Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm ứng dụng phương pháp độ cứng động lực để mô phỏng tính toán kết cấu khung có vết nứt và sau đo sử dụng để chẩn đoán vết nứt có thể tồn tại trong kết cấu bằng các tần số riêng . Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH – 2021
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
i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án “Chẩn đoán vết nứt trong cần trục tháp bằng phương pháp thử nghiệm động”, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện mọi mặt của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ quản lý, đào tạo Viện Cơ Học, Viện Cơ học và Tin học ứng dụng; Ban Giám đốc và các phòng, ban chức năng Học Viện Khoa Học và Công Nghệ. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm, TS. Lê Duy Thạc đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này. Thầy là người đã dạy cho tôi sự nghiêm túc trong khoa học, đã luôn ủng hộ và dìu dắt tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu khoa học. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp của tôi tại Công ty Cổ Phần Kiểm Định và Huấn Luyện An Toàn Vệ Sinh Lao Động TP.Hồ Chí Minh; các cơ quan, đơn vị liên quan trong quá trình tổng hợp, khảo sát thực tế, xây dựng mô hình và thử nghiệm để đạt được các kết quả nghiên cứu trong đề tài. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Đặng Xuân Trọng
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu, dữ liệu và kết quả sử dụng trong luận án có nguồn gốc rõ ràng; các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận án Đặng Xuân Trọng
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………… i LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………………………. ii MỤC LỤC ………………………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ……………………………… v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ………………………………………………… vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ …………………………………………. viii MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………… 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4 1.1. Tổng quan về thiết bị nâng hạ .......................................................................... 4 1.1.1. Sơ lược về thiết bị nâng hạ ........................................................................ 4 1.1.2. Một số hư hỏng của cần trục tháp và kiểm tra không phá huỷ trong quy trình kiểm định thiết bị nâng...................................................................... 7 1.1.3. Một số tai nạn điển hình và vấn đề an toàn trong vận hành cần trục tháp 8 1.1.4. Công tác kiểm định kỹ thuật an toàn cần trục tháp tại Việt Nam ............ 10 1.2. Tổng quan về vấn đề chẩn đoán hư hỏng cần trục tháp ................................. 11 1.2.1. Tổng quan về động lực học kết cấu cần trục ........................................... 11 1.2.2. Tổng quan về chẩn đoán vết nứt trong kết cấu khung ............................. 14 1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu .................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC CỦA KẾT CẤU THÁP CÓ VẾT NỨT ………………………………………………………….. 19 2.1. Phương pháp độ cứng động lực [48] .............................................................. 19 2.1.1. Nội dung phương pháp độ cứng động lực ............................................... 19 2.1.2. Ma trận độ cứng động lực của phần tử thanh, dầm ................................. 21 2.1.2.1. Mô hình độ cứng động của phần tử thanh, dầm chịu tải trọng phân bố ..............................................................................................21 2.1.2.2. Ma trận độ cứng động lực của phần tử thanh, dầm có vết nứt ..........24 2.2. Mô hình độ cứng động của kết cấu tháp có vết nứt ....................................... 28
iv 2.2.1. Lưới chia nút và phần tử .......................................................................... 28 2.2.2. Chuyển vị nút (cục bộ và tổng thể).......................................................... 29 2.2.3. Lực đầu nút .............................................................................................. 30 2.3. Kết luận Chương 2 ......................................................................................... 36 CHƯƠNG 3. CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU KHUNG THÁP BẰNG TẦN SỐ RIÊNG …………………………………………… 37 3.1. Bài toán chẩn đoán hư hỏng kết cấu bằng các đặc trưng động lực học ......... 37 3.2. Đáp ứng của kết cấu khung tháp chịu tải trọng di động................................. 41 3.3. Ảnh hưởng của vết nứt đến tần số riêng của kết cấu khung tháp .................. 47 3.4. Tiêu chuẩn đồng dạng để xác định phần tử bị nứt bằng tần số riêng ............. 56 3.4.1. Bài toán xác định phần tử bị nứt trong kết cấu khung tháp ..................... 56 3.4.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu cho bài toán xác định phần tử bị nứt ................. 57 3.5. Kết luận Chương 3 ......................................................................................... 63 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH KẾT CẤU KHUNG THÁP CÓ VẾT NỨT ……………………………………………… 64 4.1. Cơ sở phương pháp thử nghiệm động [55] .................................................... 64 4.2. Mô hình và thiết bị thí nghiệm ....................................................................... 66 4.3. Kết quả đo đạc thực nghiệm và xử lý số liệu đo ............................................ 70 4.4. Áp dụng tiêu chuẩn đồng dạng để xác định phần tử bị nứt............................ 72 4.5. Kết luận Chương 4 ......................................................................................... 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………………………………. 76 DANH SÁCH CÔNG TRÌNH ĐƯỢC CÔNG BỐ ………………………………. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………… 79
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A tiết diện mặt cắt ngang. BLĐTBXH Bộ Lao động Thương binh và Xã hội BXD Bộ Xây Dựng. 𝐃(𝜔) ma trận độ cứng động lực. DSM Dynamic Stiffness Method – Phương pháp ma trận độ cứng động lực. e, a lần lượt là vị trí và độ sâu vết nứt. E,  lần lượt là mô đun đàn hồi và mật độ khối của vật liệu. Ej phần tử thanh, dầm thứ j. FEM Phương pháp phần tử hữu hạn.  độ lớn vết nứt tỷ lệ với độ sâu vết nứt. H() Hàm đáp ứng tần số. K Độ cứng tương đương của lò xo xoắn. L chiều dài của phần tử thanh, dầm. 𝓛 là một toán tử vi phân tuyến tính trong không gian. m Khối lượng. [M], [C], [K] lần lượt là các ma trận khối lượng, hệ cản và độ cứng. 𝓜 là toán tử quán tính. Nj các điểm nút trên phần tử thanh dầm. Nij, Qij, Mij Lực đầu nút của phần tử.  tần số riêng. QTKĐ Quy trình kiểm định. QCVN Quy chuẩn Việt Nam.
vi SWL Tải trọng làm việc an toàn. T Độ cứng tương đương của lò xo dọc trục. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam UBND Uỷ ban Nhân dân u( x, y, z, t ) trường chuyển vị của phần tử trong miền thời gian. U ( x, y, z, ), Q( x, y, z, ) trường chuyển vị của phần tử và phân bố tải trọng trong miền tần số. {𝑼}, {𝑷} lần lượt là véc tơ chuyển vị nút và tải trọng nút. 𝑼𝒆 (𝜔) 𝑵𝑒 (𝜔) 𝑷(𝜔) lần lượt là véc tơ chuyển vị nút và véc tơ lực đầu nút, tải trọng nút trong miền tần số. 𝑈(𝑥, 𝜔), 𝑄(𝑥, 𝜔) lần lượt là biên độ phức (biến đổi Fourier) của chuyển vị dọc trục và tải trọng phân bố.
vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Chuyển vị nút – bậc tự do cục bộ của phần tử biểu diễn qua chuyển vị nút tổng thể. ...................................................................................................29 Bảng 3.1. Các tham số vật liệu và hình học của kết cấu tháp. …………………… 43 Bảng 3.2. Năm tần số riêng đầu tiên của kết cấu tháp có một vết nứt tại các phần tử khác nhau với độ sâu khác nhau từ 0% - 50%......................................... 58 Bảng 3.3. Năm tần số riêng đầu tiên của cần trục có hai và ba vết nứt tại hai phần tử khác nhau với độ sâu khác nhau từ 0% - 50%......................................... 59 Bảng 4.1. Số liệu thiết kế mô hình thực nghiệm cần trục tháp……………………. 66 Bảng 4.2. So sánh tần số riêng đo đạc thực nghiệm với tính toán mô phỏng số….. 71 Bảng 4.3. Sự thay đổi ba tần số riêng đầu tiên của cần trục trong ba phương án thực nghiệm vết nứt…………………………………………………………. 74 Bảng 4.4. Kết quả chẩn đoán phần tử bị nứt từ số liệu đo đạc cho trong Bảng 4.3.. 74
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Một số máy trục thông dụng .......................................................................4 Hình 1.2. Kết cấu chung tổng thể của cần trục tháp. ..................................................5 Hình 1.3. Mô hình thí nghiệm trên một cầu trục [17]. ..............................................12 Hình 1.4. Mô hình cần trục tháp sử dụng nhiều puly [19]. .......................................13 Hình 1.5. Một số mô hình rút gọn của cần trục tháp [22]. ........................................13 Hình 2.1. Chuyển vị nút và lực đầu nút của phần tử thanh. ......................................21 Hình 2.2. Chuyển vị nút và các lực đầu nút cho phần tử dầm. .................................22 Hình 2.3. Sơ đồ nút và phần tử của kết cấu tháp.......................................................29 Hình 2.4. Xác định các chuyển vị nút tổng thể. ........................................................30 Hình 2.5. Xác định các lực nút trong cần trục. .........................................................31 Hình 3.1. Sơ đồ chẩn đoán hư hỏng kết cấu công trình. ...........................................39 Hình 3.2. Mô hình cần cẩu chịu tải trọng di động. ...................................................42 Hình 3.3. Đáp ứng tần số tại các nút 2(a), 3(b) và 4(c) với