Tải bản đầy đủ

Ebook cơ sở quan trắc công trình cầu trong thi công và khai thác phần 2

Chương 2

QUAN TRẮC KẾT CÂU NHỊP CẦU THÉP

2.1. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC KẾT CẤU NHỊP CẦU TH ÉP
2.1.1. Đặc điểm làm việc của cầu dầm thép
Đặc điểm nổi bật nhất của kết cấu cầu dầm thép là có khả năng chịu lực cao \ới
mọi ứng suất kéo nén uốn cắt xoan, có tính dẻo cao do đó chịu được lực xung kích (va
đập, động đất) và tải trọng mỏi tốt (cầu đưòng sắt); thời gian thi công nhanh.. .Vì vìy
kếí cấu nhịp cầu dầm thép thích hợp cho các công trình trong thành phố; công trình
vượt nhịp lớn; công trình tải trọng lớn như tải trọng đưòng sắt; công trình yêu cầu tính
thẩm mỹ cao. ở nước ta cầu dầm thép trên tuyến quốc lộ chiếm tới 17% về số lượng
và 20 % về chiều dài.

Hư hóng gối cẩu, lám
phát sinh ứng suất phụ
Thời tiết

Tốc độ, lưu lượng, tải trọng
cúa hoat tải


Nứt bê tông do tải trong

Hư hòng mố trụ do lún nền móng

Hình 18. Các nguyên nhân gáy hư hỏng cho cầu thóp.
42


Tuy nhiên trong quá ừình khai thác nó cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định
trong đó vấn đề nổi bật nhất là ăn mòn và nứt. cầu dầm thép rất dễ bị ăn mòn, nhất là
trong điều kiện khí hậu nóng ẩm và mưa nhiều ở nước ta, do đó cần phải có công tác
duy tu bảo dưỡng thưòng xuyên dẫn đến chi phí bảo dưỡng cầu lón, hướng khắc phục
là sử dụng các loại thép chống ăn mòn hoặc sử dụng sơn..; vấn đề thứ hai là nứt của
kết cấu thép do nhiều nguyên nhân khác nhau như: Chất lượng vật liệu không đảm
bảo, có khuyết tật, trên mặt cắt vết nứt thường bắt đầu từ chỗ vật liệu có khuyết tật;
Chất lượng liên kết kém như chiều dày đường hàn không đủ, hàn không ngấu, kẹp sỉ,
đầu bulông, đầu đinh tán nhỏ v.v... ; ứ n g suất dư do hàn lớn, khi hàn không có những
giải pháp hạn chế ứng suất còn lại trên kết cấu sau khi hàn; Do mỏi vật liệu nhất là ở
những vị trí có tiết diện thay đổi như mép lỗ đinh, mép lỗ khoét; Do va chạm cơ học.
Trên các cầu thép cũ có đường xe chạy dưới, khổ cầu hẹp, nhiều thanh đứng, thanh
xiên bị va chạm làm toàn thanh hoặc một phần thanh bị cong đi và gây ra vết nứt.
Hướng giải quyết của vấn đề này là phải hạn chế các nguyên nhân trên, sử dụng các
loại vật liệu chịu lực tốt hơ n ... Tuy nhiên trong phần lớn trường hợp không thể loại bỏ
hay khắc phục hoàn toàn các nguyên nhân này, vì vậy một hướng mới được mở ra là
thường xuyên theo dõi và phát hiện chúng một cách kịp thời để có các biện pháp sửa
chữa, tăng cường hoặc đưa ra các cảnh báo kịp thời trước khi các vấn đề lón xảy ra.
Bảng 4. Một số công trình cầu dầm thép tại Việt Nam.
STT

Tên công trình, địa điểm

Đặc điểm

1

Cầu Bính, Hải phòng

Cầu dây văng

2


Cầu TP, Đà Nằng

Cầu dây võng

3

Cầu Sài Gòn, Hồ Chí Minh

4

Cầu Rào, Hải Phòng

Cầu dầm
Cầu dây văng

Hình 19. Dầm chính bằng thóp cùa cầu Bính bị biến dạng do tàu biển đâm vào năm 2010.
43


Hình 20. Hư hỏng dầm thép cầu Sài Gòn do mói.
2.1.2. Các nghiên cứu về quan trắc kết cấu nhịp cầu Thép
Qua nghiên trước đây liên quan đến phát hiện các vết nứt bằng dao động và biến
dạng (dựa trên các cảm biến) thì cần phải có một sự hiểu biết cơ bản, dự đoán nội
dung đo để có được độ chính xác cao. Với nội dung cần đo là tĩnh và động cỏ hai loại
cảm biến thông dụng để lựa chọn là: Thiết bị đo bằng điện trở (trở kháng) có khả năng
đo các thông số động, nhưng không ổn định và kết quả không đủ độ tin cậy; Sợi đo
dao động độ ổn định cao, nhưng chỉ sử dụng để đo lường các biến dạng tĩnh. Các ứng
dụng của các dụng cụ gia tốc, biến dạng, và cảm biến điện đề phái hiện các vết nứl
trong cầu thép đã được thực hiện thông qua một số các nghiên cứu dưới đây:
- Yoo và Kim cho rằng phát hiện các hư hỏng này là một hiện tượng cục bộ, và
cảm biển được sử dụng cũng phải đo lường các phản ứng cục bộ của kết cấu cầu.
Phương pháp này đă được phân tích và đã được kiểm chứng để xác định sự tồn tại vết
nứt, nhưng xác định kích thước của vết nứt thì nghiên cứu này chưa được kiểm chứng.
- Patil và Maiti trinh bày một nghiên cứu khác liên quan đến phát hiện nhiều vết
nứt trên dầm mảnh Euler - Bemoulli. Phương pháp này là một trong số ít các phương
pháp có khả năng xác định nhiều hcm một vết nứt tại một thời điểm. Phưong pháp này
dựa trên sự dao động ngang (tần số tự nhiên) trong dầm tại một thời điểm. Thông qua
thay đổi trong tần số tự nhiên của dầm, các thông sổ như kích thước vết nứt và vị trí sẽ
được xác định. Một số ví dụ thành công bằng phương pháp số đã được chứng minh,
nhưng phương pháp này cũng không được chứng minh bằng thực nghiệm.
- Xác định vết nứt bằng sợi quang học: Trong quá trình phát triển của công nghệ
các cảm biến giờ đây đã trở nên phổ biến, trong vòng một thập kỷ qua công nghệ sợi
quang học đã phát triển và được nghiên cứu tiềm năng phát hiện vết nứt trong kết cấu
cầu, các nghiên cứu đầu tiên là:
- Hale là người đầu tiên đề cập đến việc sử dụng công nghệ sợi quang để phát hiện
vết nứt. Trong nghiên cứu, các cảm biến phát hiện vết nứt được dán vào kết cấu trong
44


khu vực bị nứt. Nếu một vết nứt hình thành từ trong các vật liệu bên dưới cảm biến,
các sợi quang học sẽ bị hư hòng hoậc bị bẻ gãy, ánh sáng được truyền qua sợi đã suy
yếu, và đo suy giảm này để chỉ ra vết nứt của kết cấu, cảm biến này có khả năng phát
hiện các vết nứt nhỏ từ 5 - 30|im.
- Leung et al. đã minh họa đầy đủ một mạng lưới sợi quang để xác định sự hình
thành và lan truyền các vết nứt. Phương pháp bao gồm lắp đặt một mô hình các sợi
đơn được bố trí "ngoằn ngoèo" trong cả một vùng nơi các vết nứt đã được dự kiên
phát triển. Tm ớc khi hình thành các vết nứt, thiết lập một "đường cơ sở" của cường độ
tín hiệu với chiều dài của sợi. Neu một vết nứt được hình thành trong kêt câu, một
khúc cong hình thành và làm giảm đáng kể các tín hiệu điện trên dụng cụ ghi nhận, vị
trí của các vết nứt được biết dựa trên các số liệu ghi, và mức độ giảm tín hiệu liên
quan đến kích thước của các vết nút.
- Yang et al. đã giới thiệu một quy trình sử dụng tích phân biến dạng phát hiện sự
hiện diện của vết nút trong mẫu vật. Các sợi được gắn dính liền với một bề mặt dự
kiến sẽ nứt, và khi vết nứt xuất hiện chiều dài của sợi sẽ thay đổi và sử dụng trong một
thuật toán để xác định kích thước và vị trí vết nứt.
Đặc điểm của hệ thống quan trắc là thưòng sử dụng phương pháp thống kê để đưa
ra thông số chính xác xác định mức độ thiệt hại, thuật toán thổng kê các đặc điểm
riêng biệt sử dụng cả hai phương pháp "có theo dõi" hoặc "không theo dõi". Các ví dụ
của việc có theo dõi bao gồm phân tích ứng xử bề mặt, sử dụng mạng thần kinh, các
thuật toán di truyền; ví dụ của không có theo dõi bao gồm các phân tích biêu đô, phát
hiện các khoảng chênh... Trong đó thuật toán mạng lưới thần kinh là phổ biến nhất của
tất cả các thuật toán.

Sample

Hiíih 21. Hình ảnh biếu đồ đu biến
Loại biểu đồ kiểm soát tồng quát bao gồm một số đại lưọng ngẫu nhiên, hồi quy,
và đa biến. Để theo dõi một quá trình với các tham số độc lập, một biểu đồ kiểm soát
các đại lượng ngẫu nhiên được phát triển. Nếu quá trình này đòi hỏi phải giám sát các
45


thông số phụ thuộc, một hàm hồi quy được sử dụno và có một giả định mối quan hệ
tuyến tính giữa các thông số phụ thuộc và dộc lập.
Để theo dõi một quá trình với hai hoặc nhiều tham số độc lập, một biểu đồ kiểm
soát đa biến được sử dụng (biểu đồ có thể dễ dàng giải thích bằng cách xem xét hai
tham sổ đó đang được theo dõi trong một quá trình). Để theo dõi cả hai biến đồng
thời, biểu đồ kiểm soát đơn biến cho mồi tham số được thực hiện, và chúng được đặt
chồng lên một biểu đồ phân tán.
2.2. LỰA CHỌN CÁC THÔNG s ố CẨN THIẾT
Khi thiết kế một hệ thống quan trắc các thông số đo để đánh giá kết cấu trước tiên
phải được xác định, và sau đó các dụng cụ đo được lựa chọn để thực hiện việc đo
lường và lựa chọn các dụng cụ phân tích đi kèm trong hệ thống.
Như đã phân tích ở phần trên, hai tham số chính dược sử dụng trong các hệ thống
quan trắc để phát hiện thiệt hại là: dao động và biến dạng. Trong đó đặc tính daơ
động của một cây cầu thì không bị ảnh hưởng bởi cưòmg độ giao thông, điều này sẽ
loại bỏ những thông số chưa biết tham gia vào bất kỳ quá trình theo dõi nào mà sử
dụng tải trọng ihực tế. Thông số biến dạng có dặc điếm là dễ đo lưòng trong tình trạng
vẫn lun thông, chịu ảnh hưởng của tải trọng giao thông, linh hoạt trong việc sử dụng
để trình bày kết quả. Hai thông số trên có tliố sư úụug một cách độc lập hoặc kết hợp
tùy theo mục tiêu của hệ thống quan trắc.
2.3. NHẬN BIẾT "ĐIỂM YẾU" CỦA KẾT CẤU NHỊP CẨU THÉP
Cầu là nhũng kết cấu cá biệt có rấl ít điểm chung \'ới nhau, hầu như bất kỳ cây cầu
mới nào đều là một mẫu thử nghiệm. Sự kết họp cua nhiều yếu tố như: hình dáng,
điều kiện biên, kích thước hình học, điều kiện sử dụne... tạo ra một số lượng lớn các
ẩn số, do đó một quá trình giám sát thống nhất tất cả các ẩn số là không khả thi. Mặn
khác, trong ngành kỳ thuật công trình giới hạn an toàn cùa kết cấu được đưa cao hơn
để phủ các ẩn số chưa biết, điều này cho phép có thể chấp nhận một giới hạn nhất định
của các yếu tố không chắc chắn.
Bằng việc phân tích mô hình sẽ nhận biết đtrợc các điểm yếu của kết cầu thông qua
việc phân tích các biểu đồ nội lực, phân tích ứne suất, biến dạng, dao động của kêt
cấu... Nhìn chung các vị trí dễ phát sinh hư hỏng nhất là các vị trí có giá trị đạt cực đại
hoặc cực tiểu hoặc tại các vị trí mà các đại lượng này đổi dấu theo thời gian...Tù>'
thuộc vào từng loại kết cấu mà các điểm "yếu" này nằm ở các vị trí khác nhau. Việc
xây dựng mô hình không phải lúc nào cũng giống như trong thực tế vì vậy cần phải
kết họp với việc kháo sát giúp ta xác định và định vị vùng có vấn đề hư hỏng mà CC'
thể quan sát được bằng mắt.
46


Hình 22. Ví dụ xúc định các điểm "yểu" cùa két cấu nhịp cầu dầm thép.
Việc đo đạc được thực hiện dưới điều kiện môi trường và dưới giao thông bình
thường, bao gồm nhũTig ảnh hưởng của xe cộ đặc biệt là xe tải nặng. Tần số riêng
được giả định là ổn định, trong trường hợp tần số đo được thấp hơn thì thích họp để
đánh giá tính nguyên vẹn của kết cấu và điều kiện biên. Tần số riêng của kết cấu nhịp
cầu dầm có thể được tính theo công thức lý thuyết sau:

2 n ư Vm

(2 . 1)

Trong đó:
fi - tần số riêng;
EI - độ cứng mặt cắt ngang chịu uốn;
L - chiều dài cấu kiện;
m - khối lượng trên một mét dài và loại điều kiện biên.
Việc dùng công ihức trên mà không xét đến tải trọng dọc trục là có thể chấp nhận,
vì tải trọng tác dụng trong trưòng hợp hiện tại có liên quan rất bé. Hơn nữa, việc thay
đổi có thể của tải trọng dọc trục có hiệu suất xuất hiện trong khung thời gian ngắn, ảnh
hưởng nhỏ đến phân tích tần số. Từ phân tích trên cũng có thể cho thấy mối liên hệ
giữa chiều dài dao động tự do thẳng đứng và chiều dài hình học là hằng số. Tất cả
những lập luận trên dẫn đến việc xác định "điểm yếu" và "khu vực yếu".
Có một sự khác biệt lớn giữa các ngành kỳ thuật công trình và tất cả các lĩnh vực
khác, ví dụ trong ngành cơ khí ôtô các hệ thống giám sát được thiết kế để làm việc
vĩnh viên trên các đời của xe. Trong ngành kỹ thuật công trình điều này là không khả
thi về tài chính (tuổi thọ công trình cao) và nhiều công trình đang tồn tại mà chúng ta
cũng không biết về quá khứ của chúng.
Cầu đang bị già đi và giao thông đang gia tăng tạo ra một yêu cầu là phải đánh giá
chính xác tuổi thọ công trình. Việc dự đoán thời gian "sống" phụ thuộc vào rất nhiều
các giả định, hiện nay là tập trung vào ba cấp độ (Helmut Wenzel, 2009);
Cấp I; ứ n g xử toàn bộ - Tải trọng cơ bản - Các bộ phận chịu tải (tải giao thông
được quan sát chủ yếu dựa vào đo lường laser, đo độ võng cầu).
47


- cấp II; ứ n g xử của mặt cắt ngang (hệ thống phân loại động xe tải nặng, trong đó
sử dụng laser - hiệu chuẩn dựa trên nhận dạng mẫu).
- Cấp III: ứ n g xử cục bộ (phía dưới và trên chỗ liên kết của cầu).

