Nghiên cứu phát hiện sự suy giảm độ cứng của dầm sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị

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

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, một phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu được đề xuất bằng cách sử dụng chỉ số chuẩn hóa của hiệu đường ảnh hưởng chuyển vị của dầm làm dữ liệu đầu vào trong quy trình đánh giá. Đường ảnh hưởng chuyển vị dùng để đánh giá được tính toán từ kết quả phân tích ứng xử của mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép khi chịu tải trọng di động trên dầm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu phát hiện sự suy giảm độ cứng của dầm sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị

NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN SỰ SUY GIẢM ĐỘ CỨNG CỦA DẦM SỬ DỤNG ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA CHUYỂN VỊ Mã Khang, Nguyễn Tấn Niên, Hồ Ngọc Trung Kiên, Nguyễn Quân, Phạm Chí Hào Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Hà Minh Tuấn TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, một phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu được đề xuất bằng cách sử dụng chỉ số chuẩn hóa của hiệu đường ảnh hưởng chuyển vị của dầm làm dữ liệu đầu vào trong quy trình đánh giá. Đường ảnh hưởng chuyển vị dùng để đánh giá được tính toán từ kết quả phân tích ứng xử của mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép khi chịu tải trọng di động trên dầm. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm SAP2000. Sau đó, tải trọng di động được gán để di động trên dầm từ vị trí đầu đến vị trí cuối dầm. Chuyển vị tại từng nút khảo sát sẽ được xuất ra ứng với từng trường hợp tải di động để vẽ đường ảnh hưởng. Kết quả phân tích chuyển vị của dầm trước và sau khi giả định hư hỏng ứng với từng trường hợp tải di động được phân tích để chẩn đoán vị trí giảm độ cứng. 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: đường ảnh hưởng chuyển vị, chẩn đoán vị trí hư hỏng, giảm mô đung đàn hồi. 1 MỞ ĐẦU Dầm cầu trục trong nhà thép công nghiệp trở nên xuống cấp trong thời gian sử dụng do các yếu tố khác nhau như phản ứng ăn mòn cốt thép, do đó dẫn đến mất chức năng, gây nguy hiểm trong quá trình vận hành. Dầm cầu trục là kết cấu chịu lực của cầu trục được thiết kế dạng hộp hoặc giàn không gian. Tùy thuộc vào tình trạng hư hỏng, hư hỏng cục bộ có thể dẫn đến rơi vật nặng hoặc hỏng toàn bộ. Vì vậy, cần phải đánh giá hư hỏng và sửa chữa hoặc gia cố theo yêu cầu định kỳ. Theo dõi sức khỏe kết cấu (SHM) là một phương pháp để đánh giá tính toàn vẹn kết cấu một cách định lượng. SHM nhằm cung cấp, tại mọi thời điểm trong suốt vòng đời của một kết cấu, chẩn đoán tình trạng của vật liệu, các bộ phận khác nhau và sự lắp ráp hoàn chỉnh của các bộ phận tạo thành kết cấu nói chung. Phương pháp xác định vị trí hư hỏng và mức độ hư hỏng của kết cấu bằng SHM được phân loại rộng rãi thành hai loại tập trung vào các đặc tính động và phản ứng tĩnh của kết cấu được khảo sát. Nhiều nghiên cứu liên quan đến việc áp dụng các phản ứng động để phát hiện hư hỏng đã được thực hiện (Dawari và cộng sự, 2013; Miyashita và cộng sự 2012), ví dụ, tần số tự nhiên và hình dạng mode dao động. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây (Watanabe và cộng sự, 2014) đã chứng minh rằng tần số tự nhiên bậc thấp không nhạy cảm với những thay đổi về độ cứng của cấu kiện. Hơn nữa, có đủ số lượng thiết bị đo là rất quan trọng để ước tính chính xác hình dạng mode dao động. 780
Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc áp dụng các thông số liên quan đến độ cứng của kết cấu như chuyển vị và độ cong liên quan đến các phương pháp phát hiện hư hỏng dựa trên dữ liệu tĩnh. Năm 2005, Chen và cộng sự (2005) đã chứng minh rằng các hư hỏng có thể được phát hiện trong mô hình khảo sát bằng cách tính hệ số GRC sử dụng các độ cong thu được từ dữ liệu dịch chuyển tại thời điểm khỏe mạnh và thời điểm suy giảm. Năm 2017, Ha và Fukada (2017) đã giới thiệu Chỉ số dựa trên chuyển vị (DBI) như một phương pháp xác định hư hỏng sử dụng sự thay đổi hình dạng chuyển vị để phát hiện hư hỏng kết cấu của mô hình dầm bê tông ứng suất trước (PC). Tuy nhiên, DBI chỉ sử dụng dữ liệu đầu vào có được từ tải trọng tĩnh và không xét đến tải trọng di động. Trong nghiên cứu này, một phương pháp phát hiện hư hỏng áp dụng chỉ số chuẩn hóa tập trung vào những thay đổi trong đường ảnh hưởng chuyển vị của dầm được đề xuất. Đầu tiên, phương pháp đề xuất sử dụng các đường ảnh hưởng chuyển vị làm đầu vào được giới thiệu và sử dụng trong nhiều tình huống để xác định các đặc tính hư hỏng của mô hình phần tử hữu hạn của dầm đơn giản. Sau đó, nghiên cứu thay đổi vị trí hư hỏng để đánh giá hiệu quả của phương pháp. 2 PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA CHUYỂN VỊ Chuyển vị của dầm là tích phân của góc xoay được tính với công thức: ∫ (∫ (1) Trong đó, E là modun đàn hồi vật liệu, sẽ tỷ lệ nghịch với chuyển vị y, do đó khi giảm modun đàn hồi đi thì khoảng cách chuyển vị sẽ tăng lên. Năm 2017, bằng cách đánh giá các đường cong chuyển vị đo được của dầm khi chịu tải trọng tĩnh ở trạng thái bình thường và suy giảm chất lượng, Hà và Fukada đã tính toán DBI và xác định các vị trí hư hỏng của kết cấu. Nghiên cứu này khảo sát hiệu quả của DBI khi sử dụng đường ảnh hưởng chuyển vị có được từ tải trọng chuyển động. Như thể hiện trong Hình 1, đường ảnh hưởng của chuyển vị tại điểm C trong dầm đàn hồi có thể thu được bằng cách di chuyển liên tiếp tải đơn vị P từ gối A đến gối B. Sau đó, với thuộc tính của đường ảnh hưởng chuyển vị, từ định lý tương hỗ Maxwell – Betti, chuyển vị của điểm C do tải đơn vị đặt tại một điểm nhất định có độ lớn bằng với chuyển vị của điểm cụ thể đó được tạo ra bởi tải đơn vị đặt tại điểm C. Do đường ảnh hưởng chuyển vị quan sát được tại điểm C bằng với dạng đường chuyển vị của dầm khi tác dụng một tải trọng đơn vị lên điểm C, do đó, về mặt lý thuyết, DBI có thể được áp dụng cho tải trọng chuyển động. Trong nghiên cứu này, để giả định dầm hư hại, modun đàn hồi được giảm theo từng cấp độ để khảo sát sự thay đổi chuyển vị của dầm giả định so với dầm bình thường. Giả sử một tải trọng đơn vị di chuyển từ gối A đến gối B; chuyển vị nút tại điểm C được cho bởi phương trình sau: [ ] [( ( ) ( ] (2) [ ] [( ( ) ( ] (3) Trong đó, x là vị trí nút được xác định trên dầm, uo/d là giá trị chuyển vị của dầm bình thường/hư hại (m). Từ ma trận chuyển vị, sự chệnh lệch giá trị uo và ud được xác định: (4) 781
Với giá trị chênh lệch chuyển vị giữa dầm bình thường và dầm giả định hư hại, chỉ số chỉ ra vị trí hư hại DBI được tính với công thức: ( [ ( ] (5) Hệ số DBIj đánh giá mức độ quan hệ điểm tại điểm thứ j giữa hai đường ảnh hưởng. Cụ thể là, DBI = 0 chỉ ra rằng kết cấu không bị hư hại tại vị trí quan sát, trong khi DBI đạt giá trị cao nhất tại vị trí hư hỏng. Hình 1. Đường ảnh hưởng của chuyển vị 3 BÀI TOÁN ÁP DỤNG Nghiên cứu mô phỏng một dầm đơn giản bằng bê tông cốt thép có chiều dài L = 10m (Hình 2), mặt cắt ngang hình chữ nhật có kích thước bxh = 0,35 x 0,7 m chịu tải trọng di động đơn vị chạy trên dầm. Bê tông được mô phỏng là vật liệu đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E = ; hệ số Poisson v = 0,2. Phần mềm SAP2000 được sử dụng để xây dựng mô hình và gán tải trọng di động, từ đó tính toán đường ảnh hưởng chuyển vị tại các điểm trên dầm (Hình 3). Trong nghiên cứu này, 11 điểm cách đều nhau 1 m từ đầu gối tựa A sang gối tựa B được chọn để trích xuất đường ảnh hưởng của chuyển vị. Hình 2. Sơ đồ dầm đơn giản trong SAP2000 0 -0.00001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -0.00002 Chuyển vị (m/kN) -0.00003 -0.00004 -0.00005 -0.00006 -0.00007 -0.00008 -0.00009 Khoảng cách (m) Hình 3. Đường ảnh hưởng thu được tại vị trí số 6 của dầm khỏe mạnh 782
Trong nghiên cứu này, dầm có hư hại được tạo ra bằng cách giảm mô đun đàn hồi của một hoặc hai đoạn nhỏ trên dầm. Hình 3 thể hiện minh họa về dầm có hư hại ở vị trí phần tử số 2. Cụ thể là mô đun đàn hồi của phần tử thứ 2 bị giảm còn E = . Các phần tử còn lại vẫn giữ nguyên các thông số vật liệu như dầm bình thường. Hình 4. Sơ đồ dầm đơn giản giả định hư hại tại vị trí thứ 2 trong SAP2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -0.00001 -0.00002 Chuyển vị (m/kN) -0.00003 -0.00004 -0.00005 -0.00006 Khỏe mạnh Hư hại -0.00007 Khoảng cách (m) Hình 5. Đường ảnh hưởng thu được tại vị trí số 6 của dầm khỏe mạnh Để kiểm tra hiệu quả của phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị, nghiên cứu khảo sát ba trường hợp có các đặc điểm hư hỏng khác nhau. Trường hợp 1 (Case 1) giả định một hư hỏng tại vị trí phần tử thứ 2, lệch về một phía của gối tựa. Trường hợp 2 (Case 2) giả định một hư hỏng ở vị trí phần tử giữa nhịp (phần tử thứ 6). Để khảo sát khả năng phát hiện nhiều hư hỏng cùng lúc, ở trường hợp thứ 3 (Case 3), hai hư hỏng được giả định ở phần tử thứ 2 và phần tử thứ 8. Hình 5 thể hiện kết quả phân tích đường ảnh hưởng chuyển vị của vị trí số 8 của dầm khỏe mạnh và dầm có giả định hư hại ở phần tử thứ 2. 4 KẾT QUẢ CHẨN ĐOÁN VÀ PHÂN TÍCH Các Hình 6, 7, 8 lần lượt thể hiện kết quả chẩn đoán vị trí hư hại của dầm trong các trường hợp giả định hư hại của trường hợp thứ 1, thứ 2, và thứ 3. Dựa vào Hình 6 và Hình 7, giá trị DBI đạt đỉnh tại các vị trí số 2 và số 6 ứng với các vị trí của phần tử bị giảm mô đun đàn hồi. Qua đó, DBI có thể nhận biết được vị trí của phần tử bị giảm độ cứng ở các trường hợp có một hư hỏng giả định. Hình 8 thể hiện kết quả chẩn đoán các vị trí hư hỏng của trường hợp thứ 3 khi sử dụng dữ liệu đầu vào là đường ảnh hưởng chuyển vị tại vị trí số 2, vị trí số 4, và vị trí số 10. 783
