Nghiên cứu chẩn đoán sức khỏe của dầm sử dụng thông số độ cong

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐỐN SỨC KHỎE CỦA DẦM
SỬ DỤNG THƠNG SỐ ĐỘ CONG
Phạm Thế Nhất, Hoàng Anh Nhật
Viện VJIT, Trường Đại học Cơng nghệ TP. Hồ Chí Minh
GVHD: TS. Hà Minh Tuấn

TĨM TẮT
Hiện nay, các cơng trình xây dựng ở Việt Nam được phát triển với tốc độ rất nhanh. Tuổi thọ của
những cơng trình này tồn tại được kỳ vọng từ 50 năm đến 100 năm. Để tránh trường hợp cơng trình
bị phá hủy đột ngột, chúng ta phải có phương pháp chẩn đốn sức khỏe phù hợp để từ đó tìm ra vị
trí hư hại của cơng trình. Trong nghiên cứu này, cơng trình (dầm) được mơ phỏng bằng phần mềm
SAP2000. Từ SAP2000, chuyển vị của dầm ở trạng thái bình thường và dầm ở trạng thái hư hại dưới
ảnh hưởng của tải trọng tác dụng được xác định. Các hệ số chẩn đoán hư hỏng, SRBI và nSRBI của
dầm ở trạng thái bình thường và phá hoại được xác định từ thông số độ cong được suy ra từ dữ liệu
chuyển vị nút. 10 trường hợp được thử nghiệm để đánh giá hiệu quả của phương pháp. Kết quả
của các trường hợp thử nghiệm cho thấy rằng, vị trí hư hại có thể được xác định bằng việc phân tích
độ cong suy ra từ dữ liệu chuyển vị của dầm.
Từ khóa: Chẩn đốn sức khỏe, chuyển vị, độ cong, SAP2000, xây dựng.

1 GIỚI THIỆU
Hiện nay không chỉ nhiều cơng trình đang thi cơng xây dựng mà cịn tồn tại song song là những
cơng trình lâu đời. Để đảm bảo cho sự an toàn của người dân, cần kiểm tra sức khỏe định kỳ, chẩn
đoán sự hư hại trong cơng trình để nhanh chóng bảo dưỡng, tránh trường hợp cơng trình bị phá
hoại đột ngột gây ảnh hưởng nghiêm trọng với mạng sống con người. Những năm gần đ , việc sử
dụng các thông số tĩnh (chuyển vị, độ cong, độ nghi ng…) trong việc chẩn đoán hư hại được
nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ [1–2]. Trong nghiên cứu này, độ cong được sử dụng để giúp cho
ta nhận biết được vị trí hư hại của dầm trong cơng trình xây dựng, để từ đó có những biện pháp
khắc phục thích hợp.
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong cơ học vật rắn, độ cong ( là bán kính cong) và chuyển vị y có mối quan hệ như sau:

*

(

) +

⁄

441


Trong đó M là mơmen uốn, E là mơ đun đ n hồi và I là mơmen qn tính của mặt cắt ngang. Bỏ
qua các đại lượng vô cùng bé bậc cao, độ cong có thể là xấp xỉ bằng phương trình:

Sau đó, mối quan hệ giữa độ cong, chuyển vị do uốn và độ cứng có thể xem xét như sau:

hương trình trên cho thấy độ cong là một hàm của độ cứng. Bất kỳ thay đổi trong độ cứng do bất
kỳ thiệt hại tại một vị trí có thể được chứng minh bằng một sự thay đổi độ cong tại vị trí đó.
3 MƠ HÌNH VÀ SƠ ĐỒ TÍNH
Ngày nay, SAP2000 được biết đến như một phần mềm tính tốn kết cấu tốt. Với lịch sử phát triển
hơn 30 năm, đến nay chương trình phân tích kết cấu SAP đã phát triển hoàn thiện và được sử dụng
rộng rãi trong lĩnh vực cơ kết cấu và kết cấu cơng trình. Nó thực sự là cơng cụ hữu hiệu cho các kỹ
sư xây dựng, giao thông trong việc thiết kế các cơng trình dân dụng, giao thơng, cơng trình cơng
cộng. Ở thí nghiệm này, mơ hình được khai báo trên SAP2000. Mơ hình dầm dài 10 m, được chia
thành 10 phần tử bằng nhau, mỗi phần dài 1 m. Vật liệu sử dụng bê tông B25 với trọng lượng riêng
2.50 T/m3 (khô cứng tự nhiên), và modun đ n hồi: E = 30000 N/mm2. Kích thước mặt cắt ngang của
dầm được giả định với chiều rộng b = 200 mm và chiều cao là h = 400 mm. Sơ đồ tính được thể
hiện ở Hình 1 với tải trọng tập trung tại giữa nhịp và gối cố định và gối di động ở mỗi bên của dầm.

Hình 1: Sơ đồ tính của thí nghiệm

4 PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐỐN
Từ mơ hình bằng phần mềm SAP2000, bộ số chuyển vị của dầm ở trạng thái bình thường và dầm ở
trạng thái hư hại được xác định. Kết quả của 1 trường hợp được thể hiện ở Bảng 1.
Bảng 1. Bộ số chuyển vị của dầm ở trạng thái bình thường và hư hại

Hãy xem xét các tọa độ nút và chuyển vị thu được từ mơ hình dầm bình thường như sau:

[
442

]

[

(

)]


Để có được đường cong tốt nhất đi qua các điểm đã xác định, phương trình đường cong đi qua các
điểm trên có thể được định nghĩa như sau:

∑

Trong nghiên cứu này, hàm hồi quy được giả định tới bậc 6. Từ đó ta có phương trình tương đương
sau:

Từ phương trình của chuyển vị, độ nghiêng (θ) có thể được xác định bằng cách lấy đạo hàm bậc
nhất của chuyển vị với phương trình sau:

∑

(

)

hương trình của độ nghiêng có thể được xác định như sau:

Độ cong cũng được xác định từ đạo hàm bậc nhất của độ nghiêng và được xác định như sau:

(

∑

)

hương trình của độ cong có thể được xác đinh như sau:

Quy trình tính tốn được lặp lại tương tự đối với dữ liệu chuyển vị của dầm hư hại. Từ dữ liệu chuyển
vị (

), độ nghiêng (

), và độ cong (

) của dầm hư hại cũng được xác định.

Chỉ số nhận biết hư hại được xác định như sau:

Trong đó:
hại,

|[

: Độ cong dầm hư hại,

]

[ [

]

: Độ cong dầm bình thường,

: độ dốc (nghiêng) dầm bình thường,

[

]

]|

: Độ dốc (nghiêng) dầm hư

: Chuyển vị dầm hư hại,

: Chuyển vị dầm bình

thường.

Hệ số nSRBI được xác định thơng qua phương trình:





nSRBI  max 0, SRBI  mean SRBI  / std SRBI 




Từ hệ số phát hiện hư hại (nSRBI), ta có thể vẽ biểu đồ phát hiện hư hại, từ đó ta nhận biết được vị trí
hư hại của dầm.

443


5 CÁC TRƯỜNG HỢP THỬ NGHIỆM
10 trường hợp được giả định để khảo sát khả năng nhận biết hư hỏng của phương pháp. Chi tiết
của từng trường hợp được thể hiện ở Bảng 2. Trong đó, trường hợp 1, 2, 3, 4, 5 và 6 dùng để kiểm
tra khả năng nhận biết hư hại đối với kết cấu dầm có 1 vị trí hư hại nằm ở nhiều thanh khác nhau
cùng với mức độ hư hại khác nhau với tải tập trung. Trường hợp 7, 8 và 9 được dùng để khảo sát
hiệu quả của phương pháp về khả năng nhận biết được nhiều vị trí bị hư hại cùng lúc. Ở các trường
hợp này, mơ hình dầm có 2 vị trí hư hại nằm ở nhiều vị trí khác nhau cùng với mức độ hư hại khác
nhau với tải tập trung được giả định. Trường hợp 10 dùng để kiểm tra khả năng nhận biết hư hại khi
sử dụng loại tải trọng khác là tải phân bố đều. Trong nghiên cứu này, hư hại được giả định là sự
giảm mô đun đ n hồi E.
Bảng 2. Các trường hợp thí nghiệm
Trường hợp

Stt

Ký hiệu

1

Dầm B25, thanh 3 hư hại 20%

DAMB25H320%

2

Dầm B25, thanh 4 hư hại 25%

DAMB25H425%

3

Dầm B25, thanh 5 hư hại 15%

DAMB25H515%

4

Dầm B25, thanh 6 hư hại 10%

DAMB25H610%

5

Dầm B25, thanh 7 hư hại 30%

DAMB25H730%

6

Dầm B25, thanh 8 hư hại 10%

DAMB25H810%

7

Dầm B25, thanh 4 và 8 hư hại 20%

DAMB25H4H820%

8

Dầm B25, thanh 4 và 7 hư hại 30%

DAMB25H4H730%

9

Dầm B25, thanh 5 và 6 hư hại 10%

DAMB25H5H610%

10

Dầm B25, thanh 8 hư hại 20%, tải phân bố đều 10000N

DAMB25H820%PBD

6 KẾT QUẢ
Hình 2 thể hiện kết quả chẩn đoán của trường hợp 2. Phần tử hư hại được giả định ban đầu là
thanh thứ 4 với hai đầu mút ở vị trí 3 m và 4 m cách gối tựa bên trái. Từ biểu đồ có thể nhận thấy
được hệ số nSRBI bằng 0 tại phần lớn các vị trí đo được trên dầm, nhưng lớn dần lên và đạt giá trị
lớn nhất tại vị trí 4 m. Phần tử ở vị trí từ 3 m đến 4 m cho các giá trị nSRBI lớn nổi bật trong biểu đồ.
Qua đó, vị trí hư hại được chỉ ra ở phần tử từ 3 m đến 4 m, và đ ng với giá trị giả định ban đầu.
Như vậy, phương pháp sử dụng hệ số nSRBI có thể nhận biết được vị trí hư hại trong kết cấu dạng
dầm đơn giản. Các trường hợp 1, 3, 4, 5, và 6 đều cho kết quả tương tự. Để làm rõ khả năng nhận
biết nhiều vị trí hư hại, kết quả của trường hợp 7 được phân tích. Phần tử hư hại được giả định ban
đầu là ở thanh thứ 4 và ở thanh thứ 8 với hai đầu mút lần lượt là 3 – 4 m và 7 – 8 m. Hư hại được
giả định là sự giảm mô đun đ n hồi 20% so với trường hợp bình thường.

444


Hình 2: Biều đồ dầm thanh thứ 4 hư hại 25% với tải tập trung

Hình 3 thể hiện kết quả chẩn đoán của trường hợp 7. Từ biểu đồ này có thể nhận thấy được biểu đồ
nSRBI đạt đỉnh tại vị trí 3 m và 7 m. Qua đó vị trí hư hại được chỉ ra đ ng với giả định ban đầu. Như
vậy, phương pháp nSRBI có thể nhận biết được 2 vị trí hư hại trên dầm.

Hình 3: Biểu đồ thanh thứ 4 và thứ 8 hư hại 20% với tải tập trung

Hình 4 thể hiện kết quả chẩn đoán của trường hợp 10, khi sử dụng loại tải trọng là phân bố
đều. Phần tử hư hại được giả định ban đầu là phần tử thứ 8 với hai đầu mút 7 m và 8 m. Từ
biểu đồ, vị trí hư hại được chỉ ra ở vị trí 8 m cách đầu gối bên trái. Như vậy, hư hại cũng đã được

chỉ ra thành công. Qua kết quả trên có thể thấy được, thơng số nSRBI có thể chỉ ra được vị trí
của hư hại được giả định ban đầu. Từ đó, độ cong có thể được sử dụng làm dữ liệu đầu vào để
chẩn đốn vị trí hư hỏng.

445


Hình 4: Biểu đồ thanh thứ 8 hư hại 20% với tải phân bố đều

7 KẾT LUẬN
Nghiên cứu sử dụng độ cong để xác định vị trí hư hại trong kết cấu. Dựa vào kết quả của 10 trường
hợp đối với dầm đơn giản cho thấy vị trí hư hại có thể được chỉ ra trên biểu đồ nSRBI. Từ đó, chứng
tỏ hệ số hư hại nSRBI có thể được sử dụng như một cơng cụ để tìm ra và định vị hư hại.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Yazdanpanah O and Seyedpoor S (2013) A crack localization method for beams via an
efficient static data based indicator. Comput Methods Civ Eng 4(1):43– 63.

[2]

Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using
changes in nodal displacement. J Civ Struct Heal Monit 7:385–403.

446