1.1 Giới thiệu tổng quan 1.1.1 Tình hình an toàn giao thông đường bộ liên quan đến rào chắn an toàn Theo thống kê, các vụ va chạm xe cơ giới hàng năm dẫn đến hơn 37.000 trườnghợp tử vong
Giới thiệu tổng quan
Tình hình an toàn giao thông đường bộ (liên quan đến rào chắn an toàn)
Theo thống kê, tai nạn giao thông do va chạm xe cơ giới hàng năm tại Hoa Kỳ khiến hơn 37.000 người tử vong và chiếm vị trí thứ 7 trong các nguyên nhân gây tử vong từ năm 2012 đến 2014; do đó rào chắn an toàn giao thông được xem là một trong những biện pháp hiệu quả nhằm giảm mức độ nghiêm trọng của các vụ va chạm Tuy nhiên, rào chắn này phải được thiết kế phù hợp để kiểm soát vận tốc và hướng của phương tiện, giảm tối đa lực tác động lên người lái và hành khách nhằm ngăn ngừa tử vong và chấn thương nghiêm trọng, từ đó thiết kế rào chắn an toàn trở thành yếu tố then chốt trong giảm thiệt hại do va chạm Ở Việt Nam, với sự phát triển kinh tế và mức sống ngày càng nâng cao, số lượng phương tiện cơ giới tham gia giao thông tăng nhanh, trong khi kết cấu hạ tầng giao thông được đầu tư phát triển, đặc biệt tại các tuyến quốc lộ và tỉnh lộ huyết mạch có mật độ tham gia giao thông cao; chiến lược quốc gia bảo đảm trật tự, an toàn giao thông đường bộ giai đoạn 2021-2030 và tầm nhìn đến năm 2045 đặt mục tiêu giảm 5-10% số người chết mỗi năm, tiến tới xây dựng một hệ thống giao thông an toàn, thông suốt, thuận tiện, hiệu quả và thân thiện với môi trường.
Hình 1 Chiến lược Quốc gia an toàn giao thông đường bộ giai đoạn 2021-2030 và tầm nhìn đến năm 2045
Có thể thấy, với sự nỗ lực hết mình của nhà nước, tình hình tai nạn giao thông ở Việt Nam đang giảm dần qua từng năm [3] Tuy nhiên, phân tích cho thấy tuyến đường nội thị chiếm tỉ lệ tai nạn cao nhất, sau đó là các tuyến quốc lộ và tỉnh lộ. Đây đều là những tuyến đường cần thiết lắp đặt các hệ thống rào chắn an toàn đường bộ.
Biểu đồ 1 Tuyến đường xảy ra tai nạn giao thông [4]
Trong năm 2022, 8 dự án giao thông quan trọng sẽ được Bộ Giao thông vận tải triển khai xây dựng với ngân sách lớn và đầy đủ các trang thiết bị an toàn [5]. Chính vì thế, việc sử dụng đúng loại các hệ thống rào chắn an toàn rất cần thiết để đảm bảo tính hiệu quả.
Biểu đồ 2 Nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông [6]
Kết quả phân tích biểu đồ cho thấy các hành vi vi phạm của người điều khiển phương tiện gây tai nạn giao thông có mức đóng góp cao nhất: đi không đúng làn đường, phần đường quy định chiếm 25,3%, còn chuyển hướng không đúng quy định và vượt xe không đúng quy định chiếm 9,7% Bên cạnh nâng cao kỹ năng lái xe, ý thức và kiến thức pháp luật cho người tham gia giao thông, sự bất cập của kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ – đặc biệt thiếu các thiết bị an toàn – cũng là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tai nạn giao thông.
Biểu đồ 3 Dạng đường nơi xảy ra tai nạn [6] Đối với dạng đường thường xảy ra tai nạn, thống kê cho thấy tai nạn tập trung chủ yếu ở những khung đường thẳng, phẳng do di chuyển với tốc độ cao hơn so với các dạng đường khác và đường có dạng cong cua do bị hạn chế tầm nhìn.
Biểu đồ 4 Tai nạn giao thông theo chiều đường [6]
Theo thống kê số vụ tai nạn theo chiều đường, đường hai chiều và đường đôi có tỷ lệ số vụ tai nạn cao, cần thiết lắp đặt các hệ thống rào chắn an toàn.
Rào chắn an toàn (safety/traffic barriers)
Rào chắn an toàn (lan can phòng hộ) là hệ thống kết cấu chạy dọc theo đường, vừa có tác dụng dẫn hướng xe quay lại phần xe chạy vừa giảm lực va chạm nhờ khả năng biến dạng của lan can phòng hộ Hệ thống lan can phòng hộ của ô tô gồm hai thành phần chính: lan can phòng hộ hai bên đường và lan can phòng hộ trên giải phân cách giữa, được bố trí để ngăn xe lấn sang làn trái hoặc va chạm vào mép đường, hướng xe trở về làn đúng và giảm thiểu nguy cơ va chạm Việc lắp đặt lan can phòng hộ góp phần nâng cao an toàn giao thông, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản và tăng cường sự ổn định của xe khi gặp va chạm.
Khi lưu lượng giao thông và tắc nghẽn tăng lên, nhu cầu về các tính năng an toàn hiệu quả ở dải phân cách ngày càng cao Trên thực tế, nhiều vụ việc tai nạn liên hoàn xảy ra trên đường quốc lộ, cao tốc khi các phương tiện đang lưu thông với vận tốc cao làm thiệt hại về người và tài sản Từ đó, đã có rất nhiều thiết bị bảo vệ an toàn đường bộ như rào chắn an toàn ra đời với nhiều hình dạng khác nhau.
Rào chắn giao thông là thiết bị được lắp đặt cố định hoặc tạm thời nhằm phục vụ việc điều tiết và phân luồng giao thông Hoặc nó cũng có thể sử dụng để cảnh báo có vật cản phía trước hoặc những mối nguy hại chưa được di dời như đường cụt, khu vực cấm, cầu cống đang sửa,… Rào chắn được phân thành nhiều loại khác nhau để đáp ứng từng mục đích và nhu cầu cụ thể khác nhau.
Khi phương tiện bất ngờ mất lái và đâm vào rào chắn an toàn, phương tiện sẽ tự động phục hồi hướng lái bình thường, bảo đảm an toàn cho người ngồi trên xe khi va chạm, đồng thời, không gây trở ngại giao thông đối với các xe khác sau va chạm, đảm bảo an toàn cho người đi bộ, bảo vệ các thiết bị bên đường Đặc biệt, những rào chắn an toàn này còn ngăn cản xe đã xảy ra tai nạn bị tai nạn lần hai, giảm thiểu tổn hại về vật chất và con người, giúp định hướng tầm nhìn cho người lái xe [7].
Hiện nay, rào chắn an toàn của đường bộ và đường cao tốc có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất tại Việt Nam là rào chắn dạng cáp (cable median barriers), rào chắn bê tông (concrete barriers) và rào chắn dạng sóng W (open guard rail hay W-
Mai Nguyễn Hoàng Nam 23 beam guardrail) và một số nơi đã được lắp đặt hệ thống rào chắn an toàn kiểu mới - rào chắn con lăn (roller safety barrier).
1.1.2.1 Rào chắn dạng cáp (cable median barriers)
Rào chắn dạng cáp là thiết bị giao thông có khả năng thích ứng lý tưởng nhằm ngăn chặn các vụ va chạm giao thông và là một trong những biện pháp an toàn hiệu quả được triển khai ở nhiều nơi Rào chắn dạng cáp là rào cản linh hoạt, được làm từ cáp thép gắn trên các trụ thép yếu, dẫn đến lực tác động của người va chạm ít hơn vì nó hấp thụ năng lượng từ va chạm, bắt giữ hoặc chuyển hướng xe [8].
Cáp chắn có độ căng cao có thể giảm thiểu thương vong trong các trường hợp tai nạn giao thông Các trường hợp bị thương nặng do tai nạn giao thông hoặc tử vong thường xảy ra khi xe chạy ở làn đường bên trong của đường cao tốc có dải phân cách, băng qua dải phân cách và đâm vào xe đi ngược chiều Những loại va chạm này có nguy cơ gây tử vong và thương tích nặng cao nhất trong số tất cả các loại va chạm trên đường cao tốc Lắp đặt các rào chắn dải phân cách bằng cáp ở những vị trí chiến lược là một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn những vụ tai nạn thương tâm thường xảy ra này.
Hình 2 Rào chắn dạng cáp [9]
Rào chắn dạng cáp có độ căng cao được làm bằng ba hoặc bốn sợi cáp thép được buộc trên các cột trụ và hoạt động như một tấm lưới khi có xe va vào chúng Khi một chiếc ô tô va vào rào chắn, các trụ bị gãy và dây cáp bị uốn cong, hấp thụ nhiều động năng của một vụ va chạm Điều này sẽ chuyển hướng phương tiện dọc theo dải phân cách, xe được giảm tốc độ và chuyển hướng để tránh khả năng xảy ra va chạm tiếp ở dải phân cách.
Rào chắn dạng cáp có ưu điểm là có chi phí lắp đặt thấp hơn so với các hệ thống rào cản khác và chi phí sửa chữa và bảo trì dễ dàng Do có độ võng lớn, chiều rộng dải phân cách là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi lắp đặt các rào chắn dạng cáp Những rào cản này dễ phù hợp hơn với các đoạn đường có độ dốc. Tuy nhiên, rào chắn cáp có xu hướng yêu cầu bảo trì và sửa chữa thường xuyên hơn các loại rào chắn khác [10].
1.1.2.2 Rào chắn bê tông (concrete barriers)
Rào chắn bê tông là một loại hàng rào được làm bằng bê tông sử dụng để phân cách các làn đường giao thông, kiểm soát giao thông và bảo vệ vành đai Nó được thiết kế để giảm thiểu thiệt hại cho xe trong các trường hợp va chạm ngẫu nhiên.
Các rào cản bê tông gồm nhiều đoạn lớn ghép lại với nhau với một hệ thống liên kết chặt chẽ, tạo thành một rào cản vô cùng chắc chắn Các loại rào cản bê tông sử dụng ngày nay được cải tiến đủ chắc chắn để ngăn xe lật khi va chạm Ưu điểm của rào chắn bê tông là rất bền, ít bảo trì, tuy nhiên chúng lại có trọng lượng nặng và cồng kềnh, gây khó khăn cũng như thời gian cho việc lắp đặt [11]. Rào chắn làm từ bê tông cũng thường nguy hiểm hơn cho người lái xe khi xảy ra tai nạn so với các loại rào khác và không tối ưu về chi phí.
Hình 3 Rào chắn bê tông [12]
Một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế rào chắn bê tông là tải trọng va chạm của xe khi va chạm với rào chắn bê tông Các nghiên cứu chỉ ra rằng chiều cao
813 mm, chiều rộng cơ sở 600 mm và chiều rộng đỉnh 240 mm là kích thước tối ưu cho rào chắn bê tông Các kích thước này đảm bảo sự ổn định của các thanh chắn bê tông khi xe va chạm [13].
1.1.2.3 Rào chắn dạng sóng W (open guard rail hay W-beam guardrail)
Rào chắn dạng sóng W là một trong những thiết bị an toàn được sử dụng rộng rãi trên đường cao tốc, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các phương tiện lệch hướng khi đi vào vùng nguy hiểm hoặc va chạm với các phương tiện ngược chiều Đây là loại rào chắn thông dụng nhất thế giới [14].
Hình 4 Rào chắn dạng sóng W [15]
Rào chắn dạng sóng W bao gồm các trụ đỡ được nối với nhau bởi các tấm thép dài uốn cong dạng W Khả năng của rào chắn này là hấp thụ một phần năng lượng va chạm, làm giảm nguy cơ thương tích cho người ngồi trên xe và hạn chế biến dạng khi xe va chạm [16] Rào chắn dạng sóng W có thể sử dụng ở những khu vực có bán kính đường cong nhỏ, đồng thời, rào chắn có tính mở nên rất thuận tiện và hữu ích với những vùng có tuyết phủ Phần mặt rào chắn được tạo nên bởi hình W được hình thành với các góc nhọn hướng về phía trung tâm của rào chắn nên khi phát sinh lực tác động sẽ làm lõm theo hướng trọng tâm của thanh rào chắn ở phía bề mặt đồng thời tấm sắt bị chồng lên nhau nên giúp tăng cường độ cứng Hiệu quả này càng tăng cao ở đoạn đường có khúc cua có lắp đặt rào chắn theo đường vòng Đai ốc được kết nối trên tấm khung kim loại hình thang nên thuận lợi cho lúc thi công hoặc khi lắp ghép cố định rào chắn, đồng thời vì nó được kết nối ở phía trong cột trụ nên tính tạo khối cao hơn và có thể hấp thụ được lực tác động [17].
