Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của nghiên cứu là ứng dụng và phát triển các phương pháp xử lý tín hiệu dao động để phát hiện các hƣ hỏng, cụ thể là vết nứt trong kết cấu phục vụ việc chẩn đoán kỹ thuật công trình.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------- NGUYỄN VĂN QUANG PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT KẾT CẤU HỆ THANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà nội - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------- NGUYỄN VĂN QUANG PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT KẾT CẤU HỆ THANH Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Việt Khoa Hà nội - 2018
i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn gia đình, đồng nghiệp đã động viện ủng hộ tôi trong thời gian thực hiện luận án.
ii LỜI CAM ĐOAN Các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Tác giả luận án Nguyễn Văn Quang
iii MỤC LỤC DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................................... ix MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1 1. Giới thiệu chung........................................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................................. 2 3. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................................... 3 4. Bố cục của luận án .................................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................................................. 5 1.1. Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình.................................................................................. 5 1.2. Các phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng của kết cấu dựa trên tham số động lực học của kết cấu ........................................................................................................................................................ 6 1.3. Phƣơng pháp phân tích wavelet nhằm phát hiện hƣ hỏng của kết cấu................................. 16 1.4. Kết luận ................................................................................................................................ 30 CHƢƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM CÓ VẾT NỨT ................................................ 33 2.1. Giới thiệu về vết nứt trên quan điểm cơ học phá hủy .......................................................... 33 2.2. Mô hình phần tử hữu hạn cho dầm 2D và 3D chứa vết nứt ................................................. 36 2.2.1. Dầm 2D chứa vết nứt ................................................................................................... 36 2.2.2. Dầm 3D chứa vết nứt ................................................................................................... 39 2.3. Phƣơng trình dao động của kết cấu theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn ............................. 45 2.4. Kết luận ................................................................................................................................ 48 CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ..................................................................................................................................... 49 3.1. Phƣơng pháp phân tích wavelet ........................................................................................... 50 3.1.1. Biến đổi wavelet liên tục và biến đổi ngược ................................................................ 50
iv 3.1.2. Phổ năng lượng wavelet .............................................................................................. 52 3.1.3. Các hàm wavelet .......................................................................................................... 56 3.2. Phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử trong miền tần số ................................................... 60 3.3. Kết luận ................................................................................................................................ 70 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT......................................................................... 72 4.1. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu dầm xảy ra trong quá trình động đất bằng phƣơng pháp phân tích phổ wavelet .......................................................................................................... 72 4.1.1. Dao động của dầm có vết nứt dưới tác động của động đất ......................................... 72 4.1.2. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột bằng phân tích phổ wavelet từ tín hiệu mô phỏng số ............................................................................................................................................... 74 4.1.3. Kết luận ........................................................................................................................ 77 4.2. Bài toán phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lƣợng tập trung bằng phƣơng pháp phân tích wavelet .................................................................................................................................. 78 4.2.1. Kết quả mô phỏng số ................................................................................................... 81 4.2.2. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến dao động tự do của hệ dầm kép nguyên vẹn ............................................................................................................................................... 83 4.2.3. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên của hệ dầm kép chứa vết nứt ............................................................................................................................................... 85 4.2.4. Kết luận ........................................................................................................................ 88 4.3. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử .......... 88 4.3.1. Phát hiện vết nứt của dầm ........................................................................................... 88 4.3.2. Phát hiện vết nứt của khung......................................................................................... 98 4.3.3. Phát hiện vết nứt của giàn cao tầng .......................................................................... 101 4.3.4. Kết luận ...................................................................................................................... 104 4.4. Kết luận .............................................................................................................................. 105 CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ........................................................................... 108 5.1. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột của dầm bằng phƣơng pháp wavelet ............................. 108 5.2. Phát hiện vết nứt của giàn bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử........................... 113
v 5.3. Kết luận .............................................................................................................................. 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................ 119 1. Kết luận của luận án .............................................................................................................. 119 2. Phạm vi áp dụng của luận án và công việc cần tiếp tục thực hiện trong tƣơng lai ............... 120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................................................. 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 122 PHỤ LỤC....................................................................................................................................... 134
vi DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT E mô đun đàn hồi (N/m2).  mật độ khối (kg/m3).  hệ số Poisson. a chiều cao vết nứt (m). b, h tƣơng ứng chiều rộng, chiều cao hình chữ nhật (m). I mô men quán tính hình học mặt cắt ngang (m4). L chiều dài dầm (m). Lc vị trí xuất hiện vết nứt (m).  tần số dao động riêng của dầm (rad/s) M, K, C lần lƣợt là ma trận khối lƣợng, độ cứng và cản tổng thể của dầm theo công thức phần tử hữu hạn (nn). ,  hệ số cản Rayleigh. M mô men (Nm). P lực dọc trục (N). F lực (N). EI độ cứng chống uốn (Nm2). IF tần số tức thời (Hz).
vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1. Ba kiểu vết nứt cơ bản...................................................................................................... 34 Hình 2.2. Mô hình vết nứt mở. ......................................................................................................... 35 Hình 2.4. Mô hình phần tử. .............................................................................................................. 38 Hình 2.5. Mô hình 3D của phần tử có chứa vết nứt. ........................................................................ 39 Hình 3.1. Cây phân tích tín hiệu thành xấp xỉ và chi tiết. ................................................................ 52 Hình 3.2. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số không đổi trong quá trình dao động. 54 Hình 3.3. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số thay đổi trong quá trình dao động. .. 54 Hình 3.4. Hàm Haar. ........................................................................................................................ 56 Hình 3.5. Hàm Daubechies. ............................................................................................................. 57 Hình 3.6. Hàm Symlet...................................................................................................................... 58 Hình 3.7. Hàm Coiflets. ................................................................................................................... 58 Hình 3.8. Hàm Morlet. ..................................................................................................................... 59 Hình 3.9. Hàm Mexican Hat. ........................................................................................................... 59 Hình 3.10. Hàm Meyer. ................................................................................................................... 60 Hình 4.1. Mô hình của dầm nguyên vẹn. ......................................................................................... 73 Hình 4.2. Mô hình dầm chứa vết nứt. .............................................................................................. 73 Hình 4.3. Tần số tức thời của dầm. .................................................................................................. 76 Hình 4.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt. .............................................................................. 77 Hình 4.5. Phần tử dầm kép chịu tác động của khối lƣợng tập trung. ............................................... 78 Hình 4.6. Sáu dạng riêng đầu tiên. ................................................................................................... 82 Hình 4.7. Ba dạng riêng đầu tiên, mối liên hệ giữa tần số và vị trí khối lƣợng. .............................. 84 Hình 4.8. Tần số và vị trí khối lƣợng của dầm kép chứa vết nứt. .................................................... 85 Hình 4.9. Chênh lệch tần số đầu tiên df giữa hệ dầm kép chứa vết nứt và hệ dầm kép nguyên vẹn.86 Hình 4.10. Biến đổi wavelet đối với tần số tự nhiên đầu tiên. ......................................................... 87 Hình 4.11. Phân bố chỉ số độ cứng phần tử bằng giải tích đối với 5 độ sâu vết nứt. ....................... 89 Hình 4.12. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, không có nhiễu. .................................... 91
viii Hình 4.13. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu của vết nứt, khi không có nhiễu........................... 92 Hình 4.14. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử. ............................................................... 93 Hình 4.15. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, có nhiễu và không có nhiễu. ................... 94 Hình 4.16. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, nhiễu 0%............................................... 95 Hình 4.17. Chiều cao của 2 đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khi không có nhiễu. ............................. 96 Hình 4.18. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử. ............................................................... 97 Hình 4.19. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ........... 98 Hình 4.20. Chiều cao của đỉnh dh2 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ........... 98 Hình 4.21. Mô hình khung trong mặt phẳng X-Z. ........................................................................... 99 Hình 4.22. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, nhiễu 0%. .................. 100 Hình 4.23. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, có nhiễu. .................... 100 Hình 4.24. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ......... 101 Hình 4.25. Mô hình giàn cao tầng. ................................................................................................. 102 Hình 4.26. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt. ................... 103 Hình 4.27. Mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh dh với độ sâu vết nứt. ....................................... 104 Hình 5.1. Dầm chứa vết nứt, đặt trên bàn rung. ............................................................................. 109 Hình 5.2. Phổ Fourier của gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0%. ................................................ 110 Hình 5.3. Tần số tức thời của dầm. ................................................................................................ 112 Hình 5.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt. ............................................................................ 113 Hình 5.5. Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Viện Cơ học – VAST. ........................................ 114 Hình 5.6. Đo đáp hàm đáp ứng tần số bằng máy PULSE. ............................................................. 115 Hình 5.7. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt. ..................... 116 Hình 5.8. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt. ................................................................. 117
ix DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1. Tần số tự nhiên của dầm chứa hai vết nứt. ...................................................................... 74 Bảng 4.2. Tần số tự nhiên của dầm kép. .......................................................................................... 82 Bảng 4.3. Tần số tự nhiên của dầm công xôn với khối lƣợng tập trung đặt tại đỉnh đầu dầm. ........ 83 Bảng 5.1. Vết nứt với độ sâu khác nhau, tại vị trí Lc  L 2 . ...................................................... 108
1 MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung Hƣ hỏng trong kết cấu là một vấn đề nghiêm trọng thƣờng xảy ra trong các loại kết cấu nhƣ kết cấu cơ khí, kết cấu công trình dân dụng, kết cấu hàng không v.v. Các kết cấu này thƣờng xuyên chịu các tải trọng lặp đi lặp lại trong quá trình hoạt động hoặc tác động của thiên nhiên, của con ngƣời. Sau một thời gian dài chịu tác động của tải trọng lặp lại này thì các hƣ hỏng sẽ xuất hiện, đặc biệt là các vết nứt mỏi. Các vết nứt mỏi này sẽ tiếp tục phát triển cho đến khi kết cấu vƣợt quá khả năng chịu tải có thể gây nên sự sụp đổ của kết cấu. Vì vậy, việc phát hiện sớm các hƣ hỏng trong kết cấu là một vấn đề hết sức quan trọng. Hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật đƣợc công bố và áp dụng trong lĩnh vực phát hiện hƣ hỏng của kết cấu. Có hai phƣơng pháp giám sát kết cấu chính đó là phƣơng pháp giám sát phá hủy và phƣơng pháp giám sát không phá hủy. Phƣơng pháp giám sát phá hủy là các phƣơng pháp giám sát trong đó hƣ hỏng đƣợc quan sát trực tiếp bằng mắt thƣờng, kết cấu cần phải đƣợc tháo rời thậm chí cƣa, cắt nhằm đo đạc trực tiếp các tham số hƣ hỏng. Phƣơng pháp này đánh giá một cách chính xác, cụ thể vị trí, hình dáng và kích thƣớc của các hƣ hỏng. Tuy nhiên, rất tốn kém do kết cấu phải dừng hoạt động và phải đƣợc tháo rời để kiểm tra, đánh giá. Phƣơng pháp không phá hủy là phƣơng pháp không trực tiếp, giám sát kết cấu thông qua việc phân tích các phản ứng của kết cấu. Các phƣơng pháp giám sát kết cấu không phá hủy có thể kể đến: phƣơng pháp dao động, phƣơng pháp tĩnh, phƣơng pháp âm v.v. Trong các phƣơng pháp này thì phƣơng pháp dao động là phƣơng pháp đƣợc quan tâm và ứng dụng nhiều hơn cả do các tín hiệu dao động chứa nhiều thông tin về hƣ hỏng và thƣờng dễ dàng đo đạc, rẻ tiền. Các phƣơng pháp phát hiện vết nứt bằng tín hiệu dao động thƣờng dựa trên hai yếu tố chính, đó là: đặc trƣng động lực học của kết cấu và các phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động. Khi có vết nứt, các đặc trƣng động lực học của kết cấu nhƣ dạng dao động riêng, tần số riêng, độ cứng, phản ứng động v.v. sẽ bị thay đổi. Trạng thái của vết nứt trong quá trình dao động cũng rất quan trọng trong việc phát
2 hiện vết nứt. Vết nứt có thể luôn mở trong quá trình dao động đƣợc gọi là vết nứt mở hoàn toàn. Nhƣng vết nứt cũng có thể đóng và mở liên tục trong quá trình dao động, loại vết nứt này đƣợc gọi là vết nứt “thở” (breathing). Khi vết nứt “thở” thì các cạnh của vết nứt sẽ đóng và mở liên tục tạo nên những méo mó trong tín hiệu dao động tại các thời điểm đóng và mở của vết nứt. Nếu có thể phân tích đƣợc sự thay đổi trong quá trình “thở” thì sự tồn tại của vết nứt có thể đƣợc phát hiện. Điều này là rất hữu ích cho việc phát triển các phƣơng pháp để phát hiện vết nứt. Trong thực tế sự thay đổi các đặc trƣng động lực học của kết cấu gây nên bởi vết nứt thƣờng rất nhỏ và khó có thể phát hiện trực tiếp từ tín hiệu đo dao động. Để có thể phát hiện đƣợc những thay đổi nhỏ này cần phải có các phƣơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại. Trong lĩnh vực xử lý tín hiệu dao động thì biến đổi Fourier đã đƣợc biết đến nhƣ là một công cụ mạnh và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong một thời gian dài. Mặc dù vậy, việc biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số của phép biến đổi Fourier thì thông tin về thời gian sẽ bị mất, nên phép biến đổi này không thể phân tích đƣợc những sự kiện chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn. Để khắc phục khó khăn này, các phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số hiện đang đƣợc phát triển và ứng dụng mạnh trong nhiều lĩnh vực. Các phƣơng pháp này có thể kể đến nhƣ phƣơng pháp biến đổi Short - time Fourier Transform (STFT), phƣơng pháp Wavelet Transform (WT) v.v. Các phƣơng pháp này sẽ phân tích tín hiệu trong hai miền thời gian và tần số. Khi sử dụng các phƣơng pháp này thì tín hiệu theo thời gian sẽ đƣợc biểu diễn trong miền tần số trong khi những thông tin về thời gian vẫn đƣợc giữ lại. Chính vì thế các phƣơng pháp thời gian - tần số sẽ rất hữu ích trong việc phân tích các biến đổi nhỏ hoặc méo mó trong tín hiệu dao động gây ra bởi vết nứt. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của nghiên cứu là ứng dụng và phát triển các phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động để phát hiện các hƣ hỏng, cụ thể là vết nứt trong kết cấu phục vụ việc chẩn đoán kỹ thuật công trình. Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:
3 1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt đến các đặc trƣng động lực học của kết cấu. 2. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phƣơng pháp xử lý tín hiệu thời gian - tần số trong việc phát hiện vết nứt. 3. Ứng dụng và phát triển phƣơng pháp xử lý tín liệu dao động trong miền thời gian - tần số để phát hiện vết nứt. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu là phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Phƣơng pháp nghiên cứu có thể đƣợc mô tả nhƣ sau: Trƣớc tiên, các đặc trƣng động lực học của kết cấu có vết nứt nhƣ tần số riêng, dạng riêng đƣợc tính toán và nghiên cứu thông qua phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Các tín hiệu dao động của kết cấu khi có vết nứt mở hoàn toàn sẽ đƣợc khảo sát. Tiếp theo, phƣơng pháp xử lý tín hiệu thời gian - tần số đƣợc ứng dụng để phân tích các tín hiệu dao động mô phỏng của kết cấu chứa vết nứt. Phát triển một phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động để phát hiện sự thay đổi của độ cứng phần tử, từ đó phát hiện vết nứt. Thực hiện một số thí nghiệm nhằm kiểm chứng tính hiệu quả của các phƣơng pháp đƣợc ứng dụng trong luận án. 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 5 chƣơng và phần mở đầu, phần kết luận, phần danh mục công trình của tác giả, phần tài liệu tham khảo, phần phụ lục. Phần mở đầu giới thiệu về vấn đề sẽ nghiên cứu trong luận án. Chƣơng 1 trình bày tổng quan một số nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới về các phƣơng pháp phát hiện vết nứt dựa trên đặc trƣng động lực học của kết cấu, các phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số phục vụ việc phân tích và phát hiện vết nứt. Chƣơng 2 trình bày cơ sở lý thuyết của động lực học kết cấu có vết nứt.
4 Chƣơng 3 trình bày cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số và cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử ứng dụng trong việc phát hiện vết nứt. Chƣơng 4 trình bày các ứng dụng cụ thể của phƣơng pháp thời gian - tần số và phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử để phát hiện vết nứt trong các kết cấu khác nhau. Chƣơng 5 trình bày một số thí nghiệm kiểm chứng các phƣơng pháp đã phát triển và ứng dụng trong luận án. Phần kết luận trình bày các công việc đã thực hiện, các kết quả đạt đƣợc của luận án và một số vấn đề chƣa đƣợc giải quyết, cần tiếp tục thực hiện trong tƣơng lai. Danh sách các công trình đã công bố có liên quan đến nội dung luận án đƣợc trình bày trong phần danh mục công trình của tác giả. Danh sách các tài liệu đƣợc trích dẫn trong luận án đƣợc trình bày trong phần tài liệu tham khảo.
5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình Hiện nay, để phát hiện hƣ hỏng trong kết cấu ngƣời ta có thể sử dụng phƣơng pháp trực tiếp hoặc phƣơng pháp gián tiếp. Phƣơng pháp trực tiếp bao gồm việc quan sát bằng mắt thƣờng, quay phim chụp ảnh, hoặc tháo dời các chi tiết của kết cấu để kiểm tra v.v. Phƣơng pháp gián tiếp là phƣơng pháp phân tích các tín hiệu phản ứng của kết cấu dƣới tác động từ bên ngoài để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu. Các phƣơng pháp gián tiếp có thể kể đến nhƣ phƣơng pháp âm học, quang học, dao động v.v. Các phƣơng pháp trực tiếp thƣờng cho kết quả rõ ràng nhƣng phụ thuộc vào chủ quan của ngƣời quan sát và rất tốn kém về thời gian và tiền bạc, thậm chí không thể phát hiện đƣợc hƣ hỏng ở những nơi không thể tiếp cận đƣợc. Trong khi đó phƣơng pháp gián tiếp thƣờng tiết kiệm đƣợc thời gian và tiền bạc. Trong các phƣơng pháp gián tiếp thì các phƣơng pháp dao động hiện đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Trong thực tế, hƣ hỏng dạng vết nứt là dạng hƣ hỏng tiềm ẩn, rất nguy hiểm do khó quan sát và nó sẽ phát triển từ từ cho đến khi chịu tải trọng lớn có thể gây nên sụp đổ kết cấu. Vì vậy, các phƣơng pháp dao động để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu sẽ đƣợc ứng dụng trong đề tài luận án. Đồng thời hƣ hỏng dạng vết nứt sẽ là đối tƣợng nghiên cứu chính trong luận án này. Có nhiều phƣơng pháp dao động để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu. Ví dụ: phƣơng pháp dao động dựa trên sự thay đổi của tần số, dạng riêng, độ cong dạng riêng, ma trận độ mềm; phƣơng pháp dựa trên hiện tƣợng vết nứt đóng - mở, mạng nơ ron nhân tạo, thuật toán gen; phƣơng pháp phổ, phƣơng pháp thời gian tần số; hoặc kết hợp một số phƣơng pháp trên. Các phƣơng pháp này có thể đƣợc phân thành hai nhóm chính: phƣơng pháp dựa trên tham số động lực học kết cấu và phƣơng pháp dựa trên việc xử lý dữ liệu dao động. Tình hình nghiên cứu về các phƣơng pháp trên nhằm phát hiện hƣ hỏng, đặc biệt là hƣ hỏng dạng vết nứt sẽ đƣợc trình bày và phân tích ở phần tiếp theo.
