Dự báo tuổi thọ cầu giàn thép tại KM2+250, quốc lộ 14E theo chỉ số độ tin cậy, xét đến sự thay đổi tiết diện do ăn mòn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH QUANG DỰ BÁO TUỔI THỌ CẦU GIÀN THÉP TẠI KM2+250, QUỐC LỘ 14E THEO CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY, XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DO ĂN MÒN Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng : 8580205 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Thảo Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Lan Phản biện 2: TS Đặng Việt Dũng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng họp trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa Xây dựng cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các phương pháp tính tốn cổ điển ứng suất cho phép hay trạng thái giới hạn chưa phản ánh sát thực tế làm việc kết cấu mơ hình tính chưa xét trực tiếp yếu tố ngẫu nhiên cách đầy đủ Với cầu giàn thép cũ qua khai thác sử dụng, n ổi trội yếu tố không chắn ăn mịn tải trọng khai thác thực tế Từ đặt u cầu phải áp dụng mơ hình phù hợp cho tính tốn, đánh giá kết cấu điều kiện thông số đ ầu vào không chắn để phản ánh sát thực tế làm việc kết cấu Việc xác định tuổi thọ gắn với độ tin cậy cơng trình c ầu chưa quan tâm mức Các cơng trình cầu cũ thường phức tạp mặt kết cấu, tiết diện thép bị ăn mịn Vì vậy, phương pháp nghiên cứu khả chịu tải thông qua số độ tin cậy kết hợp dự báo tuổi thọ kết cấu cơng trình lý thuyết đ ộ tin cậy Mục đích nghiên cứu - Phân tích khả chịu lực kết cấu cầu thép theo ch ỉ số đ ộ tin cậy - Phân tích dự báo tuổi thọ cầu thép theo lý thuyết độ tin cậy, xét đến thay đổi tiết diện ăn mòn Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cầu giàn thép Km2+250, Quốc lộ 14E qua trình khai thác sử dụng - Phân tích độ tin cậy kết cấu nhịp cầu giàn theo điều kiện v ề sức kháng kéo nén (điều kiện bền), xét đến thay đổi tiết diện ăn mòn - Các đại lượng khơng chắn ngẫu nhiên có phân bố chuẩn Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thu thập số liệu trạng cầu thép cũ Km 2+250, Quốc lộ 14E để phục v ụ cho việc phân tích - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích trạng thái ứng su ất k ết cấu cầu giàn phương pháp PTHH (phần mềm Midas, Sap ) Khảo sát ảnh hưởng tham số tải trọng suy giảm tiết diện ăn mòn đến trạng thái làm việc, làm sở cho việc tính số độ tin cậy củ a phần tử kết cấu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Xác định mơ hình tính tốn thích hợp để đánh giá kết cấu yếu tố đầu vào không chắn để phản ánh cách xác thực làm việc kết cấu Theo lý thuyết độ tin cậy, phân tích đánh giá cầu giàn th ép có xét đến thay đổi tiết diện ăn mòn biến đổi tải trọng Từ đó, đánh giá khả khai thác dự báo tuổi thọ cơng trình cầu giàn thép thời gian cần gia cố sửa chữa sau Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương Tổng quan Cầu giàn thép, đ ại lượng ngẫu nhiên đầu vào tính tốn kết cấu Chương Cơ sở lý thuyết đánh giá độ tin cậy kết cấu cơng trình Chương Dự báo tuổi thọ cầu giàn thép Km 2+250, Quốc lộ 14E theo số độ tin cậy Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẦU GIÀN THÉP, CÁC ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN ĐẦU VÀO KHI TÍNH TỐN KẾT CẤU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU GIÀN THÉP Cầu giàn thép sử dụng phổ biến Việt Nam cơng trình đường hay đường ray tàu hỏa Cầu giàn thép v ới ưu điểm độ bền cao, tính ổn định đồng nhất, trọng lượng thân nhỏ, dễ cơng nghiệp hóa chế tạo, giới hóa vận chuyển, đảm bảo thi cơng nhanh, không cần giàn giáo, không ch ịu ảnh hưởng địa chất, thủy văn thời tiết 1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN ĐẦU VÀO TRONG BÀI TỐN PHÂN TÍCH KẾT CẤU 1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy tuổi thọ cơng trình Các yếu tố ảnh hưởng thể theo sơ đồ tương tác quản lý giai đoạn đánh giá ĐTC Số liệu khảo sát Hồ sơ thiết kế ĐTC thiết kế Hồ sơ hồn cơng ĐTC thi cơng Độ tin cậy Tuổi thọ CT ĐTC khai thác Khai thác Ý thức người sử dụng Tác động môi trường 1.2.2 Các giải pháp nâng cao độ tin cậy tuổi thọ cơng trình - Lựa chọn đơn vị tham gia cơng trình đủ lực kinh nghiệm - Tăng cường dự phòng khâu yếu, phần tử nhạy cảm đảm bảo độ tin cậy phần tử hệ thống đồng - Kết hợp thiết kế ban đầu bảo dưỡng trình khai thác theo chế độ - Thiết kế có dự phịng tổn thất khai thác - Hướng dẫn chi tiết quy trình khai thác - Tăng cường kiểm tra chất lượng thi công - Tuyên truyền, giáo dục, xử lý ý thức nâng cao chất lượng bồi dưỡng tay nghề cho người lao động - Sử dụng thành tựu khoa học kỹ thuật giai đoạn để tránh sai sót - Áp dụng quy trình quản lý chất lượng tất khâu theo ISO 1.2.3 Các yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy cầu giàn: Gồm: Công tác khảo sát, thiết kế, thi công, quản lý khai thác sử dụng mơi trường 1.2.4 Vấn đề ăn mịn kết cấu thép tác động mơi trường Ăn mịn kết cấu thép phá hủy bề mặt kim loại tác động hóa học điện hóa mơi trường xung quanh Tốc độ ăn mịn thép chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ khơng khí, hàm lượng ion Cl-, độ ẩm tương đối khơng khí Khả chịu lực kết cấu giảm theo thời gian tác động mơi trường ăn mịn Kết luận Chương Cầu giàn thép sử dụng phổ biến Việt Nam cơng trình đường hay đường ray tàu hỏa Cầu giàn thép giúp tiết kiệm vật liệu, diện tích chắn gió thực tế nhỏ khoảng cách hai giàn chủ lớn giúp cho khả chịu lực ngang cầu giàn đánh giá cao, có hình dáng đẹp, tính thẩm mỹ cao, cơng tác thi cơng đơn giản, chế tạo hàng loạt xưởng nên đảm bảo tiến độ thi cơng nhanh cho cơng trình Đối với cầu giàn thép yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy cầu lớn như: Thiết kế, thi cơng, mơi trường q trình vận hành tu Nhưng yếu tố ảnh hưởng ăn mịn kết cầu tác động mơi trường CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU CƠNG TRÌNH 2.1.1 Tổng quan lý thuyết độ tin cậy kết cấu cơng trình Mơ hình đánh giá an tồn hay hư hỏng kết cấu hình thành quan điểm tính tốn sau: + Tính tốn an toàn kết cấu theo ứng suất cho phép + Tính tốn an tồn kết cấu theo trạng thái giới hạn + Tính tốn an tồn kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy Trong quan điểm tính tốn trên, tính tốn an tồn c k ết cấu theo lý thuyết độ tin cậy sát với thực tế có xét đến sai lệch ngẫu nhiên tham số tính tốn có thực tế 2.1.2 Q trình phát triển mơ hình đánh giá độ tin cậy theo phương pháp lý thuyết xác suất thống kê toán học: Từ năm đầu kỷ 20, việc tính tốn đánh giá an tồn cho kết cấu mơ hình hóa dạng ứng suất cho phép m ột h ệ số an tồn, sau tính tốn kiểm tra theo trạng thái giới hạn Một số điểm mốc quan trọng trình phát triển sau: Những cơng trình độ tin cậy học k ết cấu công bố Mayer Khôialốp Thực tế, ứng dụng phương pháp thống kê vào học kết cấu 1935 Năm 1981 B.V.Gnhedenco, B.V.Beliav, Iu.K.Xoloviev trình bày “Những phương pháp tốn học lý thuyết độ tin cậy” cách có hệ thống quan niệm thiết kế theo độ tin cậy Lý thuyết độ tin cậy sử dụng làm sở trình cải tiến tiêu chuẩn thiết kế Hiện việc tính