BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Thanh Hưng

BÀI TỐN CHẨN ĐỐN KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH
TRONG TRƯỜNG HỢP THIẾU SỐ LIỆU VÀ ỨNG DỤNG
CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Thanh Hưng

BÀI TỐN CHẨN ĐỐN KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH
TRONG TRƯỜNG HỢP THIẾU SỐ LIỆU VÀ ỨNG DỤNG
CHO DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng
và Cơng nghiệp
Mã số: 62.58.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Trần Văn Liên
2. GS. TS. Nguyễn Văn Phó

Hà Nội – Năm 2017


I

LỜI CẢM ƠN

Luận án “Bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình trong trường hợp
thiếu số liệu và ứng dụng cho dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn” là kết quả
nghiên cứu trong thời gian vừa qua của tác giả dưới sự hướng dẫn khoa học
của PGS. TS. Trần Văn Liên và GS. TS. Nguyễn Văn Phó. Mục đích của
Luận án nhằm nghiên cứu một phương pháp giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật
cơng trình trong trường hợp thiếu số liệu và ứng dụng vào bài toán đánh giá
khả năng chịu lực cịn lại của dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn: PGS.
TS. Trần Văn Liên và GS. TS. Nguyễn Văn Phó đã tận tình hướng dẫn để bồi
dưỡng kiến thức và năng lực nghiên cứu khoa học.
Tác giả chân thành cảm ơn PGS. TS. Nghiêm Mạnh Hiến đã đóng góp
nhiều ý kiến quý báu để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả cảm ơn Trường Đại học Xây dựng, khoa Sau Đại học Trường
Đại học Xây dựng, Bộ mơn cơng trình bê tơng cốt thép Trường Đại học Xây
dựng, Bộ môn Sức bền vật liệu Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học
Vinh, Khoa Xây dựng Đại học Vinh đã động viên tạo điều kiện thuận lợi để
nghiên cứu sinh hoàn thành luận án.


II

LỜI CAM ĐOAN


Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2017
Tác giả luận án

Nguyễn Thanh Hưng


III

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. I
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... II
MỤC LỤC .................................................................................................................III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. V
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ VIII
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
A. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................................... 1
B. Mục đích, đối tượng, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu ............................. 2
C. Các kết quả chính của Luận án ......................................................................................... 5
D. Cấu trúc của luận án .......................................................................................................... 6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................8
1.1. Mở đầu ............................................................................................................................ 8

1.2. Các bài tốn cơ bản trong kỹ thuật cơng trình .....................................................8
1.3. Phân biệt bài toán thiết kế và bài toán chẩn đốn kỹ thuật cơng trình ...............12

1.4. Sơ đồ giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình ........................................................ 15
1.5. Quy trình cơ bản giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình ...................................... 17
1.6. Phân tích và chẩn đốn kỹ thuật cơng trình với các tham số mờ .................................. 22
1.7. Phương pháp Monte – Carlo ......................................................................................... 31
1.8. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ........................................................ 34
1.9. Nhiệm vụ của luận án ................................................................................................... 42
1.10. Kết luận chương 1 ....................................................................................................... 43

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT
CƠNG TRÌNH TRONG TRƯỜNG HỢP THIẾU SỐ LIỆU ...................................45
2.1. Mở đầu ...............................................................................................................45
2.2. Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình trong trường hợp thiếu số liệu.............45
2.3. Thành lập bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình trong trường hợp thiếu số liệu
…………………………………………………………………………………46
2.4. Chuyển đổi tham số mờ về tham số ngẫu nhiên tương đương ...........................56


IV

2.5. Phương pháp giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình trong trường hợp thiếu
số liệu ........................................................................................................................65
2.6. Đánh giá về sai số và tính đa trị của nghiệm bài toán chẩn đoán ......................70
2.7. Kiểm tra độ tin cậy của phương pháp đề xuất ...................................................72
2.8. Thí dụ tính tốn theo phương pháp đề xuất .......................................................75
2.9. Kết luận chương 2 ..............................................................................................82
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VỚI CÁC SỐ LIỆU TẤT ĐỊNH ...........84
3.1. Mở đầu ...............................................................................................................84
3.2. Ăn mòn cốt thép trong bê tơng ...........................................................................84
3.3. Thí nghiệm dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn......................................................91

3.4. Mơ hình vật liệu bê tơng - cốt thép ....................................................................95
3.5. Mơ hình PTHH tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn ................................98
3.6. Xây dựng chương trình tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn .................111
3.7. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính tốn ...............................................113
3.8. Ảnh hưởng của sự suy giảm đường kính cốt thép và lực bám dính.................121
3.9. Kết luận chương 3 ............................................................................................123
CHƯƠNG 4. CHẨN ĐỐN DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG
TRƯỜNG HỢP THIẾU SỐ LIỆU ..........................................................................125
4.1. Mở đầu ..............................................................................................................125
4.2. Khảo sát chi tiết các tham số trên dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn .................126
4.3. Quy trình cơ bản chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn ..........................132
4.4. Sơ đồ khối chương trình chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn ..............137
4.5. Chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn .....................................................137
4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................................152
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................154
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .....157
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................159


V

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1.

