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.