CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sự cần thiết của đề tài Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống thông tin và truyền thông đã tạo nên một xã hội toàn cầu, nơi mà mọi người có thể tương tác và liên lạc với nhau một cách nhanh chóng và hiệu quả. Đi kèm theo đó là mạng lưới truyền dẫn dữ liệu ngày càng xuất hiện dày đặc. Môi trường truyền dẫn dữ liệu có 2 loại là hữu tuyến (cáp đồng nhiều đôi, cáp đồng trục, sợi quang) và vô tuyến. Ưu điểm lớn nhất của truyền dẫn vô tuyến so với truyền dẫn cáp là không cần bất kỳ một đường dây dẫn nào.
Các hệ thống vô tuyến được lắp đặt nhanh gọn, không cần đào xới, chi phí đầu tư ít. Chính thế ngày càng xuất hiện nhiều trụ anten mà trên đó được treo các thiết bị phát và thu tín hiện. Trụ thấp thì cao từ 10 đến 20 m được đặt trên nóc các tòa nhà, trụ cao thì từ 80 đến 100 m có dây cáp giằng xung quanh, và các tháp truyền hình cao từ 180 đến 250 m có mặt cắt ngang lớn và càng giảm dần khi lên cao.1 Các loại anten viễn thông 1 Bên cạnh đó, tại Việt Nam chúng ta thường xuyên phải đón nhận những cơn bão lớn, và sau mỗi biến động của thiên nhiên thì tình trạng sức khỏe của các kết cấu trụ này rất đáng được quan tâm. Trong thời gian qua, nhiều cột ăng ten phát thanh, truyền hình của các tỉnh thành bị bão quật đổ, thực tế này đang báo động cho chúng ta về chất lượng các cột anten truyền thông và công việc phòng chống, gia cố mỗi khi bão về.
Điển hình là những sự cố lớn như sau: - Ngày 28/10/2012, cột tháp truyền hình của Đài PT-TH Nam Định mới được đưa vào sử dụng năm 2010 đã bị đánh sập sau khi cơn bão số 8 (Sơn Tinh) độ bộ vào tỉnh này với cấp gió 11, khiến toàn bộ tỉnh mất sóng phát thanh truyền hình, nhưng rất may không có thương vong về người. Tại hiện trường, cột tháp bị vặn gãy từ phần đế cách mặt đất khoảng 30m, xô vào tòa nhà phát sóng kề bên, sau đó đổ ra hướng ngoài đường và phần thân cột có điểm bị gãy rời ra khỏi phần đế. Tháp cao 180m và được đánh giá là hiện đại nhất miền Bắc. Được biết tháp truyền hình này do hãng Leblanc thiết kế, kết cấu được làm bằng khung thép do Malaysia sản xuất, trọng lượng trên 170 tấn - Ngày 30/9/2013, tháp anten của Đài tiếng nói Việt Nam tại thành phố Đồng Hới (Quảng Bình) cao 150m mới đưa vào sử dụng chưa đầy 1 năm đã bị cơn bão số 10 với cấp gió 13, 14 quật ngã không thương tiếc.
Hiện trường cho thấy cột tháp ăng ten có kết cấu bằng ống thép bị gãy từ gần chân đế. - Không chỉ có những cột tháp ăng ten có chiều cao trên 100m bị quật đổ, mà từ năm 2011 đến nay còn có rất nhiều cột ăng ten viễn thông chỉ cao chưa đầy 60m cũng bị bão làm đổ gãy: ngày 11/11/2013, cơn bão số 14 (Haiyan) đổ bộ vào tỉnh Quảng Ninh với sức gió cấp 13 làm đổ gãy cột tháp ăng ten PT-TH cao 52m của Đài phát thanh truyền hình thành phố Uông Bí. Tại hiện trường, cột ăng ten bị bật gốc, gãy gấp thành nhiều phần và làm hư hỏng một nhà dân bên cạnh. Được biết cột tháp xây dựng từ những năm 90 với kết cấu kiểu cũ và được chằng kéo bằng các dây cáp để giữ thăng bằng; Ngày 28/10/2012 cơn bão số 8 đổ bộ vào miền Trung với cấp gió cấp 11 đã quật đổ cột ăng ten phát thanh của huyện Giao Thủy (Nam Định).
Cột tháp cao 48m, được xây dựng từ năm 1998; Ngày 3/8/2013 cơn bão Jebi đổ bộ vào Quảng Ninh làm đổ gãy tháp ăng ten viễn thông cao 42m tại huyện Đầm Hà 2 Hình 1.2 Trụ anten cao 180m tại Nam Định khi đưa vào sử dụng năm 2010 3 Hình 1.3 Trụ anten cao 180m tại Nam Định bị sập sau cơn bão năm 2012 Hình 1.4 Trụ anten cao 150m bị sập tại thành phố Đồng Hới – bị gãy tại chân đế 4 Hình 1.5 Toàn cảnh trụ anten cao 150m bị sập tại thành phố Đồng Hới Điều làm chúng ta quan tâm là sau mỗi cơn bão thì còn có cột tháp anten phát thanh truyền hình nào bị đổ gãy nữa không? Đặc biệt là tại các tỉnh thành ven biển với khí hậu khắc nghiệt, quanh năm mưa bão. Trước thực trạng trên, ngày 11/11/2013 Bộ Xây dựng đã 5 có văn bản số 2379/BXD-GĐ yêu cầu kiểm định toàn bộ tháp ăng ten truyền thông có chiều cao từ 100m trở lên. Theo đó chủ đầu tư, chủ quản lý sử dụng công trình phải thuê các đơn vị tư vấn có đủ năng lực kiểm định các cột tháp ăng ten truyền thông như: Thẩm tra lại hồ sơ thiết kế kỹ thuật; Kiểm tra lại hồ sơ quản lý chất lượng trong quá trình thi công, bảo hành, bảo trì công trình theo quy định; Phương án gia cố nếu thấy cần thiết. Việc khảo sát và theo dõi tình trạng của kết cấu anten sẽ cho phép chúng ta dự đoán và đánh giá những hư hỏng đang tồn tại để từ đó có được những giải pháp để sửa chữa hay thay mới kết cấu.
Có nhiều biện pháp để khảo sát như sau: - Kiểm tra hiện trạng: qui cách, kích thước, độ ăn mòn của các thanh đứng, thanh giằng, dây cáp; độ thẳng đứng của toàn trụ - Kiểm tra quan hệ ứng suất biến dạng trong các thanh, ứng suất trong hố móng neo nằm trong giới hạn cho phép - Kiểm tra các đặc trưng động lực học của kết cấu: tần số dao động, dạng dao động Trong thực tế, các đặc trưng động lực học của kết cấu (tần số dao động, dạng dao động,.) được xác định từ thực nghiệm. Đối với các kết cấu lớn như trụ anten, các điểm đo thực nghiệm phải được phân bố dày đặc để có được kết quả thực nghiệm tin cậy. Nhưng do vấn đề về chi phí, nên số điểm đo trên kết cấu thực thường bị hạn chế. Do vậy việc thiết lập một mô hình PTHH có tính đại diện cho kết cấu thực nhằm mục đích phân tích và đánh giá hiện trạng kết cấu là rất cần thiết.
Và đề tài luận văn sẽ nghiên cứu việc mô phỏng mô hình PTHH và hiệu chỉnh mô hình PTHH này dựa vào việc khảo sát tần số dao động thực tế trụ anten cao 100 m có dây cáp giằng xung quanh, để từ đó có thể đánh giá được tình trạng của kết cấu.2 Tổng quan nghiên cứu Theo dõi và chuẩn đoán kết cấu (Structural Health Monitoring) đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, lý thuyết để quan trắc và đánh giá thể trạng kết cấu đang được nghiên cứu và phát triển trong vài thập kỉ gần đây. Đó là yêu cầu để đánh giá sự an toàn và phục vụ lâu dài của kết cấu. Năm 1993, Rytter đã đề xuất 4 cấp độ để đánh giá thể trang kết cấu: Cấp độ 1: Xuất hiện hư hỏng; Cấp độ 2: Vị trí hư hỏng; Cấp độ 3: Mức độ nghiêm trọng của hư hỏng; Cấp độ 4: Dự đoán thời gian phục vụ còn lại của kết cấu. 6 Có nhiều kỹ thuật để quan trắc và đánh giá thể trạng kết cấu, trong đó kỹ thuật phân tích dao động của kết cấu được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Kỹ thuật này dựa trên sự so sánh các dữ liệu động lực học thu thập được từ quan trắc thực tế với mô hình tính toán lý thuyết. Sau đó là hiệu chỉnh mô hình PTHH của mô hình ban đầu để các kết quả đầu ra giống với số liệu thí nghiệm, từ đó sử dụng mô hình PTHH đã được hiệu chỉnh cho mục đích theo dõi và chuẩn đoán kết cấu.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn đã được phát triển cùng với những nghiên cứu đã được công bố trên thế giới. (2000) bài báo này trình bày quy trình hiệu chỉnh một mô hình PTHH áp dụng đối với một kết cấu phức tạp bằng cách sử dụng phương pháp độ nhạy. Mục tiêu của việc hiệu chỉnh mô hình là nhằm giảm chênh lệch giữa giá trị tính toán và đo được của tần số.
(2004) trình bày phương thức hiệu chỉnh mô hình PTHH dựa vào độ nhạy trị riêng được áp dụng cho mô hình tòa tháp truyền hình Nam Kinh cao 310m dựa vào phép đo độ rung trong môi trường xung quanh. (2005) đưa ra một kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình PTHH cho kết cấu thực sử dụng kết quả thí nghiệm đo dao động chịu ảnh hưởng của môi trường xung quanh.J (2009) đề xuất một phương pháp trực tiếp cho việc hiệu chỉnh ma trận độ cứng và ma trận khối lượng của mô hình kết cấu, như vậy có thể mô phỏng chính xác các tần số cho kết cấu. - Duc-Duy Ho, Jeong-Tae Kim, Norris Stubbs and Woo-Sun Park (2012) đưa ra một phương pháp đánh giá lực ứng suất trước trong một dầm BTCT ứng suất trước bằng cách sử dụng các đặc trưng dao động và phương pháp nhận dạng. Phương pháp này sử dụng thuật toán độ nhạy để hiệu chỉnh các thông số trong mô hình PTHH.
Fugate, Hoon Sohn, và Charles R. Farrar (2001) trình bày sự phát hiện hư hỏng dựa vào sự dao động sử dụng công cụ kiểm soát quá trình thống kê, quá trình 7 hư hỏng được rút ra từ một mô hình nhận dạng mẫu thống kê. Bài báo này tập trung vào việc áp dụng phương pháp kiểm soát quá trình thống kê được gọi là biểu đồ kiểm soát để phát hiện hư hỏng dựa trên sự rung động. - Aiko Furukawa và Junji Kiyono (2004) nhận dạng hư hỏng của kết cấu dựa trên sự phản ứng dao động.
Bài báo trình bày FRF (frequency response functions) được thiết lập bởi lực kích thích điều hòa. Dựa trên thực tế của kết cấu hư hỏng là việc giảm độ cứng và tăng độ cản, phương trình nhận dạng hư hỏng được thiết lập bằng cách so sánh các phương trình chuyển động của kết cấu trước và sau khi hư hỏng. - Mehdi Salehi, Saeed Ziaei-Rad, Mostafa Ghayour, Mohamad Ali Vaziri-Zanjani (2010). Trong báo cáo, một kỹ thuật phát hiện hư hỏng dựa trên phần thực và phần ảo của FRF, những bất thường của kết cấu được phát hiện thông qua Gapped Smoothing Method (GMS).
Chan (2009), Tóm tắt lại các phương pháp được sử dụng để phát hiện hư hỏng dựa trên phân tích dao động và điều kiện để đánh giá các kết cấu cầu.