Chương 1: giới thiệu chung về lĩnh vực chẩn đoán sức khoẻ công trình, ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu cũng được trình bày trong chương này. + Chương 2: tổng hợp tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới qua đó tìm ra các vấn đề còn tồn tại mà đề tài cần tập trung nghiên cứu và giải quyết. + Chương 3: trình bày cơ sở lý thuyết sử dụng trong đề tài luận văn với ba nội dung chính là: chẩn đoán sức khoẻ công trình, phân tích dao động dầm BTCT ƯST và thuật toán học máy.
+ Chương 4: chương này trình bày kết quả các bài toán khảo sát, cụ thể gồm: o Bài toán 1: xây dựng và kiểm chứng mô hình phần tử hữu hạn của dầm BTCT ƯST. o Bài toán 2: dự đoán lực căng cho dầm sử dụng tần số dao động của dầm và các thuật toán học máy. o Bài toán 3 (mở rộng): tiến hành gia tải đứng cho dầm theo sơ đồ uốn 4 điểm và thực hiện dự đoán tải trọng đứng tác dụng lên dầm sử dụng tần số dao động của dầm và các thuật toán học máy. + Chương 5: tổng hợp kết quả đạt được của nghiên cứu, rút ra các kết luận và đưa ra kiến nghị cho các nghiên cứu trong tương lai.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 7 CHƯƠNG 2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các phương pháp giám sát và chẩn đoán sức khoẻ cho công trình đã được các nhà khoa học trên thế giới bắt đầu nghiên cứu từ cuối thập niên 70. Từ đó đến nay, lĩnh vực SHM ngày càng được quan tâm với hàng loạt công trình nghiên cứu được các tác giả trên khắp thế giới thực hiện và đã thu được nhiều kết quả quan trọng. Trong số đó, các nghiên cứu sử dụng đặc trưng dao động và phương pháp trí tuệ nhân tạo để chẩn đoán sức khỏe cho kết cấu dạng thanh gồm có các công trình nghiên cứu sau: Năm 1978, Adams và cộng sự [5] đã nghiên cứu phương pháp không phá hủy để đánh giá tính toàn vẹn của kết cấu và tiến hành áp dụng cho các cấu kiện dạng thanh.
Nghiên cứu đã sử dụng kết quả đo dao động trên các mẫu thí nghiệm khác nhau gồm thanh thẳng hình lăng trụ, thanh kép thon và trục cam ô tô; kết hợp với mô hình lý thuyết phù hợp để đưa ra kết quả chẩn đoán vị trí và mức độ hư hỏng của kết cấu. Kết quả chẩn đoán thu được rất phù hợp với hư hỏng thực tế trên cấu kiện. Năm 1991, Collins và Mitchell [6] từ các kết quả phân tích đã phát hiện các tổn hao lực căng xảy ra dọc theo toàn bộ chiều dài dầm bê tông dự ứng lực. Tác giả đã chỉ ra các nguyên nhân gây tổn hao lực căng cho dầm dự ứng lực gồm có sự co ngắn đàn hồi, các hiện tượng từ biến và co ngót trong bê tông, hiện tượng tự chùng của cáp dự ứng lực, tổn hao do ma sát và hư hỏng các đầu neo.
Năm 1998, Doebling và cộng sự [7] đã thực hiện bài đánh giá tổng hợp các phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên dao động. Bài đánh giá cung cấp một góc nhìn tổng quan về các phương pháp phát hiện hư hỏng, xác định vị trí xảy ra hư hỏng và xác định mức độ hư hỏng của kết cấu xây dựng và các hệ thống cơ khí thông qua sự thay đổi trong các đặc trưng dao động đo được. Tác giả đã đưa ra kiến nghị phát triển phương pháp chẩn đoán dựa trên dao động bằng cách tập trung nghiên cứu và áp dụng cho các lĩnh vực cụ thể, các công trình thực tế trong điều kiện khai thác sử dụng thay vì các mẫu thử trong phòng thí nghiệm. Năm 2000, Miyamoto và cộng sự [8] đã trình bày phương pháp gia cường công trình cầu xuống cấp sử dụng kỹ thuật dự ứng lực căng ngoài.
Nghiên cứu tập trung vào phân tích dầm giản đơn liên hợp được gia cường bằng cáp dự ứng lực ứng căng CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 8 ngoài, mức độ chính xác của kết quả phân tích được kiểm chứng với thực nghiệm trên mô hình kích thước lớn của dầm liên hợp ứng suất trước, ngoài ra tác giả cũng trình bày kết quả áp dụng thực tế cho một công trình cầu. Qua nghiên cứu, tác giả đã đưa ra công thức đề xuất để xác định tần số dao động cho dầm liên hợp sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài có xét đến ảnh hưởng của độ lệch tâm cáp dự ứng lực, kết quả thực nghiệm và tính toán cho thấy công thức này có thể ước lượng tương đối dễ dàng tần số của dầm liên hợp được gia cường bằng cáp dự ứng lực căng ngoài. Năm 2004, Kim và cộng sự [9] đã tiến hành nghiên cứu phương pháp không phá hủy để phát hiện mất mát lực căng cho dầm cầu BTCT ƯST. Giải thuật nghịch đảo được áp dụng để đưa ra kết quả dự đoán mất mát lực căng trong dầm thông qua sự thay đổi giá trị tần số dao động ở hai mode dao động đầu tiên.
Tác giả đã đưa ra kết luận việc sử dụng tần số dao động của các dạng dao động đầu tiên để dự đoán mất mát lực căng là khả thi. Tuy nhiên, phương pháp này chưa phân biệt được nguyên nhân của sự thay đổi tần số là do hư hỏng bê tông hay do mất mát lực căng. Ngoài ra, độ chính xác của phương pháp đề xuất cần phải được cải thiện thêm. Năm 2007, Zhang và cộng sự [10] đã tiến hành thí nghiệm động trên năm dầm BTCT ƯST, kết hợp với tính toán bằng các công thức lý thuyết được đề xuất từ những nghiên cứu trước nhằm tìm mối quan hệ giữa lực căng và tần số dao động của dầm.
Kết quả thí nghiệm cho thấy tần số dao động của dầm tăng khi lực căng tăng. Ngoài ra, tác giả đã đưa ra công thức đề xuất sử dụng để tính toán tần số dao động của dầm bằng cách sử dụng độ cứng tương đương có xét đến ảnh hưởng của lực căng. Sai số khi tính toán bằng công thức đề xuất nằm ở mức chấp nhận được, tuy nhiên sai số này có xu hướng tăng ở các dạng dao động bậc cao. Năm 2010, Kim và cộng sự [11] đã đề xuất một hệ thống giám sát và chẩn đoán sức khỏe cho dầm BTCT ƯST sử dụng kết hợp phương pháp dao động và trở kháng để phát hiện và phân loại hai dạng hư hỏng trong dầm BTCT ƯST, hư hỏng cáp và hư hỏng dầm.
Hệ thống chẩn đoán được thiết kế với ba cấp độ: cảnh báo hư hỏng tổng thể, phân loại hư hỏng và ước lượng mức độ hư hỏng cho dầm. Kết quả dự đoán hư hỏng cáp do mất mát lực căng có độ chính xác cao; khi chẩn đoán dạng hư hỏng CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 9 dầm, vị trí hư hỏng được dự đoán khá chính xác, tuy nhiên kết quả dự báo mức độ hư hỏng có độ chính xác không cao. Năm 2011, Zhang và cộng sự [12] đã thực hiện thí nghiệm trên hai dầm BTCT ƯST sử dụng cáp dự ứng lực không bám dính. Kết quả cho thấy tần số dao động của dầm tăng khi lực căng tăng, công thức hiệu chỉnh được đề xuất cho kết quả tính toán giá trị tần số dao động của dầm phù hợp với kết quả thu được từ thực nghiệm.
Năm 2012, Ho và cộng sự [13] đã trình bày một phương pháp để ước lượng lực căng cho dầm BTCT ƯST bằng cách sử dụng các đặc trưng dao động và hệ thống nhận dạng kết cấu (SID). Phương pháp cho kết quả chính xác khi dự đoán mất mát lực căng bằng cách sử dụng các tần số dao động đo được và tần số dao động ở trạng thái không có lực căng. Năm 2014, Shi và cộng sự [14] đã phát triển một phương pháp mới để xác định lực căng trong dầm BTCT ƯST sử dụng cáp căng ngoài dựa trên phương trình tần số và phương pháp đo tần số. Hiệu quả của phương pháp này được chứng minh bằng các thí nghiệm trên dầm một nhịp và hai nhịp sử dụng cáp căng ngoài.
Hàm số mối quan hệ giữa thay đổi lực căng và chuyển vị được xây dựng. Ngoài ra, công thức độ lệch tâm tương đương cũng được nhóm tác giả giới thiệu trong nghiên cứu này. Phương pháp đo tần số có thể sử dụng trong theo dõi sức khỏe của công trình cầu thông qua xử lý tín hiệu đo được từ thực tế. Thay đổi của lực căng trong dầm có thể được nhận biết qua sự thay đổi xu hướng tần số dao động đo được.
Năm 2016, Noh và cộng sự [15] đã tiến hành thí nghiệm trên các mẫu dầm BTCT ƯST bố trí cáp cong và cáp thẳng để nghiên cứu ảnh hưởng của lực căng đến tần số dao động của dầm. Nghiên cứu đã đưa ra kết luận tần số dao động của dầm bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như: độ lớn của lực căng, tỉ lệ độ cứng giữa bê tông và cáp dự ứng lực, điều kiện biên và cách bố trí cáp dự ứng lực,. tác giả cũng chỉ ra rằng đang có sự mâu thuẫn giữa các mô hình lý thuyết sử dụng để phân tích tần số dao động cho dầm BTCT ƯST. Ngoài ra, một số lý thuyết cho kết quả có xu hướng ngược lại so với kết quả thực nghiệm, do đó cần thiết phải phát triển một mô hình lý thuyết tin cậy hơn để phản ánh đúng mối quan hệ giữa tần số dao động tự nhiên và lực căng.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 10 Năm 2017, Cha và cộng sự [16] đã nghiên cứu và ứng dụng mạng nơron sâu (DNN) để chẩn đoán vết nứt trên bề mặt bê tông thông qua các hình ảnh chụp bề mặt cấu kiện. Tính ưu việt của phương pháp được chứng minh khi có thể phát hiện vết nứt trên bề mặt cấu kiện từ ảnh chụp trong nhiều điều kiện khác nhau. Tuy nhiên, để đạt hiệu quả cao cần huấn luyện với số lượng dữ liệu đủ nhiều, do đó vấn đề thu thập dữ liệu huấn liệu là một hạn chế lớn của phương pháp này, ngoài ra việc chẩn đoán bằng phương pháp này chỉ phát hiện được hư hỏng xuất hiện trên bề mặt, chưa cung cấp được thông tin về hư hỏng bên trong. Năm 2017, Lin và cộng sự [17] đã trình bày một phương pháp chẩn đoán tự động trích xuất các thông tin cần thiết từ dữ liệu trên miền thời gian bằng thuật toán học sâu.
Một mạng nơron tích chập (CNN) được thiết kế để học các tính năng và xác định vị trí hư hỏng. Phương pháp này được áp dụng và so sánh với phương pháp chẩn đoán dựa trên wavelet.