Luận văn thạc sĩ về nhận dạng tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp fdd, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nhận Dạng Tham Số Động Học Tòa Nhà Bằng Phương Pháp FDD
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.3. Nhận dạng công trình dùng mạng nơ ron nhân tạo
• 1.4. Nhận dạng hệ thống dựa trên mạng nơron GADALINE
• 1.5. Nhận dạng tham số động lực học của công trình bằng phương pháp phân giải trong miền tần số (FDD)
• 1.6. Nhận dạng tham số công trình bằng phương pháp ARX và RARX
• 1.7. Phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động trong tính toán nhà cao tầng chịu động đất
• 1.8. Tổng quan
• 1.9. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
• 1.10. Phương pháp nghiên cứu
• 1.11. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TÒA NHÀ VÀ MA TRẬN ĐỘ CỨNG
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 5. CHƯƠNG 5: NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ MODAL VÀ ĐỘ CỨNG TÒA NHÀ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhận dạng tham số động học tòa nhà bằng phương pháp FDD

Nhận dạng tham số động học tòa nhà là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt là trong bối cảnh gia tăng các thảm họa tự nhiên như động đất. Phương pháp FDD (Frequency Domain Decomposition) đã trở thành một công cụ hữu ích trong việc phân tích và nhận dạng các tham số động lực học của các công trình xây dựng. Phương pháp này cho phép xác định các tần số tự nhiên và các mode dao động của tòa nhà, từ đó giúp các kỹ sư có thể đánh giá độ bền vững và khả năng chịu lực của công trình.

1.1. Khái niệm về tham số động học tòa nhà

Tham số động học tòa nhà bao gồm các yếu tố như tần số tự nhiên, độ cứng và các dạng dao động. Những tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu đựng của công trình trước các tác động từ môi trường như động đất hay gió mạnh.

1.2. Tầm quan trọng của phương pháp FDD trong xây dựng

Phương pháp FDD giúp xác định các tham số động học một cách chính xác và hiệu quả. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giảm thiểu chi phí mà còn nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và bảo trì công trình.

II. Vấn đề và thách thức trong nhận dạng tham số động học tòa nhà

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ nhận dạng tham số động học, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của dữ liệu thu thập, sự phức tạp trong mô hình hóa và khả năng ứng dụng thực tiễn của các phương pháp hiện có là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác của dữ liệu thu thập

Độ chính xác của dữ liệu thu thập từ các cảm biến là yếu tố quyết định đến kết quả nhận dạng. Việc lựa chọn thiết bị và phương pháp thu thập dữ liệu phù hợp là rất quan trọng.

2.2. Sự phức tạp trong mô hình hóa

Mô hình hóa các tham số động học tòa nhà đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và vật liệu. Sự phức tạp này có thể dẫn đến những sai lệch trong kết quả nhận dạng.

III. Phương pháp FDD trong nhận dạng tham số động học tòa nhà

Phương pháp FDD là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay trong việc nhận dạng tham số động học. Phương pháp này sử dụng các rung động từ môi trường xung quanh để phân tích và xác định các tham số modal của tòa nhà.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp FDD

Phương pháp FDD hoạt động dựa trên việc phân tích ma trận mật độ phổ công suất thành các hệ thống một bậc tự do. Điều này cho phép xác định các tần số tự nhiên và các mode dao động của tòa nhà một cách hiệu quả.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng phương pháp FDD

Việc sử dụng phương pháp FDD mang lại nhiều lợi ích như chi phí thấp, dễ thực hiện và độ chính xác cao trong việc nhận dạng các tham số động học của tòa nhà.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp FDD trong xây dựng

Phương pháp FDD đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều dự án xây dựng, từ các tòa nhà cao tầng đến các công trình cầu đường. Việc nhận dạng chính xác các tham số động học giúp các kỹ sư có thể đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế và bảo trì công trình.

4.1. Các dự án tiêu biểu ứng dụng phương pháp FDD

Nhiều dự án xây dựng lớn đã áp dụng phương pháp FDD để nhận dạng tham số động học, từ đó cải thiện độ bền vững và khả năng chịu lực của công trình.

4.2. Kết quả nghiên cứu từ ứng dụng phương pháp FDD

Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp FDD không chỉ giúp nhận dạng chính xác các tham số động học mà còn giảm thiểu rủi ro trong thiết kế và bảo trì công trình.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu về tham số động học tòa nhà

Nghiên cứu về nhận dạng tham số động học tòa nhà bằng phương pháp FDD đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực xây dựng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn trong việc bảo vệ công trình trước các thảm họa tự nhiên.

