Tài liệu Xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------------- PHAN BÁ TẠO XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 8580205 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng 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. Trà Vinh, ngày tháng năm 2019 Học viên thực hiện Phan Bá Tạo ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo. Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Học viên thực hiện Phan Bá Tạo iii XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG Học viên: Phan Bá Tạo. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 8580205. 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. Bằng cách thiết lập lâu dài một số cảm biến, liên tục đo các thông số liên quan đến tình trạng kết cấu cũng như nghiên cứu các thông số môi trường quan trọng khác, chúng ta có thể có được một bức tranh thời gian thực về tình trạng và sự thay đổi của kết cấu. 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) [14], phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [15] và phương pháp phân tích tại các đỉnh (PPM) [16]. Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng của phương pháp phân tích theo giá trị riêng (ERA) [3] trong việc xác định dao động. Đây là hệ thống duy nhất sử dụng kết quả đầu ra là dao động tự do hoặc phản ứng xung. Nghiên cứu cũng cung cấp thuật toán toán học của phương pháp ERA và sử dụng nó nhằm phân tích phản ứng dao động của cầu dưới tác dụng của xe tải di động. Kết quả thu được từ ERA đồng thời được so sánh với phương pháp phần tử hữu hạn. Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; phân tích dao động theo giá trị riêng; phần tử hữu hạn; phương pháp hệ thống định dạng. THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE STRUCTURES USING EIGEN REALIZATION ALGORITHM 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. By permanently installing a number of sensors, continuously measuring parameters relevant to the structural conditions and other important environmental parameters, it is possible to obtain a real-time picture of the structure’s state and evolution. 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) [14], Frequency Response Function (FRF) [15] and Peak Picking Method (PPM) [16]. This study focuses on the using of the Eigen Realization Algorithm (ERA) [3] for modal identification. This is an output-only system identification using free vibration or impulse response. The study provides a mathematic algorithm on ERA method and then application to analyze dynamic responses of the bridge under excitation by difference truck modes. The results from ERA also compared with Finite Element Method. Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Eigen Realization Algorithm (ERA); Finite Element Method (FEM); system identification method. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC .....................................................................................................................iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................vi CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1 2. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 2 4. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2 6. Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn: .................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU ...... 5 1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu............................................................................. 5 1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu ............................................................. 5 1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu .................................. 6 1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu .................................................... 7 1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc .................................................................. 9 1.1.5. Các cấp độ quan trắc ...................................................................................... 11 1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe ................................................ 14 1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc....................................................... 14 1.2.2. Các cảm biến .................................................................................................. 17 1.2.2.1. Giới thiệu về các cảm biến ........................................................................... 17 1.2.2.2. Cơ sở đo đạc của các cảm biến.................................................................... 17 1.2.2.3. Cảm biến quang học..................................................................................... 19 1.3. Một số phƣơng pháp xác định thông số động lực học kết cấu ......................... 21 1.3.1. Phương pháp biến đổi Fourier ...................................................................... 22 1.3.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số .............................................................. 22 1.3.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh ............................................................. 23 1.3.4. Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA ................ 24 Kết luận chƣơng 1........................................................................................................ 24 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG ......................................................................................................... 25 2.1. Thuật toán phân tích theo giá trị riêng .............................................................. 25 2.2. Xây dựng thuật toán ERA bằng ngôn ngữ Matlab ........................................... 30 2.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab ......................................................................... 30 v 2.2.2. Thuật toán ERA ............................................................................................. 31 2.2.3. Thuật toán tính tham số Markov ................................................................... 36 2.3. Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000 ........................................... 37 2.3.1. Giới thiệu phần mềm SAP2000 ..................................................................... 37 2.3.2. Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000 ............................ 38 2.3.2.1. Tổng quan về cầu Thuận Phước .................................................................. 38 2.3.2.2. Kết quả mô phỏng cầu Thuận Phước ........................................................... 40 Kết luận chƣơng 2........................................................................................................ 40 CHƢƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƢƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH ................................................................................................................. 41 3.1. Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu ............................................................ 41 3.1.1. Đo đạc thực nghiệm ....................................................................................... 41 3.1.2. Thu thập dữ liệu ............................................................................................. 43 3.2. Ứng dụng chƣơng trình phân tích kết quả......................................................... 47 3.3. Kết quả từ phần tử hữu hạn ................................................................................ 50 Kết luận chƣơng 3........................................................................................................ 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 53 Kết luận ........................................................................................................................ 53 Kiến nghị ...................................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 54 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1: Mô hình hệ thống quan trắc cầu ...................................................................... 1 Hình 1.1: Quá trình phát triển của hệ thống quan trắc .................................................... 7 Hình 1.2: Sơ đồ các cấp độ cùa hệ thống quan trắc ...................................................... 13 Hình 1.3: Sơ đồ các hệ thống quan trắc ......................................................................... 15 Hình 1.4: Sơ đồ của một hệ thống quan trắc ................................................................. 16 Hình 1.5: Chi tiết bố trí của một của một sợi cám biến ................................................. 18 Hình 1.6: Hình ảnh cảm biến sợi quang học ................................................................. 19 Hình 1.7: Biến đổi Fourier............................................................................................. 22 Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn dựa vào phương pháp Frequency Response Function ......................................................................................................... 23 Hình 1.9: Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ giữa tần số và độ lớn ........ 24 Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ liên tục giữa z(t) và y(t) trong thực tế ................................ 26 Hình 2.2: Kết quả đo được mối quan hệ giữa z(t) và y(t) ............................................. 26 Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán ERA .................................................................................... 29 Hình 2.4: Giao diện Matlab ........................................................................................... 30 Hình 2.5: Sơ đồ khối thuật toán ERA trên Matlab ........................................................ 31 Hình 2.6: Giao diện SAP2000 ....................................................................................... 38 Hình 2.7: Trắc dọc cầu Thuận Phước ............................................................................ 