Mục tiêu luận văn
Luận văn có 2 mục tiêu chính:
- Xây dựng mô phỏng va chạm giữa các phương tiện và các loại rào chắn an toàn với góc va chạm và vận tốc khác nhau.
- Phân tích ứng xử của các loại rào chắn khi chịu va chạm của phương tiện, từ đó đưa ra các đánh giá, kết luận.
Bằng việc phân tích ứng xử các loại rào chắn an toàn khác nhau khi bị phương tiện va chạm, các công ty sản xuất, nhà thiết kế có thể cải tiến và phát triển các loại rào chắn này bằng cách xem xét các vùng biến dạng và ứng xử từng phần.
Các mô hình phân tích được đề xuất trong nghiên cứu và các số liệu sẽ là nguồn tài liệu tham khảo giúp các nhà thiết kế, công ty sản xuất và người ra quyết định đánh giá ứng xử của các loại rào chắn, từ đó rõ ràng hơn trong việc lựa chọn rào cản giao thông thích hợp cho từng đoạn đường Ngoài ra, các số liệu có thể được sử dụng để xếp hạng rủi ro cho các đoạn rào cản giao thông đang hiện hành dựa trên loại rào cản giao thông, tỷ lệ phần trăm lưu lượng xe, tốc độ phương tiện và các đặc điểm khác của đường cao tốc.
Phương pháp nghiên cứu tài liệu tập trung vào việc nghiên cứu và phân tích các thông tin kỹ thuật được công bố qua các nguồn như sách, báo và tiêu chuẩn thiết kế, nhằm xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc cho dự án Quá trình này bao gồm rà soát hệ thống các tài liệu trong và ngoài nước, đánh giá độ tin cậy và tính phù hợp của từng nguồn, sau đó tổng hợp và so sánh các dữ liệu liên quan để rút ra các kết luận có căn cứ Việc kết hợp thông tin từ nguồn nội địa và quốc tế giúp mở rộng phạm vi tham khảo, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của dự án Kết quả của phương pháp này là một cơ sở dữ liệu tài liệu có tổ chức, có thể tra cứu dễ dàng và hỗ trợ quá trình ra quyết định thiết kế một cách hiệu quả.
Phương pháp mô hình toán: Với số lượng lớn các trường hợp va chạm cần được phân tích, các thí nghiệm thực tế không phù hợp vì gây tốn kém rất lớn Vì vậy, luận văn này sẽ tiếp cận bài toán thông qua phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm chuyên dụng dùng để mô phỏng va chạm LS-DYNA - phần mềm mô phỏng vật lý đa dụng tiên tiến được phát triển bởi Công ty Cổ phần Công nghệ Phần mềm Livermore (LSTC) trước đây, được Ansys mua lại vào năm 2019
LS-DYNA là phần mềm phân tích hữu hạn động phi tuyến được sử dụng rộng rãi trong ô tô, hàng không vũ trụ, xây dựng, kỹ thuật dân dụng và quân sự để mô phỏng các vụ va chạm và sự cố Nhờ các mô hình phần tử hữu hạn phức tạp và khả năng phân tích tác động phi tuyến, LS-DYNA cho phép mô phỏng va chạm trực diện của xe cơ giới và đánh giá các yếu tố gây va chạm, từ đó cải thiện thiết kế an toàn và hiệu suất kết cấu dưới tải tác động.
Sau khi mô phỏng các trường hợp, kết quả được phân tích và đánh giá nhằm tìm ra mối liên hệ giữa ứng xử của các loại rào chắn Biểu đồ trình tự của mô phỏng mô tả chuỗi các bước từ thiết lập kịch bản, thực thi mô phỏng, thu thập dữ liệu cho tới phân tích kết quả và đánh giá ảnh hưởng của từng loại rào chắn đối với kết quả chung Các yếu tố được xem xét trong biểu đồ bao gồm thời gian đáp ứng, đặc tính của rào chắn và sự phối hợp giữa các loại rào chắn, nhờ đó cung cấp cái nhìn rõ ràng để tối ưu hóa thiết kế và vận hành.
