Cùng với việc phân tích tính toán kết cấu, công tác quan trắc công trình xây dựng trước khi thi công, trong gia đoạn thi công và cả trong giai đoạn khai thác đang ngày càng trở nên quan trọng. Các số liệu quan trắc giúp chúng ta đánh giá được tình trạng của kết cấu, đưa ra được các giải pháp trên cơ sở xét đến sự hài hòa giữa tính kinh tế và tính an toàn. Bài viết này giới thiệu về những nguyên lý cơ bản của cảm biến đo biến dạng Strain Gages và một số ứng dụng của nó trong quan trắc công trình xây dựng

1. Những nguyên lý cơ bản của cảm biến đo biến dạng Strain Gages

   Cảm biến đo biến dạng Strain Gages lợi dụng một đặc tính chung của vật liệu thép là điện trở của chúng sẽ thay đổi khi vật liệu bị biến dạng. Giá trị của điện trở tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt và tỷ lệ thuận với chiều dài của vật liệu thép. Khi một đoạn dây thép bị kéo, diện tích mặt cắt sẽ nhỏ đi và chiều dài dây thép sẽ tăng lên, và như vậy giá trị điện trở sẽ tăng lên. Ngược lại, khi dây thép chịu ứng suất nén, giá trị điện trở sẽ nhỏ đi. Tùy theo loại vật liệu thép mà biến dạng phát sinh trong nó sẽ tỷ lệ với sự thay đổi của giá trị điện trở với một hằng số nhất định. Nếu dây thép (Strain Gages) được gắn chặt vào kết cấu, nó sẽ biến dạng cùng với kết cấu, và như vậy nếu đo được sự biến đổi của giá trị điện trở của dây thép chúng ta sẽ xác định được biến dạng của kết cấu.

   Sau khi xác định được biến dạng có thể tính toán ứng suất phát sinh trong kết cấu thông qua mô đun đàn hồi. Để đảm bảo xác định được chính xác biến dạng của kết cấu thông thường người ta dùng một loại keo chuyên dụng để gắn chặt cảm biến đo biến dạng vào kết cấu. Để có thể đo được một cách chính xác sự biến đổi của giá trị điện trở của cảm biến đo biến dạng người ta dùng mạch cầu (Bridge circuit) để chuyển sự biến đổi của giá trị điện trở sang sự biến đổi của điện áp. Vì điện áp thay đổi rất nhỏ (thường chỉ ở mức µV) nên người ta sẽ khuếch đại tín hiệu lên 5,000 đến 10,000 lần để có thể đọc được bằng các thiết bị hiển thị.

   Cảm biến đo biến dạng có thể dùng cả trong trường hợp đo tĩnh và đo động. Trong ngành công nghiệp ô tô người ta vẫn dùng cảm biến đo biến dạng này trong các thí nghiệm để xác định ứng suất gây ra bởi lực xung kích (với tần số lên tới vài trăm kHz) gây ra khi xe bị va chạm. Để có thể nhận tín hiệu ra từ cảm biến đo biến dạng cần lựa chọn và bố trí các thiết bị thu dữ liệu một cách thích hợp. Thông thường có thể sử dụng một trong hai sơ đồ bố trí thiết bị thu dữ liệu như ở Hình 3.

Để hiểu đúng các giá trị đo và sử dụng đúng cảm biến đo biến dạng trong các phép đo chúng ta cần nắm được mối quan hệ giữa giá trị biến dạng (đại lượng muốn đo) và tín hiệu điện áp đầu ra (Hình 4). Thông thường cảm biến đo biến dạng sẽ được gắn vào một mạch điện được gọi là Wheastone Bridge, nhờ đó mà có thể phát hiện được tín hiệu ngay cả khi có một sự biến đổi rất nhỏ trong giá trị điện trở của cảm biến. Giả sử giá trị ban đầu của điện trở của cảm biến là R(Ω) và sự thay đổi của giá trị điện trở là ∆R(Ω). Biến dạng ε có thể được tính theo công thức sau:

(1)

Trong đó K được gọi là hệ số cảm biến (gage factor). Hệ số K biểu thị độ nhạy của cảm biến đo biến dạng. Tùy theo loại cảm biến và các hãng sản xuất mà hệ số K có thể có những gí trị khác nhau.

(2)

   Giả sử độ kích điện áp của mạch cầu có giá trị là E. Điện áp đầu ra e(V) có thể được tính toán theo công thức sau

Hình 4. Cảm biến đo biến dạng và điện áp đầu ra    Gần đây, các cảm biến tự bù nhiệt (self-temperature-compensation gages) đang được dùng ngày càng phổ biến. Khi cảm biến được gắn chặt vào kết cấu, ngoài những biến dạng phát sinh do tải trọng tác dụng lên kết cấu (những biến dạng mà chúng ta muốn đo) còn phát sinh cả những biến dạng do sự thay đổi của nhiệt độ (những biến dạng không mong muốn). Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, giá trị điện trở của cảm biến sẽ thay đổi. Ngoài ra còn một nguyên nhân nữa cũng dẫn đến sự thay đổi của giá trị điện trở của cảm biến là do sự khác nhau trong hệ số giãn nở nhiệt giữa vật liệu của kết cấu và vật liệu làm cảm biến. Tuy nhiên bằng việc lựa chọn cấu trúc và vật liệu làm cảm biến một cách thích hợp có thể giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của nhiệt độ. Những cảm biến như vậy được gọi là cảm biến tự bù nhiệt. Hình 5 mô tả đặc tính tự bù nhiệt của cảm biến của hãng KYOWA, Nhật Bản. Với việc sử dụng cảm biến tự bù nhiệt, biến dạng do ảnh hưởng của nhiệt độ được giảm xuống dưới ±1.8 µm/ m ºC. Trong phạm vi nhiệt độ thông thường của kết cấu (từ 20 ºC đến 40 ºC), giá trị này thậm chí còn được giảm xuống dưới ±1.0 µm/ m ºC.

Hình 5. Đặc tính tự bù nhiệt của cảm biến của hãng KYOWA, Nhật Bản    Việc dùng cảm biến tự bù nhiệt sẽ giúp tránh được ảnh hưởng của nhiệt độ tại đầu ra của cảm biến. Tuy nhiên, trong một số trường hợp dây nối giữa cảm biến (strain gage) và mạch cầu (bridge circuit) cũng sẽ chịu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ. Với loại cảm biến hai dây (1-gage 2-wire system) như trong Hình 6, điện trở của các dây nối (r₁ và r₂) sẽ được cộng dồn vào điện trở của cảm biến. Khi dây nối ngắn, điện trở của chúng sẽ không gây ra các vấn đề liên quan đến nhiệt độ. Tuy nhiên khi dây nối dài chúng sẽ gây ảnh hưởng bất lợi đến kết quả đo. Ví dụ, với dây nối có diện tích mặt cắt ngang là 0.3 mm² và điện trở là 0.062 Ω/m, chiều dài dây là 10m (tổng chiều dài của hai đoạn r₁ và r₂ là 20m), khi nhiệt độ tăng lên 1 ºC sẽ làm phát sinh trong kết quả đo một giá trị biến dạng là 20×10^-6.

Hình 7. Cảm biến ba dây (1-gage 3-wire system)    Loại cảm biến 3 dây (Hình 7) đã được phát triển để triệt tiêu những ảnh hưởng nhiệt độ không mong muốn của dây dẫn. Loại cảm biến này sẽ có 3 dây nối từ cảm biến tới mạch cầu. Trong cảm biến 3 dây, điện trở của dây dẫn r₁ sẽ được tính vào với điện trở của cảm biến Rg, còn điện trở của dây dẫn r₂ sẽ được tính vào với điện trở R2. Điều đó có nghĩa là r₁ và r₂ được bố trí tại hai phía kề sát nhau của mạch cầu, và như vậy ảnh hưởng của các giá trị điện trở r₁ và r₂ sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Điện trở của dây dẫn r₃ được nối ra phía ngoài của mạch cầu. Nó hầu như sẽ không gây ra ảnh hưởng đáng kể nào đến kết quả đo.

2. Ứng dụng của cảm biến đo biến dạng trong quan trắc công trình xây dựng

   Trên cơ sở cảm biến đo biến dạng đã được giới thiệu ở phần 1, người ta người ta đã ứng dụng và phát triển nó thành nhiều các thiết bị cảm biến khác nhau (cảm biến đo tải trọng, chuyển vị, gia tốc, độ nghiêng, độ mở rộng vết nứt, đo áp lực đất, áp lực nước lỗ rỗng …). Trong phần 2 sẽ giới thiệu một số những ứng dụng của các thiết bị cảm biến này trong quan trắc công trình xây dựng.

2.1. Quan trắc khi thi công hố đào và hệ văng chống  

   Trong quá trình thi công hố đào và hệ văng chống có thể tiến hành quan trắc một cách tổng hợp những nội dung sau:

• Quan trắc quản lý an toàn của hệ tường chắn
  • Quan trắc trạng thái của tường chắn (đo độ nghiêng, áp lực đất, áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất trong cốt thép)
  • Quan trắc hiện tượng bùng nền (đo độ lún theo từng lớp đất)
  • Quan trắc phản lực trong các thanh chống (đo biến dạng, đo tải trọng)
  • Quan trắc lực căng trong các neo đất

 

• Quan trắc sự dịch chuyển của các kết cấu xung quanh
  • Quan trắc độ lún của các công trình xung quanh.
  • Quan trắc sự dịch chuyển của kết cấu (quan trắc độ nghiêng)

 

Hình 9. Ví dụ về quan trắc khi thi công hố đào và hệ văng chống

2.2. Quan trắc kết cấu nền đất đắp  

   Để quan trắc sự dịch chuyển của nền đất có thể tiến hành đo những nội dung sau:

