CÔNG NGHỆ QUAN TRẮC KẾT CẤU VÀ MÔI TRƯỜNG. MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA NHÓM NGHIÊN CỨU TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PGS.TS. Nguyễn Lan, KS. Phạm Huy Hùng

Viện Khoa Học Và Công nghệ Bách Khoa Đà Nẵng

1.  Mục đích của quan trắc sức khỏe kết cấu.

     Các công trình dân dụng, bao gồm cầu, tòa nhà, đường hầm, đường ống, đập và nhiều công trình khác, cung cấp những phương tiện rất cơ bản cho một xã hội. Do đó, sự an toàn và khả năng phục vụ của các công trình dân dụng này là những yếu tố cơ bản của một xã hội văn minh và một nền kinh tế hiệu quả, đồng thời cũng là mục tiêu cuối cùng của các cộng đồng kỹ thuật, học thuật và quản lý [1].

     Quan trắc sức khỏe kết cấu ( Structural Heath Monitoring,SHM) là sự tích hợp của Hệ thống cảm biến, Hệ thống thu thập dữ liệu, Hệ thống xử lý và lưu trữ dữ liệu, Hệ thống truyền thông và Hệ thống mô hình và phát hiện hư hỏng kết cấu để có được kiến thức về tính toàn vẹn của kết cấu  trong quá trình sử dụng một cách liên tục.

     Các mục tiêu chính của SHM là quan trắc hiện trạng các tải trọng của kết cấu, đánh giá tác động  của  các tải trọng sử dụng khác nhau, kiểm tra hoặc cập nhật các quy tắc được sử dụng trong giai đoạn thiết kế, phát hiện hư hỏng hoặc xuống cấp và hướng dẫn kiểm tra và bảo trì kết cấu.

Hinh 1: So sánh hệ thống quan trắc máy bay và nơ ron thần kinh con người

Hình 2: Ví dụ kiến trúc của hệ thống quan trắc kết cấu [2]

2. Những tiền đề nghiên cứu và ứng dụng ban đầu

     Các dự án tăng cường năng lực nghiên cứu cho các Khoa Xây Dựng, Trường Đại học Bách Khoa- Đại học Đà Nẵng (1998-2000)  đã đầu tư được một số hệ thống thiết bị đo đạc trong xây dựng khá hiện đại ở thời điểm lúc bấy giờ như: Hệ thống đo đạc thử tải kết cấu không dây 6 node, 24 kênh của hãng BDI- Hoa Kỳ, Hệ thống đo động các đáp ứng kết cấu hãng NI- Hoa Kỳ, Hệ thống đo tĩnh các đáp ứng kết cấu TDS 303 30 kênh-Nhật Bản, Hệ thống đo động kết cấu SDA830 8 kênh-Nhật Bản, Hệ thống GPS có thể ứng dụng đo tĩnh, động kết cấu,…Đã thúc đẩy nhiều giảng viên đam mê nghiên cứu khai thác các thiết bị mới phục vụ giảng dạy, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Đại học Đà Nẵng “Nghiên cứu chẩn đoán và quan trắc sức khỏe các công trình cầu nhịp lớn ở Việt Nam. Mã số B2010-TDA01-19-TRIG “ do giảng viên Nguyễn Lan (chủ trì), Khoa Xây dựng cầu đường thực hiện và nghiệm thu vào tháng 12/2011. Kết quả nghiên cứu của đề tài cũng đã được ứng dụng quan trắc ngắn hạn chuyển dịch gối cầu và đánh giá lực căng dây văng thi công cầu Trần Thị Lý được xây dựng trong thời điểm này. Việc thiết kế, lắp đặt, viết phần mềm thu thập xử lý dữ liệu quan trắc cầu nhịp lớn ở thời điểm này còn khá xa lạ với các kỹ sư cầu ở Việt Nam. Hầu hết các hệ thống quan trắc cầu ở Việt Nam ở tời điểm này (trước 2015) như Cầu dây văng Mỹ Thuận-Cần Thơ, Cầu dây văng Bãi Cháy- Quảng Ninh, Cầu dây văng Trần Thị Lý- Đà Nẵng, .. đều do các công ty nước ngoài thực hiện.

     Năm 2013, dự án Nút giao Ngã ba Huế khởi công với tiến độ thi công khá nhanh, có nhiều phương tiện thi công gây lan truyền sóng trong nền đất ảnh hưởng đến công trình xung quanh đòi hỏi phải thực hiện thí nghiệm đo đạc, quan trắc ngắn hạn cường độ vận tốc rung trong nền đất do các phương tiện thi công gây ra. Trung tâm Khoa học công nghệ và tư vấn đầu tư- Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng (STIC) đã được Chủ đầu tư và các Sở Ban ngành thành phố Đà Nẵng giao thực hiện nhiệm vụ này. Với kinh nghiệm sử dụng thiết bị đo dao động, viết phần mềm trên ngôn ngữ Labview và sự hổ trợ chuyên môn xử lý số liệu báo cáo kết quả đo từ TS.Trần Đình Ngọc ở Viện Khoa Học Công nghệ Xây Dựng, nhóm kỹ sư của Trung tâm STIC  đã hoàn chỉnh hệ thống thiết bị và phần mềm viết trên ngôn ngữ Labview cho phép kết nối thiết bị, thiết lập các cấu hình, thu thập dữ liệu quan trắc rung chấn và tự động xử lý kết quả quan trắc rung chấn. Hệ thống này đã được ứng dụng đo đạc rung chấn nền đất rất nhiều dự án tại khu vực Miền Trung sau đó.

     Đề tài NCKH “Nghiên cứu, làm rõ được các đặc trưng và tác động của sóng chấn động do hoạt động thi công xây dựng gây ra trong các loại đất nền khu vực thành phố Đà Nẵng, Mã số B2016-DNA-22-TT” do Giảng viên Nguyễn Lan chủ trì được nghiệm thu tháng 12/2018 cũng đã phát triễn thêm hệ thống và tổng kết hơn 20 kết quả đo đạc rung chấn các dự án trên nhiều nền địa chất khác nhau. Cuốn sách tham khảo “ Rung chấn nền đất do các hoạt động thi công xây dựng”  Nhà xuất bản xây dựng, 2019, ISBN: 978-604-82-2824-8 là một trong những kết quả của đề tài này.

Hình 3: Kiến trúc và giao diện hệ thống đo, quan trắc rung chấn trong nền đất

     Ngoài việc nghiên cứu các hệ thống quan trắc tự động, các kỹ sư của Trung tâm stic   đã thực hiện các dự án quan trắc bán tự động một số dự án như: Quan trắc địa kỹ thuật nền đường đắp cao trên đất yêu đường Nguyễn Tri Phương nối dài (2013), Quan trắc hố móng đào sâu Trung tâm thương mại Đà Lạt (2011),.. cũng góp phần thúc đẩy cho các nghiên cứu ứng dụng các hệ thống quan trắc tự động sau này.

3. Dự án quan trắc kết cấu đầu tiên

     Cầu treo Thuận Phước, Thành phố Đà nẵng là kết cấu cầu treo dây võng hiện đại nhịp dài nhất Việt Nam hiện nay. Cầu Thuận phước bắt qua cửa sông Hàn nằm trên tuyến đường ven biển Quốc gia, là một trong những điểm nhấn kiến trúc cảnh quan của thành phố biển Đà nẵng. Cầu được xây dựng từ 2003 khánh thành năm 2009. Đến năm 2017 Cầu đã có một số dấu hiệu xuống cấp, Thành phố Đà nẵng đã cho lắp đặt một hệ thống quan trắc sức khỏe cầu tự động nhằm phát hiện kịp thời các hư hỏng để có kế hoạch bảo trì cầu phù hợp. Trung tâm Khoa học công nghệ và Tư vấn đầu tư- Trường Đại học Bách Khoa Đại học Đà Nẵng được chủ đầu tư cầu tin tưởng giao nhiệm vụ thiết kế hệ thống, cung cấp thiết bị, giải pháp phần mềm quan trắc cho cây cầu đặc biệt này (sau khi trúng thầu qua hình thức đầu thầu rộng rãi). Dưới sự chủ trì của Tiến sĩ Nguyễn Lan cùng nhóm nghiên cứu từ các chuyên gia của Đại học Bách Khoa, Trung tâm STIC đã thực hiện thành công dự án quan trắc cầu Thuận Phước. Hệ thống đã được đào tạo, bàn giao cho đơn vị quản lý cầu theo dõi tự động các ứng xử kết cấu do các loại tải trọng khác nhau để đánh giá sức khỏe cầu theo thời gian thực. Qua dự án quan trắc cầu Thuận Phước giai đoạn 1 và giai đoạn 2, hệ thống phần mềm quan trắc đã được cải thiện, cập nhật dần và đã được Cục tác giả bản quyền cấp chứng nhận đăng ký bản quyền số 5523/2019/QTG ngày 11/09/2019.

Hình 4: Chứng nhậnh đăng ký bản quyền tác giả phần mềm “ Quan trắc công trình STIC”

Từ kinh nghiệm các dự án, nhóm nghiên cứu cũng đã hình thành qui trình khảo sát thiết kế hệ thống quan trắc kết cấu, các nền tảng kiến trúc hệ thống quan trắc và kinh nghiệm lựa chọn các thiết bị quan trắc có độ tin cậy cao cho các dự án.

Hình 5: Ví dụ qui trình và kiến trúc hệ thống quan trắc cầu đã thực hiện.

     Nhóm nghiên cứu cũng đã biên soạn các qui trình vận hành, qui trình bảo dưỡng thiết bị để đào tạo chuyển giao cho đơn vị vận hành cầu. Quá trình bảo hành hệ thống 2 năm cũng là ưu điểm của nhóm đối với các chủ đầu tư, Nhóm luôn kịp thời bảo hành các vấn đề lỗi của hệ thống và khắc phục nhanh nhất. Một số hệ thống quan trắc cầu tại Việt Nam do các công ty nước ngoài cung cấp trước đó đã không hoạt động sau khi Nhà thầu nước ngoài xong dự án và về nước.

Hình 6: Qui trình vận hành và bảo dưỡng hệ thống quan trắc cầu [3]

     Kết quả thực hiện dự án quan trắc cầu đầu tiên (Cầu treo Thuận Phước) đã được Chủ đầu tư và các Chuyên gia đồng nghiệp đánh giá cao làm động lực cho Nhóm nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện hệ thống. Sở Giao thông Thành Phố Đà Nẵng tiếp tục tin tưởng giao cho Trung tâm STIC thực hiện dự án quan trắc tự động cầu Rồng và cầu Trần thị Lý sau đó.

Hình 7: Giao diện tổng quan phần mềm quan trắc trên máy tính trạm [3]

Hình 8: Cửa sổ quan trắc dao động và FFT theo thời gian thực [3]

Hình 9: Giao diện Website quan trắc tích hợp Map 4D của SDC. [3]

4. Các dự án quan trắc kết cấu, địa kỹ thuật và môi trường đã thực hiện.

Sau dự án quan trắc tự đồng cầu treo Thuận Phước đầu tiên, Trung tâm STIC tiếp tục nhận được sự tin tưởng của nhiều Chủ đầu tư giao thực hiện nhiều dự án như sau:

     - Quan trắc cầu Rồng, thành phố Đà Nẵng

     - Quan trắc cầu Trần Thị Lý, thành phố Đà Nẵng

     - Quan trắc Đập thủy điện Alin B1, Huế

            - Quan trắc Đập Sông Than, tỉnh Ninh Thuận

            - Quan trắc Đập thủy điện Nậm Kông 2, tỉnh Ataapeu- Lào

            - Quan trắc Đập thủy điện Nậm Cúm 2, tỉnh Lai Châu

            - Quan trắc Đập thủy điện Nước Biêu, tỉnh Quảng Nam

            - Quan trắc Đập thủy điện Alin B1, Huế

            - Quan trắc Đập hồ chức Đakpokei, tỉnh Kon Tum

            - Quan trắc Cầu Dây Văng Sông Hiếu, tỉnh Quảng Trị

            - Quan trắc Đập hồ chứa nước Hòa Liên, Thành Phố Đà Nẵng.

Hình 10: Giao diện hệ thống quan trắc cầu Rồng, Thành Phố Đà Nẵng. [4]

Hình 11:  Giao diện hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý [5]

Hình 12:  Giao diện giám sát số liệu quan trắc Đập thủy điện Alin (Đang cập nhật hoàn thiện) [6]

Từ kinh nghiệm các hệ thống quan trắc kết cấu xây dựng và địa kỹ thuật đã và đang thực hiện, Nhóm nghiên cứu đã kết hợp với các chuyên gia ngành Môi trường Đại học Đà Nẵng tiếp tục phát triển các hệ thống quan trắc tự động nước thải, khí thải, nước mặt, nước ngầm, quan trắc thời tiết,…

Trung tâm STIC đã thắng thầu dự án quan trắc nước thải nhà máy chế biến mủ cao su công ty 75, Binh đoàn 15. Hệ thống đang được triển khai lắp đặt và hoàn thành dự kiến vào tháng 8/2021.

Hình 13:  Sơ đồ kiến trúc hệ thống quan trắc nước thải nhà máy chế biến mủ cao su công ty 75 [7].

Hiện nay nhóm đang tiếp tục nghiên cứu triển khai áp dụng các hệ thống quan trắc tự động cho các loại dự án khác nhau như: Nhà cao tầng, Hố móng đào sâu, Nèn đắp cao trên đất yếu, sạt lở mái dốc, quan trắc môi trường, quan trắc thời tiết,… trên nền tảng công nghệ IoT và kết hợp điều khiển tự động.

5. Định hướng cho thời gian đến

     - Nhóm tiếp tục cộng tác với các chuyên gia, kỹ sư tại Đại học Đà Nẵng để phát triễn hệ thống, tối ưu các cấu hình thiết bị, nâng cấp phần mềm đáp ứng các yêu cầu của Chủ đầu tư và các qui định pháp luật đảm bảo hệ thống hoạt động bền vững và hiệu quả về kinh tế.

     - Nghiên cứu ứng dụng các công nghệ IoT, các giao thức truyền thông mới, các thuật toán xử lý dữ liệu ứng dụng trí tuệ nhân tạo để chẩn đoán tự động hư hỏng kết cấu; phân tích dự báo dữ liệu hiệu quả và chính xác hơn.  

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] You-Lin Xu , Yong Xia (2012) . Structural Health Monitoring of Long-Span Suspension Bridges. Spon Press, First published 2012 by Spon Press 2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon OX14 4RN.

[2] https://dewesoft.com/applications/monitoring/structural-health-monitoring

[3] Trung tâm STIC (2017). Sổ tay vận hành, bảo trì hệ thống quan trắc cầu Thuận Phước.

[4] Trung tâm STIC (2018). Sổ tay vận hành, bảo trì hệ thống quan trắc cầu Rồng.

[5] Trung tâm STIC (2019). Sổ tay vận hành, bảo trì hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý.

[6] Trung tâm STIC (2017). Hồ sơ đề xuất hệ thống quan trắc Đập Alin B1- Huế.

[7] Trung tâm STIC (2020). Thiết kế lắp đặt hệ thống quan trắc nước thải Nhà máy chế biến mủ cao su công ty 75- Binh Đoàn 15, tỉnh Gia Lai.

@Bài viết của PGS.TS. Nguyễn Lan, KS. Nguyễn Huy Hùng chào mừng ngày Khoa học công nghệ Việt Nam , 18/5/2021