Xây dựng bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với cầu BTCT

Chương mở đầu : Giới thiệu tổng quan

2.2. Xây dựng bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với cầu BTCT

2.2.1. Mục tiêu của bài toán

Bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với kết cấu cầu là bài tốn đánh giá tình trạng kỹ thuật của cầu đang khai thác dựa trên cơ sở số liệu, thông tin thu được thông qua hồ sơ và kết quả khảo sát đo đạc trên cầu. Mục đích chính là phát hiện các hư hỏng trên kết cấu càng sớm càng tốt và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến năng lực khai thác của cơng trình, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp sửa chữa, khơi phục hay đưa ra chế độ khai thác phù hợp.

Để giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình cầu cần có những yếu tố như sau: * Số liệu khảo sát, đo đạc các đặc trưng hình học, đặc trưng vật liệu của kết cấu và các đáp ứng của nó dưới tác động của mơi trường bên ngồi.

* Mơ hình tốn học của cơng trình.

* Phương pháp tìm kiếm, chẩn đốn, đánh giá hư hỏng của cầu và xây dựng mơ hình thực trạng của nó.

2.2.2. Sơ đồ giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cho cầu BTCT 2.2.2.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống 2.2.2.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống

Ta có thể biểu diễn sơ đồ giải bài tốn chẩn đoán kỹ thuật cho cầu như ở sơ đồ dưới đây:

Xây dựng mơ hình lý thuyết của kết cấu

Các đặc trưng lý thuyết tính tốn trên mơ hình

Khảo sát đo đạc các số liệu về cầu trên thực địa

Các đặc trưng của kết cấu thực

So sánh số liệu đo và tính tốn lý thuyết để chẩn đốn hư hỏng,

mức độ, vị trí hư hỏng

Xây dựng mơ hình hiện trạng của cơng trình

Đánh giá chất lượng cơng trình

-41-

Cơ sở của chẩn đốn kỹ thuật đối với kết cấu cầu dựa trên các số liệu sau: * Hồ sơ thiết kế, hồ sơ hồn cơng của cầu

* Số liệu theo dõi về quá trình khai thác sử dụng, các lần kiểm tra, sửa chữa * Số liệu khảo sát đo đạc tại hiện trường

Bài tốn chẩn đốn cầu cũng chính là bài toán ngược: nhận dạng cơ học. Đây là bài tốn có thơng tin khơng đầy đủ, tức là chỉ có thể khảo sát, đo đạc một số các thông số tại một số vùng hay điểm trên kết cấu (khơng thể có đầy đủ các thơng số về sự đáp ứng của cầu). Vì vậy việc giải bài tốn này là rất khó khăn và thường dẫn tới kết quả đa trị. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được tiến hành. Tuy vậy đến nay vẫn chưa có thuật tốn hay phương pháp nào đưa ra được lời giải chính xác cho bài toán này. Cho nên trong quá trình chẩn đoán việc thu thập được nhiều thông tin và kết hợp nhiều phương pháp là rất cần thiết.

2.2.2.2 Theo quan điểm thống kê

Sơ đồ giải bài toán:

Để giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình cầu theo quan điểm thống kê, cần có những yếu tố sau:

- Số liệu khảo sát, đo đạc các đặc trưng hình học, đặc trưng vật liệu của kết cấu dưới tác động của mơi trường bên ngồi.

- Tập hợp các dấu hiệu nhận biết trạng thái của kết cấu .

- Số liệu thống kê các dữ liệu về hư hỏng và khuyết tật của nhiều kết cấu trên thực tế.

Thu thập các số liệu về cầu trên thực địa

Các đặc trưng và dấu hiệu của kết cấu thực

Xây dựng tập hợp các dấu hiệu nhận biết trạng thái của kết cấu

Thống kê các dữ liệu về hư hỏng và khuyết tật trên một loạt cầu

Nhận biết trạng thái của cầu theo quan điểm thống kê

Đánh giá chất lượng cơng trình

-42-

2.2.3 Giải bài tốn chẩn đốn, đánh giá cầu BTCT 2.2.3.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống 2.2.3.1 Theo quan điểm nhận dạng cơ học hệ thống

Việc thiết lập mơ hình thực trạng của kết cấu từ các số liệu khảo sát, đo đạc, hồ sơ thiết kế, hồn cơng chính là vấn đề nhận dạng hệ thống (system identification). Lý thuyết nhận dạng hệ thống đã được phát triển từ lâu, xuất phát từ các bài tốn điều khiển và mơ phỏng, nhưng trong cơ học thì nó mới chỉ được quan tâm gần đây. Đối với kết cấu cơng trình, hiện nay vẫn là những bước đầu tiên và tập trung vào hướng nghiên cứu gọi là nhận dạng kết cấu.

a. Nội dung bài toán nhận dạng kết cấu

- Tiến hành lựa chọn, xây dựng một tập các mơ hình dự trữ (cơ sở dữ liệu) dựa vào những kiến thức đã biết trong mơ hình hố.

