Chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung bằng phương pháp kết hợp véc-tơ định vị (DLV) và giải thuật tiến hóa khác biệt (DE)

BỘGIÁO DUC V ̣ À ĐÀO TAỌ

TRƯỜNG ĐAI Ḥ OC Ṃ Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍMINH

-----------------------------------------------

ĐỖ QUÍ TOÀN

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG KẾT CẤU

KHUNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT

HỢP VÉC-TƠ ĐỊNH VỊ (DLV) VÀ GIẢI

THUẬT TIẾN HÓA KHÁC BIỆT (DE)

LUẬN VĂN THAC SĨ ̣

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. Hồ Chí Minh, Năm 2017

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG i HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn với tên đề tài “Chẩn đoán hư hỏng kết cấu

khung bằng phương pháp kết hợp véc-tơ định vị (DLV) và giải thuật tiến hóa

khác biệt (DE)” này là bài nghiên cứu của chính tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS. Nguyễn Thời Trung.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi

cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được

công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong

luận văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

TP. Hồ Chí Minh, năm 2017

ĐỖ QUÍ TOÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG ii HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS. Nguyễn

Thời Trung. Thầy là người đã hướng dẫn trực tiếp cho tôi hoàn thành luận văn

này. Thầy cũng là người đã dạy cho tôi rất nhiều điều hữu ích trong cuộc sống.

Thầy luôn là người tạo động lực và truyền cảm hứng cho tôi trong suốt quá trình

làm luận văn.

Kế đến tôi xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Võ Duy Trung. Người đã hỗ trợ

tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã giảng dạy tôi trong quá

trình học cao học tại Đại học Mở TP.HCM. Những kiến thức rất hữu ích của các

thầy cô đã giúp tôi rất nhiều cho việc hoàn thành luận văn này.

Cuối cùng, cám ơn ba, mẹ, anh, chị và những người thân đã luôn cận kề

động viên, chia sẽ khó khăn và tạo nguồn động lực to lớn để tôi có thể hoàn

thành tốt luận văn này.

TP. Hồ Chí Minh, năm 2017

ĐỖ QUÍ TOÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG iii HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài “Chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung bằng phương pháp kết hợp véc￾tơ định vị (DLV) và giải thuật tiến hóa khác biệt (DE)”

Nghiên cứu này trình bày lý thuyết và ứng dụng số việc chẩn đoán hư hỏng

của khung bằng phương pháp kết hợp 2 giai đoạn (DLV và giải thuật DE). Trong

giai đoạn 1, nghiên cứu áp dụng phương pháp DLV để xác định những vị trí hư

hỏng. Trong giai đoạn 2, nghiên cứu áp dụng giải thuật DE để đánh giá phần

trăm hư hỏng tại những vị trí đã được xác định hư hỏng.

Nghiên cứu được triển khai cụ thể cho 3 ví dụ số: Ví dụ số thứ nhất cho

khung 1 nhịp 1 tầng với 2 vị trí hư hỏng; ví dụ số thứ hai cho khung 3 nhịp 10

tầng với 2 vị trí hư hỏng; và ví dụ số thứ ba cho khung 5 nhịp 2 tầng với trường

hợp 2 vị trí hư hỏng và 3 vị trí hư hỏng. Cả 3 ví dụ số đều có xét dữ liệu bị

nhiễu. Kết quả phân tích cho thấy phương pháp kết hợp DLV và DE rất hiệu quả

trong việc xác định và đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu, đặc biệt có thể áp

dụng hiệu quả cho cả trường hợp dữ liệu bị nhiễu.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG iv HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ....................................................................iii

MỤC LỤC ...........................................................................................................iv

DANH MỤC HÌNH............................................................................................vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...............................................................................vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................viii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU....................................................................................... 1

1.1. Đặt vấn đề..................................................................................................1

1.2. Tổng quan tài liệu......................................................................................2

1.3. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................7

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................8

1.5. Kết cấu luận văn........................................................................................8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................... 9

2.1. Phần tử hữu hạn cho khung.......................................................................9

2.1.1. Véc-tơ chuyển vị nút.........................................................................10

2.1.2. Ma trận độ cứng phần tử...................................................................10

2.1.3. Ma trận khối lượng phần tử ..............................................................12

2.1.4. Véc-tơ tải phần tử .............................................................................12

2.1.5. Các ma trận và véc-tơ trong hệ tổng thể...........................................14

2.1.6. Hậu xử lý tính nội lực .......................................................................16

2.2. Phương pháp kết hợp để chẩn đoán hư hỏng kết cấu khung ..................18

2.2.1. Phương pháp xác định vị trí hư hỏng bằng DLV .............................19

2.2.2. Xác định vị trí và mức độ hư hỏng bằng giải thuật DE....................22

2.2.3. Định nghĩa hư hỏng và gây nhiễu.....................................................27

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ SỐ....................................................................................29

3.1. Khung 1 nhịp 1 tầng................................................................................30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG v HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

3.1.1. Sơ đồ khung 1 nhịp 1 tầng ...............................................................30

3.1.2. Kết quả nghiên cứu ...........................................................................31

3.2. Khung 3 nhịp 10 tầng..............................................................................36

3.2.1. Sơ đồ khung 3 nhịp 10 tầng ..............................................................36

3.2.2. Kết quả nghiên cứu ...........................................................................38

3.3. Khung 5 nhịp 2 tầng................................................................................43

3.3.1. Sơ đồ khung 5 nhịp 2 tầng ................................................................43

3.3.2. Kết quả nghiên cứu ...........................................................................44

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN, ĐÓNG GÓP VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........54

