Chẩn đoán hiện tượng tách lớp trong dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP sử dụng đặc trưng trở kháng cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN BÃO
CHẨN ĐOÁN HIỆN TƯỢNG TÁCH LỚP TRONG DẦM
BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM FRP SỬ DỤNG
ĐẶC TRƯNG TRỞ KHÁNG CƠ-ĐIỆN
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dụng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 02 08

LUẬN VẲN THẠC SĨ


TP. HỒ CHÍ MINH, 2018


CÔNG TRINH ĐƯỢC HOAN THANH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HÒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn 1: PGS. TS. HÒ ĐỨC DUY

Cán bộ hướng dẫn 2: TS. TRẰN THÁI MINH CHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ TRUNG KIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. NGUYỄN THÁI BÌNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, vào ngày
21 tháng 08 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. NGUYỄN MINH LONG
2. TS. TRẰN VĂN PHÚC
3. TS. TRẰN TUẤN KIỆT
4. TS. LÊ TRUNG KIÊN
5. TS. NGUYỄN THÁI BÌNH
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN BẢO
Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1991

MSHV: 7141167
Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: KTXD CT dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60 58 02 08

I. TÊN ĐÈ TÀI: CHẨN ĐOÁN HIỆN TƯỢNG TÁCH LỚP TRONG DẦM BÊ TÔNG
CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM FRP SỬ DỤNG ĐẶC TRƯNG TRỞ KHÁNG
CƠ-ĐIỆN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu đáp ứng trở kháng cơ-điện của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư
hỏng tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP dựa trên đáp ứng trở
kháng cơ-điện
2. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán dầm nhôm để kiểm chứng tính đúng
đắn của tín hiệu trở kháng cơ-điện so với kết quả đã công bố.
3. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp của
cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán
hiện tượng tách lớp sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/07/2017
IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: PGS. TS. HỒ ĐỨC DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS. TRẰN THÁI MINH CHÁNH
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH
HỘI ĐÒNG NGÀNH

PGS. TS. HỒ ĐỨC DUY

TS. TRẦN THÁI MINH CHÁNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

4


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố
Hồ Chí Minh nói chung và các thày cô trực tiếp truyền thụ kiến thức nói riêng, đã giúp tôi có
khoảng thời gian thực sự đáng nhớ dưới mái trường này.
Tôi xin cảm ơn các anh, chị, bạn học viên cao học đã cùng đồng hành trong quá trình
học tập.
Tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn là điểm tựa vững chắc trong học tập, công việc cũng
như trong cuộc sống.
Tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn giảng viên hướng dẫn - Thầy PGS. TS. Hồ Đức Duy và
Thầy TS. Trần Thái Minh Chánh, đã tận tình, kiên nhẫn chỉ dạy, truyền đạt kiến thức, định
hướng phương pháp trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Tp. Hồ Chi Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2018

NGUYỄN VĂN BẢO

5


TÓM TẮT
Mục tiêu của đề tài này là chẩn đoán hiện tượng hư hỏng tách lớp trong cấu kiện dầm
BTCT có gia cường tấm FRP sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện. Các mô hình phần tử hữu
hạn được sử dụng để mô phỏng hiện tượng tách lớp giữa tấm FRP và dầm BTCT trong nhiều
trường hợp hư hỏng giả định khác nhau. Kết quả phân tích trở kháng được sử dụng để chẩn

đoán hư hỏng cho cấu kiện.
Để đạt được mục tiêu đó, các bước sau được thực hiện:
1. Tìm hiểu đáp ứng trở kháng cơ-điện của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư
hỏng tách lớp của cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP dựa trên đáp ứng trở
kháng cơ-điện
2. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán dầm nhôm để kiểm chứng tính đúng
đắn của tín hiệu trở kháng cơ-điện so với kết quả đã công bố.
3. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp của
cấu kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP. Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán
hiện tượng tách lớp sử dụng đáp ứng trở kháng cơ-điện.
4. Kết luận, kiến nghị và định hướng phát triển của đề tài.


ABSTRACT
The objective of this study is to investigate the debonding failure of reinforced concrete
beams reinforced by FRP sheets using electro-mechanical impedance responses. Finite
element models are used to simulate the debonding of FRP sheets and reinforced concrete
beams under various damage scenarios. Then, the impedance-based monitoring methods are
used to diagnose the structural damages.
In order to achieve the objective, the following steps are taken:
1. The electro-mechanical impedance responses and the impedance-based
monitoring methods for debonding failure of reinforced concrete beams
reinforced by FRP sheets are investigated.
2. The accuracy of impedance responses analyzed by finite element model using
ANSYS software are evaluated to pre-published results.
3. Finite element models are employed to simulate the structural damages caused
by debonding between reinforced concrete beams and FRP sheets. Impedance
responses are analyzed. The debonding failure is alarmed by using the
impedance-based monitoring methods.
4. Conclusions and recommendations are draw.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu, kết quả tham khảo tù các công trình nghiên cứu
đã công bố và đuợc ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do tôi thục hiện dưới sự hướng
dẫn của PGS. TS. Hồ Đức Duy và TS. Trần Thái Minh Chánh. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.
Tp. Hồ Chi Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2018

NGUYỄN VĂN BẢO

V


MỤC LỤC

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 4.51 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c lcm...52
Hình 4.52 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c 2cm... 52
Hình 4.53 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm + c lcm... 53
Hình 4.54 Chỉ số RMSD các PZT - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm + c 2cm... 53


Hình 4.67 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c lcm 60
Hình 4.68 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A lcm + c 2cm 61
Hình 4.69 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lóp vị trí A 2cm + c lcm 61

Hình 4.70 Chỉ số RMSD chuẩn hóa - hư hỏng tách lớp vị trí A 2cm + c 2cm 62

X


DANH MỤC CÀC BÁNG
BTCT
cc

Bê tông côt thép
Cross Correlation

CFRP
FEM

Carbon Fiber Reinforced Polymer
Finite Element Method

FRP
PZT

Fiber Reinforced Polymer
Lead Zirconate Titanate

RMSD

Root Mean Square Deviation

SHM
UCL

Structural Health Monitoring
Upper Control Limit
Hệ số cản
Hằng số áp điện Sự dịch chuyển điện Môđun đàn hồi vật liệu

c
dij
Di
E

f

Tần số dao động tự nhiên

Xi, yi

Chiều dày PZT
Tín hiệu thu được từ PZT liên kết trên kết cấu trước và sau hư hỏng

YE22

Modun đàn hồi của PZT với điện trường bằng 0

ỏ

Hệ số mất mát điện môi

tp

rỊ

Hệ số mất mát giảm chấn

ựRMSD

Giá trị trung bình RMSD

ƠRMSD

Giá trị độ lệch chuẩn RMSD

1
2


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Trước hiện trạng hư hỏng nhà ở và xuống cấp của các công trình hiện nay, việc
nghiên cứu về sửa chữa, cải tạo, nâng cấp công trình xây dựng là vấn đề rất cần thiết.
Thỉ công gia cố công trình bằng vật liệu FRP là một phương pháp mới đã được nghiên
cứu và áp dụng
Vật liệu polymer cốt sợi dạng tấm (Fiber Reinforced Polymer - FRP) ngày càng
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ngành xây dựng, có thể kể đến như
sử dụng gia cường cho dầm (Hình 1.1), gia cường sàn (Hình 1.2), gia cường cột (Hình
13),...vì rất nhiều ưu điểm nổi trội so với phương pháp truyền thống (sử dụng thép
tấm, tăng tiết diện cấu kiện....) như (Jumaat và Alam 2010, Nguyen 2015):
Cường độ chịu kéo cao, gấp 10 -15 lần cường độ chịu kéo thép.
Nhẹ và đa năng.
Thích hợp với hình dạng cấu kiện khác nhau.

Gia cố những kết cấu chịu uốn, cắt và nén.
Lắp đặt nhanh, dễ dàng, không ảnh hưởng đến kiến trúc của công trình. Bền
bỉ với thời gian và trong môi trường hóa chất.
Dễ dàng tính toán và kiểm tra lại với phần mềm do nhà sản xuất cung cấp.

Hình 1.1 Gia cố dầm bằng tấm FRP


Hình 1.2 Gia cố sàn bằng tấm FRP

Hình 1.3 Gia cố cột bằng tấm FRP
Tuy nhiên việc sử dụng chúng lại tiềm ẩn rủi ro về việc hư hỏng công trình,
nguyên nhân xuất phát từ việc mất liên kết có thể xảy ra giữa tấm FRP và bề mặt cấu
kiện bê tông, hoặc hư hỏng trong nội tại dầm BTCT.
Các trường hợp hư hỏng cỗ thể xuất hiện:
Hư hỏng nứt trong bê tông.

14


Hư hỏng mất liên kết giữa FRP và bê tông do lớp keo dán mất tác dựng.
Hư hỏng tách lớp giữa các tấm FRP (trường hợp gia co nhiều lớp).
Hư hỏng đứt các tấm FRP.

Hình 1.4 Hư hỏng kéo đứt tấm FRP

Hình 1.5 Hư hỏng tách lớp dầm BTCT gia cường FRP
Trong các trường hợp phá hoại của dầm bê tông cốt thép được gia cường tấm
FRP, mô hình phá hoại sớm bong tách tấm FRP ra khỏi dầm bê tông cốt thép thường
hay xảy ra nhất. Nguyên nhân là tại vị trí mép tấm gia cường giữa tấm FRP và bê tông

xuất hiện ứng suất tập trung vượt quá khả năng chịu lực của lớp keo dán làm bong tách
tấm gia cường và dầm BTCT, do chất lượng thi công và chất lượng keo dán không
được đảm bảo tuyệt đối. Những hư hỏng loại này thường xuất hiện với mức độ ban
đàu rất nhỏ nhưng làm ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu được gia
cường, dẫn đến sự lây lan nhanh của loại hư hỏng tách lớp này. Vì vậy việc cảnh báo
sớm các hư hỏng tách lớp này ngay từ thời điểm xuất hiện có ý nghĩa quan trọng trong
việc đảm bảo an toàn cho kết cấu.
Do đó, vấn đề đặt ra là càn chẩn đoán được hiện tượng tách lớp trong kết cấu
BTCT có gia cường tấm FRP. Đề tài này khảo sát khả năng sử dụng đặc trưng trở
kháng cơ-điện trong việc chẩn đoán hư hỏng tách lớp giữa FRP và bê tông trong cấu
kiện dầm BTCT có gia cường tấm FRP, nhằm cảnh báo sớm và kịp thời sửa chữa.
15


1.2

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.2.1

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là chẩn đoán dạng hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia
cường tấm FRP sử dụng đặc trưng trở kháng cơ-điện. Mô phỏng sự làm việc thực tế
của kết cấu dầm BTCT có gia cường bằng tấm FRP trong nhiều trường hợp xuất hiện
hư hỏng tách lớp với mức độ khác nhau. Tín hiệu trở kháng thu được từ các trường
hợp đó được phân tích. Từ đó, hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp chẩn
đoán hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP bằng tín hiệu trở kháng
được đánh giá và phát triển thêm đối với các cấu kiện khác.
1.2.2

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi luận văn sẽ được
thực hiện:
-

-

-

-

Lập biểu thức đánh giá sự xuất hiện của hư hỏng tách lớp trong dầm BTCT
có gia cường tấm FRP sử dụng trở kháng cơ-điện: phương pháp đánh giá
bằng độ lệch bình phương trưng bình RSMD (Root Mean Square
Deviation).
Lập biểu thức xác định vị trí của hư hỏng trong dầm bê tông cốt thép có gia
cường tấm FRP sử dụng trở kháng cơ-điện: phương pháp chỉ số RSMD
chuẩn hóa.
Mô phỏng sự làm việc cho dam BTCT có gia cường tấm FRP với nhiều
trường hợp hư hỏng tách lớp khác nhau bằng phương pháp phàn tử hữu
hạn (sử dụng phần mềm ANSYS).
Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán hiện tượng tách lóp sử dụng đáp
ứng trở kháng cơ-điện.
Nêu kết luận và hướng phát triển.

Các bài toán sau sẽ được thực hiện:
-

-

-

Bài toán 1: Khảo sát tính khả thi của việc thu đáp ứng trở kháng thông qua
mô phỏng bằng mô hình phần tử hữu hạn (ANSYS) bằng cách mô phỏng
một dầm nhôm có gắn PZT, thu tín hiệu trở kháng và so sánh với kết quả
nghiên cứu đã được công bố.
Bài toán 2: Mô phỏng một dầm BTCT có gia cường tấm FRP trong nhiều
trường hợp hư hỏng tách lớp với mức độ khác nhau, thu tín đáp ứng trở
kháng từ các PZT trong mô hình và phân tích kết quả chẩn đoán.
Bài toán 3: Phát triển từ bài toán 2, khảo sát độ nhạy của việc cảnh báo hư
hỏng tách lớp trong 2 trường hợp giữa gắn PZT lên bề mặt tấm FRP và gắn
PZT lên bề mặt bê tông.
16