1.2 1 0.8 DBI 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Khoảng cách (m) Hình 6. Kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng của trường hợp 1 1.4 1.2 1 0.8 DBI 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Khoảng cách (m) Hình 7. Kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng của trường hợp 2 1.6 1.4 1.2 1 DBI 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Khoảng cách (m) Vị trí số 2 Vị trí số 4 Vị trí số 10 Hình 8. Kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng của trường hợp 3 Dựa vào Hình 8, khi sử dụng dữ liệu đầu vào là đường ảnh hưởng chuyển vị của vị trí số 2, hay vị trí số 10, phương pháp chỉ chẩn đoán đúng một vị trí của một phần tử bị giảm độ cứng, trong khi trường hợp thứ 3 có đến hai phần tử bị giảm độ cứng. Thêm vào đó, khi phân tích với dữ liệu đường ảnh hưởng chuyển vị của vị trí số 4, DBI chỉ ra hai đỉnh tại vị trí số 2 và vị trí số 8, đúng với vị trí của các phần tử giảm mô đun đàn hồi. Như vậy, khi sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị để chẩn đoán, điểm truy xuất đường ảnh hưởng càng 784
gần vị trí hư hỏng sẽ cho kết quả chẩn đoán càng chính xác. Ngược lại nếu vị trí hư hỏng xa vị trí truy xuất đường ảnh hưởng, phương pháp sử dụng hệ số DBI có thể dẫn đến chẩn đoán sai, hoặc thiếu hư hỏng. Vì vậy, khi sử dụng đường ảnh hưởng của chuyển vị làm dữ liệu đầu vào cho phương pháp DBI để chẩn đoán vị trí hư hỏng, số lượng điểm truy xuất cần phải đủ nhiều để có thể phát hiện các hư hỏng có thể có trong kết cấu. 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 ảnh hưởng của chuyển vị được đề xuất. Kết quả thu được cho thấy rằng phương pháp dựa vào đường ảnh hưởng chuyển vị khá hiệu quả khi chẩn đoán các trường hợp dầm có hư hỏng đơn lẻ. Tuy nhiên đối với trường hợp có nhiều phần tử bị hư hỏng, phương pháp đòi hỏi cần phải có số lượng điểm truy xuất chuyển vị đủ lớn. Khi điểm truy xuất đường ảnh hưởng càng gần vị trí hư hỏng, kết quả chẩn đoán càng chính xác. Ngược lại, nếu vị trí hư hỏng xa vị trí truy xuất, phương pháp đề xuất có thể dẫn đến chẩn đoán không chính xác. Trong nghiên cứu tiếp theo, phương pháp dự trên đường ảnh hưởng chuyển vị sẽ được phát triển tiếp 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] Chen X, Zhu H, Chen C (2005) Structural damage identification using test static data based on grey system theory. J Zhejiang Univ A 6A:790–796. [2] Dawari VB, Vesmawala GR (2013) Structural damage identification using modal curvature differences. IOSR J Mech Civ Eng 4:33–38. [3] Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using changes in nodal displacement. J Civ Struct Health Monit 7:385–403. [4] Miyashita T, Tamada K, Liu C, Iwasaki H, Nagai M (2012) Relationship between damage and change of dynamic characteristic in an existing bridge for vibration-based structural health monitoring. J Jpn Soc Civ Eng Ser A1 Struct Eng Earthq Eng 68:367– 383. [5] Watanabe G, Tomohiro F, Goto S, Emoto H (2014) Health monitoring and identification of dynamic characteristic of a skewed bridge based on the vibration test using a moving vehicle. J Struct Eng A 60A:513–521. 785