5.1. Hướng phát triển của nghiên cứu

Nghiên cứu trong lĩnh vực nhận dạng tham số động học sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn.

5.2. Tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ mới

Việc ứng dụng các công nghệ mới trong nhận dạng tham số động học sẽ giúp cải thiện khả năng chịu lực của công trình, từ đó bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thảm họa địa chấn và rung chấn công trình luôn là một trong những thách thức nghiêm trọng nhất đối với sự an toàn của cơ sở hạ tầng nhân loại. Theo thống kê lịch sử từ năm 1755 đến năm 2005, chỉ riêng 10 trận động đất lớn nhất trên thế giới đã cướp đi sinh mạng của hơn 5.227.000 người và gây tổn thất tài sản vượt mức 7,1 tỷ USD. Điển hình là trận siêu địa chấn 9,0 độ Richter tại Nhật Bản năm 2011 kèm sóng thần cao 10 m đã làm hơn 100.000 người thiệt mạng, để lại tổng thiệt hại lên tới 100 tỷ USD, bao gồm 40 tỷ USD phá hủy trực tiếp hạ tầng kỹ thuật. Tại Việt Nam, nguy cơ rủi ro địa chấn ngày càng hiện hữu rõ nét qua các sự kiện rung lắc tại Tuần Giáo năm 1983, ngoài khơi Vũng Tàu năm 2005, động đất kích thích 4,2 độ Richter với độ sâu chấn tiêu 7,3 km tại khu vực thủy điện Sông Tranh 2 năm 2012, cũng như hoạt động của đới đứt gãy sông Sài Gòn có khả năng phát sinh địa chấn mạnh đến 5,5 độ Richter gây rung động cấp 7 tại đô thị trung tâm.

Trước thực trạng đó, việc xác định chính xác các tham số động lực học để đánh giá khả năng chịu lực và chẩn đoán hư hại kết cấu trở thành bài toán sống còn trong quản lý xây dựng. Luận văn tập trung giải quyết vấn đề nhận dạng tần số dao động riêng, dạng dao động và độ cứng từng tầng cho công trình thông qua phương pháp phân giải trong miền tần số (FDD - Frequency Domain Decomposition). Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học giải tích, thiết lập hệ thống thực nghiệm thu thập dữ liệu gia tốc và thuật toán phân tích tín hiệu trên mô hình kết cấu 2 tầng. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc cung cấp công cụ định lượng độ cứng, giúp phát hiện sớm các tầng yếu có nguy cơ sụp đổ, đồng thời tối ưu hóa thông số lắp đặt các thiết bị giảm chấn thụ động TMD hoặc bán chủ động MR Damper nhằm triệt tiêu tới 40% biên độ rung lắc nguy hiểm do động đất gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng của phương pháp phân tích modal hoạt động (OMA - Operational Modal Analysis), cho phép nhận dạng các đặc tính động học của công trình chỉ dựa trên tín hiệu đáp ứng ngõ ra từ các rung động môi trường xung quanh (ambient vibration) như gió, sóng biển hay hoạt động giao thông mà không cần nguồn kích thích cưỡng bức nhân tạo tốn kém. Phương pháp phân giải trong miền tần số (FDD) do Brincker phát triển được sử dụng làm lý thuyết cốt lõi, mở rộng từ kỹ thuật trích lọc đỉnh cổ điển (Peak Picking). FDD phân giải ma trận mật độ phổ công suất PSD và mật độ phổ chéo CSD của hệ nhiều bậc tự do thành tập hợp các mật độ phổ của hệ một bậc tự do độc lập thông qua giải thuật phân giải giá trị kỳ dị (SVD - Singular Value Decomposition).

Trong mô hình này, tín hiệu kích thích từ môi trường được chuẩn hóa dưới dạng nhiễu trắng Gaussian dừng có kỳ vọng bằng 0, kết hợp giả thiết kết cấu có tỷ số giảm chấn yếu, thông thường dao động quanh mức 5% đối với công trình xây dựng dân dụng chịu động đất. Để xác thực tính chính xác của các mode dao động tách chiết được và loại bỏ các đỉnh phổ nhiễu, chỉ tiêu đảm bảo modal (MAC - Modal Assurance Criterion) do Allemang và Brown đề xuất năm 1982 được áp dụng với ngưỡng tương thích tin cậy trên 80% (tương đương 0,80). Kết cấu tòa nhà được mô hình hóa theo sơ đồ lực cắt dầm (shear beam), trong đó chuyển vị ngang của mỗi tầng phụ thuộc trực tiếp vào các tầng liền kề, làm tiền đề để thiết lập công thức giải tích xác định chính xác ma trận độ cứng K từ các vectơ riêng và tần số dao động riêng nhận dạng được.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số giải tích và thực nghiệm vật lý đa kênh trên mô hình thực tế. Cỡ mẫu dữ liệu thực nghiệm được xác lập với độ lớn 30.720 điểm đo liên tục trong khoảng thời gian 15 giây cho mỗi kênh cảm biến, đảm bảo đáp ứng đầy đủ định lý lấy mẫu Shannon-Nyquist và ghi nhận trọn vẹn chu kỳ dao động tự do của kết cấu.

Phương pháp chọn mẫu dữ liệu được thực hiện thông qua việc bố trí 3 cảm biến gia tốc áp điện công nghiệp IMI 603C01 tại 3 vị trí chiến lược dọc theo chiều cao mô hình tòa nhà thép carbon 2 tầng: kênh 0 gắn tại nền móng có độ nhạy 94 mV/g, kênh 1 đặt tại sàn tầng 1 có độ nhạy 96 mV/g, và kênh 2 đặt tại sàn tầng 2 có độ nhạy 103 mV/g. Tín hiệu gia tốc được số hóa trực tiếp bằng bộ chuyển đổi tương tự sang số Delta-Sigma 24-bit trên phần cứng NI-9234 thuộc khung máy NI cDAQ-9171 với tốc độ lấy mẫu đồng bộ 2048 mẫu/giây (2048 Hz), phân chia từ tần số thời gian nền chủ 13,1072 MHz.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích FDD kết hợp môi trường LabVIEW và Matlab/Simulink là vì FDD có khả năng tách các dạng mode có tần số gần nhau với độ chính xác cao, tính toán trực tiếp trên miền tần số thông qua phép ước lượng phổ Welch với cửa sổ Hamming di động, giúp triệt tiêu tối đa ảnh hưởng của sai số phân cực dòng common-mode 50 ppm và loại bỏ hoàn toàn yêu cầu đo lực kích thích ngõ vào.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng trên mô hình tòa nhà 2 tầng bằng thép carbon có tổng chiều cao 0,753 m, kích thước sàn 0,6 m x 0,4 m và tổng khối lượng thực nghiệm lớn nhất 30,0494 kg (bao gồm 4 đĩa thép 2,233 kg và 2 khối trụ thép 1,0257 kg) đã đem lại những phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, giải thuật phân giải giá trị kỳ dị SVD từ ma trận phổ mật độ công suất kích thước 2x2 đã trích xuất rõ nét các đỉnh giá trị kỳ dị đơn, nhận dạng chính xác tần số dao động tự nhiên cơ bản của mode 1 ở mức 4,625 Hz và dạng mode chuyển vị dọc tương ứng. Các đỉnh phổ giả do nhiễu môi trường đã được loại bỏ hoàn toàn khi giá trị MAC chỉ đạt dưới 0,30, trong khi các mode dao động thực tế đều đạt hệ số MAC vượt mức 88%.

Thứ hai, công thức giải tích nghịch đảo ma trận độ cứng theo mô hình lực cắt dầm đã xác định chính xác độ cứng từng tầng với giá trị tầng 1 đạt k1 = 3414,90 N/m và tầng 2 đạt k2 = 3949,38 N/m. Mức độ chênh lệch giữa kết quả nhận dạng FDD từ dữ liệu thực nghiệm so với giá trị tính toán lý thuyết từ mô hình cơ học kết cấu chỉ dao động trong khoảng sai số dưới 4,5%.

Thứ ba, khảo sát phản ứng động học dưới tải trọng xung gió 10 N tác dụng vào sàn tầng 2 trong khoảng thời gian ngắn 5 ms cho thấy biên độ chuyển vị và vận tốc dao động của cả hai tầng nhanh chóng tắt dần và trở về trạng thái ổn định sau khoảng 14 đến 18 giây nhờ tác động của hệ số cản nhớt nội tại.

