Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có số liệu đầu vào dạng khoảng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN MINH ĐỨC ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ SỐ LIỆU ĐẦU VÀO DẠNG KHOẢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình D

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN MINH ĐỨC

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ SỐ LIỆU

ĐẦU VÀO DẠNG KHOẢNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM THANH TÙNG

Phản biện 2: PGS.TS ĐẶNG CÔNG THUẬT

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp

họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 07 năm

2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học

Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thực tiễn hiện nay, nhiều công trình cũ, xuống cấp nghiêm trọng cần được thẩm định Bên cạnh đó, cũng có không ít các công trình cần được chuyển đổi mục đích sử dụng và cần được đánh giá lại khả năng chịu lực bằng các phương pháp

đo đạc tại hiện trường

Đối với bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình hiện hữu, hay nói cách khác là đánh giá công trình đã được xây dựng, công trình đang khai thác thì vấn đề không chắc chắn của số liệu đo đạc ở thực địa là rất quan trọng Các yếu tố đầu vào cho bài toán chẩn đoán khả năng chịu lực cho công trình ít nhiều mang yếu tố ngẫu nhiên (cường độ bê tông, diện tích và sự bố trí cốt thép trong kết cấu), sai số lớn đã dẫn đến kết quả thu được có độ chính xác chưa cao

Đề tài: Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có số liệu đầu vào dạng khoảng có ý nghĩa thực tiễn cao và đáp ứng yêu cầu của thực tế hiện

nay, đồng thời sẽ là một tài liệu quan trọng giúp cho các đơn vị quản lý và kỹ sư có thể ứng dụng trong công tác thẩm định chất lượng các công trình hiện hữu

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

a) Mục tiêu tổng quát:

Đánh giá lại khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép trong một công trình hiện hữu

b) Mục tiêu cụ thể:

Ứng dụng lý thuyết khoảng trong việc đánh giá độ tin cậy chịu uốn của dầm bê

tông cốt thép khi số liệu đo đạc có dạng khoảng;

Thực hiện được các phép đo tại hiện trường để cung cấp dữ liệu đầu vào cho

bài toán chẩn đoán;

Đưa ra được kết luận chính xác về khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt

thép

3 Đối tượng nghiên cứu:

Dầm liên tục trong khung bê tông cốt thép của các công trình xây dựng

4 Phạm vi nghiên cứu:

Các công trình xây dựng xuống cấp hoặc không có hồ sơ thiết kế trên trên địa bàn thành phố Nha Trang

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng biến số khoảng trong việc chẩn đoán khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép;

Nghiên cứu ứng dụng quy trình đánh giá chất lượng công trình bê tông cốt thép hiện hữu;

Nghiên cứu ứng dụng quy trình thí nghiệm đo cường độ bê tông cho công trình hiện hữu;

Nghiên cứu ứng dụng quy trình thí nghiệm xác định diện tích cốt thép và sự bố trí cốt thép trong kết cấu;

Thí nghiệm tại hiện trường, xử lý kết quả thí nghiệm và đánh giá sai số trong

quá trình thí nghiệm

Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với thông số đầu vào

không chắc chắn và đưa ra kiến nghị

6 Bố cục đề tài:

Chương 1: Tổng quan về bàı toán chẩn đoán khả năng chịu lực của công trình

Chương 2: Đánh giá độ tin cậy chịu uốn của kết cấu với biến ngẫu nhiên dạng

khoảng

Chương 3: Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép cho khu

khám bệnh của Bệnh viện đa khoa tỉnh Khánh Hòa

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC

CỦA CÔNG TRÌNH Đặt vấn đề:

Nhiều công trình cũ, xuống cấp nghiêm trọng cần được thẩm định;

Không ít các công trình cần được chuyển đổi mục đích sử dụng

Đánh giá lại khả năng chịu lực bằng các phương pháp đo đạc tại hiện

- Phép đo thường có sai số

Khi chấp nhận sai số của biến đầu vào Biến đầu vào có dạng khoảng với cận trên và cận dưới xác định

Đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép có số liệu đầu vào

dạng khoảng

1.1 Các bài toán cơ bản trong kỹ thuật công trình

1.1.1 Bài toán phân tích kết cấu

1.1.2 Bài toán kiểm tra kết cấu

1.1.3 Bài toán chẩn đoán khả năng chịu lực của công trình

1.2 Phân biệt bài toán thiết kế cà bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình

1.2.1 Bài toán thiết kế công trình

1.2.2 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình

1.2.3 Ví dụ minh họa

1.3 Bài toán phân tích và chẩn đoán kỹ thuật công trình với các số liệu đầu vào

không chắc chắn

1.4 Cơ sở đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép tại hiện trường

1.4.1 Đại lượng ngẫu nhiên và các tính chất của chúng

1.4.2 Lý thuyết tổng quát tính độ tin cậy theo xác suất - thống kê

1.4.3 Ứng dụng tính toán độ tin cậy

1.5 Kết luận chương

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHỊU UỐN CỦA KẾT CẤU VỚI BIẾN NGẪU

2.1.4 Véc tơ khoảng, ma trận khoảng

2.1.5 Đặc trưng cơ bản của lý thuyết phân tích khoảng

2.2 Áp dụng đại số khoảng vào bài toán đánh giá độ tin cậy kết cấu

2.2.1 Mô hình độ tin cậy bậc nhất (Zhiping Qiu – 2008)

2.2.2 Mô hình phân tích độ tin cậy theo biến số khoảng

2.2.3 Mô hình số khoảng phân bố đều (C.D Le – 2017)

2.3 Kết luận

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHO

KHU KHÁM BỆNH CỦA BỆNH VIỆN ĐA ĐA KHOA TỈNH KHÁNH HÕA

3.1.1 Địa điểm thực hiện

Công tác đo đạc hiện trường được thực hiện tại phòng khám 307 tầng 3 khu

khám bệnh (khối nhà 8 tầng) của bệnh viên Đa Khoa tỉnh Khánh Hòa, tại số 19

Yersin, phường Lộc Thọ, thành Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa

Ở vị trí này, có một phòng chức năng hiện đang được sử dụng để làm phòng

khám đa khoa, trong kế hoạch dự kiến, phòng này sẽ được đánh giá lại khả năng chịu

lực của kết cấu để xem xét thay đổi chức năng thành phòng chụp X-Quang Dự kiến

tải trọng sẽ tăng nhiều hơn so với ban đầu nên cần đánh giá độ tin cậy về khả năng

chịu lực của kết cấu và đề xuất phương án thực hiện

Hình 3.1 Tổng quan Bệnh viện Đa khoa tỉnh Khánh Hòa

3.1.2 Mục tiêu: Nghiên cứu chuyển đổi công năng sử dụng cho phòng chức năng

Cần đánh giá khả năng chịu lực của dầm D1 sau khi chuyển đổi công năng

3.1.3 Đo cường độ bê tông bằng súng bật nẩy

Cường độ bê tông của dầm D1 được tiến hành đo đạc 02 lần, kết quả 02 lần đo được đo tổng hợp trong bảng bên dưới

Bảng 3.1 Kết quả đo đạc xác định cường độ bê tông của dầm D1 –14/4/2018

Cường độ bê tông sau hiệu chuẩn (N/mm 2 )

Ghi chú

Kết quả phân tích hàm mật độ xác suất của cường độ bê tông - 14/4/2018

Hình 3.2 Kết quả phân tích thống kê cường độ bê tông theo mô hình phân phối

chuẩn-14/4/2018 Bảng 3.2 Kết quả đo đạc xác định cường độ bê tông của dầm D1 – 10/5/2018

Cường độ bê tông sau hiệu chuẩn (N/mm 2 )

Ghi chú

Kết quả phân tích hàm mật độ xác suất của cường độ bê tông - 10/5/2018

Hình 3.3 Kết quả phân tích thống kê cường độ bê tông theo mô hình phân phối

Hình 3.4 Chuẩn bị công tác siêu âm đường kính và vị trí cốt thép

Đường kính cốt thép của dầm D1 được tiến hành đo đạc 02 lần, kết quả 02 lần

đo được phân tích theo mô hình phân phối chuẩn và được tổng hợp trong các bảng bên dưới đây:

Bảng 3.3 Kết quả đo đường kính cốt thép của dầm D1 - Gối giữa – 14/4/2018

ST

T Chi tiết/ Tiết diện

Đường kính trung bình (mm) Ghi chú

1 VỊ TRÍ 1 / TIẾT DIỆN

1

24.6

Cốt thép trên

Hình 3.5 Kết quả phân tích thống kê diện tích cốt thép theo mô hình phân phối chuẩn

– 14/4/2018

Bảng 3.4 Kết quả đo đường kính cốt thép của dầm D1 - Gối giữa – 10/5/2018

ST

T Chi tiết/ Tiết diện

Đường kính trung bình (mm) Ghi chú

01 VỊ TRÍ 1 / TIẾT DIỆN

1

24.8

Cốt thép trên

1 1 1 24, 293 24,384 ( )

2 2 2 20, 72 20,843 ( )

2 2 2 0, 79635 0,8916 ( )

3.1.4 Kết quả đo đạc hiện trường

Các kết quả đo đạc hiện trường được tổng kết và trình bày như bên dưới

 Cường độ bê tông: Giá trị cường độ bê tông có thể được xem như biến ngẫu nhiên có phân phối chuẩn Kỳ vọng và độ lệch chuẩn lần lượt biến thiên trong các khoảng sau:

Tại gối giữa: Bố trí 5 thanh thép dọc chịu lực, đường kính cốt thép có thể xem như biến ngẫu nhiên có phân phối chuẩn, kỳ vọng và độ lệch chuẩn lần lượt như sau:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Đường kính (mm)

Hình 3.10 Biểu đồ mật độ phân phối đường kính cốt thép As1

Tại giữa Nhịp lớn: Bố trí 4 thanh thép dọc chịu lực, đường kính cốt thép có thể xem như biến ngẫu nhiên có phân phối chuẩn, kỳ vọng và độ lệch chuẩn lần lượt như sau:

Đường kính (mm)

Hình 3.11 Biểu đồ mật độ phân phối đường kính cốt thép A s2

3.2 Độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép

3.2.1 Quy trình tính toán

Trong giới hạn của luận văn, để có thể xác định được độ tin cậy chịu uốn của dầm bê tông cốt thép hiện hữu, tác giả giả định rằng các số liệu đo đạc hiện trường có quy luật phân bố chuẩn (Normal Distribution) Do số liệu thu thập hiện trường không

đủ nhiều nên còn tồn tại các sai số trong các phép đo Do đó, tác giả để xuất sử dụng

mô hình tính toán độ tin cậy theo dạng số khoảng Quy trình tính toán được thực hiện như sau

Kích thước tiết diện dầm và nhịp dầm là các đại lượng có thể đo đạc dễ dàng, sai số bé có thể chấp nhận được nên các đại lượng này được xem là tất định:

Cốt thép thường được sử dụng làm cốt thép dọc trong các công trình xây dựng

là cốt thép có gờ CII Cường độ cốt thép có thể được xem là tất định và có giá trị bằng với cường độ cốt thép mớiR S 280 MPa Để kể đến sự hao hụt khả năng chịu lực của cốt thép, luận văn chỉ xét đến sự hao hụt về diện tích cốt thép

Giá trị cường độ bê tông Rb và diện tích cốt thép dọc chịu lực As được đo đạc tại hiện trường Do sai số trong quá trình đo đạc, chấp nhận là các biến ngẫu nhiên có quy luật phân phối chuẩn với các các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn biến thiên trong một khoảng nhất định:

đã đo được Do đường kính cốt thép đã đo được là biến ngẫu nhiên có quy luật phân phối chuẩn (có sai số) nên khoảng cách từ trong tâm cốt thép đến mép bê tông chịu kéo cũng là số khoảng có quy luật phân bố tương tự h0 h0 h0 ,

Việc tính toán khả năng chịu lực của dầm được thực hiện theo sơ đồ khối như bên dưới:

Hình 3.12 Sơ đồ khối tính toán khả năng chịu lực của dầm

Theo như lý thuyết về độ tin cậy khoảng, R M gh M gh,M gh , S M ta sẽ tính được đô tin cậy kết cấu

 Tải trọng tác dụng lên dầm

Xem gần đúng tải trọng do sàn truyền vào dầm phân bố theo diện chịu tải Từ các góc bản, vẽ các đường phân giác, các đường này chia sàn thành 4 phần 1,2,3,4

Hình 3.13 Sơ đồ phân tải lên dầm

Tải trọng tác dụng lên dầm đang xét có dạng tam giác hay hình thang là phụ thuộc vào kích thước ô bản và vị trí dầm Quy luật phân bố tải trọng như hình bên dưới:

a) Tải trọng phân bố hình thang b) Tải trọng phân bố tam giác

Hình 3.14 Quy luật phân phối tải trọng

 Nội lực dầm

Từ sơ đồ tính và tải trọng tác dụng lên dầm, ta có thể xác định được các giá trị

mô men nguy hiểm trên dầm Biểu đồ mô men được thể hiện trong hình bên dưới

Mmax=196,36 (kNm)

Mmin=223,29 (kNm)

Hình 3.16 Biểu đồ mô men dầm D1

 Độ tin cậy chịu uốn tại Gối giữa

Tại vị trí gối giữa, mô men do tải trọng ngoài làm dầm bị căng trên, cánh nằm trong vùng kéo nên bê tông sẽ bị nứt và không tham gia chịu lực Tiết diện tính toán

Chiều cao làm việc của tiết diện h 0

Giả thiết lớp bê tông bảo vệ cốt thép có chiều dày a0 30 mm Khoảng cách giữa hai lớp cốt thép là t0 30 mm Theo như kết quả siêu âm cốt thép, lớp ngoài cùng có 3 thanh và lớp trong có 2 thanh Qua kết quả tính toán, nhận thấy giá trị h0

không thay đổi nhiều, có thể xem là tất định để đơn giản trong tính toán:

