Phương pháp đánh giá chất lượng kết cấu công trình chịu tác động của khí hậu ven biển miền Trung Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy

Phương pháp đánh giá chất lượng kết cấu công trình chịu tác động của khí hậu ven biển miền Trung Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy

1. Tính cấp thiết của đề tài

Cầu Nguyễn Văn Trỗi xây dựng năm 1960 với kết cấu bằng thép, hệ khung vòm rỗng. Từ năm 1960 đến năm 2000, đây là cây cầu đường bộ đầu tiên và duy nhất bắc qua sông Hàn, nối liền giữa quận 1 và quận 3 (nay là quận Hải Châu và quận Ngũ Hành Sơn và Sơn Trà), là trục chính để vận chuyển hành hóa khai thác cảng Tiên Sa trước khi cầu Tiên Sơn hoàn thành vào năm 2004.

Cùng với công cuộc đô thị hóa, cầu Nguyễn Văn Trỗi không còn đáp ứng được nhu cầu tăng nhanh về vận tải thương mại, du lịch, dịch vụ trong khi nhu cầu sử dụng của cầu ngày càng tăng. Thêm vào đó với thời gian, hiện tượng ăn mòn gỉ thép được khảo sát cho thấy phát triển đáng kể. Vì vậy kết cấu cầu cần được đánh giá lại mức độ an toàn trong điều kiện có các thông số tính toán không thực sự rõ ràng, không chính xác, chúng được xem là các đại lượng ngẫu nhiên. Ví dụ như độ lớn của tải trọng, độ cứng của các liên kết, cường độ của vật liệu, mức độ ăn mòn… Các phương pháp tính toán cổ điển như ứng suất cho phép hay trạng thái giới hạn chưa phản ánh sát thực tế sự làm việc của kết cấu vì mô hình tính chưa xét trực tiếp các yếu tố ngẫu nhiên này một cách đầy đủ. Với cầu dàn vòm thép Nguyễn Văn Trỗi, nổi trội trong các yếu tố không chắc chắn là tải trọng và ăn mòn. Từ đó đặt ra yêu cầu phải áp dụng mô hình phù hợp hơn cho tính toán, đánh giá kết cấu trong điều kiện các thông số đầu vào là không chắc chắn để phản ánh sát thực tế sự làm việc của kết cấu.

1. Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là thông qua các số liệu hiện trạng và phân tích tính toán khả năng chịu lực của kết cấu nhịp cầu theo chỉ số độ tin cậy có xét đến sự suy giảm tiết diện do ăn mòn. Phân tích và đánh giá độ tin cậy kết cấu dàn poni khi xét đến sự biến động tải trọng. Đối chiếu với chủ trương chuyển đổi cầu Nguyễn Văn Trỗi từ cầu vận tải về cầu đi bộ phục vụ du lịch là có phù hợp không. Từ đó dự báo tuổi thọ theo chỉ số độ tin cậy với công năng phục vụ bộ hành.

1. Phạm vi nghiên cứu

Phân tích khả năng chịu lực của kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi theo chỉ số độ tin cậy về bền (sau đây gọi tắt là chỉ số độ tin cậy), xét đến suy giảm tiết diện do ăn mòn, với quy luật ăn mòn tham khảo từ các nghiên cứu khu vực ven biển miền Trung Việt Nam.

Vật liệu làm việc trong giới hạn đàn hồi, biến dạng và chuyển vị của kết cấu là bé.

Các đại lượng không chắc chắn dạng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn.

Ăn mòn tiết diện các thanh được giả thiết gần đúng là mòn đều theo chu vi với quy luật ăn mòn tiền định.

1. Phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn được giải quyết thông qua các phương pháp nghiên cứu chính sau:

– Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến cầu dàn thép. Phân tích, xử lý số liệu khảo sát hiện trạng kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi.

– Phân tích tính toán trạng thái ứng suất kết cấu cầu theo phần mềm Midas để giải bài toán. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số tải trọng và suy giảm tiết diện do ăn mòn đến trạng thái làm việc, làm cơ sở tính chỉ số độ tin cậy β của các phần tử kết cấu.

– Đánh giá mức độ an toàn sử dụng theo một phương pháp phân loại chất lượng kết cấu được nghiên cứu trong luận án tiến sĩ năm 2006 [13] với đề tài “Phương pháp đánh giá chất lượng kết cấu công trình chịu tác động của khí hậu ven biển miền Trung Việt Nam theo lý thuyết độ tin cậy”.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CẦU GIÀN THÉP VÀ TIÊU CHUẨN AN TOÀN KHAI THÁC

1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÀN THÉP

1.1.1. Khái quát

Dàn là một hệ kết cấu, trong đó mỗi phần tử chính là 1 thanh được cấu tạo sao cho chịu lực dọc là chủ yếu.

Kết cấu dàn bao giờ cũng được gắn với một sơ đồ hỗn hợp nào đó. Dàn được ứng dụng trong các sơ đồ kết cấu: hệ dầm, hệ khung, hệ vòm…

Đặc điểm của kết cấu dàn dầm:

– Dàn làm việc như một dầm chịu uốn, có những thanh biên chịu ứng suất kéo, có những thanh biên chịu ứng suất nén và có những thanh vừa chịu ứng suất kéo vừa chịu ứng suất nén khi dàn chịu tải trọng di động.

– Kết cấu dàn có thể dễ dàng thay đổi kích thước chung, đặc biệt là chiều cao mà không làm tăng đáng kể trọng lượng bản thân kết cấu, dễ tạo độ cứng theo phương ngang.

– Dễ dàng tiêu chuẩn hóa, mođun hóa.

– Khả năng chịu lực ngang cầu tốt hơn cầu dầm do diện tích chắn gió ngang cầu thực tế nhỏ hơn và khoảng cách tim hai giàn chủ lớn.

– Vượt được các khẩu độ lớn hơn so với dầm và chi phí đầu tư thấp hơn phương án dầm.

– Kết cấu dàn bằng thép nên dễ bị gỉ, ăn mòn. Do đó việc duy tu bảo dưỡng phải tiến hành thường xuyên.

1.1.2. Cấu tạo chung kết cấu nhịp cầu dàn thép

a. Các bộ phận chủ yếu của kết cấu nhịp cầu dàn thép

b. Tổng quan các loại sơ đồ giàn

c. Dàn vòm có biên cong parabol tại cầu Nguyễn Văn Trỗi

Hình 1.13: Dàn cầu Nguyễn Văn Trỗi

Xét về mặt tiết kiệm vật liệu thì dàn có biên cong là tối ưu nhất vì chiều cao dàn được thay đổi theo dạng biểu đồ momen, do đó sẽ phát huy tối đa khả năng chịu lực của các thanh dàn.

Việc chế tạo các thanh biên cong như thiết kế rất khó thực hiện, do đó loại cầu này rất ít được sử dụng. Cầu Nguyễn Văn Trỗi là 1 trong những cầu dàn vòm có kiến trúc độc đáo và hiếm hoi tại Việt Nam.

1.2. PHÂN TÍCH CÁC ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN ĐẦU VÀO KHI TÍNH TOÁN KẾT CẤU

1.2.1. Các khâu chủ yếu ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ công trình

1.2.2. Một số biện pháp nâng cao chất lượng và độ tin cậy công trình

1.2.3. Xét ảnh hưởng của một số yếu tố ngẫu nhiên đến độ tin cậy của kết cấu dàn

a. Ảnh hưởng của công tác thiết kế, thi công

b. Ảnh hưởng của quá trình quản lý, khai thác sử dụng

c. Ảnh hưởng yếu tố môi trường

Tác động của khí hậu như mưa, gió, bão, động đất, chênh lệch nhiệt độ, sự xâm thực của các chất hóa học, các yếu tố ăn mòn… gây nên sự lão hóa vật liệu, làm suy giảm tiết diện làm giảm khả năng chịu lực và phá hủy kết cấu.

Qua phân tích trên, ta thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ kết cấu cầu dàn thép. Các nguyên nhân chủ quan của công tác thiết kế, thi công và quá trình khai thác sử dụng đều có thể khắc phục được, riêng ảnh hưởng của yếu tố môi trường là khó lường hơn cả. Do đó, trong phạm vi luận văn, học viên chọn yếu tố môi trường mà cụ thể là yếu tố ăn mòn kết cấu thép làm giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ của công trình để nghiên cứu.

1.2.4. Ăn mòn của kết cấu thép dưới tác động của môi trường

Ăn mòn kết cấu thép là sự phá hủy bề mặt kim loại dưới tác động hóa học hoặc điện hóa của môi trường xung quanh.

Tốc độ ăn mòn của thép chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, hàm lượng ion Cl^–, độ ẩm tương đối của không khí. Khả năng chịu lực của kết cấu giảm theo thời gian dưới tác động của môi trường ăn mòn.

Sự ăn mòn của kết cấu thép trong môi trường ăn mòn luôn bắt đầu từ lớp bề mặt. Dưới tác dụng của sự mòn gỉ, các phần tử của kết cấu bị mất dần đi diện tích ban đầu và khi thời gian đủ dài kết cấu mất khả năng chịu lực.

Nghiên cứu của TS Lê Đức Vinh [13] đã đề cập đến việc xác định mô hình mòn gỉ của khí hậu ven biển miền Trung Việt Nam, từ đó tính toán và đánh giá chất lượng công trình.

Theo [13], dạng hàm số mũ là mô hình phù hợp nhất với thực nghiệm và được sử dụng rộng rãi. Kết quả nghiên cứu theo dõi thống kê các kết cấu thép sử dụng dưới 10 năm, tốc độ ăn mòn trung bình khoảng 0,2mm/năm, trên 30 năm tốc độ ăn mòn chỉ còn 0,08mm/năm. Quy luật ăn mòn chiều sâu thép cacbon theo thời gian được biểu diễn dưới dạng hàm số mũ: (cm) (1.6)

Các nghiên cứu trong [13] đã đưa ra thang giá trị đánh giá chất lượng kết cấu công trình bị ăn mòn theo chỉ số độ tin cậy β (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Thang giá trị đánh giá chất lượng kết cấu công trình bị ăn mòn theo chỉ số độ tin cậy β [13]

Do điều kiện không có số liệu khảo sát về ăn mòn tại Đà Nẵng – vùng ven biển miền Trung, vì vậy trong luận văn này, học viên chọn quy luật ăn mòn (1.6) để làm cơ sở nghiên cứu về suy giảm độ tin cậy kết cấu công trình cầu Nguyễn Văn Trỗi theo thời gian và làm cơ sở để dự báo tuổi thọ theo độ tin cậy. Ngoài quy luật (1.6), để đơn giản trong tính toán, học viên sử dụng thêm giả thiết tiết diện bị ăn mòn đều theo chu vi.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

2.1.1. Tổng quan về lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình

Để đánh giá độ tin cậy cho một bộ phận kết cấu hay hệ kết cấu công trình trước hết phải thực hiện mô hình hóa, nghĩa là chọn sơ đồ tính toán của kết cấu, có thể đơn giản nhưng phải phản ánh đủ các tính chất cơ bản của hệ thực.

Trong mô hình hóa, ta thường quan tâm đến ba yếu tố cơ bản là tải trọng, tính chất vật liệu và kích thước hình học. Từ trước đến nay người ta thường xem các yếu tố đó là tiền định nhưng thực tế không đúng như vậy. Các tính chất đặc trưng về vật liệu, tải trọng, kích thước hình học của cấu kiện… phụ thuộc vào quá trình làm việc của con người và nhiều nhân tố ảnh hưởng khác, các thông tin thu thập không đầy đủ, không chính xác và không tuân theo 1 quy luật nào. Do vậy, chúng tiềm ẩn tính ngẫu nhiên và không chắc chắn. Ngoài ra, các yếu tố như tải trọng gió, tải trọng động đất, sự ăn mòn… là những tác động tự nhiên hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên, các thông tin về chúng cũng không thể chính xác và chắc chắn. Mặt khác trong quá trình thi công thực tế và khai thác không thể tránh khỏi những sai lệch so với hồ sơ thiết kế.

Theo tiến trình phát triển của môn cơ học công trình, các mô hình đánh giá sự an toàn hay hư hỏng của kết cấu hình thành các quan điểm tính toán như sau:

• Tính toán sự an toàn của kết cấu theo ứng suất cho phép.
• Tính toán sự an toàn của kết cấu theo trạng thái giới hạn.
• Tính toán sự an toàn của kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy.

Trong 3 quan điểm tính toán trên, tính toán sự an toàn của kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy sát với thực tế hơn cả vì nó có xét đến các sai lệch ngẫu nhiên của các tham số tính toán có trong thực tế.

2.1.2. Quá trình phát triển mô hình đánh giá độ tin cậy theo phương pháp lý thuyết xác suất và thống kê toán học

2.1.3. Những khái niệm về độ tin cậy và tuổi thọ công trình

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

2.2.1. Chỉ số độ tin cậy β

Để thuận lợi cho việc tính toán, trong ứng dụng người ta thường dùng chỉ số độ tin cậy β, nó tương ứng với xác suất tin cậy P_s (hay là xác suất từ chối P_f). Hiện nay ở một số nước, trong các tiêu chuẩn hiện hành người ta quy định thiết kế công trình theo chỉ số β [8] [9] [16] [17] [18] [19] [20].

Bước đầu tiên trong tính toán độ tin cậy hoặc xác suất hư hỏng của 1 kết cấu là chọn tiêu chuẩn an toàn, các tham số tải trọng, kích thước hình học và sức chịu của vật liệu được chọn là các biến cơ bản X_i.

Hàm biểu diễn cho mối quan hệ này dưới dạng

M=g(X₁, X₂, …, X_n) (2.1)

trong đó X₁, X₂, …, X_n là các đại lượng ngẫu nhiên cơ bản ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái của kết cấu.

Mặt hư hỏng hay mặt trạng thái giới hạn của kết cấu được xác định khi M=0. Đây là ranh giới giữa miền an toàn và không an toàn trong không gian tham số tính toán.

Phương trình trạng thái giới hạn đóng một vai trò quan trọng trong việc triển khai các phương pháp phân tích độ tin cậy.

Từ phương trình (2.1), ta thấy sự hư hỏng xảy ra khi M<0 và an toàn khi M>0. Vì vậy xác suất hư hỏng P_f được biểu diễn tổng quát:

(2.2)

Trong đó: là hàm mật độ xác suất đồng thời cho các biến cơ bản X₁, X₂, …, X_n và phép tích phân được thực hiện trên miền không an toàn, nghĩa là g(.)<0. Nếu các biến ngẫu nhiên là độc lập thống kê, lúc đó hàm mật độ xác suất động thời có thể được thay thế bởi tích của các hàm mật độ xác suất của mỗi biến.