6 1.2. Các phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng của kết cấu dựa trên tham số động lực học của kết cấu Sự tồn tại của hƣ hỏng trong kết cấu thƣờng dẫn đến sự thay đổi các đặc trƣng động lực học của kết cấu nhƣ tần số riêng và dạng riêng. Do đó, các đặc trƣng động lực học của kết cấu có hƣ hỏng sẽ chứa các thông tin về sự tồn tại, vị trí cũng nhƣ mức độ hƣ hỏng. Để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu thì vấn đề cơ bản là phải nghiên cứu các đặc trƣng động lực học của kết cấu.  Một số tác giả [1-27] đã nghiên cứu sự thay đổi của tần số riêng để phát hiện hƣ hỏng trong kết cấu: Chondros và đồng nghiệp [1] đã phát triển lý thuyết dao động cho dầm Euler-Bernoulli có vết nứt trên một hoặc hai mặt của dầm. Vết nứt đƣợc mô hình nhƣ sự suy giảm độ cứng tại vị trí vết nứt sử dụng trƣờng chuyển vị tại khu vực gần vết nứt đƣợc trình bày trong cơ học phá hủy. Các kết quả của công bố này đã chỉ ra rằng tần số riêng của dầm sẽ giảm khi độ sâu vết nứt tăng. Lee và đồng nghiệp [2] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt lên tần số riêng và dạng riêng của dầm. Ma trận độ cứng của dầm có vết nứt sẽ thu đƣợc từ ma trận độ mềm tính từ cơ học phá hủy. Trong nghiên cứu này, bốn tần số riêng cơ bản đƣợc tính từ phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Vị trí vết nứt đƣợc xác định xấp xỉ bằng phƣơng pháp Armon’s Rank-ordering. Tiếp theo độ sâu vết nứt đƣợc xác định xấp xỉ bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Cuối cùng, vị trí thực của vết nứt đƣợc xác định bởi phƣơng trình Gudmundson sử dụng độ sâu vết nứt và tần số riêng nói trên. Kết quả của nghiên cứu cho thấy tần số riêng thay đổi nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ và chỉ thay đổi đánh kể khi độ sâu vết nứt lớn đến 40% độ cao của dầm. Orhan [3] đã thiết lập mối liên hệ giữa tần số riêng và độ sâu cũng nhƣ vị trí vết nứt của dầm. Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp phần tử hữu hạn đã đƣợc áp dụng để tính ma trận độ mềm của vết nứt sử dụng hệ số cƣờng độ ứng suất. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng, tần số của dầm giảm khi có vết nứt. Khi vị trí vết nứt xa đầu cố định của dầm thì tần số riêng tăng lên. Zheng và đồng nghiệp [4] đã sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để phân tích dao động tự do của dầm có hai vết nứt. Ma trận độ cứng của phần tử chứa vết
7 nứt đƣợc tính từ ma trận độ mềm tổng thể thay vì độ mềm địa phƣơng. Trong nghiên cứu này, tần số riêng thứ nhất sẽ tăng lên khi vị trí vết nứt ở vị trí xa đầu ngàm và gần với đầu gối tựa di động. Trong khi đó tần số riêng thứ hai sẽ giảm mạnh nhất khi vết nứt nằm ở khu vực giữa dầm. Trong một nghiên cứu khác, Gudmundson [5] đã sử dụng phƣơng pháp nhiễu loạn và phƣơng pháp ma trận truyền để nghiên cứu ảnh hƣởng của các vết nứt nhỏ đến tần số riêng của kết cấu mảnh. Kết quả cũng chỉ ra rằng tần số riêng của kết cấu giảm khi có vết nứt. Độ suy giảm của tần số riêng là nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ. Kisa và đồng nghiệp [6] đã trình bày một phƣơng pháp để phân tích dao động tự do của dầm có vết nứt sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phần tử hữu hạn và phƣơng pháp tổng hợp các dạng dao động thành phần. Dầm đƣợc chia thành hai thành phần đƣợc nối với nhau thông qua một ma trận độ mềm mà nó sinh ra bởi lực tƣơng tác tại vị trí vết nứt nằm giữa hai thành phần này. Mối quan hệ giữa độ suy giảm tần số riêng và độ sâu vết đã đƣợc thiết lập. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, tần số riêng thay đổi nhỏ khi có vết nứt và chỉ đáng kể khi độ sâu vết nứt lớn đến khoảng 40% độ cao của dầm. Saez và đồng nghiệp [7] đã trình bày một phƣơng pháp đơn giản hóa để đánh giá tần số riêng của dao động uốn của dầm Euler - Bernouilli. Các tác giả ứng dụng các phƣơng pháp đã biết bằng cách biểu diễn vết nứt trong dầm thông qua một khớp và một lò xo đàn hồi, trong đó chuyển vị uốn của dầm có vết nứt đƣợc xây dựng bằng cách cộng thêm một hàm đa thức vào dầm không có vết nứt. Một số tác giả khác [8-17] đã mô hình hóa vết nứt nhƣ những lò xo xoay không khối lƣợng mà độ cứng của nó đƣợc tính bằng cách sử dụng cơ học phá hủy để nghiên cứu tần số riêng của dầm có vết nứt. Kết quả của các nghiên cứu này cũng cho thấy tần số riêng sẽ giảm khi có vết nứt. Tuy nhiên sự thay đổi của tần số riêng là nhỏ khi vết nứt có kích thƣớc nhỏ. Yang và đồng nghiệp [18] trình bày một phƣơng pháp mới sử dụng mặt tần số riêng (MFS) để phát hiện sự tách lớp của một tấm composite dạng lớp. Bằng cách gắn một khối lƣợng tập trung tại các điểm khác nhau, MFS sẽ đƣợc thiết lập. Sự tách lớp sẽ gây ra sự không liên tục của MFS do sự suy giảm độ cứng địa
8 phƣơng. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp dụng để mô phỏng các số liệu tần số riêng. Sự sai lệch tần số riêng chỉ ra rằng có một sự suy giảm theo luật tựa hàm mũ khi độ sâu của sự tách lớp tăng lên. Trong quá trình dao động, vết nứt sẽ mở và đóng theo thời gian do sự thay đổi của tải trọng bên ngoài tác dụng lên kết cấu. Đây gọi là hiện tƣợng “thở” hay còn gọi là hiện tƣợng đóng - mở của vết nứt. Khi xảy ra hiện tƣợng này, hai cạnh của vết nứt đóng vào và không tiếp xúc với nhau, do đó độ cứng trong vùng chứa vết nứt có thể tăng hoặc giảm. Ngoài ra, còn có thể xuất hiện một số dạng khác nhƣ vết nứt trƣợt, rách… Điều này sẽ làm thay đổi phản ứng động của phần tử chứa vết nứt do đó rất hữu ích trong việc phát hiện vết nứt. Có nhiều nghiên cứu liên quan đến sự thay đổi tần số tự nhiên đối với hiện tƣợng vết nứt đóng - mở. Trong những nghiên cứu này, tần số tự nhiên của dầm có vết nứt đóng - mở đƣợc chứng minh là thay đổi trong quá trình dao động. Carlson [19] và Gudmunston [20] nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt đóng - mở đến các đặc trƣng động lực học của dầm công xôn chứa vết nứt. Họ nhận thấy rằng khi xuất hiện tƣợng vết nứt đóng, sẽ làm giảm tần số tự nhiên, tuy nhiên việc giảm này là nhỏ hơn nhiều so với hiện tƣợng vết nứt mở. Trong trƣờng hợp vết nứt đóng, các tần số gần nhƣ không đổi khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50% và tần số bắt đầu giảm khi độ sâu vết nứt lớn hơn 50%. Rõ ràng, rất khó để phát hiện các vết nứt có độ sâu nhỏ hơn 50% bằng cách sử dụng tần số. Hơn nữa, vị trí của vết nứt cũng không đƣợc đề cập trong nghiên cứu này. Kisa và đồng nghiệp [21] đã nghiên cứu ảnh hƣởng vết nứt đóng - mở đến phản ứng động lực học của dầm công xôn bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn. Trong nghiên cứu này, vết nứt phân chia dầm thành các phần. Có ba trạng thái đƣợc giả định xảy ra: bám, trƣợt không ma sát và tiếp xúc trƣợt ma sát. Khi vết nứt mở hoàn toàn, độ cứng nhỏ nhất; khi hai phần tiếp xúc dần vào nhau thì độ cứng tăng lên. Kết quả là, tần số tự nhiên tăng từ trạng thái mở đến đóng. Trong nghiên cứu này, tần số tự nhiên thay đổi rất ít khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50%. Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 50%, sự thay đổi trong ba tần số đầu tiên là: 1,71%; 6,6% và 0,1%.
9 Dao động dọc và dao động uốn của một dầm liên tục với vết nứt đóng - mở đƣợc Chondros và đồng nghiệp [22, 23] nghiên cứu. Phƣơng trình chuyển động và các điều kiện biên của dầm chứa vết nứt đƣợc coi là liên tục một chiều. Các tác giả đã nghiên cứu sự thay đổi về tần số dao động đối với vết nứt đóng - mở do mỏi và chỉ ra sự thay đổi này phụ thuộc vào tính chất song tuyến tính của hệ. Các tác giả giả sử vết nứt đóng - mở chỉ có hai trạng thái: mở hoàn toàn hoặc đóng kín. Ngoài ra, giả định rằng giai đoạn chuyển tiếp từ trạng thái mở sang trạng thái đóng xảy ra tại thời điểm mà dầm trở lại trạng thái không biến dạng. Do tính chất song tuyến tính của hệ nên không có tần số tự nhiên duy nhất, mà sẽ xuất hiện một tần số chính của dao động. Các tác giả đƣa ra kết luận sự thay đổi tần số dao động gây ra bởi vết nứt đóng - mở nhỏ hơn gây ra bởi vết nứt mở. Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 40%, sự thay đổi tần số thấp nhất cho vết nứt mở chỉ là 1,9%, còn đối với vết nứt đóng - mở là 0,5%. Tuy nhiên, những thay đổi nhỏ của tần số tự nhiên khi xuất hiện vết nứt đóng - mở sẽ khó cho việc phát hiện vết nứt. Hơn nữa, trong nghiên cứu này không đƣa ra phƣơng pháp phát hiện vị trí vết nứt. Trong nghiên cứu của Cheng và đồng nghiệp [24] chỉ ra rằng đối với vết nứt đóng - mở thì tần số tự nhiên giảm, nhƣng giảm ít hơn nhiều so với vết nứt mở. Theo các tác giả, với độ sâu vết nứt 30%, sự thay đổi tần số đầu tiên của vết nứt mở là 2%, trong khi đó vết nứt đóng - mở là 1%. Nhƣ vậy, rất khó phát hiện vết nứt mỏi dựa vào tần số và việc phát hiện vết nứt bằng mô hình vết nứt đóng - mở sẽ không chính xác khi vết nứt phát triển dƣới điều kiện của tải trọng mỏi. Tƣơng tự nhƣ các nghiên cứu trên, hiện tƣợng vết nứt đóng - mở gây nên sự thay đổi nhỏ đối với tần số, do đó sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi sử dụng tần số để phát hiện vết nứt. Luzzato [25] sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu hiện tƣợng phi tuyến của dầm chứa vết nứt. Tác giả dựa vào sự suy giảm độ cứng ở vị trí vết nứt (đối với vết nứt đóng - mở và vết nứt mở hoàn toàn) để mô hình vết nứt. Ứng xử phi tuyến của vết nứt đóng - mở đƣợc mô hình hóa bởi lò xo. Kết quả của nghiên cứu cho thấy tần số tự nhiên của dầm chứa vết nứt mở nhỏ hơn dầm chứa vết nứt đóng - mở. Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 30%, sự thay đổi ở tần số đầu tiên là khoảng 4% đối với vết nứt mở và khoảng 2% đối với vết nứt đóng - mở. Tuy nhiên, tác giả chỉ nêu lên mối liên hệ giữa sự thay đổi của tần số và sự xuất hiện vết nứt đóng - mở,