Thiệt hại cấu trúc là gì? Các nghiên cứu khoa học về Thiệt hại cấu trúc

Định nghĩa thiệt hại cấu trúc

Thiệt hại cấu trúc (structural damage) là tình trạng mà tính toàn vẹn hoặc khả năng chịu tải của một kết cấu hoặc bộ phận kết cấu bị suy giảm do sự thay đổi vĩnh viễn hoặc tạm thời về hình dạng, liên kết giữa các phần tử hoặc tính chất cơ bản của vật liệu. Mức độ thiệt hại có thể dao động từ vi mô (vi nứt, biến dạng dẻo cục bộ) đến vĩ mô (nứt vỡ lớn, biến dạng tổng thể), ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng đảm bảo an toàn và hiệu năng làm việc của công trình.

Thiệt hại cấu trúc không chỉ xuất hiện do một sự kiện độc lập mà còn có thể tích lũy qua thời gian. Ví dụ, các vết nứt nhỏ hình thành lặp đi lặp lại dưới tác động của tải trọng mỏi có thể phát triển thành hư hỏng nghiêm trọng nếu không được phát hiện và khắc phục kịp thời. Yếu tố môi trường như ăn mòn, đóng băng – tan băng, hoặc tác động hóa học cũng có thể làm thay đổi tính chất cơ học và dẫn tới suy giảm độ bền.

Việc định nghĩa chính xác phạm vi thiệt hại cấu trúc là tiền đề cho quá trình đánh giá, giám sát và khắc phục. Trong bối cảnh công trình dân dụng, giao thông hay công nghiệp, việc nhận biết các mức độ thiệt hại ngay từ giai đoạn vi mô giúp tiết kiệm chi phí sửa chữa, giảm thiểu nguy cơ mất an toàn và kéo dài tuổi thọ kết cấu.

Phân loại thiệt hại

Thiệt hại cấu trúc có thể được chia thành các cấp độ khác nhau tùy theo mức độ tổn thương và phạm vi ảnh hưởng:

• Vi mô: Bao gồm các vết nứt nhỏ, bong tróc bề mặt, giảm cứng cục bộ. Dễ bỏ sót khi quan sát trực quan nhưng có thể phát triển nhanh dưới tải lặp.
• Vĩ mô: Nứt vỡ lớn, tách rời các phần tử cấu kiện, biến dạng lớn như võng, xoắn hoặc mất liên kết. Thường phát hiện dễ dàng nhưng đã ở giai đoạn nguy hiểm.
• Chức năng: Giảm khả năng chịu tải hoặc mất khả năng vận hành đúng thiết kế, có thể không kèm tổn thương hình học rõ rệt nhưng ảnh hưởng tới hiệu năng.

Mỗi loại thiệt hại đều có cơ chế hình thành riêng và yêu cầu phương pháp kiểm tra, đánh giá khác nhau. Ví dụ: vi nứt cần phương pháp kiểm tra siêu âm mảng pha (PAUT) trong khi nứt vĩ mô có thể phát hiện bằng quan sát hoặc chụp ảnh kỹ thuật số.

Việc phân loại còn là cơ sở để lập bản đồ thiệt hại, phân vùng ưu tiên khắc phục và xác định chi phí sửa chữa. Trong nhiều tiêu chuẩn quốc tế, cấp độ thiệt hại được số hóa thành chỉ số (Level 1–4) tương ứng với mức độ nhỏ tới rất lớn.

Nguyên nhân và cơ chế tổn thương

Thiệt hại cấu trúc phát sinh từ nhiều tác động kết hợp, trong đó có thể phân nhóm chính như sau:

• Tải trọng động: Động đất, sóng áp lực, gió bão, va chạm cơ giới. Năng lượng động học truyền qua kết cấu gây dao động, cộng hưởng hoặc ứng suất đỉnh vượt ngưỡng chịu đựng.
• Tải trọng tĩnh quá mức: Quá tải trọng thiết kế, lún không đều, mất ổn định do ăn mòn hoặc tiêu hao vật liệu theo thời gian.
• Môi trường hóa–lý: Ăn mòn điện hóa, tác động nhiệt độ cao/thấp, bức xạ, hóa chất xâm thực làm biến đổi cơ tính và gây nứt rạn nội vi.

Cơ chế tổn thương thường bắt đầu bằng sự tập trung ứng suất tại các vùng bất liên tục (lỗ khoan, khuyết tật bề mặt, mối nối hàn). Theo thời gian hoặc dưới tác động quá tải, vết nứt sẽ lan rộng, liên kết hạt vật liệu yếu dần và cuối cùng xảy ra phá hủy ở cấp độ vĩ mô.

Mô hình lý thuyết về thiệt hại bao gồm phân rã độ cứng, giảm môđun đàn hồi và giảm năng lượng hấp thụ. Nghiên cứu thí nghiệm và mô phỏng số cho thấy chu trình tải lặp lại càng nhiều càng thúc đẩy quá trình mỏi, trong khi điều kiện nhiệt–ẩm cao làm gia tăng tốc độ ăn mòn và giòn hóa.

Đánh giá mức độ thiệt hại

Chỉ số thiệt hại (damage index, D) phổ biến trong đánh giá cấu trúc được xác định theo công thức:

$D = 1 - \frac{E_d}{E_0}$

trong đó $E_0$ là độ cứng ban đầu của kết cấu chưa chịu tổn thương, $E_d$ là độ cứng đo được sau khi tổn thương. Giá trị $D$ nằm trong khoảng từ 0 (không thiệt hại) đến 1 (hư hại hoàn toàn).

Phương pháp đo độ cứng bao gồm thử nén, uốn hoặc dao động tự do (free–vibration test). Kết quả thử nghiệm thường được so sánh với mô hình phần tử hữu hạn (FEA) để hiệu chỉnh và tính toán chỉ số thiệt hại chính xác hơn.

Phương pháp đo	Đo đại lượng	Ưu điểm	Nhược điểm
Thử tải nén	Lực – biến dạng	Đơn giản, trực tiếp	Phá hủy mẫu thử, không dùng cho hiện trường
Phân tích dao động	Tần số tự nhiên, tắt dần	Không phá hủy, áp dụng hiện trường	Yêu cầu thiết bị đo nhạy
Siêu âm mảng pha	Vận tốc sóng, biên độ	Phát hiện vi nứt	Khó triển khai trên kết cấu lớn

Việc đánh giá mức độ thiệt hại đòi hỏi kết hợp dữ liệu thử nghiệm trực tiếp, quan sát thực địa và mô phỏng số. Kết quả đánh giá đóng vai trò định hướng cho biện pháp gia cố hoặc thay thế, đồng thời cung cấp cơ sở cho chính sách bảo trì và quản lý rủi ro.

Phương pháp chẩn đoán và giám sát

Kiểm tra trực quan là bước đầu tiên, bao gồm quan sát vết nứt, biến dạng bề mặt, ăn mòn hoặc lệch chuẩn của kết cấu. Sử dụng thiết bị đo độ võng, máy đo biến dạng (strain gauge) gắn tại vị trí tập trung ứng suất để thu thập dữ liệu thời gian thực.

Kỹ thuật siêu âm mảng pha (Phased Array Ultrasonic Testing – PAUT) cho phép quét 2D/3D phát hiện vết nứt vi mô, xác định chiều dài và độ sâu chính xác. PAUT ứng dụng sonar array phối hợp nhiều đầu dò để di chuyển sóng siêu âm dưới nhiều góc khác nhau, tạo ảnh tiết diện chi tiết bên trong vật liệu.

• Sóng dừng (modal analysis): đo tần số tự nhiên và hệ dao động của kết cấu để xác định sự thay đổi do thiệt hại.
• Laser Doppler Vibrometry: sử dụng chùm laser đánh giá vận tốc dao động bề mặt, phát hiện biến đổi modal.
• Sensors mạng lưới (SHM – Structural Health Monitoring): đặt cảm biến gia tốc, ứng suất và nhiệt độ liên tục theo dõi, cảnh báo dấu hiệu hư hỏng.

Phương pháp giám sát từ xa (Remote Sensing) dùng UAV trang bị camera nhiệt và LIDAR để quan sát kết cấu cao tầng hoặc cầu cống, phân tích dữ liệu bằng phần mềm GIS nhằm lập bản đồ thiệt hại theo không gian.

Mô hình hóa và phân tích

Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) mô phỏng phân bố ứng suất, biến dạng dựa trên mô hình số hóa hình học và vật liệu. Tích hợp các khuyết tật giả định như vết nứt hoặc lỗ hổng để đánh giá tác động lên khả năng chịu tải.

Mô hình nứt gãy tuyến tính (Linear Elastic Fracture Mechanics – LEFM) sử dụng hệ số cường độ ứng suất $K_I$ để dự đoán tiến triển vết nứt:

$K_I = \sigma \sqrt{\pi a}$

với $\sigma$ là ứng suất ngoài, $a$ là độ dài vết nứt nửa phần. Khi $K_I$ vượt ngưỡng chỉ tiêu $K_{IC}$ của vật liệu sẽ xảy ra phá hủy nhanh.

Mô hình phi tuyến tính (Nonlinear FEA) thể hiện sự mất liên kết giữa các phần tử qua cơ chế cohesive zone modeling (CZM), tính biến dạng dẻo và ổn định sau khi xuất hiện vết nứt. Công cụ phần mềm phổ biến: ANSYS, ABAQUS, COMSOL.

