Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu khả năng xác định vị trí vết cắt trên dầm bằng phổ công suất dao động

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích cơ kỹ thuật nghiên cứu khả năng xác định vị trí mức độ của vết cắt bởi phổ công suất dao động của, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Quang Lợi
• Người hướng dẫn: GS. NGND Ngô Kiều Nhi
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Xác Định Vị Trí, Mức Độ Của Vết Cắt Bởi Phổ Công Suất Dao Động Của Dầm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa của đề tài
• 1.5. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam
• 1.6. Những đặc trưng động lực học cơ bản của dao động
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết phân tích dao động
• 2.2. Biến đổi Fourier
• 2.3. Phổ dao động
• 2.4. Hàm đáp ứng tần số. Mô men phổ công suất
• 2.5. Đáp ứng phổ của cơ hệ tuyến tính
• 3. CHƯƠNG 3: TỔ CHỨC THÍ NGHIỆM
• 3.1. Mô hình thí nghiệm
• 3.2. Tổ chức thí nghiệm
• 3.3. Kết quả nghiên cứu
• 3.4. Số liệu thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU
• 4.1. Xử lý số liệu thí nghiệm
• 4.2. Đồ thị Phổ Công Suất dao động
• 4.3. Đồ thị moment Phổ Công Suất
• 4.4. Đồ thị biến thiên giá trị moment bậc 1 tại trục đứng hoặc ngang vùng max và min tại kênh 1
• 4.5. Đồ thị biến thiên giá trị moment bậc 1 tại trục đứng hoặc ngang vùng max và min tại kênh 2
• 4.6. Đồ thị biến thiên giá trị moment bậc 1 tại trục đứng hoặc ngang vùng max và min tại kênh 3
• 4.7. Đồ thị biến thiên giá trị moment bậc 1 tại trục đứng hoặc ngang vùng max và min tại kênh 4
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu về vết cắt trên dầm là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực xây dựng và bảo trì cầu. Việc xác định vị trí và mức độ của vết cắt giúp các kỹ sư đánh giá tình trạng an toàn của cầu, từ đó đưa ra các biện pháp bảo trì kịp thời. Phổ công suất dao động (PCS) được sử dụng như một công cụ phân tích để nhận diện các đặc trưng dao động của dầm, từ đó xác định sự xuống cấp. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn thực hiện khảo sát thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa vết cắt và phổ công suất dao động.

1.1 Lý do chọn đề tài

Lý do chọn đề tài này xuất phát từ nhu cầu cấp thiết trong việc bảo trì cầu, đặc biệt là trong bối cảnh nhiều cầu đã được xây dựng từ lâu và đang có dấu hiệu xuống cấp. Quy trình kiểm tra hiện tại chủ yếu dựa vào các phương pháp tĩnh, trong khi tình trạng thực tế của cầu lại là tình trạng động. Do đó, việc áp dụng phổ công suất dao động vào việc xác định vết cắt trên dầm là một hướng đi mới, giúp cải thiện độ chính xác trong việc đánh giá tình trạng cầu.

II. Cơ sở lý thuyết

Phân tích dao động là một phần quan trọng trong việc hiểu rõ hành vi của các kết cấu dưới tác động của tải trọng. Biến đổi Fourier và phổ dao động là những công cụ lý thuyết cơ bản được sử dụng để phân tích các tín hiệu dao động. Mô hình hóa hành vi dao động của dầm cho phép xác định các thông số như tần số riêng và độ giảm chấn, từ đó đưa ra các nhận định về tình trạng sức khỏe của cầu. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sự thay đổi trong tần số riêng có thể chỉ ra sự hiện diện của vết cắt. Do đó, việc áp dụng các lý thuyết này vào thực tiễn sẽ giúp nâng cao độ tin cậy trong việc xác định vết cắt trên dầm.

2.1 Lý thuyết phân tích dao động

Lý thuyết phân tích dao động dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học, trong đó phổ công suất dao động đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện các khuyết tật. Sự thay đổi trong phổ công suất có thể phản ánh các thay đổi trong cấu trúc của dầm, bao gồm cả vết cắt. Các phương pháp phân tích như hàm đáp ứng tần số và đáp ứng phổ của cơ hệ tuyến tính giúp xác định các thông số cần thiết cho việc đánh giá tình trạng cầu.

