Chẩn Đoán Hư Hỏng Kết Cấu Khung Sử Dụng Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung bằng phương pháp năng lượng biến dạng và thuật toán di truyền.

• Tác giả: Lê Quang Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Công Thành
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Chẩn Đoán Hư Hỏng Kết Cấu Khung Bằng Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Chẩn Đoán Hư Hỏng Kết Cấu Khung Phương Pháp Mới

Chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật xây dựng và duy trì cơ sở hạ tầng. Việc phát hiện sớm và chính xác các hư hỏng kết cấu giúp ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng, kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì. Hiện nay, có nhiều phương pháp chẩn đoán khác nhau, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp được sử dụng nhiều là phương pháp năng lượng biến dạng. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp với thuật toán di truyền để chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung. Phương pháp này hứa hẹn mang lại độ chính xác cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Mục tiêu là phát triển một quy trình chẩn đoán hiệu quả, dễ dàng triển khai và có khả năng phát hiện các loại hư hỏng kết cấu khác nhau.

1.1. Tầm quan trọng của việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung

Việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu kịp thời giúp ngăn chặn các sự cố sập đổ, bảo vệ an toàn cho người sử dụng và giảm thiểu thiệt hại về kinh tế. Kết cấu khung thường xuyên chịu tác động của tải trọng lớn và các yếu tố môi trường khắc nghiệt, dẫn đến sự suy giảm về độ bền và độ cứng. Phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng kết cấu khung giúp đưa ra các biện pháp sửa chữa và gia cường kịp thời, kéo dài tuổi thọ công trình. Công tác bảo trì và sửa chữa kết cấu cũng được thực hiện hiệu quả hơn khi có thông tin chi tiết về vị trí và mức độ hư hỏng.

1.2. Giới thiệu về phương pháp năng lượng biến dạng Strain Energy

Phương pháp năng lượng biến dạng dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng để xác định các thông số đặc trưng của kết cấu, từ đó đánh giá tình trạng hư hỏng kết cấu. Khi kết cấu chịu tải, năng lượng biến dạng được tích lũy trong vật liệu. Sự thay đổi về độ cứng do hư hỏng kết cấu sẽ làm thay đổi phân bố năng lượng biến dạng. Bằng cách phân tích sự thay đổi này, có thể xác định vị trí và mức độ hư hỏng. Phương pháp này có ưu điểm là độ nhạy cao và khả năng phát hiện các hư hỏng kết cấu nhỏ.

II. Thách Thức Chẩn Đoán Hư Hỏng Độ Chính Xác Nhiễu Tín Hiệu

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là độ chính xác của các phương pháp chẩn đoán. Sai sót trong quá trình đo đạc, mô hình hóa kết cấu hoặc xử lý tín hiệu có thể dẫn đến kết quả không chính xác. Bên cạnh đó, nhiễu tín hiệu từ môi trường cũng gây khó khăn cho việc phát hiện các hư hỏng kết cấu nhỏ. Do đó, cần có các phương pháp lọc nhiễu và tăng cường độ nhạy của các chỉ số chẩn đoán. Đồng thời, việc xác định mức độ hư hỏng kết cấu một cách định lượng cũng là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi các thuật toán tối ưu hóa hiệu quả.

2.1. Ảnh hưởng của nhiễu đến độ chính xác chẩn đoán hư hỏng

Nhiễu trong quá trình đo đạc và phân tích có thể làm sai lệch kết quả chẩn đoán, dẫn đến việc bỏ sót hoặc xác định sai vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu. Nhiễu có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm rung động môi trường, sai số của cảm biến và lỗi trong quá trình xử lý dữ liệu. Cần áp dụng các phương pháp lọc nhiễu hiệu quả để đảm bảo độ tin cậy của kết quả chẩn đoán.

2.2. Bài toán tối ưu hóa trong xác định mức độ hư hỏng kết cấu

Việc xác định mức độ hư hỏng kết cấu một cách định lượng thường được đặt thành bài toán tối ưu hóa. Mục tiêu là tìm ra bộ thông số hư hỏng kết cấu (ví dụ: độ giảm độ cứng) sao cho mô hình kết cấu bị hư hỏng kết cấu có đặc trưng dao động gần giống nhất với kết cấu thực tế. Bài toán này thường là phi tuyến và có nhiều cực trị cục bộ, đòi hỏi các thuật toán tối ưu hóa mạnh mẽ như thuật toán di truyền (GA).

2.3. Độ nhạy của phương pháp năng lượng biến dạng với hư hỏng nhỏ

Phương pháp năng lượng biến dạng có thể mất độ nhạy khi hư hỏng kết cấu còn nhỏ. Sự thay đổi năng lượng biến dạng do hư hỏng kết cấu nhỏ có thể bị che lấp bởi các yếu tố khác, như sai số mô hình hoặc nhiễu. Cần kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến và lựa chọn các chỉ số năng lượng biến dạng phù hợp để tăng cường độ nhạy của phương pháp.

III. Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng Thuật Toán Di Truyền Giải Pháp

Để giải quyết các thách thức trên, luận văn này đề xuất sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp với thuật toán di truyền (GA). Phương pháp năng lượng biến dạng được sử dụng để xác định vị trí có khả năng xảy ra hư hỏng kết cấu. Sau đó, thuật toán di truyền được áp dụng để tối ưu hóa các thông số hư hỏng kết cấu (độ giảm độ cứng) sao cho sai khác giữa mô hình và kết quả đo thực tế là nhỏ nhất. Sự kết hợp này giúp tăng độ chính xác và độ tin cậy của quá trình chẩn đoán.

3.1. Ứng dụng thuật toán di truyền GA tối ưu hóa tham số hư hỏng

Thuật toán di truyền (GA) là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên cơ chế tiến hóa tự nhiên. Trong bài toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu, thuật toán di truyền được sử dụng để tìm ra bộ thông số hư hỏng kết cấu (độ giảm độ cứng) sao cho hàm mục tiêu (ví dụ: sai khác giữa tần số dao động tính toán và đo được) đạt giá trị nhỏ nhất. Thuật toán di truyền có khả năng tìm kiếm lời giải toàn cục và ít bị mắc kẹt ở các cực trị cục bộ.

3.2. Xây dựng chỉ số năng lượng biến dạng Strain Energy phát hiện vị trí

Các chỉ số năng lượng biến dạng như MSECR (Modal Strain Energy Change Ratio), MSEBI (Modal Strain Energy Based Index) và MSEEI (Modal Strain Energy Equivalence Index) được sử dụng để xác định vị trí có khả năng xảy ra hư hỏng kết cấu. Các chỉ số này dựa trên sự thay đổi năng lượng biến dạng của các phần tử kết cấu do hư hỏng kết cấu. So sánh các chỉ số này giúp xác định chỉ số nào hiệu quả nhất.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Chẩn Đoán Khung

Phương pháp đề xuất đã được áp dụng để chẩn đoán hư hỏng kết cấu cho một số ví dụ kết cấu khung cụ thể. Kết quả cho thấy phương pháp có khả năng xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu trong điều kiện không có nhiễu. Khi có nhiễu, độ chính xác của phương pháp giảm đi, nhưng vẫn cho kết quả chấp nhận được. Chỉ số MSEBI cho thấy hiệu quả tốt hơn so với MSECR và MSEEI trong việc xác định vị trí hư hỏng kết cấu. Hàm mục tiêu dựa trên năng lượng biến dạng cho kết quả tốt hơn so với hàm mục tiêu dựa trên dạng dao động.

4.1. So sánh hiệu quả các chỉ số năng lượng biến dạng MSECR MSEBI MSEEI

Nghiên cứu so sánh hiệu quả của ba chỉ số năng lượng biến dạng là MSECR, MSEBI và MSEEI trong việc xác định vị trí hư hỏng kết cấu. Kết quả cho thấy MSEBI có độ nhạy cao hơn và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu hơn so với MSECR và MSEEI. Do đó, MSEBI được đánh giá là chỉ số phù hợp hơn cho việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung.

4.2. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến độ chính xác chẩn đoán

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nhiễu đến độ chính xác của phương pháp chẩn đoán. Kết quả cho thấy nhiễu có thể làm giảm độ chính xác của việc xác định vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu. Tuy nhiên, phương pháp vẫn cho kết quả chấp nhận được khi sử dụng các kỹ thuật lọc nhiễu phù hợp.

4.3. Kết quả đạt được với mô hình khung không gian cụ thể

Phương pháp được áp dụng cho mô hình khung không gian. Độ chính xác chẩn đoán cho thấy phương pháp là khả thi. Phương pháp có thể được sử dụng để đánh giá thực tế.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Chẩn Đoán Kết Cấu Khung

Luận văn đã trình bày một phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung hiệu quả dựa trên phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp với thuật toán di truyền. Phương pháp này có khả năng xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu trong điều kiện lý tưởng. Trong tương lai, cần nghiên cứu thêm để cải thiện khả năng chống nhiễu của phương pháp và mở rộng phạm vi ứng dụng cho các loại kết cấu khác nhau. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các giải pháp giám sát sức khỏe kết cấu (SHM) tiên tiến.

5.1. Tóm tắt những đóng góp chính của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung mới dựa trên năng lượng biến dạng và thuật toán di truyền. Nghiên cứu đã so sánh hiệu quả của các chỉ số năng lượng biến dạng khác nhau và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến độ chính xác chẩn đoán. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc phát triển các hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu (SHM).

5.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện phương pháp

Cần nghiên cứu thêm về các kỹ thuật lọc nhiễu tiên tiến để cải thiện khả năng chống nhiễu của phương pháp. Mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp cho các loại kết cấu khác nhau, như kết cấu cầu, nhà cao tầng và kết cấu máy. Nghiên cứu về việc sử dụng dữ liệu từ cảm biến thực tế để đánh giá hiệu quả của phương pháp trong điều kiện thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM – Structural Health Monitoring) Theo dõi “sức khỏe” kết cấu nói chung hay chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu nói riêng là một lĩnh vực được ứng dụng chủ yếu trong ngành hàng không (giám sát tình trạng máy bay) và xây dựng (giám sát tình trạng kết cấu hoặc chẩn đoán hư hỏng kết cấu). Đánh giá tình trạng hư hỏng kết cấu là một yêu cầu đặt ra khi có sự cố xảy ra trong quá trình sử dụng công trình như: động đất, va chạm, ăn mòn,v. Khi đó cần đánh giá lại khả năng sử dụng của công trình để đưa ra biện pháp gia cố nếu cần.

Đối với các kết cấu hạ tầng như cầu và đường, có tuổi thọ sử dụng lâu, tải trọng tác dụng dưới dạng tải trọng động, công trình có chi phí cao,v. giám sát tình trạng kết cấu như một điều kiện bắt buộc. Thực tế, các kết cấu lớn trên thế giới đều có hệ thống thu và xử lý thông tin làm dữ liệu cho công tác giám sát tình trạng của công trình về mặt kết cấu. Ở một số quốc gia phát triển, các công trình công cộng và trọng điểm gần như đã bão hòa về số lượng, do vậy, công tác đánh giá tình trạng và chẩn đoán hư hỏng rất cần thiết.

Công việc này ở các nước phát triển cơ sở hạ tầng lâu đời hiện nay rất được chú ý, các nghiên cứu thuộc lĩnh vực này cũng được đẩy mạnh. Những vấn đề có thể xảy ra trong quá trình sử dụng công trình Như đã đề cập sơ lược ở mục trước, trong quá trình sử dụng, công trình sẽ bị suy giảm khả năng chịu lực do những nguyên nhân khác nhau. Cơ bản có thể chia ra làm hai nhóm nguyên nhân: (i) do các tác nhân không lường trước trong quá trình thiết kế và (ii) do sự suy giảm chất lượng kết cấu theo thời gian sử dụng. (i) Nhóm nguyên nhân này liên quan tới các trường hợp có sự cố xảy ra tác dụng lên công trình, ví dụ: sau khi thiên tai (động đất, lũ lụt, bão, v.) xảy ra, va chạm không mong muốn xảy ra v.

2 (ii) Nhóm nguyên nhân này liên quan đến các trường hợp kết cấu bị ăn mòn, nứt, lỏng liên kết trong quá trình sử dụng công trình. Kết cấu khung và một số dạng hư hỏng thường gặp trên kết cấu khung Trong xây dựng nói chung và trong ngành xây dựng dân dụng nói riêng, kết cấu khung là một kết cấu rất phổ biến. Kết cấu khung tồn tại hầu hết trong các công trình nhà ở, công trình cao tầng, nhà xưởng,v. đóng vai trò là khung chịu lực chính cho công trình.

Trong tính tóan, sơ đồ tính cho kết cấu khung được mô hình bằng hệ các thanh liên kết với nhau tại nút khung. Trong thực tế, hư hỏng ở kết cấu khung có thể xảy ra ở nhiều dạng khác nhau. Một số dạng phổ biến có thể được đề cập như sau: phần tử trong kết cấu chịu lực quá giới hạn dẫn đến thanh bị nứt; vật liệu bị tác động của môi trường xung quanh làm giảm cường độ và đặc tính ban đầu của vật liệu (ăn mòn, bị sự cố do tác động của con người,v.v); kết cấu bị khuyết tật trong quá trình thi công,v. Đối với kết cấu thép, hư hỏng thường xảy ra dưới dạng lỏng liên kết (bu lông) hoặc khuyết tật đường hàn (liên kết hàn).

Kết cấu bị nứt. Kết cấu bị khuyết tật về kích thước hình học. Hai dạng hư hỏng có thể xảy ra trong khung (nguồn: internet). Một số hình ảnh thực tế công tác giám sát tình trạng kết cấu Hình 1.

Hình ảnh minh họa công tác SHM cho cầu Burlington-Bristol (Mỹ). (nguồn: http://www.edu/view_project. Hình ảnh minh họa công tác SHM cho cầu Burlington-Bristol (Mỹ) (tt). (nguồn: https://www.com/projects/structural-health-monitoring-system-for- the-burlington-bristol-bridge).

Hình ảnh minh họa công tác SHM cho cầu Jindo (Hàn Quốc). (nguồn: https://iti.edu/tech-transfer/technologies/wireless-monitoring-critical- infrastructures). Hình ảnh minh họa công tác SHM cho cầu Jindo (Hàn Quốc) (tt). (nguồn: http://industrial.com/articles/structural-monitoring- wireless-smart-sensors/).

Hình ảnh minh họa công tác SHM cho tháp Urbtech Matrix (Ấn Độ). (nguồn: https://www.net/RajivDinesh2/lelantosstructuralhealthmonitoringbrochure). Hình ảnh minh họa công tác SHM cho tháp Burj Khalifa (UAE). (nguồn: https://csengineermag.com/article/structural-vital-signs/).

Năng lượng biến dạng (modal strain energy – MSE) Đặc trưng năng lượng biến dạng được ứng dụng trong tính toán kỹ thuật giai đoạn đầu bởi Stubbs và Farrar (1995). Về sau chỉ tiêu này được mở rộng áp dụng trong nhiều nghiên cứu. Năng lượng biến dạng là một chỉ tiêu có độ nhạy cao với sự thay đổi của độ cứng (ma trận độ cứng) nên được mở rộng nghiên cứu áp dụng trong bài toán chẩn đoán hư hỏng vì trạng thái hư hỏng của một phần tử nào đó có thể được xem như là sự suy giảm về độ cứng của phần tử đó. Biểu thức tính toán năng lượng biến dạng được xây dựng ở dạng liên tục (đối với dạng dao động của phần tử được viết dưới dạng hàm liên tục) và ở dạng rời rạc (đối với dạng dao động của phần tử được ghi nhận dưới dạng chuyển vị rời rạc từng điểm).

Dạng thứ hai được sử dụng hầu hết trong bài toán thực tế vì dữ liệu thu được từ thiết bị đo đạc ở dạng rời rạc. Thuật toán di truyền (genetic algorithm – GA) Thuật toán di truyền (genetic algorithm – GA) là thuật toán được ứng dụng sớm nhất và rộng rãi nhất trong bài toán tối ưu. Thuật toán này được xây dựng dựa trên sự mô phỏng của sự chọn lọc và sinh tồn của các cá thể trong tự nhiên để tìm ra cá thể có đặc điểm tốt nhất, từ đó ứng dụng trong bài toán tối ưu để tìm biến số cho kết quả tốt nhất đối với hàm mục tiêu đề ra. Thuyết tiến hóa trong tự nhiên được nhà khoa học Charles Darwin trình bày vào khoảng giữa thể kỷ XIX.

Trong đó, các cá thể có đặc tính tồn tại tốt hơn sẽ duy trì được sự sống tốt hơn và khả năng sinh sản sẽ cao hơn. Các đặc tính tốt đó sẽ được di truyền qua các thế hệ con cái và tiếp tục phát triển. Điều này ngược lại với các cá thể có khả năng sinh tồn kém hơn. Tiếp theo khoảng thời gian đó là sự phát triển của máy tính và trí tuệ nhân tạo với sự nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực này như: Alan Turing, John Mauchly, John Eckert, von Neumann.

