Chẩn đoán tổn hao ứng suất trong dầm bê tông ứng suất trước sử dụng trở kháng có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN HẢI DUY

CHẨN ĐOÁN TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG DẦM
BÊ - TƠNG ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TRỞ
KHÁNG CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT
ĐỘ MÔI TRƯỜNG
Chuyên ngành : Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp
Mã số:
60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Hồ Đức Duy

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

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. Ngô Hữu Cường

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG
Tp. HCM, ngày 23 tháng 08 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1.
2.
3.
4.
5.

Chủ tịch:
PGS.TS. Chu Quốc Thắng
Ủy viên – Phản biện 1: TS. Châu Đình Thành
Ủy viên – Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Hữu Cường
Ủy viên:
PGS.TS. Nguyễn Văn Hiếu
Thư ký:
TS. Nguyễn Hồng Ân

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:

Nguyễn Hải Duy

MSHV: 7140146

Ngày, tháng, năm sinh: 08-04-1991
Chuyên ngành:

Nơi sinh: Cà Mau

Xây dựng dân dụng và công nghiệp

Mã số : 60580208

I. TÊN ĐỀ TÀI: CHẨN ĐOÁN TỔN HAO ỨNG SUẤT TRONG DẦM BÊ – TÔNG
ỨNG SUẤT TRƯỚC SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
NHIỆT ĐỘ MƠI TRƯỜNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng đáp
ứng trở kháng.
2. Nghiên cứu các quy luật biến thiên theo nhiệt độ của vật liệu áp điện, điển
hình là PZT.
3. Nghiên cứu giải thuật loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ (EFS) trong q trình
thu thập tín hiệu trở kháng.
4. Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS APDL áp dụng cho
bài toán dao động điện điều hịa.
5. Áp dụng phương pháp trở kháng có loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ vào hai
bài toán: bài một, dầm nhôm; bài hai, vùng neo cáp của dầm BT ứng lực trước.
6. Phát triển kĩ thuật định lượng mức độ tổn hao ứng suất trước ở vùng neo của

dầm BTCT ứng lực trước.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 – 01 – 2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18 – 06 – 2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Hồ Đức Duy

Tp. HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

TS. Hồ Đức Duy

PGS.TS. Bùi Công Thành

TRƯỞNG KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm


Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận văn này một cách trọn vẹn, một mình tơi
sẽ khơng làm được điều đó nếu khơng có sự giúp đỡ từ nhiều
người.
Đầu tiên là TS. Hồ Đức Duy, thầy đã chấp nhận hướng dẫn
tôi, từ đó tơi tận dụng cơ hội này để nghiên cứu sâu về mảng
chẩn đoán sức khỏe kết cấu. Trong quá trình làm việc, thầy
cũng tận tình cung cấp các tài liệu cần thiết và tư vấn cho tôi
những kiến thức cũng như kinh nghiệm liên quan đến đề tài.
Mặc dù giữa tôi và thầy không đồng thuận ở một số quan điểm
(đây là điều bình thường) nhưng tóm lại, tôi vẫn tôn trọng và

biết ơn thầy.
Kế đến phải cảm ơn những người bạn đồng hành đã giúp đỡ
tôi nhiệt tình trên hành trình này. Đó là anh Đỗ Văn Trình,
người đã dạy và tư vấn cho tơi về phần mềm mơ phỏng ANSYS
APDL. Phải nói rằng nếu khơng có sự giúp đỡ mang tính “địn
bẩy” từ anh Trình, tơi khó lịng hồn thành luận văn vào thời
điểm này. Anh đã cung cấp cho tôi các thủ thuật cần thiết cũng
như khơi gợi cho tơi nhiều ý tưởng lập trình để tơi xây dựng
các phương án tự động hóa q trình tính tốn, từ đó giúp
tăng tốc luận văn. Người thứ hai, cũng là người mà các nghiên
cứu thực nghiệm của anh chính là cơ sở cho luận văn của tơi,
anh Huỳnh Thanh Cảnh. Anh Cảnh đã tận tình cung cấp các
tài liệu tham khảo cũng như các số liệu quan trọng để tơi có
đủ dữ liệu thực hiện việc mơ phỏng số; bên cạnh đó, anh cũng
sẵn lịng giải đáp những thắc mắc và các hiểu lầm của tôi về
hệ số tương quan và ý tưởng cơ bản của giải thuật bù nhiệt độ
4


EFS, để từ đó tơi có thể xây dựng thuật tốn theo đúng định
hướng. Thật sự, tơi cũng cảm thấy áy náy khi đã làm phiền
anh quá nhiều trong khoảng thời gian anh đang hoàn thành
luận văn tiến sĩ, nhưng tơi khơng có cách nào khác hơn ngồi
việc hỏi anh thật nhiều để biết thật nhiều.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các anh: Đỗ
Hồng Hưng – cung cấp tài liệu, code và tư vấn các phương án
mô phỏng; Lê Minh Quốc – trao đổi tận tình với tơi về giải
thuật EFS để từ đó tơi cải thiện được thuật toán này ở mức
độ tối ưu; Nguyễn Minh Tuấn Anh – cung cấp code và tư vấn
phương án mơ phỏng; Huỳnh Vũ Minh Tồn – cung cấp tài liệu

và trao đổi tận tình với tơi về vấn đề đệm lò xo; Trương Minh
Tùng – cung cấp tài liệu và trao đổi với tôi về một số vấn đề
lý thuyết của vật liệu áp điện. Hồ Phạm Hữu Lộc – cung cấp
các tài liệu về định dạng form kết quả xuất ra trong ANSYS
APDL. Đối với tôi, tất cả họ đều xứng đáng được gọi là người
hùng, những chiến binh can đảm trên con đường tìm đến chân
lý.
Kế đến, không thể quên một người chị đã cho tơi mượn một
số tiền để tơi trang trải chi phí cho luận văn, đó là chị Nguyễn
Ngọc Chân. Chị đúng là một con người phóng khống và rộng
lượng, sẵn sàng giúp đỡ những người đang gặp khó khăn tài
chính như tôi.
Cuối cùng tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến người vợ sắp
cưới của tôi – Lương Hồng Ái. Cô ấy đã ở bên, đồng hành và
động viên tôi trong suốt hành trình lý thú này. Thật sự, tình
yêu mà cô ấy ấp ủ cho tôi là suối nguồn cảm hứng vô tận, giúp
tôi vượt qua những thời khắc khó khăn, xé rào định kiến và tự
do cõi tư duy.
Không câu lời nào diễn tả hết sự biết ơn và nể phục của tôi
đối với những người đã giúp đỡ tôi trên chuyến phiêu lưu này.
Mong sao cho tất cả họ đều có được một cuộc sống vui vẻ,
thoải mái và thành công. Và hơn hết, mong cho tất cả chúng
ta, đều sẽ còn gặp lại nhau nơi điểm hẹn của trí tuệ, một “trí
tuệ tự do”.
5


Lời cam kết
Trong luận văn này, ngoại trừ những số liệu tham khảo từ các
nghiên cứu có liên quan nhằm bổ trợ cho việc so sánh, đối chiếu

kết quả, tất cả những cơng việc cũng như các kết quả cịn lại
đều do chính tơi thực hiện có tham vấn với TS. Hồ Đức Duy.
Đó là cam kết của tơi.

TP.HCM, Ngày 11 tháng 9 năm 2017

Nguyễn Hải Duy

6


Tóm tắt
Luận văn này được thực hiện nhằm kiểm tra tính khả dụng
của phần mềm PTHH ANSYS APDL đối với loại bài toán
chẩn đoán tổn hao ứng suất trước trong dầm BT-ƯLT khi
nhiệt độ môi trường thay đổi. Kết quả nghiên cứu trên 2 bài
toán trong luận văn cho thấy, hồn tồn có thể tương thích hóa
mơ phỏng với thực nghiệm khi phần mềm cho ra các kết quả
tương đồng với thực tế vật lý mặc dù vẫn còn tồn tại những
sai số do phương pháp số gây ra. Sự biến thiên của nhiệt độ
được cụ thể hóa bằng sự thay đổi của các thơng số vật liệu.
Bên cạnh đó, ảnh hưởng của các tham số mơ hình đến tín hiệu
chẩn đoán cũng được nghiên cứu một cách cụ thể để thực sự
biết được thông số (tổ hợp thông số) nào đang tác động lên
tín hiệu đầu ra, từ đó giúp định hình cho chiến lược hiệu chỉnh
kết quả chẩn đốn một cách khơn ngoan.

7

Abstract
The thesis verifies the constitution between the results of experiment and those of simulation, which is taken from ANSYS
APDL – a FEM based software. The outcome says strongly
about the above fitness that appriciates the ability of the software on working the reality out. Moreover, the parametric
study has also been figured out to, somewhat, get through what
is really affecting the shape of final signal, from which structures the method of parameter justifying in an optimal way.
Finally, the needs for several "out-of-the-box" issues is obviousely stated, say, on whose the existent is far much neccessary
as they help to prevent the wrong turns in such a literature.

8


Mục lục
Lời cảm ơn

4

Lời cam kết

6

Tóm tắt

7

Abstract

8

Mục lục

12

Danh sách hình vẽ

13

Danh sách bảng

17

Danh sách code

19

Chữ viết tắt

20

Kí hiệu tốn học

21

1 GIỚI THIỆU

22

1.1

Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

22


1.2

1.3

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu . . . . . . . . .

26

1.2.1

Bài 1: Dầm nhôm tự do . . . . . . . . . .

26

1.2.2

Bài 2: Vùng neo cáp dầm BT-ƯLT . . . .

27

1.2.3

Nghiên cứu mở rộng . . . . . . . . . . . .

27

Cấu trúc luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2 TỔNG QUAN
2.1

2.2

29

Các nghiên cứu ngoài nước . . . . . . . . . . . . .

29

2.1.1

Các nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng . . .

29

2.1.2

Các nghiên cứu trên nhiệt độ . . . . . . .

31

2.1.3

Các nghiên cứu trên cấu kiện ƯLT . . . .

34

2.1.4

Các nghiên cứu bằng phương pháp số . .

36

2.1.5

Các nghiên cứu về tính nhiệt biến . . . .

39

Các nghiên cứu trong nước . . . . . . . . . . . . .

42

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1

44

Vật liệu áp điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.1.1

Nguyên tắc hoạt động . . . . . . . . . . .

44

3.1.2

Hệ phương trình tương thích . . . . . . .

45

3.1.3

Sơ lược về PZT . . . . . . . . . . . . . . .

47

3.2

Sự tương tác PZT–Kết cấu . . . . . . . . . . . . .

49

3.3

Chẩn đoán hư hỏng . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

3.3.1

Chỉ số đánh giá hư hỏng . . . . . . . . . .

52

3.3.2

Kĩ thuật loại bỏ ảnh hưởng nhiệt độ . . .

52

3.3.3

Nhận biết hư hỏng . . . . . . . . . . . . .

56

10


3.4

Phương pháp Phần Tử Hữu Hạn . . . . . . . . .

56

3.5

Phần mềm ANSYS APDL 16.2a . . . . . . . . . .

58

3.5.1

Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

3.5.2

Các loại phần tử sử dụng . . . . . . . . .

60

3.5.3

Hiệu chỉnh các ma trận vật liệu . . . . . .

61

3.5.4

Truy xuất tín hiệu . . . . . . . . . . . . . .

62

Tính nhiệt biến của các loại vật liệu . . . . . . .

65

3.6.1

Tính nhiệt biến của PZT . . . . . . . . . .

65

3.6.2

Tính nhiệt biến của nhôm . . . . . . . . .

69

3.6

4 BÀI TỐN

70

4.1

Bài 1: Dầm nhơm tự do . . . . . . . . . . . . . . .

70

4.2

Bài 2: Vùng neo dầm BT-ƯLT . . . . . . . . . . .

82

4.3

Nghiên cứu mở rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.1

Ảnh hưởng của riêng từng tham số . . . . 101

4.3.2

Ảnh hưởng của tổ hợp các tham số . . . 109

5 KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ
5.1

5.2

117

Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.1

Ý nghĩa khoa học . . . . . . . . . . . . . . 117

5.1.2

Ý nghĩa thực tiễn . . . . . . . . . . . . . . 118

Kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Tài liệu tham khảo

120

PHỤ LỤC

126
11


Kiểm tra cường độ dầm BT . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Mơ hình một nửa đối xứng . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Bài 1: Dầm nhôm tự do . . . . . . . . . . . . . . . 130
Bài 2: Vùng neo dầm BT-ƯLT . . . . . . . . . . . 131
Liên kết lò xo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Tính cục bộ của phương pháp trở kháng . . . . . . . . 136
Trường hợp 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Trường hợp 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Số lượng ước tính của tổ hợp các tham số . . . . . . . 140
Một vài chỉ số chẩn đoán hư hỏng . . . . . . . . . . . . 141
Ứng suất trong ANSYS APDL . . . . . . . . . . . . . . 143
KEYOPTION – Thiết lập PTHH . . . . . . . . . . . . 144
Lớp keo dán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
ANSYS APDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
MATLAB – Giải thuật EFS . . . . . . . . . . . . 149
Tính tốn nhiệt biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

12

Danh sách hình vẽ
1.1

Các cơng trình điển hình sử dụng BT-ƯLT . . .

23

1.2

Đầu neo cáp điển hình . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.3

Sơ đồ làm việc của phương pháp trở kháng . . .

24

1.4

Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng . . . . . . . .

25

1.5

Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng . . . . . . . .

26

2.1

Thí nghiệm chẩn đốn hư hỏng trên các tấm trịn 30

2.2

Thí nghiệm trên khung BT . . . . . . . . . . . . .

31

2.3

Thí nghiệm trên chi tiết cầu thép . . . . . . . . .

33

2.4

Thí nghiêm trên tấm CFRP . . . . . . . . . . . .

34

2.5

Thí nghiệm chẩn đốn tổn hao ứng suất . . . . .

35

2.6

Thí nghiệm chẩn đốn tổn hao ứng suất . . . . .

36

2.7

Ứng dụng ANSYS 8.1 xuất tín hiệu trở kháng .

37

2.8

Ứng dụng ANSYS chẩn đốn hư hỏng . . . . . .

38

2.9

Ứng dụng phần mềm PTHH COMSOL . . . . .

38

2.10 Mô phỏng PTHH từ thực nghiệm . . . . . . . . .

39

2.11 Kết quả thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.12 Quy luật biến thiên theo nhiệt độ . . . . . . . . .

41

13


2.13 Mơ hình liên kết bu-lơng . . . . . . . . . . . . . .

42

2.14 Mơ phỏng chẩn đốn hư hỏng của liên kết bu-lơng 43
3.1

Nguyên tắc hoạt động của vật liệu áp điện . . .

45

3.2

Cấu trúc tinh thể của PZT . . . . . . . . . . . . .

48

3.3

Các dạng hình học của PZT . . . . . . . . . . . .

49

3.4

Mơ hình giải tích 1-D . . . . . . . . . . . . . . . .

50

3.5

Ý tưởng cơ bản của EFS . . . . . . . . . . . . . .

54

3.6

Cơ cấu hoạt động của EFS . . . . . . . . . . . . .

55

3.7

Giao diện ANSYS APDL . . . . . . . . . . . . . .

59

3.8

Tín hiệu được xuất trực tiếp . . . . . . . . . . . .

60

3.9

Các loại phần tử sử dụng . . . . . . . . . . . . . .

60

3.10 Quy luật nhiệt biến của độ mềm . . . . . . . . .

66

3.11 Quy luật nhiệt biến của điện dung . . . . . . . .

67

3.12 Quy luât nhiệt biến của điện môi . . . . . . . . .

68

3.13 Quy luật nhiệt biến của độ cứng . . . . . . . . . .

69

4.1

Thơng số hình học . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

4.2

Mơ hình PTHH dầm nhơm . . . . . . . . . . . . .

73

4.3

Đối chiếu giữa mô phỏng và thực nghiệm . . . .

76

4.4

Tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm . . .

77

4.5

Kiểm định chất lượng của EFS . . . . . . . . . .

79

4.6

Tổng thể dầm BT-ƯLT . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.7

Tiết diện dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

4.8

Bản thép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

14


4.9

Đầu neo cáp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

4.10 Tấm tương tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

4.11 Bố trí thực tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

4.12 Cơ chế của thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . .

85

4.13 Dao động nhiệt độ trong thí nghiệm . . . . . . .

86

4.14 Mơ hình PTHH vùng neo . . . . . . . . . . . . . .

88

4.15 Đối chiếu giữa mô phỏng và thực nghiệm . . . .

89

4.16 Xu hướng thay đổi của tín hiệu . . . . . . . . . .

91

4.17 Đối chiếu 1 – 22.33o C và 12.63o C . . . . . . . . . .

92

4.18 Đối chiếu 2 – 22.33o C và 6.72o C . . . . . . . . . .

93

4.19 Chẩn đoán tổn hao ứng suất . . . . . . . . . . . .

95

4.20 Đường cong chẩn đoán . . . . . . . . . . . . . . .

98

4.21 Ảnh hưởng của các tham số vật lí PZT . . . . . 101
4.22 Ảnh hưởng của các thành phần độ mềm . . . . . 103
4.23 Ảnh hưởng của các hằng số điện dung . . . . . . 104
4.24 Ảnh hưởng của các hằng số điện dung . . . . . . 105
4.25 Ảnh hưởng của các tham số vật lý tấm tương tác 106
4.26 Ảnh hưởng của các tham số vật lý bản thép . . 107
4.27 Ảnh hưởng của các tham số ngoại vi . . . . . . . 108
4.28 Ảnh hưởng của tổ hợp độ mềm . . . . . . . . . . 109
4.29 Ảnh hưởng của tổ hợp hằng số điện dung . . . . 110
4.30 Ảnh hưởng của tổ hợp hằng số điện mơi . . . . . 111
5.1

Mơ hình PTHH dầm BT-ƯLT . . . . . . . . . . . 127
15


5.2

Biến dạng của dầm BT . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.3

Phân bố ứng suất trong dầm BT . . . . . . . . . 128

5.4

Mơ hình và kết quả tín hiệu của 1/2 dầm nhơm 130

5.5

Mơ hình và kết quả tín hiệu của 1/2 vùng neo . 131

5.6

Thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất . . . . . 132

5.7

Mơ hình giải tích lị xo . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.8

Phần tử lò xo COMBIN 14 . . . . . . . . . . . . . 133

5.9

Bài toán vùng neo cáp . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.10 Bài toán vùng neo cáp dầm BT-ƯLT . . . . . . . 134
5.11 Khu vực vùng neo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.12 Mơ hình vùng neo khơng xét dầm BT . . . . . . 137
5.13 Đối chiếu tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.14 Mơ hình vùng neo có dầm BT . . . . . . . . . . . 138
5.15 Đối chiếu tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.16 Quy ước ứng suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.17 Keo dán LOCTITE 401 . . . . . . . . . . . . . . . 145

16


Danh sách bảng
3.1

Quy ước thứ tự chỉ số . . . . . . . . . . . . . . . .

62

4.1

Dữ liệu hình học của các vật thể . . . . . . . . .

71

4.2

Thông tin mô phỏng PTHH của dầm nhôm . . .

73

4.3

Thông số vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

4.4

Tương quan tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

4.5

Chỉ số tương quan . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.6

Vị trí đỉnh cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.7

Thông số vật liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

4.8

Thông tin mô phỏng vùng neo . . . . . . . . . . .

89

4.9

Kết quả kiểm định EFS . . . . . . . . . . . . . . .

93

4.10 Giá trị ứng lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

4.11 Quy ước các trường hợp . . . . . . . . . . . . . . .

94

4.12 So sánh các chỉ số tương quan . . . . . . . . . . .

97

4.13 Chỉ số tương quan – tham số PZT . . . . . . . . 112
4.14 Chỉ số tương quan – tham số tấm tương tác . . 113
4.15 Chỉ số tương quan – tham số bản thép . . . . . . 113
4.16 Chỉ số tương quan – tham số ngoại vi . . . . . . 114
17


4.17 Chỉ số tương quan – tổ hợp tham số . . . . . . . 115
4.18 Danh sách các tham số ảnh hưởng đáng kể . . . 116
5.1

Giá trị ứng suất trong dầm BT . . . . . . . . . . 129

5.2

Thông tin mô hình PTHH . . . . . . . . . . . . . 136

5.3

Thơng tin mơ hình PTHH . . . . . . . . . . . . . 138

5.4

Các thiết lập KEYOPTION . . . . . . . . . . . . 144

5.5

Gradient – Dầm nhôm . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.6

Gradient – Vùng neo . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

18


Danh sách code
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6

5.7
5.8
5.9

Khai báo thuộc tính PZT . . . . . . . . . . . .
Khai báo thuộc tính các vật liệu thép, nhơm,
Gán điện thế kích thích cho PZT . . . . . . .
Giải bài tốn dao động điện điều hịa . . . . .
Giải bài toán tĩnh . . . . . . . . . . . . . . . .
Tính tốn và xuất tín hiệu . . . . . . . . . . .
Tính tốn và xuất tín hiệu . . . . . . . . . . .
Xuất kết quả sang MATLAB . . . . . . . . . .
Cực tiểu hóa chỉ số CCD . . . . . . . . . . . .

19

. . 146
keo 147
. . 147
. . 147
. . 148
. . 148
. . 148
. . 149
. . 149


Chữ viết tắt
ANN
APDL

Atificial Neural Network
ANSYS Parametric Design Language

BT–ƯLT
BTS
CC
CCD
CFRP
DI
EFF
EFS
FEM
GUI
KPCA
MAPD
MAX
REV
RMSD
SHM
POP
PTHH
PLZT
PZT
UCL

Bê Tông – Ứng Lực Trước
Base Transceiver Station
Cross Corelation
Cross Corelation Deviation

Carbon Fiber Reinforce Polymer
Damage Index
Effective
Effective Frequency Shift
Finite Element Method
Graphical User Interface
Kernel Principal Component Analysis
Mean Absolute Percentage Deviation
Maximum
Reversible
Root Mean Square Deviation
Structural Heal Monitoring
Procedural – Oriented Programiming
Phần Tử Hữu Hạn
Lead Lithium Zirconate Titanate
Lead Zirconate Titanate
Upper Control Limit

20


Kí hiệu tốn học
n

∑ xk

Tính tổng của n phần tử xk

∫ f (x)

Tích phân của hàm số f (x)

Ckn
¯
X
σX
∆X
Re(X )
Im(X )
min y (x)
{V }
[M ]
[M ]T
[M ]1
x , xă
xD

T hp chập k của n phần tử
Giá trị trung bình của đại lượng X
Độ lệch chuẩn của đại lượng X
Độ biến thiên của đại lượng X
Lấy giá trị thực của đại lượng phức X
Lấy giá trị ảo của đại lượng phức X
Tốn tử tìm giá trị nhỏ nhất của hàm y (x)
Vector V
Ma trận M
Tốn tử tìm ma trận chuyển vị của [M]
Tốn tử tìm ma trận nghịch đảo của [M]
Đạo hàm cấp 1 và cấp 2 của x theo biến thời gian t
Số chiều trong không gian Euclid (x = 1, 2, 3)

k =1

21


Chương 1

GIỚI THIỆU
1.1

Đặt vấn đề

Ngày nay, cấu kiện BT-ƯLT (Bê Tông – Ứng Lực Trước) được
sử dụng khá rộng rãi trong các kết cấu xây dựng trải dài từ
các công trình nhà cao tầng, cầu giao thơng, đập thủy điện
cho tới các xi–lơ, bồn chứa cốt liệu, lị phản ứng hạt nhân,
. . . (hình 1.1). Xét trên bình diện kỹ thuật, việc sử dụng cấu
kiện BT-ƯLT giúp làm giảm hoặc loại bỏ phần nào hiện tượng
nứt trong bê tông, giảm kích thước tiết diện cấu kiện, giảm độ
võng (do cung cấp trước một lượng mommen âm1 ) từ đó cho
phép tăng chiều dài nhịp cấu kiện. Xét về phương diện kinh
tế, BT-ƯLT cho phép giảm số lượng tường cũng như các cột
chống đỡ, từ đó tăng khơng gian sử dụng cho cơng trình, tiết
kiệm vật liệu, giảm chi phí xây dựng. Bên cạnh đó, hầu hết
các cấu kiện ƯLT (Ứng Lực Trước) đều được chế tạo sẵn tại
nhà máy nên khi ra công trường sẽ tiết kiệm được thời gian
thi công cũng như thời gian kiểm định chất lượng (vì đã được
kiểm tra tại nhà máy), từ đó cải thiện được tiến độ hồn thành
cơng trình. Việc xã hội hóa sự ứng dụng của các loại cấu kiên

ƯLT, ở một góc nhìn nào đó, là một xu hướng hiển nhiên.
1

Mommen làm căng thớ trên của cấu kiện

22


(a) Nhà hát Sydney, Australia

(b) Cầu North Halawa Valley
Viaduct, đảo Hawaii, Mỹ

(c) Đập thủy điện Roseires, Ad
Damazin, Sudan

(d) Nhà máy hạt nhân Ringhals, Videbergshamn, Thụy
điển

Hình 1.1: Các cơng trình điển hình sử dụng BT-ƯLT2

Tuy nhiên, một vấn đề ln ln gặp phải trong các cấu kiện
BT-ƯLT là sự tổn hao ứng suất trong bó dây cáp, thể hiện ở
sự giảm độ siết chặt ở đầu neo cáp cũng như độ căng của tồn
bộ hệ cáp (hình 1.2). Thật vậy, theo thời gian, bất kì cấu kiện
ƯLT nào cũng ít nhiều chịu sự thất thoát ứng suất gây ra bởi
nhiều nguyên nhân khác nhau. Các nguyên nhân làm tổn thất
ứng suất trong cấu kiện ƯLT có thể là: sự co ngót và q trình
đơng cứng của bê tơng, sự ma sát giữa bê tông và dây cáp . . . .
Sự thất thoát ứng suất ngấm ngầm này làm giảm khả năng

chịu lực của cấu kiện ƯLT theo thời gian, từ đó ảnh hưởng tới
sự làm việc bình thường của tồn kết cấu, gây nguy hiểm cho
cơng trình. Chính vì vậy, cần phải dành một sự quan tâm chu
đáo tới hàm lượng ứng suất đang tồn tại trong cấu kiện ƯLT
bằng cách định kì theo dõi và dị tìm sự tổn hao ứng suất này.
2

Nguồn: />
23


Hình 1.2: Đầu neo cáp điển hình3

Việc theo dõi và đánh giá mức độ tổn hao ứng suất tại đầu
neo của cấu kiện ƯLT hiện nay được chủ yếu tiến hành bằng
phương pháp trở kháng, một nhánh của lĩnh vực chuẩn đoán
sức khỏe kết cấu SHM (Structural Health Monitoring). Theo
phương pháp điện học này, các miếng vật liệu áp điện , điển
hình là PZT (Lead Zirconate Titanate), được dán lên bề mặt
của vùng cần chẩn đoán hư hỏng 4 và kết nối chúng với một
nguồn điện xoay chiều kích thích và một máy thu xử lý tín
hiệu. Các miếng PZT cảm ứng dịng điện kích thích từ nguồn
và phản ứng lại dưới dạng tín hiệu điện, sau đó được bộ xử
lý quy đổi thành tín hiệu trở kháng (hình 1.3). Hư hỏng được
phát hiện khi có sự sai lệch giữa 2 tín hiệu trở kháng ở 2 khoảng
thời gian khảo sát khác nhau.

Hình 1.3: Sơ đồ làm việc của phương pháp trở kháng (Baptista
et al., 2014)
3

4

Nguồn: />Sự tổn hao ứng suất được coi là một dạng hư hỏng

24


Nguyên nhân làm thay đổi tín hiệu trở kháng được cho là sự
biến thiên của khối lượng bản thân, độ cứng, độ cản nhớt,
. . . của kết cấu. Hư hỏng có thể làm cho tín hiệu bị nhiễu, mà
biểu hiện cụ thể là làm tăng hoặc giảm số lượng đỉnh cộng
hưởng, hoặc làm dịch chuyển đồ thị tín hiệu theo một hướng
nhất định (hình 1.4).

Hình 1.4: Sự thay đổi của tín hiệu trở kháng khi xảy ra hư
hỏng (Zagrai and Giurgiutiu, 2001)
Mặc dù vậy, sự tổn hao ứng suất trong các cấu kiện BT-ƯLT
không phải là nguyên nhân duy nhất gây ra sự thay đổi của
tín hiệu trở kháng. Thực tế thí nghiệm cũng như khảo sát đã
cho thấy nhiệt độ là một trong các nguyên nhân chính yếu,
nếu khơng muốn nói là thường trực, gây ra sự biến đổi của tín
hiệu trở kháng (hình 1.5) (Zhou et al., 2009; Baptista et al.,
2014; Koo et al., 2009; Huynh and Kim, 2016; Krishnamurthy
et al., 1996; Siebel and Lov, 2013; Lim et al., 2011; Park et al.,
1999; Yang et al., 2008b). Khi nhiệt độ mơi trường thay đổi,
các thuộc tính vật liệu của PZT cũng theo đó biến thiên, từ
đó tín hiệu trở kháng mà PZT tạo ra cũng không thể bất
biến vì tín hiệu này phụ thuộc vào các thơng số vật lý của
PZT (Li et al., 2009; Miclea et al., 2007; Krishnamurthy et al.,
1996; Burianova et al., 2005; Hong and Fang, 2008; Sabat and

Mukherjee, 2007; Sabat et al., 2006; Wolf and Mckinstry, 2004;
Basu et al., 2016; Maiwa et al., 2003; Hooker, 1998).
25