Thứ tư, khi mô phỏng phản ứng dưới tác động kích thích của gia tốc nền đất dạng hàm sin biên độ ngẫu nhiên đạt cực đại 0,48 m/s2 trong 0,5 giây, hệ thống thể hiện sự khuếch đại dao động mạnh mẽ khi tần số rung động nền đạt ngưỡng 5 Hz, tiệm cận vùng tần số cộng hưởng của công trình.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng khuếch đại dao động mất ổn định tại tần số 5 Hz phản ánh đúng bản chất vật lý của sự trùng phùng tần số giữa ngoại lực địa chấn và tần số riêng của hệ kết cấu. Nếu tỷ số cản nhớt không được bổ sung, biên độ dao động chuyển vị tại tầng 2 sẽ tăng vọt gấp hơn 4 lần so với điều kiện làm việc thông thường, đe dọa trực tiếp đến tính bền vững của các liên kết hàn và dầm thép chịu lực.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và khoa học thông qua hệ thống các đồ thị mật độ phổ công suất tự thân PSD, mật độ phổ chéo CSD và đường cong giá trị kỳ dị đơn trên dải tần số từ 0,01 Hz đến 1000 Hz. Cùng với đó, bảng so sánh đối chuẩn ma trận độ cứng giữa các mode dao động cho phép định vị trực tiếp tầng có độ cứng suy giảm, chứng minh rằng sàn tầng 1 chịu lực cắt lớn hơn nhưng có độ cứng thấp hơn tầng 2 khoảng 13,5%, tạo nên vùng biến dạng uốn tập trung cần được ưu tiên gia cố.

So sánh với các nghiên cứu nhận dạng mạng nơ-ron lan truyền ngược của Olivera Jovanović (1997) hay mô hình thích nghi trực tuyến GADALINE và RARX của Maosheng Gong (2010), phương pháp FDD thể hiện ưu thế vượt bậc về tính tường minh vật lý. Trong khi mạng nơ-ron chỉ dự báo trạng thái dịch chuyển kế tiếp mà không lượng hóa được các tham số kết cấu, thì FDD trích xuất trực tiếp giá trị độ cứng thực tế của từng tầng mà không cần cập nhật mô hình phi tuyến phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhận dạng tham số động học bằng FDD, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

Thứ nhất, tích hợp thiết bị giảm chấn thụ động TMD (Tuned Mass Damper) hoặc bộ giảm chấn từ biến bán chủ động MR Damper cho các công trình cao tầng. Các kỹ sư thiết kế cần sử dụng chính xác tần số dao động riêng nhận dạng được (quanh ngưỡng 4,625 Hz) để hiệu chỉnh tần số làm việc của bộ TMD, hướng tới mục tiêu cắt giảm từ 35% đến 50% biên độ rung lắc đỉnh khi xảy ra dư chấn động đất cấp 6 hoặc cấp 7, hoàn thành việc ứng dụng thử nghiệm trong vòng 18 tháng. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu và ban quản lý dự án xây dựng.

Thứ hai, triển khai quy trình gia cường kháng chấn cục bộ cho các tầng yếu có độ cứng k đo đạc thực tế thấp hơn ngưỡng thiết kế an toàn 3500 N/m. Sử dụng giải pháp bọc sợi carbon composite (CFRP) hoặc bổ sung hệ giằng thép chữ X để tăng độ cứng tầng lên tối thiểu 25%, tiến hành định kỳ theo chu kỳ kiểm định kỹ thuật 3 năm một lần do các nhà thầu thi công chuyên nghiệp đảm nhiệm.

Thứ ba, xây dựng hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu trực tuyến (SHM) ứng dụng kỹ thuật FDD kết hợp phần cứng thu thập dữ liệu 24-bit với tốc độ quét tối thiểu 2048 Hz. Thiết lập cảnh báo tự động khi phát hiện tần số riêng sụt giảm quá 8% hoặc chỉ số MAC giữa các chu kỳ đo lệch trên 15%, chuyển giao cho các trung tâm kiểm định an toàn công trình thuộc Sở Xây dựng vận hành trong lộ trình 12 tháng tới.

Thứ tư, hoàn thiện quy chuẩn thiết kế kháng chấn bằng cách bắt buộc tính toán kiểm tra kép giữa phương pháp phổ phản ứng nhiều dạng dao động và phương pháp tĩnh lực ngang tương đương theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006, đặc biệt đối với khu vực nền móng và các tầng từ 50% chiều cao công trình trở xuống, áp dụng ngay vào quy trình thẩm định hồ sơ kỹ thuật của các cơ quan quản lý nhà nước từ quý 4 năm 2024.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư kết cấu, chuyên gia tư vấn thiết kế công trình dân dụng và công nghiệp. Luận văn cung cấp phương pháp luận chuẩn xác để trích xuất ma trận độ cứng thực tế, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế kháng chấn cho các tòa nhà nhiều tầng đặt tại khu vực có nguy cơ động đất cấp 7 và cấp 8.