III. Tổ chức thí nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm dầm chịu tải di động. Quy trình thí nghiệm bao gồm việc thu nhận số liệu dao động và xử lý số liệu để xây dựng phổ công suất. Các kết quả thu được từ thí nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối quan hệ giữa vị trí và mức độ của vết cắt với phổ công suất dao động. Việc tổ chức thí nghiệm khoa học và nghiêm ngặt sẽ đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.

3.1 Mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được thiết kế nhằm mô phỏng các điều kiện thực tế mà cầu sẽ phải chịu. Việc sử dụng các thiết bị hiện đại để đo đạc dao động sẽ giúp thu thập được dữ liệu chính xác. Các thông số như tần số dao động, độ giảm chấn và các đặc điểm khác sẽ được ghi lại để phân tích. Mô hình này không chỉ giúp kiểm tra các lý thuyết mà còn cung cấp dữ liệu thực tế cho việc đánh giá vết cắt trên dầm.

IV. Xử lý số liệu

Sau khi thu thập số liệu từ các thí nghiệm, việc xử lý số liệu là bước quan trọng để xây dựng phổ công suất dao động. Các phương pháp xử lý hiện đại sẽ được áp dụng để phân tích và làm sạch dữ liệu, từ đó xác định các yếu tố ảnh hưởng đến vết cắt. Kết quả từ quá trình xử lý sẽ cung cấp thông tin cần thiết để đánh giá chính xác tình trạng của dầm, giúp đưa ra các quyết định bảo trì hợp lý.

4.1 Đồ thị phổ công suất dao động

Đồ thị phổ công suất dao động sẽ được xây dựng dựa trên các số liệu đã thu thập. Phân tích đồ thị này sẽ cho thấy các đặc trưng dao động của dầm, từ đó giúp nhận diện các vết cắt. Sự thay đổi trong đồ thị sẽ phản ánh tình trạng sức khỏe của cầu, giúp các kỹ sư đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc sử dụng phổ công suất dao động để xác định vị trí và mức độ của vết cắt trên dầm là một phương pháp hiệu quả. Các kết quả thu được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong công tác bảo trì cầu. Hướng phát triển tiếp theo sẽ là mở rộng nghiên cứu để áp dụng vào các loại cầu khác nhau, từ đó nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của phương pháp này trong thực tế.

5.1 Hướng phát triển của đề tài

Hướng phát triển của nghiên cứu sẽ tập trung vào việc áp dụng các công nghệ mới trong việc thu thập và phân tích số liệu. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn sẽ giúp cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc xác định vết cắt trên dầm. Đồng thời, nghiên cứu cũng sẽ mở rộng sang các lĩnh vực khác như giám sát tình trạng làm việc của các công trình xây dựng khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việc đánh giá tình trạng sức khỏe và khả năng chịu tải của các công trình cầu hiện nay chủ yếu dựa trên các phương pháp kiểm định tĩnh theo quy chuẩn TCVN 243-98, với chu kỳ kiểm định từ 3 đến 5 năm tùy loại cầu. Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ cung cấp dữ liệu trong trạng thái tĩnh hoặc dao động tự do, không phản ánh đầy đủ tình trạng làm việc thực tế của cầu trong điều kiện tải trọng động do phương tiện lưu thông. Điều này dẫn đến việc khó khăn trong việc dự báo tiến độ xuống cấp và xác định chính xác vị trí, mức độ hư hỏng bên trong cấu trúc cầu, đồng thời chi phí kiểm định cao khiến việc kiểm tra thường xuyên và toàn diện trở nên hạn chế.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu khả năng xác định vị trí và mức độ của vết cắt trên dầm cầu thông qua phân tích phổ công suất dao động của dầm dưới tác dụng tải trọng di động. Mục tiêu cụ thể là khảo sát mối quan hệ thực nghiệm giữa phổ công suất dao động và các đặc trưng hư hỏng như vị trí, chiều dài vết cắt, từ đó đề xuất phương pháp giám sát tình trạng cầu hiệu quả, chi phí thấp và có thể áp dụng thường xuyên hơn. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình thí nghiệm dầm thép dài 120 cm, rộng 10 cm, dày 0,3 cm, tựa hai đầu, với các vết cắt mô phỏng khuyết tật có chiều dài từ 4 mm đến 28 mm, tải trọng di động 2 kg chạy với 5 cấp vận tốc từ 37,7 cm/s đến 75,4 cm/s. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bổ sung thông tin cho công tác quản lý, duy tu bảo dưỡng cầu tại Việt Nam, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình phân tích dao động cơ học, trong đó:

• Định lý Fourier và biến đổi Fourier: Dùng để chuyển đổi tín hiệu dao động từ miền thời gian sang miền tần số, giúp phân tích phổ công suất dao động của dầm.
• Phổ công suất dao động (Power Spectral Density - PSD): Mô tả phân bố năng lượng dao động theo tần số, là thông số chính để nhận dạng sự thay đổi cơ học do vết cắt gây ra.
• Hàm đáp ứng tần số và mô men phổ công suất: Mô hình hóa đáp ứng của dầm dưới tác dụng tải trọng ngẫu nhiên, cho phép tính toán các mô men phổ bậc n để đánh giá đặc trưng dao động.
• Lý thuyết cơ học kết cấu dầm: Bao gồm phương trình vi phân chuyển động dầm, hàm dạng riêng, tần số riêng và hệ số giảm chấn, giúp mô tả ảnh hưởng của vết cắt đến đặc tính dao động.

Ba khái niệm chính được sử dụng là tần số riêng, hệ số giảm chấn và phổ công suất dao động, trong đó phổ công suất được xem là thông số nhạy và phù hợp nhất để phát hiện và định vị vết cắt trên dầm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình thí nghiệm dầm thép kích thước 120 cm x 10 cm x 0,3 cm, tựa hai đầu trên gối đỡ có đệm cao su giảm chấn. Vết cắt được tạo bằng cách cắt hai bên cạnh dầm với chiều dài từ 4 mm đến 28 mm, mô phỏng sự phát triển của vết nứt. Tải trọng di động 2 kg được truyền động bằng động cơ 3 pha, chạy trên dầm với 5 cấp vận tốc từ 37,7 cm/s đến 75,4 cm/s.

Hệ thống đo gồm 4 cảm biến dao động phân bố dọc dầm, thu nhận tín hiệu dao động với tần số lấy mẫu 1000 Hz trong thời gian 20 giây, mỗi vận tốc và mức độ vết cắt được đo lặp lại 40 lần để đảm bảo tính khách quan và xác định sai số. Tổng cộng thu được khoảng 200 tập tín hiệu dao động cho mỗi mức độ vết cắt.

Phân tích số liệu sử dụng biến đổi Fourier để xây dựng phổ công suất dao động tại từng vị trí đo, từ đó xác định sự thay đổi biên độ và dịch chuyển tần số của các vùng phổ đặc trưng. Các chỉ số này được so sánh qua các lần cắt liên tiếp để tìm ra quy luật liên quan đến vị trí và mức độ vết cắt. Phương pháp phân tích thống kê tỷ lệ các giá trị ưu (giảm biên độ và dịch chuyển tần số sang trái) được áp dụng để đánh giá độ nhạy và độ chính xác của phổ công suất trong việc phát hiện khuyết tật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân chia phổ công suất thành các vùng tần số đặc trưng: Tại vị trí đo K1, phổ công suất được chia thành 17 vùng (9 vùng max và 8 vùng min) với các dải tần số từ 0 đến 500 Hz. Tương tự, tại vị trí K2, phổ được chia thành 25 vùng (13 max và 12 min). Các vùng max thể hiện các đỉnh năng lượng dao động, trong khi vùng min là các vùng năng lượng thấp.

2. Tỷ lệ các giá trị ưu trong phổ công suất phản ánh mức độ vết cắt: Qua 9 lần cắt liên tiếp, tỷ lệ các giá trị ưu tại K1 dao động từ 58,3% đến 94,1%, trong khi tại K2 dao động từ 60% đến 96,2%. Đặc biệt, ở các lần cắt cuối (S7-S8, S8-S9), tỷ lệ giá trị ưu đạt trên 90%, cho thấy phổ công suất rất nhạy với sự phát triển của vết cắt.

