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.