CHƯƠNG 1. Tầm quan trọng của việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu Đối với lĩnh vực xây dựng, dầm là một cấu kiện quan trọng trong hệ kết cấu công trình. Trong quá trình sử dụng lâu dài, việc kết cấu bị tổn hao và hư hại là một điều tất yếu không thể tránh khỏi, đặc biệt là kết cấu dầm. Việc phát hiện hư hỏng, đánh giá tình trạng và theo dõi sức khỏe của các kết cấu luôn là mối quan tâm của các kỹ sư.
Đã có rất nhiều nghiên cứu được đưa ra để có thể giúp kỹ sư phát hiện ra hư hỏng hoặc sự xuống cấp của kết cấu ở giai đoạn sớm nhất, từ đó có thể để tiến hành sửa chữa và trang bị thêm khi cần thiết. Do nhiều yếu tố khách quan và chủ quan mà dẫn đến việc mở rộng và phát triển nhanh chóng của các kết cấu xây dựng, đi cùng với tốc độ của sự xuống cấp hay sự hư hỏng, đòi hỏi các kỹ sư phải nghiên cứu ra các phương pháp có thể chẩn đoán và phát hiện các hư hỏng trong kết cấu trong thời gian sớm nhất có thể, để phòng tránh các thiệt hại có thể xảy ra. Trong những năm gần đây, lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán kết cấu (Structural Health Monitoring: SHM) đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự an toàn, tuổi thọ và sự hoạt động bền vững của kết cấu công trình xây dựng. Thuật ngữ “SHM” đề cập đến việc đánh giá ứng xử đang làm việc của kết cấu bằng các kỹ thuật đo lường khác nhau.
Các phương pháp SHM được áp dụng để đưa ra cảnh báo về sự xuất hiện hư hỏng từ những tín hiệu ghi nhận được từ việc đo lường cấu kiện, nhận dạng vị trí và độ lớn của hư hỏng trong cấu kiện và đánh giá được ảnh hưởng của hư hỏng đến toàn bộ kết cấu. Điều này tương ứng với 5 cấp độ của mục tiêu chẩn đoán hư hỏng khi xây dựng các phương pháp phục vụ lĩnh vực SHM, theo H.Chen (2018) [1]: • Cấp độ I: Nhận diện sự có mặt của hư hỏng; • Cấp độ II: Chẩn đoán vị trí hư hỏng; • Cấp độ III: Phân loại hư hỏng; • Cấp độ IV: Chẩn đoán mức độ hư hỏng; • Cấp độ V: Chẩn đoán mức độ an toàn của hệ kết cấu khi có hư hỏng. SHM là một hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực xây dựng, được áp dụng để theo dõi và kiểm soát quá trình thi công, xác nhận đặc điểm thiết kế của công trình, xác nhận tải trọng trong công trình, phát hiện hư hỏng kịp thời,… Trong khoảng vài thập niên trở lại đây, số lượng các nghiên cứu về SHM có sự phát triển nhanh chóng, qua đó Giới thiệu 2 đưa ra được các cơ sơ lý thuyết và đề xuất các hệ thống, phương pháp tương ứng để theo dõi một cách hiệu quả và khoa học về thực trạng của kết cấu xây dựng. Việc này giúp kỹ sư phát hiện sớm những tình huống bất lợi cho kết cấu, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hư hỏng kịp thời, đánh giá thực trạng công trình về công năng, tuổi thọ và hạn chế tối đa các thiệt hại bất ngờ có thể xảy ra.
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… Hình 1.
Các phương pháp đánh giá, phát hiện hư hỏng Trong lĩnh vực xây dựng nói chung và ngành xây dựng dân dụng nói riêng, kết cấu dầm là một phần không thể thiếu trong tổng thể kết cấu công trình. Trong quá trình sử dụng, không thể tránh khỏi hư hỏng tạo thành vết nứt do nhiều nguyên nhân như: tác động vật lý, hoá học, môi trường khắc nghiệt,… Các hư hỏng này có khả năng gia tăng theo thời gian do sự xuống cấp của kết cấu hay do sự gia tăng của tác động gây hư hỏng. Ngoài ra, kết cấu dầm thường là thành phần liên kết giữa các kết cấu cột, sàn và móng, kết cấu dầm giữ một vị trí quan trọng trong việc chịu tải trọng từ sàn và truyền các tải trọng này lên cột, sau đó sẽ từ cột truyền xuống móng. Vì tính chất quan trọng này, những phương pháp chẩn đoán để phát hiện hư hỏng kịp thời trên cấu kiện dầm là vô cùng cần thiết.
Kết cấu dầm và một số dạng hư hỏng thường gặp Trong hệ kết cấu công trình, dầm là cấu kiện cơ bản xuất hiện nhiều và đóng vai trò rất quan trọng. Kết cấu dầm có thể là dầm bê tông cốt thép (BTCT), dầm thép hình, dầm gỗ, dầm liên hợp composite,… Các dạng dầm phổ biến là dạng hình chữ nhật hoặc hình vuông. Cấu kiện dầm được xem đơn giản như thanh chịu lực (chịu uốn là chủ yếu), có vai trò dùng để đỡ các bản sàn, tường, mái phía trên hoặc liên kết các hệ kết cấu móng. Dầm bê tông cốt thép có cấu tạo đơn giản bởi bê tông liên kết, cốt thép dọc, cốt đai, cốt giá (Hình 1.
Cấu tạo dầm bê tông cốt thép. [2] Dầm làm việc hiệu quả với vai trò là cấu kiện chịu uốn. Khi có gia tải tăng dần, dầm bê tông cốt thép sẽ từ trạng thái nguyên vẹn chuyển sang hình thành vết nứt ở vùng có ứng suất kéo lớn nhất trong kết cấu: bao gồm vết nứt thẳng góc tại vị trí chịu mô men lớn và vết nứt xiên tại vị trí gần gối tựa hoặc chỗ có lực ngang lớn. Cụ thể, vị trí vết nứt nguy hiểm ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ an toàn của dầm bê tông cốt thép: ở giữa nhịp dầm – vết nứt vuông góc, ở gần gối dầm – vết nứt xiên, phía trên gối dầm liên tục – vết nứt song song trục dầm, ở gần đầu ngàm dầm công xôn – vết nứt xiên (Hình 1.
Vết nứt xiên và vết nứt thẳng góc [3] Giới thiệu 4 Ngoài các chức năng về kiến trúc, liên kết ổn định, hỗ trợ liên kết các thiết bị MEP,… Thì trong hệ kết cấu, dầm có vai trò rất quan trọng là cấu kiện truyền tải trọng từ sàn xuống cột vách, và xuống móng công trình. Dầm còn là cấu kiện liên kết bản sàn cứng tiếp nhận trực tiếp tải trọng ngang (gió, động đất) để truyền vào các kết cấu thẳng đứng (cột, vách), sau đó truyền xuống móng. Như vậy, dầm vừa là cấu kiện liên kết, vừa là cấu kiện trực tiếp truyền lực tác động của công trình theo cả chiều đứng và chiều ngang. Trong quá trình sử dụng lâu dài, những hư hỏng ở kết cấu dầm có thể xảy ra ở nhiều dạng khác nhau như: phần tử trong kết cấu chịu lực quá giới hạn dẫn đến bị suy giảm độ cứng hoặc hình thành vết nứt; vật liệu bị tác động của môi trường xung quanh làm giảm cường độ và đặc tính ban đầu của vật liệu (ăn mòn, bị sự cố do tác động của con người,…); kết cấu bị khuyết tật trong quá trình thi công,… Các hư hỏng này có khả năng hình thành một cách âm thầm, gia tăng theo thời gian do sự xuống cấp của kết cấu hay do sự gia tăng của tác động gây hư hỏng và làm xảy ra các sự cố bất ngờ gây thiệt hại.
Vết nứt xuất hiện thẳng góc vị trí nhịp dầm bê tông cốt thép [4] Vì những tính chất quan trọng này, phương pháp chẩn đoán để phát hiện kịp thời hư hỏng cấu kiện dầm là vô cùng cần thiết. Từ nhu cầu thực tế và phân tích trên, đề tài: “Xác định hư hỏng trong kết cấu dầm sử dụng phương pháp phân tích Wavelet cho dạng dao động và mạng nơ-ron nhân tạo” đã được tác giả lựa chọn thực hiện nghiên cứu. Phân tích Wavelet cho dạng dao động dầm Phân tích Wavelet là công cụ hữu ích trong nhiều lĩnh vực: xử lý tín hiệu, hình ảnh máy tính, nén dữ liệu, xử lý ảnh, đồ họa, hàng không, quân sự,… Phương pháp phân tích Wavelet có nhiều ưu điểm như: Wavelet có độ nhạy cao với sự thay đổi các điểm gãy, gián đoạn của tín hiệu; phân tích chi tiết được từng vùng không gian rất nhỏ; linh Giới thiệu 5 hoạt, chi phí thấp bằng thực hiện mô phỏng và có thể thực hiện thí nghiệm phá hủy để kiểm chứng; kết quả phân tích Wavelet trực quan, dễ dàng nhận biết vị hư hỏng. Phân tích Wavelet cho dạng dao động (Hình 1.5) là một trong những phương pháp không phá hủy đã được đề cập, có thể được ứng dụng để chẩn đoán sức khỏe kết cấu.
Hiện nay, phương pháp này đang được các nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả trong việc phát hiện hư hỏng xảy ra trên dầm. Biểu đồ phân tích Wavelet [5] 1. Tổng quan về trí tuệ nhân tạo, học máy, mạng nơ-ron nhân tạo 1.1 Trí tuệ nhân tạo Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence: AI) là một ngành thuộc lĩnh vực khoa học máy tính (Computer Science), đôi khi được gọi là trí thông minh nhân tạo, là trí thông minh được thể hiện bằng máy móc, trái ngược với trí thông minh tự nhiên của con người. Đây là trí thông minh của máy do con người lập trình tạo nên với mục tiêu giúp máy tính có thể tự động hóa thực hiện các hành vi thông minh như con người.
Các hành Giới thiệu 6 vi này này tổng quan gồm việc học tập (thu thập thông tin và các quy tắc sử dụng thông tin), lập luận (sử dụng các quy tắc để đạt được kết luận gần đúng hoặc xác định) và tự sửa lỗi… Trí tuệ nhân tạo khác với việc lập trình logic trong các ngôn ngữ lập trình ở chổ trí tuệ nhân tạo giúp máy tính có được những trí tuệ của con người, từ đó máy tính có thể tự biết suy nghĩ và lập luận để giải quyết vấn đề, biết giao tiếp do hiểu ngôn ngữ, tiếng nói, biết học và tự thích nghi.
