Đặt vấn đề Giám sát sức khỏe công trình giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự an toàn và bền vững của các công trình xây dựng. Bằng cách liên tục theo dõi và đánh giá tình trạng kết cấu, các vấn đề tiềm ẩn có thể được phát hiện sớm và khắc phục trước khi gây ra hậu quả nghiêm trọng. Điều này không chỉ bảo vệ sự an toàn cho người sử dụng mà còn duy trì chất lượng, kéo dài tuổi thọ công trình cũng như giảm thiểu chi phí sửa chữa. Việc giám sát sức khỏe kết cấu cũng liên quan đến việc tuân thủ các quy định pháp lý và bảo vệ quyền lợi của người sử dụng công trình.
Hơn nữa, quá trình giám sát cũng góp phần thúc đẩy đổi mới kỹ thuật, tạo điều kiện để ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong theo dõi và bảo trì. Nhờ vào những tiến bộ này, chủ đầu tư và nhà thầu có thể đưa ra quyết định tốt hơn dựa trên nguồn dữ liệu đáng tin cậy, từ đó xây dựng chiến lược quản lý bền vững hơn. Điều này không chỉ mang lại lợi ích ngắn hạn mà còn góp phần vào sự phát triển lâu dài và bền vững của ngành xây dựng. Bất kỳ cơ sở hạ tầng dân dụng nào đang vận hành đều phải đối mặt với những mối nguy cơ tự nhiên hoặc nhân tạo gây ra các hư hỏng về kết cấu như nứt, biến dạng quá mức, bong tróc bề mặt, v.v…Nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời, những hư hỏng này có thể tích tụ, dẫn đến suy giảm khả năng chịu tải, thậm chí gây ra các vụ tai nạn thảm khốc.
Kết cấu dầm đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho công trình, do đó việc phát hiện hư hỏng kết cấu dầm từ giai đoạn đầu vô cùng quan trọng để tránh nguy cơ sụp đổ đột ngột, đồng thời đảm bảo an toàn và độ tin cậy của kết cấu kỹ thuật. Hiện nay, các kỹ thuật phát hiện hư hỏng có thể được chia thành hai nhóm chính: phương pháp cục bộ hoặc phương pháp toàn diện. Phần lớn các kỹ thuật phổ biến hiện nay như hình ảnh, âm thanh, từ trường, v.v…về bản chất đều thuộc về nhóm phương pháp kiểm tra cục bộ. Ngược lại, việc phát hiện hư hỏng kết cấu thông qua những thay đổi về đặc tính động cung cấp một cách toàn diện để đánh giá tình trạng sức khỏe của các kết cấu kỹ thuật và chúng được gọi là phương pháp phát hiện hư hỏng dựa trên dạng dao động.
Phương pháp này dựa trên nguyên Giới thiệu 2 lý rằng hư hỏng kết cấu có thể gây ra sự thay đổi các thông số vật lý, từ đó dẫn đến sự khác biệt về đặc tính động học. Do đó, vị trí và mức độ hư hỏng có thể được phát hiện dễ dàng bằng cách phân tích những biến đổi của đặc tính động [1]. Trong những năm gần đây, lĩnh vực giám sát và chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) đã tập trung nghiên cứu các kỹ thuật nhằm phát hiện và xử lý kịp thời những hư hỏng trong các công trình xây dựng. Những phương pháp này giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn khi công trình đối mặt với các điều kiện bất thường.
Sự phát triển của SHM xuất phát từ yêu cầu về quy mô lớn, chi phí đầu tư cao và tuổi thọ dài của các công trình xây dựng, điều này đòi hỏi phải hạn chế tối đa các sự cố và việc bảo trì, sửa chữa. Với sự tiến bộ không ngừng của ngành xây dựng, các công trình ngày càng được thiết kế với quy mô lớn hơn để tối ưu hóa công năng. Điều này càng nhấn mạnh sự cần thiết và tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật SHM. Trong số các phương pháp SHM, những kỹ thuật dựa trên phân tích dao động đang thu hút sự chú ý nhờ vào chi phí hợp lý và khả năng ứng dụng linh hoạt.
Các phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng sự xuất hiện của hư hỏng sẽ làm thay đổi các đặc trưng động học như tần số dao động và dạng dao động của kết cấu [2]. Trong nhiều thập niên qua đã có nhiều nỗ lực trong việc nghiên cứu về vấn đề này. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp SHM, qua đó cung cấp cơ sở lý thuyết và đề xuất các hệ thống tương ứng để theo dõi một cách hiệu quả, khoa học tình trạng sức khỏe của kết cấu công trình. Điều này tương ứng với năm cấp độ của mục tiêu chẩn đoán hư hỏng khi xây dựng các phương pháp phục vụ lĩnh vực SHM, theo Chen (2018) [3]: • Cấp độ I : Nhận diện sự hiện diện 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 Giới thiệu 3 Những năm gần đây, hệ thống giám sát và chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM) đã được triển khai và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu.
Nhiều cây cầu lớn trên thế giới hiện nay đã được trang bị các công nghệ SHM khác nhau để theo dõi và thu thập dữ liệu liên tục trong suốt quá trình sử dụng. Mỹ, Nhật Bản và châu Âu là những khu vực đã áp dụng rộng rãi và thành công các hệ thống này, dù chi phí vận hành khá cao. Cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản) là cây cầu dây võng hiện đang giữ kỷ lục thế giới về chiều dài nhịp (1991m), được khánh thành vào ngày 5 tháng 4 năm 1998. Mặc dù cây cầu được xây dựng trong môi trường khắc nghiệt tại cửa biển, tuổi thọ khai thác của cầu phải đảm bảo trên 100 năm do vai trò quan trọng và chi phí xây dựng rất cao.
Vì vậy, việc nghiên cứu kỹ lưỡng về độ bền, tuổi thọ và an toàn của cầu Akashi Kaikyo là rất cần thiết. Để đạt được điều này, toàn bộ cầu được trang bị một hệ thống chẩn đoán kết cấu với độ chính xác cao [4]. Cầu Akashi Kaikyo (trái) và cầu Tatara (phải) ở Nhật Bản Hình 1. Hệ thống chẩn đoán kết cấu của cầu Akashi Kaikyo [4] Giới thiệu 4 Cầu Tatara ở Nhật Bản là cây cầu dây văng dài nhất thế giới khi hoàn thành vào tháng 4 năm 1999, với tổng chiều dài là 1,480m, nối liền đảo Ikuchi và Oumishima.
Tương tự như cầu Akashi Kaikyo, cầu Tatara cũng được trang bị một số cảm biến để giám sát sức khỏe của kết cấu, tuy nhiên số lượng cảm biến này ít hơn [4]. Hệ thống chẩn đoán kết cấu của cầu Tatara [4] Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật và nhu cầu giao thông ngày càng tăng, Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của nhiều công trình cầu lớn. Tuy nhiên, sau thời gian dài hoạt động, những công trình này không tránh khỏi sự lão hóa và tổn thất do điều kiện môi trường khắc nghiệt. Mặc dù chúng được thiết kế để tồn tại hơn 100 năm và đóng vai trò không thể thiếu trong hạ tầng quốc gia, tuy nhiên công tác duy tu và bảo dưỡng vẫn chưa được đặc biệt chú trọng tại Việt Nam.
Điều này đã gây ra nhiều khó khăn trong việc phát hiện và khắc phục kịp thời những vấn đề kỹ thuật của các công trình. Kết quả là, khả năng chịu tải và tuổi thọ của chúng đang phải chịu áp lực lớn, đặc biệt là trong việc đảm bảo an toàn cho người dân và phát triển bền vững của đất nước [4]. Giới thiệu 5 Hình 1. Hư hỏng mặt đường cầu Thuận Phước (trái) và cầu Bãi Cháy (phải) [4] Nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công tác duy tu, bảo dưỡng nhất là các công trình lớn tại Việt Nam, hệ thống chẩn đoán kết cấu công trình (SHM) đã từng bước được áp dụng tại Việt Nam.
Hiện nay đa số hệ thống SHM được lắp đặt tại các công trình cầu lớn như cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, cầu Bãi Cháy, cầu Bính, cầu Nhật Tân,…cung cấp cho các đơn vị quản lý những dữ liệu quan trọng trong công tác duy tu, bảo dưỡng công trình. Hệ thống chẩn đoán kết cấu cầu Bính (Hải Phòng) [4] Hình 1. Hệ thống chẩn đoán kết cấu cầu Cần Thơ [4] Giới thiệu 6 Dầm là một kết cấu chịu lực quan trọng, tạo nên khung xương của bất kỳ công trình nào. Để đảm bảo một công trình có thể tồn tại lâu dài và bền vững, chúng ta cần chú trọng đến việc bảo hành và bảo trì kết cấu này.
Dầm hoạt động hiệu quả trong vai trò là kết cấu chịu uốn. Khi gia tải tăng dần, dầm sẽ chuyển từ trạng thái nguyên vẹn sang trạng thái hư hỏng. Cụ thể, dấu hiệu hư hỏng dễ nhận biết bằng mắt thường là khi dầm bắt đầu xuất hiện vết nứt, đặc biệt ở vùng có ứng suất kéo lớn nhất trên dầm: vết nứt thẳng góc tại vị trí có mô men lớn và vết nứt xiên tại vị trí gần gối tựa có lực ngang lớn. Vết nứt xiên và vết nứt thẳng góc [5] Trong quá trình sử dụng, kết cấu dầm có thể đối mặt với nhiều loại hư hỏng khác nhau.
Các phần tử của kết cấu dầm có thể phải chịu lực vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến nứt gãy và làm giảm độ cứng. Yếu tố môi trường cũng có thể tác động đến vật liệu, làm giảm sức mạnh và tính chất vốn có của nó, chẳng hạn như trải qua quá trình ăn mòn hoặc do sự cố liên quan đến con người. Thêm vào đó, kết cấu có thể gặp phải các lỗi do sai sót trong quá trình thi công. Những hư hỏng này có thể trở nên nghiêm trọng hơn theo thời gian do sự xuống cấp của kết cấu hoặc do các tác động từ bên ngoài ngày càng gia tăng.
Phân tích Wavelet sử dụng dữ liệu dạng dao động là một trong những phương pháp vừa cục bộ vừa toàn diện, dựa trên nguyên lý phân tách tín hiệu thành các thành phần tần số khác nhau, cho phép xác định rõ ràng những thay đổi tinh vi trong các đặc tính động của dầm. Nhờ khả năng cung cấp thông tin chi tiết về cả tần số và thời gian, phân tích Wavelet có thể nhận diện các dấu hiệu bất thường xuất hiện ở các mức tần số khác nhau, thậm chí ngay từ giai đoạn đầu của sự hư hỏng như nứt, biến dạng Giới thiệu 7 hoặc thay đổi độ cứng. Nhờ độ chính xác và độ nhạy cao, phân tích Wavelet trở thành công cụ hữu ích được sử dụng để đảm bảo an toàn và độ bền của kết cấu dầm.