Biểu đồ 6 Trình tự của mô phỏng
Chương này sẽ giới thiệu các lý thuyết liên quan đến luận văn như tensor, ứng suất, biến dạng, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, định luật Hooke và mô đun đàn hồi.
Tensor là một khái niệm trong toán học phục vụ cho việc thiết lập và giải quyết các vấn đề vật lý trong nhiều lĩnh vực như cơ học môi trường liên tục, lý thuyết đàn hồi, lý thuyết tương đối rộng… Nói cách khác, tensor là các đối tượng hình học có thể được sử dụng để mô tả các tính chất vật lý, miêu tả quan hệ tuyến tính giữa các đại lượng vectơ, vô hướng, và các tenxơ với nhau Những liên hệ này rất quen thuộc bao gồm tích vô hướng, tích vectơ, và ánh xạ tuyến tính Đại lượng vectơ và vô hướng theo định nghĩa cũng là tensor [26]. Đại lượng vô hướng chỉ đơn giản là một số - nó chỉ có độ lớn Một đại lượng vô hướng có thể được chỉ định là một tensor có hạng bằng không.
Trong đại số tensor, nếu mọi thành phần của một tensor ở một cấp bất kỳ biến mất trong một hệ tọa độ cụ thể, thì tensor đó là tensor bằng không và sẽ có mọi thành phần bằng không ở mọi hệ tọa độ Điều này xảy ra vì các phép biến đổi hệ tọa độ bảo toàn trạng thái của tensor: trạng thái bằng không ở một hệ tọa độ được chuyển sang bằng không ở mọi hệ tọa độ sau khi thực hiện phép biến đổi Vì vậy, việc kiểm tra các thành phần ở một hệ tọa độ duy nhất có thể giúp nhận diện tensor bằng không một cách nhất quán và có ý nghĩa với mọi hệ tọa độ.
C Ơ SỞ LÝ THUYẾT của tensor thay đổi tensor thành một tensor khác có thành phần là các hàm thuần nhất tuyến tính của các thành phần của tensor ban đầu.
Hình 9 Tensor ứng suất Cauchy, một tensor hạng hai [27]
Ví dụ Tensor ứng suất Cauchy là một tensor hạng hai Thành phần của tensor trong hệ tọa độ Descartes 3 chiều tạo thành ma trận:
= [ 21 22 23 ] 31 32 33 với các cột là những ứng suất (lực trên đơn vị diện tích) tác dụng lên các mặt 1 , 2 ,
Tensor được kí hiệu trong hệ thống đặc trưng bởi một hay nhiều chỉ số trên và dưới, ví dụ như: , , , ,…
Theo quy ước, các chỉ số bằng chữ la tinh lấy các giá trị 1,2,3 Ví dụ, nếu kí hiệu nghĩa là biểu thị 1 trong 3 phần tử 1 , 2 , 3 biểu thị 1 trong 9 phần tử 11 , 12 , 13 , 21 , 22 , 23 , 31 , 32 , 33
Hạng của tensor xác định bằng số hạng chỉ số trong kí hiệu tensor.
Ví dụ: phụ thuộc vào một chỉ số nên là hệ thống hạng 1 bao gồm 3 hạng tử. phụ thuộc vào 2 chỉ số (i,j) nên là hệ thống hạng 2 bao gồm 3 2 = 9 phần tử.
Tổng quát: hệ thống phụ thuộc n chỉ số là hệ thống hạng n gồm 3 phần tử.
2.1.3 Quy ước về chỉ số
Chỉ số trong hệ thống tensor tuân theo quy ước: “Trong một biểu thức, nếu chỉ số lặp lại 2 lần, nó biểu thị tổng đó từ 1 đến 3” Chỉ số như vậy là chỉ số câm nên nó có thể thay bằng chữ khác.
Xét hệ thống hạng hai :
Nếu thay đổi chỗ của 2 chỉ số cho nhau, các thành phần của hệ thống không thay đổi dấu giá trị thì hệ thống gọi là hệ thống đối xứng.
Nếu thay đổi vị trí của 2 chỉ số cho nhau, thành phần của hệ thống chỉ thay đổi dấu mà không thay đổi giá trị tuyệt đối thì hệ thống là hệ thống phản đối xứng.
Ví dụ hệ thống Kronecker [29]: