Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông sử dụng đặc trưng trở kháng cơ điện có xét ảnh hưởng của nhiệt độ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông bằng đặc trưng trở kháng cơ điện, xét ảnh hưởng của nhiệt độ.

• Tác giả: Trương Quốc Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Đức Duy
• Trường học: Đại học Bách Khoa, 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 liên kết bu lông sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện có xét ảnh hưởng của nhiệt độ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
• 1.4. Cấu trúc của luận văn
• 1.5. Các công trình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5.1. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đặc trưng trở kháng cơ – điện
• 1.5.2. Phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.6. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 1.7. Phương pháp trở kháng
• 1.7.1. Nguyên lý làm việc của phương pháp trở kháng
• 1.7.2. Miền tần số sử dụng và phạm vi hoạt động của PZT
• 1.8. Các phương pháp đánh giá hư hỏng
• 1.8.1. Phương pháp RMSD (Root-Mean-Square Deviation)
• 1.8.2. Phương pháp CCD (Correlation Coefficcient Deviation)
• 1.9. Phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.10. Công cụ nghiên cứu
• 1.10.1. Phần mềm ANSYS
• 1.10.2. Phần mềm MATLAB
• 2. BÀI TOÁN ỨNG DỤNG
• 2.1. Bài toán 1: Mô phỏng dầm nhôm hư hỏng
• 2.1.1. Mô phỏng dầm nhôm
• 2.1.2. Kết quả mô phỏng bài toán 1
• 2.2. Bài toán 2: Mô phỏng dầm nhôm trong điều kiện biến thiên nhiệt độ
• 2.2.1. Mô phỏng dầm nhôm
• 2.2.2. Kết quả mô phỏng bài toán 2
• 2.2.3. Áp dụng phương pháp bù nhiệt độ (EFS) vào bài toán 2
• 2.2.4. Nhận xét bài toán 2
• 2.3. Bài toán 3: Mô phỏng liên kết bu lông hư hỏng trong điều kiện biến thiên nhiệt độ
• 2.3.1. Thông tin bài toán 3
• 2.3.2. Mô phỏng liên kết bu lông hư hỏng 10%, 25% và 50%
• 2.3.3. Xét hư hỏng liên kết bu lông trong điều kiện nhiệt độ thay đổi
• 2.3.4. Liên kết bu lông chưa hư hỏng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi
• 2.3.5. Liên kết bu lông hư hỏng 10% trong điều kiện nhiệt độ thay đổi
• 2.3.6. Liên kết bu lông hư hỏng 25% trong điều kiện nhiệt độ thay đổi
• 2.3.7. Liên kết bu lông hư hỏng 50% trong điều kiện nhiệt độ thay đổi
• 2.3.8. Khảo sát sự thay đổi chỉ số CCD trước và sau khi bù nhiệt độ của Bu lông
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào chẩn đoán hư hỏng trong liên kết bu lông sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện (EMI) và xem xét ảnh hưởng nhiệt độ. Mục tiêu chính là phát triển phương pháp hiệu quả để phát hiện và xác định vị trí hư hỏng trong liên kết bu lông, đồng thời loại bỏ các tác động của nhiệt độ lên kết quả chẩn đoán. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và độ bền của các công trình xây dựng, đặc biệt là các kết cấu thép.

1.1. Tầm quan trọng của chẩn đoán hư hỏng

Chẩn đoán hư hỏng là quy trình thiết yếu trong việc duy trì và bảo trì các công trình xây dựng. Các liên kết bu lông thường bị hư hỏng do tác động của tải trọng, môi trường và nhiệt độ. Việc phát hiện sớm các hư hỏng này giúp ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng như sụp đổ công trình. Nghiên cứu này đề xuất phương pháp sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện để chẩn đoán hư hỏng, đồng thời xem xét ảnh hưởng nhiệt độ để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu nhằm mục tiêu: (1) Phát triển phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đặc trưng trở kháng cơ-điện; (2) Xác định vị trí hư hỏng trong liên kết bu lông; (3) Loại bỏ ảnh hưởng nhiệt độ trong quá trình chẩn đoán. Các mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm ANSYS và MATLAB để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của phương pháp.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp trở kháng cơ-điện (EMI) để chẩn đoán hư hỏng. Phương pháp này dựa trên sự thay đổi tín hiệu trở kháng của vật liệu PZT (Lead Zirconate Titanate) khi có hư hỏng xảy ra. Đồng thời, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật bù nhiệt độ (EFS) để loại bỏ các tác động của nhiệt độ lên kết quả chẩn đoán.

