Luan van thac si tối ưu hóa kết cấu năm 2024

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Chẩn đoán dầm cầu bằng phương pháp phân tích dao động trên mô hình số hoá kết cấu được cập nhật sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn kết hợp mạng nơ ron nhân tạo

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ HỒ KHẮC HẠNH CHẨN ĐOÁN DẦM CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH SỐ HOÁ KẾT CẤU ĐƯỢC CẬP NHẬT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN KẾT HỢP MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ HỒ KHẮC HẠNH CHẨN ĐOÁN DẦM CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH SỐ HOÁ KẾT CẤU ĐƯỢC CẬP NHẬT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN KẾT HỢP MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cầu - Hầm Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Bùi Tiến Thành 2. PGS.TS. Ngô Văn Minh HÀ NỘI – 2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2021 Tác giả Hồ Khắc Hạnh
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề nghiên cứu .............................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 4 3. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................. 5 6. Nội dung của luận án ................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHỎE KẾT CẤU CÔNG TRÌNH DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP ĐO NHẬN DẠNG DAO ĐỘNG................8 1.1. Tổng quan về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa vào kết quả đo các đặc trưng dao động ................................................................................................................. 8 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp đo nhận dạng dao động .................................................................... 11 1.3. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp đo nhận dạng dao động ............................................................................ 16 Kết luận Chương 1......................................................................................................... 18 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG KẾT CẤU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN ...19 2.1. Cơ sở lý thuyết về dao động kết cấu ....................................................................... 19 2.2. Các phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên dao động .......................... 23 2.2.1. Phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số dao động riêng ..................23 2.2.2. Phương pháp dựa vào sự thay đổi của hình dạng dao động ......................25 2.2.3. Phương pháp dựa trên hàm đáp ứng tần số ...............................................34 2.3. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động sử dụng thuật toán bầy đàn PSO .......................................................................................................... 37 2.4. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động sử dụng mạng nơ ron nhân tạo. ............................................................................................................. 40 2.5. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động sử dụng thuật toán kết hợp PSO-ANN. ................................................................................................ 44 Kết luận Chương 2......................................................................................................... 52
5. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PSO KẾT HỢP VỚI ANN ĐỂ CHẨN ĐOÁN CÁC HƯ HỎNG CHO MÔ HÌNH SỐ .......................................................................................53 3.1. Cầu dầm giản đơn ................................................................................................... 53 3.1.1. Trường hợp hư hỏng tại một phần tử ........................................................56 3.1.2. Trường hợp hư hỏng tại nhiều phần tử .....................................................59 3.2. Tấm composite ........................................................................................................ 61 3.2.1. Trường hợp hư hỏng tại một phần tử ........................................................64 3.2.2. Trường hợp hư hỏng tại nhiều phần tử .....................................................66 3.3. Cầu dàn thép liên tục............................................................................................... 68 3.3.1. Trường hợp hư hỏng tại một phần tử ........................................................73 3.3.2. Trường hợp hư hỏng tại nhiều phần tử .....................................................75 Kết luận Chương 3......................................................................................................... 77 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG PSO KẾT HỢP VỚI ANN ĐỂ CHẨN ĐOÁN CÁC HƯ HỎNG TRÊN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................................79 4.1. Dầm giản đơn trong phòng thí nghiệm ................................................................... 79 4.1.1. Mô hình bài toán .......................................................................................79 4.1.2. Mô hình thực nghiệm ................................................................................80 4.1.3. Phân tích, so sánh các kết quả thu được từ lý thuyết và thực nghiệm ......83 4.2. Cầu Bến Quan ......................................................................................................... 88 4.2.1. Giới thiệu về cầu Bến Quan ......................................................................88 4.2.2. Mô hình thí nghiệm ...................................................................................89 4.2.3. Mô hình phần tử hữu hạn ..........................................................................91 4.2.4. Cập nhật mô hình và xác định hư hỏng trong kết cấu ...............................92 Kết luận Chương 4......................................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................97