39 Hình 2.8: Mặt cắt ngang đại diện .................................................................................. 39 Hình 2.9: Mô phỏng cầu Thuận Phước trong phần mềm SAP2000 .............................. 40 Hình 3.1: Cầu Thuận Phước .......................................................................................... 41 Hình 3.2: Ô tô tác dụng lực kích thích .......................................................................... 41 Hình 3.3: Hệ thống đo đạc BDI ..................................................................................... 42 Hình 3.4: Sơ đồ bố trí sensor ......................................................................................... 42 Hình 3.5: Đo đạc tại hiện trường ................................................................................... 43 Hình 3.6: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1 ở vận tốc xe chạy 20km/h .................................................................................................................. 43 Hình 3.7: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 1 giai đoạn dao động tự do ...................................................................................................................... 44 Hình 3.8: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 2 ở vận tốc xe chạy 20km/h .................................................................................................................. 44 Hình 3.9: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 2 giai đoạn dao động tự do ...................................................................................................................... 45 Hình 3.10: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 3 ở vận tốc xe chạy 20km/h .................................................................................................................. 45 Hình 3.11: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 3 giai đoạn dao động tự do ...................................................................................................................... 46 vii Hình 3.12: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 4 ở vận tốc xe chạy 20km/h .................................................................................................................. 46 Hình 3.13: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor số 4 giai đoạn dao động tự do ...................................................................................................................... 47 Hình 3.14: Tham số Markov ......................................................................................... 47 Hình 3.15: Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit ......................................................... 48 Hình 3.16: Xác định số bậc hệ thống ............................................................................ 48 Hình 3.17: Dạng dao động ứng với tần số f=0,73518 Hz từ kết quả ERA ................... 49 Hình 3.18: Tần số thu được từ phương pháp FFT ......................................................... 50 Hình 3.19: Dạng dao động ứng với mode 1 từ kết quả SAP2000 ................................. 51 Hình 3.20: Dạng dao động ứng với mode 2 từ kết quả SAP2000 ................................. 51 Hình 3.21: Dạng dao động ứng với mode 3 từ kết quả SAP2000 ................................. 52 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1:Thông số động lực học tính bằng phương pháp ERA.................................... 49 Bảng 3.2: Tần số dao động riêng ................................................................................... 50 ix CÁC TỪ VIẾT TẮT SHM: Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu) FT: Fourier transform (Biến đổi Fourier) FRF: Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số) PPM: Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh) ERA: Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng) 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hệ thống giao thông là một trong những hệ thống rất quan trọng của nền kinh tế quốc gia. Trong mối quan hệ tổng hòa với nền kinh tế, hệ thống giao thông được ví như mạch máu trong cơ thể sống, ở nước ta, trong điều kiện hội nhập và phát triển kinh tế hiện nay, mạng lưới giao thông không ngừng được xây dựng mở rộng từ thành thị đến nông thôn và vùng sâu, vùng xa... 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. 