2.1. Nguyên lý trở kháng cơ điện

Phương pháp trở kháng cơ-điện dựa trên sự tương tác giữa vật liệu PZT và kết cấu chủ. Khi có hư hỏng, tín hiệu trở kháng của PZT thay đổi, từ đó có thể phát hiện và xác định vị trí hư hỏng. Phương pháp này được thực hiện trong miền tần số cao để đảm bảo độ nhạy và độ chính xác.

2.2. Kỹ thuật bù nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn đến tín hiệu trở kháng của PZT. Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật bù nhiệt độ (EFS) để loại bỏ các tác động này. Kỹ thuật này dựa trên việc điều chỉnh tần số hiệu dụng để giảm thiểu sai lệch do nhiệt độ gây ra, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả chẩn đoán.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của phương pháp trở kháng cơ-điện trong việc chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp này có thể phát hiện và xác định vị trí hư hỏng với độ chính xác cao. Đồng thời, kỹ thuật bù nhiệt độ (EFS) đã loại bỏ thành công các tác động của nhiệt độ, nâng cao độ tin cậy của kết quả chẩn đoán.

3.1. Kết quả mô phỏng

Các mô phỏng được thực hiện trên dầm nhôm và liên kết bu lông trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Kết quả cho thấy tín hiệu trở kháng thay đổi rõ rệt khi có hư hỏng, và kỹ thuật bù nhiệt độ (EFS) đã giảm thiểu sai lệch do nhiệt độ gây ra. Các chỉ số RMSD và CC được sử dụng để đánh giá hiệu quả của phương pháp.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Phương pháp này có thể áp dụng trong việc theo dõi và bảo trì các công trình xây dựng, đặc biệt là các kết cấu thép. Việc phát hiện sớm các hư hỏng trong liên kết bu lông giúp ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng, đảm bảo an toàn và tuổi thọ của công trình. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng và giám sát kết cấu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu thép đóng vai trò then chốt trong các công trình hiện đại như nhà xưởng công nghiệp vượt nhịp trên 30m, khung nhà cao tầng trên 15 tầng và cầu treo khẩu độ lớn vượt nhịp trên 1000m. Trong các công trình này, nút liên kết bu lông là vị trí trọng yếu chịu tải trọng động phức tạp. Sự cố nới lỏng bu lông làm sụt giảm khả năng chịu lực của nút khung từ 10% đến hơn 50%, tiềm ẩn nguy cơ phá hủy cục bộ dẫn đến sụp đổ toàn bộ kết cấu như các thảm họa thực tế tại cầu sông Mississippi hay cầu Ghềnh. Do đó, việc ứng dụng công nghệ giám sát sức khỏe kết cấu bằng phương pháp không phá hủy để cảnh báo sớm hư hỏng là yêu cầu cấp thiết.

Nghiên cứu này tập trung vào giải pháp chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông thông qua đặc trưng trở kháng cơ điện sử dụng cảm biến áp điện PZT. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng quy trình phát hiện sự nới lỏng bu lông và loại bỏ triệt để ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ môi trường, vốn là nguyên nhân chính gây ra các tín hiệu sai lệch trong thực tế quan trắc. Phạm vi nghiên cứu khảo sát mô hình liên kết 4 bu lông trong dải biến thiên nhiệt độ từ 25°C đến 65°C và dải tần số kích thích cao từ 30 kHz đến 150 kHz. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp bù nhiệt độ hiệu quả giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống chẩn đoán lên trên 95%, tạo tiền đề triển khai hệ thống quan trắc thời gian thực cho các công trình hạ tầng trọng điểm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được phát triển dựa trên mô hình tương tác cơ điện một chiều giữa tấm cảm biến áp điện PZT và kết cấu chủ do Liang và cộng sự đề xuất. Mô hình này thiết lập mối quan hệ giữa độ dẫn nạp điện của cảm biến với trở kháng cơ học của kết cấu thông qua hiệu ứng áp điện hai chiều của vật liệu Titanat Zirconat Chì. Khi kết cấu bị suy giảm độ cứng cục bộ do lỏng bu lông, trở kháng cơ học biến đổi sẽ làm thay đổi phổ dẫn nạp điện đo được ở dải tần số cao.

Bên cạnh lý thuyết tương tác cơ điện, nghiên cứu áp dụng các chỉ số thống kê toán học để lượng hóa mức độ hư hại:

• Chỉ số căn bậc hai bình phương độ lệch trung bình RMSD: Đo lường mức độ biến động tổng thể giữa tín hiệu đo hiện thời và tín hiệu chuẩn ban đầu.
• Hệ số tương quan chéo CC và độ lệch hệ số tương quan chéo CCD: Đánh giá mức độ sai lệch hình học của đường cong phổ tần số.
• Kỹ thuật dịch chuyển tần số có hiệu EFS: Lý thuyết nền tảng để bù trừ sai số nhiệt độ bằng cách tịnh tiến dải tần số để giá trị CC đạt mức cực đại trước khi tính toán mức độ hư hỏng thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn kết hợp thuật toán tối ưu hóa xử lý tín hiệu số. Nguồn dữ liệu phân tích được xây dựng từ ba bài toán mô phỏng 3D chi tiết:

1. Mô hình dầm nhôm có điều kiện biên tự do mang vết nứt ở giữa dải kích thước nhằm kiểm chứng độ chính xác của mô hình phần tử hữu hạn so với thực nghiệm quốc tế.
2. Mô hình dầm nhôm chịu biến thiên nhiệt độ ở 4 cấp nhiệt độ gồm 25°C, 36°C, 45°C và 102°C nhằm kiểm tra đáp ứng của cảm biến PZT-5H.
3. Mô hình nút liên kết dầm mái gồm 4 bu lông chịu các mức suy giảm lực siết 10%, 25%, 50% trong môi trường nhiệt độ biến thiên từ 25°C đến 65°C với bước nhảy 10°C.

Phương pháp chọn mẫu mô phỏng tập trung vào việc chia lưới phần tử bậc cao với phần tử Solid 45 cho kết cấu kim loại và phần tử Solid 5 cho cảm biến áp điện. Phần mềm ANSYS V15.0 được lựa chọn nhờ khả năng giải quyết chính xác bài toán ghép đa trường vật lý cơ nhiệt điện. Thuật toán bù nhiệt độ EFS được lập trình tự động trên nền tảng MATLAB với cấu trúc vòng lặp tối ưu hóa, đảm bảo xử lý đồng thời dữ liệu của 4 kênh cảm biến PZT trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện từ năm 2015 đến năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và phân tích dữ liệu mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, tín hiệu trở kháng cơ điện ở dải tần số cao 30 kHz đến 150 kHz phản ánh rất nhạy bén tình trạng suy giảm lực siết bu lông. Khi bu lông số 1 bị suy giảm lực siết ở các mức 10%, 25% và 50% tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25°C, biên độ và tần số đỉnh cộng hưởng của đường cong dẫn nạp thay đổi rõ rệt, làm chỉ số RMSD tăng tương ứng từ 12.5% lên 38.2% và đạt đỉnh trên 65.4%.

Thứ hai, nhiệt độ môi trường tác động cực kỳ mạnh lên đặc trưng trở kháng. Khi nhiệt độ tăng từ 25°C lên 65°C, sự suy giảm mô đun đàn hồi của thép cùng sự biến thiên của hằng số áp điện d31 và hằng số điện môi e33 đã làm toàn bộ các đỉnh cộng hưởng dịch chuyển về phía tần số thấp từ 1.2 kHz đến 4.8 kHz. Biến thiên nhiệt độ đơn thuần có thể làm chỉ số RMSD tăng trên 45%, dẫn đến nguy cơ báo động giả rất cao nếu không áp dụng thuật toán hiệu chỉnh.

Thứ ba, việc áp dụng phương pháp bù nhiệt độ EFS trên nền tảng MATLAB đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trôi tần số. Sau khi hiệu chỉnh EFS, hệ số tương quan chéo CC giữa trạng thái nguyên vẹn ở các mức nhiệt độ 35°C, 45°C, 55°C và 65°C so với trạng thái chuẩn 25°C đều được khôi phục đạt mức 0.98 đến 0.99.

Thứ tư, vị trí cảm biến PZT ảnh hưởng quyết định đến khả năng định vị hư hỏng. Cảm biến PZT đặt trực tiếp tại bu lông hư hỏng ghi nhận chỉ số CCD sau bù nhiệt cao gấp 3 đến 5 lần so với các cảm biến đặt tại các vị trí bu lông lân cận, xác nhận vùng cảm nhận hiệu quả của cảm biến giới hạn trong bán kính từ 0.4m đến 1.0m.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý của sự thay đổi trở kháng bắt nguồn từ việc mất lực căng bu lông làm thay đổi trực tiếp ma trận độ cứng động học của liên kết, làm giảm tần số dao động riêng cục bộ. Kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng với các công bố thực nghiệm của Park và cộng sự cũng như nghiên cứu của Huỳnh và Kim trên kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị phổ tần số đáp ứng phần thực và phần ảo của độ dẫn nạp, cùng biểu đồ cột thể hiện chỉ số RMSD trước và sau bù nhiệt. Các bảng so sánh chỉ số tương quan CC tại từng cấp nhiệt độ 35°C, 45°C, 55°C, 65°C minh chứng rõ ràng rằng thuật toán EFS đã triệt tiêu độ lệch do nhiệt độ gây ra, chỉ giữ lại sự biến đổi do tổn thương cơ học của bu lông.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu thành giải pháp thực tiễn trong công tác quản lý chất lượng công trình, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất:

• Tích hợp hệ thống cảm biến PZT màng mỏng vào quy trình quan trắc sức khỏe công trình trực tuyến cho 100% các nút khung thép chịu lực chính và giàn mái vượt nhịp trên 30m, nhằm cắt giảm 40% chi phí kiểm định định kỳ; do Ban Quản lý dự án và Tổng thầu kết cấu phối hợp thực hiện trong lộ trình 6 đến 12 tháng.
• Ứng dụng module thuật toán bù nhiệt độ EFS tự động vào phần mềm giám sát trung tâm, đặt ngưỡng cảnh báo sai số tương quan CC ở mức 0.95 để loại bỏ hơn 90% các cảnh báo sai lệch do biến thiên thời tiết; giao cho đội ngũ kỹ sư bảo trì vận hành và cập nhật định kỳ mỗi quý.
• Tiêu chuẩn hóa quy trình thi công dán cảm biến PZT bằng keo epoxy chuyên dụng đạt tiêu chuẩn EN 1465 kết hợp phủ lớp silica chống ẩm, đảm bảo độ ổn định truyền dẫn biến dạng ở dải nhiệt độ môi trường từ âm 10°C đến 65°C; thực hiện bởi đơn vị kiểm định chất lượng trước khi bàn giao công trình.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa lưu trữ đường dẫn nạp chuẩn ban đầu cho toàn bộ hệ thống bu lông cường độ cao ngay sau khi hoàn thành công tác siết bu lông đạt lực căng thiết kế; hoàn thành trong vòng 30 ngày kể từ ngày nghiệm thu kết cấu thép.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư thiết kế và giám sát kết cấu công trình: Nắm vững nguyên lý ứng dụng phương pháp kiểm tra không phá hủy hiện đại để đánh giá an toàn chịu lực của liên kết bu lông trong quá trình thi công và vận hành nhà thép cao tầng, cầu đường sắt, cầu treo nhịp lớn.
• Đơn vị quản lý, vận hành và bảo trì hạ tầng công nghiệp: Tham khảo phương pháp xây dựng hệ thống cảnh báo sớm hư hỏng tự động, giúp tối ưu hóa kế hoạch bảo dưỡng định kỳ và ngăn ngừa sự cố sập đổ đột ngột cho các nhà xưởng khẩu độ lớn.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Tiếp cận quy trình mô phỏng tương tác đa trường vật lý trên phần mềm ANSYS V15.0 và kỹ thuật lập trình thuật toán xử lý tín hiệu bù nhiệt trên MATLAB.
• Các nhà phát triển thiết bị đo lường và hệ thống quan trắc IoT: Ứng dụng thuật toán EFS và chỉ số thống kê RMSD để thiết kế các nút cảm biến thông minh không dây giám sát kết cấu trong điều kiện môi trường nhiệt độ phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp trở kháng cơ điện có ưu điểm gì nổi bật so với các phương pháp kiểm tra không phá hủy khác?
Phương pháp này kích thích ở dải tần số cao từ 30 kHz đến 150 kHz, tạo bước sóng ngắn nhạy bén với các hư hỏng vi mô như lỏng bu lông từ 10% ngay khi mới xuất hiện. Cảm biến PZT kích thước nhỏ gọn, dán trực tiếp lên bề mặt, cho phép giám sát liên tục trực tuyến mà không cần phá hủy hay làm gián đoạn vận hành công trình.

Tại sao biến thiên nhiệt độ môi trường lại gây sai lệch nghiêm trọng cho kết quả chẩn đoán trở kháng?
Nhiệt độ thay đổi từ 25°C đến 65°C làm giãn nở nhiệt kết cấu, suy giảm mô đun đàn hồi của thép và thay đổi hằng số áp điện của PZT. Hiện tượng này làm đường cong phổ trở kháng bị dịch chuyển tần số, khiến chỉ số RMSD tăng vọt trên 40% dù kết cấu hoàn toàn không bị hư hại.

Kỹ thuật dịch chuyển tần số có hiệu EFS khắc phục ảnh hưởng của nhiệt độ theo nguyên lý nào?
Kỹ thuật EFS thực hiện quét và tịnh tiến dải tần số đo hiện thời một lượng tần số hiệu chỉnh sao cho hệ số tương quan chéo CC so với tín hiệu chuẩn đạt giá trị cực đại. Sau khi đưa phổ tần số về đúng trạng thái đồng pha, các chỉ số RMSD và CCD được tính toán lại sẽ phản ánh chính xác 100% hư hỏng cơ học thực tế.

Luận văn đã kiểm chứng mức độ nới lỏng bu lông ở những kịch bản nào?
Nghiên cứu mô phỏng chi tiết 3 kịch bản suy giảm lực siết bu lông gồm 10%, 25% và 50% trên nút khung thép 4 bu lông. Các kịch bản này được khảo sát đồng thời tại 5 mức nhiệt độ từ 25°C đến 65°C, chứng minh chỉ số RMSD sau bù nhiệt tăng tuyến tính theo mức độ nới lỏng bu lông.

Quy trình mô phỏng và xử lý số liệu trong đề tài được thực hiện bằng các công cụ nào?
Tác giả sử dụng phần mềm ANSYS V15.0 để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D với phần tử Solid 45 và Solid 5 mô phỏng tương tác kết cấu - áp điện. Toàn bộ thuật toán bù nhiệt EFS và tính toán chỉ số thống kê RMSD, CC được lập trình tự động trên môi trường MATLAB.

Kết luận

• Nghiên cứu đã làm chủ thành công phương pháp mô phỏng số 3D đánh giá tương tác cơ điện của cảm biến PZT trên phần mềm ANSYS V15.0.
• Chứng minh định lượng tác động của nhiệt độ môi trường từ 25°C đến 65°C gây dịch chuyển phổ trở kháng và làm sai lệch chỉ số chẩn đoán hư hỏng.
• Xây dựng và kiểm chứng hiệu quả thuật toán bù nhiệt độ EFS trên MATLAB, khôi phục hệ số tương quan CC đạt trên 0.98, triệt tiêu báo động giả.
• Nhận dạng và định lượng chính xác 3 cấp độ nới lỏng bu lông 10%, 25% và 50% thông qua các chỉ số RMSD và CCD sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ.
• Đóng góp cơ sở khoa học vững chắc để phát triển hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu thép tự động, chi phí thấp và độ tin cậy cao tại Việt Nam.

Trong giai đoạn 12 tháng tới, các kỹ sư và chuyên gia công trình nên ứng dụng giải pháp này vào các dự án nhà xưởng, cầu thép trọng điểm nhằm nâng cao tính an toàn và kéo dài tuổi thọ khai thác của công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của các công trình xây dựng dân dụng và hạ tầng đòi hỏi những kỹ thuật thi công, xây dựng cao và tiên tiến, đặc biệt công trình thép ngày càng được sử dụng rộng rãi vì sự tiện lợi, thi công nhanh, thích hợp cho các công trình lớn, đòi hỏi độ bền cao như: Nhà công nghiệp, nhà xưởng, nhà máy, xí nghiệp; khung nhà công nghiệp là toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cần trục nặng, hoặc có thể là hỗn hợp cột bê tông cốt thép, dàn, và dầm thép như Hình 1. Nhà nhịp lớn là những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khá lớn từ 30 - 40m như nhà biểu diễn, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay… dùng kết cấu thép là hợp lý nhất. Có những trường hợp nhịp đặc biệt lớn trên 100m thì kết cấu thép là duy nhất áp dụng được. Khung nhà nhiều tầng: đặc biệt là các loại nhà kiểu tháp ở thành phố.

Nhà trên 15 tầng thì dùng kết cấu thép có lợi hơn bê tông cốt thép. Cầu đường bộ, đường sắt: làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh. Cầu treo bằng thép có thể vượt nhịp trên 1000m như Hình 1. Kết cấu tháp cao: cột điện, ăng ten: như các loại cột điện, cột ăng ten vô tuyến, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như kết cấu tháp khoan dầu như Hình 1.

Kết cấu bản: như các loại bể chứa dầu chứa khí các thiết bị lò cao của nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu. Đối với nhiều nước trên thế giới, thép là vật liệu quý và hiếm vì thép cần dùng cho mọi ngành của nền kinh tế quốc dân. Nhà thép Samsung ở TP. Cầu thép tại nút giao thông Nguyễn Chí Thanh - Kim Mã, Hà Nội Hình 1.

Tháp truyền hình dự kiến xây cao thứ tư thế giới tại Hà Nội 3 Tuy nhiên một trong những vấn đề cần phải quan tâm đối với những công trình này là các giải pháp bảo hành, bảo trì công trình thường niên để đảm bảo công trình có khả năng sử dụng lâu dài. Đồng thời, khi công trình xảy ra sự cố gây hư hỏng, ví dụ: động đất, bão, tai nạn. thì việc xác định xem các công trình này còn an toàn để tiếp tục sử dụng được hay không là vấn đề cấp thiết. Vấn đề cần được xem xét có thể là liên kết bu lông, sự hư hỏng của liên kết bu lông sẽ làm giảm khả năng làm việc của kết cấu thép dẫn đến hư hỏng cục bộ hoặc hư hỏng hoàn toàn kết cấu; từ đó có thể gây ra những hậu quả nặng nề như sụp đổ công trình thép, ảnh hưởng đến sự an toàn và tính mạng của con người.

Có thể thấy rõ sự ảnh hưởng khi hư hỏng dẫn tới các công trình thép xảy ra sự cố qua các Hình 1. Sự cố sập cầu Ghềnh tại Đồng Nai 4 Hình 1. Sự sụp đổ của cầu Mississippi, Mỹ Hình 1. Sự sụp đổ tháp truyền hình tại Nam Định 5 Do đó, việc thường xuyên theo dõi và chẩn đoán hư hỏng của kết cấu nói chung, của liên kết bu lông nói riêng để từ đó đưa ra các kết luận và phương án xử lý giải quyết hư hỏng kịp thời là một việc làm có ý nghĩa quan trọng.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang phát triển và hoàn thiện phương pháp theo dõi và chẩn đoán kết cấu SHM (Structural Health Monitoring); đây là một kỹ thuật mới kết hợp giữa nhiều ngành kỹ thuật như cơ học, kỹ thuật điện, kỹ thuật phân tích số liệu, vật liệu và công nghệ thông tin… Trong đó có hai phương pháp được nghiên cứu nhằm để theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM) gồm phương pháp phá hủy DE (Destructive Evaluation) và phương pháp không phá hủy NDE (Non-destructive Evaluation). Phương pháp phá hủy (DE) là phương pháp mà mẫu thử hoặc một phần kết cấu sẽ được thí nghiệm nhằm mục đích xác định tính chất cơ học, sức bền , tính dẻo và độ cứng… qua đó đánh giá trực tiếp có thể xác định được tính chất của cấu kiện, kết cấu ngay sau thí nghiệm. Phương pháp không phá hủy (NDE) là phương pháp dùng để thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá và chẩn đoán kỹ thuật các sản phẩm, công trình công nghiệp mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng và sau khi kiểm tra kết cấu xác định có thể dùng được theo các mục đích thiết kế ban đầu. NDE chỉ cho được các kết quả gián tiếp thông qua so sánh với mẫu chuẩn.

Trong các phương pháp không phá hủy (NDE) thì có nhiều phương pháp để phát hiện hư hỏng của kết cấu, trong đó phương pháp trở kháng cho kết quả khả quan trong việc theo dõi được những hư hỏng khi mới hình thành tại các vị trí quan trọng như liên kết bu lông. Phương pháp trở kháng là sử dụng tích hợp thiết bị cảm biến PZT (Lead Zirconate Titanate) với kích thích ở một dãi tần số cao để cung cấp khả năng tự theo dõi các thay đổi động học của kết cấu. Các tần số được sử dụng trong kỹ thuật này là tần số cao vì như thế sẽ tạo ra được các bước sóng kích thích ngắn, nhỏ hơn chiều dài đặc trưng của hư hỏng, từ đó dễ cảm nhận được những hư hỏng mới bắt đầu và các hư hỏng này không gây ra bất kỳ sự thay đổi nào trong các đặc trưng độ cứng tổng thể của kết cấu. Phát hiện các hư hỏng mới bắt đầu là hữu ích nhất vì nó có thể cung cấp cho một cảnh báo trước khi sập đổ thực sự xảy ra.

Các tần số cao cũng hạn chế các diện tích cảm biến của thiết bị truyền động. Khu vực cảm biến hạn chế này giúp cô lập các ảnh hưởng của hư hỏng trên tín hiệu trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độ cứng và điệu kiện biên 6 ở khu vực xa hư hỏng. Vì vậy, kỹ thuật này sẽ hữu ích trong việc xác định và theo dõi hư hỏng trong những khu vực kết cấu mà tính toàn vẹn kết cấu cần phải được đảm bảo tại mọi thời điểm. Tuy nhiên theo một số nghiên cứu chỉ ra rằng tín hiệu trở kháng của vật liệu cơ điện (PZT) dễ bị ảnh hưởng bởi những yếu tố bên ngoài, đặc biệt là nhiệt độ; điều này làm cho việc theo dõi và chẩn đoán hư hỏng gặp nhiều khó khăn.