Dữliệu thô
(số liệu đo)
1
Cấp độ 1

Cấp độ 11

Chuyển vị
(Sử dụng laser)

Cân bằng lực,
đo gia tốc...

Hiệu chỉnh
đường chuẩn (biểu đồ);
loại bỏ khoảng chênh

Chọn lọc dữ tiệu &
đánh giá sơ bộ
Z IZ ]Z =
Dùng thuật toán để đưa ra chuyển vị tuyệt đối
từ gia tốc:
- Làm trơn (tải trọng trung binh)

Cấp độ III

Sợi đo biến dạng ...

Hiệu chỉnh
đường chuẩn (biểu đồ);
loại bỏ khoảng chênh

- Xử lýtín hiệu số
- Dùng các đường bao (cửa sổ thời gian,
phương pháp cát tuyến)
- Dựng lại mẫu
- Các quyết định mới song song dựa vào các
biểu đồ cơ bản
Đánh giá dữ liệu và xác minh dựa trên
phương pháp phần tử hữu hạn
Xử lýdữ liệu vá phân tích thống kẻ
Thuật toán rainflow-cycle
Phân tích thống kê, điéu chỉnh, ngoại suy
Phân tích kết cấu
(thực hiện với nhiéu tải trọng vá ứng suất)

Phân tích mỏi (Lý thuyết High-cycle) vá nghiên cứu độ nhạy
(thống kê phân tán)

So sánh với tiéu chuẩn
Hình 23. Sơ đồ các cấp độ phán tích đổi với kết cấu nhịp cầu théỊj!‘L
48


Cùng với việc giám sát bằng mắt, phát hiện rằng mối nối phản ứng nhạy nhất với
tải trọng xe. Việc theo dõi cầu có chu kỳ nhiều năm được thực hiện cho thấy rằng các
hư hỏng chung nhất như sau: vết nứt lóp bảo vệ, bu lông lỏng và, vết nứt mỏi, mất ổn
định và gãy của tấm nối...
2.4. LỰA CHỌN VÀ B ố TRÍ CÁC CẢM BIÊN
Một việc quan trọng khi lựa chọn các cảm biến là phải phù họp với nội dung cần
đo đạc và phải phù họp với đặc điểm làm việc của kết cấu nhịp cầu thép như biến
dạiig lớn, ảnh hưỏng của nhiệt độ, môi trường xung quanh, khoảng tần sổ dao động...
Thiết bị kỳ thuật phải được xem xét đồng bộ cho cả thiết bị thu thập dữ liệu và các
bộ cảm biến để đảm bảo hệ thống hoạt động thích họp. Một hệ thống thu nhận dữ liệu
có tần số lớn từ 10 - 20 lần tần số tối đa của kết cấu trong việc ghi dữ liệu là đủ để tránh
hộ lọc dừ liệu có "hiệu ứng răng cưa" và để xác định chính xác giá trị biến dạng cực trị
củu dữ liệu ghi. Dữ liệu đo các phản ứng của cầu gồm tĩnh và động, tần số cơ bản cho
kết cấu nhịp cầu dầm thép thường trong vòng 2 - 5 Hz, và tần số tĩnh thường chậm hơn
so với các tần số động. Vì vậy, để thu được các dữ liệu tĩnh và các phản ứng động cơ
hản của cầu, một hệ thống thu nhận dữ liệu có tần số từ 50 - 100Hz là phù họp. Các sợi
quang học SI 425 - 500 có khá năng đáp ứng cao đến 250Hz được xác định là có thể sử
dụiig trong hệ thống. Các dụng cụ cảm biến cần được kiểm định để đảm bảo độ chính
xác của các phép đo. Ví dụ về một bộ cảm biến của BDI áp dụng cho cầu thép như sau:
- Chiểu dài hiệu dụníỊ cùa cảm hiến: 3.0 in (76.2mm).
- Sử dụng trên nhũng két cấu thép
- Kích thước bao ngoài: 4.375 in X 1.25 in X 0.5 in

( I l ì mm X 32 mm X 13 mm).
1 - Chiều dài dây cáp: chuấn 10 ft (3 m), chiểu dài theo yêu
cầu nguừi sử dụng.
- Vật liệu: Nhôm.
- Mạch điện: mạch điện cầu wheaístone.
- Độ chính xác: ± 2%, theo liêu chuẩn NIST.
- Thang đo biến dạng: nhôm ± 2000 ỊJ.€.
- Lực kéo được yêu cầu cho 1000 fj€: khoáng ] 7 Ihs (76N).
- Độ nhạy: khoảng 500 ỊuéVmV/V.
Cám biếnđo biến dạng BDI - Trọng lượng: nhóm 3 oz. (85 g).
StrainTransducer (ST350). - Môi trường: Có IỚJJ bao phủ chổng thấm
nước.
- Nhiệt độ làm việc: -60°F đến 250°F (-50°c đến 120°C).
- Cáp: loại cáp BDIRC-I87: 22 đầu đo.
- Tùy chọn: chong thám nước, cáp cỡ lớn, loại kết nổi nhanh.
- Cách lắp đặt: gắn bằng dụng cụ chữ c hoặc bắt chặt
hằng hu lông & keo dán nhanh.
49


Việc bố trí các cảm biến cần phải được thực hiện sao cho mang lại hiệu quả cao
nhất, việc bố trí nhiều cảm biến mang lại nhiều thông tin hơn vì vậy có độ chính xác
cao hơn, tuy nhiên việc này cũng làm tăng các thiết bị luu trữ dữ liệu và cần nhiều
thuật toán để xử lý hơn. Bố trí quá ít sẽ không đủ độ tin cậy cho việc đánh giá công
tìn h . Một ví dụ cụ thể về việc bố trí hệ thống các cảm biến sợi quang học để theo dõi
mỏi của kết cấu nhịp cầu dầm thép được thể hiện trong hình bên dưới:

A

ĩ

ĩ

Hĩnh 24. Sơ đồ kết cấu cùa một cầu dầm thép liên

ilE

Hình 25, Bổ trí cảm biến sợi quang học tại mặt cắí đầu dầm (A-A)
c*

£

I -

1

^ •• ' i ■ ■

■ ■ -77:7--!-^'?"^

Bô' trí cảm biến tại cánh dưới
của dầm dọc phụ và dầm chính

Hình 26. Bố tri cảm biến sợi quang học tại mặt cắt ‘A nhịp (B-B) [3J

Hình 27. Bố trí cám biến sợi quang học tại mặt cảt
50

‘/2

nhịp (C-C) lỉ!


Vị trí đo biến dạng trong kết cấu được xác định, và các phản ứng tương ứng đã
được xem xét để xác định các loại cảm biến. Do đó có nhiều loại cảm biến khác nhau
được định hướng khác nhau và địa điểm lắp đặt đã được xác định.
- Theo hướng dọc; vùng liên kết của dầm dọc đặt trên dầm ngang.
- Theo hướng ngang: bản cánh dưới của dầm, dầm dọc và dầm ngang.
Biến dạng ở cánh dưới miêu tả ứng xử tổng quát của cầu, các biến dạng dọc trong
VÙIIR liên kết của dầm dọc và dầm ngang là các ứng xử cục bộ. Tình trạng cong trong
khu vực liên kết tạo ra vùng biến dạng không đều và yêu cầu các cảm biến có độ dài
nyắn hơn để có thể theo dõi khu vực này, thường có hai loại cảm biến được sử dụng là
loại có chiều dài lón hơn hoặc bằng lOmm được sử dụng để đo cánh dưới của dầm và
loại 5mm được sử dụng đo cục bộ tại vị trí liên kết.

