Phương Pháp Dựa Vào Sự Thay Đổi Của Hình Dạng Dao Động‌

điều kiện biên tự do (dầm được treo trên giá) để giảm ảnh hưởng của độ cứng gối. Kết quả cho thấy rằng tần số dao động riêng chịu ảnh hưởng của sự tích lũy của các vết nứt trong dầm nhưng không chịu ảnh hưởng của khu vực xảy ra vết nứt. Kết quả cũng chú ý rằng nếu tần số dao động riêng đơn điệu giảm thì mức độ hư hỏng có thể ước tính được.

Kim và cộng sự [91] báo cáo phương pháp luận để xác định khu vực và kích thước của hư hỏng sử dụng tần số dao động riêng. Hai phương pháp luận được giới thiệu để xác định khu vực và mức độ hư hỏng, và chỉ sử dụng tần số dao động riêng hoặc/và hình dạng dao động của một số mode dao động. Một dầm bê tông giản đơn được sử dụng cho thí nghiệm. Tham số dao động riêng của dầm thu được từ mô hình phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm thương mại ANSYS. Nghiên cứu chỉ ra rằng, biên độ thay đổi trong các hình dạng dao động một mình không đủ độ nhạy để xác định vị trí hư hỏng trong dầm. Một thuật toán dựa trên lý thuyết dầm Euler Bernoulli được phát triển, sử dụng mối quan hệ giữa sự thay đổi phân đoạn trong năng lượng biến dạng và thay đổi phân đoạn theo tần số riêng để xác định mức độ của hư hỏng. Kết quả chỉ ra rằng, vị trí hư hỏng có thể được xác định với sai số rất bé. Hơn nữa, khi vết nứt xảy ra tại vị trí giữa dầm, kích thước của vết nứt có thể ước tính chính xác và độ chính xác giảm dần khi vết nứt xảy ra ở vị trí một phần tư đến vị trí gối của dầm chủ.

Garesci và cộng sự [92] giới thiệu phương pháp luận để xác định sự xuất hiện của hư hỏng và khu vực hư hỏng bằng cách áp dụng phân tích thí nghiệm và mô hình phần tử hữu hạn. Phương pháp này giả sử rằng quan hệ của các vật liệu là tuyến tính và tác giả so sánh các giá trị riêng và vec tơ riêng có được từ hai phương pháp. Đầu tiên phương pháp được ứng dụng cho tấm chữ nhật để kiểm tra độ tin cậy của việc chẩn đoán các hư hỏng đối với vật liệu trực hướng và đẳng hướng. Tiếp đến phương pháp được kiểm tra với các vật liệu khác. Kết quả cho thấy phương pháp này có thể xác định chính xác vị trí hư hỏng. Tuy nhiên, sự lựa chọn phù hợp của thang độ màu trong mô hình số là cần thiết để phát hiện hư hỏng.

Nghiên cứu của Kim và công sự [91, 93] đề xuất giám sát hư hỏng kết cấu dựa trên dao động để xác định vị trí và mức độ của hư hỏng trong điều kiện thay đổi của nhiệt độ. Đầu tiên, một tập hợp các giá trị dao động riêng được đo trong các điều kiện nhiệt độ thay đổi. Giá trị trung bình và phương sai của tần số dao động riêng thu được đã được kiểm chứng trong thí nghiệm. Sau đó, một tập hợp các công thức hiệu chỉnh

tần số theo kinh nghiệm được đưa ra để điều chỉnh nhiệt độ gây ra sự thay đổi trong tần số dao động riêng. Sau đó, biểu đồ được kiểm soát đã được vẽ giữa nhiệt độ và tần số dao động riêng. Cả hai vị trí hư hỏng và mức độ hư hỏng đều rất chính xác khi tần số thu được trước khi hư hỏng và sau khi hư hỏng từ cùng một điều kiện nhiệt độ nhưng độ chính xác này giảm khi khoảng cách nhiệt độ tăng. Zhong và cộng sự [94] đã đề xuất một phương pháp mới dựa trên phương pháp thăm dò không gian bằng phương pháp hiệu chỉnh trung tâm quang phổ, từ đó cung cấp một giải pháp đơn giản để phát hiện hư hỏng trong kết cấu bằng cách sử dụng phương pháp phân tích lịch sử thời gian sử dụng đầu ra của các kết cấu giống như dầm.

Ưu điểm của phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số dao động riêng là dễ áp dụng và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc xác định hư hỏng trong kết cấu dựa vào sự thay đổi của tần số riêng cũng tồn tại nhiều nhược điểm. Nhược điểm thứ nhất đó là các hư hỏng tạo bởi các tần số thấp yêu cầu rất chính xác các kết quả từ đo đạc. Hư hỏng có thể chỉ tạo ra các thay đổi rất nhỏ trong tần số dao động riêng, đặc biệt đối với các kết cấu quy mô lớn và những thay đổi nhỏ này có thể sẽ khó được phát hiện do những sai lệch hoặc những lỗi xảy ra trong quá trình đo đạc. Thêm nữa, những phương pháp này không thể phân biệt các hư hỏng tại các vị trí đối xứng trong các kết cấu đối xứng. Nhược điểm khác đó là tần số dao động riêng dễ dàng bị ảnh hưởng bởi các thay đổi môi trường ví dụ như sự thay đổi về độ ẩm, và đặc biệt là ảnh hưởng của nhiệt độ. Vì thế nếu chỉ áp dụng tần số dao động riêng để dự đoán hư hỏng xảy ra trong kết cấu thì có thể dẫn đến những sai lệch về kết quả và vị trí cũng như mức độ xảy ra hư hỏng. Trong trường hợp này cần dùng các phương pháp có độ chính xác cao để xác định các phát hiện các thay đổi đó. Những phương pháp này được sẽ được NCS đề xuất ở mục 2.3.3.

2.2.2. Phương pháp dựa vào sự thay đổi của hình dạng dao động‌

Hình dạng dao động là đặc trưng vốn có của một kết cấu. Chúng không phụ thuộc vào lực hoặc tải trọng tác động lên kết cấu. Thay đổi về hình dạng dao động thường nhạy hơn nhiều so với thay đổi về tần số riêng và hệ số cản khi kết cấu xuất hiện hư hỏng cục bộ. Trong những năm gần đây, rất nhiều phương pháp xác định hư hỏng được phát triển dựa trên các hình dạng dao động thực đo hoặc các đặc điểm của hình dạng dao động như đường cong hoặc năng lượng biến dạng.

2.2.2.1. Phương pháp dựa trên hình dạng dao động trực tiếp

Có thể sử dụng so sánh giữa hai bộ dữ liệu hình dạng dao động (có thể là dữ liệu hình dạng dao động trực tiếp hoặc biến đổi của chúng) để xác định hư hỏng vì hình dạng dao động có thể cung cấp nhiều thông tin hơn và nhạy cảm hơn với hư hỏng cục bộ khi so sánh với tần số dao động riêng. Có hai phương pháp phổ biến thường được dùng để so sánh hai bộ hình dạng dao động: tiêu chí đảm bảo hình dạng dao động (Modal assurance criterion - MAC) và tiêu chí đảm bảo hình dạng dao động phối hợp (Co-ordinate modal assurance criterion - COMAC).

West [95] đã sử dụng tiêu chí đảm bảo hình dạng dao động để phát hiện các thay đổi trong mẫu thực nghiệm và Lieven và cộng sự [96] đề nghị sử dụng COMAC để xác định khu vực hư hỏng. Allemang [97] cho rằng có thể sử dụng các số đo đơn lẻ của sự thay đổi hình dạng dao động. Tiêu chí MAC được áp dụng phổ biến nhưng các nghiên cứu cho thấy tiêu chí này không nhạy cảm với những hư hỏng nhỏ trong kết cấu. Giá trị MAC của hai dao và (ví dụ: hình dạng dao động ở trạng thái không bị hư hỏng và bị hư hỏng) được biểu diễn như sau:

(2.24)

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 154 trang tài liệu này.

Trong đó là số bậc tự do. Giá trị MAC cho biết mức độ tương quan giữa hai mode và thay đổi từ 0 đến 1, với 0 thể hiện không có tương quan và 1 cho tương quan chặt chẽ.

Tiêu chí đảm bảo hình dạng dao động phối hợp khác với định nghĩa MAC vì nó cung cấp thông tin cục bộ và nó kết hợp thông tin của các mode khác nhau. Giá trị COMAC ở dao động phối hợp và cho các mode được định nghĩa như sau:

(2.25)

Nếu chuyển vị trong tọa độ từ hai bộ số đo là giống hệt nhau, giá trị COMAC bằng 1 cho tọa độ này. Cả COMAC và MAC đều có thể được sử dụng để phát hiện cả hư hỏng đơn và hư hỏng tại nhiều phần tử. Tuy nhiên, hai kỹ thuật này chủ yếu được áp dụng cho các mô hình số và cho kết quả tốt trong việc xác định hư hỏng. Choi và cộng sự [98] đã trình bày một phương pháp để xác định hư hỏng trong một kết cấu sử dụng một hình thức phương pháp chỉ số hư hỏng mới. Phương pháp này dựa trên

những thay đổi về hình dạng dao động của kết cấu. Những thay đổi thu được bằng cách sử dụng các hình dạng dao động của trạng thái trước hư hỏng và trạng thái sau khi hư hỏng của kết cấu. Các ví dụ số của dầm giản đơn và dầm 2 nhịp liên tục kết hợp với dữ liệu thí nghiệm của dầm với điều kiện biên tự do được sử dụng để kiểm tra phương pháp đề xuất. Kết quả thu được cho thấy chỉ số dựa trên sự thay đổi trong hình dạng dao động của kết cấu có thể xác định vị trí hư hỏng và ước tính mức độ hư hỏng.

Các nghiên cứu bằng mô hình số và thực nghiệm cho thấy chỉ số này có thể xác định các vị trí hư hỏng đơn và hư hỏng tại nhiều phần tử. Ngoài ra, phương pháp này tạo ra ít sai số hơn các phương pháp chỉ dựa vào chỉ số năng lượng biến dạng. Các tác giả cho rằng các chỉ số hư hỏng tổng hợp với nhiều hình dạng dao động có thể cải thiện hiệu suất trong bài toán xác định vị trí hư hỏng và ước tính mức độ hư hỏng. James Hu và cộng sự [99] đã đề xuất biến đổi wavelet để xác định hình dạng dao động trong bài toán nhận dạng mô hình hư hỏng. Kịch bản hư hỏng đơn và kép trên dầm gỗ được xác định bằng cách sử dụng các chỉ số hư hỏng. Kết quả chỉ ra rằng phương pháp đề xuất hiệu quả và khả thi để phát hiện các kịch bản hư hỏng khác nhau.

Ismail và cộng sự [100] đã đề xuất một phương pháp dựa trên hình dạng dao động để xác định vị trí hư hỏng do các vết nứt đơn và dạng tổ ong trong dầm bê tông cốt thép. Năm dầm bê tông cốt thép đã được sử dụng để kiểm tra tính chính xác của phương pháp. Một chỉ số thu được bằng cách sắp xếp lại phương trình dao động ngang tự do của dầm, được đề xuất sử dụng để xác định vị trí hư hỏng bằng cách kiểm tra cường độ gia tăng của các chỉ số xung quanh vùng hư hỏng. Sự gia tăng tối đa đã được tìm thấy gần vị trí vết nứt hoặc xung quanh giữa các hư hỏng dạng tổ ong. Vì kỹ thuật này không phụ thuộc vào dữ liệu ở trạng thái không bị hư hỏng, nên nó có thể dễ dàng được sử dụng để phát hiện hư hỏng trong kết cấu. Tuy nhiên, kết quả cho thấy rằng khi hư hỏng gần hơn tại gối, kết quả có độ chính xác thấp.

Kim và cộng sự [101] đã xây dựng một phương pháp đánh giá hư hỏng dựa trên dao động để phát hiện, xác định vị trí và mức độ hư hỏng bằng cách sử dụng các hình dạng dao động có tần số thấp hơn. Phương pháp đề xuất nhằm giải quyết vấn đề lựa chọn mode, vấn đề lực dọc trục và vấn đề ước tính mức độ hư hỏng. Phương pháp đề xuất cung cấp một chỉ số hư hỏng đại diện duy nhất bằng cách sử dụng nhiều hơn một mode. Hơn nữa, phương pháp đề xuất không đòi hỏi bất kỳ thông tin nào về mật độ khối lượng, lực dọc trục và độ cứng nền móng. Tuy nhiên, để có được kết quả chính

xác về hư hỏng, một phép đo với lưới đo dày đặc và trích xuất chính xác các hình dạng dao động là điều kiện tiên quyết.

2.2.2.2. Phương pháp dựa trên đường cong hình dạng dao động

Một cách khác để sử dụng hình dạng dao động để có được thông tin không gian về các nguồn của thay đổi dao động là sử dụng các đặc trưng của hình dạng dao động, chẳng hạn như đường cong hình dạng dao động. Các đặc trưng của hình dạng dao động rất nhạy cảm với các hư hỏng nhỏ, vì vậy chúng có thể được sử dụng để phát hiện hư hỏng cục bộ. Nếu một kết cấu bị hư hỏng cục bộ, sự thay đổi hình dạng dao động sẽ xảy ra trong vùng lân cận của hư hỏng đó. Việc giảm độ cứng gây ra bởi hư hỏng làm thay đổi hình dạng dao động của kết cấu. Về lý thuyết, những thay đổi trong hình dạng dao động có thể được sử dụng để phát hiện hư hỏng; tuy nhiên, những thay đổi thường nhỏ dẫn đến khó phát hiện được các hư hỏng. Đường cong của hình dạng dao động được xác định bằng cách sử dụng độ lệch trung tâm xấp xỉ được biểu diễn như công thức 2.26:

(2.26)

Với là số hình dạng dao động, số nút và khoảng cách giữa các nút. Vị trí của hư hỏng sau đó được đánh giá bằng chênh lệch tuyệt đối được tính toán lớn nhất giữa các đường cong hình dạng dao động của kết cấu bị hư hỏng và không bị hư hỏng như sau:

(2.27)

Mối tương quan giữa giảm độ cứng cục bộ và thay đổi đường cong hình dạng dao động được thể hiện bởi Pandey và cộng sự [102] với giả định rằng hư hỏng kết cấu chỉ ảnh hưởng đến ma trận độ cứng chứ không ảnh hưởng đến ma trận khối lượng. Trong khi hư hỏng thường chỉ tạo ra các thay đổi rất nhỏ về về chuyển vị, chúng tạo ra những thay đổi lớn hơn ở đường cong hình dạng của dao động. Đối với dầm, đường cong hình dạng dao động và biến dạng uốn có mối quan hệ trực tiếp như sau:

(2.28)

Trong đó biến dạng là bán kính cong , và là khoảng cách đến trục trung tâm . Hai tùy chọn có thể áp dụng để xây dựng được đường cong bao gồm: tính toán từ các chuyển vị hoặc đo trực tiếp đường cong/biến dạng. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng đã xác nhận rằng đường cong hình dạng dao động là một chỉ số nhạy hơn nhiều so với giá

trị MAC hoặc COMAC của hình dạng dao động. Maeck and De Roeck [89] đã phát triển một kỹ thuật để phát hiện, định vị và định lượng hư hỏng bằng cách sử dụng tần số dao động riêng và đường cong hình dạng dao động được tính toán từ các chuyển vị. Các chuyển vị thí nghiệm dọc theo kết cấu và các phép đo biến dạng đã được sử dụng để thu được đường cong hình dạng dao động. Kỹ thuật đã được áp dụng trên một dầm bê tông cốt thép chịu uốn bốn điểm được gia tải sáu bước. Đối với phương pháp này, không cần một mô hình số để xác định sự suy giảm về độ cứng. Phương pháp này có thể xác định được kết cấu có hư hỏng hay không. Tuy nhiên phương pháp này vẫn tồn tại những sai số khi định lượng mức độ hư hỏng.

Các thực nghiệm của kỹ thuật phát hiện hư hỏng dựa trên phản ứng đường cong hình dạng dao động trên vật liệu tổng hợp carbon/epoxy đã được nghiên cứu [103]. Các hư hỏng được xác định chính xác bằng kỹ thuật phát hiện hư hỏng dựa trên đường cong dao động được trình bày trong nghiên cứu này. Các dao động của các kết cấu được thu bằng các cảm biến và cơ cấu truyền dẫn sử dụng vật liệu điện tử thông minh. Các cảm biến này được gắn trên bề mặt dầm. Bốn loại thuật toán phát hiện hư hỏng: phương pháp phân tích sự khác biệt tuyệt đối của đường cong hình dạng dao động, phương pháp hệ số hư hỏng đường cong, phương pháp chỉ số hư hỏng và phương pháp đường cong hàm đáp ứng tần số được đánh giá cho một số giả thiết hư hỏng với hai nguồn kích thích khác nhau. Cuối cùng, tất cả các phương pháp được trình bày cho thấy các hình dạng dao động cong được đo bằng cảm biến điện tử là cách tiếp cận khả thi để thay thế cho các kỹ thuật truyền thống trong kỹ thuật phát hiện hư hỏng.

Dutta và cộng sự [104] đã nghiên cứu sự thay đổi đường cong hình dạng dao động chi tiết hơn để phát hiện và khoanh vùng nhiều hư hỏng trong bản mặt cầu theo sơ đồ giản đơn và liên tục. Trong nghiên cứu này năm mode dao động đầu tiên được sử dụng. Các tác giả nhận thấy các đỉnh cao hơn trong đường cong hình dạng dao động thay đổi tại vị trí hư hỏng dọc theo dầm, cả theo hướng dọc và ngang. Nghiên cứu này đã lập luận rằng đường cong hình dạng dao động nhạy hơn so với hình dạng dao động để xác định vị trí hư hỏng. Nhưng như kết quả nghiên cứu được thực hiện bởi Alvandi và cộng sự [105], độ chính xác của phương pháp này không cao khi số liệu đo bị nhiễu.

2.2.2.3. Phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng

Phương pháp năng lượng biến dạng cho các kết cấu dạng dầm được phát triển bởi Stubbs và cộng sự [106]. Phương pháp này sau đó được mở rộng áp dụng cho các kết cấu dạng tấm bởi Cornwell và cộng sự [107]. Cách tiếp cận cơ bản của phương pháp năng lượng biến dạng là phân chia kết cấu thành một chuỗi các phần tử dạng dầm hoặc tấm, sau đó ước tính năng lượng biến dạng của từng phần tử trước và sau khi hư hỏng. Một hình dạng dao động lưu trữ một lượng lớn năng lượng biến dạng trong một đường tải trọng kết cấu cụ thể. Khi hư hỏng xảy ra, năng lượng biến dạng trong đường tải trọng thay đổi do độ nhạy cao của tần số và hình dạng của dao động đó. Vị trí hư hỏng được xác định bằng cách so sánh hai giá trị năng lượng biến dạng.

Stubbs và cộng sự [108] đã trình bày một thuật toán gọi là chỉ số hư hỏng để xác định hư hỏng trong kết cấu dạng dầm đàn hồi. Chỉ số hư hỏng được xác định theo sự thay đổi của hàm lượng năng lượng biến dạng trong kết cấu. Điều này đòi hỏi phải xác định hình dạng dao động hoàn chỉnh hơn số lượng cảm biến giới hạn có thể cung cấp. Để xác định giá trị hình dạng dao động giữa các vị trí cảm biến, phép nội suy sử dụng đa thức bậc ba đã được sử dụng. Phương pháp thống kê sau đó được sử dụng để kiểm tra các thay đổi trong chỉ số hư hỏng và để liên kết những thay đổi này với các vị trí hư hỏng có thể. Vị trí và mức độ hư hỏng được xác định chính xác từ phương pháp đề xuất.

Shi và cộng sự [109] đã đề xuất một phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng để xác định vị trí hư hỏng trong một kết cấu. Ưu điểm của phương pháp là không cần sử dụng thông tin về độ cứng và ma trận khối lượng của kết cấu. Thuật toán cải tiến giúp giảm lỗi cắt ngắn trong tính toán; tránh lỗi mô hình phần tử hữu hạn ở các dao động cao hơn và cải thiện tốc độ hội tụ trong tính toán độ cứng. Phương pháp được kiểm chứng bằng cách sử dụng một ví dụ mô hình số và kết quả thực nghiệm của khung thép hai tầng. Các kết quả đã chứng minh rằng thuật toán này hiệu quả và tin cậy để định lượng hư hỏng kết cấu.

Kim và cộng sự [110] đã mở rộng phương pháp của họ bằng thuật toán phát hiện hư hỏng dựa trên dao động được cải tiến. Một thuật toán mới đã được xây dựng để cải thiện độ chính xác của việc xác định vị trí hư hỏng và ước tính mức độ hư hỏng bằng cách loại bỏ các giả định và giới hạn bất thường trong các thuật toán hiện có. Một dầm liên tục hai nhịp được sử dụng để đánh giá độ chính xác của phương pháp dự đoán hư

hỏng bằng mô hình số. Kết quả cho thấy thuật toán mới có thể cải thiện độ chính xác của việc xác định vị trí hư hỏng và ước tính mức độ hư hỏng so với các thuật toán phát hiện hư hỏng hiện có. Tuy nhiên, phương pháp chưa được xác thực với kết quả thử nghiệm.

Li và cộng sự [111] đã giới thiệu một phương pháp phân rã năng lượng biến dạng để xác định vị trí hư hỏng của các kết cấu khung ba chiều. Phương pháp này dựa trên việc phân tách năng lượng biến dạng của từng phần tử kết cấu. Chỉ số hư hỏng dọc trục và chỉ số hư hỏng ngang được tính toán cho từng phần tử để thực hiện việc xác định phân tích vị trí hư hỏng. Phương pháp này chỉ yêu cầu một số lượng nhỏ hình dạng dao động của các kết cấu chưa hư hỏng và kết cấu đã hư hỏng. Một kết cấu khung năm tầng đã được nghiên cứu bằng mô hình số. Kết quả cho thấy chỉ số hư hỏng dọc trục có thể xác định vị trí hư hỏng xảy ra trong các phần tử nằm ngang và chỉ số hư hỏng ngang có thể xác định vị trí hư hỏng xảy ra trong các phần tử dọc. Tuy nhiên, một số sai lệch đã xảy ra và mức độ hư hỏng không được xác định rò.

Choi và cộng sự [112] đã nghiên cứu một cách có hệ thống dựa trên mô hình số và thực nghiệm bằng cách sử dụng các kỹ thuật phát hiện hư hỏng dựa trên dao động. Dựa trên năng lượng biến dạng, phương pháp chỉ số hư hỏng cải tiến đã được phát triển để xác định hư hỏng trong dầm gỗ. Một kỹ thuật tái tạo hình dạng dao động đã được sử dụng để tăng cường khả năng của các thuật toán phát hiện hư hỏng. Các phương pháp chỉ số hư hỏng cải tiến đã được đề xuất để thực hiện tốt hơn so với hình thức ban đầu của chúng để định vị các kịch bản hư hỏng tại một cũng như nhiều phần tử. Phương pháp này có thể dự đoán hư hỏng ở mức độ trung bình và nghiêm trọng khá tốt nhưng không hiệu quả đối với hư hỏng nhẹ.

Wang và cộng sự [113] đã trình bày một phương pháp tương quan năng lượng biến dạng cải tiến trong đó dự đoán về vector thay đổi năng lượng biến dạng có được khác nhau bằng cách sử dụng các bước lặp. Thuật toán GA đã được sử dụng để tiến hành quá trình tìm kiếm. Kết quả chứng minh rằng phương pháp cải tiến đã chứng tỏ được độ tin cậy trong bài toán phát hiện hư hỏng của các kết cấu cầu dàn, ngay cả khi xét đến đẩy đủ ảnh hưởng của nhiễu. Wahalathantri và cộng sự [114] đã đề xuất chỉ số hư hỏng dựa trên năng lượng biến dạng để cải thiện khả năng phát hiện và xác định khu vực hư hỏng bằng cách sử dụng một trong các mode dao động cao hơn hoặc kết hợp các mode dao động. Phương pháp đề xuất đã được kiểm chứng trên một dầm giản