Theo dõi hiện tượng lỏng bu lông trong chân cột thép sử dụng đáp ứng trở kháng kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ TIẾN VINH

THEO DÕI HIỆN TƯỢNG LỎNG BU LÔNG TRONG CHÂN
CỘT THÉP SỬ DỤNG ĐÁP ỨNG TRỞ KHÁNG
KẾT HỢP VỚI MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng và Cơng Nghiệp
Mã số ngành

: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 08 NĂM 2020


i

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Hồ Đức Duy

Chữ ký: .................

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Phú Cường

Chữ ký: .................

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Liêu Xuân Quí

Chữ ký: .................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày 31 tháng 08 năm 2020.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Cao Văn Vui

Chủ tịch

2. TS. Nguyễn Phú Cường

Phản biện 1

3. TS. Liêu Xn Q

Phản biện 2

4. TS. Đồn Ngọc Tịnh Nghiêm

Thư ký

5. TS. Nguyễn Tấn Cường

Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. Cao Văn Vui

PGS.TS. Lê Anh Tuấn


ii

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: NGÔ TIẾN VINH

MSHV: 1770394

Ngày tháng năm sinh: 01-04-1994

Nơi sinh: Nha Trang

Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng và Công Nghiệp.
TÊN ĐỀ TÀI: Theo dõi hiện tượng lỏng bu lông trong chân cột thép

I.

sử dụng đáp ứng trở kháng kết hợp với mạng Nơ-ron nhân tạo.
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1. Tìm hiểu phương pháp trở kháng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu.
2. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng kết cấu dầm nhôm. So
sánh đáp ứng trở kháng giữa mô phỏng và thực nghiệm.
3. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng liên kết bu lông tại chi
tiết chân cột và móng với trường hợp 1 bu lông bị giảm lỏng và giảm lỏng
đồng thời 2 bu lơng bất kì. Qua đó, xác định được miền tần số nhạy cảm với
hư hỏng của kết cấu.
4. Sử dụng mạng Nơ-ron nhân tạo để xác định vị trí hư hỏng và cấp độ hư hỏng
của chi tiết bu lông.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

:25/02/2019

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

:02/08/2020

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

PGS.TS Hồ Đức Duy

Tp.HCM, ngày 02 tháng 08 năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. HỒ ĐỨC DUY

CHỦ NHIỆM NGHÀNH

PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. LÊ ANH TUẤN


iii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học
viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra
trong thực tế xây dựng. Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, học viên đã
nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Học viên xin ghi nhận và tỏ
lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho học viên sự giúp đỡ quý báu đó.
Đầu tiên học viên xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Hồ Đức
Duy. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành ý tưởng của đề tài và góp ý chân
thành, sâu sắc và cũng như cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu
và cách tiếp cận có hiệu quả trong suốt quá trình làm luận văn. Sự giúp đỡ đó khơng

thể nào diễn tả bằng lời nói, xin thầy nhận ở đây lòng biết ơn sâu sắc của em.
Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý báu cho học viên,
đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và
sự nghiệp của học viên sau này.
Mặc dù trong q trình làm luận văn có, bản thân học viên đã luôn luôn nỗ lực,
nhưng với lượng kiến thức quá lớn nên không thể tránh những thiếu sót nhất định.
Kính mong q Thầy, Cơ chỉ dẫn thêm để cho học viên bổ sung kiến thức và hồn
thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tp.HCM, ngày 02 tháng 08 năm 2020

Ngô Tiến Vinh


iv

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu này mơ phỏng các bài toán khảo sát, sử dụng đáp ứng trở kháng kết
hợp với mạng Nơ-ron nhân tạo để theo dõi và chẩn đốn hiện tượng lỏng bu lơng
trong kết cấu thép. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, học viên đã thực hiện các nội
dung sau:
1. Mơ hình dầm nhơm có điều kiện biên tự do với hư hỏng là vết nứt xuất hiện
được khảo sát trong miền tần số 10-100 kHz.
2. Mơ hình liên kết bu lơng tại vị trí chân cột thép với trường hợp giảm lỏng 1 hoặc
đồng thời 2 bu lơng tại vị trí khảo sát bất kì, được khảo sát trong miền tần số
60-90 kHz.
Nghiên cứu đã cho thấy với mỗi kết cấu khác nhau và vị trí bu lơng hư hỏng
khác nhau thì miền tần số nhạy cảm là khác nhau; chỉ số RMSD rất hiệu quả trong
việc chẩn đoán sự xuất hiện và vị trí hư hỏng. ANNs MLP chẩn đốn chính xác mức

độ hư hỏng. Phương pháp sử dụng kết hợp giữa đáp ứng trở kháng, chỉ số RMSD và
ANNs MLP chẩn đốn chính xác sự xuất hiện hư hỏng, vị trí hư hỏng và mức độ hư
hỏng.


v

ABSTRACT
This study aims to research and find feasible solutions to detect bolt loosening
in steel structures by combining electro-mechanical impedance-based damage
detection method and Multilayer Perceptron (ANNs MLP) with the consideration of
frequency range's sensitivity. To achieve the objective, the participant has
implemented the following contents:
1. Aluminum beam with free boundary conditions in the case of cracks, examining
in the frequency range from 10 to 100 kHz.
2. Bolt connection at the intersection of steel column – foundation with both one
bolt loosening and two bolt loosening in the assessment position, examining in
the frequency range from 60 to 90 kHz.
The results reveal that each structure and each damage location have the
different frequency range. The RMSD index is effective for alarming the occurrence
of the damage and for detecting the damage's location; while ANNs MLP diagnoses
the damage's severity exactly. In summary, the proposed impedance-based method
combining RMSD index and ANNs MLP successfully diagnoses the damage's
occurrence, and the damage's location, as well as the damage's severity.


vi

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn

của PGS.TS Hồ Đức Duy.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên
cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
Tp.HCM, ngày 02 tháng 08 năm 2020

Ngơ Tiến Vinh


vii

MỤC LỤC
Contents
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ........................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ......................................................................... iv
ABSTRACT ...............................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... vi
MỤC LỤC ............................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ xii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... xvii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU............................................................................. xviii
GIỚI THIỆU ......................................................................................1
1.1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................4
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................4
1.4. TÍNH CẦN THIẾT VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ..........................5
1.5. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN:..................................................................5
TỔNG QUAN .....................................................................................6

2.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THẾ GIỚI ........................................................6
2.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC ................................................9
2.3. TỔNG KẾT ..........................................................................................13
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......14
3.1. PHƯƠNG PHÁP TRỞ KHÁNG ................................................................14


viii

3.1.1. Giới thiệu...................................................................................14
3.1.2. Nguyên lý làm việc của trở kháng ............................................15
3.1.3. Phạm vi hoạt động của PZT và miền tần số sử dụng ................21
3.2. PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG LIÊN KẾT BU LÔNG SỬ DỤNG
TRỞ KHÁNG ĐIỆN ........................................................................................22

3.2.1. Phương pháp RMSD (Root Mean Square Deviation) ..............22
3.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................22
3.3.1. Các khái niệm về thuật tốn thơng minh ..................................22
3.3.2. Khái niệm mạng Nơ-ron nhân tạo .............................................23
3.3.3. Cấu trúc mạng Nơ-Ron nhân tạo ..............................................23
3.3.4. Mơ hình mạng Nơ-ron nhân tạo ................................................29
3.3.5. Các vấn đề trong mạng Nơ-ron nhân tạo ..................................35
3.3.6. Công cụ nghiên cứu ..................................................................39
3.3.7. Phần mềm IBM SPSS ...............................................................43
CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG .......................................................48
4.1. GIỚI THIỆU .........................................................................................48
4.2. BÀI TỐN 1: DẦM NHƠM CĨ ĐIỀU KIỆN BIÊN TỰ DO ..........................48
4.3. BÀI TỐN 2: MƠ PHỎNG LIÊN KẾT BU LƠNG CHÂN CỘT THÉP TRONG
NHÀ THÉP CÔNG NGHIỆP .............................................................................53

4.3.1. Giới thiệu...................................................................................53
4.3.2. Mơ phỏng bài tốn: ...................................................................56
4.3.3. Bài tốn khảo sát: ......................................................................62
4.3.4. Bài toán mở rộng 1:...................................................................75
4.3.5. Bài toán mở rộng 2:...................................................................99
4.3.6. Bài toán mở rộng 3:.................................................................105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................112
5.1. KẾT LUẬN ........................................................................................112
5.2. KIẾN NGHỊ........................................................................................112


ix

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................114
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................118


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các biến dữ liệu sử dụng trong mạng ANNs MLP……………… 44
Bảng 4.1 Đặc trưng vật liệu dầm nhôm……………………………………. 49
Bảng 4.2 Đặc trưng vật liêu của PZT……………………………………….49
Bảng 4.3 Thông số Bu lông neo…………………………………………….56
Bảng 4.5 Lực căng trước danh nghĩa trong thân bu lông trong trường hợp
bình thường và hư hỏng……………………………………………………. 57
Bảng 4.6 Đặc trưng của vật liệu thép………………………………………. 58
Bảng 4.7 Đặc trưng của vật liệu bê tông…………………………………… 58
Bảng 4.8 Đặc trưng của vật liệu PZT……………………………………….58
Bảng 4.9 Chỉ số RMSD khi bu lông 1 bị lỏng……………………………... 71

Bảng 4.10 Chỉ số RMSD khi bu lông 2 bị lỏng……………………………. 72
Bảng 4.11 Chỉ số RMSD khi bu lông 3 bị lỏng……………………………. 73
Bảng 4.12 Chỉ số RMSD khi bu lông 4 bị lỏng……………………………. 74
Bảng 4.13 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [65-68 kHz] của bu
lông 1 cho trường hợp giảm lỏng 5%............................................................ 78
Bảng 4.14 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [65-68 kHz] của bu
lông 1 cho trường hợp giảm lỏng 25%.......................................................... 81
Bảng 4.15 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [74-76 kHz] của bu
lông 2 cho trường hợp giảm lỏng 5%............................................................ 84
Bảng 4.16 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [74-76 kHz] của bu
lông 2 cho trường hợp giảm lỏng 25%.......................................................... 87
Bảng 4.17 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [67-69 kHz] của bu
lông 3 cho trường hợp giảm lỏng 5%............................................................ 90
Bảng 4.18 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [67-69 kHz] của bu
lông 3 cho trường hợp giảm lỏng 25%.......................................................... 93
Bảng 4.19 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [72-74 kHz] của bu
lông 4 cho trường hợp giảm lỏng 5%............................................................ 96


xi

Bảng 4.20 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [72-74 kHz] của bu
lông 4 cho trường hợp giảm lỏng 25%........................................................ 99
Bảng 4.21 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [65-68 kHz] của bu
lông 1 cho trường hợp giảm lỏng đồng thời 2 bu lông 10%........................ 102
Bảng 4.22 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [74-76 kHz] của bu
lông 2 cho trường hợp giảm lỏng đồng thời 2 bu lông 10%........................ 105
Bảng 4.23 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [65-68 kHz] của bu
lông 1……………………………………………………………………... 108
Bảng 4.24 Sai số huấn luyện trong ANNs miền tần số [74-76 kHz] của bu

lông 2……………………………………………………………………... 111


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nhà xưởng cơng ty TNHH NHỰA DUY TÂN ...........................................2
Hình 1.2 Nhà máy ACE Sanofi ...................................................................................2
Hình 1.3 Chi tiết liên kết chân cột thép.......................................................................3
Hình 2.1 Kết cấu dàn sử dụng trong nghiên cứu (Sun và cộng sự 1995) ...................6
Hình 2.2 Các bài tốn trong nghiên cứu (Ngơ và Hồ 2015). ....................................10
Hình 2.3 Mơ hình đầu neo cáp dự ứng lực (Đỗ 2016). .............................................10
Hình 2.4 Mơ hình mơ phỏng liên kết bu lơng tại vị trí cột-xà ngang (Nguyễn 2016)
...................................................................................................................................11
Hình 2.5 Mơ hình vùng neo cáp dầm (Nguyễn 2017) ..............................................11
Hình 2.6 Mơ phỏng chi tiết vùng lấy đáp ứng trở kháng (Huỳnh 2017) ..................12
Hình 2.7 Mơ phỏng dầm bê tông cốt thép tấm thép với tấm neo chống trượt gia
cường (Nguyễn 2018) ...............................................................................................13
Hình 3.1 Hiệu ứng hoạt động của PZT .....................................................................15
Hình 3.2 Hoạt động của phương pháp trở kháng ......................................................16
Hình 3.3 Mơ hình tương tác cơ điện giữa PZT và kết cấu chủ .................................16
(Liang và cộng sự 1994)............................................................................................16
Hình 3.4 Thuật tốn thơng minh ...............................................................................23
Hình 3.5 Cấu trúc Nơ-ron sinh học ...........................................................................24
Hình 3.6 Cấu trúc Nơ-ron nhân tạo ...........................................................................25
Hình 3.7 Hàm đồng nhất (Identity function).............................................................26
Hình 3.8 Hàm bước nhị phân (Binary step function)................................................27
Hình 3.9 Hàm Sigmoid .............................................................................................27
Hình 3.10 Hàm sigmoid lưỡng cực ...........................................................................28
Hình 3.11 Mơ hình mạng tự kết hợp .........................................................................29

Hình 3.12 Mơ hình mạng kết hợp các kiểu ...............................................................29
Hình 3.13 Mạng truyền thẳng nhiều lớp ...................................................................30
Hình 3.14 Mạng Nơ-ron hồi quy ...............................................................................30
Hình 3.15 Mạng perception.......................................................................................31


xiii

Hình 3.16 Mạng MLP tổng qt ...............................................................................32
Hình 3.17 Mơ hình học có giám sát ..........................................................................35
Hình 3.18 Mối liên hệ giữa sai số và kích thước mẫu ..............................................36
Hình 3.19 Mơ hình phần tử solid 45 dạng 8 nút .......................................................40
Hình 3.20 Mơ hình phần tử solid 5 dạng 8 nút .........................................................41
Hình 3.21 Tên biến và các thuộc tính biến ...............................................................41
Hình 3.22 Nhập các giá trị biến ................................................................................41
Hình 3.23 Kích hoạt phân tích MLP .......................................................................415
Hình 3.24 Khai báo sơ đồ kiến trúc mạng MLP tại thẻ Architecture .......................41
Hình 3.25 Sơ đồ mạng tổng thể phương pháp thực hiện ..........................................47
Hình 4.1 Mơ hình dầm nhơm (Liu và Liang 2009) ...................................................49
Hình 4.2 Đáp ứng trở kháng dầm nhơm từ 19-23 kHz .............................................50
Hình 4.3 Mơ hình dầm nhơm trong ANSYS ............................................................51
Hình 4.4 Đáp ứng trở kháng trong mơ phỏng ANSYS từ 19-24 kHz ......................51
Hình 4.5 Đáp ứng trở kháng dầm nhôm không hư hỏng giữa thực nghiệm và mơ
phỏng .........................................................................................................................52
Hình 4.6 Nhà máy Paiho ...........................................................................................53
Hình 4.7 Mặt bằng định vị chân cột thép xưởng nhôm (nhà máy Paiho) .................54
Hình 4.8 Chi tiết liên kết bu lơng tại chân cột C3 .....................................................55
Hình 4.9 Chi tiết bu lơng neo D24x870mm ..............................................................56
Hình 4.10 Chân cột 3D..............................................................................................59
Hình 4.11 Vị trí PZT .................................................................................................60

Hình 4.12 Chia lưới chân cột thép ............................................................................60
Hình 4.13 Chia lưới PZT...........................................................................................61
Hình 4.14 Lực kéo tác dụng trên bu lơng gán bằng tải phân bố ...............................61
Hình 4.15 Đáp ứng trở kháng của bu lông 1 miền tần số [10-100 kHz] ...................62
Hình 4.16 Đáp ứng trở kháng của bu lơng 2 miền tần số [10-100 kHz] ...................63
Hình 4.17 Đáp ứng trở kháng của bu lông 3 miền tần số [10-100 kHz] ...................64
Hình 4.18 Đáp ứng trở kháng của bu lơng 4 miền tần số [10-100 kHz] ...................65
Hình 4.19 Đáp ứng trở kháng của bu lông 5 miền tần số [10-100 kHz] ...................66


xiv

Hình 4.20 Đáp ứng trở kháng của bu lơng 6 miền tần số [10-100 kHz] ...................67
Hình 4.21 Đáp ứng trở kháng của bu lông 7 miền tần số [10-100 kHz] ...................68
Hình 4.22 Đáp ứng trở kháng của bu lơng 8 miền tần số [10-100 kHz] ...................69
Hình 4.23 Chỉ số RMSD khi bu lơng 1 bị lỏng.........................................................71
Hình 4.24 Chỉ số RMSD khi bu lơng 2 bị lỏng.........................................................72
Hình 4.25 Chỉ số RMSD khi bu lơng 3 bị lỏng.........................................................73
Hình 4.26 Chỉ số RMSD khi bu lơng 4 bị lỏng.........................................................74
Hình 4.27 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 1 cấp 5% ..........76
Hình 4.28 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài toán mở rộng 1 của bu lơng
1 bị lỏng 5% ..............................................................................................................76
Hình 4.29 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 5% cho bu lơng 1 ..............................................................................................77
Hình 4.30 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 25% ..................79
Hình 4.31 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài tốn mở rộng 1 của bu lơng
1 bị lỏng 25% ............................................................................................................79
Hình 4.32 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đoán
lỏng 25% cho bu lơng 1 ............................................................................................80
Hình 4.33 Đáp ứng trở kháng của để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 2 cấp 5% ....82

Hình 4.34 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài toán mở rộng 1 của bu lơng
2 bị lỏng 5% ..............................................................................................................82
Hình 4.35 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 5% cho bu lơng 2 ..............................................................................................83
Hình 4.36 Đáp ứng trở kháng để chẩn đoán sự giảm lỏng bu lơng 2 cấp 25% ........85
Hình 4.37 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài toán mở rộng 1 của bu lơng
2 bị lỏng 25% ............................................................................................................85
Hình 4.38 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 25% cho bu lơng 2 ............................................................................................86
Hình 4.39 Đáp ứng trở kháng của để chẩn đoán sự giảm lỏng bu lơng 3 cấp 5% ....88
Hình 4.40 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài toán mở rộng 1 của bu lông
3 bị lỏng 5% ..............................................................................................................88


xv

Hình 4.41 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đoán
lỏng 5% cho bu lơng 3 ..............................................................................................89
Hình 4.42 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 3 cấp 25% ........91
Hình 4.43 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài tốn mở rộng 1 của bu lơng
3 .................................................................................................................................91
Hình 4.44 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 25% cho bu lơng 3 ............................................................................................92
Hình 4.45 Đáp ứng trở kháng của để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 4 cấp 5% ....94
Hình 4.46 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài tốn mở rộng 1 của bu lơng
4 bị giảm lỏng 5% .....................................................................................................94
Hình 4.47 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đoán
lỏng 5% cho bu lơng 3 ..............................................................................................95
Hình 4.48 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 4 cấp 25% ........97
Hình 4.49 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài tốn mở rộng 1 của bu lơng

4 bị giảm lỏng 25% ...................................................................................................97
Hình 4.50 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đoán
lỏng 25% cho bu lơng 4 ............................................................................................98
Hình 4.51 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 1 cấp 10% cho
trường hợp giảm lỏng 2 bu lông đồng thời .............................................................100
Hình 4.52 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài tốn mở rộng 2 của bu lơng
1 bị giảm lỏng 10% .................................................................................................100
Hình 4.53 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 10% cho bu lơng 1 ..........................................................................................101
Hình 4.54 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lơng 2 10% cho trường
hợp giảm lỏng 2 bu lông đồng thời .........................................................................103
Hình 4.55 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài tốn mở rộng 2 của bu lơng
2 bị giảm lỏng 10% .................................................................................................103
Hình 4.56 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 10% cho bu lơng 2 ..........................................................................................104


xvi

Hình 4.57 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lông 1 cấp 25% cho
trường hợp giảm lỏng 2 bu lơng đồng thời .............................................................106
Hình 4.58 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài toán mở rộng 3 của bu lơng
1 bị giảm lỏng 25% .................................................................................................106
Hình 4.59 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đốn
lỏng 25% cho bu lơng 1 ..........................................................................................107
Hình 4.60 Đáp ứng trở kháng để chẩn đốn sự giảm lỏng bu lông 2 cấp 5% cho
trường hợp giảm lỏng 2 bu lơng đồng thời .............................................................109
Hình 4.61 Khai báo biến và dữ liệu trong SPSS cho bài toán mở rộng 3 của bu lông
2 bị giảm lỏng 5% ...................................................................................................109
Hình 4.62 Sơ đồ mạng kiến trúc ANNs MLP do phần mềm đề xuất để chẩn đoán

lỏng 5% cho bu lông 2 ............................................................................................110


xvii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ANNs

Artificial Neural Networks.

ANNs MLP

Artificial Neural Networks Multilayer Perceptron

ESMI

Effective Structural Mechanical Impedance.

FRF

Frequency Response Function.

MLP

Multilayer Perceptron.

MAPD

Mean absolute percentage deviation.

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems.

NDE

Non-Destructive Evaluation.

PZT

Lead Zirconate Titanate.

RBF

Radial Basis Function.

RMSD

Root Mean Square Deviation.

SPSS

Statistical Package for the Social Science.

SHM

Structural Health Monitoring.

SMI

Structural Mechanical Impedance.


xviii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
c

Hệ số cản.

E

Điện trường.

F

Lực đặt vào bởi thiết bị truyền động.

d32

Hằng số áp điện.

D3

Sự dịch chuyển điện.

d

Đường kính bu lơng.

dw

Đường kính trung bình vịng đệm.

hA

Chiều dày của PZT.

KA

Độ cứng tĩnh định của PZT.

KD

Độ cứng động học.

m

Khối lượng.

lA

Chiều dài của PZT.

Ks

Hệ số độ cứng của lò xo.

x

Chuyển vị.

xin

Chuyển vị tự do của PZT.

wA

Chiều rộng của PZT.

Y22E

Module đàn hồi của PZT với điện trường bằng 0.

ω

Tần số kích thích.

ωn

Tần số cộng hưởng của kết cấu.

s22E

Biến dạng của PZT tại điện trường bằng 0.

 22E

Hằng số điện dung của tấm áp điện tại ứng suất bằng 0

υ

Chuyển vị trong hướng y.

ρ

Tỷ trọng của PZT.

δ

Hệ số mất chất điện môi.

ŋ

Hệ số mất tính cơ học.

 x và  y

Độ lệch chuẩn của tín hiệu x và y.


1

GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu
Những ứng dụng đầu tiên của nhà thép được ghi nhận vào cuối thế kỉ thứ 19,
khi các nhà xây dựng hàng đầu tại Chicago, Paris và London đang tìm kiếm giải pháp
cho vấn đề nứt vỡ nghiêm trọng của các cơng trình xây bằng gạch, đá và đất nung
trên khắp Vương quốc Anh, Châu Âu và Bắc Mỹ. Kết cấu thép xuất hiện với những
tính năng ưu việt là loại kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, có thể chịu tải trọng cực lớn và

tiết kiệm chi phí cũng như thời gian thi cơng. Với những lý do như vậy, kết cấu thép
nhà công nghiệp được coi là một giải pháp thay thế tuyệt vời cho các phương thức
xây dựng truyền thống vốn ngày càng trở nên tốn kém và gây gián đoạn.
Xét về mặt kinh tế, lợi ích mà kết cấu thép mang lại là rất lớn. Lắp đặt nhanh,
dễ dàng dưới mọi điều kiện thời tiết: Do các chi tiết đã được đúc sẵn nên tiến độ thi
cơng cơng trình rất nhanh và khơng phải chịu ảnh hưởng của thời tiết khi thi công.
Mặc dù giá thành khung nhà thép tiền chế không hề rẻ nhưng việc tiết kiệm chi phí
là do giảm được thời gian thi cơng, giảm nhân cơng và chi phí quản lý dự án, nên chi
phí chung cho dự án nhà xưởng được giảm đi nhiều.
Tối ưu khả năng chịu lực: nhờ được tính tốn kỹ càng nên các bộ phận của kết
cấu nhà thép đều giúp tối ưu khả năng chịu lực của kết cấu do trọng lượng nhẹ, qua
đó đồng thời giúp tiết kiệm vật liệu cho cơng trình. Ngoài các ưu điểm trên, kết cấu
nhà thép tiền chế cịn rất dễ sửa chữa, mở rộng quy mơ cũng như giúp tận dụng tối đa
không gian nhà xưởng. Điều đáng nói nữa là dạng kết cấu này cịn có khả năng chống
nước rất tốt.
Bên cạnh đó, kết cấu thép thích hợp để áp dụng vào nhà cơng nghiệp nhờ khả
năng làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao tốt hơn so với bê tơng cốt thép, ít bị hư
hại do các tác động cơ học, đồng thời dễ gia cố khi tải trọng tăng hoặc khi bị hư hại.
Chính vì thế, nó được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.


2

Hình 1.1 Nhà xưởng cơng ty TNHH NHỰA DUY TÂN

Hình 1.2 Nhà máy ACE Sanofi
Tìm hiểu các loại bu lơng dùng trong kết cấu thép sẽ giúp ta có cái nhìn sâu hơn
về vấn đề liên kết trong kết cấu thép. Bu lơng với vai trị liên kết các chi tiết trong kết
cấu thép thành một hệ thống, nó làm việc dựa trên sự ma sát giữa các vòng ren của
bản thân bu lông và đai ốc. Độ chặt của bu lơng và đai ốc chính là u cầu trong kết

3

cấu chi tiết đối với hệ thống. Vì vậy, việc đánh giá và chẩn đốn mức độ an tồn và
sự làm việc của liên kết bu lông cung cấp thông tin rất quan trọng về tình trạng và
thời gian sử dụng của cơng trình.

Hình 1.3 Chi tiết liên kết chân cột thép
Có nhiều phương pháp để phát hiện hư hỏng của kết cấu, trong đó phương pháp
trở kháng “hứa hẹn sẽ theo dõi được những hư hỏng nhỏ phôi thai tại những vị trí
quan trọng” như các chi tiết liên kết. Phương pháp trở kháng là sử dụng tích hợp thiết
bị cảm biến PZT (Lead Zirconate Titanate) được kích thích ở một dải tần số cao để
cung cấp khả năng tự theo dõi các thay đổi động học của kết cấu (Liang và cộng sự
1994). Ở tần số kích thích cao như vậy, phản ứng chủ yếu là dạng cục bộ và hư hỏng
mới bắt đầu như các vết nứt nhỏ và tách lớp vật liệu, đưa ra những thay đổi có thể có
được trong các đặc trưng trở kháng. Các tần số cao cũng hạn chế các diện tích cảm
biến của thiết bị truyền động. Khu vực cảm biến hạn chế này giúp cô lập các ảnh
hưởng của hư hỏng trên đáp ứng trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độ cứng và
điều kiện biên ở khu vực xa hư hỏng. Vì vậy, kỹ thuật này sẽ hữu ích trong việc xác


4

định và theo dõi hư hỏng trong những khu vực kết cấu mà tính tồn vẹn kết cấu cần
phải được đảm bảo tại mọi thời điểm.
Việc sử dụng phương pháp trở kháng có thể giúp theo dõi kết cấu bằng cách thu
thập dữ liệu. Tuy nhiên dữ liệu thu thập lại trải dài trên một miền tần số rộng, việc
lựa chọn miền tần số để đánh giá hư hỏng của kết cấu cho chuẩn xác là một công việc
không hề dễ dàng. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của cơng nghệ thơng tin, đặc

biệt là mảng trí tuệ nhân tạo điển hình là mạng Nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural
Networks - ANNs) đã cho phép chúng ta có thể ứng dụng được trong chẩn đoán hư
hỏng kết cấu nhằm tiết kiệm công sức con người và nâng cao hiệu quả tính tốn.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu là theo dõi hiện tượng lỏng bu lông sử dụng đáp ứng trở kháng kết hợp
với mạng Nơ-ron nhân tạo có xét đến độ nhạy miền tần số.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Trong nghiên cứu học viên sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng
có xét đến nhiều miền tần số khác nhau để theo dõi và chẩn đoán mức độ giảm lỏng
tại vị trí liên kết bu lơng. Mục tiêu của đề tài là theo dõi hiện tượng lỏng bu lông trong
chân cột thép, kết hợp với mạng Nơ-ron nhân tạo để xác định vị trí hư hỏng cũng như
cấp độ hư hỏng của chi tiết bu lông. Để đạt được mục tiêu trên, các vấn đề nghiên
cứu trong phạm vi luận văn sẽ được thực hiện:
-

Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng các kết cấu.

-

Sử dụng mạng ANNs trong phần mềm IBM SPSS STATISTICS để tiến hành
tìm miền tần số nhạy cảm và chẩn đốn hư hỏng kết cấu.

Cụ thể sẽ thực hiện trên 2 bài tốn:
-

Bài tốn 1: Mơ hình dầm nhơm có điều kiện biên tự do, với hư hỏng là vết nứt
xuất hiện và phát triển ở giữa dầm, theo dõi đáp ứng trở kháng với hàng loạt các
vết nứt khác nhau. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm.
- Bài tốn 2: Mơ hình liên kết bu lơng cho chi tiết chân cột móng của cơng trình
thực tế với 1 liên kết bu lông bị lỏng với sự giảm lỏng 5%, 10%, 20%, 25% và

5

50% để lấy đáp ứng trở kháng. Sau đó, mạng ANNs được sử dụng để chẩn đốn
vị trí và mức độ giảm lỏng 1 hoặc đồng thời 2 vị trí liên kết bu lơng.
Các bài tốn này sẽ được trình bày rõ hơn ở CHƯƠNG 4.
1.4. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Phương pháp trở kháng là sử dụng các tấm cảm biến có diện tích hạn chế, khối
lượng rất nhỏ nên sẽ không làm ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu. Vì vậy, kĩ
thuật này rất phù hợp trong việc xác định và theo dõi hư hỏng trong những khu vực
kết cấu mà tính tồn vẹn kết cấu cần phải được đảm bảo tại mọi thời điểm. Có thể
cung cấp cho nhà nghiên cứu về sự xuất hiện của hư hỏng thông qua việc thay đổi
các chỉ số trong từng trường hợp hư hỏng nhưng khơng thể cung cấp chính xác hư
hỏng xảy ra.
Phương pháp này sẽ giúp xác định sớm liệu có sự giảm lỏng của liên kết bu lông
hay không từ đó đánh giá mức độ giảm lỏng của bu lơng để đưa ra biện pháp xử lý
sớm đảm bảo cho kết cấu làm việc bình thường và an tồn.
1.5. Cấu trúc của luận văn:
Luận văn gồm 5 chương:
-

Chương 1. Giới thiệu: giới thiệu sơ lược về đề tài, mục tiêu luận văn, phạm vi
nghiên cứu, ý nghĩa thực tiễn, nội dung nghiên cứu và cấu trúc luận văn.

-

Chương 2. Tổng quan nghiên cứu: Giới thiệu các nghiên cứu trong và ngoài
nước về phương pháp trở kháng, ứng dụng ANNs để đánh giá hư hỏng của kết
cấu bằng phương pháp trở kháng.

-

Chương 3. Cơ sở lý thuyết: Cơ sở lý thuyết và phương pháp dùng để đánh giá
hư hỏng kết cấu.

-

Chương 4. Các bài toán ứng dụng: Các bài toán ứng dụng, nhận xét về kết
quả đạt được sau khi xử lý và phân tích số liệu.

-

Chương 5. Tiến độ thực hiện và những đóng góp của luận văn.

-

Tài liệu tham khảo trong luận văn.

-

Phụ lục: gồm trình tự huấn luyện trong IBM SPSS và kết quả liên quan.


6

TỔNG QUAN
2.1. Tình hình nghiên cứu thế giới
Năm 1994, phương pháp đo trở kháng lần đầu được sử dụng để tìm ra hư hỏng
của kết cấu. Liang và cộng sự thông qua tấm PZT được dán lên kết cấu chủ như Hình

2.1, tác giả kích một tần số cao, lớn hơn 30kHz để tìm ra những thay đổi cơ học trong
trở kháng cơ học của kết cấu chủ.
Sun và cộng sự (1995) đã sử dụng phương pháp trở kháng để kiểm tra kết cấu
dàn, bằng cách sử dụng phương pháp thống kê để đánh giá tình trạng hư hỏng. Ngồi
ra tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng ở các phạm vi tần số khác nhau và mức độ kích
thích như thế nào khi theo dõi đáp ứng trở kháng trên một kết cấu dàn như Hình 2.2.
Kết quả cho thấy ở các vị trí khác nhau, nên sử dụng các PZT khác nhau để theo dõi
kết cấu, ở miền tần số càng cao phạm vi theo dõi kết cấu càng nhỏ. Đồng thời, chỉ số
RMSD rất hữu dụng trong việc phát hiện xảy ra hư hỏng trong kết cấu.

Hình 2.1 Kết cấu dàn sử dụng trong nghiên cứu (Sun và cộng sự 1995)
Chaudhry và cộng sự (1995) đã tìm ra vị trí và khoảng cách hư hỏng trên kết
cấu trên máy bay Piper Model 601P bằng cách sử dụng phương pháp trở kháng. Các
cảm biến trở kháng cho thấy cực kì nhạy cảm với mức độ hư hỏng cục bộ.
Wang và cộng sự (1996) cho sử dụng nhiều cảm biến trở kháng dán lên cả hai
mặt của kết cấu. Sau đó họ theo dõi sự dẫn nạp điện trên trở kháng của kết cấu và
chứng thực được rằng có thể tìm ra được ứng xử của kết cấu thơng qua việc đo trở
kháng điện của PZT.