H ình 28. Cám biến SM S có kích thước 210 X 20mm

sử dụng để đo các hiến dạng đều tại bàng cánh dưới của dầm.
2.5. LựA CHỌN HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHO KẾT CÂU NHỊP CẨU THÉP
Theo Helmut Wenzel (2009) và ISIS (2002), việc lựa chọn hệ thống quan trắc phụ
thuộc vào mục tiêu đặt ra, nhìn chung hệ thống quan trắc gồm nhiều mô-đun, cung
cấp tất cả các công cụ cần thiết cho quá trình ra quyết định.
2.5.1. Cấu tạo của hệ thống
Hệ thống gồm 5 mô-đun:
- Trạng thái hoạt động (công cụ vận hành)
- Các cơ sở dữ liệu
- Mô-đun hỗ trợ quyết định
- Hệ thống cảnh báo
- Mô-đun đầu ra (thực hiện khi phù họp)
51


Trang Uiải
hoatđổng

m

m

m

Hình 29. Các thành phần cua hệ thống quan trắ(J’L
2.5.2. Các trạng thái hoạt động của hệ thốn" quan trắc
Với mục đích là cho phép người vận hành tương tác với quá trình, sự lựa chọn
ừạng thái hoạt động sẽ ảnh hưởng đến mức độ rủi ro. Hiện tại có 8 trạng thái hoạt
động của hệ thống quan trắc:
- Hoạt động bình thường thực hiện các quá trình tiêu chuẩn đã định nghĩa trước
(mặc định).
- Hoạt động biên dưới sẽ thực hiện kiểm tra phụ thêm các dữ liệu và có thể cung
cấp quá trình đánh giá với mức độ rủi ro cao hơn.
- Hoạt động cảnh báo được thực hiện ở giai đoạn khi một vấn đề đã được xác định.
Thời gian các bước đánh giá lại được rút ngắn và mức độ nguy hiểm sẽ gia tăng.
- Hoạt động khẩn cấp có nghĩa là đánh giá và cảnh báo thường xuyên trực tuyến và
cần thiết có sự tham gia của người vận hành.
- Phân tích pháp lý nghĩa là phân tích các sự kiện để rút ra các bài học từ chúng.
Các dữ liệu được xem xét kỹ lưỡng một cách hệ Ihống dựa trên các chi tiêu phá hoại.
- Các ứng dụng khác cho phép kết hợp các phương pháp luận có sẵn hoặc thêm vào
các yếu tố mới.
- Các ứng dụng khoa học cho phép sử dụng các dữ liệu cho bất kỳ mục đích khoa
học nào. Không có quá trình đánh giá rủi ro và cảnh báo.
- Mô-đun dự đoán cho phép dự đoán từ dữ liệu khi các chuỗi thời gian đầy đủ.
Mô-đun này sẽ chủ yếu được kích hoạt trong các hệ thống làm việc trên một khoảng
thời gian nhất định.
2.5.3. Hệ thống quan sát và các cơ sở dữ liệu
2.5.3.1. Tiếp nhận dữ liệu
Các hệ thống tiếp nhận dữ liệu được thiết kế theo các yêu cầu của kết cấu bao gồm
vĩnh viễn và tạm thời tùy theo mục tiêu quan trắc. Dừ liệu của các cảm biến được lưu
trữ cho các quá trình đánh giá kết cấu sau này.
52


Các thiết bị cảm biến được gắn vĩnh viễn trong kết cấu theo các kê hoạch của
người thiết kế, điều này cho phép thực hiện các kết quả nhanh chóng hon, vì các sô
liệu đầu vào được biết rõ trong các kết cấu và được phân lượng. Các hệ thống như thế
sẽ cho ra các báo cáo thường xuyên một cách tự động.
Thiết bị quan sát cơ động sẽ cune cấp thêm các dữ liệu cần thiết để thu được
nhiều thông tin hon về kết cấu hoặc để quan sát các bộ phaạịn đặc biệt của nó. ứ n g
dụng này chỉ tạm thời. Ví dụ các dao động riêng sẽ được ghi lại bởi cảm biến ở
nhiều vị trí khác nhau.
Dữ liệu môi trường sẽ được thu thập bởi bất cứ nguồn nào có sẵn. Các tương quan
chéo giữa các trạm đo ở các vùng và các điều kiện thực tế của kết cấu sẽ được thiết kế.
Mục tiêu cuối cùng là dùng các dữ liệu lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu vào việc đánh
giá sơ bộ cho bất kỳ dự án mới nào. Các mối liên hệ với các nguồn dừ liệu cuối cùng
sẽ được thành lập cho mỗi trường họp riêng.
2.53.2. X ử ỉỹ dữ liệu
Môđun xử lý dữ liệu tiếp nhận dữ liệu đầu vào và thực hiện kiểm tra sự họp lý để
phát hiện các lỗi hoặc các cảm biến bị hỏng. Các dữ liệu sai này sẽ bị loại trừ. Tất cả
các dừ liệu khác sỗ được tiếp nhận và lưu trữ dưới định dạng thô cho các công việc
trong tương lai. Các dữ liệu thô ban đầu sẽ được giữ lâu dài.
Một thủ tục nhận dạng dữ liệu được định nghĩa trước sẽ được thực hiện. Tất cà các
thông tin cần thiết phải được cung cấp bời kỹ sư chuyên trách, sự kết hợp dữ liệu xảy
ra trong bước này, tất cả các dữ liệu được lưu ở cơ sở dữ liệu (SQL).
2.5.3.3. Các hệ thống thông tin địa lý
Các hệ thống thông tin địa lý cung cấp sự lựa chọn tổ chức dừ liệu với số lượng
lớn, rõ ràng và có cấu trúc, nó được dùng nhằm tập họp tất cả các thông tin lại với
nhau, điều này rất cần thiết để xây dựng quá trình đánh giá và ra quyết định quan
trọng. Các thông tin địa lý và các tài liệu cần thiết khác là:
- Các bản đồ với mức độ chi tiết khác nhau;
- Các bản vẽ kết cấu;
- Các ảnh, video và các hình thức truyền đạt khác;
- Các báo cáo và tài liệu;
- Các kết quả đánh giá và tổng kết cuối cùng;
- Các bản vẽ Auto-Cad hoặc các tài liệu liên quan khác;
- Các bản đồ nguy hiểm cho thiết kế động đất hoặc băo;
- Các hình ảnh vệ tinh của các dạne khác nhau;
- Thông tin cơ sở hạ tầng;
53


- Thông tin về địa hình;
- Các tham khảo và tài liệu liên quan đến cơ sở dữ liệu;
- Các thông tin hữu ích khác.
2.S.3.4. Kiến thức về cơ sở dữ liệu
Phần kiến thức cơ sở dữ liệu của hệ thống được chia làm 3 phần đó là cơ sở dừ liệu
kiến thức, cơ sở dữ liệu bên ngoài và cơ sở dữ liệu lịch sử.
Các cơ sở dữ liệu kiến thức (hay hiện tại): các thông tin nhận từ mạng có thể không
chính xác sau một thời gian ngắn. Các thông tin cơ bản được lưu trong cơ sở dữ liệu
để người sử dụng có thể đánh giá các vấn đề cơ bản và sử dụng các hình ảnh cho việc
đánh giá kết cấụ cầu, thường cơ sở dữ liệu này được tìm bởi các từ khóa (theo thời
gian, bộ phận...).
Cơ sở dữ liệu cho dữ liệu bên ngoài tạo cơ hội kết nối các dữ liệu bên ngoài chủ
yếu là các dữ liệu nhận từ các trạm khí tượng, hoặc bất kỳ nguồn bên ngoài nào thực
hiện bởi quá trình đánh giá. Mục tiêu là lấp đầy các khoảng trổng trong chuồi quan
sát, đặc biệt các điều kiện môi trưòng. Mục tiêu cuối cùng là có được mạng lưới các
dữ liệu khí tưọng đầu vào cung cấp đủ thông tin bao trùm cho bất kỳ kết cấu mới nào
sẽ được đánh giá.
Cơ sở dừ liệu lịch sử gồm tất cả các trường hợp đã thực hiện với các kết quà đánh
giá, tất cả các kết quả được lun trữ sao cho chúng có thể dùng cho bất kỳ quá trình
đánh giá mới nào. Có thể kết họp các kết quả tmớc đẩy với các số liệu mới và thống
kê từ các quá trình đánh giá có sẵn, cũng có thể thực hiện các dự đoán kết quả của các
kết cấu mới khi các dự án giống nhau.
2.53.5. Hệ thống đưa ra các quyết định
Có rất nhiều cách khác nhau để đánh giá dữ liệu. Hệ thống đưa ra các quyết định
được định nghĩa bởi các quy luật, các thuật toán cho phép đánh giá phát hiện các vấn
đề và các chỉ số trong kho dừ liệu có sẵn. Các phưong pháp luận sẽ thực hiện quá trình
song song và so sánh các kết quả.
Ị. Các quy luật
Các quy luật là cốt lõi của hệ thống xử lý, chúng gồm các phương pháp luận được
xây dựng nhằm thu thập tối đa thông tin dữ liệu. Có nhiều cách tiếp cận để đạt cùng
kết quả, có thề được thực hiện song song, tính trung bình hoặc so sánh. Mỗi quá trình
đánh giá được ghi lại và đưa vào hệ thống như một quy luật. Việc xây dựng các quy
luật này đòi hỏi nhiều nghiên cứu lý thuyết, các quy luật này sẽ được bổ sung và cập
nhật theo thời gian.

54


2. Môđun phân tích
Có rất nhiều các biện pháp phân tích đã được phát triển, có rất nhiều thông tin trong
cac tín hiệu phải được tách ra, từ so sánh đơn giản các ứng xử của kết cấu đến phân
tích tần số trong suốt khoảng thời gian ghi. Các phương pháp luận trong miền thòi
gian rất quan trọng với các số liệu ghi lâu hơn, các mẫu có thể được nhận ra và so
sánh, sau đó sẽ tiến hành đánh giá kết quả theo bộ quy luật đã có sẵn và đưa ra các
quyết định.
2.5.3.6. H ệ thống cảnh báo
Thông tin về mức độ rủi ro được cung cấp cho người sử dụng dựa trên việc phân
tích và đánh giá các dữ liệu thu thập được, hệ thống cảnh báo gần giống với các hệ
thống dùng cảnh báo các hiểm họa trong tự nhiên (các hệ thống cảnh báo trượt đất
hoặc lở tuyết .. O, hệ thống có 5 mức độ rủi ro và hệ thống mã màu theo quốc tế. Khi
đạt mức độ rủi ro thứ 5 (cực điểm), các hoạt động tự động bởi hệ thống có thể bị kích
hoạt, có thể là đèn đỏ dẫn đường, còi báo động .. .được kích hoạt, ở các mức độ rủi ro
khác cung cấp thông tin cho người điều hành và để người điều hành ra quyết định.
Trong khi vận hành hệ thống, người vận hành có cơ hội tưong tác với hệ thống và
thêm các ý kiến chủ quan vào quá trình. Các hoạt động cảnh báo ở mỗi mức độ sẽ
phải được định nghĩa cho từng trường hợp, nó phải liên hệ với quá trình chuẩn của
chù dầu tư.
2.5.3.7. Đánh giả múc độ rủi ro
Mức độ rủi ro không chỉ là một kết quả của sự đánh giá mà còn là xem xét sự phát
triên theo thời gian bằng cách so sánh các bảng số liệu, các bảng báo cáo mới và cũ để
phát hiện các thay đổi trong quá trình đánh giá.
2.5.3.8. Tuổi thọ còn lại
Đối với các hệ thống quan sát được trang bị các cảm biến cần thiết, có thể đánh giá
tuổi thọ còn lại theo thuật toán "Rainflow Counting" (đếm dòng nước mưa). Bằng dựa
vào các số liệu lịch sử và cách tính các mẫu thực tế thông qua quan sát lâu dài, tuổi
thọ đã qua được tính, điều này được thực hiện tự động trong suốt thời kỳ, trong trường
hợp cần thiết các bảng báo cáo này được gửi đến các chuyên gia. Người kỹ sư cung
cấp bảng báo cáo cập nhật hàng năm để điều chỉnh phương pháp tính, điều này cho
phép xếp loại kết cấu và lên kế hoạch ngân quỹ.
2.5.4. Xử lý phân tích dữ liệu
Có nhiều nhân tố ảnh hưỏng chất lưọng của các tín hiệu quan sát. Trong môđun xử
lý dừ liệu của hệ thổng quan sát hiện tại, một chu trinh kiểm tra có thể giúp quản lý
chất lượng dữ liệu và loại trừ các sai sót. Vì mục đích này, tất cả các tập tin được đưa
55


vào cơ sở dữ liệu cần được xem xét cẩn thận và các kết quả được báo cáo đến người
vận hành. Quy trình sau đây thường được thực hiện:
- Tên tập tin và một đưòng dẫn được tạo ra.
- Các phương pháp nhận dạng thống kê kiểm tra bất kỳ các hiện tượng sau tồn
hay không: lệch, đột biến, gãy, nhảy vọt, bão hòa.

tại

- Cung cấp nhiều kênh chứa các bảng ghi.
- Loại thông số cần tính, phân ra thẳng đứng, ngang và dọc,phần trăm đượccung
cấp với lựa chọn để so sánh nội bộ hoặc với các tập tin liênquan hoặc sosánh với cơ
sở dữ liệu mẫu.
- Thể hiện hình ảnh của tín hiệu và phổ.
- Các quy trình nhận dạng đánh giá đặc tính của tập tin: môi trường xung quanh,
giao thông bộ, giao thông tàu hỏa hoặc các loại khác...
- Tiếng ồn được lọc và so sánh với các giá trị chuẩn.
- Gia tốc lớn nhất được so với chỉ số kênh và thời gian.
- Các giá trị mật độ dao động, các giới hạn hư hỏng được tính toán và trình bày
bàng hình ảnh có chỉ dẫn màu sắc trên kết quả.
- Tạo ra cách phân loại tập tin, nhằm chỉ tập tin trung bình hay loại khác.
- Hình ảnh cuối cùng có thể dùng để xác định các bước tiếp theo.
2.5.5. Lun dữ liệu
Khái niệm cơ bản của sự phát triển cơ sở dữ liệu quan trắc là: Quản lý dữ liệu: kết
cấu (thông tin tổng quan, lịch sử, kế hoạch bảo trì, v.v...), dữ liệu đo đạc; thông tin đo
đạc (thiết bị, hinh ảnh, video, v.v...); các kết quả và báo cáo chuyên gia. Khả thi trong
thực hiện truy cập để đạt được từ các thống kê khác nhau; đánh giá cơ sở dữ liệu cho
người nghiên CÚII khoa học và cần bao quát toàn bộ khoảng tăng lên giữa phưong
pháp lý thuyết và thực tiễn.
2.6. XỬ LÝ SỐ LIỆU QUAN TRẮC
Lắp đặt các thiết bị cảm biến và đầu nhận dữ liệu chỉ là bắt đầu quan sát đặc trưng
hiện trường, việc biểu diễn số liệu cũng quan trọng không kém. Mức độ an toàn của
kết cấu không tăng lên cùng với mạng lưới các cảm biến được trang bị cho kết cấu
nếu không đồng bộ bằng việc phân tích chi tiết số liệu đo.
Các số liệu được lọc một cách trực tiếp từ các cảm biến chứa hàng loạt thông tin,
hầu hết là không hữu dụng và không liên quan đến nội dung cần đo, những việc này
có thể thực hiện từ việc đùng các công nghệ xử lý tín hiệu để lọc và xử lý phép đo.
Độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống theo dõi dựa vào độ chính xác và tin
cậy của phép phân tích liên quan đến phép đo của các cảm biến. Việc hư hỏng
56