Loại mô hình	Ứng dụng	Ưu điểm	Nhược điểm
LEFM	Tiến triển vết nứt	Đơn giản, nhanh	Bỏ qua biến dạng dẻo
Nonlinear FEA	Phân tích hư hỏng tổng thể	Chi tiết, chính xác	Tính toán nặng, thời gian dài
CZM	Mô phỏng giai đoạn khởi phát	Phù hợp đa vật liệu	Khó hiệu chỉnh tham số

Ảnh hưởng của thiệt hại cấu trúc

Giảm khả năng chịu tải làm tăng nguy cơ sập đổ đột ngột hoặc vỡ hỏng khi đối mặt với tải trọng vượt thiết kế. Trong công trình cầu, thiệt hại kết cấu có thể dẫn đến giảm hạn mức trọng tải xe, đe dọa an toàn giao thông.

Tác động kinh tế bao gồm chi phí sửa chữa khẩn cấp, gián đoạn hoạt động sản xuất, đóng cửa tạm thời và giảm vòng đời công trình. Mất giá trị tài sản do giảm niềm tin của nhà đầu tư và chủ sở hữu khi xuất hiện dấu hiệu hư hỏng.

• Nguy cơ an toàn: tai nạn lao động, thương vong do sập đổ.
• Tác động môi trường: giải phóng vật liệu độc hại như amiăng, than chì.
• Chi phí gián tiếp: chi phí pháp lý, bảo hiểm, bồi thường thiệt hại.

Đối với cơ sở hạ tầng quan trọng (nhà máy điện, bể chứa hóa chất), thiệt hại kết cấu còn tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ chất độc, nổ chớp nhoáng, gây thảm họa môi trường và xã hội.

Biện pháp khắc phục và gia cố

Gia cố bên ngoài dùng vật liệu composite sợi carbon (CFRP) hoặc thép tấm dán/bắt bu lông để tăng cường độ cứng và chịu kéo. CFRP có ưu điểm nhẹ, chống ăn mòn tốt, tuy nhiên cần chuẩn bị bề mặt tỉ mỉ và keo chuyên dụng.

Gia cố nội khung bằng cách chèn cọc hoặc nêm dưới nền móng, điều chỉnh lún không đều và tái phân phối tải trọng. Phương pháp này kết hợp khoan ép, injection hóa chất (grouting) để tăng ma sát và giảm chuyển vị.

1. Loại bỏ vật liệu hư hỏng và làm sạch bề mặt.
2. Thiết kế biện pháp gia cố phù hợp (CFRP, thép, grouting).
3. Thi công theo quy trình nghiêm ngặt, kiểm tra nghiệm thu qua siêu âm.
4. Giám sát sau gia cố để đánh giá hiệu quả dài hạn.

Trong trường hợp thiệt hại nặng, thay thế hoàn toàn hoặc tái thiết kết cấu yếu là giải pháp duy nhất, đòi hỏi lập dự án mới và phân tích tác động tổng thể.

Quy trình kiểm định và tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn ISO 13822 “Assessment of existing structures” hướng dẫn đánh giá nguy cơ và đề xuất biện pháp khắc phục. Eurocode 8 quy định tiêu chí thiết kế chống động đất, bao gồm phân tích momen uốn, cắt ngang và kiểm tra ductility.

ASCE SEI 41-17 cung cấp quy trình đánh giá hiện trạng và retrofit cho công trình ở vùng động đất tại Hoa Kỳ, bao gồm mô hình hóa tin cậy và quy trình thử nghiệm hiện trường. NIST khuyến nghị phương pháp đo dao động tự do và phân tích modal để xác định vị trí tổn thương.

• ISO 13822:2010 – Assessment of existing structures;
• Eurocode 8 – Design of structures for earthquake resistance;
• ASCE SEI 41-17 – Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings;
• NIST GCR 17-917-56 – Guidelines for Structures for Tsunami Evacuation.

Tài liệu tham khảo

1. ISO. “ISO 13822: Bases for Design of Structures – Assessment of Existing Structures.” ISO; 2010.
2. FEMA. “Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings.” FEMA P-310; 1998.
3. American Society of Civil Engineers. “ASCE SEI 41-17: Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings.” ASCE; 2017.
4. Friswell M., Penny J. “Model Updating for Structural Damage Detection: A Review.” Structural Health Monitoring, 2012.
5. National Institute of Standards and Technology. “Guidelines for Design of Structures for Vertical Evacuation from Tsunamis.” NIST GCR 17-917-56; 2017.
6. Eurocode 8. “Design of Structures for Earthquake Resistance.” European Committee for Standardization; 2004.