Xác định hư hỏng kết cấu dàn sử dụng giải thuật tối ưu cuckoo search cs và thông tin dao động của kết cấu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.18 MB, 102 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------------
TRẦN QUỐC TUẤN
XÁC ĐỊNH HƢ HỎNG KẾT CẤU DÀN SỬ DỤNG
GIẢI THUẬT TỐI ƢU CUCKOO SEARCH (CS) VÀ
THÔNG TIN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã ngành: 60580208
TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------------
TRẦN QUỐC TUẤN
XÁC ĐỊNH HƢ HỎNG KẾT CẤU DÀN SỬ DỤNG
GIẢI THUẬT TỐI ƢU CUCKOO SEARCH (CS) VÀ
THÔNG TIN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã ngành: 60580208
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN THỜI TRUNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017
CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THỜI TRUNG
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP.HCM ngày 04
tháng 10 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
1
TS. KHỔNG TRỌNG TOÀN
Chủ tịch
2
TS. NGUYỄN VĂN GIANG
Phản biện 1
3
TS. NGUYỄN HỒNG ÂN
Phản biện 2
4
TS. TRẦN TUẤN NAM
Ủy viên
5
TS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN
Ủy viên, Thƣ ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã đƣợc sửa
chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----------------
----------------
TP. HCM, ngày 31 tháng 07 năm 2017
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
TRẦN QUỐC TUẤN
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 18-12-1971
Nơi sinh: TP.HCM
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình
MSHV:1441870034
I- Tên đề tài:
Xác định hƣ hỏng kết cấu dàn sử dụng giải thuật tối ƣu Cuckoo Search (CS) và thông
tin dao động của kết cấu
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Thành lập bài toán xác định hƣ hỏng kết cấu dàn.
2. Sử dụng phƣơng pháp năng lƣợng biến dạng và giải thuật tối ƣu Cuckoo Search (CS)
để xác định vị trí và mức độ hƣ hại.
3. Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để mơ phỏng và tính tốn các kết quả số.
4. So sánh kết quả đạt đƣợc với các phƣơng pháp khác.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
26/09/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
31/07/2017
V- Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THỜI TRUNG
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của
PGS.TS. Nguyễn Thời Trung.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã đƣợc cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
TRẦN QUỐC TUẤN
ii
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi đến ngƣời Thầy của tơi, Thầy Nguyễn Thời Trung lịng biết ơn sâu
sắc nhất. Tơi ln cảm thấy mình là ngƣời may mắn khi đƣợc Thầy dạy và hƣớng dẫn thực
hiện luận văn. Thầy khơng chỉ truyền đạt kiến thức mà cịn truyền đạt niềm đam mê trong
công việc nghiên cứu và trong cuộc sống. Trong suốt quá trình làm luận văn, mặc dù gặp
nhiều bở ngỡ và khó khăn nhƣng tơi đã học đƣợc rất nhiều từ những lời khuyên quý báu và
động viên của Thầy.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Khoa Xây Dựng trƣờng Đại học Công nghệ
TPHCM. Thầy Cô là ngƣời đã dạy dỗ, truyền đạt kiến thức nền tảng và kinh nghiệm sống cho
tôi trong suốt thời gian học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn nghiên cứu viên của Viện Khoa học Tính tốn
(INCOS-TĐT), đặc biệt là các bạn Đinh Cơng Dự, Hồ Hữu Vịnh, Võ Duy Trung. Các bạn là
ngƣời đã đồng hành cùng tôi từ lúc bắt đầu chọn đề tài cho đến lúc hoàn thành luận văn. Một
lần nữa xin chân thành cảm ơn các bạn.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn đến bạn bè và gia đình đã động viên, khích lệ để tơi có đƣợc
kết quả nhƣ ngày hôm nay.
Một lần nữa, tôi xin trân trọng cảm ơn.
TPHCM, ngày 31 tháng 07 năm 2017
Học viên thực hiện
TRẦN QUỐC TUẤN
iii
TÓM TẮT
TÊN ĐỀ TÀI
“XÁC ĐỊNH HƢ HỎNG KẾT CẤU DÀN SỬ DỤNG GIẢI THUẬT TỐI ƢU
CUCKOO SEARCH (CS) VÀ THÔNG TIN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU”
Luận văn trình bày một phƣơng pháp hai giai đoạn để phát hiện vị trí và mức độ hƣ
hại trong kết cấu dàn dựa trên phƣơng pháp thay đổi năng lƣợng biến dạng và gỉải thuật
tối ƣu Cuckoo Search (CS). Ở giai đoạn thứ nhất, phƣơng pháp thay đổi năng lƣợng biến
dạng đƣợc sử dụng. Trong phƣơng pháp này, sự thay đổi năng lƣợng biến dạng giữa các
phần tử của kết cấu khỏe mạnh và kết cấu hƣ hại đƣợc chuẩn hóa thành một chỉ số đƣợc
gọi là nMSEBI (normal Modal Strain Energy Based damage Index) để xác định vị trí có
khả năng hƣ hại của kết cấu dàn. Ở giai đoạn thứ hai, bài toán xác định hƣ hại đƣợc
chuyển thành một bài toán tối ƣu hóa, trong đó hàm mục tiêu là sự thay đổi tần số tự nhiên
và dạng dao động (mode shape) giữa kết cấu hƣ hại và kết cấu không hƣ hại và các biến
thiết kế là phần trăm hƣ hại của các phần tử có khả năng hƣ hại đƣợc xác định ở giai đoạn
trƣớc. Để giải bài toán tối ƣu vừa thành lập, giải thuật tìm kiếm tối ƣu Cuckoo Search (CS)
đƣợc sử dụng. Tính hiệu quả và độ tin cậy của phƣơng pháp hai giai đoạn đƣợc thể hiện thơng
qua các ví dụ số cho các kết cấu dàn phẳng và dàn không gian. Đồng thời, ảnh hƣởng của
các tham số về phƣơng pháp cũng nhƣ tham số về kết cấu và ảnh hƣởng của nhiễu đã
đƣợc tác giả thực hiện khảo sát trong các ví dụ số.
Từ khóa:
Phần tử hữu hạn (FEM), kết cấu dàn, phƣơng pháp thay đổi năng lƣợng biến dạng, giải thuật
tối ƣu Cuckoo Search (CS), chẩn đoán sức khỏe kết cấu (SHM).
iv
ABSTRACT
The thesis presents a two-stage damage identification method to identify locations and
extents of multiple damages in truss structures by using a modal strain energy method and a
Cuckoo Search (CS) algorithm. In the first stage, the modal strain energy method is used. In
this method, the change in strain energy of elements between healthy and damaged structures
is computed and normalized to give a so-called the normal Modal Strain Energy Based
damage Index (nMSEBI) for damage assessment of the truss structures. In the second stage,
the damage identification problem is transformed into an optimization problem in which the
objective function is the change in natural frequency and the mode shape between the
damaged structure and the adjusted structure based on finite element analysis and design
variables are the damage ratios of the damaged elements identified in the previous stage. In
order to solve the optimization problem established, the Cuckoo Search (CS) algorithm is
employed. The effectiveness and reliability of the two-stage method is demonstrated through
several numerical examples of 2D and 3D truss structures. In addition, the influence of the
parameters of the damage identification methods as well as paramaters of structures and
measurement noise on the damage identification results is investigated in numerical examples
section.
Key words: Finite Element Method (FEM), Truss Structure, Modal Energy Strain Based
Index (MSEBI), Cuckoo Search (CS) Algorithm, Structural Health Monitoring (SHM).
v
MỤC LỤC
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 1
1.2. Tổng quan tài liệu .......................................................................................................... 4
1.2.1. Tình hình nghiên cứu thế giới .................................................................................. 4
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ............................................................................. 7
1.2.3. Nhận xét ................................................................................................................... 8
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 9
1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................................................ 10
1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................................. 10
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 10
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 10
1.6. Bố cục của luận văn ..................................................................................................... 10
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................ 11
2.1. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho kết cấu dàn ........................................................... 11
2.1.1. Phần tử dàn tuyến tính trong hệ tọa độ địa phƣơng ............................................... 11
2.1.2. Phần tử dàn tuyến tính trong hệ tọa độ tổng thể .................................................... 13
2.2. Bài toán chẩn đoán hƣ hại cho kết cấu ........................................................................ 18
2.2.1. Xác định vị trí hƣ hại bằng phƣơng pháp năng lƣợng biến dạng ........................... 19
2.2.2 Đánh giá hƣ hại bằng thuật tốn tối ƣu hóa ............................................................ 22
2.3. Giải thuật Cuckoo Search (CS) ................................................................................... 22
2.3.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 22
2.3.2. Phƣơng pháp ........................................................................................................... 25
2.4 Lƣu đồ giải thuật ........................................................................................................... 28
Chƣơng 3. VÍ DỤ SỐ .............................................................................................................. 29
3.1. Kết cấu dàn phẳng ........................................................................................................ 29
3.1.1. ài toán 1 ............................................................................................................... 30
3.1.2. Bài toán 2 ............................................................................................................... 45
3.1.3. Bài toán 3 ............................................................................................................... 50
vi
3.2. Kết cấu dàn không gian................................................................................................ 63
3.2.1 Kiểm chứng code Matlab ........................................................................................ 65
3.2.2 Xác định vị trí hƣ hại ............................................................................................... 66
3.2.3 Xác định mức độ hƣ hại .......................................................................................... 70
Chƣơng 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................ 75
4.1. Kết luận ........................................................................................................................ 75
4.2. Hƣớng phát triển của đề tài .......................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 77
PHỤ LỤC
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FEM
Finte Element Method- Phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
ABC
Artificial Bee Colony.
CS
Cuckoo Search
GA
Genetic Algorithm.
PSO
Partical Swarm Optimization.
MSEBI
Modal Strain Energy Based Index.
MSEC
Modal Strain Energy Change.
MSECR
Modal Strain Energy Change Ratio.
MSEEI
Modal Strain Energy Equivalence Index
SHM
Structural Health Monitoring.
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Dữ liệu đặc tính vật liệu và thơng số hình học của kết cấu dàn phẳng 31 thanh .... 30
Bảng 3.2. a trƣờng hợp hƣ hại của bài toán dàn phẳng 31 thanh ......................................... 31
Bảng 3.3. Kết quả mƣời tần số dao động đầu tiên của bài toán dàn phẳng 31 thanh ............. 31
Bảng 3.4. Thơng số của thuật tốn tối ƣu Cuckoo Search (CS).............................................. 40
Bảng 3.5. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp hƣ hại 1) sử dụng phƣơng pháp CS
ứng với các mức độ nhiễu khác nhau.................................................................................. 41
Bảng 3.6. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp hƣ hại 2) sử dụng phƣơng pháp CS
ứng với các mức độ nhiễu khác nhau.................................................................................. 42
Bảng 3.7. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp hƣ hại 3) sử dụng phƣơng pháp CS
ứng với các mức độ nhiễu khác nhau.................................................................................. 44
Bảng 3.8. Dữ liệu đặc tính vật liệu và thơng số hình học của kết cấu dàn phẳng 31 thanh .... 45
Bảng 3.9. Trƣờng hợp hƣ hại của bài toán dàn phẳng 31 thanh ............................................. 46
Bảng 3.10. Kết quả của sáu tần số dao động tự nhiên đầu tiên của dàn phẳng 31 thanh ....... 46
Bảng 3.11. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp cs ứng với các mức độ
nhiễu khác nhau .................................................................................................................. 49
Bảng 3.12. So sánh kết quả của Xu và cộng sự với kết quả của luận văn. ............................. 50
Bảng 3.13. Dữ liệu đặc tính vật liệu và thơng số hình học của kết cấu dàn phẳng 47 thanh .. 51
Bảng 3.14. a trƣờng hợp hƣ hại của bài toán dàn phẳng 47 thanh ....................................... 51
Bảng 3.15. Kết quả mƣời tần số dao động đầu tiên của bài toán dàn phẳng 47 thanh ........... 53
Bảng 3.16. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 59
Bảng 3.17. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 60
Bảng 3.18. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 62
Bảng 3.19. Dữ liệu đặc tính vật liệu ........................................................................................ 63
Bảng 3.20. Thơng số hình học của kết cấu dàn không gian 52 thanh ..................................... 64
Bảng 3.21. a trƣờng hợp hƣ hại của dàn không gian 52 thanh ............................................. 64
ix
Bảng 3.22. Kết quả năm tần số dao động đầu tiên của dàn không gian 52 thanh ................... 65
Bảng 3.23. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 71
Bảng 3.24. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 72
Bảng 3.25. Kết quả xác định mức độ hƣ hại khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng với các mức
độ nhiễu khác nhau ............................................................................................................. 73
x
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
HÌNH CHƢƠNG 1
Hình 1.1. Các cơng trình sử dụng hệ kết cấu dàn. .................................................................... 2
Hình 1.2. Tháp truyền hình nam định bị gãy sau cơn bão. ....................................................... 3
Hình 1.3. Sập cầu Seongsu (Hàn Quốc) tháng10/1994. ............................................................ 3
Hình 1.4. Sập cầu treo ở Indonesia, 11 ngƣời chết tháng 11/2011. .......................................... 4
HÌNH CHƢƠNG 2
Hình 2.1. Phần tử dàn e với nút 1 và 2 ở mỗi đầu. [40] ....................................................... 11
Hình 2. 2 Phần tử dàn không gian trong hệ tọa độ tổng thể. [40] ........................................... 14
Hình 2.3. Sơ đồ giải thuật CS.................................................................................................. 23
Hình 2.4. Chim Cuckoo........................................................................................................... 24
Hình 2.5. Trứng chim Cuckoo lẫn trong trứng của chim chủ. ................................................ 24
Hình 2.6. Bản năng sinh tồn của chim Cuckoo. ...................................................................... 24
Hình 2.7. Ong tìm mật. ............................................................................................................ 25
Hình 2.8. Tìm kiếm thức ăn của bộ lạc Ju / hoansi. ................................................................ 25
Hình 2.9. Nghiệm tối ƣu.......................................................................................................... 26
Hình 2.10. Nhiều nghiệm. ....................................................................................................... 26
Hình 2.11. Lƣu đồ giải thuật. .................................................................................................. 28
HÌNH CHƢƠNG 3
Hình 3.1. Kết cấu dàn phẳng 31 thanh. ................................................................................... 31
Hình 3.2. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10, trƣờng hợp khơng nhiễu. ...................... 33
Hình 3.3. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10, các trƣờng hợp nhiễu 3%. .................... 34
Hình 3.4. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10, trƣờng hợp nhiễu 5%............................ 34
Hình 3.5. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10 và 20, trƣờng hợp khơng nhiễu. ............ 35
Hình 3.6. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10 và 20, trƣờng hợp nhiễu 3%. ................. 36
Hình 3.7. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10 và 20, trƣờng hợp nhiễu 5%. ................. 37
Hình 3.8. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10, 20 và 30, trƣờng hợp khơng nhiễu. ...... 38
Hình 3.9. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10, 20 và 30, trƣờng hợp nhiễu 3%. ........... 39
Hình 3.10. Kết quả xác định vị trí hƣ hại phần tử 10, 20 và 30, trƣờng hợp nhiễu 5%. ......... 40
xi
Hình 3.11. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp hƣ hại 1) khi sử dụng phƣơng pháp
CS ứng với các trƣờng hợp nhiễu khác nhau. ..................................................................... 41
Hình 3.12. Hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. ............. 42
Hình 3.13. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp hƣ hại 2) khi sử dụng phƣơng pháp
VS ứng với các trƣờng hợp nhiễu khác nhau. ..................................................................... 43
Hình 3.14. Hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. ............. 43
Hình 3.15. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp hƣ hại 3) khi sử dụng phƣơng pháp
CS ứng với các trƣờng hợp nhiễu khác nhau. ..................................................................... 44
Hình 3.16. Hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. ............. 45
Hình 3.17. Kết cấu dàn phẳng 31 thanh (bài toán 2). ............................................................. 46
Hình 3.18. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của các phần tử sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 2 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ....................................... 47
Hình 3.19. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của các phần tử sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 2 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 3%. ............................................ 47
Hình 3.20. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của các phần tử sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 2 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 5%. ............................................ 48
Hình 3.21 kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. .. 50
Hình 3.22. Kết cấu dàn phẳng 47 thanh. ................................................................................. 52
Hình 3.23. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ....................................... 54
Hình 3.24. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp có nhiễu 3%. ....................................... 54
Hình 3.25. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp có nhiễu 5%. ....................................... 55
Hình 3.26. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 27 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ....................................... 55
Hình 3.27. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 34 và 35 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp có nhiễu 3%. ................................. 56
xii
Hình 3.28. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 34 và 35 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp có nhiễu 5%. ................................. 56
Hình 3.29. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 3, 30 và 47 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ................................. 57
Hình 3.30 kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 3, 30 và 47 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 3%....................................... 57
Hình 3.31. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 3, 30 và 47 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 4 đến 6 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 5%....................................... 58
Hình 3.32. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp 1) khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng
với các mức độ nhiễu khác nhau. ........................................................................................ 59
Hình 3.33. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. 60
Hình 3.34. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp 2) khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng
với các mức độ nhiễu khác nhau. ........................................................................................ 61
Hình 3.35. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. 61
Hình 3.36. Kết quả xác định mức độ hƣ hại (trƣờng hợp 3) khi sử dụng phƣơng pháp CS ứng
với các mức độ nhiễu khác nhau. ........................................................................................ 62
Hình 3.37. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp khơng nhiễu và có nhiễu. 63
Hình 3.38. Kết cấu dàn khơng gian 52 thanh. ......................................................................... 65
Hình 3.39. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 28 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ....................................... 66
Hình 3.40. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 28 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 3%. ............................................ 67
Hình 3.41. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 28 sử dụng chỉ số nMSEBI cho các
trƣờng hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 5%. ............................................ 67
Hình 3.42. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 14 và 17 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ................................. 68
Hình 3.43. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 14 và 17 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 3%....................................... 68
xiii
Hình 3.44. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 14 và 17 sử dụng chỉ số nMSEBI cho
các trƣờng hợp từ 3 đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 5%....................................... 69
Hình 3.45. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 14, 19 và 28 sử dụng chỉ số nMSEBI
cho các trƣờng hợp từ 3 dạng đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp khơng nhiễu. ................. 69
Hình 3.46. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 14, 19 và 28 sử dụng chỉ số nMSEBI
cho các trƣờng hợp từ 3 dạng đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 3%. ...................... 70
Hình 3.47. Kết quả xác định vị trí hƣ hại của phần tử 14, 19 và 28 sử dụng chỉ số nMSEBI
cho các trƣờng hợp từ 3 dạng đến 5 dạng dao động, trƣờng hợp nhiễu 5%. ...................... 70
Hình 3.48. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp nhiễu 3% và 5%. ............. 72
Hình 3.49. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp nhiễu 3% và 5%. ............. 73
Hình 3.50. Kết quả hội tụ nghiệm của hàm mục tiêu, trƣờng hợp nhiễu 3% và 5%. ............. 74
1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Dàn là một trong những kết cấu đơn giản nhất và đƣợc sử dụng phổ biến trong xây
dựng dân dụng và cơng nghiệp. Nó đƣợc tổ hợp bởi các kết cấu dạng thanh và thƣờng làm
bằng thép. Nó có khả năng vƣợt nhịp lớn và chịu lực lớn. Ngoài ra, do cấu tạo đặc biệt của
dàn mà nó có thể đƣợc sử dụng linh hoạt theo nhiều loại kiến trúc khác nhau. Một số cơng
trình trong xây dựng có sử dụng kết cấu dàn nhƣ: cầu vƣợt sơng (Hình 1.1a), mái vịm sân
vận động (Hình 1.1b), dàn khoan biển (Hình 1.1c), tháp truyền tải điện (Hình 1.1d), v.v.
a) Cầu vƣợt sơng;
(Nguồn: />
b) Sân vận động Wembley, London;
(Nguồn:
)
2
c) Dàn khoan Tam Đảo, Việt Nam;
(Nguồn: />gian-khoan-90-m-nuoc-congtrinh-noi-hoa-ham-luong-congnghe-cao/c/9516177.epi)
d) Tháp truyền tải điện;
(Nguồn: />ansmission_tower)
Hình1.1. Các cơng trình sử dụng hệ kết cấu dàn.
Trong quá trình sử dụng, các hƣ hại trong kết cấu dàn có thể xảy ra do các nguyên
nhân nhƣ các khuyết tật của vật liệu trong quá trình sản xuất hay các thiên tai thiên nhiên
nhƣ động đất, bão, lũ lụt (Mohan và cộng sự (2013) [1], Wu và cộng sự (1992) [2]). Thực
tế đã có nhiều tai nạn thảm khốc xảy ra do kết cấu dàn bị hƣ hại dẫn đến mất mát lớn về cả
tài sản và con ngƣời đƣợc thể hiện trong Hình 1.2, Hình 1.3 và Hình 1.4. Chính vì vậy để
đảm bảo an tồn tính mạng con ngƣời cũng nhƣ hạn chế hƣ hao về tài sản thì việc chẩn
đốn và phát hiện sớm những hƣ hỏng của kết cấu dàn là một trong những vấn đề quan
trọng.
3
Hình 1.2. Tháp truyền hình Nam Định bị gãy sau cơn bão.
(Nguồn: />
Hình 1.3. Sập cầu Seongsu (Hàn Quốc) tháng10/1994.
(Nguồn: />
4
Hình 1.4. Sập cầu treo ở Indonesia, 11 ngƣời chết tháng 11/2011.
(Nguồn: />Cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu trong và ngồi nƣớc về chẩn đốn hƣ hỏng cho
các kết cấu nói chung và kết cấu dàn nói riêng.Trong đó, có nhiều phƣơng pháp số đã
đƣợc đề xuất và phát triển. Tuy nhiên, các phƣơng pháp số này vẫn còn tồn tại một số hạn
chế trong việc xác định vị trí và mức độ hƣ hại của kết cấu.
Luận văn này vì vậy đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu một cách tiếp cận hiệu quả cho
việc chẩn đoán hƣ hỏng kết cấu dàn.
1.2. Tổng quan tài liệu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu thế giới
Hƣ hỏng của kết cấu là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về thông tin dao động nhƣ
tần số, dạng dao động (mode shape). Dựa vào các tính chất đó các nhà khoa học đã phát
triển các phƣơng pháp để xác định hƣ hại của kết cấu. Chẳng hạn nhƣ:
a) Phƣơng pháp xác định hƣ hại của kết cấu dựa trên thay đổi tần số: Cawley và
Adams (2007) [3]; Lu và cộng sự (2002) [4], Saluwu (1997) [5] đã đề xuất giải
pháp dựa trên sự thay đổi tần số tự nhiên để xác định mức độ hƣ hại trong kết cấu.
b) Phƣơng pháp đƣờng cong dạng dao động (mode shape): Williams (1995) [6] đã so
sánh các dạng dao động trƣớc và sau khi hƣ hỏng nhằm xác định vị trí hƣ hỏng,
Allemang và Brown (1982) [7] đã sử dụng một công cụ đo đạc để phát hiện hƣ hại
5
trong kết cấu bê tông cốt thép cầu. Pandey và cộng sự (1991) [8] đã đề xuất phƣơng
pháp dựa trên sự biến dạng của đƣờng cong trong kết cấu (đƣợc xác định là đạo
hàm bậc hai của chuyển vị) để xác định hƣ hại trong từng kết cấu cụ thể của dầm.
c) Phân tích sự biến đổi của ma trận độ mềm (nghịch đảo của ma trận độ cứng):
Phƣơng pháp này đƣợc Lu và cộng sự (2002) [4] phát triển dựa trên việc phân tích
sự biến đổi ma trận độ mềm (nghịch đảo của ma trận độ cứng). Một hƣ hại trong
kết cấu sẽ làm thay đổi đặc tính động học của nó nhƣ là tần số, các giá trị giảm
chấn và dạng dao động (mode shape) gắn liền với mỗi tần số của mơ hình. Các hƣ
hại cũng dẫn đến những thay đổi ở một vài thông số khác của kết cấu nhƣ khối
lƣợng, độ dãn, ma trận độ cứng và ma trận độ mềm của kết cấu. Trong nghiên cứu
của mình, Pandey và cộng sự (1994) [9] đã đánh giá sự thay đổi trong ma trận độ
mềm của một kết cấu nhƣ là một phƣơng pháp hiệu quả để xác định sự hiện diện
của vị trí hƣ hại cũng nhƣ mức độ hƣ hại. Nghiên cứu cho thấy ma trận độ mềm có
thể đƣợc xác định một cách dễ dàng và có thể đo đƣợc từ một vài thông số động
học tần số thấp của kết cấu.
d) Phƣơng pháp véc-tơ định vị hƣ hại (DLV) đã đƣợc Bernal (2002) [10] đề xuất.
Phƣơng pháp DLV chỉ sử dụng chỉ số năng lƣợng tích lũy chuẩn hóa nce của phần
tử để xác định phần tử đó có hƣ hại hay không hƣ hại. Quek và cộng sự (2009) [11]
đã sử dụng các cảm biến khơng dây đƣợc tích hợp vào hệ thống để phát hiện hƣ
hại. Đối với trƣờng hợp truyền tín hiệu thơ, sự mất mát rời rạc của dữ liệu trong
quá trình truyền từ các nút cảm biến đến trạm cơ sở cần đƣợc giải quyết. Các tác
giả đã đề xuất một thuật toán để phục hồi các dữ liệu bị mất và đƣợc tích hợp với
phƣơng pháp phát hiện hƣ hại DLV. Phƣơng pháp DLV cũng đƣợc Yang và cộng
sự [12]; Seyedpoor và cộng sự (2015) [13] áp dụng cho dàn.
e) Mơ hình năng lƣợng biến dạng: Phƣơng pháp năng lƣợng biến dạng do Shi và cộng
sự (1998) [14] đề xuất. Phƣơng pháp này xem xét năng lƣợng biến dạng của dạng
dao động (mode shape) để xác định vị trí hƣ hại của kết cấu dầm. Wu và cộng sự
(2016) [15] nghiên cứu cho dầm Euler-Bermoulli.
6
Trong các nghiên cứu trƣớc đây của Gunes (2013) [16]; Doebling và cộng sự (1996)
[17], các tác giả đã chứng minh rằng phƣơng pháp dựa trên sự thay đổi của năng lƣợng
biến dạng là tốt hơn so với những phƣơng pháp khác trong việc xác định hƣ hại. Tuy
nhiên, các phƣơng pháp trên chỉ có hiệu quả trong việc xác định vị trí hƣ hại, chứ chƣa
xác định đƣợc mức độ hƣ hại của kết cấu.
Cũng cần nói thêm rằng, ngoài các phƣơng pháp xác định mức độ hƣ hại kết cấu nêu
trên, nhóm phƣơng pháp này cịn có các phƣơng pháp khác nhƣ phƣơng pháp cập nhật ma
trận tối ƣu của Beattie (1991) [18], Zimmerman và cộng sự (1992) [19], phƣơng pháp biến
đổi sóng nhỏ của Sun (2002) [20], phƣơng pháp dựa trên cơ sở mạng thần kinh nhân tạo
của Kudva và cộng sự (1992) [21], Wu và cộng sự (1992) [22], v.v.
Ngồi nhóm các phƣơng pháp chỉ xác định vị hƣ hại của kết cấu nêu trên, còn có các
nghiên cứu xác định cùng lúc cả vị trí và mức độ hƣ hại của kết cấu nhƣ:
- Phƣơng pháp CSS (Charged System Search) của Kaveh và cộng sự (2015) [23] có
thể phát hiện cả vị trí và mức độ hƣ hỏng của kết cấu dàn bằng những thay đổi
tần số dao động tự nhiên và dạng dao động (mode shape). Trong nghiên cứu này,
các tác giả sử dụng sự khác biệt giữa các đặc tính của cấu trúc trƣớc và sau hƣ hại
để xác định hƣ hại của kết cấu không phá hủy. Các tác giả đã thành lập và giải
một bài tốn tối ƣu ngƣợc, trong đó mức độ hƣ hại cho mỗi phần tử đƣợc coi là
các biến tối ƣu. Hàm mục tiêu là cực tiểu sự khác biệt giữa các đặc tính của mơ
hình tƣơng ứng với các đặc tính đƣợc kiểm nghiệm của kết cấu bị hƣ hại thực tế.
Trong nghiên cứu này, các tác giả đã xác định hƣ hại của kết cấu dàn phẳng và
không gian dựa trên sự thay đổi trong các tần số tự nhiên của kết cấu và dạng dao
động (mode shape). Thuật toán CSS cải tiến là một phƣơng pháp tối ƣu toàn cục.
- Wei và cộng sự (2015) [24] đã nghiên cứu một phƣơng pháp hai bƣớc dựa trên
phƣơng pháp thay đổi năng lƣợng biến dạng để xác định hƣ hại trong tấm mỏng.
Trong bƣớc đầu tiên, vị trí hƣ hại đƣợc xác định dựa vào sự thay đổi năng lƣợng
biến dạng. Trong bƣớc thứ hai, mức độ hƣ hại của các vị trí bị hƣ hại đƣợc xác
định bằng mơ hình phần tử hữu hạn dựa trên sự thay đổi của năng lƣợng biến
dạng.
7
- Wang và cộng sự (2001) [25] đã nghiên cứu một phƣơng pháp hai giai đoạn để xác
định hƣ hại kết cấu dàn sử dụng dữ liệu thử nghiệm tĩnh và những thay đổi tần số
dao động tự nhiên. Trong nghiên cứu này, mức độ hƣ hại của kết cấu đƣợc đánh
giá bằng phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất dựa trên sự thay đổi của biến dạng tĩnh và
tần số dao động tự nhiên.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về các phƣơng pháp chẩn đốn hƣ hỏng của kết cấu
vẫn cịn nhiều hạn chế. Một số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu có thể đƣợc kể đến nhƣ:
- Nguyễn Quý Hân và Nguyễn Thị Hiền Lƣơng (2010) [26] đã thực hiện “Chẩn đốn
khung có chứa vết nứt bằng wavelet kết hợp giải thuật di truyền”, Hội nghị Khoa
học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ X.
- Nguyễn Khoa Việt và Trần Hải Thanh (2010) [27] đã sử dụng cảm biến wavelet để
phát hiện các vết nứt rất nhỏ trong dầm.
- Lê Xuân Hằng và Nguyễn Thị Hiền Lƣơng (2009) [28] đã thực hiện “Phân tích và
chẩn đốn dầm đàn hồi có nhiều vết nứt”. Trong nghiên cứu này, các tác giả sử
dụng thuật tốn di truyền để xác định vị trí và chiều sâu của các vết nứt trong dầm
công xôn.
- Trần Văn Liên và Trần Tuấn Khôi (2011) [29] đã thực hiện “Kiểm tra thực nghiệm
phƣơng pháp xác định vết nứt trong dầm chịu uốn bằng phân tích wavelet của các
chuyển vị tĩnh”.
- Trần Văn Liên và Trịnh Anh Hào (2014) [30] đã thực hiện “Xác định vết nứt trong
kết cấu hệ thanh bằng phân tích wavelet dừng đối với chuyển vị động”.
- Võ Duy Trung và cộng sự (2016) [31] đã thực hiện một phƣơng pháp hai bƣớc để
xác định hƣ hại của kết cấu.
- Nguyễn Thanh Tiền (2017) [32], luận văn Thạc sĩ Trƣờng Đại học Mở Tp.HCM,
đã sử dụng phƣơng pháp véc-tơ định vị DLV và giải thuật tiến hóa khác biệt DE
để chẩn đốn hƣ hỏng cho dầm composite nhiều lớp.
8
- Đỗ Q Tồn (2017) [33], luận văn Thạc sĩ Trƣờng Đại học Mở Tp.HCM, đã sử
dụng phƣơng pháp véc-tơ định vị DLV và giải thuật tiến hóa khác biệt DE để
chẩn đoán hƣ hỏng cho kết cấu khung.
1.2.3. Nhận xét
Để khắc phục hạn chế của các nhóm phƣơng pháp nêu trên, các nhà khoa học đã tiếp
cận một phƣơng pháp mới là sử dụng thuật toán tối ƣu để xác định hƣ hại của kết cấu. Ý
tƣởng chính của phƣơng pháp này là biến đổi các bài toán xác định hƣ hại thành một bài
tốn tối ƣu hóa, trong đó hàm mục tiêu thƣờng đƣợc định nghĩa bằng cực tiểu sai số giữa
dữ liệu đo đạc của mơ hình thực tế và mơ hình phân tích của kết cấu và các biến thiết kế là
những tỷ lệ hƣ hại trong kết cấu. Một số thuật tốn tối ƣu tồn cục, nhƣ thuật toán di
truyền (GA) (1998) [34], tối ƣu hóa bầy đàn (PSO) (2011) [35] (2012) [36], thuật tốn bầy
ong nhân tạo (ABC) (2015) [37] đã đƣợc áp dụng thành cơng cho việc xác định vị trí hƣ
hại. Mặc dù cách tiếp cận mới này có thể giúp xác định cả vị trí và mức độ hƣ hại của kết
cấu. Tuy nhiên, việc áp dụng các thuật toán tối ƣu này cho kết cấu dàn vẫn còn một số hạn
chế nhƣ: (1) độ chính xác chƣa cao của các thuật tốn tối ƣu hóa; (2) chi phí tính tốn cao
trong việc tìm kiếm nghiệm tối ƣu và gần nhƣ khơng thể áp dụng cho các bài tốn có số
biến thiết kế lớn. Do đó, hƣớng nghiên cứu nhằm tìm ra các thuật tốn tối ƣu hóa hiệu quả
hơn trong chẩn đoán hƣ hỏng kết cấu là một trong những hƣớng ƣu tiên trong giai đoạn
hiện nay.
Gần đây một thuật toán tối ƣu mới, Cuckoo Search (CS), đƣợc đề xuất bởi Yang và
Deb (2009) [38] đã cho thấy những triển vọng rất tốt để áp dụng vào bài toán chẩn đoán
hƣ hỏng kết cấu. Thuật toán này dựa trên bản năng sinh tồn của loài chim Cuckoo trong tự
nhiên. Do sự hiệu quả vƣợt trội so với các thuật toán khác, thuật toán CS cũng đã đƣợc Xu
và cộng sự (2016) [39] sử dụng để xác định vị trí và mức độ hƣ hại cho kết cấu dầm và
dàn. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã khảo sát cho bài toán dầm 20 phần tử và cho kết
cấu dàn 31 phần tử. Hàm mục tiêu là sự thay đổi tần số tự nhiên và dạng dao động (mode
shape) giữa kết cấu hƣ hại và kết cấu không hƣ hại. Kết quả đạt đƣợc trong nghiên cứu
này tƣơng đối tốt. Tuy nhiên, nghiên cứu của Xu và cộng sự còn tồn tại một số hạn chế
nhƣ: (1) chỉ áp dụng cho các kết cấu có số lƣợng phần tử nhỏ; (2) kết quả mức độ hƣ hại
