Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Giám sát công trình xây dựng an toàn cho tương lai

Giám sát công trình xây dựng an toàn cho tương lai

Hình 1. Một chiếc cầu bị sập

Khánh Linh (sưu tầm)

GIỚI THIỆU
Cùng với tốc độ xây dựng các công trình cầu đường, nhà xưởng… hiện nay thì ở Việt Nam cũng đã xảy ra không ít những tai nạn sập cầu hay sụp nhà. Từ đó có thể thấy việc giám sát các công trình xây dựng là quy trình vô cùng cần thiết. Những thành tựu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu khi được kết hợp với các kiến thức về cơ học đã cho phép xây dựng các hệ thống giám sát công trình đáng tin cậy.

Một trong những nguyên tắc truyền thống của các hệ thống giám sát này là phương pháp phân tích rung. Phân tích rung động có thể dùng kiểm tra sự hư hại của các công trình xây dựng và vị trí của các điểm hư hại này. Phân tích rung cũng có thể sử dụng để xác định sự xuống cấp của các công trình xây dựng sau một thời gian dài đưa vào sử dụng. Áp dụng các kỹ thuật phân tích rung có thể đưa ra các thiết kế xây dựng có hiệu quả, tin cậy hơn trong thi công xây dựng đồng thời giúp cho việc thay thế và sửa chữa tại các vị trí chính xác.
Một phép phân tích rung chỉ tốt khi dữ liệu sử dụng là đủ tin cậy, do đó thiết bị dùng để thu thập dữ liệu là rất quan trọng. Có ba loại thiết bị có thể dùng để đo lường và theo dõi rung động: đầu dò dịch chuyển, bộ biến đổi vận tốc và gia tốc kế. Mỗi một thiết bị đo có một giới hạn và ứng dụng riêng trong đó đo gia tốc là phương pháp tốt nhất để xác định lực từ các máy rung. Cảm biến gia tốc sẽ biến đổi các năng lượng cơ học thành tín hiệu điện. Một ưu điểm của cảm biến gia tốc là không cần thiết phải thực hiện các chương trình hiệu chỉnh phức tạp để đảm bảo độ chính xác, nhưng lại dễ bị ảnh hưởng do các hư hại về nhiệt độ.
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
Giám sát công trình (SHM) được định nghĩa như chuỗi quá trình thu thập, xử lí và phân tích dữ liệu nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lí công trình xây dựng. Cho tới nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này tuy nhiên vẫn còn rất nhiều vấn đề cần phải tiếp tục đầu tư nghiên cứu. Để thực hiện quá trình giám sát này thì phải quan sát được đáp ứng động của hệ thống trong một khoảng thời gian xác định. Việc quan sát được thực hiện nhờ sử dụng một tổ hợp các cảm biến được lắp đặt trên các công trình cần theo dõi. Những thông tin về hư hỏng hiện tại (nếu có) của công trình sẽ đạt được nhờ các kết quả đo lường này kết hợp với các phân tích thống kê.

Hình 2. Hệ thống giám sát liên tục

Với các giám sát dài hạn, thông tin đầu ra của hệ thống giám sát sẽ được cập nhật đều đặn, phục vụ cho việc theo dõi tình trạng của công trình theo thời gian và các tác động môi trường. Khi trải qua các biến cố bất ngờ như động đất hay quá tải thì SHM được dùng như một hệ thống giám sát “thời gian thực” về tình trạng của công trình. Một hệ thống giám sát liên tục được mô tả như trên hình 2.
Những phân tích rung thực nghiệm và thống kê là các phương pháp nhiều triển vọng cho lĩnh vực SHM. Nguyên tắc của phép đo là đo trên bề mặt của cấu trúc công trình. Những hư hỏng sẽ được xem là những thay đổi khác biệt về đặc trưng hệ thống khi hoạt động tốt so với tình trạng hiện tại (hoặc tương lai).
Phương pháp rung có thể được mô tả ban đầu bằng phương trình của định luật II Newton. Trong mô hình này chúng ta cần quan tâm tới ngoại lực và đáp ứng của hệ thống theo thời gian. Nếu kích thích cấu trúc bởi một xung (tương tự như gõ một tiếng chuông) thì đáp ứng thu được sẽ là một dao động bị suy hao. Có thể thấy rõ vai trò của khối lượng, độ cứng, hệ số suy hao và điều kiện biên trong bài toán này.

Hình 3. Mode shape đầu tiên của cầu lúc trước (a) và sau khi hư hại (b)

Dao động cộng hưởng gây bởi sự tương tác giữa tính chất quán tính và đàn hồi của vật liệu trong cấu trúc công trình. Tất cả rung động được coi là kết hợp của lực và cộng hưởng. Dao động kiểu lực bao gồm các nội lực, sự mất cân bằng, ngoại lực và kích thích môi trường. Dao động cộng hưởng xảy ra khi công trình bị tác động ở một tần số cộng hưởng nào đó của cấu trúc. Các mode cộng hưởng phụ thuộc vào tính chất của cấu trúc công trình. Các tần số cộng hưởng được xác định bởi các tính chất vật liệu (khối lượng, độ cứng, và hệ số suy hao) và điều kiện biên của cấu trúc. Dễ thấy rằng khi tính chất vật liệu thay đổi hoặc điều kiện biên thay đổi thì các mode cộng hưởng cũng bị thay đổi (đó chính là nguyên lý cơ bản của việc giám sát công trình theo kiểu rung). Tất cả các tham số rung thực nghiệm sẽ thu được bằng cách đo đặc trưng tần số của hệ thống. Đặc trưng tần số có được khi tác động lên cấu trúc các rung động với tần số khác nhau (hình 3). Tất cả các cấu trúc đều có tới 6 mode cộng hưởng (ba tịnh tiến và ba quay).
Có hai kỹ thuật thường được sử dụng để ước lượng các tham số rung là phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phương pháp lặp.
- Mô phỏng Monte Carlo: mô phỏng lặp đi lặp lại các tập dữ liệu ngẫu nhiên dựa trên các thống kê về dữ liệu đo được.
- Phương pháp lặp: sử dụng các đáp ứng tần số đo được (bằng cách đo lặp đi lặp lại) để tổ hợp thành một đáp ứng trung bình với các trọng số khác nhau. Các trọng số này sẽ được sử dụng để xây dựng các tham số của phân tích rung.
Sự khác biệt cơ bản của hai phương pháp này đó là phương pháp Monte Carlo yêu cầu phải có phân bố dữ liệu đo là được xác định trước còn phương pháp lặp thì không cần. Phương pháp Monte Carlo chỉ có thể ước lượng các lỗi ngẫu nhiên trong khi phương pháp lặp thì có thể ước lượng lỗi ngẫu nhiên và cả các lỗi hệ thống (ví dụ như môi trường thay đổi).

Hình 4. Sơ đồ đáp ứng rung của một công trình xây dựng.
Các thực nghiệm sẽ được tiến hành trực tiếp trên cầu (hình 4 mô tả trường hợp cho ôtô qua cầu và lấy búa gõ xuống cầu).
Hình 6 là minh hoạ cho tình huống dùng phương pháp rung để phát hiện thành công sự hư hại của công trình.

KẾT LUẬN
Việc ứng dụng cảm biến gia tốc trong việc xây dựng hệ thống cảm biến không dây, sử dụng các công cụ xử lí tín hiệu hiện đại cho việc giám sát công trình xây dựng đang là một xu hướng nổi trội. Bài báo đã trình bày một vài nét về lĩnh vực giám sát công trình, một lĩnh vực đòi hỏi cần có sự đầu tư nghiêm túc tại Việt Nam bởi ý nghĩa to lớn với đời sống xã hội. Hiện tại Việt Nam đã có những nhóm nghiên cứu về lĩnh vực này và hi vọng trong tương lai có thể áp dụng thành công vào thực tiễn.

 

Số 103 (4/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 



 



 
 
 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết