Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở việt nam

Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cách xác định 22-TCN-272-hệ số này, hoặc đưa ra một chỉ dẫn đơn giản để giúp các kĩ sư thiết kế có thể lựa chọn hệ số tính dư cho phù hợp với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VIẾT HUY

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH DƯ TRONG

KẾT CẤU CẦU Ở VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO

THÔNG

MÃ SỐ: 62580205 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬTXÂY DỰNG CẦU HẦM

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Thư viện Đại học Giao thông Vận tải

MỞ ĐẦU

Lý do để chọn đề tài

Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam 05), tính dư là một tham số thiết kế đầu vào quan trọng, có thể làm thay đổi kích thước và quy mô của thiết kế do làm tăng, hoặc giảm hiệu ứng tải trọng tác dụng lên công trình trong công thức kiểm toán Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cách xác định

(22-TCN-272-hệ số này, hoặc đưa ra một chỉ dẫn đơn giản để giúp các kĩ sư thiết

kế có thể lựa chọn hệ số tính dư cho phù hợp với từng loại, bộ phân

và dạng kết cấu công trình Do vậy, việc nghiên cứu để cải tiến quy trình xác định tính dư, sao cho dễ áp dụng hơn và hợp lý hơn, đặc biệt cho các kết cấu công trình cầu ở Việt Nam là rất cần thiết,

nghiên cứu sinh chọn đề tài “Phân tích đánh giá tính dư trong kết

cấu cầu ở Việt Nam”

Mục đích nghiên cứu: Xây dựng quy trình trực tiếp và đơn

giản để xác định tính dư cho kết cấu cầu Xây dựng mô hình phần

tử hữu hạn cho phép phân tích phi tuyến sự làm việc của kết cấu cầu ngoài giới hạn đàn hồi, kể cả khi một số bộ phận kết cấu chính

đã bị phá hoại để làm cơ sở cho việc áp dụng quy trình trực tiếp để xác định tính dư cho kết cấu cầu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là

mô hình làm việc phi tuyến của kết cấu, pham vi nghiên cứu là kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới của công trình cầu tại Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp phân tích

để xây dựng mô hình lý thuyết Tiến hành kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình lý thuyết bằng thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu trước đó

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án:

Đề tài đã làm rõ được khái niệm tính dư trong tính toán thiết kế cầu, trình bày được các phương pháp đánh giá, xác định tính dư cho kết cấu cầu Ý nghĩa khoa học chính của đề tài là đã cải tiến được quy trình đánh giá tính dư trực tiếp của các tác giả nước ngoài thành quy trình đánh giá đơn giản và dễ thực hiện hơn dựa trên việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho phép phân tích sự làm việc ngoài miền đàn hồi của kết cấu Phương pháp này cho phép các kĩ

sư thiết kế có thể dễ dàng hơn trong việc xác định hệ số tính dư cho kết cấu, ngoài ra cũng đặt cơ sở cho việc xác định hệ số tính dư cho các kết cấu điển hình trong công trình cầu ở Việt Nam.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam

1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư và nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu

Một xu hướng có thể thấy trong xu thế phát triển chung của công trình cầu ở Việt Nam là có mức độ phức tạp (có thể được hiểu

là mức độ dư thừa) tăng dần Tuy nhiên, việc đánh giá tính dư của kết cấu cầu ở Việt Nam từ trước đến nay chưa được chú trọng, ngoại trừ một số nghiên cứu của PGS.TS Trần Đức Nhiệm về lý thuyết độ tin cậy như là một cơ sở của việc xác định tính dư Trên thế giới, Michel Ghosn và Fred Moses, Michel Ghosn và Jian Yang, là những tác giả chính đã nghiên cứu tính dư cho kết cấu công trình cầu Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã định nghĩa tính dư thông qua hệ số bảo toàn hệ thống (R), chỉ số độ tin cậy tương đối và hệ số hệ thống

1.2.1 Hệ số bảo toàn hệ thống (R)

Tính dư của kết cấu cầu được định nghĩa là khả năng của kết cấu tiếp tục chịu được tải trọng sau khi một trong các thành phần của kết cấu

bị phá hoại Một cách khác, là tỷ lệ bảo toàn hệ thống (được biết như là tỷ

lệ bảo toàn cường độ) đại diện cho khả năng cuối cùng của hệ thống kết cấu khi so sánh với khả năng của hệ thống để chống lại sự phá hoại của thành phần đầu tiên.

Các trạng thái giới hạn được nghiên cứu để xác định tỉ lệ bảo toàn hệ thống:

1.2.2 Hệ số hệ thống

Hệ thống là hệ số liên quan với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu

1.2.3 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05

Trong Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, tính dư được xét đến thông qua hệ số tính dư nằm trong hệ số điều chỉnh tải trọng

Theo đó, tất cả các cấu kiện và liên kết đều phải thỏa mãn phương trình sau cho tất cả các trạng thái giới hạn, trừ khi được quy định khác Mọi trạng thái giới hạn được coi trọng như nhau

ηD = hệ số liên quan đến tính dẻo

ηR = hệ số liên quan đến tính dư

ηI = hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được xét đến tính dư trừ khi có những lý do bắt buộc khác

Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn

Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập đổ cầu được coi là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư

Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

ηR≥ 1.05 cho các bộ phận không dư

= 1.00 cho các mức dư thông thường

≥ 0.95 cho các mức dư đặc biệt

Đối với các trạng thái giới hạn khác: η R = 1.00

1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư

Tiêu chuẩn thiết kế AASHTO đã phác thảo một định dạng diễn giải tính dư và các thông số khác liên quan Trong quá trình thiết kế

s

Φ

sử dụng một “hệ số điều chỉnh tải trọng” ηR, liên quan đến tính dư của kết cấu

Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 có định nghĩa và hướng dẫn cách áp dụng tương tự tiêu chuẩn thiết kế AASHTO – LFRD như trình bày ở trên.Tuy nhiên, theo các phương pháp trên thì giá trị của

ηR được xác định bằng cách áp dụng trực tiếp chứ không phải bằng quá trình đánh giá điều chỉnh

Michel Ghosn và cộng sự cũng đã nghiên cứu về các thông số

về tính dư thông qua tỷ lệ bảo toàn hệ thống Rn; chỉ số độ tin cậy tương đối ∆β; hệ số tính dư hệ thống φs Tuy nhiên, quy trình đề xuất bởi các tác giả này chưa cho phép xác định một cách trực tiếp tính dư trong kết cấu cầu

1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết

Dựa trên những phân tích trên về tình trạng nghiên cứu về tính dư và hệ số tính dư trên thế giới và ở tại Việt Nam, tác giả xác định các nội dung chính để tập trung giải quyết như sau:

1) Làm rõ khái niệm tính dư và hệ số tính dư sử dụng trong thiết

kế cấu theo tiêu chuẩn 22-TCN-272-05 ở Việt Nam

2) Xây dựng quy trình trực tiếp giúp xác định hệ số tính dư của kết cấu

3) Trong quy trình trực tiếp này, điểm mấu chốt là cần phát triển được một mô hình kết cấu và mô hình phần tử hữu hạn tương ứng cho phép xác định được tải trọng phá hoại của kết cấu tương ứng với TTGH cuối cùng về cường độ và tải trọng tác dụng lên kết cấu ứng với TTGH của kết cấu về sử dụng Mô hình này cần có khả năng xác định được tình trạng (chuyển vị, biến dạng, nội lực) trong kết cấu kể cả khi một bộ phận nào đó của kết cấu đã bị phá hoại

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẤU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ

Việc nghiên cứu được chia thành các bước như sau:

- Bước thứ nhất là xác định các dạng kết cấu điển hình để xác định tính dư, bước thứ hai là tính toán tính dư cho từng dạng kết cấu chuẩn đã được xác định

- Bước thứ hai là định nghĩa các trạng thái giới hạn liên quan đến hiện tượng mất khả năng làm việc của kết cấu

- Bước thứ ba là sử dụng quy trình lặp và phân tích phi tuyến để xác định tải trọng tác giới hạn kết cấu tương ứng với từng TTGH cho các dạng kết cấu điển hình

- Cuối cùng, từ kết quả tải trọng giới hạn xác định từ bước trên để xác định

hệ số tính dư Hệ số tính dư có thể được thể hiện qua: hệ số bảo toàn hệ thống (R), chỉ số độ tin cậy tương đối β member hoặc hệ số tính dư hệ thống

φ s

2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới

2.1.1 Xác định kết bên dưới điển hình

Theo khảo sát thì các hệ thống kết cấu bên dưới cầu định hình

có thể được phân chia thành các loại sau đây:

- Kết cấu uốn định hình: trụ tường, kết cấu uốn đơn cột, kết cấu uốn hai cột và kết cấu uốn nhiều cột.

- Các loại móng: móng bè, móng cọc và móng giếng chìm

- Điều kiện địa chất: đá, cát và sét.

- Liên kết: liền khối, liên tục và giản đơn.

2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng

2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư

2.1.4 Tính toán tính dư

2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống Φs với phương pháp độ tin cậy của tính dư và tỉ lệ bảo toàn hệ thống Ru

2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của kết cấu bên dưới điển hình

2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới

2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên

Tính dư của kết cấu phần trên là khả năng của cầu tiếp tục chịu tải trọng sau khi một trong những thành phần của cầu bị phá hoại Phương pháp để tính toán tính dư và phát triển hệ số hệ thống hay sử dụng phương pháp phân tích trực tiếp Bao gồm, (a) tính toán các trạng thái giới hạn; (b) mức độ các tải trọng mà kết cấu phải chịu trước khi các trạng thái giới hạn đạt đến; (c) dạng của các điều kiện phá hoại mà kết cấu phải chịu đựng

2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên

2.2.2 Các trạng thái giới hạn

2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy

2.2.4 Phương pháp độ tin cậy

2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu

2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp

2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư

2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư)

2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng

2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại

2.3 Kết luận chương 2

Đề xuất Quy trình trực tiếp đánh giá tính dư:

1. Xác định nội lực giới hạn của kết cấu theo tiêu chuẩn thiết kế (P tk )

2. Mô hình hóa kết cấu, đặt tải trọng thiết kế lên mô hình

3. Gia tăng tải trọng thiết kế để xác định hệ số tải trọng của tải trọng thiết kế tương ứng với các TTGH:

3.1 Mô hình kết cấu

Sử dụng mô hình khung dầm của Timoshenko (có kể đến biến dạng do ứng suất tiếp theo phương ngang) để mô tả chính xác hơn sự làm việc của các điểm trên mặt cắt dầm Mô hình dầm Timoshenko coi sau khi biến dạng, mặt cắt bị nghiêng so với phương vuông góc của trục thanh một góc là φ

Hình 3 Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực

Gọi u(x) là vec-tơ chuyển vị của điểm x, x ϵ [0,l], có:

ε

ε

(3.2) Gọi N, V và M là nội lực dọc, lực cắt và mô-men của dầm tại mặt cắt x đang xét, phương trình cân bẳng nội lực cho dầm được viết như sau:

0

x m

=

C Q

x

x v

x u x

=

ϕαα

αϕ

α

u

u

(3.)Trong đó α =(αu,αv,αϕ) là véc-tơ “bước nhảy” chuyển vị tại điểm x và c Ηx clà hàm Heaviside định nghịa bởi công thức sau:

+

(3.)Trong đó u~( )x được thể hiện quau( )x và α như sau:

( )x u( )x αφ( )x

~

(3.)Khi véc-tơ chuyển vị được tách thành phần liên tục và phần không liên tục, véc-tơ biến dạng xác định từ phương trình quan hệ chuyển vị - biến dạng cho biên dạng nhỏ như sau:

ε

(3.)Trong đó ( )x

ε

Trong đó G bằng L( )( )−φ x , L là kí hiệu của toán tử đạo

hàm từ chuyển vị sang biến dạng

3.1.1 Mô hình phá hoại uốn

Đường cong quan hệ giữa mô-men và độ cong được thể hiện ở hình 3.2, theo đó sự làm việc của mặt cắt dầm bê-tông cốt thép đi qua 4 giai đoạn chính Giai đoạn thứ nhất thế hiện sự làm việc của dầm từ khi mô-men bằng không đến giá trị mô-men gây nứt Ở giai đoạn thứ 2, khi mô-men tăng, biến dạng cong của dầm tiếp tục tăng lên, tuy nhiên biến dạng này đã bao gồm cả thành phần biến dạng cong đàn hồi và phần biến dạng cong dẻo, quan hệ giữa mô-men và độ cong được xem là tuyến tính, tuy nhiên với mô-đun tiếp tuyến nhỏ hơn giai đoạn ban đầu Giai đoạn thứ 3 bắt đầu

từ khi cốt thép bị chảy dẻo đến khi mặt cắt đạt đến cực hạn của men uốn, ở giai đoạn này mô-đun tiếp tuyến của mặt cắt tiếp tục suy giảm tuy nhiên vẫn lớn hơn không Sau khi mô-men uốn của mặt cắt đạt đến giá trị cực hạn (Mu), chốt dẻo chính thức hình thành trên mặt cắt, khi đó mặt cắt bị phá hoại

3.2 Mô hình phân tử hữu hạn phân tích sự làm việc của dầm có xét đến “bước nhảy” chuyển vị do dầm bị phá hoại

3.2.1 Các hàm dạng và phương trình phần tử hữu hạn tổng quát

Sử dụng phần tử dầm Timoshenko 2 nút với hàm dạng chuẩn, véc-tơ nội suy của chuyển vị được xác định từ giá trị chuyển

vị tại 2 nút như sau:

(3.)

d véc-tơ chuyển vị nút:

v u v

2 2 1 1 2 2 1 1

2 2 1 1

ϕ ϕ

κ

ϕ ϕ

γ

ε

x B x B x

x N x N v x B v x B x

u x B u x B x x

h h

h h

Trong đóG là dạng xấp xỉ của hàm G giới thiệu ở phương trình r

(3.9) Áp dụng các hàm dạng chuẩn cho thành phần liên tục của

chuyển vị u , phương trình xấp xỉ của chuyển vị (3.7) có thể được

viết như sau:

h x N x d N xd αH

(3.)Trong đó di véc-tơ thành phần chuyển vị bình thường tại nút i

2 2 1 1

2 2 1 1

ϕ ϕ

v x N v x N x

v

u x N u x N x

( )x N ( )x N ( )x ( ( )x N ( )x )

c x

h

2 2

2 1

u

(3.)Với phương trình (3.38), chúng ta đã chọn dạng của hàm φ( )x ở

phương trình (3.6) là hàm dạng chuẩnN2( )x , hàm này là dạng đa

thức bậc nhất, có giá trị bằng 0 tại x 1 và bằng 1 tại x 2 Với lựa chọ này, ma trận Grđược xác định như sau:

0 0

0 0

0 0

B B

A

c e

elem

, 1 0

0 0

Xét vòng lặp thứ i của bước thời gian n+1 của phương pháp

giải Newton cho hệ phương trình (4.42) Giá trị tăng thêm của chuyển vị thông thường ở bước này bằng ( ) ( ) i n

i n

i

1 1

+

∆ +

+

−

=

∆ +

∆

+ + +

+ + +

+

+ +

= + + + +

=

0 1 1 , , 1 1 1 , ,

1 ,

,

1

int , 1 , 1 1 1 , 1 , 1 ,

1

1

i n i n i e n i n i n i

i n i e n r i n i

h

f f α

F d

K

Trong đó:

( ) ( )

+ = l e an i

n T

e n

0

, 1 ,

e

0

, 1 ,

H

(3.)với ( )

là ma trận mô đun tiếp tuyến cho "bước nhảy" biến dạng:( )

n i n i n i

( ) ( ) ( )i

n i

với σ và ε các véc-tơ nội lực và biến dạng

Trong hệ phương trình (3.19), phương trình thứ 2 được trích ra để giải lăp trước cho đến khi e,+( )1i =0

n

h Khi đó, với một giá trị ∆d( )n 1 i+ ở bước lặp thứ i của vòng lặp tổng thể, giá trị "bước nhảy" chuyển vị ( )i

= +

n i

e n v

i n i e n i e n r i

1 1 ,

, 1

, 1 ,

− + +

+ +

(3.)

là ma trận độ cứng tương đương của chuyển vị

3.3 Đề xuất mô hình làm việc của mặt cắt dầm bê-tông

cốt thép

3.4 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất

3.4.1 Cấu tạo của dầm thí nghiệm

* Bê tông: 35MPa theo kết quả thí nghiệm

bổ từ kích gia tải Cấu tạo dầm như ở hình dưới

* Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm

Dầm bố trí 2 cốt thép dọc D12 ở thớ trên, cách mép trên 40mm; 2 cốt thép dọc D12 ở thớ dưới, cách mép dưới 40mm Các cốt thép được bao bằng cốt thép đai kín D12, bước cốt thép đai bằng 200mm Dầm được thiết kế đảm bảo các điều kiện về hàm lượng cốt thép tối thiểu và tối đa theo tiêu chuẩn 22-TCN-272-05

MÆt chÝnh bè trÝ cèt thÐp dÇm

Hình 3 Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm

3.4.2 Trình tự thí nghiệm

* Sơ đồ gia tải

Dầm được thí nghiệm theo sơ đồ uốn 4 điểm như hình vẽ

Hình 3 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm)

* Tốc độ gia tải

Tải trọng tác dụng lên dầm với tốc độ tăng tải bằng 2.5kN/s, đủ chậm để không gây ra hiệu ứng động trên dầm

* Đo kết quả thí nghiệm

Đáy dầm được gắn đầu đo LVDT để đo chuyển vị thẳng đứng, vị trí giữa dầm bố trí LVDT theo phương ngang để đo độ mở rộng vết nứt tại vị trí cốt thép thớ dưới

3.4.3 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả phân tích lý thuyết

Kết quả so sánh về trạng thái phá hoại của dầm theo thí nghiệm và theo phân tích lý thuyết thể hiện ở hình 3.6 và 3.7

Hình 3 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm