Chẩn đoán vết nứt cho dầm bê tông cốt thép sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng

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

NGUYỄN TẤN THỊNH

CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NĂNG LƯỢNG BIẾN DẠNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành : 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2019


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn:

PGS.TS. Hồ Đức Duy

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Châu Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Văn Phước Nhân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM,
ngày 05 tháng 07 năm 2019.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Ngô Hữu Cường

-

Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS. Nguyễn Minh Long

-

Thư ký

3. TS. Châu Đình Thành

-

Ủy viên (Phản biện 1)

4. TS. Lê Văn Phước Nhân

-

Ủy viên (Phản biện 2)

5. TS. Lê Trung Kiên

-

Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Thành phố Hồ Chí Minh - 2019


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 và tên học viên: NGUYỄN TẤN THỊNH

MSHV : 1670537

Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1993

Nơi sinh: Đăk Lăk

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI: Chẩn đốn vết nứt cho dầm bê tơng cốt thép sử dụng phương
pháp năng lượng biến dạng
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1. Phân tích ứng xử dầm bê tơng cốt thép với các cấp tải trọng khác nhau.
2. Phân tích dao động cho dầm bê tông cốt thép với các cấp tải trọng tương ứng ở
nhiệm vụ 1.
3. Đề xuất phương pháp chẩn đoán vết nứt trong dầm sử dụng phương pháp năng
lượng biến dạng.
4. Thay đổi vị trí lấy dữ liệu dạng dao động; so sánh và đánh giá kết quả chẩn đốn;
từ đó, đề xuất vị trí bố trí gia tốc kế để kết quả chẩn đốn là tốt nhất.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: --/--/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : --/--/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Hồ Đức Duy
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Hồ Đức Duy

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

PGS.TS. Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS. Lê Anh Tuấn

.

tháng năm 2019

1

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn PGS.TS. Hồ
Đức Duy, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi rất nhiều, khơng chỉ về chun
mơn mà cịn thường xun động viên tơi, giúp tơi vượt qua những lúc khó khăn hay
nản lịng. Thầy đã giúp tơi có những kiến thức và kỹ năng cần thiết, tạo tiền đề để tơi
có thể phát triển các hướng nghiên cứu sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể các thầy, cơ trong Khoa Kỹ thuật Xây
dựng cũng như trong Nhà trường đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức lẫn kinh nghiệm
trong suốt khóa học, giúp tơi có kiến thức nền tảng phục vụ công việc và nghiên cứu.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hỗ trợ rất nhiều của anh Hồ Phạm
Hữu Lộc, bạn Huỳnh Văn Phương, các anh chị trong nhóm nghiên cứu và các anh
chị học viên cùng khóa trong thời gian vừa qua.
Ngồi ra, tơi xin cảm ơn các nhà nghiên cứu nước ngoài và trong nước trong
lĩnh vực chẩn đốn hư hỏng đã có những đóng góp to lớn, cung cấp những thơng tin,
hiểu biết để tơi có thể tiếp bước thực hiện đề tài nghiên cứu này.
Sau cùng, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người thân trong gia đình
đã ln ủng hộ, động viên tơi, giúp tơi vượt qua khó khăn trong suốt q trình học
tập và làm luận văn tại trường.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, nên luận văn khơng tránh khỏi những sai
sót. Rất mong sự thơng cảm và chỉ dạy, góp ý của quý thầy cô.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Tấn Thịnh

.

2

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong nghiên cứu này, một phương pháp chẩn đốn vết nứt cho dầm bê tơng
cốt thép (BTCT) sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng được đề xuất. Giá trị
năng lượng biến dạng được tính tốn từ kết quả phân tích dao động từ mơ hình phần
tử hữu hạn của dầm BTCT tương ứng với các cấp độ nứt khác nhau. Dầm BTCT sẽ
được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS; sau đó được gia tải với các cấp tải khác
nhau để cho dầm tự ứng xử và xuất hiện vết nứt tương ứng với từng cấp tải trọng. Kết
quả phân tích ma trận độ cứng của dầm sau khi nứt được đưa vào chương trình phân
tích dao động của ANSYS để thu thập dữ liệu đặc trưng dao động (tần số dao động
và dạng dao động) phục vụ cho cơng tác chẩn đốn hư hỏng. Khi sử dụng phương
pháp năng lượng biến dạng, một ngưỡng hư hỏng được đề xuất để loại bỏ vùng nhiễu.
Để đánh giá độ chính xác của phương pháp, các chỉ số chẩn đốn hư hỏng cho vùng
nứt và vùng khơng nứt được đề xuất mới trong nghiên cứu này. Ngoài ra, để đánh giá
vị trí tối ưu đặt gia tốc kế nhằm thu thập dữ liệu dạng dao động khi ứng dụng thực
tiễn, một bài tốn phân tích tính hiệu quả phương pháp chẩn đốn theo vị trí lấy dữ
liệu dạng dao động cũng được thực hiện.

.


3

ABSTRACT

In this study, a crack detection method for reinforced concrete (RC) beams using
modal strain energy is proposed. The modal strain energy (MSE) is calculated from

the modal analysis results of RC beam using finite element model with various crack
levels. The RC beam is simulated by ANSYS software; and then it is loaded with
different load levels to create the crack zones corresponding to each load level. The
stiffness matrix of cracked beam is transferred into the modal analysis program of
ANSYS software to get the vibration characteristic data (frequencies and mode
shapes) for crack detection. For using the MSE method, a damage threshold is
introduced to eliminate the noise zones. In order to evaluate the accuracy of the
method, new damage detection indexes of cracked zones and non-cracked zones are
also proposed. In addition, to assess the optimal accelerometer location used to collect
mode shape data in practice, an analysis of mode shape data with different locations
is also performed.

.


4

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan nghiên cứu được trình bày ở đây là do chính tơi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hồ Đức Duy.
Các kết quả trong Luận văn Thạc sĩ là đúng sự thật và chưa được công bố ở các
nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về cơng việc thực hiện của mình.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên thực hiện

Nguyễn Tấn Thịnh

.

năm 2019


5

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................ 2
ABSTRACT ......................................................................................................... 3
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................. 10
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... 15
DANH MỤC KÝ HIỆU ....................................................................................... 16
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ................................................................................ 18
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................... 18

1.1.1.

Tầm quan trọng của việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu .......................... 18

1.1.2.

Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu .......................................................... 19

1.1.3.

Một số dạng vết nứt đối với dầm bê tông cốt thép ................................... 19

1.1.3.1. Vết nứt kết cấu........................................................................................ 21
1.1.3.2. Vết nứt phi kết cấu.................................................................................. 22
1.2.

MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...................................... 23

1.2.1.

Mục tiêu ................................................................................................. 23

1.2.2.

Nội dung nghiên cứu............................................................................... 24

1.3.
CỨU

Ý NGHĨA THỰC TIỄN VÀ TÍNH CẦN THIẾT CỦA NGHIÊN
............................................................................................................... 25

1.4.

CẤU TRÚC TRONG LUẬN VĂN ...................................................... 26

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ............................................................................... 27
2.1.
.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC ..................................... 27


6
2.1.1.
Các nghiên cứu về chẩn đoán kết cấu dựa trên đặc trưng dao động (tần số
dao động và dạng dao động) .................................................................................. 27
2.1.2.
Các nghiên cứu về chẩn đoán kết cấu dựa trên phương pháp năng lượng
biến dạng ............................................................................................................... 29
2.2.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC .................................... 31

2.3.

TỔNG KẾT ........................................................................................... 34

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... 36
3.1.

PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TỰ DO ...................................................... 36

3.2.

PHƯƠNG PHÁP NĂNG LƯỢNG BIẾN DẠNG ................................ 37

3.2.1.

Phương pháp năng lượng biến dạng cho kết cấu dầm .............................. 38

3.2.2.

Ngưỡng hư hỏng ..................................................................................... 42

3.2.3.

Ảnh hưởng của điều kiện biên ................................................................ 42

3.2.4.

Các bước tính tốn của phương pháp năng lượng biến dạng.................... 44

3.3.

LƯU ĐỒ TÍNH TỐN ......................................................................... 47

3.3.1.

Lưu đồ tính toán phương pháp năng lượng biến dạng ............................. 47

3.3.2.

Diễn giải lưu đồ tính tốn ....................................................................... 48

3.4.

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CHẨN ĐỐN ....... 50

3.4.1.

Ngưỡng hư hỏng đề xuất......................................................................... 50

3.4.2.

Chỉ số chẩn đốn .................................................................................... 51

3.5.

MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ....................................................... 55

3.5.1.

Mơ hình phần tử ..................................................................................... 55

3.5.1.1. Mơ hình phần tử bê tơng ......................................................................... 55
3.5.1.2. Mơ hình phần tử cốt thép ........................................................................ 55
3.5.2.

Mơ hình vật liệu...................................................................................... 56

3.5.2.1. Mơ hình mặt phá hoại của bê tơng .......................................................... 56
3.5.2.2. Mơ hình vật liệu cốt thép ........................................................................ 57
3.5.2.3. Mơ hình liên kết giữa bê tông và cốt thép ............................................... 58
3.5.3.

.

Phương pháp phân tích ........................................................................... 58


7

CHƯƠNG 4. CÁC BÀI TOÁN KHẢO SÁT ..................................................... 60
4.1.

BÀI TOÁN 1 ......................................................................................... 61

4.1.1.

Thơng số đầu vào.................................................................................... 62

4.1.1.1. Sơ đồ tính và chi tiết dầm ....................................................................... 62
4.1.1.2. Vật liệu ................................................................................................... 62
4.1.1.3. Tải trọng ................................................................................................. 63
4.1.2.

Thông số mô phỏng ................................................................................ 63

4.1.2.1. Khai báo kiểu phần tử ............................................................................. 63
4.1.2.2. Khai báo vật liệu ..................................................................................... 63
4.1.3.

Mơ hình mơ phỏng trong ANSYS ........................................................... 66

4.1.3.1. Mơ hình và chia lưới phần tử .................................................................. 67
4.1.3.2. Điều kiện biên và tải trọng ...................................................................... 68
4.1.4.

Kết quả phân tích dao động dầm chưa gia tải .......................................... 69

4.1.4.1. Tần số dao động...................................................................................... 69
4.1.4.2. Dạng dao động........................................................................................ 70
4.1.5.

Kết quả phân tích ứng xử của dầm khi gia tải.......................................... 72

4.1.6.

Kết quả phân tích dao động cho dầm tương ứng với từng cấp tải ............ 74

4.1.6.1. Tần số dao động...................................................................................... 75
4.1.6.2. Dạng dao động........................................................................................ 76
4.1.7.

Kết quả chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp năng lượng biến dạng ...... 84

4.1.7.1. Biểu đồ chỉ số hư hỏng ........................................................................... 84
4.1.7.2. Tổng kết chỉ số chẩn đoán ...................................................................... 94
4.1.8.

Phân tích và đánh giá kết quả .................................................................. 95

4.1.8.1. Độ tin cậy của mơ hình ........................................................................... 95
4.1.8.2. Độ chính xác của kết quả chẩn đoán bằng phương pháp năng lượng biến

dạng
............................................................................................................... 95
4.2.

BÀI TỐN 2 ......................................................................................... 96

4.2.1.
hịa

Biểu đồ chỉ số hư hỏng, P = 6.25 kN ở mặt trên, mặt dưới, trục trung
............................................................................................................... 97

.


8
4.2.1.1. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ nhất ................................ 97
4.2.1.2. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ hai .................................. 98
4.2.1.3. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ ba ................................... 99
4.2.1.4. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ tư ................................. 101
4.2.1.5. Kết quả chẩn đoán kết hợp các dạng dao động thứ 1, 2, 3 và 4.............. 102
4.2.2.
hòa

Biểu đồ chỉ số hư hỏng, P = 9.5kN ở mặt trên, mặt dưới và trục trung
............................................................................................................. 103

4.2.2.1. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ nhất .............................. 103
4.2.2.2. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ hai ................................ 105
4.2.2.3. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ ba ................................. 106

4.2.2.4. Kết quả chẩn đoán ứng với dạng dao động thứ tư ................................. 107
4.2.2.5. Kết quả chẩn đoán kết hợp các dạng dao động thứ 1, 2, 3 và 4.............. 109
4.2.3.

Chỉ số chẩn đoán .................................................................................. 110

4.2.4.

Phân tích và đánh giá kết quả ................................................................ 111

4.3.

BÀI TỐN 3 ....................................................................................... 112

4.3.1.

Các bước thực hiện ............................................................................... 112

4.3.2.

Kết quả chẩn đoán với bộ dữ liệu 19 nút ............................................... 113

4.3.2.1. Biểu đồ chỉ số hư hỏng dầm được gia tải P = 6.25 kN, 19 điểm dữ liệu 113
4.3.2.2. Biểu đồ chỉ số hư hỏng dầm được gia tải P = 9.5 kN, 19 điểm dữ liệu .. 115
4.3.3.

Kết quả chẩn đoán với bộ dữ liệu 7 nút ................................................. 118

4.3.3.1. Biểu đồ chỉ số hư hỏng dầm được gia tải P = 6.25 kN, 7 điểm dữ liệu .. 118
4.3.3.2. Biểu đồ chỉ số hư hỏng dầm được gia tải P = 9.5 kN, 7 điểm dữ liệu .... 120

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................... 123
5.1.

KẾT LUẬN ......................................................................................... 123

5.2.

KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 127
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................... 130

.


9

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1.

Kiểu phần tử được lựa chọn trong mô phỏng ..................................... 63

Bảng 4.2.

Dữ liệu đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông trong ANSYS . 65

Bảng 4.3. Kết quả so sánh tần số từ mô hình ANSYS với phương pháp giải tích và
thí nghiệm Hong và cộng sự (2012) ....................................................................... 69
Bảng 4.4.

Kết quả tính tốn tải trọng gây nứt theo tiêu chuẩn ACI 318 - 11 ...... 72

Bảng 4.5. Kết quả so sánh tải trọng gây nứt từ mơ phỏng ANSYS, tính tốn theo
ACI 318-11 và thực nghiệm Hong và cộng sự (2012) ............................................ 73
Bảng 4.6. Kết quả so sánh tần số dao động khi dầm chưa nứt (P=0 kN) và dầm
nứt với các cấp tải khác nhau ................................................................................ 75
Bảng 4.7.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 6.25 kN ....................... 86

Bảng 4.8.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 6.6 kN......................... 88

Bảng 4.9.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 7.3 kN......................... 91

Bảng 4.10.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 9.5 kN ..................... 93

Bảng 4.11.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với các cấp tải 6.25 kN và 6.6 kN .
....................................................................................................... 94

Bảng 4.12.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với các cấp tải 7.3 kN và 9.5 kN94

Bảng 4.13.
Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 6.25 kN ứng với 3 vị trí
lấy dữ liệu khác nhau .......................................................................................... 110
Bảng 4.14.
Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 9.5 kN ứng với 3 vị trí
lấy dữ liệu khác nhau .......................................................................................... 111
Bảng 4.15.

Tọa độ 19 điểm lấy dữ liệu dạng dao động ................................... 113

Bảng 4.16.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 6.25 kN, 19 nút dữ liệu
..................................................................................................... 115

Bảng 4.17.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 6.25 kN, 19 nút dữ liệu
..................................................................................................... 117

Bảng 4.18.

Tọa độ 7 điểm lấy dữ liệu dạng dao động ..................................... 118

Bảng 4.19.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 6.25 kN, 7 nút dữ liệu ..
..................................................................................................... 120

Bảng 4.20.

Kết quả chỉ số chẩn đoán hư hỏng với cấp tải 9.5 kN, 7 nút dữ liệu ....
..................................................................................................... 122

.


10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Vết nứt xun dầm tịa nhà Apex Tower (Hà Nội)................................... 20
Hình 1.2. Vết nứt chịu uốn trong dầm .................................................................... 21
Hình 1.3. Vết nứt chịu cắt trong dầm ..................................................................... 21
Hình 1.4. Dầm bị khuyết tật do thi cơng................................................................. 22
Hình 1.5. Vết nứt do chuyển vị cốp pha ................................................................. 22
Hình 1.6. Vết nứt do co ngót (cơng tác bảo dưỡng)(Nguồn: Internet) .................... 23
Hình 3.1. Sơ đồ dầm với vị trí nứt .......................................................................... 38
Hình 3.2. Minh họa về năng lượng biến dạng của dạng dao động ......................... 39
Hình 3.3. Minh họa về đường cong dạng dao động................................................ 43
Hình 3.4. Lưu đồ tính tốn phương pháp năng lượng biến dạng ............................ 47
Hình 3.5. Minh họa hai ngưỡng hư hỏng (Hồ và cộng sự 2018) ............................ 50
Hình 3.6. Minh họa ngưỡng hư hỏng Z0 = 5%Zmax................................................. 51
Hình 3.7. Quy ước vùng nứt chẩn đoán và vùng nứt thực tế ................................... 52
Hình 3.8. Phần tử khối bê tơng Solid65 (ANSYS Manual) ...................................... 55
Hình 3.9. Phần tử BEAM188 (ANSYS Manual)...................................................... 55
Hình 3.10. Mặt phá hoại của bê tơng theo mơ hình William và Warnke (1975) ..... 56
Hình 3.11. Các dạng vết nứt được mơ phỏng trong ANSYS.................................... 57
Hình 3.12. Mơ hình ứng suất – biến dạng của cốt thép (ANSYS Manual)............... 57
Hình 3.13. Mơ hình liên kết giữa bê tơng và cốt thép ............................................. 58

Hình 3.14. Phương pháp lặp Newton – Raphson (ANSYS Manual) ........................ 59
Hình 4.1. Quy trình thí nghiệm (Hong và cộng sự 2012)........................................ 61
Hình 4.2. Sơ đồ thí nghiệm và hệ thống ghi nhận dữ liệu (Hong và cộng sự 2012) 62
Hình 4.3. Sơ đồ gia tải dầm (Hong và cộng sự 2012)............................................. 62
Hình 4.4. Đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông theo Kent – Park ........... 64
Hình 4.5. Đường cong ứng suất biến dạng của bê tơng đơn giản hóa được dùng cho
mơ hình phần tử hữu hạn ....................................................................................... 65

.


11
Hình 4.6. Đường cong ứng suất biến dạng của cốt thép đơn giản hóa được dùng
cho mơ hình phần tử hữu hạn ................................................................................ 66
Hình 4.7. Sơ dồ chia lưới phần tử .......................................................................... 67
Hình 4.8. Mơ hình mơ phỏng dầm bê tơng cốt thép bằng ANSYS ........................... 67
Hình 4.9. Mơ hình mơ phỏng cốt thép dầm ............................................................ 67
Hình 4.10. Khai báo điều kiện biên trong ANSYS .................................................. 68
Hình 4.11. Vùng gia tải trong mơ hình................................................................... 68
Hình 4.12. Cơng thức xác định tần số dầm đơn giản (Chopra 2017) ..................... 69
Hình 4.13. Dạng dao động thứ nhất (f1 = 27.113 Hz) ............................................ 70
Hình 4.14. Dạng dao động thứ hai (f2 = 100.910 Hz) ............................................ 70
Hình 4.15. Dạng dao động thứ ba (f3 = 236.480 Hz) ............................................. 71
Hình 4.16. Dạng dao động thứ tư (f4 = 393.504 Hz) .............................................. 71
Hình 4.17. Kết quả vùng nứt dầm ứng với cấp tải P = 6.25 (kN) ........................... 73
Hình 4.18. Kết quả vùng nứt dầm ứng với cấp tải P = 6.6 (kN) ............................. 73
Hình 4.19. Kết quả vùng nứt dầm ứng với cấp tải P = 7.3 (kN) ............................. 74
Hình 4.20. Kết quả vùng nứt dầm ứng với cấp tải P = 9.5 (kN) ............................. 74
Hình 4.21. Biểu đồ so sánh tần số dao động khi dầm chưa nứt (P=0 kN) và dầm nứt
với các cấp tải khác nhau ...................................................................................... 75

Hình 4.22. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ nhất (P = 0 kN và P = 6.25 kN) .... 76
Hình 4.23. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ nhất (P = 0 kN và P = 6.6 kN)...... 76
Hình 4.24. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ nhất (P = 0 kN và P = 7.3 kN)...... 77
Hình 4.25. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ nhất (P = 0 kN và P = 9.5 kN)...... 77
Hình 4.26. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ hai (P = 0 kN và P = 6.25 kN)...... 78
Hình 4.27. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ hai (P = 0 kN và P = 6.6 kN)........ 78
Hình 4.28. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ hai (P = 0 kN và P = 7.3 kN)........ 79
Hình 4.29. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ hai (P = 0 kN và P = 9.5 kN)........ 79
Hình 4.30. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ ba (P = 0 kN và P = 6.25 kN) ....... 80
Hình 4.31. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ ba (P = 0 kN và P = 6.6 kN)......... 80
Hình 4.32. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ ba (P = 0 kN và P = 7.3 kN)......... 81

.


12
Hình 4.33. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ ba (P = 0 kN và P = 9.5 kN)......... 81
Hình 4.34. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ tư (P = 0 kN và P = 6.25 kN) ....... 82
Hình 4.35. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ tư (P = 0 kN và P = 6.6 kN) ......... 82
Hình 4.36. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ tư (P = 0 kN và P = 7.3 kN) ......... 83
Hình 4.37. Biểu đồ so sánh dạng dao động thứ tư (P = 0 kN và P = 9.5 kN) ......... 83
Hình 4.38. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.25 kN (Mode 1) .............................. 84
Hình 4.39. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.25 kN (Mode 2) .............................. 85
Hình 4.40. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.25 kN (Mode 3) .............................. 85
Hình 4.41. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.25 kN (Mode 4) .............................. 85
Hình 4.42. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.25 kN (Kết hợp mode 1, 2, 3, 4) ..... 86
Hình 4.43. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.6 kN (Mode 1) ................................ 87
Hình 4.44. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.6 kN (Mode 2) ................................ 87
Hình 4.45. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.6 kN (Mode 3) ................................ 87
Hình 4.46. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.6 kN (Mode 4) ................................ 88

Hình 4.47. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 6.6 kN (Kết hợp mode 1, 2, 3, 4) ....... 88
Hình 4.48. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 7.3 kN (Mode 1) ................................ 89
Hình 4.49. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 7.3 kN (Mode 2) ................................ 89
Hình 4.50. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 7.3 kN (Mode 3) ................................ 90
Hình 4.51. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 7.3 kN (Mode 4) ................................ 90
Hình 4.52. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 7.3 kN (Kết hợp mode 1, 2, 3, 4) ....... 90
Hình 4.53. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 9.5 kN (Mode 1) ................................ 91
Hình 4.54. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 9.5 kN (Mode 2) ................................ 92
Hình 4.55. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 9.5 kN (Mode 3) ................................ 92
Hình 4.56. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 9.5 kN (Mode 4) ................................ 92
Hình 4.57. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), P = 9.5 kN (Kết hợp mode 1, 2, 3, 4) ....... 93
Hình 4.58. Minh họa vị trí bố trí cảm biến theo Hong và cộng sự (2012)............... 96
Hình 4.59. Các vị trí khảo sát ................................................................................ 96
Hình 4.60. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 6.25 kN, Mặt trên............... 97
Hình 4.61. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 6.25 kN, Trục trung hòa..... 97
.


13
Hình 4.62. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 6.25 kN, Mặt dưới.............. 97
Hình 4.63. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 6.25 kN, Mặt trên............... 98
Hình 4.64. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 6.25 kN, Trục trung hịa..... 98
Hình 4.65. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 6.25 kN, Mặt dưới.............. 99
Hình 4.66. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 6.25 kN, Mặt trên............... 99
Hình 4.67. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 6.25 kN, Trục trung hịa... 100
Hình 4.68. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 6.25 kN, Mặt dưới............ 100
Hình 4.69. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 6.25 kN, Mặt trên............. 101
Hình 4.70. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 6.25 kN, Trục trung hịa... 101
Hình 4.71. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 6.25 kN, Mặt dưới............ 101
Hình 4.72. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 6.25 kN, Mặt

trên ...................................................................................................................... 102
Hình 4.73. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 6.25 kN, Trục
trung hịa ............................................................................................................. 102
Hình 4.74. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j), (Mode 1, 2, 3, 4), P= 6.25 kN, Mặt dưới 103
Hình 4.75. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 9.5 kN, Mặt trên .............. 103
Hình 4.76. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 9.5 kN, Trục trung hịa .... 104
Hình 4.77. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 9.5 kN, Mặt dưới.............. 104
Hình 4.78. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 9.5 kN, Mặt trên .............. 105
Hình 4.79. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 9.5 kN, Trục trung hịa .... 105
Hình 4.80. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 9.5 kN, Mặt dưới.............. 105
Hình 4.81. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 9.5 kN, Mặt trên .............. 106
Hình 4.82. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 9.5 kN, Trục trung hịa .... 106
Hình 4.83. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 9.5 kN, Mặt dưới.............. 107
Hình 4.84. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 9.5 kN, Mặt trên .............. 107
Hình 4.85. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 9.5 kN, Trục trung hịa .... 108
Hình 4.86. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 9.5 kN, Mặt dưới.............. 108
Hình 4.87. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 9.5 kN, Mặt
trên ...................................................................................................................... 109

.


14
Hình 4.88. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 9.5 kN, Trục
trung hịa ............................................................................................................. 109
Hình 4.89. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 9.5 kN, Mặt
dưới ..................................................................................................................... 109
Hình 4.90. Minh họa vị trí bố trí cảm biến theo Hong và cộng sự (2012)............. 112
Hình 4.91. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 6.25 kN, Mặt trên, 19 nút . 113
Hình 4.92. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 6.25 kN, Mặt trên, 19 nút . 113

Hình 4.93. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 6.25 kN, Mặt trên, 19 nút . 114
Hình 4.94. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 6.25 kN, Mặt trên, 19 nút . 114
Hình 4.95. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 6.25 kN, Mặt
trên, 19 nút .......................................................................................................... 114
Hình 4.96. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 9.5 kN, Mặt trên, 19 nút .. 115
Hình 4.97. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 9.5 kN, Mặt trên, 19 nút .. 116
Hình 4.98. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 9.5 kN, Mặt trên, 19 nút .. 116
Hình 4.99. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 9.5 kN, Mặt trên, 19 nút .. 116
Hình 4.100. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 9.5 kN,
Mặt trên, 9 nút ..................................................................................................... 117
Hình 4.101. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 6.25 kN, Mặt trên, 7 nút . 118
Hình 4.102. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 6.25 kN, Mặt trên, 7 nút . 118
Hình 4.103. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 6.25 kN, Mặt trên, 7 nút . 119
Hình 4.104. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 6.25 kN, Mặt trên, 7 nút . 119
Hình 4.105. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 6.25 kN,
Mặt trên, 7 nút ..................................................................................................... 119
Hình 4.106. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 1), P = 9.5 kN, Mặt trên, 7 nút ... 120
Hình 4.107. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 2), P = 9.5 kN, Mặt trên, 7 nút ... 121
Hình 4.108. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 3), P = 9.5 kN, Mặt trên, 7 nút ... 121
Hình 4.109. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Mode 4), P = 9.5 kN, Mặt trên, 7 nút ... 121
Hình 4.110. Biểu đồ chỉ số hư hỏng Z(j) (Kết hợp Mode 1, 2, 3, 4), P = 9.5 kN, Mặt
trên, 7 nút ............................................................................................................ 122

.


15

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

.

MSE

Modal Strain Energy

PTHH

Phần tử hữu hạn

BTCT

Bê tông cốt thép

RC

Reinforced Concrete

SHM

Structural Health Monitoring

M.A.C

Modal Assurance Criterion

GA

Genetic Algorithm

MSECR

Modal Strain Energy Change Ratio

MSEBI

Modal Strain Energy Based Index

MSEEI

Modal Strain Energy Quivalence Index

MSEDRI

Modal Strain Energy Dissipation Ratio Index

SID

System Identification

nMSEDI

Normalized Modal Strain Energy Indicator

TLBO

Teaching – Learning – Base Optimization Algorithm

PSO

Particle Swarm Optimization

BA

Bat Algorithm


16

DANH MỤC KÝ HIỆU

M

Ma trận khối lượng

C

Ma trận cản

K

Ma trận độ cứng

v t 

Véc tơ chuyển vị nút

p t 

Véc tơ tải trọng nút

Φi

Chuyển vị của dạng dao động thứ i ở trạng thái không hư
hỏng

Φ *i

Chuyển vị của dạng dao động thứ i ở trạng thái hư hỏng

E

Mô đun đàn hồi

G

Mơ đun cắt

ω

Tần số góc

ωi

Tần số góc ứng với dạng dao động thứ i

Kij

Ma trận độ cứng của phần tử thứ j trong hệ tọa độ tổng thể
ở trạng thái không hư hỏng

Kij*

Ma trận độ cứng của phần tử thứ j trong hệ tọa độ tổng thể
ở trạng thái hư hỏng

.

kx

Độ cứng uốn của dầm ở trạng thái chưa hư hỏng

kx*

Độ cứng uốn của dầm ở trạng thái hư hỏng


17

Fij

Năng lượng phân đoạn của dạng dao động thứ i tập trung
vào phần tử thứ j

ij

Năng lượng biến dạng của phần tử thứ j trong dạng dao động
thứ i ở trạng thái không hư hỏng

*

Năng lượng biến dạng của phần tử thứ j trong dạng dao động

ij

thứ i ở trạng thái hư hỏng

.

ij

Chỉ số hư hỏng tại phần tử thứ j với dạng dao động thứ i

Zj

Chỉ số hư hỏng tại phần tử thứ j đã được chuẩn hóa

Z0

Ngưỡng hư hỏng

Lcrack

Chiều dài vùng nứt thực tế

Locrack
,

Chiều dài vùng không nứt thực tế

Lpred

Chiều dài vùng nứt chẩn đốn

Lo,pred

Chiều dài vùng khơng nứt chẩn đốn

Lpred,out

Chiều dài vùng nứt nằm ngồi vùng chẩn đốn

fc'

Cường độ chịu nén của bê tơng (MPa)

Ec

Mơ đun đàn hồi của bê tông (MPa)

fy

Giới hạn chảy của cốt thép (MPa)

Es

Mô đun đàn hồi của cốt thép (MPa)


18

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.1. Tầm quan trọng của việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực xây dựng đã
để lại nhiều cơng trình vĩ đại, mang dấu ấn lịch sử như: tòa nhà cao nhất thế giới
(828m) Buri Khalifa ở Dubai, cầu Akashi Kaikyo - Nhật Bản (cầu treo có nhịp dài
nhất thế giới, 3911m) hay tháp Tokyo Sky Tree - Nhật Bản, tháp truyền hình cao nhất
thế giới (634m) có thể chịu được động đất 8 độ Richter… Tại Việt Nam, cũng có
những cơng trình nổi bật như: Keangnam Hanoi Landmark Tower (72 tầng, cao
336m), Bitexco Financial Tower - Tp HCM (68 tầng, cao 262m), tòa tháp Landmark
81 - Tp HCM ( cao 461.2m, tòa nhà cao thứ 8 trên thế giới)…
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, việc theo dõi và chẩn đoán kết
cấu (Structural Health Monitoring - SHM) cũng hết sức quan trọng. Việc này giúp
phát hiện sớm những bất thường trên kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi để sửa chữa hoặc
thay thế những cấu kiện bị hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của cơng trình, hạn
chế đến mức thấp nhất hậu quả có thể xảy ra.
Hai phương pháp phổ biến dùng để đánh giá phát hiện hư hỏng trên kết cấu là:
phương pháp thí nghiệm phá hủy và phương pháp thí nghiệm khơng phá hủy. Với
những ưu điểm như khả năng đo lường linh hoạt, chi phí tương đối thấp, phương pháp
khơng phá hủy ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó, phương pháp phân tích dao
động kết cấu trở thành một trong những phương pháp gián tiếp và hiệu quả để phát
hiện, chẩn đốn hư hỏng kết cấu. Khi có khuyết tật trong kết cấu sẽ dẫn đến sự thay
đổi các đặc trưng dao động trong cấu kiện như: tần số dao động, dạng dao động, độ
cong dạng dao động, năng lượng biến dạng…
Đối với các nước phát triển, khi ngành xây dựng đã bão hịa về số lượng thì việc
theo dõi, chẩn đốn và bảo trì, thay thế các cấu kiện là rất cần thiết.

.

19

1.1.2. Nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố hư hỏng trong kết cấu cơng trình, các
ngun nhân này có thể phân loại theo các giai đoạn hoạt động xây dựng và các yếu
tố khách quan, chủ quan như sau:
(i) Giai đoạn khảo sát xây dựng: bố trí khoan địa chất khơng hợp lý dẫn đến
đánh giá sai các thành phần địa chất.
(ii) Giai đoạn thiết kế xây dựng: giải pháp móng khơng phù hợp với đất nền hay
sai sót trong sơ đồ tính toán, bỏ qua điều kiện ổn định của kết cấu, …
(iii) Giai đoạn thi công xây dựng: không kiểm tra chất lượng, quy cách vật liệu
trước khi thi công, không thực hiện đúng trình tự các bước thi cơng…
(iv) Giai đoạn khai thác, vận hành, sử dụng: Sử dụng sai cơng năng thiết kế ban
đầu, cơng trình khơng được bảo dưỡng trong điều kiện ăn mịn hóa chất,…
(v) Ngồi ra cịn có các ngun nhân khách quan khác như: thiên tai (động đất,
gió, bão), hỏa hoạn,…
Với nhiều nguyên nhân đa dạng dẫn đến hư hỏng kết cấu như vậy, cần có biện
pháp phân tích, đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu để quyết định khả năng tiếp tục
được sử dụng, sửa chữa hoặc thay thế mới,… đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
1.1.3. Một số dạng vết nứt đối với dầm bê tông cốt thép
Dầm là một trong những cấu kiện chịu lực chính trong một kết cấu cơng trình,
mang tính quyết định đến khả năng chịu lực và ổn định chung của cả cơng trình. Vết
nứt xảy ra trong dầm sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, chống thấm, tuổi thọ và
tính thẩm mỹ của cơng trình.
Nứt kết cấu bê tơng cốt thép có thể xảy ra ở nhiều thời điểm khác nhau với nhiều
nguyên nhân khác nhau (Hình 1.1). Có thể xảy ra khi mới thi công xong hoặc khi đã
sử dụng lâu năm.

.

20

Hình 1.1. Vết nứt xun dầm tịa nhà Apex Tower (Hà Nội)
(Nguồn: Internet)
Khi xảy ra nứt, điều quan trọng là xác định ảnh hưởng của chúng đến khả năng
chịu lực của kết cấu và công năng sử dụng của công trình. Phân loại vết nứt chủ yếu
dựa vào nguyên nhân hoặc cơ chế chính gây ra chúng. Các vết nứt kết cấu (structural
cracks) có nguyên nhân do tải trọng sử dụng hoặc tải thi công, trong khi các vết nứt
phi kết cấu (nonstructural cracks) chủ yếu là do tính chất hóa, lý của bê tơng và các
vật liệu thành phần tạo ra nó, thực tế thi cơng, điều kiện sử dụng.

.


21
1.1.3.1. Vết nứt kết cấu
a. Vết nứt chịu uốn
Các vết nứt trong cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn bắt đầu từ vùng bê tơng
chịu kéo, ví dụ ở mặt dưới vùng giữa dầm, hoặc mặt trên vùng gối dầm. Vết nứt do
uốn có dạng thẳng góc với chiều dài dầm, (Hình 1.2).

Hình 1.2. Vết nứt chịu uốn trong dầm
(Nguồn: Internet)
b. Vết nứt chịu cắt
Tùy vào khả năng chịu uốn và cắt của dầm và tải trọng, mà dầm có thể xảy ra
phá hoại do cắt hoặc uốn. Vết nứt do cắt có dạng chéo góc, thường xuất hiện ở gần
vị trí gối dầm, (Hình 1.3).

Hình 1.3. Vết nứt chịu cắt trong dầm
(Nguồn: Internet)
.


22
1.1.3.2. Vết nứt phi kết cấu
a. Vết nứt do dầm bị khuyết tật
Do công tác thi công bê tông không đạt yêu cầu kỹ thuật, chất lượng bê tông
kém, suy giảm khả năng chịu lực dẫn đến nứt dầm, (Hình 1.4).

Hình 1.4. Dầm bị khuyết tật do thi cơng
(Nguồn: Internet)

b. Vết nứt do chuyển vị cốp pha
Các vết nứt do chuyển vị cưỡng bức của ván khuôn sau khi bê tơng bắt đầu đóng
rắn nhưng chưa đạt cường độ để chịu được trọng lượng bản thân của nó gây ra nứt,
(Hình 1.5).

Hình 1.5. Vết nứt do chuyển vị cốp pha
(Nguồn: Internet)

.