tốn kết cấu theo số độ tin cậy đưa vào tiêu chuẩn số nước Trung Quốc, nước châu Âu tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Tiêu chuẩn ISO 2394-1998: Nguyên lý chung độ tin cậy kết cấu cơng trình 2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CƠNG TRÌNH 2.2.1 Chỉ số độ tin cậy β: Để thuận lợi cho việc tính tốn, ứng dụng người ta thường dùng số độ tin cậy , tương ứng với xác suất tin cậy Ps (hay xác suất từ chối Pf) Giá trị  lớn cho thấy độ tin cậy cao hay xác suất phá hủy thấp số  xác định theo cơng trình sau: =  R − S  2R + S2 Xác suất phá hoại xác định sau: Pf =  (−) Xác suất an toàn: PS = − Pf = − (−) = − [1 − ()] = () Sử dụng bảng tra hàm () ta có số cặp giá trị  Pf suy PS theo bảng tra bên 3.75 4.25 4.75 5.25  2.25 3.25 -2 -3 -4 -5 -6 Pf 10 10 10 10 10 10 -7 PS 0.99 0.999 0.9999 0.99999 0.999999 0.9999999 Mơ hình giao thoa thể xác suất khơng an tồn Ý nghĩa hình học PS Pf 2.2.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác định số độ tin cậy : a Mô hình tuyến tính hóa hàm phi tuyến b Sơ đồ khối biểu diễn bước thực tính tốn độ tin cậy 2.3 ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU GIÀN THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY Để đánh giá độ tin cậy hệ nhiều phần tử theo quan niệm sơ đồ điện ta phải xác định hai yếu tố: Tìm sơ đồ độ tin cậy hệ dạng hỗn hợp xác định độ tin cậy phần tử hệ Trên sơ đồ hệ giàn xác định ứng suất tải trọng Căn cường độ vật liệu (giới hạn bền) độ lệch tiêu chuẩn để xác định số  Áp dụng cơng thức tính độ tin cậy hệ nối tiếp để xác định độ tin cậy toàn giàn Từ độ tin cậy PS tồn giàn tính ngược số  tồn giàn theo cơng thức PS = -1() 10 độ tin cậy  mục tiêu Trong tốn xét đến ăn mịn Khi đó, hàm số (t) xác định theo công thức:  (t ) = R − S (t )  R2 +  S2 đó: S(t) hàm ứng suất, phụ thuộc thời gian, thay đ ổi tương ứng với quy luật ăn mòn tiết diện R giới hạn bền vật liệu Ta có Biểu đồ suy giảm số  theo thời gian ăn mòn Kết luận Chương Qua phân tích phương pháp tính tuổi thọ trên, ta thấy để tính tuổi thọ theo lý thuyết độ tin cậy có cách tiếp cận: + Theo Bolotin + Theo định nghĩa tiêu chí số  mục tiêu Cách đơn giản gắn với tiêu chuẩn Vì luận văn này, tuổi thọ dự báo sở phân tích suy giảm khoảng an tồn theo thời gian ăn mòn kéo theo suy giảm số  theo thời gian Căn vào số  mục tiêu xác định khoảng thời gian t mà số ≥ mục tiêu Mặt khác dự tính mốc thời gian giá trị  tương ứng, qua kiến nghị thời gian cần bảo dưỡng, sửa chữa để phục hồi khả làm việc kết cấu nhịp cầu 11 CHƯƠNG DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA CẦU GIÀN THÉP TẠI KM2+250, QUỐC LỘ 14E THEO CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Cầu Km2+250, Quốc lộ 14E cầu thép sử dụng lại từ việc tháo cầu De Lattre Đà Nẵng, hãng Effel chế tạo, năm 1951 người Pháp xây dựng, có chiều dài 216m Kết cấu cầu: Giàn thép, từ nhịp đến nhịp 5, khổ cầu rộng 7.28m, mặt cầu thép; từ nhịp đến nhịp 7, khổ cầu rộng 6.74m b ản mặt cầu BTCT, chiều dài nhịp L=30.8m; mố cầu BTCT 3.2 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU NHỊP 3.2.1 Phân tích tính tốn ứng suất kết cấu nhịp Bài toán tiền định toán thời điểm cầu xây dựng năm 1951, năm bắt đầu tính ăn mòn Sử dụng phần mềm Midas Civil, Version 2019 để tính tốn Kết mơ hình kết cấu nhịp cầu Tải trọng tác dụng gồm: Tải trọng thân (DC); tải trọ ng lớp phủ mặt cầu (DW); Hoạt tải HL93 theo 22TCN 272-05 Ta có sơ đồ tên gọi giàn chủ sau: 12 Chương trình tự động tính tốn xuất kết giá trị bao ứng suất giàn