CHƯƠNG 1.1 Tầm quan trọng của việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực xây dựng đã để lại nhiều công trình vĩ đại, mang dấu ấn lịch sử như: tòa nhà cao nhất thế giới (828m) Burj Khalifa ở Dubai (Hình 1.1), cầu Akashi Kaikyo - Nhật Bản (cầu treo có nhịp dài nhất thế giới, 3911m) hay tháp Tokyo Sky Tree - Nhật Bản, tháp truyền hình cao nhất thế giới (634m) có thể chịu được động đất 8 độ Richter… Tại Việt Nam, cũng có những công trình nổi bật như: Keangnam Hanoi Landmark Tower (72 tầng, cao 336m), Bitexco Financial Tower - Tp HCM (68 tầng, cao 262m), tòa tháp Landmark 81 - Tp HCM (cao 461.2m, tòa nhà cao thứ 8 trên thế giới)… Hình 1.1 Hình ảnh toàn nhà cao nhất thế giới Burj Khalifa ở Dubai (Nguồn: Internet) Cùng với sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) (Hình 1.2) cũng hết sức quan trọng. Việc này giúp phát hiện sớm những bất thường trên kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của công trình, hạn chế đến mức thấp nhất hậu quả có thể xảy ra.2 Hình ảnh về ý tưởng áp dụng SHM cho Burj Khalifa (Nguồn: Internet) Hai phương pháp phổ biến dùng để đánh giá phát hiện hư hỏng trên kết cấu là: phương pháp thí nghiệm phá hủy và phương pháp thí nghiệm không phá hủy. Với những ưu điểm như khả năng đo lường linh hoạt, chi phí tương đối thấp, phương pháp không phá hủy ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó, phương pháp phân tích dao động kết cấu trở thành một trong những phương pháp gián tiếp và hiệu quả để phát hiện, chẩn đoán hư hỏng kết cấu.
Khi có khuyết tật trong kết cấu sẽ dẫn đến sự thay đổi các đặc trưng dao động trong cấu kiện như: tần số dao động, dạng dao động, độ cong dạng dao động, năng lượng biến dạng…Đối với các nước phát triển, khi ngành xây dựng đã bão hòa về số lượng thì việc theo dõi, chẩn đoán và bảo trì, thay thế các cấu kiện là rất cần thiết. Ngày nay, kết cấu khung bê tông cốt thép sử dụng rộng rãi trong xây dựng dân công nghiệp. Đối với các công trình nhà cao tầng, kết cấu khung cho ta mặt bằng khá linh hoạt về không gian sử dụng vì tường không chịu lực có thể phá bỏ chúng để mở rộng không gian hoặc xây thêm vách ngăn. Trong nhà cao tầng, kết cấu khung có vai trò : + Cùng với sàn, tạo thành hệ khung cứng, nâng đỡ các phần không chịu lực của công trình, tạo nên không gian bên trong đáp ứng nhu cầu sử dụng.
3 + Tiếp nhận tải trọng ngang tác dụng lên công trình (phân phối giữa các cột, vách và truyền xuống móng). + Giữ vai trò trong ổn định tổng thể công trình, hạn chế dao động, hạn chế gia tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh. Đóng vai trò quan trọng trong kết cấu công trình xây dựng, nên việc thiết kế, thi công, cũng như theo dõi và chẩn đoán hư hỏng trong khung bê tông cốt thép là vô cùng quan trọng; nhằm phát hiện kịp thời và xử lý các hư hỏng tìm ẩn để đảm bảo các công năng sử dụng cũng như kéo dài tuổi thọ công trình.2 Các nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu công trình Trong thực tế hiện nay, có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố, hư hỏng công trình. các nguyên nhân này có thể phân loại theo các giai đoạn hoạt động xây dựng và các yếu tố khách quan, chủ quan như sau: Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố hư hỏng trong kết cấu công trình, các nguyên nhân này có thể phân loại theo các giai đoạn hoạt động xây dựng và các yếu tố khách quan, chủ quan như sau: - Giai đoạn khảo sát xây dựng: Bố trí khoan địa chất không hợp lý dẫn đến đánh giá sai các thành phần địa chất.
- Giai đoạn thiết kế xây dựng: Giải pháp móng không phù hợp với đất nền hay sai sót trong sơ đồ tính toán, bỏ qua điều kiện ổn định của kết cấu, … - Giai đoạn thi công xây dựng: Không kiểm tra chất lượng, quy cách vật liệu trước khi thi công, không thực hiện đúng trình tự các bước thi công… - Giai đoạn khai thác, vận hành, sử dụng: Sử dụng sai công năng thiết kế ban đầu, công trình không được bảo dưỡng trong điều kiện ăn mòn hóa chất,… - Ngoài ra, còn có các nguyên nhân khách quan khác: thiên tai (động đất, gió, bão), hỏa hoạn,… Với nhiều nguyên nhân đa dạng dẫn đến hư hỏng kết cấu như vậy, cần có biện pháp phân tích, đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu để quyết định khả năng tiếp tục được sử dụng, sửa chữa hoặc thay thế mới,… đảm bảo an toàn cho người sử dụng.3 Các dạng hư hỏng đối với khung bê tông cốt thép Khung là một trong những bộ phận chịu lực chính trong một kết cấu công trình, mang tính quyết định đến khả năng chịu lực và ổn định chung của cả công trình. Các hư hỏng xảy ra trong khung sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, tính chống thấm, tuổi thọ và tính thẩm mỹ của công trình.3 Hình ảnh hư hỏng các nút khung BTCT do động đất (Nguồn: Internet) Khi xảy ra hư hỏng, điều quan trọng là xác định ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu lực của kết cấu và công năng sử dụng của công trình. Việc phân loại nứt và hư hỏng có thể dựa vào nguyên nhân hoặc cơ chế chính gây ra chúng. Các dạng vết nứt kết cấu (Structural Cracks) có nguyên nhân do tải trọng sử dụng hoặc tải thi công, trong khi các dạng vết nứt phi kết cấu (Nonstructural Cracks) chủ yếu là do tính chất hóa, lý của bêtông và các vật liệu thành phần tạo ra nó, thực tế thi công, điều kiện sử dụng.1 Nứt, hư hỏng do nguyên nhân kết cấu - Các vết nứt ngang Hình 1.4 Hình ảnh hư hỏng nút khung BTCT (Nguồn: Internet) 5 Vết nứt ngang trong cột bê tông cốt thép được quan sát thấy bắt đầu chủ yếu ở nút khung (dầm – cột) và trên mặt cột nơi ứng suất kéo lớn.
Nguyên nhân do cốt thép đai không đủ hoặc lực cắt ở chân hoặc tại đầu cột quá lớn. - Các vết nứt chịu uốn Các vết nứt trong cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn bắt đầu từ vùng bê tông chịu kéo. Ví dụ, ở mặt dưới vùng giữa dầm, hoặc mặt trên vùng gối dầm. Vết nứt do uốn có dạng thẳng góc với chiều dài dầm.5 Vết nứt chịu uốn trong dầm (Nguồn: Internet) - Các vết nứt do ép ngang, nở hông Các vết nứt này dạng dọc, song song với cột, ngắn và có bề rộng không đồng đều.
Nguyên nhân gây ra chủ cốt thép không đủ, cấu tạo cốt đai không phù hợp hoặc chất lượng bê tông thấp dẫn đến hiện tượng cột bị phá hoại do nở hông. Các vết nứt dạng này xuất hiện thể hiện cột đang chịu quá tải trọng cho phép.6 Vết nứt do cột bị ép ngang, nở hông (Nguồn: Internet) 6 1.2 Nứt, hư hỏng do nguyên nhân phi kết cấu - Các vết nứt do bê tông bị khuyết tật Hình 1.7 Cột bị rỗ, khuyết tật do chất lượng thi công Các khuyết tật như rỗ (Hình 1.7), phình bê tông xảy ra chủ yếu là do công tác kiểm soát chất lương khi thi công và công tác đầm bê tông không đạt, ngoài ra một phần do chất lượng bê tông không đạt. Những điều này dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực của cấu kiện. - Các vết nứt do bê tông bị co ngót Hình 1.8 Các vết nứt do co ngót ở cấu kiện bê tông cốt thép Hiện tượng co ngót (Hình 1.8) xảy ra trên bề mặt bê tông tươi trong suốt quá trình hoàn thiện hoặc sau khi hoàn thiện, khi mà tốc độ thoát hơi nước trên bề mặt vượt quá tốc độ thoát hơi nước từ trong lòng bê tông ra bề mặt; dẫn đến co ngót cục bộ tạo thành ứng suất cục bộ gây ra các vết nứt trên bề mặt bê tông.
Tóm lại, có rất nhiều yếu tố dẫn đến nứt khung bê tông cốt thép, điều này ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, tính an toàn và thẩm mỹ của công trình. Vì vậy, việc đánh giá mức độ hư hỏng cũng như khả năng chịu lực của khung là rất cần thiết. Đồng thời cần có các biện pháp chẩn đoán và xử lý kịp thời để đảm bảo công năng và an toàn cho người sử dụng.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu Luận văn này tiến hành đánh giá, so sánh các phương pháp chẩn đoán hư hỏng cho khung bê tông cốt thép dựa trên kết quả phân tích dao động. Đánh giá tính hiệu quả của phương pháp chẩn đoán khi chẩn đoán hư hỏng trên khung bê tông cốt thép; từ đó nâng cao tính khả thi và tính ứng dụng của nghiên cứu trong thực tế.
Các phương pháp được áp dụng trong nghiên cứu này: - Phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số (Frequency Change - Based Damage Detection Method), - Phương pháp dựa trên sự thay đổi của dạng dao động (Modal Assurance Criterion). - Phương pháp dựa trên sự thay đổi của năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy - Based Damage Detection Method). So với các nghiên cứu đã công bố, các điểm đóng góp chính của luận văn là: Các nghiên cứu trước đây chỉ mới chẩn đoán một hoặc một vài hư hỏng đơn lẻ cho khung đồng chất; hư hỏng được tạo ra bằng cách xóa phần tử hoặc giảm độ cứng phần tử tương ứng tại vị trí đó. Trong nghiên cứu này, khung bê tông cốt thép sẽ được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS (xét đến sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép), sau đó gia tải với các cấp tải khác nhau cho khung tự ứng xử và xuất hiện vết nứt.
Kết quả phân tích ma trận độ cứng của khung sau khi nứt được cập nhật vào chương trình phân tích dao động của ANSYS để thu thập dữ liệu đặc trưng dao động (tần số dao động và dạng dao động) phục vụ cho công tác chẩn đoán. Trong thời gian gần đây, với sự bùng nổ về khái niệm thành phố thông minh, nơi mà công tác theo dõi và chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM) và trí tuệ nhân tạo (AI) đóng một vai trò quan trọng, chủ nhà và các bộ phận bảo trì ở những thành phố này có thể dễ dàng phát hiện và chẩn đoán các “trạng thái của công trình” (các thiết bị, phòng ở, tòa nhà…) tại bất kỳ thời điểm nào trong vòng đời của công trình.