Nhóm thứ hai là các cán bộ kỹ thuật, cơ quan quản lý đô thị và đơn vị kiểm định chất lượng xây dựng. Dữ liệu thực nghiệm và quy trình đo đạc FDD giúp thiết lập phương án đánh giá nhanh chóng mức độ suy thoái, phát hiện tầng yếu của hàng trăm công trình cũ có tuổi thọ trên 20 năm mà không cần phá hủy hay làm gián đoạn công năng sử dụng.

Nhóm thứ ba là các giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Cơ kỹ thuật và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa. Đề tài đóng vai trò như một tài liệu tham khảo chuyên sâu kết hợp hài hòa giữa cơ học dao động công trình, lý thuyết xử lý tín hiệu số trong LabVIEW và giải thuật ma trận SVD trên Matlab.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp nghiên cứu, chế tạo thiết bị giảm chấn và giải pháp quan trắc công trình thông minh. Kết quả nhận dạng tham số động học là cơ sở then chốt để lập trình thuật toán điều khiển thích nghi cho các thiết bị giảm chấn TMD và MR Damper, nâng cao hiệu quả triệt tiêu rung động môi trường lên hơn 40%.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp phân giải trong miền tần số FDD có ưu thế gì vượt trội so với phân tích modal thực nghiệm truyền thống EMA? Phương pháp FDD thuộc nhóm phân tích modal hoạt động OMA, chỉ yêu cầu đo đạc tín hiệu đáp ứng gia tốc ngõ ra từ các rung động môi trường tự nhiên mà không cần trang bị các thiết bị kích thích nhân tạo đắt tiền như búa kích rung công suất lớn hay bàn rung thủy lực. Điều này giúp tiết kiệm hơn 60% chi phí thực nghiệm, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho kết cấu công trình hiện hữu và đạt độ phân giải tín hiệu cao nhờ phần cứng thu thập 24-bit.

Chỉ tiêu đảm bảo modal MAC đóng vai trò gì trong việc loại bỏ các tần số dao động giả? Chỉ tiêu MAC lượng hóa mức độ tương đồng giữa hai vectơ dạng dao động thông qua giá trị vô hướng từ 0 đến 1. Trong phân tích FDD, các đỉnh phổ xuất hiện do nhiễu hoặc do nguồn kích thích cục bộ thường có hệ số MAC thấp dưới 0,30. Chỉ các đỉnh phổ đạt hệ số MAC từ 80% (tương đương 0,80) trở lên so với dạng mode chuẩn mới được xác nhận là mode dao động riêng thực tế của tòa nhà.

Vì sao nghiên cứu lại thiết lập tần số lấy mẫu 2048 Hz và thời gian ghi nhận 15 giây? Tốc độ lấy mẫu 2048 mẫu/giây được cấu hình đồng bộ từ tần số xung nhịp chủ 13,1072 MHz của module NI-9234, giúp bao phủ trọn vẹn dải tần số động học rộng và tránh hiện tượng méo tín hiệu do chồng phổ. Khoảng thời gian thu thập 15 giây cung cấp đúng 30.720 điểm dữ liệu, đủ lớn để giải thuật biến đổi Fourier nhanh FFT và phép ước lượng phổ Welch với cửa sổ Hamming đạt độ hội tụ tối ưu mà không làm quá tải bộ nhớ xử lý.

Làm thế nào để xác định độ cứng từng tầng từ các tham số modal nhận dạng được? Dựa trên mô hình lực cắt dầm, phương trình cân bằng động học của hệ dao động được biến đổi giải tích thành mối quan hệ giữa khối lượng tập trung, bình phương tần số góc riêng và chuyển vị tương đối giữa các tầng liền kề. Bằng cách giải hệ phương trình từ tầng mái xuống tầng 1, nghiên cứu xác định chính xác độ cứng tầng 1 là 3414,90 N/m và tầng 2 là 3949,38 N/m với mức sai số đối chuẩn dưới 5%.

Kết quả nhận dạng FDD hỗ trợ việc lắp đặt thiết bị giảm chấn TMD như thế nào? Để thiết bị hấp thụ dao động khối lượng TMD phát huy tối đa hiệu quả triệt tiêu rung chấn, tần số dao động riêng của TMD phải được điều chỉnh trùng khớp với tần số cơ bản của công trình. Nhờ xác định chính xác tần số riêng 4,625 Hz và dạng mode chuyển vị bằng FDD, các kỹ sư có thể tối ưu hóa khối lượng và độ cứng lò xo của TMD, giúp tăng tỷ số cản hệ thống từ 5% lên trên 15%, ngăn chặn hiệu quả hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm tại tần số 5 Hz.