Việc sử dụng phương trình (2.2) để tính P_f được gọi là phép xấp xỉ phân phối toàn phần và có thể xem là phương trình cơ bản để phân tích độ tin cậy. Nói chung, hàm mật độ xác suất đồng thời của các biến ngẫu nhiên thực tế rất khó xác định, cho dù có thể sử dụng đầy đủ thông tin, việc xác định tích phân theo (2.2) vẫn là khó khăn. Vì vậy sử dụng các phép gần đúng cho tích phân này nhằm đơn giản hóa tính toán.

Từ phương trình (2.1), ta xét trường hợp đơn giản gồm hai biến ngẫu nhiên cơ bản độc lập thống kê và có phân phối chuẩn: S là hiệu ứng tải trọng tác dụng lên kết cấu (ứng suất, biến dạng, chuyển vị…) có giá trị trung bình là μ_s và độ lệch chuẩn σ_s; và R là khả năng chịu lực của vật liệu (giới hạn tỉ lệ, giới hạn bền), có giá trị trung bình là μ_R và độ lệch chuẩn là σ_R ; các đặc trưng thống kê của chúng được thành lập trên cơ sở số liệu thí nghiệm, quan sát và đo đạc.

Đặt M = R – S (2.3)

được gọi là miền an toàn hay quãng an toàn.

Điều kiện an toàn được xác định đối với kết cấu khi M = g(R,S) > 0 và xảy ra phá hoại khi M = g(R,S) < 0 (hình 2.1)

g(R,S) < 0

Miền không an toàn

Sức bền

R

Tải trọng

S

Phương trình trạng thái giới hạn

g(R,S)=0

g(R,S) > 0

Miền an toàn

Hình 2.1 Các trạng thái của kết cấu

Xác suất an toàn có dạng

P_s = P(R>S) = P(M> 0) (2.4)

Xác suất không an toàn hay xác suất phá hoại được xác định :

P_f = 1 – P_s = P(R < S) = P(M<0) (2.5)

Ta đã giả thiết R và S là các biến ngẫu nhiên có phân phối chuẩn, do đó M cũng là một biến ngẫu nhiên có phân phối chuẩn, nghĩa là có kỳ vọng toán (giá trị trung bình) μ_M = μ_R – μ_S (2.6)

và độ lệch chuẩn của M: (2.7)

Đặt tỉ số (2.8a)

thì giá trị β cho biết trị trung bình của khoảng an toàn (μ_z) nằm cách xa ranh giới an toàn/phá hoại bao nhiêu lần độ lệch chuẩn của nó (σ_M). Giá trị β càng lớn cho thấy độ tin cậy càng cao hay xác suất phá hủy càng thấp. β được gọi là chỉ số độ tin cậy hay chỉ số bêta.

Hay (2.8b)

Xác suất phá hoại được xác định như sau: (2.9)

Xác suất an toàn:

(2.10)

Sử dụng bảng tra hàm Φ(β) ta có một số cặp giá trị của β và P_f theo (2.9) và suy ra P_S theo (2.10), kết quả cho trên bảng 2.1.

Bảng 2.1: Bảng tra hàm Φ(β)

2.2.2. Phương pháp tuyến tính hóa xác định chỉ số độ tin cậy β

2.3. ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU DÀN THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

2.3.1. Cách xác định sơ đồ độ tin cậy của kết cấu dàn dầm

a. Khái quát tình hình nghiên cứu

b. Tính độ tin cậy của hệ nhiều phần tử theo sơ đồ điện

Xác định ĐTC của hệ có nhiều phần tử là bài toán phức tạp. Cho đến nay chưa có phương pháp tổng quát cho mọi hệ. Tuy vậy trong các trường hợp KCCT không quá phức tạp có thể mô hình hóa để tìm lời giải có ý nghĩa thực tế chấp nhận được

Kết cấu công trình là hệ được ghép nối (liên kết) từ các cấu kiện đơn. Giả thiết rằng ĐTC của các phần tử đã biết muốn xác định ĐTC của hệ cần nhận dạng, phân tích để tìm được sơ đồ tính ĐTC.

Để tiện nghiên cứu người ta chia hệ có nhiều phần tử thành hệ đơn giản và hệ phức tạp.

* Hệ đơn giản : Hệ rơi vào trạng thái mất an toàn khi chỉ một phần tử mất an toàn

* Hệ phức tạp : Hệ rơi vào trạng thái mất an toàn khi có từ hai phần tử trở lên mất an toàn.

b.1. Xác suất an toàn của hệ đơn giản

Xét hệ đơn giản gồm n phần tử. Giả sử phần tử thức k mất an toàn và có xác suất từ chối q_k hay xác suất an toàn của phần tử đó là 1- q_k. Vậy xác suất an toàn của cả hệ là :

P = (1- q₁)( 1- q₂)…( 1- q_k)…( 1- q_n) hay

Trường hợp cả n phần tử có xác suất từ chối bằng nhau tức là

q_k = q = const, ta có P = (1-q)ⁿ

Khai triển đa thức này (Newtơn) và bỏ qua số hạng bậc cao ta có công thức gần đúng.(giữ ba số hạng)

P ≈ 1 –nq (giữ hai số hạng)

b.2. Xác suất an toàn của hệ phức tạp

Theo định nghĩa hệ phức tạp là hệ từ chối khi trong hệ có đủ một số phần tử từ chối (từ 2 phần tử trở lên). Do đó để tính ĐTC của hệ phức tạp cần xác định trong điều kiện nào hệ từ chối.

