CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Các công trình ứng dụng cơ học kỹ thuật luôn chiếm ưu thế và tạo tiền đề vững chắc cho hầu hết các ngành kỹ thuật trên toàn cầu. Trong đó, công trình cầu luôn đóng vai trò quan trọng và có ý nghĩa lớn đối với đời sống chúng ta cũng như đối với sự phát triển của toàn xã hội. Trên các tuyến đường bộ và đường sắt Việt Nam có rất nhiều công trình cầu được xây dựng, đó là các cầu thép, cầu bê tông cốt thép, cầu dây văng… Trong quá trình khai thác sử dụng, do ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên, môi trường và do chịu tải liên tục trong thời gian dài…dẫn đến việc hư hỏng cầu ở nhiều mức độ khác nhau. Vì thế, việc theo dõi kiểm tra và chẩn đoán các hư hỏng, khuyết tật nhằm giúp cho công tác quản lý, kiểm định có phương pháp duy trì, bảo dưỡng thích hợp để đảm bảo cho giao thông được tiến triển tốt trong điều kiện an toàn nhất là công việc vô cùng quan trọng.
Việc kiểm tra cầu phải theo quy trình thường xuyên chứ không tiến hành trong trường hợp cầu có xảy ra sự cố, hư hỏng. Số liệu kiểm tra góp phần chẩn đoán khả năng chịu tải và đánh giá thực trạng của cầu để đề ra kế hoạch khai thác, bảo dưỡng tiếp theo nhằm đảm bảo sự an toàn của công trình. Bởi thực tế trong đời sống, đã xảy ra rất nhiều sự cố sập đổ công trình cầu khi đang hoạt động, đã gây thiệt hại nghiêm trọng không chỉ về của cải vật chất và thời gian mà còn thiệt hại cả về sinh mạng con người, mặc dù vấn đề này luôn được các nhà chuyên môn tìm cách khắc phục. Tuy nhiên, việc kiểm tra cầu với các phương pháp trước đây thường được thực hiện rất công phu, tốn kém và ảnh hưởng nhiều đến giao thông trên cầu.
Các cuộc kiểm định thường tổ chức cách nhau năm đến mười năm và khảo sát với một số ít kết quả đo đạc, do đó thông tin về tình trạng của cầu không kịp thời và không đầy đủ, đặc biệt là ứng xử động của cầu trong các điều kiện tải động khắc nghiệt trong lưu thông. Trước thực tế đó, yêu cầu cấp thiết được đặt ra là cần phải có một phương pháp chẩn đoán hiệu quả hơn và CBHD: TS. TRƯƠNG QUANG TRI 1 HVTH: NGUYỄN NGỌC HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT phù hợp với thực tế. Mặc khác, tình trạng làm việc thực của cầu là tình trạng động.
Hầu như, loại trừ các tải trọng không đáng kể như người đi bộ, xe đạp và xe gắn máy, mọi phương tiện cơ giới di chuyển trên cầu đều khiến cầu dao động. Biên độ dao động sẽ khác so với giá trị chuyển dịch khi tải trọng được đặt tĩnh trên cầu. Bên cạnh đó, việc xác định các đại lượng trong quá trình động lại khó hơn rất nhiều so với quá trình tĩnh. Khoảng thời gian giữa hai lần kiểm định liên tiếp thường khá xa, do vậy tình trạng thực của cầu giữa hai lần kiểm định không thể xác định chính xác, gây khó khăn cho cơ quan quản lý kỹ thuật trong việc ra quyết định thời điểm tổ chức cũng như chỉ định bộ phận cụ thể cần bảo trì, duy tu, từ đó đưa ra các quyết định về biện pháp kỹ thuật sữa chữa.
Do đó, vấn đề cấp thiết hiện nay là cần có những nghiên cứu mới để nhận dạng và đánh giá khuyết tật trên cấu trúc nhất là cấu trúc dầm cầu.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU: Trên thế giới, biện pháp thu thập số liệu thường xuyên thực hiện bởi các hệ thống thu thập dữ liệu tự động, gọi là “Hệ thống theo dõi sức khỏe” (Health Monitoring System, HMS) [1] phổ biến đối với các cầu quan trọng. Với hệ thống này, các cảm biến được cài đặt cố định tại các vị trí trên cầu. Các dữ liệu từ cảm biến thu thập liên tục 24/24 một cách tự động. Các thông số được đo bao gồm các thông số ứng xử cơ học (dao động, biến dạng, độ võng) và môi trường (nhiệt độ, vận tốc, gió, thủy văn, tải trọng…).
Trong đó dao động là thông số cơ bản không thể thiếu. HMS cho phép thu thập đồng thời thông tin từ số lượng lớn các cảm biến. Ở Việt Nam, công tác quản lý và kiểm định cầu cũng thực hiện bởi phương pháp thu thập số liệu đo. Tuy vậy, do điều kiện không thuận lợi nên việc thu thập số liệu không được thực hiện liên tục, khoảng cách giữa hai lần kiểm định được quy định từ năm đến mười năm [2].
Các công đoạn kiểm định hầu như rất rườm rà và gây ảnh hưởng nhiều đến quá trình lưu thông tự nhiên trên cầu. Quá trình thực thi được đề ra theo quy trình và tiền định không đảm bảo tính ngẫu nhiên trong thực tế. Mặt khác, trong mỗi lần thực hiện, quá trình kiểm định đòi hỏi nhiều chi phí nên trong thực tế việc kiểm định chỉ thực hiện khi có nhu cầu sửa chữa lớn. Vì vậy các đơn vị quản lý có rất ít thông tin để đánh giá tình trạng cơ học (liên kết, cơ tính vật liệu), khả năng chịu tải thực tế của kết cấu, cũng như các biến cố CBHD: TS.
TRƯƠNG QUANG TRI 2 HVTH: NGUYỄN NGỌC HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT ngẫu nhiên xuất hiện trên cầu. Trong những năm gần đây, các yếu tố đo đạc để chẩn đoán đã được nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn bao gồm: độ võng, độ bền mõi, biến dạng, dao động… Trong đó, các đại lượng được rút ra được từ dao động của cầu được đánh giá là thể hiện rõ bản chất của tình trạng cầu. Hiện nay, phương pháp đo và giám sát thường xuyên bằng việc thu thập các thông số ứng xử thực tế của cầu và các thông số môi trường liên quan đang được chú trọng nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi. Trong các thông số được giám sát thì thông số được rút ra từ số liệu dao động là quan trọng bậc nhất.
Biện pháp giám sát thường xuyên đầu tiên dùng tại các cầu dây văng. Ngày nay, biện pháp này được triển khai sang các cầu loại khác mà khả năng đảm bảo của cầu đó cho các phương tiện lưu thông luôn cần được khẳng định. Cụ thể, từ năm 2005 đến năm 2009 “Phòng thí nghiệm cơ học ứng dụng (Lab of Applied Mechanics - LAM) – ĐHBK TPHCM” đã thực hiện thử nghiệm lập mạng thu thập tự động liên tục dữ liệu từ trên 100 cảm biến biến dạng lắp đặt tại cầu Sài Gòn [3]. Nhận định được rút ra sau đợt thử nghiệm trên là khả năng lập các “hệ thống giám sát thường xuyên sức khỏe của cầu” là khả thi.
Tuy nhiên, chi phí để lắp đặt hệ thống này không hề nhỏ. Mặt khác, thông số được khảo sát chủ yếu là giá trị biến dạng của dầm cầu. Trong trường hợp tải lưu thông động trên cầu liên tục 24/24 thì giá trị đo biến dạng lại không thực sự phù hợp trong chẩn đoán thể trạng cầu. Vì vậy để kết hợp giữa hai nhiệm vụ quản lý: giám sát cầu Sài Gòn và quản lý số lượng xấp xỉ 1000 cầu với kinh phí chấp nhận được trong điều kiện của đất nước, LAM đã đề xuất phương án sử dụng số liệu dao động thực tế bằng phương pháp đo dao động trực tiếp trên cầu trong tình trạng lưu thông ngẫu nhiên.
