Phân Tích Dao Động và Chẩn Đoán Kết Cấu Dầm Bằng Vật Liệu Cơ Tính Biến Thiên

Phân tích dao động và chẩn đoán kết cấu dầm với vật liệu cơ tính biến thiên và nhiều vết nứt, giúp nâng cao độ bền và an toàn công trình.

• Tác giả: Ngô Trọng Đức
• Người hướng dẫn: GS. Trần Văn Liên
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Phân Tích Dao Động và Chẩn Đoán Kết Cấu Dầm Bằng Vật Liệu Cơ Tính Biến Thiên
• Loại tài liệu: Luận án
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Phân Tích Dao Động Dầm Cơ Sở Ứng Dụng

Phân tích dao động dầm là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật kết cấu, đặc biệt khi xem xét đến các yếu tố như vật liệu cơ tính biến thiên và sự xuất hiện của vết nứt. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết các vấn đề liên quan đến phân tích và chẩn đoán hư hỏng của kết cấu dầm, sử dụng các phương pháp tiên tiến để đánh giá trạng thái kỹ thuật. Việc hiểu rõ về tần số dao động riêng và hình dạng dao động là yếu tố then chốt để xác định các vấn đề tiềm ẩn trong kết cấu. Luận án này xây dựng dựa trên nền tảng kiến thức vững chắc về cơ học vật liệu và động lực học kết cấu, đồng thời áp dụng các công cụ toán học và phần mềm hiện đại để mô phỏng và phân tích.

1.1. Đánh Giá Trạng Thái Kỹ Thuật Công Trình SHM Hiện Đại

Đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình (SHM) là quá trình theo dõi và đánh giá liên tục tình trạng của kết cấu. SHM dựa trên các đặc trưng động lực học như tần số dao động riêng và dạng dao động. Các hệ thống SHM hiện đại sử dụng cảm biến gia tốc để thu thập dữ liệu dao động, sau đó áp dụng các thuật toán phân tích tín hiệu để phát hiện và xác định vị trí hư hỏng. SHM đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của công trình.

1.2. Vật Liệu Cơ Tính Biến Thiên FGM Khái Niệm Phân Loại

Vật liệu cơ tính biến thiên (FGM) là loại vật liệu có thành phần và cấu trúc thay đổi liên tục theo không gian, dẫn đến sự thay đổi về tính chất cơ học. FGM được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, bao gồm thành phần vật liệu, phương pháp chế tạo và ứng dụng. Việc sử dụng FGM trong kết cấu dầm mang lại nhiều ưu điểm, như khả năng chịu nhiệt tốt hơn và giảm ứng suất tập trung. Tuy nhiên, việc phân tích kết cấu FGM phức tạp hơn so với vật liệu đồng nhất.

1.3. Tổng Quan Các Phương Pháp Chẩn Đoán Hư Hỏng Kết Cấu Dầm

Có nhiều phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm, bao gồm phương pháp dựa trên tần số dao động, phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động riêng, phương pháp đo đạc ma trận độ mềm, phương pháp sử dụng phân tích wavelet và phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại hư hỏng và điều kiện khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của chẩn đoán.

II. Thách Thức Phân Tích Dao Động Dầm FGM Có Vết Nứt

Việc phân tích dao động của dầm làm bằng vật liệu cơ tính biến thiên (FGM) có vết nứt đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Sự biến thiên tính chất vật liệu theo không gian làm cho việc xác định các đặc trưng động lực học trở nên phức tạp hơn. Đồng thời, sự hiện diện của vết nứt gây ra sự gián đoạn về độ cứng và thay đổi đáng kể tần số dao động riêng và dạng dao động của dầm. Các phương pháp phân tích truyền thống có thể không còn phù hợp, đòi hỏi các phương pháp tiên tiến hơn để mô phỏng và dự đoán chính xác hành vi của kết cấu.

2.1. Mô Hình Hóa Vết Nứt Trong Phân Tích Động Lực Kết Cấu Dầm

Mô hình hóa vết nứt là một bước quan trọng trong phân tích động lực kết cấu dầm. Có nhiều phương pháp mô hình hóa vết nứt, bao gồm mô hình suy giảm độ cứng theo hệ số tập trung ứng suất, mô hình suy giảm độ cứng liên tục và mô hình lò xo đàn hồi. Mỗi mô hình có độ chính xác và phức tạp khác nhau, phù hợp với các loại vết nứt và điều kiện khác nhau. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác của phân tích.

2.2. Ảnh Hưởng Của Vết Nứt Đến Tần Số Dao Động Riêng Của Dầm

Vết nứt có ảnh hưởng đáng kể đến tần số dao động riêng của dầm. Sự xuất hiện của vết nứt làm giảm độ cứng của dầm, dẫn đến giảm tần số dao động riêng. Mức độ giảm tần số phụ thuộc vào vị trí, kích thước và số lượng vết nứt. Việc theo dõi sự thay đổi tần số dao động riêng có thể được sử dụng để phát hiện và xác định vị trí vết nứt.

2.3. Độ Tin Cậy Của Các Phương Pháp Chẩn Đoán Hư Hỏng Hiện Tại

Độ tin cậy của các phương pháp chẩn đoán hư hỏng hiện tại là một vấn đề cần được quan tâm. Các phương pháp chẩn đoán dựa trên tần số dao động và dạng dao động có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, như nhiễu đo đạc, sai số mô hình hóa và sự không chắc chắn về tính chất vật liệu. Việc đánh giá độ tin cậy của chẩn đoán là yếu tố quan trọng để đảm bảo quyết định bảo trì và sửa chữa được đưa ra một cách chính xác.

III. Phương Pháp Độ Cứng Động Lực ĐCĐL Cho Dầm FGM Nứt

Phương pháp độ cứng động lực (ĐCĐL) là một phương pháp hiệu quả để phân tích dao động của dầm FGM có vết nứt. Phương pháp này dựa trên việc xây dựng ma trận độ cứng động lực của phần tử dầm, cho phép tính toán chính xác tần số dao động riêng và dạng dao động của kết cấu. Ưu điểm của phương pháp ĐCĐL là khả năng xử lý các bài toán phức tạp với độ chính xác cao, đồng thời giảm thiểu số lượng phần tử cần thiết so với phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

3.1. Xây Dựng Ma Trận Độ Cứng Động Lực Cho Phần Tử Dầm FGM

Việc xây dựng ma trận độ cứng động lực cho phần tử dầm FGM đòi hỏi việc tích hợp các phương trình vi phân dao động và điều kiện biên. Ma trận độ cứng động lực phụ thuộc vào tính chất vật liệu, hình dạng hình học và tần số dao động. Việc tính toán ma trận độ cứng động lực có thể được thực hiện bằng các phương pháp số, như phương pháp Galerkin hoặc phương pháp Ritz.

3.2. Ghép Nối Phần Tử Và Điều Kiện Biên Trong Phương Pháp ĐCĐL

Sau khi xây dựng ma trận độ cứng động lực cho từng phần tử, cần thực hiện ghép nối các phần tử và áp đặt điều kiện biên để tạo thành hệ phương trình đại số tuyến tính. Việc giải hệ phương trình này cho phép xác định tần số dao động riêng và dạng dao động của toàn bộ kết cấu. Điều kiện biên có thể là điều kiện ngàm, điều kiện tựa đơn giản hoặc điều kiện tự do.

3.3. Thuật Toán Và Chương Trình Tính Toán Phân Tích Dao Động

Để thực hiện phân tích dao động bằng phương pháp ĐCĐL, cần xây dựng thuật toán và chương trình tính toán. Chương trình tính toán thường được lập trình bằng các ngôn ngữ như MatLab hoặc Python. Chương trình cần có khả năng nhập dữ liệu về hình học, vật liệu và điều kiện biên, tính toán ma trận độ cứng động lực, giải hệ phương trình và hiển thị kết quả.

IV. Phân Tích Wavelet Mạng ANN Chẩn Đoán Vết Nứt Dầm FGM

Luận án này sử dụng kết hợp phân tích wavelet và mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) để chẩn đoán vết nứt trên kết cấu dầm FGM. Phân tích wavelet được sử dụng để trích xuất các đặc trưng từ tín hiệu dao động, trong khi mạng ANN được sử dụng để học mối quan hệ giữa các đặc trưng và vị trí, kích thước vết nứt. Phương pháp này cho phép chẩn đoán vết nứt một cách nhanh chóng và chính xác, ngay cả trong điều kiện nhiễu.

4.1. Cơ Sở Toán Học Của Biến Đổi Wavelet Và Ứng Dụng

Biến đổi wavelet là một công cụ toán học mạnh mẽ để phân tích tín hiệu không dừng. Biến đổi wavelet cho phép phân tích tín hiệu theo cả thời gian và tần số, giúp trích xuất các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu dao động. Có nhiều họ wavelet khác nhau, mỗi họ phù hợp với các loại tín hiệu khác nhau. Việc lựa chọn họ wavelet phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả của phân tích.

4.2. Mạng Trí Tuệ Nhân Tạo ANN Trong Chẩn Đoán Hư Hỏng

Mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) là một mô hình tính toán được lấy cảm hứng từ cấu trúc của bộ não con người. ANN có khả năng học mối quan hệ phức tạp giữa các đầu vào và đầu ra, làm cho chúng trở thành công cụ hữu ích trong chẩn đoán hư hỏng. ANN có thể được huấn luyện để nhận biết các mẫu hư hỏng dựa trên dữ liệu dao động.