Ví dụ dàn siêu tĩnh bậc 2 thì không phải cứ hỏng 3 thanh là dàn có thể biến hình, thậm chí chỉ cần 2 thanh chéo bị hỏng cũng làm hệ biến hình rồi. Vì vậy các qui định về mất an toàn của KCCT phải căn cứ vào kết cấu cụ thể.

Nếu ta qui định rằng, hệ từ chối khi có hai phần tử đồng thời từ chối, ta có xác suất an toàn của hệ n phần tử

P = (1-q²)^N/2 (*)

trong đó là số cặp có thể có của các phần tử chính bằng số tổ hợp chập 2 của n phần tử trong hệ.

Khai triển (*) ta được: P = 1-N.q² = 1 – 1/2.n².q²

Chú ý: Về mặt sơ đồ có thể xem hệ phức tạp là hệ có cấu trúc ghép song song hoặc ghép hỗn hợp

Ví dụ như trên hình cho thấy hệ bị từ chối khi đồng thời 2 phần tử trong nhóm ghép song song cùng từ chối. Hệ đã cho có sơ đồ ghép hỗn hợp

* Với hệ gồm n phần tử ghép song song ta thấy ĐTC của hệ P = 0 khi mọi P_i của các phần tử đều bằng không, nếu gọi q_j là từ chối của phần tử thứ j thì độ từ chối Q của hệ là :

Do đó ĐTC của hệ P sẽ là: P = 1 – Q = 1 –

hoặc P = 1 –

2.3.2. Xét ảnh hưởng của một số yếu tố ngẫu nhiên đến độ tin cậy của kết cấu dàn

2.4. DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

2.4.1. Mở đầu

Tuổi thọ là khái niệm biểu diễn thời gian khai thác một hệ thống kỹ thuật, một kết cấu công trình nhằm đạt các mục tiêu sử dụng trong trạng thái làm việc an toàn. Đối với kết cấu công trình, tuổi thọ được đo bằng thang thời gian tính theo năm, được tính từ thời điểm công trình hoàn thành và đưa vào khai thác sử dụng cho đến khi chuyển sang trạng thái giới hạn.

2.4.2. Tính tuổi thọ công trình theo chỉ số độ tin cậy β

Xét một KCCT, nếu T₁ là thời gian làm việc an toàn của nó cho đến lần từ chối (sự cố) đầu tiên, ta có: Q_t(T₁) = 1 – P(T₁)

Do đó tính được mật độ xác suất từ chối theo định nghĩa

nếu tại T₁ không có biện pháp phục hồi thì có thể xem tuổi thọ của KCCT = T₁

Công thức xác định tuổi thọ trung bình

(2.36)

P(t)

1

Ω = <T>

0

t

Hình 2.7: Biểu diễn tuổi thọ dưới dạng đồ thị

Theo ý nghĩa hình học của tích phân, tuổi thọ trung bình bằng diện tích Ω như trên hình 2.7

2.4.3. Tính tuổi thọ công trình theo quan điểm tổn thương tích lũy

2.4.4. Tính tuổi thọ theo chỉ số β mục tiêu

t

β(t)

0

Hình 2.10: Biểu đồ suy giảm chỉ số β theo thời gian do ăn mòn

[β]

T

Trong bài toán xét đến ăn mòn, từ công thức (2.8b), ta thấy μ_S phụ thuộc thời gian, do đó chỉ số β là hàm số phụ thuộc thời gian t với giả thiết các đại lượng khác trong vế phải của công thức (2.8b) không thay đổi.

Khi đó, hàm chỉ số β(t) được xác định theo công thức (2.44)

trong đó: S(t) là hàm ứng suất, phụ thuộc thời gian, thay đổi tương ứng với quy luật ăn mòn tiết diện

R là giới hạn bền của vật liệu

Kết luận Chương 2

CHƯƠNG 3

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHAI THÁC KẾT CẤU NHỊP CẦU NGUYỄN VĂN TRỖI THEO CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY

Trong hai chương trước đã giới thiệu phương pháp luận, phương pháp tính đối với kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi.

Nhiệm vụ tính toán trong chương này gồm 2 phần:

+ Nội dung 1: Đánh giá khả năng khai thác của kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi theo chỉ số độ tin cậy, xét đến sự biến động tải trọng và sự suy giảm tiết diện do ăn mòn, so sánh đối chiếu với chủ trương của thành phố về việc chuyển đổi mục đích sử dụng cầu thành cầu phục vụ bộ hành.

+ Nội dung 2: Xác định thời gian khai thác an toàn hiệu quả còn lại đối với phương án cầu đi bộ và thời gian cần sửa chữa, gia cố theo lý thuyết độ tin cậy.

Phạm vi luận văn phục vụ cho công tác nghiên cứu học tập, học viên giới hạn tính toán kết cấu cầu với trạng thái giới hạn về cường độ (giới hạn bền) với một tham số biến ngẫu nhiên là tải trọng tác dụng. Sự ăn mòn kết cấu thép theo thời gian theo quy luật tiền định (công thức 1.16). Các tham số khác được tính toán với hệ số an toàn theo quy định tại 22TCN 272-05.

3.1. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU VỚI PHƯƠNG ÁN CẦU VẬN TẢI

3.1.1 Giới thiệu chung

3.1.2 Phân tích tính toán ứng suất kết cấu nhịp cầu

a. Giải bài toán tiền định

Bài toán tiền định là bài toán tại thời điểm cầu mới được xây dựng năm 1960, đây là năm đầu tiên bắt đầu tính ăn mòn.

Sử dụng phần mềm Midas Civil, Version 2011 để tính kết cấu.

Mô hình hóa kết cấu nhịp cầu để tính toán.

Hình 3.1: Kết quả mô hình kết cấu nhịp cầu

a.1. Tải trọng tác dụng:

– Tải trọng bản thân (DC): Chương trình tự động tính toán khối lượng bản thân của kết cấu bao bao gồm bản mặt cầu trực hướng, hệ vòm, hai dầm dọc được hàn vào hệ dầm ngang, 11 dầm ngang chính dựa vào kích thước và đặc trưng hình học của các tiết diện được khai báo.

– Tĩnh tải phần lan can (DC1):

+ Tổng khối lượng lan can tay vịn tính cho 1 nhịp là 2.5 tấn, tải trọng lan can tay vịn được đặt tại mép ngoài bản mặt cầu.

DC21= 0.35 (kN/m). Độ lệch tâm so với sườn kín bản mặt cầu là 0.73m

+ Hệ đỡ trụ lan can bằng thép hàn tổ hợp cao 0.13m. Tổng trọng lượng trên 1 nhịp là 2.131 tấn, tải trọng này được đặt tại mép ngoài bản mặt cầu.

DC22 = 0.287 (kN/m). Độ lệch tâm so với dầm dọc biên là 0.73m

– Lớp phủ mặt cầu : Bề rộng lớp phủ theo phương ngang cầu là 8000mm, được phân bố đều trên toàn bộ bản mặt cầu.

+ Đối với sườn kín trong: DW₁ = 0.283 kN/m.

+ Đối với sườn kín biên: DW₁ = 0.441 kN/m.

– Hoạt tải : HL93 theo 22TCN 272-05

Chương trình tự động tính toán các trường hợp tải trọng bất lợi.

Hình 3.2: Sơ đồ tên gọi các thanh dàn chủ

a.2. Kết quả ứng suất các thanh trong dàn chủ:

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp giá trị bao ứng suất trong các thanh dàn theo mô hình tiền định

Ứng suất tối đa xuất hiện trong các loại cấu kiện dàn là tương đối đồng đều. Căn cứ điều kiện bền: σmax = 152000KN/m2 < [R] = 210000KN/m², tất cả các cấu kiện đều có ứng suất nhỏ hơn ứng suất cho phép. Tất cả các cấu kiện trong kết cấu nhịp cầu đảm bảo độ bền.

b. Khảo sát sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu nhịp cầu khi xét đến ăn mòn theo thời gian

Hình 3.3: Một số hình ảnh gỉ sét tại đầu thanh biên vòm

b.1. Lựa chọn tham số ăn mòn tại cầu Nguyễn Văn Trỗi:

– Chiều dày ăn mòn theo công thức (1.6): (cm)

trong đó γ = 0.002-0.004.

– Trong khoảng thời gian khai thác cầu đến thời điểm khảo sát (từ năm 1960 đến năm 2012) đã trải qua 53 năm, theo số liệu khảo sát thực tế kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi [2], tại vòm chính bị ăn mòn nhiều nhất, có vị trí đã bị gỉ sét ăn mòn sâu đến 3mm (hình 3.2). Xác định hệ số ăn mòn γ một cách gần đúng như sau: Với chiều dày ban đầu δ₀=1.6cm, hiện nay còn lại δ=1.3cm trong khoảng thời gian t=53 năm. Ta được γ=0.0039, phù hợp với kết quả khảo sát mẫu thử của TS Lê Đức Vinh.

– Vậy xác định chiều dày ăn mòn tại cầu Nguyễn Văn Trỗi theo công thức: (cm) (3.1)

Thực tế các cấu kiện khác của kết cấu nhịp cầu có mức độ ăn mòn khác nhau, tuy nhiên để thiên về an toàn ta sử dụng công thức (3.1) để khảo sát ăn mòn tiết diện cho toàn bộ cấu kiện dàn vòm thép của kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi trong các năm tiếp theo.

b.2. Xác định tiết diện sau ăn mòn tại cầu Nguyễn Văn Trỗi theo thời gian:

– Hiện tại công trình đã qua 55 năm sử dụng, khảo sát sự ăn mòn của kết cấu với các khoảng thời gian 10 năm tiếp theo.

b.3. Đánh giá mức độ an toàn kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi theo chỉ số độ tin cậy β tại thời điểm hiện nay (2014):

Kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi hiện nay đã bị suy giảm tiết diện do ăn mòn, do đó chỉ số độ tin cậy của kết cấu nhịp cầu đã giảm xuống, cần được đánh giá lại về khả năng khai thác.

Mặt khác nhu cầu về tải trọng tăng nhanh, hiện tượng xe vận tải chở hàng vượt tải khá phổ biến, đã gây nhiều sự cố cho các công trình cầu đường bộ. Điều đó cho thấy sự biến đổi tải trọng thiết kế cầu cũng là yếu tố ngẫu nhiên cần được xem xét.

Trên cơ sở đó, xác định chỉ số độ tin cậy β của cầu Nguyễn Văn Trỗi hiện nay phải được xem xét cả 2 vấn đề là tải trọng biến động tải trọng với các mức biến động tăng thêm 10% hiệu ứng hoạt tải và sự suy giảm tiết diện theo thời gian.

Thực hiện đánh giá độ tin cậy về bền của từng phần tử trong hệ khi xem xét độ bền giới hạn theo phân phối chuẩn với độ lệch giới hạn bền 5%, độ lệch chuẩn của tải trọng theo các cấp tăng tải đang xét tương ứng lần lượt là 10%, 20% và 30%.

Công thức xác định độ tin cậy: (3.2)

trong đó: : kỳ vọng về khả năng nội tại của kết cấu (giới hạn bền)

: kỳ vọng về hiệu ứng do tác dụng bên ngoài lên kết cấu

: là độ lệch chuẩn của giới hạn bền

: là độ lệch chuẩn của tác động bên ngoài vào kết cấu

Xét về điều kiện bền: =5%Ru=0,05.2100=105(kG/cm2)=1050 kN/m2.

: là độ lệch chuẩn của ứng suất của cấu kiện đang xét phụ thuộc vào tải trọng và sự suy giảm vật liệu.

Mô hình hóa kết cấu nhịp cầu trên phần mềm Midas với các tiết diện cấu kiện sau ăn mòn ở thời điểm hiện tại, mức độ tăng hoạt tải tương ứng. Kết quả ứng suất nội tại trong các loại thanh dàn được tổng hợp ở bảng 3.3.

Bảng 3.3: Kết quả ứng suất nội tại của thanh dàn ứng với các mức tăng tải trọng

Hệ kết cấu là hệ dàn tĩnh định thuộc loại hệ đơn giản, do đó chỉ cần 1 thanh bất kỳ của hệ dàn phá hủy thì hệ sẽ biến hình. Do đó sơ đồ độ tin cậy của hệ là sơ đồ nối tiếp. Vậy chỉ số độ tin cậy của kết cấu nhịp dàn chính là chỉ số độ tin cậy của phần tử bé nhất trong mỗi trường hợp. Kết quả chỉ số độ tin cậy được thể hiện bảng 3.4

Bảng 3.4: Kết quả chỉ số β về bền ứng với các mức tăng tải trọng

Từ độ tin cậy P_S của toàn dàn tính ngược ra chỉ số β của toàn dàn theo công thức P_S = Φ^-1(β). Kết quả thể hiện ở bảng 3.

Bảng 3.5: Kết quả độ tin cậy của kết cấu nhịp cầu về bền

Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ chỉ số β – biến động tải trọng

3.1.3. Đánh giá khả năng khai thác kết cấu nhịp cầu

Từ biểu đồ ta nhận thấy sự suy giảm chỉ số độ tin cậy do cả hai yếu tố ăn mòn theo thời gian và tăng tải trọng là rất lớn, chỉ số độ tin cậy suy giảm nhanh.

Đánh giá theo [13], kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi hiện nay chỉ đảm bảo khai thác an toàn nếu khống chế được tải trọng xe qua cầu. Nếu có biến động tăng tải trọng với mức độ lớn hơn 10% sẽ gây hư hỏng cầu.

Vậy cần phải khống chế giảm tải trọng xe qua cầu. Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế hiện nay, các đơn vị quản lý đã cấm xe tải trọng nặng qua cầu và dự kiến sẽ tận dụng cầu để làm cầu đi bộ phục vụ du lịch.

3.2. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU VỚI PHƯƠNG ÁN TẢI TRỌNG BỘ HÀNH

3.2.1 Giải bài toán tiền định, tính toán ứng suất kết cấu nhịp cầu

– Đối với kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi chịu tải trọng đi bộ, bài toán tiền định là với kết cấu đã bị ăn mòn trong giai đoạn hiện nay (năm 2014).

– Tính tương tự như trên, giải bài toán tiền định với hoạt tải là tải trọng người đi bộ. Theo 22TCN 272-05, tải trọng người đi bộ được lấy 4×10^-3MPa.

Bảng 3.6: Bảng tổng hợp giá trị bao ứng suất trong các thanh dàn theo mô hình tiền định đối với cầu đi bộ

Nhận xét: Đối chiếu trị số ứng suất các thanh trong bảng 3.6 tương ứng với bảng 3.3 trong trường hợp không tăng tải, ta nhận thấy ứng suất nội tại phát sinh trong trường hợp tải trọng người đi bộ chỉ bằng khoảng 68%-75% ứng suất nội tại phát sinh trong trường hợp tải trọng xe vận tải. Đối chiếu với điều kiện bền: σ_max = 125000KN/m2 < [R] = 210000KN/m2, tất cả các cấu kiện đều có ứng suất nhỏ hơn ứng suất cho phép. Tất cả các cấu kiện trong kết cấu nhịp cầu đảm bảo độ bền khai thác.

Kết quả ứng suất nội tại của thanh dàn ứng với các mức tăng tải trọng (2014)

Kết quả chỉ số β về bền ứng với các mức tăng tải trọng (2014)

3.2.2 Khảo sát sự suy giảm độ tin cậy do ăn mòn kết cấu nhịp cầu khi xét đồng thời biến động tải trọng:

– Khảo sát sự suy giảm độ tin cậy do ăn mòn kết cấu trong từng khoảng 10 năm đồng thời với trường hợp tải trọng tăng 10%, 20% và 30%, độ lệch giới hạn bền 5%.

– Phương pháp tính tương tự như trên, ta được kết quả và lập thành các bảng giá trị sau tương ứng với các năm khảo sát .

Bảng 3.7: Bảng tổng hợp giá trị chỉ số β theo thời điểm

3.2.3 Xác định tuổi thọ khai thác của cầu theo chỉ số β mục tiêu

– Từ kết quả khảo sát chỉ số β (bảng 3.7), lập biểu đồ quan hệ β(t).

– Giá trị β_{mục tiêu} ≥ 2,5 để cầu đảm bảo khai thác sử dụng (bảng 1.1).

Nhận xét:

– Cầu Nguyễn Văn Trỗi được chuyển đổi thành cầu đi bộ phục vụ du lịch nên việc tăng tải trọng so với thiết kế là tất yếu bởi nhiều nguyên nhân: bố trí thêm các chi tiết trang trí trên cầu, các dịp bắn pháo hoa sẽ có rất đông người tập trung trên cầu… Do đó học viên nhận xét tuổi thọ cầu trên phương án tăng tải trọng 30%. Kết hợp xem biểu đồ hình 3.6, ta có các nhận xét sau:

– Cầu được khai thác sử dụng trong tình trạng đảm bảo trong vòng 20-23 năm tới (từ nay đến năm 2037).

– Từ năm 2037 đến năm 2077 cầu vẫn khai thác sử dụng được, tuy nhiên cần được gia cố sửa chữa để có thể tiếp tục khai thác an toàn sau này.

– Để đảm bảo khai thác sử dụng, kiến nghị kiểm tra định kỳ khắc phục các vị trí có hiện tượng mòn gỉ để khai thác cầu lâu dài.

Hình 3.6: Biểu đồ β(t) của kết cấu nhịp cầu đi bộ Nguyễn Văn Trỗi

Kết luận Chương 3

KẾT LUẬN

1. Kết luận: Nhiệm vụ của luận văn là phân tích khả năng chịu lực của kết cấu nhịp cầu Nguyễn Văn Trỗi theo chỉ số độ tin cậy, xét đến sự suy giảm tiết diện do ăn mòn. Đối chiếu với nhiệm vụ đặt ra, luận văn đã đạt được các nội dung chính sau:

– Thu thập khá đầy đủ số liệu khảo sát cầu Nguyễn Văn Trỗi, nhất là các số liệu về gỉ sét, ăn mòn tại công trình.

– Tiếp cận phương pháp tính toán độ tin cậy của cầu dàn và vận dụng đánh giá an toàn theo chỉ số β vào công trình cầu Nguyễn Văn Trỗi.

– Có cơ sở khoa học và số liệu kết quả tính toán để khẳng định chủ trương của thành phố về việc chuyển mục đích sử dụng từ cầu vận tải thành cầu đi bộ phục vụ du lịch là đúng.

– Xác định thời gian khai thác an toàn hiệu quả còn lại đối với phương án cầu đi bộ và thời gian cần gia cố sửa chữa trong thời gian tới theo chỉ số độ tin cậy.

2. Kiến nghị: Qua nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực tiễn, học viên đề xuất một số kiến nghị sau:

– Việc tính toán độ tin cậy và dự báo tuổi thọ kết cấu công trình là rất cần thiết. Do vậy, kiến nghị các đơn vị chức năng sớm ban hành tiêu chuẩn và quy trình tính toán kết cấu theo chỉ số độ tin cậy để làm cơ sở cho việc áp dụng trong thực tiễn thiết kế và đánh giá kiểm định công trình.

– Yếu tố ăn mòn của kết cấu thép dưới tác động của môi trường ảnh hưởng khá lớn đến khả năng chịu tải của cầu thép nên cần được quan tâm đúng mức. Kiến nghị các cơ quan chức năng ban hành khoảng dự trữ an toàn do ăn mòn và bảng tra về tốc độ ăn mòn của kết cấu theo điều kiện khí hậu từng vùng để làm cơ sở tính toán thiết kế công trình thép.

– Các công trình thép cần được kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng thường xuyên để hạn chế sự ăn mòn của vật liệu thép dưới tác động của môi trường.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN (Nguyen Duy Tai)