Thêm vào đó, từ năm 2011 đến năm 2012, LAM đã triển khai dự án “Thí điểm đo tự động biến dạng – dao động 38 công trình cầu” được phân bố ở quận 2, quận 9 và quận Thủ Đức (TPHCM) [4]. Loại số liệu được quan tâm nhiều hơn lúc này là số liệu đo dao động của cầu trong lưu thông ngẫu nhiên. Các thông số được rút ra từ dao động bao gồm tần số dao động riêng, biên độ dao động, hệ số giảm chấn và hệ số xung kích, trong đó quan trọng nhất đó là tần số dao động riêng. Cụ thể, phương pháp chẩn đoán của LAM mới nhất hiện nay là dựa trên “Bảng phân tích tần số trội” được thống kê từ phổ công suất tín hiệu dao động cầu (hình 1.
TRƯƠNG QUANG TRI 3 HVTH: NGUYỄN NGỌC HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT Hình 1.1: Bảng phân tích tần số trội được thiết lập bởi LAM 1- Ngày thiết lập, 2- Đối tượng đo, 3- Tên cầu, 4- Kết cấu cầu, 5- Phương đo 6- Chiều dài mẫu thống kê, 7- Tổng số file thống kê, 8- Mức ý nghĩa thống kê 9- Số lần trội, 10- Trục tần số f(Hz), 11- Chuẩn hóa tỷ lệ công suất tín hiệu Trong bảng phân tích, ta có thể xác định được giá trị tần số riêng và vùng tần số trội thông qua số lần xuất hiện và giá trị chuẩn hóa tỷ lệ công suất của chúng. Ngoại trừ thông tin tần số riêng và vùng tần số trội, các thông số còn lại như hệ số xung kích và hệ số giảm chấn thì lại không thể hiện rõ bản chất của tình trạng cầu vì không thực sự phù hợp với tải gây tác động ngẫu nhiên. Tuy vậy, việc chẩn đoán thể trạng cầu mà chỉ chú trọng vào mỗi giá trị tần số riêng thì không đủ chắc chắn để đánh giá. Bên cạnh đó, bảng phân tích tần số trội còn mang nặng tính định tính.
Chưa có tiêu chuẩn chẩn đoán rõ ràng về mặt định lượng. Vì vậy, việc đưa ra thêm các thông số đánh giá phù hợp và khai thác sâu về mặt định lượng là rất cần thiết nhằm phản ánh chính xác sức khỏe tổng quát của cầu. Vào năm 2014, nhóm nghiên cứu Rolando Salgado, Gustavo Ayala và Sergio A. Zamora (đến từ Mexico) và Paolo J.
Nhóm cũng đã tiến hành thống kê kết quả đạt được để so sánh với kết quả của các phương pháp khác như phân tích Wavelet các mode dao động (Continuous Wavelet Transform), phân tích độ võng (The Curvature Method), chỉ số khuyết tật (Damage Index) và phân tích độ đàn hồi (The Flexibility Method). Gần đây, vào năm 2015, nhóm tác giả Mosbeh R. Kaloop và Jong Wan Hu của trường đại học CBHD: TS. TRƯƠNG QUANG TRI 4 HVTH: NGUYỄN NGỌC HẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT quốc gia Incheon, Hàn Quốc đã khảo sát sự thay đổi mật độ công suất phổ trong quá trình khuyết tật xuất hiện và phát triển trên dầm cầu dây văng Yonghe [6].
Phương pháp của nhóm nhóm nghiên cứu dựa trên sự thay đổi xác suất xuất hiện của các vùng tần số riêng và giá trị lớn nhất của công suất phổ.