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.
