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

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute nhận dạng các tham số động học của tòa nhà bằng phương pháp fdd, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Phước Lộc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nhận Dạng Các Tham Số Động Học Của Tòa Nhà Bằng Phương Pháp FDD
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. 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

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh hiện nay, việc nhận dạng tham số động học của các công trình xây dựng, đặc biệt là tòa nhà cao tầng, trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Thảm họa động đất đã gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng trên toàn cầu, với hàng triệu người thiệt mạng và hàng tỷ USD thiệt hại tài sản. Việt Nam, mặc dù chưa phải là quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề từ động đất, nhưng cũng không thể chủ quan trước những rủi ro tiềm ẩn. Việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như phương pháp FDD để đánh giá tòa nhà là một trong những giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu thiệt hại do động đất. Kỹ thuật này cho phép xác định các tham số động lực học như tần số tự nhiên và độ cứng của tòa nhà, từ đó giúp các nhà thiết kế và xây dựng có những điều chỉnh cần thiết để tăng cường khả năng chịu đựng của công trình.

1.1. Tầm quan trọng của việc nhận dạng tham số động học

Việc nhận dạng tòa nhà thông qua các tham số động học không chỉ giúp cải thiện độ bền vững của công trình mà còn góp phần bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc xác định chính xác các tham số như tần số tự nhiên và độ cứng của tòa nhà có thể giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, từ đó có biện pháp khắc phục kịp thời. Hơn nữa, việc ứng dụng kỹ thuật FDD trong phân tích động học đã chứng minh được tính hiệu quả và độ chính xác cao, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

II. Phương pháp FDD trong nhận dạng tham số động học

Phương pháp FDD (Frequency Domain Decomposition) đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc phân tích động học của các công trình xây dựng. Phương pháp này cho phép phân tích các rung động từ bên ngoài để xác định các tham số modal của tòa nhà. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, FDD có khả năng xử lý các dữ liệu phức tạp và cho kết quả chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng FDD giúp các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng xác định các mode dao động và tần số tự nhiên của tòa nhà, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc gia cố và bảo trì công trình.

2.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp FDD

Phương pháp FDD hoạt động dựa trên nguyên lý phân tích miền tần số, trong đó các rung động từ môi trường xung quanh được ghi nhận và phân tích để xác định các tham số động học của tòa nhà. Kỹ thuật này sử dụng các ma trận mật độ phổ công suất để phân tích và tách biệt các mode dao động của công trình. Kết quả thu được từ FDD không chỉ giúp xác định tần số tự nhiên mà còn cung cấp thông tin về độ cứng và các đặc tính khác của tòa nhà. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu đựng của công trình trước các tác động từ động đất và các yếu tố môi trường khác.

III. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp FDD

Việc ứng dụng phương pháp FDD trong thực tiễn đã mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể sử dụng FDD để đánh giá tòa nhà trước và sau khi xảy ra động đất, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Hơn nữa, FDD còn giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trong cấu trúc của tòa nhà, từ đó giảm thiểu rủi ro và thiệt hại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng FDD không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ an toàn cho các công trình xây dựng.

3.1. Các nghiên cứu điển hình

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp FDD trong việc nhận dạng tham số động học của các tòa nhà. Ví dụ, nghiên cứu của Clotaire Michel và các cộng sự đã áp dụng FDD để phân tích một tòa nhà 9 tầng tại Pháp, cho thấy khả năng xác định chính xác các tham số động học. Kết quả từ nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng FDD trong các công trình xây dựng tại Việt Nam, đặc biệt là trong bối cảnh gia tăng các hoạt động xây dựng và nhu cầu bảo vệ công trình trước thiên tai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động đất là một trong những thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản trên toàn cầu. Từ năm 1755 đến 2005, hơn 5,227,000 người đã thiệt mạng và thiệt hại tài sản lên tới hơn 7,1 tỷ USD do các trận động đất lớn. Riêng trận động đất tại Nhật Bản năm 2011 với cường độ 9,0 độ Richter đã gây ra sóng thần cao 10 m, làm trên 100,000 người chết và thiệt hại kinh tế khoảng 100 tỷ USD. Ở Việt Nam, mặc dù động đất chưa gây thiệt hại lớn, nhưng các trận động đất nhỏ như ở Tuần Giáo (1983), ngoài khơi Vũng Tàu (2005), và Lai Châu (2008) đã gây hoang mang cho người dân. Thành phố Hồ Chí Minh nằm trong vùng có nguy cơ động đất với cường độ có thể lên tới 5,5 độ Richter, gây chấn động cấp 7 tại khu vực. Trước thực trạng này, việc nghiên cứu nhận dạng các tham số động học của công trình xây dựng nhằm đánh giá và gia cố các tầng yếu là rất cần thiết để giảm thiểu thiệt hại khi xảy ra động đất.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng phương pháp phân giải trong miền tần số (Frequency Domain Decomposition - FDD) để nhận dạng các tham số động học của mô hình tòa nhà hai tầng, bao gồm tần số tự nhiên, dạng mode dao động và độ cứng từng tầng. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình thực nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu NI-USB 9234 và phần mềm LabVIEW, Matlab/Simulink để xử lý và phân tích dữ liệu. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả trong việc đánh giá và gia cố các công trình xây dựng, đặc biệt là các nhà cao tầng, nhằm tăng cường khả năng chống chịu động đất và các tác động môi trường khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: phân tích modal hoạt động (Operational Modal Analysis - OMA) và phương pháp phân giải trong miền tần số (Frequency Domain Decomposition - FDD). OMA cho phép nhận dạng các tham số modal của công trình chỉ dựa trên các tín hiệu đầu ra (rung động tự nhiên) mà không cần biết rõ các lực kích thích đầu vào. Phương pháp FDD là một kỹ thuật phân tích modal không tham số, sử dụng phân giải giá trị kỳ dị (Singular Value Decomposition - SVD) trên ma trận mật độ phổ công suất của tín hiệu đo được để xác định tần số tự nhiên và dạng mode dao động của công trình.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Tham số modal: tần số tự nhiên, dạng mode dao động, tỷ số giảm chấn.
• Ma trận mật độ phổ công suất (PSD): biểu diễn phổ năng lượng của tín hiệu tại các tần số khác nhau.
• Phân giải giá trị kỳ dị (SVD): kỹ thuật phân tích ma trận để tách các mode dao động riêng biệt.
• Chỉ tiêu đảm bảo modal (Modal Assurance Criterion - MAC): đo lường sự tương thích giữa các dạng mode nhận dạng được.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ mô hình tòa nhà hai tầng làm bằng thép cacbon, kích thước chuẩn hóa, được lắp đặt cảm biến gia tốc tại nền, tầng 1 và tầng 2. Dữ liệu rung động được thu thập bằng module NI-USB 9234 với tốc độ lấy mẫu 2048 samples/giây, điều khiển bởi phần mềm LabVIEW 2011. Các rung động kích thích mô hình được tạo ra bằng búa cao su và động cơ quay lệch tâm để tạo dải tần rộng.

Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, áp dụng phương pháp FDD để tính toán ma trận mật độ phổ công suất, thực hiện phân giải giá trị kỳ dị để nhận dạng tần số tự nhiên và dạng mode dao động. Từ các tham số modal này, độ cứng từng tầng được tính toán dựa trên mô hình lực cắt dầm, sử dụng công thức giải tích liên quan giữa tần số, dạng mode và độ cứng.

Timeline nghiên cứu bao gồm khảo sát lý thuyết, xây dựng mô hình toán học, thiết kế và lắp đặt mô hình thực nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nhận dạng tần số tự nhiên và dạng mode dao động: Phương pháp FDD đã xác định chính xác các tần số tự nhiên của mô hình tòa nhà hai tầng, với tần số đầu tiên khoảng 4.6 Hz và tần số thứ hai cao hơn, phù hợp với mô hình toán học. Các dạng mode dao động nhận dạng được thể hiện rõ qua vectơ kỳ dị đầu tiên tại các tần số đỉnh, cho thấy sự chuyển vị chủ yếu theo chiều dọc của từng tầng.

2. Xác định độ cứng từng tầng: Từ các tham số modal, độ cứng tầng 1 và tầng 2 được tính toán lần lượt khoảng 3415 kg/s và 3949 kg/s, phù hợp với các giá trị giả định ban đầu trong mô hình toán học. Độ cứng này phản ánh khả năng chịu lực và độ bền của từng tầng, giúp phát hiện các tầng yếu cần gia cố.

3. Ảnh hưởng của giảm chấn đến đáp ứng động học: Khi xét đến hệ số giảm chấn, đáp ứng dao động của tòa nhà có xu hướng tắt dần nhanh chóng, giảm thiểu nguy cơ cộng hưởng kéo dài. Ngược lại, không xét giảm chấn làm thời gian dao động kéo dài hơn, tiềm ẩn nguy cơ hư hại công trình.

4. Phản ứng của tòa nhà dưới tác động của lực gió và động đất giả định: Mô hình thực nghiệm cho thấy lực gió tác động vào tầng 2 gây ra dao động có biên độ nhỏ và tắt dần nhanh. Động đất giả định với tần số gần tần số tự nhiên của tòa nhà gây ra hiện tượng cộng hưởng, làm tăng biên độ dao động và nguy cơ hư hại.

Thảo luận kết quả

Kết quả nhận dạng tham số động học bằng phương pháp FDD cho thấy tính khả thi và hiệu quả trong việc đánh giá đặc tính động lực học của công trình. So với các phương pháp truyền thống như mạng nơ ron hay ARX, FDD có ưu điểm chi phí thấp, dễ thực hiện và không cần biết rõ lực kích thích đầu vào. Việc xác định chính xác tần số tự nhiên và dạng mode dao động giúp các kỹ sư xây dựng có cơ sở khoa học để thiết kế và gia cố các tầng yếu, nâng cao khả năng chống chịu động đất.

Các biểu đồ phổ công suất và vectơ kỳ dị minh họa rõ ràng các mode dao động, trong khi bảng tính độ cứng từng tầng cung cấp thông tin định lượng quan trọng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các mô hình tương tự, khẳng định tính ứng dụng của phương pháp trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống giám sát động học công trình bằng cảm biến gia tốc: Lắp đặt cảm biến tại các tầng trọng yếu để thu thập dữ liệu rung động liên tục, giúp nhận dạng tham số động học theo thời gian thực, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hại.

2. Áp dụng phương pháp FDD trong đánh giá và gia cố công trình hiện hữu: Sử dụng kết quả nhận dạng để xác định các tầng yếu, từ đó thiết kế các giải pháp gia cố phù hợp như tăng cường độ cứng hoặc lắp đặt bộ giảm chấn chủ động.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư xây dựng và quản lý công trình: Tổ chức các khóa học về kỹ thuật nhận dạng tham số động học và ứng dụng FDD, nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc đánh giá động học công trình.

4. Phát triển phần mềm hỗ trợ phân tích và trực quan hóa dữ liệu động học: Tích hợp các công cụ xử lý tín hiệu và phân tích modal vào phần mềm thân thiện, giúp người dùng dễ dàng khai thác và áp dụng kết quả nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư xây dựng và kiến trúc sư: Nắm bắt phương pháp nhận dạng tham số động học để thiết kế và gia cố công trình, đặc biệt các nhà cao tầng và công trình chịu tác động động đất.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và nghiên cứu về kỹ thuật động học công trình, phân tích modal và kỹ thuật đo lường.

3. Cơ quan quản lý xây dựng và phòng chống thiên tai: Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về đánh giá an toàn công trình trước và sau động đất.

4. Ngành công nghiệp vật liệu xây dựng: Phát triển các vật liệu mới đáp ứng yêu cầu về độ cứng và giảm chấn, dựa trên các tham số động học được nhận dạng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp FDD có ưu điểm gì so với các phương pháp nhận dạng khác?
   FDD không cần biết rõ lực kích thích đầu vào, chi phí thấp, dễ thực hiện và cho kết quả chính xác trong việc nhận dạng tần số tự nhiên và dạng mode dao động từ dữ liệu rung động tự nhiên.

2. Làm thế nào để xác định độ cứng từng tầng từ các tham số modal?
   Độ cứng được tính dựa trên công thức giải tích liên quan giữa tần số tự nhiên, dạng mode dao động và khối lượng tập trung từng tầng, sử dụng mô hình lực cắt dầm.

3. Tại sao cần xét đến hệ số giảm chấn trong phân tích động học?
   Giảm chấn giúp làm giảm biên độ dao động theo thời gian, ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng kéo dài và giảm nguy cơ hư hại công trình.

4. Phương pháp FDD có thể áp dụng cho các công trình lớn hơn mô hình hai tầng không?
   Có, FDD có thể mở rộng áp dụng cho các công trình nhiều tầng, tuy nhiên cần tăng số lượng cảm biến và điều chỉnh phương pháp thu thập dữ liệu phù hợp.

5. Dữ liệu rung động thu thập từ môi trường tự nhiên có đủ để nhận dạng tham số modal không?
   Dữ liệu rung động tự nhiên (ambient vibration) thường đủ để nhận dạng tham số modal nhờ giả thiết lực kích thích là nhiễu trắng, giúp giảm chi phí và không gây hư hại công trình trong quá trình đo.

Kết luận

• Phương pháp phân giải trong miền tần số (FDD) là công cụ hiệu quả, chi phí thấp để nhận dạng các tham số động học của tòa nhà, bao gồm tần số tự nhiên, dạng mode và độ cứng từng tầng.
• Kết quả thực nghiệm trên mô hình tòa nhà hai tầng cho thấy độ chính xác cao, phù hợp với mô hình toán học và các nghiên cứu quốc tế.
• Việc xác định độ cứng từng tầng giúp phát hiện các tầng yếu, từ đó có giải pháp gia cố kịp thời, nâng cao khả năng chống chịu động đất.
• Ứng dụng phương pháp này trong giám sát công trình thực tế sẽ góp phần giảm thiểu thiệt hại do động đất và các tác động môi trường khác.
• Đề xuất triển khai hệ thống giám sát, đào tạo kỹ sư và phát triển phần mềm hỗ trợ để nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tiễn.

Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp xây dựng nên phối hợp triển khai nghiên cứu mở rộng, áp dụng phương pháp FDD trong đánh giá an toàn công trình hiện hữu và thiết kế công trình mới nhằm tăng cường phòng chống thiên tai.

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 Luan van 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.