CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU. SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
MỤC TIÊU & PHẠM VI NGHIÊN CỨU. CÁC THIẾT BỊ CỦA MỘT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU. GIỚI THIỆU CHUNG. Các cấp độ đánh giá của SHM.
Thành phần hoàn chỉnh của một SHM. HỆ THỐNG THU NHẬN THÔNG TIN. Biến dạng kế điện trở (Electric strain gause). Gia tốc kế (Accelerometer).
Địa chấn kế (Seismometer). Cảm biến lực căng dây (Tension force sensor). Thiết bị đo dịch chuyển (Displacement Sensor). Thiết bị đo nghiêng (Inclinometer).
Hệ thống đo tải trọng động (weigh in motion). Thiết bị đo xói lòng sông (Scour sonar sensors). Phong tốc kế (Anemometer). Hệ thống giám sát hình ảnh (Network camera).
Hệ thống định vị GNSS (Global Navigation Satellite System). HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN. Cáp dữ liệu Analog và Digital. Mạng không dây – WLAN (Wireless Network).
HỆ THỐNG LƯU TRỮ DỮ LIỆU. Điện toán đám mây (Cloud computing). 40 xxi CHƯƠNG 3. MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU ĐÃ ĐƯỢC LẮP ĐẶT TRÊN THẾ GIỚI.
MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU TRÊN THẾ GIỚI. Cầu Naini Bridge, Ấn Độ. Cầu Kap Shui Mun, Hong Kong. MỘT SỐ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Ở VIỆT NAM.
Cầu Cần Thơ, Cần Thơ, Việt Nam. Cầu Rạch Miễu, Bến Tre, Việt Nam. Cầu Thuận Phước, Đà Nẵng. Cầu Cao Lãnh, Đồng Tháp.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU MỸ THUẬN. TỔNG QUAN VỀ CẦU MỸ THUẬN. Giới thiệu chung. Các đặc trưng kỹ thuật.
Một số hư hỏng của cầu Mỹ Thuận. PHÂN TÍCH CẦU MỸ THUẬN BẰNG MIDAS CIVIL. Giới thiệu về phần mềm MIDAS/Civil. Thông số đầu vào.
Số liệu kiểm toán. Mô hình hóa và phân tích kết cấu. ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG SHM CHO CẦU MỸ THUẬN. Mục tiêu thiết kế.
Thiết bị và vị trí lắp đặt. Phương án thiết kế. KẾT LUẬN 2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ. Phương án thiết kế đầy đủ.
Phương án thiết kế tiết kiệm. Nhận xét và lựa chọn. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO CẦU 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU Đối với tất cả các công trình, bao gồm đường xá, cầu cống, cơ sở hạ tầng dân dụng… Đều sẽ giảm chất lượng và hư hại do thời gian, thời tiết và thiên tai tác động. Điều này không chỉ đòi hỏi các cuộc kiểm tra khi có tác động ngoại cảnh (như động đất, thiên tai…) hoặc kiểm tra định kỳ mà còn cần đến thiết bị giám sát liên tục để đưa ra cảnh báo trước khi phát sinh vấn đề. Do đó, hệ thống quan trắc sức khỏe của công trình nói chung và của cầu nói riêng (Structural Health Monitoring - SHM) được ra đời để đáp ứng các yêu cầu này.
Ngày nay, SHM đã được công nhận là một trong những công nghệ quan trọng trong việc hỗ trợ đánh giá tính hiệu quả của hệ thống cầu đường. Một hệ thống quan trắc cầu [1] 2 Theo Wenzel (2003) lịch sử phát triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn sau [2], [3]: + Thế kỷ 19: Phát triển động lực học của kết cấu + 1920 – 1945: Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp + 1965 – 1975: Phát triển các phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính + 1970 – 1980: Phát triển các phương pháp dao động + 1975 – 1990: Bổ sung các phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính + 1990 – 2000: Bổ sung phương pháp phân tích phần tử hưu hạn phi tuyến + 1992 – 1995: Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh + 1993 – 1996: Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu + Từ 1994 Áp dụng các phương pháp đo dao động + Từ 1995 Phát triển phương pháp thu nhận kết quả “quan trắc thông minh” + Từ 1996 Thương mại hóa các thiết bị đo So với các phương pháp kiểm tra truyền thống thì sử dụng SHM mang lại nhiều ưu điểm vượt trội: Giám sát tình trạng của cầu trong thời gian thực, phân tích đưa ra các cảnh báo sớm và liên tục nếu có bất cứ hiện tượng giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng trong suốt quá trình khai thác. Hệ thống này còn giúp theo dõi và ghi nhận lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biêt (Động đất, sóng thần, bão lũ…) mà các phương pháp truyền thống không thể làm được. Trên thế giới hệ thống quan trắc cầu được áp dụng rất rộng rãi và ở một số quốc gia thì SHM là một bộ phận bắt buộc không thể thiếu của cầu.
Mới đây là vụ sập cầu Morandi (Hình 1.2) của thành phố cảng Genoa, nằm trên tuyến giao thông huyết mạch của Italia với vùng phía nam của Pháp với ít nhất 35 người chết. Dù chính quyền tại đây đã có kế hoạch bảo dưỡng nâng cấp cầu trong tháng 9. Thế nhưng cầu đã bất ngờ đổ sập vào ngày 14/08/2018 sau 51 năm đi vào hoạt động. Cầu Morandi 3 là kiểu cầu dây cáp cố định, cáp được bọc bê tông.
Nguyên nhân được xác định do sự quá tải của các phương tiện cùng với thép bên trong cầu đã bị ăn mòn gây biến dạng về kết cấu. Tuy nhiên cầu không cho ta dấu hiệu cảnh báo nào cho thấy cầu sẽ đổ sập. Vậy nên nếu ta có thể nắm rõ tình trạng “sức khỏe” cầu thì sẽ hạn chế được những tai nạn đáng tiếc tương tự.2 Sập cầu Morandi, Italia [4] Bên cạnh đó, giá thành để lắp đặt một hệ thống quan trắc cầu hoàn chỉnh không hề rẻ, nhưng nếu xét về cân bằng giữa chi phí bão dưỡng và khả năng phục vụ thì hệ thống SHM giúp duy trì tốt cả hai (Hình 1. Đề tài này sẽ đưa ra một số phương án lựa chọn cần thiết dựa trên nghiên cứu khoa học của các tác giả đã có kinh nghiệm đi trước trên thế giới.
Từ đó đưa ra lựa chọn thiết bị nào nên được ưu tiên, thiết bị nào không thực sự cần thiết. Để có sự lựa chọn cân bằng về hiệu năng sử dụng và kinh tế. Lợi ích của SHM cho người sử dụng [5] 1. SỰ CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ở nước ta một số năm gần đây cũng rất trú trọng đến hệ thống theo dõi sức khỏe cho cầu, đặc biệt là các cầu lớn sử dụng dây văng với nhịp dài.
Các cây cầu này đều nằm ở các vị trí quan trọng nối liền các vùng có nền kinh tế - chính trị trọng yếu của nước ta. Hàng ngày có lượng xe cộ và hàng hóa khổng lồ lưu thông qua như: Cầu Cần Thơ nối liền Cần Thơ với Vĩnh Long, cầu Bính nối liền Hải Phòng với Quảng Ninh, cầu Rạch Miễu nối Bến Tre với Tiền Giang và mới đây nhất là cầu Cao Lãnh ở Đồng Tháp… Trong khi đó cây cầu dây văng hiện đại đầu tiên được xây dựng ở nước ta là cầu Mỹ Thuận nằm trên tuyến Quốc Lộ 1, bắc qua sông Tiền, nối liền thành phố Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long và xã Hòa Hưng, huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang, Việt Nam. Cầu có chiều dài 1.535,2m, rộng 23,66m, cao 116,5m cho bốn làn xe cơ giới và hai lề bộ hành, với nhịp chính dài 350m. Được khai thác từ năm 2000, cũng gần hai thập kỉ trôi qua.
Đến nay vẫn chưa được gắn hệ thống quan trắc để theo dõi tình trạng cầu. Trong khi cầu đã có một số hiện tượng bị hư hại do thời gian và ảnh hưởng của hoạt động sử dụng [6].4 Vị trí cầu Mỹ Thuận [7] Việc kiểm tra và bảo trì một cách không thường xuyên đối với cầu Mỹ Thuận dẫn đến đánh giá hiện trạng chưa được triệt để. Sự ứng phó trước những tình huống và hư hỏng diễn ra trên cầu sẽ bị trì trệ, do không nắm bắt được tình hình kịp thời và hiệu quả. Gây ảnh hưởng đến giao thông khu vực và những sự cố đáng tiếc xảy ra.
Vì thế trước tình hình thực tiễn và sự cấp thiết. Nên cần phải đưa ra giải pháp đề xuất một hệ thống quan trắc theo dõi “sức khỏe” cho cầu Mỹ Thuận. Để giám sát và hạn chế những sự cố đáng tiếc xảy ra. MỤC TIÊU & PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu được thực hiện để tìm hiểu các tính năng, cách thức hoạt động của các thiết bị quan trắc.
Từ đó đưa ra nhận xét về hiệu quả của thiết bị và cách bố trí trên cầu. Cụ thể đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là cầu Mỹ Thuận. Sau đó sẽ đưa ra đề suất hệ thống quan trắc cho cầu Mỹ Thuận. CÁC THIẾT BỊ CỦA MỘT HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 2.
GIỚI THIỆU CHUNG 2. Các cấp độ đánh giá của SHM Một hế thống quan trắc SHM sẽ có nhiệm vụ thu thập và phân tích các hư hại. Các hư hại này sẽ được phân loại theo 5 cấp độ khác nhau: Cấp độ 1: Nhận dạng và phát hiện xem có thiệt hại trong cấu trúc không. Cấp độ 2: Định vị và khoanh vùng vị trí thiệt hại.
Cấp độ 3: Đánh giá, xếp hạng ước tính số lượng thiệt hại. Cấp độ 4: Tiên lượng và ước tính quá trình thiệt hại trong tương lai và thời gian còn lại của cấu trúc. Cấp độ 5: Đưa ra quyết định khắc phục, thực hiện và đánh giá các kết quả sau khi đã khắc phục và sửa chữa. Thành phần hoàn chỉnh của một SHM Một hệ thống quan trắc kết cấu cầu tiêu chuẩn hoàn chỉnh bao gồm: + Hệ thống thu nhận thông tin: GPS, gia tốc kế, địa chấn kế, phong kế, vũ kế… + Hệ thống truyền tải thông tin: Dây cáp quang, Cáp đồng, Wireless… + Hệ thống lưu trữ dữ liệu: Đĩa DVD, Ổ cứng HDD hoặc SSD, đám mây… + Hệ thống xử lý dự liệu: Máy vi tính, phần mềm chuyên dụng… Ngoài ra còn những hệ thống được bổ sung thêm hệ thống: lưới giám sát kết cấu, cân động xe, đếm số xe… 2.
HỆ THỐNG THU NHẬN THÔNG TIN 2. Biến dạng kế điện trở (Electric strain gause) 2. Cấu tạo Biến dạng kế điện trở [8] gồm 2 bệ đỡ được gắn cố định vào cấu kiện cần đo, cùng 2 khối biên được gắn bên trên. Trong 2 khối biên chứa dây điện và ống bảo vệ.
Ở giữa là cuộn cảm sẽ phản ứng khi dòng điện bị thay đổi do thay đổi độ dài của cảm biến. Ngoài ra còn biến dạng kế quang học, siêu âm… Hình 2.1 Cấu tạo của biến dạng kế điện trở 8 2. Chức năng & hoạt động Biến dạng kế điện trở thường được sử dụng đo tại tháp cầu, dây văng v.