Nghiên cứu chẩn đoán vùng nứt của dầm bê tông cốt thép sử dụng độ cong đường chuyển vị

Chia sẻ: Bigates Bigates | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu này giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng độ cong của đường chuyển vị. Các giá trị dùng để đánh giá được tính toán từ kết quả phân tích ứng xử tĩnh của mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép ứng với các cấp độ nứt khác nhau. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu chẩn đoán vùng nứt của dầm bê tông cốt thép sử dụng độ cong đường chuyển vị

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN VÙNG NỨT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG ĐỘ CONG ĐƯỜNG CHUYỂN VỊ Nguyễn Quang Phú, Nguyễn Phan Nhật Trung Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Hà Minh Tuấn TÓM TẮT Nghiên cứu này giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng độ cong của đường chuyển vị. Các giá trị dùng để đánh giá được tính toán từ kết quả phân tích ứng xử tĩnh của mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép ứng với các cấp độ nứt khác nhau. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. Sau đó, dầm được gia tải với các cấp tải khác nhau để cho dầm tự ứng xử và xuất hiện vết nứt tương ứng với từng cấp tải trọng. Kết quả phân tích chuyển vị của dầm trước và sau khi nứt ứng với từng cấp tải được phân tích để chẩn đoán vùng nứt. Từ đó, kết quả chẩn đoán hư hỏng trong dầm và tính khả thi của các phương pháp trong ứng dụng thực tiễn được phân tích và đánh giá. Từ khóa: mô hình vật liệu phi tuyến, chẩn đoán vùng nứt, độ cong đường chuyển vị. 1 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) cũng hết sức quan trọng. Việc này giúp phát hiện sớm những bất thường trên kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của công trình, hạn chế đến mức thấp nhất hậu quả có thể xảy ra. Đối với các nước phát triển, khi ngành xây dựng đã bão hòa về số lượng thì việc theo dõi, chẩn đoán và bảo trì, thay thế các cấu kiện là rất cần thiết. Cho đến nay, một số phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng các đặc trưng dao động và đặc trưng tĩnh đã được nghiên cứu và phát triển. Các nghiên cứu có liên quan đến việc sử dụng các đặc trưng dao động kết cấu (tần số, dạng dao động) cho mục đ ch chẩn đoán hư hỏng đã được hình thành từ những năm 1970 và hiện đang được ứng dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về phương pháp SHM (Stubbs và Osegueda, 1990; Pandey và cộng sự, 1991; Doebling và cộng sự, 1998). Ở Việt Nam, năm 2009, Nguyễn và cộng sự đã giới thiệu một thuật toán dùng để xác định vị trí suy giảm độ cứng chống biến dạng trên dầm cầu dựa vào độ biến thiên thế năng biến dạng đàn hồi của kết cấu khi xuất hiện khuyết tật được xác lập thông qua số liệu đo biên độ dao động. Cùng năm, Lê và Nguyễn đã đề xuất một phương pháp xác định vị trí và chiều dài khe nứt trong dầm công xôn bằng thuật toán di truyền dựa trên sự thay đổi tần số của dầm. Ma trận độ cứng của phần tử dầm có khe nứt được xây dựng dựa trên cơ sở mô hình phần tử hữu hạn với giả thuyết độ mềm cục bộ tăng lên do sự xuất hiện của khe nứt. Kết quả nhận được cho thấy phương pháp này cho giá trị chẩn đoán có độ chính xác và tốc độ hội tụ cao. 762
Các nghiên cứu trước đây thường được thực hiện cho kết cấu dầm được mô phỏng thành dạng thanh đồng chất. Việc chẩn đoán chỉ dừng ở việc khảo sát vị trí của một hoặc một vài vết nứt đơn lẻ được tạo ra bằng cách xóa phần tử hoặc giảm độ cứng phần tử tương ứng tại vị trí đó. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải phát triển ứng dụng phương pháp này cho kết cấu dầm bê tông cốt thép, có xét đến sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển phương pháp chẩn đoán vết nứt trong kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong đường chuyển vị với nhiều cấp độ hư hỏng (cấp độ tải trọng) khác nhau. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS (xét đến sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép), sau đó gia tải với các cấp tải khác nhau cho dầm tự ứng xử và xuất hiện vết nứt. Kết quả phân tích ứng xử của dầm bằng phần mềm ANSYS (đường chuyển vị và dạng vết nứt) được thu thập để phục vụ cho công tác chẩn đoán. 2 PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO HIỆU ĐỘ CONG ĐƯỜNG CHUYỂN VỊ 2.1 Giới thiệu phương pháp Một trong những phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu được Pandey và cộng sự (1991) đưa ra là: Phương pháp dựa vào hiệu số độ cong dạng dao động của mô hình. Dựa trên phương pháp hiệu độ cong dạng dao động, nghiên cứu đề xuất phương pháp dựa trên hiệu độ cong đường chuyển vị. Khi có một hư hỏng xảy ra bên trong kết cấu, độ cong của đường chuyển vị sẽ có sự thay đổi. Độ cong đường chuyển vị được xác định bằng đạo hàm cấp hai của vector chuyển vị. Giá trị chuyển vị ở các cấp tải khác nhau của trường hợp trước và sau hư hỏng thu được từ việc phân tích ứng xử phi tuyến của mô hình dầm trên các phần mềm phần tử hữu hạn. Từ đó, đường độ cong đường chuyển vị sẽ được xác định. Sau khi có đường độ cong đường chuyển vị của mô hình không hư hỏng và mô hình hư hỏng, độ khác biệt giữa các giá trị của hai đường cong sẽ được tính dựa trên hiệu giá trị tại từng vị trí của hai đường. Những vị trí có giá trị thay đổi đột ngột thể hiện vùng hư hỏng trên dầm. Trong nghiên cứu này, độ cong của đường chuyển vị được xác định theo công thức sau. (1) Trong đó, i" là đạo hàm cấp hai vector chuyển vị thứ i; i là vector chuyển vị thứ i; i 1 là vector chuyển vị thứ i+1; i 1 là vector chuyển vị thứ i-1; và h: Chiều dài của phần tử. Độ khác biệt giữa hai đường cong là trị tuyệt đối của hiệu các giá trị hai đường độ cong trong trường hợp không hư hỏng và hư hỏng. Vẽ đường cong thể hiện mối quan hệ giữa độ khác biệt và vị trí phần tử, những điểm mà đường cong có sự thay đổi lớn là vị trí hay vùng hư hỏng của kết cấu (Hình 1). Hình 1. Mô phỏng vị trí hư hỏng 763
Tuy nhiên, đối với các nút ở 2 đầu biên của dầm, dữ liệu của nút i-1 là không có cho nút biên bên trái và dữ liệu của nút i+1 là không có cho nút biên bên phải. Do đó, giá trị đường cong dạng dao động tại 2 nút biên này được xác định bằng phương pháp ngoại suy. Đối với điều kiện biên tự do và biên liên kết khớp, nút biên không bị ràng buộc về chuyển vị xoay (xoay tự do). Hai giá trị nêu trên được đề xuất xác định theo nguyên tắc phản xứng như sau: Nút biên bên trái: i1  i1 (2) Nút biên bên phải: i1  i1 (3) 2.2 Phương pháp xác định độ chính xác của phương pháp chẩn đoán Trong thực tế, vùng hư hỏng của dầm là không biết trước. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, để đánh giá được độ chính xác của phương pháp chẩn đoán, chiều dài vùng nứt thực tế (từ mô phỏng ANSYS) sẽ được thu thập để so sánh với vùng nứt chẩn đoán bằng phương pháp hiệu độ cong đường chuyển vị, từ đó đánh giá được độ chính xác của phương pháp chẩn đoán. Vì những lý do trên, trong nghiên cứu này, giá trị ngưỡng hư hỏng Z0 và 3 chỉ số đánh giá A, B, C sẽ được đề xuất mới nhằm đánh giá một cách toàn diện và phù hợp hơn đối với công tác chẩn đoán dầm bêtông cốt thép trong thực tế. Trong các bài toán áp dụng trong nghiên cứu này, để chẩn đoán vị trí, phạm vi của vùng hư hỏng, ngưỡng được đề xuất áp dụng (với là giá trị lớn nhất của chỉ số hư hỏng được tính toán là hiệu các giá trị hai đường độ cong trong trường hợp không hư hỏng và hư hỏng). Trong đó, độ chính xác vùng nứt, độ chính xác vùng không nứt và độ chính xác tổng thể lần lượt là A, B, C được định nghĩa như sau: Độ chính xác vùng nứt: A là tỷ số giữa chiều dài vùng nứt chẩn đoán nằm trong vùng nứt thực tế với chiều dài vùng nứt thực tế được tính theo Công thức 4. Trong đó, vùng nứt chẩn đoán là hình chiếu lên trục dầm của phần biểu đồ có . Chỉ số này nhằm đánh giá độ chính xác của phương pháp trong việc xác định phạm vi xuất hiện vùng nứt trong dầm. (4) trong đó: : chiều dài vùng nứt chẩn đoán nằm trong vùng nứt thực tế; : chiều dài vùng nứt thực tế. Độ chính xác vùng không nứt: B là tỷ số giữa chiều dài vùng không nứt chẩn đoán với chiều dài vùng không nứt thực tế được tính theo Công thức 5. (5) trong đó: : chiều dài vùng không nứt chẩn đoán (đã loại bỏ vùng nứt chẩn đoán nằm ngoài phạm vi vùng nứt thực tế), được tính như sau: (6) 764
: chiều dài vùng không nứt thực tế, được tính như sau: (7) : chiều dài vùng nứt chẩn đoán nằm ngoài vùng nứt thực tế. Độ chính xác tổng thể: hai chỉ số độ chính xác của phương pháp chẩn đoán cho vùng nứt và vùng không nứt vẫn chưa đánh giá được độ chính xác của phương pháp khi tải trọng thay đổi (vùng nứt thay đổi), do các chỉ số này phụ thuộc vào độ lớn của vùng nứt ở mỗi cấp tải. Vì vậy, độ chính xác tổng thể C được đề xuất với ý nghĩa bằng tổng độ chính xác chẩn đoán vùng nứt và vùng không nứt nhân với trọng số của mỗi vùng. Trọng số của mỗi vùng (nứt, không nứt) là tỉ số giữa chiều dài vùng nứt hoặc không nứt thực tế với chiều dài toàn bộ dầm, Công thức 8. Ở điều kiện lý tưởng, độ chính xác chẩn đoán của vùng nứt (A) và vùng không nứt (B) là 100% thì độ chính xác tổng thể dầm C sẽ đạt 100%, kết quả chẩn đoán chính xác cho toàn bộ dầm. Độ chính xác tổng thể sẽ đánh giá được độ tin cậy của phương pháp chẩn đoán tổng thể cho toàn bộ chiều dài dầm với bất kì cấp tải nào. (8) 3 BÀI TOÁN ÁP DỤNG Nghiên cứu mô phỏng một dầm bê tông cốt thép có chiều dài L = 4m, hai đầu liên kết ngàm, mặt cắt ngang hình chữ nhật có kích thước bxh = 0,2 x 0,6 m, chịu tải trọng phân bố đều trên đỉnh dầm q = 300 kN/ . Bê tông được mô phỏng là vật liệu đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E = ; hệ số Poisson v = 0,2; khối lượng riêng p = 2,4028 ; cường độ kháng kéo một trục =1400 kN/ ; cường độ kháng nén một trục ; hệ số truyền lực khi vết nứt mở α = 0,3 ; hệ số truyền lực khi vết nứt đóng β = 0,5. Đối với cốt thép, cốt thép được xem là vật liệu đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E = ; hệ số Poisson v = 0,3; hàm lượng cốt thép trong dầm được quy về như sau: 1/3 dưới là 3%; 1/3 giữa là 1%; 1/3 trên là 4%. 4 KẾT QUẢ CHẨN ĐOÁN VÀ PHÂN TÍCH Kết quả của việc gia tăng tải trọng tác dụng giữa nhịp cho thấy rằng tải trọng gây nứt của dầm là 157 kN, và tải trọng gây phá hoại dầm là 373 kN. Hình 2 và Hình 3 thể hiện lần lượt ảnh vết nứt của dầm ứng với từng cấp tải 157 kN và 373 kN. Thêm vào đó, vùng nứt được xác định có bề rộng là 0,2 m tại giữa nhịp ứng với cấp tải 157 kN. Khi tải trọng tác dụng được tăng lên, bề rộng vùng nứt tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại giữa nhịp là 1 m. Hình 2. Vết nứt tại giữa nhịp và 2 đầu dầm (cấp tải 157 kN) 765
