Tải bản đầy đủ

Ebook cơ sở quan trắc công trình cầu trong thi công và khai thác phần 1

GS. TS. NGUYỄN VIẾT TRUNG (Chủ biên)

Cơ SỞ QUAN TRẮC CỒNG TRÌNH CẦU
TRONG THI CỒNG VÀ KHAI THÁC

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG
HÀ NỒI -2011


LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề quan trắc cầu là vấn đề mới ở Việt Nam. lĩnh vực nghiên cím hệ
thống quan trắc kết cấu cầu rất rộng và mang khái niệm khá mới chưa có tài
liệu tiếng Việt giới thiệu. Cuốn sách này chỉ giới hạn thảo hiận vê nguyên lý
quan trắc cầu nói chung và những áp dụng cụ thê cho loại kêt cáu nhịp câu
thép, mà chủ yếu là dựa trên các thông số đặc trưng quan trắc được như sự
thay đôi vê tán sô tự nhiên, ứng siiát.
Nội dung sách chưa để cập được hết cơ sở lý thuyết áp dụng cho tất cả các
loại kết cấu nhịp cũn^ như két cáu mo trụ cầu và móng, mồ chỉ mới tập trung
bàn đến việc phái hiện các hư hỏtìg cơ bản.
Các nội dung được trình bày trong sách này dựa trên cơ sở ỉý thuyêt được

nghiên cihi ỏ' nước níĩoài, còn cần được kiêm chứng thực tế nhiều năm nữa
trong điêu kiện và môi trurmíỊ ìàni việc của kêt câu cáu tại Việt Nam.
Một vài ví dụ về khả nâng áp dụng thiết lập hệ thổng quan trắc kết cầu nhịp
cầu thép điên hình ỏ- Việt Num tại một số cầu dâv của Việt Nam được đưa ra
chi đê minh họa (hệ íhoiiiỉ >^ày chưa được lắp đặt) nham tạo cơ sở cho việc
hiêu rỗ thêm và cỏ ihê áp dụng hệ thong này một cách hợp lỷ và khoa học.
Sách được biên soạn lần đầu, chắc không tránh khỏi thiếu sót. Kính mong
bạn đọc góp ý, thư góp ỷ xin gừi về Nhà xuất bản Xây dựng hoặc email của các
tác giả: viettrungngí^vcihoo.com.
Xin chán ihành cám ơn.
Tác giả


MỞ ĐẨU

1. ĐẶT VÂN ĐỂ
Hệ thống giao thông là một trong nhŨTig hệ thống rất quan trọng của nền kinh tế
quốc gia. Trong mối quan hệ tổníỉ hòa với nền kinh tế, hệ thống giao thông được ví
như mạch máu trong cơ thổ sống, ớ nước ta, trong điều kiện hội nhập và phát triển
kinh tế hiện nay, mạng lưới eiao thông không ngừng được xây dựng mở rộng từ thành
thị đến nông thôn và vùng sâu, vùng x a ...
Hiện nay, các công trình giao tliông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lưọng
lớn nhằm đáp ứng kịp ihời với nhịp độ phát triển của nền kinh tế. Do đó, chất lượng
khai thác của công trình cũng phủi được xem xét một cách thỏa đáng. Việc nghiên cứu
hệ thống theo dõi sự làm việc của công trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa
đặc biệt quan trọng. Kcl quá thu thập được là một bức tranh tồng ihế về ứng xử của
công trình trong giai đoạn làiiì Việc, là cơ sớ quan irọng cho việc đưa ra các đánh giá
về khả năng khai thác phục vụ của công trình.
Với nhu cầu thực tế hiện nav, các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu
nói riêng cần phải được theo dõi, đánh giá một cách liên tục. Sự theo dõi, quan sát kết
cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết cần phải sửa chữa, lăng
cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng. Cùng với sự phát
triển khoa học kỹ thuật và côiiíi nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày
càng chính xác hơn.
Mỗi kết cấu cầu trone thực tế thường có sự khác biệt rất lớn so với dự đoán trong
giai đoạn thiết kế. Nó phụ thuộc vào rất nhiều vào các yếu tố bất định, kế cả yéu tố nội
tại và tác động bên ngoài. MỘI số yếu tố phát sinh riRay trong quá trình thi công làm
cho các ứng xử về kết cấu khác với các ứng \ử dir kiến hoặc được mô hình trong bước
thiết kế. Khi được đưa vào sử dụng, kết cấu cầu còn chịu sự tác động trực tiếp của tải
trọng xe cộ và các tác động khác nliư gió. giãn nở nhiệt... thông thường các tác động

này khá khác biệt và trontĩ rất nhiều trưòng họp không thể biết được nguvên nhân xuất
liiện và cường độ của chúng. Một vcu cầu được đặt ra là phải có một hệ thống theo dõi
ihườne xuyên để đánh siá các tác dộng này và kịp thời đưa ra các cảnh báo trong
trường hợp cần thiết.


Hiện nay ở Việt Nam, số lượng các cầu đang trong giai đoạn khai thác rất lớn bao
gồm cả những cầu được xây dựng cách đày rất lâu, cũng như những cầu mới đưa vào
khai thác sử dụng. Xét riêng về kết cấu nhịp cầu thép đang được áp dụng có thể thấy
như sau:
- Kết cấu nhịp cầu dầm thép đã và đang được áp dụnc với ti lệ tương đối lớn và
đang tồn tại các khuyết tật khó có thể nhận biết được:
- Xu hướng sử dụng cầu thép tăng lên vỉ những ưu điểm cùa nó;
Trong khi đó các yếu tố chi phối tác độns lên kết cấu nhịp cầu thép vô cùng phức
tạp như:
- Tải trọng luu thông qua cầu càng ngày càng tăng lên cả về số lượng và trọng
lượng vì vậy cần phải có hệ thống theo dõi để đánh giá tác động của tải trọng này;
- Luôn có một số lượng lớn các khuyết tật tồn tại trong kết cấu. các khuyết tật này
khó nhận biết bằng các quan sát thông thường trước khi các sự cố công trình cầu xảy
ra, kết cấu cần phải được theo dõi liên tục để đưa ra các cảnh báo sớm khi cần thiôt;
- Việc đánh giá cầu bằng các phương pháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn
như công tác phải phân luồng giao thông, dừng xe, (đặc biệl là dối với các hệ ihống
cầu nằm trên các tuyến đường giao thông quan trọng như Q U ). Các số liệu thu được
thì ít, không liên tục và mang tính chủ quan của người đo nên dễ dẫn dến sai sót. các
kỳ thuật do dạc hiện đại giúp khắc phục hạn chề này;
- Trong công tác quản lý cầu việc kiem tra định kỳ cũng có Ihê làm giảm dirợc các
rủi ro, tuy nhiên công việc này cũng chi có giới hạn về độ an toàn do vẫn có các
khoảng thời gian kết cấu không được theo dõi kiểm tra (không liên tục), sẽ dẫn dến
tình trạng chủ đầu tư không đưa ra được các quyết định kịp thời, do vậy cần phải cỏ
một hệ thống theo dõi liên tục và giúp chủ đầu tư kịp thời đưa ra các cảnh báo:
- Tuổi thọ của kết cấu cầu thường có sự khác biệt rất lớn so với dự đoán trong eiai
đoạn thiết kế, nó chịu sự tác động của nhiều yếu tố cả trong giai đoạn thi công và khai
thác mà không thể đoán trước được, đây là thách thức lớn cho các kỳ sư và cơ quan
quản lý chịu trách nhiệm về độ an toàn, tuổi thọ của công trình, cần phải có công cụ
để nhận biết sự thay đổi này và cập nhật chúng vào các mô hình phân tích;
- Việc xác định mức độ phục vụ cũng như lập ngân sách và kế hoạch duy tu bảo
dưỡng chỉ dựa trên các quan sát bằng mắt, và các phép đo thông thường có thề dẫn
đến các sai lầm rất nguy hiểm ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn phục vụ của kết cấu
đặc biệt này;
- Sự phát triển của khoa học, kỹ thuật và ti'uyền thông đã đưa đến các phương pháp
đánh giá kết cấu cầu mới, các dụng cụ đo đạc mới. tin cậy hơn. khách quan hơn. thu
thập đầy đủ các dữ liệu một cách liên tục và đưa ra các cành báo kịp thời cho người sử


dụng. Nhũng phương pháp kiểm tra trước kia tỏ ra không còn phù họp nữa, hơn nữa
việc này đòi hỏi nhiều thời gian, và trong điều kiện khó khăn tại hiện trưòng thì nhân tố
này thường không đảm bảo. Bên cạnh dó thì cũng cần một lưọng lớn nhân công, vì vậ\
hay gặp các sai sót như: sai sót khi lắp đặt thiết bị, hiệu chỉnh với điều kiện môi trường
xung quanh, khi ghi chép và truyền đạt lượng thông tin không lô ....
Hàng năm chi phí duy trì hệ thống cầu trên cả nước rất lớn, các sự cố của các công
trình cầu mang lại hậu quả to lớn về kinh tế - xã hội. Vì vậy, cấp bách cần phải có một
hệ thống quan trắc để theo dõi sức khỏe của kết cấu cầu nói chung và kết cấu nhịp cầu
thép nói riêng để có thể cuno, cấp các thông lin có độ tin cậy cao hơn, thông tin được
cập nhật liên tục và hầu như tức thời về sự làm việc thực tế. Sự thay đổi điều kiện làm
việc của kết cấu, hay sự xuống cấp của công trình phải được ghi nhận một cách tự
động, liên tục và chuyển thành các thông tin để đánh giá chính xác của sức khỏe kết
cấu, xác định các vị trí hư hỏng và dự đoán trước được công việc sửa chữa, tăng
cường trước khi kết cấu bị sụp đổ. làm cơ sở để cơ quan quản lý có thể đưa ra các
quyết định một cách kịp thời. Do đó, nghiên cứu về hệ thống quan trẳc kết cấu nhịp
cầu thép sẽ mang lại mộl ý nghĩa rất lớn và đặc biệt quan trọng đối với công tác xây
dựng và quản lý công trình cầu ớ Việt Nam.
2. NỘI DUNG C ơ BẢN CỦA SÁCH
Trong sách này trình bầy cơ sở vè phương pháp luận, cơ sở lý thuyết của hệ thống
quan trắc cho kết cấu cầu nói chung và kết cấu nhịp cầu thép nói riêng ở Việt Nam.
Một ví dụ thực tế về khả năng áp dụng thiết lập hệ thống quan trắc kết cấu nhịp cầu
thép điển hình ở Việt Nam lại cầu treo dây võng TP (T.p. Đà Nang) được đưa ra để
minli họa (hệ thống này chưa được lắp đặt) nhằm tạo cơ sở cho việc áp dụng hệ thống
này một cách hợp lý và khoa học.
3. PHẠM VI ĐỂ CẬP CỬA CUỐN SÁCH
Vấn đề quan trắc cầu là vấn đề mới, chưa có tài liệu tiếng Việt giới thiệu, Sách này
chỉ giới hạn thảo luận về nguyên lý quan trắc cầu nói chung và những áp dụng cụ thể
cho loại kết cấu nhịp cầu thép, mà chú yếu là dựa trên các thông số đặc trưng quan
trắc được như sự thay đổi về tần sổ tự nhiên, ứng suất...ứng với 4 cấp độ đánh giá
thông qua hệ thống quan trắc:
- Cấp 1: Phát hiện các hư hỏng: xác định các hư hóng trên kết cấu;
- Cấp 2: Xác định vị trí các hư hỏne: xác định vị trí cùa hư hỏng;
- Cấp 3: Định lượng mức độ nghiêm trọng cúa hư hỏng;
- Cấp 4: Dự đoán thời gian tồn tại của kết cấu cầu.


Nội dung sách mới chỉ tập trung bàn đến vào cấp độ 1 và cấp độ 2 là phát hiện các
hư hỏng cơ bản.
Các nội dung được trình bày trong sách này dựa trên cơ sở lý thuyết được nghiên
cứu ờ nước ngoài, còn cần được kiểm chứng thực tế nhiều năm nữa trong điêu kiện và
môi trường làm việc của kết cấu cầu tại Việt Nam.
Lĩnh vực nghiên cứu hệ thống quan trắc kết cấu cầu rất rộng và mang khái niệm
khá mới ở Việt Nam nên nội dung sách chưa đề cập được hết cơ sở lý thuyết áp dụng
cho tất cả các loại kết cấu nhịp cũng như kết cấu mố trụ cầu và móng.


ChưoTig 1

TỔNG QUAN VỂ HỆ THỐNG QUAN TRẮC CẦU

1.1. HỆ THỐNG QUAN TRẮC KẾT CÂU CẦU
Với nhu cầu thực tế hiện nay, các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu
nói nêng cần phải được theo dõi, đánh giá một cách liên tục. Sự theo dõi, quan trắc
kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết là cần phải sửa chữa,
tăng cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng. Cùng với sự
phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ mà việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu
ngày càng chính xác hơn.
Có hai hướng để nhận dạng và dự báo khuyết tật cùa cầu, hướng thứ nhất đi sâu
nghiên cứu đặc điểm của từng dạng khuyết tật riêng biệt dựa vào những nét đặc trưng
của chúng để xây dựng lý thuyết về nhận dạng và dự báo các khuyết tật. Hướng thứ
hai là hướng phị cấu trúc, không quan tâm một cách chi tiết về từng loại khuyết tật mà
chỉ nghiên cứu đặc trưng chung về đáp ứng động lực học khi có khuyết tật để nhận
dạng và dự báo, nghĩa là dựa vào lời giải bài toán ngược động lực học cơ hệ.
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu
Quan trắc kết cấu cầu (Helmut Wenzel, 2009), thuật ngữ tiếng Anh là "Health
monitoring o f Bridge", là một thuật ngữ dùng để mô tả việc giám sát tình trạng tổng
thể của kết cấu cầu, vì vậy nó được định nghĩa theo mục tiêu và yêu cầu đặt ra đối với
kết cấu cầu. Quan trắc cầu là một trong nhiều cách để theo dõi trạng thái ứng xử của
kết cấu cầu dưới các loại tải trọng khai thác khác nhau. Như vậy, việc tiến hành xác
định các hư hòng của cầu như là sự thay đổi về tính chất của vật liệu, kích thước
hình học, điều kiện biên và hệ thống liên kết... chỉ là một khía cạnh của quan trắc
kết cấu cầu.
So với việc Thử tải cầu cũng như so với các phương pháp kiểm tra truyền thống
khác thì Quan ứ-ắc cầu có một ưu điểm khác biệt hơn như:
-

Cung cấp thời gian thực trong giám sát, phân tích và liên tục phát hiện sự giảm

khả năng chịu lực, hư hỏng mà không làm tổn hại đến kết cấu trong suốt quá trình
khai thác của công trình.


