Luận Văn Thạc Sĩ Về Chẩn Đoán Hư Hỏng Trong Dầm Bê Tông Cốt Thép Có Gia Cường Tấm FRP

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng chẩn đoán hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm frp sử dụng các đặc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Trần Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: PGS. Hồ Đức Duy
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Chẩn Đoán Hư Hỏng Trong Dầm Bê Tông Cốt Thép Có Gia Cường Tấm FRP Sử Dụng Các Đặc Trưng Dao Động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước
• 2.2. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CHẨN ĐOÁN SỨC KHỎE KẾT CẤU (SHM)
• 3.1. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên sự thay đổi tần số
• 3.1.1. Giới thiệu phương pháp
• 3.1.2. Công thức đánh giá
• 3.2. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên thay đổi dạng dao động
• 3.2.1. Giới thiệu phương pháp
• 3.2.2. Công thức đánh giá
• 3.3. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa vào năng lượng biến dạng
• 3.3.1. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dầm dựa vào năng lượng biến dạng
• 3.3.2. Các bước tính toán của phương pháp năng lượng biến dạng
• 3.4. Phương pháp đánh giá độ chính xác chẩn đoán
• 3.4.1. Ngưỡng hư hỏng
• 3.4.2. Chỉ số đánh giá độ chính xác
• 3.5. Mô hình phần tử hữu hạn
• 3.5.1. Phần tử bê tông
• 3.5.2. Phần tử cốt thép
• 3.5.3. Phần tử FRP, keo Epoxy và đệm thép
• 3.5.4. Liên kết giữa các thành phần
• 3.5.5. Phương pháp phân tích
• 4. CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN KHẢO SÁT
• 4.1. Số liệu dầm BTCT có gia cường tấm FRP
• 4.2. Thông số vật liệu
• 4.2.1. Vật liệu bê tông
• 4.2.2. Vật liệu thép
• 4.2.3. Vật liệu FRP
• 4.2.4. Vật liệu keo Epoxy
• 4.3. Mô phỏng số dầm BTCT có gia cường tấm FRP
• 4.3.1. Mô hình và chia lưới phần tử
• 4.3.2. Điều kiện biên và tải trọng
• 4.4. Kết quả bài toán gia tải dầm BTCT gia cường FRP
• 4.4.1. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên sự thay đổi tần số
• 4.4.2. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên sự thay đổi dạng dao động
• 4.4.3. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên năng lượng biến dạng
• 4.7. Bài toán mở rộng
• 4.7.2. Quy trình đề xuất phân loại hư hỏng
• 4.7.3. Kết quả bài toán mở rộng
• 4.8. Phân tích và đánh giá kết quả
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Chẩn đoán hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép (BTCT) có gia cường tấm FRP là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Việc theo dõi và chẩn đoán hư hỏng giúp đảm bảo an toàn cho công trình và tối ưu hóa quy trình bảo trì. Các yếu tố như môi trường, tải trọng và sự lão hóa vật liệu ảnh hưởng đến sức khỏe của công trình. Do đó, việc phát hiện sớm các hư hỏng là cần thiết để có biện pháp sửa chữa kịp thời. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng các đặc trưng dao động để chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc đánh giá tình trạng công trình.

1.1. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn

Việc chẩn đoán hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP không chỉ giúp phát hiện hư hỏng mà còn cung cấp thông tin quan trọng để đưa ra các biện pháp khắc phục. Theo các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng các phương pháp như thay đổi tần số dao động và năng lượng biến dạng đã cho thấy hiệu quả trong việc xác định vị trí và mức độ hư hỏng. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng việc sử dụng các đặc trưng dao động giúp cải thiện độ chính xác trong chẩn đoán, từ đó tăng cường an toàn cho công trình và giảm thiểu rủi ro cho người sử dụng.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp mô phỏng số để phân tích ứng xử của dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Sử dụng phần mềm ANSYS APDL, mô hình dầm được xây dựng và kiểm chứng với kết quả thực nghiệm. Các phương pháp chẩn đoán hư hỏng được áp dụng bao gồm: thay đổi tần số dao động, thay đổi dạng dao động và năng lượng biến dạng. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, giúp phát hiện và phân biệt các loại hư hỏng khác nhau như nứt bê tông và tách lớp FRP. Đặc biệt, việc đánh giá độ chính xác của các phương pháp này được thực hiện thông qua các chỉ số cụ thể, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho việc áp dụng trong thực tế.

2.1. Mô hình phần tử hữu hạn

Mô hình phần tử hữu hạn là một công cụ quan trọng trong việc phân tích ứng xử của dầm BTCT. Phần tử bê tông, cốt thép và tấm FRP được mô phỏng một cách chi tiết để đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Các điều kiện biên và tải trọng được thiết lập theo các kịch bản thực tế, từ đó thu thập các đặc trưng dao động của dầm. Quá trình này không chỉ giúp xác định các thông số kỹ thuật mà còn tạo cơ sở cho việc chẩn đoán hư hỏng. Kết quả từ mô hình phần tử hữu hạn sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để kiểm chứng tính chính xác của mô hình.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy các phương pháp chẩn đoán dựa trên đặc trưng dao động có độ chính xác cao trong việc phát hiện hư hỏng trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Cụ thể, phương pháp thay đổi tần số dao động và thay đổi dạng dao động đều cho thấy khả năng chẩn đoán tốt trong việc xác định sự tồn tại của hư hỏng. Phương pháp năng lượng biến dạng cũng được chứng minh là có độ chính xác cao trong việc định vị hư hỏng. Các bài toán khảo sát thực tế cho thấy tính khả thi của các phương pháp này trong việc ứng dụng vào thực tế công trình.

3.1. Phân tích kết quả

Phân tích kết quả cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đặc trưng dao động không chỉ giúp phát hiện hư hỏng mà còn cung cấp thông tin chi tiết về vị trí và mức độ hư hỏng. Các chỉ số đánh giá độ chính xác được đề xuất trong nghiên cứu này đã giúp nâng cao tính khả thi của các phương pháp chẩn đoán. Kết quả cho thấy rằng các phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong việc theo dõi và bảo trì các công trình xây dựng, từ đó góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả trong ngành xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành xây dựng, bê tông cốt thép (BTCT) được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Tuy nhiên, các kết cấu BTCT thường chịu tác động của nhiều yếu tố như tải trọng, môi trường, sự lão hóa vật liệu, dẫn đến hiện tượng hư hỏng như nứt bê tông và tách lớp vật liệu gia cường. Đặc biệt, việc gia cố bằng tấm Fiber Reinforced Polymer (FRP) đã trở thành giải pháp phổ biến nhằm tăng cường khả năng chịu lực và kéo dài tuổi thọ kết cấu. Theo ước tính, các hư hỏng nhỏ ban đầu như tách lớp FRP và nứt bê tông rất khó phát hiện bằng mắt thường nhưng có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất chịu lực của kết cấu nếu không được xử lý kịp thời.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng các phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP dựa trên các đặc trưng dao động, bao gồm sự thay đổi tần số dao động, dạng dao động và năng lượng biến dạng. Nghiên cứu tập trung mô phỏng số dầm BTCT gia cường FRP bằng phần mềm ANSYS APDL, kiểm chứng mô hình với kết quả thực nghiệm, thu thập dữ liệu dao động dưới các cấp tải khác nhau và áp dụng các phương pháp chẩn đoán để xác định vị trí và loại hư hỏng (nứt bê tông, tách lớp FRP). Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp chẩn đoán hư hỏng nhanh, chính xác và tiết kiệm chi phí so với các phương pháp truyền thống như cảm biến trở kháng PZT. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả giám sát sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM), giúp phát hiện sớm hư hỏng, từ đó đề xuất các biện pháp sửa chữa kịp thời, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu sử dụng đặc trưng dao động:

1. Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số dao động: Phương pháp này đánh giá mức độ hư hỏng thông qua sự biến đổi phần trăm tần số dao động riêng của kết cấu trước và sau khi bị hư hỏng. Nếu có hư hỏng, tần số dao động sẽ giảm do giảm độ cứng kết cấu.

2. Phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động (Modal Assurance Criterion - MAC): MAC đo lường sự tương đồng giữa dạng dao động của kết cấu không hư hỏng và hư hỏng, với giá trị từ 0 (không tương đồng) đến 1 (hoàn toàn tương đồng). Sự giảm giá trị MAC tại vị trí nhất định cho thấy sự xuất hiện hư hỏng.

3. Phương pháp năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy - MSE): Đây là phương pháp nhạy nhất trong ba phương pháp, dựa trên sự thay đổi năng lượng biến dạng của các phần tử kết cấu trong các dạng dao động. Chỉ số hư hỏng được chuẩn hóa để xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng.

Ngoài ra, luận văn còn đề xuất bộ chỉ số đánh giá độ chính xác chẩn đoán gồm: độ chính xác vùng hư hỏng (A), độ chính xác vùng không hư hỏng (B) và độ chính xác tổng thể (C), giúp đánh giá toàn diện hiệu quả của các phương pháp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô phỏng số dầm BTCT có gia cường tấm FRP bằng phần mềm ANSYS APDL. Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng với các phần tử đặc trưng: SOLID65 cho bê tông, LINK180 cho cốt thép, SOLID185 cho tấm FRP và keo Epoxy. Liên kết hoàn toàn giữa các thành phần được giả định nhằm phản ánh chính xác sự làm việc đồng thời của kết cấu.

Cỡ mẫu mô hình bao gồm dầm BTCT có kích thước và vật liệu tương đương thực tế, được gia tải theo các cấp tải trọng khác nhau để mô phỏng quá trình hình thành và phát triển hư hỏng. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng số với các kịch bản hư hỏng giả định như giảm độ cứng bê tông, tách lớp FRP.

Phân tích dữ liệu sử dụng các thuật toán lập trình MATLAB để xử lý đặc trưng dao động thu thập được, tính toán các chỉ số chẩn đoán và đánh giá độ chính xác. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm các giai đoạn: xây dựng mô hình, kiểm chứng mô hình, thu thập dữ liệu dao động, áp dụng phương pháp chẩn đoán, phân tích kết quả và đề xuất quy trình phân loại hư hỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ tin cậy mô hình mô phỏng: Mô hình dầm BTCT gia cường FRP trong ANSYS APDL cho kết quả tải trọng - chuyển vị tương đồng với kết quả thực nghiệm đã công bố, sai số dưới 5%, chứng minh tính chính xác của mô hình.

2. Hiệu quả phương pháp thay đổi tần số dao động: Phương pháp này phát hiện được sự tồn tại của hư hỏng với độ chính xác khoảng 85% trong các kịch bản giả định giảm độ cứng bê tông và tách lớp FRP.

3. Phương pháp MAC dựa trên dạng dao động: Cho kết quả tương tự phương pháp thay đổi tần số, với độ chính xác chẩn đoán vị trí hư hỏng đạt khoảng 88%, thể hiện khả năng phát hiện hư hỏng hiệu quả.

4. Phương pháp năng lượng biến dạng (MSE): Đây là phương pháp có độ chính xác cao nhất, đạt trên 92% trong việc phát hiện và xác định vị trí hư hỏng, đặc biệt hiệu quả trong phân biệt giữa nứt bê tông và tách lớp FRP.

5. Phân loại hư hỏng đồng thời: Quy trình phân loại hư hỏng được đề xuất giúp phân biệt chính xác hai loại hư hỏng xảy ra đồng thời trong dầm, với độ chính xác tổng thể trên 90% qua các cấp tải trọng khác nhau.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp năng lượng biến dạng vượt trội hơn về độ nhạy và độ chính xác so với hai phương pháp còn lại, phù hợp cho ứng dụng giám sát sức khỏe kết cấu trong thực tế. Sự khác biệt về độ chính xác có thể được minh họa qua biểu đồ so sánh chỉ số độ chính xác A, B, C giữa các phương pháp tại các kịch bản hư hỏng.

Nguyên nhân của hiệu quả cao phương pháp MSE là do nó tận dụng được sự thay đổi chi tiết trong năng lượng biến dạng của từng phần tử kết cấu, trong khi phương pháp tần số và MAC chỉ dựa trên các đặc trưng tổng thể hoặc dạng dao động. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế trước đây, đồng thời mở rộng ứng dụng cho kết cấu BTCT gia cường FRP.

Việc mô phỏng số giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thí nghiệm thực tế, đồng thời cho phép khảo sát nhiều kịch bản hư hỏng khác nhau. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhận thấy phương pháp MSE có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu đo đạc, do đó cần thiết kế hệ thống cảm biến và xử lý tín hiệu phù hợp trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống giám sát dựa trên đặc trưng dao động: Khuyến nghị các đơn vị quản lý công trình xây dựng áp dụng hệ thống cảm biến gia tốc và phần mềm phân tích dao động để theo dõi sức khỏe kết cấu dầm BTCT gia cường FRP, nhằm phát hiện sớm hư hỏng.

2. Ưu tiên sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng (MSE): Do độ chính xác cao, phương pháp này nên được áp dụng làm công cụ chính trong chẩn đoán hư hỏng, đặc biệt trong các công trình có yêu cầu an toàn cao. Thời gian triển khai có thể bắt đầu trong vòng 6-12 tháng.

3. Phát triển quy trình phân loại hư hỏng đồng thời: Áp dụng quy trình phân loại hư hỏng để phân biệt chính xác giữa nứt bê tông và tách lớp FRP, giúp định hướng sửa chữa phù hợp, giảm thiểu chi phí và thời gian bảo trì.

4. Nâng cao chất lượng thi công và vật liệu keo dán: Để hạn chế hiện tượng tách lớp FRP, cần kiểm soát nghiêm ngặt chất lượng thi công và vật liệu keo Epoxy, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên về quy trình thi công chuẩn.

5. Nghiên cứu mở rộng và thử nghiệm thực tế: Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo kết hợp mô phỏng và thí nghiệm thực tế trên các công trình quy mô lớn để đánh giá hiệu quả phương pháp trong điều kiện thực tế, dự kiến trong 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kết cấu và chuyên gia giám sát công trình: Luận văn cung cấp phương pháp chẩn đoán hư hỏng hiệu quả, giúp họ nâng cao năng lực đánh giá và bảo trì kết cấu BTCT gia cường FRP.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu chi tiết về mô hình phần tử hữu hạn, phương pháp chẩn đoán hư hỏng và xử lý dữ liệu dao động là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

3. Các đơn vị thi công và bảo trì công trình: Thông tin về các loại hư hỏng phổ biến và quy trình phân loại hư hỏng giúp họ lựa chọn giải pháp sửa chữa phù hợp, nâng cao chất lượng công trình.

4. Cơ quan quản lý và lập kế hoạch bảo trì hạ tầng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu, từ đó tối ưu hóa chi phí bảo trì và đảm bảo an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đặc trưng dao động có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phương pháp này đơn giản hơn, tiết kiệm chi phí thiết bị cảm biến, không cần dừng hoạt động công trình và có khả năng phát hiện vị trí hư hỏng chính xác dựa trên dữ liệu dao động thu thập được.

2. Làm thế nào để phân biệt giữa hư hỏng nứt bê tông và tách lớp FRP?
   Sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp quy trình phân loại hư hỏng cho phép phân biệt hai loại hư hỏng dựa trên đặc trưng dao động và chỉ số hư hỏng chuẩn hóa, giúp xác định chính xác vị trí và loại hư hỏng.

3. Mô hình phần tử hữu hạn trong ANSYS có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
   Mô hình mô phỏng số giúp tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời cho phép khảo sát nhiều kịch bản hư hỏng. Tuy nhiên, thí nghiệm thực tế vẫn cần thiết để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo độ chính xác cao.

4. Phương pháp năng lượng biến dạng có bị ảnh hưởng bởi nhiễu đo đạc không?
   Có, phương pháp này khá nhạy với nhiễu tín hiệu. Do đó, cần thiết kế hệ thống cảm biến và xử lý tín hiệu phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, đảm bảo kết quả chẩn đoán chính xác.

5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này trong bảo trì công trình là gì?
   Nghiên cứu giúp phát triển hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu tự động, phát hiện sớm hư hỏng, từ đó lập kế hoạch bảo trì, sửa chữa kịp thời, giảm thiểu rủi ro và kéo dài tuổi thọ công trình.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn dầm BTCT có gia cường tấm FRP trong ANSYS APDL, kiểm chứng với kết quả thực nghiệm, đảm bảo độ tin cậy mô hình.
• Ba phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đặc trưng dao động được áp dụng và so sánh, trong đó phương pháp năng lượng biến dạng cho độ chính xác cao nhất (>92%).
• Quy trình phân loại hư hỏng đồng thời giữa nứt bê tông và tách lớp FRP được đề xuất, giúp phân biệt chính xác loại hư hỏng và vị trí xảy ra.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả giám sát sức khỏe kết cấu, giảm chi phí và thời gian bảo trì công trình BTCT gia cường FRP.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển hệ thống giám sát và nghiên cứu mở rộng trong các công trình quy mô lớn trong vòng 2-3 năm tới.

Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng được khuyến khích áp dụng và phát triển các phương pháp chẩn đoán dựa trên đặc trưng dao động để nâng cao hiệu quả bảo trì và đảm bảo an toàn công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngành xây dựng đã và đang đóng góp rất lớn vào việc phát triển nền kinh tế xã hội của mỗi quốc gia trên thế giới. Sự phát triển của ngành xây dựng ở mỗi quốc gia được thể hiện thông qua cơ sở hạ tầng, các tòa nhà kiến trúc độc đáo… Chính vì vậy, những kỉ lục về độ phức tạp và chiều cao của các công trình luôn không ngừng bị phá vỡ. Một số các tòa nhà cao nhất trên thế giới được thể hiện trong Hình 1. Các công trình cao nhất trên thế giới [1] Mặc dù các công trình ban đầu được thiết kế theo các phương pháp cần thiết để có thể đảm bảo khả năng chịu lực nhưng các kết cấu công trình sẽ xuống cấp theo thời gian.

Sự xuống cấp này là do nhiều nguyên nhân khác nhau như: tải trọng, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (ví dụ: ăn mòn thép, cacbonat hóa bê tông) và sự lão hóa của vật liệu xây dựng. Ngoài ra, sự xuống cấp có thể do các sự kiện cực đoan không thường xuyên xảy ra như động đất, bão và lũ lụt. Tất cả các yếu tố này là những biến số không chắc chắn, do đó rất khó xác định sức khỏe công trình về độ tuổi và cách sử dụng cũng như mức độ an toàn của nó để chống lại các tác động nghiêm trọng 2 của thiên nhiên. Để đánh giá một cách đáng tin cậy sức khỏe kết cấu và duy trì sự an toàn, việc giám sát liên tục kết cấu là cần thiết.

Việc này giúp phát hiện sớm những bất thường trên kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của công trình, hạn chế đến mức thấp nhất hậu quả có thể xảy ra. Chính vì vậy, việc theo dõi và chẩn đoán sức khỏe công trình ngày càng được quan tâm của các nhà nghiên cứu. Sau khi đánh giá về mức độ hư hỏng, kết cấu sẽ được gia cố và sửa chữa theo nhiều phương pháp khác nhau như: ứng lực trước căng ngoài, bổ sung gối tựa, tăng tiết diện, tăng hàm lượng thép… Trong các phương pháp này thì việc sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP là một phương pháp mới đã được nghiên cứu và áp dụng tại các nước tiên tiến từ những năm 1990. Vật liệu FRP là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi.

Trên thị trường có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon (Carbon Fiber Reinforced Polymer - CFRP), sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Plastic - GFRP) và sợi aramid (Aramid Fiber Reinforced Polymer - AFRP). Đặc tính của các loại sợi này là có cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian … a) Dạng tấm b) Dạng cuộn c) Dạng thanh d) Dạng băng Hình 1. Các dạng vật liệu composite để gia cường kết cấu BTCT [2] Các dạng vật liệu composite sử dụng trong công tác gia cường được minh họa trên Hình 1. Các kết cấu sử dụng FRP để tăng cường khả năng chịu lực hoặc sửa chữa hư hỏng cũng rất đa dạng được minh họa trong Hình 1.3 như: tường cứng BTCT, dầm, cột, sàn …và các dạng công trình khác như dầm sàn cầu, ống khói, si lô, … Phương pháp gia cường sử dụng tấm FRP tận dụng được ưu điểm khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp tốt rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho các công trình BTCT.

Một số hình ảnh thi công gia cường tấm FRP được thể hiện trong Hình 1. Mặc dù có hạn chế về giá thành nhưng phương pháp sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP có rất nhiều ưu điểm như thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần 3 phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng cốp pha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao đặc biệt là với các công trình đòi hỏi khả năng chống thấm và chống ăn mòn cao. Các vị trí gia cường phổ biến bằng vật liệu FRP [3] a) Gia cố bê tông sàn bị nứt võng b) Gia cố cột bê tông c) Gia cố dầm bê tông d) Gia cố sàn bê tông sau khi cắt dầm Hình 1. Thi công thực tế các cấu kiện hư hỏng bằng vật liệu FRP [3] 4 Bên cạnh những ưu điểm thì việc sử dụng vật liệu FRP lại tiềm ẩn những rủi ro hư hỏng mà nguyên nhân xuất phát từ việc mất liên kết có thể xảy ra giữa tấm FRP và bề mặt cấu kiện bê tông hoặc hư hỏng trong nội tại dầm BTCT như: - Hư hỏng nứt trong bê tông; - Hư hỏng mất liên kết giữa FRP và bê tông do lớp keo dán mất tác dụng; - Hư hỏng tách lớp giữa các tấm FRP (trường hợp gia cố nhiều lớp); - Hư hỏng đứt các tấm FRP.

Trong các trường hợp phá hoại trên thì phá hoại do nứt bê tông và bong tách tấm FRP ra khỏi dầm BTCT thường hay xảy ra nhất. Nguyên nhân là khi dầm chịu tải vượt giới hạn đàn hồi sẽ xuất hiện vết nứt. Ngoài ra, do chất lượng thi công và chất lượng keo dán không được đảm bảo tuyệt đối dẫn đến hiện tượng tách lớp keo dán. Những hư hỏng loại này thường xuất hiện với mức độ ban đầu rất nhỏ nhưng làm ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu được gia cường, trong đó hư hỏng tách lớp keo sẽ dễ dàng lan rộng nhanh.

Vì vậy, việc cảnh báo sớm các hư hỏng tách lớp FRP, nứt bê tông ngay từ thời điểm bắt đầu xuất hiện có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho kết cấu. Vấn đề đặt ra là cần chẩn đoán các loại hư hỏng trong kết cấu dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Đề tài này khảo sát khả năng sử dụng các đặc trưng dao động trong việc chẩn đoán hư hỏng nứt bê tông, tách lớp giữa FRP và bê tông trong cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP nhằm cảnh báo sớm và kịp thời sửa chữa. Nhận thức được những rủi ro tiềm ẩn này, nhiều nhà khoa học trên thế giới gần đây đã quan tâm tới vấn đề và sử dụng các phương pháp để chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP.

Tuy nhiên, các nghiên cứu từ trước tới nay đa số sử dụng đáp ứng trở kháng. Phương pháp này cho thấy đã có thể phát hiện tách lớp nhưng độ phức tạp của phương pháp đòi hỏi người kĩ thuật phải có trình độ chuyên môn cao. Đáp ứng trở kháng là sử dụng tích hợp thiết bị cảm biến Lead Zirconate Titanate (PZT) với kích thích ở một dải tần số cao để cung cấp khả năng tự theo dõi các thay đổi động học của kết cấu; từ đó, chẩn đoán phát hiện vị trí hư hỏng trong kết cấu. Trong luận văn này, bài toán chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP sẽ được giải quyết nhanh hơn và ít tốn kém hơn bằng các phương pháp dựa trên các đặc trưng dao động.

Phương pháp này có nhiều điểm thuận lợi. Điểm thuận lợi thứ nhất là đơn giản hóa thiết bị khảo sát, tiết kiệm được chi phí mua cảm biến. Điểm thuận lợi thứ hai là chẩn đoán được vị trí nứt trong dầm và vị trí tách lớp dựa trên độ nhạy của tần số và dạng dao động. Điểm thuận lợi thứ ba là phương pháp này cho phép vị trị đặt cảm biến ở nhiều vị trí khác nhau và điều này có thể hữu ích khi 5 số lượng cảm biến có hạn và tải trọng tác dụng tại các điểm tùy ý.

Việc sử dụng các đặc trưng dao động vào vấn đề này là chưa từng được công bố nhưng nếu nghiên cứu và áp dụng thành công sẽ góp phần vào việc chẩn đoán hư hỏng dầm BTCT có gia cường FRP trở nên dễ dàng hơn vì các đặc trưng dao động vốn dĩ là đầu vào quen thuộc trong việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu. Bên cạnh đó cần đánh giá lựa chọn chỉ số chẩn đoán hư hỏng phù hợp.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu - Chẩn đoán hư hỏng trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP bằng các phương pháp chẩn đoán sử dụng các đặc trưng dao động bao gồm phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp năng lượng biến dạng. Từ các kết quả thu được tiến hành đánh giá, lựa chọn phương pháp phù hợp để đáp ứng cho từng mục đích chẩn đoán hư hỏng. - Đề xuất quy trình phân loại hư hỏng khi trong dầm có hai loại hư hỏng khác nhau xảy ra đồng thời.

Từ đó, phục vụ cho việc chuẩn bị cho công tác sửa chữa trong thực tế tương ứng với từng loại hư hỏng.2 Nội dung nghiên cứu Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong phạm vi luận văn này bao gồm: - Tìm hiểu về các phương pháp sử dụng các đặc trưng dao động để chẩn đoán hư hỏng kết cấu công trình bao gồm: phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động, phương pháp năng lượng biến dạng. Tìm hiểu về các chỉ số chẩn đoán hư hỏng được sử dụng. - Phát triển thuật toán bằng ngôn ngữ lập trình ANSYS APDL để mô phỏng dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Tiến hành gia tải từ từ cho dầm ứng xử như thực tế để mô phỏng hiện tượng hư hỏng của cấu kiện dầm BTCT và tấm FRP gia cường.

- Kiểm tra độ tin cậy của mô hình bằng cách so sánh kết quả của luận văn với kết quả nghiên cứu thực nghiệm của tác giả khác đã được công bố. - Sử dụng các đặc trưng dao động và các chỉ số đánh giá hư hỏng để chẩn đoán hiện tượng nứt bê tông, tách lớp FRP trong kết cấu. Lập trình MATLAB để giải quyết các bài toán đặt ra, dựa trên kết quả thu được, sự phù hợp của các chỉ số trong việc chẩn đoán hư hỏng dầm BTCT có gia cường tấm FRP được phân tích và đánh giá. - Phân loại hư hỏng trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP khi xuất hiện hai loại hư hỏng khác nhau.

6 - Từ các kết quả nghiên cứu đánh giá tính khả thi của các phương pháp trong ứng dụng thực tế.