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. Hình 0.1: Mô hình hệ thống quan trắc cầu Mỗi kết cấu cầu trong thực tế thường có sự khác biệt rất lớn so với dự đoán trong giai đoạn thiết kế. Nó phụ thuộc vào rất nhiều vào các yếu tố bất định, kế cả yếu tố nội tại và tác động bên ngoài. Một số yếu tố phát sinh ngay trong quá trình thi công làm cho các ứng xử về kết cấu khác với các ứng xử dự kiến hoặc được mô hình trong bước 2 thiết kế. Khi được đưa vào sử dụng, kết cấu cầu còn chịu sự tác động trực tiếp của tải trọng xe cộ và các tác động khác như gió, giãn nở nhiệt... thông thường các tác động này khá khác biệt và trong rất nhiều trường hợp không thể biết được nguyên nhân xuất hiện và cường độ của chúng [1]. Ở Việt Nam hiện nay, các công trình cầu thường được kiểm định và thử tải trước khi được vào sử dụng hoặc thử tải định kỳ trong quá trình khai thác. Phương pháp thử tải tĩnh thường được ứng dụng để xác định khả năng chịu tải của công trình cầu. Đối với phương pháp thử tải động, phương pháp lực như là sử dụng xe tải di động để kích thích dao động và xác định một số đặc trưng dao động kết cấu (thường chỉ có tần số dao động bằng phương pháp phân tích FFT) hay được sử dụng [2]. Các phương pháp phân tích dao động trước đây hay được sử dụng như phép biến đổi Fourier (FFT) chỉ thu được tần số dao động riêng, phương pháp Pick Peaking Method thu được cả tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản nhưng độ chính xác lại không cao và không thể thực hiện khi đỉnh các tần số không tách biệt rõ ràng. Thuật toán phân tích theo giá trị riêng áp dụng thông số đầu ra là dạng dao động tự do thu được từ dao động của cầu cho chúng ta kết quả là các thông số dao động của kết cấu (tần số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản) với độ chính xác cao [3]. Kết quả thu được từ phương pháp phân tích theo giá trị riêng cho phép đánh giá mức độ suy giảm của kết cấu và là cơ sở để cập nhật hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn và sử dụng nó để đánh giá khả năng chịu tải và phân tích ứng xử động của công trình cầu. 2. Đối tƣợng nghiên cứu - Dao động tự do của kết cấu nhịp công trình cầu. 3. Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu (tần số dao động riêng, mode dao động và hệ số cản) bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng. - Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô hình cầu thực tế. - Phân tích kết quả thí nghiệm và cập nhật mô hình phần tử hữu hạn. 4. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của kết cấu cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng. - 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. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - 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 bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng. 3 - Đo đạc số liệu dao động thực nghiệm công trình cầu thực tế và sử dụng thuật toán để phân tích kết quả. - Cập nhật mô hình phần tử hữu hạn 6. Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn: PHẦN MỞ ĐẦU - Lý do chọn đề tài (sự cần thiết phải nghiên cứu). - Đối tượng nghiên cứu. - Phạm vi nghiên cứu. - Mục tiêu nghiên cứu. - Phương pháp nghiên cứu. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU 1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu 1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.1.4. Các căn cứ của hệ thống quan trắc 1.1.5. Các cấp độ quan trắc 1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe 1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc 1.2.2. Các cảm biến 1.3. Một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu 1.3.1. Phương pháp biến đổi Fourier (FT) 1.3.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function) 1.3.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking Method) 1.3.4. Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị riêng ERA Kết luận chương 1 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG 2.1. Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) 2.2. Xây dựng thuật toán ERA bằng ngôn ngữ Matlab 2.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab 2.2.2. Thuật toán ERA 2.2.3. Thuật toán tính tham số Markov 2.3. Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000 2.3.1. Giới thiệu phần mềm SAP2000 2.3.2. Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000 Kết luận chương 2 4 CHƢƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƢƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH 3.1. Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu 3.1.1. Đo đạc thực nghiệm 3.1.2. Thu thập dữ liệu 3.2. Ứng dụng chương trình phân tích kết quả. 3.3. Kết quả từ phần tử hữu hạn. Kết luận chương 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CẦU 1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu Quan trắc kết cấu cầu 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 [1]. 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 số 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, 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 6 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. 1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu Lịch sử phát triển trong lĩnh vực quan trắc kết cấu và cầu bao gồm các giai đoạn sau: - Thế kỷ 19: Phát triển cùa động lực học của kết cấu - 1920-1945: Thực hiện các thí nghiệm giản đơn các kết cấu thường gặp - 1965-1975: Phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính - 1970-1980: Phát triển của phương pháp dao động - 1975-1990: Bồ sung của phươnạ pháp phần tử hữu hạn tuyến tính - 1990-2000: Bổ sung phưong pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến - 1992-1995: Giới thiệu các phương pháp dao động xung quanh - 1993-1996: Giới thiệu công nghệ máy tính đo dữ liệu - Từ 1994: Áp dụng các phương pháp đo dao động - Từ 1995: Phát triển thêm phương pháp thu nhận kết quả quan trắc "quan trắc thông minh". - Từ 1996: Thương mại hóa các thiết bị đo. 7 Hoạt động quan trắc đã bùng nổ mạnh trong thập kỷ gần đây, do sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực khoa học máy tính, con nguời và hệ thống theo dõi "thông minh". Thuật ngữ "thông minh" sau đó được sử dụng đế nhấn mạnh ý nghĩa của hệ thống quan trắc thông minh vì có độ bền, đáng tin cậy và kinh tế. Hình 1.1: Quá trình phát triển của hệ thống quan trắc Hiện nay với sự phát triền của khoa học kỹ thuật thì việc quan trắc kết cấu cầu đang đứng trước cơ hội lớn để phát triền và dần hướng tới các hệ thống "quan trắc thông minh". 1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu Hệ thống quan trắc có thể cung cấp những thông tin cơ bản như là [4]: - 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 ra môi trường cạnh tranh tốt trong ngành Xây dựng. - Việc chuyển giao trách nhiệm pháp lý của kết cấu về kỹ thuật và vận hành hệ thống cần phải theo hướng tư nhân hóa, đang có sự truyền tải kho lưu trữ dữ liệu của cầu thành sự kiểm soát tư nhân, từ đó thúc đẩy các công việc mới như là cung cấp sự đổi mới và kế hoạch sửa chữa mới. - Đối với các kết cấu cầu đặc biệt đòi hòi có những quan tâm đặc biệt, mà các ý kiến của các chuyên gia không phải lúc nào cũng sẵn có, hơn nữa kiến thức của họ cũng đòi hỏi phải cập nhật liên tục. - Nhân viên thiếu năng lực, gặp khó khăn khi lên kế hoạch sửa chữa thường xuyên và đánh giá cầu với các dữ kiện khổng lồ. Những kỹ thuật mới có thể khắc phục được điểm yếu này. - Trong tình huống khẩn cấp thì Chủ đầu tư cần phải đưa ra các quyết định nhanh chóng và chính xác. Các đánh giá dựa trên kết quả đo đạc thì được dễ dàng chấp nhận hơn ý kiến đánh giá chủ quan của các chuyên gia. Điều này làm cho Chủ đầu tư có thể 8 yên tâm vì đã có một hệ thống đang theo dõi thường xuyên, tự động và kịp thời đưa ra các cảnh báo cho họ. - Lĩnh vực này cũng được áp dụng trong trường hợp ngẫu nhiên hoặc khẩn cấp, việc sử dụng các đánh giá chủ quan làm tăng nhiều nhược điểm và độ tin cậy không cao. - Khái niệm tối ưu trong việc sửa chữa cần phải được đưa vào trong quá trình thực hiện, càng nhiều dữ liệu, càng tổ chức tốt hơn và làm cho các công việc sửa chữa được rõ ràng hơn, việc này làm giảm rủi ro và giúp đưa ra các quyết định có biên độ an toàn thấp hơn, có nghĩa là tiết kiệm được chi phí. - Việc đưa ra các quyết định thông qua các số liệu định lượng trên cơ sở đo lường kết cấu cầu giúp đưa ra các biện pháp ngăn ngừa hư hại của kết cấu với nguồn vốn nhỏ, chỉ một bộ phận nhỏ các kết cấu mới đòi hỏi có sự can thiệp vào. Kỹ thuật đo đạc mới nâng cao cơ sở dữ liệu và chất lượng của các kết quả để phục vụ cho việc đưa ra các quyết định cần thiết. - Dự đoán khả năng phục vụ của kết cấu cầu trong tương lai. - Khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả quan sát được đề xuất để đánh giá khi số lượng kết cấu khổng lồ, việc này được chia thành nhiều giai đoạn phụ thuộc vào mức độ sâu của thông tin yêu cầu. Việc lựa chọn các tình huống quan sát phải được dựa trên các yếu tố chính, vì vậy chỉ có một số các bộ phận kết cấu cầu được quan sát trong hệ thống với nguồn vốn cố định. Tùy thuộc vào các mức độ khác nhau mà được chia thành nhiều điểm, chu kỳ, chiến lược đánh giá tại chỗ, trực tuyến của kết cấu như sau: - Điểm quan sát nên bao gồm các dụng cụ đo nhanh với các cảm biến đơn giản cầm tay, nó cung cấp các thông tin hiện trạng tổng quan của kết cấu cầu. - Các đánh giá định kỳ có nghĩa là có một kế hoạch đo nhiều lần lặp lại trên kết cấu cầu, nó được lặp lại sau một khoảng thời gian. - Các quan sát và đánh giá dài hạn của kết cấu cầu trở nên cần thiết khi các giới hạn của cầu bị vượt qua, các quan sát này cho phép đánh giá chi tiết dựa vào các dữ liệu và giúp đưa ra các quyết định nhanh chóng. - Quan sát và đánh giá trực tuyến cho phép cảnh báo thông qua các phương tiện truyền thông, thông qua các đoạn tin nhắn (SMS) trong trường họp đơn giản hoặc theo dõi trực tuyến từ internet. Các quyết định có thể được thực hiện trên các máy tính dựa trên dữ liệu đo đạc. Hệ thống cành báo này áp đụng khi giới hạn của kết cấu bị vượt qua. - Trong trường hợp thông thường thì Chủ đầu tư mong muốn công việc của họ trờ nên đơn giản, các kỹ thuật mới này đòi hòi các yêu cầu phức tạp hơn và có mức độ hiểu biết sâu sắc về động học cùa kết cấu, vật lí và các kĩ thuật đo lường. Kết quả cuối cùng mà họ mong muốn là một bản báo cáo kỳ thuật đơn giản, cung cấp các thông tin rõ ràng, chính xác. Các thông tin chính được cung cấp trên một cửa sổ đơn của chương 9 trình, ở đây ngưỡnẹ trên và ngưỡng dưới (giới hạn trên và dưới) được đưa ra và các kết quả đo lường trong một khoảng thời gian được đặt trong ngưỡng này. Bằng cách nhìn biểu đồ người ta có thể thấy có bị vượt qua ngưỡng này hay không. Bảng báo cáo định kỳ cần cung cấp các thông tin dưới đây: - Các hình ảnh và hệ thống biêu đồ khi quan sát kết cấu đề có thể xác định một cách dễ dàng. - Một cửa sổ cung cấp các kết quả có tính chu kỳ được đặt trong một ngưỡng giới hạn. - Cửa sổ thứ hai cung cấp các