• Độ lún của nền hiện tại hoặc độ lún của từng lớp đất
• Sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng
• Sự thay đổi của mực nước ngầm
• Sự dịch chuyển của nền đất (bằng các thiết bị đo độ nghiêng được chôn hoặc gắn vào nền đất)

Sự thay đổi của áp lực đất

2.3. Quan trắc hầm và công trình ngầm

• Hầm khiên đào (Shield Tunnel): Kết cấu hầm này thích hợp với những nơi có địa chất yếu và có mực nước ngầm cao, thường được áp dụng để thi công hầm trong thành phố. Để đảm bảo tính an toàn trong thi công cần quan trắc động thái của bản thân kết cấu hầm cũng như của các công trình xung quanh.
• Quan trắc biến dạng, chuyển vị
• Quan trắc các đốt hầm
• Hầm NATM (NATM Tunnel): quan trắc đối với dạng kết cấu hầm này để đảm bảo những mục đích sau:
• Nắm được ứng xử của nền đất xung quanh
• Xác nhận được hiệu quả của hệ thanh chống
• Xác nhận tính an toàn của kết cấu

Công trình ngầm: một ví dụ về quan trắc công trình ngầm được thể hiện trong Hình 11.

2.4. Quan trắc sụt trượt    Ở Việt Nam cũng như ở nhiều nước khác trên thế giới, sụt trượt là một tại họa thiên nhiên gây ra nhiều tổn thất về người và tài sản của xã hội. Việc quan trắc sụt trượt sẽ giúp giảm thiểu những tai họa thiên nhiên này. Đối với việc quan trắc sụt trượt, thông thường người ta đo lượng mưa, mực nước ngầm, sự dịch chuyển (độ nghiêng) của các lớp đất, áp lực nước lỗ rỗng… Vị trí tiến hành quan trắc sụt trượt thường ở những nơi không thể cung cấp nguồn điện một cách thường xuyên, do vậy người ta đã nghiên cứu những thiết bị, bộ thu và lưu dữ liệu chạy bằng pin hoặc năng lượng mặt trời (Hình 13). Việc truyền dữ liệu cũng có thể được tiến hành thông qua các thiết bị vệ tinh.

2.5. Quan trắc đập

   Liên quan đến vấn đề an toàn và kinh tế khi xây dựng, vận hành đập, chúng ta thường phải đối mặt với những vấn đề sau: Tính chất cơ học không chắc chắn và tính không đồng đều của vật liệu làm đập

• Các vấn đề có nguyên nhân từ xây dựng
• Các vấn đề liên quan đến điều kiện thủy văn
• Ứng xử theo thời gian với động đất …

Việc quan trắc đập sẽ cung cấp các số liệu để có thể đưa ra các giải pháp giải quyết những vấn đề này trên cơ sở xét đến sự hài hòa giữa tính kinh tế và tính an toàn.

2.6. Quan trắc trong đường sắt    Do vận chuyển số lượng người lớn nên vấn đề đảm bảo an toàn trong vận hành tàu đường sắt là một nhiệm vụ quan trọng. Một sai lầm nhất thời hoặc một bất thường nào đó có thể cướp đi cuộc sống của rất nhiều người. Trên thế giới có những hệ thống đường sắt (ví dụ như tàu Shinkansen của Nhật Bản) được vận hành rất chính xác và an toàn. Để làm được điều này đòi hỏi phải có sự quan trắc để luôn kiểm tra và giám sát sự hoạt động của hệ thống. Một số ví dụ về quan trắc trong đường sắt được thể hiện ở các Hình 15 và 16.

2.7. Quan trắc trong giao thông đường bộ (kiểm soát tải trọng xe)    Không chỉ riêng ở Việt Nam mà đối với rất nhiều nước trên thế giới, việc kiểm soát xe quá tải, bảo vệ kết cấu hạ tầng là một nhiệm vụ quan trọng. Đề làm được điều này có thể sử dụng trạm cân lưu động (Hình 17) hoặc hệ thống cân động WIM (Weigh-in-motion). WIM là hệ thống cân tải trọng xe được đặt cố định ở trên mặt đường (Hình 18). Nó cho phép xác được tải trọng một cách tự động khi xe lưu thông qua hệ thống mà không cần phải dừng xe (tốc độ xe chạy có thể từ 0.02 đến 80 km/h). Hệ thống gồm bản thép đặt trên mặt đường, phía dưới bản thép có gắn các cảm biến xác định tải trọng và các thanh cảm (bar sensor) biến để giúp nhận dạng các trục và đánh giá tốc độ xe.

Hình 18. Trạm cân động WIM

2.8. Ứng dụng thiết bị quan trắc trong các phòng nghiên cứu của các trường đại học và viện nghiên cứu    Một số ví dụ về ứng dụng thiết bị quan trắc trong các thí nghiệm bàn rung, thí nghiệm giả động (với tường phản lực), thí nghiệm hầm gió được minh họa trong các Hình 19 – Hình 21.

Hình 19. Thí nghiệm bàn rung

Hình 20. Thí nghiệm bàn rung

Hình 21. Thí nghiệm hầm gió