Diffraction Method)
Vào năm 1998, Sansalone đã đề xuất phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền (TOFD) để xác định chiều sâu vết nứt mở bề mặt trên bê tông [74]. Khi tạo ra một tác động (impact) trên bề mặt vật thể (Hình 1.21a), tác động gây ra các sóng lan truyền trong bê tông. Sóng dọc và sóng ngang lan truyền bên trong vật thể và sóng Rayleigh lan truyền trên bề mặt. Sóng dọc có đặc điểm lan truyền nhanh hơn sóng ngang, do vậy sóng dọc sẽ đến đỉnh của vết nứt trước. Đỉnh vết nứt lúc này sẽ đóng vai trò như một nguồn phát mới, phát ra các sóng ngang và sóng dọc thứ cấp (Hình 1.21b). Đặt cảm biến nhận sóng (transducer) đối xứng với nguồn gây tác động qua vết nứt (Hình 1.21a), nghiên cứu thu nhận được tín hiệu dạng sóng. Thời gian nhiễu xạ lan truyền sóng chính là thời gian lan truyền của sóng dọc từ vị trí phát sóng (impact) đến vị trí nhận sóng (transducer).
a) Sơ đồ bố trí phép đo b) Sóng siêu âm lan truyền qua vết nứt Hình 1.21. Sơ đồ bố trí phép đo và đặc điểm lan truyền của các sóng qua vết
nứt [21]
Quãng đường lan truyền sóng dọc S sẽ được tính như sau:
S-Wave
P-Wave
Impact
S-Diffracted
p
S C= t (1.12)
Trong đó: Cp là vận tốc lan truyền của sóng dọc và t là thời gian nhiễu xạ lan
truyền sóng. Mặt khác, quãng đường truyền sóng S được tính như sau:
2 2 2 S H D 2 = + (1.13)
Trong đó: H là khoảng cách từ vết nứt đến đầu thu hoặc phát sóng, D là chiều sâu vết nứt. Kết hợp hai phương trình (1.12) và (1.13), xác định được chiều sâu vết nứt thẳng đứng như sau: 2 p 2 C t D H 2 = − (1.14)
TCVN 9357:2012 hướng dẫn thực nghiệm cách xác định chiều sâu vết nứt bề mặt thẳng đứng bằng xung sóng siêu âm và phương pháp được sử dụng trong tiêu chuẩn là phương pháp thời gian nhiễu xạ lan truyền [13].
Trong phép đo, việc xác định thời điểm đến của mặt trước của xung là rất quan trọng và ảnh hưởng lớn đến kết quả của việc xác định chiều sâu vết nứt. Từ đó, TCVN 9357:2012 đã có một số khuyến cáo về thiết bị đo thời gian nhiễu xạ lan truyền. Các thiết bị đo phải có khả năng xác định được thời điểm đến phần xung đến sớm nhất. Có hai thiết bị được sử dụng là máy hiển thị dao động và thiết bị hiển thị số.
Với cách đặt đầu dò như Hình 1.21a, lấy giá trị H lần lượt là 150mm và 300mm, đo được thời gian lan truyền tương ứng với giá trị H. Khi đó, chiều sâu vết nứt được xác định theo Biểu thức (1.15) [13]:
2 2 1 2 2 2 2 1 4 t t D 150 t t − = − (1.15)
Trong đó: D là chiều sâu vết nứt (Hình 1.21a) tính bằng mm, t1 là thời gian lan
truyền ứng với khoảng cách H = 150mm và t2 là thời gian lan truyền ứng với khoảng
cách H = 300mm. Biểu thức (1.15) về bản chất là giống với Biểu thức (1.14), chỉ khác là trong Biểu thức (1.14), cần phải xác định vận tốc lan truyền sóng, còn trong
Biểu thức (1.15) thì không cần. Việc tính chiều sâu vết nứt theo hai Biểu thức (1.14) và (1.15) là hoàn toàn giống nhau.
