CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG LIÊN KẾT BULÔNG NỐI CỘT THÉP SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRỞ KHÁNG CƠĐIỆN_TS. Hồ Đức Duy, ThS. Ngô Thanh Mộng, KS. Nguyễn Minh Tuấn Anh

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG LIÊN KẾT BULÔNG NỐI CỘT THÉP SỬ DỤNG KỸ
THUẬT TRỞ KHÁNG CƠ-ĐIỆN
ELECTRO-MECHANICAL IMPEDANCE-BASED BOLT-LOOSENING ALARMING IN STEEL
COLUMN CONNECTIONS
TS. Hồ Đức Duy, ThS. Ngô Thanh Mộng, KS. Nguyễn Minh Tuấn Anh

TÓM TẮT
Bài báo này giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng liên
kết bulông trong chi tiết nối cột thép sử dụng kỹ thuật trở
kháng cơ-điện. Trước tiên, lý thuyết về đáp ứng trở kháng cơđiện và phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa vào sự thay đổi
của tín hiệu trở kháng được trình bày. Tiếp theo, tính khả thi
của mô phỏng số cho đáp ứng trở kháng được minh chứng
bằng việc so sánh với số liệu thực nghiệm trên một tấm tròn
bằng nhôm. Cuối cùng, một chi tiết liên kết bulông nối cột thép
được mô phỏng để chẩn đoán vấn đề bulông bị lỏng bằng việc
sử dụng kỹ thuật trở kháng. Kết quả phân tích cho thấy phương
pháp kiến nghị có khả năng cảnh báo chính xác vị trí bulông bị
lỏng.
Từ khóa: trở kháng cơ-điện; cảm biến PZT; chẩn đoán hư
hỏng; lỏng bulông; liên kết cột thép.
ABSTRACT
This paper presents a numerical evaluation of impedancebased bolt-loosening alarming for damage detection in steel
column connection. Firstly, the theories of electro-mechanical
impedance responses and impedance-based damage alarming
method are outlined. Secondly, the feasibility of numerical
simulation of impedance responses is verified for a prepublished experimental example on a round aluminum plate.
Finally, a numerical simulation of the impedance-based
damage alarming is performed for a steel column connection in
which connection bolts are loosened. From the numerical
simulation test, the practicality of the impedance-based
alarming to the target steel column connection can be

evaluated. The analytical results show that the impedancebased method accurately identifies the occurrence of boltloosening issue.
Keywords: electro-mechanical impedance; PZT sensor;
damage alarming; bolt-loosening; steel column connection.
TS. Hồ Đức Duy
Giảng viên , Khoa Kỹ thuật Xây dựng , Trường Đại học Bách
Khoa – Đại học Quốc Gia Tp.HCM
Email:
Điện thoại: 0937585093
ThS. Ngô Thanh Mộng
Giám sát kỹ thuật, Công ty Cổ phần Xây dựng Công nghiệp
Descon
Email:
Điện thoại: 0976016734
KS. Nguyễn Minh Tuấn Anh
Giảng viên, Khoa Xây dựng , Trường Đại học Xây dựng Miền
Trung
Email:
Điện thoại: 01282769547
1. Giới thiệu
Đối với kết cấu xây dựng, việc xuất hiện các loại hư hỏng
trong quá trình khai thác và sử dụng là điều không thể tránh

khỏi. Nếu các hư hỏng đó không được chẩn đoán đúng lúc,
chúng sẽ gây ra những hiểm họa nghiêm trọng cho chính bản
thân của kết cấu cũng như cho tính mạng của con người. Vì
vậy, theo dõi và chẩn đoán kết cấu (Structural Health
Monitoring - SHM) là lĩnh vực nghiên cứu rất cần thiết và
đóng vai trò rất quan trọng đối với độ an toàn và tuổi thọ của
kết cấu xây dựng. Một trong những phương thức nhằm đảm
bảo độ an toàn và tính toàn vẹn của kết cấu là thực hiện SHM

thường xuyên để có thể sớm phát hiện hư hỏng trong giai đoạn
ban đầu, khi chưa nguy hiểm (Sohn và cộng sự 2003). Trong
những năm gần đây, các nghiên cứu về SHM chủ yếu tập trung
vào phân tích đáp ứng của kết cấu, phát triển kỹ thuật đo
lường, phát triển phương pháp chẩn đoán kết cấu và triển khai
ứng dụng thực tiễn (Li và cộng sự 2014). Trên cơ sở đó, nghiên
cứu này tập trung vào phương pháp SHM sử dụng kỹ thuật trở
kháng cơ-điện.
Trong hai thập kỷ vừa qua, kỹ thuật SHM sử dụng trở
kháng đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực như cơ khí, hàng không và xây dựng (Liang và cộng sự
1994, Sun và cộng sự 1995, Park và cộng sự 2003, Giurgiutiu
và Zagrai 2005, Ho 2012). Kỹ thuật thử nghiệm không phá hủy
này dựa vào sự thay đổi của đáp ứng trở kháng cơ-điện được
đo từ cảm biến làm từ vật liệu áp điện, như cảm biến PZT
(Lead Zirconate Titanate), được dán chặt trên kết cấu. Đáp ứng
trở kháng điện của cảm biến PZT có quan hệ trực tiếp đối với
đáp ứng trở kháng cơ của kết cấu. Kích thước và trọng lượng
của cảm biến PZT là rất nhỏ và nhẹ so với kết cấu. Do vậy,
cảm biến PZT sẽ không làm ảnh hưởng đến những đặc tính
động lực học của kết cấu.
Ý tưởng cơ bản của các phương pháp SHM sử dụng trở
kháng là theo dõi sự thay đổi trở kháng cơ của kết cấu do sự
xuất hiện của hư hỏng. Các phương pháp này rất hiệu quả để
chẩn đoán hư hỏng ở vùng cục bộ vì chúng rất nhạy với sự
hình thành của hư hỏng. Liang và cộng sự (1994) lần đầu tiên
giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng trở kháng.
Từ đó, nhiều nhà nghiên cứu đã cải tiến và ứng dụng phương
pháp cho nhiều loại kết cấu khác nhau. Sun và cộng sự (1995)
đã kiến nghị một thuật toán thống kê dựa vào chỉ số RMSD

(Root Mean Square Deviation) của đáp ứng trở kháng cho việc
cảnh báo sự xuất hiện của hư hỏng. Raju và cộng sự (1998) đã
đề nghị sử dụng chỉ số CC (Correlation Coefficient) của đáp
ứng trở kháng. Phương pháp SHM sử dụng trở kháng đã được
ứng dụng thành công cho kết cấu dàn (Sun và cộng sự 1995),
kết cấu tấm mỏng (Giurgiutiu và Zagrai 2005), kết cấu thép
(Park và cộng sự 2005), kết cấu bêtông (Park và cộng sự 2006)
và vùng neo trong cầu dây văng (Ho 2012).
Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn nêu trên và kế thừa
kết quả từ các nghiên cứu trước, mục tiêu của nghiên cứu này
là giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng liên kết bulông
trong chi tiết nối cột thép sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ-điện.
Các nội dung sau được triển khai để hoàn thành mục tiêu
nghiên cứu. Trước tiên, lý thuyết về đáp ứng trở kháng cơ-điện
và phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa vào sự thay đổi của tín
hiệu trở kháng được trình bày. Tiếp theo, tính khả thi của mô
phỏng số cho đáp ứng trở kháng được minh chứng bằng việc so
sánh với số liệu thực nghiệm trên một tấm tròn bằng nhôm.
Trang 1


