Luận văn thạc sĩ về mô phỏng cầu và trụ cầu trong xây dựng công trình giao thông

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng cầu và trụ cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn từ dữ liệu đám mây điểm thu thập bằng máy quét laser.

• Tác giả: Nguyễn Anh Rin
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Ngọc Thi
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Mô phỏng cầu và trụ cầu trong kỹ thuật xây dựng giao thông bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Thực trạng nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 1.5. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH CẦU
• 2.1. Phương pháp kiểm tra độ toàn vẹn bề mặt
• 2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng vật liệu của kết cấu cầu
• 2.3. Phương pháp kiểm tra khả năng chịu lực của cầu bê tông cốt thép
• 2.4. Thử nghiệm tải trọng (gia tải)
• 2.5. Đo đạc định kỳ
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH LƯỚI (MESH MODEL) PHỤC VỤ CHO PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 3.1. Dữ liệu thực nghiệm
• 3.2. Phương pháp thực hiện
• 3.2.1. Bước 1: Cấu trúc dữ liệu
• 3.2.2. Bước 2: Tạo mặt phẳng, xác định đỉnh của các phần tử biên
• 3.2.3. Bước 3: Tìm điểm giao đường biên
• 3.2.4. Bước 4: Tạo mô hình lưới 3D
• 3.3. Kết quả thu được và sai số cho phép trong mô hình
• 3.3.1. Kết quả thu được
• 3.3.2. Đánh giá sai số
• 4. CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 4.1. Trường hợp nghiên cứu: giả thiết trụ của cây cầu cạn trên đường CO16, Seßlach, CHLB Đức chịu ảnh hưởng tại vùng địa chấn
• 4.2. Cơ sở đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu
• 4.2.1. Lý thuyết tính toán: Phương pháp đàn hồi dạng đơn
• 4.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình số trong phần mềm ABAQUS CAE và ANSYS Workbench
• 4.2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 4.2.2.2. Mô hình số phân tích/ giải lưới (mesh) mô hình khối trụ cầu trong phần mềm ABAQUS CAE
• 4.2.2.3. Mô hình số phân tích/ giải lưới (mesh) mô hình trụ cầu trong phần mềm ANSYS Workbench R19
• 4.3. Trường hợp nghiên cứu: Sử dụng ANSYS Workbench R19.2 để mô hình số những trường hợp giả dụ trụ cầu bị khiếm khuyết một số vị trí trên thân trụ, từ đó đánh giá khả năng làm việc của kết cấu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI
• 5.1. Kết quả đánh giá kết cấu dựa trên mô hình lưới khối 3D tạo ra từ đám mấy điểm tính toán phần tử hữu hạn
• 5.2. Kết luận chung
• 5.3. Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC MÔ HÌNH NỘI LỰC CÁC TRƯỜNG HỢP GIẢ ĐỊNH TRỤ CẦU BỊ BONG TRÓC/ SỨT MẺ
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Bài viết này tập trung vào việc mô phỏng cầu và trụ cầu trong kỹ thuật xây dựng giao thông bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trong bối cảnh gia tăng nhu cầu kiểm tra và đánh giá công trình giao thông, việc ứng dụng công nghệ hiện đại như quét laser và đám mây điểm trở nên cần thiết. Điều này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong việc thu thập dữ liệu mà còn cung cấp cái nhìn tổng thể về tình trạng của các kết cấu cầu. Công nghệ quét laser cho phép thu thập dữ liệu 3D nhanh chóng, từ đó tạo ra mô hình lưới khối 3D chính xác cho các kết cấu cầu. Mô hình này có thể được sử dụng để phân tích và đánh giá khả năng làm việc của cầu, đặc biệt trong các trường hợp chịu tác động của động đất hay các yếu tố môi trường khác. Việc mô phỏng cầu cũng giúp xác định các điểm yếu trong kết cấu, từ đó đưa ra các biện pháp bảo trì hiệu quả.

1.1 Tình hình nghiên cứu hiện tại

Trong những năm gần đây, việc kiểm tra và đánh giá công trình giao thông đã trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong ngành xây dựng. Các phương pháp truyền thống thường dựa vào việc kiểm tra trực quan, tuy nhiên, những phương pháp này có thể gặp nhiều hạn chế về độ chính xác và tính hiệu quả. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã được áp dụng rộng rãi trong việc mô phỏng và phân tích các kết cấu cầu. Nghiên cứu này nhằm phát triển một mô hình 3D từ đám mây điểm thu thập bởi máy quét laser, giúp cải thiện độ chính xác trong việc phân tích và đánh giá. Mô hình 3D này không chỉ giúp kiểm tra tình trạng của cầu mà còn có thể dự đoán khả năng chịu lực và độ bền của nó trong các điều kiện khác nhau.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích trụ cầu. Đầu tiên, dữ liệu đám mây điểm được thu thập từ máy quét laser sẽ được xử lý để tạo ra mô hình lưới khối 3D. Quá trình này bao gồm việc xác định các điểm biên và tạo ra các phần tử khối trong mô hình. Độ chính xác của mô hình lưới được kiểm tra thông qua sai số tương đối giữa các tham số hình học. Mô hình lưới sau đó sẽ được nhập vào phần mềm phân tích FEM như ANSYS và ABAQUS để thực hiện các phân tích ứng xử của kết cấu. Kết quả của quá trình mô phỏng sẽ giúp đánh giá khả năng làm việc của trụ cầu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau.

2.1 Xây dựng mô hình lưới khối 3D

Mô hình lưới khối 3D được xây dựng từ đám mây điểm thu thập được, đảm bảo độ chính xác và tính đáng tin cậy. Quá trình này bắt đầu bằng việc cấu trúc dữ liệu từ đám mây điểm, xác định các điểm biên và tạo ra mặt phẳng. Sau đó, các điểm biên sẽ được nhóm lại để tạo thành một đám mây điểm mới, từ đó nhập vào phần mềm CAD để tạo mô hình khối 3D. Kết quả cho thấy mô hình lưới đạt được sai số tương đối nhỏ hơn 4%, cho thấy tính khả thi của phương pháp này trong việc tạo ra mô hình chính xác cho các kết cấu cầu.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ mô phỏng cho thấy khả năng làm việc của trụ cầu dưới các điều kiện khác nhau. Việc phân tích ứng xử của kết cấu cho thấy rằng các yếu tố như tải trọng, điều kiện biên và các trường hợp giả định về hư hỏng đều ảnh hưởng đến độ bền của cầu. Các kết quả thu được từ mô hình FEM cho thấy sự tương quan tốt giữa các thông số mô phỏng và thực tế. Điều này không chỉ khẳng định tính chính xác của phương pháp mà còn mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ quét laser trong kỹ thuật xây dựng. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn không chỉ giúp đánh giá tình trạng cầu mà còn cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc lập kế hoạch bảo trì và nâng cấp công trình.

3.1 Đánh giá khả năng làm việc của trụ cầu

Đánh giá khả năng làm việc của trụ cầu được thực hiện thông qua việc áp dụng các điều kiện tải trọng và phân tích ứng xử của kết cấu. Mô hình FEM cho thấy rằng khi chịu tác động của các lực bên ngoài, trụ cầu có khả năng chịu tải tốt, tuy nhiên, một số vị trí trên bề mặt kết cấu có dấu hiệu xuống cấp. Các kết quả này cho thấy sự cần thiết phải theo dõi và bảo trì định kỳ nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình giao thông. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong đánh giá kết cấu cầu không chỉ giúp phát hiện sớm các vấn đề mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc bảo trì.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Hiệp hội Kỹ thuật Xây dựng Hoa Kỳ, hơn 40% hệ thống cầu đường bộ tại Mỹ đã vận hành trên 50 năm và khoảng 13,6% công trình đang trong tình trạng suy giảm chức năng chịu lực. Tại bang New South Wales của Úc, chi phí dành cho công tác duy tu, quản lý hạ tầng giao thông chiếm hơn 28% tổng ngân sách thường niên. Tại Việt Nam, nguồn vốn đầu tư phát triển hạ tầng giai đoạn 2021-2025 chiếm từ 30% đến 40% tổng vốn đầu tư công, tương đương khoảng 40 đến 50 tỷ USD. Tuy nhiên, phần lớn các công trình cầu hiện hữu sau nhiều thập kỷ khai thác đều bị suy giảm chất lượng do tác động của tải trọng nặng, thời tiết và hiện tượng ăn mòn vật liệu.

