A remote monitoring system for deformation, displacement, crack progression, and early warning of structural failures in construction
Châu Trường Linh
Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN. E-mail: [email protected]
Nguyễn Thu Hà
Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN. E-mail: [email protected]
Giới thiệu chung
Nhằm đảm bảo công trình xây dựng làm việc ổn định bền vững trong thời gian khai thác thì công tác quan trắc sức khỏe công trình, theo dõi và sớm phát hiện các sự cố để đánh giá được nguyên nhân, có các biện pháp duy tu, sửa chữa, bảo dưỡng kịp thời là vấn đề cần thiết [1, 2]. Quan trắc công trình bao gồm các hoạt động như theo dõi, đo đạc, ghi nhận sự biến đổi, biến dạng, dịch chuyển… của công trình. Quá trình quan trắc này được thực hiện trong thời gian dài hoặc một khoảng thời gian nhất định để thu được các thông số mang tính tương đối [3-5].
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều thiết bị đo ứng suất – biến dạng – chuyển vị và vết nứt của công trình với độ chính xác cao, tính năng hiện đại và được thương mại hóa như TDS 303 của hãng TML (Nhật Bản), UCAM 60B của hãng Kyoaw (Nhật Bản), P3 STRAIN INDICRATOR của hãng Micro-Measurement (Mỹ). Các thiết bị này giá thành rất cao so với nhu cầu để có thể áp dụng phổ biến cho hầu hết các công trình và thường chỉ được sử dụng cho công trình có quy mô lớn, và đa số các thiết bị chỉ được sử dụng quan trắc và thu thập dữ liệu tại chỗ. Những nhược điểm trên sẽ gây khó khăn khi cần quan trắc cùng lúc nhiều vị trí (đòi hỏi nhiều thiết bị với nhiều cổng đo) và cần cập nhật quan sát dữ liệu đo thường xuyên liên tục khi người quản lý không có mặt tại hiện trường.
Năm 2020, Chau TL. và cộng sự [6] đã chế tạo bộ thiết bị đo ứng suất – biến dạng TUD-v1 có thể quan trắc từ xa với giao diện Web giúp người dùng theo dõi kết quả từ thiết bị đo trên máy tính hoặc điện thoại di động kết nối wifi (3G hoặc 4G). Tuy nhiên, hệ thống quan trắc TUD-v1 này không ổn định.
Khắc phục nhược điểm trên và một số hạn chế của các thiết bị quan trắc hiện nay, hệ thống quan trắc từ xa DaSMYR (Displacement an strain monitoring system remote) được nghiên cứu chế tạo gồm hộp thiết bị đo, bộ phát wifi và Web server thu nhận tín hiệu (Hình 1). Hộp thiết bị đo có 30 cổng đo biến dạng (ứng suất) và chuyển vị (Hình 2) được thiết kế theo nguyên lý mạch cầu Wheatstone [7-10]. Tín hiệu đo từ 30 cổng trên DaSMYR được cập nhật trực tiếp trên hệ thống Web server giúp người dùng dễ dàng theo dõi kết quả quan trắc thường xuyên liên tục. Kết quả quan trắc được quản lý thông qua mô hình Internet of Things (IOTs) có ý nghĩa trong việc góp phần xây dựng cơ sở hạ tầng thông minh, an toàn, bảo mật và tiết kiệm chi phí quan trắc sức khỏe công trình.
Ngoài ra, hộp thiết bị đo trên bền vững trong môi trường và trong thời gian làm việc lâu dài, giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các thiết bị đang được sử dụng hiện nay và đặc biệt có tính chính xác cao, được kiểm chứng với các thiết bị chuyên dụng đã được thương mại trên thị trường. Các phép kiểm chứng được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các thanh chịu kéo và mô hình vật lý thu nhỏ thông qua phân tích T-test [11] và kiểm chứng trên mô hình thí nghiệm tường chắn đất có cốt với tỉ lệ thực thông qua so sánh kết quả đo với thiết bị đo cùng loại là TDS 303 và thiên phân kế (Hình 3). Hệ thống DaSMYR đã được nghiệm thu tại hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở (Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng) và công báo sở hữu công nghiệp số 430 tập A – Quyển 1 (01.2024) của cục sở hữu trí tuệ.
Ứng dụng hệ thống quan trắc từ xa DaSMYR cho công trình thực tế
Đo bề rộng vết nứt của kết cấu công trình
Điểm đo là vị trí tiếp giáp giữa tường chắn đất có cốt và mố cầu Nguyễn Tri Phương – Đà Nẵng (Hình 4). Vị trí này có đặc điểm là chuyển vị lớn vì độ cứng giữa hai kết cấu khác nhau, tường chắn có cốt sẽ dễ bị phá hoại. Kết quả đo gửi lên cơ sở dữ liệu, hiển thị lên Web server dưới dạng bảng và biểu đồ Hình 5. Tại thời điểm 8h30 ÷ 9h30 (lưu lựng xe nhiều nhất), biến dạng tại vị trí cách đỉnh tường chắn 1 m có độ mở rộng vết nứt lớn nhất là 1,852 mm và vị trí cách chân tường chắn 1,2 m có độ mở rộng vết nứt lớn nhất là 0,989 mm. Vị trí đỉnh tường có biến dạng lớn nhất là hợp lý vì hoạt tải phân bố có giá trị lớn và tại đó chịu tác động của lực xung kích giữa hai kết cấu có độ cứng khác nhau.
Hình 6. Vị trí đo biến dạng trên dầm cầu Nam Ô (cầu cũ)
Đo biến dạng của kết cấu công trình
Điểm đo là vị trí 1/2 dầm biên làn bên trái hướng Đà Nẵng – Huế của cầu Nam Ô (cầu cũ) như Hình 6. Công trình là cầu bê tông cốt thép (BTCT) dự ứng lực, dầm cầu đã cũ và có dấu hiệu nứt bề mặt. Khi có tải trọng xe, dầm cầu xuất hiện ứng suất kéo lớn làm tăng độ rộng vết nứt, khi xe đi qua ứng suất giảm và làm vết nứt thu hẹp lại. Nếu không quan trắc trong thời gian dài thì không phát hiện được vết nứt phát triển gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến kết cấu bên trong của dầm cầu. Nhóm nghiên cứu đã theo dõi lưu lượng xe đi qua vào các thời điểm mà vết nứt tăng và nhận thấy độ mở rộng vết nứt phát triển khi có tải trọng xe lớn đi qua, theo tiêu chuẩn về ngưỡng giới hạn nứt cho kết cấu BTCT dự ứng lực thì vết nứt tối đa không được vượt quá 0,1 đến 0,2 mm [12, 13]. Vì vậy trên Web server hiển thị cảnh báo nguy hiểm (Hình 7) khi có thời điểm vết nứt phát triển đến giá trị 0,396 mm, kết quả đo trên có thể là vết nứt bề mặt chưa đi sâu và trong bản thân kết cấu, tuy nhiên cần theo dõi và có biện pháp khắc phục.
Thảo luận
Hệ thống quan trắc DaSMYR với 30 cổng đo đạt độ chính xác cao, phù hợp để quan trắc biến dạng, nứt và chuyển vị công trình xây dựng. Hệ thống có thể mở rộng số cổng đo theo yêu cầu của công trình, giảm chiều dài dây kết nối với cảm biến (giảm nhiễu). Đồng thời, hệ thống có thể áp dụng quan trắc liên tục lún, biến dạng, chuyển vị công trình xây dựng trong và sau khi thi công.
