Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết đề xuất giải pháp áp dụng phương pháp không phá hoại dựa trên sóng âm thanh (acoustic emission) để đánh giá trạng thái kết cấu công trình cầu nhằm kéo dài thời gian khai thác công trình cầu, tiết kiệm kinh phí đồng thời cho phép vận hành công trình một cách hiệu quả, không ảnh hưởng đến giao thông chung của cả tuyến.
Đề xuất giải pháp kiểm định quan trắc kết cấu bê tơng cốt thép sử dụng phương pháp sóng âm Propose procedure inspections of reinfoced structures using the acoustic emission method Lương Minh Chính Tóm tắt Bài báo đề xuất giải pháp áp dụng phương pháp không phá hoại dựa sóng âm (acoustic emission) để đánh giá trạng thái kết cấu cơng trình cầu nhằm kéo dài thời gian khai thác cơng trình cầu, tiết kiệm kinh phí đồng thời cho phép vận hành cơng trình cách hiệu quả, không ảnh hưởng đến giao thông chung tuyến Trong tác giả giới thiệu giải pháp kiểm định quan trắc cơng trình cầu bê tông cốt thép phương pháp IADP (Identification of Active Damage Processes - Xác định trình phá hoại chủ động) dựa phân tích tín hiệu sóng âm (Acoustic Emission – AE) tạo q trình phá hoại tác động tải trọng khai thác Ngoài tác giả đề xuất bước triển khai kiểm định quan trắc cầu bê tông cốt thép (cầu yếu) phục vụ công tác quản lý khai thác hiệu sở hạ tầng giao thơng Việt Nam Từ khóa: kiểm định cơng trình, quan trắc, cầu bê tơng cốt thép, sóng âm thanh, xác định hư hỏng, nứt Abstract The paper presents the method for diagnosis and monitoring of concrete structures IADP (Identification of Active Damage Processes) based on the analysis of acoustic emission signals (AE) generated during the service load The procedure for the diagnosis and monitoring of reinforced concrete structures is proposed, which can be the part of standard diagnosis procedure on the construction diagnosis in Vietnam Keywords: diagnostis and monitoring, concrete bridge, damage process, acoustic emission TS Lương Minh Chính Khoa Cơng trình Trường Đại học Thủy Lợi Email: chinhlm@tlu.edu.vn Mở đầu Trong lĩnh vực xây dựng sở hạ tầng giao thông, đặc biệt cơng trình cầu kết cấu bê tông cốt thép loại kết cấu phổ biến, áp dụng rộng rãi từ hàng chục năm Cũng mà nhiều cơng trình có tuổi xuống cấp Để đảm bảo bảo an tồn khai thác cơng trình nêu trên, hàng loạt công tác kiểm định, sửa chữa gia cố cần triển khai thực Dưới tác động liên tục thay đổi điều kiện khai thác, điều kiện khí hậu thời tiết suốt q trình khai thác cơng trình, cơng trình cầu bê tơng cốt thép ngày xuống cấp, việc triển khai công tác kiểm định quan trắc theo chu kỳ cơng trình cầu yếu q trình khai thác cần thiết Một hợp phần quan trọng quan trắc theo chu kỳ công tác kiểm tra định kỹ sư có kinh nghiệm [1] Các cơng tác kiểm tra cần hỗ trợ phương pháp kiểm định không phá hủy, cho phép đánh giá trạng thái làm việc kết cấu cơng trình, đặc biệt vị trí khó tiếp cận mắt thường Việc xác định sớm xác hư hỏng xảy bên kết cấu trình khai thác cho phép đưa định hợp lý khai thác, sửa chữa bảo trì cơng trình, cho phép khai thác cơng trình liên tục khơng bị gián đoạn Đối với cơng trình cầu việc quan trọng phát triển hệ thống sở hạ tầng giao thơng phụ thuộc nhiều vào chúng Việc phải đóng cầu suy giảm trạng thái cơng trình dẫn đến nhiều thiệt hại kinh tế Vì việc phát triển áp dụng giải pháp kiểm định, quan trắc bảo trì cơng trình cầu yếu cần thiết Hệ thống quan trắc loại cần phải tập trung vào hai yếu tố [2]: • Các thay đổi tải trọng trình khai thác • Sự tích lũy hư hỏng bên kết cấu Việc quan trắc kiểm định hợp lý cơng trình cầu hỗ trợ quan chức quản lý khai thác cơng trình hợp lý hơn, kéo dài tuổi thọ cơng trình, tối ưu hóa cơng tác tu bảo dưỡng sửa chữa, sử dụng nguồn vốn bảo trì cách hợp lý Theo số liệu quản lý thống kê Tổng cục Đường đến thời điểm năm 2014 tuyến quốc lộ nước tồn 343 vị trí cầu yếu tổng số 4239 vị trí cầu Hầu hết cầu xây dựng trước năm 1975, kết cấu phần phần bị xuống cấp, rung lắc mạnh độ võng lớn; số cầu không đáp ứng nhu cầu thoát lũ, khổ cầu hẹp Một số cầu đầu tư sau năm 1975 nhiên có tải trọng thiết kế thấp bắt đầu có dấu hiệu xuống cấp khơng đảm bảo lũ diễn biến bất thường khí hậu Các vị trí cầu có tải trọng khai thác khơng đồng với tuyến [3] Từ yếu tố việc phát triển phương pháp kiểm định quan trắc với kết cấu bê tơng cốt thép có nhiều ý nghĩa thiết thực để nâng cao chất lượng quản lý khai thác sở hạ tầng giao thông, mà: • Tải trọng khai thác cầu phần lớn vượt tải trọng thiết kế lũy • Nhiều cơng trình cầu có tuổi thọ cao, có nhiều hư hỏng xuất tích Các quy trình kiểm tra kiểm định có tính chủ quan, phương pháp kiểm định mang tính chất cục khơng bao qt tổng thể cơng trình Điều cần thiết thiết lập phương pháp kiểm định, quan trắc mang tính khách quan, dựa phân tích tượng hư hỏng xảy kết cấu, bao qt tồn cơng trình Giải pháp phải phương pháp không phá hủy, ảnh hưởng đến kết cấu khai thác cơng trình cho phép: S¬ 27 - 2017 103 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh Cỏch to tớn hiệu sóng âm hư hỏng cách thu tín hiệu • Phát xác định xác vị trí phát triển hư hỏng • Quan trắc trình phát triển hư hỏng theo thời gian • Phản ánh trình hư hỏng ảnh hưởng yếu tố tác động khác • Quan trắc điều kiện trường phức tạp, khơng ảnh hưởng đến khai thác • Đánh giá ảnh hưởng tổ hợp tải trọng khai thác yếu tố mơi trường lên hư hỏng • Loại bỏ hay hạn chế tối đa yếu tố chủ quan trình đánh giá trạng thái kết cấu cơng trình đưa định Hình Sóng âm hình thành hư hỏng kết cấu • Cung cấp sở liệu để dự báo tuổi thọ phần cơng trình cầu Những u cầu đạt nhờ ứng dụng phương pháp quan trắc sóng âm (AE), cách phân tích so sánh tín hiệu sóng âm thu thập q trình nghiên cứu kiểm định cơng trình với sở liệu mẫu xây dựng suốt trình phát triển phương pháp này, cho phép phát xác định xác vị trí phân loại yếu tố dẫn đến hư hỏng kết cấu Phương pháp áp dụng cho kết cấu bê tông cốt thép (IADP – Identification Active Destructive Process [4] kết cấu dự ứng lực (RPD – [5]), chí