Chương 1. Giới thiệu 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 Tổng quan về tình hình nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến phương pháp sử dụng đáp ứng trở kháng để chẩn đoán kết cấu. Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết, các phương pháp để chẩn đoán hiện tượng lỏng bu lông chân tháp truyền tải điện.
Các bài toán khảo sát Áp dụng cơ sở lý thuyết để thực hiện các bài toán khảo sát và đưa ra các nhận xét về kết quả thu được. Xây dựng một chương trình để khảo sát độ nhạy miền tần số. Kết luận và kiến nghị Trình bày những kết luận chính của học viên về những kết quả thu được trong đề tài, kiến nghị những hạn chế còn tồn tại của đề tài và đưa ra hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo. TỔNG QUAN Trong quá trình vận hành, các công trình có thể bị hư hỏng, giảm hiệu quả sử dụng và giảm tuổi thọ do các tác động như ăn mòn, hiện tượng mỏi, các yếu tố môi trường, thiên tai, và các tác động do con người,.
Do đó, chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring: SHM) là lĩnh vực cần được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện là phương pháp mới và có hiệu quả khi giúp phát hiện sớm hư hỏng mà không làm phá hủy kết cấu. Chương này sẽ trình bày các nghiên cứu đã được thực hiện ở nước ngoài và tại Việt Nam về phương pháp trở kháng. Tình hình nghiên cứu nước ngoài Liang và công sự (1994) [1] đã lần đầu sử dụng phương pháp đo trở kháng để tìm ra hư hỏng của kết cấu.
Thông qua tấm PZT được dán lên kết cấu chủ, tác giả kích một tần số cao, lớn hơn 30kHz để tìm ra những thay đổi cơ học trong trở kháng cơ học của kết cấu chủ. Sun và cộng sự (1995) [2] đã sử dụng phương pháp trở kháng để kiểm tra kết cấu dàn, bằng cách sử dụng phương pháp thống kê để đánh giá tình trạng hư hỏng. Ngoài ra tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng ở các phạm vi tần số khác nhau và mức độ kích thích như thế nào khi theo dõi đáp ứng trở kháng trên một kết cấu dàn như Hình 2. Kết quả cho thấy ở các vị trí khác nhau, nên sử dụng các PZT khác nhau để theo dõi kết cấu, ở miền tần số càng cao phạm vi theo dõi kết cấu càng nhỏ.
Đồng thời, chỉ số RMSD rất hữu dụng trong việc phát hiện xảy ra hư hỏng trong kết cấu. Chaudhry và cộng sự (1995) [3] đã tìm ra vị trí và khoảng cách hư hỏng trên kết cấu trên máy bay Piper Model 601P bằng cách sử dụng phương pháp trở kháng. Các cảm biến trở kháng cho thấy cực kì nhạy cảm với mức độ hư hỏng cục bộ. Wang và cộng sự (1996) [4] đã mở rộng nghiên cứu của Liang và cộng sự khi sử dụng nhiều bộ kích thích PZT được dán lên kết cấu cả hai mặt và chứng thực khả năng cảm biến của chúng, dựa vào việc theo dõi sự dẫn nạp cơ điện trên trở kháng của kết cấu.
Tác giả đã chứng minh được rằng thông qua việc đo trở kháng điện của PZT có thể tìm ra ứng xử của kết cấu. Esteban (1996) [5] đã mở rộng mô hình số dựa vào lý thuyết truyền sóng để xác định phạm vi cảm biến của phương pháp trở kháng. Trong nghiên cứu này, tác giả đã báo cáo hàng loạt các thí nghiệm về sự thay đổi tải trọng, sự không liên tục trong mặt cắt ngang, liên kết bu lông, năng lượng xen kẽ, …Tác giả ước tính được vùng cảm biến (theo bán kính) của một PZT thay đổi từ 0,4m đối với kết cấu liên hợp và 2m đối với kết cấu thanh kim loại đơn giản. Ngoài ra tác giả chỉ ra rằng, tần số càng cao thì vùng cảm biến càng nhỏ, với tần số trên 500 kHz cho thấy không có lợi, vì các khu vực cảm biến trở nên vô cùng nhỏ và các cảm biến PZT sẽ nhạy cảm với các điều kiện bất lợi do liên kết hoặc do chính bản thân PZT chứ không phải do bản thân kết cấu chủ.
8 Wang và cộng sự (1997) [6] đã mô phỏng toán học để diễn tả sự tương thích của biến dạng giữa miếng PZT và kết cấu dầm hoặc tấm. Quan hệ đặc trưng giữa điện dung tĩnh của PZT và biến dạng của kết cấu được thiết lập. Kết quả là biến dạng của kết cấu được nhận thấy từ những thay đổi điện dung của PZT. Raju và cộng sự (1998) [7] đã mở rộng nghiên cứu bằng cách xét đến ảnh hưởng của tham số trở kháng như mức độ kích thích của bộ kích thích, kiểm tra chiều dài dây dẫn, sử dụng một bộ duy nhất để gắn vào nhiều bộ cảm biến, và thay đổi điều kiện biên.
Raju kết luận rằng sự thay đổi trong nhiều tham số không ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng trở kháng. Soh và cộng sự (2000) [8] đã sử dụng phương pháp trở kháng để theo dõi một mẫu cầu bê tông cốt thép. Nghiên cứu gồm hai dầm dọc kích thước 5x0.5x1m đỡ một bản sàn dày 0. Kết cấu được gia cường bằng các thanh thép, đã phải chịu ba kỳ tải trọng để gây ra các vết nứt trong kết cấu.