Phương pháp kiểm định truyền thống dựa trên quan sát mắt thường và đo đạc thủ công thường bộc lộ nhiều hạn chế như tốn kém thời gian, rủi ro an toàn cho kỹ sư và phụ thuộc nặng nề vào đánh giá chủ quan. Đối với các công trình bị mất hồ sơ hoàn công hoặc có bề mặt nứt nẻ, biến dạng phức tạp, việc dựng lại mô hình kết cấu chính xác là thách thức rất lớn.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm phát triển quy trình chuyển đổi bán tự động từ dữ liệu đám mây điểm 3D thu nhận bằng máy quét laser mặt đất sang mô hình lưới phần tử hữu hạn chất lượng cao. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm là trụ cầu cạn thân tường đặc thuộc cầu dầm hộp bê tông cốt thép trên tuyến đường CO16 tại Seßlach, Cộng hòa Liên bang Đức. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và thử nghiệm số được tiến hành liên tục từ tháng 02/2022 đến tháng 08/2023. Giải pháp đề xuất giúp kiểm soát sai số hình học dưới 4%, độ lệch vị trí bề mặt xấp xỉ 5 mm, đồng thời cắt giảm hơn 70% thời gian khảo sát hiện trường, tạo tiền đề vững chắc cho công tác đánh giá sức khỏe kết cấu theo chuẩn mô hình thông tin công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp hai khung lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật xây dựng và công nghệ thông tin không gian:

1. Lý thuyết mô hình hóa hình học B-Rep và CSG: Biểu diễn ranh giới biên (Boundary Representation - B-Rep) được sử dụng để trích xuất các đường bao, đỉnh và mặt phẳng đại diện cho bề mặt hình học của trụ cầu từ dữ liệu đám mây điểm. Đồng thời, lý thuyết hình học khối dựng sẵn (Constructive Solid Geometry - CSG) định hình phương pháp kết hợp các khối thể tích cơ bản thông qua phép toán Boolean để tạo lập đối tượng không gian 3 chiều hoàn chỉnh.
2. Lý thuyết cơ học kết cấu và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Đánh giá trạng thái ứng suất, biến dạng và chuyển vị của trụ cầu dưới tác dụng của tổ hợp tĩnh tải rải đều, trọng lượng bản thân và tải trọng động đất thông qua việc rời rạc hóa kết cấu thành hệ thống các phần tử thể tích 3 chiều liên tục (Solid 3D Continuum Elements).

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: cấu trúc cây bát phân (Octree Partitioning) dùng để phân cấp không gian dữ liệu lớn; ô thể tích (Voxelization) chia nhỏ miền tính toán; thuật toán Marching Cubes trích xuất bề mặt đẳng trị; phân tích thành phần chính (PCA) xác định hướng mặt phẳng; và phép chia tam giác Delaunay 3 chiều (3D Delaunay Triangulation) để tái tạo màng bao bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hiện trường cầu dầm hộp 2 nhịp (chiều dài mỗi nhịp khoảng 10,5 m, bề rộng mặt cầu 7,0 m cùng 2 vỉa hè rộng 2,0 m mỗi bên). Thiết bị sử dụng là máy quét laser mặt đất Leica P20 với phạm vi quét tối đa 120 m, độ chính xác góc đạt 8 arc-seconds. Phương pháp chọn mẫu là đo đạc toàn diện đa trạm quét không phá hủy: bố trí 5 trạm quét độc lập (trong đó có 1 trạm đặt trên vỉa hè) bao quanh trụ cầu với cự ly quét trung bình 15 m và bước lấy mẫu bề mặt từ 6,3 mm đến 10 mm.

Tổng cỡ mẫu dữ liệu thô thu được lên đến 28,505 triệu điểm phản xạ, mật độ điểm trung bình sau khi lọc sạch bằng phần mềm chuyên dụng đạt 57.130 điểm/m².

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp giữa thuật toán hình học máy tính và hồi quy tuyến tính:

• Mật độ điểm quá lớn đòi hỏi cấu trúc Octree để tăng tốc độ truy xuất và phân cụm ô rỗng/ô đặc.
• Khu vực chân trụ cầu thường bị che khuất bởi thảm thực vật hoặc địa hình phức tạp, khiến việc trích xuất vector pháp tuyến bằng thuật toán thông thường dễ bị sai lệch. Do đó, việc bổ sung thuật toán Heuristic kết hợp hồi quy tuyến tính giúp cố định chính xác các điểm giao biên với số lượng không vượt quá 4 điểm trên mỗi cạnh ô voxel.
• Quy trình tiền xử lý và chia lưới được tối ưu hóa trong vòng 18 tháng nghiên cứu (02/2022 - 08/2023), giúp liên kết mượt mà từ file đám mây điểm sang các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thương mại như ABAQUS CAE và ANSYS Workbench R19.2.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng xử lý và tái tạo hình học có độ chính xác cao: Quy trình kết hợp Octree, Marching Cubes cải tiến và Delaunay 3D đã chuyển đổi thành công 28,505 triệu điểm thành mô hình lưới khối 3 chiều. Sai số tương đối về kích thước hình học tổng thể của trụ cầu đạt mức dưới 4%. Khoảng cách sai lệch trung bình từ tập hợp đám mây điểm gốc đến bề mặt mô hình lưới tạo ra chỉ xấp xỉ 5 mm, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu sai số cho phép đối với kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn kiểm định hiện hành.
2. Khả năng tương thích và giải lưới FEM hoàn chỉnh: Mô hình CAD 3D tạo ra gồm phần tử tứ diện cho lớp biên ngoài và phần tử lập phương cho lõi bên trong đã được nhập thành công vào hai phần mềm ABAQUS CAE và ANSYS Workbench R19.2. Kết cấu trụ được tổ chức thành 1 part duy nhất với 9.160 bodies độc lập, phân chia lưới phần tử mượt mà mà không xảy ra hiện tượng méo phần tử hay lỗi phân kỳ khi giải ma trận độ cứng.
3. Định lượng chính xác ứng xử kết cấu tại các vị trí hư hỏng giả định: Khi mô phỏng 6 vị trí khiếm khuyết cục bộ do bong tróc và sứt mẻ bê tông trên thân trụ dưới tác động của phổ gia tốc động đất Koceali, nồng độ ứng suất cắt tập trung tại các góc khuyết tật tăng cục bộ từ 15% đến 25% so với mô hình nguyên vẹn lý tưởng.

Thảo luận kết quả

Độ lệch 5 mm giữa mô hình lưới và thực tế chứng minh tính ưu việt vượt trội của phương pháp đề xuất khi so sánh với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ sử dụng phương pháp tạo lưới dựa trên voxel thuần túy (với mức sai số hình học thường dao động từ 8% đến 12%). Việc kết hợp thuật toán Heuristic giải quyết triệt để sự mập mờ của vector pháp tuyến tại các vùng có mật độ điểm không đồng đều do thảm thực vật che chắn.

Toàn bộ dữ liệu phân tích phản ứng kết cấu có thể được trực quan hóa thông qua hệ thống bảng biểu so sánh ứng suất cắt danh định và biểu đồ phân bố phổ phản hồi gia tốc động đất theo thời gian. Qua các bảng dữ liệu mô phỏng, kỹ sư có thể nhận diện ngay những vùng tập trung ứng suất vượt quá ngưỡng cho phép của bê tông, từ đó xác định chính xác các vị trí xung yếu cần gia cường mà phương pháp kiểm tra mắt thường không thể định lượng được.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng quy trình Scan-to-FEM vào công tác kiểm định định kỳ công trình cầu: Các Ban Quản lý dự án và Trung tâm Quản lý hạ tầng giao thông đường bộ cần triển khai ứng dụng công nghệ quét laser mặt đất kết hợp phân tích FEM cho 100% công trình cầu cấp I và cấp II theo lộ trình Quyết định 258/QĐ-TTg từ năm 2023 đến năm 2025. Giải pháp này giúp cắt giảm 30% ngân sách bảo trì hàng năm nhờ phát hiện sớm biến dạng nguy hiểm.
2. Tự động hóa hoàn toàn khâu lọc nhiễu và chia lưới bằng trí tuệ nhân tạo: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành công trình giao thông cần tập trung xây dựng các thuật toán học sâu trong giai đoạn 2024-2026 nhằm tự động nhận dạng cấu kiện, rút ngắn thời gian xử lý dữ liệu từ 2 phút xuống dưới 30 giây cho mỗi tập dữ liệu 30 triệu điểm.
3. Thiết lập cơ sở dữ liệu số và mô hình BrIM hoàn công cho cầu hiện hữu: Các công ty tư vấn thiết kế và kiểm định cần tích hợp mô hình lưới khối 3D vào hệ thống mô hình thông tin cầu trong vòng 12 tháng tới, đảm bảo lưu trữ đầy đủ lịch sử biến dạng và mức độ suy thoái vật liệu của từng cấu kiện với độ tin cậy trên 95%.
4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về dung sai đám mây điểm trong xây dựng: Bộ Xây dựng cùng Bộ Giao thông Vận tải cần sớm nghiên cứu ban hành thông tư hướng dẫn quy chuẩn sai số cho phép của công nghệ quét 3D laser trong khảo sát kết cấu vào năm 2025, chuẩn hóa mức sai lệch bề mặt không vượt quá 5 mm đối với mọi cấu kiện bê tông cốt thép.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kết cấu và chuyên viên kiểm định công trình cầu: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết từng bước để chuyển đổi dữ liệu trắc địa thành mô hình phần tử hữu hạn, giúp rút ngắn thời gian dựng mô hình mô phỏng từ 5 ngày xuống còn vài giờ làm việc.
2. Cơ quan quản lý nhà nước và chủ đầu tư hạ tầng giao thông: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chiến lược chuyển đổi số ngành giao thông, tối ưu hóa ngân sách quản lý tài sản cầu đường và kiểm soát an toàn khai thác trong suốt vòng đời dự án.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cầu - Hầm: Nguồn tài liệu tham khảo giá trị về việc ứng dụng ngôn ngữ Python, cấu trúc dữ liệu Octree, thuật toán Marching Cubes và các công cụ mô phỏng hiện đại như ABAQUS hay ANSYS.
4. Doanh nghiệp phát triển phần mềm trắc địa và giải pháp số hóa BIM: Tiếp cận các thuật toán xử lý dữ liệu đám mây điểm tiên tiến để tích hợp vào các nền tảng thương mại phục vụ tự động hóa xây dựng trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ quét laser mặt đất có ưu điểm gì so với đo đạc trắc địa truyền thống?

Máy quét laser mặt đất phát ra từ 2.000 đến 25.000 xung mỗi giây, thu nhận hàng chục triệu điểm tọa độ 3 chiều chính xác đến từng milimet trong vài phút. Phương pháp này không làm gián đoạn giao thông, tiếp cận dễ dàng các vị trí che khuất hoặc nguy hiểm và loại bỏ hoàn toàn các sai số chủ quan của con người.

Tại sao cần kết hợp cấu trúc Octree và thuật toán Marching Cubes trong xử lý điểm?

Với tập dữ liệu lên đến hơn 28 triệu điểm, cấu trúc Octree giúp phân cấp không gian thành các ô thể tích nhỏ để tối ưu hóa bộ nhớ và tăng tốc độ xử lý. Thuật toán Marching Cubes sau đó trích xuất các mặt biên dựa trên các ô này, đảm bảo tái tạo bề mặt chính xác và liền mạch.

Sai số hình học dưới 4% và khoảng cách 5 mm có đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật không?

Theo tiêu chuẩn TCVN 12882-2020 và các hướng dẫn của Hiệp hội Đường bộ Liên bang Hoa Kỳ, sai số đo vẽ cho phép đối với kết cấu bê tông cốt thép hiện hữu là khoảng 5 mm. Kết quả sai số dưới 4% hoàn toàn đáp ứng độ tin cậy để phục vụ phân tích ứng xử chịu lực.

Mô hình lưới 3D tạo ra có thể nhập trực tiếp vào các phần mềm FEM thương mại nào?

Quy trình xây dựng mô hình lưới khối 3D trong nghiên cứu tạo ra định dạng hình học tương thích hoàn toàn với các phần mềm phân tích kết cấu hàng đầu hiện nay như ANSYS Workbench R19.2 và ABAQUS CAE, cho phép phân tích tĩnh phi tuyến, động học và phổ phản hồi địa chấn.

Nghiên cứu có thể áp dụng cho các dạng hư hỏng kết cấu phức tạp hơn không?

Phương pháp hoàn toàn có thể mở rộng để mô phỏng các dạng khuyết tật đa dạng như vết nứt lớn, võng dầm, nghiêng mố trụ hoặc mất mát khối lượng do xói mòn bề mặt. Chỉ cần mật độ điểm quét đủ dày, thuật toán sẽ tự động tái hiện chính xác hình học vùng hư hại.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình bán tự động chuyển đổi từ dữ liệu đám mây điểm quét laser mặt đất sang mô hình lưới phần tử hữu hạn 3 chiều.
• Xử lý hiệu quả tập dữ liệu lớn với 28,505 triệu điểm của trụ cầu cạn Seßlach thông qua cấu trúc Octree và thuật toán Marching Cubes kết hợp Delaunay 3D.
• Khống chế độ chính xác hình học ở mức vượt trội với sai số kích thước dưới 4% và khoảng cách sai lệch bề mặt chỉ xấp xỉ 5 mm.
• Tạo lập thành công mô hình 9.160 bodies và thực hiện phân tích ứng xử chịu lực, nồng độ ứng suất cắt khi trụ có 6 vị trí khiếm khuyết dưới tải trọng động đất trên phần mềm ANSYS và ABAQUS.
• Đóng góp giải pháp công nghệ then chốt thúc đẩy tiến trình ứng dụng mô hình thông tin công trình trong quản lý và kiểm định hạ tầng giao thông tại Việt Nam giai đoạn 2023-2025.

Các đơn vị quản lý, tư vấn và nghiên cứu hạ tầng giao thông nên nhanh chóng áp dụng công nghệ quét laser 3D và quy trình mô phỏng số này để nâng cao chất lượng đánh giá an toàn công trình cầu hiện hữu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong những năm qua, sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế đã thúc đẩy cho sự kết nối mạng lưới hạ tầng giao thông ở các đô thị lớn, góp phần quan trọng trong vận chuyển hàng hóa, đảm bảo an ninh quốc phòng, nâng cao chất lượng đời sống nhân dân. Trong đó, một số tỉnh thành từng bước phát triển theo hướng hiện đại, đô thị hóa, nhờ vậy nguồn đầu tư được thu hút nhiều nên dẫn tới mật độ phương tiện giao thông tăng nhanh chóng, đặc biệt tại các khu công nghiệp có nhiều phương tiện giao thông tải trọng nặng. Hệ thống hạ tầng cầu đường dù đã được đầu tư nâng cấp, sửa chữa và bảo dưỡng theo định kỳ, nhưng hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông vẫn không đáp ứng kịp tốc độ phát triển của nền kinh tế. Phần lớn các cầu đã nhiều năm sử dụng thành thử tính năng hình học bị xuống cấp do bị thời tiết, động đất, khí hậu ăn mòn.) Ngoài ra, độ bền của vật liệu giảm dần theo thời gian.

Do đó, sức khỏe của kết cấu cầu cần được theo dõi để đảm bảo an toàn. Trụ cầu Shinkansen. 2004, Nhật Bản, bị ảnh hưởng động đất (Moehle và cộng sự, 2000) Có ba yếu tố chính được sử dụng để đánh giá khả năng làm việc của cầu đó là: tính nguyên vẹn của bề mặt, chất lượng vật liệu và khả năng chịu lực của kết cấu. Do đó, 2 quá trình đánh giá là cần thiết để dự đoán độ an toàn của các công trình hiện hữu này và đưa ra quyết định duy tu sửa chữa và thay thế một phần hoặc toàn bộ kết cấu.

Hướng dẫn đánh giá cầu của Hiệp hội đường bộ liên bang (FHWA) đã vạch ra một cách tiếp cận có hệ thống bao gồm mọi khía cạnh của đánh giá cầu, bao gồm đánh giá tính toàn vẹn bề mặt của kết cấu, chất lượng vật liệu và khả năng thi công. FHWA đã đưa ra những hướng dẫn chi tiết để đánh giá tình trạng của một cây cầu đường cao tốc ở Mỹ. Căn cứ vào hướng dẫn, các thanh tra viên sẽ đưa ra quyết định về việc bảo trì, xây dựng lại hoặc thay thế các cây cầu hiện có [1]. Trước đây, tính toàn vẹn bề mặt và đánh giá chất lượng vật liệu được kiểm tra trực quan bởi một thanh tra viên.