các vận tốc di chuyển của tải trọng. ...................................................................................................45 Hình 3.4. Phân bố độ võng (a), mô men uốn (b) và lực cắt (c) trên phần tử E2 ứng với các vận tốc di chuyển của tải trọng. ..................................................46 Hình 3.5. Sự thay đổi ba tần số đầu theo vị trí vết nứt thay đổi dọc theo cột chính ứng với độ sâu vết nứt khác nhau từ 10% - 40%. ....................................48 Hình 3.6. Sự thay đổi ba tần số đầu tiên theo vị trí vết nứt thay đổi dọc theo cần chính ứng với các độ sâu khác nhau từ 10 % – 40 %. .............................50 Hình 3.7. Sự thay đổi ba tần số đầu tiên theo vị trí vết nứt thay đổi trên cần đối trọng ứng với các độ sâu khác nhau từ 10 % – 40%. ..............................52 Hình 3.8. Sự thay đổi tần số thứ tư theo vị trí vết nứt:(a) - vết nứt trên cột chính; (b) - vết nứt trên cần chính; (c) - vết nứt trên cần đối trọng ứng với các độ sâu khác nhau từ 10 % – 40%. .................................................................53
ix Hình 3.9. Sự thay đổi tần số thứ năm theo vị trí vết nứt: (a) - vết nứt trên cột chính; (b) - vết nứt trên cần chính; (c) - vết nứt trên cần đối trọng ứng với các độ sâu khác nhau từ 10 % – 40%. ............................................................55 Hình 3.10. Sự thay đổi trung bình của 5 tần số riêng đầu tiên do một vết vết nứt xuất hiện trong phần tử 1, cột chính (a), phần tử 2, cần chính (b) và phần tử 4, cần đối trọng (c). ......................................................................................61 Hình 3.11. Sự thay đổi trung bình của 5 tần số riêng đầu tiên do hai vết vết nứt xuất hiện trong 2 phần tử E1 và E2 - cột chính và cần chính (a); phần tử E1 và E2 (cột và cần chính (b) và phần tử E1 và E4, và hai phần tử E1 và E4 (cần đối trọng) (c). ...................................................................................62 Hình 3.12. Sự thay đổi trung bình của 5 tần số riêng đầu tiên do ba vết nứt xuất hiện trong cả ba phần tử E1, E2 và E4 - cột chính và cần chính (a); phần tử E1 và E2 (cột và cần chính (b) và phần tử E1 và E4, và hai phần tử E1 và E4 (cần đối trọng). ...................................................................................63 Hình 4.1. Mô hình thực nghiệm kết cấu khung tháp.................................................67 Hình 4.2. Hệ thống đo rung động và ồn PULSE.......................................................68 Hình 4.3. Các đầu đo gia tốc sử dụng cho PULSE 360. ...........................................69 Hình 4.4. Hàm đáp ứng tần số đo đạc. ......................................................................70 Hình 4.5. Sự thay đổi ba tần số riêng đầu tiên do một vết nứt xuất hiện tại cột chính. .............................................................................72 Hình 4.6. Sự thay đổi ba tần số đầu tiên do hai vết nứt trong cột chính và cần chính. .................................................................................................................73 Hình 4.7. Sự thay đổi ba tần số đầu tiên do ba vết nứt tại cột, cần chính và cần đối trọng. ........................................................................................................73
1 MỞ ĐẦU Cần trục tháp là một thiết bị nâng hạ được sử dụng khá phổ biến ở nước ta trong xây dựng công trình, bốc dỡ và vận chuyển hàng hóa. Vì vậy việc đảm bảo an toàn kỹ thuật trong việc sử dụng thiết bị là hết sức quan trọng. Để đảm bảo an toàn kỹ thuật, tức là không 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 dò tìm khuyết tật hay vết nứt trong một kết cấu công trình hay thiết bị cần đến một công cụ khảo sát gián tiếp từ xa. Một trong những công cụ ấy chính là việc chẩn đoán, dò 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 nguyên vẹn ban đầu không 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 còn 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 mô phỏng tính toán kết cấu khung có vết nứt và sau đó sử dụng để chẩn đoán 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 mô 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 đoán và được mô tả bằng các lò 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 không phải chỉ ở độ chính xác của việc tính toán các tần số riêng mà là ở chỗ nó cho phép ta tính toán 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 công 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 mô 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 mô hình kết cấu tháp trong phòng 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 mô hình độ cứng động ở dạng tường minh cho một kết khung phẳng có vết nứt, một mô 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 toán đáp ứng phổ (chuyển vị, mô 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 