Thu thập thông tin Chẩn đoán kỹ thuật
Xây dựng mô hình cơ học hệ thống (Nhận dạng hệ cơ học)
Nhận thức trạng thái của hệ trên cơ sở
thống kê
Mô hình tĩnh
Nhận biết trạng thái kỹ thuật Mô hình động
-35-
Mô hình tĩnh: thu thập số liệu thể hiện sự phản ứng của công trình trước tác động của tải trọng cố định không thay đổi theo thời gian.
Mô hình động: thu thập số liệu thể hiện sự phản ứng của công trình trước tác động của tải trọng biến đổi theo thời gian.
2.1.3 Phƣơng pháp đánh giá sự suy giảm chất lƣợng công 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 mô 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 công 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...
-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: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(1a) Hồ sơ
(2a)
Xây dựng mô hình trong không gian trạng thái
(3a) Phân tích tính toán
(4a)
Cơ sở dữ liệu chẩn đoán
(1b) Khảo sát đo đạc (2b) Thu thập thông tin chẩn đoán (3b) Xử lý thông tin (4b)
Các dấu hiệu chẩn đoán
(1a) Thông 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 mô hình trạng thái của đối tượng kỹ thuật.
(2a) Xây dựng mô hình trong không 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 mô 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 mô hình hoá. Chúng có thể là các tham số mô 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 toán
Tính toán, 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 toán 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. Công việc này đòi hỏi phải có các máy móc thiết bị.
-38-
(2b) Thu thập thông tin chẩn đoán
Là các thông tin về đối tượng kỹ thuật thu nhận được bằng việc khảo sát đo đạc hiện trường. Thông tin chẩn đoán được chọn phải thoả mãn các yêu cầu: Có thể đo đạc được bằng thiết bị. Phải là những thông tin về các dấu hiệu chẩn đoán có liên hệ với trạng thái của đối tượng. Cho phép ta xác định được dấu hiệu chẩn đoán.
(3b) Xử lý thông tin chẩn đoán:
Xác định dấu hiệu chẩn đoán:
z* = {zl*,z2*,... , zm*} (9) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c) Mô 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 mô 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 mô hình thực trạng của kết cấu từ các số liệu khảo sát, đo đạc, hồ sơ thiết kế, hoàn công 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 mô phỏng, nhưng trong cơ học thì nó mới chỉ được quan tâm gần đây. Đối với kết cấu công 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 đoán 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 công 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 đoán 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 mô hình hoá và tính toán 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 toán 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 toán khả năng chịu lực của cầu được tiến hành trên mô hình đã hoàn 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 không chính xác do nhiều nguyên 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 phòng 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 công trình đặc biệt cần thử tải trọng, thì những thông 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 công trình, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp sửa chữa, khôi phục hay đưa ra chế độ khai thác phù hợp.
Để giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công 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 môi trường bên ngoài.
* Mô hình toán học của công trình.
* Phương pháp tìm kiếm, chẩn đoán, đánh giá hư hỏng của cầu và xây dựng mô 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 toán chẩn đoán kỹ thuật cho cầu như ở sơ đồ dưới đây:
Xây dựng mô hình lý thuyết của kết cấu
Các đặc trưng lý thuyết tính toán trên mô 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 toán lý thuyết để chẩn đoán hư hỏng,
mức độ, vị trí hư hỏng
Xây dựng mô hình hiện trạng của công trình (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-41-
Cơ sở của chẩn đoán kỹ thuật đối với kết cấu cầu dựa trên các số liệu sau: * Hồ sơ thiết kế, hồ sơ hoàn công 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 toán chẩn đoán cầu cũng chính là bài toán ngược: nhận dạng cơ học. Đây là bài toán có thông tin không 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 (không thể có đầy đủ các thông số về sự đáp ứng của cầu). Vì vậy việc giải bài toán này là rất khó khăn và thường dẫn tới kết quả đa trị. Đã có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được tiến hành. Tuy vậy đến nay vẫn chưa có thuật toán 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 toán chẩn đoán kỹ thuật công 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 môi trường bên ngoài.
- 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
-42-
2.2.3 Giải bài toán chẩn đoán, 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 mô hình thực trạng của kết cấu từ các số liệu khảo sát, đo đạc, hồ sơ thiết kế, hoàn công 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 mô phỏng, nhưng trong cơ học thì nó mới chỉ được quan tâm gần đây. Đối với kết cấu công 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 mô hình dự trữ (cơ sở dữ liệu) dựa vào những kiến thức đã biết trong mô hình hoá.
- Lựa chọn các đặc trưng và tiến hành tính toán, 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 mô hình dự trữ một mô 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 toán xây dựng lại mô 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 toán 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 toán ngược chính là bài toán nhận dạng hệ cơ học. Thực tế ta thường gặp bài toán ngược "một phần" tức là cho một phần U (vì không thể đo đủ), một phần L (vì đã xác định được một phần các tham số), P coi như đã biết (tạo ra).
-43- (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 còn chưa biết ở đâu, loại gì và mức độ ra sao. Điều này dẫn đến bài toán kỳ dị có thể có nghiệm hoặc nghiệm không duy nhất (đa trị). Ngoài ra, không phải bao giờ cũng có đủ các hồ sơ thiết kế, thi công, hoàn công và các lần sửa chữa.
Các thông tin có được mà không hoàn toàn chính xác vì thông 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 thông tin có được. Khi đó bài toán sẽ dẫn đến những lời giải không có thật