Chương 1. Giới thiệu 5 Giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu. Tổng quan tình hình nghiên cứu Tổng quan về tình hình nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến các phương pháp quan trắc lực căng cáp. Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết, phương pháp, công cụ để chẩn đoán tổn hao lực căng cáp.
Chẩn đoán tổn hao lực căng cáp cho trụ anten sử dụng trở kháng và mạng nơ ron nhân tạo có xét độ nhạy của miền tần số Kiểm tra tín hiệu của mô phỏng số so với thực nghiệm từ nghiên cứu trước. Phân tích sự ảnh hưởng của vị trí PZT-tấm nhôm tương tác đến độ nhạy của tín hiệu trở kháng do tổn hao lực căng cáp. Chọn vị trí phù hợp thực hiện chẩn đoán tổn hao lực căng cáp cho trụ anten sử dụng trở kháng và mạng nơ-ron nhân tạo có xét độ nhạy của miền tần số. Ảnh hưởng của vật liệu và kích thước của PZT và tấm tương tác đến độ nhạy của tín hiệu trở kháng Việc tối ưu hoá về kích thước và loại vật liệu cho PZT-tấm trở kháng được nghiên cứu thông qua sự phân tích và đánh giá ảnh hưởng của vật liệu, kích thước của PZT và tấm tương tác đến độ nhạy của tín hiệu trở kháng do tổn hao lực căng cáp.
Kết luận và kiến nghị Đưa ra các kết luận chính đã đạt được trong đề tài, các vấn đề còn vướng mắc, chưa được nghiên cứu và kiến nghị hướng nghiên cứu, phát triển sau này. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2. Tổng quan về phương pháp quan trắc sức khỏe công trình Theo Balageas (2010) [8], chẩn đoán sức khỏe kết cấu nhằm mục đích cho ra một chẩn đoán về “trạng thái” của các vật liệu, các bộ phận cấu thành trong một thời gian hoặc suốt vòng đời của kết cấu đó. Các trạng thái của kết cấu này có thể bị thay đổi do lão hóa của vật liệu, việc sử dụng thực tế, tác động của môi trường và do sự kiện ngẫu nhiên không theo thiết kế ban đầu.
Nhờ việc giám sát thời gian thực này, các kỹ sư có thể xem xét cơ sở dữ liệu lịch sử đầy đủ về cấu trúc, đưa ra tiên lượng sự phát triển của hư hỏng, tuổi thọ còn lại hoặc các mục đích khác liên quan đến khả năng sử dụng của kết cấu. Phương pháp chẩn đoán sức khỏe kết cấu có thể phát hiện các hư hại, khuyết tật, kiểm tra đánh giá tính toàn vẹn của vật liệu cấu thành hoặc các đặc trưng khác của kết cấu mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của kết cấu. Đây là một ngành mới nhưng các nghiên cứu đã được thực hiện cho thấy các ứng dụng rộng rãi của nó trong các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, phương pháp kiểm tra hư hỏng của kết cấu công trình được phân loại thành phương pháp kiểm tra phá hủy và không phá hủy.
Phương pháp kiểm tra phá hủy là thực hiện việc lấy mẫu đại diện từ kết cấu chủ sau đó thực hiện thí nghiệm phá hủy trên mẫu và áp dụng các hệ số thống kê nhằm xác định các đặc trưng cần tìm, như xem trên Hình 2. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ được sử dụng trong số ít các trường hợp do kết cấu chủ đã mất đi tính toàn vẹn vốn có của nó. Trong khi đó, phương pháp kiểm tra không phá hủy để thực hiện việc kiểm tra hư hỏng mà không ảnh hưởng hoặc ảnh hưởng rất ít đến sự làm việc kết cấu như: phương pháp siêu âm, thẩm thấu và phóng xạ, như xem trên Hình 2. Cụ thể, phương pháp siêu âm phát hiện khuyết tật sử dụng các định luật vật lý về sự truyền sóng âm thanh trong vật liệu rắn đã được sử dụng để phát hiện các khuyết tật nằm ẩn bên trong như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí và sự không liên tục nằm trong kết cấu.
Kiểm tra theo phương pháp thẩm thấu dùng để phát hiện các khuyết tật mở trên bề mặt, chẳng hạn như nứt, rỗ mà không thể phát hiện được bằng mắt thường thông qua các chất lỏng chuyên dụng gọi là chất chỉ thị. Trong khi đó, phương pháp phóng xạ sử dụng bức xạ ga mma hoặc tia X trên vật liệu để xác định sự không hoàn hảo hay không liên tục của vật liệu. Các phương pháp trên tuy có thể kiểm tra được hư hỏng kết cấu nhưng giá thành cao, khó ứng dụng đại trà và theo dõi hư hỏng trong suốt vòng đời công trình. 7 (a) Thí nghiệm kéo thép (b) Thí nghiệm nén bê tông Hình 2.1 Các phương pháp kiểm tra phá hủy kết cấu (a) Siêu âm (b) Thẩm thấu (c) Phóng xạ Hình 2.2 Các phương pháp kiểm tra không phá hủy kết cấu Những năm gần đây, một số phương pháp quan trắc mới đã và đang thu hút rất nhiều học giả nghiên cứu như: phương pháp dao động, phương pháp năng lượng biến dạng và phương pháp trở kháng [8].
Những phương pháp này đều có những ưu và nhược điểm riêng, nhưng nó cho kết quả nhanh, giá thành rẻ, độ chính xác tương đối cao. Cụ thể, Sinou (2009) [3] nghiên cứu tổng quan phương pháp dao động để nhận diện hư hỏng bằng sự thay đổi của tần số dao động riêng, hệ số cản, hình dạng dao động và các đặc trưng khác. Fan (2011) [4] tổng hợp so sánh các phương pháp truyền thống và hiện đại khi sử dụng phương pháp dao động trong chẩn đoán sức khỏe kết cấu và các hạn chế của chúng. Đối với phương pháp năng lượng biến dạng, Wang (2018) [9] đã nghiên cứu tổng quan về 4 phương pháp năng lượng biến dạng cũng như phương pháp chỉ số hư hỏng (damage index), phương pháp thay đổi năng lượng biến dạng dạng dao động (modal strain energy change), năng lượng biến dạng chéo (cross-modal strain energy) và năng lượng biến dạng lặp (iterative modal strain energy).
Đối với phương pháp trở kháng, Park (2003) [5] đã có nghiên cứu tổng quát về công nghệ phương pháp sử dụng tín hiệu trở kháng trong chẩn đoán kết cấu, Huynh và cộng sự (2017) [10] đã nêu lợi thế và thách thức của việc sử dụng phương pháp này. 8 Trong các phương pháp trên, phương pháp sử dụng trở kháng là phương pháp giúp phát hiện sớm các hư hỏng xuất hiện cục bộ tại chi tiết kết cấu với nhiều ưu điểm như: (a) dữ liệu đo dễ dàng sử dụng phục vụ cho việc tính toán chuẩn đoán kết cấu, (b) có khả năng ứng dụng cho việc phát triển hệ thống đo tự động (wireless impedance sensor network) và (c) ứng dụng cho nhiều loại kết cấu khác nhau (bê tông, bê tông cốt thép, kết cấu thép). Phần sau, những nghiên cứu về ứng dụng phương pháp trở kháng sẽ được giới thiệu một cách tóm tắt. Ứng dụng phương pháp trở kháng trong chẩn đoán sức khỏe kết cấu 2.
Nghiên cứu phương pháp trở kháng cho ở nước ngoài Liang và cộng sự (1994) [11] nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp trở kháng cơ – điện giữa PZT và kết cấu chủ cho kết cấu trong miền tần số kích thích lớn hơn 30 kHz. Sau đó, Wang và cộng sự (1996) [12] chứng minh được rằng tín hiệu trở kháng điện của PZT đo được trên hai mặt của kết cấu có thể dùng để tìm ra ứng xử của kết cấu. Wang và cộng sự (1997) [13] đã thể hiện mô phỏng toán học để diễn tả sự tương thích của biến dạng giữa miếng PZT và kết cấu dầm hoặc tấm. Kết quả là biến dạng của kết cấu được nhận thấy từ những thay đổi điện dung của PZT.
Raju và cộng sự (1998) [14] đã nghiên cứu trên kết cấu bê tông cốt thép liên hợp, cho thấy ảnh hưởng của tham số trở kháng như mức độ kích thích của bộ kích thích, chiều dài dây dẫn, sử dụng một bộ duy nhất để gắn vào nhiều bộ cảm biến. Nhóm tác giả nhận thấy rằng sự thay đổi trong nhiều tham số không gây ảnh hưởng đáng kể đến trở kháng. Do yêu cầu định lượng các mức độ hư hỏng, nghiên cứu về các chỉ số đánh giá hư hỏng theo định lượng đã ra đời. Sun và cộng sự (1995) [15] đã chẩn đoán hư hỏng kết cấu dàn bằng cách sử dụng thuật toán thống kê để đánh giá sự sai khác giữ các dữ liệu trở kháng, từ đó chẩn đoán tình trạng hư hỏng.
Ngoài ra, nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng ở các phạm vi tần số khác nhau và mức độ kích thích khi theo dõi trở kháng trên kết cấu được nghiên cứu. Raju (1998) [14] đã đề xuất chỉ số CCD (Correlation Coefficient Deviation) của trở kháng cho việc tìm ra hư hỏng của kết cấu. Zagrai và Giurgiutiu (2001) [16] đã dùng các chỉ số: Root Mean Square (RMSD), Covariance Change (CC); Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD) và Correlation Coefficient Deviation (CCD) để đánh giá, chẩn đoán mức độ hư hỏng của tấm mỏng. Trong thí nghiệm này, 5 tấm mỏng có kích thước 100 mm, dày 0.8 mm được chế tạo tạo vết nứt dài 10 mm cách tâm của tấm mỏng 1 đoạn 3 mm, 10 mm, 25 mm, 40 mm và trường hợp không có nứt.
9 (a) Tấm mỏng dùng cho thí nghiệm (b) Tín hiệu trở kháng ở miền tần số 11—40 kHz Hình 2.3 Thí nghiệm chẩn đoán khoảng cách vết nứt tấm mỏng [16] Về các nghiên cứu thí nghiệm liên quan đến đối tượng lực căng cáp và vùng neo của cáp, Nguyen và cộng sự (2012) [17] đã nghiên cứu và phát triển cảm biến thông minh trong việc lấy đáp ứng tần số dao động và trở kháng dựa trên chẩn đoán kết cấu của hệ thống kết cấu dây cáp. Thí nghiệm đã mô phỏng dầm bê tông ứng suất trước với hệ dây cáp bên ngoài trong phòng thí nghiệm được đề xuất để đánh giá tính khả thi của phương pháp theo dõi tổng thể và cục bộ kết cấu dây cáp. Huynh và Kim (2014) [18] đã giám sát lực cáp dựa trên trở kháng trong vùng neo sử dụng các tấm áp điện PZT. Mô hình phân tích một bậc tự do được thiết lập để giải thích cách thể hiện sự mất lực cáp từ sự thay đổi trở kháng, cũng như giảm dải tần số nhạy cảm.
Khả năng ứng dụng của kỹ thuật được đánh giá bằng thực nghiệm để theo dõi tổn thất lực cáp trong cấu trúc thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm. (a) Sơ đồ thí nghiệm (b) Thực tế kết cấu tấm tương tác Hình 2.