Chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẶNG XUÂN TRỌNG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG CẦN TRỤC THÁP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM ĐỘNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH - 2021 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm TS Lê Duy Thạc Phản biện 1: GS TS Trần Ích Thịnh Phản biện 2: GS TS Nguyễn Văn Phó Phản biện 3: PGS TS Phạm Tiến Đạt Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi 14 00’, ngày 31 tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Cần trục tháp thiết bị nâng hạ sử dụng phổ biến nước ta xây dựng cơng trình, bốc dỡ vận chuyển hàng hóa Vì việc đảm bảo an toàn kỹ thuật việc sử dụng thiết bị quan trọng Để đảm bảo an tồn kỹ thuật, cơng tác kiểm định an tồn chất lượng hay đánh giá khả làm việc thiết bị cần trục cần thiết coi nhẹ Một nội dung kiểm định thiết bị cần trục có nội dung kiểm tra vết nứt tiềm ẩn thiết bị mà không phát kịp thời làm sụp đổ gây tai nạn vận hành Tuy nhiên, việc phát vết nứt cấu kiện sử dụng thiết bị trực quan mà nhiều với tới vị trí khó tiếp cận Chính vậy, việc dị tìm khuyết tật hay vết nứt kết cấu cơng trình hay thiết bị cần đến công cụ khảo sát gián tiếp từ xa Một cơng cụ việc chẩn đốn, dị tìm khuyết tật hay vết nứt kết cấu cách đo đạc đặc trưng động lực học Việc chẩn đốn vết nứt kết cấu khung giàn, có dạng cần trục tháp phương pháp đo đạc dao động nói chung cịn giới đặc biệt chưa quan tâm Việt Nam Mục tiêu luận án ứng dụng phương pháp độ cứng động lực để mơ tính tốn kết cấu khung có vết nứt sau sử dụng để chẩn đốn vết nứt tồn kết cấu tần số riêng Đối tượng phạm vi nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu luận khung phẳng, mô cần trục tháp rút gọn, mà cần cột mô tả dầm đàn hồi hai chiều (dầm phẳng) Phương pháp nghiên cứu phương pháp độ cứng động lực Bố cục luận án bao gồm chương, kết luận tài liệu tham khảo Chương trình bày tổng quan thiết bị nâng hạ vấn đề kiểm định thiết bị nâng hạ thực tế; tổng quan toán đánh giá trạng thái kỹ thuật chẩn đoán vết nứt kết cấu cơng trình Chương trình bày nội dung phương pháp độ cứng động phát triển cho kết cấu khung phẳng có vết nứt mơ hình độ cứng động kết cấu tháp có vết nứt Chương trình bày kết phân tích số đáp ứng phổ cần trục tháp nguyên vẹn chịu tác dụng tải trọng di động phân tích ảnh hưởng vị trí, độ sâu số lượng vết nứt đến tần số riêng kết cấu tháp Chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm mơ hình kết cấu tháp phịng thí nghiệm Kết luận chung trình bày kết thu luận án đề xuất số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu Những kết luận án tóm tắt sau: Đã xây dựng mơ hình độ cứng động dạng tường minh cho kết khung phẳng có vết nứt, mơ hình đơn giản cần trục tháp có vết nứt, dễ dàng áp dụng để phân tích dao động riêng dao động cưỡng kết cấu; Đã tính tốn đáp ứng phổ (chuyển vị, mô men uốn lực cắt phân bố cần cần trục tháp tải trọng di động cần (khi cần cầu tháp làm việc với tải trọng); Đã phân tích chi tiết ảnh hưởng vết nứt phần tử vết nứt xuất đồng thời phần tử đến tần số riêng cần trục tháp làm sở liệu để chẩn đoán vết nứt cần trục tháp cách đo đạc tần số riêng; Đã nghiên cứu thực nghiệm mô hình cần trục tháp phịng thí nghiệm nhằm kiểm định mơ hình kết mơ số cần trục tháp có vết nứt làm số liệu đầu vào cho việc chẩn đoán vết nứt tần số riêng; Đã đề xuất tiêu để xác định phần tử có vết nứt từ số liệu đo đạc tần số riêng cho phép ta xác định xác phần tử bị nứt mơ hình cần trục tháp CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan thiết bị nâng hạ Thiết bị nâng hạ thiết bị dùng để nâng chuyển loại hàng kiện, hàng rời, vật liệu lỏng (dung dịch), …v.v., từ nơi sang nơi khác theo chu trình làm việc định Máy nâng chuyển sử dụng rộng rãi ngành giao thông vận tải, ngành xây dựng nhiều ngành kinh tế quốc dân khác [1, 2] Thiết bị nâng hạ quan trọng thường máy trục hay cần trục hoạt động không thường xuyên mà theo chu kỳ Các loại máy trục gồm: loại cầu trục, cổng trục, cần trục, loại máy nâng tự hành, v.v… 1.2 Tổng quan vấn đề chẩn đoán hư hỏng cần trục tháp Abdel-Rohman cộng có tổng quan chi tiết động lực học điều khiển cần trục tháp [12] Eden cộng [13] nghiên cứu ổn định động cần trục di động mơ hình rời rạc nhiều bậc tự Ghigliazza and Holmes [14] nghiên cứu động lực học cần trục tháp điểm treo tải trọng di động Sato Sakawa [15] đưa mơ hình tổng qt cần trục tháp mô tả hệ nhiều vật Các tác giả [16] sử dụng phần tử dầm Euler-Bernoilli để mô tả làm việc cầu trục, tức kể đến tính đàn hồi kết cấu cầu trục Nesser [17] đo đạc tần số riêng kết cấu khung mô tả cầu trục kiểm nghiệm kết mơ hình phần tử hữu hạn Ju Choo [18-19] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với siêu phần tử cáp để tính tốn dao động riêng cần trục tháp mô tả hệ giàn với nhiều puly khác Trần Văn Liên cộng [42, 43] sử dụng biến đổi wavelet dạng dao động riêng để chẩn đoán vết nứt kết cấu khung Nguyễn Việt Khoa cộng [44] nhận số kết đo đạc thực nghiệm dao động kết cấu khung có vết nứt 1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu Thiết bị nâng hạ loại, có cần trục tháp, sử dụng phổ biến Việt Nam, đặc biệt Xây dựng dân dụng Giao thông vận tải Vì vậy, việc đảm bảo an tồn làm việc cho thiết bị nâng hạ quan trọng Nguyên nhân chủ yếu an toàn kỹ thuật đối tượng kỹ thuật nói chung thiết bị nâng hạ nói riêng suy giảm khả làm việc phận chịu lực khuyết tật tiềm ẩn bên kết cấu hay hư hỏng xuất trình làm việc (gọi chung hư hỏng) khơng phát kịp thời Một dạng hư hỏng nêu vết nứt, dạng hư hỏng liên quan trực tiếp đến khả chịu lực kết cấu khó phát thiết bị khảo sát trực quan chưa làm phá hủy hoàn toàn kết cấu Nhưng vết nứt lại biểu rõ ứng xử đối tượng kỹ thuật chịu tải trọng động, tải trọng tĩnh Do việc đo đạc ứng xử động lực học đối tượng kỹ thuật, nay, cách tiếp cận hiệu để phát hư hỏng dạng vết nứt kết cấu cơng trình Vì vậy, tác giả luận án lựa chọn đối tượng nghiên cứu mơ hình khung rút gọn cần trục tháp, gọi tắt kết cấu khung tháp có vết nứt Như vậy, mục tiêu luận án xây dựng mơ hình độ cứng động lực cho kết cấu khung tháp có vết nứt ứng dụng để phân tích ảnh hưởng vết nứt đến tần số riêng kết cấu nhằm chẩn đoán vết nứt cần trục tháp phương pháp đo đạc tần số riêng CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC CỦA KẾT CẤU THÁP CĨ VẾT NỨT Trong Chương này, trước mơ tả phát triển phương pháp độ cứng động để phân tích dao động mơ hình kết cấu tháp có vết nứt, trình bày nội dung quy trình phương pháp độ cứng động lực đại Tiếp xây dựng mơ hình độ cứng động lực phần tử thanh, dầm chịu tải trọng phân bố phần tử thanh, dầm chứa nhiều vết nứt Ma trận độ cứng động phần tử thanh, dầm có vết nứt xây dựng dựa lời giải tổng quát tường minh toán dao động riêng, gọi hàm dạng dao động dầm có vết nứt Cuối áp dụng mơ hình phần tử dầm nêu để xây dựng mơ hình độ cứng động lực kết cấu tháp mô cần trục tháp thực tế 2.1 Phương pháp độ cứng động lực 2.1.1 Nội dung phương pháp độ cứng động lực Nội dung phương pháp độ cứng động lực bao gồm tám bước: Chọn hệ tọa độ tổng thể không gian chứa kết cấu; Chia vật thể thành hữu hạn phần tử; Xác định véc tơ chuyển vị nút miền