CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU 1. HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CẤU CẦU Có cách để mô tả hệ thống quan trắc cầu như vẽ một sơ đồ tương tự của cấu trúc con người. Bác sĩ khám sức khỏe cho bệnh nhân của họ, nhưng Kỹ sư hiện này cần phải có khả năng kiểm tra điều kiện phổ biến của công trình. Bác sĩ sử dụng thiết bị y tế để theo dõi kiểm tra bệnh nhân, còn kỹ sư dùng thiết bị cảm biến để đọc được sự hư hỏng của công trình.
Có hai cách để nhận dạng và dự báo khuyết tật của công trình cầu. Thứ nhất là nguyên cứu về đặc điểm của từng dạng khuyết tật riêng biệt dựa vào nét đặc trưng của chung. Thứ hai là hướng phi cấu trúc, không quan tâm một cách chi tiết về từng loại khuyết tật mà chỉ nguyên cứu đặc trưng chung về đáp ứng động lực học khi có khuyết tật để nhận dạng và dự báo và lời giải bài toán ngược động lực học cơ hệ. Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 6 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring 1.
Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu Quan trắc kết cấu cầu theo thuật ngữ Anh là “ Health monitoring of Bridge” là một thuật ngữ dùng để mô tả việc giám sát tình trạng tổng thể của kết cấu cầu, nó được định nghĩa theo mục tiêu và yêu cầu đặt ra đối với kết cấu cầu trong suất thời gian sử dụng của nó. Việc theo dõi trạng thái ứng xử của vật liệu sử dụng dưới tác dụng của tải trọng khác nhau. Như vậy việc tiến hành xác định các hư hỏng của cầu như là sự thay đổi về vật liệu, kích thước hình học, điều kiện biên và hệ thống liên kết… Quan trắc kết cấu cầu là một hệ thống được đặc trưng bởi nhiều dụng cụ cảm biến và nhiều hệ thống phụ khác như hệ thống kết nối từ bộ phận thu thập số liệu đến các bộ phận cảm biến, hệ thống thu thập số liệu và xử lý số liệu trung gian, hệ thống truyền dữ liệu từ hệ thống trung gian về trung tâm điều hành, hệ thống phân tích dữ liệu và chẩn đoán và hệ thống cảnh báo. Một hệ thống quan trắc hoàn chỉnh bao gồm: - Hệ thống thu nhận (Các cảm biến).
- Hệ thống thu thập dữ liệu. - Hệ thống xử lý dữ liệu. - Hệ thống truyền tải dữ liệu. - Hệ thống đánh giá và đưa ra các kết luận.
Khi xây dựng hệ thống quan trắc cần phải có một mục tiêu và động lực rõ ràng để chủ đầu tư chấp nhận, phải chỉ ra rằng các công việc hiện tại mà chủ đầu tư đang thực hiện không đáp ứng được yêu cầu là giảm chi phí và tăng cường tuổi thọ công trình. Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 7 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring Hình 1. Các thành phần của hệ thống quan trắc cầu. Hệ thống quan trắc theo dõi có thể làm được các công việc trên nhờ các bộ cảm biến được gắn vĩnh viễn trên các vị trí khác nhau của kết cấu để đo đạc một cách liên tục các tham số liên quan về kết cấu, về môi trường xung quanh với các tác động trực tiếp và gián tiếp lên kết cấu, về các tải trọng xe cộ thực tế diễn ra trên kết cấu trong thời gian phục vụ.
Các động lực chính để xúc tiến việc lắp đặt hệ thống quan trắc là: - Hiện trạng công trình cầu đang lão hóa và các vấn đề kinh tế- xã hội liên quan với việc tăng cường, sửa chữa so với xây dựng mới. - Tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực máy tính, lưu trữ và các cảm biến. - Những vụ sập cầu gần đây gây ra các hậu quả nặng nề và được các phương tiện tuyền thông đưa tin, do đó tạo ra mối quan tâm lớn của cộng đồng tạo nên áp lực lớn, vì vậy nên tăng quỹ cho nghiên cứu. - Trách nhiệm, điều này có nghĩa là phương pháp mới cần được đưa vào các quy trình, và có hướng dẫn cụ thể.
Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 8 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring - Hướng về kinh tế, ví dụ như tình huống xếp hạng cầu để có kế hoạch sửa chữa vì không đủ vốn để thay thế mới hoặc cần sử dụng kết cấu với thời gian dài so với dự kiến, mức độ phục vụ lớn hơn. Thúc đẩy tính tò mò, trường hợp này khi muốn biết thêm về tầm quan trọng và tính phức tạp của kết cấu cầu, để đưa đến một kế hoạch tốt hơn cho kết cấu cầu trong tương lai. Lịch sử phát triển hệ thống quan trắc kết cấu cầu Theo Wenzel (2003) lịch sử phát triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn sau: - Thế kỷ 19 Phát triển động lực học của kết cấu. - 1920-1945 Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp - 1965-1975 Phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính.
- 1970-1980 Phát triển của phương pháp dao động - 1975-1990 Bổ sung của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính. - 1990-2000 Bổ sung phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến. - 1992-1995 Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh. - 1993-1996 Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu.
- Từ 1994 Áp dụng các phương pháp đo dao động. - Từ 1995 Phát triển thêm phương pháp thu nhận kết quả quan trắc “Quan trắc thông minh” - Từ 1996 Thương mại hóa các thiết bị đo. Hoạt động quan trắc đã bùng nổ mạnh trong thập kỷ gần đây, do sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực khoa học máy tính, hệ thống theo dõi “Thông minh”. Thuật ngữ “Thông minh” sau đó được sử dụng để nhấn mạnh ý nghĩa của hệ thống quan trắc thông minh vì có độ bền, đáng tin cậy và kinh tế.
Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 9 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring 1. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu Theo Helmut Wenzel (2009), hệ thống quan trắc có thể cung cấp thông tin cơ bản như sau: - Chứng nhận rằng kết cấu cầu đáp ứng các yêu cầu của các quy trình, nó đưa đến kỹ thuật mới trong công tác quản lý cầu và tạo ra môi trường cạnh tranh tốt trong ngành xây dựng. - Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu về kỹ thuật và vận hành hệ thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lưu trữ dữ liệu của cầu thành sự kiểm soát tư nhân, từ đó thúc đẩy các công việc mới như là cung cấp sự đổi mới và kế hoạch sửa chữa mới. - Đối với các kết cấu cầu đặc biệt đòi hỏi có những quan tâm đặc biệt, mà các ý kiến của các chuyên gia không phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ cũng đò hỏi phải cập nhật liên tục.
- Trong tình huống khẩn cấp thì chủ đầu tư cần phải đưa ra các quyết định nhanh chóng và chính xác. Các đánh giá dựa trên kết quả đo đạc thì được dễ dàng chấp nhận hơn ý kiến đánh giá chủ quan của các chuyên gia. Điều này làm cho chủ đầu tư có thể yên tâm vì đã có một hệ thống đang theo dõi thường xuyên, tự động và kịp thời đưa ra các cảnh báo cho họ. - Lĩnh vực này cũng được áp dụng trong trường hợp ngẫu nhiên hoặc khẩn cấp, việc sử dụng các đánh gia chủ quan làm tăng nhiều nhược điểm và độ tin cậy không cao.
- Khái niệm tối ưu trong việc sửa chữa cần phải được đưa vào trong quá trình thực hiện, càng nhiều dữ liệu, càng tổ chức tốt hơn và làm cho các công việc sửa chữa được rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro và giúp Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 10 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring đưa ra các quyết định có biên độ an toàn thấp hơn, có nghĩa là tiết kiệm được chi phí. - Việc đưa ra các quyết định thông qua các số liệu định lượng trên cơ sở đo lường kết cấu cầu giúp đưa ra các biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn nhỏ, chỉ một bộ phận nhỏ các kết cấu mới đòi hỏi có sự can thiệp vào. Kỹ thuật đo đạc mới nâng cao cơ sở dữ liệu và chất lượng của các kết quả để phục vụ cho việc đưa ra các quyết định cần thiết. - Dự đoán khả năng phục vụ của kết cấu cầu trong tương lai.
- Khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả quan sát được để xuất để đánh giá khi số lượng kết cấu khổng lồ, việc này được chia thành nhiều giai đoạn phụ thuộc vào mức độ sâu của thông tin yêu cầu. - Điểm quan sát nên bao gồm các dụng cụ đo nhanh với các cảm biến đơn giản cầm tay, nó cung cấp các thông tin hiện trạng tổng quan của kết cấu cầu. - Các đánh giá định kỳ có nghĩa là có một kế hoạch đo nhiều lần lặp lại trên kết cấu cầu, nó được lặp lại sau một khoảng thời gian. - Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới hạn của cầu bị vượt qua, các quan sát này cho phép đánh giá chi tiết dựa vào các dữ liệu và giúp đưa ra các quyết định nhanh chóng.
- Quan sát và đánh giá trực tuyến cho phép cảnh báo thông qua các phương tiện truyền thông. Thông qua các đoạn tin nhắn (SMS) trong trường hợp đơn giản hoặc theo dõi trực tuyến từ internet. Các quyết định có thể được thực hiện trên các máy tính dựa trên dữ liệu đo đạc. Hệ thống cảnh báo này áp dụng khi giới hạn của kết cấu bị vượt qua.
- Trong trường hợp thông thường thì chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trở nên đơn giản, các kỹ thuật mới này đòi hỏi các yêu cầu phức Sinh viên: Cheng Por Eng Trang 11 Lớp: Cao học cầu hầm K19 Đồ án tốt nghiệp Bridge health monitoring tạp hơn và có mức độ hiểu biết sâu sắc về động học của kết cấu, vật lí và các kỹ thuật đo lường. Kết quả cuối cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỹ thuật đơn giản, cung cấp các thông tin rõ ràng, chính xác. Các thông tin chính được cung cấp trên một cửa sổ đơn của chương trình. - Các hình ảnh và hệ thống biểu đồ khi quan sát kết cấu để có thể xác định một cách dễ dàng.
Các tiên đề của hệ thống quan trắc Theo (Helmut Wenzel, 2009) Tiên đề 1.