Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và chẩn đoán sự hư hỏng vùng neo

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

HỒ THANH DŨNG

MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG
ĐỂ THEO DÕI VÀ CHẨN ĐOÁN SỰ HƯ HỎNG VÙNG NEO
Chun ngành : Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành

: 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, 1 - 2015


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:
Cán bộ hướng dẫn 1: TS. Hồ Đức Duy

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phùng Mạnh Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Đinh Thế Hưng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
vào ngày 22 tháng 1 năm 2015.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ Tịch : PGS.TS Nguyễn Văn Hiệp ......................
2. Thư kí: TS. Nguyễn Minh Long ................................
3. Phản biện 1(Thành viên) : TS. Phùng Mạnh Tiến .....
4 Phản biện 2 (Thành viên) : TS. Đinh Thế Hưng. ........
5.Thành viên: TS. Trần Văn Phúc ................................

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 và tên học viên: HỒ THANH DŨNG

MSHV: 12210231

Ngày, tháng, năm sinh: 17/07/1988

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp

Mã số: 605820

I. TÊN ĐỀ TÀI: Mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và
chẩn đoán sự hư hỏng vùng neo
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Tìm hiểu đáp ứng trở kháng của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng
dựa trên tín hiệu trở kháng.
2. Sử dụng phần mềm ANSYS 13.0 mơ phỏng các thí nghiệm được tiến hành trên
các mẫu dầm thép, nhôm đơn giản trong giai đoạn không hư hỏng và hư hỏng,
so sánh tín hiệu trở kháng của mơ phỏng và thí nghiệm.
3. Mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và chẩn đốn sự hư
hỏng vùng neo. Tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng trước và sau khi có hư
hỏng trong vùng neo, từ những thay đổi đó đánh giá mức độ hư hỏng trong vùng
neo.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 14/01/2014

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/12/2014
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Hồ Đức Duy
Tp. HCM, ngày 6 tháng 2 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

TS. Hồ Đức Duy

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Hồ Đức
Duy. Thầy đã hướng dẫn giúp tơi hình thành nên ý tưởng của đề tài, hướng dẫn tôi
phương pháp tiếp cận nghiên cứu. Thầy đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu và
giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt chặng đường vừa qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi
từ khi tôi học Đại học và trong suốt khóa Cao học vừa qua.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Khắc Duy và anh Ngơ Thanh Mộng
đã có nhiều đóng góp trao đổi giúp tôi hiểu rõ về bản chất đề tài.
Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên khơng thể
khơng có những thiếu sót nhất định. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi
bổ sung những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô.

Tp. HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2014

Hồ Thanh Dũng


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu này giới thiệu phương pháp mô phỏng số, phần tử hữu hạn, sử

dụng trở kháng để theo dõi và chẩn đoán sự hư hỏng vùng neo. Để đạt được mục
tiêu nghiên cứu, các nội dung sau được thực hiện:
1) Mơ hình phần tử hữu hạn thơng qua chương trình ứng dụng ANSYS 13.0
mơ phỏng các mẫu dầm thép, dầm nhôm đơn giản trong giai đoạn khơng hư
hỏng và hư hỏng, so sánh tín hiệu trở kháng của mô phỏng và thực nghiệm,
chứng minh khả năng mơ phỏng tìm hư hỏng trong kết cấu.
2) Mơ hình vùng neo dầm bê tơng ứng suất trước với một dây cáp được kéo
căng có gắn tấm tương tác, hư hỏng trong vùng neo ở nghiên cứu này là do
tổn hao lực căng cáp. Đồng thời kết quả được so sánh với thực nghiệm để
chứng minh tính khả thi cao trong việc mơ hình phần tử hữu hạn bằng phần
mềm ANSYS 13.0.
3) Phân tích vùng neo dầm cầu bê tông ứng suất trước với 5 cáp được kéo
căng. Hư hỏng trong dầm là do sự tổn hao lực căng cáp làm cho dầm bê
tông không đủ khả năng chịu lực khi đưa vào trạng thái làm việc.


iii

LỜI CAM ĐOAN
Ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các cơng trình nghiên cứu khác đã trích dẫn
rõ trong luận văn, tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của Thầy 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 22 tháng 12 năm 2014

Hồ Thanh Dũng

iv

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... xiii
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................................... xiv
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ................................................................ 6
1.3 Giới hạn của đề tài ...................................................................................... 7
1.4 Cấu trúc luận văn ........................................................................................ 8
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU

TRƯỚC ĐÂY ............. 9

2.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 9
2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp trở kháng .......................... 11
2.2.1 Trên thế giới................................................................................... 11
2.2.2 Tại Việt Nam ................................................................................. 17
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 19
3.1 Phương pháp trở kháng ............................................................................. 19
3.2 Hoạt động của phương pháp trở kháng...................................................... 26
3.3 Vật liệu áp điện ......................................................................................... 29
3.4 Thông số kỹ thuật trong phương pháp trở kháng ....................................... 33

3.4.1 Phạm vi tần số ................................................................................ 33
3.4.2 Vùng cảm biến cục bộ .................................................................... 34
3.4.3 Các phương pháp đánh giá hư hỏng................................................ 35
3.4.4 Kỹ thuật thu thập dữ liệu. ............................................................... 36


v

3.5 Ưu và nhược điểm của phương pháp trở kháng ......................................... 38
3.5.1 Ưu điểm ......................................................................................... 38
3.5.2 Nhược điểm ................................................................................... 38
3.6 Công cụ nghiên cứu .................................................................................. 40
3.6.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS.................................................... 40
3.6.2 Mơ hình phần tử hữu hạn để phân tích tín hiệu trở kháng ............... 41
3.7 Vùng neo trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước ............................ 46
3.7.1 Vùng neo trong bê tông ứng suất trước căng trước ......................... 47
3.7.2 Vùng neo trong bê tông ứng suất trước căng sau ............................ 49
3.7.3 Tổng quan về hư hỏng vùng neo..................................................... 51
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG SỐ............................................................................ 54
4.1 Giới thiệu.................................................................................................. 54
4.2 Mơ hình dầm thép khơng hư hỏng............................................................. 55
4.3 Mơ hình dầm nhơm có vết nứt .................................................................. 61
4.4 Mơ hình vùng neo dầm bê tơng ứng suất trước có gắn tấm tương tác
(interface washer) ..................................................................................... 66
4.4.1 Mơ hình tấm tương tác (interface washer) ...................................... 68
4.4.2 Mơ hình vùng neo .......................................................................... 71
4.4.3 Ảnh hưởng của vật liệu và kích thước hình học tấm tương tác
đối với đáp ứng trở kháng.................................................................................. 78
4.5 Mơ hình vùng neo dầm cầu bê tơng ứng suất trước căng sau ..................... 83
4.5.1 Mơ hình 1 (khơng sử dụng tấm tương tác) ...................................... 85

4.5.2 Mơ hình 2 (có sử dụng tấm tương tác) ............................................ 89
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................... 114
5.1 Kết luận .................................................................................................. 114
5.2 Kiến nghị ................................................................................................ 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 116
PHỤ LỤC............................................................................................................ 122
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................. 130


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Sự sụp đổ của cầu Tacoma Norrows, Mỹ (1940) ..................................... 1
Hình 1.2: Sự sụp đổ Cầu Mahakam II, Indonesia (2011).......................................... 2
Hình 1.3: Sự sụp đổ cầu Seongsu, Hàn Quốc(1994)................................................. 2
Hình 1.4: Sự sụp đổ cầu Mississippi, Mỹ (2007) ..................................................... 3
Hình 1.5: Sự sụp đổ tháp truyền hình Nam Định (2012) .......................................... 3
Hình 1.6: Nứt đập thủy điện sông tranh 2, Quảng Nam (2012) ................................ 4
Hình 1.7: Sập cầu treo chu va 6, Lai Châu (2014).................................................... 4
Hình 1.8: Liên kết neo trong dầm cầu bê tơng ứng lực trước.................................... 6
Hình 2.1: Sun(1995) sử dụng phương pháp trở kháng để kiểm tra kết cấu giàn...... 11
Hình 2.2: Theo dõi hai khung chính kết nối với thân máy bay phía sau đến
đi đứng của máy bay Piper Model 601P (Chaudhry et al. 1995). ..... 12
Hình 2.3: Một mơ hình ¼ mặt cắt cầu thép (steel bridge section) (Park và cộng
sự 2000) .............................................................................................. 14
Hình 2.4: Một thí nghiệm đường ống dẫn thực hiện của Park và cộng sự
(2001) ................................................................................................. 15
Hình 2.5: Bhalla và cộng sự (2002) cho thấy khả năng theo dõi quá trình bảo
dưỡng kết cấu bê tơng ......................................................................... 16
Hình 3.1: Mơ hình 1-D tương tác cơ-điện giữa tấm PZT và kết cấu chủ ................ 20

Hình 3.2:Tóm tắt hoạt động của phương pháp trở kháng ....................................... 26
Hình 3.3: Vật liệu áp điện. ..................................................................................... 29
Hình 3.4: Tương tác giữa điện và biến dạng. ......................................................... 31
Hình 3.5: Kỹ thuật thiết lập thử nghiệm sử dụng máy phân tích trở kháng HP
4194A. ................................................................................................ 36
Hình 3.6: Kỹ thuật thiết lập thử nghiệm sử dụng máy phân tích trở kháng HP
4192A. ................................................................................................ 37
Hình 3.7: Mơ hình phần tử solid 45 dạng 8 nút ...................................................... 43
Hình 3.8: Mơ hình phần tử solid 5 dạng 8 nút ........................................................ 45


vii

Hình 3.9: Hiệu ứng Hoyer (1939) .......................................................................... 48
Hình 3.10: Biểu đồ quỹ đạo ứng suất cho neo đặt đúng tâm................................... 50
Hình 4.1: Các mẫu dầm thực nghiệm ..................................................................... 55
Hình 4.2: Máy phân tích trở kháng HP4194A ........................................................ 56
Hình 4.3: Mơ hình dầm 1 và 2 trong ANSYS 13.0................................................. 56
Hình 4.4: Mơ hình dầm 3 và 4 trong ANSYS 13.0................................................. 57
Hình 4.5: So sánh tín hiệu trở kháng giữa thực nghiệm,ANSYS và tính tốn
dầm 1 trong phạm vi tần số từ 1kHz đến 30kHz .................................. 58
Hình 4.6: So sánh tín hiệu trở kháng giữa thực nghiệm,ANSYS và tính tốn
dầm 2 trong phạm vi tần số từ 1kHz đến 30kHz .................................. 59
Hình 4.7: So sánh tín hiệu trở kháng giữa thực nghiệm,ANSYS và tính tốn
dầm 3 trong phạm vi tần số từ 1kHz đến 30kHz .................................. 59
Hình 4.8: So sánh tín hiệu trở kháng giữa thực nghiệm,ANSYS và tính tốn
dầm 4 trong phạm vi tần số từ 1kHz đến 30kHz .................................. 60
Hình 4.9: Mơ hình thực nghiệm dầm nhơm có vết nứt ........................................... 62
Hình 4.10: Mơ hình ANSYS 13.0 dầm nhơm chưa có vết nứt................................ 62
Hình 4.11: Mơ hình ANSYS 13.0 dầm nhơm có vết nứt 3 mm .............................. 63

Hình 4.12: Mơ hình ANSYS 13.0 dầm nhơm có vết nứt 6mm ............................... 63
Hình 4.13: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhơm từ 19 kHz tới 23 kHz trong
mơ hình thực nghiệm .......................................................................... 63
Hình 4.14: So sánh kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm không nứt từ 19 kHz
tới 24 kHz giữa mơ hình ANSYS và thực nghiệm ............................... 64
Hình 4.15: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhơm từ 20 kHz đến 24 kHz trong
mơ hình ANSYS 13.0 ......................................................................... 65
Hình 4.16: Kết quả chỉ số RMSD trong mơ hình ANSYS 13.0 trong phạm vi
tần số từ 20 kHz đến 24 kHz ............................................................... 65
Hình 4.17: Mơ hình thực nghiệm của Mascarenas và cộng sự (2007) .................... 68
Hình 4.18: Mơ hình thực nghiệm tấm tương tác (interface washer)........................ 69
Hình 4.19: Mơ hình tấm tương tác (interface washer) trong ANSYS 13.0 ............. 70


viii

Hình 4.20: So sánh kết quả tín hiệu trở kháng của tấm tương tác khảo sát từ
tần số 10 kHz đến 100 kHz giữa thực nghiệm và mơ hình ANSYS
13.0..................................................................................................... 71
Hình 4.21: Mơ hình thực nghiệm vùng neo dầm bê tơng ứng suất trước có gắn
tấm tương tác (interface washer) ......................................................... 72
Hình 4.22: Kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 10kHz đến 100kHz
trong mơ hình thực nghiệm ở cấp lực P=79.5kN ................................. 73
Hình 4.23: Mơ hình vùng neo dầm bê tông ứng suất trước gắn tấm tương tác
trong ANSYS 13.0 .............................................................................. 74
Hình 4.24: So sánh kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 10kHz đến
100kHz giữa mơ hình thực nghiệm và ANSYS 13.0 ở cấp lực
P=79.5kN............................................................................................ 75
Hình 4.25: So sánh kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 30kHz đến
40kHz giữa mơ hình thực nghiệm và ANSYS 13.0 ở cấp lực

P=79.5kN............................................................................................ 75
Hình 4.26: Kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 30kHz đến 40kHz
trong mơ hình thực nghiệm ở từng cấp lực khác nhau ......................... 76
Hình 4.27: Kết quả tín hiệu trở kháng khảo sát từ tần số 30kHz đến 40kHz
trong mơ hình ANSYS 13.0 ở từng cấp lực khác nhau ........................ 76
Hình 4.28: So sánh chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 30kHz đến 40kHz
giữa mơ hình thực nghiệm và mơ hình ANSYS 13.0 ........................... 77
Hình 4.29: So sánh tín hiệu trở kháng tấm tương tác được làm từ nhơm và thép
trong mơ hình ANSYS 13.0 ................................................................ 79
Hình 4.30: Kết quả tín hiệu trở kháng vùng neo với tấm tương tác là thép ở
từng cấp lực khác nhau ....................................................................... 79
Hình 4.31: So sánh chỉ số RMSD khi tấm tương tác là thép và nhôm trong
phạm vi tần số từ 30kHz đến 40kHz ................................................... 80
Hình 4.32: Tiết diện tấm tương tác khi thay đổi bề dày trong mơ hình ANSYS
13.0..................................................................................................... 81


ix

Hình 4.33: Tín hiệu trở kháng khi thay đổi bề dày tấm tương tác ở cấp lực
P=79.5kN trong mơ hình ANSYS 13.0 ............................................... 81
Hình 4.34: Chỉ số RMSD khi ta thay đổi bề dày tấm tương tác với tổn hao lực
căng cáp là 8.68% ............................................................................... 82
Hình 4.35: Chi tiết vùng neo trong ví dụ tính tốn ................................................. 83
Hình 4.36: Mơ hình vùng neo dầm cầu BTUST trong mơ hình ANSYS 13.0
khơng sử dụng tấm tương tác .............................................................. 85
Hình 4.37: Chi tiết vị trí PZT trong mơ hình ANSYS 13.0 khơng sử dụng tấm
tương tác ............................................................................................. 85
Hình 4.38: Sơ đồ vùng neo dầm BTUST khi cả 5 vị trí neo chưa hư hỏng và
hư hỏng 10%....................................................................................... 86

Hình 4.39: Tín hiệu trở kháng của PZT1 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực....................................................................................................... 87
Hình 4.40: Tín hiệu trở kháng của PZT2 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực....................................................................................................... 87
Hình 4.41: Tín hiệu trở kháng của PZT3 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực....................................................................................................... 88
Hình 4.42: Tín hiệu trở kháng của PZT4 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực....................................................................................................... 88
Hình 4.43: Tín hiệu trở kháng của PZT5 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực....................................................................................................... 89
Hình 4.44: Mơ hình vùng neo dầm cầu BTUST trong mơ hình ANSYS 13.0 có
sử dụng tấm tương tác ......................................................................... 89
Hình 4.45: Kích thước và hình dạng tấm tương tác trong mơ hình ANSYS
13.0..................................................................................................... 90
Hình 4.46: Chi tiết vị trí dán PZT trong mơ hình ANSYS 13.0 có sử dụng tấm
tương tác ............................................................................................. 90
Hình 4.47: Tín hiệu trở kháng của PZT1 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực....................................................................................................... 91


x

Hình 4.48: Tín hiệu trở kháng của PZT2 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực khác nhau với mơ hình sử dụng tấm tương tác .............................. 91
Hình 4.49: Tín hiệu trở kháng của PZT3 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực khác nhau với mơ hình sử dụng tấm tương tác .............................. 92
Hình 4.50: Tín hiệu trở kháng của PZT4 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực khác nhau với mô hình sử dụng tấm tương tác .............................. 92
Hình 4.51: Tín hiệu trở kháng của PZT5 khảo sát từ tần số 10-100 kHz ở 2 cấp
lực khác nhau với mơ hình sử dụng tấm tương tác .............................. 93

Hình 4.52: So sánh chỉ số RMSD giữa 2 mơ hình trong phạm vi tần số từ 10100 kHz .............................................................................................. 93
Hình 4.53: Tín hiệu trở kháng của PZT1 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi 5 neo đều hư hỏng ....................... 94
Hình 4.54: Tín hiệu trở kháng của PZT2 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi 5 neo đều hư hỏng ....................... 95
Hình 4.55: Tín hiệu trở kháng của PZT3 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi 5 neo đều hư hỏng ....................... 95
Hình 4.56: Tín hiệu trở kháng của PZT4 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi 5 neo đều hư hỏng ....................... 96
Hình 4.57: Tín hiệu trở kháng của PZT5 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi 5 neo đều hư hỏng ....................... 96
Hình 4.58: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi 5
neo đều hư hỏng.................................................................................. 97
Hình 4.59: Sơ đồ vùng neo dầm BTUST khi vị trí neo 1 hư hỏng 10%, 20%,
50% .................................................................................................... 97
Hình 4.60: Tín hiệu trở kháng của PZT1 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 1 hư hỏng .............................. 98
Hình 4.61:Tín hiệu trở kháng của PZT2 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 1 hư hỏng .............................. 98
Hình 4.62: Tín hiệu trở kháng của PZT3 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 1 hư hỏng .............................. 99


xi

Hình 4.63: Tín hiệu trở kháng của PZT4 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 1 hư hỏng .............................. 99
Hình 4.64: Tín hiệu trở kháng của PZT5 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 1 hư hỏng ............................ 100
Hình 4.65: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 0.5kHz đến 4kHz khi neo số

1 được kéo căng cáp.......................................................................... 100
Hình 4.66: Tín hiệu trở kháng của PZT1 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 2 hư hỏng ............................ 101
Hình 4.67: Tín hiệu trở kháng của PZT2 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 2 hư hỏng ............................ 101
Hình 4.68: Tín hiệu trở kháng của PZT3 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 2 hư hỏng ............................ 102
Hình 4.69: Tín hiệu trở kháng của PZT4 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 2 hư hỏng ............................ 102
Hình 4.70: Tín hiệu trở kháng của PZT5 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 2 hư hỏng ............................ 103
Hình 4.71: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo
2 hư hỏng .......................................................................................... 103
Hình 4.72: Tín hiệu trở kháng của PZT1 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 3 hư hỏng ............................ 104
Hình 4.73: Tín hiệu trở kháng của PZT2 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 3 hư hỏng ............................ 104
Hình 4.74: Tín hiệu trở kháng của PZT3 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 3 hư hỏng ............................ 105
Hình 4.75: Tín hiệu trở kháng của PZT4 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 3 hư hỏng ............................ 105
Hình 4.76: Tín hiệu trở kháng của PZT5 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 3 hư hỏng ............................ 106
Hình 4.77: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo
3 hư hỏng .......................................................................................... 106


xii

Hình 4.78: Tín hiệu trở kháng của PZT1 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm

vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 4 hư hỏng ............................ 107
Hình 4.79: Tín hiệu trở kháng của PZT2 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 4 hư hỏng ............................ 107
Hình 4.80: Tín hiệu trở kháng của PZT3 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 4 hư hỏng ............................ 108
Hình 4.81: Tín hiệu trở kháng của PZT4 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 4 hư hỏng ............................ 108
Hình 4.82: Tín hiệu trở kháng của PZT5 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 4 hư hỏng ............................ 109
Hình 4.83: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo
4 hư hỏng .......................................................................................... 109
Hình 4.84: Tín hiệu trở kháng của PZT1 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 5 hư hỏng ............................ 110
Hình 4.85: Tín hiệu trở kháng của PZT2 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 5 hư hỏng ............................ 110
Hình 4.86: Tín hiệu trở kháng của PZT3 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 5 hư hỏng ............................ 111
Hình 4.87: Tín hiệu trở kháng của PZT4 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 5 hư hỏng ............................ 111
Hình 4.88: Tín hiệu trở kháng của PZT5 ở từng cấp lực khác nhau trong phạm
vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo 5 hư hỏng ............................ 112
Hình 4.89: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số từ 10 kHz đến 20 kHz khi neo
5 hư hỏng .......................................................................................... 112


xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Kích thước hình học và đặc trưng vật liệu 4 mẫu dầm thép .................... 55
Bảng 4.2: So sánh kết quả dầm 1 và dầm 2 giữa tính tốn, thực nghiệm và mơ

hình tại tần số có đỉnh trở kháng cao ................................................... 57
Bảng 4.3: So sánh kết quả dầm 3 và dầm 4 giữa tính tốn, thực nghiệm và mơ
hình tại tần số có đỉnh trở kháng cao ................................................... 58
Bảng 4.4: Đặc trưng dầm nhôm ............................................................................. 61
Bảng 4.5: Đặc trưng miếng PZT ............................................................................ 61
Bảng 4.6: Đặc trưng PZT-5A................................................................................. 67
Bảng 4.7: Đặc trưng vật liêu tấm tương tác (interface washer) ............................... 69
Bảng 4.8: Giá trị tổn hao lực kéo cáp ..................................................................... 74
Bảng 4.9: Giá trị lực nén trong dầm ....................................................................... 84


xiv

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
CIMMS

= Center for Itelligent Materials and Structure.

FRE

= frequency response function.

FRB

= fiber reinforced plastic

MAPD

= mean absolute percentage deviation.

MEMS

= MicroElectroMechanical Systems.

NDE

= Non-Destructive Evaluation.

PZT

= Lead Zirconate Titanate.

RMSD

= root-mean-square deviation.

SHM

= Structural Health Monitoring.

UCL

= upper control limit.

c

= hệ số cản

E

= điện trường

d 32

= hằng số áp điện

D3

= sự dịch chuyển điện

D

= Đường kính của bulong

dw

= Đường kính trung bình của vòng đệm.

F

= Lực đặt vào bởi thiết bị truyền động.

KA

= độ cứng tĩnh định của PZT

KD

= độ cứng động học.

m

= Khối lượng.

Ks

= hệ số độ cứng của lò xo.

x

= chuyển vị.

xin

= chuyển vị tự do của PZT

Y22E

= modun đàn hồi của PZT với điện trường bằng 0

ω

= tần số kích thích.


xv

ωn
E

s 22
E

= tần số cộng hưởng của kết cấu.
= biến dạng cơ học của PZT tại điện trường bằng 0.

 22

= hằng số điện dung của tấm áp điện tại ứng suất bằng 0.



= chuyển vị trong hướng y.



= Tỷ trọng PZT.



= hệ số mất chất điện môi.



= hệ số mất tính cơ học.

xi và yi

= tín hiệu thu được từ PZT liên kết trên kết cấu trước và sau
hư hỏng.

 RMSD và  RMSD = độ lệch trung bình và độ lệch tiêu chuẩn RMSD.
x và y

= giá trị trung bình của hai bộ dữ liệu từ tín hiệu dẫn nạp.

 x và  y

= độ lệch chuẩn của tín hiệu x và y


1

CHƯƠNG 1.
GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Trong một vài năm gần đây trên thế giới và cả ở trong nước không ít cơng trình
xây dựng kể cả những cơng trình hiện đại phức tạp đã xảy sự cố. Có thể kể ra những
sự cố điển hình: sự sụp đổ cầu Tacoma Norrows tại Mỹ năm 1940 (Hình 1.1), sự
sụp đổ cầu Mahakam II tại Indonesia năm 2011(Hình 1.2), sự sụp đổ cầu Seongsu
tại Hàn Quốc năm1994 (Hình 1.3), sự sụp đổ cầu Mississippi tại Mỹ năm 2007
(Hình 1.4), sự sụp đổ tháp truyền hình Nam Định năm 2012 (Hình 1.5), Nứt đập
thủy điện sông tranh 2 tại Quảng Nam năm 2012 (Hình 1.6), Sập cầu treo chu va 6
tại Lai Châu năm 2014 (Hình 1.7)

Hình 1.1 : Sự sụp đổ của cầu Tacoma Norrows, Mỹ (1940)


2

Hình 1.2: Sự sụp đổ Cầu Mahakam II, Indonesia (2011)

Hình 1.3: Sự sụp đổ cầu Seongsu, Hàn Quốc(1994)


3

Hình 1.4: Sự sụp đổ cầu Mississippi, Mỹ (2007)

Hình 1.5: Sự sụp đổ tháp truyền hình Nam Định (2012)


4

Hình 1.6: Nứt đập thủy điện sơng tranh 2, Quảng Nam (2012)

Hình 1.7: Sập cầu treo chu va 6, Lai Châu (2014)

Tất cả những sự cố trên không chỉ liên quan tới những tác động đặc biệt của
thiên nhiên, của việc khai thác sử dụng quá khả năng cho phép hoặc của các nhân tố
chủ quan khác mà còn liên quan tới những quan niệm đã lỗi thời về độ an tồn của
chính bản thân cơng trình. Trước thực trạng này thì việc theo dõi, kiểm tra để biết
được sự tồn vẹn của kết cấu cơng trình là một mục tiêu rất quan trọng.


5
Để đảm bảo kết cấu an toàn trong sử dụng và giảm thiểu tai nạn đáng tiếc xảy
ra, giảm thiệt hại về kinh tế, đặc biệt là đảm bảo tính mạng của người sử dụng. Do
đó, việc xác định những hư hỏng trong kết cấu để tiến hành gia cố, sửa chữa, tăng
cường hay thay thế có ý nghĩa quan trọng. Đồng thời theo dõi sức khoẻ kết cấu có

thể kéo dài tuổi thọ phục vụ và làm giảm chi phí bảo trì kết cấu.
Theo dõi sức khỏe kết cấu là đánh giá ứng xử đang làm việc của kết cấu bằng
cách sử dụng nhiều kỹ thuật đo lường khác nhau. Trong đó mục đích chính 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 sữa chữa, hỗ trợ cho các trường hợp
nguy cấp. Mục tiêu cuối cùng của các nỗ lực theo dõi sức khoẻ kết cấu là sử dụng
tích hợp thiết bị cảm biến để cung cấp cho khả năng tự theo dõi các kết cấu và đưa
ra một cảnh báo khi hư hỏng xảy ra. Việc cảnh báo sẽ hữu ích hơn khi hư hỏng mới
bắt đầu hơn là khi thiệt hại nghiêm trọng đã xảy ra và các chức năng của kết cấu bị
tổn hại.
Liên kết trong kết cấu là những bộ phận quan trọng của hầu hết các cơ sở hạ
tầng, từ sự hư hỏng của các liên kết đó có thể dẫn đến việc giảm năng lực phục vụ
của các kết cấu và dẫn đến gây ra sự sụp đổ kết cấu. Vì vậy, phát hiện hư hỏng trên
các lên kết trong kết cấu đã trở thành một chủ đề quan trọng. Trong số phương
pháp phát hiện hư hỏng, phương pháp trở kháng được tìm thấy hứa hẹn sẽ theo dõi
những hư hỏng nhỏ phôi thai tại các vị trí quan trọng như liên kết kết cấu.
Phương pháp trở kháng là sử dụng các tấm nhỏ PZT (Lead Zirconate Titanate)
dán trên kết cấu chủ, thông qua một máy phân tích trở kháng sẽ thu được tín hiệu từ
những rung độ trên kết cấu chủ. Phương pháp này sử dụng tần số kích thích cao,
thường nằm trong khoảng kHz, với kết cấu đang được theo dõi. 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 đó 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 tín hiệu trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độ cứng và điệu kiện


6
biên ở khu vực xa hư hỏng. Vì vậy , kỹ thuật này sẽ hữu ích 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.
Trong lĩnh vực xây dựng liên kết neo (Hình 1.8) thường được sử dụng trong
cầu dây văng, cầu treo, dầm cầu bê tông dự ứng lực. Những cơng trình này thường
có chi phí rất lớn và ảnh hưởng tới đời sống, giao thông vận tải, ngành công nghiệp
cũng như nền kinh tế. Vì vậy việc theo dõi chẩn đoán để đưa ra hướng xử lý kịp
thời trong trường hợp hư hỏng xảy ra là vô cùng cần thiết, từ đó đảm bảo cho cơng
trình được hoạt động an tồn và xun suốt.

Hình 1.8: Liên kết neo trong dầm cầu bê tông ứng lực trước
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Để nghiên cứu một cách chi tiết phản ứng trở kháng trong vùng neo chúng ta có
thể tiến hành bằng cách thí nghiệm trên mơ hình thật hoặc mơ phỏng bằng một mơ
hình tương đương thích hợp. Trường hợp thí nghiệm trên mơ hình thật địi hỏi yêu
cầu cao về mặt thiết bị và kỹ thuật thực hiện, đồng thời chi phí thực hiện rất tốn
kém do tiến hành trên mẫu thật và không linh hoạt trong việc hiệu chỉnh các thông
số đầu vào như lực tác dụng, cách dán PZT…Trong đề tài này sẽ trình bày nghiên
cứu theo hướng mơ phỏng bằng phương pháp số vì cách này phù hợp trong điều


7
kiện nghiên cứu ở Việt Nam do được thực hiện trên máy tính, dễ dàng thay đổi các
thơng số đầu vào.
Ngày nay nhiều phương pháp số đã, đang phát triển mạnh mẽ và trở thành một
công cụ hữu hiệu không thể thiếu khi giải quyết các bài toán khoa học kỹ thuật như
phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần
tử biên, các phương pháp không lưới... Trong các phương pháp trên, phương pháp
phần tử hữu hạn đã được nghiên cứu một cách phổ biến và hiệu quả, ngày càng có
nhiều phần mềm ứng dụng ra đời dựa trên phương pháp này như ANSYS,
COMSOL, SAP, FEAP, NASTRAN…

Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng phần mềm ANSYS 13.0 để tìm tín hiệu trở
kháng cơ điện thu được từ 4 ví dụ khác nhau. Cụ thể như sau:
+ Ví dụ 1: Mơ hình các mẫu dầm thép đơn giản, so sánh tín hiệu trở kháng của
mơ phỏng và thực nghiệm, chứng minh tính khả thi trong mơ phỏng.
+ Ví dụ 2: Mơ hình các mẫu dầm nhơm đơn giản trong giai đoạn khơng hư
hỏng và có hư hỏng, so sánh tín hiệu trở kháng với thực nghiệm đồng thời đánh giá
hư hỏng từ tín hiệu thu được.
+ Ví dụ 3: Phân tích vùng neo dầm bê tông ứng suất trước căng sau, hư hỏng
trong dầm là do tổn hao lực căng cáp. Các tín hiệu trở kháng thu được đều so sánh
với thực nghiệm để đưa ra đánh giá hư hỏng từ tín hiệu thu được.
+ Ví dụ 4: Phân tích vùng neo dầm cầu BTUST căng sau với 5 dây cáp được
kéo căng, hư hỏng trong dầm là do tổn hao lực căng cáp với giả định tổn hao 10%,
20% và 50%. Đánh giá hư hỏng xảy ra từ các tín hiệu trở kháng thu được bằng phần
mềm ANSYS 13.0.
Các phân tích này thực hiện chủ yếu thơng qua ví dụ giới thiệu ở chương 4.
1.3 Giới hạn của đề tài
Do tính phức tạp cũng như điều kiện thực nghiệm không cho phép nên trong
luận văn này chỉ triển khai mơ hình phần tử hữu hạn bằng chương trình ANSYS
13.0 để tìm tín hiệu trở kháng cơ điện thu được. Những tín hiệu này được so sánh