3. Sự thay đổi biên độ và dịch chuyển tần số trong phổ công suất có mối quan hệ rõ ràng với vị trí và chiều dài vết cắt: Các vùng max và min trong phổ công suất có xu hướng giảm biên độ và dịch chuyển tần số sang trái khi vết cắt phát triển, cho phép xác định vị trí và mức độ hư hỏng trên dầm.

4. Ảnh hưởng của vận tốc tải trọng di động: Tín hiệu dao động và phổ công suất thu được ở các vận tốc khác nhau cho thấy sự ổn định và tính lặp lại cao, với sai số nhỏ nhờ việc lặp lại 40 lần đo mỗi vận tốc, đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phổ công suất dao động là một chỉ số nhạy và hiệu quả trong việc phát hiện, định vị và đánh giá mức độ vết cắt trên dầm cầu. Việc phân chia phổ thành các vùng max và min giúp nhận diện các đặc trưng dao động liên quan đến khuyết tật. Tỷ lệ giá trị ưu cao ở các lần cắt cuối chứng tỏ phương pháp có khả năng phát hiện sớm và theo dõi sự phát triển của vết nứt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về phát hiện khuyết tật dựa trên tần số riêng và giảm chấn, phương pháp phổ công suất vượt trội hơn về độ nhạy và khả năng định vị chính xác vị trí vết cắt. Điều này phù hợp với nhận định rằng tần số riêng thường không đủ nhạy để phát hiện các khuyết tật nhỏ hoặc ở vị trí khác nhau gây cùng sự thay đổi tần số.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ công suất tại các vị trí đo, thể hiện sự biến đổi biên độ và dịch chuyển tần số theo từng mức độ vết cắt, giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa phổ dao động và hư hỏng cấu trúc. Các bảng tổng hợp tỷ lệ giá trị ưu cung cấp cơ sở định lượng cho việc đánh giá độ nhạy của phương pháp.

Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng trong giám sát tình trạng cầu thực tế với chi phí thấp, khả năng đo liên tục và phát hiện sớm các hư hỏng bên trong cấu trúc, khắc phục hạn chế của các phương pháp kiểm định truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống giám sát phổ công suất dao động trên cầu thực tế: Lắp đặt các cảm biến dao động phân bố dọc theo nhịp cầu, thu thập dữ liệu dao động liên tục để phát hiện sớm vết nứt và đánh giá mức độ hư hỏng. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý cầu, với mục tiêu giảm thiểu chi phí kiểm định và tăng tần suất giám sát trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển phần mềm phân tích tự động phổ công suất: Xây dựng công cụ xử lý và phân tích dữ liệu dao động, tự động nhận dạng các vùng max, min và tính toán các chỉ số ưu để cảnh báo hư hỏng. Thời gian phát triển dự kiến 12 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.

3. Mở rộng nghiên cứu mô hình toán học dự báo tuổi thọ cầu dựa trên phổ công suất: Kết hợp dữ liệu thực nghiệm với mô hình toán học để dự báo tiến trình phát triển vết nứt và tuổi thọ còn lại của cầu. Chủ thể là các viện nghiên cứu, thời gian 2-3 năm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật quản lý cầu: Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp giám sát dao động và phân tích phổ công suất, giúp cán bộ vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống giám sát mới. Thời gian triển khai 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý và bảo trì cầu đường bộ: Nhận được phương pháp giám sát mới giúp nâng cao hiệu quả kiểm tra, giảm chi phí và tăng tần suất đánh giá tình trạng cầu, từ đó lập kế hoạch duy tu bảo dưỡng hợp lý.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ học ứng dụng: Tham khảo các lý thuyết phân tích dao động, phương pháp xử lý tín hiệu và ứng dụng thực nghiệm trong lĩnh vực phát hiện hư hỏng kết cấu.

3. Doanh nghiệp công nghệ phát triển thiết bị giám sát kết cấu: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm cảm biến và phần mềm phân tích phổ công suất, mở rộng thị trường ứng dụng trong giám sát cầu và công trình xây dựng.

4. Các kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng cầu: Hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của vết cắt và hư hỏng đến đặc tính dao động của dầm, từ đó cải tiến thiết kế và đề xuất các biện pháp bảo vệ kết cấu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phổ công suất dao động là gì và tại sao nó quan trọng trong phát hiện vết cắt?
   Phổ công suất dao động mô tả phân bố năng lượng dao động theo tần số, giúp nhận diện các thay đổi đặc trưng do vết cắt gây ra. Nó nhạy hơn tần số riêng trong việc phát hiện hư hỏng nhỏ và định vị chính xác vị trí vết cắt.

2. Mô hình thí nghiệm dầm có phản ánh chính xác tình trạng cầu thực tế không?
   Mô hình thí nghiệm được thiết kế gần giống dầm cầu thực với kích thước và điều kiện tựa hai đầu, tạo vết cắt mô phỏng khuyết tật thực tế. Kết quả cho thấy phương pháp có tiềm năng áp dụng cho cầu thật, tuy nhiên cần nghiên cứu mở rộng trên công trình thực tế.

3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại cầu khác nhau không?
   Phương pháp dựa trên phân tích dao động có thể điều chỉnh để áp dụng cho nhiều loại cầu khác nhau, đặc biệt là các kết cấu dầm chịu tải động. Việc hiệu chỉnh mô hình và hệ thống cảm biến phù hợp là cần thiết.

4. Chi phí và độ phức tạp của hệ thống giám sát phổ công suất như thế nào?
   Hệ thống sử dụng cảm biến dao động và thiết bị thu tín hiệu điện tử chuyên dụng, chi phí thấp hơn nhiều so với kiểm định truyền thống. Việc xử lý dữ liệu có thể tự động hóa, giảm thiểu nhân lực và thời gian.

5. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả phân tích?
   Nghiên cứu đã thực hiện lặp lại 40 lần đo mỗi vận tốc và mức độ vết cắt, đảm bảo tính khách quan và xác định sai số. Việc sử dụng nhiều vị trí đo và phân tích thống kê tỷ lệ giá trị ưu cũng giúp nâng cao độ tin cậy.

Kết luận

• Phổ công suất dao động là công cụ hiệu quả để xác định vị trí và mức độ vết cắt trên dầm cầu, nhạy hơn các phương pháp truyền thống dựa trên tần số riêng.
• Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình dầm thép với các vết cắt có chiều dài từ 4 mm đến 28 mm và tải trọng di động cho thấy mối quan hệ rõ ràng giữa phổ công suất và hư hỏng.
• Tỷ lệ giá trị ưu trong phổ công suất đạt trên 90% ở các lần cắt cuối, chứng tỏ độ nhạy và độ chính xác cao của phương pháp.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển hệ thống giám sát tình trạng cầu chi phí thấp, khả năng đo liên tục và phát hiện sớm hư hỏng bên trong cấu trúc.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm trên cầu thực tế, phát triển phần mềm phân tích tự động và đào tạo cán bộ kỹ thuật để ứng dụng rộng rãi trong quản lý cầu.

Hãy áp dụng phương pháp phân tích phổ công suất dao động để nâng cao hiệu quả giám sát và bảo trì cầu, góp phần đảm bảo an toàn giao thông và kéo dài tuổi thọ công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay cơ sở để quyết định độ ưu tiên trong kế hoạch sửa chữa cầu là tiến hành kiểm định. Quy trình kiểm định được quy định chặt chẽ theo TCVN (22TCVN 243-98) [1-5]. Theo quy trình này thì việc kiểm tra chủ yếu dựa vào trạng thái chịu lực tĩnh.

Tải trọng được tạo ra dựa trên mức tải dự kiến mà cầu phải chịu. Ưu điểm của phương pháp này là cho ta số liệu biến dạng cầu dưới tác động của tải trọng đã biết rõ về giá trị và các phương án tác động của chúng được dự kiến là gây ra trạng thái biến dạng nguy hiểm nhất. Theo biện pháp này, tải dự kiến mà cầu sẽ chịu được đặt lên cầu, khả năng chịu tải được thể hiện bởi các số liệu đo: độ võng của nhịp, biến dạng, hệ số xung kích, tần số riêng, độ xê dịch các bộ phận như mố, gối, trụ,… Biện pháp này xác định các giá trị thực của các thông số cơ học tại thời điểm tổ chức kiểm định. Nếu công tác kiểm định thực hiện theo đúng chu kỳ quy định thì công tác đánh giá khả năng làm việc, dự báo tiến độ xuống cấp có thể kiểm soát được.

Tuy nhiên, một trong các nhược điểm của quy trình hiện hành về kiểm định cầu là các số liệu đo thu được trong tình trạng tĩnh, ngoại trừ tần số riêng và hệ số xung kích, được xác định bằng cách tạo tình trạng dao động tự do gây bởi một xung kích. Ngoài ra các trường hợp thử tải (giá trị, phương án đặt tải) không thể Luận Văn Thạc Sĩ 1 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi bao trùm mọi tình huống thực có thể xảy ra. Do mức độ khó khăn, tốn kém nên biện pháp này chỉ được sử dụng trong những đợt kiểm tra “chính”. Chu kỳ kiểm định được UBND Tp Hồ Chí Minh đưa ra quy định tạm thời là 3 đến 5 năm tùy từng loại cầu.

Trên thực tế, tình trạng làm việc thực của cầu là tình trạng động. Hầu như, loại trừ các tải trọng không đáng kể như người đi bộ và xe đạp, mọi phương tiện cơ giới di chuyển trên cầu đều khiến cầu dao động. Biên độ dao động sẽ khác so với giá trị chuyển dịch khi tải trọng được đặt tĩnh trên cầu. Bên cạnh đó, việc xác định các đại lượng trong quá trình động lại khó hơn rất nhiều so với quá trình tĩnh.

Khoảng thời gian giữa hai lần kiểm định liên tiếp thường khá xa, do vậy tình trạng thực của cầu giữa hai lần kiểm định không thể xác định chính xác, gây khó khăn cho cơ quan quản lý kỹ thuật trong việc ra quyết định thời điểm tổ chức cũng như chỉ định bộ phận cụ thể cần bảo trì, duy tu, từ đó đưa ra các quyết định về biện pháp kỹ thuật sữa chữa. Bên cạnh đó, công tác kiểm định theo quy trình đòi hỏi nhiều chi phí nên trong thực tế việc kiểm định chỉ thực hiện ở một số ít cầu và số nhịp cũng rất hạn chế. 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 cấu, cũng như các biến cố ngẫu nhiên xuất hiện trên cầu. Luận Văn Thạc Sĩ 2 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi Hình 1.1: Hai phương pháp chính để đánh giá tình trạng sức khỏe cầu hiện nay Luận Văn Thạc Sĩ 3 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi Bảng 1.1: Ưu và nhược điểm của 2 phương pháp tuần tra và kiểm định Cách kiểm định Tuần tra (kiểm tra thủ công) Kiểm định Ưu điểm - Kiểm tra với tần suất cao - Đã biết rõ giá trị và vị trí của tải trọng (hằng ngày) - Độ tin cậy cao Nhược điểm - Chỉ phát hiện được hư hỏng - Không thể dự kiến được hết các tình ở bề mặt huống thực có thể xảy ra - Độ tin cậy thấp - Chi phí cao Hai phương pháp tuần tra và kiểm định có ưu và nhược điểm như trên bảng 1.

Ưu điểm của tuần tra là kiểm tra với tần suất cao gần như là hằng ngày tuy nhiên nhược điểm là chỉ phát hiện được hư hỏng ở bề mặt mà không phát hiện được hư hỏng bên trong cấu trúc cũng như độ tin cậy thấp. Còn kiểm định có ưu điểm là đã biết rõ giá trị và vị trí của tải trọng giúp chúng ta có thể định lượng mức độ biến dạng cũng như hư hỏng của cầu và mức độ tin cậy cao tuy nhiên nhược điểm là không thể dự kiến được hết các tình huống thực có thể xảy ra và đặc biệt là chi phí cao khiến phương pháp này ít được thực hiện, nếu có thực hiện cũng rất hạn chế. Chính vì vậy cần có một phương pháp hỗ trợ, bổ sung cho 2 phương pháp trên. Luận Văn Thạc Sĩ 4 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi Hình 1.2: Phổ công suất của dao động ngẫu nhiên Phòng Thí Nghiệm Cơ Học Ứng Dụng đã đề xuất 1 phương án hỗ trợ, bổ sung cho 2 phương pháp trên đó là dùng phổ công suất (PCS) của dao động ngẫu nhiên (hình 1.2), tuy nhiên hiện tại chỉ dùng lại ở mức tìm ra quy luật chung của PCS nhưng chưa tìm được mối tương quan với 2 thông số kiểm định đó là độ võng và biến dạng.

Luận Văn Thạc Sĩ 5 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi 1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu: 1. Mục tiêu Nghiên cứu khả năng xác định vị trí, mức độ của vết cắt bởi phổ công suất của dầm Chi phí thấp Đo trong tình Phát hiện được hư trạng động hỏng bên trong cấu trúc Hình 1.3: Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu khả năng xác định vị trí, mức độ của vết cắt bởi phổ công suất của dầm. Phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ chính của luận văn là xác định vị trí, mức độ của vết cắt bởi phổ công suất của dầm trên mô hình thí nghiệm.

Cụ thể là tìm ra quy luật giữa phổ công suất với sự xuất hiện vết nứt mới, vị trí vết nứt và quá trình phát triển của vết nứt trên dầm dưới tác dụng của tải lưu thông. Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nhân lực và yêu cầu của một luận văn thạc sĩ nên đối tượng chủ yếu trong nghiên cứu này là mô hình cầu có các thành phần chịu tải cơ bản với hai đầu dầm là 2 gối tựa lên trụ cầu. Luận Văn Thạc Sĩ 6 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi 1. Ý nghĩa của đề tài: Nội dung nghiên cứu của đề tài phục vụ mục tiêu đề xuất một biện pháp trung gian mới giúp dự báo mức độ hư hỏng của cấu trúc cầu thông qua phân tích số liệu đo dao động tại phòng thí nghiệm cũng như thực tế của cầu ở Việt Nam.

Biện pháp này cho phép bổ sung thông tin về tình trạng cầu với tần suất cao hơn, kinh phí rẻ hơn, công tác tổ chức khả thi hơn. Dữ liệu tín hiệu được sử dụng phân tích có được từ những thiết bị điện tử chuyên dùng. Với các kết quả đạt được sẽ thực sự hỗ trợ căn cứ khoa học cho các nhà quản lý cầu lên kế hoạch duy tu bảo dưỡng cầu một các hợp lý, đúng lúc, tiết kiệm. Việc giám sát tình trạng làm việc của cầu đang là yêu cầu bức xúc đối với nước ta, là nước có hệ thống cầu lớn và đóng vai trò trọng yếu trong huyết mạch giao thông cũng như kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng,… 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 mối quan tâm của rất nhiều nước trên thế giới.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam Cùng với sự phát triển của xã hội, nhiều công trình cầu đã được xây dựng phục vụ mức độ lưu thông ngày càng nhiều của con người. Nhưng tuổi thọ 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 bắt đầu nảy sinh sự xuống cấp và xuất hiện nhiều khuyết tật (hư hỏng) và gây nguy hiểm cho con người khi lưu thông trên cầu vì cầu có thể sập bất cứ lúc nào. Chính vì vậy đánh giá tình trạng hoạt động và kiểm tra khuyết tật của các công trình cầu trở thành một vấn đề cấp thiết trong xã hội. Hiện tại chỉ có biện pháp kiểm tra hư hỏng bằng cách quan sát bằng mắt hay sử dụng một số dụng cụ kiểm tra chuyên dùng như thiết bị siêu âm, súng bắn 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, Luận Văn Thạc Sĩ 7 GVHD: GS.NGND Ngô Kiều Nhi HVTH: Nguyễn Quang Lợi một biện pháp khác được đề nghị là dựa vào dao động của cơ hệ dựa vào đặc điểm: khuyết tật xuất hiện trong cơ hệ sẽ làm thay đổi các các đặc trưng động học của cơ hệ như tần số riêng, dạng dao động, giảm chấn hay làm giảm độ cứng chống biến dạng ., do đó dể tìm khuyết tật trong cơ hệ thì ta phải tìm những vị trí xuất hiện những dấu hiệu 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 khuyết tật dựa trên dao động ( Vibration based damage detection- VBDD).

Doebling và các cộng sự (1996) [6] đã thực hiện khảo sát các phương pháp phát hiện khuyết tật dựa vào dao động cũng như áp dụng các đối tượng cấu trúc khác nhau.