KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG ẢNH HƯỞNG CỦA THAM SỐ ĐẾN ĐỘ TIN CẬY PHẦN TỬ CỦA KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ThS PHẠM ĐỨC CƯƠNG Trường Cao đẳng Xây dựng Nam Định Tóm tắt: Thực chất tham số đặc trưng cho nhiều nhà khoa học nước quan tâm tính chất vật liệu, kích thước hình học, tải trọng,… tác động vào kết cấu công trình kết cấu bê tông cốt vì, theo cách phản ánh đầy đủ chất làm việc thực kết cấu so với phương thép đại lượng ngẫu nhiên phụ thuộc vào yếu tố khách quan (môi trường, khí hậu, công nghệ,…) pháp tiền định (trạng thái giới hạn, ứng suất cho phép, nội lực phá hoại, ) Đặc điểm trội phụ thuộc chủ quan hiểu biết nhận thức người Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông phương pháp thiết kế kết cấu theo ĐTC tham số (Xi) coi đại lượng ngẫu nhiên [3] với cốt thép nhiều nước sử dụng giá trị trung bình tham số thay cho độ sai lệch chúng hai giá trị đặc trưng kỳ vọng (Xi) độ lệch chuẩn (Xi), đó, độ lệch chuẩn tham số có tác hệ số an toàn Trong báo này, tác giả trình bày ảnh hưởng độ lệch tham số động đáng kể đến kết tính Do vậy, báo này, tác giả trình bày “một phương pháp khảo sát ảnh cường độ vật liệu (Rbn, Rsn), kích thước tiết diện (b, h, As ) hiệu ứng tải trọng (M, N) đến độ tin cậy phần tử kết cấu khung bê tông cốt thép Từ rút số nhận xét hưởng độ lệch tham số đến ĐTC phần tử kết cấu khung BTCT” nhằm mục tiêu lượng hóa mức độ ảnh hưởng tham số đến ĐTC phần tử kết cấu khung BTCT Từ khóa: Ảnh hưởng, tham số, độ tin cậy phần tử Đặt vấn đề Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) theo phương pháp trạng thái giới hạn sử dụng phổ biến giới Việt Nam Ngoài ra, số nước phát triển Mỹ, Nga, Trung Quốc, xây dựng tiêu chuẩn độ tin cậy kết cấu công trình [1], [3], [5] Ở Việt Nam, từ năm đầu kỷ XXI, lý thuyết độ tin cậy (ĐTC) tuổi thọ công trình đưa vào giảng dạy bậc sau đại học nhiều trường đại học như: Đại học Xây dựng, đại học Giao thông Vận tải, đại học Kiến trúc, đại học Thủy lợi, Năm 2000, Bộ Xây dựng cho phép quan chức Viện Khoa học công nghệ xây dựng nghiên cứu chuyển dịch biên soạn hướng dẫn sử dụng tiêu chuẩn quốc tế “ISO 2394 – 1998” năm 2006, Bộ Xây dựng ban hành “TCVN 26-03 – Các nguyên tắc chung ĐTC kết cấu Xây dựng” Cho đến nay, nước ta có nhiều luận án tiến sĩ đề tài khoa học nghiên cứu đề xuất số phương pháp đánh giá ĐTC cấu kiện loại hình kết cấu công trình theo cách tiếp cận khác Trong năm gần đây, việc nghiên cứu thiết kế kết cấu công trình theo ĐTC ngày Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 Tham số, ý tưởng sở thực 2.1 Lựa chọn tham số độ lệch chuẩn tham số Các tham số liên quan đến hàm trạng thái phần tử đại lượng ngẫu nhiên [1], [2], [3], [5] ảnh hưởng nhiều đến ĐTC phần tử kết cấu Một số công trình khoa học [5] tìm cách quy đổi đại lượng ngẫu nhiên có phân bố phân bố chuẩn, quy đổi đại lượng ngẫu nhiên tương quan thành không tương quan (độc lập) quy đổi hàm trạng thái biến ngẫu nhiên từ phi tuyến thành tuyến tính Do đó, việc tính kết cấu theo mô hình ngẫu nhiên ngày thuận lợi Phạm vi báo xét tham số điển hình có ảnh hưởng đáng kể đến ĐTC phần tử kết cấu khung BTCT tham số đại lượng ngẫu nhiên độc lập thống kê có phân bố chuẩn Cụ thể sau: - Tham số đặc trưng cho cường độ tiêu chuẩn vật liệu bê tông cốt thép (Rbn, Rsn); - Tham số đặc trưng cho kích thước hình học tiết diện phần tử (hình chữ nhật) b h; - Tham số đặc trưng cho kích thước hình học diện tích cốt thép As A’s - Tham số đặc trưng hiệu ứng tải trọng tiêu chuẩn gây cho phần tử là, N, M; 15 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - Xét độ lệch chuẩn tham số thay đổi khoảng dung sai tin cậy xi = ÷ 0,2 M = R - S gọi kỳ vọng hàm trạng thái M xi độ lệch chuẩn thành phần X i 2.2 Ý tưởng sở thực M Xi Khi thiết kế cấu kiện (phần tử) BTCT theo ĐTC [10], độ lệch tham số vùng, miền lãnh thổ quốc gia không giống có ảnh hưởng đáng kể đến kết tính Vì vậy, muốn