Nghiên cứu sử dụng đường biến dạng để chẩn đoán hư hại trong bản sàn bê tông cốt thép

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

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu sử dụng đường biến dạng để chẩn đoán hư hại trong bản sàn bê tông cốt thép được nghiên cứu 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 chẩn đoán chỉ sử dụng đường biến dạng để phát hiện sự giảm độ cứng của bản sàn bê tông cốt thép.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu sử dụng đường biến dạng để chẩn đoán hư hại trong bản sàn bê tông cốt thép

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐƯỜNG BIẾN DẠNG ĐỂ CHẨN ĐOÁN HƯ HẠI TRONG BẢN SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP Phan Minh Mỹ*, Phạm Thuận*, Phạm Huỳnh Anh Tuấn*, Nguyễn Hồng Phát* Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) GVHD: TS. Hà Minh Tuấn TÓM TẮT 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 chẩn đoán chỉ sử dụng đường biến dạng để phát hiện sự giảm độ cứng của bản sàn bê tông cốt thép. Cách tiếp cận dựa trên mối tương quan giữa đường biến dạng của bản sàn đo được tại hai trạng hái có hư hỏng và không có hư hỏng. Cụ thể, chỉ số chẩn đoán mới “Chỉ số bảo toàn chuyển vị (DAC)” được sử dụng trong nhiều trường hợp để xác định sự xuất hiện của việc giảm độ cứng. Dữ liệu đường biến dạng được tính toán bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm thương mại ETABS. Nhiều kịch bản hư hỏng được giả định để khảo sát độ nhạy của chỉ số DAC trong việc phát hiện hư hỏng trên bản. Kết quả chứng minh rằng DAC có thể được sử dụng như một chỉ số đánh giá để xác định sự xuất hiện của hư hỏng. Từ khóa: bản bê tông cốt thép, đường biến dạng, ETABS, sự suy giảm độ cứng. 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. Theo dõi sức khỏe kết cấu (SHM) là một phương pháp để đánh giá tính toàn vẹn kết cấu một cách định lượng. SHM nhằm cung cấp, tại mọi thời điểm trong suốt vòng đời của một kết cấu, chẩn đoán tình trạng của vật liệu, các bộ phận khác nhau và sự lắp ráp hoàn chỉnh của các bộ phận tạo thành kết cấu nói chung. Phương pháp xác định vị trí hư hỏng và mức độ hư hỏng của kết cấu bằng SHM được phân loại rộng rãi thành hai loại tập trung vào các đặc tính động và phản ứng tĩnh của kết cấu được khảo sát. Nhiều nghiên cứu liên quan đến việc áp dụng các phản ứng động để phát hiện hư hỏng đã được thực hiện (Dawari và cộng sự, 2013; Miyashita và cộng sự 2012), ví dụ, tần số tự nhiên và hình dạng mode dao động. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây (Watanabe và cộng sự, 2014) đã chứng minh rằng tần số tự nhiên bậc thấp không nhạy cảm với những thay đổi về độ cứng của cấu kiện. Hơn nữa, có đủ số lượng thiết bị đo là rất quan trọng để ước tính chính xác hình dạng mode dao động. Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc áp dụng các thông số liên quan đến độ cứng của kết cấu như chuyển vị và độ cong liên quan đến các phương pháp phát hiện hư hỏng dựa trên dữ liệu tĩnh. Năm 2005, Chen và cộng 1255
sự (2005) đã chứng minh rằng các hư hỏng có thể được phát hiện trong mô hình khảo sát bằng cách tính hệ số GRC sử dụng các độ cong thu được từ dữ liệu dịch chuyển tại thời điểm khỏe mạnh và thời điểm suy giảm. Năm 2017, Ha và Fukada (2017) đã giới thiệu Chỉ số dựa trên chuyển vị (DBI) như một phương pháp xác định hư hỏng sử dụng sự thay đổi hình dạng chuyển vị để phát hiện hư hỏng kết cấu của mô hình dầm bê tông ứng suất trước (PC). Trong bài báo cáo này, nghiên cứu đề xuất một phương pháp giúp chẩn đoán sự xuất hiện hư hại trong cấu kiện bản sàn bê tông cốt thép giúp kỹ sư có phương án bảo trì kịp thời. Nghiên cứu khảo sát các trường hợp kết cấu sàn khác nhau thông qua việc thay đổi vị trí hư hại. Kết quả của phương pháp được lấy từ số liệu khi giả định nhiều trường hợp hư hại cho kết cấu bản sàn dạng ô bản đơn kê 4 cạnh. Qua đó, chỉ số bảo toàn chuyển vị (DAC) được tính toán từ dữ liệu đường biến dạng đo được. Từ chỉ số DAC được phân tích để xác định vị trí của phần tử suy giảm độ cứng và kết quả chẩn đoán này được hiển thị trên biểu đồ DAC. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong nghiên cứu này, chỉ số bảo toàn chuyển vị (DAC) được sử dụng để xác định sự xuất hiện của hư hỏng trên kết cấu dựa vào dữ liệu chuyển vị đo đạc tại mặt dưới của bản sàn bê tông cốt thép (BTCT). Nếu kết cấu đã bị phá hoại bởi điều kiện môi trường hoặc tải trọng tác dụng, thì độ cứng của kết cấu được điều chỉnh lại và việc đo đạc chuyển vị của kết cấu ở trạng thái hư hỏng không còn tương ứng với trạng thái ban đầu. Trong nghiên cứu này hệ số DAC (Displacement Assurance Criterion) được đề xuất và sử dụng cho việc phát hiện ra phần tử suy giảm độ cứng của bản sàn BTCT. Hệ số DAC minh họa cho mối quan hệ giữa hai đường cong chuyển vị ở hai trạng thái khác nhau. 2 (∑𝑛 𝑗=1 𝑢𝐷𝑗 𝑢𝐻𝑗 ) DAC = ∑𝑛 2 ∑𝑛 𝑢 2 (2) 𝑗=1 𝑢𝐷𝑗 𝑗=1 𝐻𝑗 Trong đó: - 𝑢𝐻𝑗 (j = 1 ~ n+1) là chuyển vị đã được chuẩn hóa khi dầm ở trạng thái ban đầu (bản sàn chưa bị hư hỏng) - 𝑢𝐷𝑗 (j = 1 ~ n+1) là chuyển vị đã được chuẩn hóa khi bản sàn ở trạng thái bị hư hỏng. Trong nghiên cứu này thì đường cong chuyển vị của bản sàn theo hai phương đã được chuẩn hóa khi bản sàn không có hư hỏng được xem xét như đường cong tham chiếu. Trong trường hợp, hai đường cong khảo sát đồng nhất thì hệ số DAC=1. Ngược lại, nếu có bất kỳ sự suy giảm nào của kết cấu thì hệ số DAC < 1. 3. BÀI TOÁN ÁP DỤNG 1256
Nghiên cứu mô phỏng một ô bản đơn bằng bê tông cốt thép có kích thước hai phương là 4m x 4m (Hình 2), chiều dày bản 100mm chịu tải trọng bản thân và tải trọng phân bố đều 0.3 T/m2 tác dụng trên bản. Các biên của ô bản được giả định là có liên kết ngàm (Hình 1(a)). Bê tông được mô phỏng là vật liệu đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E = 3.0 × 107 𝑘𝑁/𝑚2 ; hệ số Poisson v = 0.2. Phần mềm ETABS được sử dụng để xây dựng mô hình và gán tải trọng, từ đó tính toán đường biến dạng của bản ở các trường hợp khảo sát. Để trích xuất dữ liệu chuyển vị trên ô bản, ô bản được chia nhỏ thành 10 ô bản nhỏ hơn theo mỗi phương. Trong nghiên cứu này, 11 đường biến dạng đều nhau 0.4 m theo từng phương được trích xuất làm dữ liệu đầu vào cho quy trình chẩn đoán. Sự giảm độ cứng cục bộ được tạo ra bằng cách giảm mô đun đàn hồi của một hoặc hai phần tử nhỏ của bản BTCT. Hình 1(b) thể hiện minh họa về bản có hư hại ở vị trí phần tử ở vị trí 6,7 theo phương X và 4,5 theo phương Y. Cụ thể là mô đun đàn hồi của phần tử bị giảm 50%. Các phần tử còn lại vẫn giữ nguyên các thông số vật liệu như dầm bình thường. Hình 2 thể hiện đường biến dạng của bản ở trạng thái bình thường và ô bản có phần tử được giảm mô đun đàn hồi 50%. (a) Ô bản 4m x 4m (b) Phần tử giả định suy giảm độ cứng Hình 1. Minh họa phần tử suy giảm độ cứng trong ô bản. 1257
-0.0007 -0.0007 -0.0006 -0.0006 Series11 Series11 Chuyển vị (m) Chuyển vị (m) -0.0005 -0.0005 Series9 Series9 Series7 Series7 -0.0004 -0.0004 Series5 Series5 -0.0003 -0.0003 Series3 Series3 -0.0002 Series1 -0.0002 Series1 -0.0001 1 -0.0001 1 2 3 2 3 4 5 0 4 5 0 6 7 6 7 8 9 8 9 10 11 10 11 Vị trí cảm biến Vị trí cảm biến (a) Ô bản bình thường (b) Ô bản có phần tử hư hỏng Hình 2. Đường biến dạng của ô bản. 4. CÁC TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT Để kiểm tra hiệu quả của phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đường biến dạng của chuyển vị, nghiên cứu khảo sát ba trường hợp có vị trí và số lượng phần tử hư hỏng khác nhau. Trong từng trường hợp, mô đun đàn hồi được giảm 50% tại phần tử giả định hư hỏng, các phần tử còn lại có thông số vật liệu tương tự như dầm bình thường. Vị trí hư hỏng của các trường hợp khảo sát được minh họa trong Hình 3. (a) Trường hợp 1 (b) Trường hợp 2 (c) Trường hợp 3 Hình 3. Minh họa các trường hợp khảo sát. 5. KẾT QUẢ Từ dữ liệu đường biến dạng của dầm do tải trọng bản thân và tải trọng phân bố đều trên sàn gây ra, chỉ số bảo toàn chuyển vị DAC được tính toán ứng với từng trường hợp. Các đường biến dạng ứng với từng cấp giảm mô đun đàn hồi đều đã được chuẩn hóa. Trong đó đường biến dạng đã chuẩn hóa ở trạng thái bình thường không 1258
có hư hỏng được lấy làm đường chuẩn. Hệ số DAC = 1 nghĩa là dầm chưa bị hư hỏng, ngược lại khi hệ số DAC < 1 thì dầm đã có xuất hiện hư hỏng. DAC X 11 - 10 1.0000 9 1.0000 8 1.0000 7 0.9960 6 0.9961 5 1.0000 4 1.0000 3 1.0000 2 1.0000 1 - Vị trí cảm biến 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 DAC Y - 1.000 1.000 0.994 0.996 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 - (a) Biểu đồ chẩn đoán DAC của Trường hợp 1 DAC X 11 - 10 1.000 9 1.000 8 1.000 7 1.000 6 1.000 5 0.996 4 0.994 3 1.000 2 1.000 1 - Vị trí cảm biến 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 DAC Y - 1.000 1.000 1.000 1.000 0.996 0.996 1.000 1.000 1.000 - (b) Biểu đồ chẩn đoán DAC của Trường hợp 2 DAC X 11 - 10 1.000 9 1.000 8 0.992 7 1.000 6 1.000 5 0.996 4 0.992 3 0.982 2 1.000 1 - Vị trí cảm biến 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 DAC Y - 1.000 0.982 1.000 1.000 1.000 0.996 0.992 0.982 1.000 - (c) Biểu đồ chẩn đoán DAC của Trường hợp 3 Hình 4. Biểu đồ xác định vị trí hư hỏng. 1259
Hình 4 thể hiện sự thay đổi của chỉ số DAC khi bản xuất hiện sự suy giảm độ cứng cục bộ. Khi so sánh hai đường biến dạng ở cùng trạng thái (trạng thái bình thường), chỉ số DAC có giá trị bằng 1, vì lúc này dầm chưa có sự thay đổi độ cứng cục bộ. Khi bản có phần tử hư hỏng, chỉ số DAC sẽ nhỏ hơn 1. Biểu đồ chỉ ra chỉ số DAC giảm rõ rệt tại vị trí có phần tử hư hỏng khi phân tích đường biến dạng theo cả 2 phương x và y. Bên cạnh đó, biểu đồ chẩn đoán DAC cũng chỉ ra đúng vị trí phần tử hư hỏng của bản bê tông cốt thép ứng với trường hợp có 2 hư hỏng ở hai vị trí phần tử khác nhau. Nhìn chung, chỉ số DAC thể hiện được trạng thái dầm đã bị hư hỏng. Khi dầm không có hư hỏng, chỉ số DAC có giá trị bằng 1, sau đó giảm dần khi xuất hiện phần tử có suy giảm độ cứng. 6. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, đường biến dạng của bản chịu tải trọng phân bố đều được sử dụng làm dữ liệu đầu của phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu. Chỉ số bảo toàn chuyển vị DAC được đề xuất nhằm phát hiện sự suy giảm độ cứng của bản. Kết quả phân tích cho thấy rằng, chỉ số DAC đã chẩn đoán hiệu quả vị trí của phần tử có sự suy giảm độ cứng trên bản BTCT ở cả trường hợp có 1 hư hỏng và trường hợp có 2 hư hỏng. Do đó, có sự liên hệ giữa sự suy giảm độ cứng của dầm, thể hiện qua sự thay đổi đường biến dạng và chỉ số DAC. Trong nghiên cứu tiếp theo, các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của chỉ số như số lượng điểm lấy chuyển vị, ảnh hưởng của nhiễu, loại tải trọng sẽ được khảo sát. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chen X, Zhu H, Chen C (2005) Structural damage identification using test static data based on grey system theory. J Zhejiang Univ A 6A:790–796. [2] Dawari VB, Vesmawala GR (2013) Structural damage identification using modal curvature differences. IOSR J Mech Civ Eng 4:33–38. [3] Ha TM, Fukada S (2017) Nondestructive damage detection in deteriorated girders using changes in nodal displacement. J Civ Struct Health Monit 7:385–403. [4] Miyashita T, Tamada K, Liu C, Iwasaki H, Nagai M (2012) Relationship between damage and change of dynamic characteristic in an existing bridge for vibration-based structural health monitoring. J Jpn Soc Civ Eng Ser A1 Struct Eng Earthq Eng 68:367–383 [5] Watanabe G, Tomohiro F, Goto S, Emoto H (2014) Health monitoring and identification of dynamic characteristic of a skewed bridge based on the vibration test using a moving vehicle. J Struct Eng A 60A:513– 521. 1260