Mở đầu: Nêu ý nghĩa khoa học, mục đích, phạm vi, các vấn đề cần giải quyết, các phƣơng pháp đƣợc áp dụng, kết cấu của luận án và các kết quả chính đạt đƣợc. Tổng quan: Chƣơng này trình bày các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu nhƣ mô hình hóa và chẩn đoán hƣ hỏng của dầm FGM có vết nứt, việc sử dụng các đặc trƣng động lực trong chẩn đoán hƣ hỏng, nghiên cứu ứng dụng wavelet, cũng nhƣ mạng trí tuệ nhân tạo để giải các giải bài toán ngƣợc, từ đó hình thành nên phƣơng pháp chẩn đoán tham số vết nứt trong kết cấu. Mô hình dao động của dầm Timoshenko FGM có nhiều vết nứt: Chƣơng này trình bày cách xây dựng ma trận độ cứng động lực và véc tơ tải trọng quy về nút của phần tử dầm Timoshenko FGM có nhiều vết nứt, trong đó mô hình vết nứt bằng 2 lò xo (1 lò xo dọc và 1 lò xo xoay). Từ đó thiết lập đƣợc phƣơng trình tần số, biểu thức dạng dao động riêng và chuyển vị cƣỡng bức để phân tích kết cấu dầm FGM có nhiều vết nứt theo phƣơng pháp độ cứng động lực.
Đây là cơ sở để phân tích dao động tự do và dao động cƣỡng bức của kết cấu dầm bằng vật liệu FGM có nhiều vết nứt. Phân tích dao động của kết cấu dầm bằng vật liệu FGM có nhiều vết nứt: Chƣơng này trình bày các kết quả giải bài toán thuận phân tích sự thay đổi các tần số và dạng dao động riêng, chuyển vị cƣỡng bức của kết cấu dầm bằng vật liệu FGM có nhiều vết nứt theo chƣơng trình đƣợc lập trên MatLab ®. Chẩn đoán vết nứt trên kết cấu dầm FGM bằng phân tích wavelet dừng và mạng trí tuệ nhân tạo: Trình bày một số phƣơng pháp giải bài toán ngƣợc chẩn đoán số lƣợng, vị trí và độ sâu vết nứt bằng phân tích wavelet và mạng trí tuệ nhân tạo dựa trên dữ liệu đầu vào là các tần số, dạng dao động riêng và chuyển vị động của dầm FGM. Kết luận chung: Nêu lên các kết quả mới chủ yếu đạt đƣợc của luận án.
Tài liệu tham khảo: gồm 169 tài liệu trong đó có 16 tài liệu trong nƣớc, 153 tài liệu nƣớc ngoài. Các công trình khoa học đã đƣợc công bố: gồm 14 công trình trong đó có 10 bài báo trong nƣớc và 4 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục tạp chí ISI. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình Đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình (Structural Health Monitoring - SHM) là quá trình đánh giá trạng thái kỹ thuật (sức khỏe) và dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình.
Sự phát triển của SHM dựa trên thành tựu trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau nhƣ cảm biến, vật liệu, các thuật toán tính toán và mô hình hóa mới. Sự cần thiết phải tiến hành SHM Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, hiện nay việc thiết kế thi công công trình đã có những bƣớc tiến dài đáng kể: kết cấu ngày càng nhẹ, thanh thoát, hình dáng tối ƣu nhƣng vẫn đủ khả năng chịu lực. Tuy nhiên, chúng lại rất dễ bị tổn thƣơng bởi những hƣ hỏng nhỏ và vừa nhƣ là vết nứt ngang, dọc hoặc xiên, hay nhƣ ăn mòn trong kết cấu kim loại, hay việc bong tách lớp, nứt nền, vỡ sợi đối với vật liệu composite. Cùng với sự xuống cấp ngay sau khi đƣa vào sử dụng do quá trình xâm thực, mỏi, bào mòn hay quá tải, những hƣ hỏng này ảnh hƣởng nghiêm trọng đến tính toàn vẹn của công trình nên cần phải đƣợc giám sát chặt chẽ.
Để tránh những hậu quả nghiêm trọng, ta phải thƣờng xuyên kiểm tra và đánh giá trạng thái kỹ thuật của công trình. Việc kiểm tra này là cần thiết mặc dù chi phí lớn và thƣờng không dễ tìm đƣợc hƣ hỏng. Mỗi loại công trình đều có các tiêu chí đánh giá trạng thái kỹ thuật riêng và gần nhƣ không có sự tƣơng đồng với nhau. Mục tiêu của SHM là thiết lập các công cụ giám sát liên tục hoặc định kỳ các kết cấu công trình quan trọng để quyết định xem có cần thiết tiến hành sửa chữa, bảo dƣỡng hay không, từ đó tránh những thảm họa có thể xảy ra.
Vì vậy, SHM đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ hàng không, cơ khí, hạ tầng kỹ thuật,. Ý tưởng cơ bản của SHM là làm cho công trình có khả năng tự động nhận biết các thay đổi, phân tích một cách liên tục hay định kỳ, từ đó đánh giá sức khỏe của chính nó. SHM làm tăng mức độ an toàn cho công trình nhờ việc kiểm soát hƣ hỏng để không thể phát triển đến mức nguy hiểm, giảm chi phí cho chủ đầu tƣ. 8 Lợi ích của SHM đem lại là rất lớn: - Cho phép sử dụng công trình một cách tối ƣu, giảm thiểu sự xuống cấp và tránh đƣợc những hƣ hỏng lớn có thể xảy ra.
- Giúp ngƣời thiết kế cải thiện sản phẩm của mình. - Tạo ra sự thay đổi lớn trong công tác bảo trì, bảo dƣỡng: từ kiểm tra định kỳ thành bảo dƣỡng dựa trên thực trạng (hay khả năng hoạt động), tránh việc tháo bỏ những bộ phận chƣa có hƣ hỏng, giảm thiểu sự can thiệp của con ngƣời, dẫn đến giảm nhân công, giảm thời gian dừng hoạt động và sai số, từ đó tăng mức độ an toàn và tin cậy. Vì vậy nên rất nhiều nghiên cứu trên thế giới tập trung phát triển các hệ thống này để giúp công trình có khả năng ―tự cảnh báo‖ [34, 152, 153, 157]. Các cấp độ SHM SHM là bài toán ngƣợc của cơ học công trình, trong đó hƣ hỏng trong kết cấu đƣợc chẩn đoán dựa trên các dữ liệu đo đƣợc trên công trình.
SHM đƣợc chia ra làm 2 loại: chẩn đoán (Diagnosis) và dự đoán (Prognosis) [127]. Thông qua chẩn đoán, ngƣời ta có thể xác định đƣợc sự hiện diện của hƣ hỏng, vết nứt, vị trí và độ sâu của chúng. Phần dự đoán sử dụng các thông tin của phần chẩn đoán để dự báo tuổi thọ còn lại của kết cấu. SHM có thể chia ra làm 5 cấp độ nhƣ sau [127]: - Cấp 1: Xác nhận có sự hiện diện của hƣ hỏng - Cấp 2: Xác định vị trí và hƣớng của hƣ hỏng - Cấp 3: Xác định mức độ nghiêm trọng của hƣ hỏng - Cấp 4: Khả năng kiểm soát và làm chậm sự phát triển hƣ hỏng - Cấp 5: Xác định thời gian còn lại của kết cấu (dự đoán).
Những thành phần cơ bản của hệ thống SHM Một hệ thống SHM bao gồm phần cứng và phần mềm. Các cấu kiện phần cứng thƣờng là những bộ cảm biến và các thiết bị đi kèm. Các cấu kiện phần mềm bao gồm mô hình hƣ hỏng và các thuật toán dò tìm hƣ hỏng. Do đó, SHM là một lĩnh vực đa ngành đòi hỏi kiến thức sâu rộng về cơ học, vật liệu và điện tử, là sự kết hợp chặt chẽ của 4 thành phần [164] (Hình 1.1): 9 - Công nghệ cảm biến mới: sử dụng các cảm biến chủ động, thụ động, có dây hay không dây,.
Gần đây, cảm biến không dây và hệ thống cơ điện tử siêu nhỏ (MEMS) đƣợc sử dụng nhiều trong các công trình dân dụng, cầu,. - Giám sát thực trạng (Condition based monitoring - CBM): Do việc kiểm tra định kỳ tốn nhiều thời gian và kinh phí nên ngƣời ta thực hiện giám sát, bảo dƣỡng dựa vào thực trạng. CBM lắp đặt hệ thống cảm biến trên công trình để giám sát sự nguyên vẹn, cảnh báo tới ngƣời vận hành khi phát hiện hƣ hỏng. Giám sát Công nghệ thực trạng NDE mới Đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình Công nghệ cảm Phƣơng pháp biến mới mô hình hóa Hình 1.
Các thành phần của đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình - Công nghệ đánh giá không phá hủy (Non destructive evaluation - NDE): SHM là một công nghệ NDE mới và tiên tiến, là sự kết hợp của rất nhiều cảm biến, vật liệu thông minh, truyền dẫn dữ liệu, mô hình hóa trên máy tính và quá trình tự xử lý của công trình. Điều đó khiến SHM có khả năng điều chỉnh lại thiết kế và thời gian sử dụng công trình. - Phương pháp mô hình hóa mới: Mô hình hóa có 2 phần chính là mô hình hƣ hỏng và thuật toán dò tìm. Phƣơng pháp mô hình hóa hay đƣợc sử dụng là phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) [126] nhƣng FEM không thật sự phù hợp khi muốn phát hiện những hƣ hỏng có kích thƣớc nhỏ.
Mô hình toán học phù hợp hơn cho bài toán này là phƣơng pháp phần tử hữu hạn phổ - SFEM (hay phƣơng pháp độ cứng động lực). SHM dựa vào các đặc trưng động lực học Phƣơng pháp này chiếm ƣu thế do có thể thực hiện trên phạm vị rộng các công trình nhƣ nhà, cầu cống, đập,. thông qua xác định các đặc trƣng động lực học nhƣ tần số riêng [29, 151], dạng dao động riêng [45, 80], chuyển vị động [14, 110], hàm phổ phản ứng [119, 151],. Các đặc trƣng này có thể tách ra và nhận biết trong các tín hiệu đo về rung động nhƣ gia tốc, vận tốc, chuyển vị động hay biến dạng động.
Việc lựa chọn các chỉ tiêu động lực học để đánh giá không phải là mới nhƣng cho đến nay vẫn chƣa có đƣợc đặc trƣng nào hiệu quả hơn. Các đặc trƣng này gắn liền với bản chất vật lý, hình học, liên kết của kết cấu và không phụ thuộc vào tác động của môi trƣờng. Các dao động có thể là tự nhiên hoặc dao động cƣỡng bức. Hƣ hỏng lớn (ảnh hƣởng đến khả năng Dao động Kích thƣớc hƣ hỏng μm→mm→m làm việc) và sóng dẫn Vết nứt, Sóng dẫn, Bong cục bộ sóng khuếch tán, siêu âm Vết nứt bé, lệch mạng tinh thể Siêu âm tuyến tính, phi tuyến Dấu hiệu hƣ hỏng Tần số Hz →kHz→MHz Hình 1.
Phân loại kỹ thuật SHM dựa trên tần số ứng xử động của công trình Các phƣơng pháp SHM dựa vào các đặc trƣng động lực có thể hoạt động trên dải tần số rất rộng, từ dao động tần số thấp đến tần số cao ở mức siêu âm. Biểu đồ phân loại các kỹ thuật SHM dựa trên dải tần số dao động và kích thƣớc hƣ hỏng thể hiện trên Hình 1. Vì thế, rất cần thiết phát triển các mô hình hóa phù hợp, cho phép mô phỏng các quá trình diễn ra trên dải tần số càng rộng càng tốt.