Chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
---------------------------------

ĐẶNG XUÂN TRỌNG

CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG CẦN TRỤC THÁP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM ĐỘNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 9 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TSKH. NGUYỄN TIẾN KHIÊM
2. TS. LÊ DUY THẠC

TP. HỒ CHÍ MINH – 2021


1
MỞ ĐẦU
Cần trục tháp là một thiết bị nâng hạ được sử dụng khá phổ biến ở nước ta
trong xây dựng cơng trình, bốc dỡ và vận chuyển hàng hóa. Vì vậy việc đảm bảo an

tồn kỹ thuật trong việc sử dụng thiết bị là hết sức quan trọng. Để đảm bảo an tồn
kỹ thuật, tức là khơng để xảy ra sự cố khi sử dụng, công tác kiểm định an toàn chất
lượng hay đánh giá khả năng làm việc của một thiết bị cần trục rất cần thiết không
thể coi nhẹ. Nội dung của việc kiểm định không chỉ là xem xét chất lượng của các
bộ phận theo thiết kế ban đầu mà còn là kiểm tra xem thiết bị có sự hỏng hóc,
khuyết tật có thể gây nên sự cố làm mất an toàn của của thiết bị hay không. Một
trong những nội dung kiểm định thiết bị cần trục có nội dung kiểm tra vết nứt tiềm
ẩn trong thiết bị mà nếu không phát hiện kịp thời có thể làm sụp đổ gây tai nạn
trong khi vận hành. Tuy nhiên, việc phát hiện các vết nứt trong cấu kiện hiện nay
mới chỉ sử dụng các thiết bị trực quan mà nhiều khi không thể với tới những vị trí
khó tiếp cận. Chính vì vậy, việc dị tìm khuyết tật hay vết nứt trong một kết cấu
cơng trình hay thiết bị cần đến một công cụ khảo sát gián tiếp từ xa. Một trong
những cơng cụ ấy chính là việc chẩn đốn, dị tìm khuyết tật hay vết nứt trong một
kết cấu phức tạp bằng cách đo đạc các đặc trưng động lực học của nó. Các đặc trưng
động lực học này cần phải là các đặc trưng tổng thể, có nghĩa là có thể đo đạc nó ở
một vị trí bất kỳ nào đó trên kết cấu. Hơn nữa sự thay đổi các đặc trưng động lực
học này phải gắn liền với sự xuất hiện và phát triển của các hỏng hóc hay vết nứt so
với trạng thái ngun vẹn ban đầu khơng có hư hỏng. Đặc trưng động lực học ấy,
như đã được minh chứng trong các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, là các tần
số riêng của kết cấu. Phương pháp chẩn đoán vết nứt dựa trên các tần riêng đo đạc
đang được nghiên cứu mạnh trên thế giới và ở Việt Nam. Tuy nhiên cho đến nay,
các phương pháp được nghiên cứu và đề xuất vẫn chỉ hạn chế áp dụng cho các cấu
kiện đơn giản và cụ thể. Việc chẩn đoán vết nứt trong kết cấu khung giàn, có dạng
như cần trục tháp bằng phương pháp đo đạc dao động nói chung vẫn cịn rất ít trên
thế giới và đặc biệt chưa được quan tâm ở Việt Nam.
Mục tiêu của luận án này là ứng dụng phương pháp độ cứng động lực để mơ
phỏng tính tốn kết cấu khung có vết nứt và sau đó sử dụng để chẩn đốn vết nứt có
thể tồn tại trong kết cấu bằng các tần số riêng.

2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu của luận là một
khung phẳng, mô phỏng một cần trục tháp rút gọn, mà các cần và cột được mô tả
như là dầm đàn hồi hai chiều (dầm phẳng). Như vậy, kết cấu mơ hình cần trục tháp,
được gọi từ đây về sau là kết cấu tháp, chỉ có 4 phần tử dầm phẳng là cột chính, cần
chính, cột tháp và cần đối trọng. Vết nứt được coi là vết nứt luôn mở, không phát
triển trong thời điểm chẩn đốn và được mơ tả bằng các lị xo tương đương. Các
phương trình dao động của kết cấu được thiết lập dựa trên lý thuyết dầm đàn hồi cổ
điển Euler-Bernoulli.
Phương pháp nghiên cứu là phương pháp độ cứng động lực, một phương
pháp được coi là chính xác nhất, kể cả so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn
đang rất thịnh hành trong phân tích động lực học kết cấu hiện nay. Ưu thế nổi trội
của phương pháp độ cứng động khơng phải chỉ ở độ chính xác của việc tính tốn
các tần số riêng mà là ở chỗ nó cho phép ta tính tốn tần số cao bất kỳ không bị giới
hạn bởi số bậc tự do đã chọn. Đây thực chất là phương pháp mô phỏng số một hệ
liên tục với số bậc tự do hữu hạn tối thiểu (vì lý do này mà nhiều người gọi đây là
phương pháp phẩn tử liên tục).
Bố cục luận án bao gồm 4 chương, kết luận và tài liệu tham khảo.
Chương 1 trình bày tổng quan về thiết bị nâng hạ và vấn đề kiểm định các
thiết bị nâng hạ trong thực tế; tổng quan về bài toán đánh giá trạng thái kỹ thuật
(Structural Health Monitoring) và chẩn đoán vết nứt trong kết cấu cơng trình.
Chương 2 trình bày nội dung của phương pháp độ cứng động được phát triển
cho kết cấu khung phẳng có vết nứt và mơ hình độ cứng động của kết cấu tháp có
vết nứt. Ma trận độ cứng động của kết cấu tháp có vết nứt được thiết lập ở dạng
hiển, dễ dàng áp dụng cho việc thay đổi các tham số kết cấu.
Chương 3 trình bày các kết quả phân tích số đáp ứng phổ của cần trục tháp
nguyên vẹn chịu tác dụng của tải trọng di động và phân tích ảnh hưởng vị trí, độ sâu
và số lượng vết nứt đến tần số riêng của kết cấu tháp. Những phân tích ảnh hưởng
của vết nứt đến tần số riêng làm cơ sở dữ liệu để đề xuất một thuật toán xác định
phần tử bị nứt trong kết cấu tháp từ số liệu đo đạc của tần số riêng.

Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên một mơ hình kết cấu
tháp trong phịng thí nghiệm. Ở đây trình bày sơ lược về phương pháp thử nghiệm động
và hệ thống thiết bị được sử dụng trong việc đo đạc tần số riêng của kết cấu.


3
Kết quả thí nghiệm vừa để kiểm chứng tính đúng đắn của phương pháp mô phỏng
số vừa làm đầu vào cho việc chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng cách đo đạc
các tần số riêng.
Kết luận chung trình bày những kết quả chính đã thu được của luận án và đề
xuất một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu.
Những kết quả chính của luận án có thể được tóm tắt như sau:
1. Đã xây dựng được một mơ hình độ cứng động ở dạng tường minh cho một

kết khung phẳng có vết nứt, một mơ hình đơn giản của cần trục tháp có vết nứt, có
thể dễ dàng áp dụng để phân tích dao động riêng cũng như dao động cưỡng bức của
kết cấu;
2. Đã tính tốn đáp ứng phổ (chuyển vị, mơ men uốn và lực cắt phân bố trên

cần chính của cần trục tháp khi tải trọng di động trên cần (khi cần cầu tháp làm việc
với tải trọng);
3. Đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của vết nứt trong từng phần tử cũng như

các vết nứt xuất hiện đồng thời trong các phần tử đến tần số riêng của cần trục tháp
làm cơ sở dữ liệu để chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng cách đo đạc các tần
số riêng;
4. Đã nghiên cứu thực nghiệm trên một mơ hình cần trục tháp trong phịng

thí nghiệm nhằm kiểm định mơ hình và kết quả mơ phỏng số cần trục tháp có vết
nứt và làm số liệu đầu vào cho việc chẩn đoán vết nứt bằng tần số riêng;

5. Đã đề xuất một chỉ tiêu để xác định phần tử có vết nứt từ số liệu đo đạc tần số

riêng cho phép ta xác định chính xác phần tử bị nứt trong mơ hình cần trục tháp.

Các kết quả đã được cơng bố trong 02 báo cáo Hội nghị khoa học toàn quốc,
1 bài báo đăng như một chương sách được xuất bản bởi nhà xuất bản có uy tín

(tương đương 01 bài báo quốc tế scopus) và 01 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học
và Cơng nghệ của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Vietnam
Journal of Science and Technology).


4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về thiết bị nâng hạ
1.1.1. Sơ lược về thiết bị nâng hạ
Thiết bị nâng hạ là những thiết bị dùng để nâng chuyển các loại hàng kiện,
hàng rời, vật liệu lỏng (dung dịch), …v.v., từ nơi này sang nơi khác theo một chu
trình làm việc nhất định. Máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong các ngành
giao thông vận tải, ngành xây dựng và nhiều ngành kinh tế quốc dân khác [1, 2].
Thiết bị nâng hạ quan trọng thường là các máy trục hay cần trục hoạt động
không thường xuyên mà theo chu kỳ. Máy trục thơng dụng là những thiết bị có cấu
tạo bao gồm nhiều cơ cấu, đảm bảo nâng, hạ hàng ở một chiều cao nhất định, nó có
thể di chuyển hàng theo phương thẳng đứng, phương nghiêng và có phạm vi hoạt
động rất rộng. Loại máy này gồm: các loại cầu trục, cổng trục, cần trục, các loại
máy nâng tự hành, v.v…

Hình 1.1. Một số máy trục thơng dụng
Trong sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới cũng như ở Việt Nam việc
sử dụng các thiết bị nâng hạ để nâng cao năng suất, hiệu quả công việc là yêu cầu

quan trọng. Đặc biệt là quá trình thi cơng các cơng trình xây dựng với khối lượng
hàng hố, cấu kiện vật tư thi cơng, lắp ghép lớn và phạm vi rộng, dạng thiết bị nâng
hạ được sử dụng phổ biến chính là cần trục tháp [3].
Cần trục tháp là một loại cần trục quay có cần với chiều cao nâng và tầm với
lớn được sử dụng phổ biến trong cơng tác xây dựng các cơng trình có chiều cao lớn,
trong đó có nhà cao tầng. Ngồi tháp và cần, cần trục tháp cịn có các bộ phận sau


5
đây: Kết cấu đế, đối trọng, cơ cấu nâng- hạ hàng, cơ cấu thay đổi tầm với, cơ cấu
đỡ-quay và cơ cấu di chuyển (đối với cần trục di chuyển). Kết cấu chịu tải của cần
trục tháp được cấu thành từ cần, tháp. Kích thước của hai thành phần này quyết định
chiều cao nâng và tầm với của cần trục - hai thơng số liên quan đến kích thước cơng
trình xây dựng. Tầm với tối ưu của cần trục tháp có thể đạt tới 80% tầm với tồn
phần của nó, trong khi đó tầm với tối ưu của cần trục tự hành chỉ đạt được 50%, mặt
khác chiều cao nâng của cần trục này cũng rất bị hạn chế khi chiều cao cơng trình
tăng lên. Với loại cần trục có cần nối thêm thì điều kiện sử dụng tốt hơn, nhưng
trong trường hợp này do phải đứng nghiêng, cho nên cần trục phải đứng cách xa
cơng trình một khoảng cách khơng nhỏ hơn 20% chiều cao cơng trình.

Hình 1.2. Kết cấu chung tổng thể của cần trục tháp.
Để xây dựng các cơng trình xây dựng tầm trung, người ta thường sử dụng các
loại cần trục tháp có sức nâng từ 0,3÷ 1,5 tấn và có tầm với từ 10÷ 20 m, cịn để xây
dựng các cơng trình dân dụng từ các cấu kiện xây dựng thì sử dụng cần trục nặng hơn,
những cần trục này có sức nâng từ 3÷ 5 tấn, có tầm với từ 15÷ 30 m. Trong giai đoạn
hiện nay, do phải nâng các cấu kiện xây dựng có trọng lượng và kích thước lớn nên
người ta phải dùng cần trục tháp có sức nâng lên tới 30÷ 50 tấn hoặc lớn hơn.


6

Đa số các cần trục tháp được sử dụng để thi cơng các cơng trình có chiều cao
lớn. Các cần trục này có thể được lắp đặt dưới đất với chiều cao đến 80m; cũng có
những loại được đặt trên cơng trình đang xây để tăng chiều cao nâng, có khi đến
hàng trăm mét.
Hiện nay cần trục tháp được sử dụng nhiều để thi cơng các cơng trình cơng
nghiệp như các cơng trình thủy điện, trung tâm thương mại, tháp truyền hình, chung cư
cao tầng, các nhà máy, các khu cơng nghiệp. Các cần trục này có thể được lắp đặt dưới
đáy hố cơng trình, trên các triền đà hoặc các mảng kết cấu đã xây dựng. Trong trường
hợp đó, người ta có thể bố trí hai hoặc nhiều cần trục cùng làm việc. Các cần trục này
đều thuộc loại tự nâng và tự di chuyển. Sức nâng của các cần trục sử dụng trong xây
dựng công nghiệp và xây dựng thủy điện có thể đạt tới 75 tấn. Để tăng khả năng sử
dụng sức nâng của cần trục loại này, người ta có thể bố trí thêm cần phụ.

Các cần trục tháp đều được thiết kế, chế tạo theo Quy chuẩn và tiêu chuẩn đã
định. Tại các nước chế tạo nhiều cần trục tháp (Nga, Pháp, Mỹ, Đức, Anh, Nhật
Bản, Trung Quốc) thì các tiêu chuẩn được áp dụng một cách triệt để. Ở Nga, Mỹ,
Đức, Pháp đều có tiêu chuẩn quốc gia về các thông số của cần trục tháp. Hiện nay
các cần trục tháp được chế tạo với số lượng lớn, loại nhẹ thì có mơ men cẩu hàng từ
2 đến 15Tm, loại lớn lên đến 1500Tm. Ở Đức, xu hướng chế tạo các cần trục tháp
loại nặng ngày càng tăng, trong đó có các cần trục tháp nối thêm hoặc tự nâng.
Cần trục tháp ở Nga chế tạo tải trọng nâng có thể đạt đến 70 tấn, chiều dài
cần từ 7 đến 60m. Chiều cao nâng có thể đến 100m; cần trục có tháp nối thêm có
thể đạt tới 300m, cịn của cần trục tự nâng được lắp trên cơng trình có thể đạt tới
500m. Trong những thập niên 60 của thế kỷ XX, ở Nga đã sử dụng cần trục tháp để
xây dựng tượng đài Người mẹ ở Vongagrat cao 82m và xây dựng cột tháp truyền
hình tại Maxcơva cao 535m. Cần trục tháp cũng được sử dụng để nâng, hạ hàng tại
các hố giếng trong quá trình xây dựng đường hầm Metro hoặc các cơng trình ngầm
nằm sâu dưới lịng đất.
Ở Việt Nam, với tiến trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước; các cơng

trình trọng điểm, các đơ thị hiện đại được phát triển và mở rộng; việc sử dụng cần trục
tháp là nhu cầu tất yếu, đặc biệt với các cơng trình có chiều cao lớn. Thời gian
qua điển hình như tại: Cơng trình trung tâm thương mại Vincom, Cơng trình Bitexco


7
Sài Gòn, Lotte Hà Nội, Kengnam Hà Nội, Landmark 81, Cơng trình thủy điện Lai
Châu, Cơng trình Thuỷ điện Sơn La, …v.v.
1.1.2. Một số hư hỏng của cần trục tháp và kiểm tra khơng phá huỷ trong quy
trình kiểm định thiết bị nâng
Trong quá trình lắp đặt, vận hành cần trục tháp có thể bị sập đổ. Một trong
những nguyên nhân chính lớn nhất dẫn đến đổ sập cần trục tháp là do các kết cấu
chịu lực của cần trục bị suy giảm khả năng chịu lực do các khuyết tật trong quá
trình chế tạo hay các vết nứt phát sinh trong quá trình vận hành; do tuổi thọ, do các
hư hỏng phát sinh trong quá trình vận hành thiết bị trên cơng trình xây dựng hoặc
liên kết giữa các đoạn, đốt thân và cần của cần trục tháp không đảm bảo an tồn.
Trong thực tế q trình chế tạo, lắp đặt và sử dụng thiết bị, nứt do các phương
pháp hàn là dạng hư hỏng nguy hiểm và thường gặp trong các sự cố tai nạn về thiết bị.
Nứt là một dạng đứt gãy dạng đường của kim loại dưới tác dụng của ứng suất. Mặc dù
thỉnh thoảng cũng có những vết nứt rộng, cịn lại chúng thường là sự phân tách rất nhỏ
trong mối hàn hoặc trong kim loại tiếp giáp cơ bản. Chúng thường có sự biến dạng nhỏ
ở bên ngồi. Nứt có nhiều hình dạng và chủng loại rất khác nhau. Nứt trong mối hàn có
thể được phân nhóm tuỳ theo nơi chúng bắt nguồn trên mối hàn hoặc trên kim loại cơ
bản. Trong kim loại hàn thường xảy ra các dạng nứt là: Nứt ngang, nứt dọc, nứt dạng
sao. Trong kim loại cơ bản có thể gồm: Nứt ngang, nứt dưới đường hàn, nứt cạnh ở mặt
ngoài mối hàn, nứt tại chân mối hàn và nứt phân lớp.

Trong quy trình kiểm định thiết bị nâng, kiểm tra không phá huỷ (NDT) là sử
dụng phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong cấu trúc của
các vật liệu, chi tiết, kết cấu,…v.v mà không làm tổn hại đến khả năng hoạt động

sau này của chúng. Tuy nhiên tự bản thân NDT khơng thể dự đốn được những nơi
nào khuyết tật sẽ hình thành và phát triển.
NDT đóng một vai trị quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Đặc biệt trong q trình vận hành đối với các cơng trình và máy móc, thiết bị NDT
được sử dụng rộng rãi nhằm tăng độ an tồn trong q trình làm việc và giảm thiểu
được bất kỳ những trục trặc nào làm cho thiết bị ngưng hoạt động.
Tuỳ theo ứng dụng điển hình trong các điều kiện làm việc khác nhau cũng như
ưu điểm và hạn chế của các phương pháp NDT để có thể đưa ra những chương trình
kiểm tra, tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng phù hợp và cần thiết. Những phương pháp


8
NDT có từ đơn giản đến phức tạp. Kiểm tra bằng mắt (trực quan) là phương pháp đơn
giản nhất trong tất cả các phương pháp. Những bất liên tục (hư hỏng) trên bề mặt
khơng nhìn thấy được bằng mắt thường có thể phát hiện bằng phương pháp dùng chất
thấm lỏng hoặc phương pháp dùng bột từ. Khi cần phát hiện những khuyết tật bề mặt
thật sự nghiêm trọng, thường là một điểm nhỏ thì cần tiến hành những phép kiểm tra
phức tạp hơn bên trong vật thể bằng phương pháp siêu âm hoặc chụp ảnh bức xạ.

Ngồi ra có thể sử dụng một số phương pháp NDT trong các ứng dụng đặc
biệt như: bức xạ âm, kiểm tra nhiệt và hồng ngoại, đo biến dạng, kiểm tra rò rỉ, kỹ
thuật vi sóng, chụp ảnh giao thoa laser…v.v
1.1.3. Một số tai nạn điển hình và vấn đề an tồn trong vận hành cần trục tháp
Theo báo cáo về tình hình tai nạn lao động hàng năm của Bộ Lao Động
Thương binh và Xã hội và Bộ Xây dựng việc sử dụng cần trục tháp trên các cơng
trình xây dựng hiện nay rất phổ biến và cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ dẫn đến các sự
cố, tai nạn nghiêm trọng; một số sự cố tai nạn đặc biệt nghiêm trọng điển hình đã
xảy ra trong việc sử dụng cần trục tháp ở Việt Nam có thể kể đến như sau:
- Ngày 27/12/2007 chiếc cần trục tháp của Công ty xây dựng Cofico đổ sập

tại cơng trình cao ốc Centec Tower, số 72-74 đường Nguyễn Thị Minh Khai, quận 3,
TP.Hồ Chí Minh làm 05 người bị thương;
- Ngày 12/01/2011 tại Cơng trình thi công Khu tái định cư đường Chu Văn

An, phường 12, quận Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh do Tổng Cơng ty CP Thương
Mại Xây Dựng làm chủ đầu tư, cẩu tháp cao 45 mét, tay cần dài 50 mét đổ sập làm
1 người chết và 01 người bị thương nặng;
- Ngày 24/12/2012 cần trục tháp đang thi cơng tại Tồ nhà Lotte Center trên

đường Đào Tấn, Ba Đình, Hà Nội bất ngờ đổ sập làm 03 người bị thương và nguyên
nhân được xác định là do kết cấu mối hàn của cần chính có khuyết tật dẫn đến thiết
bị khơng đủ khả năng chịu lực;
- Ngày 18/11/2015 tại Cơng trình xây dựng trụ sở ngân hàng BIDV Đơng Hải

Phịng do Cơng ty Xây Dựng Bạch Đằng 5 bất ngờ đổ sập ra đường Lê Hồng
Phong, TP.Hải Phòng làm 01 người chết và 01 người bị thương;
- Ngày 02/03/2016 sự cố nghiêm trọng cần trục tháp tại Cơng trình xây dựng

tổ hợp thương mại nhà ở số 493 Trương Định, Tân Mai, Hoàng Mai, Hà Nội bị gãy
sập;


9
- Ngày 15/11/2016 sự cố tai nạn sập cần trục tháp từ Cơng trình xây dựng
chung cư Trường Thành 2 (phường Trường Thi, TP.Vinh, tỉnh Nghệ An) xuống
Trường THPT Lê Viết Thuật làm chết 01 học sinh;
- Ngày 22/12/2019 vụ tai nạn lao động nghiêm trọng do sập cần trục tháp khi
đang thi công tại Công trường nhà xưởng Công ty TNHH Polytex Far Eastern tại
huyện Bàu Bàng, tỉnh Bình Dương làm 03 người chết, nhiều người bị thương;
- Gần đây nhất là ngày 13/01/2020 sự cố tai nạn nghiêm trọng sập cần trục tháp

tại Cơng trình xây dựng trên đường Nguyễn Xiển (Tân Triều, Thanh Trì, Hà Nội).
Những vụ tai nạn lao động và sự cố nghiêm trọng nêu trên địi hỏi cơng tác quản
lý, giám sát từ cơ các cơ quản lý nhà nước đến các tổ chức, cá nhân nhập khẩu, thiết kế,
chế tạo, lắp đặt, sử dụng cần trục tháp phải ngày càng được quan tâm chặt chẽ hơn và
đồng thời việc chuẩn hố, hồn thiện thống nhất ban hành các quy chuẩn, quy trình
kiểm định thiết bị và các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn chính là cơng việc rất quan trọng
trong thực tế hiện nay ở nước ta. Trong các nguyên nhân gây nên các sự

cố nêu trên có một số bất cập sau đây: Thiết bị cần trục tháp đa số được nhập khẩu
từ nước ngoài; nhiều cần trục đã cũ, được sửa chữa, hốn cải mà khơng có sự hỗ trợ
kỹ thuật từ nhà sản xuất; nhiều cần trục khơng có hồ sơ hợp quy theo quy định;
chưa có quy định về tuổi thọ sử dụng của cần trục tháp hoặc các điều kiện kiểm tra
tăng cường bằng các biện pháp kiểm tra không phá huỷ đối với những kết cấu
chịu lực quan trọng của cần trục tháp; thiết kế các cấu kiện như móng, bệ cẩu, hệ
thống neo giằng khơng được thẩm tra, thẩm định của đơn vị sử dụng hoặc chủ đầu
tư cơng trình; khơng có hồ sơ niêm yết các đặc tính kỹ thuật an tồn của thiết bị và
quy định cụ thể về năng lực của người vận hành cần trục tháp;
Vì vậy, những u cầu an tồn khi sử dụng thiết bị nâng nói chung và cần trục
tháp nói riêng cần phải tuân thủ nghiêm ngặt là: Chỉ sử dụng thiết bị nâng có tình trạng
kỹ thuật tốt, đã được kiểm định kỹ thuật an toàn đạt yêu cầu; không sử dụng thiết bị
nâng đã bị hư hỏng các chi tiết, bộ phận quan trọng; bố trí thiết bị nâng làm việc theo
đúng đặc tính kỹ thuật và trọng tải mà nhà chế tạo đã quy định (hoặc trọng tải do đơn vị
quản lý sử dụng mới quy định lại sau khi cải tạo, sửa chữa...v.v); tổ chức khắc phục kịp
thời các hư hỏng đã được phát hiện; người chịu trách nhiệm quản lý kỹ thuật và quản lý
vận hành thiết bị nâng phải được huấn luyện cơ bản về nghiệp vụ mà mình đảm nhận;
được huấn luyện an toàn, vệ sinh lao động lần đầu trước khi giao


10

việc, huấn luyện định kỳ và được cấp giấy chứng nhận huấn luyện an tồn theo quy
định; hiểu được tính năng kỹ thuật của thiết bị nâng mà mình phụ trách; biết các tiêu
chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật an toàn liên quan đến thiết bị nâng.
1.1.4. Công tác kiểm định kỹ thuật an toàn cần trục tháp tại Việt Nam
Theo Luật An toàn vệ sinh lao động số 84/2015/QH13 ngày 15 tháng 6 năm
2015 của Việt Nam; Nghị định số 44/2016/NĐ-CP ngày 15 tháng 05 năm 2016 của
Chính phủ quy định hoạt động kiểm định an toàn các thiết bị nghiêm ngặt thì cần
trục tháp là đối tượng bắt buộc phải được được kiểm định kỹ thuật an toàn (lần đầu,
định kỳ hoặc bất thường) và phải khai báo sử dụng thiết bị nghiêm ngặt với các Sở
Lao Động Thương Binh và Xã Hội địa phương nơi lắp đặt thiết bị theo quy định.
Luật Xây dựng số 50/2014/QH13 ngày 18 tháng 06 năm 2014; Nghị định
59/2015/NĐ-CP ngày 18 tháng 06 năm 2015 và Thông tư số 04/2017/TT-BXD ngày
30 tháng 03 năm 2017, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN18: 2014/BXD ngày 05

tháng 09 năm 2014 của Bộ Xây dựng quy định về quản lý an tồn lao động trong thi
cơng xây dựng cơng trình cũng quy định rất chặt chẽ về các loại máy, thiết bị thi công
xây dựng phải đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn trong đó có cần trục tháp.
Song song với đó, do đặc thù đây là loại thiết bị chủ đạo trong công tác thi công
xây lắp đặc biệt đối với những công trình xây dựng lớn, cao tầng; cần trục tháp có mức
độ ảnh hưởng, liên đới và có nguy cơ mất an toàn lao động đối với phạm vi rộng. Ngoài
việc quy định các tổ chức kiểm định an toàn, kiểm định viên phải đảm bảo đủ năng lực,
điều kiện để thực hiện việc kiểm định cần trục tháp đồng thời phải tn thủ chặt chẽ
Quy trình kiểm định an tồn cần trục tháp do Bộ Xây dựng ban hành
[4] và cần trục tháp phải được kiểm tra, đánh giá, chứng nhận an toàn theo các tiêu

chuẩn kỹ thuật an toàn của Nhà nước [5-11]. Tại các địa phương có số lượng và nhu
cầu sử dụng cần trục tháp nhiều, các cơ quan quản lý còn đưa ra các quy định đặc thù
để giám sát, quản lý quá trình sử dụng, lắp đặt, vận hành các cần trục tháp đảm bảo loại
trừ và hạn chế các nguy cơ về con người và thiết bị, như Quyết định số 73/2011/QĐUBND ngày 15 tháng 11 năm 2011 của UBND TP.Hồ Chí Minh, Chỉ thị số 08/CTUBND ngày 13 tháng 04 năm 2012 của UBND TP.Hà Nội, Quyết định số 15/2018/QĐUBND ngày 05 tháng 03 năm 2018 của UBND tỉnh Thừa Thiên Huế, Quyết định số
46/2019/QĐ-UBND ngày 07 tháng 11 năm 2019 của UBND tỉnh Hồ Bình,….v.v đã

đưa ra các hướng dẫn, quy định áp dụng đối với chủ đầu tư, các đơn


11
vị thi công và các đơn vị liên quan trong việc quản lý, sử dụng các nhóm đối tượng
này.
Theo quy trình kiểm định cần trục tháp QTKĐ 01: 2016/BXD do Bộ Xây
dựng ban hành; khi tiến hành kiểm định phải thực hiện theo trình tự sau:
Kiểm tra kỹ thuật- Thử không tải: Tiến hành thử không tải các cơ cấu và hệ
thống. Cơ cấu nâng hạ móc, nâng hạ cần, cơ cấu quay, cơ cấu di chuyển thiết bị; các
thiết bị an tồn: khống chế nâng hạ móc, khống chế nâng hạ cần, chỉ báo tầm với và
tải tương ứng....v.v, phanh, hãm cơ cấu nâng hạ cần và móc; các thiết bị điều khiển,
chiếu sáng, tín hiệu, âm hiệu.
Các chế độ thử tải- Phương pháp thử: + Thử tải tĩnh: Tải trọng thử bằng
125% SWL (tải trọng làm việc an tồn) hoặc theo u cầu cơ sở nhưng khơng lớn
hơn tải trọng thiết kế và phải phù hợp với chất lượng thực tế của thiết bị; treo tải lần
lượt tại hai vị trí: tầm với nhỏ nhất và tầm với lớn nhất theo đặc tính tải của thiết bị.
Thời gian thử: 10 phút ở mỗi vị trí tầm với. + Thử tải động: Tải trọng thử bằng
110% SWL hoặc theo yêu cầu cơ sở nhưng không lớn hơn tải trọng thiết kế và phải
phù hợp với chất lượng thực tế của thiết bị; treo tải lần lượt tại hai vị trí tầm với nhỏ
nhất và tầm với lớn nhất theo đặc tính tải.
Qua sự tìm hiểu và phân tích nêu trên, có thể rút ra một số nhận xét sau đây:
1. Cần trục tháp là một loại thiết bị nâng hạ điển hình đang được sử dụng rộng rãi

trong xây dựng các cơng trình cao tầng, vận chuyển và nâng hạ hàng hóa trên các
cảng biển và giao thơng vận tải nói chung ở Việt Nam;
2. Do cần cầu tháp là một thiết bị có kết cấu phức tạp, to lớn và một số bất cập

trong thiết kế, lắp đặt và sử dụng cần trục tháp ở Việt Nam, nguy cơ xảy ra các
sự cố, tai nạn là rất lớn. Do đó đảm bảo an tồn cho việc sử dụng cần trục tháp là

vấn đề cấp thiết hiện nay;
3. Mặc dù ở Việt Nam đã có những quy định khá chặt chẽ về an toàn kỹ thuật khi sử

dụng vận hành các cần trục tháp, nhưng việc kiểm tra phát hiện các hư hỏng có thể
dẫn đến sự cố, tai nạn nghiêm trọng đối với các cần trục tháp vẫn chưa được cụ thể
trong các Tiêu chuẩn, Quy chuẩn của Việt Nam về kiểm định các cần trục tháp.

1.2. Tổng quan về vấn đề chẩn đoán hư hỏng cần trục tháp
1.2.1. Tổng quan về động lực học kết cấu cần trục


12
Abdel-Rohman và cộng sự đã có một bài tổng quan khá chi tiết về động lực
học và điều khiển cần trục tháp [12], nhưng các tác giả tập trung vào nghiên cứu
động lực học và điều khiển tải được nâng như một hệ một bậc tự do, mà chưa quan
tâm đến sự làm việc của kết cấu tổng thể của cần trục. Eden và các cộng sự [13] đã
nghiên cứu ổn định động của một cần trục di động bằng một mơ hình rời rạc nhiều
bậc tự do. Ghigliazza and Holmes [14] đã nghiên cứu động lực học của một cần trục
tháp khi điểm treo tải trọng di động. Sato và Sakawa [15] đã đưa ra một mơ hình
tổng qt hơn của cần trục tháp được mô tả bằng một hệ nhiều vật. Các tác giả của
tài liệu [16] đã sử dụng phần tử dầm Euler-Bernoilli để mô tả sự làm việc của một
cầu trục, tức là đã kể đến tính đàn hồi của kết cấu cầu trục. Nesser [17] đã đo đạc
tần số riêng của một kết cấu khung (Hình 1.3) mơ tả một cầu trục và kiểm nghiệm
kết quả bằng một mơ hình phần tử hữu hạn.

Hình 1.3. Mơ hình thí nghiệm trên một cầu trục [17].
Ju và Choo [18-19] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với siêu phần tử
cáp để tính tốn dao động riêng của cần trục tháp được mô tả bằng một hệ giàn với
nhiều puly khác nhau (Hình 1.4). Ju và Choo [20] cũng đã nghiên cứu động lực học

13
của cần trục tháp kể đến chuyển động lắc của tải nâng. Hassan và công sự [21] đã
đưa ra một mơ hình tinh gọn để mơ phỏng loại cần trục tháp hai chân và đi đến một
kết luận rằng có thể giảm bớt giá thành chế tạo cũng như tăng hiệu quả sử dụng cần
trục tháp thơng thường.

Hình 1.4. Mơ hình cần trục tháp sử dụng nhiều puly [19].

Hình 1.5. Một số mơ hình rút gọn của cần trục tháp [22].


14
Schlott và cộng sự đã đưa ra một mơ hình hệ nhiều vật (Hình 1.5) để mơ
phỏng cần trục tháp (Tower Crane) một cách tự động trên máy tính có thể sử dụng
để tính tốn và hiển thị theo thời gian thực. Wang và các cộng sự [23] đã xây dựng
được một mơ hình phần tử hữu hạn cho một cần trục tháp phục vụ việc chẩn đoán
hư hỏng trong kết cấu bằng cách đo đạc sự thay đổi đáp ứng của kết cấu tại một số
điểm khi làm việc.
Tóm lại, sau khi nghiên cứu các tài liệu đã công bố về động lực học cần trục
tháp chúng ta có thể rút ra một số nhận xét như sau:


Cho đến nay, phương pháp khả dĩ và hiệu quả nhất được áp dụng để phân tích
động lực học cần trục tháp là phương pháp phần tử hữu hạn. Tuy nhiên vẫn
chưa thấy có cơng bố nào phát triển mơ hình phần tử hữu hạn của cần trục tháp
có vết nứt hay một hư hỏng tương tự. Trong công bố [23] các tác giả mới chỉ
xét đến hư hỏng dạng thay đổi mơ đun đàn hồi của một số phần tử;



Chưa có công bố nào đề cập đến việc xây dựng mô hình độ cứng động cho cần
trục tháp, đặc biệt là cần trục tháp có hư hỏng dạng vết nứt. Vì vậy, việc phát
triển ứng dụng phương pháp độ cứng động để phân tích và chẩn đốn hư hỏng
cần trục tháp là một vấn đề mới và cần thiết vì tính ưu việt nổi trội của phương
pháp độ cứng động so với phương pháp phần tử hữu hạn (được trình bày chi tiết
ở Chương sau);



Trong các mơ hình rút gọn của cần trục tháp có một số mơ hình rút gọn được
mơ tả bằng các thanh (Hình 1.5), nhưng các thanh này vẫn được coi là các vật
rắn tuyệt đối mà chưa tính đến tính đàn hồi của chúng. Do đó, sử dụng một mơ
hình khung bao gồm một số kết cấu thanh, dầm để mô phỏng kết cấu cần trục
tháp là một giải pháp phù hợp.

1.2.2. Tổng quan về chẩn đoán vết nứt trong kết cấu khung
Cơ sở khoa học cho việc mơ hình hóa và bài tốn chẩn đốn vết nứt trong kết
cấu một chiều như thanh, dầm đã được nghiên cứu và trình bày trong rất nhiều các
cơng trình đã được cơng bố, ví dụ như [24-32]. Nhưng đến năm 1997 Nikolakopoulos
và công sự [33] lần đầu tiên xây dựng được mơ hình phần tử hữu hạn cho một kết cấu
khung phẳng có vết nứt và áp dụng phương pháp đường đồng mức để chẩn đoán vết
nứt bằng các tần số riêng. Ở đây các tác giả mới chỉ giải bài toán chẩn đoán một vết


15
nứt trong một khung phẳng đơn giản (gồm 3 phần tử dầm), nhưng kết quả đã được
kiểm nghiệm trên một mơ hình thí nghiệm bài bản. Greco và Pau [34] cũng đã giải
bài toán chẩn đoán một vết nứt trong một khung phẳng đơn giản (gồm 2 cột và 1
thanh giằng ngang, cả 3 đều là các phần tử dầm) bằng tần số riêng, trong đó vết nứt

được mơ tả bằng một lị xo tương đương có độ cứng chưa biết tại vị trí vết nứt. Vị
trí và độ sâu vết nứt được xác định như lời giải bài toán cực tiểu hóa sai lệch giữa
tần số tính tốn và tần số đo đạc [35]. Labib và cộng sự [36] đã mở rộng bài toán
chẩn đoán một vết nứt bằng tần số riêng cho một kết cấu khung nhà hai tầng bao
gồm 10 phần tử dầm được mô tả bằng mơ hình độ cứng động. Ở đây, các tác giả đã
đề xuất một phương pháp chẩn đoán vết nứt khá độc đáo như sau: trước hết, biểu
diễn sự thay đổi các tần số riêng do vết nứt là tích của hai tham số, một tham số chỉ
phụ thuộc vào độ sâu vết nứt mà không phụ thuộc vào chỉ số của tần số, tham số thứ
hai thì phụ thuộc vào vị trí vết nứt và chỉ số tần số riêng; sau đó đưa vào một chỉ số
vết nứt khơng cịn phụ thuộc vào độ sâu vết nứt mà chỉ phụ thuộc vào vị trí vết nứt;
cuối cùng vẽ các chỉ số vết nứt phụ thuộc vào vị trí vết nứt trên từng phần tử và tìm
điểm giao nhau của tất cả các đường cong ứng với các tần số khác nhau làm vị trí
vết nứt phải tìm. Chen [37] đã áp dụng phương pháp độ nhạy cảm và phương pháp
điều chỉnh bài toán ngược để chẩn đoán hư hỏng của một khung phẳng nhiều tầng
bằng bộ số liệu đo tần số và dạng riêng không đầy đủ. Trong công bố này, tác giả sử
dụng mơ hình phần tử hữu hạn và hư hỏng được mô tả thông qua sự thay đổi của ma
trận độ cứng và khối lượng. Caddemi và cộng sự [38] đã sử dụng chuyển vị tĩnh để
chẩn đoán vết nứt trong một khung phẳng đơn giản và Li và cộng sự [39] đã sử
dụng các đặc trưng thống kê của chuỗi số liệu của đáp ứng để chẩn đoán vết nứt
trong kết cấu khung 3 tầng. Kết quả nhận được trong [39] đã được kiểm nghiệm trên
một mơ hình thực nghiệm. Mơ hình độ cứng động tổng quát của kết cấu khung có
nhiều vết nứt đã được thiết lập trong [40] nhưng mơ hình này chỉ được áp dụng bởi
tác giả cơng bố [41] để chẩn đốn vết nứt trong một khung không gian kết hợp với
phương pháp độ nhạy cảm của các tần số riêng. Trần Văn Liên và cộng sự [42, 43]
đã sử dụng biến đổi wavelet của dạng dao động riêng để chẩn đoán vết nứt trong kết
cấu khung và Nguyễn Việt Khoa và cộng sự [44] đã nhận được một số kết quả đo
đạc thực nghiệm dao động của kết cấu khung có vết nứt.


16

Sau khi nghiên cứu tổng quan các công bố nêu trên về chẩn đoán vết nứt trong
kết cấu khung, chúng ta thấy đại đa số các nghiên cứu tập trung vào chẩn đoán vết nứt
trong khung phẳng của nhà cao tầng. Chưa thấy có cơng bố nào về dao động cũng như
chẩn đoán vết nứt trong kết cấu khung tháp dạng cần trục. Vì vậy, việc nghiên cứu dao
động của kết cấu khung tháp có vết nứt và giải quyết bài toán chẩn đoán vết nứt khung
tháp bằng tần số riêng là một vấn đề chưa được quan tâm nghiên cứu.

1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu
Thiết bị nâng hạ các loại, trong đó có cần trục tháp, được sử dụng rất phổ biến
ở Việt Nam, đặc biệt là trong Xây dựng dân dụng và Giao thơng vận tải. Vì vậy, việc

đảm bảo an toàn khi làm việc cho các thiết bị nâng hạ là rất quan trọng. Nguyên
nhân chủ yếu của sự mất an toàn kỹ thuật của các đối tượng kỹ thuật nói chung và
thiết bị nâng hạ nói riêng là sự suy giảm khả năng làm việc của các bộ phận chịu lực
chính do những khuyết tật tiềm ẩn bên trong kết cấu hay các hư hỏng xuất hiện
trong quá trình làm việc (gọi chung là hư hỏng) không được phát hiện kịp thời. Một
trong các dạng hư hỏng nêu trên chính là các vết nứt. Vết nứt là dạng hư hỏng liên
quan trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu và rất khó phát hiện bằng các thiết
bị khảo sát trực quan khi chưa làm phá hủy hoàn toàn kết cấu. Nhưng vết nứt lại
biểu hiện khá rõ (nếu biết phân tích) trong ứng xử của một đối tượng kỹ thuật khi
chịu tải trọng động, chứ khơng phải tải trọng tĩnh. Do đó việc đo đạc ứng xử động
lực học của một đối tượng kỹ thuật, cho đến nay, là cách tiếp cận hiệu quả nhất để
phát hiện các hư hỏng dạng vết nứt trong kết cấu cơng trình. Cách tiếp cận này cịn
cho phép phát hiện các hư hỏng ở những vị trí khó hoặc không thể tiếp cận bằng các
thiết bị kiểm tra khơng phá hủy thơng thường. Nói cách khác, người ta có thể đo đạc
phản ứng động của một kết cấu ở một vị trí rất thuận tiện để phát hiện vết nứt tiềm
ẩn ở vị trí bất kỳ trong kết cấu. Điều này đã được khẳng định trong nhiều tài liệu
trên thế giới về kiểm tra không phá hủy thiết bị cơng nghiệp (máy quay) và kết cấu
cơng trình xây dựng (cầu đường).
Trong Tiêu chuẩn Việt Nam và Quy trình kiểm định an tồn thiết bị nâng hạ

[4-11] có u cầu kiểm tra các vết nứt khi cần thiết, nhưng cho đến nay ở Việt Nam
mới chỉ có khả năng kiểm tra vết nứt bằng các thiết bị trực quan (Visual) sử dụng
phương pháp điện từ, quang học hay siêu âm (gọi chung là các phương pháp cục bộ


17
- Local Methods). Các phương pháp kiểm tra vết nứt từ xa, gọi là phương pháp toàn

cục (Global), bằng phương pháp đo đạc ứng xử động lực học nêu trên còn đang trong
giai đoạn nghiên cứu ở các Trường Đại học và các Viện nghiên cứu. Cụ thể là ở Viện
Cơ học Hà Nội dưới sự dẫn dắt của GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm và Trường Đại học
Bách khoa TP.HCM dưới sự lãnh đạo của GS.TS. Ngô Kiều Nhi và PGS.TS. Nguyễn
Thị Hiền Lương. Tuy nhiên, các nghiên cứu ở các Trung tâm trong nước nêu trên và
thậm chí là trên thế giới, cịn ít được quan tâm đến việc kiểm tra phát hiện vết nứt trong
các thiết bị nâng hạ, mặc dù việc tính tốn phân tích động lực học của thiết bị nâng hạ
cũng đã được nghiên cứu trong các cơng bố gần đây như [45-47]. Vì lý do này, nghiên
cứu sinh chọn vấn đề Chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng đo đạc các đặc trưng
dao động làm đề tài cho luận án của mình. Hơn nữa, là một kỹ sư đã làm việc nhiều
năm về kiểm định và huấn luyện an toàn lao động thiết bị nâng hạ, tác giả đã thu thập
được một số kinh nghiệm và hiểu biết về thực tế kiểm định các thiết bị nâng hạ ở Việt
Nam, nên sự lựa chọn này là phù hợp và khả thi đối với nghiên cứu sinh. Tuy nhiên, kết
cấu của một cần trục tháp thực rất phức tạp, bao gồm rất nhiều bộ phận khác nhau như
cột, cần, dây cáp,…v.v, mà việc nghiên cứu đầy đủ kết cấu dạng này có vết nứt là một
việc rất khó khăn, đặc biệt là với nghiên cứu sinh được đào tạo như một kỹ sư. Vì vậy,
với mục tiêu là áp dụng mơ hình vết nứt đã được thầy hướng dẫn nghiên cứu rất bài bản
cho kết cấu dầm để nghiên cứu và chẩn đoán vết nứt trong kết cấu cần trục tháp, tác giả
luận án lựa chọn đối tượng nghiên cứu là một mơ hình khung rút gọn của cần trục
tháp, được gọi tắt là kết cấu khung tháp có vết nứt. Ngồi ra chúng ta đưa vào một số
giả thiết khác sau đây: (1) Dây cáp sau khi đã được căng bằng một lực thì làm việc như
một thanh (có kéo – nén); (2) Kết cấu khung được gắn với bệ (nền) đủ cứng để coi thân

tháp là cột được ngàm chặt với nền; (3) Các phần tử thanh mô tả dây cáp được liên kết
từ các đầu của cần với cột.

Như vậy, mục tiêu của luận án này là xây dựng mơ hình độ cứng động lực
cho kết cấu khung tháp có vết nứt và ứng dụng để phân tích ảnh hưởng của vết nứt
đến tần số riêng của kết cấu nhằm chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng
phương pháp đo đạc các tần số riêng.
Phương pháp nghiên cứu được tác giả chọn là phương pháp độ cứng động
lực, vì hiện nay đây là một phương pháp chính xác nhất để mơ phỏng tính tốn kết


18
cấu [18]. Nội dung của phương pháp độ cứng động và áp dụng cho kết cấu có vết
nứt cùng với việc xây dựng mơ hình độ cứng động cho kết cấu khung tháp có vết
nứt được trình bày trong Chương 2 của luận án này. Việc phân tích đáp ứng động
của kết cấu tháp chịu tải trọng di động và nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến các
tần số riêng của kết cấu tháp được trình bày chi tiết trong Chương 3. Đây là cơ sở
dữ liệu chính để chẩn đoán vết nứt trong kết cấu tháp bằng cách đo đạc các tần số
riêng. Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên một mơ hình kết cấu
tháp trong phịng thí nghiệm tại Viện Cơ học, Hà Nội. Các kết quả đo đạc thực
nghiệm vừa để kiểm chứng phương pháp độ cứng động lực và đồng thời làm đầu
vào để chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp.


19
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC CỦA
KẾT CẤU THÁP CÓ VẾT NỨT
Phương pháp độ cứng đã được biết đến từ rất lâu như một phương pháp ma
trận trong phân tích kết cấu. Tuy nhiên, sau này, do xuất hiện nhiều các phương
pháp phân tích kết cấu mới hiện đại và có hiệu quả hơn, ví dụ như phương pháp

phần tử hữu hạn, nên phương pháp độ cứng đã dần bị lãng quên. Gần đây, khi có
một số bài tốn phân tích kết cấu mà phương pháp phần tử hữu hạn không đưa ra
được kết quả mong muốn, người ta đã khôi phục lại phương pháp độ cứng ở một
diện mạo mới và có những ưu việt vượt trội phương pháp phần tử hữu hạn. Đó là
phương pháp độ cứng động lực (Dynamic Stiffness Method – DSM). Ưu điểm nổi
trội của phương pháp độ cứng động là cho phép ta tính tốn chính xác số lượng bất
kỳ tần số riêng của kết cấu với số bậc tự do tối thiểu.
Trong Chương này, trước khi mô tả sự phát triển phương pháp độ cứng động
để phân tích dao động của mơ hình kết cấu tháp có vết nứt, chúng ta đi trình bày nội
dung cơ bản và quy trình của phương pháp độ cứng động lực hiện đại. Tiếp đó là
xây dựng mơ hình độ cứng động lực của phần tử thanh, dầm chịu tải trọng phân bố
và phần tử thanh, dầm chứa nhiều vết nứt. Ma trận độ cứng động của phần tử thanh,
dầm có vết nứt được xây dựng dựa trên lời giải tổng quát tường minh của bài toán
dao động riêng, được gọi là hàm dạng dao động của thanh dầm có vết nứt. Cuối
cùng là áp dụng các mơ hình phần tử thanh dầm nêu trên để xây dựng mơ hình độ
cứng động lực của kết cấu tháp mô phỏng cần trục tháp trong thực tế.
2.1. Phương pháp độ cứng động lực [48]
2.1.1. Nội dung phương pháp độ cứng động lực
Nội dung chính của phương pháp độ cứng động lực bao gồm các bước sau đây:
1. Chọn một hệ tọa độ tổng thể trong không gian chứa kết cấu sao cho mọi

điểm của kết cấu được xác định hoàn toàn bằng các tọa độ của chúng;
2. Chia vật thể thành hữu hạn các phần tử thông qua lưới các điểm nút sao cho

bài toán dao động của từng phần tử có thể tính tốn được bằng giải tích trong miền
tần số;


20
3. Xác định véc tơ chuyển vị

trong miền tần số cho từng phần tử (địa phương)

nút và cho cả kết cấu (tổng thể)
U(ω) =

;
4. Giải bài toán dao

động cho từng phần tử
trong miền tần số để xác
định biểu thức tổng quát
của trường chuyển vị
trong các phần tử;
5. Sử dụng trường

chuyển vị của
từng phần tử để
xác định mối liên
hệ giữa véc
tơ lực đầu nút và véc tơ
chuyển vị nút (xác định
ma trận độ cứng động
lực cho từng phần tử);
6. Tính tốn véc tơ

tải trọng nút trong miền
tần số bằng cách biểu
diễn công của ngoại lực
trên các chuyển vị nút;

7. Cân bằng các lực

nút (nội lực với ngoại
lực) tại tất cả các nút ta
được mối liên hệ giữa
véc tơ chuyển vị nút và
tải trọng ngoài đưa về nút
(xây dựng ma trận độ
cứng

động lực và véc tơ tải
trọng nút cho tồn hệ),
đây chính là phương


trình chuyển động của hệ trong

thì phương

miền tần số;

pháp

độ

cứng

động

8. Giải phương trình chuyển

động của hệ tìm các chuyển vị nút

địi

phụ thuộc vào tần số và tính tốn

chúng

trường biên độ dao động trong từng

phải

phần tử, được gọi là đáp ứng tần số

một phương

trong từng phần tử.

trình

So với phương pháp phần tử hữu
hạn, phương pháp độ cứng động
lực có các đặc

điểm khác sau đây:
 Véc tơ chuyển vị nút và véc

Đổi

lại,

nếu

pháp

(biến đổi Fourie) của các chuyển vị

tử hữu

hàm của tần số, được xây
dựng từ mối liên hệ giữa
biên độ lực đầu nút và biên độ
chuyển vị nút;
 Phương trình chuyển động

trong miền tần số được thiết lập
bằng việc cân bằng các lực đầu
phần tử tập trung tại mỗi nút;
 Cuối cùng là việc giải

phương trình chuyển động trong
miền tần số chính là việc giải
phương trình đại số phụ thuộc vào
tham số tần số.
Như vậy, phương pháp độ cứng
động rất thuận tiện cho việc giải bài
tốn dao động riêng. Nhưng thay vì
giải bài tốn trị riêng chuẩn hóa như
trong phương pháp phần tử hữu hạn,

siêu

riêng.

tần số, nghĩa là chúng là biên độ

 Ma trận độ cứng động là

giải

các tần số

phương

gian.

ta

việt để tính

tơ lực đầu nút được xét trong miền

nút và lực đầu nút trong miền thời

hỏi

phần

21
hạn chỉ cho phép tính được hữu hạn tần số riêng, thì phương pháp độ cứng động cho
phép ta tính được số lượng bất kỳ tần số riêng. Trong trường hợp có tải trọng,
phương pháp độ cứng động cho ta đáp ứng tần số, rất thuận tiện cho việc phân tích
phổ đáp ứng của kết cấu. Nếu cần tính đáp ứng trong miền thời gian, chúng ta chỉ
cần tính biến đổi Fourie ngược của đáp ứng tần số.
2.1.2. Ma trận độ cứng động lực của phần tử thanh, dầm
2.1.2.1. Mô hình độ cứng động của phần tử thanh, dầm chịu tải trọng phân bố
Ở đây, việc xây dựng mơ hình độ cứng động lực cho phần tử thanh, dầm bao

hàm việc xây dựng ma trận độ cứng động cùng với việc tính tốn véc tơ tải trọng nút.
y
N2

N1

x

U1

U2

Hình 2.1. Chuyển vị nút và lực đầu nút của phần tử thanh.
Xét một phần tử thanh, phương trình dao động trong miền tần số [48] có dạng
U ′′( x, ω ) − α 2U ( x, ω ) = Qu ( x, ω ), α = ω / c, c =


trong đó
Giả sử thanh chứa m vết nứt tại các vị trí e ,...,e

U ( x, ω ), Q ( x, ω)
u

nghiệm tổng qt của phương trình (2.1) sẽ có dạng
( , )=

trong đó

1(

),

2(

1(

)+

2(

)+ ( , ),

) là nghiệm của phương trình thuần nhất

U ′′( x, ω ) − α 2U ( x, ω) = 0
và
( , ) = (1/ ) ∫0

( − ) ( , )

.

Sử dụng công thức trên chúng ta có thể tính được các lực đầu nút và chuyển
vị nút (Hình 2.1)
1(

) = (0, ),

2(

) = ( , ),


22
1(

)=−

′

(0, ),

2(

′

)=

( , ),

ta có thể biểu diễn
( , ) = ℎ1( ) 1( ) + ℎ2( ) 2( ) + ( , );

(2.3)

{1

2

(2.4)

trong đó
[

( ) 2( )− 1( ) 2( )]

ℎ1( ) = 1
̂ ( , ) =( ,
12

=−

) − [ ( , )/
/ 2( );

2( )]

; ℎ2( ) =

2( );

11 = 1( )/

2( )]/ 2( ); 2( )

2( );

(2.5)
21 =

22

= − ( );

1

=

[

′

( )

2

Hình 2.2.
Chuyển vị
nút và các
lực đầu nút

cho phần tử
dầm.
B
â
y