Danh mục các ký hiệu



Hệ số phụ thuộc vào dạng ăn mòn


β

Hệ số lực cắt



Hệ số chiều dày lớp ăn mòn

P

Biến dạng dẻo

{}

Véc tơ biến dạng

𝜆⃗

Các tham số chẩn đoán

(x)

Hàm thuộc



Hệ số Poisson




Góc ma sát trong



Góc giãn nở

0

Đường kính ban đầu của cốt thép

e

Hệ số sức bám dính

{ }

Véc tơ ứng suất

max

Ứng suất pháp cực đại trên mặt cắt giữa dầm

𝜎𝑦𝑚𝑎𝑥

Độ lệch chuẩn của độ võng giữa nhịp của dầm

𝜎𝜎𝑚𝑎𝑥

Độ lệch chuẩn của ứng suất pháp cực đại trên mặt cắt giữa dầm


max

Lực bám dính giữa cốt thép và bê tơng

R

Đường kính còn lại của cốt thép

𝐴̃

Tập mờ đầu vào của bài tốn

b

Chiều rộng của dầm

c

Lực dính đơn vị

Caa

Ma trận Covarian của giá trị tiên nghiệm


VI

CRR

Ma trận Covarian của giá trị đo đạc


𝑑⃗∗

Vectơ các số liệu đo thực nghiệm

𝑑⃗

Vectơ các số liệu theo mơ hình lý thuyết

E

Mô đun đàn hồi của vật liệu

f(x)

Hàm mật độ xác suất

fcc

Cường độ chịu nén của bê tông

fct

Cường độ chịu kéo của bê tông

fsu

Cường độ tới hạn của cốt thép

fsy


Cường độ chảy dẻo của cốt thép

h

Chiều cao của dầm

K

Mô đun suy giảm ứng suất của bê tông khi chịu kéo

Mmax

Mô men lớn nhất giữa nhịp của dầm

P

Tải trọng tập trung

q

Tải trọng phân bố

S

Diện tích của hàm mật độ

x

Chiều sâu ăn mòn của cốt thép


ymax

Độ võng giữa nhịp của dầm

2.

Danh mục các chữ viết tắt

CĐKT

Chẩn đoán kỹ thuật

PTHH

Phần tử hữu hạn

BTCT

Bê tông cốt thép


VII

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Kết quả chẩn đoán trường hợp 1 với 1 số liệu đo .......................... 77
Bảng 2.2. Kết quả chẩn đoán trường hợp 1 với 2 số liệu đo .......................... 78
Bảng 2.3. Kết quả chẩn đoán trường hợp 2 với 1 số liệu đo .......................... 80
Bảng 2.4. Kết quả chẩn đoán trường hợp 2 với 2 số liệu đo .......................... 81
Bảng 3.1. Các dạng phá hoại quan sát được trong q trình thí nghiệm dầm

......................................................................................................................... 94
Bảng 3.2. Tham số của vật liệu bê tông [98] ................................................ 114
Bảng 3.3. Tham số của vật liệu cốt thép [98] ............................................... 114
Bảng 3.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính của dầm D111 ..... 117
Bảng 3.5. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính của dầm D115 ..... 118
Bảng 4.1. Kết quả kiểm tra mức độ ăn mịn cốt thép trong bê tơng ............. 129
Bảng 4.2. Độ võng tại giữa nhịp với từng cấp tải thí nghiệm ...................... 132
Bảng 4.3. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép của Rodriguez bị ăn mịn
....................................................................................................................... 142
Bảng 4.4. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép của Manggat bị ăn mòn
....................................................................................................................... 148
Bảng 4.5. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn .................... 151
Bảng 4.6. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn .................... 152


VIII

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ khối giải bài tốn phân tích kết cấu cơng trình ...................... 9
Hình 1.2. Sơ đồ khối giải bài tốn kiểm tra kết cấu cơng trình ........................ 9
Hình 1.3. Sơ đồ khối giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình ................. 11
Hình 1.4. Dầm đơn giản chịu tải trọng tập trung và phân bố ........................ 14
Hình 1.5. Sơ đồ giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình ......................... 15
Hình 1.6. Sơ đồ tóm tắt 3 bước chính chẩn đốn kỹ thuật cơng trình ............ 16
Hình 1.7. Góc lệch giữa số liệu thực nghiệm 𝑑 ∗ và số liệu lý thuyết 𝑑 ......... 22
Hình 1.8. Ánh xạ f của các tập mờ 𝐴1, 𝐴2 vào tập kết quả Z ......................... 25
Hình 1.9. Khoảng rời rạc ứng với mức độ thuộc αK ....................................... 28
Hình 1.10. Sơ đồ thuật tốn tối ưu mức α ....................................................... 29
Hình 2.1. Hàm phân phối xác suất.................................................................. 47
Hình 2.2. Hàm mật độ xác suất ....................................................................... 47

Hình 2.3. Hàm mật độ xác suất của phân phối đều ........................................ 48
Hình 2.4. Hàm mật độ xác suất của phân phối chuẩn .................................... 48
Hình 2.5. Biến thiên vận tốc gió theo thời gian .............................................. 49
Hình 2.6. Hàm thuộc của vận tốc gió cấp 12 .................................................. 50
Hình 2.7. Xác định cận dưới a và cận trên b từ hàm mật độ xác suất ........... 55
Hình 2.8. Chuyển hàm thuộc hình chữ nhật về hàm mật độ phân phối đều ... 62
Hình 2.9. Chuyển từ hàm phân phối đều về phân phối chuẩn ........................ 63
Hình 2.10. Co dãn hàm thuộc để diện tích dưới hàm thuộc bằng 1 ............... 63


IX

Hình 2.11. Quá trình chuyển đổi..................................................................... 65
Hình 2.12. Sơ đồ khối giải bài tốn cực trị (III) ............................................ 66
Hình 2.13. Tổ hợp khả dĩ của các biến chẩn đoán ......................................... 68
Hình 2.14. Mơ hình dầm cơng xơn chịu tải trọng ngang ................................ 73
Hình 2.15. Dầm đơn giản chịu tải trọng tập trung và phân bố ...................... 75
Hình 2.16. Co dãn hàm thuộc để diện tích dưới hàm thuộc bằng 1 ............... 79
Hình 2.17. Đồ thị của hàm mật độ phân bố chuẩn được chuyển đổi ............. 80
Hình 3.1. Quá trình ăn mịn cốt thép trong bê tơng ........................................ 84
Hình 3.2. Mặt cắt ngang cịn lại của thép ....................................................... 87
Hình 3.3. Biểu đồ quan hệ lực bám dính  và độ trượt s cho trường hợp cốt
thép khơng bị ăn mịn ...................................................................................... 88
Hình 3.4. Ảnh hưởng của mức độ ăn mịn đến tỷ số lực bám dính [95] ......... 90
Hình 3.5. Dầm thí nghiệm bê tơng cốt thép của Rodriguez ............................ 91
Hình 3.6. Sơ đồ vết nứt do sự ăn mịn của dầm .............................................. 92
Hình 3.7. Sơ đồ bố trí tải trọng để xác định chuyển vị ................................... 93
Hình 3.8. Các dạng phá hoại quan sát được trên dầm ................................... 93
Hình 3.9. Quan hệ ứng suất biến dạng điển hình của bê tơng [24] ............... 96
Hình 3.10. Mơ hình ứng suất biến dạng của bê tông khi nén (a), khi kéo (b) 96

Hình 3.11. Mơ hình ứng suất biến dạng của cốt thép ..................................... 97
Hình 3.12. Phần tử dầm bê tơng cốt thép ....................................................... 99
Hình 3.13. Mơ hình PTHH của phần tử dầm bê tơng cốt thép ..................... 100
Hình 3.14. Phần tử bê tông ........................................................................... 100


X

Hình 3.15. Phần tử cốt thép .......................................................................... 101
Hình 3.16. Phần tử tiếp xúc: a) Mặt cắt dọc; b) Mặt cắt ngang .................. 103
Hình 3.17. Phương pháp Newton – Raphson (a) và Newton – Raphson ...... 105
Hình 3.18. Chia thớ mặt cắt ngang của tiết diện thanh ................................ 107
Hình 3.19. Sơ đồ khối chương trình CBS tính dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn
....................................................................................................................... 112
Hình 3.20. Dầm đơn giản chịu tải thử nghiệm ............................................. 113
Hình 3.21. Mơ hình PTHH dầm của chương trình CBS ............................... 115
Hình 3.22. Ứng suất trong cốt thép của chương trình CBS .......................... 116
Hình 3.23. Lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép của chương trình CBS .. 116
Hình 3.24. So sánh kết quả tính đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị tại
tiết diện giữa nhịp của dầm khơng bị ăn mịn (dầm D111) .......................... 117
Hình 3.25. So sánh kết quả tính đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị tại
tiết diện giữa nhịp của dầm bị ăn mòn (dầm D115) ..................................... 118
Hình 3.26. Kết quả tính đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị tại tiết diện
giữa nhịp của dầm khơng bị ăn mịn khi điểm đặt lực cách gối 160mm ...... 120
Hình 3.27. Ứng suất trong cốt thép của dầm khơng bị ăn mịn khi điểm đặt lực
cách gối 160mm ............................................................................................ 120
Hình 3.28. Biểu đồ quan hệ mơ men và góc xoay tại tiết diện giữa nhịp ..... 121
Hình 3.29. Kết quả tính đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị tại tiết
diện giữa nhịp khi đường kính thép thay đổi ................................................ 122
Hình 3.30. Kết quả tính đường cong quan hệ tải trọng và chuyển vị tại tiết

diện giữa nhịp khi lực bám dính thay đổi ..................................................... 122


XI

Hình 4.1. Mơ hình tổ hợp khả dĩ của 1 với các biến ngẫu nhiên …………135
Hình 4.2. Mơ hình tổ hợp khả dĩ của 𝜙1, 𝜙2, … , 𝜙𝑛 với các biến ngẫu nhiên
....................................................................................................................... 136
Hình 4.3. Sơ đồ khối thuật tốn chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn
....................................................................................................................... 138
Hình 4.4. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn của Rodriguez
và cộng sự...................................................................................................... 142
Hình 4.5. Đồ thị quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa nhịp .......................... 143
Hình 4.6. Biểu đồ quan hệ giữa mơ men và góc xoay .................................. 143
Hình 4.7. Dầm bê tơng cốt thép của Mangat và cộng sự.............................. 144
Hình 4.8. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn của Mangat và
cộng sự .......................................................................................................... 147
Hình 4.9. Đồ thị quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa nhịp .......................... 148
Hình 4.10. Biểu đồ quan hệ giữa mơ men và góc xoay ................................ 149
Hình 4.11. Cấu tạo dầm bê tơng cốt thép ..................................................... 149
Hình 4.12. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn cho trường
hợp có 1 chuyển vị đo .................................................................................... 150
Hình 4.13. Kết quả chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn cho trường
hợp có 2 chuyển vị đo .................................................................................... 151


1

MỞ ĐẦU
A. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc chẩn đoán trạng thái hay khả năng làm việc của một hệ phức tạp
đã được loài người tiến hành từ lâu, điển hình là việc chẩn đốn bệnh của các
thầy thuốc. Cơng trình xây dựng tuy khơng phức tạp như con người, nhưng
cũng có những vấn đề tương tự. Chẩn đốn kỹ thuật cơng trình chỉ mới trở
thành một chuyên ngành khoa học từ cuối thế kỷ XX.
Trên thực tế, mặc dù cơng trình được xây dựng đúng quy trình, đúng
tiêu chuẩn nhưng vẫn có những khuyết tật bên trong như vết nứt, ăn mòn cốt
thép, v.v... Những khuyết tật đó đã làm giảm độ an tồn và tuổi thọ của kết
cấu, dẫn đến phá hỏng một phần hay tồn bộ kết cấu cơng trình nhưng rất khó
đánh giá. Các sự cố về cơng trình cầu đường, cảng, nhà nhiều tầng, lò phản
ứng hạt nhân, v.v... là điều đáng tiếc, nhưng không dễ dàng loại trừ được.
Cho đến nay, dù đã đạt được nhiều thành tựu xuất sắc trong đánh giá và
chẩn đốn kỹ thuật cơng trình, nhưng do các phương trình trạng thái của cơng
trình là phức tạp, tính chất vật liệu phụ thuộc vào mơi trường xung quanh, tải
trọng và tác động mang tính chất cực đoan và bất thường của thiên nhiên nên
việc chẩn đoán kỹ thuật cơng trình khơng phải là cơng việc dễ dàng, trong
một số trường hợp cịn thiếu chính xác. Việc khảo sát, đánh giá không đúng
sự suy giảm khả năng chịu lực, mức độ hư hỏng của kết cấu để có những biện
pháp gia cố, sửa chữa kịp thời sẽ làm tăng thêm sự nguy hiểm và mất an toàn
của kết cấu. Vì vậy, việc đánh giá và dự báo khả năng làm việc còn lại của kết
cấu tuy là rất khó nhưng quan trọng, cần thiết và đang thu hút được sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu về xây dựng trên thế giới.
Ngày nay, sự biến đổi của môi trường đã dẫn đến các hệ quả là trong


2

nhiều trường hợp:
a) Tập số liệu thu thập được từ trước đến nay khơng cịn đáng tin cậy,
ví dụ, tập số liệu hiện nay về tải trọng gió, bão, lốc, lũ,... có nhiều thay đổi.

b) Việc đánh giá cơng trình theo các phương pháp hiện hành là khơng
thích hợp do thiếu số liệu.
Mặc dù vậy, người ta vẫn tiếp tục xây dựng cơng trình theo u cầu của
phát triển kinh tế, dẫn đến tình trạng “phải chọn quyết định trong tình trạng
bất định”. Với trình độ khoa học và cơng nghệ phát triển, khả năng sáng tạo
và thích nghi cao, con người sẽ khơng bó tay mà tìm mọi cách để tồn tại và
phát triển, nghĩa là tìm cách ứng phó để dần thích nghi với mơi trường xung
quanh ln biến đổi. Trong hồn cảnh đó, chẩn đốn kỹ thuật cơng trình đóng
một vai trị quan trọng, cho phép ta đánh giá mức độ an tồn của cơng trình từ
những tác động bất lợi của thiên nhiên và con người để dự báo sự cố xảy ra và
có các biện pháp duy tu, bảo dưỡng thích hợp.
Do đó đề tài “Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình trong trường
hợp thiếu số liệu và ứng dụng cho dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn” có ý
nghĩa khoa học vì góp phần giải quyết một số vấn đề đặt ra chưa được giải
quyết; có ý nghĩa thực tiễn vì việc áp dụng kết quả của đề tài giúp cho việc
đánh giá khả năng làm việc an tồn của cơng trình, từ đó đưa ra các biện pháp
gia cố, sửa chữa hay bảo dưỡng thích hợp.
B. Mục đích, đối tượng, phạm vi, phương pháp và nội dung nghiên cứu
1. Mục đích của luận án là nghiên cứu, xây dựng được một phương
pháp giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình trong trường hợp thiếu số
liệu và ứng dụng phương pháp này để chẩn đốn khả năng chịu lực cịn lại
của dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn có kể đến sự suy giảm của đường kính cốt
thép và lực bám dính giữa cốt thép và bê tơng.


