Xác định hư hỏng kết cấu dàn sử dụng giải thuật tối ưu cuckoo search (cs) và thông tin dao động của kết cấu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------------

TRẦN QUỐC TUẤN

XÁC ĐỊNH HƯ HỎNG KẾT CẤU DÀN SỬ DỤNG
GIẢI THUẬT TỐI ƯU CUCKOO SEARCH (CS) VÀ
THÔNG TIN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã ngành: 60580208

TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------------

TRẦN QUỐC TUẤN

XÁC ĐỊNH HƯ HỎNG KẾT CẤU DÀN SỬ DỤNG
GIẢI THUẬT TỐI ƯU CUCKOO SEARCH (CS) VÀ
THÔNG TIN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã ngành: 60580208
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN THỜI TRUNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THỜI
TRUNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày
04 tháng 10 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

TS. KHỔNG TRỌNG TOÀN

Chủ tịch

2

TS. NGUYỄN VĂN GIANG

Phản biện 1

3

TS. NGUYỄN HỒNG ÂN

Phản biện 2

4

TS. TRẦN TUẤN NAM

Ủy viên

5

TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được sửa
chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

----------------

----------------

TP. HCM, ngày 31 tháng 07 năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

TRẦN QUỐC TUẤN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18-12-1971

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình
MSHV:1441870034
I- Tên đề tài:
Xác định hư hỏng kết cấu dàn sử dụng giải thuật tối ưu Cuckoo Search (CS) và
thông
tin dao động của kết
cấu
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Thành lập bài toán xác định hư hỏng kết cấu dàn.
2. Sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tối ưu Cuckoo Search
(CS)

để xác định vị trí và mức độ hư
hại.
3. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng và tính toán các kết quả số.
4. So sánh kết quả đạt được với các phương pháp khác.
III- Ngày giao nhiệm vụ:

26/09/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

31/07/2017

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THỜI TRUNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Nguyễn Thời Trung.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

TRẦN QUỐC TUẤN


2

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi đến người Thầy của tôi, Thầy Nguyễn Thời Trung lòng biết ơn
sâu sắc nhất. Tôi luôn cảm thấy mình là người may mắn khi được Thầy dạy và hướng dẫn
thực hiện luận văn. Thầy không chỉ truyền đạt kiến thức mà còn truyền đạt niềm đam mê
trong công việc nghiên cứu và trong cuộc sống. Trong suốt quá trình làm luận văn, mặc dù
gặp nhiều bở ngỡ và khó khăn nhưng tôi đã học được rất nhiều từ những lời khuyên quý
báu và động viên của Thầy.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Khoa Xây Dựng trường Đại học Công nghệ
TPHCM. Thầy Cô là người đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức nền tảng và kinh nghiệm sống
cho tôi trong suốt thời gian học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn nghiên cứu viên của Viện Khoa học Tính
toán (INCOS-TĐT), đặc biệt là các bạn Đinh Công Dự, Hồ Hữu Vịnh, Võ Duy Trung. Các
bạn là người đã đồng hành cùng tôi từ lúc bắt đầu chọn đề tài cho đến lúc hoàn thành luận
văn. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn các bạn.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn đến bạn bè và gia đình đã động viên, khích lệ để tôi có được
kết quả như ngày hôm nay.
Một lần nữa, tôi xin trân trọng cảm ơn.
TPHCM, ngày 31 tháng 07 năm
2017
Học viên thực hiện

TRẦN QUỐC TUẤN

3

TÓM TẮT
TÊN ĐỀ TÀI
“XÁC ĐỊNH HƯ HỎNG KẾT CẤU DÀN SỬ DỤNG GIẢI THUẬT TỐI ƯU
CUCKOO SEARCH (CS) VÀ THÔNG TIN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU”
Luận văn trình bày một phương pháp hai giai đoạn để phát hiện vị trí và mức độ hư
hại trong kết cấu dàn dựa trên phương pháp thay đổi năng lượng biến dạng và gỉải thuật
tối ưu Cuckoo Search (CS). Ở giai đoạn thứ nhất, phương pháp thay đổi năng lượng biến
dạng được sử dụng. Trong phương pháp này, sự thay đổi năng lượng biến dạng giữa các
phần tử của kết cấu khỏe mạnh và kết cấu hư hại được chuẩn hóa thành một chỉ số được
gọi là nMSEBI (normal Modal Strain Energy Based damage Index) để xác định vị trí có
khả năng hư hại của kết cấu dàn. Ở giai đoạn thứ hai, bài toán xác định hư hại được
chuyển thành một bài toán tối ưu hóa, trong đó hàm mục tiêu là sự thay đổi tần số tự nhiên
và dạng dao động (mode shape) giữa kết cấu hư hại và kết cấu không hư hại và các biến
thiết kế là phần trăm hư hại của các phần tử có khả năng hư hại được xác định ở giai đoạn
trước. Để giải bài toán tối ưu vừa thành lập, giải thuật tìm kiếm tối ưu Cuckoo Search (CS)
được sử dụng. Tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp hai giai đoạn được thể hiện
thông qua các ví dụ số cho các kết cấu dàn phẳng và dàn không gian. Đồng thời, ảnh
hưởng của các tham số về phương pháp cũng như tham số về kết cấu và ảnh hưởng của
nhiễu đã được tác giả thực hiện khảo sát trong các ví dụ số.

Từ khóa:
Phần tử hữu hạn (FEM), kết cấu dàn, phương pháp thay đổi năng lượng biến dạng, giải
thuật tối ưu Cuckoo Search (CS), chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM).


4

ABSTRACT
The thesis presents a two-stage damage identification method to identify locations and
extents of multiple damages in truss structures by using a modal strain energy method and
a Cuckoo Search (CS) algorithm. In the first stage, the modal strain energy method is used.
In this method, the change in strain energy of elements between healthy and damaged
structures is computed and normalized to give a so-called the normal Modal Strain Energy
Based damage Index (nMSEBI) for damage assessment of the truss structures. In the
second stage, the damage identification problem is transformed into an optimization
problem in which the objective function is the change in natural frequency and the mode
shape between the damaged structure and the adjusted structure based on finite element
analysis and design variables are the damage ratios of the damaged elements identified in
the previous stage. In order to solve the optimization problem established, the Cuckoo
Search (CS) algorithm is employed. The effectiveness and reliability of the two-stage
method is demonstrated through several numerical examples of 2D and 3D truss
structures. In addition, the influence of the parameters of the damage identification
methods as well as paramaters of structures and measurement noise on the damage
identification results is investigated in numerical examples section.

Key words: Finite Element Method (FEM), Truss Structure, Modal Energy Strain
Based
Index (MSEBI), Cuckoo Search (CS) Algorithm, Structural Health Monitoring (SHM).


55

MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 1
1.2. Tổng quan tài liệu .......................................................................................................... 4
1.2.1. Tình hình nghiên cứu thế giới .................................................................................. 4

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................. 7
1.2.3. Nhận xét ................................................................................................................... 8
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 9
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................................ 10
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................. 10
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 10
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 10
1.6. Bố cục của luận văn ..................................................................................................... 10
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................ 11
2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn cho kết cấu dàn ........................................................... 11
2.1.1. Phần tử dàn tuyến tính trong hệ tọa độ địa phương ............................................... 11
2.1.2. Phần tử dàn tuyến tính trong hệ tọa độ tổng thể .................................................... 13
2.2. Bài toán chẩn đoán hư hại cho kết cấu ........................................................................ 18
2.2.1. Xác định vị trí hư hại bằng phương pháp năng lượng biến dạng........................... 19
2.2.2 Đánh giá hư hại bằng thuật toán tối ưu hóa ............................................................ 22
2.3. Giải thuật Cuckoo Search (CS) ................................................................................... 22
2.3.1. Giới thiệu................................................................................................................ 22
2.3.2. Phương pháp........................................................................................................... 25
2.4 Lưu đồ giải thuật ........................................................................................................... 28
Chương 3. VÍ DỤ SỐ .............................................................................................................. 29
3.1. Kết cấu dàn phẳng ........................................................................................................ 29
3.1.1. ài toán 1 ............................................................................................................... 30
3.1.2. Bài toán 2 ............................................................................................................... 45
3.1.3. Bài toán 3 ............................................................................................................... 50


66

3.2. Kết cấu dàn không gian................................................................................................ 63
3.2.1 Kiểm chứng code Matlab ........................................................................................ 65

3.2.2 Xác định vị trí hư hại ............................................................................................... 66
3.2.3 Xác định mức độ hư hại .......................................................................................... 70
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................ 75
4.1. Kết luận ........................................................................................................................ 75
4.2. Hướng phát triển của đề tài .......................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................... 77
PHỤ LỤC


77

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FEM

Finte Element Method- Phương pháp phần tử hữu hạn.

ABC

Artificial Bee Colony.

CS

Cuckoo Search

GA

Genetic Algorithm.

PSO

Partical Swarm Optimization.

MSEBI

Modal Strain Energy Based Index.

MSEC

Modal Strain Energy Change.

MSECR

Modal Strain Energy Change Ratio.

MSEEI

Modal Strain Energy Equivalence Index

SHM

Structural Health Monitoring.


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Dữ liệu đặc tính vật liệu và thông số hình học của kết cấu dàn phẳng 31 thanh.... 30
Bảng 3.2. a trường hợp hư hại của bài toán dàn phẳng 31 thanh ......................................... 31
Bảng 3.3. Kết quả mười tần số dao động đầu tiên của bài toán dàn phẳng 31 thanh ............. 31
Bảng 3.4. Thông số của thuật toán tối ưu Cuckoo Search (CS).............................................. 40

Bảng 3.5. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp hư hại 1) sử dụng phương pháp CS
ứng với các mức độ nhiễu khác nhau.................................................................................. 41
Bảng 3.6. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp hư hại 2) sử dụng phương pháp CS
ứng với các mức độ nhiễu khác nhau.................................................................................. 42
Bảng 3.7. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp hư hại 3) sử dụng phương pháp CS
ứng với các mức độ nhiễu khác nhau.................................................................................. 44
Bảng 3.8. Dữ liệu đặc tính vật liệu và thông số hình học của kết cấu dàn phẳng 31 thanh.... 45
Bảng 3.9. Trường hợp hư hại của bài toán dàn phẳng 31 thanh ............................................. 46
Bảng 3.10. Kết quả của sáu tần số dao động tự nhiên đầu tiên của dàn phẳng 31 thanh ....... 46
Bảng 3.11. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp cs ứng với các mức độ
nhiễu khác nhau .................................................................................................................. 49
Bảng 3.12. So sánh kết quả của Xu và cộng sự với kết quả của luận văn. ............................. 50
Bảng 3.13. Dữ liệu đặc tính vật liệu và thông số hình học của kết cấu dàn phẳng 47 thanh.. 51
Bảng 3.14. a trường hợp hư hại của bài toán dàn phẳng 47 thanh ....................................... 51
Bảng 3.15. Kết quả mười tần số dao động đầu tiên của bài toán dàn phẳng 47 thanh ........... 53
Bảng 3.16. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 59
Bảng 3.17. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 60
Bảng 3.18. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 62
Bảng 3.19. Dữ liệu đặc tính vật liệu........................................................................................ 63
Bảng 3.20. Thông số hình học của kết cấu dàn không gian 52 thanh ..................................... 64
Bảng 3.21. a trường hợp hư hại của dàn không gian 52 thanh ............................................. 64


99

Bảng 3.22. Kết quả năm tần số dao động đầu tiên của dàn không gian 52 thanh................... 65
Bảng 3.23. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp CS ứng với các mức

độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 71
Bảng 3.24. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 72
Bảng 3.25. Kết quả xác định mức độ hư hại khi sử dụng phương pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 73


10
10

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
HÌNH CHƯƠNG 1
Hình 1.1. Các công trình sử dụng hệ kết cấu dàn. .................................................................... 2
Hình 1.2. Tháp truyền hình nam định bị gãy sau cơn bão. ....................................................... 3
Hình 1.3. Sập cầu Seongsu (Hàn Quốc) tháng10/1994............................................................. 3
Hình 1.4. Sập cầu treo ở Indonesia, 11 người chết tháng 11/2011. .......................................... 4
HÌNH CHƯƠNG 2