hoặc trạng thái bất thường có thể không xuất hiện tại vị trí mà cảm biến được đặt.
Do đó, thông tin cần được ngoại suy để dự đoán hư hỏng khi xuất hiện ở khoảng
cách xa vị trí đặt cảm biến. Nói theo toán học, việc xác định trạng thái của kết cấu
cầu dựa vào phép đo của các cảm biến là bài toán ngược phi tuyến. Tất cả các
phương pháp dưới đây đều được trích dẫn từ ISIS, Guidelines fo r Structural
Health Monitoring, 2001.
2.6.1. Đánh giá phép đo biến dạng tưoTig đối
Khi kết cấu có các biến dạng phức tạp thì thường cần thiết lập một số lượng lỏn các
cảm biến để thu nhận các thông tin hữu dụng. Điều này xuất hiện khó khăn chính:
Đây là điều cần thiết đầu tiên để quyết định số lượng, kích thước và vị trí của các cảm
biến được lắp đặt và sau đó phân tích số lượng lớn dừ liệu từ phép đo, các biến dạng
được đo bàng từng cảm biến đơn hiếm khi đưa lại các thông tin hữu dụng. Chỉ có sự
tương quan hợp lý giữa các giá trị có được bởi một số các cảm biến mới có thê nhận
biết được các hư hỏng như chuyển vị thẳng đứng của cầu hoặc vết nứt trong dầm. Do
đó cần chia nhỏ kết cấu thành nhiều phần tử vi mô mà có liên quan các biến dạng đơn.
Từng mặt cắt được giả sử có mô men quán tính không đổi hoặc thay đôi một cách liên
tục, tải trọng là hằng số dọc theo chiều dài của nó và đưa vào các lực cục bộ hoặc các
liên kết ở hai đầu. Những mặt cắt này có thể được phân đoạn nhiều hơn thành các
phần tử chứa chi một số cảm biến hoặc Ihậm chí chỉ có một nếu ứng xử của vật liệu
trong mặt cắt có thể được xem như dồng nhất. Bậc đa thức họp lý nhất với biến dạng
của nó được xác định bằng phép phân tích hoặc dùng chương trình phần tử hữu hạn,
nếu đa thức có bậc n + 2 được xác định tương ứng phù hợp với biển dạng của mặt cắt,
nó sẽ được phân nhỏ thành n phần tử.
Chuyển vị theo phương thẳng đứng và đường bao độ cong có thê được đo băng
cách đùng mạng lưới các cảm biến quang học đặt trên kết cấu, phương pháp này được
giới thiệu bởi Inaudi và các cộng sự, kết cấu đầu tiên được chia nhỏ ra thành các phân
đoạn và chịu các biến dạng đơn giản và sau đó phân mảnh thành các phần tố chi chứa
một số cảm biến và nơi có ứng xử kết cấu được giả định là tuyến tính.
Chuyển vị thẳng đứng của dầm chịu tải trọng phân bổ đều trên n dầm được coi như
dãy của đa thức bậc n chia bốn. Từng đa thức P|‘*(x) bao gồm mặt cắt dầm, có
rnômen quán tính không đổi, tải trọne phân bố không đổi, và thêm vào lực và mômen
cuối tại biên của nó. Đạo hàm lần thứ hai chuyển vị thẳng đứng cho đa thức có bậc n
chia hai. Đe xác định chính xác hàm biến dạng, nên cần lấy ra hàm độ cong Pj^(x)
ưên mặt cắt dầm và để tích phân

chúnơ

đàm bảo hai lần điều kiện biên liên tục. Theo

giả định của Becnuli, biến dạng kéo ở các thớ của vật liệu và đường cong của dầm là
có quan hệ nhau bằng biểu thức:
57


g (x )

r(x)

(2.2)

y

r - bán kính cong
X-

hoành

độ

đường cong

£ - chuyển vị dài
y - khoảng cách từ trục trung hòa
Chuyển vị tương đối được đặt song song với trục trung hòa, độ biến dạng dài của
thớ có chiều dài L i. Tích phân công thức (2.2) ta được:
e(x)dx
• dx _
r(x)

'f8 (x)dx

-Ơ 2 -A )

y

(2.3)

y-h

Tm - bán kính trung binh của đưÒTig cong;
l\ - chiều dài thớ cảm biến ban đầu;
Ỉ2 - chiều dài thớ cảm biến lúc sau.
Công thức trên thể hiện cổng chuyển vị tương đổi, được dặt song song với trục
trung hòa đo độ cong trung bình

của phần tử dầm. Trong trường hợp tổ họp

mô men uốn và tải trọng dọc trục đo và sự thay đổinhiệt độ, nó có thể được cho thấy
rằng cặp cổng chuyển vị tương đối, được đặt tạinhững khoảng cách khác nhau sao
cho song với trục trung hòa được yêu cầu đo đưòng cong trung bình của phân tố dầm.
Hàm đường cong của từng dầm là đường cong bậc 2 của dạng:
P^(x) = ax^ + b x + c

(2.4)

Vì đa thức P"(x) có ba ẩn chưa biết, chỉ đo ba vị trí độc lập là cần thiết để xác định
những hệ số này cho mặt cất dầm đơn. Với ba cảm biến chuyển vị tương đối, vì vậy
có được — : Đường cong trung bình ưên [Xj": X|"] i G {1, 2, 3}. Trong đó: x' và x" là
■■ị
giới hạn bên trái và phải của cảm biến thứ i. Các hệ số a, b, c có được khi giải hệ
phương trình sau:
(ax + bx + c)dx
X

(2.5)
x '- x

Công thức (2.4) cho ta hàm đường cong của mặt cắt dầm kề bên, các hàm chuyển
vị bằng tích phân lần thứ hai. Hơn nữa, sự liên tục của hàm chuyển vị phải được bảo
đảm tại các biên, hàm chuyển vị được biểu diễn là:
58


P ị'(x )= ÍÍP,2(x)dx' + a,x + p, i e { l,2 ,...,n }
J

J

(2 .6)

Trong đó các hằng số tích phân ttị và Pi có được bằng cách bắt buộc điều kiện liên
tục cho chuyển vị và độ nghiêng của mặt cắt dầm kế bên và điều kiện biên chuyển vị
bằng không tại hai đầu dầm: Đó là 2 ẩn cho trường chuyển vị của từng mặt cắt n dầm.
Điều kiện biên và liên tục ở trên cho 2n công thức từ ([n - 1] + [n -1 ]) + 2 = 2n ẩn
có được:
Pi‘‘(X = Li) = P Í,(X = 0) IGl:n-l
p’‘‘( x = L,) = p;.V x = 0 ) 16 l;n-l

(2-7)

p 4 (x = 0 ) = 0
P,‘‘ ( X = L „ ) = 0

Sensor

H--- (X',

X",

■H -

X'2

X'^X3

X-3

Hình 30. Biên dạng, độ con^ và võng của mặt cắt ngang dầm
Các giả thiết nói trên theo lý thuyết dầm Becnuli - Navier và yêu cầu kiến thức
điều kiện biên của toàn dầm. Giả thiết Bccnuli thường được thỏa mãn trạng thái sử
dụng, trong khi điều kiện biên được biết chung chung. Những nội lực này được phát
sinh chỉ bởi chuyển vị tương đối của dầm ứng với cung của nó. Giá trị trung bình này
có thê rút ra biến dạng của dầm. Đe có được thông tin về những chuyển vị này, các
cảm biến bên trong không được dùng và các đầu đo khác tương đổi cố định vào các
điểm bên ngoài dùng các cảm biến tuyệt đối.
2.6.2. Phương pháp miền tần số
2.6.2.1. Hàm chuyển đồ ì
Lý thuyết hàm chuyển đổi phức tạp được mô phỏng chi tiết mối quan hệ cơ bản
giữa tín hiệu đưa vào và xuất ra của hệ liên tục tuyến tính, có thể được mô tả bằng
hàm chuyển đồi, thêm vào các hàm bước nhảy và phản ứng xung kích trong miền tíiời
gian là đặc trưng hàm chuyển đổi hệ thống trong miền tần số.
59


2.6.2.2. Miền thời gian
Hệ liên tục bất biển thời gian và tuyến tính với tín hiệu vào và ra có thể được mô tả
bàng phản ứng của nó đến lực xung kích đơn vị F(t) = ỗ(t):
ô(t) =

0
co t = 0

ô(t) = l

( 2 .8)

00

Phản ứng này được gọi là "hàm phản ứng xung kích" h(t) của hệ:
00

y (t)= jF ( i)h ( t-T )d T

(2.9)

oo

T - thời gian bắt đầu xung kích
Để tín hiệu đưa vào điều hòa F(t) có giá trị;
F(t) = F„e-''"

(2.10)

Tín hiệu đưa ra trở thành:

y(t) =
Cù -

tầng

số

+ e“^'^‘(A sincojt + Bcoscủ^t)

(2.11)

vòng

cOd - tầng số vòng tắt dần
ở đây y(t) được giải thích theo vật lý là chuyển vị, F(t) là lực tác dụng.
2.6.23. Miền tần số
Để phát triển hàm chuyển đổi phức tạp H(co), cần tiến hành chuyển đổi chuỗi Purier
của tín hiệu y(t) và F(t). Nếu công thức (2.5) là Purier được chuyển đổi, ta được;
co

(2.12)

F(co)=
00

Và từ công thức 2.6:
y(co) =

F (x )h (t-x )d t
00

(2.13)

00

Dưới điều kiện cố định trong hệ đồng nhất trong công thức 2.6 triệt tiêu. Công thức
2.8 có thể được mô tả dễ dàng sau khi chuyển đổi, mà có tích phân trong 2 .6 :
00

y(co) = F(co) h (t)e “-''^‘dt

(2.14)

00

Trong công thức này, tích phân là hàm chuyển đổi phức tạp, mà phụ thuộc vào tần
sổ vòng co.
60


00

(2.15)

H(cù) = |h(t)e"j'"M t
00

Vì số liệu đo kỹ thuật số được dùng, H(co) không là hàm liên tục nhưng hàm gián
đoạn với số xác định của kết quả giá trị từ chiều dài xác định của chuỗi thời gian NAt.
Giả định rằng lực được tác dụng tại t = 0. Thế vào công thức;
= coscot + sincot
F( cd) =

(2.16)

F(t)[cos(cot) + sin(cot)]dt

(2.17)

y(t)[cos(( 0 t) + sin(í0 t)]d t

(2.18)

‘0

V à công thức (2.6):
'n

y( 0))=
to

F() - biên độ cực đại của xung kích nửa hình sin;
T^imp - chiều dài xung kích.
Ví dụ, nếu tín hiệu đưa vào được mô tả bàng xung kích một nửa hình sin, công thức
(2.5) được đưa ra bằng:
F(t) = pQskin

n
X:imp

V à công thức (dao động chịu lực tắt dần) trở thành:

y(t) =

0

k- m

, _
2 Tí^
k -m -^ +c
T
imp_
^im p

71

. 7 1

sin —

imp

imp

71



t - c — c o s—— t
^imp
"^imp

(2.19)

k - độ cứng của hệ;
c - hệ số ma sát culông.
V, + ^ c o y ;

y(t) = e
\

0

(2.20)

sinco^t + y, cosco^t
/

Tương tự như (2-10) và (2-11) công thức (2-12) và (2-13) có thể được chuyển đổi
thành miền tần số.
Đ ẻ phân tích hàm chuyển đổi phức tạp tiến hành chia phức tạp (2-9);
H(m) = R[H« 0)] + J[H((0)] = Ry(°>)RT(>»H Jy(co)JF(m) ^ ■Ry(co)RF(oỊH Jy(M)JF(to)
R F (w )]

[JF (co)]

R F (co)]

[JF (co)]

61


Bằng cách lẩy phần thực R [H ( co)] và phần ảo J[H(ío)] độ lớn M [H ( co)] được
tính bàng;
(2.22)
Và nhóm góc 0
0 (co) = tan ‘


,'

R(co)

= tan

2 ^P

(2.23)

1- P '

'-

,''

,

p = — - tỷ sô giữa tân sô vòng của tín hiệu ngoài và tân sô vòng tự nhiên
COq
của hệ.
Đạo hàm lần thứ nhất công thức (2.14) tại điểm cộng hưỏng co =

^dco

=- è
^00

coo có

được:
(2-24)

Từ tỷ số tắt dần ệ ta được:
-Cừ,

d 0 ( c o = cOq)

(2.25)

deo

Nếu tần số tự nhiên của hệ được phân chia tốt, chúng có thể ở tại các điểm bằng
± 7i/2 và phần thực R H(co) bằng không.

2.6.3. Biến đổi Purier ròi rạc
Việc biến đổi Purier là một công cụ hữu hiệu trong phép phân tích tín hiệu của hệ
động bất biến thời gian tuyến tính.
f(t) =

-jwt

271

dx

dco

(2.26)

V.-CC

Bằng thuật toán Purier phổ liên tục được chuyển đồi thành phổ rời rạc với chỉ số N
hàm e.
(2.27)
Với khoảng thời gian cách đều thuật toán cho kết quả đường phổ trong kết quả
chắc chắn, mà gần với bội của Aco.
Aco =

62

27t

NAt

(2.28)


Mật độ của đường phổ có thể được phát triển bàng chiều dài chuồi thời gian gián
đoạn NAt.

::x
im

•<

H ình 31. Hàm chuyển đỗi tín hiệu của các dụng cụ đo gia tểc

2.1. C ơ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ NHẬN BIẾT CÁC DẤU HIỆU HƯHỞNG
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để phát hiện sự phá hủy do dao động, cũng
như áp dụne dao động để theo dõi khả năng chịu lực của kết cấu xây dựng. Năm 1996
Doebling đã nghiên cứu vấn đề này. Năm 1994 Faưar đã xem xét các tài liệu về thử
nghiệm dao động và sự phá hủy để phát hiện của cầu.
Một số phân tích kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để xác định sự phá hủy
từ những thay đổi trong quá trình dao động. Các phương pháp kỳ thuật thưòng được
sừ dụng:
- Phưong pháp căn cứ vào thay đổi trong tần cộng hưởng.
- Phương pháp dựa trên mô hình thay đổi hình dạng cong.
- Phương pháp ma trận cập nhật.
2.7.1. PhuoTig pháp căn cứ vào thay đổi trong tần cộng hưởng
Tần số cộng hưởng bị giảm đến khi sự phá hủy đã diễn ra, trong thực tế điều này
chỉ xác định sự phá hủy cấp 1. Năm 1979 Cawley và Adams đã chỉ ra bằng cách xác
định tỷ lệ thay đổi trong bất kỳ hai tần số, có thể xác định vị trí và mức độ hư hỏng,
ứ n g dụng thực tế của khái niệm này xét phương trình giá trị riêng;
K(|)j = A.jM(Ị)ị

(2.29)

Trong đó: K - ma trận độ cứng;
ội - mô hình dạng thứ i;
63


- đặc trưng tần số riêng liên quan (bình phưong tần số);
M - ma tt-ận khối lượng.
Sự phá hủy trong kết cấu có thể thay đổi cả độ cứng và ma trận khối lượng, thay
đổi các tần số cũng như các mode hình dạng. Phương trình giá ừị riêng khi kết cẩu bị
phá hủy có thể được viết:
(K + ÔK)((|), + 5(Ị),) = ( l ị + ô:^j )(M + ÔM)((ị), + ỗ ộ ị)

(2.30)

Giả định rằng sự phá hủy không làm thay đổi ma trận khối lượng, ÔK và ỖM bé, và
bỏ qua, sau khi biến đổi nhận được:
(Kộị-A,,M(|)ị) + ( K - ? . , M ) 6 ( | ) , + 5 K Ộ 1 - ỗ ^ i M ộ ị = 0

^2 31)

