Đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu trong trường hợp thiếu số liệu quan sát, đo đạc - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU TRONG TRƯỜNG HỢP THIẾU SỐ LIỆU QUAN SÁT, ĐO ĐẠC.. ThS.[r]

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU TRONG TRƯỜNG HỢP THIẾU SỐ LIỆU QUAN SÁT, ĐO ĐẠC

ThS NGUYỄN THANH HƯNG Khoa xây dựng - Trường Đại học Vinh

Tóm tắt:Đối với tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình hữu (nghĩa đánh giá cơng trình xây dựng, cơng trình khai thác) vấn đề đủ hay thiếu số liệu quan trọng người ta phải căn vào số liệu đo đạc, quan sát, thực nghiệm để đánh giá cơng trình

Do biến đổi khí hậu, tác động mơi trường cơng trình có thay đổi rõ rệt, khơng theo quy luật cũ mà số liệu không đủ nên tải trọng vật liệu coi đại lượng mờ Vì

việc đánh giá khả chịu lực cho cơng trình (bài toán chẩn đoán kỹ thuật) đặt cách

cấp bách Trong này, tác giả trình bày phương pháp đánh giá khả chịu lực cơng trình hiện hữu, sau áp dụng tính tốn cho cơng trình nhà khung bê tơng cốt thép thị xã Cửa Lò – Nghệ An.

1 Mở đầu

Việc đánh giá cơng trình hữu theo thông tin (số liệu) đo đạc trường, theo ý kiến

dự báo chuyên gia gọi “chẩn đoán kỹ thuật cơng trình” [12]

Số lượng chất lượng thơng tin định phương pháp chẩn đoán, song trường hợp tham số cơng trình phải thoả mãn hệ phương trình

học kết cấu

Ax = d (1)

Trong đó:

- Đầu vào (input), ký hiệu d;

- Mơ hình hố cơng trình (system), ký hiệu A;

- Đầu (output),ký hiệu x

Q trình mơ hình hố dạng (hình 1)

Hình 1.Mơ hình hố q trình giải tốn học

Thơng thường tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình khơng dừng tìm đầu x, mà cịn phải tiến hành đánh giá, so sánh kết thu với tiêu chuẩn, quy định nhà quản lý để

rút kết luận Chẳng hạn, đánh giá mức độ an toàn theo tiêu chuẩn bền, ổn định, dao động,… Nên từ x phải tính độ tin cậy Việc đánh giá cuối đơn giản trường

hợp thông tin mờ Nên sơ đồ cần thêm phần “đánh giá” (hình 2)

Hình 2.Mơ hình hố q trình giải tốn chẩn đoán

Việc chẩn đoán gồm bước sau:

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG

- Tính tốn chẩn đốn theo tiêu chuẩn để tìm tham số cần thiết, chưa biết

của cơng trình;

- Đánh giá, kết luận theo mục đích chẩn đốn Xét hai trường hợp sau:

- Đủ thông tin để giải toán học kết cấu, song các thơng tin thu thập phạm

sai sót ngẫu nhiên;

- Thông tin không đủ mang đặc trưng mờ Trong tác giả sau nêu phương pháp

đánh giá khả chịu lực khung bê tông cốt thép qua công trình cụ thể nhà 16 tầng Cửa

Lị - Nghệ An

2 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình [12]

- Bài tốn chẩn đốn kỹ thuật cơng trình điều kiện thơng tin ngẫu nhiên; - Bài toán chẩn đoán kỹ thuật điều kiện thơng tin mờ

Mơ hình tốn hình đó:

- Đầu vào d, A có thành phần mờ Trong tốn thơng tin (số liệu) có tồn

cả dạng: tất định, ngẫu nhiên, mờ;

- Ma trận A phản ánh đặc trưng cấu trúc hệ, mang đặc trưng mờ trường hợp

không thể đo đạc, quan sát dựa vào ý kiến chuyên gia, thiếu số liệu…;

- Đầu x tất nhiên phải mờ d A mờ, x tìm theo thuật tốn tích hợp;

- Đánh giá (sau tìm x), giải mờ hay phân tích độ tin cậy mờ

3 Đánh giá khả chịu lực khung phẳng bê tông cốt thép nhiều tầng chịu tải trọng gió mờ

3.1 Cơ sở lý thuyết

3.1.1 Xác định tải trọng mờ phân tích kết cấu

Trong tình trạng biến đổi khí hậu, tải trọng đại lượng mờ hay trình mờ Xác định đại

lượng mờ ta cần xác định hàm thuộc nó, có số phương pháp để xác định hàm thuộc [1,5…]

Với tải trọng mờ, ta coi tải trọng giá trị tin tưởng (ứng với hàm thuộc (x)1), sai lệch giá trị quanh giá trị tin tưởng nằm miền xác định đại lượng mờ

