CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1. Tầm quan trọng của công tác theo dõi sức khỏe kết cấu Trong bối cảnh thế giới hiện nay, dưới áp lực của dân số, nhu cầu về nhà ở, cơ sở hạ tầng, khu công nghiệp…ngày một tăng cao, kéo theo các công trình xây dựng mới tăng nhanh theo từng năm. Bên cạnh đó là sự xuất hiện của hàng loạt các công trình xuống cấp, không đáp ứng được nhu cầu sử dụng tại thời điểm hiện tại, gây nguy hiểm cho tính mạng của con người và tài sản. Nguyên nhân có thể xuất phát từ vật liệu xuống cấp, ăn mòn, tải trọng ở thời điểm hiện tại cao hơn tải trọng thiết kế hoặc dưới tác động không mong muốn như động đất, va chạm, hỏa hoạn… Hiện nay, có hàng loạt các công trình xuống cấp trầm trọng nhưng vẫn được sử dụng, tiềm ẩn nguy cơ nguy hiểm có thể kể đến như: Hình 1.
Sự xuống cấp của chung cư Hình 1. Sự xuống cấp của cầu Long 727 Trần Hưng Đạo, Việt Nam Biên, Việt Nam Một số công trình sau khi chịu tác động bởi các sự cố như động đất, hỏa hoạn, va chạm… cần được đánh giá, kiểm tra tình trạng của kết cấu. Nhằm đảm bảo độ an toàn hoặc đưa ra các biện pháp xử lý phù hợp. Bên trong chung cư Carina Hình 1.
Tòa nhà xuất hiện các vết nứt sau hỏa hoạn, Việt Nam sau động đất tại Mexico Riêng đối với ngành giao thông, lĩnh vực kết cấu được quan tâm đến nhiều nhất là các công trình cầu. Sau một thời gian dài sử dụng và khai thác, do lưu lượng xe ngày càng tăng, tải trọng xe lớn hơn so với thiết kế ban đầu và các yếu tố tác động từ môi trường. Dẫn tới các công trình cầu xuống cấp và hư hỏng sớm hơn so với thiết kế. Mặc dù có chi phí thiết kế và xây dựng cao, cùng với đó là tầm quan trọng của chúng trong hệ thống hạ tầng giao thông khu vực nhưng công tác duy tu bảo dưỡng cầu ở Việt Nam vẫn chưa nhận được sự quan tâm đúng mức, gây phát sinh nhiều khó khăn trong việc phát hiện cũng như sửa chữa hư hỏng.
Điều này dẫn tới tuổi thọ công trình bị ảnh hưởng, ảnh hưởng lớn đến việc đảm bảo an toàn giao thông cũng như việc khai thác cầu hiệu quả. Một số sự cố có thể kể đến như sự cố năm 2017 tại cầu Bính, Việt Nam. Khi một tàu bị tuột neo do bão, đã trôi dạt và va chạm vào dầm cầu. Gây biến dạng dầm cầu và làm bong tróc, hư hại một số cáp dây văng của cầu.
Dầm cầu bị biến dạng sau va Hình 1. Lớp bảo vệ cáp dây văng bị chạm tại cầu Bính, Việt Nam bong tróc sau va chạm Một số sự cố hư hỏng công trình cầu khác như sự cố sập cầu Mahakam II, Indonesia; Sự cố tại cầu I-59/20, USA;… 3 Hình 1. Sự cố sập cầu Mahakam II, Hình 1. Sự cố tại cầu I-59/20, Indonesia Birmingham, AL, USA Các vấn đề trên là tiền đề và động lực để lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe công trình SHM (Structural Health Monitoring) ra đời, được quan tâm, nghiên cứu và phát triển.
Chen and Ni [1] đã định nghĩa SHM là quy trình chẩn đoán sức khỏe công trình thông qua một hệ thống giám sát tự động – yếu tố chính trong cả hệ thống là hiệu quả về chi phí. Có thể thấy, trải qua nhiều thập niên phát triển, lĩnh vực SHM đang đặt ra nhiều thách thức mới không chỉ dừng ở việc đánh giá hiện trạng tại một thời điểm nhất định mà còn là một quy trình đầy đủ các bước theo thời gian thực, nhằm đưa ra các cảnh báo chính xác và kịp thời. Mục tiêu chính của SHM là xác định hư hỏng và đánh giá mức độ hư hỏng trong kết cấu. Hư hỏng ở đây có thể là sự thay đổi về tính chất vật liệu hoặc hình học của kết cấu.
Các đặc điểm này có thể tác động không nhỏ tới khả năng làm việc của kết cấu ban đầu. Farrar, et al. [2] đã đưa ra năm cấp độ của một quy trình SHM như sau: Phát hiện hư hỏng Vị trí hư hỏng Phân loại hư hỏng Tiên lượng hư hỏng Đánh giá hư hỏng Hình 1. Các cấp độ trong chiến lược chẩn đoán sức khỏe công trình Trong thập niên gần đây, khi các công trình lớn như chung cư, tòa nhà, cầu…được xây dựng nhiều hơn, các biện pháp phát hiện hư hỏng bẳng mắt (trực quang) đã không còn phù hợp, điều này đặt ra vấn đề cần tìm ra các phương pháp mới chẩn đoán sức khỏe của công trình.
