Chương 1 - Tổng quan về chẩn đoán cầu bằng phương pháp dao động Chƣơng 1 trình bày tổng quan về lĩnh vực chẩn đoán cầu bằng phƣơng pháp dao động, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về chẩn đoán kết cấu bằng phƣơng pháp dao động. Chương 2 - Cơ sở lý thuyết về dao động và chẩn đoán kết cấu bằng dao động Chƣơng 2 trình bày lý thuyết cơ bản về dao động kết cấu, các phƣơng pháp đo dao động, các phƣơng pháp chẩn đoán kết cấu cầu dựa trên dao động. Chương 3 - Thực nghiệm đo dao động một số KCN cầu trên địa bàn TP Hà Nội và xây dựng mô hình chẩn đoán động kết cấu cầu Chƣơng 3phân tích kỹ về tình trạng hệ thống cầu trên địa bàn TP Hà Nội. Từ hiện trạng các công trình cầu đó, đề tài lựa chọn ra 6 KCN cầu dầm giản đơn điển hình để áp dụng phƣơng pháp động.
Các KCN cầu này đƣợc tiến hành đo dao động trong điều kiện khai thác để xác định các đặc trƣng động. Mô hình phần tử hữu hạn của các KCN cầu này đƣợc thiết lập để kiểm chứng kết quả đo với kết quả tính toán. Một nội 4 dung quan trọng khác trong chƣơng này là chẩn đoán KCN cầu dầm giản đơn bằng phƣơng pháp động dựa trên độ mềm biểu kiến (MFC) của kết cấu, trong đó KCN cầu đƣợc mô phỏng các hƣ hỏng để giả lập số liệu đo, sau đó sử dụng bài toán ngƣợc để tìm vị trí hƣ hỏng trên KCN và để đánh giá tình trạng kết cấu. Chương 4 - Đề xuất ứng dụng phương pháp đo dao động và chẩn đoán động vào công tác quản lý cầu TP Hà Nội Chƣơng 4đề xuất tích hợp một số đặc trƣng dao động vào hệ thống quản lý khai thác cầu, xây dựng bộ tiêu chí đánh giá KCN cầu thông qua phƣơng pháp chẩn đoán động và đề xuất quy trình kiểm định khả năng chịu tải của KC cầu bằng phƣơng pháp động trên địa bàn TP Hà Nội.
Kết luận và kiến nghị 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁNKẾT CẤU BẰNG PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG 1. Giới thiệu chung về bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình bằng phƣơng pháp dao động 1. Khái niệm về chẩn đoán công trình và chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp dao động Chẩn đoán công trình là bài toán đánh giá tình trạng của công trình đang khai thác dựa trên thông tin thu đƣợc qua hồ sơ và kết quả khảo sát đo đạc công trình [18]. Đây là bài toán ngƣợc và thông tin về kết cấu là không đầy đủ (chỉ có thể khảo sát hay đo tại một số vị trí hạn chế của kết cấu), do đó việc tìm lời giải là không đơn giản.
Các bƣớc giải bài toán này bao gồm: - Khảo sát, đo đạc và lập mô hình kết cấu công trình; - Thử nghiệm công trình; - Xây dựng mô hình hiện trạng của công trình và tìm kiếm hƣ hỏng; Tùy theo dạng công trình, cách thu thập dữ liệu thực trạng của cầu mà ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp chẩn đoán khác nhau. Chẩn đoán kết cấu bằng phƣơng pháp dao động (hay chẩn đoán động) là bài toán tìm kiếm và xác địnhhƣ hỏng (nhƣ vị trí, mức độ hƣ hỏng) trong kết cấudựa trêncác thông tin về dao động của kết cấu đó, thông thƣờng là dựa vào kết quả đo dao động. Trong phƣơng pháp chẩn đoán động, kết cấu cầu thƣờng đƣợc mô hình hóa bằng phƣơng pháp PTHH để xác định các đặc trƣng dao động lý thuyết, còn khi khảo sát đo đạc trên cầu thì số liệu dao động thực nghiệm sẽ đƣợc xác định. Mục tiêu của bài toán chẩn đoán cầu bằng phƣơng pháp dao động là tìm kiếm hƣ hỏng của cầu và đánh giá hiện trạng của cầu thông qua việc so sánh các đặc trƣng dao động tính toán và thực nghiệm của nó (hoặc giữa hai số liệu đo đạc thực nghiệm của cầu ở hai thời điểm xa nhau) kết hợp với các số liệu khảo sát khác.
Các phƣơng pháp chẩn đoán động đƣợc phát triển rất mạnh do có ƣu điểm là chi phí hợp lý và dễ dàng đo đƣợc các đặc trƣng động lực trên kết cấu cầu. Các đặc trƣng này có thể tách ra và nhận biết trong các tín hiệu đo về dao động nhƣ gia tốc, vận tốc, chuyển vị,. Các đặc trƣng này gắn liền với bản chất vật lý, hình học, liên 6 kết của kết cấu và ít phụ thuộc vào tác động của môi trƣờng. Các dao động có thể đo đạc đƣợc trong điều kiện khai thác bình thƣờng.
Phƣơng pháp chẩn đoán động cho phép phát hiện hƣ hỏng ở những bộ phận ẩn khuất hay cho biết ảnh hƣởng của các vùng hƣ hỏng đến các vùng khác,. Các phương pháp giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình bằng phương pháp dao động Phƣơng pháp để giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình bằng phƣơng pháp động đƣợc phân chia ra thành hai nhóm. Một nhóm thực hiện chẩn đoán bằng phƣơng pháp phi tham số (nonparametric) đi theo hƣớng dựa vào các phƣơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại nhƣ: - Phƣơng pháp phân tích wavelet: là phƣơng pháp phân tích dựa trên ý tƣởng rằng một tín hiệu bất kỳ có thể phân tách thành các hàm cơ sở có tính chất cục bộ đƣợc gọi là ‘wavelet’. Tín hiệu sau khi phân tích wavelet đƣợc phân thành hai thành phần: thành phần xấp xỉ và thành phần chi tiết, trong đó thành phần chi tiết chứa các điểm tần số cao tạo thành các đỉnh (peak) tƣơng ứng với những điểm gián đoạn, gập, gẫy của tín hiệu gốc, đây chính là yếu tố để nhận dạng vết nứt.
Để giải bài toán xác định vết nứt của kết cấu có nhiều loại biến đổi wavelet khác nhau nhƣ: biến đổi wavelet liên tục (CWT), biến đổi wavelet rời rạc (DWT), biến đổi wavelet packet (WPT) hoặc biến đổi wavelet dừng (SWT). - Phƣơng pháp biến đổi Hilbert Huang. - Phƣơng pháp dựa trên thuật toán di truyền: là kỹ thuật tìm kiếm ngẫu nhiên theo cơ chế chọn lọc và tiến hóa tự nhiên, thuộc lớp các thuật toán xác xuất, dựa trên quan niệm rằng quá trình tiến hóa và thích nghi của tự nhiên là quá trình hoàn hảo nhất, hợp lí nhất, tự nó đã mang tính tối ƣu. Thuật toán di truyền đƣợc công nhận là một phƣơng pháp tìm cực trị toàn cục rất hiệu quả và có độ chính xác cao trong các bài toán tối ƣu, là kỹ thuật tìm kiếm thông minh đầy hứa hẹn cho các bài toán tối ƣu phức tạp.
Ngoài ra, từ bài toán tối ƣu đơn mục tiêu, thuật toán di truyền dễ dàng thay đổi sang bài toán tối ƣu đa mục tiêu. Trong lĩnh vực chẩn đoán kết cấu sử dụng thuật toán di truyền để xác định hƣ hỏng trong các kết cấu đàn hồi. Các véc tơ lực dƣ thay đổi theo sự thay đổi ma trận độ cứng của kết cấu bị hƣ hỏng là một hàm mục tiêu, trong khi các yếu tố giảm 7 độ cứng của tất cả các phần tử đƣợc lựa chọn là các biến. Nó mặc nhiên có nghĩa là số lƣợng các biến bằng các phần tử hữu hạn và do đó tiến trình dò tìm phát hiện hƣ hỏng là tốn thời gian.
Quá trình thực hiện gồm hai giai đoạn: đầu tiên phƣơng pháp véc tơ lực dƣ (Residual Force Vector Method - RFV) đƣợc sử dụng để xác định trƣớc vị trí hƣ hỏng, tiếp theo thuật toán di truyền đƣợc sử dụng để xác định mức độ hƣ hỏng. Phƣơng pháp này đã đƣợc chứng minh trên một kết cấu dàn mô phỏng với 13 thanh và có 3 thanh hƣ hỏng. Một nhóm thực hiện chẩn đoán bằng phƣơng pháp tham số (parametric) đi theo hƣớng dựa vào sự thay đổi tần số và dạng thức dao động. Đây cũng là phƣơng pháp đƣợc đề tài lựa chọn để nghiên cứu.
Chi tiết về phƣơng pháp sẽ đƣợc phân tích cụ thể trong nội dung tiếp theo của luận án. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về chẩn đoán kết cấu bằng phƣơng pháp dao động Chẩn đoán, phát hiện hƣ hỏng của kết cấu là một chủ đề rộng đƣợc áp dụng không những cho kết cấu cầu mà còn cho nhiều loại kết cấu khác nhau nhƣ công trình nhà cao tầng, tháp cao, cần trục, kết cấu ngoài biển,. Đến thời điểm hiện nay, đã có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc công bố và kỹ thuật áp dụng trong lĩnh vực phát hiện hƣ hỏng của kết cấu. Có hai phƣơng pháp chính phát hiện hƣ hỏng kết cấu là phá hủy và không phá hủy.
Phƣơng pháp phá hủy là phƣơng pháp các hƣ hỏng đƣợc quan sát bằng mắt thƣờng, kết cấu cần phải đƣợc tháo rời thậm chí cƣa, cắt nhằm đo đạc trực tiếp các tham số hƣ hỏng. Phƣơng pháp này đánh giá một cách chính xác, cụ thể vị trí, hình dáng và kích thƣớc của các hƣ hỏng. Tuy nhiên phƣơng pháp này rất tốn kém do kết cấu phải dừng hoạt động và phải đƣợc tháo rời để kiểm tra, đánh giá. Phƣơng pháp không phá hủy là phƣơng pháp gián tiếp phát hiện hƣ hỏng thông qua việc phân tích các phản ứng của kết cấu.
Các phƣơng pháp không phá hủy có thể kể đến: phƣơng pháp dao động, phƣơng pháp tĩnh, phƣơng pháp âm,. Trong các phƣơng pháp này thì phƣơng pháp dao động là phƣơng pháp đƣợc quan tâm và ứng dụng nhiều hơn cả do các tín hiệu dao động thƣờng dễ dàng đo đạc, rẻ tiền, kết cấu không cần phải dừng hoạt động. Phƣơng pháp dao động lại có thể chia nhỏ thành các nhóm nhƣ sau [37]: phƣơng pháp phân tích sự thay đổi của tần số riêng, phƣơng pháp phân tích sự thay đổi dạng riêng, phƣơng pháp phân tích sự 8 thay đổi độ cong của dạng riêng, phƣơng pháp dựa trên sự thay đổi của ma trận độ mềm, phƣơng pháp dựa trên các chỉ số hƣ hỏng, phƣơng pháp dựa trên trí tuệ nhân tạo, phƣơng pháp dựa trên biến đổi wavelet (các sóng nhỏ). Bên cạnh đó các cảm biến (sensor) chuyên dụng dành cho việc giám sát và phát hiện hƣ hỏng của kết cấu cũng đang đƣợc phát triển rất mạnh.
Khoo và đồng nghiệp [45] đã công bố kỹ thuật phát hiện hƣ hỏng trong một kết cấu tƣờng bằng gỗ sử dụng dạng riêng. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã phát hiện ra rằng hƣ hỏng sẽ gây nên sự thay đổi mạnh ở một số tần số riêng và dạng riêng tƣơng ứng. Bằng việc quan sát sự thay đổi mạnh ở một số tần số riêng để khẳng định sự tồn tại của hƣ hỏng trong kết cấu, dạng riêng tƣơng ứng sẽ đƣợc lựa chọn để phân tích và phát hiện ra vị trí của vết nứt. Các tác giả đã thành công trong việc so sánh dạng riêng trƣớc và sau khi có hƣ hỏng để khoanh vùng vị trí hƣ hỏng.