Chẳng hạn, tải trọng mờ với hàm thuộc tam giác Giá trị tin tưởng Po hàm thuộc tam giác ABC Như tải trọng P có giá trị biến thiên đoạn AB Tại Po giá trị tin tưởng µ(Po) =1 Các giá

trị hàm thuộc tương ứng khác với (P)1 Vì tính tốn với tải trọng Po có sai lệch nên

P chạy đoạn AB (hình 3)

(x)

C

A Po B

1

0 CÊp giã

Hình Hàm thuộc tải trọng

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG

3.1.2 Xác suất an tồn trung bình kết cấu với tải trọng mờ đoạn

Trong thực tế, ta thường gặp trường hợp tham số mờ dự đoán nằm khoảng đó, mà khơng rõ quy luật phân bố

Căn thông tin thu hay theo dự báo trước phân tích, ta chọn cận (B) cận

dưới (A) tải trọng (hình 4) Hàm thuộc thể mức độ tin tưởng quy luật biến thiên [13] Rời rạc hóa giá trị AB, giá trị tương ứng với đại lượng mờ có giá trị tin

tưởng giá trị rời rạc, miền xác định AB Với giá trị rời rạc tính giá trị xác suất an tồn Pi Giá trị trung bình Ptb = 

i

P n

1 , n số điểm rời rạc

CÊp giã

0 8 9 10 11 12

1 A' B' C' D' E'

A B C D E

(x)

Hình Hàm thuộc giá trị rời rạc tải trọng

3.1.3 Sơ đồ phân tích m kt cu (hỡnh 5) Mô hình hóa

kÕt cÊu

Xác định đầu vào

Ph©n tích kết cấu

Tìm hàm

thuộc đầu ra Gi¶i mê øng dơng

Hình 5. Sơ đồ phân tích kết cấu

3.1.4 Thuật tốn chương trình

- Thuật tốn xác định tổ hợp đầu vào tiền định từ đầu vào mờ Có ba nhóm giá trị: tất định, ngẫu nhiên mờ (hình 6)

Tất định

NgÉu nhiªn Mê

Hình Các tổ hợp số liệu

Tham số tất định tham số khơng có sai số xác định giá trị

Tham số ngẫu nhiên có giá trị miền (miền mà hàm mật độ khơng đủ nhỏ) Rời rạc hóa giá trị đại lượng ngẫu nhiên miền xác định tập giá trị, với giá trị rời rạc xi tương ứng hàm mật độ f(xi)

Tham số mờ làm tương tự tham số ngẫu nhiên, hàm mật độ thay hàm thuộc µ(xi).

Quy luật thành lập đầu vào tất định từ đầu vào mờ: “Toàn số liệu nhóm tất định kết hợp với giá trị ngẫu nhiên giá trị mờ, tạo thành đầu vào tất định khả dĩ” Trường hợp toán có tham số ngẫu nhiên với số giá trị rời rạc l1 tham số mờ với giá trị rời rạc l2, số

tổ hợp l1.l2

- Thuật toán xây dựng biểu đồ tần số đầu

Các tổ hợp thành lập theo nguyên tắc tổ hợp khác Song vai trò giá trị rời rạc tham số không giống

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG

Để khắc phục thiếu sót trên, lập biểu đồ tần số đầu tiến hành sau:

Với giá trị rời rạc ngẫu nhiên ứng với hàm mật độ f(aj) giá trị rời rạc mờ bi ứng với hàm

thuộc µ(bi), sau tính tốn ta có giá trị đầu ra, chẳng hạn quãng an toàn Mij

Tần số Mij là:

(b ) f (a )i j

1 m inf (x) (x)

  

(2)

- Giải mờ cách tính độ tin cậy theo phương pháp giao thoa mở rộng

Gọi hàm cơng M xác suất an toàn: Ps = Pro(M ≥ 0) Do đó, ta xét giao thoa M

và [14], muốn ta lập biểu đồ tần suất M Xác suất khơng an tồn: Pf = - Ps tỷ số diện

tích phần đường tần suất với M<0 tồn diện tích đường tần suất (hình 7)

0 M

AK

B

C TÇn sè M

Hình Mơ hình giao thoa mở rộng

 f

DiÖn tÝch AOK P

DiÖn tÝch ABC

(3) 36000 5600 3555 36000 5600 ph.ngñ2 ph.ngñ2 352 1656 1832 0 352 1656 1832 2

0 152

8 2056 960 808 864 1280 640960352640616320616640352960640 1280 792 792 1280 640960

5600 wc ph.ngñ2 bÕp 1656 640 1832 4000 6 0 8 8 ph.ngđ1 ph.gi¶i trÝ 720 864 2784 ph.ngñ1 s.h.chung 0 s.h.chung 984 640 1280 960 352