4.1. Kết luận ...................................................................................................54

4.2. Ý nghĩa và đóng góp của nghiên cứu......................................................54

4.3. Hướng phát triển của nghiên cứu............................................................55

MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ..................................................56

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................57

PHỤ LỤC ...........................................................................................................61

Phụ lục A: Những bài báo khoa học đã đăng ..................................................61

Phụ lục B: Một số đoạn code Matlab cho bài toán chẩn đoán hư hỏng khung64

Phụ lục C: Lý lịch trích ngang.........................................................................82

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG vi HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1. Một số hình ảnh minh họa kết cấu khung thực tế.................................. 1

Hình 2.1. Phần tử khung phẳng tuyến tính trong hệ tọa độ địa phương................ 9

Hình 2.2. Phần tử khung phẳng trong hệ tọa độ tổng thể .................................... 14

Hình 2.3. Lưu đồ giải thuật DLV. ....................................................................... 22

Hình 2.4. Lưu đồ giải thuật DE. .......................................................................... 24

Hình 2.5. Cơ chế đột biến của giải thuật DE khi sử dụng toán tử đột biến rand. 26

Hình 2.6. Cơ chế tạo véc-tơ thử nghiệm.............................................................. 27

Hình 3.1. Sơ đồ tính khung 1 nhịp 1 tầng............................................................ 30

Hình 3.2. Sơ đồ nút và phần tử khung 1 nhịp 1 tầng........................................... 30

Hình 3.3. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 1 nhịp 1 tầng .............................. 32

Hình 3.4. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 1 nhịp 1 tầng trong trường hợp dữ

liệu bị nhiễu ......................................................................................... 33

Hình 3.5. Sơ đồ tính khung 3 nhịp 10 tầng.......................................................... 36

Hình 3.6. Sơ đồ phần tử khung 3 nhịp 10 tầng.................................................... 37

Hình 3.7. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 3 nhịp 10 tầng ........................... 39

Hình 3.8. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 3 nhịp 10 tầng trong trường hợp

dữ liệu bị nhiễu .................................................................................... 40

Hình 3.9. Sơ đồ tính khung 5 nhịp 2 tầng............................................................ 43

Hình 3.10. Sơ đồ nút và phần tử khung 5 nhịp 2 tầng......................................... 44

Hình 3.11. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 5 nhịp 2 tầng ............................ 45

Hình 3.12. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 5 nhịp 2 tầng trong trường hợp

dữ liệu bị nhiễu .................................................................................... 46

Hình 3.13. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 5 nhịp 2 tầng có 3 vị trí hư hỏng

............................................................................................................. 49

Hình 3.14. Kết quả chẩn đoán DLV cho khung 5 nhịp 2 tầng trong trường hợp

dữ liệu bị nhiễu với 3 vị trí hư hỏng.................................................... 50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG vii HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3.1. Thông số tính toán cho các ví dụ số.................................................... 29

Bảng 3.2. Kết quả so sánh tần số của Matlab với SAP 2000 và Hao (2009)....... 31

Bảng 3.3. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng ...................... 34

Bảng 3.4. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng trong trường

hợp dữ liệu bị nhiễu............................................................................. 35

Bảng 3.5. Kết quả so sánh tần số khung 3 nhịp 10 tầng giữa Matlab và SAP 2000

............................................................................................................. 38

Bảng 3.6. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng ...................... 41

Bảng 3.7. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng trong trường

hợp dữ liệu bị nhiễu............................................................................. 42

Bảng 3.8. Kết quả so sánh tần số giữa Matlab và SAP 2000 ............................... 44

Bảng 3.9. Kết quả chẩn đoán DE cho khung 5 nhịp 2 tầng................................. 47

Bảng 3.10. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng trong trường

hợp dữ liệu bị nhiễu............................................................................. 48

Bảng 3.11. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng .................... 51

Bảng 3.12. Kết quả áp dụng giải thuật DE tìm phần trăm hư hỏng trong trường

hợp dữ liệu bị nhiễu............................................................................. 52

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: NGUYỄN THỜI TRUNG viii HV: ĐỖ QUÍ TOÀN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.

- DE: Differential evolution (tiến hóa khác biệt)

- DLV: Damage locating vector (véc-tơ định vị hư hỏng)

- E : Mô đun đàn hồi

- , F F D UD

: Ma trận độ mềm của kết cấu khi hư hại và khi chưa bị hư hại.

- HCM : Hồ Chí Minh

- K : Ma trận độ cứng toàn cục

-

e Kdamage

: Độ cứng của phần tử thứ e ở trạng thái bị hư hại

-

e Kundamage

: Độ cứng của phần tử thứ e ở trạng thái không bị hư hại

- L, le : Chiều dài thanh, chiều dài phần tử thanh

- M : Ma trận khối lượng toàn cục

- MDLAC: Chỉ tiêu đảm bảo nhiều vị trí hư hỏng

-

e m

: Ma trận khối lượng của phần tử e

- nce : Năng lượng tích lũy chuẩn hóa (Normalized cumulative

energy)

-

e N

: Hàm dạng tương ứng với phần tử thứ e

- NXB : Nhà xuất bản

- PGS.TS: Phó giáo sư tiến sĩ

- PSO: Tối ưu hóa bầy đàn (Particle swarm optimization)

- STT: Số thứ tự

- SVD: Phân rã giá trị đơn

- ThS: Thạc sĩ

- TP: Thành phố.