tần số cho phần tử cho kết cấu; Giải toán dao động cho phần tử miền tần số để xác định biểu thức tổng quát trường chuyển vị phần tử; Sử dụng trường chuyển vị phần tử để xác định mối liên hệ véc tơ lực đầu nút véc tơ chuyển vị nút; Tính toán véc tơ tải trọng nút miền tần số; Cân lực nút tất nút ta mối liên hệ véc tơ chuyển vị nút tải trọng đưa nút thu phương trình chuyển động hệ miền tần số; Giải phương trình chuyển động hệ tìm chuyển vị nút phụ thuộc vào tần số tính tốn trường biên độ dao động phần tử, gọi đáp ứng tần số phần tử Ma trận độ cứng động lực phần tử thanh, dầm 2.1.2 2.1.2.1 Mơ hình độ cứng động phần tử thanh, dầm chịu tải trọng phân bố Xét phần tử thanh, phương trình dao động miền tần số [48] có dạng U ( x,  )   2U ( x,  )  Qu ( x,  ),    / c, c  E /  , (2.1) Chuyển vị nút lực đầu nút có dạng: ̂𝑞 (𝑥, 𝜔); 𝑈(𝑥, 𝜔) = ℎ1 (𝑥)𝑈1 (𝜔) + ℎ2 (𝑥)𝑈2 (𝜔) + 𝑈 (2.3) 𝐷 (𝜔) 𝐷12 (𝜔) 𝑈1 𝑃 (𝜔) 𝑁 (2.4) { } = [ 11 ]{ } + { }, 𝑁2 𝐷21 (𝜔) 𝐷22 (𝜔) 𝑈2 𝑃2 (𝜔) Trường hợp dao động dầm chịu tải trọng mơ tả phương trình 𝑑4 𝑊(𝑥, 𝜔)/𝑑𝑥 − 𝜆4 𝑊(𝑥, 𝜔) = 𝑄𝑤 (𝑥, 𝜔), 𝜆4 = 𝜌𝐴𝜔2 /𝐸𝐼 (2.6) Nghiệm tổng qt phương trình (2.6) biểu diễn dạng 𝑊(𝑥, 𝜔) = 𝐶1 𝛷1 (𝑥) + 𝐶2 𝛷2 (𝑥) + 𝐶3 𝛷3 (𝑥) + 𝐶4 𝛷4 (𝑥) + 𝑊𝑞 (𝑥, 𝜔), lực đầu nút: {𝑭(𝜔)} = [𝑫(𝜔)]{𝑽(𝜔))} + {𝑷(𝜔)}, (2.14) 2.1.2.2 Ma trận độ cứng động lực phần tử thanh, dầm có vết nứt Giả sử tồn m vết nứt vị trí 𝑒1 , , 𝑒𝑚 , vết nứt mở có độ sâu tương ứng 𝑎1 , , 𝑎𝑚 mơ tả lị xo dọc trục có độ cứng tương đương 𝑇1 , , 𝑇𝑚 tính từ độ sâu vết nứt [26] Dạng dao động tổng quát dầm dạng: 𝑊(𝑥) = 𝐶1 Φ1 (𝑥, 𝜆) + 𝐶2 Φ2 (𝑥, 𝜆) + 𝐶3 Φ3 (𝑥, 𝜆) + 𝐶4 Φ4 (𝑥, 𝜆), (2.33) Sử dụng hàm dạng dao động (2.33) cơng thức (2.13) ta tính ma trận độ cứng động cho phần tử dầm có vết nứt dạng (2.15) 2.2 Mơ hình độ cứng động kết cấu tháp có vết nứt 2.2.1 Lưới chia nút phần tử Xét mơ hình kết cấu tháp cho Hình 2.3, xác định phần tử dầm E1, E2, E3, E4; phần tử (chỉ chịu kéo nén) E5, E6 Do nút liên kết với coi cố định nên bị loại khỏi điểm nút, cịn lại nút N1, N2, N3, N4 Ngồi cịn có khối lượng tập trung nút N1, N2, N4 ký hiệu m1, m2, m4 2.2.2 Chuyển vị nút (cục tổng thể) Chuyển vị nút tổng thể kết cấu Hình 2.4, bao gồm 12 chuyển vị nút, tức 12 bậc tự do, tạo thành véc tơ: {𝑼} = {𝑈1 , 𝑉1 , Θ1 , 𝑈2 , 𝑉2 , Θ2 , 𝑈3 , 𝑉3 , Θ3 , 𝑈4 , 𝑉4 , Θ4 } Từ ta xác định chuyển vị nút cục cho phần tử, trình bày Bảng 2.1 Bảng 2.1 Chuyển vị nút – bậc tự cục phần tử biểu diễn qua chuyển vị nút tổng thể Chuyển vị nút Phần tử E1 E2 E3 E4 Axial-1 Bending-1 Slope-1 Axial-2 Bending-2 Slope-2 0 𝑉1 −𝑈1 Θ1 𝑈1 𝑉1 𝑉1 −𝑈1 Θ1 Θ1 𝑈2 𝑉3 𝑉2 −𝑈3 Θ2 Θ3 𝑈4 𝑉4 Θ4 𝑈1 𝑉1 Θ1 𝑈51 0 𝑈52 0 𝑈51 = 𝑈4 cos 𝛼45 + 𝑉4 sin 𝛼45 , E5 𝑈52 = 𝑈3 cos 𝛼45 + 𝑉3 sin 𝛼45 𝑈61 0 𝑈62 0 𝑈61 = 𝑈3 cos 𝛼26 − 𝑉3 sin 𝛼26 , E6 𝑈62 = 𝑈2 cos 𝛼26 − 𝑉2 sin 𝛼26 𝛼45 – góc phần tử 5; 𝛼26 – góc phần tử 2.2.3 Lực đầu nút Sơ đồ lực đầu nút theo công thức xác định ta tính lực đầu nút phần tử Thay biểu thức lực nút xác định vào phương trình cân nút nêu ta phương trình: [𝐊(𝜔)]{𝐔} = {𝐏}, {U} {P} chuyển vị lực đầu nút, [K()] ma trận độ cứng động lực 2.3 Kết luận Chương Trong chương này, tác giả phát triển phương pháp độ cứng động để tính tốn đáp ứng động đặc trưng dao động kết cấu tháp có vết nứt Đã trình bày việc xây dựng mơ hình độ cứng động lực cho phần tử dầm chịu tải trọng phân bố phần tử thanh, dầm chứa nhiều vết nứt Sau áp dụng để xây dựng mơ hình độ cứng động cho kết cấu tháp có vết nứt, ma trận độ cứng động kết cấu khung gồm phần tử nút xây dựng phương trình cân lực mơ men nút Mơ hình độ cứng động kết cấu tháp rút gọn thuận tiện cho việc tính tốn tần số riêng đáp ứng tần số kết cấu chịu tải trọng phân bố phụ thuộc vào tham số kết cấu vết nứt Mơ hình áp dụng để tính tốn số chương sau CHƯƠNG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU KHUNG THÁP BẰNG TẦN SỐ RIÊNG Nội dung chương trình bày tốn chẩn đốn vết nứt kết cấu khung tháp tần số riêng, nghiên cứu ảnh hưởng vết nứt đến tần số riêng làm sở liệu để xây dựng phương pháp xác định phần tử bị nứt, tính đáp ứng động kết cấu tháp chịu tải trọng di động cần 3.1 Bài toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu đặc trưng động lực học Bài toán chẩn đoán hư hỏng kết kết cấu thực chất việc đánh giá tính nguyên vẹn kết cấu Hư hỏng, đây, hiểu thay đổi kích thước, hình dáng, vật liệu, liên kết, hay nói gọn lại thay đổi mơ hình cấu tạo Nội dung phương pháp chẩn đoán hư hỏng mơ sau: Bước Xây dựng mơ hình kết với hư hỏng giả định mô tả tham số hư hỏng chưa biết hiểu biết mơ hình hóa (cả kết cấu hư hỏng) công cụ mô số đại Xây dựng sở liệu chẩn đoán bao gồm đặc trưng học kết cấu phụ thuộc vào tham số hư hỏng 12 Hình 3.4 Phân bố độ võng (a), mô men uốn (b) lực cắt (c) phần tử E2 ứng với vận tốc di chuyển tải trọng Xét miền tần số, đồ thị hình vẽ cho thấy độ võng đạt cực đại tần số cộng hưởng tăng với vận tốc di chuyển tải trọng Điều chứng tỏ hồn tồn đo tần số cộng hưởng từ đáp ứng tần số cần trục làm việc Dọc theo cần kể từ ca bin đến đầu cần, độ võng tăng dần; mô men uốn giảm dần đến đầu tự cịn lực cắt giảm khác hai đầu cánh tay địn Điều hồn toàn phù hợp với ý nghĩa vật lý cần cẩu Tất độ võng, mô men uốn lực cắt tăng vận tốc tải trọng tăng Như việc đo đạc nhận tín hiệu rõ ràng tăng vận tốc di chuyển tải trọng 3.3 Ảnh hưởng vết nứt đến tần số riêng kết cấu khung tháp Xét thay đổi ba tần số mơ hình cần trục cho Hình 3.2 vị trí vết nứt thay đổi cột từ lên, cần cần đối trọng từ từ trái qua phải ứng với độ sâu khác từ 10% đến 40% Kết tính tốn cho Hình vẽ 3.5 ÷ 3.9 ứng với tần số thứ (Hình 3.5) đến thứ năm (Hình 3.9) 13 Trên tất hình trục tung biểu thị tỷ số tần số kết cấu bị nứt tần số kết cấu ngun vẹn, cịn trục hồnh biểu diễn tỷ số vị trí vết nứt độ dài phần tử bị nứt a) b) c) Hình 3.5 Sự thay đổi ba tần số đầu theo vị trí vết nứt thay đổi dọc theo cột ứng với độ sâu vết nứt khác từ 10% - 40% tốc di chuyển tải trọng Khảo sát đồ thị Hình vẽ 3.5 trình bày thay đổi tần số thứ cần trục vết nứt thay đổi cột (a), cần (b) cần đối trọng (c) ta thấy: tần số thay đổi nhiều vết nứt xuất ba phần tử cột, cần cần đối trọng gần với cabin Điều chứng tỏ liên kết cần cột đóng vai trị quan trọng việc tạo nên độ cứng cần trục Vết nứt xuất gần cabin nguy hiểm Trên cột tồn vị trí cách điểm ngàm 1/3 chiều dài cột mà vết nứt khơng làm thay đổi tần số thứ Vị trí gọi điểm nút tần thứ vết nứt Ngoài ra, vết nứt xuất điểm ngồi cần làm thay đổi tần số cịn phần tử dây cáp 6, khác với đầu tự dầm công 14 xôn vết nứt xuất khơng làm thay đổi tần số Trong vết nứt xuất đầu ngồi bên trái vị trí đặt khối lượng đối trọng không làm thay đổi tần số thứ (lý có lẽ khối lượng đối trọng lớn so với thay đổi độ cứng) Các đồ thị Hình 3.6 cho thấy thay đổi tần số thứ hai vết nứt xuất phần tử 1, 2, tương tự tần số thứ Chỉ khác chỗ tần số thứ hai thay đổi nhiều vết nứt xuất cần đối trọng Hình 3.6 Sự thay đổi tần số thứ tư theo vị trí vết nứt:(a) - vết nứt cột chính; (b) - vết nứt cần chính; (c) - vết nứt cần đối trọng ứng với độ sâu khác từ 10 % – 30% Khảo sát đồ thị Hình vẽ ta có nhận xét sau đây: - Khi cột cần trục bị nứt: Vết nứt gần với ca bin làm thay đổi nhiều tần số thứ thứ hai tần số thứ ba thay đổi nhiều vết nứt xuất đoạn cột; cột tồn số vị trí mà vết nứt xuất khơng làm thay đổi tần số (gọi điểm nút tần số), ví dụ điểm nút tần số thứ thứ hai khoảng 1/3 chiều cao cột điểm nút tần số thứ ba 1/4 chiều cao cột; 15 - Khi cần bị nứt: Sự thay đổi ba tần số nhỏ vết nứt xuất gần cần chính; thay đổi hai tần số đơn điệu giảm vết nứt tiến phía cần; tần số thứ ba có điểm nút vị trí 1/4 chiều dài cần tính từ ca bin; - Khi cần đối trọng bị nứt: Sự thay đổi ba tần số tăng dần vết nứt tiến đến gần ca bin, không tần số có điểm nút cần đối trọng; - Tất tần số thay đổi nhiều độ sâu vết nứt tăng lên Tất đồ thị độ sâu vết nứt tăng làm giảm tần số dao động Từ hình vẽ cho phép ta xác định điểm nguy hiểm ba phần tử vết nứt, từ ta tính tần số đặc trưng cho phần tử có vết nứt phục vụ việc dị tìm vết nứt tần số riêng 3.4 Tiêu chuẩn đồng dạng để xác định phần tử bị nứt tần số riêng 3.4.1 Bài toán xác định phần tử bị nứt kết cấu khung tháp Xét toán xác định phần tử bị nứt kết cấu khung tháp, cho Hình 3.2 tần số riêng đo đạc Tổng cộng phương án kết cấu có phần tử bị nứt bao gồm: kết cấu có phần tử bị nứt ba phần tử E1, E2, E4; kết cấu có hai phần tử bị nứt cặp (E1, E2), (E2, E4), (E1, E4) kết cấu có ba phần tử bị nứt (E1, E2, E4) Các phương án ký hiệu 𝐶1 , … , 𝐶7 Bài toán đặt xác định xem phương án phương án xảy số liệu đo đạc m tần số riêng 𝛀∗ = {𝜔𝑘∗ , 𝑘 = 1, 2, 3, … , 𝑚} 3.4.2 Xây dựng sở liệu cho toán xác định phần tử bị nứt Để xây dựng sở liệu cho việc xác định phần tử bị nứt tần số riêng, tính tốn năm tần số trường hợp sau: Trường hợp kết cấu có vết nứt ba phần tử E1, E2 E4, tổng cộng ta có phương án kết cấu có phần tử bị nứt; Trường hợp kết cấu có hai vết nứt đồng thời cặp phần tử (E1, E2); 16 (E1, E4) (E2, E4) Ở có phương án kết cấu có hai phần tử bị nứt; Cuối trường hợp ba phần tử E1, E2, E4 bị nứt, tức có phương án kết cấu có ba phần tử bị nứt Năm tần số tính phương án kết cấu có vết nứt cho Bảng 3.2 3.3, có phương án kết cấu khơng có vết nứt Các số liệu tính tốn cho Bảng 3.2.và 3.3 sử dụng để tính tốn thay đổi tần số đặc trưng cho phương án kết cấu bị nứt kết trình bày Hình vẽ 3.10 - 3.12 Bảng 3.2 Năm tần số riêng kết cấu tháp có vết nứt phần tử khác với độ sâu khác từ 0% - 50% Số hiệu mode Độ sâu vết nứt tương đối (a/h) 0% 10% 20% 30% 40% 50% Một vết nứt cột (phần tử 1) 18.5866 35.5896 177.5291 207.9690 538.3853 18.1665 17.1751 15.9705 34.8501 33.4537 32.2085 170.7512 158.0339 147.7358 205.3108 202.7211 201.5315 501.8829 458.4087 435.2624 Một vết nứt cần (phần tử 2) 14.8175 31.3073 140.9264 200.8966 423.4194 13.8362 30.6667 136.3562 200.3772 416.7818 18.5866 35.5896 177.5291 207.9690 538.3853 18.4662 18.1477 17.6673 17.0453 35.5254 35.3594 35.1185 34.8257 165.9920 137.6383 113.5881 97.2897 198.5018 193.2606 191.9035 191.3796 524.3697 493.8780 474.9116 465.2009 Một vết nứt cần đối trọng (phần tử 4) 16.2696 34.4941 86.4434 191.0822 438.2464 18.5866 35.5896 177.5291 207.9690 538.3853 18.4120 30.4586 174.2244 207.4148 532.6891 9.0646 19.8540 159.8108 203.0880 451.3226 17.5551 23.7055 170.3327 206.7458 525.0442 14.9241 20.7528 167.5490 206.0216 516.4480 11.7225 20.0571 164.5680 204.9092 498.7182 17 a) c) b) Hình 3.7 Sự thay đổi trung bình tần số riêng hai vết vết nứt xuất phần tử (a) phần tử E1 E2 (cột cần chính), (b) phần tử E1 E4 (cần đối trọng), (c) hai phần tử E2 E4 3.5 Kết luận Chương Trong Chương trình bày nội dung sau: - Nội dung toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu nói chung áp dụng cho toán xác định phần tử bị nứt kết cấu khung tháp - Đã tính tốn phổ đáp ứng chuyển vị kết cấu số vị trí quan trọng phân bố mơ men, lực cắt phần tử chịu lực cốt yếu cần trục Kết cho thấy tần số dao động riêng xác định từ số liệu đo đạc đáp ứng động kết cấu chịu tải trọng di động; - Đã tiến hành phân tích tần số riêng mơ hình cần trục phụ thuộc vào vị trí chiều sâu vết nứt xuất phần tử đồng thời phần tử khác Từ xây dựng sở liệu cho việc chẩn đoán vết nứt cần trục cách đo đạc tần số riêng; Đã đề xuất áp dụng tiêu chuẩn để xác định phần tử bị nứt kết cấu khung tháp dựa đồng dạng véc tơ tần số đo đạc với véc tơ tần số tính tốn (cơ sở liệu) biểu diễn qua hệ số tương quan hai tập số liệu 18 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH KẾT CẤU KHUNG THÁP CĨ VẾT NỨT 4.1 Cơ sở phương pháp thử nghiệm động [55] Thử nghiệm động hay thử nghiệm dao động việc đo đạc thực nghiệm xử lý phân tích số liệu đo đạc thực nghiệm nhằm xác định đặc trưng động lực học đối tượng tồn thực tế hay phịng thí nghiệm Xét hệ dao động mơ tả phương trình mx  cx  kx  f (t ) (4.1) it Nghiệm phương trình (4.1) tìm dạng: x(t )  Xe Biên độ dao động phức X tìm bằng: X  H () F 1/ m đó: H ( )   2  m  k  ic 0    2i (4.2) Từ tính mô đun hay giá trị tuyệt đối hàm đáp ứng tần số 𝐴(𝜔) = |𝐻(𝜔)| = √[𝑅𝑒(𝜔)]2 + [𝐼𝑚(𝜔)]2 = 1/2 𝑚[(   2 ) (4.3) +4𝜉 𝜔2 ] Dễ dàng nhận thấy hàm (4.3) đạt cực đại tần số: 𝜔 = 𝜔𝑐 = √𝜔02 − 2𝜉 (4.4) gọi tần số cộng hưởng Trong trường hợp hệ số cản nhỏ, 𝜉 ≪ 1, ta có c  0 , tức tần số cộng hưởng xấp xỉ tần số riêng Trong trường hợp khơng cản hàm đáp ứng tần số ∞ tần số riêng, tức xảy cộng hưởng Từ công thức (4.3) - (4.4) xác định tần số riêng hệ số cản từ giá trị 𝐻𝑐 tần số đỉnh cộng hưởng 𝜔𝑐 biểu đồ hàm đáp ứng tần số Trong thực tế đo đạc thực nghiệm, hàm đáp ứng tần số đo đạc đầu đo gia tốc búa xung lực, nên kết đo không bị ảnh hưởng độ lớn lực tác dụng kết đo dải tần rộng 19 4.2 Mơ hình thiết bị thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm kết cấu tháp thiết kế theo số liệu cho Bảng 4.1, phần tử cột (E1), cần (E2), tháp (E3) cần đối trọng (E4) dầm có tiết diện ngang hình chữ nhật Hai phần tử E4 E6 phần tử (chỉ chịu kéo nén) có tiết diện trịn với bán kính cho Bảng 4.1 Mơ hình chế tạo Phịng thí nghiệm Cơ học cơng trình Hình 4.1 Mơ hình thực nghiệm Viện Cơ học (Hình 4.1) kết cấu khung tháp Bảng 4.1 Số liệu thiết kế mơ hình thực nghiệm cần trục tháp Tham số Phần tử Phần tử Phần tử Phần tử Phần tử Phần tử E (N/m2) 2.0e11 2.0e11 2.0e11 2.0e11 2.0e11 2.0e11 (kg/m3) 7850 7850 7850 7850 7850 7850 b (m) 0.03 0.008 0.028 0.008 - - h (m) 0.02 0.016 0.018 0.016 - - L (m) 0.661 0.515 0.136 0.085 0.16 0.522 R (m) - - - - 0.0007 0.0007 Khối lượng tập trung (kg) nút 1, 2, 4: m1 = 0.3; m2 = 1.0; m4 = 9.0 Vết nứt tạo vết cưa suốt chiều rộng dầm với độ sâu khác thay đổi từ 0% đến 40% Vị trí vết nứt cột 0.472 m tính từ điểm ngàm (từ lên), vị trí vết nứt cần 0.21 m tính từ cabin (từ trái qua phải) vị trí vết nứt cần đối trọng 0.07 m tính từ cabin (từ phải qua trái) 20 Thiết bị đo đạc hệ thống thu thập xử lý số liệu PULSE 360, bao gồm hai phận chính: Máy tính chuyên dụng phần mềm PULSE; Bộ thu thu thập liệu 4.3 Kết đo đạc thực nghiệm xử lý số liệu đo Kết đo đạc ba tần số phương án vết nứt khác thực thực nghiệm trình bày Bảng 4.2, có so sánh với tính tốn lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phương pháp độ cứng động (DSM) Bảng 4.2 So sánh tần số riêng đo đạc thực nghiệm với tính tốn mô số Tần số thứ Tần số thứ hai Tính Thực Tính Thực tốn nghiệm tốn nghiệm Kết cấu khơng có vết nứt FEM 18.44 35.69 18.47 35.28 DSM 18.5866 35.5896 Một vết nứt cột (E1) 10 % 18.1512 18.04 34.8265 34.69 20 % 17.1214 17.08 33.3943 