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

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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN TIẾN KHIÊM TS LÊ DUY THẠC TP HỒ CHÍ MINH – 2021 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 toàn kỹ thuật, tức không để xảy cố sử dụng, cơng tác kiểm định an tồn chất lượng hay đánh giá khả làm việc thiết bị cần trục cần thiết coi nhẹ Nội dung việc kiểm định không xem xét chất lượng phận theo thiết kế ban đầu mà kiểm tra xem thiết bị có hỏng hóc, khuyết tật gây nên cố làm an toàn của thiết bị hay không 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 phức tạp cách đo đạc đặc trưng động lực học Các đặc trưng động lực học cần phải đặc trưng tổng thể, có nghĩa đo đạc vị trí kết cấu Hơn thay đổi đặc trưng động lực học phải gắn liền với xuất phát triển hỏng hóc hay vết nứt so với trạng thái ngun vẹn ban đầu khơng có hư hỏng Đặc trưng động lực học ấy, minh chứng nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, tần số riêng kết cấu Phương pháp chẩn đoán vết nứt dựa tần riêng đo đạc nghiên cứu mạnh giới Việt Nam Tuy nhiên nay, phương pháp nghiên cứu đề xuất hạn chế áp dụng cho cấu kiện đơn giản cụ thể Việc chẩn đoán 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) Như vậy, kết cấu mơ hình cần trục tháp, gọi từ sau kết cấu tháp, có phần tử dầm phẳng cột chính, cần chính, cột tháp cần đối trọng Vết nứt coi vết nứt mở, không phát triển thời điểm chẩn đốn mơ tả lị xo tương đương Các phương trình dao động kết cấu thiết lập dựa lý thuyết dầm đàn hồi cổ điển Euler-Bernoulli Phương pháp nghiên cứu phương pháp độ cứng động lực, phương pháp coi xác nhất, kể so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn thịnh hành phân tích động lực học kết cấu Ưu trội phương pháp độ cứng động độ xác việc tính tốn tần số riêng mà chỗ cho phép ta tính tốn tần số cao khơng bị giới hạn số bậc tự chọn Đây thực chất phương pháp mô số hệ liên tục với số bậc tự hữu hạn tối thiểu (vì lý mà nhiều người gọi phương pháp phẩn tử liên tục) 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 (Structural Health Monitoring) chẩn đốn 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 Ma trận độ cứng động kết cấu tháp có vết nứt thiết lập dạng hiển, dễ dàng áp dụng cho việc thay đổi tham số kết cấu 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 Những phân tích ảnh hưởng vết nứt đến tần số riêng làm sở liệu để đề xuất thuật toán xác định phần tử bị nứt kết cấu tháp từ số liệu đo đạc tần số riêng Chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm mô hình kết cấu tháp phịng thí nghiệm Ở trình bày sơ lược phương pháp thử nghiệm động hệ thống thiết bị sử dụng việc đo đạc tần số riêng kết cấu Kết thí nghiệm vừa để kiểm chứng tính đắn phương pháp mô số vừa làm đầu vào cho việc chẩn đoán vết nứt cần trục tháp cách đo đạc tần số riêng 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, mơ 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 mơ 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 Các kết công bố 02 báo cáo Hội nghị khoa học toàn quốc, báo đăng chương sách xuất nhà xuất có uy tín (tương đương 01 báo quốc tế scopus) 01 báo đăng tạp chí Khoa học Cơng nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (Vietnam Journal of Science and Technology) CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan thiết bị nâng hạ 1.1.1 Sơ lược 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 Máy trục thơng dụng thiết bị có cấu tạo bao gồm nhiều cấu, đảm bảo nâng, hạ hàng chiều cao định, di chuyển hàng theo phương thẳng đứng, phương nghiêng có phạm vi hoạt động rộng Loại máy gồm: loại cầu trục, cổng trục, cần trục, loại máy nâng tự hành, v.v… Hình 1.1 Một số máy trục thông dụng Trong phát triển chung kinh tế giới Việt Nam việc sử dụng thiết bị nâng hạ để nâng cao suất, hiệu công việc yêu cầu quan trọng Đặc biệt q trình thi cơng cơng trình xây dựng với khối lượng hàng hố, cấu kiện vật tư thi công, lắp ghép lớn phạm vi rộng, dạng thiết bị nâng hạ sử dụng phổ biến cần trục tháp [3] Cần trục tháp loại cần trục quay có cần với chiều cao nâng tầm với lớn sử dụng phổ biến cơng tác xây dựng cơng trình có chiều cao lớn, có nhà cao tầng Ngồi tháp cần, cần trục tháp cịn có phận sau đây: Kết cấu đế, đối trọng, cấu nâng- hạ hàng, cấu thay đổi tầm với, cấu đỡ-quay cấu di chuyển (đối với cần trục di chuyển) Kết cấu chịu tải cần trục tháp cấu thành từ cần, tháp Kích thước hai thành phần định chiều cao nâng tầm với cần trục - hai thông số liên quan đến kích thước cơng trình xây dựng Tầm với tối ưu cần trục tháp đạt tới 80% tầm với tồn phần nó, tầm với tối ưu cần trục tự hành đạt 50%, mặt khác chiều cao nâng cần trục bị hạn chế chiều cao cơng trình tăng lên Với loại cần trục có cần nối thêm điều kiện sử dụng tốt hơn, trường hợp phải đứng nghiêng, cần trục phải đứng cách xa cơng trình khoảng cách khơng nhỏ 20% chiều cao cơng trình Hình 1.2 Kết cấu chung tổng thể cần trục tháp Để xây dựng cơng trình xây dựng tầm trung, người ta thường sử dụng loại cần trục tháp có sức nâng từ 0,3÷ 1,5 có tầm với từ 10÷ 20 m, cịn để xây dựng cơng trình dân dụng từ cấu kiện xây dựng sử dụng cần trục nặng hơn, cần trục có sức nâng từ 3÷ tấn, có tầm với từ 15÷ 30 m Trong giai đoạn nay, phải nâng cấu kiện xây dựng có trọng lượng kích thước lớn nên người ta phải dùng cần trục tháp có sức nâng lên tới 30÷ 50 lớn Đa số cần trục tháp sử dụng để thi công cơng trình có chiều cao lớn Các cần trục lắp đặt đất với chiều cao đến 80m; có loại đặt cơng trình xây để tăng chiều cao nâng, có đến hàng trăm mét Hiện cần trục tháp sử dụng nhiều để thi cơng cơng trình cơng nghiệp cơng trình thủy điện, trung tâm thương mại, tháp truyền hình, chung cư cao tầng, nhà máy, khu cơng nghiệp Các cần trục lắp đặt đáy hố cơng trình, triền đà mảng kết cấu xây dựng Trong trường hợp đó, người ta bố trí hai nhiều cần trục làm việc Các cần trục thuộc loại tự nâng tự di chuyển Sức nâng cần trục sử dụng xây dựng công nghiệp xây dựng thủy điện đạt tới 75 Để tăng khả sử dụng sức nâng cần trục loại này, người ta bố trí thêm cần phụ Các cần trục tháp thiết kế, chế tạo theo Quy chuẩn tiêu chuẩn định Tại nước chế tạo nhiều cần trục tháp (Nga, Pháp, Mỹ, Đức, Anh, Nhật Bản, Trung Quốc) tiêu chuẩn áp dụng cách triệt để Ở Nga, Mỹ, Đức, Pháp có tiêu chuẩn quốc gia thơng số cần trục tháp Hiện cần trục tháp chế tạo với số lượng lớn, loại nhẹ có mơ men cẩu hàng từ đến 15Tm, loại lớn lên đến 1500Tm Ở Đức, xu hướng chế tạo cần trục tháp loại nặng ngày tăng, có cần trục tháp nối thêm tự nâng Cần trục tháp Nga chế tạo tải trọng nâng đạt đến 70 tấn, chiều dài cần từ đến 60m Chiều cao nâng đến 100m; cần trục có tháp nối thêm đạt tới 300m, cần trục tự nâng lắp cơng trình đạt tới 500m Trong thập niên 60 kỷ XX, Nga sử dụng cần trục tháp để xây dựng tượng đài Người mẹ Vongagrat cao 82m xây dựng cột tháp truyền hình Maxcơva cao 535m Cần trục tháp sử dụng để nâng, hạ hàng hố giếng trình xây dựng đường hầm Metro cơng trình ngầm nằm sâu lịng đất Ở Việt Nam, với tiến trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước; cơng trình trọng điểm, đô thị đại phát triển mở rộng; việc sử dụng cần trục tháp nhu cầu tất yếu, đặc biệt với cơng trình có chiều cao lớn Thời gian qua điển tại: Cơng trình trung tâm thương mại Vincom, Cơng trình Bitexco Sài Gòn, Lotte Hà Nội, Kengnam Hà Nội, Landmark 81, Cơng trình thủy điện Lai Châu, Cơng trình Thuỷ điện Sơn La, …v.v 1.1.2 Một số hư hỏng cần trục tháp kiểm tra không phá huỷ quy trình kiểm định thiết bị nâng Trong trình lắp đặt, vận hành cần trục tháp bị sập đổ Một nguyên nhân lớn dẫn đến đổ sập cần trục tháp kết cấu chịu lực cần trục bị suy giảm khả chịu lực khuyết tật trình chế tạo hay vết nứt phát sinh trình vận hành; tuổi thọ, hư hỏng phát sinh trình vận hành thiết bị cơng trình xây dựng liên kết đoạn, đốt thân cần cần trục tháp không đảm bảo an tồn Trong thực tế q trình chế tạo, lắp đặt sử dụng thiết bị, nứt phương pháp hàn dạng hư hỏng nguy hiểm thường gặp cố tai nạn thiết bị Nứt dạng đứt gãy dạng đường kim loại tác dụng ứng suất Mặc dù có vết nứt rộng, cịn lại chúng thường phân tách nhỏ mối hàn kim loại tiếp giáp Chúng thường có biến dạng nhỏ bên ngồi Nứt có nhiều hình dạng chủng loại khác Nứt mối hàn phân nhóm tuỳ theo nơi chúng bắt nguồn mối hàn kim loại Trong kim loại hàn thường xảy dạng nứt là: Nứt ngang, nứt dọc, nứt dạng Trong kim loại gồm: Nứt ngang, nứt đường hàn, nứt cạnh mặt mối hàn, nứt chân mối hàn nứt phân lớp Trong quy trình kiểm định thiết bị nâng, kiểm tra không phá huỷ (NDT) sử dụng phương pháp vật lý để kiểm tra phát khuyết tật bên cấu trúc vật liệu, chi tiết, kết cấu,…v.v mà không làm tổn hại đến khả hoạt động sau chúng Tuy nhiên tự thân NDT khơng thể dự đốn nơi khuyết tật hình thành phát triển NDT đóng vai trị quan trọng việc kiểm tra chất lượng sản phẩm Đặc biệt trình vận hành cơng trình máy móc, thiết bị NDT sử dụng rộng rãi nhằm tăng độ an tồn q trình làm việc giảm thiểu trục trặc làm cho thiết bị ngưng hoạt động Tuỳ theo ứng dụng điển hình điều kiện làm việc khác ưu điểm hạn chế phương pháp NDT để đưa chương trình kiểm tra, tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng phù hợp cần thiết Những phương pháp NDT có từ đơn giản đến phức tạp Kiểm tra mắt (trực quan) phương pháp đơn giản tất phương pháp Những bất liên tục (hư hỏng) bề mặt khơng nhìn thấy mắt thường phát phương pháp dùng chất thấm lỏng phương pháp dùng bột từ Khi cần phát khuyết tật bề mặt thật nghiêm trọng, thường điểm nhỏ cần tiến hành phép kiểm tra phức tạp bên vật thể phương pháp siêu âm chụp ảnh xạ Ngồi sử dụng số phương pháp NDT ứng dụng đặc biệt như: xạ âm, kiểm tra nhiệt hồng ngoại, đo biến dạng, kiểm tra rò rỉ, kỹ thuật vi sóng, chụp ảnh giao thoa laser…v.v 1.1.3 Một số tai nạn điển hình vấn đề an toàn vận hành cần trục tháp Theo báo cáo tình hình tai nạn lao động hàng năm Bộ Lao Động Thương binh Xã hội Bộ Xây dựng việc sử dụng cần trục tháp cơng trình xây dựng phổ biến tiềm ẩn nhiều nguy dẫn đến cố, tai nạn nghiêm trọng; số cố tai nạn đặc biệt nghiêm trọng điển hình xảy việc sử dụng cần trục tháp Việt Nam kể đến sau: - Ngày 27/12/2007 cần trục tháp Công ty xây dựng Cofico đổ sập cơng trình cao ốc Centec Tower, số 72-74 đường Nguyễn Thị Minh Khai, quận 3, TP.Hồ Chí Minh làm 05 người bị thương; - Ngày 12/01/2011 Cơng trình thi cơng Khu tái định cư đường Chu Văn An, phường 12, quận Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh Tổng Công ty CP Thương Mại Xây Dựng làm chủ đầu tư, cẩu tháp cao 45 mét, tay cần dài 50 mét đổ sập làm người chết 01 người bị thương nặng; - Ngày 24/12/2012 cần trục tháp thi cơng Tồ nhà Lotte Center đường Đào Tấn, Ba Đình, Hà Nội bất ngờ đổ sập làm 03 người bị thương nguyên nhân xác định kết cấu mối hàn cần có khuyết tật dẫn đến thiết bị khơng đủ khả chịu lực; - Ngày 18/11/2015 Cơng trình xây dựng trụ sở ngân hàng BIDV Đơng Hải Phịng Công ty Xây Dựng Bạch Đằng bất ngờ đổ sập đường Lê Hồng Phong, TP.Hải Phòng làm 01 người chết 01 người bị thương; - Ngày 02/03/2016 cố nghiêm trọng cần trục tháp Công trình xây dựng tổ hợp thương mại nhà số 493 Trương Định, Tân Mai, Hoàng Mai, Hà Nội bị gãy sập; - Ngày 15/11/2016 cố tai nạn sập cần trục tháp từ Cơng trình xây dựng chung cư Trường Thành (phường Trường Thi, TP.Vinh, tỉnh Nghệ An) xuống Trường THPT Lê Viết Thuật làm chết 01 học sinh; - Ngày 22/12/2019 vụ tai nạn lao động nghiêm trọng sập cần trục tháp thi công Công trường nhà xưởng Công ty TNHH Polytex Far Eastern huyện Bàu Bàng, tỉnh Bình Dương làm 03 người chết, nhiều người bị thương; - Gần ngày 13/01/2020 cố tai nạn nghiêm trọng sập cần trục tháp Cơng trình xây dựng đường Nguyễn Xiển (Tân Triều, Thanh Trì, Hà Nội) Những vụ tai nạn lao động cố nghiêm trọng nêu địi hỏi cơng tác quản lý, giám sát từ cơ quản lý nhà nước đến tổ chức, cá nhân nhập khẩu, thiết kế, chế tạo, lắp đặt, sử dụng cần trục tháp phải ngày quan tâm chặt chẽ đồng thời việc chuẩn hố, hồn thiện thống ban hành quy chuẩn, quy trình kiểm định thiết bị tiêu chuẩn kỹ thuật an tồn cơng việc quan trọng thực tế nước ta Trong nguyên nhân gây nên cố nêu có số bất cập sau đây: Thiết bị cần trục tháp đa số nhập từ nước ngồi; nhiều cần trục cũ, sửa chữa, hốn cải mà khơng có hỗ trợ kỹ thuật từ nhà sản xuất; nhiều cần trục khơng có hồ sơ hợp quy theo quy định; chưa có quy định tuổi thọ sử dụng cần trục tháp điều kiện kiểm tra tăng cường biện pháp kiểm tra không phá huỷ kết cấu chịu lực quan trọng cần trục tháp; thiết kế cấu kiện móng, bệ cẩu, hệ thống neo giằng không thẩm tra, thẩm định đơn vị sử dụng chủ đầu tư cơng trình; khơng có hồ sơ niêm yết đặc tính kỹ thuật an toàn thiết bị quy định cụ thể lực người vận hành cần trục tháp; Vì vậy, yêu cầu an toàn sử dụng thiết bị nâng nói chung cần trục tháp nói riêng cần phải tuân thủ nghiêm ngặt là: Chỉ sử dụng thiết bị nâng có tình trạng kỹ thuật tốt, kiểm định kỹ thuật an toàn đạt yêu cầu; không sử dụng thiết bị nâng bị hư hỏng chi tiết, phận quan trọng; bố trí thiết bị nâng làm việc theo đặc tính kỹ thuật trọng tải mà nhà chế tạo quy định (hoặc trọng tải đơn vị quản lý sử dụng quy định lại sau cải tạo, sửa chữa v.v); tổ chức khắc phục kịp thời hư hỏng phát hiện; người chịu trách nhiệm quản lý kỹ thuật quản lý vận hành thiết bị nâng phải huấn luyện nghiệp vụ mà đảm nhận; huấn luyện an tồn, vệ sinh lao động lần đầu trước giao 71  Trường hợp khơng có vết nứt: tức vết nứt có độ sâu 0;  Trường hợp kết cấu có vết nứt (Phương án I): Kết cấu có vết nứt cột với độ sâu 10-20-30-40%;  Trường hợp kết cấu có hai vết nứt (Phương án II): Kết cấu có hai vết nứt cột (40%) cần (từ 10% đến 40%);  Trường hợp kết cấu có ba vết nứt (Phương án III): Kết cấu có ba vết nứt cột (40%), cần (40%) cần đối trọng (từ 10% đến 40%) 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 mơ số Kịch vết nứt Kết cấu khơng có vết nứt FEM DSM Một vết nứt cột (E1) 10 % 20 % 30 % 40 % Hai vết nứt cột (E1) cần (E2) 40% +10 % 40% +20 % 40% +30 % 40% +40 % Ba vết nứt cột, cần cần đối trọng (E4) 40% +40 %+10% 40% +40 %+20% 40% +40 %+30% 40% +40 %+40% 72 So sánh kết đo đạc tính tốn ta thấy: 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 toán 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%, hoàn toàn chấp nhận sử dụng kết tính tốn đọc để chẩn đốn 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 Sự thay đổi (%) ba tần số vết nứt cột (Kết đo đạc thực nghiệm) 14 12 10 2 Hình 4.5 Sự thay đổi ba tần số riêng vết nứt xuất cột 73 Sự thay đổi (%) ba tần số hai vết nứt cột cần (Kết đo đạc thực nghiệm) 30 25 20 15 10 Hình 4.6 Sự thay đổi ba tần số hai vết nứt cột cần Sự thay đổi (%) ba tần số ba vết nứt cột, cần cần đối trọng (kết đo đạc thực nghiệm) 45 40 35 30 25 20 15 10 Hình 4.7 Sự thay đổi ba tần số ba vết nứt cột, cần cần đối trọng 74 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 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 đoán 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 Phương án I Phương án II Phương án III 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 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 đốn vết nứt kết cấu tháp tần số riêng 75 Kết đo đạc sử dụng để tính toán 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 76 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, mơ 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; 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 mơ 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 tồn 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 mơ 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: 77 (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) Mơ hình cần trục tháp nghiên cứu luận án đơn giản, mơ hình kết cấu khung phẳng cịn xa với cần trục tháp thực ln làm việc khung khơng 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 78 DANH SÁCH CƠNG TRÌNH ĐƯỢC 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 of Science and Technology, 2020, 58(6), pp 776-788 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO M.P Alecxandrôp Máy nâng Nhà xuất Đại học Maxcơva, 1993 N.A Baranốp Phân tích so sánh kết tính tốn áp lực lên bánh xe di chuyển bốn gối tựa cần trục tháp chuyển đường ray Tuyển tập Trường Đại Học Bách Khoa Lêningrad (Liên Bang Nga), 1965 Vũ Liêm Chính cộng Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cần trục tháp Báo cáo tổng kết đề tài NCKH mã số RDN 14-01, Bộ Xây Dựng, 2006 QTKĐ 01 - 2016/BXD Quy trình kiểm định kỹ thuật an tồn cần trục tháp thi công xây dựng QCVN 29/2016/BLĐTBXH Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia an toàn lao động cần trục TCVN 5208-3-2008 Cần trục: Yêu cầu cấu công tác Phần 3- Cần trục tháp TCVN 8590-3-2010 Cần trục: Phân loại theo chế độ làm việc Phần 3- Cần trục tháp TCVN 4244 - 2005 Thiết bị nâng: thiết kế, chế tạo kiểm tra kỹ thuật TCVN 5206 - 1990 Máy nâng hạ: Yêu cầu an toàn đối trọng ổn trọng 10 TCVN 5207 - 1990 Máy nâng hạ: Yêu cầu an toàn chung 11 TCVN 7549-3-2007 Cần trục: Sử dụng an toàn cần trục tháp 12 E M Abdel-Rahman, A H Nayfeh and Z N Masoud Dynamics and Control of Cranes A Review Journal of Vibration and Control, 2003, 9(7), 863-909 13 J F Eden, P Homer and A J Butler The Dynamic Stability of Mobile Cranes Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 1985, 199(D4), 283-293 14 R M Ghigliazza and P Holmes On the Dynamics of Cranes or Spherical Pendula with Moving Supports Intern J of Nonlinear Mechanics, 2002, 37(6), 1211-1221 15 K Sato and Y Sakawa Modelling and control of flexible rotary crane International Journal of control, 1988, 48(10), 2085-2105 80 16 D C Oguamanam, J.S Hansen and G R Happler Dynamics of three- dimensional overhead crane system Journal of Sound and Vibration, 2001, 242(3), 411-426 17 M A Nasser, Dynamic Analysis of Cranes Proc IMAC XIX, 2006, paper No 194301, 1592-1599 18 F Ju and Y S Choo Dynamic characteristics of tower cranes Proc nd Int Conf on Structural Stability and Dynamics World Scientific, Singapore, 2002, 260-266 19 F Ju and Y S Choo Dynamic Analysis of Tower Cranes Journal of Engineering Mechanics, 2005, 131(1), 88-96 20 F Ju and Y S Choo and F S Cui Dynamic response of tower induced by the pendulum motion of the payload International Journal of Solids and Structures, 2006, 43(2), 376-389 21 S Hasan, M Al-Hussein and P Gillis, Advanced Simulation of Tower Crane Operation Utilizing System Dynamics Modeling and Lean Principles Proc 2010 Winter Simulation Conference, 2010, pp 3262-3271 ISBN 978-1-4244-9864-2 22 H Sohn, C Farrar, F Hemez, D Shunk, D Stinemates and B Nadler A review of structural health monitoring literature, 1996-2001 Los Alamos Laboratory, 2003, USA 23 Y Yu and Z Han The modeling analysis of crane based on finite element technology Dev Innov Mach Electr Prod 2007, 20(3), 93-95 24 R D Adams, P Cawley, C.J Pye and B.J Stone A vibration technique for non-destructively assessing the integrity of structures Journal of Mechanical Engineering Science, 1978, 20(2), 93-101 25 S Caddemi and I Caliò, Exact closed-form solution for the vibration modes of the Euler-Bernoulli beam with multiple open cracks Journal of Sound and Vibration, 2009, 327(3-5), 73-489 26 Chondros T.G., Dimarogonas A.D., and Yao J (1998), "Longitudinal vibration of a continous cracked bar", Engineering Fracture Mechanics 61, pp 593-606 27 T G Chondros, A D Dimarogonas and J Yao A continuous cracked beam vibration theory Journal of Sound and Vibration, 1998, 215 (1), 17-34 81 28 S Christides and A.D.S Barr One-dimensional theory of cracked Bernoulli- Euler beams International Journal of Mechanical Sciences, 1984, 26 (11-12), 639-648 29 R R Y Liang, J Hu, and F Choy Quantitative NDE technique for assessing damages in beam structures Journal of Engineering Mechanics, 1992, 118(7), 1468 -1487 30 Y Narkis, Identification of crack location in vibrating simply supported beams Journal of Sound and Vibration, 1994, 172, 549-558 31 D P Patil and S K Maiti Detection of multiple cracks using frequency measurements Engg Fract Mech, 2003, 70(12), 1553-1572 32 P F Rizos, N Aspragathos and A D Dimarogonas Identifcation of crack location and magnitude in a cantilever beam from the vibration modes Journal of Sound and Vibration, 1990, 138(3), 318-388 33 P.G Nikolakopoulos, D.E Katsareas and C.A Papadopoulos, Crack identification in frame structures Computer and Structures, 1997, 64(1-4), 389406 34 A Greco and A Pau, Damage identification of Euler frames Computer and Structures, 2012, 92-93, 328-336 35 N T Khiem and T V Lien, Multi-crack detection in beam by natural frequencies Journal of Sound and Vibration, 2004, 73, 175-184 36 A Labib, D Kennedy, C.A Featherston Crack localization in frames using natural frequency degradations Computer and Structures, 2015, 157, 51-59 37 H P Chen, Application of Regularization Method to Damage Detection in Large Scale Plane Frame Structures Using Incomplete Noisy Modal Data Engineering Structures, 2008, 30, 3219-3227 38 S Caddemi, I Caliò, F Cannizzaro and A Morassi A procedure for the identification of multiple cracks on beams and frames by static measurement Structural Control and Health Monitoring, 2018, 25(8), e2194 (19 pp.) 39 W Li, H Zhu, H Luo, Y Xia Statistical damage detection method for frame structures using a confidence interval Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2010, 9, 133-140 DOI: 10.1007/s11803-009-8084-x 82 40 S Caddemi and I Caliò, The exact explicit dynamic stiffness matrix of multi- cracked Euler-Bernoulli beams and application to damaged frame structures Journal of Sound and Vibration, 2013, 332, 3049-3063 41 N.T Khiem, Crack detection for structure based on the dynamic stiffness model and the inverse problem of vibration Inverse Problems in Science and Engineering, 2006, 14(1), 85-96 42 Trần Văn Liên, Trịnh Anh Hào, Xác định vết nứt kết cấu hệ phân tích wavelet dừng chuyển vị động Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, 2014, 21/10, 53-59 43 Tran Van Lien, Nguyen Tien Khiem, Trinh Anh Hao Crack identification in frame structures by using the stationary wavelet transform of mode shapes Jokull Journal, 2014, 64(6), 251-262 44 Nguyễn Việt Khoa, Trần Văn Liên, Trịnh Anh Hào, “Kiểm tra thực nghiệm phương pháp xác định vết nứt khung phân tích wavelet dừng dạng dao động”, Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, 2014, 22/12, 3-11 45 Dương Trường Giang, Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng Tính tốn kết cấu thép cần trục tháp xây dựng theo TCVN4244-2005 Tuyển tập cơng trình khoa học hội nghị Cơ học tồn quốc, Viện khoa học Công nghệ Việt Nam Hội Cơ học, 2009, 40-48 46 Dương Trường Giang, Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng Xác định tiết diện hợp lý cho kết cấu thép cần trục tháp Tạp chí KHCN Xây dựng, 2010, 8, 57- 65 47 Dương Trường Giang Nghiên cứu xác định thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam Luận án tiến sỹ kỹ thuật, 2011 48 Nguyễn Tiến Khiêm Cơ sở động lực học cơng trình NXB ĐHQGHN, 2003, Hà Nội 49 S Doebling, C Farrar, M Prime and D Shevits, Damage detection and health monitoring of structures and mechanical systems from changes in their vibration characteristics: A literature review Los Alamos Laboratory, USA, 1996, 1-136 50 R Hou and Y Xia, Review on the new development of vibration-based damage identification for civil engineering structures: 2010–2019, Journal of Sound and Vibration, 2021, 491, 115741 DOI: 10.1016/j.jsv.2020.115741 83 51 O Salawu, Detection of structural damage through changes in frequency: A review Engineering Structures, 1997, 19(9), 718-723 52 S Wang, R Shen, T Jin and S Song Dynamic Behavior Analysis and Its Application in Tower Crane Structure Damage Identification Advanced Materials Research, 2012, 368-373, 2478-2482 53 N T Khiem and T V Lien, Multi-crack detection in beam by natural frequencies Journal of Sound and Vibration, 2004, 73, 175-184 54 T Contursi, A Messina, E.J Williams A Multiple-Damage Location Assurance Criterion Based on Natural Frequency Changes Journal of Vibration and Control, 1998, 4(5), 619-633 55 Nguyễn Tiến Khiêm Nhập môn Cơ học thực nghiệm NXB ĐHQGHN, 2015, Hà Nội 56 J.J Sinou, A review of damage detection and health monitoring of mechanical systems from changes in the measurement of linear and nonlinear vibration Robert C Sapri Mechanical Vibrations: Measurement, Effects and Control Nova Science Publishers, Ins 2009, 643-702 57 Trần Thanh Hải, Chẩn đoán vết nứt dầm phương pháp đo rung động Luận án tiến sỹ học, Viện Cơ học, 2011 58 Phí Thị Hằng, Phương pháp phổ tần số phân tích dao động dầm có vết nứt chịu tải trọng di động Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Học Viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2016 59 Huỳnh Văn Hoàng, Đào Trọng Thường Tính tốn máy trục NXB khoa học kỹ thuật, 1967, Hà Nội 60 Nguyễn Văn Hợp, Phạm Thị Nghĩa Kết cấu thép máy xây dựng- Xếp dỡ Trường Đại học Giao Thông Vận Tải, 1996 61 Nguyễn Tiến Khiêm Nhập mơn Chẩn đốn kỹ thuật cơng trình NXB KHTN&CN, 2008, Hà Nội 62 Nguyễn Tiến Khiêm, Trần Thanh Hải Lời giải xác tốn dao động dầm đàn hồi có nhiều vết nứt ứng dụng Hội nghị khoa học kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học công nghệ Việt nam 1975-2010 ISBN: 978-604-913-009- 0, Hà Nội, 2010 63 I IA Kogan Cần trục tháp xây dựng Nhà xuất Chế tạo máy Maxcơva, 1976 84 64 Trần Văn Liên, Nguyễn Tiến Khiêm Phương pháp độ cứng động lực phân tích chẩn đốn kết cấu Nhà Xuất Bản Xây Dựng, 2017, Hà Nội 65 C Bilello (2001) Theoretical and Experimental Investigation on Damaged Beam under Moving Systems Ph D Thesis, Universita degli Studi di Palermo, Italy 66 N.T Khiem and T.H Tran A procedure for multiple crack identification in beam-like structure from natural vibration mode Journal of Vibration and Control, 2013, 20(19), pp 1417-1427 67 N T Khiem and T V Lien, A simplified method for natural frequency analysis of a multiple cracked beam Journal of Sound and Vibration, 2001, 245(4), 737751 68 N.T Khiem and L.K Toan, A novel method for crack detection in beam-like structures bymeasurements of natural frequencies Journal of Sound and Vibration, 2014, 333 (18), 4048–4103 69 Nguyen Tien Khiem and Phi Thi Hang, Frequency Response of Beam-like Structures subjected to Moving Harmonic Forces Vietnam Journal of Mechanics, 2016, 38(4), 223-238 70 H Okamura, H.W Liu, C S Chu and H Liebowitz A Cracked column under Compression Engineering Fracture Mechanics, 1969, 1, 547-564 71 W M Ostachowicz and M Krawczuk Analysis of the effect of cracks on the natural frequencies of a cantilever beam Journal of Sound and Vibration, 1991, 50, 191-201 72 M.-H.H Shen and C Pierre Natural modes of Bernoulli-Euler beams with symmetric cracks Journal of Sound and Vibration, 1990, 138 (1), 115-134 73 E I Shifrin and R Ruotolo Natural frequencies of a beam with an arbitrary number of cracks Journal of Sound and Vibration, 1999, 222(3), 409-423 74 Nguyễn Tiến Khiêm, Trần Thanh Hải Dao động kỹ thuật NXB ĐHQGHN, 2020, Hà Nội ... 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 mơ hình cần trục. .. dạng vết nứt Vì vậy, việc phát triển ứng dụng phương pháp độ cứng động để phân tích chẩn đốn hư hỏng cần trục tháp vấn đề cần thiết tính ưu việt trội phương pháp độ cứng động so với phương pháp. .. nứt cần trục tháp phương pháp đo đạc tần số riêng Phương pháp nghiên cứu tác giả chọn phương pháp độ cứng động lực, phương pháp xác để mơ tính tốn kết 18 cấu [18] Nội dung phương pháp độ cứng động