Hệ thống giúp người dùng dễ dàng theo dõi thường xuyên từ xa qua điện thoại, laptop. Kết quả quan trắc được cập nhật liên tục theo thời gian thực và hiển thị trực quan, giúp người dùng đánh giá trực tiếp được diễn biến làm việc của kết cấu và cảnh báo sớm sự phá hoại của công trình (phát cảnh báo bằng hình ảnh trên Web và phát âm thanh).
Kết quả quan trắc được quản lý thông qua mô hình IOTs có ý nghĩa trong việc góp phần xây dựng cơ sở hạ tầng thông minh, an toàn, bảo mật và tiết kiệm chi phí quan trắc sức khỏe công trình. Có thể kết hợp với các thiết bị khác như đèn điều khiển giao thông, thanh chắn tự động, thiết bị quan trắc môi trường để quan trắc và điều tiết đảm bảo an toàn giao thông nếu có nguy cơ mất an toàn từ công trình hoặc môi trường.
Ngoài ra, hệ thống DaSMYR có giá thành thấp hơn nhiều so với các thiết bị cùng loại trên thị trường, phù hợp quan trắc cho nhiều công trình với nhiều cổng đo trong khoảng thời gian dài sẽ giảm chi phí trong công tác quản lý, kiểm định chất lượng công trình xây dựng.
Tài liệu tham khảo
[1]. Y. Xu, J.M.W. Brownjohn, F. Huseynov, Accurate Deformation Monitoring on Bridge Structures Using a Cost-Effective Sensing System Combined with a Camera and Accelerometers: Case Study, J. Bridg. Eng. 24 (2019) 1–14. https://doi.org/10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001330.
[2]. M.Z.M. Yunus, N. Ibrahim, F.S. Ahmad, A review on bridge dynamic displacement monitoring using global positioning system and accelerometer, AIP Conf. Proc. 1930 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5022933.
[3]. Vương Hách, Sổ tay xử lý sự cố công trình xây dựng. Nhà xuất bản Xây dựng, (2020)
[4]. R. Ároch, M. Sokol, M. Venglár, Structural Health Monitoring of Major Danube Bridges in Bratislava, Procedia Eng. 156 (2016) 24–31. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.263.
[5]. A. Khalil, K. Heiza, O. El Nawawy, State of the Art Review on Bridges Structural Health Monitoring (Applications and Future Trends), Int. Conf. Civ. Archit. Eng. 11 (2016) 1–25. https://doi.org/10.21608/iccae.2016.43761.
[6]. Chau TL., Nguyen TH., Le VT., Tran QT, Development of a New Stress-Deformation Measuring Device and Hazard Early Warning System for Constructional Work in Da Nang, Vietnam. Computational Intelligence Methods for Green Technology and Sustainable Development. GTSD 2020. Advances in Intelligent Systems and Computing, (2020), vol 1284. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-62324-1_47
[7]. Karl Hoffmann, An introduction to Measurements using Strain Gages, Publisher: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt, (1989)
[8]. Tokyo Sokki Kenkyuio Co., Ltd, TML Strain Gauge Catalog, (2017).
[9]. Jinhui Fan, Songmin Jia, Wei Lu, Zhihong Wang, Xiuzhi Li and Jinbo Sheng, Application of LVDT sensor data acquisition system based on PCI-1716, 2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering, (2011), pp. 548-552, https://doi.org/10.1109/CSAE.2011.5952738.
[10]. U. K. Muhammad, S. Umar, Sensitivity Determination of Linear Variable Differential Transducer (LVDT) in Fluid Level Detection Techniques. International Journal of Modern Engineering Sciences, (2013), 2(2): 73-83
[11]. Wagner III. W.E., Using IBM.SPSS statistics for research methods and social science statistics. Sage Publication, (2019).
[12]. TCVN 5574:2012, Kết cấu Bê tông và Bê tông Cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế, Bộ Xây dựng, (2012).
[13]. TCVN 11823:2017, Tiêu chuẩn thiết kế cầu, Bộ Giao thông Vận tải, (2017).