Hình 3. Vết nứt tại giữa nhịp và 2 đầu dầm (cấp tải 373 kN) (a) Độ khác biệt của độ cong đường chuyển vị (b) Độ khác biệt của độ cong đường chuyển vị (P = 50 kN so với P = 157 kN) (P = 50 kN so với P = 280 kN) (c) Độ khác biệt của độ cong đường chuyển vị (d) Độ khác biệt của độ cong đường chuyển vị (P = 50 kN so với P = 315 kN) (P = 50 kN so với P = 373 kN) Hình 4. Biểu đồ chẩn đoán vùng nứt Hình 4(a)-4(e) thể hiện độ khác biệt dương đã chẩn hóa của độ cong đường chuyển vị của cấp tải 50 kN (khi chưa xuất hiện vết nứt) và dữ liệu thu được từ các cấp tải có xuất hiện vết nứt. Trong nghiên cứu này ngưỡng hư hỏng được đề xuất là 30% của độ khác biệt dương đã chẩn hóa lớn nhất ứng với từng cặp dữ liệu chẩn đoán. Dựa vào Hình 4(a), đường ngưỡng 30% cắt ngang đường hiệu độ cong đường chuyển vị một đoạn là 0,28 m trong khi bề rộng vùng nứt thu được từ mô hình Ansys là 0,2 m. Đối với cấp tải 373 kN, phương pháp cho kết quả chẩn đoán bề rộng vùng nứt tại giữa nhịp là 1,05 m trong khi bề rộng vùng nứt thực thế là 1 m. Bảng 1 thể hiện độ chính xác của phương pháp chẩn đoán. Dựa vào Bảng 1, độ chính xác tổng thể khi chẩn đoán bề rộng vùng nứt của phương pháp đều cao hơn 95% ứng với từng cấp tải. Qua đó có thể thấy được rằng, độ cong đường chuyển vị có thể được sử dụng để chẩn đoán bề rộng vùng nứt tại giữa nhịp của dầm với độ chính xác tốt. 766
Bảng 1. Độ chính xác của phương pháp chẩn đoán L Lcrack Lpred A Lpred,out Lo,crack Lo,pred B C Cấp tải (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 373 kN 4 1 1,05 95% 0,05 3 2,95 98% 98% 350 kN 4 0,8 0,91 88% 0,11 3,2 3,09 97% 95% 315 kN 4 1 1,05 95% 0,05 3 2,95 98% 98% 280 kN 4 0,6 0,71 85% 0,11 3,4 3,29 97% 95% 245 kN 4 0,6 0,71 85% 0,11 3,4 3,29 97% 95% 210 kN 4 0,6 0,71 85% 0,11 3,4 3,29 97% 95% 175 kN 4 0,2 0,31 65% 0,11 3,8 3,69 97% 95% 157 kN 4 0,2 0,28 71% 0,08 3,8 3,72 98% 96% 5 KẾT LUẬN Cho đến hiện nay, nhiều phương pháp dùng để chẩn đoán hư hỏng cho kết cấu dầm đã được nghiên cứu và phát triển. Trong nghiên cứu này, phương pháp chẩn đoán dựa vào đường độ cong đường chuyển vị được đề xuất. Kết quả thu được cho thấy rằng Phương pháp dựa vào hiệu số độ cong đường chuyển vị khá hiệu quả khi chẩn đoán các kết quả của kết cấu dầm được mô phỏng trong nghiên cứu này. Phương pháp này cho thấy rõ mức độ, vị trí hư hỏng và vùng hư hỏng trên dầm với độ chính xác > 95% ứng với từng cấp tải có xuất hiện vùng nứt. Trong nghiên cứu tiếp theo, nghiên cứu tiếp tục phát triển phương pháp đó cho các dạng kết cấu phức tạp hơn như chẩn đoán cho cả kết cấu khung, và khảo sát thêm ảnh hưởng của nhiễu đến kết quả chẩn đoán. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Doebling SW, Farrar CR, Prime MB (1998) A summary review of vibration-based damage identification methods. Shock Vib. Dig. 30(2), pp. 91–105, doi: 10.1177/058310249803000201. [2] J. Sound Vib. 145(2), pp. 321–332, doi: 10.1016/0022-460X(91)90595-B. [3] Lê XH, Nguyễn THL (2009) Phân tích và chẩn đoán dầm đàn hồi có nhiều vết nứt. Tạp chí phát triển KH&CN ĐHQG-HCM, 12(18), pp. 37–45. [4] Nguyễn SD, Lê TT, Ngô KN (2009) Thuật toán xác định vị trí suy giảm độ cứng chống biến dạng của cầu. Tạp chí Phát triển KH&CN ĐHQG TP.HCM, 12(13), pp. 57–68. [5] Pandey AK, Biswas M, Samman MM (1991) Damage detection from changes in curvature mode shapes. [6] Stubbs N, Osegueda R (1990) Global non-destructive damage evaluation in solids. Int. J. Anal. Exp. Modal Anal. 5(2), pp. 67–79. 767