hoàn thành mục tiêu “thiết kế kết cấu vừa đảm bảo yêu cầu công năng, vừa có ĐTC theo ý muốn với chi phí hợp lý nhất” nhiệm vụ quan trọng phải lượng hóa mức độ ảnh hưởng độ lệch tham số đến số ĐTC () phần tử bao nhiêu? Để giải vấn đề này, người thiết kế phải “xác lập, khảo sát vẽ đồ thị hàm βi(Xi) phần tử” Trong đó, công việc cần có “mốc” để so sánh phân biệt, mốc giá trị i giá trị Xi phương án thiết kế sơ hay gọi “mốc thiết kế sơ bộ” (vì sau tính khảo sát xong chọn phương án thiết kế thích hợp nhất) Để tiện lợi hàm trạng thái với biến xi; cho việc sử dụng kết tính mà không ảnh hưởng đến kết toán, ta chọn mốc thiết kế sơ phần tử có β làm cho mốc thiết kế sơ phần tử điểm có tọa độ(, β) hệ trục tọa độ XOY (tại hình 6) Như vậy, toán khảo sát ảnh hưởng độ lệch tham số đến ĐTC phần tử kết cấu khung BTCT gồm bước sau: Bước 1: Chọn tính phần tử theo mốc thiết kế sơ [10] hàm trạng thái Lập trình, tính tổng hợp giá trị i theo (1) ứng với giá trị thay đổi độ lệch xi (trong khoảng dung sai cho phép từ a b) Bước 3: Vẽ đồ thị biểu diễn biến thiên hàm i theo giá trị độ lệch xi khác hệ trục tọa độ Xi0βi Kết đồ thị so sánh với mốc thiết kế sơ lượng hóa mức độ ảnh hưởng độ lệch tham số đến ĐTC phần tử khung BTCT Khảo sát ảnh hưởng độ lệch tham số đến ĐTC phần tử khung BTCT 3.1 Bài toán dạng tổng quát Cho kết cấu BTCT dạng khung phẳng có sơ đồ tính ứng với tải trọng tiêu chuẩn, biết cấp độ bền bê tông nhóm cốt thép Yêu cầu xây dựng chương trình tính ảnh hưởng độ lệch chuẩn xi tham số b, h, Rbn, Rsn, As, N, M đến số ĐTC (i) phần tử khung BTCT Biết Xi gồm có: b , h , Rbn , Rsn ,Ás , N , M Xi thay đổi (biến thiên) khoảng từ (a b) Bước 2: Xây dựng chương trình tính toán: 3.2 Lời giải - Xác định hàm trạng thái M = R – S tính kỳ Bước 1: Chọn tính phần tử theo mốc thiết kế sơ [10] vọng hàm trạng thái M = R - S [1], [3], [4], [5]; - Xác định hàm i(Xi) [3] = M M Chọn mốc thiết kế sơ phần tử (, Xi) (1) đó: R - sức kháng phần tử có R - kỳ vọng R độ lệch chuẩn; S - hiệu ứng tải trọng gây cho phần tử có s - kỳ vọng S - độ lệch chuẩn; - số ĐTC phần tử; M = R – S hàm trạng thái phần tử với biến số xi; 16 M R2 S2 in1 M2 X i độ lệch chuẩn tính phần tử theo (, Xi) Bước 2: Xây dựng sơ đồ khối sơ đồ thuật toán cho phần tử Sử dụng lý thuyết ĐTC nội dung mục ta xây dựng sơ đồ khối sơ đồ thuật toán cho phần tử khung BTCT Trong phạm vi báo này, tác giả thể sơ đồ cho hai phần tử điển hình thường gặp kết cấu khung BTCT (phần tử chịu uốn phần tử chịu nén hình 1,2 3) làm sở lập trình tính máy (các loại phần tử khác thực tương tự) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Tính phần tử theo mốc thiết kế sơ Xác định hàm trạng thái Xác định kỳ vọng hàm trạng thái Tính độ lệch thành phần hàm trạng thái ứng với giá trị thay đổi Xi từ (a b) Tính độ lệch chuẩn hàm trạng thái ứng với giá trị thay đổi Xi từ (a b) Tính số ĐTC i phần tử tương ứng với giá trị thay đổi Xi từ (a b) Biểu diễn đồ thị quan hệ Xi Hình Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng độ lệch tham số đến ĐTC phần tử Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 17 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Số liệu đầu vào: b, h , bf , hf , Rb, Rs, Rsc, M, Mgh; a, , , ho, R, R; ; Xi ; Đặt cốt đơn Đặt cốt kép m( xi ) Rsn Ash0 M m( xi) m Rbnbh02 ( Rsn As Rbnbh0 )(h0 a, ) M m m( xi ) m X i m X i X i ; m n i 1 m X i Với giá trị xi từ (a b) i m m Biểu diễn đồ thị quan hệ Xi Hình Sơ đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng độ lệch tham số đến ĐTC phần tử chịu uốn đó: Hàm trạng thái m(xi) = R - S = Mgh – M; Mgh - khả (sức kháng) phần tử tính với cường độ tiêu chuẩn vật liệu (bê tông, cốt thép); M - mô men uốn tính toán phần tử chịu uốn (hiệu ứng tải trọng tiêu chuẩn gây ra) 18 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Số liệu đầu vào: Es , Eb, Rb, Rs = Rsc, M, N, b, h, a, a, lo,e1, ea, eo, R, R, Z a xi ; N As Rs Rsc As, Rb b X xh0 x N Rsc ( As As h0