My Thuan bridge monitoring system including: Full design plan and economical shortened design plan Based on the previous data of the research and theoretical basis on science to make a choice of the economical reduction design is the most suitable plan for My Thuan Bridge Despite the shortened plan, it still ensures the necessary functions and information of a bridge observation system This study helps evaluate, choose the right equipment and installation position, to achieve maximum performance, but with the most appropriate financing In additional, this paper serves as a basis for further in-depth research 107 PHẦN MỘT SỐ CƠNG THỨC TÍNH TỐN THIẾT BỊ 2.1 MỐI QUAN HỆ CỦA DAO ĐỘNG VÀ LỰC CĂNG DÂY Dựa vào việc đo tần số dây biết độ lớn biến dạng Tần số dao động dây xác định theo công thức: N= 2𝑙 √ 𝐹 𝑆𝑑 Trong đó: N: Tần số dao động dây l: Khoảng cách điểm căng dây F: Lực tác dụng S: Tiết diện dây d: khối lượng riêng vật liệu chế tạo Dưới tác dụng lực F, độ dài dây biến thiên lượng ∆l xác định từ biểu thức: ∆l 1𝐹 = 𝑙 𝑌𝑆 Do tần số dao động dây: 108 N= 2𝑙 √ 𝑌.∆𝑙 𝑙.𝑑 Suy ra: ∆l 4𝑙2 𝑑 = 𝑁 = 𝐾 𝑁 𝑙 𝑌 Giả sử ∆l0 độ kéo dài ban đầu N0 tần số tương ứng chưa có biến dạng: ∆l0 𝑙 = K.𝑁02 Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng dây ∆l1 tần số N1, ta có: ∆l1 𝑙 = K.𝑁12 Vì độ kéo dài đo biến dạng ∆l = ∆l1 - ∆l0 suy ra: ∆l = 𝐾(𝑁12 − 𝑁02 ) 𝑙 Đo N0 N1 ta tính biến dạng cấu trúc 2.2 MỖI QUAN HỆ ỨNG SUẤT VÀ CHUYỂN VỊ Đo ứng suất pháp thông qua đo biến dạng dài ∆l chiều dài l Từ tính biến dạng tương đối 𝜀 = ∆l/l Khi có biến dạng tương đối 𝜀, theo định luật Hooke dễ dàng tính ứng suất pháp 𝜎 = E.𝜀 Với E module đàn hồi vật liệu.[28] 2.3 MỐI QUAN HỆ GIỮA CHUYỂN VỊ VỚI VẬN TỐC, GIA TỐC Dựa vào phương trình vi phân chuyển động: m𝑣̈ (t) + c𝑣̇ (t) + kv = p(t) 109 𝑣̈ (t) + 2𝜉𝜔𝑣̇ (t) + 𝜔2 v(t) = 𝑃𝑜 𝑚 sin 𝜛(𝑡) Hàm chuyển vị: v(t) = 𝜌 sin(𝜛𝑡 − 𝜃) Hàm vận tốc: 𝑣̇ (t) = 𝜛𝜌 cos(𝜛𝑡 − 𝜃) Hàm gia tốc: 𝑣̈ (t) = -𝜛 𝜌 sin(𝜛𝑡 − 𝜃) Trong đó: 𝜌: biên độ dao động (m) 𝜛: tần số dao động riêng (Hz) 𝜃: hệ số góc (rad) 2.4 PHÂN CẤP TÍNH ƯU TIÊN CỦA THIẾT BỊ Tính ưu tiên chia làm cấp: : Quan trọng cho tất cầu : Cần thiết cho kế hoạch bảo trì tối thiểu : Cần thiết cho việc theo dõi sức khỏe kiểm soát giao thơng tối ưu : Rất tốt kiểm tra có vấn đề phát sinh Liệt kê số cầu giới Việt Nam N : Cầu Naini, Ấn Độ CT : Cầu Cần Thơ, Việt Nam TP : Cầu Thuận Phước, Việt Nam RM : Cầu Rạch Miễu, Việt Nam K : Cầu Kap Shui Mun, Hongkong CL : Cầu Cao Lãnh, Việt Nam 110 Bảng 1.2.1.Bảng đánh giá tính ưu tiên thiết bị [17] Sự ảnh hưởng Tác động mơi trường Chú thích Nhiệt độ khơng khí Độ ẩm khơng khí Đầu/ cầu Đầu/ cầu Nhiệt kế Khí áp kế Lượng mưa Đầu/ cầu Vũ kế Áp suất khơng khí Bức xạ mặt trời Tác động tải Gió Phương tiện Đầu/ cầu Đầu/ cầu Áp kế Bức xạ kế Đỉnh tháp & dầm Tải trọng lưu lượng Phong kế, gia tốc kế Gia tốc kế, biến dạng kế Nhiệt độ kết cấu Hoạt động địa chất Dầm, tháp & cáp Động đất & sóng thần Nhiệt kế Địa chấn kế, Gia tốc kế Phản hồi cấu trúc Chuyển vị Phản ứng yếu tố đặc biệt Dầm/ khe co giãn Dầm ngang Ngiêng Tháp/ dầm chủ Từ biến bê tông Bê tông đổ chỗ Gia tốc kế, biến dạng kế Camera Gia tốc kế, Cảm biến nghiêng Biến dạng kế Kéo/ nén Định vị cấu trúc toàn cầu Phản hồi địa chất Cáp/dầm Biến dạng kế, gia tốc kế N CT TP RM K CL Đỉnh tháp GPS N CT TP K CL Độ lún & nghiêng Tháp Áp lực bề mặt Áp lực kẽ Xói mịn Thiết bị Móng Gia tốc kế, Cảm biến nghiêng Biến dạng kế Biến dạng kế Thủy áp kế Mức độ ưu tiên N CT TP RM K CL N TP K N TP CT K CL N N CT TP RM K CL N CT TP RM K CL N CT TP RM K CL N CT TP RM K CL N CT TP RM K CL CT CL N CT TP N CT TP K CL N CT TP CL CL 111 PHẦN THÔNG SỐ THIẾT BỊ LẮP ĐẶT [26] 3.1 ĐO KHÍ TƯỢNG Bảng 3.1 Một số thiết bị đo khí tượng phổ biến STT Tên sản phẩm Giá (VNĐ) Hãng sản xuất Xuất xứ Trạm quan trắc 120,370,000 GLOBAL Mỹ tượng Global WATER Water Trạm quan trắc 72.636.300 tượng AIPT (3.158,10 USD) Trạm quan trắc 222.770.000 Tổng hợp Trung Quốc OTT Đức tượng LASI Thông số kỹ thuật Trạm quan trắc khí tượng Cơng ty Cổ phần AIPT Việt Nam cung cấp: − Bộ ghi liệu dataloger: ▪ Kết nối cảm biến Max.: 16 giao diện cảm biến ▪ Ghi khoảng thời gian: phút-240 phút (có thể điều chỉnh) ▪ Nguồn: 12VDC, AC110V, AC220V, hệ thống cung cấp lượng mặt trời 111 112 tùy chọn ▪ Công suất tiêu thụ: 2W ▪ Giao diện liệu: RS232, RS485, USB; Chế độ giao tiếp Ethernet (thêm chuyển đổi Ethernet sang ethernet); GPRS (thêm chuyển đổi RS232 sang GPRS), tiêu thụ luồng liệu: