CHẨN ĐOÁN THƯỜNG XUYÊN
TRẠNG THÁI CÔNG TRÌNH
PGS. TS. LÊ BÁ SƠN
Bộ môn Vật lý
Khoa Khoa học Cơ bản
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài này trình bày những nét chính về chuẩn đoán trạng thái kỹ thuật các công
trình xây dựng theo thời gian.
Summary: This article presents some main points about the diagnosis of technical states
of building contruction.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Các nhà quản lý các công trình xây dựng luôn luôn muốn biết tình trạng kỹ thuật của công
trình để khai thác tốt và bảo dưỡng kịp thời. Thông thường họ thường tổ chức các đoàn kiểm
định tại các thời điểm đặc biệt để đánh giá kịp chất lượng của các công trình quản lý đó. Vấn đề
đặt ra là liệu có phương cách nào kiểm tra chất lượng được thường xuyên hơn và đỡ tốn kém
hơn không? Từ cuối những năm 1990 lại đây cùng với sự phát triển kỹ thuật tự động hoá, công
nghệ tin học kỹ thuật thông tin và viễn thông, một số nước Mỹ, Nhật đã xây dựng công nghệ
chẩn đoán trạng thái kỹ thuật thường xuyên công trình xây dựng. Tình trạng kỹ thuật của các
đường cao tốc, của các công trình cầu quan trọng luôn luôn được cập nhật tại cơ quan quản lý.
CB-CNTT
II. PHƯƠNG THỨC TIẾN HÀNH
Muốn có những thông tin cần thiết về tình trạng công trình, nhà quản lý cần tập trung được
các nhà thiết kế, các nhà khoa học nghiên cứu khoa học (các trường Đại học) các nhà cung cấp
dụng cụ, các nhà thầu có liên quan đến dự án (Ban Quản lý dự án), xây dựng chương trình và
cân nhắc các yếu tố chủ yếu trong hệ thống như sau:
1. Các thông số cần đo.
2. Kiểu đo cần đến: đo tĩnh hay đo động.
3. Độ chính xác cần thiết để cho các phép đo có giá trị.
4. Đo bằng tay, hay đo tự động có điều khiển từ xa.
5. Các điều kiện về môi trường mà các dụng cụ sẽ hoạt động trong đó.
6. Thời gian dụng cụ cần đến.
7. Ngân sách chi cho công tác này.
Các nhà thiết kế thường yêu cầu các số liệu để đánh giá chất lượng như:
1. Tính chất vật liệu bắt buộc dùng trong thiết kế: cường độ vật liệu, mô đun đàn hồi, độ
rão, độ co rút.
2. Tính chất các mặt cắt, vị trí các trục trung hoà.
3. Tính chất của các cấu kiện: độ võng, độ quay.
4. Tính chất của hệ thống như các phản ứng, sự chuyển vị, sự quay, các tần số rung.
5. Tải trọng của môi trường, sự phân bố trường nhiệt độ, tốc độ gió, các địa chấn.
Việc làm trên rất cần để cho các kỹ sư công trình sử dụng để:
- Thẩm định lại các giả định và các thông số đã sử dụng trong thiết kế và thi công công trình.
- Đưa ra các giải pháp kịp thời cho công trình đang được quản lý, khai thác.
- Cải thiện các thiết kế và các tiêu chuẩn kỹ thuật cho tương lai.
- Cung cấp kịp thời cho hệ thống quản lý công trình.
Chúng ta có thể lấy hai ví dụ của các nước về chuẩn đoán tự động thường xuyên ở Mỹ và
kiểm tra chất lượng móng, trụ cầu định kỳ “Đo chấn động bằng va đập” ở Nhật.
III. CÁC MINH HOẠ VỀ KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG CÔNG TRÌNH
3.1. Cây cầu vượt ở thung lũng Bắc Halawa Oahu, Hawaii
CB-
CNTT Đây là cây cầu có dầm hình hộp bê tông dự ứng lực dài khoảng 2 km gồm 2 cầu vượt song
song với nhau. Một cầu gồm 2 làn đường đi vào Hônôlulu cái còn lại gồm 2 làn đi ra Hônôlulu.
Cầu vào dài 1897 m cầu ra dài 1667m … Dự án quan sát bắt đầu từ năm 1995 được tài trợ bởi
Cục Giao thông Hawaii và văn phòng Đường cao tốc liên bang và đang được tiến hành bởi
trường đại học Hawaii tại Manoa. Mục tiêu ban đầu là giám sát độ rão và các ứng suất co ngót
của các kết cấu, cũng như chất lượng các dụng cụ đo, những số liệu quan trắc trên sẽ được khai
thác bởi các phần mềm thiết kế và phân tích.
Để xác định hiệu quả các ảnh hưởng của độ rão và độ co rút lên kết cấu, 7 mặt cắt của cầu
vượt đã đuợc lắp dụng cụ đo. Các thông tin đo được tại mỗi mặt cắt bao gồm: ứng suất bê tông,
lực căng các bó dây, gradien nhiệt độ, nhiệt độ môi trường, độ võng tương đối, độ quay và sự
tịnh tiến. Các dụng cụ có các sensor độ nhậy cao và ổn định bền với thời gian. Ngân sách cũng
cho phép các nhà khoa học tiến hành đo tự động và truyền các thông tin về các nhà quản lý. Đã
10 năm nay các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Hawaii tại Manoa đang tiến hành đều đặn
phân tích các số liệu được thu thập tự động từ cây cầu này.
3.2. Kiểm định các móng trụ cầu ở Nhật bản
Ở Nhật bản, gần đây có nhiều công trình đề cập đến hư hỏng của móng cầu trụ cầu do xói
mòn hay chuyển dịch ngang, hay lún của đất đắp mố cầu. Một trong số đó là phương pháp
không phá huỷ để xác định tình trạng hư hỏng “Đo chấn động bằng va đập “ (impac vibration
test). Phương pháp này nhằm đo tần số riêng của các trụ cầu, móng cầu. Tần số riêng được xác
định từ chất lượng vật liệu (khối lượng riêng của các vật liệu), các kết cấu, độ bền, của trụ và
các đặc tính của đất nền. Khi nền đất xung quanh mố trụ cầu bị thay đổi (bị hổng, bị sụt lún …)
thì tần số riêng thu được sẽ khác đi. Quy trình kiểm tra được mô tả ở hình dưới.
Công thức định lượng tình trạng mố trụ cầu được áp dụng ở Nhật: α = fM/ fs
CB-CNTT
α là chỉ số tình trạng, fM và fs là tần số đo và
tần số dao động riêng ban đầu khi chưa có sụt lún.
Khi α ≤ 0,7 thì phải đánh giá xem xét phục hồi
cầu vì trụ cầu, móng cầu đã bị xói mòn.
Bằng mắt thường rất khó có thể biết tình
trạng của móng, trụ cầu do chúng ở dưới nước
hoặc dưới đất. Nhưng khi sử dụng phương pháp
“Đo chấn động bằng va đập “chúng ta dễ dàng
phát hiện các độ sụt lún. Phương pháp này được
sử dụng để đánh giá tình trạng các cầu đường sắt
ở Nhật sau trận động đất Hanshi A waij vào năm
năm 1995. Sau đó đã được triển khai để đánh giá
tình trạng an toàn và các cho các cầu đường bộ,
các công trình xây dựng, kiến trúc khác.
IV. KẾT LUẬN
Độ bền của công trình giảm dần theo thời gian
dưới tác động rất nhiều yếu tố của môi trường. Thời
gian khai thác công trình phụ thuộc vào chất lượng
công trình, do đó chẩn đoán chất lượng theo thời
gian công trình đang là vấn đề khoa học được nhiều
nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau hợp
tác nghiên cứu để hoàn thiện các quy trình, hệ thống thiết bị đo, các tính chất vật liệu, kết cấu theo
thời gian khai thác công trình. Trong đó công tác kiểm tra và đánh giá công trình cầu đặc biệt lưu ý
đến việc phân tích các lĩnh vực: vật lý, cơ học. Các kết quả đo tự động còn đòi hỏi các phương pháp
tính, các phần mềm thuộc công nghệ tin học và kỹ thuật truyền tin hiện đại. Vấn đề trên trong những
năm gần đây đã được các nhà khoa học trường Đại học Giao thông Vận tải nghiên cứu lý thuyết và
đang nghiên cứu triển khai ở hiện trường với kết quả khả quan và hy vọng trong tương lai gần có thể
cung cấp những thông tin bổ ích cho các nhà quản lý các công trình Biển - Đảo.
Qu¶ t¹
M¸y ghi ©m
§Çu thu sãng
Ghi sãng vμ ph©n tÝch
Phæ Fourier
TÇn sè tù nhiªn
( Hz )
A
( )
Tài liệu tham khảo
[1]. T. Sakata. Khai thác và duy tu bảo dưỡng hiệu quả cầu trên đường cao tốc và các kết cấu bên dưới.
Phần 3 Móng cầu, Sankaido,2005.4
[2] . T. Sakata, T.Tsuchida and A Okazaki. Quản lý chu kỳ dự án cầu và các công trình khác, Hội thảo khoa học
Việt Nam - Nhật Bản lần thứ nhất về cơ sở hạ tầng và giao thông đô thị, trang 116-128. 2004.11.
[3]. Alison B.Flautau and Blilie Fspencer, Jr. Bio-inspired Sensing and actuation in Engineered Systems,
The 4 th International Conference on Advances in Sctructural Engineering and Mechanics Jeiu. Korea,
May 26-28.2008♦