Tài liệu Xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THANH KHẢI XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THANH KHẢI XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG TRỌNG LÂM Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung và quý Thầy Cô trong Khoa Xây dựng Cầu Đường nói riêng. Cảm ơn Thầy Cô đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo tôi trong suốt 2 năm học vừa qua. Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm – người đã định hướng, giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài được hoàn thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau này. Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Huỳnh Thanh Khải iii XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN Học viên:Huỳnh Thanh Khải. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 85.80.205. Khóa: K36. Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) nhằm cung cấp dữ liệu định lượng đáng tin cậy về các điều kiện thực tế của cầu qua việc quan sát sự thay đổi của nó cũng như phát hiện sự xuống cấp. Trong SHM, các tham số dao động (bao gồm tần số tự nhiên, dạng dao động và hệ số cản) đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích ứng xử động của kết cấu. Một vài phương pháp sẵn có để xác định đặc trưng dao động dựa vào sự chuyển động có thể kể đến là: phương pháp biến đổi Fourier (FT) [4], phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [11] và phương pháp phân tích tại các đỉnh (PPM) [12]. Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng của Kỹ thuật kích thích tự nhiên (NExT)[5] kết hợp với Thuật toán phân tích theo gí trị riêng Eigensystem (NExT-ERA) trong việc xác định dao động. Phương pháp NExT dựa trên việc lấy tương quan chéo (cross-correlation) giữa các kết quả dao động tại các điểm đo dưới tác dụng ngẫu nhiên. Hàm tương quan giữa hai kết quả dao động được tạo ra cùng một dao động ngẫu nhiên của kết cấu được chứng minh giống như một hàm xung (impulse response) hay một dao động tự do (free response). Từ đó sử dụng nó như là kết quả đầu vào của thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) [9]. Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; Kỹ thuật dao động tự nhiên; phân tích dao động theo giá trị riêng. THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE STRUCTURES USING NATURAL EXCITATION TECHNIQUE Abstract -Structural health monitoring (SHM) aims to provide quantitative and reliable data on the real conditions of a bridge observe its evolution and detect the appearance of degradations. In structural health monitoring, the dynamic parameters (including natural frequencies, mode shapes and damping properties) play an important role in the understanding of the dynamic behavior of structures. Several methodologies are available to determine modal characteristics based on vibration such as Fourier transform (FT) [4], Frequency Response Function (FRF) [11] and Peak Picking Method (PPM) [12]. This study focuses on the using of the Natural Excitation Technique (NexT) [5] in combination with Eigen Realization Algorithm (ERA) for modal identification. Natural Excitation Technique (NexT) based on the taking of cross-correlation between the results at the measuring points it works with ambient vibration. The cross-correlation function between the two ambient vibrations is generated together with a random vibration of the structure which is demonstrated as an impulse response or a natural oscillation. From there use it as the input of Eigen Realization Algorithm-ERA [9]. Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Natural Excitation Technique (NexT); Eigen Realization Algorithm (ERA). iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii TÓM TẮT ................................................................................................................... iii MỤC LỤC .....................................................................................................................iv CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………….viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ix 1. Cơ sở thực tiễn của đề tài ................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 4 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 4 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 5 5. Bố cục luận văn ................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU .................................................................................................................. 6 1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu............................................................................. 6 1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu: ........................................................ 6 1.1.2. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu: ............................................... 9 1.1.3. Các cấp độ quan trắc .................................................................................. 11 1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe ................................................ 14 1.2.1. Giới thiệu các thành phần của hệ thống quan trắc.................................. 14 1.2.2. Các cảm biến ............................................................................................... 17 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN ............................................................................................................. 21 2.1. Tổng quan một số phương pháp dùng để mô hình hóa bài toán động lực học 21 2.1.1. Phương pháp khối lượng tập trung ........................................................... 21 2.1.2. Phương pháp chuyển vị tổng quát (phương pháp Rayleigh-Ritz) ......... 21 2.1.3. Phương pháp phần tử hữu hạn.................................................................. 22 2.2. Một số phương pháp xác định thông số động lực học sử dụng trong quan trắc sức khỏe cầu ......................................................................................................... 23 2.2.1. Phương pháp biến đổi Fourier (FT) .......................................................... 24 v 2.2.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function) ... 25 2.2.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method) ................. 26 2.2.4. Xác định các thông số dao động kết cấu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên .................................................................................................................... 27 2.2.5. Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization AlgorithmERA) ............................................................................................................................. 31 2.3. Xây dựng thuật toán bằng ngôn ngữ Matlab ..................................................... 33 2.3.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Matlab ....................................................... 33 2.3.2. Code thuật toán NExT-ERA ...................................................................... 36 CHƯƠNG 3. ĐO ĐẠT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH CẦU ............................................................................ 44 3.1. Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô hình cầu thực tế . 44 3.1.1. Tổng quan về Cầu Thuận Phước – Đà Nẵng............................................ 44 3.1.2. Sơ đồ bố trí các cảm biến ........................................................................... 45 3.1.3. Quy trình đo ................................................................................................ 46 3.1.4. Kết quả đo: Sau đó được lưu tệp định dạng .xlsx .................................... 46 3.2. Ứng dụng chương trình phân tích kết quả......................................................... 46 3.2.1. Kết quả từ cầu Thuận Phước ..................................................................... 46 3.2.2. Kết quả từ cầu Yokohama, Nhật Bản ....................................................... 51 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) vi CÁC TỪ VIẾT TẮT ERA FT : Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng) : Fourier transform (Biến đổi Fourier) FRF NEXT PPM : Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số) : Natural Excitation Technique (Kỹ thuật dao động tự nhiên) : Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh) SHM : Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu) vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Hệ thông quan trắc cầu Thuận Phước 7 1.2. Mô hình hệ thống quan trắc cầu 9 1.3. Sơ đồ các cấp độ của hệ thống quan trắc 13 1.4. Sơ đồ các hệ thống quan trắc 14 1.5. Sơ đồ của một hệ thống quan trắc 16 1.6. Lắp đặt cảm biến 17 1.7. Hệ tọa độ bố trí cảm biến 18 2.1. Mô hình khối lượng tập trung 21 2.2. Mô hình phần tử hữu hạn 22 2.3. Biến đổi Fourier 25 2.4. 2.5. Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp Frequency Response Function Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn 26 26 2.6. Phần mềm Matlab 34 2.7. Giao diện làm việc của phần mềm Matlab 35 2.8. Sơ đồ khối thuật toán Next - Era 36 3.1. Cầu Thuận Phước 45 3.2. Sơ đồ bố trí đo 46 3.3. Sơ đồ thuật toán NExT-ERA 47 3.4. 3.5a. 3.5b. Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1(trường hợp sử dụng xe tải kích thích) Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại giai đoạn dao động tự do Biến đổi tương quan chéo giữa 2 dao động ngẫu nhiên sẽ thu được dao động tự do 47 48 48 3.6. Xây dựng ma trận Hankel 49 3.7. Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit 50 3.8. Xác định số bậc hệ thống 50 3.9. Cầu ở cổng trường YNU 52 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 3.10. Cảm biến (Wireless sensor) 52 3.11. Bố trí sensor trên mặt cầu lề bộ hành 53 3.12. Hình dạng mode dao động, tần số tự nhiên và hệ số cản 53 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Trang bảng Tên bảng 3.1. Thông số cảm biến 44 3.2. Giá trị các mode 51 1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở thực tiễn của đề tài Giao thông vận tải là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội, một trong những khâu đột phá, cần ưu tiên đầu tư phát triển đi trước một bước với tốc độ nhanh, bền vững nhằm tạo tiền đề cho phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước. Hiện nay, các công trình giao thông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lượng lớn nhằm đáp ứng kịp thời với nhịp độ phát triển của nền kinh tế. Thời gian gần đây hàng loạt các công trình cầu nhịp lớn, phức tạp được thi công và đưa vào khai thác như: Cầu Bãi Cháy, Cầu Nhật Tân, Cầu Trần Thị Lý, Cầu Cần Thơ, Cầu Vàm Cống... Do đó, chất lượng khai thác của công trình cũng phải 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. Kết quả thu thập được là một bức tranh tổng thể về ứng xử của công trình trong giai đoạn làm việc, là cơ sở quan trọng cho việc đưa ra các đánh giá về khả năng khai thác phục vụ của công trình. Với nhu cầu thực tế hiện nay, 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, 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. Cầu Bãi Cháy Cầu Nhật Tân Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam 2 Cầu Trần Thị Lý Cầu Phú Mỹ Cầu Cần Thơ Cầu Vàm Cống Một số cây cầu hiện đại tại Việt Nam Mục đích của việc quan trắc sức khỏe kết cấu công trình (SHM) nhằm phát hiện các ứng xử bất thường trong kết cấu, xác định vị trí vật lý của các ứng xử bất thường, đánh giá định lượng kích cở và mức độ của các ứng xử bất thường, đánh giá định lượng sức khỏe và năng lực phục vụ của công trình, đặt biệt các công trình nhịp lớn, kết cấu phức tạp. Việc phát hiện, định vị và định lượng ứng xử bất thường ở giai đoạn đầu rất quan trọng trong việc thành công của SHM cho phép tiên lượng và đưa ra các giải pháp sửa chữa, bảo trì hoặc gia cường nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ công trình.[3] Kỹ thuật xác định các đặc trưng dao động từ phương pháp kích thích dao động ngẫu nhiên được áp dụng rất phổ biến trên thế giới trong thời gian gần đây. Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn kích thích bằng phương pháp lực như: biên độ dao động kết cấu nhỏ rất phù hợp trong việc phân tích kết cấu làm việc trong giai đoạn tuyến tính, có thể quan trắc được liên tục và giá thành rất thấp. Hiện nay các công trình giao thông tại Việt Nam đang được xây dựng với số lượng lớn nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, đồng thời với việc nâng cấp các công trình cầu cũ để đáp ứng lưu lượng và tải trọng phương tiện lưu thông ngày càng tăng. Do đó việc nghiên cứu hệ thống quan trắc sức khỏe theo dõi sự làm việc của công trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Quá trình theo dõi, 3 quan sát kết cấu một cách liên tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết phải sửa chữa, tăng cường hoặc thay thế tùy vào tình trạng kết cấu. Ở Việt Nam hiện nay chỉ áp dụng phương pháp tĩnh để xác định khả năng chịu tải của công trình cầu, và phương pháp lực (sử dụng xe tải) để xác định một số đặc trưng dao động kết cấu (thường chỉ có tần số dao động bằng phương pháp phân tích FFT) [4]. Những phương pháp này yêu cầu phải cấm lưu thông trong quá trình đo đạc, mất nhiều thời gian thực hiện và chi phí cao. Bố trí thiết bị đo biến dạng (ứng suất) dầm chủ Bố trí thiết bị đo võng dầm chủ 4 Xếp xe đo võng và ứng suất dầm chủ Phương pháp dao động ngẫu nhiên (Ambient Vibration Technique) [1] không cần sử dụng lực kích thích nhân tạo mà công trình được kích thích dưới tác dụng của gió tự nhiên hoặc phương tiện giao thông ngẫu nhiên trên cầu. Phương pháp dao động ngẫu nhiên có ưu điểm là không phải ngăn cầu đảm bảo giao thông xuyên suốt, có thể quan trắc được liên tục và giá thành thực hiện rất thấp. Đây được xem là một phương pháp rất cần thiết đảm bảo được mục tiêu về quan trắc sức khỏe trong điều kiện lưu lượng giao thông rất lớn như hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên. Ứng dụng kết quả từ chương trình phân tích kết quả đo đạc thực nghiệm để phân tích và đánh giá năng lực phục vụ của công trình cầu. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: dao động của kết cấu nhịp công trình cầu dưới tác dụng dao động ngẫu nhiên. Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên, thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô hình cầu thực tế, phân tích kết quả thí nghiệm và đánh giá năng 5 lực phục vụ của công trình cầu. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu dưới tác dụng tải trọng động, xây dụng thuật toán phân tích số liệu thí nghiệm công trình cầu dưới tác dụng tải trọng ngẫu nhiên. Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Phương pháp thực nghiệm hiện trường do tác giả sử dụng số liệu từ kết quả đo dao động tại cầu Thuận Phước – Đà Nẵng. Phương pháp thực nghiệm hiện trường là một phần quan trọng của luận án nhằm khảo sát, đánh giá các công trình thật, có kích thước lớn làm cơ sở để hiệu chỉnh mô hình phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (làm cơ sở để đánh giá chât lượng công trình). Phương pháp mô hình toán: Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình tính toán từ số liệu đo đạc hiện trường như phân tích trong luận án hoàn toàn có thể mô phỏng đúng đắn ứng xử của kết cấu cầu dưới tác dụng của tải trọng ngẫu nhiên. 