33.13 30 % 15.8677 15.31 32.1281 31.59 40 % 14.6659 14.57 31.2195 30.94 Hai vết nứt cột (E1) cần (E2) 40% +10 % 14.4433 14.35 30.5906 30.32 40% +20 % 13.9862 13.89 29.4925 29.23 40% +30 % 13.5174 13.43 28.5778 28.32 40% +40 % 13.1085 13.02 27.9151 27.5 Ba vết nứt cột, cần cần đối trọng (E4) 40% +40 12.9463 12.83 25.1252 24.9 %+10% 40% +40 12.3941 12.31 20.6883 20.35 %+20% 40% +40 11.2207 10.94 17.6675 16.72 %+30% 40% +40 9.5071 9.44 16.2456 16.035 %+40% Kịch vết nứt So sánh kết đo đạc tính tốn ta thấy: Tần số thứ ba Tính Thực tốn nghiệm 174.40 177.5291 176.9 171.0326 158.8484 148.9218 142.3194 170.4 158.65 148.25 141.8 140.2371 136.197 132.604 130.0592 139.74 135.71 132.13 129.25 124.1505 123.7 116.7653 116.1 111.9149 111.15 107.9844 107.07 21 Trường hợp khơng có vết nứt sai lệch kết đo đạc với kết tính tốn hai phương pháp FEM DSM nhỏ 1%; Trường hợp có vết nứt cột sai lệch tối đa 3,5% tần số độ sâu vết nứt 30% - Phương án I; Trường hợp có hai vết nứt sai lệch tính tốn đo đạc cao 1,5% tần số thứ hai độ sâu vết nứt 40% - Phương án II; Trường hợp có ba vết nứt sai lệch đo đạc tính tốn lớn 5,3% (tần số thứ hai độ sâu vết nứt 30%) - Phương án III Như vậy, sai số đo đạc tính tốn nói chung 5%, hồn tồn chấp nhận sử dụng kết tính tốn đọc để chẩn đoán vết nứt kết cấu cần trục tháp nêu 4.4 Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng để xác định phần tử bị nứt Bây ta tính tốn thay đổi tần số thực nghiệm vết nứt cách lấy trung bình tần số đo theo độ sâu khác Kết cho Bảng 4.3 minh họa Hình 4.5 ÷ 4.7 Hình 4.5 Sự thay đổi ba tần số riêng vết nứt xuất cột Hình 4.6 Sự thay đổi ba tần số hai vết nứt cột cần Hình 4.7 Sự thay đổi ba tần số ba vết nứt cột, cần cần đối trọng 22 Bảng 4.3 Sự thay đổi ba tần số riêng cần trục ba phương án thực nghiệm vết nứt Phương án thực nghiệm vết nứt Phương án I Phương án II Phương án III Tần số thứ Tần số thứ hai Tần số thứ ba 12.01949 (%) 25.97455(%) 38.38657 (%) 7.631803 (%) 6.493638(%) 31.41111 (%) 12.50707 (%) 24.13369 (%) 35.27134 (%) So sánh đồ thị ba hình vẽ với hình vẽ mơ tả trường hợp vết nứt tính tốn sở liệu (Hình 3.10 ÷ 3.12) hay áp dụng tiêu chuẩn chẩn đốn nêu mục 3.3, đưa kết luận sau đây: Bảng 4.4 Kết chẩn đoán phần tử bị nứt từ số liệu đo đạc cho Bảng 4.3 Phương án thực nghiệm Kết chẩn đoán Phương án I Phần tử cột bị nứt Phương án II Phần tử cột cần bị nứt Phương án III Ba phần tử: cột, cần cần đối trọng bị nứt Như vậy, kết thực nghiệm cho thấy: (1) Mơ hình tính tốn chấp nhận sai khác với thực nghiệm đo đạc khoảng 5%; (2) Từ số liệu đo đạc ta xác định xác phần tử bị nứt từ số liệu đo đạc ba tần số riêng cần trục 4.5 Kết luận chương Trong chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm mơ hình cần trục tháp phịng thí nghiệm Các kết thí nghiệm đạt chủ yếu tần số dao động riêng kết cấu khung tháp có vết nứt hay xác có phần tử bị nứt với độ sâu khác Kết đo đạc so sánh với kết tính tốn lý thuyết cho thấy sai lệch tính tốn lý thuyết thực nghiệm 23 khoảng 5% Kết minh chứng cho tính đắn mơ hình độ cứng động lực xây dựng luận án cho phép ta khẳng định mơ hình số liệu đo đạc sử dụng để chẩn đoán vết nứt kết cấu tháp tần số riêng Kết đo đạc sử dụng để tính tốn thay đổi tần số riêng phương án vết nứt khác nhau: kết cấu có một, hai ba phần tử bị nứt làm sở để chẩn đoán vết nứt theo tiêu chuẩn đồng dạng trình bày Chương Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng số liệu đo đạc với sở liệu xây dựng Chương xác định phần tử bị nứt kết cấu thí nghiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận án này, tác giả nhận kết sau đây: Đã xây dựng mơ hình độ cứng động lực cho kết cấu khung phẳng bao gồm phần tử dầm hai chiều khối lượng tập trung nút (khối lượng đối trọng, khối lượng tải nâng khối lượng cabin điều khiển), mô cần trục tháp giản lược (gọi tắt kết cấu tháp) có vết nứt Đây mơ hình giải tích thuận tiện cho việc phân tích động lực học cần trục phụ thuộc vào tham số kết cấu vết nứt; Đã phân tích đáp ứng cần trục tháp tải trọng nâng di chuyển dọc theo cần Cụ thể tính tốn đáp ứng tần số độ võng cần đầu tự biểu đồ phân bố lực cắt, mô men uốn dọc theo cần Kết cho thấy hồn tồn sử dụng đáp ứng kết cấu chịu tải trọng di động để đo đạc tần số riêng kết cấu thay gia tải lực xung đo hàm đáp ứng tần số; 24 Đã phân tích độ nhạy cảm tần số riêng kết cấu tháp với vị trí độ sâu vết nứt từ xây dựng sở liệu cho việc chẩn đoán vết nứt cần trục tháp cách đo đạc tần số riêng Cụ thể tính tốn thay đổi tần số riêng phụ thuộc vào vị trí vết nứt chạy dọc theo phần tử cho thấy vết nứt xuất vị trí phần tử nguy hiểm không nguy hiểm; Đã tiến hành thực nghiệm mô hình vật lý kết cấu tháp, cụ thể đo đạc tần số riêng kết cấu khung có khơng có vết nứt vừa để kiểm chứng mơ hình tính tốn xây dựng đồng thời làm số liệu đầu vào để giải toán chẩn đoán vết nứt tần số riêng; Sử dụng số liệu đo đạc, sở liệu tính tốn tiêu chuẩn đồng dạng, xác định xác phương án vết nứt khởi tạo mô hình thí nghiệm Cụ thể xác định kết cấu có một, hai ba phần tử bị nứt Tuy nhiên, số vấn đề mà tác giả chưa giải được, cần phải nghiên cứu tiếp tục là: (a) Tính tốn đáp ứng động cần trục tháp có vết nứt chịu tải trọng di động phục vụ việc chẩn đoán vết nứt cách đo đạc đáp ứng động, tránh việc thử nghiệm động phức tạp để đo tần số riêng thực tế; (b) Nghiên cứu phát triển thuật toán đề xuất luận án để xác định vị trí cụ thể vết nứt phần tử (trong luận án xác định phần tử bị nứt); (c) Mô hình cần trục tháp nghiên cứu luận án cịn đơn giản, mơ hình kết cấu khung phẳng xa với cần trục tháp thực làm việc khung không gian chiều Vì vậy, cần phải nghiên cứu xây dựng mơ hình khơng gian cho cần trục có vết nứt để tiến tới ứng dụng vào việc kiểm định cần trục tháp thực tế DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Tiến Khiêm, Nguyễn Thị Cẩm Lai, Lê Khánh Toàn, Đặng Xuân Trọng Đo đạc thực nghiệm dao động dầm đàn hồi có vết nứt Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Đà Nẵng 2015 2015, Tập 1, 353-361 Nguyen Tien Khiem, Nguyen Ngoc Huyen, Dang Xuan Trong Frequency response of tower crane under moving load Hội nghị Cơ học toàn quốc, Hà Nội 12-2017 2017, Tập 1, 312-320 Dang Xuan Trong and Nguyen Tien Khiem Modal analysis of cracked tower cranes by the dynamic stiffness method Topics in Modal Analysis & Testing, 2017, Volume 10, pp 11-22 (SCOPUS) Dang Xuan Trong, Le Khanh Toan, Ha Thanh Ngoc, Nguyen Tien Khiem Modal analysis of cracked tower crane with an experimental validation Vietnam Journal Technology, 2020, 58(6), pp 776-788 of Science and ... liệu để chẩn đoán vết nứt cần trục tháp cách đo đạc tần số riêng; Đã nghiên cứu thực nghiệm mơ hình cần trục tháp phịng thí nghiệm nhằm kiểm định mơ hình kết mơ số cần trục tháp có vết nứt làm... nhằm chẩn đoán vết nứt cần trục tháp phương pháp đo đạc tần số riêng CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC CỦA KẾT CẤU THÁP CĨ VẾT NỨT Trong Chương này, trước mơ tả phát triển phương pháp độ cứng động. .. THÁP CÓ VẾT NỨT 4.1 Cơ sở phương pháp thử nghiệm động [55] Thử nghiệm động hay thử nghiệm dao động việc đo đạc thực nghiệm xử lý phân tích số liệu đo đạc thực nghiệm nhằm xác định đặc trưng động