Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật: Chẩn Đoán Vết Nứt Trong Cần Trục Tháp Bằng Phương Pháp Thử Nghiệm Động

Luận án tiến sĩ phân tích kĩ thuật chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức mới

• Tác giả: Đặng Xuân Trọng
• Người hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm
• Trường học: Học Viện Khoa Học và Công Nghệ
• Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
• Đề tài: Chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phương pháp thử nghiệm động

Phương pháp thử nghiệm động là một kỹ thuật quan trọng trong việc chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp. Phương pháp này dựa trên việc đo đạc các đặc trưng động lực học của kết cấu, đặc biệt là tần số riêng. Các tần số riêng này phản ánh trạng thái kỹ thuật của kết cấu và sự thay đổi của chúng có thể chỉ ra sự xuất hiện của vết nứt. Phương pháp thử nghiệm động được áp dụng để mô phỏng và phân tích dao động của cần trục tháp, từ đó xác định các vết nứt tiềm ẩn.

1.1. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của phương pháp thử nghiệm động dựa trên lý thuyết dầm đàn hồi cổ điển Euler-Bernoulli. Phương trình dao động của kết cấu được thiết lập dựa trên ma trận độ cứng động lực, cho phép tính toán chính xác các tần số riêng. Phương pháp này không bị giới hạn bởi số bậc tự do, giúp tính toán tần số cao bất kỳ. Đây là ưu điểm nổi trội so với các phương pháp khác như phương pháp phần tử hữu hạn.

1.2. Ứng dụng thực tế

Trong thực tế, phương pháp thử nghiệm động được sử dụng để kiểm tra và chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp. Các kết quả đo đạc tần số riêng được so sánh với dữ liệu mô phỏng để xác định vị trí và độ sâu của vết nứt. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc phát hiện các vết nứt ở vị trí khó tiếp cận, giúp đảm bảo an toàn kỹ thuật trong vận hành cần trục tháp.

II. Chẩn đoán vết nứt

Chẩn đoán vết nứt là một quá trình quan trọng trong việc đảm bảo an toàn kỹ thuật của cần trục tháp. Phương pháp này dựa trên việc phân tích các đặc trưng động lực học của kết cấu, đặc biệt là tần số riêng. Sự thay đổi của tần số riêng có thể chỉ ra sự xuất hiện và phát triển của vết nứt. Chẩn đoán vết nứt giúp phát hiện sớm các khuyết tật, ngăn ngừa sự cố trong quá trình vận hành.

2.1. Phương pháp đo đạc

Phương pháp đo đạc trong chẩn đoán vết nứt bao gồm việc sử dụng các thiết bị đo rung động và ồn để thu thập dữ liệu về tần số riêng của kết cấu. Các dữ liệu này được so sánh với kết quả mô phỏng để xác định vị trí và độ sâu của vết nứt. Phương pháp này đòi hỏi độ chính xác cao và hệ thống thiết bị hiện đại để đảm bảo kết quả đáng tin cậy.

2.2. Phân tích dữ liệu

Phân tích dữ liệu trong chẩn đoán vết nứt bao gồm việc xử lý các tín hiệu đo đạc để xác định sự thay đổi của tần số riêng. Các thuật toán được phát triển để xác định phần tử bị nứt dựa trên sự thay đổi này. Kết quả phân tích giúp đưa ra các khuyến nghị về bảo trì và sửa chữa, đảm bảo an toàn kỹ thuật của cần trục tháp.

III. Cần trục tháp

Cần trục tháp là một thiết bị nâng hạ quan trọng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình. Thiết bị này có cấu tạo phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận như cần, tháp, đối trọng và các cơ cấu nâng hạ. Cần trục tháp đóng vai trò quan trọng trong việc nâng và di chuyển các cấu kiện xây dựng, đặc biệt là trong các công trình cao tầng.

3.1. Cấu tạo và chức năng

Cấu tạo của cần trục tháp bao gồm cần, tháp, đối trọng và các cơ cấu nâng hạ. Cần và tháp là các bộ phận chịu tải chính, quyết định chiều cao nâng và tầm với của thiết bị. Đối trọng giúp cân bằng lực trong quá trình nâng hạ. Các cơ cấu nâng hạ đảm bảo việc di chuyển hàng hóa một cách an toàn và hiệu quả.

3.2. Ứng dụng trong xây dựng

Cần trục tháp được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình cao tầng, nhà máy và khu công nghiệp. Thiết bị này có khả năng nâng và di chuyển các cấu kiện xây dựng có trọng lượng lớn, giúp tăng năng suất và hiệu quả công việc. Việc sử dụng cần trục tháp đòi hỏi phải tuân thủ các quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

IV. Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của Đặng Xuân Trọng tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển phương pháp chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động. Luận án đã đưa ra các kết quả nghiên cứu quan trọng, bao gồm mô hình độ cứng động lực và các thuật toán chẩn đoán vết nứt dựa trên tần số riêng. Luận án tiến sĩ kỹ thuật này có giá trị thực tiễn cao, giúp cải thiện an toàn kỹ thuật trong vận hành cần trục tháp.

4.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án tiến sĩ kỹ thuật là phát triển phương pháp chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng cách sử dụng phương pháp thử nghiệm động. Luận án tập trung vào việc xây dựng mô hình độ cứng động lực và phân tích ảnh hưởng của vết nứt đến tần số riêng của kết cấu. Kết quả nghiên cứu giúp đề xuất các giải pháp bảo trì và sửa chữa hiệu quả.

4.2. Kết quả nghiên cứu

Luận án tiến sĩ kỹ thuật đã đạt được các kết quả quan trọng, bao gồm việc xây dựng mô hình độ cứng động lực cho kết cấu tháp có vết nứt, phân tích ảnh hưởng của vết nứt đến tần số riêng và đề xuất thuật toán chẩn đoán vết nứt. Các kết quả này đã được công bố trong các hội nghị khoa học và tạp chí chuyên ngành, góp phần nâng cao hiểu biết và ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về thiết bị nâng hạ và vấn đề kiểm định các thiết bị nâng hạ trong thực tế; tổng quan về bài toán đánh giá trạng thái kỹ thuật (Structural Health Monitoring) và chẩn đoán vết nứt trong kết cấu công trình. Chương 2 trình bày nội dung của phương pháp độ cứng động được phát triển cho kết cấu khung phẳng có vết nứt và mô hình độ cứng động của kết cấu tháp có vết nứt. Ma trận độ cứng động của kết cấu tháp có vết nứt được thiết lập ở dạng hiển, dễ dàng áp dụng cho việc thay đổi các tham số kết cấu. Chương 3 trình bày các kết quả phân tích số đáp ứng phổ của cần trục tháp nguyên vẹn chịu tác dụng của tải trọng di động và phân tích ảnh hưởng vị trí, độ sâu và số lượng vết nứt đến tần số riêng của kết cấu tháp.

Những phân tích ảnh hưởng của vết nứt đến tần số riêng làm cơ sở dữ liệu để đề xuất một thuật toán xác định phần tử bị nứt trong kết cấu tháp từ số liệu đo đạc của tần số riêng. Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên một mô hình kết cấu tháp trong phòng thí nghiệm. Ở đây trình bày sơ lược về phương pháp thử nghiệm động và hệ thống thiết bị được sử dụng trong việc đo đạc tần số riêng của kết cấu. 3 Kết quả thí nghiệm vừa để kiểm chứng tính đúng đắn của phương pháp mô phỏng số vừa làm đầu vào cho việc chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng cách đo đạc các tần số riêng.

Kết luận chung trình bày những kết quả chính đã thu được của luận án và đề xuất một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu. Những kết quả chính của luận án có thể được tóm tắt như sau: 1. Đã xây dựng được một mô hình độ cứng động ở dạng tường minh cho một kết khung phẳng có vết nứt, một mô hình đơn giản của cần trục tháp có vết nứt, có thể dễ dàng áp dụng để phân tích dao động riêng cũng như dao động cưỡng bức của kết cấu; 2. Đã tính toán đáp ứng phổ (chuyển vị, mô men uốn và lực cắt phân bố trên cần chính của cần trục tháp khi tải trọng di động trên cần (khi cần cầu tháp làm việc với tải trọng); 3.

Đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của vết nứt trong từng phần tử cũng như các vết nứt xuất hiện đồng thời trong các phần tử đến tần số riêng của cần trục tháp làm cơ sở dữ liệu để chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng cách đo đạc các tần số riêng; 4. Đã nghiên cứu thực nghiệm trên một mô hình cần trục tháp trong phòng thí nghiệm nhằm kiểm định mô hình và kết quả mô phỏng số cần trục tháp có vết nứt và làm số liệu đầu vào cho việc chẩn đoán vết nứt bằng tần số riêng; 5. Đã đề xuất một chỉ tiêu để xác định phần tử có vết nứt từ số liệu đo đạc tần số riêng cho phép ta xác định chính xác phần tử bị nứt trong mô hình cần trục tháp. Các kết quả đã được công bố trong 02 báo cáo Hội nghị khoa học toàn quốc, 01 bài báo đăng như một chương sách được xuất bản bởi nhà xuất bản có uy tín (tương đương 01 bài báo quốc tế scopus) và 01 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Vietnam Journal of Science and Technology).

Tổng quan về thiết bị nâng hạ 1. Sơ lược về thiết bị nâng hạ Thiết bị nâng hạ là những thiết bị dùng để nâng chuyển các loại hàng kiện, hàng rời, vật liệu lỏng (dung dịch), …v., từ nơi này sang nơi khác theo một chu trình làm việc nhất định. Máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong các ngành giao thông vận tải, ngành xây dựng và nhiều ngành kinh tế quốc dân khác [1, 2]. Thiết bị nâng hạ quan trọng thường là các máy trục hay cần trục hoạt động không thường xuyên mà theo chu kỳ.

Máy trục thông dụng là những thiết bị có cấu tạo bao gồm nhiều cơ cấu, đảm bảo nâng, hạ hàng ở một chiều cao nhất định, nó có thể di chuyển hàng theo phương thẳng đứng, phương nghiêng và có phạm vi hoạt động rất rộng. Loại máy này gồm: các loại cầu trục, cổng trục, cần trục, các loại máy nâng tự hành, v. Một số máy trục thông dụng Trong sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới cũng như ở Việt Nam việc sử dụng các thiết bị nâng hạ để nâng cao năng suất, hiệu quả công việc là yêu cầu quan trọng. Đặc biệt là quá trình thi công các công trình xây dựng với khối lượng hàng hoá, cấu kiện vật tư thi công, lắp ghép lớn và phạm vi rộng, dạng thiết bị nâng hạ được sử dụng phổ biến chính là cần trục tháp [3].

Cần trục tháp là một loại cần trục quay có cần với chiều cao nâng và tầm với lớn được sử dụng phổ biến trong công tác xây dựng các công trình có chiều cao lớn, trong đó có nhà cao tầng. Ngoài tháp và cần, cần trục tháp còn có các bộ phận sau 5 đây: Kết cấu đế, đối trọng, cơ cấu nâng- hạ hàng, cơ cấu thay đổi tầm với, cơ cấu đỡ- quay và cơ cấu di chuyển (đối với cần trục di chuyển). Kết cấu chịu tải của cần trục tháp được cấu thành từ cần, tháp. Kích thước của hai thành phần này quyết định chiều cao nâng và tầm với của cần trục - hai thông số liên quan đến kích thước công trình xây dựng.

Tầm với tối ưu của cần trục tháp có thể đạt tới 80% tầm với toàn phần của nó, trong khi đó tầm với tối ưu của cần trục tự hành chỉ đạt được 50%, mặt khác chiều cao nâng của cần trục này cũng rất bị hạn chế khi chiều cao công trình tăng lên. Với loại cần trục có cần nối thêm thì điều kiện sử dụng tốt hơn, nhưng trong trường hợp này do phải đứng nghiêng, cho nên cần trục phải đứng cách xa công trình một khoảng cách không nhỏ hơn 20% chiều cao công trình. Kết cấu chung tổng thể của cần trục tháp. Để xây dựng các công trình xây dựng tầm trung, người ta thường sử dụng các loại cần trục tháp có sức nâng từ 0,3÷ 1,5 tấn và có tầm với từ 10÷ 20 m, còn để xây dựng các công trình dân dụng từ các cấu kiện xây dựng thì sử dụng cần trục nặng hơn, những cần trục này có sức nâng từ 3÷ 5 tấn, có tầm với từ 15÷ 30 m.

Trong giai đoạn hiện nay, do phải nâng các cấu kiện xây dựng có trọng lượng và kích thước lớn nên người ta phải dùng cần trục tháp có sức nâng lên tới 30÷ 50 tấn hoặc lớn hơn. 6 Đa số các cần trục tháp được sử dụng để thi công các công trình có chiều cao lớn. Các cần trục này có thể được lắp đặt dưới đất với chiều cao đến 80m; cũng có những loại được đặt trên công trình đang xây để tăng chiều cao nâng, có khi đến hàng trăm mét. Hiện nay cần trục tháp được sử dụng nhiều để thi công các công trình công nghiệp như các công trình thủy điện, trung tâm thương mại, tháp truyền hình, chung cư cao tầng, các nhà máy, các khu công nghiệp.

Các cần trục này có thể được lắp đặt dưới đáy hố công trình, trên các triền đà hoặc các mảng kết cấu đã xây dựng. Trong trường hợp đó, người ta có thể bố trí hai hoặc nhiều cần trục cùng làm việc. Các cần trục này đều thuộc loại tự nâng và tự di chuyển. Sức nâng của các cần trục sử dụng trong xây dựng công nghiệp và xây dựng thủy điện có thể đạt tới 75 tấn.

Để tăng khả năng sử dụng sức nâng của cần trục loại này, người ta có thể bố trí thêm cần phụ. Các cần trục tháp đều được thiết kế, chế tạo theo Quy chuẩn và tiêu chuẩn đã định. Tại các nước chế tạo nhiều cần trục tháp (Nga, Pháp, Mỹ, Đức, Anh, Nhật Bản, Trung Quốc) thì các tiêu chuẩn được áp dụng một cách triệt để. Ở Nga, Mỹ, Đức, Pháp đều có tiêu chuẩn quốc gia về các thông số của cần trục tháp.

Hiện nay các cần trục tháp được chế tạo với số lượng lớn, loại nhẹ thì có mô men cẩu hàng từ 2 đến 15Tm, loại lớn lên đến 1500Tm. Ở Đức, xu hướng chế tạo các cần trục tháp loại nặng ngày càng tăng, trong đó có các cần trục tháp nối thêm hoặc tự nâng. Cần trục tháp ở Nga chế tạo tải trọng nâng có thể đạt đến 70 tấn, chiều dài cần từ 7 đến 60m. Chiều cao nâng có thể đến 100m; cần trục có tháp nối thêm có thể đạt tới 300m, còn của cần trục tự nâng được lắp trên công trình có thể đạt tới 500m.

Trong những thập niên 60 của thế kỷ XX, ở Nga đã sử dụng cần trục tháp để xây dựng tượng đài Người mẹ ở Vongagrat cao 82m và xây dựng cột tháp truyền hình tại Maxcơva cao 535m. Cần trục tháp cũng được sử dụng để nâng, hạ hàng tại các hố giếng trong quá trình xây dựng đường hầm Metro hoặc các công trình ngầm nằm sâu dưới lòng đất. Ở Việt Nam, với tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước; các công trình trọng điểm, các đô thị hiện đại được phát triển và mở rộng; việc sử dụng cần trục tháp là nhu cầu tất yếu, đặc biệt với các công trình có chiều cao lớn. Thời gian qua điển hình như tại: Công trình trung tâm thương mại Vincom, Công trình Bitexco 7 Sài Gòn, Lotte Hà Nội, Kengnam Hà Nội, Landmark 81, Công trình thủy điện Lai Châu, Công trình Thuỷ điện Sơn La, …v.

Một số hư hỏng của cần trục tháp và kiểm tra không phá huỷ trong quy trình kiểm định thiết bị nâng Trong quá trình lắp đặt, vận hành cần trục tháp có thể bị sập đổ. Một trong những nguyên nhân chính lớn nhất dẫn đến đổ sập cần trục tháp là do các kết cấu chịu lực của cần trục bị suy giảm khả năng chịu lực do các khuyết tật trong quá trình chế tạo hay các vết nứt phát sinh trong quá trình vận hành; do tuổi thọ, do các hư hỏng phát sinh trong quá trình vận hành thiết bị trên công trình xây dựng hoặc liên kết giữa các đoạn, đốt thân và cần của cần trục tháp không đảm bảo an toàn. Trong thực tế quá trình chế tạo, lắp đặt và sử dụng thiết bị, nứt do các phương pháp hàn là dạng hư hỏng nguy hiểm và thường gặp trong các sự cố tai nạn về thiết bị.