Quan trắc và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.26 MB, 28 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Cơng trình được hồn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Người hướng dẫn khoa học : GS. TS. Nguyễn Ngọc Long Phản biện 1: GS. TSKH. Nguyễn Đông Anh

Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Bình Hà

Phản biện 3: TS. Đỗ Hữu Thắng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường theo Quyết định Số 686 /QĐ-ĐHGTVT ngày 02 tháng 04 năm 2024

Họp tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Vào hồi: ………ngày…….tháng……..năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải; - Thư viện Quốc Gia.

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

MỞ ĐẦU

1. Mở đầu

Trong lĩnh vực giao thơng hiện nay đang có sự quan tâm lớn trong việc sử dụng các cảm biến quang để theo dõi liên tục khả năng chịu lực của kết cấu lớn như cầu. Trường hợp số lượng điểm đo lớn, khó có thể lắp đặt được hệ thống dây dẫn, thì với một bộ cảm biến quang, có thể phát hiện nhanh hơn các vấn đề về kết cấu so với các cảm biến hiện tại. Cảm biến quang có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt và trong các khu vực thiếu nguồn điện gần đó. Nếu một sợi quang đơn được đặt dọc theo chiều dài của một cây cầu, các thay đổi kết cấu tại bất kỳ điểm cảm biến dọc theo sợi quang sẽ gây ra những thay đổi có thể phát hiện trong nguồn sáng di chuyển trong sợi.

Mặc dù cảm biến quang có những ưu điểm vượt trội, tuy nhiên tại Việt Nam lại có rất ít các nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng cảm biến quang vào giám sát sức khoẻ cơng trình. Chính vì những ưu điểm vượt trội của cảm biến quang, trong nội dung nghiên cứu của mình, nghiên cứu sinh tập trung

đi sâu nghiên cứu: “Quan trắc và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang” làm chủ đề nghiên cứu trong luận án của mình.

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng hệ thống quan trắc kết cấu bằng cảm biến quang FBG - Đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống cảm biến quang trong việc thu thập đặc trưng động của kết cấu

- Nghiên cứu bài toán chẩn đoán hư hỏng của kết cấu cơng trình cầu dựa vào các dữ liệu động thu được từ các cảm biến.

- Đề xuất thuật toán để cập nhật mơ hình và chẩn đốn hư hỏng trong kết cấu.

3. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng hợp phân tích lý thuyết; - Phương pháp số;

- Phương pháp phân tích số kết hợp với thực nghiệm.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống cảm biến quang FBG để giám sát kết cấu cầu giàn và cầu dây văng

- Đặc trưng động học của kết cấu cơng trình cầu giàn và cầu dây văng; - Mơ hình số hóa kết cấu cầu giàn và cầu dây văng;

- Các phương pháp xử lý số liệu.

- Các loại cảm biến để thu thập dữ liệu giám sát sức khỏe công trình.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

- Chẩn đốn vị trí và hư hỏng của kết cấu.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Sử dụng các loại cảm biến tiên tiến để thu thập dữ liệu giám sát sức khỏe cơng trình.

- Đề xuất thuật toán tối ưu mới lai giữa thuật tốn tối ưu và phương pháp giảm kích thước ma trận (H5N1-SVD) để cập nhật mơ hình, chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu.

- Tạo cơ sở dữ liệu cơng trình như một dạng hồ sơ lưu trữ giúp giám sát sức khoẻ cơng trình.

- Kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho lĩnh vực giám sát sức khoẻ cơng trình.

6. Nội dung của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án bao gồm những nội dung như sau:

Chương 1 - Tổng quan về giám sát sức khoẻ cơng trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang.

Chương 2 - Lý thuyết tính tốn và các đặc trưng cơ lý của cảm biến FBG

Chương 3 – Nghiên cứu ứng dụng cảm biến FBG để theo dõi đặc trưng động học của kết cấu mơ hình thí nghiệm

Chương 4 - Giám sát sức khỏe kết cấu sử dụng thuật toán tối ưu đề xuất kết hợp dữ liệu thu được từ cảm biến quang

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CÔNG TRÌNH SỬ DỤNG HỆ CẢM BIẾN VÀ CẢM BIẾN QUANG. 1.1. Tổng quan về hệ thống theo dõi sức khoẻ cơng trình cầu.

Những lợi ích rõ ràng, quan trọng nhất của quan trắc kết cấu cầu như sau:

- Việc quan trắc sẽ làm giảm các rủi ro về các nguyên nhân không lường trước.

- Công tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuvết về mặt kết cấu và tăng độ an tồn cho cơng trình cầu.

- Việc quan trắc đảm bảo chất lượng lâu dài: Bằng việc cung cấp số liệu liên tục về sự làm việc của cơng trình cầu, cơng tác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công, vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do dó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho cơng việc khơng đạt chất lượng.

- Cơng tác quan trắc giúp ích cho cơng tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ liệu quan trắc có thể giúp cho việc thực hiện công tác "bảo dưỡng theo nhu cầu".

- Ngoài ra hệ thống quan trắc sẽ cung cấp các thơng tin tham khảo rất bổ ích trong cơng tác thực hiện các dự án có quy mơ tương tự trong lương lai.

Chính vì tầm quan trọng của hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu. Hiện nay nhiều cơng trình cầu trên thế giới đang áp dụng các hệ thống SHM để giám sát sức khỏe cơng trình cầu

1.2. Tổng quan về các nghiên cứu giám sát sức khoẻ cơng trình cầu.

Trong những thập kỷ gần đây, cập nhật mô hình để theo dõi sức khỏe

kết cấu dựa trên đặc trưng dao động ngày càng được sử dụng phổ biến hơn. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về lĩnh vực giám sát sức khỏe kết cấu đầu

tiên tập trung vào phát hiện các vết nứt tồn tại trong kết cấu, sau đó các nghiên cứu tiếp tục đi vào phân tích sự phát triển của các vết nứt. Các nghiên cứu về phát hiện hư hỏng trong kết cấu được thực hiện với nhiều loại kết cấu như cầu đường, các loại nền móng, các giàn khoan...

Tuy nhiên các phương pháp giám sát sức khỏe kết cấu đã và đang thực hiện ở Việt Nam chủ yếu phân tích hoặc xác định các đặc trưng động học của kết cấu như tần số dao động riêng, hình dạng dao động...mà chưa xác định được các tham số có thể thay đổi theo thời gian như các đặc trưng của vật liệu (mô đun đàn hồi...), hình dạng mặt cắt, và điều kiện biên. Những tham số này ảnh hưởng đến độ cứng cũng như sự làm việc của kết cấu và cũng phản ánh rõ ràng nhất những ứng xử của kết cấu khi xảy ra các hư hỏng.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Ngoài ra, mặc dù gần đây, trên thế giới các nghiên cứu sử dụng các thuật toán tối ưu, hay các phương pháp học máy đã được áp dụng rỗng rãi và hiệu quả để giám sát sức khỏe các cơng trình. Ở Việt nam, các kỹ thuật này vẫn cịn mới, chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng các thuật toán tối ưu, hay các phương pháp học máy để giám sát sức khỏe các cơng trình.

1.3. Tổng quan về giám sát sức khoẻ cơng trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang.

Mức độ hiệu quả của một hệ thống SHM phụ thuộc rất nhiều vào việc thu thập các dữ liệu đo theo thời gian thực về tình trạng sức khỏe của kết cấu với độ chính xác cao. Những dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích xử lý ngay hoặc chuyển đến trung tâm lưu trữ phân tích, từ đó đưa ra các cảnh báo cần thiết nếu quan sát thấy những hiện tượng bất thường xuất hiện trên kết cấu. Một hệ thống giám sát sức khỏe điển hình bao gồm một mạng lưới các cảm biến chịu trách nhiệm đo các thông số khác nhau liên quan đến trạng thái hiện tại của kết cấu cũng như môi trường xung quanh, chẳng hạn như ứng suất, sức căng, dao động, độ nghiêng, độ ẩm và nhiệt độ. Điều này dẫn đến sự tích hợp của nhiều hệ cảm biến tiên tiến vào hệ thống SHM như cảm biến cơ điện-gia tốc (piezoelectric accelerometer), cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi dây rung (vibrating-wire transducer), cảm biến đo biến dạng (strain gage), cảm biến quang (fiber optic sensor), vv... Việc nghiên cứu áp dụng và tăng cường hiệu năng của những hệ cảm biến này đã và đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới.

Đề tài “Quan trắc và đánh giá kết cấu cầu sử dụng hệ cảm biến cáp quang” nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến này trong giám sát chất lượng và độ an toàn kết cấu cầu là hết sức cần thiết, có ý nghĩa thiết thực trong việc gia tăng độ bền và an tồn cho các cơng trình giao thơng trọng điểm. Việc áp dụng những cảm biến có hiệu năng và độ chính xác cao như cảm biến quang giúp cho việc phát hiện hư hỏng trong kết cấu trở nên dễ dàng hơn, từ đó góp phần làm giảm thiểu chi phí cho cơng tác duy tu, bảo trì các cơng trình giao thơng, đặc biệt là những cơng trình cầu.

1.4. Kết luận Chương 1

Chương 1 đã trình bày một số khái niệm cơ bản và các phương pháp liên quan đến giám sát sức khỏe cơng trình cầu. Nội dung của chương bao gồm ba phần chính: tổng quan về hệ thống theo dõi sức khoẻ cơng trình cầu, tổng quan về các nghiên cứu giám sát sức khoẻ cơng trình cầu và tổng quan về giám sát sức khoẻ cơng trình sử dụng hệ cảm biến và cảm biến quang.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA CẢM BIẾN FBG 2.1. Khái niệm về cảm biến FBG

Cảm biến sợi quang học (Optical Fiber Sensors - OFS) xuất hiện ngay sau khi Corning Glass Works phát minh ra sợi quang vào năm 1970. Với sự phổ biến rộng rãi của công nghệ sợi quang học trong suốt những năm 1980 trở đi. Công nghệ cảm biến quang FBG là một trong những lựa chọn phổ biến nhất cho cảm biến sợi quang để đo biến dạng hoặc nhiệt độ do chế tạo đơn giản, và tín hiệu phản xạ tương đối mạnh. Thuật ngữ cách tử Bragg sợi quang được vay mượn từ định luật Bragg và được áp dụng cho các kết cấu tuần hoàn được ghi bên trong lõi của sợi quang viễn thông thông thường.

2.2. Phân loại cảm biến FBG

2.2.1. Cảm biến quang giản đơn

Ở dạng đơn giản nhất, cách tử Bragg sợi chỉ là sự điều biến chu kỳ của chỉ số khúc xạ trong lõi của sợi quang đơn. Các loại cách tử sợi đồng nhất này, trong đó mặt trước pha vng góc với trục dọc sợi với các mặt phẳng cách tử có chu kỳ không đổi, được coi là cấu tạo cơ bản cho hầu hết các kết cấu cách tử Bragg.

2.2.2. Cảm biến quang biến thiên theo chiều dài [1]

Cảm biến quang biến thiên theo chiều dài (Chirped Fiber Bragg Grating - CFBG), được đặc trưng bởi sự hiệu chỉnh không đồng nhất chiết suất trong lõi của sợi quang. CFBG hoạt động như một tầng FBG, mỗi FBG phản ánh một phổ hẹp phụ thuộc vào nhiệt độ hoặc biến dạng. Đặc điểm chính của CFBG là phổ phản xạ của chúng phụ thuộc vào biến dạng/nhiệt độ quan sát được trong từng phần của cách tử.

2.2.3. Cảm biến quang lưới ghép nghiêng [2]

Cảm biến quang lưới ghép nghiêng (TFBG - Tilted Fiber Bragg Gratings) Giống như các FBG thơng thường cũng có điều chế chiết suất định kỳ dọc trục theo sợi quang, nhưng khác với FBG, trong TFBG có một góc nghiêng nhất định giữa mặt phẳng cách tử và sợi mặt cắt ngang sợi, dẫn đến xuất hiện nhiều khớp nối hình thái phức tạp.

2.3. Đặc trưng cơ học của cảm biến quang

2.3.1. Khả năng phản xạ của sợi quang học

Băng thơng của phản hồi cách tử có thể được điều chỉnh đến một giá trị mong muốn bằng cách thay đổi cường độ cách tử.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

2.3.2. Đặc trưng của băng thông.

Băng thông cho cách tử Bragg đồng nhất là số đo giữa các số không đầu tiên ở hai bên của hệ số phản xạ tối đa. Sự thay đổi chiết suất sợi quang dẫn đến sự thay đổi trong bước sóng Bragg trung tâm, và hiệu ứng này được sử dụng để tính tốn nhiễu bên ngoài như nhiệt độ, biến dạng, áp suất.

2.3.3. Đặc điểm độ trễ nhóm và sự phân tán

Ngồi các tính chất của phổ hệ số phản xạ, độ trễ nhóm và sự phân tán của ánh sáng phản xạ đại diện cho các tính chất phổ khác được quan tâm trong cách tử Bragg sợi quang..

2.3.4. Ảnh hưởng nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc trưng quang phổ của một vật phản xạ cách tử Bragg đồng nhất được khảo sát dựa trên ảnh hưởng của nó đến chiết suất hiệu dụng của sợi quang.

2.4. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến quang FBG

2.4.1. Cường độ

Sợi quang học được làm từ thủy tinh silica với kết cấu vòng. Các khuyết tật hoặc các khuyết tật nhỏ được tạo ra trên bề mặt của sợi quang trong quá trình chế tạo dẫn đến độ bền của sợi quang bị giảm. Những khuyết tật này hoạt động như chất tăng cường ứng suất và gây ra đứt gãy, khi chúng tạo ra ứng suất đủ lớn để phá vỡ các liên kết hóa học về mặt cơ học.

2.4.2. Mơ đun đàn hồi và độ cứng

Thử nghiệm độ bền kéo có thể cung cấp thơng tin về mơ đun đàn hồi trung bình và độ bền cơ học. Một đầu dị nano có thể đo mơ đun đàn hồi và độ cứng cục bộ trên một quy mô. Đầu dò nano được làm bằng vật liệu rất cứng. Khi nó được ấn lên bề mặt của vật liệu được thử nghiệm, biến dạng xảy ra trên vật liệu được thử nghiệm; theo sự biến dạng của vật liệu và lực tác dụng, có thể thu được các đặc trưng của vật liệu.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

2.5. So sánh cảm biến FBG với các cảm biến khác

Cảm biến quang FBG là một công nghệ đo lường hiện đại, vượt trội hơn so với các loại cảm biến truyền thống thường được dùng trong giám sát cầu. Để có cái nhìn tổng quan về ưu, nhược điểm của cảm biến FBG so với các loại cảm biến khác Bảng 2-1 trong luận ấn chi tiết được trình bày dựa trên mô tả kỹ thuật, ưu điểm và nhược điểm của từng loại cảm biến

2.6. Tổng kết chương 2

Chương 2 đã giới thiệu và đi sâu vào việc nghiên cứu về cảm biến FBG , một công nghệ cảm biến tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giao thơng, dầu khí, viễn thông, y tế và môi trường. Đầu tiên, khái niệm cơ bản và về cảm biến FBG được giới thiệu. Tiếp theo, các cách phân loại cảm biến FBG được đề cập. Mặc dù có nhiều loại cảm biến quang FBG khác nhau, chúng đều dựa trên cùng một cơ sở lý thuyết về hiệu ứng Bragg. Chương này cũng đã thảo luận về các đặc trưng cơ học và cơ lý của cảm biến FBG. Với khả năng chịu lực cao, độ bền mỏi tốt, và khả năng chống ăn mòn, cảm biến FBG là lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng cần độ chính xác cao và độ tin cậy. Trong khi đó, các đặc trưng cơ lý của cảm biến quang FBG, bao gồm độ nhạy với ánh sáng, độ nhạy với nhiệt độ, và khả năng phản ứng với áp suất, cũng được giới thiệu. Trong chương tiếp theo, NCS đi sâu vào ứng dụng cảm biến quang FBG để thu thập kết quả đo từ hai mơ hình thí nghiệm cầu giàn thép và cầu dây văng. Qua đó, trích xuất các đặc trưng động của hai mơ hình này và so sánh với kết quả được thu thập từ cảm biến gia tốc.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN FBG ĐỂ THEO DÕI ĐẶC TRƯNG ĐỘNG HỌC CỦA KẾT CẤU MÔ

HÌNH THÍ NGHIỆM 3.1. Thiết kế thí nghiệm

3.1.1. Cầu giàn thép

3.1.1.1. Giới thiệu mơ hình

Hình 3-1: Mơ hình cầu giàn thép trong phịng thí nghiệm

Kết cấu nhịp

Kết cấu nhịp có dạng kết cấu giàn tam giác đều (warren truss bridge) với 8 khoang chính với chiều dài 2.0m, chiều cao và chiều rộng của giàn là 0.25m.

3.1.1.2. Thiết bị sử dụng

Để thu các đặc trưng động học của mô hình, cảm biến quang và một số thiết bị khác được sử dụng như sau:

• Sợi quang và bộ kẹp

Hình 3-2: Sợi quang Hình 3-3: Thơng số kích thước bộ kẹp cáp (mm)

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Bảng 3-3: Các thông số cảm biến (Xem chi tiết tại bảng 3-3 luận án)

Bộ thu dữ liệu dao động bao gồm:

- Thiết bị thu nhận dữ liệu dao động là bộ NI cDAQ-9178

- Module thu dữ liệu: Module NI9234 của hãng National Instruments (Product of Hungary), Trên mỗi module gồm 4 cổng (chanel) thu dữ liệu từ 4 đầu đo:

- Bộ cấp nguồn cho thiết bị này sử dụng Pin Lithium 12.7V

3.1.2. Cầu dây văng

3.1.2.1. Giới thiệu mơ hình

Hình 3-4: Mơ hình cầu dây văng trong phịng thí nghiệm 3.1.2.2. Thiết bị sử dụng

- 08 đầu đo gia tốc độ nhạy cao loại PCB-353B34

- Một bộ thu thập dữ liệu Compact DAQ 08 khe cắm (cDAQ-9178) được kết nối với tám mô-đun đầu vào dữ liệu NI-9234

- 08 dây cáp đồng trục truyền tín hiệu kết nối đầu đo gia tốc với các mô-đun NI-9234.

- Một máy tính xách tay di động được cài đặt MATLAB và NI-LabVIEW

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

3.2. Tiến hành đo đạc và phân tích số liệu

3.2.1. Thí nghiệm trên cầu dàn thép

Thí nghiệm đo biến dạng động (

Hình 3-6) của kết cấu được tiến hành bằng cảm biến quang FBG với 13 cảm biến các có bước sóng Bragg danh nghĩa cách đều nhau từ 1530nm đến 1566,1 nm được lắp đặt dọc theo chiều dài của kết cấu với khoảng cách

đều nhau 25cm. Gắn các cảm biến với kết cấu thông qua các bộ kẹp cáp..

Hình 3-5: Bố trí đo đạc

Hình 3-6: Giao diện phần mềm Fentosense trong quá trình đo

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Để có sự so sánh, trong đề tài này, các cảm biến gia tốc cũng được thực hiện.

Hình 3-7: Một số điểm đo trong phịng thí nghiệm 3.2.2. Thí nghiệm trên cầu dây văng

- Bố trí sợi quang theo dọc dầm của cầu với 14 cảm biến cách đều nhau 25cm. Gắn các cảm biến với kết cấu thơng qua các bộ kẹp.

Hình 3-8: Một số điểm đo FBG trên cầu dây văng trong phịng thí nghiệm

- Thời gian đo thử nghiệm: 2 phút

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Hình 3-9: Một số điểm đo cảm biến gia tốc trên cầu dây văng

trong phịng thí nghiệm