Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để chẩn đoán hư hại trong kết cấu dạng dầm

Chia sẻ: Ngũ Nguyệt Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với mục đích góp phần vào các phương pháp theo dõi sức khỏe công trình hiệu quả, bài báo này trình bày một phương pháp ước tính chỉ sử dụng dữ liệu chuyển vị để phát hiện thiệt hại công trình. Cách tiếp cận dựa trên mối tương quan giữa hư hại công trình và các biến đổi trong các thông số đo được. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để chẩn đoán hư hại trong kết cấu dạng dầm

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHUYỂN VỊ NÚT ĐỂ CHẨN ĐOÁN HƯ HẠI TRONG KẾT CẤU DẠNG DẦM Lê Liên Hưng, Nguyễn Phan Nhật Trung, Trần Thanh Phong, Phạm Phương Nam, Hồ Ngọc Sỹ Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Hà Minh Tuấn TÓM TẮT Với mục đ ch góp phần vào các phương pháp theo dõi sức khỏe công trình hiệu quả, bài báo này trình bày một phương pháp ước tính chỉ sử dụng dữ liệu chuyển vị để phát hiện thiệt hại công trình. Cách tiếp cận dựa trên mối tương quan giữa hư hại công trình và các biến đổi trong các thông số đo được. Cụ thể, chỉ số chẩn đoán mới “Chỉ số chuyển vị (DBI)” được sử dụng trong nhiều trường hợp để xác định các tình trạng hư hại. Các nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn để đưa ra mối tương quan giữa DBI với vị trí thiệt hại. Ngoài ra, ảnh hưởng của các tham số ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp như số lượng phép đo và vị trí của các điểm quan sát cũng được kiểm tra. Kết quả chứng minh rằng DBI có thể được sử dụng như một con trỏ phù hợp để xác định vị trí hư hại. Từ khóa: Chẩn đoán sức khỏe công trình, chuyển vị nút, SAP2000, xây dựng. 1 GIỚI THIỆU Hiện nay số lượng công trình có tuổi đời hơn 50 năm ngày càng nhiều, dẫn việc chẩn đoán sớm hư hại trong kết cấu dần trở nên là một chủ đề bức thiết. Nếu như không đưa ra được chẩn đoán kịp thời, kết cấu có khả năng sẽ bị phá hoại một cách đột ngột, tác động đến tâm lý của người sử dụng. Trong bài báo cáo này, nghiên cứu đề xuất một phương pháp giúp chẩn đoán hư hại trong cấu kiện dạng dầm giúp kỹ sư có phương án giải quyết phá hoại kịp thời. Nghiên cứu khảo sát các trường hợp kết cấu dầm khác nhau thông qua việc thay đổi vị trí đặt tải, hư hại, mức độ hư hại và các thông số cơ bản khác của cấu kiện. Các trường hợp đặt tải qua 3 loại dầm cơ bản: dầm đơn giản, dầm liên tục, dầm đơn giản có đầu thừa, được giả định để khảo sát sự hiệu quả của phương pháp chẩn đoán hư hại bên trong cấu kiện dầm. Kết quả của phương pháp được lấy từ số liệu khi giả định nhiều trường hợp đặt tải cho lần lượt 3 loại dầm cơ bản. Qua đó, chỉ số chẩn đoán hư hại DBI [1] được tính toán từ dữ liệu chuyển vị nút đo được. Từ chỉ số chuyển vị, DBI được phân tích để xác định vị trí hư hại hay phần tử hư hại giả định ban đầu và kết quả chẩn đoán này được hiển thị trên biểu đồ Line Chart. 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuyển vị của dầm là tích phân của góc xoay được tính với công thức: ∫ ∫ (1) 447
Trong đó, E là modun đ n hồi vật liệu, sẽ tỷ lệ nghịch với chuyển vị y, do đó khi giảm modun đ n hồi đi thì khoảng cách chuyển vị sẽ tăng lên. Trong nghiên cứu này, để giả định dầm hư hại, modun đ n hồi được giảm theo từng cấp độ để khảo sát sự thay đổi chuyển vị của dầm giả định so với dầm bình thường với modun đ n hồi ứng với cấp độ bền bê tông (xem Hình 1 và Hình 2). Từ kết quả chuyển vị của dầm, một ma trận chuyển vị của dầm được xác định như sau: [ ] (2) [ ] Trong đó, x là vị trí nút được xác định trên dầm, yi/d là giá trị chuyển vị của dầm bình thường/hư hại (m). Từ ma trận chuyển vị, sự chệnh lệch giá trị yi và yd được xác định: | | (3) 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: [ ] (4) Hình 1: Dầm đơn giản bình thường Hình 2: Dầm đơn giản giả định hư hại phần tử thứ 3 3 DẦM ĐƠN GIẢN 3.1 Sơ đồ tính Dầm được mô phỏng bằng phần mềm SAP2000. Mô hình dài 8m, được chia thành 8 phần tử bằng nhau, mỗi phần dài 1 m. Vật liệu sử dụng bê tông B25 với trọng lượng riêng 2.50 T/m3 (khô cứng tự nhiên) và modun đ n hồi E = 30000 MPa. Kích thước mặt cắt ngang của dầm bxh = 20 x 40 cm. Sơ đồ tính như Hình 3 với tải tập trung đặt tại giữa nhịp. Hình 3: Mô hình dầm đơn giản mô phỏng Hình 4: Tiết diện dầm 448
3.2 Các trường hợp khảo sát Các trường hợp khảo sát được trình bày trong Bảng 1. Trường hợp A2 nhằm xác định khả năng hư hại của phương pháp, giả định dầm hư hại ở phần tử thứ 3 (Hình 2), modun đ n hồi E của đoạn dầm thứ 3 giảm 10%. Trường hợp A3 sẽ khảo sát khả năng nhận biết phá hoại ở bất kỳ phần tử nào của dầm, chẳng hạn như phần tử sát gối tựa (phần tử 8). Trường hợp A4 sẽ khảo sát sự hiệu quả của phương pháp khi tải trọng tác dụng lên dầm chỉ còn 10 kN so với 100 kN ban đầu. Để nghiên cứu trường hợp vị trí đặt tải thay đổi, trường hợp A5 sẽ được khảo sát. Mức độ phá hoại của dầm được thể hiện qua việc khảo sát trường hợp A6 với việc giảm modun đ n hồi xuống một nửa so với ban đầu. Với 2 tải tập trung, sẽ khảo sát việc hư hại xảy ra bên trong và bên ngoài vị trí đặt 2 tải, ứng với trường hợp A7 và A8. Trường hợp A9 sẽ khảo sát việc phát hiện hư hại đối với dầm đơn giản chịu tải phân bố đều. Bảng 1: Các trường hợp khảo sát với case A1 là dầm bình thường Độ lớn Độ giảm Trường Số đoạn Phần tử Vị trí đặt tải Loại tải trọng tải trọng modun đàn hợp chia hư hại (m) (kN) hồi (%) A1 Tải tập trung 100 8 0 4 0 A2 Tải tập trung 100 8 3 4 10 A3 Tải tập trung 100 8 8 4 10 A4 Tải tập trung 10 8 3 4 10 A5 Tải tập trung 100 8 3 6 10 A6 Tải tập trung 100 8 3 4 50 A7 2 tải tập trung 100 8 4 3 và 5 10 A8 2 tải tập trung 100 8 3 5 và 8 10 A9 Phân bố đều 100 8 5 10% 3.3 Kết quả 3.3.1 Trường hợp A2 Giá trị DBI được tính toán trên phần mềm Excel bằng công thức (4) dựa trên sự chênh lệch chuyển vị nút giữa 2 sơ đồ tính. Từ đó sử dụng chức năng Line Chart trong Excel để đưa ra đồ thị DBI dựa trên giá trị tính toán từ công thức (4). Biểu đồ 1 cho thấy đỉnh của đồ thị DBI trùng với vị trí giả định hư hại là phần tử thứ 3. Các giá trị DBI ở vị trí khác đều thấp hơn hoặc bằng 0. Do đó DBI có thể nhận biết vị trí phá hoại trong dầm. 3.3.2 Trường hợp A3 Thay đổi vị trí phần tử hư hại, giả định hư hại ở phần tử thứ 8 là đoạn dầm sát gối tựa. Sau khi chạy SAP200, xuất chuyển vị nút qua Excel, đưa kết quả vào công thức tính toán ra chỉ số DBI, sử dụng Line Chart để vẽ đồ thị DBI, đỉnh DBI ứng với vị trí giả định hư hại. Vì vậy, DBI có thể xác định được phá hoại ở bất kỳ vị trí nào trên dầm. 449
3.3.3 Trường hợp A4 Trường hợp tải trọng tác dụng lên dầm thay đổi, chẳng hạn như chỉ còn 10 kN, phần tử giả định hư hại ở vị trí thứ 3, khảo sát khả năng nhận biết hư hại của DBI khi tải trọng tác dụng lên kết cấu thay đổi. Bằng dữ liệu chuyển vị của SAP2000 giữa A4 và A4BT (dầm đơn giản bình thường chịu tải trọng 10 kN), DBI được tính toán và xuất đồ thị, đỉnh DBI ứng với vị trí số 3. Do đó, DBI có thể dự báo hư hại ngay cả khi tải trọng chỉ còn 10% so với ban đầu. 3.3.4 Trường hợp A5 Để khảo sát khả năng nhận biết phá hoại của DBI khi thay đổi vị trí tải trọng tác dụng, dầm được khai báo với vị trí tải cách vị trí cũ 2m về bên phải trong phần mềm SAP2000, giả định hư hại phần tử thứ 3, A5 được so sánh với A5BT (dầm đơn giản bình thường ứng với vị trí đặt tải giống A5). Sau khi tính toán, đồ thị DBI đưa ra đỉnh trùng với vị trí số 3. DBI có thể xác định được hư hại với bất kỳ vị trí nào mà tải trọng tác dụng lên kết cấu. 3.3.5 Trường hợp A6 Nâng mức độ hư hại tăng lên, sẽ khảo sát được khả năng nhận biết của phương pháp bằng cách khai báo modun đ n hồi vật liệu giảm đi 50% thay vì chỉ giảm 10% so với các trường hợp khác, giả định hư hại ở vị trí thứ 3. Tính toán giá trị DBI đưa ra được đồ thị có đỉnh ứng với vị trí giả định hư hại. Nên DBI có thể nhận biết phá hoại với bất kỳ mức độ phá hoại nào. 3.3.6 Trường hợp A7 Đối với trường hợp dầm đơn giản chịu 2 tải tập trung, khảo sát với trường hợp phần tử hư hại nằm giữa 2 vị trí đặt tải, khai báo SAP2000 dầm bao gồm 2 tải tập trung có độ lớn 100 kN đặt ở vị trí 2 m và 6 m từ gối trái tính qua, phần tử hư hại ở vị trí thứ 5, nằm giữa 2 tải. Chạy chương trình xuất chuyển vị, tính toán được đồ thị DBI (biểu đồ 2) chỉ ra đỉnh cao nhất ứng với đầu đoạn dầm thứ 5. DBI có khả năng nhận biết hư hại đối với dầm đơn giản chịu 2 tải tập trung. Mô hình A7 này được so sánh với mô hình A7BT (dầm bình thường). 3.3.7 Trường hợp A8 Khảo sát khả năng nhận biết hư hại của phương pháp với trường hợp phần tử hư hại đặt bên ngoài vị trí đặt 2 tải. Hai tải đặt ở vị trí 5 m và 8 m tính từ gối trái sang phải, phần tử hư hại được giả định tại vị trí thứ 3. Tính toán và xuất biểu đồ DBI được biểu đồ 3 với đỉnh đồ thị trùng với vị trí thứ 3. Do đó, DBI có khả năng nhận biết được hư hại nằm cả trong lẫn ngoài 2 vị trí đặt tải. 3.3.8 Trường hợp A9 Khi dầm chịu tải tải phân bố đều trên toàn bộ chiều dài dầm, khảo sát trường hợp A9 với kết cấu dầm đơn giản chịu tải phân bố đều có độ lớn 100 kN/m. Sau khi tính toán và vẽ đồ thị DBI (Hình 4), chỉ số DBI cao nhất ứng với vị trí giả định hư hại. Vậy, DBI có thể xác định được hư hại đối với trường hợp dầm đơn giản chịu tải phân bố đều. 450
1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1 1 DBI 0.8 DBI 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x (m) x (m) Hình 1: Trường hợp A2 Hình 2: Trường hợp A7 1.6 1.8 1.4 1.6 1.2 1.4 1.2 1 1 DBI DBI 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x (m) x (m) Hình 3: Trường hợp A8 Hình 4: Trường hợp A9 4 DẦM LIÊN TỤC 4.1 Sơ đồ tính Dầm gồm 2 nhịp, mỗi nhịp 4 m, chia làm 8 đoạn bằng nhau, mỗi đoạn dài 1 m, các thông số vật liệu, tiết diện của dầm giống với dấm đơn giản (Hình 5). Sơ đồ tính của dầm liên tục như Hình 6. Hình 5: Tiết diện dầm Hình 6: Sơ đồ tính dầm liên tục 4.2 Các trường hợp khảo sát Khảo sát các trường hợp còn lại, không trùng với các trường hợp đã khảo sát đối với dầm đơn giản. Lấy gối giữa làm gối đối xứng, sẽ khảo sát các trường hợp phần tử hư hại nằm cùng phía với vị trị đặt tải, phần tử hư hại nằm ngược phía với vị trí đặt tải. Các bước tính toán giống với việc khảo sát đối với dầm đơn giản. 451
4.3 Kết quả 4.3.1 Trường hợp đoạn dầm hư hại nằm cùng phía vị trí đặt tải Tải tập trung có độ lớn 100kN được đặt tại vị trí cách gối tựa bên trái 2 m, phần tử hư hại được giả định là đoạn dầm thứ 2. Sau khi tính toán, vẽ đồ thị, DBI cho thấy đỉnh trùng vị trí số 2 (Hình 2). Khảo sát được DBI vẫn chỉ ra được hư hại đối với dầm liên tục. 4.3.2 Trường hợp phần tử hư hại nằm khác phía với vị trí đặt tải Tiếp tục sử dụng tải tập trung có độ lớn là 100 kN, nhưng thay đổi vị trí đặt tải, tải được đặt ở vị trí cách gối tựa bên trái 6 m, phần tử hư hại giả định vẫn là đoạn dầm thứ 2. Chạy chương trình xuất chuyển vị nút và tính toán, được Hình 7. Đỉnh biểu đồ vẫn đ ng vị trí thứ 2, DBI có thể phát hiện hư hại kể cả hư hại có nằm cùng phía với tải tập trung hay không. 2 2 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 DBI DBI 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x (m) x (m) Hình 7: Tải nằm cùng phía Hình 8: Tải nằm ngược phía với đoạn dầm hư hại 5 DẦM ĐƠN GIẢN CÓ ĐẦU THỪA 5.1 Sơ đồ tính Dầm có nhịp dài 6 m, đầu thừa dài 2 m, đoạn dầm được chia làm 8 đoạn bằng nhau, mỗi đoạn dài 1 m; các thông số vật liệu, tiết diện mặt cắt ngang (Hình 9) của dầm giống với dầm đơn giản và dầm liên tục. Sơ đồ tính của dầm đơn giản có đầu thừa như Hình 10. Hình 9: Tiết diện dầm Hình 10: Sơ đồ tính dầm đơn giản có đầu thừa 452
5.2 Các trường hợp khảo sát Khảo sát các trường hợp đặc biệt của dầm đơn giản có đầu thừa, trường hợp tải đặt ở đầu thừa và đo n dầm hư hại nằm bên trong nhịp dầm, trường hợp tải cùng với phần tử hư hại đặt cùng trong nhịp dầm. Các bước tính toán giống với dầm đơn giản và dầm liên tục. 5.3 Kết quả 5.3.1 Trường hợp tải đặt ở đầu thừa Đặt tải tập trung có độ lớn 100kN ngay tại vị trí đầu dầm, phần tử hư hại được giả định là đoạn dầm thứ 2 nằm bên trong nhịp dầm. Hình 11 chỉ ra đỉnh DBI trùng với vị trí giả định hư hại ban đầu. DBI có khả năng nhận biết phá hoại khi tải nằm ở đầu thừa. 5.3.2 Trường hợp tải đặt bên trong nhịp dầm Tải tập trung có độ lớn 100 kN tiếp tục được sử dụng nhưng sẽ thay đổi vị trí đặt tải vào bên trong nhịp dầm, ở khoảng cách 3 m so với gối tựa bên trái của dầm, phần tử hư hại là đoạn dầm thứ 2. Sau khi tính toán xuất biểu đồ DBI được Hình 12 thể hiện đỉnh DBI vẫn trùng vị trí giả định hư hại. Do đó, dù tải tập trung có nằm bên trong hay ngoài nhịp dầm thì DBI vẫn phát hiện được hư hại. 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1 1 DBI DBI 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x (m) x (m) Hình 11: Tải nằm ngay vị trí đầu thừa Hình 12: Tải nằm trong nhịp dầm 6 KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng chuyển vị nút để xác định hư hại trong kết cấu. Dựa vào kết quả các trường hợp đã khảo sát đối với 3 loại dầm cơ bản cho thấy vị trí hư hại có thể được chỉ ra dựa trên biểu đồ DBI. Từ đó chứng tỏ hệ số hư hại DBI có thể được sử dụng như một công cụ để tìm và định vị hư hại. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using changes in nodal displacement. J Civ Struct Heal Monit 7:385–403. 453