11
11

Hình 2.1. Phần tử dàn  e với nút 1 và 2 ở mỗi đầu. [40] ....................................................... 11
Hình 2. 2 Phần tử dàn không gian trong hệ tọa độ tổng thể. [40] ........................................... 14
Hình 2.3. Sơ đồ giải thuật CS.................................................................................................. 23
Hình 2.4. Chim Cuckoo........................................................................................................... 24
Hình 2.5. Trứng chim Cuckoo lẫn trong trứng của chim chủ. ................................................ 24
Hình 2.6. Bản năng sinh tồn của chim Cuckoo....................................................................... 24
Hình 2.7. Ong tìm mật............................................................................................................. 25
Hình 2.8. Tìm kiếm thức ăn của bộ lạc Ju / hoansi. ................................................................ 25

Hình 2.9. Nghiệm tối ưu.......................................................................................................... 26
Hình 2.10. Nhiều nghiệm. ....................................................................................................... 26
Hình 2.11. Lưu đồ giải thuật. .................................................................................................. 28
HÌNH CHƯƠNG 3
Hình 3.1. Kết cấu dàn phẳng 31 thanh. ................................................................................... 31
Hình 3.2. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10, trường hợp không nhiễu. ...................... 33
Hình 3.3. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10, các trường hợp nhiễu 3%. .................... 34
Hình 3.4. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10, trường hợp nhiễu 5%............................ 34
Hình 3.5. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10 và 20, trường hợp không nhiễu. ............ 35
Hình 3.6. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10 và 20, trường hợp nhiễu 3%. ................. 36
Hình 3.7. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10 và 20, trường hợp nhiễu 5%. ................. 37
Hình 3.8. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10, 20 và 30, trường hợp không nhiễu. ...... 38
Hình 3.9. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10, 20 và 30, trường hợp nhiễu 3%............ 39
Hình 3.10. Kết quả xác định vị trí hư hại phần tử 10, 20 và 30, trường hợp nhiễu 5%.......... 40


11
11

Hình 3.11. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp hư hại 1) khi sử dụng phương pháp
CS ứng với các trường hợp nhiễu khác nhau. ..................................................................... 41
Hình 3.12. Hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. ............. 42
Hình 3.13. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp hư hại 2) khi sử dụng phương pháp
VS ứng với các trường hợp nhiễu khác nhau...................................................................... 43
Hình 3.14. Hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. ............. 43
Hình 3.15. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp hư hại 3) khi sử dụng phương pháp
CS ứng với các trường hợp nhiễu khác nhau. ..................................................................... 44
Hình 3.16. Hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. ............. 45
Hình 3.17. Kết cấu dàn phẳng 31 thanh (bài toán 2). ............................................................. 46
Hình 3.18. Kết quả xác định vị trí hư hại của các phần tử sử dụng chỉ số nMSEBI cho các

trường hợp từ 2 đến 6 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ....................................... 47
Hình 3.19. Kết quả xác định vị trí hư hại của các phần tử sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 2 đến 6 dạng dao động, trường hợp nhiễu 3%. ............................................ 47
Hình 3.20. Kết quả xác định vị trí hư hại của các phần tử sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 2 đến 6 dạng dao động, trường hợp nhiễu 5%. ............................................ 48
Hình 3.21 kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. .. 50
Hình 3.22. Kết cấu dàn phẳng 47 thanh. ................................................................................. 52
Hình 3.23. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ....................................... 54
Hình 3.24. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp có nhiễu 3%. ....................................... 54
Hình 3.25. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp có nhiễu 5%. ....................................... 55
Hình 3.26. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ....................................... 55
Hình 3.27. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 34 và 35 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp có nhiễu 3%. ................................. 56


12
12

Hình 3.28. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 34 và 35 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp có nhiễu 5%. ................................. 56
Hình 3.29. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 3, 30 và 47 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ................................. 57
Hình 3.30 kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 3, 30 và 47 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp nhiễu 3%....................................... 57
Hình 3.31. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 3, 30 và 47 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trường hợp nhiễu 5%....................................... 58

Hình 3.32. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp 1) khi sử dụng phương pháp CS ứng
với các mức độ nhiễu khác nhau. ........................................................................................ 59
Hình 3.33. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. 60
Hình 3.34. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp 2) khi sử dụng phương pháp CS ứng
với các mức độ nhiễu khác nhau. ........................................................................................ 61
Hình 3.35. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. 61
Hình 3.36. Kết quả xác định mức độ hư hại (trường hợp 3) khi sử dụng phương pháp CS ứng
với các mức độ nhiễu khác nhau. ........................................................................................ 62
Hình 3.37. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp không nhiễu và có nhiễu. 63
Hình 3.38. Kết cấu dàn không gian 52 thanh. ......................................................................... 65
Hình 3.39. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 28 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ....................................... 66
Hình 3.40. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 28 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trường hợp nhiễu 3%. ............................................ 67
Hình 3.41. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 28 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trường hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trường hợp nhiễu 5%. ............................................ 67
Hình 3.42. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 14 và 17 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ................................. 68
Hình 3.43. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 14 và 17 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trường hợp nhiễu 3%....................................... 68


xiii

Hình 3.44. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 14 và 17 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trường hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trường hợp nhiễu 5%....................................... 69
Hình 3.45. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 14, 19 và 28 sử dụng chỉ số nMSEBI
cho các trường hợp từ 3 dạng đến 5 dạng dao động, trường hợp không nhiễu. ................. 69
Hình 3.46. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 14, 19 và 28 sử dụng chỉ số nMSEBI
cho các trường hợp từ 3 dạng đến 5 dạng dao động, trường hợp nhiễu 3%. ...................... 70

Hình 3.47. Kết quả xác định vị trí hư hại của phần tử 14, 19 và 28 sử dụng chỉ số nMSEBI
cho các trường hợp từ 3 dạng đến 5 dạng dao động, trường hợp nhiễu 5%. ...................... 70
Hình 3.48. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp nhiễu 3% và 5%. ............. 72
Hình 3.49. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp nhiễu 3% và 5%. ............. 73
Hình 3.50. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trường hợp nhiễu 3% và 5%. ............. 74


1


2

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Dàn là một trong những kết cấu đơn giản nhất và được sử dụng phổ biến trong xây
dựng dân dụng và công nghiệp. Nó được tổ hợp bởi các kết cấu dạng thanh và thường làm
bằng thép. Nó có khả năng vượt nhịp lớn và chịu lực lớn. Ngoài ra, do cấu tạo đặc biệt của
dàn mà nó có thể được sử dụng linh hoạt theo nhiều loại kiến trúc khác nhau. Một số công
trình trong xây dựng có sử dụng kết cấu dàn như: cầu vượt sông (Hình 1.1a), mái vòm sân
vận động (Hình 1.1b), dàn khoan biển (Hình 1.1c), tháp truyền tải điện (Hình 1.1d), v.v.

a) Cầu vượt sông;
(Nguồn: />
b) Sân vận động Wembley, London;
(Nguồn:
)



c) Dàn khoan Tam Đảo, Việt Nam;

(Nguồn: />gian-khoan-90-m-nuoc-congtrinh-noi-hoa-ham-luong-congnghe-cao/c/9516177.epi)

d) Tháp truyền tải điện;
(Nguồn: />ansmission_tower)

Hình1.1. Các công trình sử dụng hệ kết cấu dàn.
Trong quá trình sử dụng, các hư hại trong kết cấu dàn có thể xảy ra do các nguyên
nhân như các khuyết tật của vật liệu trong quá trình sản xuất hay các thiên tai thiên nhiên
như động đất, bão, lũ lụt (Mohan và cộng sự (2013) [1], Wu và cộng sự (1992) [2]). Thực
tế đã có nhiều tai nạn thảm khốc xảy ra do kết cấu dàn bị hư hại dẫn đến mất mát lớn về cả
tài sản và con người được thể hiện trong Hình 1.2, Hình 1.3 và Hình 1.4. Chính vì vậy để
đảm bảo an toàn tính mạng con người cũng như hạn chế hư hao về tài sản thì việc chẩn
đoán và phát hiện sớm những hư hỏng của kết cấu dàn là một trong những vấn đề quan
trọng.


Hình 1.2. Tháp truyền hình Nam Định bị gãy sau cơn bão.
(Nguồn: />
Hình 1.3. Sập cầu Seongsu (Hàn Quốc) tháng10/1994.
(Nguồn: />

Hình 1.4. Sập cầu treo ở Indonesia, 11 người chết tháng 11/2011.
(Nguồn: />Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về chẩn đoán hư hỏng cho
các kết cấu nói chung và kết cấu dàn nói riêng.Trong đó, có nhiều phương pháp số đã
được đề xuất và phát triển. Tuy nhiên, các phương pháp số này vẫn còn tồn tại một số hạn
chế trong việc xác định vị trí và mức độ hư hại của kết cấu.
Luận văn này vì vậy được thực hiện nhằm nghiên cứu một cách tiếp cận hiệu quả cho
việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu dàn.
1.2. Tổng quan tài liệu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu thế giới

Hư hỏng của kết cấu là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về thông tin dao động như
tần số, dạng dao động (mode shape). Dựa vào các tính chất đó các nhà khoa học đã phát
triển các phương pháp để xác định hư hại của kết cấu. Chẳng hạn như:
a) Phương pháp xác định hư hại của kết cấu dựa trên thay đổi tần số: Cawley và
Adams (2007) [3]; Lu và cộng sự (2002) [4], Saluwu (1997) [5] đã đề xuất giải
pháp dựa trên sự thay đổi tần số tự nhiên để xác định mức độ hư hại trong kết cấu.
b) Phương pháp đường cong dạng dao động (mode shape): Williams (1995) [6] đã so
sánh các dạng dao động trước và sau khi hư hỏng nhằm xác định vị trí hư hỏng,
Allemang và Brown (1982) [7] đã sử dụng một công cụ đo đạc để phát hiện hư hại


trong kết cấu bê tông cốt thép cầu. Pandey và cộng sự (1991) [8] đã đề xuất phương
pháp dựa trên sự biến dạng của đường cong trong kết cấu (được xác định là đạo
hàm bậc hai của chuyển vị) để xác định hư hại trong từng kết cấu cụ thể của dầm.
c) Phân tích sự biến đổi của ma trận độ mềm (nghịch đảo của ma trận độ cứng):
Phương pháp này được Lu và cộng sự (2002) [4] phát triển dựa trên việc phân tích
sự biến đổi ma trận độ mềm (nghịch đảo của ma trận độ cứng). Một hư hại trong
kết cấu sẽ làm thay đổi đặc tính động học của nó như là tần số, các giá trị giảm
chấn và dạng dao động (mode shape) gắn liền với mỗi tần số của mô hình. Các hư
hại cũng dẫn đến những thay đổi ở một vài thông số khác của kết cấu như khối
lượng, độ dãn, ma trận độ cứng và ma trận độ mềm của kết cấu. Trong nghiên cứu
của mình, Pandey và cộng sự (1994) [9] đã đánh giá sự thay đổi trong ma trận độ
mềm của một kết cấu như là một phương pháp hiệu quả để xác định sự hiện diện
của vị trí hư hại cũng như mức độ hư hại. Nghiên cứu cho thấy ma trận độ mềm có
thể được xác định một cách dễ dàng và có thể đo được từ một vài thông số động
học tần số thấp của kết cấu.
d) Phương pháp véc-tơ định vị hư hại (DLV) đã được Bernal (2002) [10] đề xuất.
Phương pháp DLV chỉ sử dụng chỉ số năng lượng tích lũy chuẩn hóa nce của phần
tử để xác định phần tử đó có hư hại hay không hư hại. Quek và cộng sự (2009) [11]
đã sử dụng các cảm biến không dây được tích hợp vào hệ thống để phát hiện hư

hại. Đối với trường hợp truyền tín hiệu thô, sự mất mát rời rạc của dữ liệu trong
quá trình truyền từ các nút cảm biến đến trạm cơ sở cần được giải quyết. Các tác
giả đã đề xuất một thuật toán để phục hồi các dữ liệu bị mất và được tích hợp với
phương pháp phát hiện hư hại DLV. Phương pháp DLV cũng được Yang và cộng sự
[12]; Seyedpoor và cộng sự (2015) [13] áp dụng cho dàn.
e) Mô hình năng lượng biến dạng: Phương pháp năng lượng biến dạng do Shi và cộng
sự (1998) [14] đề xuất. Phương pháp này xem xét năng lượng biến dạng của dạng
dao động (mode shape) để xác định vị trí hư hại của kết cấu dầm. Wu và cộng sự
(2016) [15] nghiên cứu cho dầm Euler-Bermoulli.