Xác định trạng thái hư hỏng của khung bê tông cốt thép dựa vào kết quả phân tích dao động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN CHÍ THIỆN XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI HƯ HỎNG CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰA VÀO KẾT QUẢ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG Chuyên ngành : Kỹ Thuật xây dựng Mã số ngành : 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, Tháng 02 Năm 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Đức Duy Chữ ký: Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu Chữ ký: Cán chấm nhận xét 2: TS Hà Minh Tuấn Chữ ký: Luận văn thạc sĩ bảo yệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2021 Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ bao gồm: PGS.TS Lương Văn Hải - Chủ tịch Hội đồng TS Nguyễn Thái Bình - Thư ký PGS TS Nguyễn Văn Hiếu - ủy viên (Phản biện 1) TS Hà Minh Tuấn - ủy viên (Phản biện 2) ThS Nguyễn Phúc Bình An - ủy viên CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DựNG PGS.TS LÊ ANH TUẤN 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 LUẬN VĂN THẠC s ĩ • • • • Họ tên học viên : NGUYỄN CHÍ THIỆN MSHV : 1870486 Ngày, tháng, năm sinh : 06/08/1995 Nơi sinh : Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng rlũ ĩd I § Ỡ-? ;ỉ TÊN ĐÈ T À I: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI H HỎNG CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DựA VÀO KẾT QUẢ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu nắm vững phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu sử dụng đặc trưng dao động Thu thập kết đo tần số dao động kết cấu khung BTCT Xây dựng mơ hình khung BTCT theo phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm ANSỸS Xác định trạng thái hư hỏng dựa kết phân tích dao động với phương pháp thay đổi tần số dao động, phương pháp thay đổi dạng dao động (MAC), phương pháp lượng biến dạng (MSE) Phân tích đánh giá kết chẩn đoán hư hỏng cho khung BTCT Thực toán mở rộng phương pháp chẩn đốn hư hỏng khung bê tơng cốt thép dựa đặc trưng dao động Kết luận kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM v ụ IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2021 V : 24/02/2020 CÁN B ộ HƯỚNG DẪN : PGS.TS HỒ ĐỨC DUY Tp Hồ Chỉ Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021 CÁN B ộ HƯỚNG DẪN * CHỦ NHIỆM B ộ MƠN ĐÀO TẠO • • TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DựNG PGS.TSTĨẼ anh tũấn • i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp nằm hệ thống luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả tự nghiên cứu, biết cách giải vấn đề cụ thể đặt thực tế xây dựng Đó trách nhiệm niềm tự hào học viên cao học Để hoàn thành luận văn “Xác định trạng thái hư hỏng khung bê tông cốt thép dựa vào kết phân tích dao động”, ngồi cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ nhiều từ tập thể cá nhân Tôi xin gửi lời tri ân đến tập thể nhân dành cho giúp đỡ q báu Tơi xin gửi lời tri ân đến Thầy PGS.TS Hồ Đức Duy, thầy tận tâm hướng dẫn, đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài Thầy góp ý cho tơi cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu Sự tận tâm bảo động lực lớn để tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh truyền dạy kiến thức q giá cho tơi, kiến thức thiếu đường nghiên cứu khoa học nghiệp sau Tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt cha mẹ tôi, người ủng hộ, động viên suốt quãng đường học tập nghiên cứu Sự tin tưởng gia đình niềm tin để tơi hồn thành tốt nghiên cứu Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong quý Thầy, Cô dẫn thêm để bổ sung kiến thức hồn thiện thân Lời cuối cùng, tơi kính chúc Ban lãnh đạo Khoa, quý Thầy, quý Cô lời chúc sức khỏe, thành công công tác sống Xin trân trọng cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021 Nguyễn Chí Thiện TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tên đề tài luận văn “Xác định trạng thái hư hỏng khung bê tông cốt thép dựa vào kết phân tích dao động” Nghiên cứu trình bày phương pháp theo dõi, đánh giá trạng thái hư hỏng khung BTCT sử dụng đặc trưng dao động Từ mục tiêu đề tài, nội dung sau thực hiện: Tìm hiểu nắm vững phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu sử dụng đặc trưng dao động Thu thập kết đo tần số dao động kết cấu khung BTCT Xây dựng mơ hình khung BTCT theo phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm ANSYS Xác định trạng thái hư hỏng dựa kết phân tích dao động với phương pháp thay đổi tần số dao động, phương pháp thay đổi dạng dao động (MAC), phương pháp lượng biến dạng (MSE) Phân tích đánh giá kết chẩn đoán hư hỏng cho khung BTCT Thực toán mở rộng phương pháp chẩn đốn hư hỏng khung bê tơng cốt thép dựa đặc trưng dao động Kết luận kiến nghị ABSTRACT The Thesis title: “Vibration-based Damage Detection in Reinforced Concrete Frame” This study presents methods to monitor and identify the damage of reinforced concrete frames using vibration characteristics In order to achieve the objective, the following approaches are implemented: To study the damage detection methods using vibration characteristics To get the natural frequencies of a reinforced concrete frame To establish the finite element model for the frame by ANSYS software To identify the damages on frame by using Frequency change-based damage detection method, Modal assurance criterion (MAC), and Modal strain energy (MSE) method To analyze and evaluate the damage detection results To carry out the extensive studies for damage identification on the reinforced concrete frame To draw the conclusions and recommendations for further studies LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi thực hướng dẫn PGS.TS Hồ Đức Duy Các kết luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm công việc thực Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021 Nguyễn Chí Thiện MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN .iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xiv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xx DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU xxi CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Tầm quan trọng việc theo dõi chẩn đoán kết cấu 1.1.2 Các ngun nhân gây hư hỏng kết cấu cơng trình 1.1.3 Các dạng hư hỏng khung bê tông cốt thép 1.1.3.1 Nứt, hư hỏng nguyên nhân kết cấu 1.1.3.2 Nứt, hư hỏng nguyên nhân phi kết cấu 1.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Tính cần thiết ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 2.1 Tình hình nghiên cứu giới 12 2.2 Tình hình nghiên cứu nước 13 2.3 Tổng kết 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 3.1 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa thay đổi tần số 16 3.1.1 Giới thiệu phương pháp 16 3.1.2 Công thức đánh giá 16 3.2 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa thay đổi dạng dao động 17 3.2.1 Giới thiệu phương pháp 17 3.2.2 Công thức đánh giá 17 3.3 Phương pháp lượng biến dạng 18 3.3.1 Giới thiệu phương pháp 18 3.3.2 Công thức đánh giá 18 3.3.3 Ngưỡng hư hỏng 22 3.3.4 Ảnh hưởng điều kiện biên 22 3.3.5 Các bước tính tốn theo phương pháp lượng biến dạng 24 3.4 Phương pháp đánh giá độ chuẩn xác chẩn đoán 27 3.4.1 Ngưỡng hư hỏng đề xuất 27 3.4.2 Mơ hình đánh giá 28 3.4.3 Các số đánh giá 29 3.4.3.1 Accuracy (Tính xác) 29 3.4.3.2 Balanced Accuracy (Tính xác cân bằng) 29 3.4.3.3 Precision (Độ xác) 29 3.4.3.4 Recall (Độ nhạy) 30 3.4.3.5 Specificity (Độ đặc hiệu/ Độ chuyên biệt) 30 3.4.3.6 F1-Score 30 3.5 Mơ hình phần tử hữu hạn 31 3.5.1 Mơ hình phần tử 31 3.5.1.1 Mơ hình phần tử bê tơng 31 3.5.1.2 Mơ hình phần tử cốt thép 31 3.5.2 Mơ hình vật liệu 32 3.5.2.1 Mơ hình phá hoại bê tơng 32 3.5.2.2 Mơ hình vật liệu cốt thép 33 3.5.2.3 Mơ hình liên kết bê tông cốt thép 33 3.5.2.4 Phương pháp phân tích 34 CHƯƠNG BÀI TOÁN KHẢO SÁT 35 4.1 Số liệu khung bê tông cốt thép 35 4.2 Thông số vật liệu 36 4.3 Thí nghiệm đo dao động khung bê tông cốt thép [32] 37 4.3.1 Thí nghiệm, hình ảnh đo dao động 37 4.3.2 Kết đo dao động 37 4.4 Mô số 39 4.4.1 Mơ hình vật liệu kiểu phần tử 39 4.4.2 Khai báo vật liệu 39 4.4.2.1 Bê tông 39 4.4.2.2 Cốt thép 42 4.4.3 Mơ hình khung BTCT ANSYS 43 4.4.3.1 Khung bê tông cốt thép 43 4.4.3.2 Điều kiện biên 44 4.4.3.3 Tải trọng 44 228 Cột trái MSE ( ORG_300 ) CT1 CT2 CT3 Z0 0.005 0.01 0.005 Accuracy(%) 68.50 62.00 67.00 Precision(%) 90.00 91.30 95.24 Recall(%) 22.78 22.11 23.53 F1-Score(%) 36.36 35.59 37.74 Specificity(%) 98.35 98.10 99.13 BAC(%) 60.57 60.10 61.33 229 Cột phải MSE ( ORG_300 ) CP1 CP2 CP3 Z0 0.005 0.005 0.005 Accuracy(%) 70.50 61.00 61.50 Precision(%) 92.86 90.63 69.57 Recall(%) 31.33 27.88 18.60 F1-Score(%) 46.85 42.65 29.36 Specificity(%) 98.29 96.88 93.86 BAC(%) 64.81 62.38 56.23 230 MSE ( ORG_315 ) Dầm DT1 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 64.50 92.31 25.81 40.34 98.13 61.97 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.0001 75.50 79.49 43.06 55.86 93.75 68.40 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 65.00 100.00 24.73 39.66 100.00 62.37 DT2 DT3 231 MSE ( ORG_315) Dầm DD1 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 73.00 100.00 33.33 50.00 100.00 66.67 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.0001 71.50 72.97 36.49 48.65 92.06 64.27 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 73.50 88.00 30.56 45.36 97.66 64.11 DD2 DD3 232 Cột trái MSE ( ORG_315 ) CT1 CT2 CT3 Z0 0.005 0.01 0.005 Accuracy(%) 65.50 53.00 67.00 Precision(%) 90.48 93.75 100.00 Recall(%) 22.09 13.89 26.67 F1-Score(%) 35.51 24.19 42.11 Specificity(%) 98.25 98.91 100.00 BAC(%) 60.17 56.40 63.33 233 Cột phải MSE ( ORG_315 ) CP1 CP2 CP3 Z0 0.005 0.005 0.005 Accuracy(%) 73.50 64.00 64.50 Precision(%) 94.12 92.50 72.41 Recall(%) 38.55 34.91 25.00 F1-Score(%) 54.70 50.68 37.17 Specificity(%) 98.29 96.81 93.10 BAC(%) 68.42 65.86 59.05 234 MSE ( ORG_322) Dầm DT1 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 62.50 88.46 24.21 38.02 97.14 60.68 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.0001 70.00 63.89 32.86 43.40 90.00 61.43 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 