Việc kiểm tra trực quan có thể xác định các vấn đề như vết nứt, rỉ sét hoặc ăn mòn, chỉ ra các vấn đề tiềm ẩn đối với sự ổn định và an toàn của kết cấu công trình [2]. Ví dụ như mất mát khối lượng bề mặt kết cấu bởi dao động do các điều kiện tải trọng động gây ra như xe lưu thông và gió lớn, hoặc tác động của thời tiết khắc nghiệt, có thể tạo ra các hư hỏng như mất khối lượng, có thể nghiêm trọng theo thời gian [3]. Do đó, việc kiểm tra và giám sát tình trạng sức khỏe của các kết cấu cầu theo các khoảng thời gian nhất định có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện các dấu hiệu xuống cấp và lập kế hoạch các biện pháp đối ứng hoặc khôi phục thích hợp [4]. Tuy nhiên, kết quả phụ thuộc nhiều vào các thí nghiệm và quyết định cá nhân của thanh tra viên.

Khi sử dụng các phương pháp truyền thống, các thanh tra viên đến thực tế tại chỗ để kiểm tra thường xuyên và đánh giá tình trạng là khá tốn kém, tốn thời gian và có khả năng không an toàn. Hơn nữa, bất kỳ sơ suất bảo trì hoặc bất kỳ hoạt động chậm trễ nào có thể dẫn đến chi phí tăng đáng kể trong tương lai. Điều này sẽ cần thiết hơn khi công trình được sử dụng hoặc có tầm quan trọng đặc biệt như huyết mạch vận chuyển hoặc quốc phòng vận chuyển các khí tài quân sự. Các thành phần quan trọng của hệ thống mạng lưới đường bộ, đặc biệt là các cây cầu, là một trong những cấu trúc dễ bị ảnh hưởng nhất và quan trọng nhất, cần được kiểm tra chính xác và bảo trì tốt.

Những kết cấu quan trọng này thường nằm ở những địa hình hiểm trở và được xây dựng ở những nơi khó tiếp cận. Do đó, việc thực hiện một phương pháp kiểm tra hiệu quả và có chiến lược bảo trì/phục hồi định 3 kỳ về cơ bản là cần thiết. Hơn nữa, việc áp dụng một phương pháp kiểm tra hiệu quả, nếu xét về chi phí là một yếu tố quan trọng khác. Dựa trên báo cáo gần đây nhất của Bộ phận Đường bộ và Hàng hải (RMS) của New South Wales (NSW) tại Úc, [5] hơn 28% ngân sách của chính phủ NSW được chi cho việc quản lý và duy trì tài sản cơ sở hạ tầng, đặc biệt là cầu đường.

Do đó, việc áp dụng các phương pháp kiểm tra, giám sát chủ động và hiệu quả về chi phí cũng như quản lý tài sản có thể giảm đáng kể những chi phí quá mức này. Thông thường, vật liệu sẽ ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng, chủ yếu bị ảnh hưởng của thời tiết và ăn mòn. Do đó, một nghiên cứu để xem xét kỹ lưỡng tính toàn vẹn của bề mặt và đánh giá tỉ mỉ khả năng thi công kết cấu của nó cần phải thực hiện. Gần đây, một nhóm đặc biệt chung của Hiệp hội các cơ quan giao thông và đường cao tốc tiểu bang Hoa Kỳ (ASCE/SEI – AASHTO) đã được thành lập để xác định các nhu cầu và vấn đề liên quan đến việc đảm bảo sự an toàn của các cây cầu trên đường cao tốc trên khắp Hoa Kỳ và để kiểm tra xem có thể cải thiện các hoạt động kiểm tra cầu hiện tại như thế nào trong tương lai.

Họ giải quyết nhiều thách thức lớn, bao gồm chính sách kiểm tra cầu và tính nhất quán của xếp hạng kiểm tra (ASCE/SEI- AASHTO). Tuy nhiên, một trong những thách thức là việc phát triển các phương pháp kiểm tra không phá hủy Non-destructive (NDT) hiệu quả và các hướng dẫn của chúng để áp dụng các phương pháp sao cho phù hợp. Trong vài thập kỷ qua, các phương pháp NDT đã được phát triển và sử dụng như một phương tiện kiểm tra kết cấu nhanh chóng và hiệu quả. Năm 1990, cuốn sách hướng dẫn tham khảo kiểm tra cầu ((Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) [6] đề xuất cho cầu bê tông: Ultrasonic Testing (UT)-siêu âm, Ground Penetration Radar (GPR), Impact Echo - tiếng vang (IE), Infrared Thermography – nhiệt độ hồng ngoại, Radiography Testing (RT) phóng xạ.