Kết luận

• Luận văn đã hoàn thiện toàn diện quy trình nhận dạng tham số động học kết cấu bằng phương pháp phân giải trong miền tần số FDD dựa trên các rung động ngẫu nhiên xung quanh.
• Hệ thống thực nghiệm được xây dựng đồng bộ với 3 kênh cảm biến gia tốc công nghiệp và module NI-9234 24-bit, xử lý chính xác tập dữ liệu 30.720 điểm đo ở tần số lấy mẫu 2048 Hz.
• Nhận dạng thành công tần số dao động riêng cơ bản 4,625 Hz và xác định chính xác ma trận độ cứng từng tầng k1 = 3414,90 N/m, k2 = 3949,38 N/m với sai số dưới 4,5%.
• Chứng minh rõ nét nguy cơ mất ổn định do cộng hưởng khi công trình chịu tác động rung chấn nền đất tại tần số 5 Hz và khả năng dập tắt dao động trong 18 giây của hệ số cản nhớt.
• Đề xuất giải pháp định lượng kết cấu phục vụ thiết kế lắp đặt thiết bị giảm chấn TMD, định hình lộ trình mở rộng cho hệ kết cấu nhiều tầng n bậc tự do trong giai đoạn 24 đến 36 tháng tới.

Công trình khẳng định đóng góp khoa học quan trọng trong việc hiện đại hóa công tác kiểm định an toàn, cung cấp công cụ nhận dạng tin cậy, chi phí thấp cho ngành xây dựng và điều khiển công trình. Các đơn vị quản lý, kỹ sư kết cấu và nhà nghiên cứu được khuyến khích khai thác ngay các mô hình giải tích và quy trình đo đạc này để nâng cao năng lực phòng chống rủi ro động đất cho hệ thống công trình hạ tầng đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Thảm họa động đất từ lâu đã được xếp vào một trong những thảm họa khốc liệt nhất của tự nhiên mà hơn ai hết con người sống trên hành tinh này phải chịu nhiều đau thương và tổn thất do nó gây ra. Mặc dù ngày nay khoa học kỹ thuật đã có những tiến bộ vượt bậc, nhưng đứng trước những thảm họa của động đất chúng ta mới thật sự hiểu được sự sống con người thật mỏng manh và càng thấy rõ tầm quan trọng trong việc ứng dụng những thành tựu của các ngành khoa khác vào ngành xây dựng của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng, đặc biệt là các kỹ thuật tiên tiến trong nhận dạng, tối ưu hóa hệ thống. Trong các kỹ thuật đó, được quan tâm nhiều trong những năm gần đây là kỹ thuật nhận dạng, phân tích các tham số dao động (modal) cho các hệ thống công trình như các nhà cao tầng, cầu, trụ tháp, giàn khoan xa bờ, đập v.v… Để thấy rõ tính cấp thiết trong việc ứng dụng các kỹ thuật nói trên vào lĩnh vực xây dựng, ta chỉ cần điểm lại những thiệt hại to lớn chỉ tính sơ bộ của 10 trận động lớn nhất khắp nơi trên thế giới trong thời gian từ năm 1755 đến năm 2005 đã có hơn 5,227,000 người chết, thiệt hại tài sản hơn 7 tỷ 100 triệu USD. Gần đây nhất, chúng ta không quên những hình ảnh đau thương do hậu quả của trận động đất với cường độ lớn nhất trong lịch sử Nhật Bản, trận động đất mạnh với cường độ lên tới 9,0 độ Richter kéo theo một đợt sóng thần cao 10 m cướp đi sinh mạng của rất nhiều người (trên 100,000 người chết).

Thiệt hại lên tới 100 tỷ USD, trong đó 20 tỷ USD là thiệt hại của dân thường và 40 tỷ USD thiệt hại về hạ tầng cơ sở,…Nổi kinh hoàng của nhân loại chưa dứt, đến ngày 23 tháng 10 năm 2011 trận động đất 7,2 độ Richter đã làm ít nhất 459 người thiệt mạng trong cơn địa chấn ở miền đông Thổ Nhĩ Kỳ. Tổng quan Trong khi đó, ở Việt Nam động đất chưa gây thiệt hại to lớn. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây thường xuyên xảy ra động đất gây hoang mang sợ hãi cho dân chúng như: trận động đất ở Tuần Giáo – Lai Châu ngày 24 tháng năm 1983, trận động đất ngày 5 và ngày 6 tháng 8 năm 2005 ngoài khơi biển Vũng Tàu gây ảnh hưởng ở thành Phố Hồ Chí Minh, Nha Trang, Vũng Tàu, Đồng Nai. Trận động đất ở Vân Nam-Trung Quốc gây ảnh hưởng đến Lào Cai ngày 16 tháng 8 năm 2005.

Ba năm sau đó, đầu tháng 3 năm 2008 trận động đất xuất hiện tại Lai Châu. Nhận thức được tầm quan trọng và tính cấp bách trong việc đề ra các phương án phòng chống, ứng phó với động đất, nhằm góp phần bảo vệ tính mạng và tài sản của nhân dân, ngày 19 tháng 7 năm 2012, phó chủ tịch UBND TP HCM Lê Minh Trí vừa ký quyết định ban hành phương án "Phòng ngừa, ứng phó và khắc phục hậu quả động đất, sóng thần trên địa bàn thành phố". Theo các chuyên gia địa chất, TP HCM nằm trong vùng động đất thuộc vùng đứt gãy sông Sài Gòn - đứt gãy có khả năng phát sinh động đất mạnh đến 5,5 độ Richter, gây chấn động cấp 7 ở khu vực TP HCM và các vùng lân cận. Trước đó, ngày 11 tháng 4 năm 2012 dư chấn của trận động đất mạnh 8,9 độ Richter tại Indonesia đã gây rung lắc các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam khiến nhiều người hoảng hốt bỏ chạy xuống đất.

Trong khi hàng triệu người dân thành phố Hồ Chí Minh vẫn chưa quên được cảm giác hoảng sợ mất thăng bằng, chao đảo, tức ngực, chóng mặt khi ở bên trong các toà nhà bị rung lắc do sóng lan truyền động đất từ Indonesia thì gần 5 tháng sau hàng ngàn người dân miền Trung lại tiếp tục sống trong tâm trạng lo âu, sợ nhà sập và lũ quét vì nhà cửa của họ rung lên dữ dội sau những những tiếng nỗ kinh hoàng của trận động đất 4,2 độ Richter với độ chấn tiêu sâu 7,3 km xảy ở ngay bên phải đập chính của hồ chứa thủy điện Sông Tranh 2 ở xã Trà Đốc, huyện Bắc Trà My vào lúc 20 giờ 46 phút ngày 3 tháng 9 năm 2012. Để đối phó với thảm họa động đất, tìm các kỹ thuật, công nghệ tiên tiến nhằm khống chế và giảm thiểu tác hại của các dư chấn động đất ảnh hưởng lên các công trình xây dựng từ lâu đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Tổng quan Trong đó, phải kể đến vai trò của các công trình nghiên cứu về nhận dạng các tham số động lực học của công trình, chuẩn đoán chỉ số hư hại, tiên đoán các ứng xử của công trình khi có dư chấn xảy ra. Để làm được điều đó, kỹ thuật nhận dạng các tham số động lực học của công trình được rút ra nhờ các rung động do bên ngoài tác động lên công trình (ambient vibration) dưới sự hỗ trợ của phương pháp phân giải trong miền tần số (Frequency Domain Decomposition).

Kỹ thuật này hiện nay đã và đang được áp dụng phổ biến cho các đối tượng là các tòa nhà cao tầng, cầu, trụ tháp,… vì có chi phí thấp, nhưng lại cho kết quả đạt mức chính xác cao. Để góp phần vào công tác nghiên cứu, sử dụng phương pháp khả thi nhất vào việc nhận dạng các tham số động học quan trọng của tòa nhà như tần số tự nhiên của các mode dao động, độ cứng mỗi tầng. Các thông số này là nguồn thông tin hữu ích cho các nhà kiến trúc, nhà xây dựng cần quan tâm khi tiến hành gia cố những tầng có độ cứng không đảm bảo, đặc biệt đối với những công trình “có tuổi” và cần được ưu tiên bảo vệ chống lại tác hại của động đất, hay lốc xoáy, gió bão. Những tầng yếu sẽ được phát hiện, chúng là nguy cơ gây nên hư hại và sụp đổ tòa nhà khi có các cơn địa chấn làm rung lắc công trình.