kết cấu thép [6], cho phép quan trắc cục tổng thể kết cấu hay cơng trình nhằm phát phát triển hư hỏng bên kết cấu tác động tổ hợp tải trọng khai thác thực tế Phương pháp IADP sóng âm AE kiểm định quan trắc Sóng âm (Acoustic Emission – AE) loại sóng đàn hồi dần, hình thành tượng giải phóng đột ngột lượng dồn ứ vật liệu quy tụ phát triển hư hỏng siêu nhỏ vật liệu Còn việc dần sóng tượng hấp thụ - chuyển đổi từ công sang nhiệt vật liệu Vì việc xuất tín hiệu sóng âm AE dấu hiệu xuống cấp vật liệu so với lúc trước xuất tín hiệu Hiện tượng sóng âm AE thể hư hỏng vật liệu đồng thời thể xuống cấp kết cấu làm từ vật liệu (hình 2) Việc giải lượng đột ngột tín hiệu sóng âm (AE) thu nhận cảm biến âm lắp kết cấu (hình 1), sau phân tích phần mềm chun dụng Thơng thường cảm biến áp điện (piezoelectric) hoạt động biên độ 0.1 – 2.0 MHz Trong phương pháp sóng âm phân tích sở 12 tính chất: số lượng đỉnh sóng, số lượng đỉnh sóng đạt tần số cao nhất, thời gian tín hiệu, thời gian 104 Hình Biểu đồ sóng âm AE Hình Miền đo đạc cảm biến âm AE T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Hỡnh Các vùng quan trắc bao phủ toàn chiều dài dầm tăng âm tín hiệu sóng, tần số sóng (amplitude) – thể mV dB, nượng sóng, cơng suất sóng, điện áp trung bình có hiệu sóng, lượng tuyệt đối sóng, tần số trung bình sóng, tần số tiếng vang tần số ban đầu (hình 3) [7] Cơ sở phương pháp IADP phân tích tín hiệu sóng âm tạo hư hỏng (nứt) kết cấu tác động tổ hợp tải trọng khai thác (trong thời gian thực) Các tín hiệu sóng âm thu thập từ kết cấu so sánh với sở liệu mẫu tạo từ trước loại hư hỏng Bằng cách hư hỏng phát sau xác định xác vị trí từ việc phân tích độ chênh lệch thời gian đến cảm biến AE tín hiệu sóng âm Phát xác định hư hại kết cấu cho phép đánh giá trạng làm việc kết cấu cơng trình, phương pháp chương trình nghiên cứu châu Âu COST 521, COST 534 (COST – European Cooperation In Science & Technology) công nhận phương pháp hiệu không phá hủy việc quan trắc kiểm định cơng trình Ưu điểm phương pháp (IADP) cho phép ta lắp đặt cảm biến cho vùng đo đạc bao phủ toàn cơng trình tiến hành đo đạc, quan trắc thời gian thực tác động tổ hợp tải trọng khai thác [9] Hình Xác định nguồn âm AE mặt phẳng Việc phát hiện tượng trình dẫn đến hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép xác định mức độ hư hỏng cần phải phân tích so sánh với sở liệu mẫu [4] Cơ sở liệu mẫu thiết lập suốt trình nghiên cứu thí nghiệm phận kết cấu, đồng thời hiệu chỉnh yếu tố xuất loại hư hỏng nhóm hư hỏng với tính chất sóng âm thu nhận qua cảm biến Nếu dầm bê tông xuất vết nứt đủ lớn để phá hủy dầm quan sát q trình xuất phát triển vết nứt, quan sát tượng tạo sóng âm khác như: bám dính bê tơng cốt thép, chuyển dịch cốt thép hay chảy dẻo cốt thép, chí phá hủy bê tơng vùng chịu nén cuối đứt cốt thép Cơ sở liệu mẫu thiết lập nhiều thí nghiệm mẫu dầm bê tơng cốt thép khác nhau, mẫu bê tông khác với tải trọng tổ hợp tải trọng khác nhau, ví dụ tải trọng lặp lặp lại mô tác