0 636

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035

S AS

Rb

R bh

R A

R bh

Trong nghiên cứu này, nhận thấy cốt thép là loại có gờ CII, cường độ bê tông vào khoảng R b 10.8 MP a , gần xấp xỉ với cường độ tính toán của bê tông B20 Vậy nên tác giả chọn giá trị R 0.623 Cần kiểm tra điều kiện hạn chế về sự phá hoại dẻo

Biểu đồ phân phối của biến và giới hạn hệ số chiều cao vùng nén R được thể hiện trong hình bên dưới Kết quả so sánh cho thấy, toàn bộ diện tích vùng nằm bên trái của R Vậy tiết diện thỏa mãn điều kiện phá hoại dẻo

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

2

0

b gh

kNm

Đánh giá khả năng chịu uốn của tiết diện

Để đánh giá khả năng chịu uốn của tiết diện, ta cần so sánh giá trị này với mô men lớn nhất do tải trọng ngoài gây ra S M 223.9 kNm là một giá trị tất định

Phép so sánh được minh họa trên hình bên dưới:

-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

Hình 3.19 Kiểm tra khả năng chịu uốn của tiết diện

Kết quả so sánh cho thấy, toàn bộ diện tích vùng R M nằm bên phải của gh

S M Vậy tiết diện đảm bảo khả năng chịu lực

Độ tin cậy khả năng chịu uốn của tiết diện

Chỉ số độ tin cậy:

R S

Xác suất an toàn:PS 0.9999999có thể được tra từ bảng 1 của tài liệu [1]

 Độ tin cậy chịu uốn tại Nhịp lớn

Tại tiết diện này, mô men do tải trọng ngoài gây căng thớ dưới, cánh nằm trong vùng nén nên sẽ tham gia chịu lực với dầm Dầm lúc này có tiết diện chữ T Bề rộng cánh chịu nén được tính toán theo lý thuyết bê tông cốt thép cổ điển '

2 2

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045

Diện tích (mm2)

Hình 3.20 Biểu đồ mật độ phân phối diện tích cốt thép tại gối giữa

Chiều cao làm việc của tiết diện h 0

Giả thiết lớp bê tông bảo vệ cốt thép có chiều dày a0 30 mm Khoảng cách giữa hai lớp cốt thép là t0 30 mm Theo như kết quả siêu âm cốt thép, lớp ngoài cùng có 3 thanh và lớp trong có 2 thanh Qua kết quả tính toán, nhận thấy giá trị

S AS

Rb

R bh

R A

R bh

Trong nghiên cứu này, nhận thấy cốt thép là loại có gờ CII, cường độ bê tông vào khoảng R b 10.8 MP a , gần xấp xỉ với cường độ tính toán của bê tông B20 Vậy

nên tác giả chọn giá trị R 0.623 Cần kiểm tra điều kiện hạn chế về sự phá hoại dẻo

Biểu đồ phân phối của biến và giới hạn hệ số chiều cao vùng nén R được thể hiện trong hình bên dưới Kết quả so sánh cho thấy, toàn bộ diện tích vùng nằm bên trái của R Vậy tiết diện thỏa mãn điều kiện phá hoại dẻo

0 20 40 60 80 100 120 140

2

0

b gh

Đánh giá khả năng chịu uốn của tiết diện

Để đánh giá khả năng chịu uốn của tiết diện, ta cần so sánh giá trị này với mô men lớn nhất do tải trọng ngoài gây ra S M 196.36 kNm là một giá trị tất định

Phép so sánh được minh họa trên hình bên dưới:

-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Hình 3.22 Kiểm tra khả năng chịu uốn của tiết diện

Kết quả so sánh cho thấy, hầu như toàn bộ diện tích vùng R M nằm bên gh

phải của S M Tuy nhiên vẫn có một khoảng mà khả năng chịu lực của tiết diện bé hơn mô men do tải trọng ngoài gây ra R S Cần phải xét đến độ tin cậy về khả năng chịu uốn của tiết diện

Độ tin cậy khả năng chịu uốn của tiết diện

Chỉ số độ tin cậy:

R S

Xác suất an toàn:P S 0.97 0.98 có thể được tra từ bảng 1 của tài liệu [1]

 Độ tin cậy chịu uốn của toàn dầm

Vì dầm đang xét là dầm liên tục, dầm này sẽ bị phá hoại nếu một trong các vị trí trên dầm bị phá hoại Do vậy độ tin cậy chịu uốn của dầm sẽ bằng tích của độ tin cậy tại các tiết diện nguy hiểm đang xét

Vây, độ tin cậy chịu uốn của toàn dầm khi thay đổi chức năng làm việc của phòng khám bệnh: Si 0.97 0.98

i S