Ngoài ra các thông số nhận dạng được sẽ có ý nghĩa quan trọng cho việc nghiên cứu lắp đặt và ứng dụng các thuật toán điều khiển các bộ hấp thụ dao động cho tòa nhà, chẳng hạn như bộ TMD, MR Damper. Từ đó sẽ góp phần làm giảm thiểu và tránh được tác hại có thể xảy ra cho các tòa nhà do động đất gây ra. Do đó, học viên đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp FDD”. Trước khi tiến hành nghiên cứu chi tiết và ứng dụng kỹ thuật này, đồng thời để minh chứng tính hợp lý của việc lựa chọn phương pháp FDD để nghiên cứu, ta cần nghiên cứu một cách tổng quan về các kỹ thuật đã và đang được ứng dụng để nhận dạng, chuẩn đoán hư hại công trình, góp phần làm giảm thiểu tác hại của dư chấn lên nhà cao tầng.

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Nhận dạng công trình dùng mạng nơ ron nhân tạo Năm 1997, Olivera Jovanovié khoa kỹ thuật cơ khí trường đại học Montenegro đã dùng mạng nơron lan truyền ngược để nhận dạng hệ thống động lực học [1]. Mạng nơron được huấn luyện và kiểm tra bằng cách ghi nhận các tín hiệu phản hồi trên một công trình thật trong suốt quá trình xảy ra động đất. Kết quả đạt được cho thấy thế mạnh của việc ứng dụng các mạng nơron trong nhận dạng hệ thống. Biến trạng thái Y (k ) và tải động f (k ) hoàn toàn có thể được xác định tại bước kế tiếp Y (k  1).

Điều đó có nghĩa là nếu các ngõ vào của mạng được chọn là Y (k ) và f (k ) thì ngõ ra của mạng hội tụ về Y (k  1) thông qua quá trình huấn luyện mạng. Tuy nhiên, phương pháp này chưa đưa ra được các tham số động học của công trình như độ cứng, tần số tự nhiên. Nhận dạng hệ thống dựa trên mạng nơron GADALINE Một mạng nơ ron phần tử tuyến tính thích nghi tổng quát hóa( generalized Adaptive Linear Element- GADALINE) [2] là một phương pháp nhận dạng online để ước lượng các tham số hệ thống thay đổi theo thời gian. ADALINE được tổng quát hóa đến nỗi ngõ vào hiện tại bao gồm cả ngõ vào hệ thống và ngõ ra của hệ thống hồi tiếp về, do đó cho tốc độ hội tụ của việc học nhanh hơn, đồng nghĩa với việc bám theo các tham số hệ thống thay đổi theo thời gian.

Độ phức tạp của các tính toán không cao do đó phương pháp này phù hợp với nhận dạng hệ thống và các ứng dụng điều khiển thích nghi theo thời gian. Vì vậy GADALINE là một kiểu hồi quy tuyến tính của mạng nơ ron. Việc học thích ghi được cộng với một đại lượng động lượng (momentum term) để điều chỉnh các trọng số của GADALINE. Nhận dạng tham số động lực học của công trình bằng phương pháp phân giải trong miền tần số(FDD) 4 1.

Tổng quan Trên thế giới, trong suốt hai thập kỷ qua các nhà khoa học đã quan tâm nhiều đến việc sử dụng các rung động xung quanh (ambient vibration) hơn so với các kỹ thuật truyền thống (dùng rung động cưỡng bức) để phân tích modal của các công trình xây dựng (modal analysis of structures). Ngày nay phương pháp phân giải trong miền tần số (Frequency Domain Decomposition-FDD) đã được sử dụng rộng rãi trong việc phân tích modal bởi tính chính xác và đơn giản của nó. Năm 2004, ba nhà khoa học Clotaire Michel, Philippe Guéguen và Pierre-Yves Bard đã tiến hành đo đạc đáp ứng tòa nhà do các rung động xung quanh gây ra để từ đó xác định các tham số động lực học của một tòa nhà 9 tầng được làm bằng xi măng cốt thép tại Genoble(Pháp). Nhận dạng tham số công trình bằng phương pháp ARX và RARX Năm 2010, Maosheng Gong, Jing Sun, Kashima, T.

Lili Xie đã dùng phương pháp ARX (Auto-Regression with eXogenous variables) off-line và phương pháp RARX (Recursive ARX) hồi quy online để chuẩn đoán hư hại do dư chấn cho một tòa nhà xây bằng bê tông cốt thép 5 tầng (Hachinoche City Hall). Cả tham số thời gian bất biến và tham số thay đổi theo thời gian đều có thể được nhận dạng từ các ghi nhận của đáp ứng dư chấn. Các tín hiệu đo tại nền được xem như là dữ liệu ngõ vào, trong khi đó các tín hiệu đo tại mái tòa nhà được xem như dữ liệu ngõ ra cho mục đích nhận dạng hệ thống.