Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số trong xây dựng trường biến dạng mẫu bê tông

• Tác giả: Lê Anh Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Anh Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Kỹ Thuật Tương Quan Hình Ảnh Số Để Xây Dựng Trường Biến Dạng Trên Mẫu Thí Nghiệm Bê Tông
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP DIC
• 1.1. Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số 2 chiều

I. Giới thiệu về kỹ thuật tương quan hình ảnh và ứng dụng trong xây dựng trường biến dạng bê tông

Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số (DIC) trong việc xây dựng trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông. Kỹ thuật tương quan hình ảnh là một phương pháp hiện đại, cho phép xác định trường biến dạng trên bề mặt vật liệu một cách chính xác và chi tiết cao hơn so với các phương pháp truyền thống như sử dụng Strain Gauge. Phân tích hình ảnh được thực hiện thông qua việc so sánh hai hình ảnh, một hình ảnh trước khi tác động lực và một hình ảnh sau khi tác động lực. Sự dịch chuyển của các điểm ảnh trên bề mặt mẫu cho phép tính toán được biến dạng tại từng điểm. Ưu điểm của phương pháp này là giảm thiểu số lượng cảm biến cần thiết, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thí nghiệm. Nghiên cứu này đặc biệt chú trọng vào việc kiểm chứng độ chính xác của kết quả thu được từ phương pháp DIC bằng cách so sánh với kết quả đo đạc bằng Strain Gauge và LVDT (Linear Variable Displacement Transducer).

1.1. Kỹ thuật tương quan hình ảnh số DIC Nguyên lý và quá trình thực hiện

Kỹ thuật tương quan hình ảnh số (DIC) dựa trên nguyên lý so sánh hai hình ảnh kỹ thuật số, một hình ảnh trước khi biến dạng và một hình ảnh sau khi biến dạng. Quá trình thực hiện bao gồm các bước chính: chụp ảnh mẫu thí nghiệm ở các giai đoạn tải trọng khác nhau; sử dụng phần mềm chuyên dụng để xử lý hình ảnh và tìm kiếm các điểm tương đồng giữa hai hình ảnh; tính toán chuyển vị của các điểm ảnh; xác định trường biến dạng dựa trên chuyển vị đã tính toán. Phân tích hình ảnh trong phương pháp DIC cung cấp thông tin chi tiết về biến dạng tại từng điểm trên bề mặt mẫu, giúp hiểu rõ hơn về quá trình biến dạng của vật liệu. Đây là một bước tiến đáng kể so với các phương pháp đo lường biến dạng truyền thống chỉ tập trung vào các điểm đo rời rạc. Digital Image Correlation (DIC) được chứng minh là có hiệu quả cao trong việc xác định biến dạng trên bề mặt các mẫu vật liệu, kể cả trong trường hợp biến dạng rất nhỏ.

1.2. Ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh trong thí nghiệm bê tông

Nghiên cứu này áp dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh để xác định trường biến dạng trên mẫu dầm bê tông cốt thép chịu uốn ba điểm. Việc sử dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh giúp xây dựng được trường biến dạng toàn diện trên bề mặt dầm, cho phép quan sát sự phân bố biến dạng một cách chi tiết. Kết quả thu được từ phương pháp DIC được so sánh với kết quả đo đạc bằng Strain Gauge, giúp đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp. Phân tích ứng suất và phân tích sức bền bê tông được thực hiện dựa trên trường biến dạng đã xác định. Việc sử dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh trong thí nghiệm bê tông góp phần nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quá trình nghiên cứu, hỗ trợ trong việc đánh giá sức bền bê tông, dự đoán sự phát triển của vết nứt, và tối ưu hóa thiết kế kết cấu bê tông.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả thí nghiệm

Nghiên cứu được tiến hành trên mẫu dầm bê tông cốt thép với hai loại cốt liệu: đá nghiền và xỉ thép. Thí nghiệm uốn dầm ba điểm được thực hiện để tạo ra biến dạng trên mẫu. Đo lường biến dạng được thực hiện bằng cả Strain Gauge và phương pháp DIC. Phân tích hình ảnh được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng để xác định trường biến dạng. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự tương quan cao giữa kết quả đo đạc bằng Strain Gauge và kết quả phân tích hình ảnh bằng phương pháp DIC. Mô hình hóa biến dạng được xây dựng dựa trên kết quả thí nghiệm và được sử dụng để đánh giá sức bền bê tông và dự đoán sự phát triển của vết nứt.

2.1. Thiết kế thí nghiệm và chuẩn bị mẫu vật

Mẫu thí nghiệm bao gồm các dầm bê tông cốt thép có kích thước và cấp phối được thiết kế phù hợp. Vật liệu xây dựng được lựa chọn và kiểm tra chất lượng theo tiêu chuẩn. Cốt liệu gồm đá dăm và xỉ thép được sử dụng để so sánh hiệu quả. Cốt thép được gia công và lắp đặt chính xác. Quá trình đúc mẫu dầm được thực hiện kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng mẫu. Kiểm tra bê tông đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về cường độ và độ bền. Việc chuẩn bị mẫu vật kỹ càng đóng vai trò quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả thí nghiệm. Thi công bê tông phải tuân thủ các quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng.

2.2. Phân tích và đánh giá kết quả

Kết quả thí nghiệm được phân tích và đánh giá dựa trên dữ liệu thu thập được từ Strain Gauge và phương pháp DIC. Độ chính xác của phương pháp DIC được đánh giá thông qua so sánh với kết quả đo đạc bằng Strain Gauge. Biến dạng và chuyển vị được tính toán và phân tích để xây dựng trường biến dạng. Mô hình hóa biến dạng được sử dụng để dự đoán sự phát triển của vết nứt. Phân tích số liệu cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thu được từ hai phương pháp đo lường. Phân tích thống kê được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của kết quả. Kiểm tra chất lượng của dữ liệu được thực hiện để đảm bảo tính chính xác của kết quả nghiên cứu.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu chứng minh tính khả thi và hiệu quả của kỹ thuật tương quan hình ảnh số (DIC) trong việc xây dựng trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông. Phương pháp này mang lại độ chính xác cao, tiết kiệm thời gian và chi phí so với các phương pháp truyền thống. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc nâng cao hiểu biết về hành vi của bê tông dưới tác động của tải trọng, hỗ trợ trong việc thiết kế và kiểm định kết cấu bê tông. Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong lĩnh vực kiểm tra bê tông, giám sát công trình, và an toàn công trình.

3.1. Ứng dụng trong giám sát công trình

Kỹ thuật tương quan hình ảnh có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát công trình. Giám sát hư hỏng bê tông có thể được thực hiện bằng cách chụp ảnh cấu kiện bê tông trong quá trình sử dụng, sau đó phân tích hình ảnh để phát hiện các dấu hiệu biến dạng và hư hỏng. Giảm sát cấu trúc giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, đảm bảo an toàn công trình. Quản lý rủi ro được cải thiện nhờ việc theo dõi liên tục trạng thái của cấu kiện. Kỹ thuật tương quan hình ảnh cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời để hỗ trợ quyết định trong quá trình bảo trì công trình. Chi phí xây dựng có thể giảm thiểu nhờ việc phát hiện và xử lý hư hỏng kịp thời.

3.2. Hướng phát triển và đề xuất

Nghiên cứu cần được mở rộng với các loại bê tông khác nhau và các loại tải trọng phức tạp hơn. Phát triển phần mềm chuyên dụng để tự động hóa quá trình phân tích hình ảnh. Kết hợp kỹ thuật tương quan hình ảnh với các phương pháp phân tích cấu trúc khác để nâng cao độ chính xác. Ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh trong kiểm tra không phá hủy (NDT). Nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực khác như địa kỹ thuật và cơ khí. Cải thiện hiệu quả xây dựng bằng việc áp dụng rộng rãi kỹ thuật tương quan hình ảnh vào thực tiễn. Đo lường không tiếp xúc giúp mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng, việc xác định trường biến dạng trên các cấu kiện bê tông cốt thép là một vấn đề quan trọng nhằm đánh giá khả năng chịu lực và dự báo sự phát triển vết nứt. Theo báo cáo của ngành, các phương pháp truyền thống như sử dụng Strain Gauge và LVDT chỉ đo được biến dạng tại các điểm cố định và theo một hướng nhất định, gây hạn chế trong việc xây dựng trường biến dạng toàn diện. Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số (Digital Image Correlation - DIC) nhằm xây dựng trường biến dạng trên mẫu thí nghiệm bê tông cốt thép được thực hiện trong 12 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với mục tiêu phát triển quy trình xác định trường biến dạng và khảo sát độ nhạy, độ chính xác của phương pháp DIC so với các thiết bị đo truyền thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu dầm bê tông cốt thép chịu uốn ba điểm, sử dụng hai loại cốt liệu là đá nghiền tự nhiên và xỉ thép tái chế. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc giảm thiểu số lượng cảm biến Strain Gauge cần thiết, từ đó tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả đo đạc trong các thí nghiệm kết cấu bê tông. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng kỹ thuật DIC trong lĩnh vực xây dựng, đồng thời cung cấp dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho việc mô phỏng và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: cơ học phá hủy và kỹ thuật tương quan hình ảnh số (DIC). Cơ học phá hủy giúp phân tích quá trình hình thành và phát triển vết nứt trong bê tông cốt thép, đặc biệt tập trung vào vùng hình thành vết nứt (Fracture Process Zones - FPZs) với các đặc trưng như chiều dài, chiều rộng và hình dạng vùng nứt. Kỹ thuật DIC là phương pháp hiện đại sử dụng ảnh kỹ thuật số để theo dõi sự biến dạng bề mặt vật thể bằng cách so sánh các điểm ảnh trước và sau khi chịu tải, từ đó xây dựng trường biến dạng với độ phân giải cao.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Trường biến dạng: phân bố biến dạng trên bề mặt mẫu thí nghiệm.
• Biến dạng tương đương (εvM): đại lượng tổng hợp từ các thành phần biến dạng chính.
• Chiều rộng vết nứt (wc) và chuyển vị trượt (τc): đặc trưng mô tả sự phát triển và dịch chuyển của vết nứt.
• Hệ số tương quan (COF): đo mức độ giống nhau giữa các ảnh phụ trong quá trình phân tích DIC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích hình ảnh kỹ thuật số. Cỡ mẫu gồm 9 dầm bê tông cốt thép (6 dầm sử dụng đá tự nhiên, 3 dầm sử dụng xỉ thép), kích thước 3300 x 200 x 300 mm, được gia công và đúc theo tiêu chuẩn. Mẫu được thử uốn ba điểm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Dữ liệu thu thập bao gồm:

• Biến dạng bề mặt đo bằng Strain Gauge đặt tại vị trí trung tâm dầm, cách mép trên 100 mm.
• Độ võng dầm đo bằng LVDT.
• Ảnh kỹ thuật số chụp liên tục trong quá trình gia tải bằng máy ảnh Canon EOS 7D với độ phân giải 5184 x 3456 pixel.

Phân tích ảnh sử dụng phần mềm mã nguồn mở NCORR trên môi trường Matlab để tính toán trường biến dạng, chiều rộng và chiều dài vết nứt. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và tính đại diện của các loại cốt liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thực nghiệm, xử lý dữ liệu và đối chiếu kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác của phương pháp DIC: So sánh biến dạng tại vị trí đặt Strain Gauge cho thấy sai số giữa DIC và Strain Gauge dưới 1% ở các cấp tải trọng lớn (ví dụ: tại tải 89,94 kN, biến dạng DIC là 1046,6 µε, Strain Gauge là 1043,28 µε). Sai số lớn nhất khoảng 8,1% xuất hiện ở tải trọng rất nhỏ do biến dạng thấp, không ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy của phương pháp.

2. Khả năng xây dựng trường biến dạng toàn diện: Phương pháp DIC cho phép xác định trường biến dạng trên toàn bộ bề mặt dầm, không chỉ tại các điểm cố định như Strain Gauge, giúp quan sát chi tiết sự phát triển vết nứt và vùng biến dạng.

3. So sánh giữa bê tông sử dụng đá tự nhiên và xỉ thép: Dầm bê tông cốt thép sử dụng xỉ thép có đặc tính biến dạng và phát triển vết nứt tương đương với bê tông đá tự nhiên, chứng minh tính khả thi của việc thay thế cốt liệu truyền thống bằng vật liệu tái chế.

4. Phân tích đặc trưng vết nứt: Chiều rộng và chiều dài vết nứt được xác định chính xác qua DIC, cho phép mô tả quá trình phát triển vết nứt theo từng cấp tải trọng. Ví dụ, chiều rộng vết nứt tăng dần từ vài pixel đến giá trị tương đương mm khi tải trọng tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân độ chính xác cao của DIC là do độ phân giải ảnh lớn và thuật toán tương quan cục bộ hiệu quả, cho phép phát hiện biến dạng rất nhỏ mà mắt thường không thể quan sát. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng DIC trong đo biến dạng bê tông, đồng thời vượt trội hơn các phương pháp truyền thống về khả năng xây dựng trường biến dạng toàn diện.

Việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu thay thế không làm giảm khả năng chịu lực và đặc tính biến dạng của bê tông, mở ra hướng phát triển vật liệu xây dựng bền vững. Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biến dạng theo tải trọng giữa DIC và Strain Gauge, cũng như bản đồ trường biến dạng màu sắc thể hiện sự phân bố biến dạng trên bề mặt dầm.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc giảm thiểu số lượng cảm biến cần thiết, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả thí nghiệm kết cấu bê tông cốt thép.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng kỹ thuật DIC trong các phòng thí nghiệm kết cấu bê tông nhằm giảm thiểu số lượng Strain Gauge, nâng cao độ chính xác và hiệu quả đo đạc. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

2. Phát triển phần mềm phân tích DIC tích hợp giao diện thân thiện để hỗ trợ kỹ thuật viên trong việc xử lý ảnh và xây dựng trường biến dạng nhanh chóng, chính xác. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các đơn vị công nghệ phần mềm chuyên ngành xây dựng.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng DIC cho các loại kết cấu bê tông phức tạp hơn như tấm, cột, và kết cấu chịu tải động nhằm đánh giá toàn diện hơn về hiệu quả phương pháp. Thời gian: 18-24 tháng; chủ thể: các nhóm nghiên cứu chuyên sâu.

4. Khuyến khích sử dụng vật liệu tái chế như xỉ thép trong bê tông cốt thép để phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm thiểu tác động môi trường. Thời gian: liên tục; chủ thể: các doanh nghiệp xây dựng và cơ quan quản lý vật liệu xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên ngành xây dựng: Nghiên cứu cung cấp phương pháp đo biến dạng hiện đại, dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích trường biến dạng, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

2. Kỹ sư thiết kế kết cấu bê tông cốt thép: Tham khảo để áp dụng kỹ thuật DIC trong kiểm tra và đánh giá kết cấu, nâng cao độ chính xác trong thiết kế và dự báo tuổi thọ công trình.

3. Phòng thí nghiệm kiểm định vật liệu xây dựng: Áp dụng quy trình và công nghệ DIC để cải tiến phương pháp thử nghiệm, giảm chi phí và tăng hiệu quả đo đạc.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng tái chế: Tham khảo kết quả nghiên cứu về tính khả thi của xỉ thép làm cốt liệu, từ đó phát triển sản phẩm bê tông thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp DIC là gì và có ưu điểm gì so với Strain Gauge?
   DIC là kỹ thuật sử dụng ảnh kỹ thuật số để theo dõi biến dạng bề mặt vật thể. Ưu điểm là xây dựng được trường biến dạng toàn diện, không cần đặt nhiều cảm biến, giảm chi phí và tăng độ chính xác.

2. Độ chính xác của DIC so với phương pháp truyền thống như thế nào?
   Nghiên cứu cho thấy sai số giữa DIC và Strain Gauge dưới 1% ở các tải trọng lớn, chứng tỏ DIC có độ chính xác cao và tin cậy trong đo biến dạng bê tông.

3. Có thể áp dụng DIC cho các loại kết cấu khác ngoài dầm bê tông không?
   Có thể, DIC là phương pháp linh hoạt, có thể áp dụng cho nhiều loại kết cấu như tấm, cột, và kết cấu phức tạp khác để đo biến dạng và phát hiện vết nứt.

4. Xỉ thép có thể thay thế hoàn toàn đá tự nhiên trong bê tông không?
   Kết quả nghiên cứu cho thấy bê tông sử dụng xỉ thép có đặc tính biến dạng và phát triển vết nứt tương đương bê tông đá tự nhiên, mở ra khả năng thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu thô.

5. Phần mềm NCORR có dễ sử dụng cho người mới bắt đầu không?
   NCORR là phần mềm mã nguồn mở, có giao diện đồ họa thân thiện và tài liệu hướng dẫn chi tiết, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và chuyên gia trong lĩnh vực phân tích ảnh kỹ thuật số.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển thành công quy trình sử dụng kỹ thuật tương quan hình ảnh số (DIC) để xây dựng trường biến dạng trên mẫu dầm bê tông cốt thép chịu uốn ba điểm.
• Độ chính xác của phương pháp DIC được kiểm chứng với sai số dưới 1% so với Strain Gauge, đảm bảo tính tin cậy trong đo đạc.
• Kỹ thuật DIC cho phép quan sát chi tiết sự phát triển vết nứt và vùng biến dạng, vượt trội hơn các phương pháp truyền thống.
• Việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu thay thế đá tự nhiên trong bê tông cốt thép được chứng minh là khả thi và thân thiện môi trường.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng DIC trong các phòng thí nghiệm và phát triển phần mềm hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu và thực tiễn.

Next steps: Triển khai áp dụng kỹ thuật DIC trong các phòng thí nghiệm, phát triển phần mềm phân tích, và nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các kết cấu phức tạp hơn.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực xây dựng được khuyến khích áp dụng kỹ thuật DIC để nâng cao chất lượng và hiệu quả trong đo đạc biến dạng kết cấu bê tông cốt thép.