CHƯƠNG 1 MỞ DAU 1.1 ĐẶT VẤN ĐÈ Theo dõi và chan đoán kết câu (SHM: Structural Health Monitoring) là một thuật ngữ dé cập đến việc đánh giá ứng xử đang làm việc của kết cau băng cách sử dụng nhiều kỹ thuật đo lường khác nhau. SHM có rất nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là theo dõi và kiểm soát quá trình thi công xây dựng, xác nhận đặc điểm thiết kế của công trình, xác nhận tải trọng công trình, hỗ trợ cho việc duy tu công trình, phát hiện các hư hỏng kịp thời, giảm chỉ phí và thời gian sửa chữa, hỗ trợ cho các trường hợp nguy cấp. SHM có rất nhiều cấp độ khác nhau. Cấp thấp nhất là ghi nhận những tín hiệu đáp ứng của kết cấu.
Từ đó có thể đưa ra cảnh báo sự xuất hiện hư hỏng từ tín hiệu được ghi nhận. Cấp tiếp theo là nhận dạng vị trí và độ lớn của hư hỏng trong kết cấu. Cấp cao nhất của SHM là đánh giá được ảnh hưởng của hư hỏng đến toàn bộ kết cấu.1 minh họa hệ thống SHM trong kết câu cầu Jindo (Hàn Quốc). Kết cầu này được trang bị hệ thống cảm biến thông minh không dây (WSSN: Wireless Smart Sensor Network) dé theo dõi phản ứng kết cấu của hệ (phan sàn va cáp) và các thay đối điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ am, ánh sáng và gió).
Các kết quả thu nhận được sẽ được phân tích xử lý để đưa ra các cảnh báo về hư hỏng và đánh giá tác động của hư hỏng đến sự làm việc tổng thể của cầu. Trong hơn hai thập niên đã qua, đã có nhiều nỗ lực trong việc nghiên cứu về SHM. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều nghiên cứu về SHM, qua đó cung cấp cơ sở lý thuyết và để xuất các hệ thống tương ứng để theo dõi một cách hiệu quả, khoa học tình trạng sức khỏe của kết cau công trình. SHM có ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực kỹ thuật như hàng không vũ trụ, xây dựng cầu, xây dựng công trình dân dụng.
ZEA ZN % Jindo side € >Haenam side \sSx (South) + — (North) A ; EWa|est ye a ae eS > a a “eS eS ( ‘ c ' 104 30 | 25 8s ữ 4 52 132 6 Jindo side 3 ll Haenam side Pylon Pylon ®: Jindo Deck network (single hop) ®: Jindo Cable network (multi hop) @: Haenam Deck network (single hop) @®: Haenam Cable network (single hop) H: High-sensitivity (SHM-H) W : Anemometer (SHM-DAQ) S: Strain sensor (SHM-S) Hình 1.1 Hệ thống SHM trong kết cau cầu Jindo (Han Quốc) (nguồn http://smartstructure.2 là hình ảnh sup đồ cầu vượt de la Concorde Laval ở Quebec, Canada (2006) do chính quyền đã không phát hiện ra các hư hỏng để đưa ra các quyết định sửa chữa kịp thời. Điều đó cho thay tầm quan trọng của SHM đối với sự an toan và tuổi thọ của kết cau xây dựng. / Trong các phương pháp SHM thì các phương pháp không phá hủy xác định hư hỏng của kết cấu dựa trên dao động đã trở thành một trong những phương pháp tiếp cận căn bản trong việc phát hiện hư hỏng và giám sát sức khỏe kết cấu bởi khả năng đo lường linh hoạt, chỉ phí tương đối thấp, sử dụng kỹ thuật không phá hủy và tính khả thi của việc giám sát sức khỏe kết cau tong thé trong thời gian thực. Về mặt nguyên lý, bat kỳ thay đổi đáng kế về thuộc tinh trong kết cấu đều dẫn đến các thay đôi về thông số dao động như là: tần số tự nhiên, dạng dao động, độ cong dạng dao động và năng lượng biến dạng.
Đó cũng chính là co sở của các kỹ thuật không pha hủy dé xác định kết cau bị hư hỏng chưa hoặc thậm chi dé dự đoán vị trí và mức độ hư hỏng. Cawley and Adams (1979) sử dụng sự thay đổi tan số tự nhiên các dạng dao động khác nhau để phát hiện hư hỏng trong dầm composite. Shen and Grady (1992) phát hiện ra răng những hư hỏng cục bộ không có tác động đáng ké đến dang dao động tổng thé của dầm conposite, nhưng gây ra sự những bat thường trong dang dao động. (1997) sử dung thay đối độ cong dạng dao động dé xác định sơ bộ vùng hư hỏng trong kết cấu tam.
Các nghiên cứu về thay đổi tần số, dạng dao động va độ cong dạng dao động mới chi dừng lại ở việc xác định xem kết cau đã hư hỏng hay chưa (SHM tổng thé), xác định các hư hỏng lớn hoặc vùng hư hỏng sơ bộ. Hạn chế của các phương pháp này là chưa xác định được chính xác vi trí và mức độ các hư hỏng nhỏ (SHM cục bộ). Trong khi đó, phương pháp năng lượng biến dang (SEM: Strain Energy Method) nỗi lên với ưu điểm vừa là phương pháp SHM tổng thé, vừa là phương pháp SHM cục bộ hiệu quả nên được tập trung nghiên cứu. Stubbs et ai.
(1995) lần dau tiên áp dụng phương pháp năng lượng bién dạng (SEM: Strain Energy Method) dé phát hiện các hư hỏng của kết cu dựa trên sự giảm năng lượng biến dạng dao động của các kết cấu. Cornwell et al. (1997) mở rộng SEM trên kết cau tam đặc trưng bởi mặt cong hai chiều. Trong cách tiếp cận của Cornwell, năng lượng biến dạng phân đoạn của tắm trước và sau khi bị hư hỏng được sử dụng để xác định chỉ số hư hỏng.
Từ chỉ số này có thể xác định thành công vị trí các khu vực độ cứng giảm đến 10%, đồng thời sử dụng tương đối ít các dạng dao động. Trong kiểm chứng thực nghiệm của họ, hai vết nứt ở biên với mức độ hư hỏng nhất định được xác định chính xác bởi chỉ số hư hỏng. Kim et al. (2003) áp dụng SEM cho bài toán dầm đơn giản nhịp 3.6m và đã phát hiện chính xác hư hỏng ở vị trí giữa nhịp và một phan tư nhịp chỉ với hai dạng dao động.
Mức độ hư hỏng của vết nứt ở giữa nhịp cũng được xác định chính xác Hu et al. (2008) đã kiểm chứng thực nghiệm SEM dé phát hiện vết nứt bé mặt trong tam nhôm mỏng với điều kiện biên tự do. Trong cách tiệp cận của minh, Hu et al. 4p dụng phương pháp cầu phương vi phân (DQM: Diffrential Quadrature Method) dé tính toán năng lượng biến dạng va đã xác định chính xác vị trí hư hỏng trong tam nhôm đăng hướng.
DQM là một công cụ tính toán mạnh mẽ để tìm ra nghiệm chính xác của các phương trình vi phân từng phan ma chỉ cần sử dụng một vài điểm lưới trong các miền nghiệm tương ứng. (1988) lần đầu tiên áp dụng phương pháp nay dé giải quyết những van đề cơ học kết cấu. Với các nghiên cứu đã thực hiện, SEM chưa được áp dụng với tắm có điều kiện biên khớp và ngam. Vì vậy, van đề tiếp tục nghiên cứu sử dung SEM dé chân đoán hư hỏng của kết cấu tắm với các điều kiện biên khác được đặt ra để đánh giá một cách tong quát hơn phạm vi ứng dụng của SEM.
Trong phạm vi nghiên cứu này, phương pháp sai phân trung tam (CDM: Central Differential Method) được sử dụng để tính toán đạo hàm bậc hai của hàm dang.2 MỤC TIỂU VA NOI DUNG NGHIÊN CUU Mục tiêu của luận van là mở rộng SEM để chân đoán hư hỏng của kết cau tâm với các điều kiện biên khớp và ngàm. Các nội dung nghiên cứu chính được trình bay trong luận văn, bao gồm: (1) Phát triển phương pháp tinh năng lượng biến dang cho kết cau tam với các điều kiện biên tự do, khớp, ngàm. Trong công thức tính toán năng lượng biến dạng 10 dao động xuất hiện đạo hàm bậc hai của hàm dang theo các biến tọa độ. Vấn đề trọng tâm là phải tính được đạo hàm bậc hai của hàm dạng tại các điểm lưới.
(2) Xây dựng phương pháp dé định vi và đánh giá mức độ hư hỏng của kết cầu mục tiêu thông qua chỉ số hư hỏng và ngưỡng hư hỏng. (3) Xây dựng quy trình chan đoán hư hỏng cho kết cau tam. Quy trình này bao gồm các thủ tục cần thiết từ việc thiết lập mô hình, thu thập số liệu đến việc xử lý số liệu và các tiêu chuẩn đánh giá hư hỏng. (4) Ung dụng quy trình chuẩn đoán hư hỏng cho một số bai toán giả định với các điều kiện biên, vị trí, số lượng hư hỏng khác nhau.
Cụ thể: Bài toán 1: Bài toán đối chiếu với kết quả bài báo của H.-B, Wu (2008): Tam hình vuông, một vết nứt chạy dải với điều kiện biên 1a tự do. Bài toán 2: Mô hình giống bài toán 1, điều kiện biên khớp. Bài toán 3: Mô hình giống bài toán 1, điều kiện biên ngàm. Bài toán 4: Bài toán tam vuông, hai vết nứt vuông góc với điều kiện biên là khóp.
Bài toán 5: Bài toán tắm hình chữ nhật, hai vết nứt song song với điều kiện biên là ngàm. Bài toán 6: Khảo sát hư hong của kết cầu tam hình vuông có một vết nứt chạy dài với điều kiện biên tự do hoàn toàn bằng SEM áp dụng trên vùng hư hỏng cục bộ. 13 PHAM VINGHIÊN CỨU Trong luận văn nay, đối tượng nghiên cứu là tam mỏng mỏng tuân theo lý thuyết Kirehoff với giả thuyết về mặt trung bình không biến dạng. Hình dạng tắm sử dụng là tắm hình vuông hoặc hình chữ nhật.
Vật liệu sử dụng là vật liệu đàn hồi, đồng nhất và đăng hướng. Vết nứt bề mặt chạy dài năm theo phương song song với các cạnh tắm. Toa độ sử dụng là toạ độ Đề-các vuông góc. Trong luận văn chưa khảo sát đến ảnh hưởng của kích thước hư hỏng đến kết quả chân đoán.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIEN Kết cau kim loại dạng tam dang được sử dung rộng rãi trong các lĩnh vực từ kỹ thuật hàng không, kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật xây dựng.
Trong quá trình chế tạo sản xuất và vận hành thì việc xảy ra các khuyết tất hay hư hỏng trong kết cau tam là điều không tránh khỏi. Khi đó, việc đưa ra các quyết định thay thế sửa chữa kịp thời các hư hỏng đóng vai trò quan trọng đối với sự an toàn va vận hành bình thường của kết cau. việc phát triển một phương pháp không phá hủy, linh hoạt, chính xác và chi phí vừa phải như SEM để có thé cảnh báo cũng như phát hiện hư hỏng nhanh chóng, chính xác có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. CHƯƠNG 2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA PHƯƠNG PHÁP NĂNG LUONG BIEN DẠNG Trong chương này, tổng quan các nghiên cứu về SEM sẽ được trình bảy.1 PHƯƠNG PHAP SEM TRONG BÀI TOÁN MOT CHIEU (1-D) Stubbs ef al.
(1992) lần đầu tiên đề xuất áp dụng SEM lần trên kết cau dầm đặc trưng bởi đường cong một chiều như hình 2.