theo mơ hình tiền định Theo sơ đ giàn kết ứng suất trường hợp bất lợi sau: Tung độ bao ứng suất (KN/m2 ) Stt Tên BT (Thanh biên trên) -15,386 -115,270 -115,270 BD (Thanh biên dưới) 111,110 64,666 111,110 D (Thanh đứng) 14,197 6,117 14,197 X (Thanh xiên) -45,100 -77,160 -77,160 max min xét 3.2.2 Khảo sát suy giảm độ tin cậy kết cấu nhịp cầ u xét đến ăn mòn theo thời gian Một số hình ảnh khảo sát gỉ sét giàn 13 3.2.2.1 Lựa chọn tham số ăn mòn cầu giàn thép Km2+250, Quốc lộ 14E: - Chiều dày ăn mịn theo cơng thức:  = 0 e− t (cm) Trong đó:  = 0.002-0.004 - Trong khoảng thời gian khai thác cầu đến thời điểm khảo sát (từ năm 1951 đến năm 2019) trải qua 68 năm, theo số liệu kh ảo sát thực tế kết cấu nhịp cầu giàn thép Km2+250, Quốc lộ 14E, biên ăn mòn nhiều nhất, có vị trí b ị gỉ sét ăn mòn sâu đến 2.24mm Xác định hệ số ăn mòn  cách gần sau: Với chiều dày ban đầu 0 =10mm, lại =7.76cm khoảng thời gian t=68 năm Ta =0.00373 - Vậy xác định chiều dày ăn mòn cầu giàn thép Km2+250, −0.00373t Quốc lộ 14E theo công thức:  =  e (cm) Từ đó, khảo sát ăn mòn tiết diện cho cấu kiện kết cấu nhịp cầu giàn thép Km2+250, Quốc lộ 14E năm 3.2.2.2 Xác định tiết diện sau ăn mòn cầu giàn thép tạ i Km2+250, Quốc lộ 14E theo thời gian: - Hiện công trình qua 68 năm sử dụng, khảo sát ăn mòn kết cấu với khoảng thời gian 10 năm - Kết ăn mòn chiều dày lại cấu kiện Năm Thời gian Chiều dày thời điểm Cấu kiện khảo sát t (năm) khảo sát (mm) Các cấu kiện 1951 10.00 hệ giàn Các cấu kiện 2019 68 7.76 hệ giàn Các cấu kiện 2029 78 7.48 hệ giàn Các cấu kiện 2039 88 7.20 hệ giàn 14 Các cấu kiện 98 hệ giàn Các cấu kiện 2059 108 hệ giàn Các cấu kiện 2069 108 hệ giàn 3.2.3 Đánh giá khả khai thác kết cấu 2049 6.94 6.68 6.44 nhịp cầu giàn thép Km2+250, Quốc lộ 14E theo số độ tin cậy  thời điểm (2019): 3.2.3.1 Xét hoạt tải HL93: Xét kết cấu nhịp cầu giàn thép Km2+250, Quốc lộ 14E bị suy giảm tiết diện ăn mòn biến đổi tải trọng.Thực đánh giá độ tin cậy theo phân phối chuẩn với độ lệch giới hạn bền 5%, độ lệch chuẩn hoạt tải theo tương ứng: 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 30% Công thức xác định độ tin cậy: β = R −S ˆ2 +X ˆ2 X R S Trong đó: R : kỳ vọng khả nội kết cấu (giới hạn bền) S : kỳ vọng hiệu ứng tác dụng bên lên kết cấu ˆ : X R độ lệch chuẩn giới hạn bền ˆ : độ lệch chuẩn tác động bên ngồi vào kết cấu X S Mơ hình hóa kết cấu nhịp cầu phần mềm Midas Kết ứng suất nội loại giàn tổng hợp sau Ứng suất lớn  max (kN/m2 ) Trường hợp tải trọng BT BD D5 X1 Không lệch tải 145,080 140,160 18,051 96,850 Độ lệch hoạt tải 5% 148,216 143,187 18,573 98,949 Độ lệch hoạt tải 10% 151,351 146,213 19,095 101,048 Độ lệch hoạt tải 15% 154,487 149,240 19,617 103,147 Độ lệch hoạt tải 20% 157,622 152,266 20,139 105,246 Độ lệch hoạt tải 25% 160,758 155,293 20,661 107,345 Độ lệch hoạt tải 30% 163,893 158,319 21,183 109,444 15 Từ xác định số  bền ứng với mức độ lệch hoạt tải Chỉ số độ tin cậy  Trường hợp tải trọng BT BD D5 X1 Tồn hệ Khơng lệch tải 2.997 3.201 17.506 5.953 2.997 Độ lệch hoạt tải 5% 2.740 2.930 17.213 5.492 2.740 Độ lệch hoạt tải 10% 2.521 2.699 16.900 5.091 2.521 Độ lệch hoạt tải 15% 2.333 2.500 16.570 4.740 2.333 Độ lệch hoạt tải 20% 2.171 2.328 16.229 4.430 2.171 Độ lệch hoạt tải 25% 2.029 2.178 15.880 4.157 2.029 Độ lệch hoạt tải 30% 1.904 2.045 15.526 3.913 1.904 Với kết tính tốn biểu đồ quan hệ hình 3.9, ta nhận thấy BT3 bất lợi có số độ tin cậy  thấp nên đ ộ tin cậy toàn kết cấu nhịp độ tin cậy BT3 Như vậy, độ tin cậy  hệ giàn