Cuối cùng, một chi tiết liên kết bulông nối cột thép được mô
phỏng để chẩn đoán vấn đề bulông bị lỏng bằng việc sử dụng
kỹ thuật trở kháng.
2. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng trở kháng
2.1 Đáp ứng trở kháng cơ-điện
Trong hai thập kỷ vừa qua, vật liệu áp điện đã được ứng
dụng rộng rãi trong lĩnh vực SHM (Park và cộng sự 2003). Ưu
điểm của loại vật liệu này là rẻ, nhẹ, đa năng và có thể chế tạo
thành nhiều hình dạng khác nhau. Vật liệu áp điện có thể được

sử dụng như là cảm biến để ghi nhận biến dạng của kết cấu,
hoặc như là thiết bị truyền động để kích thích kết cấu. Trong
đó, đáp ứng trở kháng cơ-điện thì dựa trên sự kết hợp của đặc
tính cơ và đặc tính điện của vật liệu (Liang và cộng sự 1994).
Sự tương tác cơ-điện giữa cảm biến PZT và kết cấu được thể
hiện như trên hình 1. Kết cấu được miêu tả bằng các đặc tính
như khối lượng, độ cứng, hệ số cản và điều kiện biên. Trong
khi đó, cảm biến PZT thì được miêu tả như một mạch điện với
hiệu điện thế điều hòa.

k

(PZT) sẽ được sử dụng. Như diễn tả trong phương trình (1), trở
kháng cơ-điện Z (ω ) có quan hệ trực tiếp với trở kháng cơ của
kết cấu Z s (ω ) . Khi kết cấu xuất hiện hư hỏng, trở kháng cơ của
nó sẽ thay đổi và làm thay đổi trở kháng cơ-điện. Trở kháng
cơ-điện Z (ω ) là hàm số phức. Bhalla và Soh (2003) đã chứng
minh phần thực của Z (ω ) thì nhạy hơn với hư hỏng trong kết
cấu so với phần ảo. Cho nên, phần thực của trở kháng thường
được sử dụng trong lĩnh vực SHM. Đáp ứng trở kháng thường
được đo ở miền tần số cao (≥ 1kHz), nhằm đảm bảo độ nhạy
đối với những hư hỏng nhỏ. Vì tại miền tần số cao, bước sóng
kích thích sẽ nhỏ và đủ nhạy để nhận biết hư hỏng. Hơn nữa,
khi khảo sát tín hiệu trở kháng ở miền tần số cao thì chỉ cần
hiệu điện thế nhỏ là đủ để tạo ra lực kích thích trong kết cấu.
2.2 Chỉ số đánh giá hư hỏng RMSD
Để định lượng sự thay đổi của tín hiệu trở kháng do kết cấu
bị hư hỏng, chỉ số RMSD được sử dụng. Chỉ số RMSD được
xác định bằng cách so sánh tín hiệu trở kháng trước khi có hư
hỏng và tín hiệu trở kháng sau khi có hư hỏng (Sun và cộng sự

1995).

∑ [Z (ω ) − Z (ω )]
N

2

*

~

PZT

m

RMSD =

c

i =1

N

Khi cảm biến PZT được dán vào bề mặt kết cấu, độ dẫn nạp
cơ-điện Y (ω ) , đại lượng nghịch đảo của trở kháng cơ-điện
Z (ω ) , là một hàm số kết hợp giữa trở kháng cơ của kết cấu
Z s (ω ) và của cảm biến PZT Z a (ω ) :
Y (ω ) = jω

(

)

 tan kl p
wpl p  σ
Z a (ω )
 e −d2 YE +
d 312 Y11E 
33
31 11
 kl

tp 
Z a (ω ) + Z s (ω )
p


  (1)




trong đó Y11E = (1 + jη )Y11E là môđun đàn hồi của PZT khi điện

σ
σ
là hằng số điện dung của PZT;
trường bằng 0; e33
= (1 − jδ )e33
d31 là hằng số áp điện của PZT khi ứng suất bằng 0;

k = ω ρ Y11E là số bước sóng phụ thuộc vào khối lượng riêng

ρ và môđun đàn hồi Y11E của PZT; wp , l p và t p lần lượt là
chiều rộng, chiều dài và chiều dày của cảm biến PZT; η và δ

(3)

∑ [Z (ω )]
i =1

Hình 1 Mô hình tương tác cơ-điện giữa PZT và kết cấu

i

i

2

i

trong đó Z (ωi ) và Z * (ωi ) lần lượt là tín hiệu trở kháng trước
và sau khi xuất hiện hư hỏng trong kết cấu, tương ứng với tần
số thứ i th ; N là số điểm tần số trong vùng khảo sát. Nếu chỉ số
RMSD lớn hơn 0 thì kết cấu có hư hỏng; và ngược lại, nếu chỉ
số RMSD bằng 0 thì kết cấu không có hư hỏng.
3. Mô phỏng số: Tấm tròn bằng nhôm
Phần mềm phần tử hữu hạn (PTHH), COMSOL
Multiphysics 4.0, có tính năng mô phỏng trở kháng cơ-điện,
được sử dụng để thiết lập mô hình tấm tròn bằng nhôm. Trong

mô hình PTHH, phần tử khối (solid) được sử dụng cho kết cấu
và phần tử áp điện (piezoelectric) được sử dụng cho cảm biến
PZT. Đáp ứng trở kháng từ mô hình PTHH được so sánh với
kết quả thực nghiệm của Giurgiutiu và Zagrai (2005), để minh
chứng tính chính xác của mô phỏng số.
Cảm biến PZT

lần lượt là hệ số mất mát cản và hệ số mất mát điện môi của
PZT.
Trong phương trình (1), số hạng thứ nhất là độ dẫn nạp điện
dung của bản thân cảm biến PZT; số hạng thứ hai bao gồm trở
kháng cơ của cảm biến PZT và của kết cấu. Trong đó, trở
kháng cơ của kết cấu Z s (ω ) là tỉ số giữa lục tác dụng và vận
tốc tại vị trí dán cảm biến PZT. Nếu kết cấu được xem là hệ
một bậc tự do, Z s (ω ) được diễn tả như sau:

Z s (ω ) = mωj + c −

k

ω

j

Tấm nhôm

Hình 2 Tấm tròn bằng nhôm (Giurgiutiu và Zagrai 2005)
Cảm biến PZT

(2)

Phương trình (2) cho thấy rằng trở kháng cơ của kết cấu là
một hàm số phụ thuộc vào các đặc trưng động lực học như khối
lượng (m), độ cứng (k) và hệ số cản (c). Do đó, bất kỳ sự thay
đổi nào trong các đặc trưng động lực học đều có thể đại diện
bằng sự thay đổi trong đáp ứng trở kháng cơ-điện.
Ý tưởng cơ bản của phương pháp SHM sử dụng trở kháng
là theo dõi sự thay đổi trong đáp ứng trở kháng cơ của kết cấu
gây ra bởi hư hỏng. Tuy nhiên, trở kháng cơ của kết cấu rất khó
đo được. Trong thực tế, trở kháng điện của vật liệu áp điện

Tấm nhôm

Hình 3 Mô hình PTHH của tấm tròn bằng nhôm
Mô hình PTHH của tấm được mô phỏng hoàn toàn tương tự
với số liệu từ nghiên cứu của Giurgiutiu và Zagrai (2005).
Đường kính của tấm là 100 mm và chiều dày của tấm là 0.8
mm. Một cảm biến PZT có đường kính 7 mm được dán tại tâm
Trang 2


của tấm. Trong thực nghiệm, tấm được đặt tự do trên miếng
xốp như thể hiện trên hình 2. Một hiệu điện thế 1.5 V được cho
tác dụng lên cảm biến PZT. Các đặc trưng của tấm và PZT
được cho trong bảng 1 và bảng 2. Tín hiệu trở kháng được đo
bởi thiết bị HP 4194A Impedance Analyzer trong miền tần số
10 ~ 40 kHz. Hình 3 thể hiện mô hình PTHH của tấm.
Bảng 1 Đặc trưng của tấm tròn bằng nhôm
Môđun đàn hồi (N/m2)
E

Khối lượng riêng (kg/m3)
ρ
Hệ số Poisson
ν
Bảng 2 Đặc trưng của cảm biến PZT
Khối lượng riêng (kg/m3)
ρ
Các hệ số đàn hồi (N/m2)
C 11 = C 13
C 12
C 14 = C 15
C 16
C 66
C 25 = C 36
Các hệ số áp điện (C/m2)
e 13 = e 16
e 23
e 25 = e 31

70E9
2700
0.33

7750
12.0E10
75.2E10
75.2E10
11.1E10
22.6E10
21.1E10

−5.35
15.78
12.29

Kết quả phân tích được thể hiện trên hình 4 và tóm tắt trong
bảng 3. Tín hiệu trở kháng rất hợp lý giữa mô phỏng và thực
nghiệm. Đỉnh tần số trong mô phỏng có xu hướng lệch về phía
bên trái so với đỉnh tần số thực nghiệm. Sai số của các đỉnh tần
số là nhỏ hơn 10%. Điều này chứng tỏ, mô phỏng số bằng phần
mềm COMSOL là đáng tin cậy cho đáp ứng trở kháng cơ-điện.

thước 20×20×0.2 mm được dán tại tám bulông tương ứng. Đặc
trưng vật liệu của PZT: môđun đàn hồi E = 67 GPa, khối lượng
riêng ρ = 7750 kg/m3, hệ số Poisson ν = 0.31 và hệ số cản ζ =
0.023. Một hiệu điện thế 5 V được cho tác dụng lên mỗi cảm
biến PZT.
Hình 5 thể hiện mô hình PTHH của chi tiết liên kết. Phần
mềm COMSOL Multiphysics 4.0 được sử dụng để thiết lập mô
hình PTHH. Phần tử khối (solid) được sử dụng cho kết cấu và
phần tử áp điện (piezoelectric) được sử dụng cho các cảm biến
PZT. Ba mức độ nới lỏng của từng bulông được mô phỏng là
10%, 25% và 50%. Chi tiết hư hỏng do bulông bị lỏng được
liệt kê trong bảng 4. Lực kéo trong bulông do xiết chặt được
xác định từ mômen xoắn tương ứng (Nassar và cộng sự 2005).
Trong mô hình PTHH, hiện tượng bulông bị lỏng được mô
phỏng bằng cách giảm áp lực tác dụng lên vòng đệm (long đen)
tương ứng (hình 5c).

H-330x220x8x10

220x100x8
220x70x8

Bulông M18

470x220x10

PZT

100000

Trở kháng (Ohms)

Mô phỏng
Thực nghiệm

(a) Chi tiết liên kết

10000

1000

Số 5

100

Số 6

Số 7

Số 8

10
0

10

20
Tần số (kHz)

30

40

Hình 4 Tín hiệu trở kháng của tấm tròn bằng nhôm
Bảng 3 So sánh đỉnh tần số giữa mô phỏng và thực nghiệm
Đỉnh tần số
1
2
3
4
5
6
7
8
Thực nghiệm (Hz) 799 3168 7182 12844 20053 28844 36348 39115
Mô phỏng (Hz)
725 3050 6950 12425 19475 28150 35525 38425
Sai số (%)
9.3 3.7 3.2 3.3

2.9
2.4
2.3
1.8

Số 1

Số 2

Số 3

Số 4

(b) Vị trí bulông và cảm biến PZT

4. Mô phỏng số: Chi tiết liên kết bulông nối cột thép
Trong kết cấu thép, liên kết bulông được sử dụng rất phổ
biến để liên kết các cấu kiện. Vấn đề bulông bị lỏng, không
đảm bảo độ xiết chặt theo quy định, là mục tiêu rất quan trọng
cần được theo dõi, chẩn đoán và phát hiện kịp thời. Một mô
hình PTHH chi tiết liên kết bulông nối cột thép được mô phỏng
trong nghiên cứu này để chẩn đoán vấn đề bulông bị lỏng.
Chi tiết liên kết, nối hai đoạn cột có tiết diện H330×220×8×10 mm, bao gồm: hai tấm thép có kích thước
470×220×10 mm, bốn sườn gia cường có kích thước 220×70×8
mm, bốn sườn gia cường có kích thước 220×100×8 mm và tám
bulông loại M18. Đặc trưng vật liệu của thép: môđun đàn hồi E
= 200 GPa, khối lượng riêng ρ = 7850 kg/m3, hệ số Poisson ν =
0.33 và hệ số cản ζ = 0.01. Tám cảm biến PZT loại 5A, có kích