1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
Những hư hỏng dạng tách lớp do mất liên kết giữa tấm FRP và bê tông là loại hư
hỏng thường xuất hiện nhất trong cấu kiện BTCT có gia cường tấm FRP, những hư
hỏng này thường xuất hiện với mức độ ban đầu rất nhỏ nhưng làm ảnh hưởng lớn đến
khả năng chịu lực của kết cấu được gia cường, dẫn đến sự lây lan nhanh của loại hư
hỏng tách lớp này. Vì vậy việc cảnh báo sớm các hư hỏng tách lớp này ngay từ thời
điểm xuất hiện có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho kết cấu.
Phương pháp trở kháng là phương pháp sử dụng các cảm biến có kích thước và
khối lượng rất nhỏ, vì vậy sẽ không ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu. Phương
pháp này có thể cảnh báo sớm về sự xuất hiện của hư hỏng thông qua việc đánh giá sự
thay đổi các chỉ số trong tín hiệu thu được.
Việc kiểm tra tính khả thi của phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng đặc trưng trở
kháng cơ-điện để tạo cơ sở áp dụng rộng rãi trong thực tế.
1.4 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận vãn gồm 5 chương:
-

Chương 1 Giới thiệu: Giới thiệu đề tài, mục tiêu và nội dung luận văn, tính
cần thiết và ý nghĩa thực tiễn, cấu trúc luận văn.
Chương 2 Tổng quan nghiên cứu: Giới thiệu các nghiên cứu trong nước và
ngoài nước.
Chương 3 Cơ sở lý thuyết: Cở sở lý thuyết và phương pháp dùng để đánh
giá hư hỏng tách lớp trong cấu kiện dầm BTCT gia cường FRP.
Chương 4 Các bài toán ứng dụng: Giới thiệu các bài toán ứng dụng, nhận
xét, phân tích kết quả.
Chương 5 Ket luận và kiến nghị: Nêu các kết luận và hướng phát triển của
đề tài.

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN cứu
2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài
Liang và cộng sự (1994) phát triển lý thuyết áp dụng việc đo trở kháng để tìm ra
hư hỏng của kết cấu. Liang và cộng sự đã sử dụng tần số kích thích lớn hơn 30 kHz
thông qua tấm PZT được dán trên kết cấu chủ để khảo sát những thay đổi trong trở
kháng cơ học của kết cấu.
Wang và cộng sự (1996) đâ mở rộng nghiên cứu của Liang và cộng sự (1994) cho
sử dụng nhiều cảm biến PZT được gắn lên hai mặt của kết cấu chủ và chứng minh
được khả năng cảm biến và kích thích của chúng, dựa vào việc theo dõi sự dẫn nạp cơ17


điện trên trở kháng kết cấu và chứng minh được rằng có khả năng tìm ra ứng xử của
kết cấu bằng việc đo trở kháng điện của PZT.
Wang và cộng sự (1997) đã xây dựng một mô hình thuật toán diễn tả được sự
tương thích của biến dạng giữa các tấm PZT trên dầm hoặc tấm. Lúc này, quan hệ đặc
trưng tĩnh học giữa các tấm PZT và biến dạng của kết cấu được thiết lập.

Raju (1998) đã mở rộng nghiên cứu bằng cách xét đến ảnh hưởng của tham số trở
kháng như mức độ kích thích, chiều dài dây dẫn, điều kiện biên, .. .và rút ra kết luận
rằng những sự thay đổi này không ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu trở kháng.
Zhu và cộng sự (2009) đã khảo sát phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu bê
tông cốt thép, đặc biệt khảo sát sự phân tách giữa cốt thép và bê tông bằng trở kháng
gắn trong lõi bê tông.
Ibrahim và Mahmood (2009) mô hình dầm bê tông cốt thép có sự gia cường bên
ngoài tấm FRP sử dụng phần mềm ANSYS. Sự chính xác của kết quả từ phần mềm đã
được kiểm chứng bằng việc so sánh với kết quả thực nghiệm, kết quả thu được từ
ANSYS thì tương tự với kết quả thực nghiệm. Biểu đồ tải trọng - độ võng từ ANSYS
cũng tương tự với kết quả thực nghiệm.
Park và cộng sự (2010) đã tiến hành thí nghiệm khảo sát điều kiện liên kết của
dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP sử dụng phương pháp thực nghiệm trở
kháng cơ-điện. Mô hình thí nghiệm dầm BTCT kích thước 40cm X 10cm X 10cm,
được gia cường bằng tấm CFRP kích thước 30cm X 5cm X 0.3cm dán ở đáy dầm. Hai
PZT kích thước 3.6cm X 3.6cm X 0.05cm được dán vào tấm CFRP tại các vị trí cách
đầu tấm PZT 10cm và 20cm. Ket quả cho thấy phương pháp chẩn đoán sức khỏe kết
cấu bằng trở kháng có thể sử dụng một cách hiệu quả để kiểm tra tình trạng liên kết
trong cấu kiện bê tông cốt thép gia cường bằng tấm dán CFRP, trong nghiên cứu tác
giả sử dụng hệ số tương quan chéo cc (Cross Correlation) để đánh giá.
Jumaat và Alam (2010) sử dụng phương pháp số và thực nghiệm khảo sát ứng xử
uốn của dầm bê tông cốt thép với tấm thép neo chống trượt gia cường. Chương trình
thực nghiệm gồm 7 dầm. Trong đó, 1 dầm được thực nghiệm trong trường hợp không
có gia cường, 3 dầm được gia cường bằng thép tấm và 3 dầm còn lại được gia cường
bằng vật liệu CFRP, trong mỗi nhóm dầm gia cường một dầm không có tấm thép neo
chống trượt gia cường tại cuối, một dầm được gia cường với chiều dài neo ngẫu nhiên
(200mm) và một dầm được gia cường với chiều dài neo tối ưu (lOOmm). Chiều dài
neo tối ưu có được từ biểu đồ ứng suất cắt bề mặt của dầm gia cường bằng phần mềm
(LUSAS). Kết quả thể hiện rằng chiều dài neo tối ưu có thể ngăn chặn sớm sự phá
hoại tách lớp tại cuối tấm, tải trọng phá hoại của các dầm có gia cường tấm thép neo

chống trượt thì lớn hơn các dầm không có tấm thép neo chống trượt gia cường.
18


Voutetaki và cộng sự (2012) đã xây dựng một mô hình phần tử hữu hạn đơn giản
để khảo sát sự làm việc của PZT trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép có
gia cường FRP.
Chen và Teng (2013) đã khảo sát khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép có
gia cường tấm FRP, trong đó xét đến liên kết giữa tấm FRP và dầm BTCT.
Nguyen và cộng sự (2013) đã tiến hành thí nghiệm phát hiện hư hỏng trong kết
cấu dạng dầm thông qua phản ứng áp điện kép của PZT. Mô hình thí nghiệm là một
dầm nhôm consol kích thước 600x60x10mm. 5 PZT được gắn trên dầm với khoảng
cách đều 150mm, lực tác động cách đầu tự do của dầm 180mm. Phương pháp chẩn
đoán sức khỏe kết cấu sử dụng trở kháng có khả năng cảnh báo thành công sự xuất
hiện của hư hỏng, tuy nhiên đối với việc xác định vị trí hư hỏng, nó chỉ thực sự hiệu
quả trong việc định vị các hư hỏng nhỏ, và cần phải kết hợp với các phương pháp khác
để có thể dự đoán một cách chính xác nhất.
Sevillano và cộng sự (2014) đã tiến hành thực nghiệm khảo sát hư hỏng của dầm
BTCT có gia cường FRP sử dụng cảm biến trở kháng cơ-điện, đánh giá thông qua 2
thông số là độ lệch bình phương trung bình RMSD và hệ số độ lệch tương quan CCD.
Chalioris và cộng sự (2015) đã tiến hành thí nghiệm khảo sát ứng dụng hệ thống
chẩn đoán hư hỏng dầm bê tông cốt thép dưới tác động của tải động đất sử dụng hệ
thống PZT không dây.
Tzoura và cộng sự (2015) đã tiến hành thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng của cột bê
tông cốt thép gia cường bằng bọc tấm FRP sử dụng cảm biến trở kháng PZT. Kết luận
được đưa ra là phương pháp này chẩn đoán tương đối chính xác hư hỏng đối với các
cột BTCT gia cường từ 2 lớp FRP trở xuống, đối với các cột gia cường nhiều hơn 2
lớp thì không còn chính xác nữa.
Silva và cộng sự (2016) đã tiến hành thí nghiệm chẩn đoán sức khỏe kết cấu dầm
bê tông cốt sợi bằng phương pháp trở kháng cơ-điện, có xét đến sự ảnh hưởng của

nhiệt độ.
Sevillano và cộng sự (2016) đã tiến hành thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng của dầm
bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP dưới tác dụng của tải trọng uốn bằng 2
phương pháp sử dụng cảm biến PZT và FBG. Những dữ liệu thu thập được từ PZT
bằng phương pháp trở kháng cơ-điện có thể dự đoán, cảnh báo một cách tương đối
chính xác về sự xuất hiện cũng như vị trí tương đối của hư hỏng trong kết cấu dầm
BTCT gia cường tấm CFRP.

19


2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Tran (2009) nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu uốn của kết cấu dầm BTCT
có và không có gia cường tấm AFRP. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc gia cường
tấm AFRP trong kết cấu sẽ nâng cao khả năng chịu lực của kết cấu một cách đáng kể
và góp phần làm gia tăng tuổi thọ cho công trình, kết quả cũng thể hiện rằng việc gia
cường dầm BTCT bằng 2 lớp AFRP thì khả năng chịu uốn sẽ lớn hơn 15.8% so với
dầm BTCT chỉ gia cường 1 lớp AFRP.
Nguyen (2009) nghiên cứu thực nghiệm gia cường khả năng kháng cắt của dầm
BTCT bằng vật liệu FRP. Chương trình thực nghiệm với 15 dầm BTCT gia cường theo
kỹ thuật EBR và NSMR. Ket quả thực nghiệm thể hiện rằng việc gia cường vật liệu
FRP sẽ nâng cao đáng kể khả năng kháng cắt của dầm BTCT, kỹ thuật NSMR sẽ hiệu
quả hơn so với kỹ thuật EBR trên các khía cạnh kinh tế, khả năng chịu lực và tính dẻo
của cấu kiện sau khi kết cấu bị phá hoại.
Nguyen (2011) nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ mô hình đến khả năng
kháng cắt của dầm BTCT có gia cường tấm GFRP. Kết quả thể hiện rằng, hiệu quả gia
cường của tấm GFRP dạng chữ u sẽ giảm dần theo sự gia tăng kích thước của dầm
thực nghiệm. Ngoài ra, tấm gia cường GFRP dạng chữ u sẽ giúp giảm chuyển vị, giúp
tái phân bố ứng suất trong vùng cắt góp phần làm giảm bề rộng vết nứt cắt và làm
mềm hóa kiểu phá hoại giòn nguy hiểm của dầm.

Ngo và Ho (2014) đã nghiên cứu mô phỏng hư hỏng kết cấu kim loại sử dụng trở
kháng thông quan chương trình ứng dụng COMSOL 4.0. Mô phỏng được tiến hành
trên các mẫu dầm bằng nhôm trước và sau hư hỏng, tấm tròn bằng nhôm với sự thay
đổi của vị trí hư hỏng, chi tiết liên kết bulông trong cột thép. Kết quả từ các mô phỏng
số chứng tỏ hư hỏng trong kết cấu kim loại được chẩn đoán thành công từ đáp ứng trở
kháng.
Ho (2015) trong luận văn thạc sỹ của mình đã sử dụng phần mềm ANSYS mô
phỏng một dầm BTCT ứng suất trước căng sau, sau đó khảo sát sự tổn hao ứng suất
của cáp trong dầm. Nghiên cứu đã cho thấy tính khả thi trong việc sử dụng mô hình
bằng phần mềm ANSYS để theo dõi và phát hiện hư hỏng xảy ra trong kết cấu.
Le (2015) trong luận vãn thạc sỹ của đã sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng
lại kết cấu, chứng minh được tính hiệu quả của phần mềm ANSYS trong việc thu thập
tín hiệu trở kháng của kết cấu. Tác giả đã đề xuất một phương pháp loại bỏ sự ảnh
hưởng của nhiệt độ đối với sự làm việc của tấm cảm biến. Phuong pháp này được xem
là có hứa hẹn đối với ngành Theo dõi và chẩn đoán kết cấu.
Nguyen (2015) trong luận văn thạc sỹ đã nghiên cứu mô phỏng số phân tích ứng
xử của dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP khi chịu uốn. Kết quả cho thấy
20


việc sử dụng vật liệu FRP và tấm thép neo chống trượt là biện pháp gia cường hiệu
quả để tăng khả năng kháng uốn và kháng cắt của dầm BTCT, độ võng được giảm
đáng kể do sự gia tăng độ cứng của dầm khi gia cường tại mọi cấp tải trọng.
Nguyen (2016) trong luận văn thạc sỹ, đã nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư
hỏng trong dầm BTCT ƯST căng sau sử dụng hệ thống chẩn đoán hỗn hợp dao động
và trở kháng để xác định hai loại hư hỏng trong dầm là hư hỏng trong cáp và hư hỏng
trong dầm. Dầm BTCT ƯST được mô phỏng bằng phàn mềm ANSYS. Kết quả cho
thấy theo dõi hỗn hợp đề xuất có khả năng chẩn đoán chính xác hư hỏng cho dầm
BTCT ƯST.
Nguyen (2017) đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết

cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình
thủy lợi. Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế
gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite.
2.3 Tông kết
Các nghiên cứu về chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu bằng phương pháp đáp ứng
trở kháng cơ-điện đã được thực hiện khá nhiều trên thế giới, tuy nhiên số lượng nghiên
cứu về chẩn đoán hư hỏng trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép có gia cường tấm FRP
bằng phương pháp đáp ứng trở kháng cơ-điện còn ít, riêng ở Việt Nam thì chưa có
nghiên cứu chính thức về vấn đề này được công bố.
Các nghiên cứu đã được công bố chỉ xem xét sự thay đổi tín hiệu trở kháng đối
với hư hỏng giả định tại một vị trí cố định, trong thực tế hư hỏng có thể xảy ra đồng
thời tại nhiều vị trí với nhiều mức độ khác nhau, đồng thời kết quả thu được đa phần từ
thực nghiệm, chưa có sự so sánh đối chứng qua lại giữa thực nghiệm và mô phỏng số.
Hư hỏng
dạng
tách
lớpthể
trong
cấu
kiện
dầm
bê
tông
cốt
thép
có
ảnh
gia
hưởng
cường

lớn
tấm
tới
FRP
khả
là
năng
dạng
làm
hư
việc
hỏng
của
thường
kết
cấu.
xảy
ra
Vì
và
vậy,
gây
đề
kháng
tài
cơ-điện
tập
trung
để
nghiên

chẩn
đoán
cứu
hư
sự
hỏng
khả
thi
tách
của
lớp
phương
của
cấu
pháp
kiện
trở
dầm
hư
bê
tông
tại
cốt
nhiều
thép
vị
có
trí
gia
với

cường
nhiều
tấm
mức
FRP
độ
khác
với
các
nhau,
giả
đồng
định
thời
này,
khảo
tạo
cơ
sát
sở
vị
để
trí
có
tối
ưu
áp
để
dụng
gắn

rộng
PZT
rãi
trong
trong
phương
thực
pháp
tế.

21


CHƯƠNG 3. Cơ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM)
Quá trình phát hiện những hư hỏng và biến đổi về đặc tính của các kết cấu xây
dựng được gọi là chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM).
Những hư hỏng này được xác định khi có những biến đổi trong vật liệu và/hoặc tính
chất hình học của một hệ kết cấu, bao gồm các thay đổi liên quan đến điều kiện biên
và hệ thống kết nối, ảnh hưởng xấu đến hiệu quả làm việc của toàn bộ hệ kết cấu. Quy
trình chẩn đoán sức khỏe kết cấu là việc theo dõi một hệ thống kết cấu theo thời gian,
sử dụng các tín hiệu (đáp ứng) theo chu kì thu được từ hệ thống cảm biến, từ các dữ
liệu đó phân tích bằng các thuật toán để xác định được tình trạng sức khỏe hiện tại của
hệ thống kết cấu. Đối với chẩn đoán sức khỏe kết cấu dài hạn, các dữ liệu đầu ra của
quá trình này được cập nhật định kỳ để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu theo
thời gian trước sự ảnh hưởng không thể tránh khỏi của sự thoái hóa về vật liệu cũng
như ảnh hưởng của môi trường. Đối với một số sự cố bất thường không thể dự báo
trước như động đất, no,.. .SHM được sử dụng như một công cụ để sàng lọc và cung
cấp thông tin một cách nhanh chóng, đáng tin cậy về tính toàn vẹn cũng như khả năng
làm việc tiếp tục của hệ thống kết cấu.

Một hệ thống SHM (Hình 3.1) bao gồm:
Kết cấu.
Hệ thống cảm biến.
Hệ thống thu thập dữ liệu.
Cơ chế lưu trữ và truyền tải dữ liệu.
Quản lý dữ liệu.
Phân tích dữ liệu và chẩn đoán:
o Đánh giá tình trạng kết cấu.
o Xác định các hư hỏng (nếu có), hoặc dự đoán tuổi thọ làm việc còn lại
của hệ kết cấu.