4.3. Kết Hợp Phân Tích SWT Và ANN Để Nâng Cao Độ Chính Xác

Việc kết hợp phân tích SWT và mạng ANN có thể nâng cao độ chính xác của chẩn đoán vết nứt. Phân tích SWT giúp trích xuất các đặc trưng quan trọng từ tín hiệu dao động, trong khi mạng ANN giúp học mối quan hệ giữa các đặc trưng và vị trí, kích thước vết nứt. Phương pháp này cho phép chẩn đoán vết nứt một cách chính xác, ngay cả trong điều kiện nhiễu.

V. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Phân Tích Dao Động Dầm FGM

Nghiên cứu này mang lại những kết quả quan trọng trong việc phân tích dao động và chẩn đoán hư hỏng của dầm FGM. Các kết quả số cho thấy phương pháp ĐCĐL có độ chính xác cao và hiệu quả trong việc phân tích dao động của dầm FGM có vết nứt. Phương pháp kết hợp phân tích wavelet và mạng ANN cho phép chẩn đoán vết nứt một cách nhanh chóng và chính xác. Các kết quả này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, như xây dựng, cơ khí và hàng không vũ trụ.

5.1. Kiểm Tra Độ Tin Cậy Của Chương Trình Tính Toán

Để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, chương trình tính toán cần được kiểm tra và xác thực. Việc kiểm tra có thể được thực hiện bằng cách so sánh kết quả tính toán với kết quả từ các phương pháp khác, như phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) hoặc kết quả thực nghiệm. Việc xác thực có thể được thực hiện bằng cách so sánh kết quả tính toán với dữ liệu thực tế từ các công trình đã xây dựng.

5.2. Phân Tích Ảnh Hưởng Của Tham Số Vật Liệu FGM Đến Dao Động

Tham số vật liệu FGM có ảnh hưởng đáng kể đến tần số dao động riêng và dạng dao động của dầm. Việc phân tích ảnh hưởng của tham số vật liệu giúp hiểu rõ hơn về hành vi của dầm FGM và tối ưu hóa thiết kế kết cấu. Các tham số vật liệu cần được xem xét bao gồm mô đun đàn hồi, khối lượng riêng và hệ số Poisson.

5.3. Chẩn Đoán Vết Nứt Trên Dầm Công Xôn FGM Bằng ANN

Dầm công xôn là một loại kết cấu phổ biến trong kỹ thuật. Việc chẩn đoán vết nứt trên dầm công xôn FGM bằng mạng ANN là một ứng dụng quan trọng của nghiên cứu này. Mạng ANN có thể được huấn luyện để nhận biết các mẫu hư hỏng dựa trên dữ liệu dao động hoặc dữ liệu chuyển vị.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Phân Tích Dầm

Luận án đã trình bày một phương pháp tiếp cận toàn diện để phân tích dao động và chẩn đoán hư hỏng của dầm FGM có vết nứt. Các kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp ĐCĐL và phương pháp kết hợp phân tích wavelet và mạng ANN là những công cụ hiệu quả để giải quyết các vấn đề liên quan đến kết cấu dầm. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu có thể tập trung vào việc mở rộng phương pháp cho các loại kết cấu phức tạp hơn và xem xét đến các yếu tố môi trường.

6.1. Tổng Kết Những Kết Quả Mới Đạt Được Trong Luận Án

Luận án đã đạt được những kết quả mới sau: (1) Xây dựng mô hình phân tích dao động chính xác cho dầm FGM có vết nứt sử dụng phương pháp ĐCĐL. (2) Phát triển phương pháp chẩn đoán vết nứt hiệu quả dựa trên phân tích wavelet và mạng ANN. (3) Đánh giá ảnh hưởng của tham số vật liệu FGM đến đặc trưng dao động của dầm.

6.2. Kiến Nghị Hướng Phát Triển Tiếp Theo Của Nghiên Cứu

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu có thể tập trung vào các vấn đề sau: (1) Mở rộng phương pháp cho các loại kết cấu phức tạp hơn, như tấm và vỏ. (2) Xem xét đến ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, như nhiệt độ và độ ẩm. (3) Phát triển các phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

6.3. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu Trong Kỹ Thuật Kết Cấu

Nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật kết cấu, bao gồm: (1) Thiết kế và phân tích kết cấu dầm FGM. (2) Chẩn đoán và bảo trì kết cấu dầm trong các công trình xây dựng, cơ khí và hàng không vũ trụ. (3) Phát triển các hệ thống giám sát trạng thái kết cấu (SHM) tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.