Vòng đệm

PZT

(c) Áp lực tác dụng
Hình 5 Mô hình PTHH của chi tiết liên kết bulông nối cột thép
Trang 3


200

151
RMSD (%)

Bảng 4 Mức độ hư hỏng do bulông bị lỏng
Mômen xiết chặt Lực tác dụng Áp lực vòng đệm(*)
(kNm)
(kN)
(kN/m2)
172E-3
69
217E3
155E-3
62
196E3
129E-3
52
163E3
86E-3
35
109E3

Mức
độ
0%
10%
25%
50%

100

Áp lực vòng đệm = lực tác dụng/ diện tích vòng đệm

(*)

Trở kháng (Ohms)

2000

15

24
9

5

9

9

PZT1 PZT2 PZT3 PZT4 PZT5 PZT6 PZT7 PZT8

(b) Mức độ 25%
100

50

48
38

41
35
18

1500

18

17

9
0

1000

PZT1 PZT2 PZT3 PZT4 PZT5 PZT6 PZT7 PZT8

(c) Mức độ 50%
Hình 8 Chỉ số RMSD khi bulông số 1 bị lỏng

500

Bảng 5 Chỉ số RMSD cho 8 PZT

0
0

2

4

6
Tần số (kHz)

8

10

12

Hình 6 Tín hiệu trở kháng của PZT1 khi chưa có hư hỏng
(1 ~ 12 kHz)
5000
0%
10%

Trở kháng (Ohms)

4000

25%

50%

3000
2000
1000
0
3

4

5
Tần số (kHz)

6

7

Hình 7 Tín hiệu trở kháng của PZT1 khi có hư hỏng
(3 ~ 7 kHz)
100

RMSD (%)

17

0

RMSD (%)

Tín hiệu trở kháng được phân tích trong miền tần số 1 ~ 12

kHz với bước gia tăng 0.2 kHz. Hình 6 thể hiện phần thực của
tín hiệu trở kháng từ PZT1 khi chưa hư hỏng (mức độ nới lỏng
của bulông là 0%). Trong nghiên cứu này, miền tần số 3 ~ 7
kHz (hình 7) được chọn để khảo sát hư hỏng. Chỉ số RMSD
của tín hiệu trở kháng, tính theo phương trình (3), được thể
hiện trên hình 8 tương ứng với trường hợp bulông số 1 bị lỏng.
Kết quả tổng hợp chỉ số RMSD cho trường hợp sử dụng tám
PZT được liệt kê chi tiết trong bảng 5.

50

46

5

6

10
4

2

3

4

0
PZT1 PZT2 PZT3 PZT4 PZT5 PZT6 PZT7 PZT8

(a) Mức độ 10%

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
46
151
48

PZT
2
5
15
38

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
9
23
46

PZT
2
15
38
166

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
10
24
43

PZT
2
7
19
38

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
9
21
37

PZT
2
6
17
34

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
3
8
15

PZT
2
2
5
10

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
3
10
18

PZT
2
5
7
12

Mức
độ
10%
25%
50%

PZT
1
5
11
22

PZT
2
4
9
19

Mức

PZT

PZT

Bulông số 1 bị lỏng
PZT
PZT
PZT
3
4
5
6
10
4
17
24
9
35
41
18
Bulông số 2 bị lỏng

PZT
PZT
PZT
3
4
5
7
11
5
18
26
11
37
44
20
Bulông số 3 bị lỏng
PZT
PZT
PZT
4
5
3
7
5
16
16
11
38
30
22

160
Bulông số 4 bị lỏng
PZT
PZT
PZT
3
5
4
4
4
45
11
10
95
23
20
54
Bulông số 5 bị lỏng
PZT
PZT
PZT
3
4
5
3
4
45
8
10
125

17
19
56
Bulông số 6 bị lỏng
PZT
PZT
PZT
3
4
5
5
4
11
10
10
22
20
20
45
Bulông số 7 bị lỏng
PZT
PZT
PZT
3
4
5
4
5
10
10