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cầu Tsing Ma được lắp đặt 600 đầu đo phục vụ cho việc giám sát sức khỏe kết cấu công trình 10 Hình 2.1. Sơ đồ thuật toán tối ưu hoá bầy đàn – PSO ............................................................. 39 Hình 2.2. Kiến trúc mạng ANN................................................................................................ 40 Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán ANN .............................................................................................. 43 Hình 2.4. Quá trình xác định giải pháp tối ưu dựa trên phương pháp GD của ANN [a] mạng với một điểm tối ưu toàn cục, [b] mạng với tối ưu toàn cục và cục bộ .................................... 45 Hình 2.5. Mạng với nhiều tối ưu cục bộ ................................................................................... 46 Hình 2.6. Áp dụng PSO để khắc phục vấn đề tối ưu cục bộ của ANN .................................... 47 Hình 2.7. Sơ đồ thuật toán PSO kết hợp song song với ANN.................................................. 51 Hình 3.1. Bố trí chung cầu.............................................................................................53 Hình 3.2. Mặt cắt ngang cầu ..........................................................................................54 Hình 3.3. Kiến trúc mạng nơ ron cho bài toán xác định hư hỏng trong dầm giản đơn .55 Hình 3.4. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO .................................57 Hình 3.5. Sai số phân bố [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO .................................57 Hình 3.6. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ......................................58 Hình 3.7. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của phần tử số 3: [a] 7% hư hỏng; [b] 70% hư hỏng ......................................................................................59 Hình 3.8. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ................................60 Hình 3.9. Sai số phân bố [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ................................60 Hình 3.10. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ....................................60 Hình 3.11. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO trong dầm: 20% hư hỏng của phần tử 1 – và 60% hư hỏng của phần tử 3. .............................................61 Hình 3.12. [a] Tấm composite 3 lớp ; [b] Mô hình phần tử hữu hạn ............................62 Hình 3.13. Hình dạng dao động của 15 mode đầu tiên .................................................63 Hình 3.14. Kiến trúc mạng dùng để phát hiện hư hỏng của các phần tử trong tấm composite .......................................................................................................................64 Hình 3.15. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................64 Hình 3.16. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ....................................65
7. Hình 3.17. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của phần tử số 9: .......................................................................................................................................66 Hình 3.18. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................67 Hình 3.19. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ....................................67 Hình 3.20. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO trong dầm: 50% hư hỏng của phần tử 3 và 70% hư hỏng của phần tử 5. ................................................68 Hình 3.21. Cầu Bến Thủy; [a] Kết cấu nhịp; [b] Mặt cắt ngang của cầu ......................69 Hình 3.22. Mô hình phần tử hữu hạn cầu Bến Thủy .....................................................70 Hình 3.23. Hình dạng dao động của một số mode tính toán .........................................72 Hình 3.24. Kiến trúc mạng dùng để phát hiện hư hỏng ................................................72 Hình 3.25. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ..............................73 Hình 3.26. Sai số phân bố [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................73 Hình 3.27. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ....................................74 Hình 3.28. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của phần tử số 4: [a] 7% hư hỏng; [b] 80% hư hỏng .................................................................................75 Hình 3.29. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................75 Hình 3.30. Sai số phân bố [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................76 Hình 3.31. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ....................................76 Hình 3.32. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO trong dầm: 20% hư hỏng của phần tử 2 và 80% hư hỏng của phần tử 8. ................................................77 Hình 4.1. Dầm giản đơn với điều kiện biên tự do .........................................................79 Hình 4.2. Mô hình dầm thép được chia thành 21 phần tử. ............................................80 Hình 4.3. Thí nghiệm dầm thép [143] ...........................................................................81 Hình 4.4. Sơ đồ biểu diễn vị trí của các hư hỏng được tạo ra .......................................81 Hình 4.5. Tần số dao động riêng thí nghiệm của dầm thép:..........................................83 Hình 4.6. Kiến trúc mạng nơ ron ...................................................................................84 Hình 4.7. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO .................................85 Hình 4.8.Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO .......................................85 Hình 4.9. Sai số phân bố [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO .................................86 Hình 4.10. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của.....................87 Hình 4.11. Cầu Bến Quan..............................................................................................88
8. Hình 4.12. Bố trí chung cầu Bến Quan .........................................................................88 Hình 4.13. Mặt cắt ngang cầu Bến Quan.......................................................................89 Hình 4.14. Đo đạc hiện trường [a] công tác chuẩn bị; [b] Thu thập dữ liệu .................89 Hình 4.15. Tạo ra hư hỏng trên mặt cầu [a] phá hủy mặt cầu [b] thu thập tín hiệu sau khi phá hủy mặt cầu. ......................................................................................................90 Hình 4.16. Bố trí điểm đo trên mặt cắt ngang ...............................................................90 Hình 4.17. Mặt bằng lưới điểm đo trên mặt cầu............................................................91 Hình 4.18. Mô hình cầu Bến Quan ................................................................................91 Hình 4.19. Kiến trúc mạng nơ ron .................................................................................93 Hình 4.20. Giá trị hồi quy [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................94 Hình 4.21. Sai số thực [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ....................................94 Hình 4.22. Sai số phân bố [a] ANN và [b] ANN kết hợp với PSO ...............................95 Hình 4.23. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO ...........................96
9. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu của dầm chủ ....................................................................53 Bảng 3.2. Tần số dao động riêng của mười mode đầu tiên ...........................................54 Bảng 3.3. Các chỉ số đánh giá hiệu suất của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng đơn ...58 Bảng 3.4. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại nhiều phần tử cho dầm xem xét. ..............................................................................................61 Bảng 3.5. Thông số vật liệu của tấm Composite ...........................................................62 Bảng 3.6. Tần số dao động riêng của 15 mode đầu tiên................................................62 Bảng 3.7. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại một phần tử ...........................................................................................................................65 Bảng 3.8. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại hai phần tử ...........................................................................................................................67 Bảng 3.9. Mặt cắt ngang của các thanh dàn ..................................................................69 Bảng 3.10. Tần số dao động riêng của 15 mode đầu tiên..............................................70 Bảng 3.11. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại một phần tử ...........................................................................................................................74 Bảng 3.12. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại hai phần tử ...........................................................................................................................76 Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu của dầm thép ..................................................................79 Bảng 4.2. Tần số dao động riêng tính toán của 3 mode đầu tiên. .................................80 Bảng 4.3. Tần số dao động riêng của 3 mode đầu tiên..................................................83 Bảng 4.4. Tần số dao động riêng của 3 mode đầu tiên..................................................83 Bảng 4.5. Các chỉ số đánh giá hiệu suất của các thuật toán ..........................................86 Bảng 4.6. Đặc trưng vật liệu của dầm chủ ....................................................................89 Bảng 4.7. Tần số dao động của 4 mode dao động đầu tiên ...........................................91 Bảng 4.8. Tần số dao động của 4 mode dao động đầu tiên ...........................................92 Bảng 4.9. Tần số dao động riêng của 4 mode đầu tiên..................................................92 Bảng 4.10. Các chỉ số đánh giá hiệu suất của các thuật toán ........................................95
10. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Việt NCS Nghiên cứu sinh Tiếng Anh ABC Artificial Bee Colony – Thuật toán bầy ong AC Ant Colony – Thuật toán đàn kiến ANN Artificial Neural Network [mạng nơ ron nhân tạo] AI Artificial Intelligence [Trí tuệ nhân tạo] BP Backpropagation - Thuật toán truyền ngược Co-Ordinate Modal Assurance Criterion COMAC [Tiêu chí đảm bảo hình dạng dạo động phối hợp] CS Cuckoo Search - Thuật toán tìm kiếm chim Cúc cu DOF Degree-of-freedom [Bậc tự do] GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền GD Gradient Descent - độ dốc đi xuống FFT Fast Fourier Transform [Chuyển đổi Fourier] Federal Highway Administration [Cục quản lý đường cao tốc liên FHWA bang] FRF Fast Response Transform [Chuyển đổi phản ứng nhanh] HS Thuật toán tìm kiếm hài hòa LM Thuật toán Levenberg-Marquest. MAC Modal Assurance Criterion [Tiêu chí đảm bảo hình dạng dạo động] ML Machine learning - phương pháp học máy MSE Mean Square Error - sai số bình phương trung bình PSO Particle Swarm Optimization - Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn SHM Structural Health Monitoring – giám sát sức khỏe kết cấu WT Wavelet Transform [Chuyển đổi sóng Wavelet]
11. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Trong quá trình khai thác, có nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng cũng như làm ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của công trình cầu như các tác động tự nhiên [bão lũ, động đất] hoặc các tác động do con người như xe quá tải, va xô,... Ngoài ra, các công trình cầu còn có các hình thái dao động riêng, gây ra rung động khuếch đại khi tần số dao động riêng của kết cấu trùng khớp với tần số của phương tiện di chuyển [cộng hưởng cơ học] sẽ làm cho kết cấu công trình bị hư hỏng. Ở mức độ thấp hơn, trạng thái ứng suất trong kết cấu thay đổi liên tục do sự dao động dưới tác dụng của tải trọng nặng, lặp dẫn đến phá hoại mỏi.Việc hư hỏng các công trình giao thông không chỉ làm ảnh hưởng đến kinh tế mà còn gây mất an toàn cho người và phương tiện tham gia giao thông. Vì vậy, những năm gần đây, các hệ thống đánh giá sức khỏe kết cấu công trình [SHM - Structural Health Monitoring] đã được triển khai rộng rãi và nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng công trình trên thế giới. Nhiệm vụ của hệ thống đánh giá sức khỏe kết cấu công trình là quan trắc để phát hiện sớm những hư hỏng dựa trên các dữ liệu đo đạc và phân tích đánh giá mức độ nghiêm trọng của những hư hỏng này trước khi đưa ra các quyết định sửa chữa. Trong các giải pháp giám sát sức khỏe kết cấu, giải pháp sử dụng các phương pháp không phá huỷ đang trở thành hướng nghiên cứu nhận được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới [1-5]. Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định được thông số có tính bất định [uncertainty] của kết cấu bao gồm điều kiện biên, các đặc tính về vật liệu, hay đặc trưng hình học có thể thay đổi theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng khai thác và môi trường,... Hơn nữa phương pháp theo dõi sức khỏe kết cấu không phá hủy có thể phát hiện được các hư hỏng nằm trong kết cấu mà không làm thay đổi tính chất vật lý ban đầu của kết cấu [6-1010]. Tuy nhiên, sự thay đổi của các tham số kết cấu nhiều khi không rõ ràng, đặc biệt là với các hư hỏng nằm trong kết cấu. Ngoài ra, dữ liệu thu được thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu, làm giảm độ chính xác của kết quả. Do đó, mục tiêu của đề tài là phát triển một giải pháp hiệu quả, chi phí thấp để theo dõi tình trạng sức khỏe và giúp phát hiện sớm hư hỏng trong kết cấu.
12. 2 Hiện nay có hai phương pháp chính để theo dõi tình trạng sức khỏe kết cấu là phương pháp tĩnh và phương pháp động. Trong khi phương pháp tĩnh dựa trên phân tích các đáp ứng [ứng suất, biến dạng và chuyển vị] của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng đặt tĩnh, thì phương pháp động dựa trên việc xác định và phân tích các đặc trưng động học như tần số dao động tự nhiên [natural frequencies], dạng dao động [mode shapes] và/hoặc hệ số cản [damping ratio] để đánh giá. Trong hai phương pháp trên, do các đặc trưng động học của kết cấu [đặc biệt là dạng dao động] phụ thuộc vào sự phân bố về độ cứng và khối lượng của nó, nên dựa vào các đặc trưng động học có thể giúp xác định được vị trí có khả năng xuất hiện hư hỏng trong kết cấu. Quá trình đo đạc xác định các đặc trưng động học của kết cấu được gọi là quá trình đo nhận dạng dao động. Quá trình này là rất cần thiết để xây dựng một mô hình phân tích số đáng tin cậy dùng để đánh giá tình trạng sức khỏe của các công trình. Trong quá trình này, các phép đo được thực hiện dưới kích động cưỡng bức hoặc kích động tự nhiên. Kích động cưỡng bức có thể được thực hiện bằng cách dùng các lực kích thích nhân tạo [ví dụ như các loại máy rung]. Kích động cưỡng bức thích hợp cho các kết cấu nhỏ, đặc biệt là các kết cấu trong phòng thí nghiệm. Kích động tự nhiên được tạo ra bởi gió, vi chấn, hay xung kích của phương tiện giao thông. Kích động tự nhiên rất phù hợp với công trình lớn, đặc biệt là công trình cầu vì yêu cầu chi phí thấp và quá trình kích động không cản trở sự lưu thông của phương tiện giao thông trên cầu. Những năm gần đây, việc theo dõi sức khỏe kết cấu công trình đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Trong đó việc ứng dụng phương pháp học máy [Machine learning – ML] để hoàn thiện quy trình đánh giá sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phân tích động đã cho thấy những hiệu quả tiềm năng [11-17]. Một trong những đặc tính nổi bật của ML là khả năng học từ kinh nghiệm, tự cải thiện hiệu suất của mạng. Do đó, mạng được đào tạo có thể được sử dụng để phân loại và kiểm tra các bộ dữ liệu mới tương tự như đặc điểm của các bộ dữ liệu được đào tạo. Một trong những phương pháp học máy là mạng nơ ron nhân tạo [ANN], đây là các chương trình máy tính lấy cảm hứng từ hệ nơ ron sinh học được thiết kế để mô phỏng theo cách mà bộ não con người xử lý thông tin. ANN thu thập kiến thức bằng cách phát hiện các mẫu và mối quan hệ trong dữ liệu thông qua học tập từ kinh nghiệm,