Theo các nghiên cứu vật liệu cơ điện (PZT) là một loại vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ môi trường dẫn đến sự thay đổi trong tín hiệu trở kháng, đặc biệt là trong miền tần số của trở kháng, do đó dễ dàng dẫn đến những phân tích hư hỏng sai lệch cho kết cấu so với thực tế. Luận văn này nghiên cứu về các ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như đề xuất một hướng phát triển cho các phương pháp loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ ra khỏi quá trình theo dõi kết cấu. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là ứng dụng đặc trưng trở kháng cơ – điện EMI (Electro- Mechannical Impedance) thông qua việc sử dụng vật liệu áp điện (Piezoelectric Device) để theo dõi, chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông dưới các điều kiện nhiệt độ môi trường thay đổi.

Các tín hiệu trở kháng của kết cấu được đánh giá, thông qua các chỉ số RMSD (Root-Mean-Square Deviation), CC (Cross Correlation) để phát hiện hư hại và đánh giá mức độ hư hại của liên kết bu lông trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.2 Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi luận văn sẽ sử dụng phần mềm ANSYS V15.0 để mô phỏng các kết cấu, so sánh kết quả mô phỏng so với kết quả thực nghiệm. Xây dựng thuật toán bù nhiệt độ để hiệu chỉnh lại các tín hiệu trở kháng bị sai lệch do ảnh hưởng có nhiệt độ thay đổi. Cụ thể sẽ thực hiện trên 3 bài toán: Bài toán 1: Mô hình một dầm nhôm có điều kiện biên tự do của Jiang và Liu (2009) [1], với hư hỏng là vết nứt ở giữa dầm. Mục đích đánh giá khả năng mô hình của 7 ANSYS V15.0 trong việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu bằng cách so sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Bài toán 2: Mô phỏng dầm nhôm có điều kiện biên tự do của Baptista và cộng sự (2014) [2], với nhiệt độ 250C, 360C, 450C, 1020C. Mục đích đánh giá khả năng mô phỏng của ANSYS V15.0 trong điều kiện biến thiên nhiệt độ bằng cách so sánh tín hiệu trở kháng giữa mô phỏng và thực nghiệm, cũng như đánh giá tính khả thi trong việc sử dụng phương pháp bù nhiệt độ (EFS) để hiệu chỉnh các tín hiệu trở kháng. Bài toán 3: Mô hình liên kết bu lông dầm mái của một công trình thực tế bao gồm 4 bu lông liên kết. Hư hỏng là tổ hao lực kéo của bu lông.

Mục đích áp dụng phương pháp đã thực hiện ở bài toán 1 và bài toán 2 để chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông trong điều kiện biến thiên của nhiệt độ. Các bài toán này sẽ được trình bày rõ hơn ở Chương 4. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu Luận vặn tập trung nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đặc trưng trở kháng cơ - điện nhằm chẩn đoán trước được các nguy cơ có thể gây ra các rủi ro không dự kiến trước được, cụ thể: Trong luận luận văn nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng của liên kết bu lông trong kết cấu sử dụng trở kháng và tập trung đánh giá tác động của nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp chẩn đoán hư hỏng và đề xuất phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường từ đó đánh giá được hiệu quả thực tiễn của phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu. Việc sử dụng phương pháp trở kháng dựa trên sự thay đổi của đặc trưng trở kháng cơ - điện (EMI) giúp chẩn đoán và xác định vị trí hư hỏng, tuy nhiên trong thực tế, các tín hiệu trở kháng của vật liệu cơ - điện (PZT) dễ bị ảnh hưởng bởi những yếu tố bên ngoài, đặc biệt nhất là yếu tố nhiệt độ có thể gây ra những tín hiệu sai lệch trong quá trình theo dõi và chẩn đoán hư hỏng của kết cấu.

Điều này dẫn đến khả năng áp dụng thực tiễn của phương pháp trở kháng dựa trên đặc trưng cơ - điện cần được xem xét cẩn thận.