Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Đặng Ngọc Thúy Vy
• Người hướng dẫn: TS. Hà Minh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.1.3. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài
• 2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Giới thiệu phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị
• 3.2. Công tác lấy dữ liệu
• 3.3. Các chỉ số dùng để chẩn đoán hư hỏng
• 3.3.1. Chỉ số RMSD (Root Mean Square Deviation)
• 3.3.2. Chỉ số MAPD (Mean Absolute Percentage Deviation)
• 3.3.3. Chỉ số chuẩn hóa Z jX
• 3.4. Xác định mức độ hư hỏng
• 3.5. Khoanh vùng hư hỏng
• 3.6. Ngưỡng hư hỏng đề xuất
• 3.7. Quy trình chẩn đoán
• 3.8. Phương pháp đánh giá độ chính xác của chẩn đoán
• 3.9. Mô hình trong ANSYS
• 3.10. Quy trình giải bài toán cơ bản
• 3.10.1. Mô hình phần tử
• 3.10.2. Mô hình vật liệu
• 3.10.3. Phương pháp phân tích
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC BÀI TOÁN KHẢO SÁT
• 4.1. Thông số đầu vào
• 4.2. Kết quả phân tích tải trọng – chuyển vị
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Điểm mới và đóng góp của luận văn
• 5.2. Những điểm cần cải thiện
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về đánh giá hư hỏng kết cấu dầm là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật xây dựng. Việc chẩn đoán hư hỏng kịp thời giúp bảo trì và gia tăng tuổi thọ của các công trình. Phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị được áp dụng để phân tích và đánh giá tình trạng của dầm bê tông cốt thép. Mô hình dầm được xây dựng bằng phần mềm phần tử hữu hạn như SAP2000 và ANSYS, cho phép thu thập dữ liệu chính xác về ứng xử của dầm dưới tải trọng di động. Kết quả từ mô hình này sẽ cung cấp thông tin cần thiết để xác định tình trạng hư hỏng của dầm, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

1.1 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, việc đảm bảo an toàn cho các công trình là vô cùng quan trọng. Các công trình như cầu, nhà cao tầng, và kho bãi logistics thường xuyên chịu tác động của tải trọng động. Việc kiểm tra kết cấu định kỳ giúp phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa. Phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị không chỉ giúp xác định vị trí và mức độ hư hỏng mà còn cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả và tiết kiệm cho việc đánh giá kết cấu.

II. Cơ sở lý thuyết

Phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị là một kỹ thuật quan trọng trong việc đánh giá hư hỏng kết cấu. Phương pháp này dựa trên việc phân tích sự thay đổi của chuyển vị tại các điểm khác nhau trên dầm khi có tải trọng tác động. Các chỉ số như Root Mean Square Deviation (RMSD) và Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) được sử dụng để đánh giá sự tương quan giữa các đường ảnh hưởng ở trạng thái hư hỏng và không hư hỏng. Việc áp dụng các chỉ số này giúp xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng của dầm, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

2.1 Phương pháp đường ảnh hưởng

Phương pháp đường ảnh hưởng cho phép phân tích ứng xử của dầm dưới tải trọng động. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình phân tích. Các chỉ số RMSD và MAPD sẽ được tính toán để đánh giá sự khác biệt giữa các trạng thái của dầm. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng các chỉ số này có thể giúp xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng, từ đó hỗ trợ cho công tác bảo trì và sửa chữa.

III. Kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chỉ số RMSD và MAPD có thể đạt độ chính xác trên 90% trong việc xác định vị trí và mức độ hư hỏng của dầm. Các kịch bản khảo sát cho thấy rằng việc tăng số điểm lấy dữ liệu có thể cải thiện độ chính xác của phương pháp. Kết quả này không chỉ có giá trị trong việc đánh giá hư hỏng mà còn có thể áp dụng trong các công trình thực tế, giúp nâng cao hiệu quả trong công tác bảo trì và quản lý kết cấu.

3.1 Đánh giá độ chính xác

Độ chính xác của phương pháp được đánh giá thông qua các chỉ số RMSD và MAPD. Kết quả cho thấy rằng cả hai chỉ số đều có khả năng xác định sự hiện diện và vị trí của hư hỏng với độ chính xác cao. Việc áp dụng các bước chuẩn hóa và vẽ biểu đồ giúp cải thiện khả năng nhận diện hư hỏng, từ đó hỗ trợ cho việc đưa ra các quyết định sửa chữa kịp thời.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của phương pháp đường ảnh hưởng trong việc đánh giá hư hỏng kết cấu dầm. Các chỉ số RMSD và MAPD không chỉ giúp xác định vị trí và mức độ hư hỏng mà còn có thể được cải tiến để nâng cao độ chính xác. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là mở rộng phạm vi khảo sát và áp dụng phương pháp này vào các loại kết cấu khác nhau để đánh giá tính hiệu quả trong các điều kiện thực tế.

4.1 Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc áp dụng phương pháp đường ảnh hưởng cho các loại kết cấu khác nhau, như cầu hoặc nhà cao tầng. Việc mở rộng nghiên cứu sẽ giúp xác định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong ngành xây dựng, việc bảo trì và giám sát sức khỏe kết cấu công trình ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các công trình như nhà kho logistics, cầu treo, nhà máy… chịu tác động lớn từ tải trọng động do thiết bị vận chuyển như xe nâng và robot di chuyển liên tục, gây ảnh hưởng đến kết cấu dầm, cột, sàn. Việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng di động là một thách thức quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ công trình. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng dựa trên phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị, tập trung xác định sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng của dầm bê tông cốt thép dài 2.2m. Nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm SAP2000 và ANSYS để thu thập dữ liệu chuyển vị dưới các trạng thái tải trọng khác nhau, từ đó tính toán các chỉ số Root Mean Square Deviation (RMSD) và Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) nhằm đánh giá sự khác biệt giữa trạng thái chưa hư hỏng và hư hỏng. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong vùng giữa hai gối tựa của dầm, nơi dễ xảy ra hư hỏng nhất. Kết quả cho thấy độ chính xác chẩn đoán trên 90% với sự đồng thuận từ mức trung bình đến tốt, đồng thời khảo sát mở rộng về số điểm lấy dữ liệu nhằm xác minh tính khả thi của phương pháp trong điều kiện thực tế. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển các phương pháp giám sát kết cấu hiệu quả, chi phí thấp, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả quản lý công trình xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết đường ảnh hưởng của chuyển vị, một đại lượng biểu thị sự thay đổi chuyển vị tại một điểm trên kết cấu khi tải trọng tập trung di chuyển dọc theo dầm. Phương pháp này cho phép thu thập dữ liệu tĩnh học để chẩn đoán hư hỏng kết cấu. Hai chỉ số chính được sử dụng là:

• Root Mean Square Deviation (RMSD): Đo lường sự khác biệt bình phương trung bình giữa giá trị chuyển vị ở trạng thái chưa hư hỏng và trạng thái hư hỏng, giúp phát hiện sự xuất hiện và vị trí hư hỏng.

• Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD): Đánh giá sự sai lệch trung bình tuyệt đối theo tỷ lệ phần trăm giữa hai trạng thái chuyển vị, hỗ trợ xác định mức độ hư hỏng.

Ngoài ra, chỉ số chuẩn hóa ( Z_j^X ) được đề xuất nhằm xác định bề rộng vùng nứt, thể hiện mức độ hư hỏng thông qua chuẩn hóa các giá trị chỉ số thuần RMSD và MAPD. Phương pháp khoanh vùng hư hỏng dựa trên độ dốc đột ngột của các chỉ số thuần giúp xác định chính xác khu vực nghi ngờ hư hỏng. Để đánh giá độ chính xác của phương pháp, các chỉ số A (độ chính xác vùng nứt), B (độ chính xác vùng không nứt), C (độ chính xác tổng thể) và chỉ số Kappa (đo độ đồng thuận giữa kết quả chẩn đoán và thực tế) được áp dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép dài 2.2m, mô phỏng trên phần mềm SAP2000 (dầm đồng chất) và ANSYS (dầm bê tông cốt thép). Các trường hợp hư hỏng được giả định bằng cách giảm độ cứng phần tử hoặc gia tải tạo vết nứt. Dữ liệu chuyển vị thu thập ở trạng thái chuẩn và trạng thái hư hỏng được sử dụng để tính toán các chỉ số RMSD, MAPD và chỉ số chuẩn hóa.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng ứng xử kết cấu dưới tải trọng di động và tĩnh.

• Tính toán đường ảnh hưởng của chuyển vị tại các điểm đo dọc dầm.

• Xác định sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng dựa trên các chỉ số chẩn đoán.

• Đánh giá độ chính xác bằng các chỉ số A, B, C và Kappa.

Cỡ mẫu gồm nhiều kịch bản hư hỏng khác nhau với số điểm lấy dữ liệu từ 10 đến 15 điểm dọc dầm nhằm khảo sát ảnh hưởng của mật độ dữ liệu đến độ chính xác chẩn đoán. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2022 đến tháng 06/2023, tập trung tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng phát hiện sự xuất hiện và vị trí hư hỏng: Chỉ số RMSD và MAPD đều cho kết quả chính xác trên 90% trong việc xác định sự xuất hiện và vị trí hư hỏng trên dầm bê tông cốt thép. Ví dụ, trong kịch bản hư hỏng giữa nhịp (S01), chỉ số RMSD đạt độ chính xác vùng nứt A trên 92%, độ chính xác vùng không nứt B trên 95%, và độ chính xác tổng thể C trên 93%.

2. Xác định mức độ hư hỏng qua bề rộng vùng nứt: Phương pháp chuẩn hóa và khoanh vùng hư hỏng dựa trên độ dốc chỉ số thuần giúp xác định bề rộng vùng nứt với sai số nhỏ so với thực tế. Các biểu đồ chuẩn hóa kết hợp ngưỡng hư hỏng cho phép phân biệt rõ ràng vùng nứt và vùng không nứt.

3. Ảnh hưởng của số điểm lấy dữ liệu: Tăng số điểm lấy dữ liệu từ 10 lên 15 điểm cải thiện độ chính xác chẩn đoán, đặc biệt trong việc khoanh vùng hư hỏng, giúp giảm sai số và tăng độ tin cậy của phương pháp khi áp dụng thực tế.

4. Độ đồng thuận với thực tế: Chỉ số Kappa đánh giá mức độ đồng thuận giữa kết quả chẩn đoán và thực tế dao động từ 0.65 đến 0.85, tương ứng với mức đồng thuận trung bình đến tốt, chứng tỏ tính khả thi của phương pháp trong giám sát kết cấu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của độ chính xác cao là do phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị tận dụng đặc trưng tĩnh học, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và nhiễu so với các phương pháp dựa trên dao động. Việc chuẩn hóa và khoanh vùng hư hỏng giúp giảm thiểu sai số do dữ liệu nhiễu và tăng khả năng phân biệt vùng hư hỏng thực sự. So sánh với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào đặc trưng động học như tần số và dạng dao động, nghiên cứu này mở rộng phạm vi bằng cách sử dụng đặc trưng tĩnh học, phù hợp với các công trình chịu tải trọng di động như nhà kho logistics.

Biểu đồ chỉ số RMSD và MAPD có thể được trình bày dưới dạng đồ thị đường ảnh hưởng chuyển vị và biểu đồ chuẩn hóa, giúp trực quan hóa vị trí và mức độ hư hỏng. Các kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS cũng được so sánh với kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu trước, cho thấy sự phù hợp cao, củng cố tính ứng dụng của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống cảm biến chuyển vị dọc dầm: Lắp đặt cảm biến chuyển vị tại các điểm quan trọng trên dầm để thu thập dữ liệu đường ảnh hưởng chuyển vị liên tục, nhằm phát hiện sớm hư hỏng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý công trình và nhà thầu giám sát.

2. Phát triển phần mềm phân tích tự động: Xây dựng phần mềm tích hợp tính toán chỉ số RMSD, MAPD và chuẩn hóa, tự động khoanh vùng hư hỏng và cảnh báo mức độ hư hỏng. Mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý dữ liệu và giảm thiểu sai sót do con người. Thời gian phát triển dự kiến 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ thực hiện.

3. Mở rộng khảo sát với số điểm dữ liệu cao hơn: Tăng số điểm lấy dữ liệu lên trên 15 điểm để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế, đặc biệt với các kết cấu phức tạp. Thời gian khảo sát 6-9 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học chủ trì.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ sư xây dựng: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đường ảnh hưởng chuyển vị, giúp kỹ sư vận hành và bảo trì công trình áp dụng hiệu quả. Thời gian triển khai liên tục, do các trường đại học và tổ chức đào tạo chuyên ngành thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia giám sát công trình xây dựng: Nghiên cứu cung cấp phương pháp chẩn đoán hư hỏng hiệu quả, giúp phát hiện sớm và xử lý kịp thời các vấn đề kết cấu, giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa.

2. Nhà quản lý và chủ đầu tư công trình: Tham khảo để xây dựng kế hoạch bảo trì, giám sát kết cấu dựa trên dữ liệu thực tế, nâng cao hiệu quả quản lý tài sản và đảm bảo an toàn công trình.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về chẩn đoán sức khỏe kết cấu.

4. Các công ty công nghệ phát triển thiết bị cảm biến và phần mềm phân tích: Tham khảo để phát triển các giải pháp giám sát kết cấu tích hợp, đáp ứng nhu cầu thực tế trong ngành xây dựng và bảo trì công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp này sử dụng đặc trưng tĩnh học, dễ thu thập dữ liệu, chi phí thấp và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường so với các phương pháp dựa trên dao động. Ví dụ, nó cho phép xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng trên dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng di động.

2. Chỉ số RMSD và MAPD được tính toán như thế nào?
   RMSD là căn bậc hai của trung bình bình phương sai khác giữa chuyển vị ở trạng thái chưa hư hỏng và hư hỏng, còn MAPD là trung bình tỷ lệ phần trăm sai khác tuyệt đối giữa hai trạng thái. Cả hai chỉ số đều bằng 0 khi không có hư hỏng và lớn hơn 0 khi có hư hỏng.

3. Làm thế nào để xác định bề rộng vùng nứt từ dữ liệu chuyển vị?
   Bằng cách chuẩn hóa các chỉ số RMSD và MAPD, vẽ biểu đồ chuẩn hóa kết hợp với ngưỡng hư hỏng, sau đó xác định các điểm giao cắt để khoanh vùng nghi ngờ hư hỏng, từ đó xác định bề rộng vùng nứt.

4. Số điểm lấy dữ liệu ảnh hưởng thế nào đến độ chính xác chẩn đoán?
   Tăng số điểm lấy dữ liệu giúp cải thiện độ chính xác và khả năng khoanh vùng hư hỏng chính xác hơn, giảm sai số do dữ liệu nhiễu, phù hợp với điều kiện thực tế khi triển khai hệ thống cảm biến.

5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại kết cấu khác ngoài dầm bê tông cốt thép không?
   Mặc dù nghiên cứu tập trung vào dầm bê tông cốt thép, nguyên lý đường ảnh hưởng chuyển vị và các chỉ số chẩn đoán có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các kết cấu khác như dầm thép, tấm hoặc khung, tùy thuộc vào đặc tính vật liệu và hình học kết cấu.