- Đặc biệt hệ thống này còn theo dõi \ ’à ghi lại các ứne xử của kết câu troniỉ trường
hợp đặc biệt (như bão lũ, thiên tai hoặc sự cố tai nạn nghiêm trọne) mà các phirơng
pháp truyền thống khác không thể giám sát được.
Những lợi ích rõ ràng, quan trọng nhất của quan trắc kết cấu cầu như sau:
- Việc quan trắc sẽ làm giảm các rủi ro về các nguyên nhân không lưcTiiơ trước
giúp cho Cơ quan quản lý cầu có các quyết định kịp thời dựa trên sổ liệu thực tế làm
việc của công trình cầu.
- Công tác quan trắc giúp việc phát hiện kịp thời các khiếm khuvết về mặt kêt càu
và tăng độ an toàn cho cây cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà không tliể
phát hiện bằng các kiểm tra bằng mắt hoặc kiểm tra trên mô hinh. Trong những
trưòng hợp này yêu cầu đảm bảo sự sống còn của các cây cầu là phải có các biện pháp
khắc phục kịp thời trước khi tình hình trở nên quá muộn. Công tác sửa chữa nếu đu'ỢC
tiến hành sóm và đúng thời điểm sẽ có chi phí thấp và thời gian phải ngừng lưu thông
là ngắn nhất. Có được thông tin từ hệ thống quan trắc được gắn sẵn trên càu sẽ làm
tăng mức độ an toàn cả cho kết cấu và người sử dụng.
- Việc quan trắc đảm bảo chất lượng lâu dài: Bằng việc cung cấp số liệu liên tục về
sự làm việc của cây cầu, công lác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công,
vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do dó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho công
việc không đạt chất lượng. Rất nhiều công trình có khicm khuyết hoặc diém yếu về
kết cấu được tạo ra ngay trong quá trình thi công, nlunm các khiếm khuyết này chỉ có
thể nhìn thấy được sau một vài nám. Lúc này chi phí sửa chừa sẽ trở nên rất lón và đã
nằm ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thần.
- Công tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kếl cấu cầu: dừ liệu quan
trắc có thể giúp cho việc thực hiện công tác "bảo dưỡng theo nhu cầu". Các hoạt động
vận hành, duy tu bảo dưỡng, sửa chữa hoặc thay thế các bộ pliận của kết cấu sẽ được
tối ưu hóa dựa trên các số liệu tin cậy phản ánh tình trạng làm việc thực của kết cấu.
- Việc quan trắc sẽ xác định được mức độ dự trừ về cưòng độ của cây câu: có
nhiều hạng mục của kết cấu có tinh trạng tốt hơn so với dự kiến (nguyên nhân có thê
là thiết kế với hệ số an toàn lớn hoặc sử dụng vật liệu có chỉ tiêu cơ lý tốt hơn nhiều so
với số liệu tối thiểu dùng trong tính toán thiết kế). Trong những trường họfp này, công
việc quan trắc sẽ xác định được biên độ cho phép có thể chịu đựng thèm cùa cây cầu,
giúp Đon vị quản lý nắm rõ tải trọng an toàn có thể đi trên cầu.
- Ngoài ra hệ thống quan trắc sỗ cung cấp các thông tin tham khảo rất bồ ích trong
công tác thực hiện các dự án có quy mô tươne tự trong lương lai: thông tin về sự !àm
việc thực tế của cây cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quán lý thực hiện các
đồ án thiết kế rẻ hon, an toàn hơn và bền vừng hơn với độ tin cậy và tính năng làm
việc được nâng cao. M ột chi phí đầu tư nhỏ thực hiện ngay từ đâu dự án sẽ có thê đạt
10


được các tiết kiệm lớn sau này nhờ việc tối ưu hóa thiết kế và phát hiện kịp thời các
điểm yếu.
Đối với công tác thiết kế thỉ hiệu quả cụ thể nhất của hệ thống quan trắc thể hiện tại
những điểm sau:
- Đánh giá và hiểu được ứng xử thực tế của kết cấu.
- Kiểm soát và cập nhật phưong pháp tính và mô hình tính toán.
- Xác minh các thông số tính toán được sử dụng.
- Đo các loại tải trọng, hiệu ứng và sự phân bố tải trọng.
- Nâng cấp cầu hiện tại cho tải trọng cao hơn và tốc độ lớn hơn.
H ệ thống quan trắc kết cẩu
là một hệ thống được đặc trưng bởi nhiều dụng
cụ cảm biến và nhiều hệ thống phụ khác. Một hệ thống quan trắc hoàn chỉnh bao gồm:
- Hệ thống thu nhận (các cảm biến).
- Hệ thống thu thập dữ liệu.
- Hệ thống xử lý dữ liệu.
- Hệ thống truyền tải dữ liệu.
- Hệ thống đánh giá và đưa ra các kết luận.
Khi xây dụng hệ thống quan trắc cần phải có mộtmục tiêu và động lực rõ ràng để
Chủ đầu tư chấp nhận, cần phải chỉ raràng các công việc hiện tại mà Chủ đầu tư đang
thực hiện không đáp ứng được yêu cầu là giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình.
Quán lý và thu thập
d ữ iiệ u íừ xa

Hệ thống truyền
dữliệu IntGrnet
Bộ phận cánh báo
khi có sự cố

Bộ phận xử lý
vả phân tich kết quả

Hệ thống thu thập số liệu
Cáp nối từ đấu đo
Các đầu đo

tới bộ thu dữ liệu

Bộ cám biến

Hình L Các thành pìỉân C ỉ k i hệ íhổngquan trắc cầu.
11


Các động lực chính để xúc tiến việc lắp đặt hệ thống quan trắc là;
- Hiện trạng công trình cầu đang lão hóa và các vấn đề kinh tể - xã hội liên quan
với việc tăng cường, sừa chữa so với xây dựng mới.
- Tiến bộ kỳ thuật trong lĩnh vực máy tính, lưu trừ và các cảm biến.
- Những vụ sập cầu gần đây gây ra các hậu quả nặng nề và được các phương tiện
truyền thông đưa tin, do đó tạo ra mối quan tâm lớn của công đồng tạo nên áp lực lớn
vì vậy nên tăng quỹ cho nghiên cứu.
- Trách nhiệm, điều này có nghĩa là phương pháp mới cần được đưa vào các quy
trình, và có các hướng dẫn cụ thể.
Hướng về kinh tế, ví dụ như tình huống xếp hạng cầu để có kế hoạch sửa chữa vì
không đủ vốn để thay mới hoặc cần sử dụng kết cấu với thời gian dài so với dự kiến,
mức độ phục vụ lón hơn.
Thúc đẩy tính tò mò, trưòng hợp này khi muốn biết thêm về tầm quan trọng và tính
phức tạp của kết cấu cầu, để đưa đến một kế hoạch tốt hơn cho kết cấu cầu trong
tương lai.
1.1.2. Lịch sử phát triển hệ thống quan trắc kết cấu cầu
Theo Wenzel (2003) lịch sử phái triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao
gồm các giai đoạn sau;
- Thế kỷ 19

Phát triển cùa động lực học của kết cấu

- 1920-1945

Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp

- 1965-1975

Phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính

- 1970-1980

Phát triển của phương pháp dao động

- 1975-1990

Bồ sung của phươnạ pháp phần tử hữu hạn tuyến tính

- 1990-2000

Bổ sung phưong pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến

- 1992-1995

Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh

- 1993-1996

Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu

- Từ 1994

Áp dụng các phương pháp đo dao động

- Từ 1995

Phát triển thêm phương pháp thu nhận kết quả quan trắc

"quan trắc

thông minh".
- Từ 1996

Thương mại hóa các thiết bị đo.

Hoạt động quan trắc đã bùng nổ mạnh trong thập ký gần đâv, do sự phát triên
không ngừng trong lĩnh vực khoa học máy lính và con nguời và hệ ihống Iheo dõi
"thông minh". Thuật ngữ "thông minh" sau đó được sử dụng đế ỉihấn mạnh ý nghĩa
của hệ thống quan trắc thông minh vì có độ bền, đáng tin cậy và kinh tế.
12


Năm

Hình 2. Quá trình phát triên của hệ thống quan trắc (Wenzel, 2003)
Hình 3 cho thấy việc kiểm tra cầu có từ rất sớm, tuy nhiên cho đến một vài thập
kỷ gần đây thì việc quan trắc mới được quan tâm và áp dụng rộng rãi. Các cây cầu bị
phá hoại lớn nhất trong thế kỷ XIX đã dẫn đển tai họa to lớn tại Mỹ, Anh và Pháp.
Tất cả các tai nạn đều xuất phát từ các nguyên nhân giống nhau là: sự hiểu biết chưa
đầy đủ về vật liệu và kết cấu, hơn nữa việc kiểm tra bảo dưỡng đầy đủ hiếm khi
được thực hiện. Các thảm họa này dẫn đến phải phát triển của các Tiêu chuẩn, các
bản Hướng dẫn chi liếl kỹ Ihuậl vả các Quy dịnh kiểm Ira cầu để bảo vệ người tham
gia giao thông.

Hình 3. Thừ nghiệm một giàn thép tại Anh sẽ
được sứ dụng cho một cầu đường sắt ớ Ấn Độ trong thé kỳ 19
13


Tuy nhiên trải qua một phần tư thế kỷ để phát triền tốt hơn các phương pháp thiết
kế theo những cải tiến cùa lý thuyết phân tích ứng suất, kiến thức vật liệu tốt hcTiì và
đơn giản là triết lý thuận theo thiên nhiên. Vì vậy, không phải cho đến giữa thế kỷ
XX, mà sau sự sụp đổ bi kịch của cầu Tacoma vào năm 1940 tại Mỳ, các đặc trimg
cùa kết cấu cầu đã được nghiên cứu và từng bước kiểm soát.
Hiện nay với sự phát triền của khoa học kỳ thuật thì việc quan trắc kết cấu cầu
đang đứng trước cơ hội lớn để phát triền và dần hướng tới các hệ thống "quan trắc
thông minh".
Wind Speed / Direclion
Located at Tovvcr & Dcck

Acceỉerometers
8 Localions
Temperature
Spare for
Others

Calibration System

B i

ló b i t
A /D Convcrter

Data Acquisition
Boárd

Hình 4. Giới thiệu mộl hệ íhống "quan trắc thông minh"
1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu
Theo Helmut Wenzel (2009), hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thông tin
cơ bản như là:
- Chứng nhận rằng kết cẩu cầu đáp ứng các yêu cầu của các quy trình, nó đưa đến
kỹ thuật mới trong công tác quản lý cầu và tạo ra môi trường cạnh tranh tốt trong
ngành Xây dựng.
- Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu về kỳ thuật và vận hành hệ
thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lun trừ dữ liệu của
cầu thành sự kiểm soát tư nhân, từ đó thúc đẩy các công việc mới như là cung cấp sự
đổi mới và kế hoạch sửa chữa mới.
14


- Đối với các kết cấu cầu đặc biệt đòi hòi có những quan tâm đặc biệt, mà các ý
kiến của các chuyên gia không phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ
cũng đòi hỏi phải cập nhật liên tục.
Nhân viên thiếu năng lực, gặp khó khăn khi lên kế hoạch sửa chữa thường xuyên
và đánh giá cầu với các dữ kiện khổng lồ. Những kỹ thuật mới có the khắc phục được
điểm yếu này.
- Trong tình huống khẩn cấp thì Chủ đầu tư cần phải đưa ra các quyết định nhanh
chóng và chính xác. Các đánh giá dựa trên kết quả đo đạc thì được dễ dàng chấp nhận
hơn ý kiến đánh giá chủ quan của các chuyên gia. Điều này làm cho Chủ đầu tư có thê
yên tâm vì đã có một hệ thống đang theo dõi thưòng xuyên, tự động và kịp thời đưa ra
các cảnh báo cho họ.
- Lĩnh vực này cũng được áp dụng trong trường hợp ngẫu nhiên hoặc khẩn cấp, việc
sử dụng các đánh giá chủ quan làm tăng nhiều nhược điểm và độ tin cậy không cao.
- Khái niệm tối UXI trong việc sửa chữa cần phải được đưa vào trong quá trình thực
hiện, càng nhiều dữ liệu, càng tổ chức tốt hơn và làm cho các công việc sửa chữa được
rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro và giúp đưa ra các quyết định có biên độ an toàn
thấp hơn, có nghĩa là tiết kiệm được chi phí,
- Việc đưa ra các quyết định thông qua các số liệu định lượng trên cơ sở đo lưòng
kết cấu cầu giúp đưa ra các biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn
nhỏ, chỉ một bộ phận nhỏ các kết cấu mới đòi hỏi có sự can thiệp vào. Kỹ thuật đo đạc
mới nâng cao cơ sở dữ liệu và chất lượng của các kết quả để phục vụ cho việc đưa ra
các quyết định cần thiết.
- Dự đoán khả năng phục vụ của kết cấu cầu trong tương lai.
- Khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả quan sát được đề xuất để đánh giá khi số
lượng kết cấu khổng lồ, việc này được chia thành nhiều giai đoạn phụ thuộc vào mức
độ sâu của thông tin yêu cầu.
Việc lựa chọn các tình huống quan sát phải được dựa trên các yếu tố chính, vì vậy
chỉ có một số các bộ phận kết cấu cầu được quan sát trong hệ thống với nguồn vốn cố
định. Tùy thuộc vào các mức độ khác nhau mà được chia thành nhiều điểm, chu kỳ,
chiến lược đánh giá tại chỗ, trực tuyến của kết cấu như sau:
- Điểm quan sát nên bao gồm các dụng cụ đo nhanh với các cảm biến đơn giản cầm
tay, nó cung cấp các thông tin hiện trạng tổng quan của kết cấu cầu.
- Các đánh giá định kỳ có nghĩa là có một kế hoạch đo nhiều lần lặp lại trên kết cấu
cầu, nó được lặp lại sau một khoảng thời gian.
- Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới hạn
của cầu bị vượt qua, các quan sát này cho phép đánh giá chi tiết dựa vào các dữ liệu
và giúp đưa ra các quyết định nhanh chóng.
15


Quan sát và đánh giá trực tLi}'ến cho phép cảnh báo thông qua các phương tiện
truyền thông, thông qua các đoạn tin nhắn (SMS) trong trường họp đơn giản hoặc
-

theo dõi trực tuyến từ internet. Các quyết định có thể được thực hiện trên các máy
tính dựa trên dữ liệu đo đạc. Hệ thống cành báo này áp đụng khi giới hạn của kết cấu
bị vượt qua.
Trong trường hợp thông thườna thi Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trờ
nên đơn giản, các kỳ thuật mới này đòi hòi các yêu cầu phức tạp hơn và có mức độ
hiểu biết sâu sắc về động học cùa kết cấu. vật lí và các kĩ thuật đo lường. Kết quả
cuối cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỳ thuật đơn giản, cung cấp các
thông tin rõ ràng, chính xác. Các thông tin chính được cung cấp trên một cửa sổ
đơn của chương trình, ở đây ngưỡnẹ trên và ngưỡng dưới (giới hạn trên và dưới)
được đưa ra và các kết quả đo lường trong một khoảng thời gian được đặt trong
ngưỡng này. Bằng cách nhìn biểu đồ người ta có thể thấy có bị vượt qua ngưỡng này
hay không.
!
Ah Datís 3t.

rnoniN-.r

CUI*
;

Ftom i

w

í-

_____

W0¥ 17, 2 0 0 ^ i f r 1

i

____
MIOI

12009 J

View T«t«l Timellne
¥!••• Current Nond»
Cvrrvnt
M fr«iN CH«K

J 4 :3 2: S í _

BHII

Vien 0 E vcn ls
Vl«w 0 U n k «

Viev 0 m * ị f y Itvm t
Hlèc AUrm«

ttrtiĩittaBnanaaBaa
■ VNTdJ>«c»ori

i-

«

«



S(i8cr)

•0
14:M37
N 0 V t7 .«

■ >MrđJi»ec*on

7.5

w

1

143827
NOV17.09

r“ ,
V

rr

m

^# *



1
Sítec*)
S ( t « r ) __________ _______________________________________________________________________________

ia » J7
M»^22,09

06 » 2 7
N 3v27,M

0 > l2 J 7
I> e 3. Oâ

77Oe>;6.C»

I7si:27

D o c tt.O S

Suc
•OựMT.

M397Ỉ
11»ị

11»»
1 1J9

Hình 5. Hình ánh mộỊ Irani^ cim^ cắp íhỏniỊ ùn cùa hộ íhống Oucm írẳc cầu^'^^
16


I rattic Im aqe

Mo*-.! R»>rr>nf v*ìh»clr

1

W^H»lỊyạỊTj

Jũ ....... ....

V eh d c ln cỉc ^to i

Uxpđ

ỉratficSta1i5tiợíĩ|l imo I<í Onỵ Mì 41; 0 /

ìẠm w«iatí HPS15fl-

:oo

30-^ ----- -------- —

,04---------- ----0^-.;-.......,.....

ào

«0

I ÍO-Ị—
I

io 4

*'

000
-’,.............
io
ióủ

ioàỡ


BSQH
ị IBHV KU.«VA^PS|
r ................... I ■ ...
00...... !cc' ' 1000 Ị ũo’ 25 ú 75 kÌc
IMPHỊ

'1 0 0 G /■

M * « ^ V iằ jl|M P H Ỉ

D ẽ ỉtd r ^ « c x ir ( j| F ilc ( o S a v u

^ » /~ a o d ư

M odem
$TO f

95?! :iJ
Roal i m ù Trattic s trâ in OnỸn Plôtỉuo)

«10•

/i ^^ X ^ 3 ^ i. Ì 35 .»


" ^ u - ’’
-%»1 4»«.
^ ««v
U íi.
.
' ” 2 ..................................3
’ * *
'
4
.......................
........ ......... 1....................z....................
3....................
i...........
va

f
1

j d l / i /U
1->íi 4H

í

%1
2Ì m E O Ê m
’ 1--------------- 1 m r a i H
M
••
d i a a ^ *

^

ịSQSSEBiH

dcviM/

\

B lf \ti:i

*'*

‘ 6 I

u n v « rv iry ef c n c t v i a a n r a s t r u c tu r e n stK u t» >»\K^t:e

1
ĩ ‘* n □
r
Xi\
i ' !
3
*■— J
í*
, jv
"A i
=
r r .............................. .

r n


HmcihiI I u |}i«li

Hrtlhoi iSI Ì-dKi

5

WM
Suto

'N\
,a .

J Ê K jk :m ầ M i
~ j p Cri m^r .
I/sIb.ó
ló g e
-■u .
U .íhiỉe''

Hình 6. Hệ thốn^ giám sát tủi írọng cung cáp một ngưỡng ịriới hạn của kêt ccíi/'^^.
Bảng báo cáo định kỳ cần cung cấp các thông tin dưới đây:
- Các hình ảnh và hệ thống biêu đồ khi quan sát kết cấu đề có thể xác định một
cách dễ dàng.
- Một cửa sổ cung cấp các kết quả có tính chu kỳ được đặt trong một ngưỡng
giới hạn.
- Cửa sổ thứ hai cung cấp các thông tin đặc biệt được yêu cầu như tốc độ gió hoặc
bất cứ số liệu mong muốn nào khác.
- Cuối cùng một sự phân loại được thực hiện dựa trên các thông số đo đạc trong
bàng báo cáo thường kỳ, dựa vào bảng phân loại này có thể thấy ngay lập tức là có bất
cứ sự thay đổi nào xảv ra hay không.
- Ngay cả các tiêu chuẩn liên quan đến khả năng khai thác của cầu có thể được
cung cấp nếu các dữ liệu cần thiết được ghi nhận.
1.1.4. Các tiên đề của hệ thống quan trắc (Helmut Wenzel, 2009).
Tiên đề 1: Đánh giá các h ư h(ii của kết cẩu cầu đòi hỏi p hải so sánh giữa hai
trạng í hái của hệ thống.
Việc đánh giá mức độ hư hại cần phải có sự so sánh giữa các tình trạng của hệ
thống. Để đi đến một kết luận thống nhất đối với tiên đề này thì nhất thiết phải định
17


nghĩa được thế nào là đường chuẩn. Một số phươiig pháp luận về giám sát tình trạng
kết cấu công trình xây dựng không yêu cầu phải có một đường chuẩn được đo từ hệ
thống không bị hư hỏng. Một đườne chuẩn có thể được tạo ra đơn giản từ sự chi tiết
hóa về mặt lý thuyết của tình trạng vận hành hệ thống theo mong muốn. Để phán đoán
yêu cầu có ước định vị trí và mức độ nshiêm trọng của hư hại đạt được câp độ cao
hơn thì trong bộ dữ liệu hướns dẫn phải có dữ liệu mẫu ở điều kiện bình thường và
cần phải bổ sung thêm mẫu ở các điều kiện hư hại khác nhau. Trong trường hợp này,
hiển nhiên là dừ liệu trong điều kiện bình thường tạo nên đường cơ bản. Trong một cơ
sở hạ tầng xây dựng thì không thể có một điều kiện tốt đến mức không gây ra hư hỏng
nào. Cần phải thừa nhận rằng các mô hình lý thuyết sẽ cho ra đường cơ bản của điều
kiện lý tưởng không hư hỏng. Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ở đây là phải tìm ra một
mô hình phù họp trong khả năng có thể. Đưèmg cơ bản cũng có thể được tìm ra qua
thực nghiệm với các kết cấu khác nhau được quản lý bởi cùng một cơ sở dữ liệu. Đây
là phép so sánh với hiệu suất trung bình của các kết cấu tương tự nhau. Hơn nữa, ta có
thể xác định được tính linh động từ các thử nghiệm mang tính lịch sử và bất kỳ một sự
sai lệch nào cũng bị xem như là một hư hại. Bất cứ lúc nào ứng dụng một phưong
pháp nhận biết hư hại thì cần phải dịnh dạng đường cơ bản theo đặc tíiih của nó.
Tiên đề 2: Xác định các tồn tại và vị trí cua h ư hỏng có th ể được thực hiện
không thông qua các ph ư ơ n ẹ pháp, nhưng xác định aĩc loại hu' hỏng và m ức độ
quan trọng chỉ cỏ th ể được thực hiện thônẹ qua phuơ n ẹp h á p nghiên cứu.
Việc xác định sự hiện hữu \ à vị tn' của hư hại có thê đưực thực hiện bang hình thức
nghiên cứu không giám sát nhưng việc nhận biết kiêu tình trạng hư hại và mức độ hư
hại chỉ có thề tiến hành bằng hình thức nghiên cứu có giám sát. Đối với ngành xây
dựng cơ bản thì câu hỏi quan trọng nhất là: Có bị hư hại không? Những câu hỏi xoay
quanh vị trí và mức độ nghiêm trọng, trono, điều kiện bình thường, không quan trọng
lắm bởi vì một hư hại hiện hữu thuần túy sẽ kéo Iheo sự thay đổi của toàn bộ quy
trình, ở đây phải nói đến các câu hỏi về trách nhiệm mà sẽ có nhiều điểm khác biệt
khi ứng dụng trong các ngành kỹ thuật ô tô hay hàng không vũ trụ. Vì vậy, những lập
luận này đối với quan trắc trone xâv dựng mà nói thì nó không có vai trò quan trọng
đến vậy.
Phần phát triển mô hình thống kê của hệ thống quan trắc cần được xem xét cùng
với việc thực hiện các thuật toán làm việc trên các đặc tính dễ bị hư hại nhằm lượng
hóa tình trạng hư hại của công trình.
Các thuật toán sử dụng trong việc phát triền mô hình thống kê thường rơi vào
3 dạng:
Khi có dữ liệu khả dụng từ cả công trình bị hư hại và không hư hại, thuật toán nhận
biết mẫu theo thống kê rơi vào dạne tổng quát được gọi là nghiên cứu có giám sát.
18


- Phân loại theo nhóm và phân tích hồi quy là hai dạng của thuật toán nghiên cứu
có quan sát và chúng nhìn chung là gắn liền với việc phân loại mẫu hoặc là rời rạc
hoặc là liên tục.
- Nghiên cứu không quan sát đề cập đến các thuật toán ứng dụng đối với các dữ
liệu không chứa mẫu từ cône trình bị hư hại. Phát hiện bất thường hay ngoại vi là
dạng cơ bản của thuật toán ứng dụng trong các mô hình nghiên cứu không quan sát.
Tất cả các thuật toán đều dựa trên phân tích phân phối thống kê của các đặc tính
thu thập được hoặc đo Iưòna; được nhằm đẩy mạnh quy trình nhận biết hư hại.
Tiên đề 3: D ụ n g cụ đo luờng cỏ độ nhạy càng cao thì nó càng nhạy với sự thay
đổi của hệ thong và các tác động của m ôi truờng xu n g quanh.
Neu không có tính năriR trích xuất thông minh thì một phép đo lường càng nhạy cảm
với thiệt hại thì nó càng nhạy cảm với sự thay đổi của các điều kiện hoạt động và điều
kiện môi trưòng. Sự nliạy cảm của các công trình xây dựng dân dụng đối với các điều
kiện hoạt động và môi trường cần được minh họa một cách chi tiết trong một phần
riêng. Điều kiện đặt tải và môi trường càng tốt thì việc phát hiện hư hỏng càng hoạt
động hiệu quả. về lý lưỏng thì có thề loại trừ các điều kiện này bằng các chưong trình
bù trừ dự kiến. Tuy nhiên, vẫn còn tồn lại điểm bất định khá lón vì các kỳ quan sát quá
ngắn và không thể lường trưóc được các điều kiện ngoại lệ. Vì vậy, cần phải thận trọng
khi nhận định kết quà, ví dụ như kết qua do thấy dộ cứng giảm dôi khi khỏng phải là clìỉ
số đo lường hư hại tốt mà vì độ nhạy cảm của phép đo hay dụng cụ đo kém. Vì độ cứng
không phái là chỉ số đo lường duy nhất nôn việc kết hcTp các phương pháp lại với nhau
xem ra sẽ mang lại kết quả tốt hơn. NhCmg biến đổi riêng biệt về trạng thái có thể sỗ
điền hình hơn và lời giải thích cho những thay đổi này sẽ được đưa ra thảo luận.
Tiên đề 4: Tồn tại tác động qua lại giữa các thuật toán để phân tích các dữ liệu
hữ u ích (dữ liệu đê xá c định hu' hỏng) và n h ữ n g dữ liệu được loại bỏ đi.
Sẽ có sự đánh đồi giũa độ nhạy thiệt hại và khả năng loại bỏ tiếng ồn do một thuật
toán. Tỷ lệ này được thể hiện dưới dạng phần trăm của mức truyền tối đa trên véctơ
mô hình chuẩn. Đổi với một tỷ lệ tiếng ồn, bộ hướng dẫn và bộ kiểm định phân tích
ngoại lai được hình thành như sau. Bộ hướng dẫn chứa 1000 mẫu lấy từ mô hình
chuẩn. Bộ kiểm định đơn íìiản là sỗ tương đương với bộ hưóng dẫn trung bình này. Bộ
hướng dẫn có thể là một phép đo đường cơ bản của kết cấu trong điều kiện không hư
hỏng có tính đến điều kiện thực tế hiện thời.
Tiên để 5: M ứ c độ h ư hỏng có thế được nhận biết từ nhữ ng thay đối động đặc
trưng động của ỉiệ thống là nó ti lệ nghịch với miền tần số kicìì thích.
Kích thước của hư hại có thể được phát hiện từ những thay đổi trong động lực học
hệ thống tỷ lệ nghịch với dải tần số kích từ. Rõ ràng ràng kích thước hư hại phụ thuộc
19


vào phạm vi của đợt đo bao cồm sò luợna các điểm đo trên một công trình cũng như
tỷ lệ lấy mẫu đạt được. Chỉ có t.hc: phái hiện được hư hại nếu thực sự đo lường các đặc
tính của nó.
ờ đây, một vấn đề cần phai đề cặp dcn ớ đây là các yếu tố phi tuyến liên quan đến
trạng thái hoạt động và nlũrnR t.ha'v đôi cua chúng khi phát hiện ra hư hỏng sẽ làm cho
các biện pháp xác định trở nên khó khàn. Mối quan hệ giữa bước sóng và độ nhạy
cảm thiệt hại có thế được phát iriiển thành các phương pháp nhận biết hư hại dựa vào
độ rung dưới những dạng lôr.s quát hơn. Trong những ứng dụng này, bước sóng đàn
hồi chạy qua vật chất được ihav tlhế bànu mô hình bước sóng đứng được tạo lập trong
kết cấu mà được hiểu là một dạng chấn dộng. Trong các tài liệu kỳ thuật có rất nhiều
bằng chứng chi ra rằng dải tần ;số khône phải là chỉ số tốt để đo lưòng các hư hại cục
bộ. Dạng kết cấu chung tần sô thâip có bước sóng đặc trưng dài thưòng có xu hướng ít
nhạy cảm với các thiệt hại cực biộ. Đối với các công trình xây dựng như cầu treo,
bước sóng dạng này có thề lên tới hàng trăm mét và những thiệt hại như các vết nứt
mỏi dài khoảng vài cm sẽ khô-ng lihê phát hiện được.
1.1.5. Các cấp độ quan trắc
Theo Helmut Wenzcl (2009), dê phân loại câu thì cân phải có các thông tin về hiện
trạng và các yếu tố khác của nó. hiệ ihòim quan trắc đưa ra cơ hội để xác định số lượng
các điều kiện và cunịí eấp nhuníị ' ’ấ!l ‘.Ịuan trọng cho việc đưa ra các quyết định. Có
nhiều loại cấp độ quan trác, sư đồ bên dưới đưa ra các phương pháp phát triển từ việc
điều tra đơn giản thông tliườnc tới các chiến dịch quan trác tinh vi, phức tạp. Quy mô
của hệ thống quan trắc plụi thuộc chủ yếu vào các kết quả cần có, chính xác là có 5
cấp độ được sử dụiia dò qu^ ết định mức dộ điều tra.
- cẩp độ 1: Plíãn loại.
Các quy tắc đánh aiá thông thưcmu cúa kết cấu bắt đầu từ việc quan sát bằng thị
giác sẽ cung cấp các nhận địnli chu quan về kết cấu cầu. Các phân tích ban đầu được
thực hiện đê phân loại các vấn đề cư bàn cần biết cho việc ra các quyết định sau này.
Nhiều chủ đầu tư lưu trừ các kếi qua này.
- Cấp độ 2: Đảnh giá cá c điều kiện
Điều tra bằng thị íiiác P’hai đuợc ihực hiện trong bất kỳ kế hoạch quan trắc nào.
Sau đó mới đưa ra các quv êt định là có triển khai các bước tiếp theo hay không, có
tiên hành các cuộc khao sál clni liêt hav khône. Xác định loại và số lưọng các dụng cụ
đo. Dùng các dụng cụ đưn gian đẽ đánh íiiá có thể đưa ra các quyết định đơn giản cho
toàn hệ thống và sẽ cune cấip thcir. các thông tin cần thiết. Lun trừ và xử lý các dữ liệu
nên được thực hiện trong c:ấp) dộ này. Việc quan trắc có thể chỉ cần thực hiện tại các
điểm đơn (cục bộ) th.a\ vị c:hc) toàn bộ kết cấu.
20


Lĩnh vực điéu tra cơ bản

Phân tích mô hinh

Điéu tra phân tích
thường xuyên

\n g h i n g ờ ^

Môp Dhỏng

Quar1 trắc
thường xuyên

Dày đặt
đồng bộ

Hỗ trợ quyết định

Tải trọng thử

Kiểm Ira
vi kết cấu

OK
Y

Cặp nhật mỏ hinh

Quản lý dữ liệu web

OK

OK

Yl

Cấp độ t
Phân loai

Cấp độ II
Đánh ậiả
các điếu kiện

Cấp độ III
Đánh giá
hiệu quả

Cấp độ IV
Đánh giá chi tiết
phân loại

Hình 7. Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc
- Cấp độ 3: Đánh giá tỉnh hiệu quả.
Cấp độ này được thực hiện theo cùng một phương pháp được mô tả trong cấp độ 2 .
Cấp độ này được thực hiện chi tiết và cung cấp các quyết định chính xác hơn như
thêm các thông tin ví dụ như là đo mode hình dạng và các đánh giá chi tiết khác. Việc
21


này đòi hỏi phải cung cấp thêm các dụng cụ quan trắc dày đặc, đồng bộ để đánh giá
kết cấu.
- Cấp độ 4: Đánh giá chi tiết và phân loại.
Bước tiếp theo sẽ thiết lập và phân tích mô hình hiện tại của kết cấu cầu. Mô hình
này được so sánh với kết quả quan trắc được. Nếu nó được xác định đơn giản, thì có
thể trở lại cấp độ 3, nếu có các dấu hiệu bất thường không thể giải thích được từ việc
ghi nhận dừ liệu, phải làm bước tiếp theo để làm rõ tình huống này. Việc rõ ràng
nhất là thu nhận các dữ liệu bất thường trong các trường họp đặc biệt. Với việc cập
nhật những kết quả này vào mô hình đơn giản ban đầu có thể thực hiện đánh giá kết
quả và phân loại công trình. Dữ liệu cần phải ghi nhận ít nhất là suốt 24h, nhưng
tốt nhất là nên lâu hơn để thu nhận các kết quả từ môi trường và các tình huống
giao thông.
- cẩp độ 5: D ự báo thời gian tồn tại.
Các dữ liệu được ghi nhận để dự đoán thời gian tồn tại của cầu phải đủ lớn để vượt
qua ít nhất là ba chu kỳ làm việc của kết cấu cầu, thời gian này thường là 3 năm. Công
việc mô phỏng nên được thực hiện từ phân tích mô hình để so sánh với lý thuyết. Đe
kiểm soát sổ lượng lớn các dữ liệu, cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng. Thêm
vào đó, công tác kiểm Ira các vi kết cấu có thể rấl hữu ích để xem xét các yếu lổ của
kết cấu. Tiến trình cập nhật sẽ được thực hiện và xem xét nhiều điều kiện của kết cấu,
nó bao gồm rất nhiều trưòng hợp tải trọng, không tải và bao gồm cả yếu tổ phi tuyến.
Trong trường hợp nghi ngờ, hệ thống quan trắc này nên được làm việc trực tuyến để
máy tính có thể đưa ra các quyết định cảnh báo.
Nhiều cầu đã có tuổi đã vượt quá thời gian khai thác, chúng được thiết kế không
theo tải trọng hiện nay, có thể bị hư hại do các hư hỏng hoặc do quá tải. Câu hỏi đật
ra cho Chủ đầu tư là các cầu này vẫn còn khai thác và thực hiện các chức năng của
chúng hay không. Một kế hoạch theo dõi dao động có thể đưa ra các thông tin cho
các điều kiện này, nó đã được chứng minh bởi WenZel và Pichler (2005), dựa trên
nguyên tắc là so sánh ứng xử thực của kết cấu theo các số liệu đo đạc và mô hình
lý thuyết.
1.1,6, Các thành phần của hệ thống quan trắc
1.1.6.1. Giới thiệu các íhàtth ph ần hệ thống quan trắc
Tồn tại nhiều hệ thống quan trắc khác nhau, các loại khác nhau phụ thuộc vào các
đặc trưng của đại lượng cần đo. Tuy nhiên, nói chung thì tất cả các hệ thổng quan trắc
có thể được chia thành hai loại cơ bản sau; Hệ thống quan trắc tĩnh và động.

22


Hình 8. Sơ đồ các hệ thống quan trắc
Mỗi hệ thống "con" bao gồm nhiều loại thí nghiệm khác nhau: như hệ thống đo
tĩnh theo dõi ứng suất trong quá khứ của cầu. Khi có ý định xem xét ứng xử tức thời
của kết cấu thì sử dụng hệ thống quan trắc tạm thời. Những thay đổi toàn bộ và cục bộ
trong các bộ phận kết cấu cầu có thể được xác định bằng cách sử dụng hệ thống theo
dõi lâu dài. Hệ thống theo dõi động xác định những hiệu ứng của tải trọng thực tế và
các tham số cần thiết của kểt cấu như: tần số tự nhiên, mode hình dạng và hệ số cản,
đây là các đặc trung riêng cho mỗi cây cầu.
Theo ISIS (2001), hệ thống quan trắc bao gồm những công việc sau đây:
- Thu thập dữ liệu;
- Truyền tải dừ liệu;
- Phân tích tín hiệu và xử lý dữ liệu;
- Lưu trữ dữ liệu đã xử lý;
- Hệ thống lựa chọn giá trị thông minh/thông tin kết quả;
- Đánh giá dữ liệu;
- Trình bày kết quả và tài liệu;
Các thông số chính quan trắc cầu bao gồm:
- Biến dạng/ứng suất
- Chuyển vị
- Gia tốc.
- Tần số, mode hình dạng
- Nhiệt độ của kết cấu
- Nhiệt độ không khí
- Thời gian, điều kiện môi trường...
Hệ thống cảm biến bao gồm các dụng cụ điện trở đo biến dạng, dây đo dao động,
đầu dò độ lệch, đầu đo gia tốc, cảm biến sợi quang học, v.v...

23


Hình 9. Sơ đồ của một hệ thống quan trắc
Công việc thu thập dữ liệu rất phức tạp và phụ thuộc lớn vào số lượng dữ liệu mẫu.
Do đó, điều quan trọng nhất là giữ cho khối lượng dữ liệu trong giới hạn hợp lý mà
không xảy ra rủi ro mất các thông tin có giá trị, do đó cần lấy mẫu thích họp. Một tỷ lệ
thấp sẽ dẫn đến nguy cơ không đạt được các thông tin mong muốn. Một tỷ lệ quá cao
thực tế sẽ tổn nhiều bộ nhớ và ổ đĩa cứng trên máy tính và vì vậy sẽ không cần thiết
cho hệ thống theo dõi lâu dài.
Một vấn đề trong quá trình thu thập dữ liệu là truyền tải các dữ liệu từ bộ cảm ứng
vào hệ thống thu thập dữ liệu. Quá trình truyền tải này thường đi qua dây dẫn. Bất lợi
ở đây là chiều dài của dây dẫn thường được giới thiệu các cấp độ khác nhau do sự
nhiễu của các tín hiệu. Do đó, chiều dài của nó tốt hơn là nên được giới hạn trong
phạm vi tương thích với hệ thống thu thập dữ liệu. Truyền dẫn không dây giữa các
cảm biến và hệ thống thu thập dữ liệu sẽ thích hợp hơn khi số lượng lớn các bộ cảm
ứng được sử dụng.
Việc truyền dữ liệu quan trắc liên quan đến việc vận chuyển dữ liệu từ hệ thống thu
thập dữ liệu cho văn phòng, nơi các xử lý và phân tích được thực hiện. Ví dụ như hệ
24


thống thu thập dữ liệu có thể được kết nối với mạng internet làm cho nó có thể kết nối
với hệ thống từ các máy tính trong văn phòng và tải dữ liệu. Tuy nhiên, tốt nhất là nếu
dừ liệu quan trắc có thể được phân tích thô tại trang web bằng cách thực hiện các thuật
toán phân tích vào hệ thống theo dõi.
Lưu trữ dữ liệu gồm các phương tiện lưu trữ dữ liệu được xử lý để nó sẵn sàng cho
việc đánh giá trong thời điểm hiện tại hay trong tương lai. Điều quan trọng là làm cho
dữ liệu nhận được bất cứ khi nào muốn để phân tích mới. Vì vậy, dữ liệu quan trọng
này cần phải được đảm bảo khi lưu trữ bao gồm cả các chú thích và các mô tả để làm
cho rõ ý nghĩa của tất cả mọi thứ rõ ràng sau nhiều năm khi các tập tin được mờ trở
lại. Cũng có thể luxi trữ các file dữ liệu thô, đặc biệt là từ các dự án mà dữ liệu không
được chia làm nhiều phần và đĩa cứng trên máy tính hoặc các thiết bị luxi trữ tương
đương không giới hạn.
Lựa chọn và đánh giá các dữ liệu phụ thuộc chặt chẽ với nhau. Việc giải thích các
dữ liệu quan frắc là một phần quan trọng nhất trong các dự án quan trắc, vì nó phản
ánh kết quả phản ứng thực sự của kết cấu. Một điều quan trọng là chọn dữ liệu phù
hợp cho những phân tích và ừình bày. Vì vậy, nếu mục đích của phân tích được biết
đến, và đánh giá có kinh nghiệm, việc lựa chọn dữ liệu là có thể thực hiện trước khi
đánh giá. Tuy nhiên, việc đánh giá các dữ liệu thực sự có thể được thực hiện trước khi
lựa chọn các kết quả có giá trị.
1.1.6.2. Các cảm biến
1. Giới thiệu về các cảm biến
Sự phân bố các cảm biến được sử dụng ở đây được tin cậy nhờ vào một mạng lưới
các dây có độ bền cao được đặt vào bên cạnh hoặc dán vào dầm cầu, tại một khoảng
cách z của mặt phẳng trung hòa để theo dõi các biến dạng đường, biến dạng góc và
xoắn, toàn bộ các đặc trưng của cầu. Mạng lưới dây tạo thành một lưới Cartesian như
trong bên dưới. Tất cả các dây được chia thành nhiều phân đoạn cho phép các giám
sát liên tục biến dạng đường, góc và góc xoắn của một số điểm rời rạc trên cầu. Như
vậy công việc theo dõi đạt được bàng cách đo và biến đổi độ dài của các phân đoạn
dây khác nhau của cảm biển. Quá trình xử lý thay đổi chiều dài được xác định theo
các lý thuyết.
2. Cơ sở đo đạc của các cảm biến
Bên cạnh lý thuyết phân bố các sợi cảm biến, có thể hiểu được bằng cách xem xét
các ý tưởng một chiều của các các "beam-like bridge" đon giản thể hiện trong hình
trên. Các biến dạng tương đổi e(x) của một sợi dây dính bám vào cầu ở một khoảng
cách z từ trục trung hòa có thể được xác định theo công thức sau (Zienkiewicz và
Taylor, 1989);
25


e(x) = -zw ^^

( 1)

Trong đó: Wxx là độ cong (chỉ số dưới biểu thị không gian theo x)
Bằng cách chia các "beam like bridge" thành các phần hữu hạn và sử dụng các lý
thuyết phần tử hữu hạn để phát triển mối quan hệ biến dạng và độ võng, các độ võng
nhỏ được giả định. ( 1) có thể viết độ võng ngang w, tì-ong một phần tử cảm biến cầu,
trong điều kiện vector độ võng tại nút Ị Aj} của phần tử dầm i như sau:
W

= N{A,}

(2)

Trong đó; [N] là hàm hình dạng;
®k} trong đó lần lượt là biến dạng đường và góc
của nút j và k của phần tử dầm thứ i.
Phương trình (1) có thể được viết lại như sau:
s(x) = -z [N ,,]{ A i}
Sự thay đổi tương ứng {ALj} trong chiều dài của sợi có thể được tính toán từ:
L,

r Lj
Edx = [Gi]{Ai} với [Gj] = a í[ N ^ J d x

z
Beam-Like Bridge

Sensor

■ *

r i
7

\

Node

N

1/

r

strain

u
L2

Hình 10. Chi tiết bố trí của một của một sợi cám biến
26


Phương trình (4) đưa ra sự thay đổi chiều dài ALị của sợi cảm biến trong đó có 4 ẩn
50

ịw

e

e,

của vector độ võng {a J . Cách khác, phương trình (4) là

phương trình tuyến tính với 4 ẩn số của các biến dạng đường và góc của phần tử
'beam-like bridge”. Theo đó, nếu 4 ẩn số này được tách ra, sợi cảm biến phải được
phân thành 4 điểm dọc theo chiều dài của nó và sự thay đổi chiều dài trong mỗi sợi
này phải được theo dõi. Bằng cách này bốn phương trình được đưa có thể giải quyết
các mô phỏng của 4 ẩn số này, vector độ võng I Aj} được xác định bởi:
{ A J = [G ,]-'{ A L }

Trong đó; AL = {AL|

...

AL4 } có thể được xác định bằng cách đo sự thay đổi

điện trở của các đoạn sợi khác nhau.
3. Cảm biến quang học
Theo Prancis T.S.Yu và Shizhuo Yin (2002), cảm biến quang học đo lưòng sự thay
đổi ánh sáng được dẫn trong sợi, có hai loại sợi quang dựa vào thay đổi của ánh sáng:
nội tại (bên trong sợi) và bên ngoài (bên ngoài sợi). Bổn thông số thay đổi trong ánh
sáng đo được là: pha, phân cực, cường độ và bước sóng, tương ứng có 4 loại cảm biến
là: cảm biển giao thoa, cảm biến phân cực, cảm biến cường độ, và cảm biến quang
phổ, trong đó các cảm biến thông dụng nhất là cảm biến cường độ và quang phổ.
Cáp sợi quang

Dây dẫn

* i t 1'
Lá kim loại gắn với mặt ngoái của bu lông

Hình II. Hình ảnh cảm biến sợi quang
Các sợi quang học cũng là một đầu dò và chuyển đổi các đại lượng đo như nhiệt
độ, ứng suất, biến dạng, xoay hoặc điện và dòng tò trường vào một sự thay đổi tưcmg
ứng trong các bức xạ quang học, ánh sáng được đặc trưng bởi biên độ, pha, tần số và
phân cực. Tính hữu dụng của sợi quang do đó phụ thuộc vào cảm biến mức độ của sự
thay đổi này và khả năng của chúng để đo lường và định lượng cùng một cách đáng
tin cậy và chính xác.
Thiết bị đo cáp quang cung cấp một số lợi ích khi so sánh với thiết bị đo đạc điện
thông thưòmg:
27


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×