mô hình cần trục tháp trong phòng thí nghiệm nhằm kiểm định mô hình và kết quả mô 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 mô hình cần trục tháp. Các kết quả đã được công bố trong 02 báo cáo Hội nghị khoa học toàn quốc, 01 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 Công 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 thông 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 thông 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 công các công trình xây dựng với khối lượng hàng hoá, cấu kiện vật tư thi công, 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 công tác xây dựng các công trình có chiều cao lớn, trong đó có nhà cao tầng. Ngoài tháp và cần, cần trục tháp còn 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 thông số liên quan đến kích thước công trình xây dựng. Tầm với tối ưu của cần trục tháp có thể đạt tới 80% tầm với toàn 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 công 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 công trình một khoảng cách không nhỏ hơn 20% chiều cao công trình. Hình 1.2. Kết cấu chung tổng thể của cần trục tháp. Để xây dựng các công 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, còn để xây dựng các công 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 công các công 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 công 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 công các công trình công nghiệp như các công trình thủy điện, trung tâm thương mại, tháp truyền hình, chung cư cao tầng, các nhà máy, các khu công nghiệp. Các cần trục này có thể được lắp đặt dưới đáy hố công 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 mô 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, còn của cần trục tự nâng được lắp trên công 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 công trình ngầm nằm sâu dưới lòng đất. Ở Việt Nam, với tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước; các công trình trọng điểm, các đô thị hiện đại được phát triển và mở rộng; việc sử dụng cần trục tháp là nhu cầu tất yếu, đặc biệt với các công trình có chiều cao lớn. Thời gian qua điển hình như tại: Công trình trung tâm thương mại Vincom, Công trình Bitexco
7 Sài Gòn, Lotte Hà Nội, Kengnam Hà Nội, Landmark 81, Công trình thủy điện Lai Châu, Công trình Thuỷ điện Sơn La, …v.v. 1.1.2. Một số hư hỏng của cần trục tháp và kiểm tra không 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 công trình xây dựng hoặc liên kết giữa các đoạn, đốt thân và cần của cần trục tháp không đảm bảo an toàn. Trong thực tế quá 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, còn 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 ngoài. 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 không thể dự đoán được những nơi nào khuyết tật sẽ hình thành và phát triển. NDT đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm. Đặc biệt trong quá trình vận hành đối với các công trình và máy móc, thiết bị NDT được sử dụng rộng rãi nhằm tăng độ an toàn trong quá 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 không 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. Ngoài 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 toàn 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 công 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 công 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 Công trình thi công Khu tái định cư đường Chu Văn An, phường 12, quận Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh do Tổng Công ty CP Thương Mại Xây Dựng làm chủ đầu tư, cẩu tháp cao 45 mét, tay cần dài 50 mét đổ sập làm 01 người chết và 01 người bị thương nặng; - Ngày 24/12/2012 cần trục tháp đang thi công tại Toà 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 không đủ khả năng chịu lực; - Ngày 18/11/2015 tại Công trình xây dựng trụ sở ngân hàng BIDV Đông Hải Phòng do Công 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 Công 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 Công 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 Công 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 đòi hỏi công 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 hoá, hoàn thiện thống nhất ban hành các quy chuẩn, quy trình kiểm định thiết bị và các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn chính là công 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, hoán cải mà không có sự hỗ trợ kỹ thuật từ nhà sản xuất; nhiều cần trục không 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 không được thẩm tra, thẩm định của đơn vị sử dụng hoặc chủ đầu tư công trình; không có hồ sơ niêm yết các đặc tính kỹ thuật an toàn của thiết bị và quy định cụ thể về năng lực của người vận hành cần trục tháp; Vì vậy, những yêu cầu an toàn 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