Chương mở đầu : Giới thiệu tổng quan
1.2. Các phương pháp thu thập thông tin về cầu bê tông cốt thép đang khai thác
1.2.5.3 Đo đạc trong thời gian dài
Tại các nước phát triển, đôi khi người ta cũng sử dụng phương pháp đo đạc trong thời gian dài. Các trang thiết bị đo đạc được sắp đặt và bảo quản tại cơng trình, các số liệu được ghi vào một thiết bị lưu trữ. Thiết bị sử dụng thường gồm các thiết bị đo đếm hoạt tải xe qua cầu và các thiết bị đo hiệu ứng của kết cấu như biến dạng, chuyển vị và các đặc trưng dao động. Xử lý các số liệu trên sẽ có được phổ tải trọng, và các phổ về các hiệu ứng tải. Đây là phương pháp cho bức tranh khá đầy đủ về tác động và hiệu ứng kết cấu nhưng chi phí lớn và thường chỉ áp dụng cho những mục đích nghiên cứu.
1.2.6 Trang thiết bị đƣợc sử dụng
Mỗi một phương pháp kiểm tra địi hỏi có các trang thiết bị riêng. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác, hiện nay các trang thiết bị kiểm tra có tính năng và độ chính xác rất cao:
-32-
- Các thiết bị đo độ cứng bề mặt của hãng Schmidt (Digi - Schmidt 2). - Các thiết bị chuyên dùng siêu âm bê tông (Pundit, BT-12, Tico...). - Các thiết bị phân tích ăn mịn, rỉ (Canin, Resistivity Meter Resi...).
- Các thiết bị xác định vị trí cốt thép (Micro Covermeter 700-MC-87, Micro Covermeter 700-MC-94-5, Profometter 4...).
- Các thiết bị đo biến dạng kéo bê tông bề mặt hoặc của lớp phủ (Dyna Z, Dyna Ze...).
- Các thiết bị kiểm tra và theo dõi vết nứt (Demec Gauge, Demec Studc...).
- Các trang thiết bị đo đạc thử tải: (Máy đo biến dạng Digital Strainmeter DMD 20A)
- Các thiết bị đo biến dạng cơ học (MK3, KK100...) - Các thiết bị đo võng, maximop có độ dịch chuyển lớn. - Thủy bình đo phối hợp Ni-003...
- Kính lúp có độ phóng đại từ 20 lần trở lên. - Máy đo dao động.
-33-
Chƣơng 2
PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ SUY GIẢM CHẤT LƢỢNG DẦM CẦU BTCT ĐANG KHAI THÁC
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Để đánh giá tình trạng kỹ thuật của dầm cầu BTCT đang khai thác, ta phải xây dựng bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với dầm cầu dựa trên cơ sở các số liệu thông tin thu được.
Khái niệm chẩn đốn cơng trình (Diagnosic) là nhận biết, xác định tình trạng của cơng trình dựa trên cơ sở xem xét các triệu chứng. Q trình chẩn đốn cơng trình là quá trình xác định trạng thái của hệ thống kỹ thuật. Chẩn đoán kỹ thuật là khoa học về sự nhận thức dự báo trạng thái của hệ kỹ thuật. Dựa trên các kết quả khảo sát, đo đạc và xử lý số liệu để đưa ra các dự đoán về nguyên nhân, mức độ hư hỏng của cơng trình, để đảm bảo an tồn cho cơng trình trong q trình khai thác, tránh hậu quả nguy hiểm.
Mục tiêu của chẩn đoán kỹ thuật là nghiên cứu các phương pháp nhận và đánh giá thơng tin chẩn đốn, mơ hình chẩn đốn và thuật tốn giải. Nâng cao độ tin cậy và độ dự trữ của hệ kỹ thuật là mục tiêu của chẩn đoán kỹ thuật.
Cuộc đời của cơng trình xây dựng trải qua các giai đoạn sau:
+ Lập dự án khả thi (Lập luận chứng kinh tế, kỹ thuật): đây là giai đoạn lập hồ sơ để xem xét tính cần thiết, quy mơ của cơng trình, các điều kiện về tự nhiên, xã hội, đề xuất các giải pháp kết cấu, cơng nghệ và dự trù kinh phí xây dựng.
Lập dự án khả thi Thiết kế cơng trình Xây dựng cơng trình Khai thác sử dụng Thẩm định thiết kế Giám sát chất lượng thi công Kiểm tra, đánh giá trạng thái ban đầu Kiểm định và đánh giá
-34-
+ Thiết kế: là giai đoạn chuẩn bị xây dựng, lập hồ sơ dự toán, thiết kế chi tiết trên cơ sở các số liệu khảo sát địa chất, địa hình…
+ Thẩm định: kiểm tra xem thiết kế có đáp ứng được u cầu đặt ra khơng, có phù hợp với các điều kiện tự nhiên, xã hội, kinh tế hay khơng.
+ Xây dựng cơng trình: là giai đoạn thực hiện xây dựng, thi công theo hồ sơ thiết kế đã lập.
+ Giám sát chất lượng thi cơng: địi hỏi giám sát về vật liệu, thiết bị, nhân cơng, khối lượng và việc thi cơng có tn thủ đúng như thiết kế đã đưa ra không.
+ Kiểm tra, đánh giá, kết luận về trạng thái ban đầu của đối tượng: kiểm tra xem xét cơng trình được xây dựng có đúng thiết kế hay khơng. Có khả năng làm việc hiệu quả, an tồn khơng. Giai đoạn này phải dùng đến thiết bị, cơng cụ tính tốn.
+ Kiểm định và đánh giá: Phát hiện các thay đổi của cơng trình xây dựng. Trong quá trình khai thác có thể có các thay đổi về vật liệu, kết cấu, về cả tải trọng và tác động làm cơng trình bị giảm hiệu quả sử dụng hoặc xảy ra sự cố, giảm tuổi thọ, do đó phải có cơng việc kiểm tra, đánh giá.
2.1.1 Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật đối với cơng trình xây dựng
Bài tốn cơ bản của chẩn đốn cơng trình là sự nhận biết về trạng thái kỹ thuật của hệ trong điều kiện thông tin hạn chế. Nhận biết trạng thái của hệ là mang trạng thái của hệ tới một trong các lớp khả năng.
Nội dung cơ bản của bài toán chẩn đoán kỹ thuật gồm những bước sau: * Xây dựng không gian trạng thái của đối tượng kỹ thuật {D}. * Xác định dấu hiệu chẩn đoán.
* Tiêu chuẩn nhận dạng. 2.1.2 Quy trình chẩn đốn kỹ thuật: Thu thập thơng tin Chẩn đốn kỹ thuật
Xây dựng mơ hình cơ học hệ thống (Nhận dạng hệ cơ học)
Nhận thức trạng thái của hệ trên cơ sở
thống kê
Mơ hình tĩnh
Nhận biết trạng thái kỹ thuật Mơ hình động
-35-
Mơ hình tĩnh: thu thập số liệu thể hiện sự phản ứng của cơng trình trước tác động của tải trọng cố định khơng thay đổi theo thời gian.
Mơ hình động: thu thập số liệu thể hiện sự phản ứng của cơng trình trước tác động của tải trọng biến đổi theo thời gian.
2.1.3 Phƣơng pháp đánh giá sự suy giảm chất lƣợng cơng trình cầu
Để nhận biết, đánh giá được trạng thái kỹ thuật của cầu người ta đưa ra 2 phương pháp đánh giá sau:
a) Phương pháp thống kê: xử lý dấu hiệu chẩn đoán trên cơ sở thống kê dữ liệu về hư hỏng và khuyết tật, từ đó xác định được trạng thái khuyết tật của cầu
b) Phương pháp cơ học: xác định mơ hình cơ học hệ thống trên cơ sở xây dựng không gian trạng thái của đối tượng và xác định dấu hiệu chẩn đoán.
2.1.3.1 Phƣơng pháp thống kê:
a) Xây dựng không gian trạng thái của đối tượng:
Xác định các trạng thái có thể của đối tượng (tập hợp các trạng thái) gọi là D
D = {D1, D2, ..., Dn} (1) Một cơng trình xây dựng có nhiều trạng thái kỹ thuật (tốt, khá, trung bình, kém...), gọi các trạng thái này là D1, D2, ..., Dn.
b) Xác định dấu hiệu chẩn đoán:
Tập hợp các dấu hiệu:
Z = {Z1, Z2, ..., Zm} (2) Các trạng thái này được biểu hiện qua các dấu hiệu như cường độ vật liệu, độ đồng nhất của bê tông, biến dạng của mặt cắt... được ký hiệu {Z1, Z2, ..., Zm}.
