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.