13. 3 không phải từ lập trình. ML đã được ứng dụng để giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp, bao gồm nhận dạng, phân loại, hệ thống kiểm soát và xử lý hình ảnh,...Tuy nhiên do áp dụng các thuật toán truyền ngược dựa trên độ dốc giảm dần, một nhược điểm lớn của ML, mạng có thể bị rơi vào các tối ưu cục bộ khi tạo ra các bề mặt phức tạp với quá nhiều điểm tối ưu cục bộ, từ đó làm giảm độ chính xác và hiệu quả của ML. Để khắc phục nhược điểm này, các phương pháp tối ưu tiến hóa được áp dụng. Tối ưu tiến hóa là phương pháp tối ưu toàn cục [global optimization – GO] cho phép xác định kết quả tối ưu tổng thể và tránh được các vùng tối ưu cục bộ. Các thuật toán tối ưu tiến hóa phổ biến có thể kể đến là: thuật toán di truyền [Genetic Algorithm – GA] [18-19], thuật toán tối ưu hóa bầy đàn [Particle Swarm Optimization – PSO] [20], hay thuật toán tối ưu hóa tìm kiếm chim Cúc cu [Cuckoo Search - CS]. Những phương pháp tối ưu tiến hóa này làm việc dựa trên nguyên lý ứng xử của các sinh vật trong tự nhiên trong quá trình tiến hóa, có khả năng tìm kiếm tối ưu toàn cục dựa trên phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên. Vì vậy việc kết hợp các thuật toán tối ưu tiến hóa với ML sẽ đem lại những tiềm năng để khắc phục nhược điểm [tối ưu cục bộ] của phương pháp học máy, và cải thiện độ chính xác của kết quả thu được. Ở Việt Nam, các thuật toán tối ưu tiến hóa và ML đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như toán học, tin học, cơ điện tử và đem lại hiệu quả trong xác định tối ưu vùng phủ sóng, hay tối ưu quy hoạch mạng [2121-22],…Tuy nhiên việc áp dụng các phương pháp này trong lĩnh vực giám sát sức khỏe kết cấu vẫn còn rất mới ở Việt Nam. Việc đánh giá sức khỏe kết cấu công trình cầu chủ yếu được thực hiện thông qua công tác thử tải, dựa vào đáp ứng tĩnh của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thử và phải được thực hiện trong điều kiện cấm lưu thông các phương tiện giao thông trên cầu. Ngoài ra, phép thử tải không thể thực hiện một cách thường xuyên mà chỉ được thực hiện sau những khoảng thời gian nhất định; do đó chỉ cung cấp hình ảnh về trạng thái sức khỏe kết cấu công trình ở những thời điểm rất cụ thể, không đưa ra được các dự báo về tình trạng sức khỏe của kết cấu trong tương lai. Phương pháp đánh giá động, với các ưu điểm: không thay đổi tính chất vật lý ban đầu của kết cấu, dễ áp dụng, kết quả có độ tin cậy cao, không hoặc ít gây cản trở lưu thông trên cầu và có khả năng thực hiện thường xuyên, liên tục do vậy là một phương pháp phù hợp hơn, đặc biệt là cho những công trình cầu lớn và có kết cấu phức tạp.
14. 4 Gần đây, việc theo dõi sức khỏe của kết cấu thông qua các đặc trưng dao động được đo đạc tại hiện trường bắt đầu được thực hiện. Một số cầu lớn như Mỹ Thuận, Bãi Cháy, hay Kiền đã được lắp đặt các thiết bị theo dõi thường xuyên sức khỏe kết cấu. Về nguyên tắc những thiết bị này cung cấp những dữ liệu cơ bản về đáp ứng động của kết cấu như gia tốc, vận tốc, chuyển vị động tại một số vị trí. Các số liệu này là căn cứ xác định các đặc trưng dao động [tần số dao động tự nhiên, dạng dao động, hệ số cản] của công trình. Các đặc trưng dao động thực đo này là “chuẩn” để điều chỉnh và từ đó xác định được các thông số bất định của kết cấu về điều kiện biên, độ cứng, khối lượng,...trên mô hình tính toán. Mô hình tính toán sau khi đã được cập nhật chuẩn sẽ là căn cứ để đánh giá khả năng chịu lực và chẩn đoán hư hỏng [nếu có] của công trình. Nội dung có tính cốt lõi trong quy trình phân tích, đánh giá kết cấu dựa trên kết quả đo đạc xác định các đặc trưng dao động là thuật toán giúp cập nhật và hoàn thiện một cách tự động mô hình tính toán kết cấu từ kết quả đo đạc hiện trường. Như trên đã phân tích, việc ứng dụng các thuật toán học máy vào việc cập nhật các mô hình toán này hứa hẹn là một giải pháp tốt để hoàn thiện quy trình đánh giá động kết cấu công trình cầu, do đó nghiên cứu sinh quyết định lựa chọn đề tài: “Chẩn đoán dầm cầu bằng phương pháp phân tích dao động trên mô hình số hoá kết cấu được cập nhật sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn kết hợp mạng nơ ron nhân tạo” làm chủ đề nghiên cứu của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu bài toán chẩn đoán hư hỏng của kết cấu dựa trên các đặc trưng dao động. - Đề xuất thuật toán kết hợp mạng nơ ron nhân tạo [Artificial Neural Network – ANN] và thuật toán tối ưu hóa bầy đàn [PSO] cập nhật mô hình số hóa kết cấu theo các đặc trưng động học để cập nhật chính xác mô hình kết cấu áp dụng cho bài toán chẩn đoán kết cấu. - Xây dựng chương trình cập nhật mô hình kết cấu theo thuật toán đề xuất cho kết cấu dầm. Mở rộng áp dụng với các dạng kết cấu khác như kết cấu dàn và kết cấu tấm [bản].
15. 5 - Thực hiện và tham khảo các thí nghiệm đo dao động của kết cấu trong phòng thí nghiệm và công trình cầu thực tế, sau đó áp dụng phương pháp đề xuất để cập nhật mô hình cũng như chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu. 3. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp phân tích lý thuyết; - Phương pháp số; - Phương pháp phân tích số kết hợp với thực nghiệm. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đặc trưng động học của kết cấu công trình cầu: các thông số đặc trưng về dao động như tần số dao động, các mode dao động, hệ số giảm chấn; - Mô hình số hóa kết cấu cầu: Thực hiện mô phỏng kết cấu cầu bằng phần mềm Matlab theo phương pháp phần tử hữu hạn; - Các phương pháp tối ưu tiến hóa và ANN: Phát triển, mở rộng và ứng dụng các thuật toán tối ưu vào nội dung nghiên cứu của đề tài. Qua đó, đề xuất thuật toán kết hợp mới; - Chẩn đoán vị trí và hư hỏng của kết cấu: Phục vụ nội dung giám sát sức khỏe kết cấu công trình giao thông. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Áp dụng các phương pháp tối ưu tiến hóa và phương pháp ANN trong việc cập nhật mô hình số hóa kết cấu và chẩn đoán hư hỏng kết cấu. - Đề xuất thuật toán kết hợp thuật toán tối ưu tiến hóa với phương pháp ANN để khắc phục những nhược điểm của từng phương pháp riêng rẽ, từ đó tăng độ chính xác của kết quả, giảm thời gian tính toán, khi áp dụng để giám sát sức khỏe kết cấu. - Tạo cơ sở dữ liệu công trình như một dạng hồ sơ lưu trữ giúp giám sát sức khoẻ công trình. - Xây dựng chương trình cập nhật nhật mô hình số hóa kết cấu phục vụ chẩn đoán các kết cấu cầu thông thường như dầm, dàn và tấm [bản]. - Kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho lĩnh vực giám sát sức khoẻ công trình.
16. 6 6. Nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án bao gồm những nội dung như sau: Chương 1 - Tổng quan về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp đo nhận dạng dao động Chương 1 giới thiệu tổng quan về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp nhận dạng dao động, tình hình nghiên cứu giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp nhận dạng dao động trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Chương 2 - Nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nhận dạng kết cấu bằng phương pháp đo dao động ngẫu nhiên Chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết về dao động kết cấu và các phương pháp dựa vào dao động của kết cấu để chẩn đoán các hư hỏng trong kết cấu bao gồm các phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số dao động riêng, phương pháp dựa vào sự thay đổi của hình dạng dao động, phương pháp dựa trên hàm phản ứng tần số và phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số dao động riêng kết hợp với PSO và ANN. Trong chương này, nguyên lý sử dụng, ưu nhược điểm của từng phương pháp cũng được phân tích chi tiết, trong đó nêu rõ tầm quan trọng cũng như những ưu điểm vượt trội của phương pháp đề xuất trong vấn đề giám sát sức khỏe kết cấu công trình. Chương 3 - Áp dụng các thuật toán tối ưu tiến hóa và phương pháp mạng nơ ron nhân tạo để chẩn đoán các hư hỏng cho mô hình số Chương 3 giới thiệu một số cách tiếp cận để chẩn đoán các hư hỏng trong kết cấu bằng cách giải các mô hình số. Trong đó 3 thuật toán được áp dụng, thuật toán PSO, ANN và thuật toán được đề xuất bởi NCS, trong đó sử dụng thuật toán PSO làm việc song song với ANN, từ đó khắc phục vấn đề tối ưu cục bộ của phương pháp ANN, tăng độ chính xác của kết quả, giảm thời gian tính toán rất đáng kể so với thuật toán PSO, khi áp dụng để giám sát sức khỏe kết cấu công trình. Chương 4 - Áp dụng các thuật toán tối ưu tiến hóa và phương pháp mạng nơ ron nhân tạo để chẩn đoán các hư hỏng trên mô hình thực nghiệm Chương 4 áp dụng phương pháp đề xuất [phương pháp ANN làm việc song song với thuật toán PSO] để chẩn đoán hư hỏng cho một dầm giản đơn trong phòng thí
17. 7 nghiệm và một cầu cũ nhịp giản đơn. Để so sánh với thuật toán được đề xuất, phương pháp ANN riêng rẽ cũng như thuật toán PSO cũng được áp dụng Ngoài ra, luận án cũng cung cấp bộ code được NCS xây dựng dựa trên nền tảng của chương trình MATLAB [MathWorks®], để xác định đặc trưng động học [tần số dao động riêng, hình dạng dao động] của kết cấu, code của các thuật toán PSO và phương pháp ANN, và phương pháp ANN làm việc song song với thuật toán PSO được dùng để giám sát sức khỏe kết cấu công trình.
18. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHỎE KẾT CẤU CÔNG TRÌNH DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP ĐO NHẬN DẠNG DAO ĐỘNG 1.1. Tổng quan về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa vào kết quả đo các đặc trưng dao động Kiểm tra thường xuyên và đánh giá tình trạng của các kết cấu công trình là rất cần thiết để phát hiện sớm các khiếm khuyết của công trình để tiến hành bảo trì và sửa chữa, đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của kết cấu với chi phí tối thiểu. Những năm trước đây, việc giám sát sức khỏe kết cấu công trình được thực hiện thông qua khảo sát trực quan kết hợp với thử nghiệm tĩnh. Một nhược điểm quan trọng trong quá trình kiểm tra trực quan đòi hỏi người kiểm tra phải trực tiếp tiếp cận được những vị trí hư hỏng của công trình để tiến hành thí nghiệm [2323]. Việc này đôi khi rất khó khăn trong trường hợp các cầu không được gắn sẵn các hệ thống giúp tiếp cận vị trí cần kiểm tra, đặc biệt là ở mặt dưới của kết cấu nhịp cầu. Kỹ thuật kiểm tra trực quan cũng giới hạn việc đánh giá hư hỏng của kết cấu từ những biểu hiện trên bề mặt [nứt] hoặc thay đổi về mặt hình học [nghiêng, võng], đôi khi không cung cấp đủ thông tin để đánh giá tình trạng hư hỏng bên trong của kết cấu [ví dụ như rỉ cốt thép dự ứng lực bê trong kết cấu bê tông dự ứng lực]. Phương pháp đánh giá kết cấu dựa dựa trên các đáp ứng tĩnh học của nó [ứng suất, biến dạng, chuyển vị] cũng được áp dụng kết hợp với khảo sát trực quan để đánh giá sức khỏe kết cấu công trình. Nhược điểm của phương pháp này là phải tạm dừng khai thác công trình trong quá trình tiến hành thí nghiệm, gây những khó khăn cho các công trình trên tuyến giao thông quan trọng với mật độ giao thông qua lại lớn, hoặc các cầu nằm trong thành phố. Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp kiểm tra trực quan cũng như phương pháp thử nghiệm tĩnh, các phương pháp đánh giá, xác định hư hỏng trong kết cấu khác đã được nghiên cứu, phát triển. Trong đó, phương pháp được nghiên cứu tập trung hiện nay là phương pháp đánh giá tình trạng sức khỏe kết cấu công trình dựa trên kết quả đo các đặc trưng dao động [tần số dao động tự nhiên, dạng dao động, hệ số cản...]. Ưu điểm chính của phương pháp này là cung cấp thông tin tổng thể về tình trạng sức khỏe kết cấu công trình. Ngoài ra, từ việc phân tích sự thay đổi về các đặc trưng dao động như tần số và dạng dao động, có thể xác định được vị trí hư hỏng. Vị trí hư hỏng này không nhất thiết phải trùng với các vị trí đặt đầu đo xác định các đặc
19. 9 trưng dao động. Các cảm biến đo nhận dạng dao động giúp xác định các đặc trưng dao động của kết cấu có thể được gắn tạm thời trên kết cấu khi cần thực hiện phép đo hoặc được gắn sẵn trên kết cấu để tạo ra hệ thống theo dõi sức khỏe kết cấu công trình một cách liên tục. Các phương pháp xác định hư hỏng dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới với các chỉ dẫn tương đối chi tiết về phương pháp này cho một số kết cấu điển hình đã được nghiên cứu [2424- 2626]. Giám sát sức khỏe kết cấu công trình bằng phương pháp đo nhận dạng dao động có bốn [04] cấp độ [27]: [i] Chẩn đoán: kết cấu có bị hư hỏng hay không ? [ii] Xác định vị trí: tìm ra bộ phận, vị trí hư hỏng. [iii] Xác định mức độ hư hỏng. [iv] Đánh giá tuổi thọ và độ bền của kết cấu trên cơ sở các hư hỏng được phát hiện. Chẩn đoán xem kết cấu có bị xuống cấp hay không [cấp độ 1] thông thường dựa vào sự thay đổi các đặc trưng động học của kết cấu như tần số dao động riêng, hình dạng dao động trên cơ sở so sánh với kết quả có được từ đo đạc với kết quả có được từ mô hình số của kết cấu. Ví dụ, Salawu [28] trình bày đánh giá về việc sử dụng các thay đổi của tần số dao động tự nhiên để chẩn đoán các hư hỏng trong kết cấu. Trong một nghiên cứu khác, thông tin về hình dạng dao động cũng được kiến nghị sử dụng để xác định các hư hỏng trong kết cấu [29]. Khatir và cộng sự [30] trình bày các phương pháp khác nhau để xác định các hư hỏng trong kết cấu dựa vào các thông số về đặc trưng dao động. Tran-Ngoc và cộng sự [31] sử dụng các thay đổi về tần số dao động riêng để chẩn đoán các hư hỏng trong cầu dầm giản đơn. Giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp đo nhận dạng dao động có thể áp dụng rộng rãi cho kết cấu công trình và kết cấu cơ khí [máy bay, ô tô,...], mà đặc biệt là trong lĩnh vực giám sát sức khỏe kết cấu công trình xây dựng. Hiện nay phương pháp này được triển khai rộng rãi ở Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và Trung Quốc. Chẳng hạn như cầu Tsing Ma ở Hồng Kông với nhịp thông thuyền là 1377m [Hình 1.1] được gắn 600 đầu đo để giám sát sức khỏe công trình.
20. 10 Hình 1.1. Cầu Tsing Ma được lắp đặt 600 đầu đo phục vụ cho việc giám sát sức khỏe kết cấu công trình Giám sát sức khỏe thường xuyên bằng cách gắn các thiết bị đo cố định trên công trình cho phép đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu một cách liên tục, giúp nhà quản lý đưa ra các quyết định về khai thác, bảo trì cầu một cách kịp thời như: cảnh báo, theo dõi các hư hỏng mới xuất hiện; hạn chế phương tiện qua cầu khi phát hiện ứng xử bất thường của kết cấu [rung lắc mạnh, võng lớn,...]. Theo số liệu thống kê của Cục Đường bộ Liên Bang Mỹ – the Federal Highway Administration [FHWA] – chi phí duy tu và bảo dưỡng hệ thống cầu sẽ ngày càng tăng. Đặc biệt là khi yêu cầu đồng nhất hóa về tải trọng và điều kiện khai thác cho các cầu thuộc các hệ thống đường bộ, đường sắt liên quốc gia ngày càng trở nên quan trọng. Tại Việt Nam, theo dõi, đánh giá sức khỏe kết cấu công trình hiện nay đang là chủ đề nhận được sự quan tâm nhiều của các nhà khoa học cũng như các cơ quan quản lý. Nguyên nhân là hầu hết các công trình cầu lớn, có kết cấu phức tạp bắt đầu được xây dựng từ thập kỷ 90 đến nay, qua khoảng 30 năm khai thác sử dụng đã bắt đầu xuất hiện hư hỏng, gây ảnh hưởng đến an toàn khai thác. Ngoài ra, các cầu được xây dựng ở nhiều thời điểm khác nhau, theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau cũng đòi hỏi được đánh giá theo một phương pháp thống nhất, làm cơ sở cho việc quản lý trạng thái cầu một cách đồng nhất.