Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích độ tin cậy theo thời gian kết cấu bê tông cốt thép vùng bờ biển

Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu đã thực hiện, trong luận văn này tác giả tổng hợp các nghiên cứu về quá trình ăn mòn cốt thép, các công thức xác định mật độ dòng ăn mòn, thời gian nứ

Giới thiệu về phân tích độ tin cậy theo thời gian

Căn cứ theo tiêu chuẩn hiện hành của Bộ Xây Dựng, các số liệu đầu vào của bài toán thiết kế nhƣ tĩnh tải, hoạt tải có giá trị trung bình và hệ số vƣợt tải đƣợc quy định trong tiêu chuẩn TCVN 2737:2006 – Tải trọng và tác động – tiêu chuẩn thiết kế [1] Mặt khác, tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 – Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế [2] quy định giá trị nội lực sử dụng để tính toán kết cấu là giá trị nội lực của trường hợp tải trọng bất lợi nhất trong các trường hợp tải Ngoài ra, trong quá trình thi công, các thông số như kích thước hình học, đường kính cốt thép, cường độ bê tông, tỷ lệ nước/xi măng của hỗn hợp bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ,v.v có những sai lệch cho phép đƣợc quy định trong tiêu chuẩn TCVN 4453 – 1995 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu [3] Giá trị sai lệch của các thông số này không đƣợc xét đến khi tính toán khả năng chịu lực của kết cấu Chính vì thế, đối với bài toán thiết kế thông thường, nếu tuân thủ đúng tiêu chuần thì xem như kết cấu đảm bảo an toàn

Khi phân tích độ tin cậy kết cấu, ta phải xây dựng hàm trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực của kết cấu Một cách tổng quát, hàm trạng thái giới hạn đƣợc xác định nhƣ sau: g = R – Q, trong đó Q là tải trọng tác động lên kết cấu (có thể là mô- men M, lực nén N, v.v ), R là khả năng chịu lực của kết cấu (có thể là khả năng chịu mô-men [M], khả năng chịu nén [N], v.v ) Theo tiêu chuẩn thiết kế, các giá trị của tải trọng M và N được lấy theo trường hợp tải trọng bất lợi nhất nên được xem là hằng số Những giá trị sai lệch của các thông số trong công thức xác định khả năng chịu lực [M] và [N] như: kích thước hình học, đường kính cốt thép, cường độ bê tông, tỷ lệ nước/xi măng của hỗn hợp bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ,v.v đƣợc xét đến khi phân tích độ tin cậy Những thông số này đƣợc xem là các biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình là giá trị danh định và độ lệch chuẩn là các sai số cho phép theo tiêu chuẩn Mặt khác, đối với kết cấu bê tông cốt thép nằm trong môi trường khí hậu biển, cốt thép sẽ bị ăn mòn bởi các tác nhân gây ăn mòn làm cho diện tích cốt thép giảm dần theo thời gian Vì thế, khả năng chịu lực của kết cấu sẽ giảm dần theo thời gian Hàm trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực của kết cấu là hàm giảm theo thời gian nên độ tin cậy kết cấu cũng giảm theo thời gian Trong đề tài này, tác giả sẽ phân tích độ tin cậy khả năng chịu lực của kết cấu theo thời gian từ lúc cốt thép bắt đầu bị ăn mòn đến khi chỉ số độ tin cậy kết cấu đạt đến giới hạn an toàn.

Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việt Nam là một quốc gia nằm ở đông nam bán đảo Đông Dương, một bên giáp đất liền và một bên giáp biển Đông với bờ biển Việt Nam có chiều dài 3260 km (chƣa kể các đảo) Nhiều công trình bằng bê tông cốt thép đƣợc xây dựng ven biển nên các công trình này sẽ chịu tác động bởi các tác nhân gây ăn mòn cốt thép tồn tại trong môi trường khí hậu biển Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay, vấn đề ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép chƣa có nhiều đề tài nghiên cứu

Dựa trên những nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện địa lý tương tự đã đƣợc công bố trên thế giới, trong đề tài này, tác giả sẽ phân tích khả năng chịu lực của dầm, cột khi cốt thép bị ăn mòn theo thời gian Đồng thời, tác giả sẽ áp dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích độ tin cậy và xác suất phá hủy của kết cấu dầm, cột theo thời gian Từ kết quả phân tích, tác giả dự báo thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn, thời điểm bắt đầu nứt lớp bê tông bảo vệ, thời điểm vết nứt mở rộng đến 1mm và thời điểm chỉ số độ tin cậy của kết cấu đạt ngƣỡng an toàn (thời điểm phải tháo dỡ công trình) Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Nam chƣa quy định chỉ số độ tin cậy an toàn cho kết cấu, vì thế tác giả tham khảo chỉ số độ tin cậy an toàn đối với dầm và cột theo Andrzej và Kevin [4] (theo tiêu chuẩn American Society of Civil Engineers, từ ASCE 7-95, ASCE -1996) là  34 tương ứng với xác suất phá hủy kết cấu P f 10  3 10  5 Trong luận văn này, tác giả chọn chỉ số độ tin cậy là

 tương ứng với xác suất phá hủy kết cấu là P f 10  3 làm ngưỡng an toàn cho dầm và cột

Từ kết quả phân tích, tác giả sẽ đề xuất quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình nhƣ minh họa trong Hình 1.1:

Hình 1.1 Biểu đồ thời gian dự báo tuổi thọ kết cấu công trình

Quá trình ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào các tác nhân gây ăn mòn và kéo dài hàng chục năm nên việc theo dõi và ghi nhận các dữ liệu về các tác nhân gây ăn mòn để xác định thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn t 0 gặp nhiều khó khăn và khó thực hiện Trong đề tài này, tác giả đề xuất phương pháp gián tiếp xác định thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn t 0 thông qua thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên t crack0 và kiểm tra lại dự báo t 0 thông qua thời điểm vết nứt đạt bề rộng 1mm t crack1 Từ biểu đồ thời gian ở Hình 1.1, khi đã xác định đƣợc thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn t 0 và thời điểm chỉ số độ tin cậy kết cấu đạt đến ngƣỡng an toàn t p ta sẽ dự báo đƣợc tuổi thọ còn lại của công trình thông qua dấu hiệu nhận biết là vết nứt trên bề mặt bê tông.

Tình hình nghiên cứu hiện nay

Những nghiên cứu về ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép đã đƣợc các nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện từ thập niên 70 của thế kỷ XX và đƣợc tiếp tục nghiên cứu phát triển cho đến nay

Một trong những mô hình phân tích toán học đầu tiên dự đoán thời gian ăn mòn từ khi cốt thép bắt đầu ăn mòn đến khi nứt lớp bê tông bảo vệ đƣợc đề xuất bởi Bazant (1979) [5] Trong mô hình này, bê tông xung quanh cốt thép đƣợc xem nhƣ một bức tường dày hình trụ Ứng suất trong hình trụ gây ra bởi việc hình thành các sản phẩm ăn mòn được tính toán bằng lý thuyết đàn hồi tuyến tính đẳng hướng Quá trình nứt lớp bê tông bảo vệ xảy ra khi ứng suất do việc hình thành các sản phẩm ăn mòn gây ra vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông Theo mô hình của Bazant

(1979) [5], thời gian nứt là một hàm của tốc độ ăn mòn, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, khoảng cách giữa các thanh thép và tính chất cơ học của bê tông (cường độ chịu kéo, mô-đun đàn hồi, hệ số Poisson và hệ số từ biến)

Liu và Weyers (1998) [6] đã nghiên cứu độ nhạy của phương trình lý thuyết Bazant bằng nghiên cứu thực nghiệm và chứng minh rằng tốc độ ăn mòn là thông số quan trọng nhất trong việc xác định thời gian nứt của lớp bê tông bảo vệ Trên cơ sở quan sát thời gian nứt và đo tốc độ ăn mòn, một mô hình ăn mòn - nứt đã đƣợc Liu và Weyers (1998) [6] đề xuất nhằm xác định thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ bằng cách tính toán lƣợng sản phẩm ăn mòn tới hạn

Rodriguez và cộng sự, (1996) [7] đã đƣa ra một công thức thực nghiệm ƣớc lƣợng bề rộng vết nứt lớp bê tông bảo vệ và công thức này đã đƣợc kiểm tra xác nhận trong Duracrete, (1998) [8]

DuraCrete 2000 [9] đã phát triển mô hình dựa trên điện hóa và đề xuất một hàm thâm nhập mô tả quá trình ăn mòn cốt thép tại thời điểm t tính từ lúc cốt thép bắt đầu bị ăn mòn Đồng thời, DuraCrete 2000 [9] cũng đề xuất công thức xác định đường kính cốt thép bị ăn mòn là hàm của mật độ dòng ăn mòn và thời gian ăn mòn

Vu và Stewart (2000) [10] đã phát triển mô hình xác định mật độ dòng ăn mòn là một hàm của tỷ lệ nước/xi măng và chiều dày lớp bê tông bảo vệ

Về tình hình nghiên cứu trong nước: qua tham khảo các tài liệu nghiên cứu về ăn mòn bê tông và bê tông cốt thép trong môi trường khí hậu biển của các tác giả trong nước [15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23], [24], tác giả chưa tìm thấy các nghiên cứu đƣợc công bố về phân tích độ tin cậy khả năng chịu lực của kết cấu làm việc trong môi trường khí hậu biển theo thời gian.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là phân tích độ tin cậy khả năng chịu lực của kết cấu dầm và cột khi xét đến độ sai lệch ngẫu nhiên của các thông số như kích thước hình học, đường kính cốt thép, cường độ bê tông, tỷ lệ nước/xi măng của hỗn hợp bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ,v.v Đồng thời, tác giả sẽ phân tích độ tin cậy về khả năng chịu lực của dầm và cột khi cốt thép bị ăn mòn theo thời gian Kết quả phân tích sẽ xác định khả năng chịu lực của kết cấu, độ tin cậy và xác suất phá hủy tại thời điểm nứt lớp bê tông bảo vệ, đồng thời dự báo tuổi thọ còn lại của công trình Từ kết quả phân tích, tác giả sẽ đề xuất quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình.

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là phân tích độ tin cậy theo thời gian một khung phẳng điển hình của một công trình nằm trong môi trường khí hậu biển Các vấn đề nghiên cứu trong phạm vi luận văn bao gồm:

- Thiết lập hàm trạng thái giới hạn khả năng chịu uốn của dầm theo thời gian

- Thiết lập hàm trạng thái giới hạn khả năng chịu nén của cột theo thời gian

- Phân tích độ tin cậy của tất cả các cấu kiện dầm và cột trong khung, xác định thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên và dự báo tuổi thọ còn lại của công trình

- Lập quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình.

Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn này đƣợc trình bày nhƣ sau:

- Chương 1 giới thiệu tổng quan về phân tích độ tin cậy theo thời gian, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài; mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn; tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước

- Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về ăn mòn cốt thép, công thức xác định đường kính cốt thép theo thời gian, công thức xác định thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ, xác định bề rộng vết nứt, lý thuyết độ tin cậy kết cấu

- Chương 3 trình bày kết quả số về phân tích độ tin cậy theo thời gian kết cấu khung bê tông cốt thép, trong đó phân tích độ tin cậy khả năng chịu uốn của dầm và khả năng chịu nén của cột trong khung Trong chương này, tác giả đề xuất quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình

- Chương 4 trình bày kết luận từ những kết quả phân tích và đưa ra những kiến nghị để phát triển các nghiên cứu tiếp theo

- Tài liệu tham khảo liệt kê các tài liệu chính gồm sách, bài báo khoa học, các tiêu chuẩn đƣợc đề cập trong luận văn

- Phụ lục đƣa ra các đoạn mã lập trình Matlab để tính toán các ví dụ số trong Chương 3.

Khái niệm cơ bản về ăn mòn

Sắt và thép carbon là vật liệu nhiệt động không ổn định Một cách tự nhiên, những vật liệu này sẽ đƣợc sắp xếp trở về trạng thái nguyên thủy của nó và quá trình nhiệt động lực học sẽ trở về trạng thái ổn định Kết quả của quá trình này sẽ hình thành các sản phẩm gỉ Trong môi trường bê tông, quá trình chuyển đổi từ sắt thành các oxit/gỉ đòi hỏi phải có đủ hai thành phần là nước và oxy Các phản ứng hóa học liên quan đến việc trao đổi electron tại giao diện giữa kim loại và nước đƣợc gọi là các phản ứng điện hóa Sản phẩm của các phản ứng này là các oxit sắt và hydroxit sắt:

Fe + H 2 O + O 2 = Fe(OH) 2 / Fe 3 O 4 / Fe 2 O 3 /…

Hình 2.1 Các mức độ suy giảm kết cấu bê tông cốt thép do cốt thép bị ăn mòn [11]

Phản ứng tổng thể này có thể đƣợc chia thành hai phản ứng, đƣợc gọi là phản ứng phân cực ở anode và cathode

Phản ứng anode: xảy ra quá trình oxy hóa sắt tạo thành các ion kim loại màu và sinh ra các electron

Phản ứng cathode: các electron sinh ra từ quá trình oxy hóa sắt ở anode đƣợc hấp thụ bởi oxy có trong nước để tạo thành ion OH 

O 2 + H 2 O + 2e − = 2 OH − Tổng đại số của hai phản ứng này đƣợc gọi là phản ứng tế bào ăn mòn:

Hydroxit sắt Fe(OH) 2 có xu hướng kết tủa trên bề mặt cốt thép và sản phẩm này có thể trải qua nhiều phản ứng để tạo ra nhiều dạng khác nhau của hydroxit và oxit tùy thuộc vào sự sẵn có của oxy, nước và độ pH trong bê tông

Sơ đồ minh họa quá trình đƣợc thể hiện nhƣ Hình 2.2 Các tế bào ăn mòn có thể đƣợc xem nhƣ một mạch điện gồm bốn thành phần: anode, cathode, chất dẫn ion (nước lỗ rỗng) và dây dẫn điện tử (thanh thép)

Hình 2.2 Minh họa tế bào ăn mòn cốt thép trong bê tông [11]

Phản ứng điện hóa sẽ sinh ra dòng điện ăn mòn, các định nghĩa liên quan dòng điện ăn mòn gồm:

- Dòng điện: điện tích trên một đơn vị thời gian (coulomb/s = ampere, A)

- Mật độ dòng điện: dòng điện trên một đơn vị diện tích bề mặt của thép (ampere/mét vuông, A/m 2 )

- Mật độ dòng ăn mòn: mật độ dòng điện (microampere/cm vuông, μA /cm 2 )

Sử dụng định luật Faraday về tính tương đương điện, tốc độ ăn mòn về lượng thép hòa tan tạo thành hydroxit/oxit có thể đƣợc tính toán từ dòng điện sinh ra:

: khối lƣợng của thép trên diện tích bị hòa tan ở anode (g/m 2 ) : mật độ dòng điện (A/m 2 )

: thời gian (s) : khối lƣợng nguyên tử của sắt (55.8 g/mol) n F

: số lƣợng electron phóng thích ở phản ứng anode (n = 2, Fe = Fe 2+ + 2 e − ) : hằng số Faraday (96,487 As/mol)

Giả sử trọng lƣợng riêng của thép là 7.87 kg/dm 3 , định luật Faraday có thể thể hiện lại nhƣ sau: corr corr i

: tốc độ ăn mòn (mm/year) : mật độ dũng điện ăn mũn (àA/cm 2 )

Núi cỏch khỏc, với mật độ dũng ăn mũn 1μA/cm 2 sẽ gõy ăn mũn 11.6 àm trên bề mặt cốt thép mỗi năm

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn

2.1.2.1 Các thông số môi trường và vật liệu

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép Tuy nhiên có ít nhất tám yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn được quan tâm:

( O Cl galv oxide corr f T,F , RH,C , pH, γ, F ,F

F : cung cấp oxy cho nước lỗ rỗng tiếp xúc cực âm trên bề mặt thép

RH : độ ẩm tương đối trong các lỗ rỗng của bê tông

C Cl : nồng độ của các ion clo hòa tan trong nước lỗ rỗng tiếp xúc với các khu vực anode trên bề mặt thép pH : nồng độ pH hoặc nồng độ OH 

 : điện trở suất của bê tông

F galv : tương tác mạ giữa các phần khác nhau của cốt thép oxide

F : ảnh hưởng của oxit (gỉ) hình thành lớp trên tốc độ ăn mòn

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ ăn mòn giống như đối với các phản ứng hóa học Một quy luật chung là khi nhiệt độ tăng thêm 10 o C thì tốc độ phản ứng tăng gấp đôi Tốc độ ăn mòn tăng đáng kể theo sự gia tăng của nhiệt độ ở phạm vi nhiệt độ môi trường bình thường, nhưng ở nhiệt độ cao (khoảng 40 o C) tốc độ ăn mòn bắt đầu giảm do thiếu oxy (độ tan của oxy giảm khi nhiệt độ tăng)

Oxy là một chất phản ứng trong phản ứng ăn mòn, tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào việc cung cấp các chất phản ứng đến khu cực âm của thép Tốc độ cung cấp này phụ thuộc vào độ xốp của bê tông (P), độ ẩm trong các lỗ rỗng (RH), chiều dày lớp bê tông bảo vệ (d), và nhiệt độ (T):

* Độ ẩm tương đối (RH) Độ ẩm có trong hệ thống các lỗ rỗng của bê tông ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn theo ba cách khác nhau:

- Phản ứng ăn mòn chỉ có thể diễn ra trong nước ở dạng lỏng và nước là một chất phản ứng đƣợc tiêu thụ trong phản ứng Điều này đòi hỏi phải có độ ẩm trong các lỗ rỗng tiếp xúc với thép, nếu các lỗ rỗng khô, phản ứng sẽ dừng lại

- Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào việc cung cấp oxy do đó cũng phụ thuộc vào độ ẩm trong các lỗ rỗng của bê tông

- Tốc độ ăn mòn phụ thuộc điện trở suất của bê tông mà điện trở suất thì phụ thuộc vào độ ẩm

Trên bề mặt cốt thép nằm trong bê tông luôn tồn tại một lớp màng thụ động bảo vê cốt thép Khi nồng độ ion clo có trong nước lỗ rỗng tiếp xúc với thép đạt đến giá trị ngƣỡng (nồng độ ion clo giới hạn) Giá trị ngƣỡng trong các nghiên cứu đã được báo cáo rất phân tán, nó phụ thuộc nhiều yếu tố và thường có một giá trị ngưỡng cho một loại bê tông nhất định Nồng độ clo hòa tan trong nước lỗ rỗng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ T, độ pH, độ ẩm RH và loại xi măng (ion clo có thể phản ứng với thành phần C 3 A trong xi măng để tạo thành muối canxi chloroaluminate 3CaO ãAl 2 O 3 ãCaCl 2 ã10H 2 O)

Như vậy nồng độ ion clo có trong nước lỗ rỗng tiếp xúc với thép là một hàm của nhiều yếu tố:

* Độ kiềm (pH) Độ pH của nước lỗ rỗng trong bê tông có thể ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn nhƣ sau:

- Khả năng chống ăn mòn của tế bào ăn mòn tăng khi độ pH giảm;

- Sự giảm độ pH làm gia tăng ion clo vì thế sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn;

- Sự giảm độ pH làm gia tăng tỷ lệ nồng độ [Cl − ]/[OH − ] vì thế sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn

* Điện trở suất của bê tông ( ) Điện trở suất của bê tông ảnh hưởng đến tốc độ của dòng điện (tốc độ di chuyển của các ion giữa hai cực anode và cathode) Dòng điện này tương đương tốc độ ăn mòn Do đó dòng điện ăn mòn có thể đƣợc điều khiển bởi điện trở Độ ẩm trong các lỗ rỗng của bê tông có tác động đáng kể đến điện trở suất, độ ẩm càng cao thì tốc độ ion hóa càng mạnh Ngoài ra độ xốp của bê tông cũng ảnh hưởng đến điện trở suất Vì thế điện trở suất của bê tông là một hàm phụ thuộc nhiều yếu tố:

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn cốt thép là điện trở suất của bê tông Chính vì thế nó phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp bê tông và độ ẩm của bê tông

Cốt thép thụ động có thể tăng tốc tấn công ăn mòn ở cốt thép hoạt động nhƣ một hệ quả của sự khác biệt tiềm năng giữa hai cốt thép Hoạt động này có thể làm tăng 10% tốc độ ăn mòn trong bê tông có điện trở cao và tăng hơn 90% tốc độ ăn mòn trong bê tông có điện trở thấp

* Hình thành lớp gỉ sét (F oxide )

Các lớp gỉ sét hình thành trên bề mặt cốt thép trong quá trình ăn mòn diễn ra rất dày và xốp bao gồm nhiều loại oxit sắt khác nhau Đối với kim loại nói chung, tốc độ ăn mòn thường cao nhất khi bắt đầu tiếp xúc sau đó giảm dần do sự tích tụ của các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt cốt thép

2.1.2.2 Ảnh hưởng của các vết nứt

Các vết nứt trong bê tông sẽ đẩy mạnh hơn nữa sự xâm nhập của các tác nhân gây ăn mòn làm gia tăng tốc độ ăn mòn Các anode và cathode rất nhỏ và hầu nhƣ không thể tách rời nên việc cung cấp oxy cho các cathode là thông qua các vết nứt Đối với các vết nứt vuông góc với cốt thép (nứt ngang), chiều dài ăn mòn bị hạn chế trong khi các vết theo chiều dài thanh thép (nứt dọc) sẽ gây tổn hại đến kết cấu nhiều hơn do chiều dài thanh bị ăn mòn lớn hơn

2.1.3 Mô hình ăn mòn cốt thép

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Từ phân tích của DuraCrete [8, 9], kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Liu và Weyers (1998) [6] và nghiên cứu của Vu và Stewart (2000) [10] tác giả nhận thấy những cơ sở khoa học quan trọng sau có thể sử dụng để phát triển đề tài:

- Theo DuraCrete 2000 [9]: đường kính cốt thép tại thời điểm t tính từ lúc cốt thép bắt đầu bị ăn mòn có thể xác định theo công thức (2.9) khi biết đƣợc mật độ dòng ăn mòn i corr t i t

- Theo Liu và Weyers (1998) [6]: Mật độ dòng ăn mòn i corr tại thời điểm t có thể đƣợc xác định theo công thức (2.5) khi biết đƣợc nhiệt độ tại độ sâu đặt cốt thép

T, điện trở kháng của bê tông R C , nồng độ ion clo trên bề mặt cốt thép

- Theo Vu và Stewart (2000) [10]: Mật độ dòng ăn mòn i corr tại thời điểm t có thể được xác định theo công thức (2.8) khi biết được tỷ lệ nước/xi măng và chiều dày lớp bê tông bảo vệ d t c t w i corr

Tác giả nhận thấy rằng các giá trị về nồng độ clo C Cl , nhiệt độ tại chiều sâu cốt thép T và điện trở kháng R C của bê tông đòi hỏi những thiết bị đo phức tạp và phải theo dõi trong thời gian dài nên công thức (2.5) của Liu và Weyers (1998) [6] khó sử dụng Công thức (2.8) xác định mật độ dòng ăn mòn i corr của Vu và Stewart (2000) [10] đã đƣợc nghiên cứu cải tiến từ mô hình của Liu và Weyers (1998) [6]

Theo công thức này, mật độ dòng ăn mòn i corr tại thời điểm t có thể đƣợc xác định khi biết được tỷ lệ nước/xi măng và chiều dày lớp bê tông bảo vệ Trong luận văn này tác giả sẽ dùng công thức (2.8) để tính mật độ dòng ăn mòn i corr theo thời gian

- Theo Liu và Weyers (1998) [6]: thời gian nứt của lớp bê tông bảo vệ có thể đƣợc xác định theo công thức (2.22) khi biết đƣợc các thông số kỹ thuật của bê tông và mật độ dòng ăn mòn i corr theo thời gian p crit cr k t W

- Theo Rodriguez và cộng sự, 1996 [7] và DuraCrete (1998) [8], bề rộng vết nứt trên bề mặt bê tông có thể ƣớc lƣợng theo công thức (2.23) và (2.24):

Lý thuyết độ tin cậy

Lý thuyết độ tin cậy bắt đầu đƣợc quan tâm và áp dụng trong lĩnh vực xây dựng dân dụng trong những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX Việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy giúp mang lại hiệu suất sử dụng tối đa và an toàn cho công trình

Lý thuyết độ tin cậy kết cấu đƣợc trình bày trong sách “Reliability of Structure”

(2000) của tác giả Andrzej và Kevin [4] Các khái niệm cơ bản và các phương pháp phân tích độ tin cậy đƣợc sử dụng trong luận văn này bao gồm:

- Biến ngẫu nhiên: Một cách tổng quát tải trọng Q và kháng tải R (khả năng chịu lực của kết cấu) là các biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình và độ lệch chuẩn

 được xác định dựa trên phương pháp thống kê hoặc quy định trong tiêu chuẩn thiết kế Tải trọng Q và kháng tải R đƣợc đặt thành các biến số (X 1 ,X 2 , X n );

- Hiệp phương sai CoV(X i ,X j ) của hai biến X i và X j như sau: j i i j j i

(2.25) Nếu X i và X j là biến ngẫu nhiên liên tục thì công thức (2.25) trở thành: j i j i x j x i j i X x x f x x x x

 X là một thông số quan trọng trong tính toán độ tin cậy kết cấu Hệ số tương quan được định nghĩa như sau:

 X thể hiện mức độ phụ thuộc tuyến tính giữa hai biến ngẫu nhiênX i và X j Nếu j i X

 X tiến gần 1 thì hai biến X i và X j phụ thuộc tuyến tính

Nếu  X i X j tiến gần 0 thì không phụ thuộc tuyến tính

- Hàm trạng thái giới hạn g là một hàm của các biến ngẫu nhiên tải trọng và kháng tải:

Công thức (2.28) cho thấy g là một hàm số của các biến X i , g(X 1 ,X 2 X n ) Nếu g 0 kết cấu bị phá hủy, g0 kết cấu an toàn

- Xác suất phá hủy (probability of failure), P f

- Xác suất an toàn (probability of safe performance), P s f s P

Nếu R và Q là các biến ngẫu nhiên liên tục Hàm mật độ xác suất (probability density function, PDF) của tải trọng Q, kháng tải R và hàm trạng thái giới hạn g = R - Q đƣợc mô tả nhƣ Hình 2.8

Hình 2.8 Các hàm mật độ xác suất PDF và vùng xác suất phá hủy [4]

- Chỉ số độ tin cậy  : Để thuận tiện trong việc phân tích, các biến ngẫu nhiên R và Q sẽ đƣợc đƣa về dạng biến chuẩn Z R và Z Q nhƣ sau:

Hàm trạng thái giới hạn g(R,Q)RQ thể hiện ở dạng biến chuẩn nhƣ sau:

Chỉ số độ tin cậy là khoảng cách ngắn nhất từ gốc tọa trong hệ trục tọa độ  Z R OZ Q  đến đường trạng thái giới hạn g(Z R ,Z Q )0 như mô tả trong Hình 2.9

Hình 2.9 Đồ thị xác định chỉ số độ tin cậy [4]

 R : giá trị trung bình của kháng tải R

 Q : giá trị trung bình của tải Q

 R : độ lệch chuẩn của kháng tải R

 Q : độ lệch chuẩn của tải Q

2.3.2 Các phương pháp đánh giá độ tin cậy

Hai phương pháp đánh giá độ tin cậy được dùng phổ biến là phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất FORM (First Order Reliability Method)

* Phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là một kỹ thuật đặc biệt có thể sử dụng để tạo ra kết quả số mà không cần làm thêm bất kỳ thí nghiệm nào Giả sử có N kết quả thí nghiệm, ta đặt các kết quả thí nghiệm này trong một cái giỏ nhƣ Hình 2.10

Bây giờ giả sử ta cần một tổ hợp n kết quả thí nghiệm, thay vì phải làm n thí nghiệm bổ sung ta có thể chọn ngẫu nhiên n kết quả từ N kết quả trong túi

Hình 2.10 Kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo [4] Đánh giá hàm trạng thái giới hạn g(x): Giả sử ta có N mẫu đánh giá ngẫu nhiên của hàm trạng thái giới hạn theo các biến ngẫu nhiên, khi đó xác suất phá hủy của kết cấu sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo sẽ được xác định bởi công thức nhƣ sau:

N : là tổng số mẫu đánh giá hàm trạng thái giới hạn g(x) theo các biến ngẫu nhiên n : là số mẫu đánh giá trong N mẫu có hàm trạng thái giới hạn g(x) < 0

Công thức xác định số lƣợng mẫu đánh giá tối thiểu N để đảm bảo xác suất phá hủyP f theo yêu cầu với độ sai số V P cho phép của phương pháp Monte Carlo: f P f

Giả sử xác xuất phá hủy dự kiến là P f 10  4 , với sai số V P 10%, số lƣợng mẫu đánh giá tối thiểu là:

* Phương pháp độ tin cậy bậc nhất FORM

Phương pháp này sử dụng cho cả bài toán có hàm trạng thái giới hạn là hàm hiện và hàm ẩn theo các biến Hình vẽ minh họa quá trình tìm chỉ số độ tin cậy theo phương pháp FORM được thể hiện như Hình 2.11

Hình 2.11 Hình vẽ minh họa quá trình tìm chỉ số độ tin cậy theo FORM [4]

Các bước thực hiện của phương pháp FORM như sau:

- Bước 1: Xây dựng hàm trạng thái giới hạn là một hàm ẩn của các biến ngẫu nhiên X i

- Bước 2: Thiết lập điểm thiết kế ban đầu {x* i } của các biến ngẫu nhiên X i (thường chọn giá trị trung bình)

- Bước 3: Xác định các biến chuẩn {z* i } tương ứng với các điểm thiết kế ban đầu {x* i } i i x x i i z x

- Bước 4: Xác định đạo hàm riêng của hàm trạng thái giới hạn tương ứng với các biến chuẩn Để thuận tiện ta xây dựng một véc-tơ cột G với giá trị mỗi hàng là đạo hàm riêng tại điểm thiết kế của mỗi biến nhân với -1

G trong đó point design at evaluated i i Z

Xác định điểm thiết kế mới bằng cách:

Dùng phương pháp sai phân hữu hạn để tính toán

 evaluated at design point evaluated at design point

- Bước 5: Tính toán xác định giá trị  mới theo công thức

- Bước 6: Tính véc-tơ cột {α} chứa các yếu tố độ nhạy theo công thức

- Bước 7: Tính các véc-tơ cột   z new và   x new new new α z  , x new μz new σ (2.45)

- Bước 8: Xác định điều kiện dừng của bài toán

Lưu đồ tính toán chỉ số độ tin cậy theo phương pháp FORM được mô tả trong Hình 2.12

Hình 2.12 Lưu đồ tìm chỉ số độ tin cậy theo phương pháp FORM [4]

Dữ liệu của bài toán

Công trình được chọn để phân tích là công trình Trường tiểu học được xây dựng tại xã Thừa Đức, huyện Bình Đại, tỉnh Bến Tre Thông tin cơ bản về công trình nhƣ sau:

- Vị trí xây dựng: công trình xây dựng cách bờ biển 1km chịu ảnh hưởng của khí hậu vùng bờ biển cho nên cần áp dụng tiêu chuẩn TCVN 9396: 2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển [12] Một số quy định cụ thể: cấp độ bền bê tông là B25, chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép là 40mm (tính từ mặt bê tông tới mép ngoài cốt đai), độ sụt hỗn hợp bê tông nhỏ hơn 8cm, hàm lƣợng xi măng tối thiểu trong 1m 3 bê tông là 350kg/m 3 , hàm lƣợng tối đa là 500kg/m 3

- Quy mô: công trình có quy mô 3 tầng, chiều cao mỗi tầng 3.6m, chiều cao mái 3m;

- Loại, cấp công trình: công trình dân dụng, cấp III (tuổi thọ đến 50 năm);

- Giải pháp cấu tạo chính là khung bê tông cốt thép đổ tại chỗ, tường bao che xây gạch đất sét nung sơn nước hoàn thiện, mái lợp ngói;

- Tải trọng tác dụng lên công trình đƣợc tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737:2006 – Tải trọng & tác động – tiêu chuẩn thiết kế

Công trình đƣợc tính toán theo sơ đồ khung không gian, sử dụng phần mềm SAP2000 để hỗ trợ tính nội lực Phạm vi đề tài sẽ phân tích độ tin cậy một khung bê tông cốt thép điển hình có nội lực lớn và nguy hiểm nhất

Sơ đồ khung và ký hiệu các cấu kiện đƣợc thể hiện ở Hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ khung và ký hiệu các cấu kiện

3.1.2 Các thông số tính toán

3.1.2.1 Kích thước hình học và nội lực tính toán (xem Bảng 3.1)

Kích thước hình học của các cấu kiện được lựa chọn theo yêu cầu kiến trúc, giá trị nội lực tính toán và hàm lượng cốt thép Sai lệch kích thước hình học căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 4453 – 1995 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu [3]

Nội lực tính toán lấy theo tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất trong các trường hợp tổ hợp tải trọng theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế Nội lực đƣợc tính toán bằng phần mềm SAP 2000 Đối với bài toán tính cột, tác giả đã tính toán kiểm tra cho từng trường hợp tổ hợp tải trọng và chọn tổ hợp nguy hiểm nhất để phân tích

Bảng 3.1: Tên cấu kiện - tiết diện - nội lực tính toán

STT Tên cấu kiện - mặt cắt Kích thước tiết diện (bxh)

10 Gối trái dầm D10 (Gtr) 25cmx55cm 97.9

11 Nhịp dầm D10 (Nhịp) 25cmx55cm 92.6

12 Gối phải dầm 10 (Gph) 25cmx55cm 107.1

13 Gối trái dầm D11 (Gtr) 25cmx35cm 34.2

14 Nhịp dầm D11 (Nhịp) 25cmx35cm 8.3

15 Gối phải dầm D11 (Gph) 25cmx35cm 25.1

16 Gối trái dầm D12 (Gtr) 25cmx55cm 88.1

17 Nhịp dầm D12 (Nhịp) 25cmx55cm 90.4

18 Gối phải dầm D12 (Gph 25cmx55cm 91.5

19 Gối trái dầm D13 (Gtr) 25cmx35cm 19.7

20 Nhịp dầm D13 (Nhịp) 25cmx35cm 10.2

21 Gối phải dầm D13 (Gph) 25cmx35cm 18.3

22 Gối trái dầm D14 (Gtr) 25cmx45cm 48.5

23 Nhịp dầm D14 (Nhịp) 25cmx45cm 62.2

24 Gối phải dầm D14 (Gph) 25cmx45cm 64.0

25 Gối trái dầm D15 (Gtr) 25cmx30cm 22.2

26 Nhịp dầm D15 (Nhịp) 25cmx30cm 7.0

27 Gối phải dầm D15 (Gph) 25cmx30cm 8.7

3.1.2.2 Các thông số của biến ngẫu nhiên

Tiêu chuẩn TCVN 4453 – 1995 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối - Quy phạm thi công và nghiệm thu [3] đƣợc sử dụng để xác định sai số cho phép về kích thước hình học, đường kính cốt thép Tiêu chuẩn TCVN 6016:2011 Xi măng – Phương pháp thử - Xác định cường độ [13], TCVN 9396: 2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển [12] được sử dụng để xác định tỷ lệ nước/xi măng của hỗn hợp bê tông

Các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các biến ngẫu nhiên đƣợc xác định nhƣ Bảng 3.2

Bảng 3.2: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các biến ngẫu nhiên

STT Tên biến ngẫu nhiên Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn

Căn cứ tiêu chuẩn, quy phạm

1 Chiều cao tiết diện h ± 8mm Mục 7.2.2

2 Chiều rộng tiết diện b ± 8mm Mục 7.2.2

3 Cường độ chịu nén tính toán của bê tông (cấp độ bền B25)

5 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

7 Tỷ lệ nước/xi măng 0.5 ± 0.1 TCVN 9346:2012

Tính giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của tỷ lệ nước/xi măng (N/X) trong thiết kế cấp phối bê tông cấp độ bền B25 (M350) Thành phần cấp phối bê tông mác 350 được thiết kế theo phương pháp Bolomey – Skramtaev áp dụng cho trường hợp thiết kế cấp phối bê tông thông thường (giáo trình Vật liệu xây dựng của tác giả Phùng Văn Lự [14]):

- A: là hệ số được xác định theo chất lượng cốt liệu và phương pháp xác định mác xi măng.;

- R b : là mác bê tông thiết kế (mác 350);

- N X : là tỷ lệ xi măng/nước Điều kiện áp dụng là

Căn cứ theo tiêu chuẩn TCVN 9346: 2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường biển [13], để đảm bảo đồng thời mác bê tông theo cường độ nén và độ chống thấm nước (hạn chế tối đa độ rỗng của kết cấu bê tông), thành phần hỗn hợp bê tông thiết kế phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

- Hàm lƣợng xi măng tối thiểu trong 1m 3 bê tông đối với vùng khí quyển biển là 350kg/m 3 , hàm lƣợng tối đa là 500kg/m 3

- Hỗn hợp bê tông dùng loại có độ sụt thấp và không quá 8cm Đối với kết cấu cột, dầm, sàn bê tông cốt thép độ sụt yêu cầu là 4 ÷ 8cm (tương ứng với lượng nước yêu cầu từ 193 lít đến 208 lít trong 1m 3 bê tông) Chọn lượng nước cho 1m 3 hỗn hợp bê tông là 200 lít

Ta có điều kiện tổng hợp của nước và xi măng

Từ đó ta xác định được tỷ lệ nước/xi măng N/X (hay w/c) có giá trị trung bình là 0.485 và độ lệch chuẩn là 0.085

3.1.2.3 Các thông số của vật liệu

+ Cường độ chịu nén: R b 14.5MPa + Cường độ chịu kéo: R bt 1.05MPa + Mô-đun đàn hồi: E b 3010 3 MPa

+ Hệ số Poisson:  c 0.2 + Hệ số điều kiện làm việc của bê tông:  b 0.9 - Cốt thép nhóm AII:

+ Cường độ chịu kéo nén cốt thép dọc: R s 280MPa + Cường độ chịu kéo nén cốt thép ngang: R sw 225MPa + Mô-đun đàn hồi: E s 2110 4 MPa

+ Hệ số theo điều kiện hạn chế:  R 0.632  R 0.432 + Hàm lƣợng cốt thép tối thiểu:  m in 0.05%

+ Hàm lƣợng cốt thép tối đa đối với cấu kiện chịu uốn:

+ Hàm lƣợng cốt thép tối đa đối với cấu kiện chịu nén:  m ax 3%

Phân tích độ tin cậy của dầm

3.2.1.1 Bài toán tính cốt thép dầm chịu uốn

Từ kết quả phân tích nội lực tính toán và bố trí thép cho các tiết diện của dầm theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, dầm đƣợc tính toán theo bài toán bố trí cốt đơn

Trường hợp bố trí 2 loại thép có đường kính khác nhau, để đơn giản tính toán, tác giả chọn thanh thép có đường kính lớn để tính giá trị h 0 :

- Tính diện tích cốt thép A s s b b s R h

- Chọn thép và kiểm tra hàm lƣợng thép , so sánh với  m in , m ax

3.2.1.2 Bài toán kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm theo kết quả chọn thép

Từ kết quả chọn và bố trí thép ta tính đƣợc khả năng chịu mô-men của dầm:

- Thay công thức (3.5) vào công thức (3.6), ta đƣợc:

- Khả năng chịu mô-men của dầm:

- Thay công thức (3.7) vào công thức (3.8), ta đƣợc:

- Trường hợp bố trí nhiều loại thép có đường kính khác nhau

3.2.1.3 Bài toán phân tích độ tin cậy khả năng chịu lực của dầm theo kết quả chọn thép và theo thời gian

Như đã trình bày ở Chương 1, đường kính cốt thép là một hàm của thời gian và mật độ dòng ăn mòn i corr nhƣ trình bày trong công thức (2.9) Thay công thức (2.8) (xác định mật độ dòng ăn mòn i corr theo thời gian của Vu và Stewart (2000) [4]) vào công thức (2.9), ta được công thức xác định đường kính còn lại của cốt thép tại thời điểm t tính từ lúc cốt thép bắt đầu bị ăn mòn là một hàm của tỷ lệ nước/xi măng (w/c) và chiều dày lớp bê tông bảo vệ (d) nhƣ công thức (3.13): d t t c w/ ) 1 64 0 29 1

Công thức (3.12) đƣợc viết lại: d t c w/ ) 1 64 0 71 1

Thay công thức (3.13) vào công thức (3.11), ta đƣợc:

Hàm trạng thái giới hạn khả năng chịu uốn của dầm: g(x) = [M] – M

Từ công thức (3.15) ta nhận thấy hàm trạng thái giới hạn khả năng chịu uốn của dầm là một hàm phi tuyến của các biến ngẫu nhiên b, h 0 ,, R b , w/c, dvà là hàm giảm theo thời gian do đường kính cốt thép giảm theo thời gian Đề tài sẽ dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phương pháp độ tin cậy bậc nhất (FORM) để đánh giá độ tin cậy khả năng chịu uốn của dầm theo thời gian

3.2.1.4 Bài toán xác định thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ và thời gian bề rộng vết nứt mở rộng đến 1mm

Theo mô hình của Liu và Weyers (1998) [6] từ công thức (2.18), (2.20), (2.22) ta xác định thời gian xuất hiện vết nứt đầu tiên t crack 0

Từ công thức (2.23) và (2.24) ta sẽ xác định đƣợc thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm t crack 1

Từ kết quả phân tích nội lực ở Bảng 3.1 ta chọn một tiết diện điển hình để phân tích độ tin cậy Trong bài toán này tác giả chọn tiết diện tại gối phải dầm D10 có các thông số: M = 10710KNm, kích thước mặt cắt ngang 25cmx55cm, diện tích thép theo tính toán 8.35cm 2 Minh họa mặt cắt ngang của dầm nhƣ trong Hình 3.2

Hình 3.2 Minh họa mặt cắt ngang của dầm

3.2.2.1 Bài toán 1: Tính cốt thép và kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm theo kết quả chọn thép

Kết quả tính và chọn thép đƣợc trình bày trong Bảng 3.3

Bảng 3.3: Các phương án chọn và bố trí thép gối phải dầm D10

(daNm) (cm) (cm 2 ) (cm 2 ) (%) (daNm) (%) 1 10710 49.4 8.35 2ỉ20+1ỉ18 8.83 0.71 11276 5.28 2 10710 49.4 8.35 3ỉ20 9.43 0.76 11970 11.77 3 10710 49.4 8.35 2ỉ22+1ỉ16 9.61 0.78 12186 13.78 4 10710 49.4 8.35 2ỉ22+1ỉ18 10.15 0.82 12798 19.50

Nhận xét: Việc chọn và bố trí thép sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu Thông thường việc chọn thép khi thiết kế sẽ bị chi phối bởi các yếu tố như tính kinh tế, sự liên tục của các thanh thép, hạn chế sử dụng nhiều loại thép trong cùng tiết diện, hạn chế nối thép, thuận tiện thi công,v.v Ở đây tác giả sẽ phân tích các trường hợp chọn thép có thể xảy ra và đồng thời khống chế theo điều kiện sai lệch khả năng chịu lực ∆M không vƣợt quá 20% so với mô-men do tải trọng

3.2.2.2 Bài toán 2: Phân tích độ tin cậy của dầm theo các trường hợp chọn thép

Dùng chương trình Matlab để tự động hóa tính toán Kết quả phân tích được trình bày trong Bảng 3.4

Bảng 3.4: Chỉ số độ tin cậy theo các trường hợp chọn thép gối phải dầm D10

∆M Phương pháp Monte Carlo (số mẫu ngẫu nhiên 10 6 mẫu)

Phương pháp FORM Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy

Hình 3.3 Chỉ số độ tin cậy theo các trường hợp chọn thép gối phải dầm D10

Nhận xét: Đối với các trường hợp chọn thép sao cho khả năng chịu mô-men của tiết diện lớn hơn mô-men do tải trọng từ 10% trở lên thì chỉ số độ tin cậy của dầm sẽ nằm trong giới hạn an toàn

3.2.2.3 Bài toán 3: Xác định thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ, thời gian bề rộng vết nứt mở rộng đến 1mm và thời gian chỉ số độ tin cậy kết cấu đạt đến ngƣỡng an toàn  = 3

Chọn trường hợp bố trớ thộp cho dầm là 3ỉ20 cú ∆M = 11.8% và chỉ số độ tin cậy thiết kế ban đầu là  = 4.435 (Phương pháp Monte Carlo) để tính toán

Thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ

Các số liệu tính toán:

- Đường kính thép D = 2cm (0.0656 ft),

- Chiều dày lớp bê tông bảo vệ - Chiều dày vùng xốp

C = 4.6cm (0.1509 ft) d 0 = 12.5 μm (41x10 -6 ft), - a = 0.5(D + 2d 0 ) = 0.0328ft, b = C + a = 0.1838 ft,

- Khối lƣợng riêng sản phẩm ăn mòn  rust = 3600 kg/m 3 (225 lb/ft 3 ),

- Cường độ chịu kéo của bê tông f t '1.05MPa - Mô-đun đàn hồi của bê tông (B25 ) E c 30000 MPa - Hê số hiệu quả của bê tông  ef  2

- Mô-đun đàn hồi hiệu quả của bê tông E ef  E c /(1 ef )10000MPa

- Tỷ lệ nước/xi măng w/c = 0.485

- Mật độ dòng ăn mòn i corr 0.7437 mA/ft 2

Từ công thức (2.18) và các công thức trung gian ta tính đƣợc lƣợng sản phẩm ăn mòn tới hạn lb/ft2

Từ công thức (2.20) ta tính đƣợc tốc độ sản xuất gỉ

Từ công thức (2.22) ta tính đƣợc thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ

Thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm

- Chiều sâu ăn mòn cốt thép tại thời điểm bắt đầu nứt t crack 0 , theo DuraCrete 1998 [8]: μm 1 77

- Chiều sâu ăn mòn cốt thép khi bề rộng vết nứt mở rộng đến 1mm μm 1 172 1 01 77

- Thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm (chiều sâu ăn mòn 172.1μm)

Tính toán tương tự ta sẽ tìm được thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ và thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm đối với các thanh thép có đường kính khác nhau Kết quả tính toán đƣợc trình bày trong Bảng 3.5

Bảng 3.5: Thời gian nứt lớp bê tông bảo vệ của các thanh thép

STT Loại thép Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

Thời điểm xuất hiện vết nứt t crack0

Thời điểm vết nứt rộng 1mm, t crack1

Nhận xét: Từ kết quả tính toán ở Bảng 3.5 nhận thấy vết nứt dọc xuất hiện sớm hơn đối với những thanh thép có đường kính nhỏ hơn, tuy nhiên thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm sẽ diễn ra nhanh hơn đối với những thanh thép có đường kính lớn hơn Chính vì thế để xác định thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn t 0 và dự báo tuổi thọ còn lại của kết cấu công trình tác giả sẽ chọn thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên trên cấu kiện và thời điểm vết nứt mở rộng đến 1mm để xác định

3.2.2.4 Bài toán 4: Phân tích độ tin cậy khả năng uốn của dầm theo thời gian

Trong vớ dụ này, tỏc giả chọn trường hợp bố trớ thộp cho dầm 3ỉ20 cú độ sai lệch khả năng chịu uốn ∆M = 11.8% và chỉ số độ tin cậy khả năng chịu uốn theo thiết kế là  = 4.435 (Phương pháp Monte Carlo) để phân tích độ tin cậy khả năng chịu uốn của dầm theo thời gian Tác giả cũng sẽ xác định độ tin cậy kết cấu, xác suất phá hủy, chỉ số độ tin cậy theo thời gian và tại các thời điểm quan trọng nhƣ: thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt t crack0 thời điểm vết nứt mở rộng đến 1mm t crack1 và thời điểm chỉ số độ tin cậy kết cấu đạt đến ngƣỡng an toàn  3

Bảng 3.6: Độ tin cậy của tiết diện gối phải dầm D10 theo thời gian

Khả năng chịu mô- men Đường kính cốt thép theo thời gian

PP Monte Carlo (số mẫu ngẫu nhiên 10 6 mẫu) Phương pháp FORM Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy

Hình 3.4 Chỉ số độ tin cậy theo thời gian của tiết diện gối phải dầm D10

Nhận xét: Kết quả phân tích độ tin cậy khả năng chịu uốn của tiết diện gối phải dầm D10 theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phương pháp FORM cho kết quả gần giống nhau Tuy nhiên, hàm trạng thái giới hạn của bài toán này là hàm phi tuyến bậc 4 nên phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho kết quả đáng tin cậy hơn do phân tích trực tiếp từ hàm trạng thái giới hạn còn phương pháp FORM phải tuyến tính hóa hàm trạng thái giới hạn trước khi phân tích Kết quả phân tích thể hiện ở Hình 3.4 cho thấy nếu chọn mốc thời gian là lúc vết nứt trên bề mặt bê tông dọc theo cốt thép có bề rộng 1mm thì tuổi thọ còn lại của dầm đến khi chỉ số độ tin cậy đạt đến giới hạn an toàn là: t = t p – t crack1 = 16 – 6.02 = 9.98 năm.

Phân tích độ tin cậy của cột

3.3.1.1 Bài toán tính cốt thép cột

Từ kết quả phân tích nội lực tính toán và bố trí thép cho cột theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành Cột được tính toán theo bài toán bố trí cốt thép đối xứng Trường hợp bố trí 2 loại thép có đường kính khác nhau, để đơn giản tính toán, tác giả chọn thanh thép có đường kính lớn để tính giá trị h 0 , trình tự tính toán như sau:

- Tính mô-men quán tính của tiết diện, hệ số  , tính độ lệch tâm

- Tính độ mảnh của cột i l 0

  (3.20) trong đó: i là bán kính quán tính của tiết diện ngang đối với trọng tâm tiết diện

- Tính hệ số ảnh hưởng của hiện tượng uốn dọc:

+ Nếu  14 thì bỏ qua hiện tƣợng uốn dọc, lấy 1 + Nếu 14 thì xét ảnh hưởng của hiện tượng uốn dọc, tính  như sau: h N

- Tính độ lệch tâm: a h e e 0 0.5  (cm) (3.25)

- Tính chiều cao vùng bê tông chịu nén: b γ R x N b b

- Nếu x  R h 0 : trường hợp lệch tâm bé, tính lại chiều cao vùng bê tông chịu nén

- Nếu x R h 0 : trường hợp lệch tâm lớn

3.3.1.2 Bài toán kiểm tra khả năng chịu nén của cột

- Tính mô-men quán tính của tiết diện

- Tính chiều cao vùng bê tông chịu nén b R

- Nếu x  R h 0 : trường hợp lệch tâm bé, tính lại chiều cao vùng bê tông chịu nén theo công thức (3.28), khả năng chịu lực của tiết diện e a h A R x h x N b b ( 0.5 ) s ' s ( ')

- Nếu x R h 0 : trường hợp lệch tâm lớn

3.3.1.3 Bài toán xác định thời gian nứt của lớp bê tông bảo vệ, thời gian bề rộng vết nứt mở rộng đến 1mm

Theo mô hình của Liu và Weyers (1998) [6], từ công thức (2.18, (2.20) và (2.22) ta xác định thời gian xuất hiện vết nứt đầu tiên t crack0

Từ công thức (2.23) và (2.24) ta sẽ xác định đƣợc thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm t crack1

3.3.1.4 Bài toán phân tích độ tin cậy khả năng chịu nén của cột theo thời gian

Thay công thức (3.13) vào các công thức (3.36), (3.37) và (3.38), ta đƣợc công thức xác định khả năng chịu nén của cột khi cốt thép bị ăn mòn theo thời gian

- Nếu x   R h 0 : trường hợp lệch tâm bé e a d h t c n w

- Nếu x R h 0 : trường hợp lệch tâm lớn

Hàm trạng thái giới hạn khả năng chịu nén của cột xác định nhƣ sau: g(x) = [N] – N (3.42)

- Nếu x   R h 0 : trường hợp lệch tâm bé e N a d h t c n w

- Nếu x R h 0 : trường hợp lệch tâm lớn

Từ công thức (3.43), (3.44) và (3.45), ta nhận thấy hàm trạng thái giới hạn khả năng chịu nén của cột là một hàm phi tuyến của các biến ngẫu nhiên d c w h b, 0 ,, / , và là hàm giảm theo thời gian do đường kính cốt thép giảm theo thời gian Đề tài sẽ dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phương pháp độ tin cậy bậc nhất (FORM) để đánh giá độ tin cậy khả năng chịu nén của cột theo thời gian

Từ kết quả phân tích nội lực ở Bảng 3.1, tác giả chọn một cột điển hình (cột trệt trục 1) để phân tích, các thông số nhƣ sau: N = 450.6KN, M = 32.2KNm, N l 352KN, M l = 17.3KNm, kích thước mặt cắt ngang 25cmx45cm

Hình 3.5 Minh họa mặt cắt ngang cột

3.3.2.1 Bài toán 5: Tính cốt thép cột và kiểm tra khả năng chịu nén của Cột 1

Bảng 3.7: Kết quả tính thép cột và khả năng chịu nén của Cột 1

3.3.2.2 Bài toán 6: Phân tích độ tin cậy khả năng chịu nén của Cột 1 theo các trường hợp chọn thép

Bảng 3.8: Độ tin cậy khả năng chịu nén của Cột 1 theo các trường hợp chọn thép

Phương pháp Monte Carlo (số mẫu ngẫu nhiên 10 6 mẫu) Phương pháp FORM t p Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy

Nhận xét: Kết quả phân tích ở Bảng 3.7 và Bảng 3.8 cho thấy với bài toán thiết kế thông thường khi xem các thông số kích thước hình học, đường kính cốt thép, cường độ bê tông, tỷ lệ nước/xi măng, chiều dày lớp bê tông bảo vệ là hằng số thì khả năng chịu nén của cột đảm bảo yêu cầu Tuy nhiên khi phân tích độ tin cậy thì các thông số trên đƣợc xem là các biến ngẫu nhiên nên khả năng chịu nén của cột có độ tin cậy nhất định Chính vì thế đối với kết cấu bê tông cốt thép đặc biệt là kết cấu bê tông cốt thép nằm trong vùng chịu ảnh hưởng bởi các tác nhân gây ăn mòn, tác giả đề nghị chọn tiết diện cột và bố trí cốt thép sao cho chỉ số độ tin cậy ban đầu của kết cấu nằm trong khoảng  = 4÷5 Việc chọn lựa này đảm bảo thời gian từ lúc cốt thép bắt đầu bị ăn mòn đến khi chỉ số độ tin cậy kết cấu đạt đến ngƣỡng an toàn ( =3) khoảng từ 15 đến 20 năm nhằm đảm bảo an toàn và tuổi thọ thiết kế đồng thời có đủ thời gian để đơn vị quản lý sử dụng công trình có kế hoạch sửa chữa hoặc di dời Đối với Cột 1, tỏc giả chọn trường hợp bố trớ thộp 3ỉ16+3ỉ16 cú chỉ số độ tin cậy theo thiết kế là  = 4.32 và thời gian chỉ số độ tin cậy đạt đến ngƣỡng an toàn là t p = 16.5 năm để phân tích độ tin cậy của Cột 1 theo thời gian

3.3.2.3 Bài toán xác định thời gian nứt của lớp bê tông bảo vệ, thời gian bề rộng vết nứt mở rộng đến 1mm

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép cột là 4.6cm nên sử dụng kết quả tính toán ở Bảng 3.5 ta đƣợc t crack0 = 1.52 năm, t crack1 = 6.23 năm

3.3.2.4 Bài toán 7: Phân tích độ tin cậy khả năng chịu nén của Cột 1 theo thời gian

Trong bài toán này ta sẽ xác định độ tin cậy khả năng chịu nén của Cột 1 theo thời gian từ khi cốt thép bắt đầu bị ăn mòn đến khi chỉ số độ tin cậy đạt đến ngƣỡng an toàn  3 Đồng thời ta cũng xác định độ tin cậy tại các thời điểm quan trọng nhƣ: thời điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt t crack0 và thời điểm vết nứt mở rộng đến 1mm t crack1 , từ đó xác định đƣợc xác suất phá hủy của Cột 1 tại các thời điểm này Kết quả phân tích trình bày trong Bảng 3.9

Bảng 3.9: Độ tin cậy của Cột 1 theo thời gian

Khả năng chịu lực dọc Đường kính cốt thép theo thời gian

PP Monte Carlo (số mẫu ngẫu nhiên 10 6 mẫu) Phương pháp FORM Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy Độ tin cậy kết cấu

Chỉ số độ tin cậy

Hình 3.6 Độ tin cậy của Cột 1 theo thời gian

Nhận xét: Kết quả phân tích độ tin cậy của cột theo phương pháp mô phỏng Monte

Carlo và phương pháp FORM cho kết quả gần giống nhau Tuy nhiên phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho kết quả đáng tin cậy hơn do phân tích trực tiếp từ hàm trạng thái giới hạn còn phương pháp FORM phải tuyến tính hóa hàm trạng thái giới hạn trước khi phân tích Kết quả phân tích ở Hình 3.6 cho thấy nếu chọn mốc thời gian là lúc vết nứt trên bề mặt bê tông dọc theo cốt thép cột có bề rộng 1mm thì tuổi thọ còn lại của Cột 1 đến khi chỉ số độ tin cậy đạt giới hạn an toàn ( = 3) là: t = t p – t crack1 = 16.5 – 6.23 = 10.27 năm.

Phân tích độ tin cậy của khung bê tông cốt thép theo thời gian

Từ kết quả phân tích độ tin cậy của dầm và cột ở trên ta sẽ chọn phương án bố trí thép tối ƣu nhất sao cho khả năng chịu lực của tất cả dầm và cột trong khung sẽ suy giảm tương đối đồng đều theo thời gian Đồng thời thời gian chỉ số độ tin cậy của tất cả cấu kiện đạt đến ngƣỡng an toàn gần bằng nhau Việc chọn lựa này có ý nghĩa rất quan trọng, nó đảm bảo rằng không có kết cấu nào bị phá hủy quá sớm trong khi các kết cấu khác vẫn còn khả năng chịu lực với độ tin cậy còn cao

Bảng 3.10: Kết quả tính và chọn thép dầm khung Tên cấu kiện

Tên tiết diện b h M A s tớnh Chọn thộp A s chọn à

(cm) (cm) (daNm) (cm 2 ) (cm 2 ) (%)

Gối trỏi 25 45 4850 5.40 2ỉ16+1ỉ14 5.56 0.56 Nhịp 25 45 6220 7.08 2ỉ18+1ỉ16 7.10 0.72 Gối phải 25 45 6400 7.31 2ỉ18+1ỉ16 7.10 0.72

Gối phải 25 30 870 1.30 2ỉ14 thộp cấu tạo

Nhận xét: Từ bài toán tính và chọn thép cho tiết diện điển hình ờ Bài toán 1, ta chọn thép cho các tiết diện của dầm đảm bảo các yếu tố nhƣ: tính kinh tế, sự liên tục của các thanh thép, hạn chế sử dụng nhiều loại thép trong cùng tiết diện, hạn chế nối thép, thuận tiện thi công,v.v đồng thời đảm bảo chỉ số độ tin cậy ban đầu của kết cấu trong trong giới hạn an toàn

Kết quả phân tích độ tin cậy của dầm khung đƣợc trình bày trong Bảng 3.11

Bảng 3.11: Độ tin cậy theo thiết kế của dầm khung và thời gian chỉ số độ tin cậy xấp xỉ ngƣỡng an toàn  = 3

M Chọn thép [M] ∆M Chỉ số độ tin cậy t p

Gối trỏi 9890 2ỉ20+1ỉ18 11276 14.0 4.79 18.5 Nhịp 9260 2ỉ20+1ỉ16 10647 15.0 4.76 18.0 Gối phải 10710 3ỉ20 11970 11.8 4.48 16.0

Gối trỏi 9170 2ỉ18+1ỉ20 10572 15.3 5.33 22.0 Nhịp 9340 2ỉ18+1ỉ20 10572 13.2 4.81 17.0 Gối p ải 9250 2ỉ18+1ỉ20 10572 14.3 5.09 19.5

Gối trỏi 4850 2ỉ16+1ỉ14 5763 18.8 5.32 19.0 Nhịp 6220 2ỉ18+1ỉ16 7228 16.2 4.98 19.5 Gối phải 6400 2ỉ16+1ỉ20 7287 13.9 4.83 17.0

Gối phải 870 2ỉ14 thộp bố trớ theo gối trỏi

Bảng 3.12: Độ tin cậy theo thiết kế của cột khung và thời gian chỉ số độ tin cậy xấp xỉ ngƣỡng an toàn  = 3

A s chọn à Chỉ số độ tin cậy t p

(cm) (cm) (KN) (KNm) (cm 2 ) (cm 2 ) (%) (năm) Cột 1 25 45 450.6 30.2 8.37 6ỉ16 12.07 1.22 4.33 16.5

Nhận xét: Kết quả phân tích ở Bảng 3.11, Bảng 3.12 cho thấy tại thời điểm t p = 16 năm, chỉ số độ tin cậy kết cấu tại mặt cắt gối phải dầm D10 đạt đến ngƣỡng an toàn

 = 3 Ta sẽ phân tích độ tin cậy của các dầm và cột trong khung theo thời gian và chọn điểm dừng tại thời điểm này

3.4.2 Quá trình ăn mòn - nứt của khung

Bảng 3.13: Quá trình ăn mòn - nứt của khung

Chọn th p Các thời điểm trong quá trình ăn mòn - nứt

Thời điểm bắt đầu ăn mòn t 0

Thời điểm xuất hiện vết nứt t crack0

Thời điểm vết nứt rộng

Thời điểm độ tin cậy đến giới hạn an toàn, t p

3.4.3 Phân tích độ tin cậy của khung bê tông cốt thép tại các thời điểm trong quá trình ăn mòn - nứt của khung

Bảng 3.14: Chỉ số độ tin cậy của dầm và cột khung

Chỉ số độ tin cậy tại các thời điểm trong quá trình ăn mòn - nứt

Thời điểm bắt đầu ăn mòn t 0

Thời điểm xuất hiện vết nứt t crack0

Thời điểm vết nứt rộng 1mm, t crack1

Thời điểm chỉ số độ tin cậy gối phải dầm D10 đến giới hạn an toàn, t p10

Thời điểm chỉ số độ tin cậy đến giới hạn an toàn, t p

Bảng 3.15: Xác suất phá hủy của dầm và cột khung

Xác suất phá hủy tại các thời điểm trong quá trình ăn mòn (%)

Thời điểm bắt đầu ăn mòn t 0

Thời điểm xuất hiện vết nứt t crack0

Thời điểm vết nứt rộng 1mm, t crack1

Thời điểm chỉ số độ tin cậy gối phải dầm D10 đến giới hạn an toàn, t p10

Thời điểm chỉ số độ tin cậy đến giới hạn an toàn, t p

Nhận xét: Kết quả phân tích ở Bảng 3.13, Bảng 3.14 và Bảng 3.15 cho ta một cái nhìn tổng quan về quá trình ăn mòn - nứt của khung nhƣ sau:

- Các vết nứt bắt đầu xuất hiện ở dầm và cột, cho thấy quá trình ăn mòn cốt thép đã xảy ra cách thời điểm này khoảng 2 năm Điều này đồng thời cũng dự báo đƣợc khoảng từ 4 đến 5 năm nữa vết nứt trên dầm và cột sẽ mở rộng đến 1mm

- Đến thời điểm 4 đến 5 năm sau khi các vết nứt xuất hiện, ta tiến hành đo đạc các vết nứt, nếu bề rộng các vết nứt xấp xỉ 1mm thì xem nhƣ những dự báo ban đầu là chính xác Dựa vào thời gian mất an toàn ngắn nhất của các dầm và cột trong khung (trong trường hợp này là tại gối phải dầm D10) ta có thể khẳng định thời điểm kết cấu khung đạt đến chỉ số độ tin cậy an toàn là khoảng 9 đến 10 năm nữa.

Đề xuất quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình 67 CHƯƠNG 4

Đối với những công trình có kết cấu bê tông cốt thép nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của khí hậu biển (trong phạm vi 3km tính từ bờ biển), tác giả đề xuất một quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình gồm 3 bước như sau:

Bước 1: Kiểm soát chất lượng hồ sơ thiết kế Đây là bước rất quan trọng quyết định đến tuổi thọ của công trình, ở bước này cần thực hiện một số yêu cầu sau:

- Đảm bảo tính toán thiết kế theo đúng các tiêu chuẩn hiện hành, các số liệu về tải trọng tác dụng, sơ đồ tính, nội lực kết cấu, các quy định về vật liệu sử dụng nhƣ: cát, đá, xi măng, yêu cầu về độ sụt của hỗn hợp bê tông, loại thép sử dụng,v.v cần phải thể hiện đầy đủ trong hồ sơ thiết kế thi công;

- Khi tính toán thiết kế phải đảm bảo chỉ số độ tin cậy ban đầu của các cấu kiện công trình tương đối đồng đều và nên chọn  > 4 sao cho tuổi thọ còn lại của các cấu kiện trong công trình sau khi cốt thép bắt đầu bị ăn mòn lớn hơn 15 năm;

- Từ các dữ liệu thiết kế và những sai lệch cho phép theo quy phạm thi công và nghiệm thu tiến hành lập hồ sơ theo dõi dự báo tuổi thọ công trình Trong hồ sơ này sẽ dự báo các thời điểm quan trọng nhƣ: thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên trên các cấu kiện, thời điểm vết nứt mở rộng đến 1mm, thời điểm chỉ số độ tin cậy của các cấu kiện công trình đạt đến ngƣỡng an toàn  = 3 Từ kết quả tính toán, chọn cấu kiện có thời gian chỉ số độ tin cậy đạt đến ngƣỡng an toàn ngắn nhất để dự báo tuổi thọ còn lại của công trình Cấu kiện này phải đƣợc ghi rõ vị trí, các thời điểm xuất hiện vết nứt và đặt tên là “cấu kiện dự báo tuổi thọ công trình” để đơn vị quản lý sử dụng công trình theo dõi

Bước 2: Kiểm soát chất lượng giai đoạn thi công Đây là cũng là bước rất quan trọng quyết định đến tuổi thọ theo thiết kế của công trình, ở bước này cần thực hiện một số yêu cầu sau:

- Nhật ký công trình cần theo dõi và ghi nhận lại các dữ liệu quan trọng nhƣ: sai lệch kích thước hình học của các cấu kiện, bố trí cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, cấp phối bê tông theo yêu cầu chống ăn mòn và chống thấm trong đó ghi rõ độ sụt hỗn hợp bê tông, tỷ lệ nước/ xi măng, mác bê tông theo kết quả thí nghiệm;

- Các số liệu từ ghi nhận từ quá trình thi công sẽ đƣợc đơn vị thiết kế kiểm tra để cập nhật lại hồ sơ dự báo tuổi thọ công trình và bàn giao cho đơn vị quản lý sử dụng

Bước 3: Theo dõi các dấu hiệu dự báo trong quá trình sử dụng

Căn cứ vào hồ sơ dự báo tuổi thọ công trình do đơn vị thiết kế cung cấp, đơn vị quản lý sử dụng cần thực hiện các công việc sau:

- Theo dõi và ghi nhận sự xuất hiện các vết nứt dọc đầu tiên trên các cấu kiện từ đó xác định thời gian vết nứt sẽ mở rộng đến 1mm để theo dõi;

- Theo dõi và ghi nhận thời gian vết nứt mở rộng đến 1mm của “cấu kiện dự báo tuổi thọ công trình” đối chiếu lại với số liệu trong hồ sơ dự báo tuổi thọ Nếu các số liệu này phù hợp với hồ sơ dự báo tuổi thọ thì có thể xác định tuổi thọ còn lại của công trình từ đó có kế hoạch quản lý sử dụng hợp lý, đảm bảo an toàn

Tuổi thọ công trình phụ thuộc rất nhiều yếu tố và khó dự báo Tuy nhiên, quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình nhƣ tác giả đề xuất nếu đƣợc thực hiện một cách đầy đủ và chính xác thì đây cũng một cách dự báo đáng tin cậy

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nội dung nghiên cứu của đề tài là phân tích độ tin cậy theo thời gian kết cấu bê tông cốt thép vùng bờ biển Tác giả đã căn cứ trên cơ sở khoa học là kết quả những nghiên cứu thực nghiệm đƣợc thực hiện đối với kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động bởi các tác nhân gây ăn mòn cốt thép trong môi trường khí hậu biển để phát triển đề tài Đối tƣợng phân tích là một khung bê tông cốt thép của một công trình nằm trong môi trường khí hậu biển ở Việt Nam Từ kết quả phân tích, tác giả rút ra một số kết luận và kiến nghị sau:

Kết luận

- Đối với kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động bởi các tác nhân gây ăn mòn cốt thép, khả năng chịu lực của kết cấu sẽ suy giảm theo thời gian do cốt thép bị ăn mòn Chính vì thế, khả năng chịu lực của kết cấu không phải là hằng số mà là một hàm giảm theo thời gian

- Khả năng chịu lực của kết cấu phụ thuộc vào diện tích tiết diện cốt thép, tốc độ ăn mòn càng lớn thì diện tích cốt thép giảm càng nhanh, vì thế khả năng chịu lực của kết cấu cũng giảm nhanh Do đó, hai yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn là tỷ lệ nước/xi măng và chiều dày lớp bê tông bảo vệ phải được lựa chọn phù hợp để giảm tốc độ ăn mòn cốt thép

- Khi phân tích độ tin cậy của kết cấu, khả năng chịu lực của kết cấu đƣợc xem là một hàm của các biến ngẫu nhiên như: kích thước hình học, đường kính cốt thép, tỷ lệ nước/xi măng của hỗn hợp bê tông, chiều dày lớp bê tông bảo vệ,v.v Do đường kính cốt thép suy giảm theo thời gian nên độ tin cậy khả năng chịu lực của kết cấu cũng giảm theo thời gian Chính vì thế chỉ số độ tin cậy ban đầu theo thiết kế phải đủ lớn để đảm bảo tuổi thọ công trình theo quy định

- Việc xác định trực tiếp thời điểm cốt thép bắt đầu bị ăn mòn để dự báo tuổi thọ công trình là rất khó khăn và phức tạp Tác giả đề xuất một quy trình giám sát, đánh giá chất lƣợng và dự báo tuổi thọ công trình bằng cách gián tiếp thông qua dấu hiệu nhận biết là thời điểm xuất hiện các vết nứt dọc trên bề mặt bê tông khi cốt thép bị ăn mòn Phương pháp dự báo này có tính khả thi vì dựa vào dữ liệu thiết kế ban đầu và đƣợc cập nhật lại những sai lệch trong quá trình thi công Đồng thời, trong quá trình theo dõi có hai dữ liệu để kiểm tra đối chiếu là thời điểm xuất hiện vết nứt và thời điểm vết nứt mở rộng đến 1mm nên dự báo này đáng tin cậy

- Hiện nay, việc dự báo tuổi thọ công trình ở Việt Nam chƣa có nhiều công trình nghiên cứu nên đề tài có ý nghĩa thực tiễn cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để đảm bảo an toàn cho công trình trong quá trình sử dụng.