CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Hình 1. Hư hỏng tại vùng neo của cầu treo Kẻ Nính (huyện Quỳ Châu, Nghệ An) 1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.
Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định lực căng và đánh giá mức độ hao tổn lực căng của kết cấu dây cáp dựa trên kỹ thuật dao động và trở kháng. Nội dung nghiên cứu Sau đây là các nhiệm vụ và nội dung cụ thể của nghiên cứu: 1. Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp quan trắc sức khỏe kết cấu dây cáp. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các phương pháp xác định lực căng trong kết cấu dây cáp dựa trên tần số dao động tự nhiên và đáp ứng trở kháng cơ-điện.
Mô phỏng kết cấu dây cáp bằng mô hình phần tử hữu hạn để xác định tín hiệu dao động tương ứng với các cấp lực. Từ công thức lý thuyết, lực căng của dây cáp được xác định dựa vào tần số dao động tự nhiên. Kết quả tính toán được kiểm chứng so với kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu trước. Mô phỏng vùng neo cáp bằng mô hình phần tử hữu hạn để xác định tín hiệu đáp ứng trở kháng tương ứng với các cấp lực.
Kết quả mô phỏng và tính toán được kiểm chứng với nghiên cứu trước. Áp dụng PTHH để mô phỏng kết cấu dây cáp và vùng neo cáp nhằm xác định tín hiệu dao động và đáp ứng trở kháng trong những trường hợp hao tổn được giả định. Từ những tín hiệu này, sự thay đổi lực căng cáp được xác định dựa vào sơ đồ kết hợp của hai phương pháp dao động và trở kháng. Kết quả tính toán từ sơ đồ kết hợp được đánh giá và so sánh.
Phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả quan trắc lực và sự thay đổi lực căng cáp theo phương pháp dao động và trở kháng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu được hướng đến là lực căng của kết cấu dây cáp được xác định dựa trên kỹ thuật dao động và trở kháng. Phạm vi nghiên cứu Nhằm đảm bảo tiến độ và nội dung nghiên cứu có thể thực hiện được.
Luận văn được giới hạn trong phạm vi dưới đây: 1) Mô phỏng kết cấu dây cáp và vùng neo cáp bằng mô hình phần tử hữu hạn của phần mềm ANSYS. 2) Sử dụng hai kỹ thuật dao động và trở kháng để xác định lực căng của kết cấu dây cáp dựa trên tần số dao động tự nhiên và đáp ứng trở kháng cơ-điện. 3) Bỏ qua các các yếu tố bao gồm gió, độ ẩm, môi trường tác động,… trong nội dung nghiên cứu. Các mô hình được mô phỏng trong điều kiện lý tưởng dựa vào những thông số thiết kế ban đầu và các đặc trưng vật liệu của kết cấu.
Tính cần thiết và ý nghĩ thực tiễn của nghiên cứu Mục đích chính của việc phát hiện hư hỏng ở kết cấu công trình là xác định nguyên nhân, vị trí và loại hư hỏng; đo lường mức độ hư hỏng và dự đoán tuổi thọ của kết cấu đó trong thời gian sớm nhất. Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu công trình là do các yếu tố bên trong (ăn mòn, từ biến, lão hóa,…) hay do các yếu tố bên ngoài (động đất, tải trọng gió, va đập,…). Những hư hỏng do các yếu tố trên gây ra có thể phát sinh rất chậm và chỉ quan sát được khi sự xuất hiện hư hỏng của kết cấu có mức độ đáng kể. Việc phát hiện sớm các hư hỏng của kết cấu trước ngưỡng an toàn là điều cần thiết để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và vận hành trong suốt vòng đời của kết cấu công trình.
Hiện nay, giám sát sức khỏe kết cấu trực tiếp bằng phương pháp quan trắc đang được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, chúng có chi phí cao, có mức độ hiệu quả thấp và còn tính định tính do phụ thuộc vào kinh nghiệm chủ quan của người đo đạc. Do đó, những phương pháp khác khả thi và khách quan hơn được nghiên cứu và phát triển ngày càng rộng rãi. Đối với kết cấu dây cáp, hai kỹ thuật dao động và trở kháng có thể giám sát và đánh giá mức độ hao tổn lực căng của kết cấu dây cáp để đưa ra biện pháp xử lý kịp thời và đảm bảo cho kết cấu làm việc bình thường.
Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn được trình bày gồm 6 chương như sau: Chương 1. Giới thiệu Giới thiệu sơ lược về đề tài, mục tiêu và nội dung nghiên cứu; đối tượng và phạm vi nghiên cứu; tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Tổng quan nghiên cứu Giới thiệu tổng quan các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về phương pháp Giám sát Sức khỏe Công trình, kỹ thuật dao động và kỹ thuật trở kháng. Cơ sở lý thuyết Trình bày các cơ sở lý thuyết của các phương pháp xác định lực căng cáp trong kết cấu dây cáp dựa trên tần số dao động tự nhiên và đáp ứng trở kháng cơ-điện.
Sơ đồ kết hợp hai phương pháp trên được đề xuất để đánh giá sự thay đổi lực căng cáp. Các bài toán ứng dụng Mô phỏng kết cấu dây cáp và vùng neo cáp bằng mô hình phần tử hữu hạn để xác định lực căng của kết cấu dây cáp và kiểm chứng kết quả mô phỏng so với kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu trước. Kết quả tính toán từ sơ đồ kết hợp được đánh giá và so sánh trong những trường hợp tổn hao giả định. Nghiên cứu mở rộng Phân tích và đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả quan trắc và sự thay đổi lực căng dây cáp theo phương pháp dao động và trở kháng.
Kết luận và kiến nghị Kết luận và kiến nghị hướng phát triển đề tài trong tương lai. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Giám sát Sức khỏe Kết cấu (SHM) là phương pháp đánh giá không phá hoại kết cấu tại hiện trường với nhiệm vụ giám sát tình trạng sức khỏe của các vật liệu thành phần và của các phần tử trong hệ kết cấu. Các kỹ thuật của phương pháp SHM được nghiên cứu và ứng dụng, được liệt kê dưới đây: Kiểm tra trực quan là kỹ thuật giám sát sức khỏe kết cấu phổ biển mà không cần sử dụng bất kỳ thiết bị chuyên dụng nào.
Kỹ thuật này được sử dụng khi sự hư hỏng xuống cấp của các kết cấu có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Tuy nhiên, hư hỏng có thể xảy ra ở bất cứ vị trí nào ở vùng neo cáp và dọc theo chiều dài dây cáp, nên việc xác định được các vị trí hư hỏng chủ yếu dựa vào kinh nghiệm chủ quan của người kiểm tra. Vì thế, kiểm tra trực quan không đảm bảo sự giám sát chính xác và toàn diện sức khỏe kết cấu công trình. Phương pháp dao động là kỹ thuật giám sát độ biến dạng và độ võng của tổng thể kết cấu dựa trên những đặc tính rung động của kết cấu, chẳng hạn như tần số dao động tự nhiên.
Nguyên tắc của kỹ thuật dao động sử dụng sự tương quan của tần số tự nhiên và độ cứng của kết cấu để xác định lực căng của kết cấu cáp. Các tín hiệu dao động được đo đạc gián tiếp bằng cách sử dụng cảm biến gia tốc kế, cảm biến sợi quang gắn trên các kết cấu. Phương pháp trở kháng là kỹ thuật giám sát dựa trên tín hiệu đáp ứng trở kháng cơ-điện được đo đạc từ các vật liệu áp điện để định lượng và phát hiện các hư hỏng tại những vị trí cục bộ của kết cấu mà mắt thường không thể quan sát được. Kỹ thuật trở kháng sử dụng các dải tần số siêu âm với bước sóng ngắn cho phép phát hiện những khuyết tật như vết nứt trên bê tông, tách lớp của kết cấu composite, tổn hao lực căng cáp hoặc nới lỏng bu lông.
Phương pháp năng lượng biến dạng là kỹ thuật giám sát trực tiếp đơn giản và chính xác dựa vào mối quan hệ ứng suất – biến dạng của định luật Hooke. Để đo đạc độ biến dạng, các thiết bị đo biến dạng rung hay thiết bị đo biến dạng điện hay cảm biến sợi quang thường được sử dụng và gắn trực tiếp vào kết cấu. Tuy nhiên, việc gắn trực tiếp các cảm biến đo vào sợi cáp có thể gây ra biến dạng kéo lớn trong quá trình căng dây cáp. Phương pháp âm học là kỹ thuật giám sát dựa trên những nguyên lý về âm thanh đàn hồi và sự tương quan của vận tốc sóng trong các sợi cáp được kéo căng và ứng suất tác dụng.
Nhưng, các tín hiệu âm thanh cũng bị ảnh hưởng bởi những tiếng ồn và nhiễu điện từ trong quá trình đo đạc thực tế. Vì vậy, kỹ thuật âm học yêu cầu độ phức tạp và quá trình đo đạc chuyên biệt để loại bỏ những nhiễu loạn âm thanh. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Đối với mục tiêu đặt ra của bài nghiên cứu, phương pháp dao động và trở kháng được sử dụng để xác định lực căng của kết cấu dây cáp. Phương pháp dao động rất hữu ích cho việc phát hiện hư hỏng tổng thể kết cấu dựa trên các tần số dao động.
Trong khi đó, phương pháp trở kháng ghi nhận những thay đổi tín hiệu đáp ứng trở kháng nhằm phát hiện sự tổn hao của các cấu kiện. Cả hai kỹ thuật dao động và trở kháng hiện đang được chú trọng trong nhiều bài nghiên cứu và được ứng dụng cho nhiều cấu kiện khác nhau, trong đó có kết cấu dây cáp và vùng neo cáp. Các nội dung nghiên cứu liên quan được trình bày trong CHƯƠNG 2. Phương pháp nghiên cứu dao động cho cáp 2.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước Irvine và cộng sự (1974) [1] đã ứng dụng phương pháp nghiên cứu giải tích và lý thuyết dao động tự do của một dây cáp nhằm tìm ra lời giải cho phương trình dao động đặc trưng tự do của một dây cáp, bỏ qua sự ảnh hưởng của độ cứng chống uốn dây cáp. Shinke và cộng sự (1980) [2] đã sử dụng phương pháp dao động tiến hành đo tại hiện trường lực căng của dây cáp trong quá trình xây dựng cầu. Các công thức thực nghiệm được đề xuất có thể xác định lực căng dây cáp có kể đến ảnh hưởng của độ cứng uốn và độ võng của cáp bằng cách sử dụng các tần số dao động tự nhiên bậc thấp. Shimada (1994) [3] đã cải thiện phương pháp dao động để xác định lực căng dây cáp từ các mode dao động bậc thấp khi có xét đến ảnh hưởng của độ cứng chống uốn, độ võng và độ nghiêng của dây cáp.
