Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Chuẩn đoán hiện tượng lỏng bu lông trong kết cấu thép sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ điện
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢ G ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
--------------
NGUYỄ VĨ H THẮNG
CHẨ ĐOÁ HIỆ TƢỢNG LỎNG BU LÔNG
TRONG KẾT CẤU THÉP SỬ DỤNG KỸ THUẬT
TRỞ KHÁ G CƠ - ĐIỆN
UẬ V THẠC SĨ X Y DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN
DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
TP. Hồ Chí Minh, ăm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢ G ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
--------------
NGUYỄ VĨ H THẮNG
CHẨ ĐOÁ HIỆ TƢỢNG LỎNG BU LÔNG
TRONG KẾT CẤU THÉP SỬ DỤNG KỸ THUẬT
TRỞ KHÁ G CƠ - ĐIỆN
Chuyên ngành : Xây dựng Công trình dân dụng và công nghiệp
Mã chuyên ngành : 60 58 02 08
gƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS Hồ Đức Duy
TP. Hồ Chí Minh, ăm 2018
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng luận văn với đề tài “Chẩn đoán hiện tƣợng lỏng bu lông
trong kết cấu thép sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ – điện” là bài nghiên cứu của
chính tôi.
Không có sản phẩm và nghiên cứu nào của ngƣời khác đƣợc sử dụng trong
luận văn này mà không đƣợc trích dẫn theo đúng quy định.
Luận văn này chƣa bao giờ đƣợc nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các
trƣờng đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.
Tp. HCM, ngày 07 tháng 09 năm 2018
NGUYỄ VĨ H THẮNG
ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc và trân trọng nhất
đến Thầy hƣớng dẫn, PGS.TS. Hồ Đức Duy, ngƣời đã giúp đỡ tôi hình thành ý
tƣởng đề tài, cùng tôi tìm hiểu cũng nhƣ giúp đỡ tôi giải quyết những khó khăn
trong quá trình thực hiện đề tài, dẫn dắt tôi từng bƣớc nhỏ từ bƣớc đầu làm quen
với công việc nghiên cứu khoa học cho đến giai đoạn hoàn tất một luận văn thạc
sĩ.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trƣờng Đại học Mở Thành
Phố Hồ Chí Minh, phòng Đào tạo Sau Đại Học và các Thầy Cô quản lý chƣơng
trình đào tạo, các Thầy Cô trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt những kiến
thức, những phƣơng pháp bổ trợ giúp tôi có tiền đề để hoàn thành đƣợc Luận văn
này.
Tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến các nhà nghiên cứu khoa học, các tác giả
đã có rất nhiều cống hiến trong công tác nghiên cứu và đƣa ra các bài báo khoa
học, các tài liệu tham khảo có giá trị rất cao, đó chính là sự hỗ trợ rất nhiều về mặt
kiến thức nền tảng để tôi có thể hoàn thành Luận văn này.
Mặc dù trong quá trình thực hiện Luận văn, bản thân tôi đã luôn luôn nỗ
lực, nhƣng với lƣợng kiến thức quá lớn nên tất nhiên không thể tránh những thiếu
sót nhất định. Kính mong quí Thầy Cô hƣớng dẫn, chỉ bảo thêm, để tôi có thể
hoàn thiện Luận văn của mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn quí Thầy Cô.
iii
TÓM TẮT
Trong quá trình khai thác sử dụng, kết cấu xây dựng khi chịu các tác động
khách quan từ bên ngoài sẽ xuất hiện các hƣ hỏng mà có thể không lƣờng trƣớc
hậu quả. Nội dung nghiên cứu trong Luận văn nhằm mục đích đề xuất một phƣơng
pháp theo dõi và chẩn đoán hƣ hỏng cho kết cấu mà không làm ảnh hƣởng đến sự
giá trị sử dụng của kết cấu, đó là phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ –
điện. Đây đƣợc xem là một trong những phƣơng pháp hứa hẹn sẽ đem lại kết quả
có giá trị ứng dụng cao trong mảng nghiên cứu về Theo Dõi và Chẩn Đoán Sức
Khỏe Công Trình (SHM: Structural Health Monitoring)
Việc phân tích đƣợc thực hiện theo các bƣớc:
- Đầu tiên là tìm hiểu cách mô phỏng lại các bài toán đã thực hiện trong các
báo cáo khoa học hoặc trong thực nghiệm bằng công cụ hỗ trợ (phần mềm
ANSYS), cụ thể là khảo sát tín hiệu trở kháng cho bài toán về dầm nhôm ứng với
các điều kiện làm việc không hƣ hỏng và có hƣ hỏng (nảy sinh vết nứt ở nhiều cấp
độ), kết quả thu đƣợc sẽ đem so sánh với các kết quả đã công bố. Mức độ tƣơng
đồng từ phép so sánh này sẽ giúp đánh giá đƣợc độ tin cậy của công cụ hỗ trợ
trong phƣơng pháp.
- Bài toán thực tế cụ thể tiếp theo sẽ đƣợc trình bày dựa trên một bản thiết kế
công trình cụ thể cho hƣ hỏng của chân cột nhà thép tiền chế có liên kết bằng bu
lông, khảo sát từng trƣờng hợp bu lông bị lỏng và đƣa ra các nhận xét, đánh giá.
Từ đó, tính hiệu quả của phƣơng pháp chẩn đoán hiện tƣợng bu lông bị hỏng bằng
phƣơng pháp trở kháng cơ – điện đƣợc xác minh.
Từ khóa: trở kháng cơ – điện; cảm biến PZT; chẩn đoán hƣ hỏng; lỏng bu
lông neo chân cột thép.
MỤC LỤC
CHƢƠ G 1: MỞ ĐẦU ....................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề -------------------------------------------------------------------------- 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu -------------------------------------------------------------- 6
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu----------------------------------------------- 6
1.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu.............................................................................. 6
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu................................................................................. 6
1.4. Cấu trúc của Luận văn ------------------------------------------------------------ 7
CHƢƠ G 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU...................................................... 8
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ----------------------------------------------- 8
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ------------------------------------------------12
2.3. Tổng kết-----------------------------------------------------------------------------13
CHƢƠ G 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 14
3.1. Tổng quan về phƣơng pháp trở kháng ------------------------------------------14
3.1.1. Sơ lƣợc về SHM ..................................................................................... 14
3.1.2. Kỹ thuật theo dõi và chẩn đoán hƣ hỏng bằng phƣơng pháp trở kháng 14
3.1.3. Khái niệm về vật liệu áp điện................................................................. 15
3.2. Nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp trở kháng ------18
3.2.1. Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp trở kháng ................................. 18
3.2.2. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp trở kháng .......................................... 19
3.2.3. Tham số trong phƣơng pháp trở kháng .................................................. 24
3.2.4. Phƣơng pháp đánh giá hƣ hỏng bằng chỉ số đánh giá hƣ hỏng RMSD
(Root Mean Square Deviation)......................................................................... 26
3.3. Phƣơng pháp mô phỏng bằng công cụ ANSYS -------------------------------27
3.3.1. Tổng quan về phần mềm ANSYS .......................................................... 27
3.3.2. Giới thiệu về phần tử khối 8 nút Solid65 mô hình kết cấu chủ.............. 28
3.3.3. Giới thiệu về phần tử khối 8 nút Solid5 mô hình PZT........................... 30
CHƢƠ G 4. CÁC BÀI TOÁN KHẢO SÁT.................................................... 32
4.1. Bài toán 1: Mô phỏng dầm nhôm đơn giản không hƣ hỏng------------------33
4.1.1. Thông số bài toán mô phỏng .................................................................. 33
4.1.2. Kết quả thu đƣợc .................................................................................... 34
4.2. Bài toán 2: Mô phỏng dầm nhôm đơn giản có xuất hiện hƣ hỏng ----------35
4.2.1. Thông số bài toán mô phỏng .................................................................. 35
4.2.2. Kết quả thu đƣợc .................................................................................... 36
4.2.3. Tính toán chỉ số RMSD cho bài toán ..................................................... 38
4.3. Bài toán 3: Chẩn đoán hƣ hỏng cho liên kết bu lông nối chân cột thép liên kết
vào móng bê tông -----------------------------------------------------------------------39
4.3.1. Thông số bài toán mô phỏng .................................................................. 40
4.3.2. Biện luận, chọn vùng tần số khảo sát bài toán và xử lý số liệu: ............ 43
4.3.3. Kết luận: ................................................................................................. 58
4.4. Bài toán 4: Bài toán mở rộng từ bài toán số 3 ---------------------------------59
4.4.1. Thông số bài toán mô phỏng .................................................................. 59
4.4.2. Biện luận, chọn vùng tần số khảo sát bài toán và xử lý số liệu: ............ 60
4.4.3. Kết luận .................................................................................................. 73
CHƢƠ G 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................... 75
5.1. Kết luận ----------------------------------------------------------------------------75
5.2. Kiến nghị --------------------------------------------------------------------------76
PHỤ LỤC........................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 97
Ý ỊCH TRÍCH GA G.............................................................................. 100
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hƣ hỏng trong mối nối kết cấu thép ......................................................... 1
Hình 1.2 Sự sụp đổ của cầu Mississippi (Mỹ 2007)................................................ 1
Hình 1.3 Sự sụp đổ của mái che SVĐ De Grolsch Veste (Enschede, Hà an 2011)
.................................................................................................................................. 2
Hình 1.4 Sự sụp đổ của cầu Mahakam II (Indonesia 2011)..................................... 2
Hình 1.5 Sự sụp đổ tháp truyền hình cao 180m ở am Định (Việt Nam 2012) ..... 3
Hình 1.6 Hƣ hỏng cầu treo dài 60m ở Lai Châu (Việt Nam 2014).......................... 3
Hình 1.7 Sự sụp đổ của tháp truyền hình cao 600m (Mỹ 2018).............................. 4
Hình 3.1 Một số hình ảnh PZT............................................................................... 15
Hình 3.2 Tƣơng tác giữa điện và biến dạng........................................................... 17
Hình 3.3 Hoạt động phƣơng pháp trở kháng.......................................................... 19
Hình 3.4 Mô hình 1-D tƣơng tác cơ - điện giữa PZT và kết cấu chủ. ................... 19
Hình 3.5 Mô hình phần tử solid65 dạng 8 nút ....................................................... 28
Hình 3.6 Mô hình phần tử solid5 dạng 8 nút ......................................................... 30
Hình 4.1 Mẫu dầm nhôm thí nghiệm (Jiang & Liu, 2009) .................................... 33
Hình 4.2 Mẫu dầm nhôm mô phỏng bằng phần mềm ANSYS ............................. 33
Hình 4.3 Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ mô phỏng ANSYS so sánh với
kết quả của Jiang & Liu, 2009. .............................................................................. 35
Hình 4.4 Mô phỏng vết nứt trong dầm nhôm......................................................... 36
Hình 4.5 Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ mô phỏng A SYS cho trƣờng
hợp xuất hiện hƣ hỏng trong dầm .......................................................................... 36
Hình 4.6 Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ bài báo trƣờng hợp có xuất hiện
hƣ hỏng trong dầm ................................................................................................. 37
Hình 4.7 Chỉ số RMSD cho các trƣờng hợp hƣ hỏng trong dầm nhôm ................ 38
Hình 4.8 Dựng hình và chi tiết cấu tạo bài toán số 3 – Chẩn đoán hƣ hỏng liên kết
chân cột thép. ......................................................................................................... 39
Hình 4.9 Mô phỏng liên kết bu lông chân cột thép vào móng bê tông.................. 43
Hình 4.10 Bố trí PZT trên mặt bản thép chân cột (bài toán số 3).......................... 43
Hình 4.11 Thể hiện áp lực lên vòng đệm và điện áp trên PZT .............................. 44
Hình 4.12 Tín hiệu trở kháng của các PZT ở dãy tần số 10kHz đến 100kHz ....... 46
Hình 4.13 Tín hiệu trở kháng của các PZT ở dãy tần số 32kHz đến 35kHz ......... 47
Hình 4.14 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 1 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 48
Hình 4.15 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 2 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 48
Hình 4.16 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 3 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 49
Hình 4.17 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 4 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 49
Hình 4.18 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 1 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 50
Hình 4.19 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 2 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 50
Hình 4.20 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 3 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 51
Hình 4.21 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 4 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 51
Hình 4.22 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 1 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 52
Hình 4.23 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 2 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 52
Hình 4.24 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 3 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 53
Hình 4.25 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 32kHz đến 35kHz - Bu lông 4 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 53
Hình 4.26 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 1 trong các trƣờng hợp ... 54
Hình 4.27 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 1............ 54
Hình 4.28 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 2 trong các trƣờng hợp ... 55
Hình 4.29 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 2............ 55
Hình 4.30 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 3 trong các trƣờng hợp ... 56
Hình 4.31 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 3............ 56
Hình 4.32 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 4 trong các trƣờng hợp ... 57
Hình 4.33 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 4............ 57
Hình 4.34 Bố trí PZT trên mặt bản Thép (bài toán số 4)....................................... 59
Hình 4.35 Thể hiện áp lực lên vòng đệm và điện áp trên PZT (bài toán số 4)...... 60
Hình 4.36 Tín hiệu trở kháng của các PZT ở dãy tần số 10kHz đến 100kHz ....... 61
Hình 4.37 Tín hiệu trở kháng của các PZT ở dãy tần số 36kHz đến 39kHz ......... 62
Hình 4.38 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 1 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 63
Hình 4.39 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 2 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 63
Hình 4.40 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 3 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 64
Hình 4.41 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 4 hƣ
hỏng 10%................................................................................................................ 64
Hình 4.42 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 1 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 65
Hình 4.43 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 2 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 65
Hình 4.44 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 3 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 66
Hình 4.45 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 4 hƣ
hỏng 25%................................................................................................................ 66
Hình 4.46 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 1 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 67
Hình 4.47 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 2 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 67
Hình 4.48 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 3 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 68
Hình 4.49 Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 36kHz đến 39kHz - Bu lông 4 hƣ
hỏng 50%................................................................................................................ 68
Hình 4.50 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 1 trong các trƣờng hợp ... 69
Hình 4.51 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 1............ 69
Hình 4.52 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 2 trong các trƣờng hợp ... 70
Hình 4.53 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 2............ 70
Hình 4.54 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 3 trong các trƣờng hợp ... 71
Hình 4.55 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 3............ 71
Hình 4.56 Tổng hợp tín hiệu trở kháng cho bu lông số 4 trong các trƣờng hợp ... 72
Hình 4.57 Chỉ số RMSD trong các trƣờng hợp hƣ hỏng của bu lông số 4............ 72