Hiện nay, các nghiên cứu trong nước về dự đoán chiều sâu vết nứt mở là không nhiều và các nhóm nghiên cứu chủ yếu chỉ áp dụng Biểu thức (1.15) trong TCVN 9357:2012 để dự đoán chiều sâu vết nứt mở trên bề mặt từ thực nghiệm. Chẳng hạn, Nguyễn Hữu Huế sử dụng Biểu thức (1.15) để dự đoán thực nghiệm chiều sâu vết nứt của đập Cửa Đạt [10]. Nghiên cứu dự đoán được chiều sâu vết nứt lớn nhất là 266,7mm và chiều sâu vết nứt nhỏ nhất là 24,7mm.
Trong khi, các nghiên cứu trong nước chỉ áp dụng Biểu thức (1.15) để dự đoán chiều sâu vết nứt, các nghiên cứu trên thế giới sử dụng phương pháp mô phỏng số để dự đoán, sau đó kiểm chứng kết quả mô phỏng số với thực nghiệm.
Hình 1.22. Sơ đồ mô phỏng số xác định chiều sâu vết nứt mở bê tông [55]
Liou và cộng sự đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt bê tông [55]. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và mô hình được thể hiện như Hình 1.22. Kết quả chuyển vị nhận được tại vị trí nhận sóng của ba trường hợp với chiều sâu vết nứt lần lượt là 0mm, 30mm và 40mm được thể hiện như Hình 1.23a. Từ kết quả chuyển vị này,
nghiên cứu xác định được thời gian nhiễu xạ lan truyền sóng, từ đó xác định được chiều sâu vết nứt theo Biểu thức (1.14). Kết quả đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng số được thể hiện như Hình 1.23b.
Hình 1.23. Chuyển vị tại điểm nhận sóng và kết quả xác định chiều sâu vết nứt từ mô phỏng số [55]
Tương tự nghiên cứu trên, nhiều nghiên cứu khác cũng đã sử dụng phương pháp thời gian nhiễu xạ lan truyền sóng để đánh giá vết nứt mở bề mặt bê tông ở nhiều trường hợp khác nhau: mô phỏng xác định chiều sâu vết nứt mở vuông góc bề mặt và chiều sâu vết nứt ngang nằm trong bê tông [48], dự đoán vị trí vết nứt xiên dựa trên chỉ một đầu dò vừa phát và thu tín hiệu [80], cải tiến cách đặt đầu dò để tăng độ chính xác [67], đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo chiều sâu vết nứt [54] và mô phỏng số kết hợp thực nghiệm dự đoán chiều sâu vết nứt mở trên mẫu bê tông [21].
1.3.5. Nhận xét
Việc phân tích tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về dự đoán chiều sâu vết nứt bằng các phương pháp siêu âm cho thấy mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm. Đối với phương pháp tác động tiếng vang, trong Biểu thức
(1.10) về xác định chiều sâu vết nứt, giá trị tần số đỉnh fT cho mỗi vết nứt là khác
nhau và không tuân theo quy luật cụ thể nào. Phương pháp lan truyền sóng bề mặt yêu cầu phải thỏa mãn điều kiện tỉ lệ chiều sâu vết nứt h so với bước sóng λ lớn hơn
hoặc bằng 1,5 (h / λ1,5) và phải thỏa mãn yêu cầu diện tích không gian đủ lớn trên
vào bên trong bê tông, nên phương pháp này thường chỉ phù hợp với các vết nứt nằm gần bề mặt bê tông.
Hiện nay, phương pháp siêu âm khuếch tán và phương pháp xác định thời gian nhiễu xạ lan truyền (TOFD) được đánh giá là hai phương pháp có độ chính xác cao. Hai phương pháp siêu âm này được các nghiên cứu sử dụng để xây dựng phương pháp dự đoán chiều sâu vết nứt trong các đối tượng bê tông khác nhau. Việc mô phỏng số được thực hiện để kiểm chứng lại phương pháp đã xây dựng và tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp và kết quả mô phỏng số.
Trong hai phương pháp nêu trên, phương pháp TOFD là phù hợp với phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đề tài. Thời gian lan truyền sóng sẽ được xác định từ thực nghiệm và đồng thời từ chương trình mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn với các hệ số cản Rayleigh được xác định từ thực nghiệm trong Chương 3 của Luận án.