CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp phát hiện hư hỏng kết cấu và tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng của hư hỏng dạng vết nứt và khối lượng tập trung lên đặc trưng động lực học như tần số riêng, dạng riêng, hàm phổ phản ứng và hàm độ cong phổ phản ứng của kết cấu đồng nhất và kết cấu không đồng nhất nhằm phát hiện hư hỏng kết cấu. Trên cơ sở đó, tác giả luận án chỉ ra các vấn đề chưa được giải quyết. Từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu chi tiết cho luận án.
Sơ lược về các phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật có rất nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để phát hiện hư hỏng của kết cấu. Theo thống kê của Hiệp hội Kiểm tra không phá hủy Hoa Kỳ - ASNT (American Society for Nondestructive Testing) có 14 phương pháp kiểm tra khác nhau [1]. Trong đó có các phương pháp sau được tin cậy và thường được sử dụng và ngày càng phổ biến như phương pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing- PT), phương pháp kiểm tra bột từ (Magnetic Particle Testing- MT), phương pháp kiểm tra dòng xoáy (Eddy Current Testing- ET), phương pháp chụp ảnh phóng xạ dùng film (Radiographic Testing- RT), phương pháp kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing- UT), phương pháp kiểm tra bằng mắt (Visual Testing - VT), phương pháp phân tích dao động (Vibration Analysis-VA). Mỗi phương pháp đều có những yêu cầu đặc thù và phù hợp với từng loại kết cấu, vật thể khác nhau.
Ví dụ như phương pháp thẩm thấu chất lỏng thường ứng dụng để kiểm tra mối hàn kim loại và chỉ kiểm tra được đối với các vết nứt ở bề mặt; phương pháp kiểm tra bột từ đòi hỏi kết cấu cần kiểm tra phải có khả năng dẫn từ hay phương pháp dòng xoay chỉ thực hiện được với kết cấu dẫn điện,… Không những thế các phương pháp này còn đòi hỏi người thực hiện kiểm tra phải tiếp cận với vị trí hư hỏng. Đối với những vị trí mất an toàn hoặc khó tiếp cận thì không thể sử dụng được. Trong các phương pháp kể trên thì phương pháp phân tích dao động đã và đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới do đo đạc đơn giản và chi phí rẻ luan an 8 hơn so với các phương pháp khác. Các phương pháp dao động có thể đưa ra đánh giá với hầu hết các loại vật thể khác nhau, các hư hỏng cũng đa dạng hơn.
Chúng không chỉ phát hiện các vết nứt ở bề mặt hay ở các vật thể nhiễm từ, dẫn điện mà còn có thể phát hiện được các hư hỏng nằm bên trong kết cấu phức tạp dựa vào sự thay đổi của một số đặc trưng động lực học của kết cấu đối với hư hỏng. Hà bám ở chân giàn khoan ngoài khơi (Nguồn Internet) Hư hỏng của kết cấu được hiểu là các yếu tố, nguyên nhân làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu so với thiết kế, làm cho kết cấu không hoạt động trơn tru thậm chí không thể hoạt động được, bị phá hủy một phần hoặc toàn bộ kết cấu. Hư hỏng có nhiều dạng khác nhau như: vết nứt, tăng - giảm khối lượng, móp méo, xoắn vặn v. Các dạng hư hỏng khác nhau gây ra các ảnh hưởng khác nhau lên kết cấu.
Có các dạng hư hỏng có thể phát hiện rất rõ ràng và có khả năng phá hủy kết cấu một cách tức thì. Ví dụ, các hư hỏng dạng xoắn vặn, móp méo có thể làm cho kết cấu bị nghiêng, gẫy làm mất khả năng làm việc hoặc sụp đổ hoàn toàn. Trong khi đó một số luan an 9 hư hỏng lại không phát hiện được một cách dễ dàng mà âm thầm phát triển theo thời gian gây ra những nguy hiểm tiềm ẩn. Ví dụ như hư hỏng dạng vết nứt thường phát triển từ phá hủy mỏi.
Các vết nứt do mỏi sẽ bắt đầu với kích thước nhỏ và trong quá trình làm việc, kết cấu chịu tải trọng lặp lại sẽ khiến cho vết nứt phát triển theo thời gian. Đến khi vết nứt phát triển đến một ngưỡng nào đó sẽ dẫn đến sự sụp đổ hoàn toàn của kết cấu. Các hư hỏng dạng tăng - giảm khối lượng như hà bám ở vị trí mép nước đối với các giàn khoan ngoài khơi sẽ làm tăng khối lượng, tăng diện tích chắn sóng từ đó làm giảm tuổi thọ của giàn khoan (Hình 1. Đồng thời, hà bám có thể gây nên sự ăn mòn hóa học đối với các cột kim loại, làm suy giảm độ cứng cục bộ của cột dẫn đến làm suy giảm khả năng chịu lực của giàn khoan, và theo thời gian sẽ gây nên những hư hỏng lớn đối với kết cấu giàn khoan.
Như vậy, các hư hỏng khó phát hiện nhưng lại âm thầm phát triển theo thời gian như vết nứt hay sự tăng giảm khối lượng tập trung là những hư hỏng có nguy cơ gây nên những nguy hiểm tiềm ẩn, cần thiết phải được phát hiện kịp thời nhằm tránh những sự cố gây thiệt hại cho người và của. Khi có hư hỏng, các đặc trưng động lực học của kết cấu như tần số riêng, dạng riêng, hàm phản ứng phổ v. sẽ bị thay đổi. Việc phát hiện sự thay đổi các đặc trưng động lực học gây ra do ảnh hưởng của hư hỏng sẽ là cơ sở để phát hiện hư hỏng trong kết cấu.
Dưới đây luận án sẽ phân tích tình hình nghiên cứu về các ảnh hưởng của hư hỏng dạng vết nứt và dạng khối lượng tập trung lên các đặc trưng động lực học của kết cấu để làm cơ sở cho các phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu. Ảnh hưởng của vết nứt lên đặc trưng động lực học của kết cấu Như đã trình bày ở trên, tần số riêng là một trong những đặc trưng động lực học chứa thông tin về vết nứt. Đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng tần số riêng để phát hiện vết nứt như các nghiên cứu trong [2-29]: Cawley và Adams đã đưa ra phương pháp kiểm tra kết cấu không phá hủy bằng cách sử dụng các phép đo tần số riêng trong nghiên cứu [2]. Ở trong nghiên cứu này, các tác giả chỉ thực hiện các phép đo tại một điểm duy nhất của kết cấu để phát hiện, định vị và định lượng vết nứt.
Ngoài ra, các tác giả còn tiến hành các thử nghiệm trên một tấm nhôm và một tấm nhựa được gia cố bằng sợi carbon có vết nứt để so luan an 10 sánh kết quả mô phỏng và thực tế. Chondros và Dimarogonas [3] đã nghiên cứu sự thay đổi tần số riêng của dầm gây ra bởi một vết nứt. Trong nghiên cứu này, các tác giả mô hình vết nứt như là sự suy giảm độ cứng tại vị trí vết nứt sử dụng trường chuyển vị tại khu vực gần vết nứt trong cơ học phá hủy. Dựa vào lý thuyết dao động cho dầm Euler-Bernoulli có vết nứt trên một hoặc hai mặt của dầm, nghiên cứu đã chỉ ra rằng tần số riêng của dầm sẽ giảm khi độ sâu vết nứt tăng.
Gudmundson [4] đã sử dụng phương pháp nhiễu loạn và phương pháp ma trận truyền để nghiên cứu ảnh hưởng của các vết nứt nhỏ đến tần số riêng của kết cấu mảnh. Kết quả cũng chỉ ra rằng tần số riêng của kết cấu giảm khi có vết nứt. Độ suy giảm của tần số riêng là nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ. Tuy nhiên như trong nghiên cứu [5] của mình tác giả đã chỉ ra nhược điểm của phương pháp này không áp dụng được nếu không xác định được chiều rộng của vết nứt.
Trong [5], tác giả Gudmundson đã nghiên cứu ảnh hưởng của các vết nứt đóng - mở đối với tần số riêng của dầm công-xôn chứa vết nứt. Tác giả thấy rằng khi xuất hiện vết nứt đóng, sẽ làm giảm tần số riêng, tuy nhiên việc giảm này là nhỏ hơn nhiều so với vết nứt mở. Trong trường hợp vết nứt đóng, các tần số gần như không đổi khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50% và tần số bắt đầu giảm khi độ sâu vết nứt lớn hơn 50%. Rõ ràng, rất khó để phát hiện các vết nứt có độ sâu nhỏ hơn 50% bằng cách sử dụng tần số.
Hơn nữa, vị trí của vết nứt cũng không được đề cập trong nghiên cứu này. Trong các nghiên cứu [6], [7] Liang cùng đồng nghiệp đã phát triển phương pháp phát hiện vị trí nhiều vết nứt và định lượng mức độ vết nứt trong kết cấu dầm đơn giản đồng chất được dựa trên các phép đo tần số riêng của kết cấu. Ở đây, các tác giả sử dụng các lò xo quay không khối lượng trong phần tử dầm như một mô hình cơ học để thể hiện tính liên kết cục bộ của vết nứt. Độ cứng của lò xo quay được xác định thông qua tần số riêng, vị trí vết nứt và phương trình đặc trưng.
Các điểm giao nhau của các giá trị độ cứng vết nứt chuẩn hóa K ở các tần số riêng khác nhau ωi dọc theo chiều dài dầm thể hiện các vị trí có thể có vết nứt. Đồng thời, giá trị số K cũng được chứng minh là có liên quan trực tiếp đến cường độ vết nứt là ΔI/I, trong đó ΔI là mô-đun của dầm có vết nứt và I là mô-đun của dầm không bị vết nứt ban đầu. luan an 11 Trong nghiên cứu [8], Ostachowicz và Krawczuk đã phân tích ảnh hưởng của vết nứt đến tần số riêng của dầm công-xôn. Bằng cách sử dụng phương pháp cổ điển các tác giả thiết lập hệ phương trình tần số ở dạng định thức 12x12 để nghiên cứu ảnh hưởng của hai vết nứt đến tần số của dầm.
Trong nghiên cứu này, các tác giả đã chỉ ra rằng vị trí của các vết nứt liên quan đến nhau và ảnh hưởng đáng kể đến sự thay đổi tần số riêng với trường hợp các vết nứt cùng độ sâu. Tần số riêng giảm càng nhiều khi vị trí các vết nứt càng gần nhau. Trong trường hợp hai vết nứt có độ sâu khác nhau, vết nứt lớn hơn có ảnh hưởng lớn hơn đến tần số riêng. Tuy nhiên, các tác giả cũng chỉ ra rằng điều này chỉ nhận thấy rõ ràng đối với trường hợp dầm công-xôn còn đối với trường hợp khác, điều này không quá rõ ràng.
Các tác giả cũng chỉ ra rằng, các vết nứt hai mặt ảnh hưởng đến tần số dao động nhỏ hơn so với các vết nứt đơn có cùng độ sâu tương đối của vết nứt và cùng vị trí. Tuy nhiên, sự khác biệt không lớn.