BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRUONG DAI HOC CONG NGHE TP.HCM
HUTECH University
ĐỖ THANH TÙNG
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHAP PHAN TU HUU HAN PHAN TiCH SU LAM VIEC CUA HE KET |
| CAU BAO VE NGAN CHAN DA ROI TY DO TAI VACH NUI THANG DUNG
LUAN VAN THAC SI
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
Cân bộ hướng dẫn khoa học: TS.Tran Van Phic i Luận văn được bảo vệ tại trường Đại học Cơng Nghệ TP.HCM ngăy.<<4.thâng a\ năm ⁄4©L5 Thănh phần Hội đồng đânh giâ Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ vă tín Chức danh Hội đồng 1 PGS TS VO PHAN Chủ tịch
2 TS ĐĂO ĐÌNH NHĐN Phan biĩn 1 3 TS LUONG VAN HAI Phan biĩn 2
4 PGS TS DUGNG HONG THAM Uy viĩn
5 TS TRUGNG QUANG THANH Uy viĩn, Thu ky
Xâc nhận của Chủ tịch Hội đồng đânh giâ Luận văn Thạc sĩ :
Chủ tịch Hội đồng đânh giâ Luận văn
ST
Trang 3PHONG OLKH - DTSDH
TP.HCM, ngăy 4.2.thâng .2#.năm x2 !4
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tín học viín: Đỗ Thanh Tùng Giới tính: Nam
Ngăy, thâng, năm sinh: 07/10/1983 Noi sinh: Nha Trang — Khanh Hoa
Chuyín ngănh: Kỹ thuật xđy đựng công trình dđn dụng vă công nghiệp MSHV: 1241870030
I— Tín đề tăi“ Ứng dụng phương phâp phần tử hữu hạn phđn tích sự lăm việc của hệ kết cầu bảo vệ ngăn chặn đâ rơi tại câc vâch núi thắng đứng “
II - Nhiệm vụ vă nội dung:
1 Tìm biểu về hiện tượng vă hậu quả của câc tai nạn đâ rơi ở Việt Nam vă trín thế giới 2 Tổng hợp câc nghiín cứu liín quan đến câc giải phâp bảo vệ chống lại hiện tượng đâ rơi 3 Đề xuất vă mô phỏng hệ kết cấu bảo vệ hiện tượng đâ rơi được tô hợp từ câp thĩp, lưới thĩp vă đầm thĩp
4 Xâc định khả năng hấp thu năng lượng va chạm của hệ kết cầu
5 Phđn tích ứng xử của câc kết cấu thănh phần cũng như toăn bộ hệ kết cấu trín II— Ngăy giao nhiệm vụ :25/06/2014
Trang 4Tôi xin cam đoan đđy lă công trình nghiín cứu của riíng tôi Câc số liệu, kết quả níu trong Luận văn lă trung thực vă chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình năo khâc
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn năy đê ược
cảm ơn vă câc thông tin trích dẫn trong Luận văn đê được chỉ rõ nguồn gốc
NGƯỜI CAM ĐOAN
Trang 5LOI CAM ON
Luận văn tốt nghiệp cao học được hoăn thănh tại trường đại học Công Nghệ TP.HCM Để hoăn thănh được luận văn năy, tôi xin băy tỏ lòng biết ơn chđn thănh đến trường đại học Công Nghệ TP.HCM, phòng Quản lý khoa học - Đăo tạo sau đại học Đặc biệt xin gới lời biết ơn sđu sắc đến TS Trần Văn Phúc, người đê trực tiếp hướng
dẫn, giúp đỡ tôi tiếp cận những kiến thức khoa học quý bâu trong suốt quâ trình nghiín cứu, xđy dựng mô hình, vă hoăn thănh để tăi nghiín cứu “Ứng dụng phương phâp phần
tử hữu hạn phđn tích sự lăm việc của hệ kết cấu bảo vệ ngăn chặn đâ rơi tại câc vâch
núi thẳng đứng ”
Xin cảm ơn câc thầy cô giâo đê trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến thức khoa học chuyín ngănh xđy dựng cho tôi trong suốt thời gian qua
Xin gửi tới trường đại học Kanazawa -Nhật Bản đê giúp xử lý mô hình vă cung
cấp tăi liệu liín quan để tôi có thể đânh giâ vă hoăn thănh đề tăi nghiín cứu
Tôi xin ghi nhận công sức vă những đânh giâ, góp ý của câc bạn học viín lớp cao
học xđy đựng 12SXDI trong việc hoăn thiện luận văn nghiín cứu năy Đặc biệt lă sự
quan tđm động viín, khuyến khích vă sự ủng hộ về tỉnh thần của gia đình Đđy lă động
tực để tôi có thể toăn tđm thực hiện nghiín cứu
Do thời gian có hạn vă kinh nghiệm nghiín cứu khoa học chưa nhiều nín luận văn còn nhiều thiếu xót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp, phí bình của câc Thay cô, câc nhă khoa học, đọc giả vă câc anh chị, câc bạn đồng nghiệp
Xin cam on!
Trang 6TOM TAT
Việt Nam lă một đất nước nhiều đồi núi, có đặc điểm về địa hình, địa chất phức
tạp Hăng năm, văo mùa mưa, sạt lở đất, đâ xảy ra khâ phổ biến trín toăn bộ lênh thổ
Đặc biệt lă khu vực miền Trung Sạt lở đê phâ hủy vă lăm hư hại nhiều khu đđn cư, câc công trình công cộng vă thực sự không chỉ thiệt hại về kinh tế mă còn gđy hoang mang lo sợ trong nhđn dđn
Vị vậy dựa trín những nghiín cứu thực nghiệm chính xâc trước đđy, nghiín cứu
giới thiệu một kết cầu hăng răo mới bảo vệ câc tâc động do đâ rơi gđy ra tại câc sườn núi Hiệu suất lăm việc của kết cầu hăng răo bảo vệ được xâc minh bằng câch tiễn hănh câc kiểm tra tổng thể câc ứng xử lăm việc của kết cđu Trong đó mô hình phải chịu tâc động của một khối đâ có khối lượng vă vận tốc rơi được biết trước Tuy nhiín, đo chỉ phí vă thời gian hạn chế, sẽ không thực hiện được câc kiểm tra toăn điện để có
thể có câc cđu trả lời đầy đủ về thông số cho hăng răo với những điều kiện khâc nhau Vi vay phương phâp số dựa trín đữ liệu thực nghiím vững chắc đê phât triển vă có thể mô tả chính xâc những phản ứng của một hăng răo trong điều kiện chịu tải trọng động
Trước đđy, đê có nhiều nghiín cứu phât triển một loại hăng răo lưới, gọi lă hăng răo lưới thĩp bảo vệ đâ rơi (WRF)(Tran PV, 2012) Câc phương phâp số đê được thực hiện để kiểm tra phản ứng của hăng răo trong câc điều kiện khâc nhau Điều quan trọng lă câc phương phâp số đó đê được xâc nhận chính xâc, vă đê trở thănh công cụ
thiết kế hữu ích cho mẫu hăng răo chịu tâc động đâ rơi Để phù hợp với điều kiện đồi
núi tại Việt Nam, hăng răo lưới thĩp được đặt trín vâch núi, vuông góc với phương rơi
của khối đâ Hăng răo lă một hệ khung lưới thĩp có ba nhịp, hệ khung thĩp gồm 4 dầm
lăm bằng thĩp ống được khoan sđu văo vâch núi Mỗi dầm sẽ được neo bởi giữ bởi 2
sợi dđy câp giằng bố trí đầu vă giữa đầm Câc câp giằng năy đều được nối với một
thiết bị hấp thu năng lượng va chạm trước khi neo văo vâch đâ nhằm trânh khả năng
đứt câp xảy ra Hệ lưới bao gồm 14 sợi câp thĩp có vai trò chính trong việc ngăn chặn đâ rơi Mỗi sợi câp năy được nối văo hai đầm thĩp ngoăi cùng thông qua thiết bị hấp thu năng lượng vă chỉ liín kết với câc dầm thĩp giữa thông qua một vòng thĩp cứng
được hăn văo đầm, nghĩa lă câc sợi câp năy có thĩ trượt qua hai dằm thĩp ở giữa Bín
Trang 7với câc dầm thĩp Liín kết giữa câp vă câc bản thĩp giằng năy bằng liín kết bu lông
Đề hề trợ thím cho hệ lưới câp trong việc ngăn chặn đâ rơi, một hệ lưới thĩp sẽ được
phủ lín trín vă liín kết với hệ lưới câp thông qua câc cuộn thĩp tròn
Khả năng hấp thu năng lượng va chạm cũng như câc ứng xử phi tuyến của hệ thống kết cầu mới đưới tâc động va chạm của đâ rơi tự do sẽ được phđn tích kỹ lưỡng vă xâc định rõ thông qua câc mô hình động, phi tuyến của hệ thống kết cầu được xđy dựng bằng phương phâp phần tử hữu hạn, với phần mĩm thương mại LS-DYNA có
bản quyền tại trường Đại học Kanazawa, Nhật Bản Cụ thể hơn, trong nghiín cứu năy,
độ giên dai, khả năng hấp thụ năng lượng, biến dạng của dầm, vă ảnh hưởng của vị trí tâc động được nghiín cứu phđn tích So sânh vă phđn tích hiệu suất lăm việc của hăng
răo với câc mức tâc động khâc nhau vă vai trò mỗi thănh phần của câc mẫu thử
nghiệm Ngoăi ra, câc vấn đề liín quan đến vị trí va chạm cũng được nhắc đến trong
luận văn năy Kết quả nghiín cứu đó có thể giúp ích cho việc lăm thế năo nđng cao
Trang 8ABSTRACT
Vietnam is a moutainious, complicated geographically country Every year, rockfall has been popularly happened in the whole country, especially in the middle of area Landslide has been destroyed many residential areas and many public projects, it is not only harmful to economic but also to residents Although the government has tried to handle some temporary problems in order to limit the evil of landslide
Thus, this study introduced a new method of protecting against rockfall at the tidge based on the accurate empiric Effectiveness of structural fence was verified by testing overall of system This performance uses a block of stone which had anticipated weight and falling velocity Due to limited cost and time, this performance was not achieved comprehensive examination to get fully answer about parameters for the fences in many condition There for based on empirical data, a numerical method was developed and accurately described the response of a structural barrier in dynamic
load conditions
Previously, a rock fence called wire mesh rock fence (WRF) was researched and
developed The numerical method was performed to test the reaction of the fence in
many different conditions It is important that the method was confirmed exactly, and
become an useful tool for the fence influenced rock fall Wire mesh rock fence is placed on a cliff and being perpendicular to the falling of rocks WRF is a three- span wire netting Steel grid system has 4 beams made of posts drilled into the cliff This cables are connected to an energy absorbers before anchoring to the cliff in order to avoid cable parting Wire netting is consists of 14 steel cables has a main role to prevent from the falling rocks Each cable is connected to the two outer steel beams by energy absorbers The cables link to a central steel round welded to the beam It means that the cable can slide in 2 beams Besides, in order to keep the distance of the wire rope, the plate will be arranged parallel to the steel beam The wire ropes link with the the plate by bound bolts Wire netting is overlaid on the grid and link with cable netting by the wire round in order to support for cable netting
Trang 9commercial software LS-DYNA - copyrighted of Kanazawa University, Japan Specifically, in this study elongation, energy absorption, deformation of the beam and effect of the impact location was researched, analysed and compared the performance of the fence with different levels and role of each component of the prototype
Inaddition, the issue related to the collision location is also mentioned in this thesis
Trang 10MUC LUC LOL CAM DOAN onsseccocsoscosccsscssssssessscsscssscnssoscasenccnssenssossansensenssnesscsacsuscnnenscnsessesssesnsonces i LOT CAM ON 2 5 TT ii TĨM TẮTT -°-<©<£©Z€ES£+EESEE+eEE.£t+2treteEd.E22072707310740029400220.010741n0000 00 iii Non Ằ L.LĂLẴƠÐ v DANH MỤC CÂC BẢNG cccceesetrrrrteterrtrrreneeirrrnrrerarnerrremh x DANH MUC CAC HINH ANHL sscsssscssssscsosescensecssnnscccsnsensenvecossacenssnessennesssnnsscenseses xi ¡0771 Ẽ8 ~ ,./|Ả 1 1 1.ĐẶT VẤN ĐỀ: 22 222crtrtrriierErrriEt t rrriirrrriirirrriirrrrrir 1 2 TINH CAP THIET CUA DE TAI: csscecssessescnecseecesessecseesncessceneesneesneenesennensesanenneessees 1 3.MỤC TIÍU, ĐÓI TƯỢNG VĂ PHƯƠNG PHÂP NGHIÍN CÚU 2 4.PHƯƠNG PHÂP NGHIÍN CU: . -5 552S52‡2tseerrttrrtrtrrritrrrrrrerrre 5 5.BÓ CỤC LUẬN VĂN / 22tr 5
CHUONG 1: TONG QUAN VE NGHIÍN CỨU -©<s++eesseesettsee 6
1.1GIGI THIEU HIEN TUGNG SAT LO DAS ee essssesessseecssstecessaecessnnecesansensanessnnesee 6 1.2 TONG QUAN VE NGHIEN CUU TREN THĨ GIỚI: - 8 1.3 TONG QUAN VE NGHIEN CUU TRONG NUGGC, u.sssssessssscsceesseennnenninnesessetoe 10 1.4 GIỚI THIỆU GIẢI PHÂP BỊ ĐỘNG TRÍN THĨ GIỚI: . - 13 CHƯƠNG 2: ĐẺ XUẤT CÂU TẠO VĂ PHĐN TÍCH SỰ LĂM VIỆC CỦA HỆ KẾT CÂU BẢO VỆ CHÓNG ĐÂ RƠI e-sc5osSScSnsnererrriiriirrrrerseree 19
2.1 ĐỀ XUÂT CHI TIẾT SƠ ĐỎ CÂU TẠO CỦA HĂNG RĂO BẢO VỆ: 19
2.2 PHĐN TÍCH SỰ LĂM VIỆC CỦA HĂNG RĂO BẢO VỆ: 21
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ TH TT -°-2©essvsstrsststtrsesrerrterrerrsroee 24 3.1 LÝ THUYĨT CHUNG VỀ PHĂN TỬ HỮU HẠN: -: +- 24
Trang 113.4 NHUNG VAT LIEU CHINH DUGC MO PHONG TRONG NGHIEN CUU: 30 CHUONG 4: MO PHONG HE KET CAU BANG PP.PHAN TU HUU HAN
DỰA TRÍN PHĂN MỈM LS - DYNA 5sesceerrerrrrertretrrrrrrrrrrrrrreie 35 4.1 QUY TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ KĨT CÂU HĂNG RĂO BẢO VỆ 35 4.2 PHĐN TÍCH KĨT QUẢ TỪ MƠ HÌNH - -:-cccccsenrrrrrrrrrrrrree 40
KĨẾT LUẬN VĂ KIỄN NGHỊ HƯỚNG NGHIÍN CỨU -+ - 67
5089 1 — ƠƠ 1 Ô 67 2KIĨN NGHỊ HƯỚNG PHÂT TRIÍN ĐỀ TĂI -csscsrereerrrrrrrrre 68
Trang 12DANH MUC CAC TU VIET TAT
PP : Phuong phap
PTHH : Phần tử hữu hạn
Trang 13DANH MUC CAC BANG
Bang | 1:Tóm tắt câc phương phâp bảo vệ nguy cơ đâ rơi c cccc sec 9
Bảng 2 1:Chỉ tiết cầu tạo hăng răo lưới thĩp bảo vệ tâc động đâ rơi 21
Trang 14DANH MỤC CÂC HÌNH ANH
Hình 1 1: Câc khối đâ rơi trín đường ở Colorado(Turner et al., 2012) - 6 Hình ] 2: Va chạm cực mạnh của những khối đâ rơi đê phâ hoại nghiím trong san cầu ở phía Tđy của đường ham Hanging Lake, Colorado (Turner et al., 2012) 7
Hình 1 3: Sơ đồ cho thấy những quâ trình đâ rơi điển hình cia Ritchie (1963) 8
Hình 1 4: Giải phâp nỗ mìn vi sai(Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) 10 Hình 1 5: Giải phâp ním thủy lực tâch đâ (Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) Ì Hình 1 6: Giải phâp lưới thĩp bao vâch núi(Cíy CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) L1 Hình 1 7: Giải phâp khoan neo gia cố (Cty CN Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco) 12 Hình 1 8: Hệ thống chống sạt lở tuyết sử dụng hệ câp tam giâc căng trín giâ gỗ Ứng dụng đầu tiín lă văo năm 1951 trín Schafberg ở Pontresina trong thung lũng Engadine
, Thụy Sĩ ( Turner vă đồng nghiệp , 2012 ) .-. ccscsccrrissrrrrrrrrriieririrrrirree 14
Hình 1 9: Chỉ tiết câc loại hấp thu năng lượng của hăng răo bảo vệ . 15 Hình 1.10: Thử nghiệm đâ rơi tự do tại Nhật Bản Hee 17
Hình 2 1: Chỉ tiết thiết bị hấp thu năng lượng(Tran PV, 2012) - - ‹ - 19 Hình 2 2: Mô hình hăng răo bảo vệ đề xuất . -:©csseeserrertrrriretriiirrrirrrie 20
Hình 2 3: Trình băy quy trình kiểm tra khả năng lăm việc của thiết bị hấp thu năng lượng trong phòng thí nghiệm (Tran PV, 2012) -ceerrerrrrrrrrrrrrrtrrrrrrrrer 22 Hình 3 1: Một số dạng phần tử thường gặp . -55ccnssrrrerrrerreiirrrrerirrrierre 24 Hình 3 2: Câc loại nút vă phần tử trong FEM -. . -cc-ccerierrtrirrririrerrrriee 25
Hình 3 3: So sânh sự hội tụ về kết quả trong việc việc chia nút trong phan tử 27
Hình 3 4: Đa giâc lồi vă đa giâc lõm trong chia nút phần tử -c c-esecee 27
Hình 3 5: Đânh giâ sai số trong phđn tích kết quả . -++c+crerisrrreererree 27
Hình 3 6:Mô phỏng vật liệu khối đâ trong Ls-Dyna - ¿22 55<cs<cecereetserrerre 30 Hình 3 7:Mô phỏng vật liệu thanh thĩp giằng trong Ls-Dyna -©-< 31 Hình 3 8:Mô phỏng vật liệu thiết bị hấp thu năng lượng trong Ls-Dyna 31 Hình 3 9:Mô phỏng vật liệu thĩp giảng đầu dầm trong Ls-Dyna -: 32 Hình 3 10:Mô phỏng vật liệu móc thĩp trong Ls-ÏÖyna ‹ <-c<<teeereeererre 32 Hình 3 11:Mô phỏng vật liệu phần tử lưới phâ hủy trong Ls-Dyna - 33
Hình 3 12:Mô phỏng vật liệu dđy câp thĩp trong Ls-Dyna -ceerereeeeeerree 33
Trang 15Hinh 3 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4 Hinh 4
14:Mô phỏng vật liệu phần tử liín kết trong Ls-Dyna -+ - 34
1:Vị trí câp thĩp trong mô hình -. -+ +>+++rertretterertrseterrerrrrrrrrr 36 2: Đường cong ứng suất biển dạng của câp thĩp (a) vă lưới thĩp (b) 37
3: Giả định đơn giản cho thiết bị hấp thu nang lugng(Tran PV, 2012) 37
4: Mơ hình tôn âp dụng cho thiết bị hấp thu năng lượng -. - 38
5: Đường ứng suất giả định của của dầm đỡ -cnenieerrrrrrrie 38 6: Minh họa sơ đồ hăng răo nghiín cứu trong Ls-Dyna -. -+ 39
7 : Quâ trình chuyển động của khối đâ khi chịu mức năng lượng 500K} 41
8: Qua trình chuyĩn động của khối đâ khi chịu mức năng lượng 47SK] 43
9: Biểu diễn độ giên dăi của hai trường hợp mô phỏng . - 44
10: Sự phâ hủy câp của hăng răo lưới thĩp khi chịu mức năng lượng 500KJ 44
11: Hăng răo lưới thĩp bắt giữ khối đâ khi chịu mức năng lượng 475KT 45
12: Độ giên dăi của hăng răo theo phương Z trong 2 mô hình khảo sât 45
13 : Lực căng của dđy câp trong mô phỏng thứ 1 - Mức năng lượng 500KJ 46
14: Lực căng của câc sợi dđy câp 5-9 với mức năng lượng 500K 47
15: Lực căng của dđy câp 2-7 tại dầm cuối với mức năng lượng 500K” 48
16: Lực căng của câc sợi dđy câp với mức năng lượng 457K] - 50
17 : Lực căng của dđy câp số 7 — 8 với mức năng lượng 475KI - 31
18 : Mức năng lượng hấp thu của câc chỉ tiết — Mức năng lượng 475K1 52
19: Lực căng của câc sợi dđy câp tại khu vực va chạm - -c +- 53
20 : Mô tả vị trí tâc động của khối đâ lín hăng răo lưới thĩp . 34
21 : Mô phỏng viín đâ rơi sât cột ở nhịp giữa.(Vị trí va chạm D) - 35
22 : Mô phỏng viín đâ rơi sât mĩp ngoăi ở nhịp giữa.(VỊ trí va chạm E) 35
23: Biểu diễn độ dan dăi của va chạm tại điểm A vă điểm D 56
24 :Lịch sử biến dạng tại dau dam giữa của 2 vi tri tâc động A vă D 56
25 :Lịch sử độ giên dăi của hăng răo tại 2 vị trí tâc động A vă D 57
26 : Lực căng của câc sợi dđy câp ứng với thời gian tại điểm va chạm D 59
27 : So sânh lực căng của dđy câp số 9 tại hai điểm va cham A vă D 60
28: So sânh khả năng hấp thu năng lượng tại hai điểm va chạm A vă D 61
29: Quâ trình chuyển động của khối đâ tại điểm va chạm E - 63
Trang 161 Dat van dĩ:
Sạt lở đâ tại câc vâch núi có độ dốc thắng đứng lă hiện tượng thường xuyín xảy ra ở câc nước có mật độ đổi núi cao vă chịu ảnh hưởng bởi thiín tai Câc liín kết trong
câc vâch núi bị mắt ổn định do bị ảnh hưởng bởi nhiều lí đo khâch quan Loại thiín tai
năy thường chỉ xảy ra vă tâc động đến phạm vi khu vực nhỏ nhưng do yếu tổ bất ngờ, nín có thí gđy ra thiệt hại rất lớn về người vă cơ sở hạ tang ma không được dự bâo
trước
Sạt lở đâ đê phâ hủy vă lăm hư hại nhiều khu dđn cư, câc công trình công cộng vă
thực sự không chỉ thiệt hại về kinh tế mă còn gđy hoang mang lo sợ trong nhđn dđn
Song do chưa có sự nghiín cứu đúng mức, vă câc biện phâp bảo vệ hiệu quả dẫn đến
việc giải quyết hậu quả do câc sự cố đạt hiệu quả còn rất thấp
Việc bảo vệ cơ sở hạ tầng, con người dưới nguy cơ thảm họa đâ rơi tự do bằng câc hệ thống kết cấu có khả năng hấp thu năng lượng va chạm cao được nghiín cứu vă sử dụng rộng rêi tại câc nước phât triển trín thế giới, nhưng chưa được nghiín cửu vă âp dụng trong thực tế tại nước ta Vì vậy rất cần thiết cho việc nghiín cứu vă phât triển
một hệ thống bảo vệ để giảm thiểu tối đa thiệt hại đo thảm họa đâ rơi gđy ra, phù hợp
với điều kiện tại Việt Nam
2 Tính cấp thiết của đề tăi:
Theo quan sât từ vệ tính, diện tích câc lớp băng ở Bắc cực, Nam cực, băng ở
Greenland vă một số núi băng ở Trung Quốc đang dần bị thu hẹp Chính sự tan chảy của câc lớp băng cùng với sự nóng lín của khí hậu câc đại dương toăn cầu (tới độ sđu
3.000m) đê góp phần lăm cho mực nước biển dđng cao Dự bâo đến cuối thế kỷ 21,
nhiệt độ trung bình sẽ tăng lín khoảng từ 2,0-4,5°C vă mực nước biển toăn cầu sẽ tăng từ 0,18-0,59m Trong đó Việt Nam lă một trong bốn nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của sự biến đổi khí hậu vă dđng cao của mực nước biín Sự biến đổi khí hậu toăn
cầu đang diễn ra ngăy căng nghiím trọng Biểu hiện lă sự nóng lín của trâi đất lă băng
tan, mực nước biển đđng cao, dẫn đến hiện tượng thời tiết bất thường, bêo lũ, động dat,
gđy sạt lở núi gđy nguy hiểm cho con người vă hạ tang kỹ thuật
Trang 17miền Trung, gần đđy nhất lă đợt thiín tai kĩo dăi, dẫn đến sạt lở đâ gđy thiệt hại lín tới
hăng ngăn tỷ đồng về người vă của trong câc lĩnh vực nông nghiệp, ngư nghiệp vă ảnh hưởng nghiím trọng câc khu đô thị ven biển, gđy ảnh hưởng đến câc công trình giao
thông, vă câc hạ tầng kỹ thuật
Mặc dù chính quyền địa phương đê tiến hănh xử lý câc sự cố tạm thời hạn chế tâc
hại của sạt lở, song do chưa có sự nghiín cứu đúng mức, vă câc biện phâp bảo vệ hiệu
quả dẫn đến việc giải quyết hậu quả do câc sự có đạt hiệu quả còn rất thấp Việc bảo
vệ cơ sở hạ tầng, con người dưới nguy cơ thảm họa đâ rơi tự do băng câc hệ thông kết cấu có khả năng hấp thu năng lượng va chạm cao được nghiín cứu vă sử dụng rộng rêi tại câc nước phât triển trín thế giới, nhưng chưa được nghiín cứu vă âp dụng trong
thực tế tại nước ta
Do vậy việc đề xuất, phât triín hệ thông kết cđu bảo vệ chông đâ rơi được xem lă vấn đẻ cấp thiết trín thế giới nói chung vă tại Việt Nam nói riíng nhăm giảm thiíu tôi đa thiệt hại về người vă tăi sản do câc tai nạn sạt lở đâ gđy ra
Đồng thời giúp bổ sung vă hoăn chỉnh câc phương ân bảo vệ, phòng chống sạt lở
do đâ rơi tùy theo từng địa chất vă khu vực cụ thể tại nước ta, giúp ích cho câc nhă quy
hoạch có thím phương ân lựa chọn vă tự tin có thể đảm bảo an toăn cho người vă câc công trình liín quan níu có sự cô xảy ra
4 Mục tiíu, đối tượng vă phương phâp nghiín cứu
Mục tiíu của đề tăi:
Trong những năm gần đđy tại những nước phât triển trín thế giới đê có nhiều nghiín cứu nhằm phât triển những hệ thống kết cấu tí hợp từ nhiều cầu kiện kết cấu thĩp vă câc thiết bị có khả năng hấp thụ vă phđn tân năng lượng va chạm do hiện tượng sạt lở đất đâ gđy ra Hệ thống kết cầu bảo vệ năy sẽ giúp ngăn chặn không cho
đất đâ sạt lở với động năng cực kỳ lớn tiếp cận được khu vực cần bảo vệ bao gồm
công trình hạ tầng, giao thông vă đặc biệt lă con người Việt Nam chúng ta hằng năm cũng phải đối mặt với những thiệt hại rất lớn do loại hình thiín tai năy gđy ra
Trang 18thuc tĩ cha Viĩt Nam nham giam thiểu tối đa thiệt hai về người vă tăi sản do hiện tượng
sat lo da gay ra
Trín quan điểm tiếp tục giữ lại những ưu điểm của hệ thống kết cầu tiíu điểm vă
nghiín cứu tìm câch cải tiễn, khăc phục những nhược điểm để cuối cùng cho ra một hệ
thông kết cầu bảo vệ mới phù hợp hơn Dùng phương phâp phđn tích cả định tính, định lượng, vă so sânh dĩ đânh giâ hệ thông kết cấu mới theo câc tiíu chí:
> Hiệu quả về mặt kinh tế
> Mức năng lượng va chạm tối đa mă hệ thống có thĩ hap thu duoc > Tinh kha thi trong việc triển khai âp dụng hăng loạt trong thực tế
Kết quả nghiín cứu sẽ giúp cho kỹ sư vă câc nhă quản lý có thím sự lựa chọn phương phâp bảo vệ con người vă cơ sở hạ tầng thích hợp với điều kiện thực tế cho
từng khu vực địa chất ở Việt Nam
Đối tượng nghiín cứu:
Đối tượng nghiín cứu cụ thể lă một hệ khung lưới thĩp có ba nhịp, gồm 4 dầm
lăm băng thĩp ống được khoan sđu văo vâch núi Mỗi dầm sẽ được neo bởi giữ bởi 2
soi day câp giằng bố trí đầu vă giữa dầm Ngoăi ra hệ khung thĩp còn có hệ thống dđy
câp bao gồm 14 sợi câp thĩp có vai trò chính trong việc ngăn chặn đâ rơi Mỗi sợi câp
năy được nối văo hai dằm thĩp ngoăi cùng thông qua thiết bị hấp thu năng lượng vă chỉ liín kết với câc dầm thĩp giữa thông qua một vòng thĩp cứng được hăn văo dầm,
nghĩa lă câc sợi câp năy có thể trượt qua hai dầm thĩp ở giữa
Bín cạnh đó, để giữ khoảng câch giữa câc sợi câp, câc bản thĩp sẽ được bố trí song song với câc dầm thĩp Liín kết giữa câp vă câc bản thĩp giằng năy bằng liín kết
bu lông Đề hỗ trợ thím cho hệ lưới câp trong việc ngăn chặn đâ rơi, một hệ lưới thĩp sẽ được phủ lín trín vă liín kết với hệ lưới câp thông qua câc cuộn thĩp tròn (liín kết
tự do)
Phạm vi nghiín cứu:
Liín quan đến phạm vi của đề tăi, trín thế giới đê có nhiều nghiín cứu vă ứng dụng thực tế được công bố trín câc tạp chí khoa học quốc tế Trong đó đi đầu lă câc
Trang 19cấu của hệ thống kết cầu bảovệ chống lại hiện tượng sạt lở đất đâ (Rockfall Protection Systems) ở mỗi quốc gia lă không giống nhau.Tuy nhiín, nhìn chung lă giữa câc nước chđu Đu vă Mỹ có nhiều điểm tương đồng, còn Nhật Bản gần đđy đê phât triển thím
nhiều hệ thống mới, với nhiều đặc điểm riíng biệt, phù hợp với địa hình chật hẹp, hệ
thống giao thông đan xen sât với nhiều dêy đồi núi
Tại Việt Nam, do điều kiện thực tế: nhiều đổi núi xen kẻ với câc khu dđn cư
hay tuyến giao thông quan trọng rín để quy hoạch khu dđn cư hay rút ngắn khoảng câch tuyến giao thông, câc đồi núi được cắt, xẻ với độ dốc rất lớn vă gần như thẳng đứng Như vậy gđy ảnh hưởng rất lớn đến sự an toăn của con người vă câc cơ sở vật chất lđn cận khi có sự cố sạt lở xảy ra Vì vậy phạm vi dĩ tăi lă nghiín cứu vă phât
triển hệ thống kết cấu bảo vệ chống đâ rơi tự do tại câc vâch núi có độ đốc thẳng đứng, nhằm bảo vệ câc công trình bín dưới, phù hợp với địa hình tại Việt Nam
Cụ thể hơn, tâc giả sẽ xđy dựng một mô hình mô phỏng một hệ thống kết cầu hăng răo chịu tâc động đâ rơi Dựa trín những nghiín cứu thực nghiệm chính xâc trước đđy vă ứng dụng phương phâp phần tử hữu hạn được hoạt động trín nín phần
mềm thương mại có bản quyền LS-DYNA để phđn tích khả năng lăm việc của hệ kết
cầu ngăn chặn đâ rơi tự do tại vâch núi thẳng đứng
Giới hạn của đề tăi:
Đđy lă băi tôn mơ phỏng, mơ hình được xđy dựng dựa trín những nghiín cứu thực nghiệm đê được thực hiện trước đđy (Tran PV., 2012), nhằm giảm chỉ phí vă thời
gian trong quâ trình khảo sât nhằm đưa ra cấu tạo chỉ tiết cho từng bộ phận Mặc dù
vậy nhưng vẫn chưa có kết quả thực nghiệm theo hướng mă tâc đang nghiín cứu, do đó vẫn chưa được kiểm chứng bằng những kết quả thực nghiệm vă có thể so sânh với
mô hình mă luận văn đưa ra
Ngoăi ra, hình dạng, kích thước, vă vận tốc rơi của khối đâ cũng ảnh hưởng rất
nhiều đến ứng xử lăm việc của hăng răo Tuy nhiín trong luận văn năy, tâc giả cũng chưa khảo sât được mức ảnh hưởng của câc yếu tổ trín nhằm phđn tích ứng xử lăm việc của hăng răo
Đồng thời, do thời gian nghiín cứu có hạn, luận văn vẫn chưa đưa hết được
những khảo sât tại câc vị trí đặc biệt khâc trín mô hình như đâ rơi trực tiếp lín dầm
Trang 20đâ rơi tự do văo một hệ khung lưới thĩp băng phương phâp phần tử hữu hạn, đồng thời khảo sât câc phản ứng phi tuyến của câc đối tượng năy khi thay đổi mức năng lượng
cũng như vị trí va chạm giữa đâ rơi vă hệ kết cấu bảo vệ với trợ giúp của phần mềm thương mại LS-DYNA, có bản quyền tại trường Đại học Kanazawa, Nhật Bản
Câc mô hình năy mô tả được sự lăm việc của toăn bộ hệ thông kết cđu trong điíu kiện chịu tải trọng động va chạm với mức năng lượng cao Băng việc phđn tích chỉ tiết
câc mô hình số trín, chúng ta có thí xâc định rõ:
> Ứng xử động, phi tuyến của toăn bộ hệ thống kết cấu cũng như từng kết cấu
thănh phần đưới tâc động va chạm của đâ rơi tự do
> D6 biĩn dang của toăn bộ hệ kết cấu: lực căng của câp, độ giên dăi của câp, độ
võng của hệ lưới, độ lớn biến dạng của dđm
> Vai trò ảnh hưởng của câc kết cấu thănh phần trong việc hắp thu năng lượng va
chạm do đâ rơi tự do gđy ra
> Phan tích khả năng bị đứt câp khi chịu tâc động va chạm lớn > Mire nang lượng mă hệ thống kết cấu có thể hấp thu được
> Ảnh hưởng của vị trí va chạm đến khả năng hấp thu năng lượng của kết cấu
Dựa văo kết quả phđn tích ở trín, có thể tiếp tục điều chỉnh hệ thống kết cầu nhằm đạt được sự tối ưu hóa cao nhất vă phù hợp nhất tại Việt Nam
5 Bố cục luận văn
Luận văn dự kiến gồm 4 chương với nội dung như sau:
MỞ DAU
CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÍN CỨU
CHƯƠNG 2: DE XUAT CAU TAO VA PHAN TICH SU LAM VIEC CUA HE KET CAU BAO VE CHONG DA ROI
CHUONG 3: MO PHONG HE KET CAU BANG PP.PHAN TU HUU HAN DUA TREN PHAN MEM LS - DYNA
Trang 21CHUONG 1 : TONG QUAN VE NGHIEN CUU
1.1 Giới thiệu hiện tượng sạt lỡ da:
Sạt lở đâ được xem lă mối nguy hiểm xảy ra trong tự nhiín, do bị ảnh hưởng bởi khí hậu, sự phong hóa của đâ theo thời gian, hoặc có thĩ la mat ổn định liín kết do sự
thẩm thấu của nước ngầm, dòng chảy bề mặt, xói mòn vă động đất Ngoăi ra, câc hoạt động của con người như thi công xđy dựng, nỗ khai thâc đâ, chấn động rung từ câc thiết bị, câc đoăn tău cũng được xem lă những nguyín nhđn bín ngoăi gđy ra tai
nan sat lở đâ (Hoek E ,2007) Sạt lở đâ chủ yếu tập trung ở những khu vực sườn đôi
núi có độ dốc lớn, câc khu vục dđn cư gần thung lũng núi, đường cao tốc Tuy phạm vi ảnh hưởng lă không lớn nhưng do yếu tố bất ngờ vă động năng tâc động do va chạm lă lớn nín gđy thiệt hại rất nghiím trọng đến con người vă cơ sở hạ tằng xung quanh
Rất khâc với sạt lở đất, đâ bị sạt lở thường có khối tích nhỏ hơn, rời rạc nhưng lă những khối rắn cứng (Ladd G E., 1935) Vă Ladd cũng chia hiện tượng sạt lở thănh 4 loại như sau:
> Dòng sạt lở của đâ cuội, kích thước nhỏ;
> Sự rơi liín tục của đâ thô cùng với đâ nhỏ tích lũy dần tạo thănh những bờ đốc; > Sự tâch rời vă rơi thắng đứng từ câc vâch núi;
> Mot hay nhiều tảng đâ có kích thước lớn do ảnh hướng của điều kiện thời tiết
khắc nghiệt hay do hiện tượng xói mòn bị mắt ĩn định vă tâch rời khỏi sườn núi, rơi tự
do xuống từ độ cao rđt lớn
Trang 22
Mot dinh nghia tổng quât khâc cho hiện tượng sạt lở đâ được Cruden vă Varnes
đưa ra (Cruden D.M.,& Varnes D.J., 1996) Hiện tượng sạt lở đâ lă sự dịch chuyển từ
rất nhanh đến cực kỳ nhanh của bề mặt đổi núi, trong đó, câc tảng đâ bị tâch ra khỏi bề
mặt dốc vă dịch chuyển nhanh xuống theo câc hình thức: rơi tự do, rơi vă lăn đồng
thời Vă Ritchie đê đưa ra mối quan hệ giữa độ dốc của sườn núi với hình thức chuyền động của đâ rơi (Ritchie A M., 1963) Khi độ dốc lớn hơn 76° (hay 0.25:1), dù cho
tảng đâ bị tâch ra từ sườn núi với một gia tốc ban đầu rất nhỏ, sự rơi tự do hoăn toăn có thể xảy Ta Nếu độ dốc nhỏ hơn 76° vă lớn hơn 45°, tảng đâ rơi sẽ va chạm văo bề mặt sườn dốc, hình thức lăn tự nhiín vă nảy bật của đâ sẽ hình thănh Chuyín động lăn sẽ chiếm ưu thế nếu độ dốc nhỏ hơn 45°
Bín cạnh đó, liín quan đến thể tích khối đâ rơi, Rochet chia hiện tượng đâ rơi
thănh bốn trường hợp như sau (Rochet L., 1987):
> Đâ rơi với từng khối riíng lẽ với thể tích từ 0.01 đến 100 m’
> Những khối đâ lớn với thể tích từ 100 đến 100,000 m’
> Những khối đâ rất lớn với thể tích từ 100,000 đến 10 triệu m” > Những khối sạt lở cực lớn với thể tích lớn 10 triệu mỉ
Trang 23
Tóm lại, hiện tượng sạt lở đâ luôn luôn găn liín với câc yíu tô như khôi tích đâ, vận tốc rơi vă xoay, chiều cao nảy bật vă hoăn toăn phụ thuộc văo đặc điểm địa hình sườn dốc vă cơ chí rơi của khôi đâ (Bozzolo D vă cộng su, 1988)
1.2 Tổng quan về nghiín cứu trín thế giới:
Câc phđn tích nghiín cứu sớm nhất về sạt lở đâ được thực hiện bởi Ritchie (1963)
phục vụ cho Ủy Ban Quan ly đường bộ của tiểu bang Washington Ritchie da nhan
manh rang cần có phương tiện để dự đoân sự ổn định vật liệu trín bề mặt nứt của đâ Bằng câch tiến hănh hăng trăm thử nghiệm đâ rơi với nhiều quy mô lớn nhỏ khâc
nhau, Ritchie đê xđy dựng, phât triển tiíu chuẩn thiết kế vă đang được sử dụng rộng rêi trong câc công trình bảo vệ đâ rơi Ritchie cũng đâ nghiín cứu chuyển động vă quỹ
đạo rơi của những tảng đâ vă đê cố găng phât triển giải phâp phđn tích diễn biến vă
mối nguy hiểm đo đâ rơi dựa trín quy luật chuyển động của đâ AL Tâch liín kết
Hình 1.3:Sơ đô cho thấy những quâ trình đâ rơi điển hình của Ritebie (1963) Sau những nghiín cứu của Ritchie (1963) đê có nhiều tiến bộ đâng kể đê được thực hiện nhằm phđn tích vă dự đoân về diễn biến nguy cơ xảy ra đâ rơi Hầu hết câc
Trang 24Martin (1988) đê cung cấp một bảng tóm tắt về câc phương phâp bảo vệ khi cho nguy cơ đâ rơi:
Bang 1.1:Tĩom tắt câc phương phâp bảo vệ nguy cơ đâ rơi
PP 6n định PP bao vĩ PP canh PP giam bao sât theo dõi
Đăo rênh thoât nước vă |Mương ngăn chặn vă Tuan tra va} Theo dai kiểm soât mực nước ngầm | mương hănh lang cảnh bâo câc cuộc
Gia cỗ vă ôn định đâ có | Bờ đề ngăn chặn Hăng răo | điều tra
nguy cơ mắt liín kết: Tường ngăn chặn cảnh bâo chính xâc
e Bí tông hay vữa liín | Treo vă gắn lướibao |Đỉn cảnh |về độ biến
kết Hang rao va lưới bắt|bâo vă còi | dạng
e Xử lý bề mặt giữ bâo động e Bu lông liín kết, chốt,
móc neo
Câc nghiín cứu về diễn biến đâ rơi đê được tiếp cận bằng nhiều nghiín cứu thực nghiệm, câc mô hình vật lý vă mô phỏng bằng mây tính Những nghiín cứu ban đầu thường được thông qua câc phương phâp thực nghiệm, còn về sau thì câc phương phâp
