Nghiên cứu chẩn đoán vùng nứt của dầm bê tông cốt thép sử dụng độ cong đường chuyển vị

Nghiên cứu này giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng độ cong của đường chuyển vị. Các giá trị dùng để đánh giá được tính toán từ kết quả phân tích ứng xử tĩnh của mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép ứng với các cấp độ nứt khác nhau. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu chẩn đoán vùng nứt của dầm bê tông cốt thép sử dụng độ cong đường chuyển vị NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN VÙNG NỨT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG ĐỘ CONG ĐƯỜNG CHUYỂN VỊ Nguyễn Quang Phú, Nguyễn Phan Nhật Trung Khoa Xây dựng, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Hà Minh Tuấn TÓM TẮT Nghiên cứu này giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng độ cong của đường chuyển vị. Các giá trị dùng để đánh giá được tính toán từ kết quả phân tích ứng xử tĩnh của mô hình phần tử hữu hạn của dầm bê tông cốt thép ứng với các cấp độ nứt khác nhau. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. Sau đó, dầm được gia tải với các cấp tải khác nhau để cho dầm tự ứng xử và xuất hiện vết nứt tương ứng với từng cấp tải trọng. Kết quả phân tích chuyển vị của dầm trước và sau khi nứt ứng với từng cấp tải được phân tích để chẩn đoán vùng nứt. Từ đó, kết quả chẩn đoán hư hỏng trong dầm và tính khả thi của các phương pháp trong ứng dụng thực tiễn được phân tích và đánh giá. Từ khóa: mô hình vật liệu phi tuyến, chẩn đoán vùng nứt, độ cong đường chuyển vị. 1 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của kỹ thuật xây dựng, việc theo dõi và chẩn đoán kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) cũng hết sức quan trọng. Việc này giúp phát hiện sớm những bất thường trên kết cấu, tạo điều kiện thuận lợi để sửa chữa hoặc thay thế những cấu kiện bị hỏng kịp thời, đánh giá tuổi thọ còn lại của công trình, hạn chế đến mức thấp nhất hậu quả có thể xảy ra. Đối với các nước phát triển, khi ngành xây dựng đã bão hòa về số lượng thì việc theo dõi, chẩn đoán và bảo trì, thay thế các cấu kiện là rất cần thiết. Cho đến nay, một số phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm sử dụng các đặc trưng dao động và đặc trưng tĩnh đã được nghiên cứu và phát triển. Các nghiên cứu có liên quan đến việc sử dụng các đặc trưng dao động kết cấu (tần số, dạng dao động) cho mục đ ch chẩn đoán hư hỏng đã được hình thành từ những năm 1970 và hiện đang được ứng dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về phương pháp SHM (Stubbs và Osegueda, 1990; Pandey và cộng sự, 1991; Doebling và cộng sự, 1998). Ở Việt Nam, năm 2009, Nguyễn và cộng sự đã giới thiệu một thuật toán dùng để xác định vị trí suy giảm độ cứng chống biến dạng trên dầm cầu dựa vào độ biến thiên thế năng biến dạng đàn hồi của kết cấu khi xuất hiện khuyết tật được xác lập thông qua số liệu đo biên độ dao động. Cùng năm, Lê và Nguyễn đã đề xuất một phương pháp xác định vị trí và chiều dài khe nứt trong dầm công xôn bằng thuật toán di truyền dựa trên sự thay đổi tần số của dầm. Ma trận độ cứng của phần tử dầm có khe nứt được xây dựng dựa trên cơ sở mô hình phần tử hữu hạn với giả thuyết độ mềm cục bộ tăng lên do sự xuất hiện của khe nứt. Kết quả nhận được cho thấy phương pháp này cho giá trị chẩn đoán có độ chính xác và tốc độ hội tụ cao. 762 Các nghiên cứu trước đây thường được thực hiện cho kết cấu dầm được mô phỏng thành dạng thanh đồng chất. Việc chẩn đoán chỉ dừng ở việc khảo sát vị trí của một hoặc một vài vết nứt đơn lẻ được tạo ra bằng cách xóa phần tử hoặc giảm độ cứng phần tử tương ứng tại vị trí đó. Do vậy, vấn đề đặt ra là cần phải phát triển ứng dụng phương pháp này cho kết cấu dầm bê tông cốt thép, có xét đến sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển phương pháp chẩn đoán vết nứt trong kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng phương pháp dựa trên sự thay đổi của độ cong đường chuyển vị với nhiều cấp độ hư hỏng (cấp độ tải trọng) khác nhau. Dầm bê tông cốt thép được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS (xét đến sự làm việc chung giữa bê tông và cốt thép), sau đó gia tải với các cấp tải khác nhau cho dầm tự ứng xử và xuất hiện vết nứt. Kết quả phân tích ứng xử của dầm bằng phần mềm ANSYS (đường chuyển vị và dạng vết nứt) được thu thập để phục vụ cho công tác chẩn đoán. 2 PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO HIỆU ĐỘ CONG ĐƯỜNG CHUYỂN VỊ 2.1 Giới thiệu phương pháp Một trong những phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu được Pandey và cộng sự (1991) đưa ra là: Phương pháp dựa vào hiệu số độ cong dạng dao động của mô hình. Dựa trên phương pháp hiệu độ cong dạng dao động, nghiên cứu đề xuất phương pháp dựa trên hiệu độ cong đường chuyển vị. Khi có một hư hỏng xảy ra bên trong kết cấu, độ cong của đường chuyển vị sẽ có sự thay đổi. Độ cong đường chuyển vị được xác định bằng đạo hàm cấp hai của vector chuyển vị. Giá trị chuyển vị ở các cấp tải khác nhau của trường hợp trước và sau hư hỏng thu được từ việc phân tích ứng xử phi tuyến của mô hình dầm trên các phần mềm phần tử hữu hạn. Từ đó, đường độ cong đường chuyển vị sẽ được xác định. Sau khi có đường độ cong đường chuyển vị của mô hình không hư hỏng và mô hình hư hỏng, độ khác biệt giữa các giá trị của hai đường cong sẽ được tính dựa trên hiệu giá trị tại từng vị trí của hai đường. Những vị trí có giá trị thay đổi đột ngột thể hiện vùng hư hỏng trên dầm. Trong nghiên cứu này, độ cong của đường chuyển vị được xác định theo công thức sau. (1) Trong đó, i là đạo hàm cấp hai vector chuyển vị thứ i; i là vector chuyển vị thứ i; i 1 là vector chuyển vị thứ i+1; i 1 là vector chuyển vị thứ i-1; và h: Chiều dài của phần tử. Độ khác biệt giữa hai đường cong là trị tuyệt đối của hiệu các giá trị hai đường độ cong trong trường hợp không hư hỏng và hư hỏng. Vẽ đường cong thể hiện mối quan hệ giữa độ khác biệt và vị trí phần tử, những điểm mà đường cong có sự thay đổi lớn là vị trí hay vùng hư hỏng của kết cấu (Hình 1). Hình 1. Mô phỏng vị trí hư hỏng 763 Tuy nhiên, đối với các nút ở 2 đầu biên của dầm, dữ liệu của nút i-1 là không có cho nút biên bên trái và dữ liệu của nút i+1 là không có c ...