thông tin đặc biệt được yêu cầu như tốc độ gió hoặc bất cứ số liệu mong muốn nào khác. - Cuối cùng một sự phân loại được thực hiện dựa trên các thông số đo đạc trong bàng báo cáo thường kỳ, dựa vào bảng phân loại này có thể thấy ngay lập tức là có bất cứ sự thay đổi nào xảy ra hay không. - Ngay cả các tiêu chuẩn liên quan đến khả năng khai thác của cầu có thể được cung cấp nếu các dữ liệu cần thiết được ghi nhận. 1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc Căn cứ 1: Đánh giá các hư hại của kết cấu cầu đòi hỏi phải so sánh giữa hai trạng thái của hệ thống. Việc đánh giá mức độ hư hại cần phải có sự so sánh giữa các tình trạng của hệ thống. Để đi đến một kết luận thống nhất đối với tiên đề này thì nhất thiết phải định nghĩa được thế nào là đường chuẩn. Một số phương pháp luận về giám sát tình trạng kết cấu công trình xây dựng không yêu cầu phải có một đường chuẩn được đo từ hệ thống không bị hư hỏng. Một đường chuẩn có thể được tạo ra đơn giản từ sự chi tiết hóa về mặt lý thuyết của tình trạng vận hành hệ thống theo mong muốn. Để phán đoán yêu cầu có ước định vị trí và mức độ nghiêm trọng của hư hại đạt được cấp độ cao hơn thì trong bộ dữ liệu hướng dẫn phải có dữ liệu mẫu ở điều kiện bình thường và cần phải bổ sung thêm mẫu ở các điều kiện hư hại khác nhau. Trong trường hợp này, hiển nhiên là dữ liệu trong điều kiện bình thường tạo nên đường cơ bản. Trong một cơ sở hạ tầng xây dựng thì không thể có một điều kiện tốt đến mức không gây ra hư hỏng nào. Cần phải thừa nhận rằng các mô hình lý thuyết sẽ cho ra đường cơ bản của điều kiện lý tưởng không hư hỏng. Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ở đây là phải tìm ra một mô hình phù hợp trong khả năng có thể. Đường cơ bản cũng có thể được tìm ra qua thực nghiệm với các kết cấu khác nhau được quản lý bởi cùng một cơ sở dữ liệu. Đây là phép so sánh với hiệu suất trung bình của các kết cấu tương tự nhau. Hơn nữa, ta có thể xác định được tính linh động từ các thử nghiệm mang tính lịch sử và bất kỳ một sự sai lệch nào cũng bị xem như là một hư hại. Bất cứ lúc nào ứng dụng một phưong pháp nhận biết hư hại thì cần phải định dạng đường cơ bản theo đặc tính của nó. 10 Căn cứ 2: Xác định các tồn tại và vị trí cua hư hỏng có thể được thực hiện không thông qua các phương pháp, nhưng xác định các loại hư hỏng và mức độ quan trọng chỉ có thể được thực hiện thông qua phuơng pháp nghiên cứu. Việc xác định sự hiện hữu và vị trí của hư hại có thể được thực hiện bằng hình thức nghiên cứu không giám sát nhưng việc nhận biết kiêu tình trạng hư hại và mức độ hư hại chỉ có thề tiến hành bằng hình thức nghiên cứu có giám sát. Đối với ngành xây dựng cơ bản thì câu hỏi quan trọng nhất là: Có bị hư hại không? Những câu hỏi xoay quanh vị trí và mức độ nghiêm trọng, trong điều kiện bình thường, không quan trọng lắm bởi vì một hư hại hiện hữu thuần túy sẽ kéo theo sự thay đổi của toàn bộ quy trình, ở đây phải nói đến các câu hỏi về trách nhiệm mà sẽ có nhiều điểm khác biệt khi ứng dụng trong các ngành kỹ thuật ô tô hay hàng không vũ trụ. Vì vậy, những lập luận này đối với quan trắc trong xâv dựng mà nói thì nó không có vai trò quan trọng đến vậy. Phần phát triển mô hình thống kê của hệ thống quan trắc cần được xem xét cùng với việc thực hiện các thuật toán làm việc trên các đặc tính dễ bị hư hại nhằm lượng hóa tình trạng hư hại của công trình. Các thuật toán sử dụng trong việc phát triền mô hình thống kê thường rơi vào 3 dạng: - Khi có dữ liệu khả dụng từ cả công trình bị hư hại và không hư hại, thuật toán nhận biết mẫu theo thống kê rơi vào dạne tổng quát được gọi là nghiên cứu có giám sát. - Phân loại theo nhóm và phân tích hồi quy là hai dạng của thuật toán nghiên cứu có quan sát và chúng nhìn chung là gắn liền với việc phân loại mẫu hoặc là rời rạc hoặc là liên tục. - Nghiên cứu không quan sát đề cập đến các thuật toán ứng dụng đối với các dữ liệu không chứa mẫu từ cône trình bị hư hại. Phát hiện bất thường hay ngoại vi là dạng cơ bản của thuật toán ứng dụng trong các mô hình nghiên cứu không quan sát. Tất cả các thuật toán đều dựa trên phân tích phân phối thống kê của các đặc tính thu thập được hoặc đo Iưòna; được nhằm đẩy mạnh quy trình nhận biết hư hại. Căn cứ 3: Dụng cụ đo luờng có độ nhạy càng cao thì nó càng nhạy với sự thay đổi của hệ thống và các tác động của môi truờng xung quanh. Nếu không có tính năng trích xuất thông minh thì một phép đo lường càng nhạy cảm với thiệt hại thì nó càng nhạy cảm với sự thay đổi của các điều kiện hoạt động và điều kiện môi trưòng. Sự nhạy cảm của các công trình xây dựng đối với các điều kiện hoạt động và môi trường cần được minh họa một cách chi tiết trong một phần riêng. Điều kiện đặt tải và môi trường càng tốt thì việc phát hiện hư hỏng càng hoạt động hiệu quả. Về lý tưởng thì có thề loại trừ các điều kiện này bằng các chương trình bù trừ dự kiến. Tuy nhiên, vẫn còn tồn lại điểm bất định khá lớn vì các kỳ quan sát quá ngắn và không thể lường trước được các điều kiện ngoại lệ. Vì vậy, cần phải thận trọng khi nhận định kết quả, ví dụ như kết quả đo thấy độ cứng giảm đôi khi không phải là chỉ