mô phỏng bằng mây tính lại được sử dụng rộng rêi hơn Từ đó đưa ra được nhiều giải
phâp tối ưu có thể khắc phục được phạm vi ảnh hưởng tâc động do nguy cơ đâ rơi Câc phương phâp ổn định được sử dụng để giảm vĩnh viễn nguy cơ sạt lở đâ, hoặc để cải thiện tăng cường sự ổn định bề mặt cho sườn đốc Điều năy có thể thực
hiện được bằng câch quản lý, theo đối vă gia có hoặc loại bỏ những kết cầu đâ có liín
kết kĩm (Wyllie D C , 1980) Mục đích lă để ngăn chặn những khối đâ có thể tâch ra
khỏi sườn núi vă rơi xuống đường hoặc câc công trình lđn cận Đồng thời còn có
phương phâp không can thiệp bằng câc giải phâp kỹ thuật đó lă tăng cường công tâc
bảo trì, đặt bản hiệu cảnh bâo, vă bố trí hệ thống quan sât (Turner A K vă Schuster
R.L., 2012) Vă họ gọi đó lă phương phâp chủ động
Ngoăi ra còn có câc biện phâp bảo vệ bị động như xđy dựng hệ thống mương,
hăo, tường chắn, hệ hăng răo vă câc kết cấu mâi chắn - nhằm giữ lại hoặc lăm chệch
Trang 25lă lựa chọn được sử dụng nhiều vì có chỉ phí thấp vă hoạt động ổn định Sản xuất don giản, ít tâc động đến môi trường vă có thể dĩ dang bao hănh sửa chữa
1.3 Tổng quan về nghiín cứu trong nước
Trong thực tế, đa số câc sườn dốc đê có độ ôn định tự nhiín, theo thời gian dưới
tâc tâc động nhiều yếu tố (trọng lực, phong hóa dat da, thủy văn, điều kiện khí hậu ),
câc sườn đốc mắt đi trạng thâi ôn định Nhiều sườn núi, tuyến đường giao thông tiểm Đn nhiều nguy cơ sạt lở gđy mất an toăn cho người vă phương tiện tham gia giao
thông
Như vậy, nguy cơ mất an toăn đo sạt lỡ đất đâ đê trở thănh một trong những vấn đề nhức nhối mă câc địa phương (đặc biệt lă câc tỉnh miền núi) đang phải đối mặt, gióng lín những hồi chuông cảnh tỉnh câc cơ quan quản lý nhă nước, câc địa phương
Xâc định được vấn đề đỏ, có nhiều hướng nghiín cứu vă khắc phục hậu quả do sạt lở,
đâ rơi gđy ra Trong đó Công ty công nghiệp Hóa chất mỏ Nam Bộ - Micco đê nghiín
cứu tư vấn, triển khai vă ứng dụng một số giải phâp nhằm đảm bảo độ ôn định sườn
dốc, vâch núi cụ thế như sau:
> Thâo khô đất đâ bị sũng nước
> Sử dụng phương phâp nỗ mìn vi sai, nỗ mìn tạo biín, nỗ mìn tâch
Trang 26
> Sử dụng ním thủy lực tâch đâ có nguy cơ sạt lở
Hình 1.5: Giải phâp ním thủy lực tâch đâ (Cty CN Hóa chất mó Nam Bộ - Micco)
» Biện phâp giảm tải
> Sử dụng phương phâp bạt taluy đạt góc ôn định tự nhiín vă phủ thảm thực vat > Str dụng lưới thĩp bảo vệ chống đâ rơi
Trang 27
> Sử dụng khoan neo gia cô câc vâch núi
Trang 28Nhưng nhìn chung, hầu hết câc nghiín cứu vă phương phâp được sử dụng rộng
rêi ở nước ta chỉ lă phương phâp chủ động, đề phòng trước câc khả năng dẫn đến sat
lở Tuy không phải lă đối tượng nghiín cứu chính của đề tăi, nhưng thông qua câc giải phâp trín ta thấy rõ vẫn chưa có nghiín cứu cụ thể năo đi sđu văo việc thiết kế hệ
thống kết cấu hăng răo lưới thĩp bảo vệ chịu tải trọng đâ rơi tự do Vì vậy đđy lă
hướng nghiín cứu còn khâ mới vă chưa được thực hiện rộng rêi ở Việt Nam
1.4 Giới thiệu giải phâp bị động trín thế giới:
Khi có được câc thông tin cần thiết về nguy cơ xảy ra thảm họa đâ rơi tại một sườn đốc cụ thí năo đó, việc xâc định một giải phâp phòng chống phù hợp được xem như lă một bước quan trọng nhất trong việc quản lí thảm họa vă rủi ro, nghĩa lă lựa chọn được một giải phâp chính xâc sẽ lăm giảm thiểu tối đa thiệt hại do đâ rơi gđy ra
Biện phâp ôn định kết cấu sườn dốc bao gồm thay đổi độ dốc để giảm xâc suất
xuất hiện của hiện tượng đâ rơi Điều năy có thể thực hiện được bằng câch quản lý,
theo đối vă loại bỏ những kết cấu đâ có liín kết kĩm(Wyllie D C vă cộng sự ,1980)
Tuy nhiín, đối với những khu vực sườn núi có độ ôn định kết cấu sườn dốc lă không đều, có độ dốc lớn vă nguy cơ sạt lở cao thì biện phâp ổn định kết cấu chưa thật sự
đem lại hiệu quả cao Từ đó bắt đầu khởi xướng ra nhiều phương phâp bảo vệ khâc
như lập hăng răo, biển bâo, tắm lưới, tường răo chắn để kiểm soât phạm vi ảnh hưởng Mục tiíu chính của câc phương phâp năy gần như lă lăm thay đổi quỹ đạo rơi
của đâ bằng câch bắt giữ hoặc lăm giảm động năng va chạm bằng câc thiết bị triệt tiíu
năng lượng va chạm Đđy lă loại phương phâp thụ động hơn nhưng lại phù hợp với
những khu vực có nguy cơ sạt lở đâ ngoăi ranh giới bảo vệ, mức độ ôn định kết cầu sườn dốc lă không đều vă chỉ phí ổn định lă quâ cao, vă việc đi dời khỏi phạm vi ảnh hưởng lă không thí thực hiện hoặc chỉ phí cao
Ở một góc độ năo đó thì phương phâp lập hăng răo, kỉ chắn, kết cấu tường chắn lă lựa chọn hợp lý hơn đo dễ thi công, không ảnh hưởng nhiều đến môi trường,
thuận tiện việc bảo hănh bảo dưỡng mă chỉ phí lă không cao
Hăng răo bảo vệ thường được sử dụng đề kiểm soât hoặc bắt giữ câc khối đâ rơi xuống với mục đích bảo vệ cơ sở hạ tầng Hăng răo linh hoạt thường có cấu tạo gồm
một tắm lưới mă nhiệm vụ chính lă ngăn chặn vă bắt giữ khối đâ rơi xuống, cấu trúc
Trang 29lăm tiíu hao động năng khi đâ rơi xuống Nếu so sânh với câc hăng răo cố định, thi
hăng răo linh hoạt có chi phí hợp lí hơn vă đơn giản trong thiết kế Từ đó loại hăng răo
năy đê được phât triển mạnh mẽ với mức hấp thu năng lượng từ ¡0 đến 8000K] trín
toăn thế giới
Hăng răo đầu tiín được âp dụng cho bảo vệ tuyết lở ở Thụy Sĩ - bao gồm mạng
lưới dđy câp hình tam giâc gắn trín khung gỗ (Spang R M., & Bolliger R., 2001) Vô
tình, loại hăng răo năy đê được vận dụng để bảo vệ thănh công hiện tượng đâ rơi đê
xảy ra trong thời kỳ tuyết rơi, mở ra một ứng dụng mới để bảo vệ đâ rơi kể từ thời
điểm đó Câc ứng dụng được biết đến đầu tiín như một hăng răo dđy câp được dựng lín văo năm 1958 tại miền Nam Thụy Sĩ Brusio trín để bảo vệ câc đường dđy tải điện
Hệ thống bao gồm lưới hình chữ nhật có kích thước đo được lă 3x5 m, chiều cao 5 m
được coi lă chiều cao tiíu chuẩn như hiện nay (Turner A K.,& Schuster R L., 2012)
Hình 1.8: Hệ thống chống sạt lở tuyết sử dụng hệ câp tam giâc căng trín giâ gd Ung dung dau tiín lă văo năm 1951 trĩn Schafberg & Pontresina trong thung liing
Engadine , Thuy Si ( Turner va dĩng nghiĩp , 2012)
Trong 50 năm qua, việc thiết kế hệ thống hăng răo bảo vệ chống đâ rơi được phât
Trang 30lượng luôn lă trọng tđm trong quâ trình thiết kế, chủ yếu tập trung văo vật liệu sử dụng
vă câc thănh phần cấu thănh nín hệ thống bảo vệ bằng câch thay đổi câc vật liệu mới từ lưới thĩp nhẹ đến câc thiết bị lăm tiíu hao năng lượng Điều năy lăm tăng đâng kể
khả năng hấp thu năng lượng khi chịu tâc động đả rơi
Hình 1.9 Chỉ tiết câc loại hấp thu năng lượng của hăng răo bảo vệ
Khi xảy ra đâ rơi, năng lượng do va chạm được chuyển từ vị trí va chạm văo câc
thănh phần kết cầu lđn cận của hệ thông, vă ngay lập tức tiíu tan bởi câc khả năng chịu
lực của kết cầu lưới bảo vệ vă câc hệ thống tiíu hao năng lượng Dựa trín nguyín lí lăm việc đó, hệ thống kết cấu bảo vệ được phât triển theo hướng lă tăng cường khả
năng hấp thu năng lượng do va chạm của hệ thống Đồng thời, nghiín cứu phât triển khả năng tiíu hao năng lượng tại câc vị trí câch xa trung tđm lưới bảo vệ dĩ phù hợp hơn với nhiều trường hợp tâc động của đâ rơi (Wyllie D C vă cộng sự ,1980) Việc
Trang 31Schuster R L., 2012) Tai tac động đơn giản lă động năng va chạm khi khối đâ rơi
xuông tâc động văo hăng răo
Hiệu quả lăm việc của hăng răo dựa văo việc phđn bố năng lượng tâc động của
câc bộ phận cầu tạo vă chịu ảnh hưởng lớn bởi vị trị va chạm khi tâc động Vă vấn đề bảo trì lă liín quan đến câc sửa chữa cần thiết sau khi chịu tâc động va chạm Câc hăng răo loại năy thường đạt hiệu qua cao nhất tại vị trí trung tđm của tắm lưới bắt giữ, đó lă nơi mă hăng răo có biến dạng cao nhất Tính linh hoạt của hăng răo đê lăm giảm tải
trọng khi đâ rơi xuống, vă nói chung lă tăng cường khả năng hấp thụ năng lượng của
tổng thể hệ thống lớn lín đồng thời giảm thiíu vấn dĩ bảo trì sau khi chịu tâc động Tuy nhiín, tất cả những hướng phât triển trín đều không thí thực hiện được mă
không cần thử nghiệm rộng rêi cho từng thănh phần cấu thănh nín hệ thống cả trong
phòng thí nghiệm vă tâc động thực trong thực tế Kết quả được minh họa ấn tượng bởi
sự gia tăng khả năng hấp thu năng lượng từ 50K] lín 8000K], đồng nghĩa khả năng
hấp thu năng lượng tăng gần 100 lần (Spang R M., & Bolliger R., 2001)
Nhiều câ nhđn khâc nhau vă câc nhóm nghiín cứu từ Chđu Đu, chủ yếu từ Thụy SY, Ý, Nhật đê tiến hănh nhiều cuộc kiểm tra toăn diện trín câc loại khâc nhau của
hăng răo để xâc minh kết quả vă trao đổi thông tin Trong đó Peila cũng đê tiến hănh
kiểm tra thực nghiệm bằng câch sử dụng câp dẫn để đưa khối đâ lín trín đỉnh dốc vă
diĩm đến của khối đâ lă hăng răo lưới được đặt dưới chđn dốc (Peila, D.vă cộng sự,
1998) Khối đâ được thả xuống tâc động trực tiếp văo hăng răo, bỏ qua chuyển động
lăn vă nảy bật trong quâ trình di chuyển.Theo câch năy, động năng tâc động đê được tính toân chính xâc Câc mây quay phim, chụp ảnh đê được sử dụng để theo dõi vă ghi
lại những hình ảnh tâc động trong quâ trình kiểm tra thực nghiệm Câc lực tâc dụng lín câc dđy câp, trụ đỡ cũng đê được đo vă ghi nhận lại
Muraishi and Sano da dua ra một qui trình thí nghiệm cho hệ hăng răo chống sạt lở đâ vă được viện nghiín cứu kỹ thuật đường sắt Nhật Bân sử dụng (Muraishi H.,& Sano S., 1999) Việc kiểm tra đânh giâ một hệ hăng răo bảo vệ được thực hiện thông qua câc thí nghiệm tĩnh trong phòng thí nghiệm đối với câc kết cầu thănh phần vă thí
Trang 32fe đê „anh Hình 1 2:Thứ nghiệm đâ rơi tự do tại Nhật Bản H,, Chiều cao từ vị trí thả đâ đến vị trí tâc động
H, Chiều cao điểm lệch tối đa của hăng răo
Hưu, Độ lệch tỗi đa của hăng răo
Với thử nghiệm thả rơi tự do tại nhiều vị trí tâc động vă động năng của khối đâ có thể được ghi chĩp lại một câch chính xâc trong hăng loạt câc thử nghiệm, để nhằm
giảm số lượng câc băi toân kiểm tra cho trường hợp đâ rơi vă lăn trín sườn đồi
Baumamn đê xem xĩt lại câc băi kiểm tra hăng răo linh hoạt bảo vệ nguy cơ đâ rơi ở
Thụy Sĩ (Baumamn R., 2002) Có hơn 350 băi kiểm tra đê thực hiện trong nước từ năm
1988 đến năm 2002, vă câc thủ tục kiểm tra cũng như thiết kế hăng răo liín tục được
cải thiện trong thời gian đó Một bản tóm tắt câc thử nghiệm trín hăng răo được trình
băy trong (Thommen R A (2008) Sau đó, tiến hănh kiểm tra toăn điện bằng nhiều
Trang 33chỉ tiĩt hon (Gottardi, G., & Govoni, L., 2010) Cho đến nay, dựa trín gia tốc rơi của câc khối đâ rơi xuống, việc kiểm tra khả năng lăm việc của hăng răo có thí chia thănh
hai loại chính đó lă: khối rơi, lăn theo sườn dốc vă rơi tự đo
Nhằm giảm số lượng thí nghiệm hiện trường với chi phí quâ lớn nhưng vẫn đảm bảo phât triển được những hệ kết cấu hăng răo mới, phương phâp mô phỏng đê được âp dụng, trước hết để hiểu rõ cơ chế ứng xử của hệ kết cấu đối với va chạm của
đâ rơi vă sau đó được sử dụng cho mục đích thiết kế vă phât triển Hơn nữa, phương
phâp mô phỏng còn cho phĩp xem xĩt câc trường hợp tải trọng đặc biệt khâc mă
không thể thực hiện tại hiện trường (đâ rơi với vận tốc lớn, câc vị trí va chạm đặc biệt
như va chạm văo dầm, văo câp giằng ) cũng như khảo sât sự thay đổi trong ứng xử
Trang 34CHUONG 2: DE XUAT CAU TAO VA PHAN TICH SU LAM
VIEC CUA HE KET CAU BAO VE CHONG DA ROI
2.1 Đề xuất chỉ tiết sơ đồ cầu tạo của hăng răo bảo vệ:
Sơ đồ cấu tạo của hăng răo lưới thĩp lă một hệ khung lưới thĩp gồm có 04 dầm đỡ lăm bằng thĩp ống đúc có đường kính ngơăi lă 219 mm với chiều dăy lă 30 mm được khoan sđu văo vâch núi tạo thănh 03 nhịp, với chiều dăi mỗi nhịp lă 8m Mỗi
dầm sẽ được neo giữ bởi 02 sợi dđy câp có đường kính danh nghĩa lă 18mm bồ trí tại
vị trí đầu vă giữa của dầm Mỗi câp giằng năy đều được nói với 01 thiết bị hấp thu năng lượng va chạm trước khi neo cô định văo vâch núi nhằm giảm khả năng đứt câp xay ra
Thiết bị hấp thu năng lượng va chạm gồm một bu lông chữ U vă hai khối thĩp
đức, một lớn vă một nhỏ, trong đó khối thĩp nhỏ có thí trượt đợc theo bư long chữ U
Mỗi khói gồm 2 bản thĩp đúc có độ dăy từ 25-38mm Hai tắm thĩp được xếp chồng
lín nhau, ở giữa có một khe lõm (nơi đặt dđy câp thĩp) vă được nĩn lại với nhau bằng hai bu lông M20 với momen xoắn lă 200Nm/1bulông (Hình 3.1) Lực ma sât giữa dđy
Trang 35Chiều cao tinh toân được tính từ vâch núi ra đến dđy câp ngoăi cùng lă 4.2 m vă được chia đều cho 14 dđy câp Mỗi dđy câp có đường kính danh định lă 18 mm năy
được sử dụng như lă thănh phần chính để bắt giữ những khối đâ rơi ra từ vâch núi
Chúng được bố trí theo chiều ngang bằng câch kết nối với hai dam đầu vă cuối thông
qua câc thiết bị hấp thu năng lượng nhằm tăng hiệu quả trong việc ngăn ngừa câc dđy