71.00 100.00 32.56 49.12 100.00 66.28 DT2 DT3 235 MSE ( ORG_322) Dầm DD1 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 75.50 96.77 38.46 55.05 99.18 68.82 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.0001 75.50 76.32 42.03 54.21 93.13 67.58 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 79.50 86.96 34.48 49.38 97.89 66.19 DD2 DD3 236 Cột trái MSE ( ORG_322 ) CT1 CT2 CT3 Z0 0.005 0.01 0.005 Accuracy(%) 68.50 58.50 66.00 Precision(%) 80.00 91.67 95.83 Recall(%) 25.64 21.36 25.56 F1-Score(%) 38.83 34.65 40.35 Specificity(%) 95.90 97.94 99.09 BAC(%) 60.77 59.65 62.32 237 Cột phải MSE ( ORG_322 ) CP1 CP2 CP3 Z0 0.005 0.005 0.005 Accuracy(%) 73.50 60.50 63.50 Precision(%) 92.86 96.43 73.08 Recall(%) 33.77 25.71 22.35 F1-Score(%) 49.52 40.60 34.23 Specificity(%) 98.37 98.95 93.91 BAC(%) 66.07 62.33 58.13 238 MSE ( ORG_329) Dầm DT1 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 65.00 89.29 27.17 41.67 97.22 62.20 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.0001 75.50 71.43 39.06 50.51 92.65 65.85 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 71.50 100.00 32.14 48.65 100.00 66.07 DT2 DT3 239 MSE ( ORG_329) Dầm DD1 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 79.00 91.67 45.83 61.11 97.66 71.74 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.0001 80.00 81.58 48.44 60.78 94.85 71.65 Z0 Accuracy(%) Precision(%) Recall(%) F1-Score(%) Specificity(%) BAC(%) 0.001 77.00 82.61 31.15 45.24 97.12 64.13 DD2 DD3 240 Cột trái MSE ( ORG_329 ) CT1 CT2 CT3 Z0 0.005 0.01 0.005 Accuracy(%) 71.50 61.50 62.50 Precision(%) 90.48 90.00 100.00 Recall(%) 25.68 19.35 22.68 F1-Score(%) 40.00 31.86 36.97 Specificity(%) 98.41 98.13 100.00 BAC(%) 62.04 58.74 61.34 241 Cột phải MSE ( ORG_329 ) CP1 CP2 CP3 Z0 0.005 0.005 0.005 Accuracy(%) 75.50 61.00 60.50 Precision(%) 93.55 89.29 61.54 Recall(%) 38.16 25.00 18.82 F1-Score(%) 54.21 39.06 28.83 Specificity(%) 98.39 97.00 91.30 BAC(%) 68.27 61.00 55.06 242 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN CHÍ THIỆN Ngày, tháng, năm sinh: 06/08/1995 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: 69, Đường 18, Phường Hiệp Bình Chánh, Quận Thủ Đức, Tp.HCM Điện thoại di động: 0967851835 Email: nguyenchithien6895@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2013 – 2018: Kỹ sư xây dựng Dân dụng Công nghiệp, trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM 2018 – nay: Học viên Cao học, chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng, Đại Học Bách Khoa Tp.HCM QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC 2018 – 2020: Chun viên QA/QC, Phịng QA/QC, Cơng Ty Cổ Phần Tập Đồn Xây Dựng Hịa Bình 2020 – nay: Phó phịng QA/QC, Phịng QA/QC, Cơng Ty Cổ Phần Tập Đồn Xây Dựng Hịa Bình ... văn ? ?Xác định trạng thái hư hỏng khung bê tông cốt thép dựa vào kết phân tích dao động? ?? Nghiên cứu trình bày phương pháp theo dõi, đánh giá trạng thái hư hỏng khung BTCT sử dụng đặc trưng dao động. .. Xác định trạng thái hư hỏng dựa kết phân tích dao động với phương pháp thay đổi tần số dao động, phương pháp thay đổi dạng dao động (MAC), phương pháp lượng biến dạng (MSE) Phân tích đánh giá kết. .. Xác định trạng thái hư hỏng dựa kết phân tích dao động với phương pháp thay đổi tần số dao động, phương pháp thay đổi dạng dao động (MAC), phương pháp lượng biến dạng (MSE) Phân tích đánh giá kết