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.

Call-to-action: 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.