Kết luận

• Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên đường ảnh hưởng của chuyển vị sử dụng chỉ số RMSD và MAPD cho kết quả chính xác trên 90% trong việc phát hiện sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng dầm bê tông cốt thép.
• Việc chuẩn hóa và khoanh vùng hư hỏng giúp xác định bề rộng vùng nứt một cách hiệu quả, hỗ trợ đánh giá mức độ hư hỏng chi tiết.
• Tăng số điểm lấy dữ liệu cải thiện độ chính xác và tính khả thi của phương pháp trong điều kiện thực tế.
• Chỉ số Kappa cho thấy mức độ đồng thuận từ trung bình đến tốt giữa kết quả chẩn đoán và thực tế, khẳng định tính ứng dụng của phương pháp.
• Đề xuất triển khai hệ thống cảm biến, phát triển phần mềm phân tích tự động và đào tạo kỹ sư nhằm nâng cao hiệu quả giám sát kết cấu trong thực tế.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng khảo sát với các loại kết cấu phức tạp hơn và tích hợp dữ liệu thực tế từ công trình để hoàn thiện phương pháp. Để ứng dụng hiệu quả, các đơn vị quản lý công trình và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai các giải pháp giám sát dựa trên kết quả nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Khoa học công nghệ trong ngành xây dựng đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ gần đây. Một sự thật mà ta không thể phủ nhận là các tòa nhà cao tầng, cầu treo, sân vận động, nhà máy,… không ngừng được xây dựng với quy mô ngày càng lớn hơn. Trong công cuộc phát triển kinh tế toàn cầu thì việc luân chuyển hàng hóa trở nên hiệu quả hơn nhờ ứng dụng khoa học công nghệ. Một trong các loại công trình có công năng quan trọng trong việc vận hành hàng hóa trên khắp thế giới là dạng nhà kho phân loại phục vụ công tác logistics trong ngành quản lý chuỗi cung ứng.

Bằng chứng là rất nhiều kho bãi phục vụ cho các công tác này đang được xây dựng trên khắp thế giới. Trong đó, phân loại hàng hóa đều đã được tự động hóa bằng robot nhằm giảm thiểu đối đa nhầm lẫn và việc vận chuyển trong nhà kho sẽ được thực hiện bởi các xe nâng chuyên dụng (Hình 1. Hệ thống thiết bị này có đặc điểm là di chuyển thường xuyên, chúng gây tác động đến các kết cấu của kho bãi khi giờ đây các cấu kiện như cột, dầm, sàn sẽ chịu tải trọng động ngoài các tĩnh tải thông thường. Bảo trì liên tục các kết cấu của công trình là công tác thiết yếu để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của chúng.1 Xe nâng và robot trong kho bãi logistics (Nguồn: Internet) Những công trình quy mô lớn cần có thời gian xây dựng lâu dài nên việc theo dõi, bảo trì liên tục các kết cấu của công trình là công tác thiết yếu.

Bởi không chỉ do các sai lệch trong quá trình thi công mà các yếu tố tự nhiên như gió, bão, động đất,… kèm các tác dụng động lực học khác cũng sẽ khiến cấu kiện không đạt chuẩn so với thiết kế. Để đảm bảo chất lượng của các cấu kiện, chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) là một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Việc này giúp nhận biết sớm các mối nguy hại trên kết cấu, tạo điều kiện 2 thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hư hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của công trình, giảm thiểu mọi hậu quả có thể phát sinh. Đánh giá phát hiện hư hỏng kết cấu dựa trên hai phương pháp chính là thí nghiệm phá hủy và thí nghiệm không phá hủy.

Phương pháp thí nghiệm phá hủy được hiểu là thực hiện kiểm tra chất lượng trực tiếp trên các mẫu thử cấu kiện theo nhiều tiêu chí khác nhau để tìm ra hư hỏng, điều này làm cho cấu kiện sau khi thí nghiệm sẽ bị phá hủy hoặc biến dạng. Ngược lại, phương pháp thí nghiệm không phá hủy sẽ không làm ảnh hưởng đáng kể cho cấu kiện. Phương pháp này có ưu điểm về tính linh hoạt và tiết kiệm chi phí nên ngày càng trở nên phổ biến. Cùng với việc phát triển của máy móc, các thiết bị hiện đại có thể giúp ta theo dõi ứng xử của kết cấu với độ chính xác vẫn rất cao mà không cần trực tiếp ở công trình.

Khi cần đánh giá một kết cấu, chỉ cần có dữ liệu thu được từ các cảm biến dao động về tần số, gia tốc, chuyển vị,. do đó có thể theo dõi để chẩn đoán kết cấu đang làm việc như thế nào trong điều kiện môi trường thực tế, giúp giải quyết nhanh chóng nếu phát sinh các tình huống bất lợi. Trong nghiên cứu này, dầm bê tông cốt thép là đối tượng nghiên cứu chẩn đoán kết cấu thông qua dữ liệu đường ảnh hưởng (ĐAH) của chuyển vị. Các chỉ số đánh giá được sử dụng trong nghiên cứu này không chỉ tập trung vào những thay đổi trong đường ảnh hưởng chuyển vị mà còn từ các chỉ số này phát triển phương pháp cải tiến nhằm xác định chiều dài vùng nứt, đồng nghĩa với đánh giá mức độ hư hỏng.

Đầu tiên, các chỉ số chẩn đoán sử dụng các đường ảnh hưởng chuyển vị làm dữ liệu đầu vào được khảo sát trong kịch bản dầm có hư hỏng giả định giữa nhịp. Sau đó, vị trí cũng như mức độ được thay đổi để khảo sát sự hiệu quả của phương pháp trong việc chẩn đoán hư hỏng. Ngoài ra, bộ ba chỉ số A, B, C [1] và chỉ số K [2] cũng được tính toán để đánh giá độ chính xác của phương pháp chẩn đoán. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này đánh giá các chỉ số chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng của chuyển vị. Sau khi thu thập được dữ liệu ĐAH, các chỉ số đề xuất sẽ được phân tích và đánh giá sự xuất hiện và vị trí của hư hỏng. Ngoài ra, luận văn còn cải tiến các chỉ số để xác định mức độ hư hỏng của kết cấu. Nội dung nghiên cứu Bài nghiên cứu được thực hiện qua các nội dung cụ thể sau: 3 - Mô phỏng kết cấu dầm đơn giản chịu tải trọng di động bằng phần mềm SAP2000.

- Giả định các trường hợp hư hỏng của các mô hình SAP2000 bằng cách giảm độ cứng của một hoặc nhiều phần tử. - Áp dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị của từng trường hợp làm dữ liệu đầu vào để chẩn đoán các đặc trưng hư hỏng dựa trên các chỉ số. - Sử dụng phần mềm ANSYS mô phỏng dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm của Trần và cộng sự (2019) [3]. - Gia tải cho dầm bê tông cốt thép để tìm được tải gây nứt dầm, so sánh với kết quả với thí nghiệm của Trần và cộng sự (2019) [3].

- Sau đó, gia tải tại các cấp tải khác nhau mục đích tạo ra những hư hỏng khác nhau theo cách tăng tải đến giá trị mong muốn và giảm tải về 0. Tiếp tục giữ nguyên trạng thái dầm để tiếp tục khảo sát. - Tại mỗi cấp tải, sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị cho từng trường hợp làm dữ liệu đầu vào để chẩn đoán các đặc trưng hư hỏng dựa trên các chỉ số. - Phân tích và đánh giá ưu nhược điểm các chỉ số.

- Cải tiến các chỉ số để đưa ra kết quả chẩn đoán chính xác hơn. - Đưa ra các kết luận và kiến nghị. Trong nghiên cứu này cấu kiện được mô phỏng là dầm đơn giản có gối tựa cách hai đầu dầm một khoảng bằng nhau. Hư hỏng trên dầm được khảo sát và giới hạn trong vùng giữa hai gối tựa.

Nguyên nhân là do vùng này dễ bị hư hỏng hơn so với các đoạn tự do ở hai đầu dầm. Đồng nghĩa, hư hỏng ở hai đoạn đầu dầm không được xét đến trong nghiên cứu này 1. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu Kết cấu bê tông cốt thép là loại kết cấu phổ biến trong ngành xây dựng, xuất hiện ở hầu hết các công trình lớn nhỏ. Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện quan trọng, đảm bảo độ cứng và ổn định của toàn bộ công trình.

Hiện tại, có rất nhiều nghiên cứu sử dụng đặc trưng động học của kết cấu để chẩn đoán sức khỏe kết cấu. Nhằm mục đích mở rộng cũng như nâng cao phạm vi nghiên cứu trong lĩnh vực này, phương pháp được đề xuất chẩn đoán dựa trên đặc trưng tĩnh học, cụ thể là chuyển vị. Sử dụng dữ liệu đường ảnh hưởng của chuyển vị để đánh giá trạng thái của kết cấu là một cách hiệu quả vì thao tác đơn giản, đặc biệt là chi phí thấp. Nghiên cứu này đề xuất phương pháp chẩn đoán hư hỏng thông qua đường ảnh hưởng của chuyển vị nhằm tập trung vào cấu kiện dầm bê tông cốt thép chịu tải trọng di động.

4 Phát triển nghiên cứu về dầm trong nhà kho chịu tải trọng di động là thiết thực bởi tầm quan trọng của chúng trong việc duy trì công năng của công trình. Phát hiện hư hỏng của dầm bê tông cốt thép giúp ngăn chặn thiệt hại, góp phần vô hiệu hóa những mối nguy hiểm tiềm tàng bởi sự phức tạp của công nghệ khi kỹ thuật xây dựng càng ngày càng phát triển. 5 Chương 2 TỔNG QUAN Chẩn đoán sức khỏe kết cấu (structural health monitoring – SHM) là một công cụ quan trọng để đảm bảo rằng kết cấu hoạt động hiệu quả trong vòng đời thiết kế và có thể vượt ra ngoài tuổi thọ thiết kế. Đã có nghiên cứu chỉ ra rằng chẩn đoán sức khỏe kết cấu được chú trọng từ nhiều năm trước và 20 năm gần đây số lượng nghiên cứu liên quan đã tăng lên đáng kể [4].

Tình hình nghiên cứu nước ngoài Hai nhóm đối tượng nghiên cứu chính của SHM là ứng xử động học và ứng xử tĩnh học. Về mặt nghiên cứu ứng xử động học, một số phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm dựa trên các đặc trưng dao động đã được nghiên cứu và phát triển hiện nay bao gồm: Phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số (frequency change - based damage detection method), dạng dao động (modal assurance criterion), độ cong dạng dao động (mode shape curvature - based damage detection method), độ cứng và tần số (stiffness, frequency change - based damage detection method), năng lượng biến dạng (modal strain energy - based damage detection method),… Các ví dụ về nghiên cứu thông qua những phương pháp nêu trên như Adams và cộng sự [5] đã đánh giá tần số của dầm thông qua việc áp tải trọng động cho thí nghiệm ba điểm vào năm 1978. Một năm sau, Cawley và Adams [6] đã sử dụng tần số tự nhiên để dự đoán khuyết tật cho cấu kiện tấm nhôm phẳng. Năm 1991, Pandey và cộng sự [7] nghiên cứu về độ cong dạng dao động trong dầm công-xôn, kết quả cho thấy sự thay đổi độ cong dạng dao động tỷ lệ thuận với mức độ hư hỏng của kết cấu.

Stubbs và cộng sự [8] trình bày một phương pháp dựa trên việc giảm năng lượng biến dạng của dạng dao động (từ kết quả đo dạng dao động) giữa hai mô hình kết cấu có nhiều bậc tự do vào năm 1995. Nghiên cứu này đã được ứng dụng thành công trong việc chẩn đoán hư hỏng trên kết cấu dầm của công trình cầu ở bang New Mexico, Hoa Kỳ. Một năm sau, Stubbs và cộng sự [9] đã phát triển nghiên cứu khi xem xét tính khả thi của việc định vị hư hỏng bằng cách sử dụng kỹ thuật này khi không có các tham số dạng dao động cơ bản.