5. Bố cục luận văn Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan về quan trắc sức khỏe kết cấu công trình cầu. Chương 2: Xây dựng chương trình xác định các đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên. Chương 3: Đo đạt thực nghiệm và ứng dụng chương trình phân tích. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo. 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU 1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu: Cùng với sự phát triển của đất nước, các cầu hiện đại vượt nhịp lớn đưa vào sử dụng ngày càng nhiều nêu nhu cầu theo dõi, đánh giá cầu ngày càng lớn với quy mô và chất lượng đòi hỏi càng cao. 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 của 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 phi 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. Quan trắc kết cấu cầu, thuật ngữ tiếng Anh là "Health monitoring of 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 hỏng 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. 7 Hình 1.1. Hệ thông quan trắc cầu Thuận Phước (Nguồn: http://quantraccongtrinh.com.vn/) So với việc Thử tải cầu cũng như so với các phương pháp kiểm tra truyền thống khác thì Quan trắc 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 và ghi lại các ứng xử của kết cấu trong trường hợp đặc biệt (động đất, bảo…) mà các phương 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 lường 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 khuyết về mặt kết cấu và tăng độ an toàn cho công trình cầu: kết cấu cầu có thể có các khiếm khuyết mà không thể phát hiện bằng các kiểm tra bằng mắt hoặc kiểm tra trên mô hình. Trong những trường 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 được tiến hành sớm 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 cầu 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 tác quan trắc góp phần đánh giá chất lượng thi công, 8 vận hành, công tác duy tu bảo dưỡng và do đó có thể loại bỏ các chi phí ẩn cho công việc không đạt chất lượng. Rất nhiều công trình có khiếm khuyết hoặc điểm yếu về kết cấu được tạo ra ngay trong quá trình thi công, nhưng các khiếm khuyết này chỉ có thể nhìn thấy được sau một vài năm. Lúc này chi phí sửa chửa sẽ trở nên rất lớn và đã nằm ngoài trách nhiệm bảo hành của nhà thầu. - Công tác quan trắc giúp ích cho công tác quản lý duy tu kết cấu cầu: dữ 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 phận 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 trữ về cường độ của cây cầu: có nhiều hạng mục của kết cấu có tình trạng tốt hơn so với dự kiến (nguyên nhân có thể 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 hợp này, công việc quan trắc sẽ xác định được biên độ cho phép có thể chịu đựng thêm của cây cầu, giúp đơn vị quản lý nắm rõ tải trọng an toàn có thể đi trên cầu. - Ngoài ra hệ thống quan trắc sẽ cung cấp các thông tin tham khảo rất bổ ích trong công tác thực hiện các dự án có quy mô tương tự trong lương lai: thông tin về sự làm việc thực tế của cây cầu sẽ giúp cho các Nhà thiết kế và đơn vị Quản lý thực hiện các đồ án thiết kế rẻ hơn, an toàn hơn và bền vững hơn với độ tin cậy và tính năng làm việc được nâng cao. Một chi phí đầu tư nhỏ thực hiện ngay từ đầu dự án sẽ có thể đạt 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 thì 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 phương 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. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu: 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 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 kết luận 9 Hình 1.2. Mô hình hệ thống quan trắc cầu Khi xây dựng hệ thống quan trắc cần phải có một mục tiêu và động lực rõ ràng để Chủ đầu tư chấp nhận, cần phải chỉ ra rằng 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. Các động lực chính để xúc tiến về việc lắp đặt hệ thống quan trắc là: - Hiện trạng công trình đang lão hóa và các vấn đề kinh tế - xã hội liên quan đến việc tăng cường, sửa chữa so với xây dựng mới. - Các loại cầu mới, hiện đại như cầu dây văng, dây võng rất nhạy cảm với các yếu tố khí động cần được quan trắc thường xuyên. - Tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật lĩnh vực máy tính, lưu trữ, các cảm biến và cuộc cách mạng công nghệ 4.0. - Các vụ sập cầu trong quá khứ cũng như gần đây gây ra các hậu quả nặng nề về con người và vật chất, do đó tạo nên mới quan tâm lớn của cộng đồng vì vậy việc nghiên cứu, cải tiến, lắp đặt hệ thống quan trắc là rất thiết thực. - Các phương pháp mới cần được được vào quy trình và có hướng dẫn cụ thể. 1.1.2. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu: Theo Helmut Wenzel (2009) [6], hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thông tin cơ bản như là: - Chứng nhận rằng kết cấu cầu đáp ứng các yêu cầu của các quy trình, nó đưa đến kỹ thuật mới trong công tác quản lý cầu và tạo môi trường cạnh tranh tốt trong ngành Xây dựng.,