CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán kết cấu Dưới tác động của các điều kiện tự nhiên và vận hành, các hệ kết cấu chịu lực chính trong một công trình xây dựng bị giảm khả năng chịu lực do sự xuất hiện của các hư hỏng kết cấu. Hư hỏng kết cấu là những thay đổi đặc trưng kết cấu mà có thể gây ra ảnh hưởng đến sự vận hành của kết cấu ở hiện tại hoặc trong tương lai [1]. Cụ thể hơn, hư hỏng là những thay đổi về thuộc tính vật liệu, hình học ban đầu của kết cấu bởi các nguyên nhân như là vết nứt, ăn mòn, lỏng liên kết bu lông, hư hỏng mối hàn, … dẫn đến các chuyển vị, dao động hoặc ứng suất không mong muốn [2]. Sự sụp đổ của một số kết cấu trên thế giới.com) Các hư hỏng ở trên là điều không thể tránh khỏi và làm giảm tuổi thọ của công trình.1(b) lần lượt là hình ảnh sụp đổ của cầu vượt ở Canada vào năm 2006 và cầu qua sông Mississippi ở Mỹ vào năm 2007 do chủ sở hữu đã không phát hiện ra các hư hỏng để đưa ra các quyết định sửa chữa kịp thời.
Điều đó cho thấy tầm quan trọng của việc phát hiện hư hỏng kịp thời đối với sự an toàn và tuổi thọ của kết cấu xây dựng. 1 Tại Việt Nam, việc nâng cao độ an toàn của kết cấu trong giai đoạn sử dụng cũng đang là một động lực nghiên cứu mạnh mẽ, đặc biệt là sau khi một số sự cố công trình nghiêm trọng xảy ra gần đây như sự sụp đổ tháp truyền hình cao 180 m ở Nam Định năm 2012 (Hình 1.2 (a)), cầu treo Chu Va ở Lai Châu năm 2014 (Hình 1. Sự sụp đổ của kết cấu ở Việt Nam. (a) Tháp truyền hình Nam Định (b) Cầu treo Chu Va 6, Lai Châu (www.com) Để đảm bảo kết cấu an toàn trong quá trình sử dụng, giảm thiểu tai nạn đáng tiếc xảy ra, giảm thiệt hại về kinh tế, đặc biệt là bảo đảm tính mạng của người sử dụng, việc xác định kịp thời những hư hỏng trong kết cấu để tiến hành gia cố, sửa chữa có ý nghĩa vô cùng quan trọng.
Các kỹ thuật phát hiện hư hỏng cơ bản và phổ biến nhất dựa vào các quan sát trực quan. Các kỹ thuật này phù hợp với các kết cấu đơn giản, quy mô nhỏ khi mà việc quan sát, kiểm tra kết cấu được thực hiện tương đối dễ dàng. Đối với kết cấu quy mô lớn, phức tạp, cần có một hệ thống quan sát ứng xử động lực học của kết cấu một cách tự động, thường xuyên để phát hiện ra các hư hỏng kết cấu. Hệ thống như trên được gọi là hệ thống theo dõi và chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring – SHM).
SHM là một phương pháp hiện đại để giám sát tình trạng và sự vận hành của hệ kết cấu mà không ảnh hưởng đến hệ kết cấu đó. SHM bao hàm việc hiểu rõ ứng xử của kết cấu dưới các điều kiện tác động khác nhau, giảm thiểu các thiệt hại bằng cách đưa ra các biện pháp phòng ngừa và trợ giúp cho các quyết định bảo trì và sửa chữa kết cấu. SHM được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân dụng trên công trình nhà cao tầng (Hình 1.3) [3] và công trình cầu (Hình 1. Hình ảnh minh họa hệ thống SHM cho tháp Burj Khalifa, UAE [3] Hình 1.
Hệ thống SHM trong kết cấu cầu Jindo, Hàn Quốc [4] Rytter [5] đã chia việc xác định hư hỏng theo bốn cấp độ theo sơ đồ như trong Hình 1. Việc phân loại này dựa vào thông tin về hư hỏng và kết cấu mà hệ thống SHM cung cấp được. Đến nay, các phương pháp xác định hư hỏng dựa trên dao động mà không sử dụng 3 mô hình phân tích kết cấu chủ yếu thuộc cấp độ 1 và 2. Khi các phương pháp dựa trên dao động được kết hợp với mô hình kết cấu, trong một vài trường hợp có được cấp độ 3.
Dự đoán cấp độ 4 đòi hỏi tích hợp thêm nhiều lĩnh vực như cơ học rạn nứt, phân tích mỏi hoặc đánh giá phương án thiết kế kết cấu [6]. Cấp độ 1: Cấp độ 2: Cấp độ 3: Cấp độ 4: Phát hiện sự xuất Khoanh vùng vị trí Định lượng mức Đánh giá tuổi thọ hiện hư hỏng hư hỏng độ hư hỏng còn lại của kết cấu Hình 1. Bốn cấp độ chẩn đoán hư hỏng trong SHM 1.2 Phương pháp phát hiện hư hỏng dựa vào đặc trưng dao động Trong số nhiều phương pháp luận khác của các kỹ thuật SHM thì các phương pháp theo dõi và chẩn đoán kết cấu dựa vào sự thay đổi các đặc trưng dao động nổi bật lên với nhiều ưu điểm nổi trội. Với khả năng đo lường linh hoạt, chi phí tương đối thấp, sử dụng kỹ thuật không phá hủy, các phương pháp dựa trên dao động ngày càng thu hút nhiều nghiên cứu và trở thành một trong những phương pháp phát hiện hư hỏng phổ biến nhất hiện nay.
Các phương pháp dựa trên dao động đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu tổng quan là có khả năng chẩn đoán được cả vị trí và mức độ hư hỏng của kết cấu mà chỉ sử dụng các đặc trưng về dao động cơ bản như tần số và dạng dao động [6-10]. Các phương pháp này bao gồm hai nhóm phương pháp dựa vào mô hình (model-based method) và các phương pháp không dựa vào mô hình (non-model based method). Phương pháp dựa vào mô hình là phương pháp sử dụng một mô hình số để mô phỏng kết cấu thực và dự đoán các phản ứng của kết cấu bằng phương pháp xác suất và các mô hình hồi quy [11- 14]. Hai phương pháp dựa vào mô hình phổ biến là phương pháp dựa vào mô hình (model-based method) [6] và phương pháp chẩn đoán cục bộ (local diagnostic method).
Trong khi đó, phương pháp không dựa vào mô hình xác định các hư hỏng bằng cách so sánh các dữ liệu dao động của kết cấu ở trạng thái nguyên dạng và trạng thái có hư hỏng [11, 15]. Đại diện cho nhóm phương pháp này là phương pháp không tham số (non- parametric method) và phương pháp chuỗi thời gian (time series method) [16-19]. 4 Thông số đầu vào của các phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa vào dao động là các đặc trưng động lực học, bao gồm: dạng dao động và các dẫn xuất của nó [20-22]; tần số [23]; năng lượng biến dạng [24]; hàm đáp ứng tần số [25, 26]; thông số sản sinh sóng [27]; hệ số cản nhớt dao động [28, 29] và hệ số hồi quy sử dụng phương pháp lịch sử thời gian [30-32]. Das và cộng sự [33] đã thực hiện một nghiên cứu tổng quan, so sánh các kỹ thuật phát hiện hư hỏng khác nhau và thảo luận ưu nhược điểm của từng nhóm phương pháp.
Mỗi nhóm phương pháp có những ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau và được trình bày chi tiết ở Chương 2. Đặc biệt, các nghiên cứu tổng quan cho thấy rằng chưa có một phương pháp nào được xem là hoàn chỉnh và có thể chẩn đoán được tất cả các dạng hư hỏng khác nhau trên nhiều dạng kết cấu khác nhau. Do đó, cần thêm nhiều nghiên cứu trên các phương pháp hiện tại để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của các phương pháp dựa vào dao động vào các công trình dân dụng thực tế.3 Phương pháp năng lượng biến dạng Trong các phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa vào đặc trưng dao động, phương pháp năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy - MSE) đã chứng tỏ là một trong những phương pháp có tính hiệu quả cao cho việc chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu [34, 35]. Năng lượng biến dạng là một chỉ tiêu có độ nhạy cao với sự thay đổi của độ cứng (ma trận độ cứng) nên được mở rộng nghiên cứu áp dụng trong bài toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu vì trạng thái hư hỏng của một phần tử nào đó có thể được xem như là sự suy giảm về độ cứng của phần tử đó.
Phương pháp năng lượng biến dạng được áp dụng lần đầu tiên để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dạng dầm [36]. Sau đó, phương pháp này được nghiên cứu mở rộng để áp dụng cho kết cấu dạng tấm [37]. Từ đó, rất nhiều chỉ số hư hỏng dựa trên thay đổi năng lượng biến dạng phần tử được đề xuất để xác định các phần tử hư hỏng trong kết cấu tấm, chẳng hạn: MSECR (Modal Strain Energy Change Ratio) [35], MSEBI (Modal Strain Energy Based Index) [38], MSEEI (Modal Strain Energy Equivalence Index) [39], MSEPI (Modal Strain Energy Probability Index) [40],. 5 Biểu thức tính toán năng lượng biến dạng được xây dựng ở dạng liên tục (đối với dạng dao động của phần tử được viết dưới dạng hàm liên tục) và ở dạng rời rạc (đối với dạng dao động của phần tử được ghi nhận dưới dạng chuyển vị tại từng điểm).
Dạng thứ hai được sử dụng hầu hết trong bài toán thực tế vì dữ liệu thu được từ thiết bị đo đạc ở dạng rời rạc. Đối với dạng thứ hai, năng lượng biến dạng được tính toán theo hai cách. Cách thứ nhất gọi là cách trực tiếp và được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu hiện tại. Trong đó, năng lượng biến dạng phần tử được tính trực tiếp dựa vào ma trận độ cứng và véc- tơ các thành phần chuyển vị nút của phần tử.
Khi dao động của kết cấu chủ yếu theo dạng uốn, thì năng lượng biến dạng được tính theo cách thứ hai. Khi đó, năng lượng biến dạng được tính gián tiếp dựa vào các đạo hàm bậc hai của hàm dạng. Cách tiếp cận đầu tiên yêu cầu phải thu thập được năm thành phần chuyển vị tại mỗi nút, bao gồm ba chuyển vị thẳng và hai thành phần chuyển vị xoay. Các tiếp cận này không khả thi trong việc thu thập các thành phần chuyển vị nút trong thực tiễn, đặc biệt là thành phần chuyển vị xoay.
Trong khi cách tiếp cận thứ hai chỉ cần dữ liệu chuyển vị thẳng của nút theo phương vuông góc với mặt phẳng tấm. Do đó, cách tiếp cận thứ hai được áp dụng trong nghiên cứu này vì tính khả thi của việc đo đạc các dữ liệu chuyển vị nút theo dạng uốn. Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về phương pháp năng lượng biến dạng được thực hiện trên nhiều dạng cấu kiện khác nhau như: thanh, tấm, khung phẳng, khung không gian,. Đồng thời, nhiều chỉ số hư hỏng khác nhau dựa trên sự thay đổi năng lượng biến dạng của tấm ở hai trạng thái được đề xuất để chẩn đoán vị trí hư hỏng.