3

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:
a) Phân loại và thành lập được bài toán chẩn đoán kỹ thuật trong trường
hợp thiếu số liệu;

b) Đề xuất được một phương pháp gần đúng giải bài toán chẩn đoán kỹ
thuật trong trường hợp thiếu số liệu;
c) Xây dựng được một chương trình tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị
ăn mòn theo phương pháp PTHH đảm bảo độ tin cậy và nhanh để có thể kết
hợp với phương pháp giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật trong trường hợp thiếu
số liệu đề xuất;
d) Áp dụng kết quả trên vào bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cho dầm bê
tơng cốt thép bị ăn mòn.
3. Đối tượng nghiên cứu của luận án là:
a) Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình trong trường hợp thiếu số
liệu, chứa các tham số tất định, ngẫu nhiên và mờ cùng tham gia.
b) Dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn làm việc trong và ngồi giới hạn
đàn hồi với các mơ hình suy giảm đường kính cốt thép và mơ hình suy giảm
liên kết bám dính giữa cốt thép và bê tơng đã được cơng bố.
4. Phạm vi nghiên cứu của luận án là:
a) Nghiên cứu các phương pháp giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng
trình dưới dạng bài tốn cực trị trong trường hợp thiếu số liệu chứa các tham
số tất định, ngẫu nhiên và mờ, khơng có dạng hiển của quy hoạch tốn học,
khơng giải được bằng các phương pháp tốn học thơng thường mà phải biến
đổi để có thể dùng được phương pháp Monte – Carlo. Cụ thể là dựa vào tiêu
chuẩn độ lệch bình phương bé nhất: “Tổng bình phương sai lệch giữa số liệu
thực nghiệm và số liệu theo mơ hình lý thuyết là bé nhất” để lập bài tốn chẩn
đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn có kể đến suy giảm đường kính cốt thép


4

và sự suy giảm lực bám dính giữa cốt thép và bê tơng dưới dạng bài tốn cực
trị, từ đó đề xuất phương pháp giải.
b) Xây dựng thuật toán PTHH và chương trình CBS để tính tốn khả

năng chịu lực cho dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn, với các mơ hình suy giảm
cường độ bê tơng, suy giảm đường kính cốt thép và suy giảm lực bám dính đã
cơng bố [79, 89]. Chương trình tính CBS giới hạn tính tốn cho các tham số
kích thước hình học; fcc; τmax; ɸ trong phạm vi các kết quả thực nghiệm này.
Để áp dụng chương trình CBS trong thực tế thì cần có nhiều hơn các nghiên
cứu, kiểm chứng thực nghiệm, đây cũng là giới hạn nghiên cứu của luận án.
5. Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp nghiên cứu lý
thuyết kết hợp với các phương pháp số, bao gồm các bước:
a) Thu thập các tài liệu trong nước và quốc tế để đánh giá tổng quan về
các vấn đề liên quan, từ đó đặt ra nhiệm vụ cần nghiên cứu, giải quyết.
b) Dùng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết để thành lập bài toán
chẩn đoán kỹ thuật cơng trình dưới dạng bài tốn cực trị trong trường hợp
thiếu số liệu, chứa các tham số tất định, ngẫu nhiên và mờ dựa theo tiêu chuẩn
độ lệch bình phương bé nhất.
c) Đề xuất một sơ đồ khối chuyển các tham số tất định, ngẫu nhiên và
mờ về tham số ngẫu nhiên tương đương để có thể dùng được phương pháp
Monte – Carlo và ứng dụng phương pháp này vào tính tốn đánh giá khả năng
cịn lại của dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn. So sánh với các kết quả thí
nghiệm đã cơng bố để khẳng định độ tin cậy của phương pháp đề xuất.
6. Nội dung nghiên cứu gồm 4 phần chính:
a) Tổng quan về các vấn đề liên quan và đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu.
b) Thành lập bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình và đề xuất phương
pháp giải bài tốn trong trường hợp thiếu số liệu. Xây dựng thuật toán và


5

chương trình tính. So sánh với các kết quả đã biết để khẳng định độ tin cậy
của phương pháp đề xuất.
c) Nghiên cứu, lập chương trình tính dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn có

xét đến sự suy giảm đường kính cốt thép và sự suy giảm lực bám dính giữa bê
tơng và cốt thép bằng phương pháp PTHH với các số liệu tất định. So sánh
với các kết quả thí nghiệm đã cơng bố cho thấy độ tin cậy của chương trình
lập ra.
d) Ứng dụng phương pháp giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình
đề xuất vào bài tốn chẩn đốn khả năng chịu lực cịn lại của dầm bê tơng cốt
thép bị ăn mịn có xét đến sự suy giảm đường kính cốt thép và lực bám dính
theo các kết quả thực nghiệm là thiếu số liệu, chứa các tham số tất định, ngẫu
nhiên và mờ cùng tham gia.
C. Các kết quả chính của Luận án
1. Phân loại và thành lập bài toán chẩn đoán kỹ thuật trong trường hợp
thiếu số liệu theo tiêu chuẩn độ lệch bình phương bé nhất dưới dạng bài tốn
cực trị có các tham số tất định, ngẫu nhiên và mờ cùng tham gia, đồng thời
phương trình trạng thái của kết cấu khơng có nghiệm đóng mà chỉ có nghiệm
số nên khơng đưa được về bài tốn quy hoạch tốn học thơng thường.
2. Đề xuất một phương pháp giải bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình
trong trường hợp thiếu số liệu, có các tham số tất định, ngẫu nhiên và mờ
cùng tham gia, thể hiện trên một sơ đồ gồm 9 bước. Trong đó các đại lượng
mờ được chuyển về đại lượng ngẫu nhiên tương đương để có thể sử dụng
được phương pháp Monte – Carlo.
3. Xây dựng được chương trình CBS tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị
ăn mịn theo phương pháp PTHH bằng ngơn ngữ lập trình Delphi để ứng dụng
được phương pháp giải bài toán chẩn đốn kỹ thuật cơng trình trong trường
hợp thiếu số liệu đề xuất ở chương 2. So sánh kết quả tính đường cong tải


6

trọng và chuyển vị tại giữa nhịp của dầm theo chương trình với kết quả thực
nghiệm cho thấy kết quả tính tốn là tin cậy được. Chương trình CBS là cơ sở

tính tốn tất định cho bài tốn chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn
trong trường hợp thiếu số liệu, có các tham số tất định, ngẫu nhiên và mờ
cùng tham gia.
4. Ứng dụng phương pháp đề xuất để chẩn đốn khả năng chịu lực cịn
lại cho dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn có xét đến suy giảm đường kính cốt
thép và sự suy giảm lực bám dính giữa cốt thép và bê tơng trong trường hợp
thiếu số liệu. Kết quả so sánh với thực nghiệm cho thấy nghiệm tìm được là
có độ tin cậy và sai số chấp nhận được.
D. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục, luận án có 4 chương:
Mở đầu: Nêu lên ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục đích, đối tượng,
phạm vi, phương pháp nghiên cứu, kết cấu và các nội dung chính của luận án,
đồng thời tóm tắt các kết quả chính đạt được.
Chương 1. Tổng quan về bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình:
Trình bày các kết quả đã đạt được của các tác giả trong, ngoài nước và những
vấn đề cịn tồn tại có liên quan đến đề tài. Phân biệt sự khác nhau giữa các bài
toán kiểm tra, đánh giá (đủ số liệu) và bài toán chẩn đoán (thiếu số liệu). Từ
đó nêu lên nhiệm vụ của luận án.
Chương 2. Phương pháp giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình
trong trường hợp thiếu số liệu: Thành lập bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng
trình trong trường hợp thiếu số liệu dưới dạng bài toán cực trị theo tiêu chuẩn
độ lệch bình phương bé nhất. Nghiên cứu phương pháp giải bài tốn chẩn
đốn kỹ thuật cơng trình trong trường hợp thiếu số liệu, đánh giá sai số và
tính đa trị của nghiệm, kiểm tra độ tin cậy của phương pháp đề xuất và đưa ra


7

các ví dụ ứng dụng đơn giản để minh họa.
Chương 3. Tính tốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mòn bằng phương

pháp PTHH với các số liệu tất định: Nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế ăn
mòn kết cấu bê tơng cốt thép. Nghiên cứu các mơ hình vật liệu và xây dựng
mơ hình PTHH gồm 3 loại phần tử: phần tử bê tông, phần tử cốt thép và phần
tử tiếp xúc ghép lại để đánh giá khả năng chịu lực cịn lại của dầm bê tơng cốt
thép bị ăn mòn. Khảo sát ảnh hưởng của sự suy giảm đường kính cốt thép và
lực bám dính giữa cốt thép và bê tơng đến khả năng chịu lực cịn lại của dầm
bê tơng cốt thép.
Chương 4. Chẩn đốn dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn trong trường
hợp thiếu số liệu: Khảo sát các tham số cho kết cấu dầm bê tơng cốt thép bị
ăn mịn. Xây dựng một số bước chính của quy trình chẩn đốn dầm bê tơng
cốt thép bị ăn mịn. Ứng dụng chẩn đốn khả năng chịu lực cịn lại của dầm
bê tơng cốt thép bị ăn mịn, từ đó đưa ra các nhận xét và đánh giá kết quả.
Kết luận: Nêu lên các kết quả mới chủ yếu đạt được của luận án.
Tài liệu tham khảo: gồm 121 tài liệu trong đó có 44 tài liệu trong
nước, 77 tài liệu nước ngồi.
Các cơng trình khoa học đã được cơng bố: gồm 9 cơng trình đã cơng
bố trong đó có 5 bài báo đăng trên các tạp chí chuyên ngành và 4 báo cáo tại
các Hội nghị khoa học toàn quốc.


8

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
Các số liệu thu được trong quá trình kiểm tra và đánh giá thực trạng của
cơng trình là rất quan trọng, là yếu tố quyết định đến phương pháp giải bài
toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình. Nếu các số liệu thu thập là đủ để bài tốn
chẩn đốn kỹ thuật cơng trình có nghiệm đơn trị, ổn định thì ta có chẩn đốn
kỹ thuật cơng trình trong điều kiện đủ số liệu, thường được gọi là bài toán
kiểm tra, đánh giá kết cấu. Nếu các số liệu thu thập là không đủ (hay thiếu

thông tin), bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình sẽ khơng có nghiệm đơn trị
và ổn định, khi đó ta thường phải bổ sung các tiêu chuẩn chọn nghiệm.
Trong phân tích, đánh giá kết cấu thì các tham số đầu vào như tải trọng,
hình học, liên kết, vật liệu, v.v… thường khơng thể có một cách đầy đủ mặc
dù cơng nghệ khảo sát và đo đạc đã khá phát triển, đặc biệt khi kết cấu có các
đặc trưng thay đổi theo thời gian. Chẳng hạn, sự xuống cấp của kết cấu bê
tông cốt thép là do nhiều nguyên nhân như: thiết kế, thi cơng, vật liệu, tải
trọng, v.v... trong đó mơi trường xâm thực đóng một vai trị quan trọng. Khi
đó, sự ăn mịn cốt thép là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự suy
giảm khả năng chịu lực của kết cấu bê tơng cốt thép. Có thể nói thiết kế một
cơng trình mới khơng khó, nhưng đánh giá cơng trình cũ thì khó hơn nhiều.
1.2. Các bài tốn cơ bản trong kỹ thuật cơng trình
1.2.1. Bài tốn phân tích kết cấu
Hình 1.1 là sơ đồ khối giải bài tốn phân tích kết cấu cơng trình, trong
đó phương trình (1) có thể là các phương trình của phương pháp PTHH,
phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp giải tích,... cho bài tốn tĩnh
hoặc động. Đối với bài tốn tĩnh của phương pháp PTHH, phương trình (1) có


9

dạng AX=B trong đó: A là ma trận độ cứng chứa các đặc trưng vật liệu và
hình học; B là véc tơ tải trọng nút; X là véc tơ chuyển vị nút.
Đầu vào
(cho A và B)

Phân tích kết cấu
Giải AX = B (1)
ẩn bài tốn là X
cần tìm


Đầu ra
X

Hình 1.1. Sơ đồ khối giải bài tốn phân tích kết cấu cơng trình

1.2.2. Bài tốn kiểm tra kết cấu
Hình 1.2 là sơ đồ khối giải bài toán kiểm tra kết cấu cơng trình, đây là
bài tốn đủ thơng tin hay đủ số liệu. Do ẩn chứa trong A, B, X nên hệ phương
trình AX = B khơng cịn là hệ phương trình tuyến tính của X với A, B đã biết,
nó có thể là phi tuyến hoặc siêu việt. Vì vậy, việc giải nó khó khăn hơn rất
nhiều so với bài tốn phân tích kết cấu.
Đầu vào:
Các số liệu thu được do
khảo sát, đo đạc, hồ sơ
thiết kế, vận hành v.v...
Các thơng tin đó nằm
một phần trong A, trong
B và trong X.

Phân tích:
Gọi ẩn phải tìm là Y.
A=A(Y), B=B(Y),
X=X(Y)
Đủ thơng tin để giải
được AX=B tìm Y.

Khơng

Đầu ra

A, B, X

Kiểm tra điều
kiện an tồn
KX ≥ Q
Có
An tồn

Hình 1.2. Sơ đồ khối giải bài tốn kiểm tra kết cấu cơng trình
1.2.3. Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình
Mục đích của chẩn đốn kỹ thuật cơng trình là đánh giá hiện trạng kỹ


10

thuật của cơng trình hiện hữu (cơng trình đã được xây dựng và đang khai
thác), bao gồm các đánh giá hư hỏng, khuyết tật, sự thay đổi tải trọng, thay
đổi sơ đồ làm việc so với thiết kế, thi công, chế tạo ban đầu,... dựa trên các
thông tin thu thập được từ khảo sát, đo đạc tại hiện trường. Từ đó đưa ra các
đánh giá về khả năng chịu lực, độ bền, độ cứng, ổn định, độ an toàn, tuổi thọ
cịn lại của cơng trình,…để có các biện pháp sửa chữa và khắc phục kịp thời.
Do đó, chẩn đốn kỹ thuật cơng trình có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về kinh
tế, xã hội và khoa học công nghệ.
Nội dung đánh giá trạng thái kỹ thuật cơng trình gồm ba vấn đề sau:
- Khảo sát, đo đạc để thu thập các thơng tin về thực trạng cơng trình;
- Xây dựng mơ hình thực trạng của kết cấu;
- Đánh giá trạng thái kỹ thuật của cơng trình bằng cách giải bài toán
chẩn đoán và so sánh với các tiêu chuẩn.
Việc thu thập, phân tích và đánh giá các số liệu thu thập được phụ
thuộc vào công việc khảo sát, đo đạc. Ngày nay, tuy đã có các phương tiện

hiện đại để thu thập thông tin, nhưng trong nhiều trường hợp cũng không thể
đầy đủ. Cần phải nhấn mạnh rằng số lượng và chất lượng thơng tin thu thập
được có tính quyết định cả về phương pháp và về kết quả đánh giá chẩn đốn.
Chính vì vậy, các phương pháp hiện hành về đánh giá trạng thái kỹ thuật của
cơng trình gắn liền với các phương pháp khảo sát, đo đạc để thu thập số liệu:
- Khi đủ số liệu, ta có thể căn cứ vào hệ phương trình của kết cấu để
tính tốn và đánh giá kết quả, từ đó so sánh với các tiêu chuẩn để kết luận.
- Trường hợp thiếu số liệu, ta khơng thể dùng các chương trình toán kết
cấu, mà phải xác định các biến chẩn đoán. Khi xác định được miền biến thiên
của các biến chẩn đốn thì coi như đủ số liệu để giải bài tốn đánh giá thơng


11

thường. Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình sẽ khơng có nghiệm đơn trị và
ổn định, khi đó ta thường phải bổ sung các tiêu chuẩn chọn nghiệm [86].
Đầu vào:
Biết một phần A, B, X
từ các thông tin đo
đạc, khảo sát, hồ sơ
thiết kế, q trình vận
hành.

Phân tích kết cấu:
khơng thể tìm
nghiệm từ AX=B vì
thiếu số liệu (vơ
định, vơ nghiệm).
Bổ sung thơng tin:
bằng cách thừa

nhận tiêu chuẩn
chẩn đốn và số
liệu thực nghiệm

Đầu ra:
khơng có

Bổ sung tiêu chuẩn
chẩn đốn “Cực tiểu
bình phương sai
lệch giữa số liệu mơ
hình với số liệu thực
nghiệm”
Thành lập bài toán
cực trị, ẩn là các
biến chẩn đoán
Giải bài tốn cực trị
tìm biến chẩn đốn

Khơng

Chọn nghiệm
Có
Giải AX=B
Tìm A, B, X
Kiểm tra an tồn: KXQ
hay P(KXQ) > [P]
Kết luận

Hình 1.3. Sơ đồ khối giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình



12

Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình có sơ đồ khối như hình 1.3. Nội
dung Luận án khơng xét bài toán kiểm tra, đánh giá mà tập trung vào nghiên
cứu một phương pháp giải bài toán chẩn đoán.
1.3. Phân biệt bài toán thiết kế và bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình
Trong lĩnh vực cơ học cơng trình, ta có thể phân thành hai dạng bài
tốn chính là: bài toán thiết kế và bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình.
Bài tốn thiết kế cơng trình thường được đặt ra như sau: Theo nhiệm vụ
thiết kế, cho trước tải trọng, hình dạng, kích thước hình học và liên kết, v.v...
từ đó dùng các chương trình phân tích kết cấu để tìm các kích thước hình học,
đặc trưng vật liệu và các đáp ứng khác của cơng trình như chuyển vị, ứng
suất, nội lực, tần số, v.v... Nếu các kết quả tìm được thỏa mãn các quy định
của tiêu chuẩn thiết kế thì thiết kế đó có thể chấp nhận được. Thực chất, bài
toán thiết kế được giải quyết trên cơ sở các yếu tố đầu vào là các số liệu giả
định cho sẵn, từ đó tiến hành kiểm tra ứng suất, biến dạng, chuyển vị, dao
động, ổn định,... theo các tiêu chuẩn thiết kế.
Việc mơ hình hố kết cấu trong bài tốn thiết kế như tuyến tính, phi
tuyến, tĩnh, động, loại tải trọng,… đã được đưa vào trong các chương trình
tính tốn. Để sử dụng chương trình, ta chỉ cần lựa chọn mơ hình tính tốn
thích hợp, được nói rõ trong phạm vi ứng dụng của chương trình.
Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình là bài tốn đánh giá cơng trình
hiện hữu, như vậy có thể coi đây là bài toán ngược của bài toán thiết kế. Để
thực hiện bài toán chẩn đoán, ta phải tiến hành hai cơng việc chính là:
- Mơ hình hố kết cấu theo các thông tin thu được trên kết cấu thực, vì
khi cơng trình đã sử dụng thì các mơ hình thiết kế và tính tốn ban đầu đã có
sự thay đổi. Khi đó, ta phải dựa vào số liệu đo đạc, quan sát hiện trường để
xây dựng một mơ hình tính sát với thực tế hơn.