Đáp ứng trở kháng của các cảm biến nằm trong vùng lân cận của hư hỏng đã cho thấy thay đổi lớn về tín hiệu, trong khi những hư hỏng ở xa ít bị ảnh hưởng. Giurgiutiu và Zagrai (2001) [9] đã khảo sát các cảm biến áp điện cho kết cấu trực tuyến. Các thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu vật đơn giản là dầm thép để hỗ trợ kiểm tra lý thuyết và trên mẫu vật lưỡi tuabin thực tế để minh họa tiềm năng của phương pháp. Kết quả đáp ứng trở kháng được ghi lại thể hiện chính xác phản ứng cơ học của một cấu trúc.
Các cảm biến có khối lượng không đáng kể nên không có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng của cấu trúc. Tseng và Naidu (2002a) [10] đã nghiên cứu các mẫu nhôm bằng phương pháp trở kháng. Kết quả thực nghiệm, phát hiện đáp ứng trở kháng trong phạm vi tần số 150 kHz. Nghiên cứu đã quan sát phạm vi cảm biến tương đối lớn trên cảm biến trở kháng.
Với vết nứt 5mm ở vị trí cách tấm cảm biến hơn 1m thì tấm cảm biến vẫn phát hiện. Tseng và cộng sự (2002b) [11] trình bày các nghiên cứu, trong đó bề mặt cảm biến trở kháng có thể được sử dụng để giám sát hai loại hư hỏng là lỗ rỗng và vết nứt trong kết cấu bê tông. Phần mềm thương mại ANSYS đã được sử dụng để mô hình một mẫu bê tông hình vuông và trở kháng cơ học của kết cấu. Trở kháng điện của PZT đã thu được tại mỗi tần số.
Bhalla và Kiong Soh (2003) [12] đã nghiên cứu về chẩn đoán hư hỏng trên khung bê tông cốt thép (RC) bằng mô hình chịu các rung động trên bàn rung. Thông qua nghiên cứu, phần thực của chỉ số thiệt hại biểu thị sự thay đổi trong giảm xóc SDOF tương đương gây ra do thiệt hại và phần ảo biểu thị cho sự thay đổi hệ số khối lượng SDOF tương đương liên quan đến điểm truyền động của tấm PZT. Do đó, phần thực của trở kháng thường được sử dụng trong lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu. Phương pháp mới này dựa vào những thay đổi trong tần số cộng hưởng của vòng đệm tương quan với lực đặc trưng trong liên kết.
9 Min và cộng sự (2010) [14] đã sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo để tìm miền tần số tối ưu, từ đó tìm ra được dạng hư hỏng của kết cấu. Trong nghiên cứu này, Min và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu và kiểm chứng trên các mô hình, kết cấu thật để kiểm tra sự mất lực siết trong mô hình bu lông, vết nứt trên cây cầu và công trình bằng thép. Nguyen và Kim (2011a) [15] đã nghiên cứu tổn hao lực căng dây cáp trong hệ thống kết cấu dầm bê tông ứng suất trước. Thí nghiệm được tiến hành để kiểm tra cục bộ tổn hao lực căng dây cáp tại vùng neo của cáp.
Tổn hao lực căng dây cáp được giả định giảm theo từng cấp độ tải trọng. Để thuận tiện trong việc lấy đáp ứng trở kháng, tấm tương tác nhôm được sử dụng. Dựa trên đáp ứng trở kháng, tổn hao lực căng dây cáp đã được chẩn đoán thành công. Nguyen và Kim (2011b) [16] đã công bố một nghiên cứu về phương pháp theo dõi chẩn đoán cho các kết cấu mối nối bu lông có sử dụng cảm biến trở kháng không dây đa kênh và PZT đa điện.
Thí nghiệm được tiến hành như sau: Thứ nhất, một PZT đa giao diện được thiết kế nhằm phát hiện sự nới lỏng của liên kết bu lông thông qua sự thay đổi đáp ứng trở kháng cơ điện (EM). Thứ hai, một nút cảm biến trở kháng không dây được thiết kế để tự hoạt động và đa kênh theo dõi. Cảm biến với khả năng điều hành tốc độ cao, điện năng thấp và bộ nhớ lưu trữ lớn nên rất phù hợp trong nghiên cứu. Cuối cùng, một mô hình liên kết bu lông để đánh giá hiệu suất của cảm biến không dây và PZT.
Phương pháp đánh giá hư hỏng này dùng chỉ số RMSD. Min và cộng sự (2012) [17] đã mở rộng nghiên cứu của mình vào năm 2010. Trong nghiên cứu này, Min và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu trên kết cấu chịu nhiều loại hư hỏng như dầm thép có chịu sự thay đổi điều kiện biên và có vết nứt, tấm gia cường trên dầm cầu có lực xiết bu lông bị giảm và xuất hiện vết nứt. Tác giả đã kết luận mạng nơ-ron có thể đưa ra chẩn đoán về việc xuất hiện các loại hư hỏng đồng thời trên kết cấu.
Tuy nhiên, độ chính xác trong chẩn đoán còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố và mạng nơ-ron cũng chưa thể chẩn đoán chính xác việc xuất hiện nhiều hư hỏng đồng thời. Bhalla và các cộng sự (2012) [18] đã nghiên cứu đánh giá về biến dạng mỏi dư của mối nối bu lông trong kết cấu thép thông qua độ cứng tương đương bằng sử dụng trở kháng. Độ cứng tương đương được thực nghiệm phát hiện có liên quan đến độ cứng còn lại của khớp nối và có mối tương quan với ứng xử còn lại của các thành phần trong vòng lặp chu kỳ tải mà khớp nối có thể chịu được.