Biểu thức đầu tiên trong dấu ngoặc bằng không theo phương trình (2.29). Biến
đổi phương trình (2.31) theo

lưu ý rằng, (|)j^ (K -Ầ jM ) được .đổi vế theo phương

trình (2.29) cũng bằng không, nhận được:
(2.32)
(Pị

Mcp,

Giả định đầu tiên giá frị riêng và hình dạng kết cấu không bị phá hủy được xác định
bằng phân tích kết cấu theo mô hình phần tử hCm hạn, hoặc thông qua mô hình thử
nghiệm. Một mô hình thử nghiệm phải được thực hiện đến khi kết cấu bị phá hủy để
xác định giá trị riêng đã bị thay đồi đối với các mô hình đầu tiên. Thành phần ÔỴj đại
diện sự ichác biệt giữa giá trị riêng thứ i của kết cấu bị phá hủy, thu được từ mô hình
thử nghiệm, và giá trị riêng tương ứng của kết cấu không bị phá hủy như lấy mẫu
phân tích hoặc thử nghiệm. Ngoài ra, ÔỴj đại diện cho giá trị tưong tự cho mô hình thứ
j. Sự phá hủy trong kết cấu và chọn số lượng mẫu hữu hạn, phần tử r, đại diện cho kết
cấu. Sự phá hủy trong kết cấu đã làm giảm độ cứng này phần tử để a k'^, do đó:
5K = ( a - l ) k ' ‘

(2.33)

Thay các giá trị của 5K từ phương trình (2.33) và (2.32), có thể xác định ỖX| và ôXj
tưong tự, cả về tham số chưa biết (a). Thành phần ỗ>Li/ÔA.j tỷ lệ nhau và có thể hoàn
toàn xác định. Nếu mẫu phá hủy được lựa chọn trong thực tế, mẫu chấp nhận khi tỷ lệ
ỗ-yj/ÔYj phải bằng hoặc gần với tỷ lệ ôẦi/5X.j.
2.7.2. Sự phát hiện phá hủy dựa trên phương pháp véc tơ dư
Phương pháp này dựa vào các đo lưòng của cả hai tần số và mô hình kết cấu bị phá
hủy. Phương trình giá tì-Ị riêng khi kết cấu bị phá hủy có thể được viết:
( K + 6 K ) < P ji- X j,M tp ji= 0

64

(2.34)


Trong đó:
(Pdi - mô hình thứ i của kết cấu bị phá hủy;
- giá trị riêng liên quan, những phá hủy không gây ra sự thay đổi khối lượng.
Trong phương trình (2.35) tất cả số hạng, khác với ÔK, được biết đến hoặc đã được
xác định thông qua mô hình kiểm tra. Phương trình (2.34) có thể được viết như sau;
K (P J ,-À J ,M (P J ,= R ,= -Ỗ K (P J Ì

(2.35)

vế trái của phương trình (2.35) cung cấp mô hình vector dư Rj cho mô hình thứ i.
Ma trận 5K có điều kiện khác không khi bậc tự do (DOF) được kết nổi với các phần tử
bị phá hủy. Biên của bậc tự do bị ảnh hưởng, khả năng liên kết giữa các phần tử và
bậc tự do, sẽ cho phép xác định vị trí phá hủy. Khi nhiều hơn một mô hình được xác
định, tổng tuyệt đổi của mô hình dư ra có thể dùng để xác định vị trí phá hủy. Xác
định phần tử phá hủy, ỖK là tổng trọng lượng ma trận độ cứng của các phần từ phá
hùy. Hệ số trọng lượng là ẩn số cần xác định mức độ phá hủy trong các phần tử ảnh
hưởng. Nếu độ cứng bị thay đổi của phần tử j được thể hiện ajkj, ta có:
5K = X k j ( c t j - l )

(2.36)

J

Nơi mà tổng kết được thực hiện trên tất cả các phần
(3j = 1 - ƠJ phương trình (2.35) có thể được biểu diễn như:

=-R,

tử phá hủy. Xác

định

(2.37)

Khi nhiều hơn một mô hình được xác định, các phương trình sau đây có thể được
sử dụng thay cho phương trình (2.36);
(2.38)

Phương trình (2.37) hoặc (2.38) có thể được giải để có các giá trị của hệ số Pj. Nói
chung, nhiều giá trị sẽ thu được cho mỗi hệ số pj. Các giá trị khác nhau có thể lấy
ữiing bình để có những giá trị tốt nhất.
2.7.3. PhuoTig pháp dựa vào mô hình độ cong
Thay đổi trong hình dạng độ cong có thể hữu ích trong việc phát hiện vị trí phá hủy
trong một kết cấu ban đầu chịu uốn. Độ cong là tỉ lệ nghịch với độ cứng chống uốn
như thể hiện bởi phương trình nổi tiếng sau đây:
ỡ^u _ M (x)
___
EI
Trong đó: c u/ỡx - độ cong ở vị trí

(2.39)

X.

65


Khi phá hủy làm giảm độ bền chống uốn ở vùng lân cận của phá hủy, độ cong sẽ
tăng tại điểm đó. Vì vậy, có thể phát hiện vị trí phá hủy bằng cách so sánh độ cong
trước và sau khi phá hủy.
Các mô hình độ cong có thể đo được từ chuyển vị của các bộ phận trong mô hình
bằng cách sử dụng sự khác biệt sau:
ik +1

<ỉ>i

1k , xk-1
-2(ị)r+<í>i

(2.40)

Trong đó:
k - 1, k, và ki địa điểm biểu thị của các phép đo chuyển vị;
Xk+I Xk = XkXk.Ị = h và (|)j^ là mô hình chuyển vị ở vị trí k mô hình thứ i.
Điều này sẽ được sửa đồi ở đầu nhịp, nơi mà một sự khác biệt về phía trước tương
ứng Phương trình có thể được sử dụng, và ở cuối nhịp những nơi mà một biểu hiện lạc
hậu khác biệt có thể được sử dụng. Đe thay thế cho các biểu thức khác nhau, splines
khối có thể được trang bị cho đo chuyển vị. Độ cong sau đó được thu được bằng cách
lấy phần thứ hai của đường cong chính.
2.7.4, PhưoTig pháp ma trận cập nhật
Phương pháp ma trận cập nhật là phương pháp được phát triển để nhận dạns sự phá
hủy từ đo rung động. Những phưong pháp dựa trên xác định các nhiễu loạn trong
thuộc tính ma trận chẳng hạn như 5K, mà sẽ đồng nhất các giá trị riêng trong phương
ừình (2.35) cung cấp cách xác định cả vị trí và mức độ nghiêm trọng của phá hủy.
Nhìn chung, số lượng các tham sổ chưa biết trong ÔK lớn hom số lượng các tần số đo
và mô hình, vấn đề có rất nhiều các giải pháp. Một giải pháp duy nhất có thể được lấy
thông qua việc giảm thiểu hàm mục tiêu, chấp nhận một số hạn chế nhất định. Phưong
pháp ma ữận cập nhật thuộc dạng này, có thể phân loại trên cơ sở hàm mục tiêu lựa
chọn và những hạn chế sử dụng.
Nhiều vấn đề khách quan khác nhau được sử dụng. Điều này bao gồm chỉ tiêu dự
kiến các giải pháp, cấp bậc của ma trận ÔK, ma trận chuẩn, định mức của mô hình
vecter Rj, và những vấn đề khác 3.7 - Các khó khăn có thể bao gồm chấp nhận
phương trình giá trị riêng. Ngoài ra Pj nên lớn hơn hoặc bằng không, nhưng không lớn
hơn 1. Bởi vì có những cách khác nhau, trong đó hàm mục tiêu và hạn chế có thể
được quy định và các kỹ thuật số khác nhau có thể sử dụng trong giải pháp, kết quả là
vấn đề tối ưu hóa, một số lượng lớn các phưong pháp đã được phát triển. Hiện nay chỉ
có một phưong pháp nhằm mục đích minh hoạ.
Giả sử ràng mô hình hình dạng của kết cấu không bị phá hủy được sử dụng rộng rãi
phương trình (2.32) sau đó rút gọn như sau:
66


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×