Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tương tác giữa đất nền – kết cấu đến sự phân tích đường cong phá hủy của kết cấu cầu bê tông cốt thép

Bài viết trình bày nghiên cứu sự ảnh hưởng của tương tác đất nền - kết cấu trong phân tích đường cong phá hủy của cầu bê tông cốt thép khi chịu tải trọng rung chấn do động đất, khi xét đến sự tương tác giữa cọc-đất nền và mố - đất đắp sau mố. Phần mềm phân tích phi tuyến Opensees được ứng dụng để mô phỏng số kết cấu cầu bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3 chiều, trong đó phần từ p-y, t-z và q-z được thiết lập để mô phỏng sự làm việc của đất nền – kết cấu.

Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ XVI-2019, Khoa XD Cầu đường - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT NỀN – KẾT CẤU ĐẾN SỰ PHÂN TÍCH ĐƯỜNG CONG PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THE SOIL- STRUCTURE INTERSECTION EFFECTS ON ANALYSIS OF SEISMIC FRAGILITY CURVE OF REINFORCED CONCRETE BRIDGE SVTH: Nguyễn Văn Tiến(1) (1) Lớp 14X3B, Khoa Xây Dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng; Email: vtien23@gmail.com GVHD: TS Đỗ Việt Hải(2) ; TS Nguyễn Văn Mỹ(3) (2) Khoa Xây Dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng; Email: dvhai@dut.udn.vn, (3) Khoa Xây Dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng; Email: vanmybkdn@gmail.com Tóm tắt - Hiện nay, kết cấu cầu bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng rộng rãi nước ta, kết cấu cầu đường kết cấu nhà cao tầng, dân dụng Do việc nghiên cứu làm việc cầu BTCT chịu tải trọng đặc biệt đáng quan tâm, đặc biệt tải trọng động đất Những nghiên cứu trước cho thấy tương tác đất – kết cấu ảnh hưởng lớn đến làm việc phận cầu từ ảnh hưởng đến làm việc cầu Tuy nhiên, ảnh hưởng tương tác đất – kết cấu phụ thuộc lớn vào đặc tính vật liệu, liên kết kết cấu hạ (bao gồm mố trụ), đặc tính đất nền, ảnh hưởng cịn ẩn số Do nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng tương tác đất - kết cấu phân tích đường cong phá hủy cầu bê tơng cốt thép chịu tải trọng rung chấn động đất, xét đến tương tác cọc-đất mố - đất đắp sau mố Phần mềm phân tích phi tuyến Opensees ứng dụng để mơ số kết cấu cầu bê tông cốt thép phương pháp phần tử hữu hạn chiều, phần từ p-y, t-z q-z thiết lập để mô làm việc đất – kết cấu Từ chuyển vị đỉnh mố trụ từ phân tích phần mềm Opensees, tính tốn độ lệch chuẩn phận kết cấu cầu, từ xây dựng đường cong phá hủy cầu chịu tải trọng động đất Abstract- Currently, the application of reinforced concrete (RC) bridges is very popular in our country, either in house, bridge structures As a result, the analysis of working capacity of RC bridges under the special loads is worthy of attention, especially under the earthquake load (EQ) The past earthquake studies have showed that the soil-structure interaction (SSI) can impact significantly on the dynamic performance of reinforced concrete bridge components and therefore affect the seismic response of bridges However, the soil-structure effects depending inherently on material characteristics, the substructure including abutments, piers and pile, soil properties are still uncertainty Therefore, this paper focuses on the effects of soil – structure interaction (SSI) in seismic fragility analysis of RC bridges under the EQ considering the soil – pile and abutment – embankment interaction The Opensees analysis platform is employed to promote the three-dimensional finite element model of the instance bridge, in which p-y, t-z and q-z elements are installed at the structure nodes to simulate the interaction between the bridge piles and surrounding soils, the abutment and embankment The standard deviation of each components is estimated based on the results, which are derived from the numerical simulation on the Opensees, including the displacement at the control point of abutments and piers, and hence the seismic fragility curves are generated based on the ground motion acceleration conressponding to the max deformation at the control points Key words -Reinforced concrete (RC) bridge; Soilstructure interaction (SSI); Fragility curves (FC); Earthquake Load (EQ); Finite Element Method (FEM) gây tải trọng động đất Những dạng khác tương tác đất – kết cấu cần thiết để xem xét phân tích rung chấn cầu, cụ thể tương tác móng – đất mố - đất đắp sau mố Phụ thuộc vào loại kết cấu BTCT, tương cọc – đất móng nơng móng cọc mô theo nhiều cách khác nhau, nhiên cách tiếp cận đơn giản áp dụng cho loại móng mơ phần từ p-y, t-z, q-z biểu thị cho độ cứng cọc đất Đường cong phá hủy chịu tải trọng rung chấn xây dựng theo kinh nghiệm, sử dụng liệu cầu bị phá hủy liệu ghi chép trận Từ khóa – Bê tơng cốt thép (BTCT); Tương tác đất – kết cấu; Đường cong phá hủy, Tải trọng động đất; Phần từ hữu hạn (PTHH) Đặt vấn đề Những nghiên cứu trước động đất ảnh hưởng xét đến tương tác đất – kết cấu làm thay đổi khả làm việc phận cầu BTCT chịu tải trọng rung chấn, ảnh hưởng đến khả làm việc cầu Mặc dù ảnh hưởng tương tác đất – kết cấu cộng đồng khoa học toàn giới quan tâm, nghiên cứu từ lâu nghiên cứu khả làm việc cầu, ảnh hưởng tương tác đất mơ hồ tính tốn sức chịu tải cầu chịu tải trọng động đất Sự ảnh hưởng tương tác đất khả chịu tải cầu phụ thuộc nhiều vào thông số cầu tính chất kết cấu hạ thượng giá trị tần số riêng hệ kết cấu độ lớn gia tốc đỉnh 53 Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ XVI-2019, Khoa XD Cầu đường - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Hình 5: Đường cong phá hủy cầu (hướng dọc cầu) trạng thái giới hạn xét / không xét đến tương tác đất – kết cấu Kết luận 15-20% xem xét ảnh hưởng tương tác kết cấu – đất Bài báo miêu tả ảnh hưởng xét đến nền, khơng phân tích xác suất phá hủy cầu tương tác kết cấu – đất phân tích xây dựng chịu tải trọng động đất nên xem xét ảnh hưởng tương đường cong phá hủy phận cầu mố, tác đất mà cịn tính toán sức chịu tải cầu trụ gối toàn hệ thống cầu dựa mô chịu tải trọng đặc biệt cầu bê tơng cốt thép nói riêng tất hệ kết cấu khác nói chung hình mơ theo phương pháp phần tử hữu hạn: Tài liệu tham khảo a/ Độ không chắn hiệu ứng tải trọng gây tải trọng động đất trụ mố cầu bị ảnh [1] Nielson BG Analytical fragility curves for highway bridges in moderate seismic zones analytical fragility curves for highway hưởng đáng kể xem xét ảnh hưởng tương bridges in moderate seismic zones PhD thesis Atlanta: tác kết cấu – đất chuyển vị theo Georgia Institute of Technology; 2005 phương dọc cầu đỉnh mố trụ cầu, đó, [2] Stefanidou sP, Kappos AJ Methodology for the development of bridge- specific fragility curves Earthquake Eng Struct phân tích đường cong phá hủy cầu chiu tải Dynam 2017;46:73-93 trọng động đất đề xuất nên xem xét ảnh [3] McKenna F, Fenves G Open system for earthquake engineering hưởng đầy đủ tương tác kết cấu – đất simulation Berkeley, California: Pacific Earthquake Engineering móng mố - đất đắp sau mố Research Center; 2004., acceleration of various ground motion b/ Sự ảnh hưởng tương tác kết cấu- đât [4] Recorded strongmotioncenter.org/ xác suất phả hủy cầu [5] Kotsoglou A, Pantazopoulou S Response simulation and seismic tính tốn dựa trạng thái giới hạn hệ assessment of highway overcrossings Earthq Eng Struct Dyn kết cầu, mà phụ thuộc nhiều vào cường độ, 2009;39:991-1013 http://dx doi.org/10.1002/eqe [6] Kotsoglou A, Pantazopoulou S Bridge-embankment kích thước thuộc tính mố, trụ đất interaction under transverse ground excitation Earthq Eng Trong hầu hết trạng thái giới hạn, xem xét Struct Dyn 2007;12:1719-40 tương tác đất – kết cấu móng dẫn đến xác suất phá [7] Kwon O, Elnashai A The effect of material and ground motion uncertainty on the seismic vulnerability curves of RC structure Eng hủy cao cầu so sánh với mơ hình phân tích Struct 2006;28:289-303 không xem xét tương tác Trái lại, xem xét đầy đủ http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2005.07.010 tương tác đất – kết cấu móng đất đắp sau mố [8] Kwon O-S, Elnashai AS Fragility analysis of a bridge with làm giảm xác suất phá hủy cầu chịu tải trọng động consideration of soil- structure-interaction Struct Infrastruct Eng 2010;6:159-78 http://dx.doi.org/ 10.1061/40944(249)45 đất hầu hết trạng thái giới hạn ngoại trừ thành A, Tsopelas PC Effect of soil-structure interaction on seismic phần kết cấu mố toàn hệ thống cầu trạng thái [9] Ucak isolated bridges J Struct Eng 2008;134:1154-64 giới hạn http://dx.doi.orff/10.1061/fASCE) 0733-9445(2008) 134:7(1154) Sự ứng dụng phương pháp phân tích cho [10] Gerolymos N, Gazetas G Development of Winkler model for static hệ kết cấu cầu BTCT cho thấy tương tác mố and dynamic response of caisson foundations with soil and interface - đất đắp sau mố thường bị bỏ qua tính tốn sức chịu nonlinearities Soil Dyn Earthq Eng 2006;26:363-76 http://dx.doi.org/ 10.1016/j.soildyn.2005.12.002 tải cầu chịu tải trọng động đất Như đẫ thể trên, biến thiên xác suất phá hủy cầu lên đến 59 Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ XVI-2019, Khoa XD Cầu đường - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY CỦA XÀ MŨ TRỤ CẦU RELIABILITY ANALYSIS OF HAMMER PIERS IN BRIDGES PART I: SHEAR DESIGN IN CANTILEVER SECTION SVTH : Nguyễn Phước Duy(1) ; Trần Quang Vy(2) (1) Lớp 14X3C, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: duynguyen8996@gmail.com (2) Lớp 15X3A, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: quangvy997@gmail.com GVHD : TS Đỗ Việt Hải(3) ; TS Hoàng Trọng Lâm(4) (3) Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: dvhai@dut.udn.vn (4) Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: hoanglam289@gmail.com Tóm tắt: Trong cơng trình cầu, tham số vật liệu, địa chất, loại tải trọng biến ngẫu nhiên Các biến ngẫu nhiên ảnh hưởng đến xác suất phá hoại kết cấu thể số độ tin cậy Bài báo tập trung vào việc phân tích độ tin cậy trụ cầu đặc thân hẹp thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam (22TCN 272-05; TCVN 11823-2017) Việc tính tốn dựa không chắn tĩnh tải, hoạt tải, mặt cắt hình học, cường độ chịu nén bê tơng cường độ chịu kéo thép, Những kết tính tốn cho thấy có khác đáng kể số độ tin cậy momen số độ tin cậy lực cắt trụ đặc thân hẹp Những khác biệt thể cách rõ ràng việc thiết kế dư thừa sức kháng trụ cầu Bài báo đề xuất thay đổi hàm lượng thép tối thiểu thiết kế lực cắt để tối ưu hóa thiết kế trụ cầu theo độ tin cậy Từ khóa : trụ cầu, trụ đặc thân hẹp, độ tin cậy, việc tính tốn, dư thừa Abstract: In bridges, the parameters such as material, geometry and loads are random variables These random variables have influence on the probability of failure of the structures which is represented by the reliability index This paper will focus on the reliability analysis of the current hammer piers, which are designed by Vietnamese bridges’ specification (22TCN 272-05, TCVN 118232017) The computation is based on the uncertainties of dead loads, live loads, sectional geometries, strength of concrete and strength of steel, The results of computation show that there are significantly differences between the moment reliability indices and shear reliability indices of the hammer piers These differences clearly indicate the overdesign of pier capacities The paper also recommends the change of minimum steel in shear design in order to optimize the pier design in term of reliability analysis Keywords: bridge pier, solid piers, reliability, computation, overdesign Đặt vấn đề Trong năm gần đây, việc nghiên cứu thiết kế kết cấu cơng trình theo độ tin cậy ngày nhiều nhà khoa học quan tâm bời phương pháp phản ánh đầy đủ khả dự trữ an toàn thực tế so với phương pháp truyền thống Đặc điểm bật phương pháp thiết kế theo độ tin cậy tham số ( X i ) xem biến ngẫu nhiên với hai giá trị đặc trưng kỳ vọng ( ) độ lệch chuẩn ( ) cầu hệ thống kết cấu, số độ tin cậy tính tốn cho năm (chỉ số năm) Các tính tốn thực riêng cho trạng thái giới hạn 2.2 Phương pháp tính tốn độ tin cậy Khi thiết kế cấu kiện (phần tử) trụ cầu bê tông cốt thép, độ lệch tham số vùng, miền lãnh thổ quốc gia không giống ảnh hưởng đáng kể đến kết tính Vì vậy, muốn hồn thành mục tiêu “thiết kế kết cấu vừa đảm bảo yêu cầu cơng năng, vừa có chi phí hợp lí đảm bảo độ tin cậy” phải xét mức độ ảnh hưởng phần tử đến số độ tin cậy (  ) Khi thiết kế, tính tốn kết cấu cơng trình cầu ln xét đến yếu tố kinh tế an tồn Vì vậy, để đảm bảo hai yếu tố mục tiêu thiết kế đạt độ tin cậy (  ) 3,5 Nhưng kiểm tra độ tin cậy xà mũ cơng trình cầu thực tế Việt Nam nhận thấy có khác đáng kể độ tin cậy lực cắt so với độ tin cậy momen Vấn đề gây ảnh hưởng lớn mặt kinh tế Trong báo này, tác giả trình bày đề xuất thay đổi hàm lượng cốt thép tối thiểu thiết kế lực cắt để tối ưu hóa thiết kế trụ cầu theo độ tin cậy Cơ sở lý thuyết 2.1 Chỉ số độ tin cậy Xác suất phá hoại kết cấu đo số độ tin cậy (  ) Đối với cơng trình cầu, số độ tin cậy tính tốn cho trạng thái giới hạn khác nhau, phân tích thực riêng cho phần tử trụ Phân tích độ tin cậy cho hàm trạng thái giới hạn cho loại cấu trúc thành phần tải trọng Trong trình hiệu chỉnh hiệu ứng tải trọng sức kháng vật liệu biến ngẫu nhiên Hàm trạng thái giới hạn biểu thị ranh giới giai đoạn kết cấu an toàn với giai đoạn kết cấu bị phá hủy Một dạng đơn giản hàm trạng thái giới hạn là: g ( R, Q)  R - Q (1) Trong đó: R - sức kháng vật liệu; Q - hiệu ứng tải trọng Nếu g(R,Q)≥0 kết cấu an toàn (sức kháng vật liệu lớn hiệu ứng tải trọng), g(R,Q)