CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1.1 DONG LUC NGHIEN CUU. Công trình cầu chiếm vi trí đặc biệt quan trong trong mang lưới giao thong. Sự hư hỏng của chúng gây ra các tốn thất lớn về kinh tế, xã hội. Vì vậy nhiệm vụ đảm bảo an toàn chịu tải do lưu thông của chúng là việc hệ trọng của cơ quan quản lý.
Biện pháp đánh giá khả năng chịu lực của cầu một cách căn cơ được quy định trong Quy trình Kiểm định do Nhà nước ban hành [1]. Cùng với sự phát triển, nhiễu công trình cầu đã được xây dựng phục vụ nhu cầu về lưu thông ngày càng nhiều của các họat động xã hội. Nhưng tuổi tho của các công trình cầu không phải là vĩnh cửu, nhiều cây cầu khi đưa vào sử dụng một thời gian dài (khoảng 10-20 năm) đã có dấu hiệu xuống cấp và không đảm bảo an toàn cho con người khi lưu thông trên cầu vì cầu có thể sập bất cứ lúc nào. Chính vì vậy mà việc kiểm tra đánh giá tình trạng cầu thường xuyên là một vẫn đề hết sức cấp thiết hiện nay.
Khoảng cách giữa hai lần kiểm định được quy định từ 3 đến 5 năm. Do các công tác cần thực thi được đề ra theo Quy trình [1] đòi hỏi nhiều chỉ phí nên trong thực tế việc kiểm định chỉ thực hiện khi có nhu cầu sửa chữa lớn. Hiện trạng này khiến 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 câu. Độ an toàn khi sử dụng cầu được đảm bảo bởi hai biện pháp: tuần tra định kỳ ngày/lần, tuần/lần (hay tháng/lần .) và biện pháp Kiểm định.
Khoảng 20 năm gần đây, trên thế giới sử dụng thêm một biện pháp đó là giám sát thường xuyên bang việc thu thập các thông số ứng xử thực tế của cầu va các thông số môi trường liên quan. Trong các thông số được giám sát thì thông số dao động là quan trọng bậc nhất. Biện pháp giám sát thường xuyên thoạt đầu dùng tại các cầu dây văng. Ngày nay biện pháp này triển khai sang các cầu loại khác mà khả năng đảm bảo của nó cho các phương tiện lưu thông luôn can được khang định.
Trong nước tình trạng sập cầu diễn ra nhiều trong thời gian gần đây. Đặc biệt sập cầu Can Thơ vào lúc 8 giờ 26/09/2007 khi dang trong quá trình thi công gây ra GVHD: GS. Ngô Kiêu Nhi l HVTH: Lê Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SĨ nhiều thiệt hại về người và vật chất (58 người chết và 181 người bị thương ). Gần đây nhất sập cầu K’Nai (huyện Đức Trọng, Lâm Đồng) vào ngày 15/01/2013 mặc dù chưa thiệt hại lớn so với sập cầu Cần Thơ nhưng van dé nay lại báo động một lần nữa trong công tác duy tu, sửa chữa và giám sát Kiêm định câu là vân đê hêt sức cân thiệt.
Trên thế giới tình trạng sập cầu nghiêm trọng diễn ra ở khắp nơi. Vào lúc 13h05 phút ngày 24/08/2012 một đoạn của cầu Yangmingtan trị giá hàng trăm triệu USD bắt qua sông Tùng Hoa ở tỉnh Hắc Long Giang (Trung Quốc) đã bị sập, khiến 4 xe tải rơi từ độ cao hàng chục mét xuống đất, làm chết 3 người và 5 người khác bị thương. Ngô Kiêu Nhi 2 HVTH: Lê Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 1.2: Cau Yangmingtan (Trung Quốc) Cũng tương tự tại Mỹ vào ngày 24/05/2013 cầu Liên tiểu bang 5 (15) 4 lan đường, bắc qua sông Skagit ở Washington đã bị đồ sụp vào lúc 7 giờ tối. 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 [2].
Nhận định mà LAM rút ra sau đợt thử nghiệm trên là khả năng lập các hệ thống HMS tại Việt Nam là khả thi. Tuy nhiên chỉ phí để lắp đặt hệ thống này không rẻ. Vì vậy dé kết hợp giữa hai nhiệm vụ quản lý: giám sát cầu Sai Gon và quản lý số lượng xấp xỉ 1000 cầu với kinh phí chấp nhận được trong điều kiện của đất nước, chúng tôi chọn phương án sử dụng số liệu đo dao động thực tế bằng biện pháp GVHD: GS. Ngô Kiêu Nhi 3 HVTH: Lê Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SĨ tô chức đội cán bộ kỹ thuật trực tiếp đến từng cầu thu thập số liệu.
Thông số quan trọng nhất cần được xác định trong trạng thái dao động của cầu theo [1] là tần số riêng. Theo [1], tan số riêng được xác định từ đồ thị dao động tự do. Đề đảm bao công việc đo triển khai được với số lượng lớn cầu và khoảng cách giữa hai kỳ đo cho mỗi cầu đáp ứng được nhu cầu cập nhật số liệu, ví dụ từ 6 tháng đến 3 năm, thì thời gian đo đạc tại mỗi vị trí không được quá lau. Hai van dé cân được giải quyết là: a.
_ Đưa ra có biện pháp xác định tan sô riêng từ tín hiệu dao động ngau nhiên trong tình huống dao động bất kỳ để không ảnh hưởng đến giao thông. Thông qua việc Khảo sát các đồ thị dao động tìm ra, ngoài tần số riêng, các đặc trưng khác cho phép theo dõi quá trình suy yếu cảu bộ phận cầu được Khảo sát (nhip/tru). Dé giải quyết 2 van dé nêu trên nhóm nghiên cứu đã dé xuất phương pháp xây dựng phổ công suất tổng quát từ các phố công suất tức thời. Phố xây dung được đặt tên là phố công suất đại diện (PCS DD).
Y tưởng này đã được trình bày trong hội nghị Cơ điện tử toàn quốc diễn ra vào ngày 14 và 15-12-2012 tại Trường Đại học Công Nghệ Hà Nội thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội. Luận văn này trình bày phương pháp xác định tan số riêng và các Khảo sát khả năng cho phép theo dõi quá trình suy yếu can từ 1 thông số được tính toán từ PCS DD.2 Ý NGHĨA CUA DE TÀI Nội dung nghiên cứu của đề tài phục vụ mục tiêu đề xuất một biện pháp trung gian giám sát tình trạng cầu trước khi quyết định Kiểm định. Biện pháp này cho phép bồ sung thông tin về tinh trạng cầu với tần suất cao hơn, kinh phí rẻ hơn, công tác tổ chức khả thi hơn. Với các kết quả đạt được sẽ thực sự hỗ trợ căn cứ khoa học cho các nhà quản ly cầu lên kế hoạch duy tu bảo dưỡng cau 1 các hợp lý, đúng lúc tiết kiệm.
Ngoài ra, việc từng bước làm chủ khoa học và công nghệ trong công tác quản lý cầu nói riêng và trong công tác giám sát tình trạng hoạt động của các công trình xây dựng khác, các cơ hệ lớn cũng là một việc làm cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn, không chỉ ở Việt Nam mà còn là môi quan tâm của rat nhiêu nước trên thê giới. Ngô Kiêu Nhi 4 HVTH: Lê Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SĨ 1. MỤC TIỂU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Xuât phát từ mục tiêu nghiên cứu của LAM là tìm các đặc trưng nhạy đôi với sự xuông câp của Kêt câu từ các tín hiệu dao động ngâu nhiên, Luận văn có nhiệm vụ giới hạn trong việc Khảo sát 2 vân đê: 1. Dé xuất phương pháp xác định tần số riêng và Khảo sát độ tin cậy của phương pháp.
Khảo sát sự thay d6i moment của phô công suất dao động dé xác định khả năng sử dụng thông số này như 1 thông số nhạy hơn ( so với tan số riêng ) trong việc giám sat sự xuông cap của các bộ phận câu. Trong luận văn này sử dụng các số liệu đo từ công trình [2]. được thực hiện bởi LAM, trong thời gian từ 2009 đến 2012. Việc khảo sát chủ yếu tập trung đối với nhịp cau, ngoài ra đối với tần số riêng, Khảo sát cũng tiễn hành đối với các trụ cầu.
TINH HINH NGHIÊN CỨU TREN THE GIỚI VÀ VIỆT NAM Hiện nay, 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) [3] phố biến đối với các cầu quan trọng. Với các cảm biến được cai 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, 210, thủy văn, tai trọng.
Trong đó dao động là thông số cơ bản không thé thiếu. HMS cho phép đồng thời thu thập thông tin từ số lượng lớn các cảm biến. Hiện tại việc kiểm tra thường xuyên chỉ sử dụng có biện pháp quan sát bang mat hay sử dụng một số dụng cụ kiểm tra chuyên dùng như thiết bị siêu âm, súng ban bê tông, bức xạ âm thanh. đang được áp dụng.
Các biện pháp này có chung đặc điểm là muốn áp dụng thì phải xác định được khu vực nguy hiểm trên cấu trúc nhờ vào kinh nghiệm, đồng thời chúng có nhiều nhược điểm như độ chính xác thấp và không phát hiện hay đánh giá được các hư hỏng bên trong cấu trúc. Những năm gần đây, một biện pháp khác được dé nghị là dựa vào dao động cua co hệ. Co sở khoa hoc của phương GVHD: GS. Ngô Kiêu Nhi 5 HVTH: Lê Bảo Quỳnh LUẬN VĂN THẠC SĨ pháp này là khi cơ hệ xuống cấp sẽ làm thay đổi các các đặc trưng động lực học của cơ hệ như tần số riêng, dạng dao động, giảm chấn hay làm giảm độ cứng chống biến dạng.
Do đó để đánh giá tình trạng của cơ hệ thì ta phải tìm dấu hiệu thay đổi của các thông số trên. Cơ sở khoa học của phương pháp này là khi cau trúc trong cơ hệ suy yếu sẽ làm thay đổi các các đặc trưng động lực học của cơ hệ như tần số riêng, dạng dao động, giảm chấn hay làm giảm độ cứng chống biến dang. Do đó dé đánh giá tình trạng của cơ hệ thì ta phải tìm dau hiệu thay đổi của các thông số trên. Kirmser (1944) là người đầu tiên nghiên cứu biện pháp này, ông đã tìm hiểu mối quan hệ giữa tần số riêng và vết nứt trên một dầm sắt.
Từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều phương pháp phát hiện sự suy yếu của cấu trúc dựa trên dao động. Tung [4 - 5] (1967) có lẽ là tác giả đầu tiên trình bày các nghiên cứu dựa trên các đặc điểm sự rung động ngẫu nhiên và độ tin cậy của một dầm cau chịu tải một đoàn tau ngẫu nhiên di chuyền. Trong bài báo của Sniady va đồng tác giả [6-7] (1984 - 2001) phân tích các rung động của dầm cầu, ước tính độ tin cậy và sự mỏi của cây cầu.