Tuy nhiên, những phương pháp này chưa có được thực hành rộng rãi. Một cuộc khảo sát để xác định tình trạng của thực tiễn cho kiểm tra cầu ở Hoa Kỳ được thực hiện bởi Rolander và cộng sự [7] là cần thiết để giảm thiểu sự thực hiện bởi con người. 4 Phản hồi thử tải (LTR) là một trong những phương pháp đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu cầu. Đây là một phương pháp được sử dụng để xem xét khả năng sử dụng/ chịu đựng của kết cấu cầu bằng cách cho nó chịu tải và quan sát phản ứng của nó.

Theo sách hướng dẫn AASHTO, phản ứng thử tải là một thành phần quan trọng của quy trình đánh giá sức khỏe kết cấu cầu [6]. Để kiểm chứng và so sánh kết quả của phương pháp LTR, Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô phỏng ứng xử của kết cấu. Wang và cộng sự. [8] đã đánh giá một số kết cấu cầu hiện có và các hướng dẫn được đề xuất dựa trên chương trình thử tải kết hợp và mô hình phần tử hữu hạn.

Hiện tại, FEM có thể cung cấp phân tích chi tiết về ứng xử của kết cấu cầu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các kế hoạch sửa chữa và bảo trì khác nhau đối với tuổi thọ còn lại của kết cấu [9]. Cụ thể, FEM được sử dụng trên các cấu kiện cầu khác nhau, bao gồm trụ cầu, dầm và mặt cầu, để mô phỏng thử nghiệm phá hủy cấu trúc cầu ở các cấp độ khác nhau. Do đó, việc thu thập dữ liệu và tái tạo lại các bộ phận của kết cấu trở nên cấp thiết để kiểm tra và đánh giá chất lượng kết cấu.

Mô hình số trong FEM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác hình học của các bộ phận, điều này rất quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu cầu [10]. Mô hình hình học thường được dựng lại thủ công từ bản vẽ hiện có. Nó có thể chứa những lỗi gây ra bởi sự bất cẩn của các kỹ thuật viên. Quá trình này dẫn đến nhiều sai sót cản trở chất lượng đánh giá tổng thể về khả năng làm việc của kết cấu hiện có [11].

Ngoài ra, ở các công trình cũ, tình trạng mất bản thiết kế, công trình bị biến dạng, sụt lún, bong tróc một số lớp bê tông bao che kết cấu dẫn đến việc thu thập số liệu đo đạc trực tiếp gặp nhiều khó khăn. Những tiến bộ của khoa học và công nghệ ngày nay đã đưa ra một số phương pháp mới mang lại những lợi thế đáng kể, thay thế các phương pháp truyền thống đo lường trực tiếp. Cụ thể, camera ghi lại hình ảnh công trình để trực quan hóa bề mặt công trình. Đây là một phương pháp không phá hủy để kiểm tra trực quan chất lượng xây dựng.

Quá trình kiểm tra chất lượng có thể được thực hiện bởi người kiểm tra hoặc bằng cách áp dụng thuật toán xử lý hình ảnh để xử lý dữ liệu lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng hình ảnh 2D không tốt trong một số cuộc khảo sát, cần biết 5 độ chính xác của kích thước hình học hoặc thành phần bị ẩn bởi những người khác, trong khi hình ảnh đám mây điểm 3D được tạo ra là không chính xác. Một phương pháp khác để thu thập các đám mây điểm 3D chính xác của bề mặt công trình là công nghệ quét lazer. Máy quét Laser hiện nay hỗ trợ thu thập đám mây điểm 3D nhanh chóng với mật độ điểm cao trong thời gian ngắn.

Công nghệ này ngày càng trở nên nổi bật và đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là trong ngành cơ sở hạ tầng giao thông [12]. Đám mây điểm 3D giúp đánh giá tính toàn vẹn của cấu trúc và xác định các khiếm khuyết tiềm ẩn [13]. Đối với điều này, đám mây điểm trở thành dữ liệu đầu vào để tạo mô hình lưới khối cho phân tích FEM. Một số nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các phương pháp cho việc chuyển đổi này, bao gồm sử dụng máy học và chỉnh sửa thủ công.