Năm 1954, một nhà khoa học tên Barricelli là người đầu tiên viết phần mềm sử dụng thuật toán di truyền. Công trình khoa học của ông được công bố bằng tiếng Ý với tựa đề “Esempi numerici di processi di 7 evoluzione”. Đến năm 1960, một số bổ sung quan trọng để cải tiến thuật toán di truyền được John Holland thực hiện. Trong những thập niên 70 và 80 của thể kỷ XX, với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính cùng với những hạn chế của tính toán truyền thống, những nghiên cứu liên quan đến thuật toán di truyền được thực hiện sôi nổi.

Hiện nay, nhiều thuật toán tối ưu được tìm ra và phát triển cùng với thuật toán di truyền và những nghiên cứu ứng dụng những thuật toán này vào bài toán kỹ thuật cũng được thực hiện và phát triển rộng rãi. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu Mục tiêu của nghiên cứu là kiến nghị phương pháp chẩn đoán về vị trí và mức độ của hư hỏng cho kết cấu khung không gian sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp với thuật toán di truyền. Ngoài ra, nghiên cứu được thực hiện với nhiều chỉ tiêu và hàm mục tiêu khác nhau nhằm đưa ra nhận xét về mức độ khả thi, mức độ chính xác giữa các chỉ tiêu và hàm mục tiêu đó khi giải quyết bài toán chẩn đoán cho kết cấu khung không gian; cũng như việc đưa ra kết luận về những vấn đề còn hạn chế của phương pháp để làm định hướng cho những nghiên cứu về sau.

Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu trong khoa học nói chung, và trong chẩn đoán hư hỏng nói riêng, có hai hướng nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm và mô phỏng. Trong nghiên cứu này, trạng thái hư hỏng được mô phỏng và các thông số động học (dạng dao động và tần số dao động riêng) được lấy từ mô hình đó để làm số liệu cho việc xây dựng phương pháp. Học viên thực hiện nghiên cứu với tinh thần so sánh, đối chiếu nhiều tiêu chí và phân tích nhiều khía cạnh xung quanh việc chẩn đoán hư hỏng hết cấu khung không gian bằng phương pháp đề xuất. 8 Để giải quyết bài toán chẩn đoán hư hỏng, đã có nhiều phương pháp được nghiên cứu, trong đó phần lớn chỉ chẩn đoán vị trí hư hỏng, chỉ một số nghiên cứu gần đây phát triển phương pháp chẩn đoán cả vị trí lẫn mức độ của hư hỏng.

Trong chẩn đoán vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu, có hai hướng thực hiện như sau: (i) giải quyết bài toán qua hai bước: bước thứ nhất là xác định những vị trí hư hỏng, sau đó, từ kết quả của bước thứ nhất, xác định mức độ hư hỏng tại những vị trí đó. Hướng nghiên cứu này tập trung vào việc tìm ra các chỉ tiêu, hàm mục tiêu mới và phân tích mức độ hiệu quả giữa các chỉ tiêu, hàm mục tiêu khác nhau. Và (ii) giải quyết bài toán qua một bước: xác định trạng thái hư hỏng bao gồm vị trí và mức độ hư hỏng thông qua véc tơ phần trăm độ hư hỏng của các phần tử tương ứng trong kết cấu. Hướng nghiên cứu này tập trung nhiều vào việc phát triển thuật toán tối ưu để nâng cao độ chính xác và giảm các bước tính toán trong việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu.

Trong bài luận văn này, học viên sẽ thực hiện theo hướng thứ nhất (i) theo như trình bày ở trên. Hơn nữa, việc chẩn đoán hư hỏng cục bộ trong phần tử thanh của khung cũng được phát triển trong nghiên cứu này. Ý NGHĨA THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẦN THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU Trên thực tế, cũng như con người, công trình sau khi được xây dựng, cũng cần phải được kiểm tra và đánh giá tình trạng “sức khỏe”. Vì vậy, công việc giám sát tình trạng và chẩn đoán hư hỏng kết cấu để kịp thời khắc phục, gia cố là một công việc tất yếu.

Các phương pháp chẩn đoán trực tiếp bằng quan trắc có thể có chi phí cao, kém hiệu quả và sự đánh giá hư hỏng về mặt định tính lẫn định lượng phụ thuộc vào độ lành nghề của người đo đạc, từ đó không có sự đánh giá khách quan. Do đó, việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên các đặc trưng động học, với những số liệu thu được từ các cảm biến đặt trong kết cấu được nghiên cứu rộng rãi.