Một thể hiện của dấu hiệu thu thập được:
Z* = {Z*1, Z*2, ..., Z*m} (3) Mỗi dấu hiệu có thể có các cấp độ khác nhau, ví dụ như cường độ của vật liệu có các cấp độ kém, trung bình, đạt, cao...
c) Tiêu chuẩn nhận dạng
-36-
Xác định đối tượng đang ở trạng thái nào:
Dj = {Zj1, Zj2, ..., Zjm} = Zj với j = 1,2, ..., n. (4) Một trạng thái của công trình gắn với một tập hợp các dấu hiệu biểu hiện.
Nếu biểu hiện của D trong dấu hiệu Z sao cho:
J = m s js j z z 1 2 * ) ( min = (5)
Thì D là trạng thái của đối tượng.
2.1.3.2 Phƣơng pháp cơ học:
a) Xây dựng không gian trạng thái:
(1a) Hồ sơ:
(1a) Hồ sơ
(2a)
Xây dựng mơ hình trong khơng gian trạng thái
(3a) Phân tích tính tốn
(4a)
Cơ sở dữ liệu chẩn đoán
(1b) Khảo sát đo đạc (2b) Thu thập thông tin chẩn đốn (3b) Xử lý thơng tin (4b)
Các dấu hiệu chẩn đốn (1a) Thơng tin (6a) Hư hỏng (6) Trạng thái kỹ thuật (5) Nhận dạng hệ thống (6b) Khả năng làm việc
-37-
Các hồ sơ được sử dụng để thu thập thông tin: hồ sơ khảo sát, hồ sơ thiết kế, hồ sơ kiểm định trong giai đoạn thi công hoặc chế tạo lắp đặt, hồ sơ trong giai đoạn khai thác sử dụng như: hồ sơ các lần kiểm tra định kỳ, các lần sửa chữa, các sự cố... Từ đó xác định các khả năng hư hỏng, các sự cố có thể xảy ra để phục vụ cho việc xây dựng mơ hình trạng thái của đối tượng kỹ thuật.
(2a) Xây dựng mơ hình trong khơng gian trạng thái
Tập tham số trạng thái
d = {d1, d2,..., dn} (6) Mỗi giá trị cụ thể d* ứng với trạng thái nào đó của d, ví dụ d0 (trạng thái gốc)
Xây dựng các mơ hình tham số của kết cấu:
{M(d), C(d), K(d)} (7) Với d là tham số chẩn đoán. Các tham số này được chọn tuỳ ý phụ thuộc vào việc mơ hình hố. Chúng có thể là các tham số mơ hình như kích thước hình học, tính chất vật liệu, các đặc trưng số của các hư hỏng như vết nút (số lượng, vị trí, độ sâu,...),độ cứng của phần tử,... Thông thường chọn d sao cho khi d = 0 ứng với trạng thái gốc của kết cấu (trạng thái nguyên vẹn).
(3a) Phân tích tính tốn
Tính tốn, phân tích để xây dựng mối liên hệ giữa các trạng thái có thể với véc tơ dấu hiệu:
z(d) = {zl(d), z2(d), ... , zm(d) } (8)
(4a) Cơ sở dữ liệu của chẩn đoán
Kết quả của việc phân tích tính tốn cho ta những biểu hiện của các trạng thái có thể ở véc tơ dấu hiệu đã chọn. Tổ hợp những biểu hiện đó là cơ sở dữ liệu của chẩn đoán kỹ thuật.
b) Xác định dấu hiệu chẩn đoán
(1b) Khảo sát đo đạc tại hiện trường
Thu thập các thông tin trên đối tượng kỹ thuật đang tồn tại. Cơng việc này địi hỏi phải có các máy móc thiết bị.
-38-
(2b) Thu thập thơng tin chẩn đốn
Là các thơng tin về đối tượng kỹ thuật thu nhận được bằng việc khảo sát đo đạc hiện trường. Thơng tin chẩn đốn được chọn phải thoả mãn các yêu cầu: Có thể đo đạc được bằng thiết bị. Phải là những thơng tin về các dấu hiệu chẩn đốn có liên hệ với trạng thái của đối tượng. Cho phép ta xác định được dấu hiệu chẩn đoán.
(3b) Xử lý thơng tin chẩn đốn:
Xác định dấu hiệu chẩn đoán:
z* = {zl*,z2*,... , zm*} (9)
c) Mơ hình thực trạng kết cấu và lý thuyết nhận dạng
Để có thể phân tích, đánh giá và đưa ra những kết luận về trạng thái kỹ thuật của đối tượng thì phải có một mơ hình thực trạng kết cấu, nó phản ánh sự làm việc thực tế, sự thay đổi của kết cấu một cách đầy đủ hơn cùng với sự xuất hiện của các hư hỏng. 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 toán 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.
2.1.4 Các mức độ của việc chẩn đốn đánh giá cầu
Có nhiều phương pháp chẩn đoán đánh giá cầu tùy thuộc vào dạng thử nghiệm và dạng dữ liệu thu được. Việc chẩn đoán cũng tuỳ theo yêu cầu của cơng tác quản lý cầu mà có những mức độ khác nhau. Nói chung có thể chia thành các mức độ khác nhau như sau:
Xác nhận kết cấu đã bị hư hỏng hay chưa.
- Nếu kết cấu đã bị hư hỏng thì tìm các vị trí hư hỏng. - Biết vị trí hư hỏng, tiến hành đánh giá mức độ hư hỏng. - Biết mức độ hư hỏng, đánh giá khả năng chịu tải của cầu.
Dù bài toán chẩn đốn được giải quyết đến mức độ nào thì cũng đều có ý nghĩa thiết thực và phục vụ cho công tác quản lý cầu. Để giải trọn vẹn bài toán đánh giá cầu,
-39-
trước hết kết cấu phải được mơ hình hố và tính tốn các phản ứng lý thuyết của nó dưới tác động của bên ngoài. Trong khảo sát đo đạc ở hiện trường các số liệu thực tế sẽ được đo và so sánh với số liệu lý thuyết theo quan điểm số liệu đo đạc là chân lý. Như vậy mô hình tính tốn lý thuyết sẽ được điều chỉnh theo các số liệu đo đạc khảo sát để phản ánh thực trạng về cầu. Sau đó việc tính tốn khả năng chịu lực của cầu được tiến hành trên mơ hình đã hồn thiện này, trên cơ sở đó đưa ra các khuyến nghị khai thác cầu.
2.1.5 Ƣu nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp chẩn đoán cầu
Việc chẩn đoán kỹ thuật cầu theo phương pháp nhận dạng cơ học hệ thống có ưu điểm là có thể đánh giá tình trạng kỹ thuật của cầu một cách tương đối về mặt định tính và định lượng. Tuy vậy phương pháp này có một số tồn tại:
- Việc thu thập thông tin qua thử tải trọng tại hiện trường rất tốn kém và nhiều khi khơng chính xác do nhiều ngun nhân như số lượng, vị trí điểm đo, sai số đo đạc. - Chưa xác định được sự diễn biến của các nguyên nhân, dự báo sự phát triển trong tương lai.
- Không tận dụng được các kết quả chẩn đoán kỹ thuật của các cầu cùng hệ thống. Hiện nay việc áp dụng các phương pháp thử tải trọng ở nhiều nước phát triển đã không sử dụng tại hiện trường, nó thường chỉ được áp dụng trong các phịng thí nghiệm hoặc có tính chất nghiên cứu bổ sung cho lý thuyết.
Chẩn đoán cầu theo phương pháp thống kê khắc phục được những nhược điểm nói trên của phương pháp nhận dạng cơ học, rất thích hợp đối với các đơn vị có chức năng kiểm tra, quản lý cầu, nó có thể cho kết quả chẩn đoán sau mỗi lần kiểm tra tổng quát hoặc kiểm tra chi tiết. Hơn nữa, với những cơng trình đặc biệt cần thử tải trọng, thì những thơng tin thu thập được trong các lần thử tải cũng có thể sử dụng được khi đưa vào ma trận chẩn đoán và dùng cho các lần chẩn đoán sau này.
Với kết cấu cầu BTCT, để chẩn đoán theo phương pháp này cần xây dựng tập hợp các dấu hiệu nhận biết trạng thái của kết cấu. Thống kê các dấu hiệu trên một loạt cầu thực tế. Để chẩn đoán kỹ thuật của một cầu nào đó ta phải thu thập các dấu hiệu biểu hiện của kết cấu đó trong thực tế. Sau đó bằng các phương pháp giải thống kê đưa trạng thái của cầu cần chẩn đoán đến với một trong các lớp khả năng đã được xây dựng.
-40-
2.2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CẦU BTCT 2.2.1. Mục tiêu của bài toán 2.2.1. Mục tiêu của bài toán
Bài toán chẩn đoán kỹ thuật đối với kết cấu cầu là bài toán 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