3

5600 ph.ngñ2 352 1656 1832 0 5600 ph.ngñ2 1832 176 720 ph.ngñ1 s.h.chung 2784 640 0 bÕp 1656 176 wc 984 640 616 616320 352 960

wc bÕp 792 1280 616 640

7 7 2 0 ph.ngñ1 720 ph.ngñ1 720 s.h.chung 2784 984 1280 640 960 792 s.h.chung 2784 984 1280 792 640960 5600 3555 wc bÕp ph.ngñ2 1656 1832 4000 1445 2144 0 8 9 0 ph.ngñ1 720 2784 960 720 wc bÕp ph.ngñ2 s.h.chung 0 7 984 1100 ph.gi¶i trÝ 3555 745 1280 5600 2560 320 0 ph.ngñ1 720 1832 176 s.h.chung 2784 0 bÕp 1656 wc 176 7 984 +47.7 +44.1 +40.5 +36.9 +33.3 +29.7 +26.1 +22.5 +18.9 +15.3 +11.7 +8.1 1280 5600 865 ph.ngñ2

3555 1280 784 488

ph.ngñ1 720 9 TM 1280 TM MR s.h.chung 2784 7 984 1048 bảng điện p.kü thuËt

1040640 784 1280 865

1 2 0 0 1280 1440 1040 640896 960 640 320 6161112 640 1280 c

6

5000 1 7000 1688 480 ph.ngñ2 560 s.h.chung 640 0 wc wc bÕp wc bÕp 1112 616 640 1280 7 6 640 320 960 896 9 0 0 ph.gi¶i trÝ a b 8 8 ph.ngñ1 5000 3555 1688 bÕp bÕp wc 480 wc wc 560 7 5 2 7000 3555 ph.ngñ2 s.h.chung 1280 745 880 0 8 8 ph.ngđ1 d e 0 ph.gi¶i trÝ 1445 f

Hình Mặt tầng điển hình

3.2 Ví dụ tính tốn [11]

3.2.1 Cơng trình tính tốn

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG 3.2.2 Phương pháp tính

Cơng trình sử dụng hệ kết cấu khung kết hợp lõi, hệ dầm sàn sử dụng bê tông cốt thép đổ

tại chỗ

Xác định nội lực, chuyển vị sử dụng Sap2000 Lấy kết nội lực chuyển vị ứng với trường hợp tải trọng

a Sơ đồ tính tốn

Từ mặt kết cấu cơng trình, giả thiết tính tốn Sơ đồ tính tốn cơng trình mơ hình hóa dạng kết cấu phẳng theo hai phương mặt chịu tác động tải trọng

Tác giả tính kết cấu khung trục (K3) chịu tải trọng gió theo phương cạnh ngắn mặt

bằng

b Kích thước hình học

Kích thước hình học cấu kiện q trình thiết kế, thi cơng phụ thuộc nhiều vào người kiểm soát được, ta xem tham số tất định chọn sau:

- Kích thước sàn, chọn chiều dày sàn hb = 10(cm);

- Kích thước dầm: dầm lấy bxh = (25x70)cm, dầm phụ lấy bxh = (25x60)cm;

- Kích thước cột: tầng đến tầng lấy bxh = (50x30)cm; từ tầng đến tầng 16 lấy bxh = (40x30)cm;

- Kích thước lõi: chiều dày lõi lấy 30cm

c Vật liệu sử dụng

Kết cấu cơng trình sử dụng vật liệu bê tông cốt thép Vật liệu thép phụ thuộc

vào điều kiện khác nên dễ kiểm soát ta xem tham số tất định Tính chất vật liệu bê tơng phụ thuộc vào nhiều tham số khác (nước, xi măng, cốt liệu khơng khí), thay đổi đặc tính tỷ lệ thành phần thay đổi việc vận chuyển… dẫn

đến thay đổi cường độ bê tơng Ngồi sai số thử nghiệm dẫn đến khác biệt cường độ Song để tính tốn đơn giản coi mô đun đàn hồi E bê tông

tương ứng với mác bê tơng đại lượng ngẫu nhiên chuẩn có số liệu sau: E1 = 2,9.10

6

(T/m2); E2 = 3,0.10

(T/m2); E3 = 3,1.10

(T/m2); E4 = 3,2.10

(T/m2); E5 = 3,3.10

(T/m2) Tại giá trị hàm mật độ f(x) (hình 9) tương ứng là: 0,54; 2,42; 3,989; 2,42; 0,54

x 0

f(x)

Hình Hàm mật độ

Mơ đun đàn hồi (E) có kỳ vọng E 3,1.10 (T / m )

  độ lệch chuẩn

E 0,1.10 (T / m )

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG d Tải trọng gió (biến thiên khoảng)

Tác dụng gió lên cơng trình tác dụng động, phụ thuộc vào yếu tố mơi trường xung quanh địa hình, hình dạng mảnh đất xây dựng, độ mềm, đặc điểm mặt đứng

nhà bố trí ngơi nhà xung quanh

Trong tải trọng gió gồm hai thành phần tĩnh động [6] Căn vào vị trí xây dựng cơng trình,

xác định áp lực gió tác động tiêu chuẩn wo: wtc = wo.k.c

wo lấy theo đồ phân vùng theo số liệu số liệu Tổng cục Khí tượng thủy văn,

kết khảo sát trường xây dựng xử lý Khi giá trị wo xác định: wo

=

o

0, 0613.v

vo - vận tốc gió độ cao 10m so với mốc chuẩn (vận tốc trung bình khoảng thời gian

giây, bị vượt trung bình lần 20 năm)

Mặt khác thực tế dự đoán tải trọng nằm khoảng đó, mà khơng rõ quy luật phân bố Khi quan khí tượng dự báo bão đổ vào vùng cơng trình xây dựng có cường độ cấp 12 giật đến cấp 14 Vậy theo nghĩa đại lượng ngẫu nhiên bão diễn từ

cấp 10 đến cấp 14, khoảng (10, 14) miền xác định tải trọng Lúc chọn tải trọng gió mờ tính tốn sau:

Rời rạc hóa giá trị cấp gió từ 10 đến 14 thành giá trị gồm cấp 10, 11, 12, 13, 14 Mỗi giá trị ứng với tải trọng mờ, hàm thuộc tam giác, đỉnh tam giác ứng với tải trọng đó, cịn miền xác định đoạn từ 10 đến 14 (hình 10)

CÊp giã

0 10 11 12 13 14

1

(x)

Hình 10 Hàm thuộc giá trị rời rạc tải trọng

Với cách tính có tam giác hàm thuộc ứng với giá trị mờ, giá trị mờ tính sau:

- Xét giá trị mờ (gió cấp 10) có tam giác AEA’ (hình 11), A ứng với Wo10 giá trị tin tưởng nên

(x )

  giá trị hàm thuộc tương ứng là: 1,0; 0,75; 0,5; 0,25; 0,2

CÊp giã

0 10 11 12 13 14

1

A B C D E

A'

(x)

Hình 11 Hàm thuộc tải trọng gió cấp 10

- Xét giá trị mờ (gió cấp 11) có tam giác AEB’ (hình 12), B ứng với Wo11 giá trị tin tưởng nên

(x )

  giá trị hàm thuộc tương ứng là: 0,2; 1,0; 0,75; 0,25; 0,2

CÊp giã 0

1

12 11

10 13 14

A B C D E

B'

(x)

Hình 12 Hàm thuộc tải trọng gió cấp 11

- Xét giá trị mờ (gió cấp 12) có tam giác AEC’ (hình 13), C ứng với Wo12 giá trị tin tưởng nên

(x )

KHẢO SÁT – THIẾT KẾ XÂY DỰNG

CÊp giã 0

1 C'

12 11

10 13 14

A B C D E

(x)

Hình 13 Hàm thuộc tải trọng gió cấp 12

- Xét giá trị mờ (gió cấp 13) có tam giác AED’ (hình 14), D ứng với Wo13 giá trị tin tưởng nên

(x )

  giá trị hàm thuộc tương ứng là: 0,2; 0,5; 0,75; 1,0; 0,2

CÊp giã 0

1 D'

12 11

10 13 14

A B C D E

(x)

Hình 14 Hàm thuộc tải trọng gió cấp 13

Xét giá trị mờ (gió cấp 14) có tam giác AEE’ (hình 15), D ứng với Wo14 giá trị tin tưởng nên

(x )

  giá trị hàm thuộc tương ứng là: 0,2; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0

CÊp giã 0

1 E'

12 11

10 13 14

A B C D E

(x)

Hình 15 Hàm thuộc tải trọng gió cấp 14

Giá trị cấp gió tương ứng với vận tốc, áp lực gió wo tính tốn tổng hợp bảng sau

[7]:

Tại cấp gió ta xác định giá trị wo theo công thức wo = o

0, 0613.v tương ứng: wo10 = 43.14(Kg/m2); wo11 = 57,23(Kg/m

2

); wo12 = 74,50(Kg/m

); wo13 = 94,70(Kg/m

); wo14 = 118,08(Kg/m

)

3.2.3 Xác định tập đầu vào tính tốn

Bảng Xác định áp lực gió Wo

Cấp gió Tốc độ gió Trung

bình Wo

Bôpho Km/h Km/h Kg/m2

89 10

102 95.50 43.138

103 11

117 110.0 57.232

118 12

133 125.5 74.498

134 13

149 141.5 94.704

150 14