Đánh giá một số phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu tấm từ kết quả phân tích dao động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN MẠNH TUẤN

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG KẾT CẤU TẤM
TỪ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG
Chun ngành: KTXD cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành:

60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HỒ ĐỨC DUY

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,
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. TRẦN VĂN PHÚC

3.

TS. TRẦN TUẤN KIỆT

4.

TS. LÊ TRUNG KIÊN

5.

TS. NGUYỄN THÁI BÌNH

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
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 MẠNH TUẤN MSHV: 1570068
Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1990

Nơi sinh: Bình Phước

Chun ngành: KTXD CT dân dụng và cơng nghiệp

Mã số: 60 58 02 08

TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HƯ

I.

HỎNG KẾT CẤU TẤM TỪ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG.
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
So sánh và đánh giá 6 phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm từ kết

quả phân tích dao động. Kết quả phân tích từ 6 phương pháp được so sánh với kết
quả từ các nghiên cứu đã công bố.
-

Phương pháp 1: Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số.

-

Phương pháp 2: Phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động.

-

Phương pháp 3: Phương pháp dựa trên sự thay đổi độ cong dạng dao động.

-

Phương pháp 4: Phương pháp năng lượng biến dạng.

-

Phương pháp 5: Phương pháp làm mịn mặt cong.

-

Phương pháp 6: Phương pháp tải phân bố bề mặt.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2017

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07/08/2018

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. HỒ ĐỨC DUY
Tp. HCM, ngày 07 tháng 08 năm 2018.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. HỒ ĐỨC DUY
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)

I


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn PGS.TS. Hồ Đức Duy,
thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn. Với cá
nhân tôi, sự tận tâm chỉ bảo của thầy là hình ảnh người thầy đáng kính trong sự
nghiệp giáo dục.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học Bách khoa Tp. HCM, các thầy
cô đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học tập. Đó cũng là những kiến
thức khơng thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và công việc của tôi sau
này.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, các anh chị học viên khố 2015.
Sau cùng, tơi muốn tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân đã luôn động viên
tinh thần, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập và thực

hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 08 năm 2018

Nguyễn Mạnh Tuấn

II


TÓM TẮT
Luận văn này là một nghiên cứu về lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng trên kết cấu.
Sáu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm từ kết quả phân tích dao động
được so sánh và đánh giá, từ đó tính khả thi của việc ứng dụng sáu phương pháp cho
các bài toán trong thực tế được phân tích. Các phương pháp chẩn đốn sử dụng các
kết quả phân tích dao động là tần số dao động và dạng dao động. Các phương pháp
chẩn đoán sẽ được áp dụng chẩn đốn trên tấm được mơ phỏng bằng phần tử khối ba
chiều.
Các phương pháp phân tích được sử dụng trong luận văn như sau:
•
•
•
•
•
•

Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số.
Phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dạng dao động.
Phương pháp dựa trên sự thay đổi độ cong dạng dao động.
Phương pháp năng lượng biến dạng.
Phương pháp làm mịn mặt cong.

Phương pháp tải phân bố bề mặt.

III


ABSTRACT
This thesis presents a study in Structural Health Monitoring (SHM) of civil
structures. Six vibration-based damage detection methods for plate-like structures
were evaluated. These methods use natural frequencies and mode shapes analyzed
from modal analysis process. The feasibility of the methods is verified by numerical
simulations which are compared to experimental results. The 3D finite element model
using ABAQUS software is used to model the plate and to implement the modal
analysis.
Six vibration-based damage detection methods are following:
•
•
•
•
•
•

Frequency Change-based Method.
Modal Assurance Criterion Method.
Mode Shape Curvature-based Method.
Modal Strain Energy-based Method.
Two Dimensional Gapped Smoothing Method.
Uniform Load Surface Method.

IV

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu kết quả tham khảo từ các cơng trình
nghiên cứu khác đã ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do cá nhân tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hồ Đức Duy. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Mạnh Tuấn

V


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... 8
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................... 9
CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU................................................................................ 11

1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................ 11
1.1.1 Theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM)................................................11
1.1.2 Kết cấu tấm..........................................................................................14
CHƯƠNG 2.

TỞNG QUAN .............................................................................. 16

2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .............................................................. 16
2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................. 18
2.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .............................................................. 18
CHƯƠNG 3.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 20

3.1 Phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số ( Frequency Change-based
Method) .............................................................................................................. 20
3.1.1 Giới thiệu phương pháp.......................................................................20
3.1.2 Cơng thức đánh giá..............................................................................20
3.1.3 Trình tự thực hiện ................................................................................22
3.2 Phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động (Modal Assurance
Criterion Method) ............................................................................................... 22
3.2.1 Giới thiệu phương pháp.......................................................................22
3.2.2 Cơng thức đánh giá..............................................................................23
3.2.3 Trình tự thực hiện ................................................................................24
3.3 Phương pháp dựa trên sự thay đổi độ cong dạng dao động ( Mode Shape
Curvature-based Method) ................................................................................... 24
3.3.1 Giới thiệu phương pháp.......................................................................24
3.3.2 Cơng thức đánh giá..............................................................................24
3.3.3 Trình tự thực hiện ................................................................................28
3.4 Phương pháp năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy – based
Method) .............................................................................................................. 28
1


3.4.1 Giới thiệu phương pháp.......................................................................28
3.4.2 Cơng thức đánh giá..............................................................................29
3.4.3 Trình tự thực hiện ................................................................................32

3.5 Phương pháp làm mịn mặt cong (Two Dimensional Gapped Smoothing
Method) .............................................................................................................. 32
3.5.1 Giới thiệu phương pháp.......................................................................32
3.5.2 Cơng thức đánh giá..............................................................................33
3.5.3 Trình tự thực hiện ................................................................................35
3.6 Phương pháp tải phân bố trên bề mặt (Uniform Load Surface Method) ... 36
3.6.1 Giới thiệu phương pháp.......................................................................36
3.6.2 Công thức đánh giá..............................................................................36
3.6.3 Trình tự thực hiện ................................................................................38
3.7 Loại bỏ vùng nhiễu .................................................................................... 39
CHƯƠNG 4.

BÀI TOÁN ÁP DỤNG ................................................................ 40

4.1 Phân tích dao động của tấm nhôm (Hu và cộng sự 2008) ......................... 40
4.2 Mô hình ...................................................................................................... 43
4.2.1 Khảo sát trường hợp hư hỏng D1 ........................................................44
4.2.2 Khảo sát trường hợp hư hỏng D2 ........................................................63
4.2.3 Khảo sát trường hợp hư hỏng D3 ........................................................70
4.2.4 Khảo sát trường hợp hư hỏng D2 so với hư hỏng D1 .........................74
4.2.5 Khảo sát vị trí mặt phẳng xuất dữ liệu trên tấm ..................................78
CHƯƠNG 5.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................... 83

5.1 Kết luận ...................................................................................................... 83
5.2 Kiến nghị .................................................................................................... 84
LÍ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86

2


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân chia cấp độ khảo sát hư hỏng (Wei, F. and Pizhong, Q. 2010)
...................................................................................................................................13
Bảng 1.2: Tổng hợp phân loại và phương pháp (Wei, F. and Pizhong, Q. 2010)
...................................................................................................................................13
Bảng 1.3: Tổng hợp ưu điểm và nhược điểm của một số phương pháp (Wei, F.
and Pizhong, Q. 2010) ...............................................................................................14
Bảng 3.1: Hệ số xác định tần số của tấm theo điều kiện biên (Ahmed và
Mohammad 2014) .....................................................................................................21
Bảng 4.1: Kết quả tần số ( Hz ) của thí nghiệm và mơ hình ..............................44
Bảng 4.2: Giá trị M . A.C giữa các dạng dao động của tấm không hư hỏng và
tấm hư hỏng D1 .........................................................................................................45
Bảng 4.3: Các dạng dao động thu được động trong trường hợp không hư hỏng
và hư hỏng D1 ...........................................................................................................45
Bảng 4.4: So sánh độ cong dạng dao động 3 mode đầu tiên trong trường hợp
không hư hỏng và hư hỏng D1 ..................................................................................48
Bảng 4.5: Chỉ số hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên................................50
Bảng 4.6: Năng lương biến dạng của từng phần tử trong tấm trong trạng thái
không hư hỏng và hư hỏng D1. .................................................................................52
Bảng 4.7: Chỉ số hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên................................53
Bảng 4.8: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................54
Bảng 4.9: So sánh độ cong dạng dao động của mặt cong được làm mịn và hư
hỏng D1 .....................................................................................................................55
Bảng 4.10: Chỉ số hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên..............................56
Bảng 4.11: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................56

Bảng 4.12: Mặt cong ULS theo từng mode trong trường hợp không hư hỏng
và hư hỏng D1 ...........................................................................................................57
Bảng 4.13: Mặt cong ULS theo tổng mode trong trường hợp không hư hỏng và
hư hỏng D1 ................................................................................................................58

3


Bảng 4.14: Độ cong mặt cong ULS trong trường hợp không hư hỏng và hư
hỏng D1 .....................................................................................................................58
Bảng 4.15: Chỉ số hư hỏng theo tổng ULS ......................................................59
Bảng 4.16: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................59
Bảng 4.17: Tổng hợp kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng của 4 phương pháp ...61
Bảng 4.18: Tổng hợp đánh giá các phương pháp (hư hỏng D1) ......................61
Bảng 4.19: Kết quả tần số ( Hz ) của trường hợp không hư hỏng và trường hợp
hư hỏng D2 ................................................................................................................63
Bảng 4.20: Giá trị M . A.C giữa các dạng dao động của tấm không hư hỏng và
tấm hư hỏng D2 .........................................................................................................64
Bảng 4.21: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................64
Bảng 4.22: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................65
Bảng 4.23: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................65
Bảng 4.24: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................66
Bảng 4.25: Tổng hợp đánh giá các phương pháp (hư hỏng D2) ......................67
Bảng 4.26: Tổng hợp kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng của 4 phương pháp ...67
Bảng 4.27: Kết quả tần số ( Hz ) của trường hợp không hư hỏng và trường hợp

hư hỏng D3 ................................................................................................................70
Bảng 4.28: Giá trị M . A.C giữa các dạng dao động của tấm không hư hỏng và
tấm hư hỏng D3 .........................................................................................................71
Bảng 4.29: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................71
Bảng 4.30: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................72
Bảng 4.31: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................72

4


Bảng 4.32: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................73
Bảng 4.33: Kết quả tần số ( Hz ) của trường hợp hư hỏng D1 và trường hợp hư
hỏng D2 .....................................................................................................................74
Bảng 4.34: Chỉ số MAC trong 2 trường hợp hư hỏng D1 và hư hỏng D2 .......74
Bảng 4.35: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................75
Bảng 4.36: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................75
Bảng 4.37: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................76
Bảng 4.38: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu ...............................................................................77
Bảng 4.39: Giá trị M . A.C giữa các dạng dao động của tấm không hư hỏng và
tấm hư hỏng D2 .........................................................................................................78
Bảng 4.40: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu trên 2 mặt phẳng z=0 và z=2 ................................79

Bảng 4.41: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu trên 2 mặt phẳng z=0 và z=2 ................................80
Bảng 4.42: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu trên 2 mặt phẳng z=0 và z=2 ................................80
Bảng 4.43: Chỉ số và vị trí hư hỏng theo 3 dạng dao động đầu tiên sau khi
chuẩn hóa và loại bỏ vùng nhiễu trên 2 mặt phẳng z=0 và z=2 ................................81

5


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hình ảnh so sánh SHM tương tự HHM ...........................................11
Hình 1.2: Hình ảnh sụp đổ của đại lộ Nilcoll (Singapore 2004) ......................12
Hình 1.3: Sơ đồ của hệ thống SHM .................................................................12
Hình 1.4: Hư hỏng do sự ăn mòn của thép ( vết nứt song song với các thanh
thép). ..........................................................................................................................14
Hình 1.5: Hư hỏng do co ngót của bê tông. .....................................................15
Hình 1.6: Hư hỏng do tăng tải đều trên sàn......................................................15
Hình 1.7: Hư hỏng thực tế trong sàn BTCT .....................................................15
Hình 3.1: Ma trận số giá trị M . A.C tương quan giữa các dạng dao đợng .........22
Hình 3.2: Hình mơ phỏng vị trí hư hỏng ..........................................................26
Hình 3.3: Sơ đồ tinh thành phần xoắn ..............................................................28
Hình 3.5: Lược đồ minh họa các phần tử trong bài tốn tấm (Hu và cợng sư
2008)..........................................................................................................................30
Hình 3.6: Minh hoạ về chỉ số hư hỏng trong bài tốn tấm (Hu và cợng sự
2008)..........................................................................................................................32
Hình 3.7: Tính tốn hệ số bất thường trong phương pháp làm mịn 1 phương
(chấm trắng chỉ điểm gãy, chấm đậm chỉ điểm dùng để làm mịn) (Yoon và cợng sự
2005)..........................................................................................................................34
Hình 3.8: Các điểm nút dùng trong phương pháp làm mịn 2 phương (chấm

trắng chỉ điểm gãy, chấm đậm chỉ điểm dùng để làm mịn) (Yoon và cợng sự 2005)
...................................................................................................................................34
Hình 3.9: Quy luật “68-95-99.7” trong phân phối chuẩn .................................39
Hình 4.1: Vết nứt trong tấm .............................................................................40
Hình 4.2: Tấm thí nghiệm với lưới 13x13........................................................40
Hình 4.3: Thiết lập thí nghiệm .........................................................................41
Hình 4.4: Kết quả tần số tấm nhơm thu được từ thí nghiệm ............................41
Hình 4.5: Tần số và dạng dao dạng dao động thu được trong bài báo .............42
Hình 4.6: Phần tử bậc 2 khối lập phương 20 nút C3D20 .................................43
Hình 4.7: Khoảng cách chia lưới để khảo sát trong phần mềm .......................43

6


Hình 4.8: Trường hợp hư hỏng D1 ...................................................................44
Hình 4.9: Tổng hợp kết quả chẩn đoán chỉ số hư hỏng của 4 phương pháp ....62
Hình 4.10: Trường hợp hư hỏng D2 .................................................................63
Hình 4.11: Tổng hợp kết quả chẩn đốn chỉ số hư hỏng của 4 phương pháp ..68
Hình 4.12: Tổng hợp tỉ số chênh lệch hư hỏng của 4 phương pháp ................69
Hình 4.13: Trường hợp hư hỏng D3 .................................................................70
Hình 4.14: Các vị trí mặt phẳng khảo sát xuất dữ liệu trên tấm.......................78

7


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BTCT

Bê tông cốt thép

CDM

Central Differential Method: Phương pháp sai phân trung tâm

FEM

Finite Element Method: Phương pháp phần tử hữu hạn

GSM

Gapped Smoothing Method: Phương pháp làm mịn mặt cong

HHM

Human Health Monitoring: Theo dõi sức khỏe con người

MAC

Modal Assurance Criterion: Tiêu chuẩn thay đổi dạng dao động

SEM

Strain Energy Method: Phương pháp năng lượng biến dạng

SHM

Structural Health Monitoring: Theo dõi và chẩn đoán kết cấu

ULS

Uniform Load Surface: Phương pháp tải phân bố bề mặt

8


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
f

: tần số dao động riêng của tấm không hư hỏng ( Hz )

f'

: tần số dao động riêng của tấm hư hỏng ( Hz )

f

: độ thay đổi tần số ( Hz )

f % : phần trăm độ thay đổi tần số
i

: dạng dao động thứ i của tấm không hư hỏng

i '

: dạng dao động thứ i của tấm hư hỏng



: ma trận độ cứng tấm không hư hỏng

'

: ma trận độ cứng tấm hư hỏng

i

: trị riêng thứ i của tấm không hư hỏng

'

: trị riêng thứ i của tấm hư hỏng



: ma trận khối lượng

xi

: vecto chuyển vị thứ i của tấm không hư hỏng

x'

: vecto chuyển vị thứ i của tấm hư hỏng

j

: chuyển vị theo phương thẳng đứng ở phần tử thứ j

 i"

: đường cong dạng dao động

u xx

: độ cong dạng dao động phương x

u yy

: độ cong dạng dao động phương y

u xy

: độ cong dạng dao động phương xy



: độ cứng của tấm

l

: chiều dài của tấm

l

: chiều rộng của tấm

i

i

9


U ij

: năng lượng đàn hồi biến dạng ở dạng dao động thứ i phần tử

j của tấm không hư hỏng
U ij '

: năng lượng đàn hồi biến dạng ở dạng dao động thứ i phần tử

j của tấm hư hỏng
Ci , j

: mặt cong được làm mịn

F

: ma trận độ mềm

u  k  : mặt cong ULS


: giá trị trung bình chỉ số vùng hư hỏng



: giá trị độ lệch chuẩn chỉ số vùng hư hỏng



: chỉ số hư hỏng được chuẩn hóa

10


CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU

1.1

Giới thiệu chung

1.1.1

Theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM)

Theo dõi và chẩn đoán kết cấu (SHM: Structural Health Monitoring) là một
thuật ngữ đề cập đến việc đánh giá ứng xử đang làm việc của kết cấu bằng cách sử
dụng nhiều kỹ thuật đo lường khác nhau.
Human Health
Monitoring

Structural Health
Monitoring

Đối tượng nghiên cứu

Cảm biến

Tín hiệu thu nhận

Chuyên gia phân tích

Hình 1.1: Hình ảnh so sánh SHM tương tự HHM
Việc theo dõi trình trạng của kết cấu cũng quan trọng tương tự như việc theo
dõi sức khỏe con người, cần thiết bị và các chuyên gia phân tích. Từ đó, tình trạng
kết cấu sẽ được cập nhật liên tục, đưa ra chẩn đoán kịp thời và chính xác.

11


SHM có rất nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là theo dõi và kiểm sốt q
trình thi cơng xây dựng, xác nhận đặc điểm thiết kế của cơng trình, xác nhận tải
trọng cơng trình, hỗ trợ cho việc duy tu cơng trình, phát hiện các hư hỏng kịp thời,
giảm chi phí và thời gian sửa chữa, hỗ trợ cho các trường hợp nguy cấp…

Hình 1.2: Hình ảnh sụp đổ của đại lộ Nilcoll (Singapore 2004)
Trong hơn hai thập niên đã qua, đã có nhiều nỗ lực trong việc nghiên cứu về
SHM. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều nghiên cứu về SHM, qua đó cung cấp
cơ sở lý thuyết và đề xuất các hệ thống tương ứng để theo dõi mợt cách hiệu quả,
khoa học tình trạng sức khỏe của kết cấu cơng trình.

Hình 1.3: Sơ đờ của hệ thống SHM

12

Mỗi kết cấu trong điều kiện tự nhiên đều chịu sự dao đợng ở các mức đợ khác
nhau và có các thông số đặc trưng như: tần số tự nhiên, dạng dao động, giá trị giảm
chấn… Khi xảy ra bất thường trong kết cấu, hay có hư hỏng ở một vị trí nào đó, các
tham số đặc trưng về dao động này sẽ thay đổi như: tần số riêng của hệ giảm, giá trị
giảm chấn tăng, sự thay đổi dạng dao động…
Dựa vào sự thay đổi các tham số đặc trưng dao đợng trên ta có thể xác định
được vùng có dấu hiệu bất thường (hư hỏng) trong kết cấu, đánh giá mức độ
nghiệm trọng của hư hỏng. Cuối cùng để đưa ra kết luận về việc sửa chữa hay thay
thế.
Bảng 1.1: Phân chia cấp độ khảo sát hư hỏng (Wei, F. and Pizhong, Q. 2010)
Xác định được có hư hỏng xuất hiện
Xác định được có hư hỏng xuất hiện và định được vị trí hư

Cấp 1
Cấp 2
hỏng
Cấp 3
Cấp 4

Xác định được có hư hỏng xuất hiện, định được vị trí hư
hỏng và định lượng mức độ nguy hiểm
Xác định được có hư hỏng xuất hiện, định được vị trí hư
hỏng, định lượng mức độ nguy hiểm và đánh giá tác động của hư
hỏng đến kết cấ hoặc định lượng tuổi thọ kết cấu

Bảng 1.2: Tổng hợp phân loại và phương pháp (Wei, F. and Pizhong, Q. 2010)
Đặc điểm
(Features)
Tần số tự nhiên

(Natural frequency)
Dạng dao động
(Mode shape)
Ma trận độ cứng
(Stiffness matrix)
Ma trận độ mềm
(Flexibility matrix)

Phương pháp
(Methodology)
Sự thay đổi tần số (Frequency change)
Tối ưu hóa lực dư (Residual force optimization)
Sự thay đổi dạng dao động (Mode shape change)
Năng lương biến dạng (Modal strain energy)
Độ cong dạng dao động (Mode shape derivative)
Kỹ thuật tối ưu (Optimization technique)
Cập nhật mô hình (Model updating)
Đo lường độ mềm (Dynamically measured flexibility)

13


Bảng 1.3: Tổng hợp ưu điểm và nhược điểm của một số phương pháp (Wei, F. and
Pizhong, Q. 2010)
Phương pháp
Tần số

Dạng dao động
Ma trận độ cứng
Ma trận độ mềm

1.1.2

Ưu điểm
Nhược điểm
- Có khả năng xác định
- Không đưa ra thông tin
được hư hỏng
về vị trí hư hỏng
- Đặc trưng đơn giản
- Định tính mức độ hư
nhất của cấu kiện
hỏng
- Độ nhạy thấp với hư
hỏng
- Chứa các thông tin về
- Cần số lượng lớn dữ liệu
không gian, do đó vị trí trí hư dạng dao động
hỏng được xác định
- Cung cấp vị trí và mức
- Giải pháp được dựa vào
độ nghiêm trọng
tất cả dạng dao động nhưng
không thể đo được hết

Kết cấu tấm

Kết cấu dạng tấm được sử dụng phổ biến trong xây dựng như: sàn BTCT, tấm
panel đúc sẵn, kính bao che chịu. Sàn BTCT (Reinforced Concrete Floor) được sử
dụng phổ biến trong xây dựng vì những ưu điểm của nó như: chịu lực lớn, ổn định

cao, chống cháy tốt... Nhưng sàn BTCT vẫn có những khuyết điểm như: trọng
lượng bản thân lớn, thi công phức tạp, cách âm chưa thật tốt… Nguyên nhân gây ra
hư hỏng tạo thành vết nứt trong sàn BTCT do: tác động vật lý, tác động cơ học và
các tác động khác. Do đó mà khả năng hư hỏng phát triển theo thời gian, theo tải
trọng và theo sự xuống cấp của khả năng chịu lực, của đợ cứng cơng trình.

Hình 1.4: Hư hỏng do sự ăn mòn của thép ( vết nứt song song với các thanh thép).

14


Hình 1.5: Hư hỏng do co ngót của bê tơng.

Hình 1.6: Hư hỏng do tăng tải đều trên sàn.

Hình 1.7: Hư hỏng thực tế trong sàn BTCT
Sàn là kết cấu chịu trực tiếp tải trọng sử dụng, hệ sàn được đỡ bởi hệ hệ dầm,
dầm truyền tải lên cột và cột truyền xuống móng. Vì tính quan trọng của sàn nên
cần phải có phương pháp để phát hiện hư hỏng để sữa chữa kịp thời, tránh thiệt hại
đáng tiếc.

15


CHƯƠNG 2.

TỞNG QUAN

Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Trong các phương pháp SHM thì các phương pháp không phá hủy xác định hư

hỏng của kết cấu dựa trên dao động đã trở thành một trong những phương pháp tiếp
cận căn bản trong việc phát hiện hư hỏng và giám sát sức khỏe kết cấu bởi khả năng
đo lường linh hoạt, chi phí tương đối thấp, sử dụng kỹ thuật không phá hủy và tính
khả thi của việc giám sát sức khỏe kết cấu tổng thể trong thời gian thực.
2.1

Về mặt nguyên lý, bất kỳ thay đổi đáng kể về tḥc tính trong kết cấu đều dẫn
đến các thay đổi về thông số dao động như là: tần số tự nhiên, dạng dao động, độ
cong dạng dao động và năng lượng biến dạng. Đó cũng chính là cơ sở của các kỹ
thuật không phá hủy để xác định kết cấu bị hư hỏng chưa hoặc thậm chí để dự đốn
vị trí và mức độ hư hỏng.
Cawley và Adams (1979) sử dụng sự thay đổi tần số tự nhiên các dạng dao
động khác nhau để phát hiện hư hỏng trong dầm composite.
Shen và Grady (1992) phát hiện ra rằng những hư hỏng cục bợ khơng có tác
đợng đáng kể đến dạng dao đợng tổng thể của dầm conposite, nhưng gây ra những
bất thường trong dạng dao động.
Cornwell và cộng sự (1997) sử dụng thay đổi độ cong dạng dao động để xác
định sơ bộ vùng hư hỏng trong kết cấu tấm.
Các nghiên cứu về thay đổi tần số, dạng dao động và độ cong dạng dao động
mới chỉ dừng lại ở việc xác định xem kết cấu đã hư hỏng hay chưa (SHM tổng thể),
xác định các hư hỏng lớn hoặc vùng hư hỏng sơ bộ. Hạn chế của các phương pháp
này là chưa xác định được chính xác vị trí và mức độ các hư hỏng nhỏ (SHM cục
bộ).
Trong khi đó, phương pháp năng lượng biến dạng (SEM: Strain Energy
Method) nổi lên với ưu điểm vừa là phương pháp SHM tổng thể, vừa là phương
pháp SHM cục bộ hiệu quả nên được tập trung nghiên cứu.
Stubbs và cộng sự (1995) lần đầu tiên áp dụng phương pháp năng lượng biến
dạng SEM để phát hiện các hư hỏng của kết cấu dựa trên sự giảm năng lượng biến
dạng dao động của các kết cấu.
Cornwell và cộng sự (1997) mở rộng SEM trên kết cấu tấm đặc trưng bởi mặt

cong hai chiều. Trong cách tiếp cận của Cornwell, năng lượng biến dạng phân đoạn
của tấm trước và sau khi bị hư hỏng được sử dụng để xác định chỉ số hư hỏng. Từ
16


chỉ số này có thể xác định thành cơng vị trí các khu vực đợ cứng giảm đến 10%,
đờng thời sử dụng tương đối ít các dạng dao đợng. Trong kiểm chứng thực nghiệm
của họ, hai vết nứt ở biên với mức độ hư hỏng nhất định được xác định chính xác
bởi chỉ số hư hỏng.
Kim và cợng sự (2003) áp dụng SEM cho bài toán tấm đơn giản nhịp 3.6m và
đã phát hiện chính xác hư hỏng ở vị trí giữa nhịp và mợt phần tư nhịp chỉ với hai
dạng dao động. Mức độ hư hỏng của vết nứt ở giữa nhịp cũng được xác định chính
xác
Wu và Law (2003) sử dụng phương pháp tải phân bố bề mặt (ULS) kết hợp
với xấp xỉ đường cong Chebyshev, thay thế cho phương pháp sai phân trung tâm để
tính độ cong. Phương pháp cần dữ liệu đầu vào là tần số và dạng dao động. Các mô
hình được khảo sát với các điều kiện biên, độ nhiễu, khoảng cách cảm biến khác
nhau để đánh giá hiệu quả của phương pháp. Kết quả nghiên cứu chỉ ra phương
pháp nhạy cảm với hư hỏng trong cả trường hợp có độ nhiễu lớn.
Hu và cộng sự (2008) đã kiểm chứng thực nghiệm SEM để phát hiện vết nứt
bề mặt trong tấm nhôm mỏng với điều kiện biên tự do. Trong cách tiệp cận của
mình, Hu và cộng sự áp dụng phương pháp cầu phương vi phân (DQM: Diffrential
Quadrature Method) để tính toán năng lượng biến dạng và đã xác định chính xác vị
trí hư hỏng trong tấm nhôm đẳng hướng. DQM là một công cụ tính tốn mạnh mẽ
để tìm ra nghiệm chính xác của các phương trình vi phân từng phần mà chỉ cần sử
dụng một vài điểm lưới trong các miền nghiệm tương ứng. Bert và cộng sự (1988)
lần đầu tiên áp dụng phương pháp này để giải quyết những vấn đề cơ học kết cấu.
Zhong và Yang (2015) đã áp dụng phương pháp độ cong dạng dao động
(MSC) vào kết cấu tấm thép với điều kiện biên ngàm 2 cạnh. Để đánh giá hiệu quả
của phương pháp, mô phỏng các trường hợp hư hỏng khác nhau cả về số lượng, vị

trí và mức độ nghiêm trọng. Các mô hình đều được so sánh với kết quả thí nghiệm.
Kết quả cuối cùng chứng minh phương pháp chuẩn đoán tốt hư hỏng trong những
trường hợp đơn giản.
Yoon và cộng sự (2015) đã phát triển phương pháp làm mịn đường cong thành
phương pháp làm mịn mặt cong (GSM) và áp dụng vào khảo sát hư hỏng trên tấm
composite. Các mô hình PTHH được sử dụng và đối chiếu với kết quả thí nghiệm.
Phương pháp cũng được áp dụng trên kết cấu vỏ lớn tương dương kích thước thực
tế. Trong tất cả các trường hợp, phương pháp đều chuẩn đoán chính xác hư hỏng.

17


Vo và cộng sự (2016) đã dựa vào phương pháp năng lượng biến dạng (SEM)
và phát triển thuật toán sai phân trung tâm để loại bỏ ảnh hưởng của giá trị nhiễu ,
nâng cao hiệu quả xác định hư hỏng trong kết cấu tấm composite.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Ngồi các nghiên cứu ngồi nước, trong nước cũng có các nghiên cứu của các
tác giả như:
2.2

Le và Nguyen (2009) đã dùng phương pháp đợng kết hợp với thuật tốn
Genetic Algorithm để dò tìm hư hỏng trên dầm, nghiên cứu được thí nghiệm trên
dầm cơng xơn cho kết quả dự đốn tốt các vết nứt xuất hiện trên dầm.
Le và Nguyen (2017) trình bày cách xác định vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu
dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn bằng thuật toán Mac-Ewins và
Bunnhiacopxiki trên cơ sở dấu hiệu chẩn đoán hư hỏng là tần số, biên độ dao động
riêng của dầm.
Luận văn cao học của tác giả Lê Thanh Cao (2014) đã khảo sát hư hỏng của
kết cấu tấm bằng phương pháp năng lượng biến dạng, có tính tốn với từng điều
kiện biên khác nhau của tấm.

Luận văn cao học của tác giả Hồ Phạm Hữu Lộc (2016) cũng đã dùng phương
pháp năng lượng biến dạng để khảo sát kết cấu tấm sàn BTCT và xét thêm yếu tố
nhiệt độ.
Mục tiêu và nợi dung nghiên cứu
Cho đến hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu ngoài nước và trong nước về lĩnh
vực theo dõi, chẩn đoán hư hỏng trên các kết cấu dựa vào kết quả phân tích dao
đợng. Tuy nhiên, các nghiên cứu thường chỉ xét một phương pháp cho trường hợp
hư hỏng được khảo sát, từ đó đánh gíá hư hỏng. Để có đánh giá tổng quát hơn về hư
hỏng, luận văn sẽ khảo sát hư hỏng bằng 6 phương pháp, đánh giá kết quả chuẩn
đoán từng phương pháp và đưa ra đánh giá cuối cùng về hư hỏng.
2.3

Các nghiên cứu khảo sát trên tấm là khảo sát trên mặt phẳng trung hòa đại
diện cho tấm. Trong thực tế chỉ có thể khảo sát tại mặt trên hoặc mặt dưới của tấm
(mặt phẳng dán cảm biến). Luận văn khảo sát ảnh hưởng của vị trí mặt phẳng dán
cảm biến lên kết quả chuẩn đốn hư hỏng.
Theo dõi tình trạng kết cấu thì nhất định phải có yếu tố thời gian. Khảo sát sự
xuất hiện của hư hỏng theo từng mốc thời gian cố định. Đánh giá hư hỏng, xem hư
hỏng nào là hư hỏng mới, hư hỏng nào là hư hỏng đã có. Từ đó, có đánh giá rõ ràng
và chính xác hơn về tính trạng kết cấu.
18