Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, việc theo dõi và chẩn đoán tình trạng kết cấu là một nhiệm vụ quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và tuổi thọ công trình. Theo báo cáo ngành, các kết cấu tấm được sử dụng phổ biến trong các công trình như mái che, sàn và tường, tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, kết cấu này dễ bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân như tải trọng vượt quá giới hạn, ăn mòn, hoặc khuyết tật thi công. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp với thuật toán di truyền, nhằm xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng và kiểm chứng một phương pháp chẩn đoán hư hỏng hai bước: bước đầu tiên xác định vị trí hư hỏng dựa trên bốn chỉ tiêu năng lượng biến dạng (MSECR, MSEBI, MSEEI, MSEPI), bước thứ hai sử dụng thuật toán di truyền để xác định mức độ suy giảm độ cứng của các phần tử có khả năng hư hỏng. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình kết cấu tấm nhôm đồng chất, với dữ liệu phân tích dao động tự do thu được từ mô hình phần tử hữu hạn. Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2019 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua khả năng nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện và đánh giá hư hỏng kết cấu tấm, góp phần giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng cường an toàn công trình. Phương pháp đề xuất có thể ứng dụng trong giám sát sức khỏe kết cấu (SHM) cho các công trình dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là các kết cấu có tuổi thọ cao và chịu tải trọng động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tấm Mindlin và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để phân tích dao động tự do của kết cấu tấm. Lý thuyết tấm Mindlin cho phép mô hình hóa biến dạng uốn và biến dạng cắt trong tấm dày, phù hợp với các kết cấu tấm thực tế có tỷ lệ chiều dày và cạnh ngắn nhất định. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xây dựng mô hình số, tính toán ma trận độ cứng và ma trận khối lượng, từ đó giải bài toán trị riêng để xác định tần số và dạng dao động riêng.

Bốn chỉ tiêu năng lượng biến dạng được áp dụng để đánh giá sự xuất hiện của hư hỏng trong kết cấu tấm:

  • Modal Strain Energy Change Ratio (MSECR): Tỷ lệ thay đổi năng lượng biến dạng giữa trạng thái hư hỏng và trạng thái nguyên vẹn.
  • Modal Strain Energy Based Index (MSEBI): Chỉ số dựa trên tổng năng lượng biến dạng chuẩn hóa.
  • Modal Strain Energy Equivalence Index (MSEEI): Chỉ số tương đương năng lượng biến dạng, phản ánh mức độ hư hỏng.
  • Modal Strain Energy Probability Index (MSEPI): Chỉ số xác suất năng lượng biến dạng, dùng để đánh giá khả năng hư hỏng.

Ngoài ra, thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) được sử dụng để tối ưu hàm mục tiêu nhằm xác định mức độ suy giảm độ cứng của các phần tử kết cấu có khả năng hư hỏng. Hai hàm mục tiêu được khảo sát: một dựa trên dạng dao động (mode shapes) và một dựa trên năng lượng biến dạng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả phân tích dao động tự do của mô hình phần tử hữu hạn kết cấu tấm nhôm đồng chất, được xây dựng và tính toán bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm mô hình tấm với lưới phần tử 12x12, đảm bảo hội tụ tần số dao động và độ chính xác trong tính toán.

Phương pháp nghiên cứu gồm hai bước:

  1. Chẩn đoán vị trí hư hỏng: Sử dụng bốn chỉ tiêu năng lượng biến dạng để xác định các phần tử có khả năng hư hỏng. Ngưỡng hư hỏng được thiết lập để giảm số lượng phần tử cần phân tích tiếp theo.
  2. Chẩn đoán mức độ hư hỏng: Áp dụng thuật toán di truyền để tối ưu hàm mục tiêu, với biến số là véc tơ mức độ suy giảm độ cứng của các phần tử được cảnh báo ở bước một. Hai hàm mục tiêu được so sánh về hiệu quả.

Phương pháp phân tích bao gồm so sánh kết quả với các nghiên cứu đã công bố và kiểm chứng độ chính xác qua các kịch bản hư hỏng với mức độ suy giảm độ cứng 10%, 20% và 50%. Timeline nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, với các giai đoạn xây dựng mô hình, phân tích dữ liệu, phát triển thuật toán và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bốn chỉ tiêu năng lượng biến dạng: Kết quả cho thấy chỉ tiêu MSEEI có độ nhạy và chính xác cao nhất trong việc xác định vị trí hư hỏng, với tỷ lệ phát hiện chính xác trên 90% trong các kịch bản thử nghiệm. Các chỉ tiêu MSECR, MSEBI và MSEPI cũng cho kết quả khả quan nhưng có mức độ sai số cao hơn khoảng 5-10%.

  2. Ảnh hưởng của ngưỡng hư hỏng: Việc áp dụng ngưỡng hư hỏng phù hợp giúp giảm số lượng phần tử cần phân tích ở bước hai xuống còn khoảng 30-40% tổng số phần tử, từ đó giảm đáng kể chi phí tính toán mà không làm giảm độ chính xác chẩn đoán.

  3. So sánh hai hàm mục tiêu trong thuật toán di truyền: Hàm mục tiêu dựa trên năng lượng biến dạng cho kết quả chẩn đoán mức độ hư hỏng chính xác hơn khoảng 15% so với hàm mục tiêu dựa trên dạng dao động. Thời gian tính toán của hàm mục tiêu năng lượng biến dạng cũng ngắn hơn khoảng 20%.

  4. Khả năng chẩn đoán mức độ hư hỏng: Thuật toán di truyền xác định mức độ suy giảm độ cứng của các phần tử hư hỏng với sai số trung bình dưới 5% so với giá trị thực giả định, thể hiện tính khả thi và độ tin cậy cao của phương pháp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả cao trong việc sử dụng chỉ tiêu MSEEI là do chỉ tiêu này phản ánh chính xác sự thay đổi năng lượng biến dạng tương ứng với mức độ suy giảm độ cứng của phần tử. Việc áp dụng ngưỡng hư hỏng giúp loại bỏ các phần tử không có khả năng hư hỏng, giảm nhiễu và tăng tốc độ xử lý.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào chẩn đoán vị trí hư hỏng, nghiên cứu này mở rộng thêm bước xác định mức độ hư hỏng bằng thuật toán di truyền, nâng cao tính ứng dụng thực tiễn. Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo ngành về độ nhạy của năng lượng biến dạng trong phát hiện hư hỏng kết cấu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chính xác của các chỉ tiêu năng lượng biến dạng, bảng thống kê số phần tử được chọn theo ngưỡng hư hỏng, và biểu đồ tiến trình hội tụ của thuật toán di truyền với hai hàm mục tiêu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát kết cấu tấm sử dụng cảm biến đo dao động: Động tác này nhằm thu thập dữ liệu dạng dao động thực tế, làm cơ sở cho việc áp dụng phương pháp chẩn đoán năng lượng biến dạng. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, chủ thể là các đơn vị quản lý công trình và các công ty tư vấn kỹ thuật.

  2. Phát triển phần mềm tích hợp thuật toán chẩn đoán: Xây dựng phần mềm chuyên dụng tích hợp phương pháp năng lượng biến dạng và thuật toán di truyền để tự động hóa quá trình chẩn đoán hư hỏng. Mục tiêu giảm thời gian phân tích xuống dưới 1 giờ cho mỗi mô hình. Thời gian phát triển dự kiến 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.

  3. Đào tạo nhân lực chuyên môn về SHM và phân tích năng lượng biến dạng: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật nhằm nâng cao năng lực vận hành và phân tích dữ liệu. Mục tiêu nâng cao tỷ lệ nhân lực có kỹ năng chuyên môn lên 80% trong 2 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng áp dụng cho các loại kết cấu khác: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu áp dụng phương pháp cho kết cấu khung, dầm và kết cấu composite nhằm đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian nghiên cứu mở rộng khoảng 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và bảo trì công trình: Luận văn cung cấp phương pháp chẩn đoán hư hỏng chính xác, giúp họ đánh giá tình trạng kết cấu và lên kế hoạch bảo trì hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp năng lượng biến dạng và thuật toán di truyền trong chẩn đoán kết cấu, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Đơn vị quản lý và vận hành công trình: Giúp họ hiểu rõ hơn về công nghệ giám sát sức khỏe kết cấu (SHM), từ đó áp dụng các giải pháp giám sát và cảnh báo sớm hư hỏng, nâng cao an toàn công trình.

  4. Doanh nghiệp phát triển phần mềm và thiết bị đo lường: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các sản phẩm công nghệ hỗ trợ chẩn đoán hư hỏng kết cấu, mở rộng thị trường ứng dụng trong ngành xây dựng và bảo trì.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp năng lượng biến dạng có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp này có độ nhạy cao với sự thay đổi độ cứng của kết cấu, cho phép phát hiện hư hỏng ngay cả khi mức độ hư hỏng nhỏ, đồng thời sử dụng dữ liệu dạng dao động dễ thu thập từ cảm biến.

  2. Tại sao cần kết hợp thuật toán di truyền trong chẩn đoán mức độ hư hỏng?
    Thuật toán di truyền giúp tối ưu hàm mục tiêu phức tạp với nhiều biến số, từ đó xác định chính xác mức độ suy giảm độ cứng của các phần tử hư hỏng, nâng cao độ chính xác so với phương pháp truyền thống.

  3. Ngưỡng hư hỏng được xác định như thế nào?
    Ngưỡng hư hỏng được thiết lập dựa trên phân tích thống kê giá trị chỉ tiêu năng lượng biến dạng, nhằm loại bỏ các phần tử không có khả năng hư hỏng, giảm số lượng biến số cho bước tối ưu tiếp theo.

  4. Phương pháp có thể áp dụng cho các loại kết cấu khác ngoài tấm không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào kết cấu tấm, nguyên lý và phương pháp có thể mở rộng áp dụng cho các kết cấu khác như dầm, khung, và composite với điều chỉnh phù hợp.

  5. Chi phí và thời gian triển khai phương pháp trong thực tế ra sao?
    Chi phí chủ yếu liên quan đến việc lắp đặt cảm biến và xử lý dữ liệu, thời gian triển khai tùy thuộc quy mô công trình nhưng có thể hoàn thành trong vòng 6-12 tháng với hệ thống giám sát cơ bản.

Kết luận

  • Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu tấm sử dụng năng lượng biến dạng kết hợp thuật toán di truyền cho kết quả chính xác trong xác định vị trí và mức độ hư hỏng.
  • Chỉ tiêu MSEEI được đánh giá là hiệu quả nhất trong việc phát hiện vị trí hư hỏng với độ chính xác trên 90%.
  • Thuật toán di truyền với hàm mục tiêu dựa trên năng lượng biến dạng cho kết quả tối ưu hơn so với hàm mục tiêu dựa trên dạng dao động.
  • Việc áp dụng ngưỡng hư hỏng giúp giảm đáng kể số lượng phần tử cần phân tích, tiết kiệm chi phí và thời gian tính toán.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu tự động, góp phần nâng cao an toàn và tuổi thọ công trình.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế trên các công trình dân dụng, phát triển phần mềm hỗ trợ và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý công trình và doanh nghiệp công nghệ nên hợp tác nghiên cứu và ứng dụng phương pháp để nâng cao hiệu quả giám sát và bảo trì kết cấu.