- Lựa chọn các đặc trưng và tiến hành tính tốn, đo đạc các ứng xử (phản ứng) của kết cấu thực.

- Trên cơ sở số liệu thu thập, đo đạc tiến hành so sánh và lựa chọn trong tập các mơ hình dự trữ một mơ hình phù hợp nhất theo một tiêu chuẩn đánh giá sự phù hợp nào đó.

Về mặt toán học, bài toán nhận dạng là bài tốn xây dựng lại mơ hình dựa trên phản ứng và lực tác dụng của hệ cơ học:

L{U} = P (10) trong đó L là đặc trưng của hệ thống hay kết cấu,

P là tải trọng hay tác động ngoài,

U là biến trạng thái (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, ...) Bài toán thuận (bài toán cơ bản): cho P và L, tìm U

Bài tốn ngược có hai dạng:

- Dạng truyền thống là biết U và L, tìm P - Dạng thứ hai là biết P và U cần xác định L

Dạng thứ 2 của bài tốn ngược chính là bài tốn nhận dạng hệ cơ học. Thực tế ta thường gặp bài toán ngược "một phần" tức là cho một phần U (vì khơng thể đo đủ), một phần L (vì đã xác định được một phần các tham số), P coi như đã biết (tạo ra).

-43-

b. Đặc điểm của bài toán nhận dạng kết cấu

- Thiếu thông tin, đặc biệt là số liệu đo đạc. Số lượng các đặc trưng đo được thường là rất nhỏ so với yêu cầu. Số lượng các tham số hư hỏng có thể là rất lớn vì hư hỏng cịn chưa biết ở đâu, loại gì và mức độ ra sao. Điều này dẫn đến bài tốn kỳ dị có thể có nghiệm hoặc nghiệm khơng duy nhất (đa trị). Ngồi ra, khơng phải bao giờ cũng có đủ các hồ sơ thiết kế, thi cơng, hồn cơng và các lần sửa chữa.

Các thơng tin có được mà khơng hồn tồn chính xác vì thơng tin bao gồm cả các sai số đo đạc và các nhiễu khác không thể tránh được. Các nhiễu này đôi khi làm thay đổi cả các thơng tin có được. Khi đó bài tốn sẽ dẫn đến những lời giải khơng có thật hay khơng có lời giải (nghiệm khơng ổn định theo các thơng số đo đạc).

- Nghiệm tìm được (nếu có) phụ thuộc vào tiêu chuẩn lựa chọn, đánh giá. Điều đó dẫn đến bài tốn phải xây dựng được tiêu chuẩn nào mang tính tổng quát nhất nhưng phải dưa đến quá trình tìm nghiệm đơn giản nhất. Tiêu chuẩn về sự phù hợp không cố định mà phụ thuộc vào yêu cầu và cơng cụ tốn học cho phép.

Sau khi có được mơ hình thực trạng kết cấu, việc đánh giá trạng thái kỹ thuật được tiến hành bằng các phương pháp phân tích kết cấu thơng thường như đánh giá độ bền, ổn định, tuổi thọ cịn lại, độ tin cậy... Việc chẩn đốn hư hỏng là việc so sánh mơ hình thực trạng với một mơ hình nào đó dược chọn làm gốc. Sự thay đổi của mơ hình so với gốc chính là hư hỏng.

c. Khảo sát và đo đạc:

Việc khảo sát và đo đạc các thơng số ở cầu có thể phân làm hai dạng: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp.

Phương pháp trực tiếp: là thu thập các dữ liệu về cầu thông qua khảo sát trực tiếp ở các bộ phận kết cấu. Việc khảo sát này có thể 1à quan sát bằng mắt, sử dụng các thiết bị đo đạc, thí nghiệm (phá huỷ hoặc không phá huỷ để đánh giá tình trạng của kết cấu).

Phương pháp gián tiếp: thu thập số liệu về đáp ứng của cầu dưới các tác động từ bên ngoài. Trong phương pháp này số liệu có thể được thu thập thơng qua thử tải tĩnh hay thử nghiệm động.

-44-

Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và tùy từng trường hợp cụ thể áp dụng cho từng cầu hoặc có thể kết hợp cả hai phương pháp trên. Phương pháp trực tiếp có ưu điểm cung cấp được số liệu tương đối chính xác, có thể tiến hành chủ động, ít tốn kém. Tuy vậy phương pháp này có nhược điểm là có thể có những hư hỏng ẩn khuất không được phát hiện, nhất là ở những bộ phận kết cấu không tiếp cận được hoặc khơng nhìn thấy được.

Phương pháp gián tiếp khắc phục được nhược điểm của phương pháp trực tiếp và có thể tận dụng được những mặt mạnh của tin học và kỹ thuật. Nhưng nó có nhược điểm là sai số của đo đạc, tính tốn xử lý lớn hơn so với phương pháp trực tiếp.

d. Các phương pháp mơ hình hố

Mơ hình hố kết cấu cầu là bước rất quan trọng trong chẩn đốn cầu. Mơ hình hố có hai dạng là mơ hình ngun vẹn (lý tưởng) của kết cấu và mơ hình khơng ngun vẹn của kết cấu.

* Mơ hình ngun vẹn của kết cấu

- Mơ hình kết cấu liên tục (hệ vơ hạn bậc tư do)

Trong mơ hình này, kết cấu được mơ tả như hệ đàn hồi chịu dao động có vơ hạn bậc tự do thể hiện bằng các phương trình đạo hàm riêng. Mặc dù việc giải phương trình cịn khó khăn nhưng việc nghiên cứu trên các kết cấu đơn giản cũng cho ta những thông tin cần thiết khi xem xét các kết cấu phức tạp.

- Mơ hình kết cấu rời rạc (hệ hữu hạn bậc tự do)

Mơ hình được dùng phổ biến hiện nay là mơ hình phần tử hữu hạn.Trong mơ hình này kết cấu liên tục được coi là một tập hợp nhiều phần tử nhỏ hơn, có số lượng và kích thước hữu hạn thơng qua các nút.

Phương trình chuyển vị của kết cấu có dạng:

KU = F (11) Phương trình dao động của kết cấu:

U M .. + CU . + KU = F(t) (12) Với: U là véc tơ chuyển vị nút; M là ma trận khối lượng; K là ma trận độ cứng; C là ma trận hệ số cản; F(t) là véc tơ lực ngoài đã đưa về nút

-45-

Khi xây dựng các phần tử dầm, giàn, các mơ hình trên đều giả thiết:

- Thanh làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính, đẳng hướng, các tham số của thanh khơng đổi theo tồn bộ chiều dài thanh.

- Các liên kết đầu các phần tử dầm được coi là liên kết cứng và gắn vào các nút trên lưới phần tử hữu hạn (mơ hình phần tử hữu hạn).

Cả hai mơ hình nói trên đều là dạng mơ hình ngun vẹn (lý tưởng) của kết cấu vì các mơ hình này đều khơng xét đến các hiện tượng trong thanh xuất hiện vết nứt, các khuyết tật do hư hỏng hay suy giảm liên kết ở các mối nối.

* Mơ hình tham số của kết cấu khơng ngun vẹn

- Mơ hình gãy thanh (phần tử khơng tham gia chịu lực).

Lúc này tham số chẩn đốn d chỉ có một và là đại lượng nhận các giá trị nguyên trong tập hợp các số liệu phần tử:

d = {1, 2,..., N} (13) Các ma trận M, K được xây dựng trong từng trường hợp riêng biệt M(d), K(d), d = {1, 2,..., N}, trong đó M(d), K(d) là ma trận khối lượng, độ cứng của kết cấu khơng có phần tử thứ d.

- Mơ hình ăn mịn

Giả thiết q trình ăn mịn xảy ra trên thanh. Chọn tham số diện tích, mơ men qn tính tiết diện d = {Fi} của phần tử là tham số chẩn đốn. Khi đó:

M(d) = M(Fi) (14) K = K(Fi) (15) ta có được quan hệ các đặc trưng động lực học phụ thuộc vào các tham số chẩn đoán d.

- Mơ hình suy giảm độ cứng của mối nối.

Liên kết tại hai đầu thanh được thay thế bằng 6 lò xo với các tham số d, từ đó xây dựng được các ma trận độ cứng, khối lượng phụ thuộc vào các tham số d:

Me = Me(d) (16) Ke = Ke(d) (17)

-46-

Đối với trường hợp cọc, ta có thể lấy tham số chẩn đốn là chiều dài cọc hay độ cứng của liên kết.

e. Xây dựng mơ hình thực trạng của dầm

Xây dựng mơ hình thực trạng của dầm thông qua bản vẽ thiết kế và điều tra hiện trường để xác định các thơng số cần thiết cho phân tích tính tốn dầm. Điều tra hiện trường ở đây được thực hiện bằng mắt, thí nghiệm khơng phá huỷ và đo đạc hiện trường.

- Cần thiết phải xác định loại, vị trí và phạm vi các hư hỏng bằng mắt thường. Các hư hỏng quan sát được bằng mắt thường là vết nứt, bong bật mất tiết diện.

- Đo đạc xác định kích thước hình học, cường độ vật liệu và mơ đun đàn hồi vật liệu, diện tích cốt thép chịu lực cịn lại (đánh giá mức độ suy giảm tiết diện cốt thép do ăn mòn và gỉ), vị trí và phạm vi hư hỏng, biến dạng hiện thời của dầm và độ rộng vết nứt.

- Thí nghiệm khơng phá huỷ xác định cường độ bê tông, mức độ gỉ của thép (tỷ lệ % suy giảm diện tích cốt thép do gỉ).

f. Phƣơng pháp tính tốn sự làm việc của dầm BTCT đang khai thác

Ngun lý chung của tính tốn sự làm việc của dầm BTCT đang khai thác là dựa vào quy trình thiết kế với các thơng số kết cấu của mơ hình thực trạng(căn cứ vào thực tế dầm đang khai thác) và theo các trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn kiểm tra gần trạng thái giới hạn cường độ (kiểm tra khả năng chịu lực của mặt cắt, trạng thái giới hạn phục vụ, tính tốn kiểm tra giới hạn về biến dạng của dầm và độ mở rộng của vết nứt), ngồi ra cịn có trạng thái giới hạn về giới hạn mỏi và trạng thái giới hạn cực hạn. Tuỳ theo u cầu mà bài tốn tính tốn sự làm việc của dầm BTCT đang khai thác có thể dùng một số trạng thái giới hạn hay tất cả các trạng thái giới hạn trên. Sau khi có kết quả kiểm tra chi tiết cầu, kiểm toán đánh giá hiện trạng cầu theo điều kiện: Smax < [S]gh , trong đó Smax mơ tả giá trị lớn nhất của tải trọng và các yếu tố

khác như nhiệt độ, co ngót. [S]gh khả năng của kết cấu, mặt cắt hoặc bộ phận kết cấu.

Tùy thuộc vào đặc điểm chịu lực và đặc điểm kết cấu có trường hợp điều kiện trên

-47-

được thể hiện như sau: Sht < [S]ht

gh, với Sht tác động của hoạt tải lên kết cấu, [S]ht gh

khả năng tiếp nhận hoạt tải tối đa của kết cấu.

Về triết lý an toàn vận dụng trong các quy định của quy trình thiết kế có các mức độ phát triển của các nghiên cứu, lý luận. Trong quy định thiết kế cầu BTCT hiện nay được phát triển theo 3 mức độ về triết lý an tồn phân tích và thiết kế:

- Tính tốn theo ứng suất cho phép: Các mục kiểm tra với ứng suất cho phép bằng cách đưa vào hệ số an toàn (n > 1) vào cường độ làm việc của vật liệu. Ví dụ: kiểm tra theo ứng suất cho phép:

tt < []

với [] = Rf/n là ứng suất cho phép của vật liệu; Rf là cường độ của vật liệu; n là hệ số an toàn (được xác định theo phương pháp thống kê).

- Tính tốn theo hệ số tải trọng: Ngoài việc đưa hệ số an toàn vào cường độ vật liệu người ta còn đưa vào hệ số tải trọng để tăng ảnh hưởng của tác động. Như vậy, phương pháp thiết kế này cho độ tin cậy cao hơn và dễ kiểm soát hơn so với phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép. Đây là phương pháp được sử dụng chính cho các quy trình thiết kế hiện nay. Cơng thức tính tốn:

c.tt < Rf/n trong đó: c là hệ số tải trọng (c > 1); n là hệ số an toàn;

c và n được xác định theo xác xuất thống kê,

c phụ thuộc vào sự biến động của tác động bên ngồi, để có thể tổ hợp các tác động