Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, việc theo dõi và chẩn đoán hư hỏng kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp. Các kết cấu tấm, như sàn bê tông cốt thép (BTCT) và tấm kim loại, thường chịu tác động của các yếu tố vật lý, cơ học và môi trường dẫn đến hư hỏng như nứt, ăn mòn thép, hoặc biến dạng. Việc phát hiện sớm và chính xác các hư hỏng này giúp giảm thiểu chi phí sửa chữa, đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ công trình.

Luận văn tập trung đánh giá và so sánh sáu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trên kết cấu tấm dựa vào kết quả phân tích dao động, bao gồm: phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số, sự thay đổi dạng dao động, sự thay đổi độ cong dạng dao động, năng lượng biến dạng, làm mịn mặt cong và tải phân bố bề mặt. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình tấm nhôm mô phỏng bằng phần tử hữu hạn 3D với phần tử C3D20, sử dụng phần mềm ABAQUS, trong khoảng thời gian từ tháng 9/2017 đến tháng 8/2018 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu chính là đánh giá độ chính xác, khả năng phát hiện vị trí và mức độ hư hỏng của từng phương pháp, đồng thời phân tích ảnh hưởng của vị trí đặt cảm biến trên mặt phẳng tấm đến kết quả chẩn đoán. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp SHM phù hợp cho các công trình xây dựng, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì kết cấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số (Frequency Change-based Method): Dựa vào sự biến đổi tần số dao động riêng của kết cấu khi có hư hỏng. Tần số dao động riêng giảm khi kết cấu bị suy giảm độ cứng do hư hỏng.

  • Phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động (Modal Assurance Criterion - MAC): Sử dụng chỉ số thống kê MAC để đánh giá sự tương đồng giữa dạng dao động của kết cấu không hư hỏng và có hư hỏng, từ đó phát hiện sự khác biệt.

  • Phương pháp dựa trên sự thay đổi độ cong dạng dao động (Mode Shape Curvature-based Method): Tính toán độ cong của dạng dao động bằng đạo hàm bậc hai của vectơ chuyển vị, xác định vị trí hư hỏng dựa trên sự thay đổi độ cong.

  • Phương pháp năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy - SEM): Tính năng lượng biến dạng dao động của từng vùng trên kết cấu, vùng có năng lượng biến dạng giảm là vùng có hư hỏng.

  • Phương pháp làm mịn mặt cong (Two Dimensional Gapped Smoothing - GSM): Làm mịn đường cong dạng dao động để loại bỏ nhiễu, từ đó xác định các điểm bất thường liên quan đến hư hỏng.

  • Phương pháp tải phân bố bề mặt (Uniform Load Surface - ULS): Dựa trên ma trận độ mềm và dạng dao động, sử dụng đa thức Chebyshev để xấp xỉ và phát hiện hư hỏng qua sự thay đổi tải phân bố.

Các khái niệm chính bao gồm tần số dao động riêng, dạng dao động, độ cong dạng dao động, năng lượng biến dạng, chỉ số hư hỏng chuẩn hóa và ma trận độ mềm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả phân tích dao động của tấm nhôm kích thước 246x246x2 mm, được mô phỏng bằng phần tử hữu hạn 3D (C3D20) trong phần mềm ABAQUS. Mô hình được chia lưới với khoảng cách 5 mm, đảm bảo độ chính xác và khả năng phát hiện hư hỏng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thu thập tần số dao động riêng và dạng dao động từ mô hình không hư hỏng và có hư hỏng.

  • Áp dụng sáu phương pháp chẩn đoán hư hỏng để tính toán các chỉ số hư hỏng tương ứng.

  • Chuẩn hóa và loại bỏ nhiễu dữ liệu theo quy luật phân phối chuẩn 68-95-99.7 để xác định vị trí và mức độ hư hỏng.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một tấm nhôm mô phỏng với nhiều vị trí và mức độ hư hỏng khác nhau (D1, D2, D3). Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng số với kiểm chứng thực nghiệm từ các nghiên cứu trước. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2017 đến tháng 8/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phát hiện hư hỏng qua thay đổi tần số: Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số cho thấy mức độ thay đổi tần số Af% dao động từ 0.5% đến 3.2% tùy vị trí hư hỏng, cho phép phát hiện sự xuất hiện hư hỏng nhưng không xác định chính xác vị trí.

  2. Đánh giá bằng chỉ số MAC: Chỉ số MAC giảm đáng kể (xuống dưới 0.8) tại các vùng có hư hỏng, cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa dạng dao động của kết cấu không hư hỏng và có hư hỏng. Tuy nhiên, phương pháp này không xác định được mức độ hư hỏng.

  3. Phương pháp độ cong dạng dao động: Chỉ số hư hỏng dựa trên độ cong dạng dao động tăng lên đến 45% tại vị trí vết nứt, cho phép xác định vị trí hư hỏng chính xác hơn so với phương pháp tần số và MAC.

  4. Năng lượng biến dạng: Phương pháp SEM cho thấy năng lượng biến dạng giảm đến 10% tại vùng hư hỏng, đồng thời chỉ số hư hỏng chuẩn hóa Z đạt giá trị cao nhất tại vị trí vết nứt, chứng minh khả năng định lượng mức độ hư hỏng hiệu quả.

  5. Phương pháp làm mịn mặt cong: Giúp loại bỏ nhiễu dữ liệu, tăng độ chính xác trong việc xác định vị trí hư hỏng, đặc biệt khi dữ liệu dạng dao động có nhiều biến động.

  6. Phương pháp tải phân bố bề mặt: Cho kết quả phân bố chỉ số hư hỏng rõ ràng, phù hợp với các trường hợp hư hỏng phức tạp, tuy nhiên yêu cầu dữ liệu đầu vào chất lượng cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp năng lượng biến dạng (SEM) và độ cong dạng dao động là hai phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao nhất trong việc phát hiện và định lượng hư hỏng trên kết cấu tấm. Phương pháp dựa trên tần số và MAC phù hợp để phát hiện sự xuất hiện hư hỏng nhưng hạn chế trong việc xác định vị trí và mức độ.

Việc áp dụng phương pháp làm mịn mặt cong giúp giảm nhiễu, cải thiện độ tin cậy của các phương pháp dựa trên dạng dao động. Phương pháp tải phân bố bề mặt (ULS) có tiềm năng ứng dụng trong các kết cấu phức tạp nhưng đòi hỏi dữ liệu đầu vào chi tiết và chính xác.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với báo cáo của Hu và cộng sự (2008) về khả năng phát hiện vết nứt bề mặt trên tấm nhôm bằng SEM, cũng như nghiên cứu của Yoon và cộng sự (2015) về phương pháp làm mịn mặt cong.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh phần trăm thay đổi tần số, chỉ số MAC, độ cong dạng dao động và năng lượng biến dạng tại các vị trí hư hỏng khác nhau, giúp trực quan hóa hiệu quả từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp năng lượng biến dạng (SEM) làm phương pháp chính trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu tấm: Động từ hành động là "triển khai", target metric là độ chính xác phát hiện vị trí hư hỏng trên 90%, timeline trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý và bảo trì công trình.

  2. Kết hợp phương pháp làm mịn mặt cong để xử lý dữ liệu dạng dao động: Động từ "ứng dụng", mục tiêu giảm nhiễu dữ liệu xuống dưới 5%, timeline 3 tháng, chủ thể là các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu.

  3. Phát triển hệ thống cảm biến đặt tại mặt trên và mặt dưới tấm để thu thập dữ liệu dao động đa chiều: Động từ "lắp đặt", mục tiêu tăng độ phủ cảm biến lên 80%, timeline 12 tháng, chủ thể là các nhà thầu thi công và đơn vị giám sát.

  4. Đào tạo nhân lực chuyên sâu về phân tích dao động và sử dụng phần mềm mô phỏng FEM: Động từ "tổ chức", mục tiêu nâng cao năng lực phân tích cho 50 kỹ sư trong 1 năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo.

  5. Xây dựng cơ sở dữ liệu tham chiếu về trạng thái không hư hỏng của các kết cấu tấm phổ biến: Động từ "xây dựng", mục tiêu hoàn thành cơ sở dữ liệu trong 18 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư kết cấu và quản lý công trình: Giúp lựa chọn phương pháp SHM phù hợp, nâng cao hiệu quả giám sát và bảo trì công trình.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về các phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên phân tích dao động.

  3. Các đơn vị thi công và giám sát xây dựng: Hỗ trợ trong việc thiết kế hệ thống cảm biến và quy trình kiểm tra chất lượng kết cấu.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và an toàn công trình: Là tài liệu tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn và quy định về theo dõi sức khỏe kết cấu.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để cải thiện quy trình làm việc, từ việc phát hiện sớm hư hỏng đến tối ưu hóa chi phí bảo trì và đảm bảo an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp nào trong sáu phương pháp được đánh giá là hiệu quả nhất?
    Phương pháp năng lượng biến dạng (SEM) được đánh giá cao nhất về độ chính xác và khả năng định lượng mức độ hư hỏng, với khả năng phát hiện vị trí hư hỏng chính xác đến 90%.

  2. Có cần dữ liệu trạng thái không hư hỏng ban đầu để áp dụng các phương pháp này không?
    Một số phương pháp như SEM và độ cong dạng dao động có thể áp dụng mà không cần dữ liệu trạng thái ban đầu, giúp tăng tính khả thi trong thực tế khi dữ liệu ban đầu không đầy đủ.

  3. Ảnh hưởng của vị trí đặt cảm biến đến kết quả chẩn đoán như thế nào?
    Vị trí đặt cảm biến trên mặt phẳng tấm ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả. Việc khảo sát cả mặt trên và mặt dưới tấm giúp thu thập dữ liệu đầy đủ hơn, nâng cao độ tin cậy của chẩn đoán.

  4. Phương pháp làm mịn mặt cong có vai trò gì trong quá trình phân tích?
    Phương pháp này giúp loại bỏ nhiễu và các sai số trong dữ liệu dạng dao động, từ đó cải thiện độ chính xác của các phương pháp dựa trên dạng dao động như MAC và độ cong dạng dao động.

  5. Các phương pháp này có thể áp dụng cho các loại kết cấu khác ngoài tấm nhôm không?
    Các phương pháp được phát triển và kiểm chứng trên tấm nhôm nhưng có thể mở rộng áp dụng cho các kết cấu tấm khác như sàn BTCT, tấm composite, với điều chỉnh phù hợp về mô hình và dữ liệu đầu vào.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá và so sánh sáu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu tấm dựa trên phân tích dao động, trong đó phương pháp năng lượng biến dạng (SEM) và độ cong dạng dao động cho kết quả tốt nhất về độ chính xác và khả năng định vị hư hỏng.

  • Việc kết hợp phương pháp làm mịn mặt cong giúp giảm nhiễu dữ liệu, nâng cao độ tin cậy của các phương pháp dựa trên dạng dao động.

  • Mô hình phần tử hữu hạn 3D với phần tử C3D20 và khoảng cách lưới 5 mm đảm bảo độ chính xác trong mô phỏng và phân tích.

  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc lựa chọn và triển khai hệ thống SHM cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.

  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả chẩn đoán, đồng thời khuyến khích đào tạo và xây dựng cơ sở dữ liệu tham chiếu.

Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm trên các công trình thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các loại kết cấu khác và phát triển phần mềm hỗ trợ phân tích tự động. Độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý kết cấu.