13
24
21
25
43
Bulông số 8 bị lỏng
PZT
PZT
PZT

PZT
6
2
5
9

PZT
7
3
9
18

PZT
8
4
9
17

PZT
6

3
7
12

PZT
7
4
11
21

PZT
8
4
9
18

PZT
6
4
9
20

PZT
7
4
11
22

PZT
8

5
13
24

PZT
6
3
8
16

PZT
7
4
10
20

PZT
8
5
12
23

PZT
6
6
16
40

PZT
7

7
18
38

PZT
8
10
23
41

PZT
6
32
40
158

PZT
7
9
20
41

PZT
8
14
25
44

PZT
6

7
20
41

PZT
7
17
38
161

PZT
8
6
15
29

PZT

PZT

PZT

Trang 4


độ
10%
25%
50%

1
5
11
21

2
3
8
16

3
4
9
19

4
5
13
24

5
9
21
38

6
7
18
36

7
4
12
25

8
41
89
63

Trong tất cả các trường hợp, chỉ số RMSD luôn đạt giá trị
cao nhất tại bulông bị lỏng tương ứng (bảng 5). Khi mức độ
nới lỏng gia tăng, chỉ số RMSD có xu hướng gia tăng tương
ứng. Chỉ số RMSD của những PZT ở gần bulông bị lỏng có giá
trị khác 0. Điều này xảy ra là do cảm biến PZT đặt gần bulông
bị lỏng vẫn nhạy với hư hỏng. Tuy nhiên, giá trị RMSD của
những PZT tại bulông không bị lỏng nhỏ hơn nhiều so với giá
trị RMSD ngay tại vị trí bulông bị lỏng. Ngoài ra, độ cứng của
cột và các sườn gia cường cũng có ảnh hưởng đến độ nhạy của
cảm biến PZT. Tóm lại, vấn đề bulông bị lỏng trong chi tiết
liên kết nối cột thép được cảnh báo thành công và vị trí của
bulông bị lỏng được xác định chính xác dựa vào chỉ số RMSD
của đáp ứng trở kháng cơ-điện.

Mức độ
10%
25%
50%

PZT1

8
19
35

Mức độ
10%
25%
50%

PZT1
2
5
9

Mức độ
10%
25%
50%

PZT1
3
7
14

Mức độ
10%
25%

PZT1
5

12

PZT4
13
37
89

Bài toán được mở rộng cho trường hợp chỉ sử dụng bốn
cảm biến PZT. Các PZT được dán tại vị trí giữa hai bulông như
thể hiện trên hình 9. Kết quả tổng hợp chỉ số RMSD cho
trường hợp sử dụng bốn PZT được liệt kê chi tiết trong bảng 6.
Một lần nữa, vị trí bulông bị lỏng được xác định chính xác dựa
vào chỉ số RMSD của đáp ứng trở kháng. Khi một bulông bị
lỏng thì chỉ số RMSD của PZT gần bulông đó đạt giá trị lớn
nhất.
5. Kết luận
Hư hỏng trong chi tiết liên kết bulông nối cột thép đã được
chẩn đoán chính xác khi sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ-điện.
Các kết luận sau được rút ra từ các kết quả phân tích:

1.

Bảng 6 Chỉ số RMSD cho 4 PZT

PZT1
8
20
36

PZT3

8
19
34

Tài liệu tham khảo

Hình 9 Mô hình PTHH khi sử dụng 4 PZT

Mức độ
10%
25%
50%

66

Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố
Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ đề tài mã số
C2015-20-15.

PZT 1

PZT1
10
25
63

PZT1
4
10
19

34

Lời cảm ơn

PZT 2

Mức độ
10%
25%
50%

Mức độ
10%
25%
50%

22
Bulông số 8 bị lỏng
PZT2
4
10
20

(2) Vị trí bulông bị lỏng cũng được cảnh báo chính xác khi
sử dụng phương pháp SHM từ đáp ứng trở kháng. Phương
pháp này có tính khả thi cao khi áp dụng cho chi tiết liên kết
bulông trong kết cấu thép. Mô phỏng số cũng chứng tỏ tính
tiềm năng của phương pháp SHM sử dụng trở kháng đối với
các ứng dụng thực tiễn.

PZT 3

PZT1
11
34
93

22

(1) Mô phỏng số của đáp ứng trở kháng cơ-điện đã được
thiết lập thành công. Tín hiệu trở kháng từ mô hình PTHH rất
phù hợp với kết quả từ thực nghiệm.

PZT 4

Mức độ
10%
25%
50%

50%

Bulông số 1 bị lỏng
PZT2
10
24
41
Bulông số 2 bị lỏng
PZT2

9
22
39
Bulông số 3 bị lỏng
PZT2
11
31
76
Bulông số 4 bị lỏng
PZT2
11
41
103
Bulông số 5 bị lỏng
PZT2
3
6
12
Bulông số 6 bị lỏng
PZT2
4
9
17
Bulông số 7 bị lỏng
PZT2
5
12

PZT3
2

5
9

PZT4
2
6
11

PZT3
3
7
14

PZT4
3
8
16

PZT3
5
11
21

PZT4
4
11
21

PZT3
5

10
19

PZT4
4
10
19

PZT3
11
33
89

PZT4
10
22
39

PZT3
9
25
63

PZT4
9
21
37

PZT3
8

19

PZT4
10
28

Bhalla, S., Soh, C. K. (2003), Structural impedance based damage
diagnosis by piezo-transducers, Earthquake Eng. Struct. Dyn., Vol. 32,
pp. 1897-1916.
2. Giurgiutiu, V., and Zagrai, A. (2005), Damage Detection in Thin Plates
and Aerospace Structures with the Electro-Mechanical Impedance
Method, Structural Health Monitoring, Vol. 4, No. 2: 0099–20.
3. Ho, D. D. (2012), Multi-scale smart sensing of vibration and impedance
for structural health monitoring of cable-stayed bridge, Ph.D.
Dissertation, Pukyong National University, Korea.
4. Li, H. N., Yi, T. H., Ren, L., Li, D. S., and Huo, L. S. (2014), Reviews on
innovations and applications in structural health monitoring for
infrastructures, Structural Monitoring and Maintenance, Vol. 1, No.1, pp.
1-45.
5. Liang, C., Sun, F. P., and Rogers, C. A. (1994), Coupled ElectroMechanical Analysis of Adaptive Material Systems-Determination of the
Actuator Power Consumption and System Energy Transfer, Journal of
Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 5, pp. 12-20.
6. Nassar, S. A., Barber, G. C., and Zuo, D. (2005), Bearing friction torque
in bolted joints, Tribilogy Transactions, Vol. 48, pp. 69-75.
7. Park, G., Sohn, H., Farrar, C., and Inman, D. (2003), Overview of
piezoelectric impedance-based health monitoring and path forward, The
Shock and Vibration Digest, Vol. 35, pp. 451-463.
8. Park, S., Ahmad, S., Yun, C. B. and Roh, Y. (2006), Multiple Crack
Detection of Concrete Structures Using Impedance-Based Structural
Health Monitoring Techniques, Experimental Mechanics, Vol. 46, No. 5,

pp. 609-618.
9. Park, S., Yun, C.B., Roh, Y., and Lee, J. (2005), Health monitoring of
steel structures using impedance of thickness modes at PZT patches,
Smart Structures and Systems, Vol. 1, pp. 339-353.
10. Raju, V. (1998), Implementing impedance-based health monitoring
technique, Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State
University, Blacksburg, VA.
11. Sohn, H., Farrar, C. R., Hemez, F. M., Shunk, D. D., Stinemates, D. W.,
and Nadler, B. R. (2003), A review of structural health monitoring

Trang 5


literature: 1996-2001, Los Alamos National Laboratory Report, LA13976-MS, Los Alamos, NM.
12. Sun, F. P., Chaudhry, Z., Liang, C., and Rogers, C. A. (1995), Truss
Structure Integrity Identification Using PZT Sensor-Actuator, Journal of
Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 6, pp. 134-139.

Trang 6