Xác định trạng thái hư hỏng của khung bê tông cốt thép dựa vào kết quả phân tích dao động

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

NGUYỄN CHÍ THIỆN

XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI HƯ HỎNG CỦA KHUNG
BÊ TƠNG CỐT THÉP DỰA VÀO KẾT QUẢ
PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG

Chuyên ngành : Kỹ Thuật xây dựng
Mã số ngành

: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 02 Năm 2021


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Hồ Đức Duy

Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TS. Nguyễn Văn Hiếu Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Hà Minh Tuấn

Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo yệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2021.
Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ bao gồm:
1. PGS.TS. Lương Văn Hải

- Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Nguyễn Thái Bình

- Thư ký

3. PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu - ủy viên (Phản biện 1)
4. TS. Hà Minh Tuấn

- ủy viên (Phản biện 2)

5. ThS. Nguyễn Phúc Bình An - ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DựNG

PGS.TS. LÊ ANH TUẤN

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 s ĩ
•

•

•

•

Họ tên học viên : NGUYỄN CHÍ THIỆN

MSHV : 1870486

Ngày, tháng, năm sinh : 06/08/1995

Nơi sinh : Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

rlũ ĩd

I.

§ Ỡ-? 0 ;ỉ

TÊN ĐÈ T À I: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI H ư HỎNG CỦA KHUNG BÊ
TÔNG CỐT THÉP DựA VÀO KẾT QUẢ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Tìm hiểu và nắm vững các phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu sử dụng
các đặc trưng dao động.
2. Thu thập kết quả đo tần số dao động của kết cấu khung BTCT.
3. Xây dựng mơ hình khung BTCT theo phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm
ANSỸS.
4. Xác định trạng thái hư hỏng dựa trên kết quả phân tích dao động với phương
pháp thay đổi tần số dao động, phương pháp thay đổi dạng dao động (MAC),
phương pháp năng lượng biến dạng (MSE).
5. Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán hư hỏng cho khung BTCT.
6 . Thực hiện các bài toán mở rộng về phương pháp chẩn đốn hư hỏng trong

khung bê tơng cốt thép dựa trên các đặc trưng dao động.
7. Kết luận và kiến nghị.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM v ụ

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2021

V.

: 24/02/2020

CÁN B ộ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. HỒ ĐỨC DUY
Tp. Hồ Chỉ Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021

CÁN B ộ HƯỚNG DẪN
*

CHỦ NHIỆM B ộ MÔN ĐÀO TẠO
•

•

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DựNG

PGS.TSTĨẼ

anh tũấn

•


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ
thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu,

biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng. Đó là trách
nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để hoàn thành luận văn “Xác định trạng thái hư hỏng của khung bê tông cốt thép
dựa vào kết quả phân tích dao động”, ngồi sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ nhiều từ các tập thể và cá nhân. Tôi xin gửi lời tri ân đến các
tập thể các nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó.
Tơi xin gửi lời tri ân đến Thầy PGS.TS. Hồ Đức Duy, thầy đã tận tâm hướng dẫn,
đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài và Thầy góp ý cho tơi về
cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận
nghiên cứu hiệu quả. Sự tận tâm chỉ bảo là động lực lớn để tơi có thể hồn thành tốt
luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn q Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường Đại
học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền dạy những kiến thức q giá cho
tơi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học
và sự nghiệp của tôi sau này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là cha mẹ tôi, những người đã luôn
ủng hộ, động viên tôi trong suốt quãng đường học tập và nghiên cứu. Sự tin tưởng
của gia đình là niềm tin để tơi hồn thành tốt nghiên cứu này.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản
thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong q Thầy, Cơ chỉ
dẫn thêm để tơi bổ sung những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn. Lời cuối
cùng, tơi kính chúc Ban lãnh đạo Khoa, quý Thầy, quý Cô lời chúc sức khỏe, thành
công trong công tác cũng như trong cuộc sống.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021

Nguyễn Chí Thiện


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tên đề tài luận văn “Xác định trạng thái hư hỏng khung bê tông cốt thép dựa
vào kết quả phân tích dao động”.
Nghiên cứu này trình bày phương pháp theo dõi, đánh giá trạng thái hư hỏng của
khung BTCT sử dụng các đặc trưng dao động. Từ mục tiêu của đề tài, các nội dung
sau được thực hiện:
1. Tìm hiểu và nắm vững các phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu sử dụng
các đặc trưng dao động
2. Thu thập kết quả đo tần số dao động của kết cấu khung BTCT.
3. Xây dựng mô hình khung BTCT theo phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm
ANSYS.
4. Xác định trạng thái hư hỏng dựa trên kết quả phân tích dao động với phương
pháp thay đổi tần số dao động, phương pháp thay đổi dạng dao động (MAC),
phương pháp năng lượng biến dạng (MSE).
5. Phân tích và đánh giá kết quả chẩn đoán hư hỏng cho khung BTCT.
6. Thực hiện các bài toán mở rộng về phương pháp chẩn đốn hư hỏng trong
khung bê tơng cốt thép dựa trên các đặc trưng dao động.
7. Kết luận và kiến nghị.