động hoạt tải xe chạy Cơ sở liệu mẫu áp dụng thử nghiệm cơng trình thực tế [2] Cơ sở liệu mẫu phân loại sở 12 tính chất đặc trưng sóng âm thanh, kết cấu bê tông cốt thép phân loại sau: • Nhóm – xuất nứt bê tơng Hình Quy trình triển khai đo đạc quan trắc phương pháp sóng âm • Nhóm – Xuất nứt ranh giới bê tông hạt cốt liệu • Nhóm – Xuất vết nứt siêu nhỏ • Nhóm – vết nứt phát triển • Nhóm – kết dính quanh khu vực xuất nứt • Nhóm – Dịch chuyển cốt thép chịu nén/phá hoại phần bê tông chịu nén/đứt cốt thép S¬ 27 - 2017 105 KHOA H“C & CôNG NGHê Xỏc nh cỏc quỏ trỡnh h hng Sóng âm AE giải phóng q trình xuất hư hỏng thu nhận cảm biến lắp kết cấu, miền đo đạc cảm biến xác định vỏ hình cầu có đường kính “a” (hình 4), đường kính “a” phụ thuộc vào độ nhậy cảm biến, cường độ âm phát Có thể giả thuyết rằng, đường kính “a” ứng với chiều dài suy giảm tín hiệu âm (ví dụ 10 dB) xác định thí nghiệm [7] Có nhiều biện pháp để xác định vị trí phát tín hiệu AE, sử dụng hai biện pháp đơn giản (chủ yếu áp dụng cho kết cấu dầm) để xác định vị trí hư hỏng: theo phân vùng quan trắc, theo mặt phẳng 3.1 Xác định theo vùng quan trắc Hình trình bày sơ đồ lắp đặt cảm biến âm AE bên dầm bê tông cốt thép, tín hiệu từ điểm miền đo đạc cảm biến số đến cảm biến số nhanh so với cảm biến số số (trong thực tế, cảm biến số thu nhận tín hiệu đo đạc thiết bị tự động ngắt cảm biến 1, 2, 5) ta dễ dàng xác nhận vị trí hư hỏng nằm miền đo đạc cảm biến Kích thước miền đo đạc phụ thuộc vào khoảng cách cảm biến “d” đường kính “a” [8] 3.2 Xác định theo mặt phẳng Hình Xác định nguồn âm AE mặt phẳng Các nghiên cứu [6] triển khai 26 dầm đơn giản 14 dầm liên tục hệ siêu tĩnh rằng, tín hiệu tạo tượng: phá hủy bê tông nén, dịch chuyển cốt thép đứt cốt thép xuất trước kết cấu bị phá hủy gần lúc, phân loại thuộc Nhóm tổng hợp hư hỏng nêu Trên sở nghiên cứu thực nghiệm trình phát triển vết nứt kết cấu bê tông cốt thép tác động tải trọng lặp lặp lại, người ta [6] đề xuất nhóm phân loại tương ứng nhằm đánh giá trạng thái kết cấu cơng trình dựa phân loại q trình phát triển hư hỏng • Nhóm – kết cấu làm việc bình thường, ổn định • Nhóm – Cần cảnh báo • Nhóm - Ảnh hưởng đến tuổi thọ cơng trình • Nhóm - Ảnh hưởng đến khả chịu tải cơng trình • Nhóm – Mất ổn định, an tồn 106 Vị trí nguồn tín hiệu âm AE nằm mặt phẳng vng góc với đường thẳng 2-3 nối cảm biến với khoảng cách “a” (hình 6) xác định sở chênh lệch thời gian ∆t thu nhận tín hiệu cảm biến Khi ta biết vị trí khoảng cách xác cảm biến 3, tốc độ sóng âm V chênh lệch thời gian ∆t ta xác định xác vị trí nguồn âm AE [8] Đề xuất quy trình đo đạc kiểm định quan trắc Để áp dụng cách có hiệu phương pháp IADP vào kiểm định quan trắc thực tế cần có quy trình cho phép đo đạc đánh giá cách khách quan hư hỏng diễn kết cấu, đặc biệt tác động tải trọng khai thác Sơ đồ quy trình đo đạc cho kết cấu bê tơng cốt thép đề xuất hình Sau q trình phân tích kết đo đạc kết cấu bê tông cốt thép cho thấy cần thiết phải lắp đặt cảm biến âm AE cho dầm liên tục vị trí chịu uốn – áp dụng phương pháp xác định theo mặt phẳng, trái lại vị trí gối – áp dụng phương pháp xác định theo vùng quan trắc, để phân tích vùng chịu ảnh hưởng moment âm xem xét ảnh hưởng vùng chịu cắt T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Trên sở áp dụng biện pháp đo đạc quan trắc phân tích trạng thái kết cấu cơng trình phương pháp IADP kết hợp với quy trình kiểm tra, kiểm định Việt Nam, đề xuất vài thay đổi để song song triển khai cơng tác kiểm định phương pháp truyền thống Đồng thời tích hợp công tác kiểm định quan trắc IADP (hình 8) Kết luận Đo đạc quan trắc phương pháp IADP sử dụng sóng âm AE kết cấu bê tông cốt thép cho phép nhận dạng xác định trình hư hỏng xuất bên kết cấu tác động tổ hợp tải trọng khai thác Đồng thời phương pháp áp Tài liệu tham khảo Lương Minh Chính, 2014 “Long term structural health monitoring system for cable stayed bridge in Vietnam” - Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi Mơi trường, số 43 năm 2014 Lương Minh Chính, Goszczyńska B., Świt G 2015 „Application of the acoustic emission method of identification and location of destructive processes to the monitoring of the technical state of pre-stressed concrete bridges” Hội nghị khoa học Công nghệ Giao thông vận tải lần thứ III, năm 2015 Báo cáo, 2012 Báo cáo Thủ tướng Chính phủ chủ trương đầu tư cầu yếu hệ thống quốc lộ Bộ GTVT Tháng năm 2012 Hoła J., Schabowicz K., 2010 “State-of-the-art non-destructive methods for diagnostics testing of building structures – anticipated development trends”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 10 (3), s 5–18, 2010 Goszczyńska B., 2014 “Analysis of the process of crack initiation and evolution in concrete with acoustic emission dụng phương pháp không phá hủy công tác kiểm định đánh giá trạng thái cơng trình cầu, đặc biệt cầu yếu nêu mà không cần phải hạn chế lưu thơng cầu, khơng ảnh hưởng đến q trình khai thác cơng trình Những tiêu chí số dẫn đến hư hỏng cơng trình xác định qua cơng tác đo đạc, nghiên cứu phân tích IADP cho phép hỗ trợ quan chức việc quản lý khai thác cơng trình cầu hạ tầng giao thông cách hiệu Sơ đồ quy trình đo đạc nghiên cứu IADP dành cho cơng trình cầu nêu áp dụng công tác kiểm định chất lượng cơng trình cầu, phù hợp với điều kiện tiêu chuẩn Việt Nam./ testing”, Archives of Civil and Mechanical Engineering 14, 2, s 134–143, 2014 Świt G., 2011 “Analiza procesów destrukcyjnych w obiektach mostowych z belek strunobetonowych z wykorzystaniem zjawiska emisji akustycznej”, Monografia, Politechnika Świętokrzyska, Kielce, 2011 Goszczyńska B., Świt G., Trąmpczyński W., 2013 „Monitoring of Active Destructive Processes as a Diagnostic Tool for the Structure Technical State Evaluation”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, ISSN 0239–7528, 61 (1), s 97–108, 2013 Gołaski L., Goszczyńska B., Świt G., Trąmpczyński W., 2012 „System for the global monitoring and evaluation of damage processes developing within concrete structures under service loads”, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering (4) s 273–245, 2012 Świt G “Metoda emisji akustycznej w analizie uszkodzeń konstrukcji betonowych wstępnie sprężonych” Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach Kielce 2008 Đánh giá an toàn kết cấu (tiếp theo trang 99) µB = max[min(0,3; 1); min(0,6; 0); min(0,1; 0)] = max(0; 0,4; 0,1) = 0,3 µC = max[min(0,3; 0); min(0,6;0,33); min(0,1;0,44)] = max(0; 0,33; 0,1) =0,33 µD = max[min(0,3; 0); min(0,6; 0,67); min(0,1; 0,55)] = max(0; 0,6; 0,1) = 0,6 Đánh giá mức độ nguy hiểm toàn nhà cơng thức: max[µA, µB, µC, µD] = max(0,3; 0,3; 0,33; 0,06) = 0,6 = µD Kết tính tốn cho thấy tình trạng kỹ thuật cơng trình thuộc Cấp D: khả chịu lực kết cấu không đáp ứng điều kiện sử dụng, nhà xuất tình trạng nguy hiểm tổng thể, cần tiến hành khoanh vùng nguy hiểm, có biện pháp chống đỡ kịp thời phục vụ công tác sửa chữa, gia cường phá dỡ cần thiết Kết luận Hiện nay, đối tượng thuộc phạm vi điều chỉnh Chỉ thị 05/CT-TTg lớn, nhiên, thời gian thực khảo sát, đánh giá hạn hẹp, lực lượng chuyên gia am hiểu lĩnh vực mỏng Do vậy, việc ban hành Quy trình đánh giá an tồn kết cấu nhà cơng trình cơng cộng cần thiết, giúp cho tổ chức chuyên môn giao nhiệm vụ có sở thực cách thống nhanh chóng Nội dung báo đưa kết áp dụng Quy trình cơng trình cụ thể, cơng trình nhà lắp ghép lớn Đối với cơng trình nhà lắp ghép lớn, hư hỏng điển hình tập trung mối nối nghiêng lún Việc khảo sát, đánh giá cơng trình nhà lắp ghép lớn cần tiến hành kỹ để ghi nhận cấu kiện nguy hiểm số cấu kiện khảo sát Đối với cơng trình xuất nguy hiểm tổng thể (tình trạng kỹ thuật cấp D), cần tiến hành khoanh vùng nguy hiểm, có biện pháp chống đỡ kịp thời phục vụ công tác sửa chữa, gia cường (hoặc phá dỡ cần thiết), đồng thời tiến hành tiến hành quan trắc theo dõi nghiêng, lún cơng trình nhằm có biện pháp xử lý kịp thời./ Tài liệu tham khảo Chỉ thị 05/CT-TTg ngày 15/2/2016 Thủ tướng Chính phủ việc Kiểm tra, rà sốt, đánh giá an tồn chịu lực nhà cơng trình công cộng cũ, nguy hiểm đô thị Quyết định số 488/QĐ-BXD ngày 25/5/2016 Bộ Xây dựng việc ban hành Quy trình đánh giá an tồn kết cấu nhà cơng trình cơng cộng TCVN 9381: 2012 Hướng dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm kết cấu nhà TCVN 2737: 1995 Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế S¬ 27 - 2017 107 ... trưng sóng âm thanh, kết cấu bê tông cốt thép phân loại sau: • Nhóm – xuất nứt bê tơng Hình Quy trình triển khai đo đạc quan trắc phương pháp sóng âm • Nhóm – Xuất nứt ranh giới bê tông hạt cốt. .. đạc quan trắc phương pháp IADP sử dụng sóng âm AE kết cấu bê tông cốt thép cho phép nhận dạng xác định trình hư hỏng xuất bên kết cấu tác động tổ hợp tải trọng khai thác Đồng thời phương pháp. .. tốc độ sóng âm V chênh lệch thời gian ∆t ta xác định xác vị trí nguồn âm AE [8] Đề xuất quy trình đo đạc kiểm định quan trắc Để áp dụng cách có hiệu phương pháp IADP vào kiểm định quan trắc thực