I. Tóm tắt
Những hư hỏng về kết cấu như vụ sập cầu I ‐ 35W Mississippi vào ngày đầu tiên của tháng 8 năm 2007 mang đến một thiệt hại lớn về kinh tế cho các bên liên quan bao gồm cả cá nhân và tổ chức, một lần nữa cho thấy các phương pháp kiểm tra và quan trắc hiện tại đã thất bại như thế nào. Trắc địa công trình luôn đóng góp quan trọng trong việc quan trắc và phân tích biến dạng của các công trình nhân tạo.
Trong bài nghiên cứu này, các chuyển vị của một cây cầu đã được quan trắc bằng bằng hệ thống IBIS ‐ S, dựa trên nguyên tắc giao thoa sóng radar mặt đất với độ chính xác xuống đến milimet và tần số lấy mẫu 200 Hz. Điều này cho phép khả năng xác định các chuyển vị theo thời gian thực của cầu. Ngoài ra cũng xem xét lợi thế và hạn chế của hệ thống cảm biến gia tốc và thiết bị quét laser scanner(TLS) trong việc quan trắc chuyển vị cầu.
Dữ liệu của cả 3 phương pháp đã được phân tích về tần số tự nhiên và hệ số tắt dần bằng cách sử dụng điều chỉnh bình phương nhỏ nhất. Hơn nữa, các phép đo gia tốc đã được tích hợp và các bộ lọc thích hợp được áp dụng để lấy ra các vị trí đã được so sánh với các vị trí từ TLS và IBIS ‐ S. Do đó, đóng góp này cung cấp thông tin về độ chính xác có thể đạt được đối với các thông số khử rive trong điều kiện thực tế, điều này là cơ bản cho các phân tích chuyển vị động sắp tới của kết cấu.
II. Giới thiệu
Vô số cảm biến và mảng cảm biến cũng như sự kết hợp của nhiều hệ thống đo khác nhau hiện đang được sử dụng trong lĩnh vực quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) của cầu.
III. Thiết lập hệ thống đo
Lợi thế và hạn chế của các hệ thống cảm biến khác nhau để quan trắc kết cấu cầu sẽ được nghiên cứu trong điều kiện thực tế. Do đó, các phép đo đã được thực hiện trên một cây cầu gần Braunschweig, Đức, cây cầu đã được chọn do đặc tính rung động mạnh của nó. Cây cầu được quan trắc trong Hình 1 có chiều dài khoảng 76 m và chiều rộng 13 m. Do các yêu cầu về vị trí của các cảm biến và để đảm bảo các phép so sánh, các cảm biến đã được đặt gần trụ trong vòng tròn đỏ Hình 1.
Hình 1
- Hệ thống cảm biến gia tốc
Các phép đo gia tốc đồng bộ theo thời gian của tối đa 16 cảm biến có thể được chuyển qua kết nối USB với máy tính trong khoảng cách lên đến 100 m. Gia tốc có thể được đo với độ chính xác cao và tốc độ lấy mẫu lên đến 600Hz.
- Thiết bị quét laser scanner
Thiết bị quét laser trên mặt đất (TLS) là hệ thống đo 3D chủ động đo khoảng cách xác thực đến các đối tượng theo gia số cung tròn bằng nhau xung quanh trục quay và trục nghiêng. TLS có thể đo lên đến một triệu điểm mỗi giây với độ chính xác một điểm là vài mm nhưng thường không được sử dụng phổ biến để quan trắc chuyển vị các kết cấu. Tuy nhiên, một số hệ thống như Zoller + Froehlich Imager 5003 có thể quét ở chế độ điểm cho phép khả năng thực hiện các phép đo khoảng cách đến một điểm duy nhất của đối tượng với tốc độ lấy mẫu cực cao 125 kHz. Do đó, các phép đo bằng cách sử dụng TLS có thể phù hợp để quan trắc chuyển vị kết cấu.
Các nguyên tắc chính liên quan đến phép đo và xử lý giao thoa radar giao thoa mặt đất như trên vệ tinh đã được biết đến trong lĩnh vực viễn thám radar từ nhiều năm nay. Trong những năm qua, các nguyên tắc này đã được ứng dụng sang phương pháp đo lường dựa trên mặt đất. Các hệ thống radar giao thoa mặt đất này được gọi là “giao thoa sóng radar khẩu độ tổng hợp (t-InSAR)”. Với các hệ thống như vậy, việc xác định chính xác cao các chuyển vị hoặc tốc độ thay đổi của các đối tượng giới hạn cục bộ là có thể thực hiện được và đã được chỉ ra bởi PIERACCINI và cộng sự (2006); RIEDEL và cộng sự (2011); và RÖDELSPERGER (2011).
Kể từ năm 2006, một hệ thống như vậy có tên là IBIS (Image by Interferometric Survey), được phát triển bởi IDS (Ingegneria dei Sistemi), đã có sẵn để sử dụng trong lĩnh vực trắc địa kỹ thuật. Hệ thống này có nhiều cấu hình khác nhau. Bên cạnh phiên bản dành cho quan trắc tĩnh (ví dụ như sạt lở đất, đập, v.v.) còn có một phiên bản đặc biệt để quan trắc cả động và tĩnh đối với chuyển vị của kết cấu, IBIS-S được mô tả trong Hình 2 ở ngoài cùng bên phải.
Hình 2: Hệ thống cảm biến gia tốc kế (bên trái); TLS (giữa); IBIS-S (bên phải)
IV. Dữ liệu quan trắc
Các phép đo được thực hiện trong quá trình cầu vẫn hoạt động và phải lấy dữ liệu đủ các phép đo có thể đánh giá được để phân tích. Đặc biệt, các giá trị như dao động xung quanh, xảy ra sau khi bị kích thích, có liên quan đến việc xác định tần số riêng, hệ số tắt dần và chế độ hình dạng.
Độ chính xác điểm đơn lẻ của thiết bị quét laser trên mặt đất (TLS) Z + F Imager 5003 về mặt kỹ thuật không đủ cao để phát hiện các chuyển vị nhỏ hơn một milimét. Cách duy nhất để phát hiện những chuyển vị nhỏ như vậy là thực hiện các phép đo với tốc độ lấy mẫu cao và lấy trung bình các phép đo sau đó. Do đó, tốc độ lấy mẫu 7812 Hz đã được sử dụng để đạt được độ chính xác hợp lý cho các phép đo khoảng cách trung bình.
Sau đó 100 phép đo khoảng cách đã lọc được và tính trung bình với tốc độ lấy mẫu lý thuyết là 78,12 Hz của TLS. Hơn nữa, xu hướng và độ lệch đã được loại bỏ bằng cách trừ đi một đường thẳng đã điều chỉnh khỏi dữ liệu TLS sau xử lý cũng như của các chuyển vị thô thu được từ IBIS-S và các phép đo gia tốc. Kết quả của phép đo TLS được mô tả trong Hình 3. Biên độ dao động tối đa xấp xỉ 0,4 mm và cho thấy hoạt động mượt mà trong 15 giây đầu tiên trong khi phần còn lại nhiễu hơn. Đặc tính tắt dần có thể nhìn thấy được với một số sai lệch so với dao động điều hòa.
Hình 3: TLS
Dữ liệu thu được từ các phép đo gia tốc được thể hiện trong Hình 4, đặc tính rung động của cây cầu là rõ ràng. Mặc dù so với dữ liệu TLS được xử lý sau hoặc dữ liệu IBIS-S thô, dữ liệu của nó nhiễu hơn nhiều.
Hình 4: Gia tốc kế
Do các phép đo IBIS-S có độ chính xác cao, chuyển vị quan sát được với biên độ tối đa gần 0,5 mm rất mượt mà và bộc lộ đặc tính tắt dần rõ ràng, có thể thấy trong Hình 5.
Hình 5: IBIS-S
- Tần số tự nhiên và hệ số giảm chấn
Dữ liệu thu được từ mỗi hệ thống được sử dụng để xác định tần số tự nhiên và hệ số tắt dần bằng cách sử dụng điều chỉnh bình phương nhỏ nhất, xem ví dụ: MIKHAIL (1976), với mô hình chức năng cho dao động điều hòa tắt dần bao gồm biên độ a, tần số f, độ lệch pha và hệ số tắt dần d là các tham số chưa biết. Tần số tự nhiên được xác định và hệ số tắt dần cũng như độ lệch chuẩn của chúng được liệt kê trong Bảng 1.
Sự khác biệt giữa các tần số tự nhiên của tất cả các cảm biến đều nhỏ hơn 0,6 mHz, cũng như hệ số giảm chấn thu được từ cảm biến gia tốc và IBIS-S gần bằng nhau và chỉ chênh lệch 0,06%. Hệ số giảm chấn được xác định từ các phép đo TLS khác biệt đáng kể so với các hệ số thu được từ các phép đo bằng cảm biến gia tốc hoặc IBIS-S. Quá trình xử lý trước các phép đo TLS hầu như không ảnh hưởng đến việc xác định hệ số giảm chấn nhưng đối với tần suất tự do tự nhiên. Các hệ số tắt dần khác nhau cần được làm rõ trong các bài nghiên cứu thêm. Độ chính xác cao của IBIS-S cũng được phản ánh trong độ lệch chuẩn của tần số tự nhiên và hệ số tắt dần nhỏ hơn khoảng năm lần so với giá trị đạt được đối với độ lệch chuẩn sử dụng cảm biến gia tốc hoặc TLS. Do đó, việc coi IBIS-S là một hệ thống tham chiếu chuẩn
V. Kết luận và triển vọng
Sự đóng góp này cung cấp thông tin về độ chính xác và độ tin cậy của các hệ thống đo như hệ thống cảm biến gia tốc, TLS và IBIS-S trong điều kiện đo thực tế. Hệ thống cảm biến gia tốc được sử dụng là một cảm biến phù hợp để quan trắc kết cấu. Các tần số tự nhiên, hệ số giảm chấn cũng như các chuyển vị dẫn xuất có thể được xác định với độ chính xác cao. Bên cạnh độ chính xác điểm đơn kém của các phép đo TLS, các hệ thống như vậy đang bộc lộ tiềm năng to lớn để quan trắc kết cấu. Tốc độ lấy mẫu tối đa 125 kHz có thể được áp dụng cho các phép đo sử dụng TLS, mặc dù với tốc độ lấy mẫu tương đối nhỏ 7812 Hz đã được sử dụng dẫn đến độ lệch tiêu chuẩn nhỏ hơn 0,05 mm cho các chuyển vị thu được. Việc tăng tốc độ lấy mẫu sẽ dẫn đến xác định chính xác hơn tần số tự nhiên và chuyển vị trong khi các kết quả khác nhau về hệ số tắt dần vẫn cần được làm rõ trong các cuộc điều tra khác. Hơn nữa, một số hệ thống TLS có thể quét ở chế độ cấu hình cho phép khả năng quan sát toàn bộ chiều dài của cây cầu cùng một lúc với tốc độ lấy mẫu lên đến 50 Hz. Độ chính xác và độ tin cậy của các thông số thu được từ các phép đo TLS quét ở chế độ cấu hình đó vẫn cần được phân tích. Đối với một quan trắc chuyển vị động sắp tới của các kết cấu, cần xác định các phép đo tương quan cũng như khả năng áp dụng của các thử nghiệm thống kê hiện có. Việc thực hiện các chiến lược trắc địa để quan trắc chuyển vị kết các kết cấu sẽ cung cấp một công cụ đáng tin cậy để phát hiện hư hỏng, điều này sẽ đóng góp đáng kể vào việc quan trắc tình trạng kết cấu.