Hình 3.1 Hệ thống chẩn đoán sức khỏe kết cấu
3.2

Phuong pháp trở kháng C0’-điện
3.2.1

Nguyên lý chung

Trong những năm gần đây, phương pháp trở kháng cơ-điện, sử dụng cảm biến
PZT, đã đuợc áp dụng rộng rãi trong chẩn đoán sức khỏe kết cấu. Một số ưu điểm của
PZT có thể kể đến như trọng lượng nhẹ, nhiều hình dạng và kích cỡ, dễ dàng lắp đặt
trên các kết cấu chủ, hiệu quả chuyển đổi cơ-điện và độ ổn định cao, phù hợp cho việc
sản xuất hàng loạt và tính kinh tế. Ưu điểm chính làm cho chúng là vượt trội so với
các loại khác chính từ việc chúng là một thiết bị chủ động có thể vừa khảo sát được
kết cấu chủ lẫn phản ứng của bản thân cảm biến dưới tác động của các kích thích từ
bên ngoài. Bên cạnh đó, các cảm biến này có thể sử dụng để khảo sát đối với các dải
tần số cao hàng trăm kHz, thậm chí cao hơn nữa, do đó bước sóng của các kích thích
đó gây ra rất nhỏ và cảm biến có đủ độ nhạy để phát hiện các hư hỏng do chúng gây

ra. Khả năng làm việc vừa đóng vai trò bộ cảm biến và bộ truyền xung động giúp cho
cảm biến cơ-điện rất phù hợp sử dụng trong chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Liang và
cộng sự 1994, Wang và cộng sự 1996).
Phương pháp trở kháng cơ-điện sử dụng các cảm biến làm từ vật liệu hoạt động
theo nguyên tắc áp điện, đóng vai trò vừa là bộ kích thích vừa là bộ cảm biến. Nguyên
tắc chính là khi có một tác động cơ học trên cảm biến sẽ sinh ra một dòng điện và
ngược lại, các hiệu ứng điện và cơ học được thể hiện thông qua phương trình sau:
Dj-dy^+^E,

(3.2)


Trong đó:
Sy là tensor ứng suất từ tác động cơ học.
Dj là sự biến đổi về điện (Coulomb/m2).
Sytí là tính thuận cơ học của vật liệu đuợc đo đạc khi không có điện truờng
(Zo).
£jk là hằng số điện môi đo được khi không có tác động cơ học (T=0).
dyk là hệ số ảnh hưởng áp điện.
Phương pháp trở kháng cơ-điện dựa trên hiệu ứng cơ-điện xảy ra giữa cảm biến
PZT và kết cấu chủ nơi cảm biến được lắp đặt. Nguyên tắc cơ bản là khi sự hư hỏng
trong kết cấu chủ xuất hiện sẽ ảnh hưởng tới các tính chất động học của nó, trong đó
có tác động trực tiếp vào trở kháng cơ học của kết cấu, và do đó cũng ảnh hưởng tới
trở kháng cơ-điện của cảm biến PZT gắn liền với nó, và trở kháng cơ-điện này có thể
đo được bằng một máy phân tích trở kháng. Khi được điều khiển bởi một điện trường
xoay chiều, cảm biến PZT được gắn vào kết cấu chủ sẽ gây ra một kích thích cơ học
lên kết cấu, kết cấu chủ sẽ sinh ra ứng suất tác động trở lại vào cảm biến và ta thu
được các tín hiệu điện do cảm biến sinh ra từ tác động ngược đó. Đối với mỗi tình
trạng nhất định của kết cấu (tương ứng với trở kháng cơ học nhất định) sẽ gây ra tác
động ngược khác nhau, dẫn đến tín hiệu đầu ra khác nhau nhất định. Do đó phân tích

các dữ liệu này ta sẽ chẩn đoán được tình trạng sức khỏe của kết cấu.


Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đáp ứng trở kháng cơ-điện (Liang
và cộng sự 1994)
Mối quan hệ giữa trở kháng cơ và trở kháng điện được trình bày lần đầu tiên bởi
Liang và cộng sự (1994) bởi phương trình sau:
Y(à) — iũ) Za{à)
Za((ò) +
—
Zs(à)
t
p
Trong đó:

(3.
3)

y(Siemens hoặc Ohm'1); là hàm tổng hợp của trở kháng cơ của kết cấu chủ,
Zs(ữì), và trở kháng cơ của PZT, Zfl(ứ?) .
yjf = (1+jĩj)Y^ : mô đun Young của PZT tại điện trường bằng 0.
e^Ị - (1 - jơ)e£j : hằng số điện môi của PZT.
đ31 : hằng số áp điện theo phương 1 tại ứng suất bằng 0.