Một trong số đó phải kể đến phương pháp chẩn đoán dựa trên 4 các đặc trưng về dao động của kết cấu. Cơ sở của phương pháp này dựa trên sự thay đổi của các đặc trưng dao động (tần số tự nhiên, dạng dao động, đường cong dao động, hệ số cản…) dưới tác động của hư hỏng. Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm và mặt hạn chế riêng. Tuy nhiên, tất cả đều hướng tới việc đáp ứng một hay nhiều cấp độ trong SHM, cùng với đó là chi phí và tính khả thi của phương pháp.
Các hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép 1. Nguyên nhân gây hư hỏng Có nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng của dầm bê tông cốt thép trong thực tế, bao gồm các nguyên nhân chủ quan và khách quan. Một số nguyên nhân chủ quan như: + Giai đoạn khảo sát xây dựng: quá trình khảo sát địa chất, thủy văn không đánh giá hết các nguy hiểm gây ra cho công trình. + Giai đoạn thiết kế: các sai sót trong thiết kế hạ tầng, thượng tầng, biện pháp thi công không phù hợp ảnh hưởng đến chất lượng của kết cấu.
+ Giai đoạn thi công: chất lượng vật liệu, trình độ thi công kém, không tuân thủ các quy trình thi công đã được đề ra… + Giai đoạn vận hành: không có sự kiểm tra định kỳ, đánh giá khả năng hoạt động của công trình sau một thời gian sử dụng… Ngoài ra, còn một số nguyên nhân khác quan khác như động đất, bão, lũ, tai nạn giao thông, tai nạn đường thủy, hỏa hoạn… 1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của luận văn là chẩn đoán vết nứt trong dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng các đặc trưng dao động. Nội dung nghiên cứu Sau đây là các nhiệm vụ và nội dung của nghiên cứu này: 1.
Tìm hiểu các đặc trưng về dao động của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng các đặc trưng dao động. Mô phỏng dầm bê tông cốt thép bằng phần mềm ANSYS. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm và lý thuyết, từ đó đánh giá độ tin cậy của phương pháp mô phỏng. Chẩn đoán vết nứt của dầm bê tông cốt thép với bốn phương pháp: phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động và phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số.
Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán bằng phương pháp đánh giá độ chính xác. Kết luận và kiến nghị. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu Lịch sử phát triển hiện đại của ngành xây dựng gắn liền với việc sử dụng và phát triển kết cấu bê tông cốt thép. Từ các công trình dân dụng, cho đến các công trình cầu, bê tông cốt thép luôn đóng vai trò là kết cấu chịu lực chính của cả công trình.
Tuy nhiên, sau thời gian dài sử dụng, kết cấu này dưới tác động của môi trường và con người - vật liệu bị lão hóa, xuống cấp hoặc xuất hiện các hư hỏng do tác động ngoài ý muốn. Việc tìm ra một phương pháp có khả năng xác định hư hỏng trong dầm có vết nứt là cần thiết. Với đặc điểm nhạy đối với hư hỏng, các đặc trưng dao động được chọn là đối tượng nghiên cứu chính trong luận văn. Các nghiên cứu gần đây thường sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giảm các vấn đề về chi phí và sai sót trong thí nghiệm.
Tuy nhiên, việc chẩn đoán hư hỏng chỉ mới áp dụng cho các kết cấu đồng chất, hư hỏng đơn lẻ bằng cách giảm độ cứng phần tử hoặc xóa phần tử tại vị trí khảo sát. Tiếp nối ý tưởng này, luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dầm bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng, hư hỏng trong dầm là vết nứt. Sau đó, thu được dữ liệu dao động từ quá trình phân tích dao động của dầm. Các dữ liệu này được dùng để chẩn đoán hư hỏng trong dầm với bốn phương pháp: phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số, phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong dạng dao động và phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số.
Trong đó, phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cứng và tần số mang tính chẩn đoán thực tiễn cao, khi dữ liệu đầu vào không cần đo đạc dạng dao động của dầm đã bị hư hỏng. Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn được trình bày gồm 5 chương như sau: Chương 1. Giới thiệu Giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Tổng quan Tổng quan về tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về phương pháp dao động để chẩn đoán hư hỏng của kết cấu. Chỉ ra những vấn đề mà luận văn tập trung giải quyết. Cơ sở lý thuyết Trình bày các cơ sở lý thuyết, các phương pháp sẽ áp dụng để chẩn đoán hư hỏng.
Bài toán khảo sát Thực hiện tính toán các bài toán và nhận xét kết quả đạt được. Kết luận và kiến nghị Đưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và kiến nghị hướng phát triển đề tài trong tương lai. 7 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN Lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe công trình SHM (Structural Health Monitoring) tuy đã có mặt khá lâu, nhưng mới chỉ thực sự được phát triển và tập trung nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây. Phương pháp dao động được xếp vào phương pháp phân tích và xác định hư hỏng không phá hủy.
Ưu điểm của phương pháp là tính hiệu quả cao, chi phí thấp và dễ dàng áp dụng, có thể được áp dụng trên nhiều loại kết cấu, hình dạng khác nhau, nội dung cụ thể sẽ được trình bày dưới đây.