ABSTRACT
The Thesis title: “Vibration-based Damage Detection in Reinforced Concrete
Frame”.
This study presents methods to monitor and identify the damage of reinforced
concrete frames using vibration characteristics. In order to achieve the objective, the
following approaches are implemented:
1. To study the damage detection methods using vibration characteristics.
2. To get the natural frequencies of a reinforced concrete frame
3. To establish the finite element model for the frame by ANSYS software.
4. To identify the damages on frame by using Frequency change-based damage
detection method, Modal assurance criterion (MAC), and Modal strain energy

(MSE) method.
5. To analyze and evaluate the damage detection results.
6. To carry out the extensive studies for damage identification on the reinforced
concrete frame.
7. To draw the conclusions and recommendations for further studies.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Hồ Đức Duy.
Các kết quả của 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. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 01 năm 2021

Nguyễn Chí Thiện


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ.......................................................................... ii
ABSTRACT ............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... xii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................xiv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................... xx
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .................................................................................xxi
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ...................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1
1.1.1 Tầm quan trọng của việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu ........................... 1

1.1.2 Các nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu cơng trình ..................................... 3
1.1.3 Các dạng hư hỏng đối với khung bê tông cốt thép ..................................... 4
1.1.3.1 Nứt, hư hỏng do nguyên nhân kết cấu ................................................. 4
1.1.3.2 Nứt, hư hỏng do nguyên nhân phi kết cấu ........................................... 6
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ...................................................................... 7
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 7
1.2.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 8
1.3 Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu........................................... 8
1.4 Cấu trúc luận văn ............................................................................................... 9
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ................................................................................... 11
2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................. 12
2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 13


2.3 Tổng kết ........................................................................................................... 15
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 16
3.1 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên sự thay đổi tần số ............ 16
3.1.1.

Giới thiệu phương pháp ........................................................................ 16

3.1.2.

Công thức đánh giá............................................................................... 16

3.2 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên sự thay đổi dạng dao động
............................................................................................................................... 17
3.2.1.

Giới thiệu phương pháp ........................................................................ 17

3.2.2.

Công thức đánh giá............................................................................... 17

3.3 Phương pháp năng lượng biến dạng ................................................................ 18
3.3.1 Giới thiệu phương pháp ............................................................................ 18
3.3.2 Công thức đánh giá................................................................................... 18
3.3.3 Ngưỡng hư hỏng ....................................................................................... 22
3.3.4 Ảnh hưởng của điều kiện biên .................................................................. 22
3.3.5 Các bước tính tốn theo phương pháp năng lượng biến dạng ................. 24
3.4 Phương pháp đánh giá độ chuẩn xác chẩn đoán.............................................. 27
3.4.1 Ngưỡng hư hỏng đề xuất .......................................................................... 27
3.4.2 Mơ hình đánh giá ...................................................................................... 28
3.4.3 Các chỉ số đánh giá .................................................................................. 29
3.4.3.1 Accuracy (Tính chính xác) ................................................................. 29
3.4.3.2 Balanced Accuracy (Tính chính xác cân bằng) ................................. 29
3.4.3.3 Precision (Độ chính xác) ................................................................... 29
3.4.3.4 Recall (Độ nhạy) ................................................................................ 30
3.4.3.5 Specificity (Độ đặc hiệu/ Độ chuyên biệt) ......................................... 30
3.4.3.6 F1-Score ............................................................................................. 30


3.5 Mơ hình phần tử hữu hạn ................................................................................ 31
3.5.1 Mơ hình phần tử ........................................................................................ 31
3.5.1.1 Mơ hình phần tử bê tơng .................................................................... 31
3.5.1.2 Mơ hình phần tử cốt thép ................................................................... 31
3.5.2 Mơ hình vật liệu ........................................................................................ 32
3.5.2.1 Mơ hình phá hoại của bê tơng ........................................................... 32
3.5.2.2 Mơ hình vật liệu cốt thép.................................................................... 33

3.5.2.3 Mơ hình liên kết giữa bê tơng và cốt thép .......................................... 33
3.5.2.4 Phương pháp phân tích ...................................................................... 34
CHƯƠNG 4. BÀI TOÁN KHẢO SÁT .................................................................. 35
4.1 Số liệu khung bê tông cốt thép ........................................................................ 35
4.2 Thông số vật liệu ............................................................................................. 36
4.3 Thí nghiệm đo dao động khung bê tơng cốt thép [32] .................................... 37
4.3.1 Thí nghiệm, hình ảnh đo dao động ........................................................... 37
4.3.2 Kết quả đo dao động ................................................................................. 37
4.4 Mơ phỏng số .................................................................................................... 39
4.4.1 Mơ hình vật liệu và kiểu phần tử .............................................................. 39
4.4.2 Khai báo vật liệu ....................................................................................... 39
4.4.2.1 Bê tông ............................................................................................... 39
4.4.2.2 Cốt thép .............................................................................................. 42
4.4.3 Mơ hình khung BTCT trong ANSYS ......................................................... 43
4.4.3.1 Khung bê tông cốt thép ...................................................................... 43
4.4.3.2 Điều kiện biên .................................................................................... 44
4.4.3.3 Tải trọng ............................................................................................. 44


CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ CHẨN ĐOÁN ............................................................... 47
5.1 Kết quả phân tích của khung sau khi gia tải .................................................... 48
5.2 Kết quả phân tích dao động ............................................................................. 55
5.2.1 Dạng dao động của khung ........................................................................ 55
5.2.2 Tần số dao động của khung ...................................................................... 57
5.2.3 So sánh với kết quả thực nghiệm .............................................................. 58
5.2.4 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên sự thay đổi tần số ................ 59
5.2.5 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng dựa trên sự thay dạng dao động ........ 60
5.2.6 Phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng phương pháp năng lượng biến dạng
........................................................................................................................... 64
5.2.6.1 Giá trị ngưỡng hư hỏng đề xuất ......................................................... 65

5.2.6.2 Xác định vùng nứt theo phương pháp biến dạng năng lượng và thực tế
........................................................................................................................ 65
5.2.6.3 Kết quả chẩn đoán hư hỏng theo phương pháp năng lượng biến dạng
........................................................................................................................ 84
5.2.6.4 Khảo sát độ chính xác của mơ hình ................................................... 88
5.2.6.5 Khảo sát khả năng chẩn đốn đúng trong vùng nứt .......................... 89
5.2.6.6 Khảo sát khả năng chẩn đốn đúng trong vùng khơng nứt ............... 93
5.2.7 Phân tích và đánh giá kết quả .................................................................. 97
CHƯƠNG 6. BÀI TỐN MỞ RỘNG ................................................................... 98
6.1 Tổng quan về trí tuệ nhân tạo, học máy, mạng nơ ron nhân tạo và học sâu ... 99
6.1.1 Định nghĩa của thuật toán Machine learning [34] ................................101
6.1.1.1 Nhiệm vụ, T (Task) ...........................................................................101
6.1.1.2 Phép đánh giá, P (Performance measure) .......................................101
6.1.1.3 Kinh nghiệm, E (Experience) ...........................................................101


6.1.2 Phân nhóm các thuật tốn machine learning [34] .................................102
6.1.2.1 Học có giám sát................................................................................102
6.1.2.2 Học khơng giám sát..........................................................................102
6.1.2.3 Học bán giám sát .............................................................................103
6.1.2.4 Học củng cố .....................................................................................103
6.1.3 Mơ hình chung cho các bài toán machine learning ...............................104
6.1.3.1 Pha huấn luyện.................................................................................105
6.1.3.2 Pha kiểm tra .....................................................................................105
6.1.4 Cấu tạo của một mạng nơ ron thần kinh nhân tạo .................................106
6.1.4.1 Kiến trúc mạng ANNs ......................................................................107
6.1.4.2 Hàm kích hoạt [36] ..........................................................................108
6.2 Bài tốn 1 .......................................................................................................112
6.2.1 Lưu đồ thực hiện .....................................................................................112
6.2.2 Kết quả dự đoán ......................................................................................115

6.3 Bài toán 2 .......................................................................................................116
6.3.1 Lưu đồ thực hiện .....................................................................................117
6.3.2 Dữ liệu đầu vào.......................................................................................118
6.3.2.1 Dữ liệu huấn luyện ...........................................................................118
6.3.2.2 Dữ liệu chẩn đốn ............................................................................119
6.3.2.3 Trực quan hóa dữ liệu ......................................................................120
6.3.3 Tiền xử lý dữ liệu ....................................................................................122
6.3.3.1 Mã hóa dữ liệu .................................................................................122
6.3.3.2 Chuẩn hóa dữ liệu (Feature scailing – Standardization) ................123
6.3.4 Phân tích tương quan đặc trưng .............................................................124


6.3.5 Training model ........................................................................................125
6.3.5.1 Xây dựng mạng nơ ron nhận tạo .....................................................125
6.3.5.2 Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ..................................................126
6.3.5.3 Kết quả q trình huấn luyện...........................................................127
6.3.6 Chẩn đốn hư hỏng trên khung BTCT bằng MSE_ANNs ......................128
6.3.6.1 Kết quả chẩn đoán hư hỏng trong khung BTCT ..............................128
6.3.6.2 Khảo sát độ chính xác của mơ hình .................................................130
6.3.6.3 So sánh với phương pháp chẩn đoán bằng MSE .............................138
6.4 Bài toán 3 .......................................................................................................141
6.4.1 Lưu đồ thực hiện .....................................................................................142
6.4.2 Dữ liệu đầu vào.......................................................................................143
6.4.2.1 Dữ liệu huấn luyện ...........................................................................143
6.4.2.2 Dữ liệu chẩn đoán ............................................................................144
6.4.2.3 Trực quan hóa dữ liệu ......................................................................145
6.4.3 Tiền xử lý dữ liệu ....................................................................................146
6.4.3.1 Mã hóa dữ liệu .................................................................................146
6.4.3.2 Chuẩn hóa dữ liệu (Feature scailing – Standardization) ................147
6.4.4 Phân tích tương quan đặc trưng .............................................................148

6.4.5 Training model ........................................................................................149
6.4.5.1 Xây dựng mạng nơ ron nhận tạo .....................................................149
6.4.5.2 Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ..................................................149
6.4.5.3 Kết quả q trình huấn luyện...........................................................150
6.4.6 Chẩn đốn hư hỏng trên khung BTCT bằng ANNs ................................151
6.4.6.1 Kết quả chẩn đoán hư hỏng trong khung BTCT ..............................151


6.4.6.2 Khảo sát độ chính xác của mơ hình .................................................153
6.4.6.3 So sánh với phương pháp chẩn đoán bằng MSE .............................161
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................164
7.1 Kết luận .........................................................................................................164
7.1.1 Kết luận chung thơng qua bài tốn khảo sát ..........................................165
7.1.2 Các nghiên cứu mở rộng ........................................................................166
7.1.3 Điểm mới, điểm đóng góp của luận văn .................................................167
7.1.4 Những điểm cần cải thiện .......................................................................168
7.2 Kiến nghị .......................................................................................................169
7.2.1 Kiến nghị về phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong khung BTCT .......169
7.2.2 Kiến nghị về ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong chẩn đốn hư hỏng kết cấu
.........................................................................................................................169
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................170
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................174
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................198
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................242


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các chỉ số chẩn đoán được lựa chọn để đánh giá ...................................... 30
Bảng 4.1 Tần số dao động thực nghiệm của khung bê tông cốt thép ....................... 38
Bảng 4.2 Các kiểu phần tử sử dụng trong mô phỏng ................................................ 39

Bảng 4.3 Dữ liệu đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông trong ANSYS ...... 41
Bảng 4.4 Các cấp gia tải được chọn để khảo sát bài toán động ................................ 46
Bảng 5.1 Biểu đồ phát triển vùng nứt theo cấp tải .................................................... 48
Bảng 5.2 Kết quả tần số phân tích được từ mơ hình ANSYS ................................... 57
Bảng 5.3 Tần số dao động thực nghiệm của khung bê tông cốt thép ....................... 58
Bảng 5.4 So sánh tần số dao động thứ nhất theo ANSYS và thực nghiệm .............. 58
Bảng 5.5 Độ thay đổi tần số theo từng cấp tải, dạng dao động................................. 59
Bảng 5.6 Bảng quy ước vị trí các cấu kiện dùng để chẩn đoán hư hỏng .................. 60
Bảng 5.7 Giá trị đề xuất của ngưỡng hư hỏng Z0 cho các cấu kiện .......................... 65
Bảng 5.8 Minh họa về việc thể hiện vùng nứt theo phương pháp năng lượng biến dạng
và vùng nứt thực tế ở cấp tải P=147kN ..................................................................... 67
Bảng 5.9 Các tổ hợp rút ra từ mơ hình phân loại ...................................................... 79
Bảng 5.10 Kết quả chẩn đoán hư hỏng theo phương pháp NLBD trường hợp 0 kN84
Bảng 5.11 Kết quả chỉ số Accuracy của các cấu kiện theo cấp tải ........................... 88
Bảng 5.12 Kết quả chỉ số Balanced Accuracy của các cấu kiện theo cấp tải ........... 88
Bảng 5.13 Kết quả chỉ số Precision của các cấu kiện theo cấp tải ........................... 91
Bảng 5.14 Kết quả chỉ số Precision trung bình của các cấu kiện ............................. 92
Bảng 5.15 Kết quả chỉ số Specificity của các cấu kiện theo cấp tải ......................... 95
Bảng 5.16 Kết quả chỉ số Precision trung bình của các cấu kiện ............................. 96
Bảng 5.17 Tổng hợp kết quả đánh giá của ba phương pháp chẩn đoán.................... 97
Bảng 6.1 Dữ liệu huấn luyện để dự đoán tải trọng .................................................113
Bảng 6.2 Dữ liệu tải trọng kiểm thử........................................................................113
Bảng 6.3 Dữ liệu kiểm tra để dự đoán tải trọng ......................................................113
Bảng 6.4 Bảng kết quả tải trọng dự đoán ................................................................115
Bảng 6.5 Phần trăm sai số giữa tải trọng dự đoán và tải trọng thực tế ...................115


Bảng 6.6 Dữ liệu tải trọng kiểm thử........................................................................119
Bảng 6.7 Quy ước các dữ liệu cần mã hóa..............................................................123
Bảng 6.8 Cấu tạo chi tiết của mạng nơ ron nhân tạo ..............................................125

Bảng 6.9 Kết quả chẩn đoán hư hỏng bằng MSE_ANNs theo các cấp tải .............128
Bảng 6.10 Độ chính xác tổng thể ở các cấp tải chẩn đoán bằng MSE_ANNs .......130
Bảng 6.11 Độ chính xác tổng thể sau cân bằng theo MSE_ANNs .........................130
Bảng 6.12 Khả năng chẩn đoán đúng trong vùng nứt theo MSE_ANNs ...............131
Bảng 6.13 Khả năng chẩn đoán đúng trong vùng không nứt theo MSE_ANNs ....135
Bảng 6.14 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng MSE_ANNs và MSE ở cấp tải 77 kN
.................................................................................................................................138
Bảng 6.15 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng MSE_ANNs và MSE ở cấp tải 147 kN
.................................................................................................................................138
Bảng 6.16 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng MSE_ANNs và MSE ở cấp tải 175 kN
.................................................................................................................................139
Bảng 6.17 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng MSE_ANNs và MSE ở cấp tải 280 kN
.................................................................................................................................139
Bảng 6.18 Dữ liệu tải trọng kiểm thử .....................................................................144
Bảng 6.19 Quy ước các dữ liệu cần mã hóa............................................................146
Bảng 6.20 Cấu tạo chi tiết của mạng nơ ron nhân tạo ............................................149
Bảng 6.21 Kết quả chẩn đoán hư hỏng khung BTCT bằng ANNs theo các cấp tải
.................................................................................................................................151
Bảng 6.22 Độ chính xác tổng thể ở các cấp tải chẩn đoán hư hỏng bằng ANNs ...153
Bảng 6.23 Độ chính xác tổng thể sau cân bằng theo ANNs ...................................153
Bảng 6.24 Khả năng chẩn đoán đúng trong vùng nứt theo ANNs..........................154
Bảng 6.25 Khả năng chẩn đoán đúng trong vùng không nứt theo ANNs ..............158
Bảng 6.26 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng ANNs và MSE ở cấp tải 77 kN .......161
Bảng 6.27 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng ANNs và MSE ở cấp tải 147 kN .....161
Bảng 6.28 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng ANNs và MSE ở cấp tải 175 kN .....162
Bảng 6.29 So sánh hiệu quả chẩn đoán bằng ANNs và MSE ở cấp tải 280 kN .....162


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh tồn nhà cao nhất thế giới Burj Khalifa ở Dubai ........................ 1

Hình 1.2 Hình ảnh về ý tưởng áp dụng SHM cho Burj Khalifa .................................. 2
Hình 1.3 Hình ảnh hư hỏng các nút khung BTCT do động đất (Nguồn: Internet) ..... 4
Hình 1.4 Hình ảnh hư hỏng các nút khung BTCT do động đất (Nguồn: Internet) ..... 4
Hình 1.5 Vết nứt chịu uốn trong dầm (Nguồn: Internet) ............................................ 5
Hình 1.6 Vết nứt do cột bị ép ngang, nở hông (Nguồn: Internet) ............................... 5
Hình 1.7 Cột bị rỗ, khuyết tật do chất lượng thi cơng ................................................ 6
Hình 1.8 Các vết nứt do co ngót ở cấu kiện bê tơng cốt thép ..................................... 6
Hình 2.1 Minh họa về phân tích ứng xử kết cấu thơng qua phân tích dao động ...... 11
Hình 3.1 Sơ đồ dầm với vị trí vết nứt ........................................................................ 19
Hình 3.2 Minh họa về năng lượng biến dạng của dao động .................................... 19
Hình 3.3 Minh họa về đường cong dạng dao động................................................... 23
Hình 3.4 Minh họa về hai ngưỡng hư hỏng (Hồ và cộng sự 2018) .......................... 27
Hình 3.5 Minh họa về confusion matrix [30] ............................................................ 28
Hình 3.6 Phần tử khối bê tơng SOLID65 (ANSYS Manual) ..................................... 31
Hình 3.7 Phần tử BEAM188 (ANSYS Manual) ......................................................... 31
Hình 3.8 Mặt phá hoại của bê tơng theo mơ hình William và Warnke (1975) (ANSYS
Manual) ..................................................................................................................... 32
Hình 3.9 Các dạng vết nứt được mơ phỏng trong ANSYS ........................................ 33
Hình 3.10 Mơ hình ứng suất-biến dạng của cốt thép (ANSYS Manual) ................... 33
Hình 3.11 Mơ hình liên kết giữa bê tơng và cốt thép ................................................ 33
Hình 3.12 Phương pháp lặp Newton-Raphson (ANSYS Manual) ............................. 34
Hình 4.1 Sơ đồ khung thực hiện thí nghiệm [25] ...................................................... 35
Hình 4.2 Đo dao động khung bê tông cốt thép ......................................................... 37
Hình 4.3 Đáp ứng dao động của khung trước khi gia tải ......................................... 38
Hình 4.4 Đáp ứng dao động của khung sau khi gia tải ............................................ 38
Hình 4.5 Đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông theo Kent – Park.............. 40


Hình 4.6 Đường cong ứng suất - biến dạng của bê tơng đơn giản hóa được dùng cho
mơ hình PTHH và thể hiện trong ANSYS .................................................................. 41

Hình 4.7 Đường cong ứng suất - biến dạng của cốt thép đơn giản hóa được dùng cho
mơ hình PTHH và thể hiện trong ANSYS .................................................................. 42
Hình 4.8 Mơ hình mơ phỏng khung BTCT bằng ANSYS ........................................... 43
Hình 4.9 Mơ hình mơ phỏng cốt thép trong khung ................................................... 43
Hình 4.10 Khai báo điều kiện biên trong ANSYS và hình minh họa so với thực tế .. 44
Hình 4.11 Hình ảnh khung BTCT và chi tiết của kích thủy lực tạo lực tập trung
(Vương 2019 [25]) .................................................................................................... 44
Hình 4.12 Hình ảnh mơ phỏng tải trọng tập trung khung BTCT trong ANSYS ........ 45
Hình 4.13 Sơ đồ bố trí chuyển vị kế của khung ........................................................ 45
Hình 4.14 Biểu đồ lực chuyển vị của khung thí nghiệm ........................................... 46
Hình 5.1 Hình ảnh vết nứt mặt trước của khung sau khi gia tải............................... 53
Hình 5.2 Hình ảnh vết nứt mặt sau của khung sau khi gia tải .................................. 53
Hình 5.3 Các vết nứt xuất hiện ở đáy dầm trên sau khi gia tải ................................ 54
Hình 5.4 Các vết nứt xuất hiện ở chân cột sau khi giả tải ........................................ 54
Hình 5.5 Các vết nứt xuất hiện ở nút khung đỉnh cột sau khi gia tải........................ 54
Hình 5.6 Các vết nứt xuất hiện ở nút khung đỉnh cột sau khi gia tải........................ 55
Hình 5.7 Các vết nứt xuất hiện ở nút khung đỉnh cột sau khi gia tải........................ 56
Hình 5.8 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi tần số ở trạng thái ban đầu và các cấp tải khác
nhau ........................................................................................................................... 57
Hình 5.9 Biểu đồ thể hiện phần trăm độ thay đổi tần số ở trạng thái ban đầu và các
cấp tải khác nhau cho từng dạng dao động .............................................................. 59
Hình 5.10 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DT1 ................................ 61
Hình 5.11 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DT1 .................................. 61
Hình 5.12 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DT1 ................................... 62
Hình 5.13 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DT1 .................................... 62
Hình 5.14 Mặt phẳng trung hịa của khung dùng để chẩn đốn hư hỏng ................ 64
Hình 5.15 Quy ước các vị trí khảo sát và tên các bề mặt của cấu kiện .................... 64


Hình 5.16 Phân chia phần tử đơn vị và cách xác định vùng nứt theo vùng nứt đơn vị

................................................................................................................................... 66
Hình 5.17 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế tại DT1 ........ 80
Hình 5.18 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế DT2 ............. 80
Hình 5.19 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế DT3 ............. 80
Hình 5.20 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế DD1 ............ 81
Hình 5.21 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế DD2 ............ 81
Hình 5.22 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế DD3 ............ 81
Hình 5.23 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế cột trái......... 82
Hình 5.24 Hình ảnh thể hiện vùng nứt theo MSE và vùng nứt thực tế cột phải ....... 83
Hình 5.25 Biểu đồ thể hiện chỉ số Precision của dầm trên theo các cấp tải ............ 89
Hình 5.26 Biểu đồ thể hiện chỉ số Precision của dầm dưới theo các cấp tải ........... 89
Hình 5.27 Biểu đồ thể hiện chỉ số Precision của cột trái theo các cấp tải ............... 90
Hình 5.28 Biểu đồ thể hiện chỉ số Precision của cột phải theo các cấp tải ............. 90
Hình 5.29 Biểu đồ thể hiện chỉ số Specificity của dầm trên theo các cấp tải ........... 93
Hình 5.30 Biểu đồ thể hiện chỉ số Specificity của dầm trên theo các cấp tải ........... 93
Hình 5.31 Biểu đồ thể hiện chỉ số Specificity của cột trái theo các cấp tải ............. 94
Hình 5.32 Biểu đồ thể hiện chỉ số Specificity của cột phải theo các cấp tải ............ 94
Hình 6.1 Những ứng dụng phổ biến của machine learning ...................................... 99
Hình 6.2 Ý tưởng hoạt động của ANN dựa trên mạng thần kinh sinh học .............100
Hình 6.3 Mối hệ giữa AI, ML, ANNs và DL ............................................................100
Hình 6.4 Phân nhóm các thuật tốn machine learning [35] ..................................103
Hình 6.5 Mơ hình chung trong các bài tốn machine learning [34] ......................104
Hình 6.6 Hình ảnh của nơ ron sinh học ..................................................................106
Hình 6.7 Hình ảnh mơ hình perceptron ..................................................................106
Hình 6.8 Minh họa về mạng ANNs hai tầng ẩn ......................................................107
Hình 6.9 Đồ thị hàm Sigmoid ..................................................................................108
Hình 6.10 Đồ thị hàm Tanh.....................................................................................109
Hình 6.11 Đồ thị hàm ReLU ...................................................................................109
Hình 6.12 Đồ thị hàm Leaky ReLU [37] .................................................................110

Hình 6.13 Biểu diễn hàm softmax ...........................................................................111
Hình 6.14 Phân phối dữ liệu của bộ dữ liệu huấn luyện ........................................114
Hình 6.15 Hệ số tương quan của dữ liệu trong tập huấn luyện..............................114
Hình 6.16 Thơng tin về số lượng dữ liệu đầu vào ...................................................118
Hình 6.17 Thơng tin về số lượng dữ liệu chẩn đốn ...............................................119
Hình 6.18 Trực quan hóa thơng tin của hai tập dữ liệu .........................................121
Hình 6.19 Tương quan giữa các đặc trưng ảnh hưởng đến vết nứt trong thực tế ..122
Hình 6.20 Dữ liệu đầu vào sau khi đã mã hóa .......................................................123
Hình 6.21 Chuẩn hóa dữ liệu trong tập huấn luyện và tập chẩn đốn...................124
Hình 6.22 Biểu đồ phân phối xác suất của các đặc trưng trong tập huấn luyện ...124
Hình 6.23 Ma trận tương quan giữa các đặc trưng trong tập huấn luyện .............125
Hình 6.24 Minh họa về cấu tạo mạng nơ ron nhân tạo dùng trong bài toán .........126
Hình 6.25 Hàm Accuracy và hàm Loss sau khi training ........................................127
Hình 6.26 Tóm tắt thơng tin mơ hình ANNs sau khi huấn luyện ............................127
Hình 6.27 Biểu đồ chỉ số Precision của dầm trên theo các cấp tải chẩn đốn ......132
Hình 6.28 Biểu đồ chỉ số Precision của dầm dưới theo các cấp tải chẩn đốn .....132
Hình 6.29 Biểu đồ chỉ số Precision của cột trái theo các cấp tải chẩn đốn .........133
Hình 6.30 Biểu đồ chỉ số Precision của cột phải theo các cấp tải chẩn đốn .......133
Hình 6.31 Biểu đồ chỉ số Specificity của dầm trên theo các cấp tải chẩn đốn .....135
Hình 6.32 Biểu đồ chỉ số Specificity của dầm dưới theo các cấp tải chẩn đốn ....136
Hình 6.33 Biểu đồ chỉ số Specificity của cột trái theo các cấp tải chẩn đốn .......136
Hình 6.34 Biểu đồ chỉ số Specificity của cột phải theo các cấp tải chẩn đốn ......137
Hình 6.35 Thơng tin về số lượng dữ liệu đầu vào ...................................................143
Hình 6.36 Thơng tin về số lượng dữ liệu chẩn đốn ...............................................144
Hình 6.37 Trực quan hóa thơng tin giữa hai tập dữ liệu ........................................145
Hình 6.38 Tương quan giữa các đặc trưng ảnh hưởng đến vết nứt trong thực tế ..146
Hình 6.39 Dữ liệu đầu vào sau khi đã mã hóa .......................................................147
Hình 6.40 Chuẩn hóa dữ liệu trong tập huấn luyện và tập chẩn đốn...................147
Hình 6.41 Biểu đồ phân phối xác suất của các đặc trưng trong tập huấn luyện ...148

Hình 6.42 Ma trận tương quan giữa các đặc trưng trong tập huấn luyện .............148


Hình 6.43 Hàm Accuracy và hàm Loss sau khi training ........................................150
Hình 6.44 Tóm tắt thơng tin mơ hình ANNs sau khi huấn luyện ............................150
Hình 6.45 Biểu đồ chỉ số Precision của dầm trên theo các cấp tải chẩn đốn ......155
Hình 6.46 Biểu đồ chỉ số Precision của dầm dưới theo các cấp tải chẩn đốn .....155
Hình 6.47 Biểu đồ chỉ số Precision của cột trái theo các cấp tải chẩn đốn .........156
Hình 6.48 Biểu đồ chỉ số Precision của cột phải theo các cấp tải chẩn đốn .......156
Hình 6.49 Biểu đồ chỉ số Specificity của dầm trên theo các cấp tải chẩn đốn .....158
Hình 6.50 Biểu đồ chỉ số Specificity của dầm dưới theo các cấp tải chẩn đốn ....159
Hình 6.51 Biểu đồ chỉ số Specificity của cột trái theo các cấp tải chẩn đốn .......159
Hình 6.52 Biểu đồ chỉ số Specificity của cột phải theo các cấp tải chẩn đốn ......160
Hình.PL1.1 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DT1 ............................174
Hình.PL1.2 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DT1 ..............................174
Hình.PL1.3 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DT1 ...............................175
Hình.PL1.4 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DT1 ...............................175
Hình.PL1.5 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DT2 ............................176
Hình.PL1.6 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DT2 ..............................176
Hình.PL1.7 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DT2 ...............................177
Hình.PL1.8 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DT2 ...............................177
Hình.PL1.9 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DT3 ............................178
Hình.PL1.10 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DT3 ............................178
Hình.PL1.11 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DT3 .............................179
Hình.PL1.12 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DT3 .............................179
Hình.PL1.13 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DD1 .........................180
Hình.PL1.14 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DD1 ...........................180
Hình.PL1.15 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DD1 ............................181
Hình.PL1.16 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DD1 .............................181
Hình.PL1.17 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DD2 .........................182

Hình.PL1.18 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DD2 ...........................182
Hình.PL1.19 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DD2 ............................183
Hình.PL1.20 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DD2 .............................183


Hình.PL1.21 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho DD3 .........................184
Hình.PL1.22 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho DD3 ...........................184
Hình.PL1.23 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho DD3 ............................185
Hình.PL1.24 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho DD3 .............................185
Hình.PL1.25 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho CT1 ..........................186
Hình.PL1.26 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho CT1 ............................186
Hình.PL1.27 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho CT1 .............................187
Hình.PL1.28 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho CT1 ..............................187
Hình.PL1.29 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho CT2 ..........................188
Hình.PL1.30 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho CT2 ............................188
Hình.PL1.31 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho CT2 .............................189
Hình.PL1.32 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho CT2 ..............................189
Hình.PL1.33 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho CT3 ..........................190
Hình.PL1.34 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho CT3 ............................190
Hình.PL1.35 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho CT3 .............................191
Hình.PL1.36 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho CT3 ..............................191
Hình.PL1.37 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho CP1 ..........................192
Hình.PL1.38 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho CP1 ............................192
Hình.PL1.39 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho CP1 .............................193
Hình.PL1.40 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho CP1 .............................193
Hình.PL1.41 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho CP2 ..........................194
Hình.PL1.42 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho CP2 ............................194
Hình.PL1.43 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho CP2 .............................195
Hình.PL1.44 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho CP2 .............................195
Hình.PL1.45 Giá trị MAC của dạng dao động thứ nhất cho CP3 ..........................196

Hình.PL1.46 Giá trị MAC của dạng dao động thứ hai cho CP3 ............................196
Hình.PL1.47 Giá trị MAC của dạng dao động thứ ba cho CP3 .............................197
Hình.PL1.48 Giá trị MAC của dạng dao động thứ tư cho CP3 .............................197


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BTCT

Bê tông cốt thép

PTHH

Phần tử hữu hạn

MSE

Modal Strain Energy

SHM

Structural Health Monitoring

MAC

Modal Assurance Criterion

ANNs

Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
M

Ma trận khối lượng

C

Ma trận cản

K

Ma trận độ cứng

v(t)

Véc tơ chuyển vị nút

p(t)

Véc tơ tải trọng nút

i

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

*i

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

E

Mô đun đàn hồi

G

Mô đun cắt

ω

Tần số góc

ωi

Tần số góc ứng với dạng dao động thứ i

Kij

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

K *ij

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

kx

Độ cứng uốn của cấu kiện ở trạng thái chưa hư hỏng

k x*

Độ cứng uốn của cấu kiện ở trạng thái hư hỏng

Fij

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

 ij

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

*
ij

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

ij

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

Zj

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


1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Tầm quan trọng của việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực xây dựng đã để
lại nhiều cơng trình vĩ đại, mang dấu ấn lịch sử như: tòa nhà cao nhất thế giới (828m)
Burj Khalifa ở Dubai (Hình 1.1), cầu Akashi Kaikyo - Nhật Bản (cầu treo có nhịp dài
nhất thế giới, 3911m) hay tháp Tokyo Sky Tree - Nhật Bản, tháp truyền hình cao nhất
thế giới (634m) có thể chịu được động đất 8 độ Richter… Tại Việt Nam, cũng có
những cơng trình nổi bật như: Keangnam Hanoi Landmark Tower (72 tầng, cao
336m), Bitexco Financial Tower - Tp HCM (68 tầng, cao 262m), tòa tháp Landmark
81 - Tp HCM (cao 461.2m, tịa nhà cao thứ 8 trên thế giới)…

Hình 1.1 Hình ảnh tồn nhà cao nhất thế giới Burj Khalifa ở Dubai
(Nguồn: Internet)
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu
(Structural Health Monitoring - SHM) (Hình 1.2) cũng hết sức quan trọng. Việc này
giúp phát hiện sớm những bất thường trên kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi để sửa chữa
hoặc thay thế những cấu kiện bị hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ cịn lại của cơng
trình, hạn chế đến mức thấp nhất hậu quả có thể xảy ra.