câp thĩp bị đứt khi chịu tâc động va chạm Có một nút dừng được gắn ở phần cuối của
mỗi dđy câp để ngăn chặn câc sợi dđy trượt ra khỏi thiết bị hấp thu năng lượng (Tran
PV, 2012)
Ngoăi ra mỗi dđy câp như vậy được xuyín qua vòng thĩp được hăn cứng văo câc
dầm đỡ trung gian Đẻ giúp duy trì khoảng câch giữa câc dđy câp, 4 thanh giằng đứng lăm bằng thĩp tắm được lắp đặt tại vị trí giữa của mỗi nhịp Mỗi thanh giằng được lăm
bằng thĩp tắm dăy 9mm được liín kết với từng dđy câp bởi những bu lông Ù bằng sắt Với mục đích hỗ trợ câc dđy câp thĩp trong vai trò bắt giữ khối đâ, một lớp lưới thĩp có đường kính sợi lưới lă 5mm vă khoảng câch lưới lă 50mm đê được sử dụng
Thím văo đó, để cố định 4 dầm đỡ đều nằm trong một mặt phẳng của hăng răo, phía trín đầu mỗi đầm liền kề đều được liín kết bằng một thanh giằng nằm ngang bằng thĩp ống có đường kính 114mm dăy 4.5mm
Trang 36Bang 2.1:Chi tiĩt cdu tao hang răo lưới thĩp bảo vệ tâc động da roi Thănh phần kết cầu Loại phần tử Kích thước Dđy câp thĩp Câp Ø18 mm Câp giăng thĩp Câp Ø18 mm Dầm đỡ bằng thĩp ống Dam Ø 219 mm - 30mm Dằm giằng bằng thĩp ống Dam Ø114 mm- 4.5 mm Thĩp tđm giằng Tắm 9mm Lưới thĩp Câp Ø5 Thĩp vòng liín kết Dam Ø 30mm Bu lông U liín kết thĩp giằng Dam Ø 10mm
2.2 Phđn tích sự lăm việc của hăng răo bảo vệ:
Đđy lă loại hăng răo mới được phât triển dựa trín một loại hăng răo đê được
kiểm nghiệm trong thực tế (Tran PV, 2012) vă được thực hiện bằng câch sử dụng khối bí tông được bọc bằng thĩp (RC) có khối lượng đúng với thực tế bị rơi tự do khỏi
sườn núi, ngoăi ra không có sự tâc động năo trong quâ trình rơi Hình dạng của khối RC được đưa ra lă phù hợp với quy định EOTA cho hệ thống bảo vệ đâ rơi (ETAG-
027, 2008) Khối RC được bao phủ với lớp thĩp tắm 6mm vă có khối lượng thực 5,2
Khi hăng răo chịu tâc động do một khối đâ RC rơi tự do xuống, một động năng va chạm đê tâc động văo hăng răo, phần động năng đó được truyền văo hệ thống dđy
câp Khi đó đđy câp bị giên ra một đoạn nhất định nhưng chưa có hiện tượng trượt qua
câc thiết bị hấp thu năng lượng, cho đến khi độ lớn của lực va cham dat đến một giâ trị
giới hạn Lúc năy câc dđy thĩp bắt đầu trượt, câc thiết bị hấp thu năng lượng có thĩ duy trì một lực ma sât động học giữa dđy câp vă thiết bị hấp thu năng lượng cho đến khi một điểm dừng tại đoạn cuối của đđy câp tiếp xúc với thiết bị hấp thu năng lượng
Những dđy câp như vậy sẽ giảm được khả năng gđy đứt câp do một phan năng lượng
Trang 37bay cụ thĩ cdc chi tiết của thiết bi hap thu năng lượng đê được chứng minh bằng thực
nghiệm vă mô phỏng số về khả năng lăm tiíu hao năng lượng vă ngăn chặn tâc động
lăm đứt câp (Tran PV, 2012) Hiệu quả của thiết bi hap thu năng lượng lă do:
+ Chuyển động ban đầu của khối thĩp (2) đến khi tiếp xúc với khối thĩp
(1), nó ngăn chặn sự gia tăng sức căng đột ngột trong dđy câp khi bắt đầu chịu tâc
động va chạm
+ Độ lớn thích hợp của lực ma sât giữa dđy câp vă khối thĩp (1) vă (2), cho phĩp dđy câp trượt thông qua câc thiết bị trong quâ trình chịu tâc động
Giâ trị lực ma sât được ước tính bằng một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm khi chịu tâc động vă có thĩ thay dĩi chi don giản bằng câch kiểm sôt mơ-men xoắn
của câc bu lông nối câc tắm thĩp (1) vă (2) Hình 2.3 miíu tả mô hình vă câc bước thử
nghiệm trong phòng thí nghiệm cho một thiết bị hấp thu năng lượng (Tran PV, 2012)
Từ đó, mối quan hệ giữa lực căng của mỗi bu lông U được sử dụng trong hăng răo lưới thĩp vă lực căng của dđy thĩp cũng được xâc định trong thí nghiệm kĩo khi chịu tải trọng tĩnh Mỗi quan hệ năy đê được sử dụng dĩ ước tính lực căng của dđy câp từ di
liệu lực căng của bu long U cho hăng răo chịu tải trọng tâc động (Tran PV, 2012)
Thiết bị hấp thu Khối đâ được thả roi ty do Viti can kiếm tra năng lượng - = Vì trí kiím tra 1 i i 1 “vo cap thĩp \ ` N ky ee ee KẾ Thiết bị đo “7 00022H
Hình 2.3: Trình băy quy trình kiểm tra khả năng lăm việc của thiết bị hấp thu năng lượng trong phòng thí nghiệm (Tran PV, 2012)
Trang 38phận góp phần lăm suy giảm động năng va chạm của khối đâ vă giúp bắt giữ khối đâ
tốt hơn
Năng lượng tâc động chính lă động năng ( Ev ), nó phụ thuộc văo vận tốc tương ứng của chuyển động rơi tự do của khối RC trước khi va chạm:
TỶ =< [2.1]
Trong dĩ: M: lă khối lượng của khối RC
v : lă vận tốc chuyín động rơi tịnh tiến của khối RC
E : lă năng lượng tâc động E, : động nang của khối RC
Dựa văo đó, câc băi toân đê được đưa ra nhằm khảo sât khả năng lăm việc thực tế của hăng răo Việc lặp đi lặp lại câc tính toân trín cho phĩp chúng ta kiểm tra được
câc trạng thâi kết cầu của mỗi phần cấu thănh nín hăng răo vă sự tương tâc giữa câc
thănh phần đó với nhau như thế năo trong quâ trình chịu tâc động va chạm Đồng thời
cũng xâc định được khả năng bắt giữ khối đâ tốt nhất của hăng răo với những ứng xử
Trang 39CHƯƠNG 3: CO SO LY THUYET
3.1 Ly thuyĩt chung vĩ phan tir hiru han:
Giới thiệu chung về phần tứ hữu hạn:
Theo thời gian, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi người nghiín cứu phải
thực hiện những nghiín cứu ngăy căng phức tạp, đắt tiền nhưng đòi hỏi độ chính xâc,
an toăn cao
Phương phâp phần từ hữu hạn (PTHH) lă một phương phâp rất tông quât vă hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp băi toân kỹ thuật khâc nhau Từ việc phđn tích trạng
thâi ứng suất, biến dạng trong câc kết cấu cơ khí, câc chỉ tiết trong ô tô, mây bay, tău
thuỷ, khung nhă cao tầng, dầm cđu, v.v, đến những băi toân của lý thuyết trường như:
lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đăn hồi, khí đăn hồi, điện-từ trường v.v
Với sự trợ giúp của ngănh Công nghệ thông tin vă hệ thống CAD, nhiều kết cầu phức
tạp cũng đê được tính toân vă thiết kế chỉ tiết một câch đễ đăng
Hiện nay có rất nhiều phần mềm sử dụng phương phâp PTHH nỗi tiếng như:
ANSYS, LS-DYNA ,ABAQAUS, SAP, v.v
Có rất nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều vă ba chiều
Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sât có thể biến thiín bậc nhất (gọi lă phần tử bậc
Trang 40Quy trình tổng thể giải băi toân PTHH
Bước 1: Phương trình vi phđn (strong form)
Bước 2: Thănh lập dạng yếu (weak form)