LUẬN văn đại học PHÂN TÍCH và SO SÁNH ỨNG xử của các LOẠI rào CHẮN AN TOÀN KHI CHỊU VA CHẠM của PHƯƠNG TIỆN

đó là các mục tiêu của luận văn và phương pháp tiếp cận mục tiêu đó.1.1 Gi i thi u t ng quan ới thiệu luận văn ệu ổng quan 1.1.1 Tình hình an toàn giao thông đ ười cam kết ng b liên quan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

-o0o -LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH ỨNG XỬ CỦA CÁC LOẠI

iii

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Bộ môn Kỹ thuật Hảng

không

NHIỆM VỤ LUẬN VÀN TÓT NGHIỆP

(Chú ý: sinh viên phài dán tờ này vào trang thứ nhất cùa bàn thuyết minh)

sl Đau đề luận văn:

Phàn tích và so sánh ứng xử của các loại rào chăn an toàn khi chịu va chạm của phương tiện Analysis and comparison tcnsion of diffcrcnt typcs of saíèty barricrs whcn vchiclc impact

barriers S

ô iệu:

-2 Nhiệm vụ:

- Xây dựng mô phỏng va chạm giữa các phương tiện và các loại rào chẳn an toàn với gócva chạm và vận tốc khác nhau.

- Phân tích ứng xử của các loại rào chăn an toàn khi chịu va chạm của phương tiện.

- So sánh ứng xừ của các loại rào chăn an toàn khi chịu va chạm cùa phương tiện.

- Đánh giá kết quả và kết luận.

-3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 13/09/2021

Nội dung và yêu cầu LVTN đã dược thông qua Bộ môn.

Ngày DD tháng MM năm YYYY

PHÀN DÀNH CHO KHOA BỌ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ):

iv

v

Tôi cam kết:

- Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện

- Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

- Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận vănnày đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vihiểu

biết của tôi

vi

vii

-L i c m n ời cam kết ảm ơn ơn

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Lý Hùng Anh, thầy đã tậntình

hướng dẫn, chỉ bảo và luôn có sự phản hồi tỉ mỉ trong thời gian nhanh nhấtnhằm

giúp tôi trong suốt thời gian qua để có thể hoàn thành luận văn này Tôi xincảm

ơn quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Hàng không - Đại học Bách khoa Tp

Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành khóa luận

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể Tuynhiên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự cảmthông và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô và toàn thể các bạn

Mai Nguyễn Hoàng Nam

viii

ix

Rào chắn an toàn là thiết bị vô cùng cần thiết ở mọi tuyến đường trên thếgiới Nhờ các loại rào chắn an toàn, số lượng ca tử vong do tai nạn giao thônggiảm rõ rệt Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu xem xét ứng xử của các loạirào chắn này khi bị phương tiện va chạm Việc nghiên cứu ứng xử của các loạirào chắn giúp đưa ra các đánh giá cần thiết nhằm cải tiến các loại rào chắnhoặc

Từ khóa: Rào chắn an toàn, rào chắn dạng cáp, rào chắn bê tông, rào chắn dạng sóng W, ứng xử.

the tension of these types of barriers when being hit by vehicles Studying thetension of barriers helps to make the necessary judgments to improve barriertypes or have appropriate uses.

In this thesis, the three most common types of barriers such as cablemedian barriers, concrete barriers and W-beam guardrail will be used Afterconducting collision simulation between vehicles with these types of barriersat

different speeds, appropriate conclusions and assessments will be made

W-beam guardrail, tension

M c l c ục lục ục lục■ ■

Lời cam kết v

Lời cảm ơn vii

Tóm tắt luận văn ix

Abstract x

Mục lục xi

Chú giải ký hiệu xiii

Ký hiệu xiii

Ký tự (GreekSymbols) xiii

Chỉ số (Subscripts) xiii

Danh mục hình ảnh xiv

Danh mục bảng biểu xvi

Danh mục biểu đồ xviii

Chu-Oìig I 19

Giới thiệu luận văn 19

1.1 Giới thiệu tổng quan 19

1.1.1 Tình hình an toàn giao thông đường bộ(liên quan đến rào chắn an toàn) 19

1.1.2 Rào chắn an toàn (safety/traffic barriers) 23

1.2 Mục tiêu luận văn 33

1.3 Ý nghĩa thực tiễn 34

1.4 Phương pháp tiếp cận 34

Chuông 2 36

Cơ sở lý thuyết 36

2.1 Tensor (ten-xơ) [25] 36

2.1.1 Hệ thống ký hiệu 37

2.1.2 Hạng của tensor 38

2.1.3 Quy ước về chỉ số 38

2.1.4 Hệ thống đối xứng [28] 38

2.1.5 Loại tensor 39

2.2 Ứng suất (Stress) [30] 39

2.2.1 Ứng suất kéo (Tensile stress) 40

2.2.2 Ứng suất nén (Compressive stress) [31] 40

2.2.3 Ứng suất cắt (Shear stress) 40

2.3 Biến dạng (Strain) [32] 41

2.3.1 Biến dạng đàn hồi 41

2.3.2 Biến dạng dẻo 41

2.4 Định luật Hooke (Hooke’s Law) [32] 41

2.5 Mô đun đàn hồi (Young’smodulus) [33] 42

2.6 Quan hệ ứng suất - biếndạng(Stress-Strain Curve) [34] 42

2.6.1 Vật liệu dễ uốn (vật liệu dẻo) 44

2.6.2 Vật liệu giòn 45

xu

-Chuông 3 46

Quy trình mô phỏng 46

3.1 Mô hình phương tiện 46

3.2 Mô hình rào chắn 48

3.2.1 Rào chắn dạng cáp (CMB) 48

3.2.2 Rào chắn bê tông 49

3.2.3 Rào chắn dạng sóng W 51

3.3 Tiến hành mô phỏng 54

Chương 4 57

Kết quả 57

4.1 Kết quả mô phỏng rào chắn dạng cáp 57

4.2 Kết quả mô phỏng rào chắn bê tông 60

4.3 Kết quả mô phỏng rào chắn dạng sóng W 63

4.4 So sánh ' 67

Chuông 5 69

Kết luận và hướng phát triển 69

5.1 Kết luận 69

5.2 Hướng phát triển 70

Tài liệu tham khảo - References 71

Danh m c hình nh ục lục ảm ơn

■

Hình 1 Chiến lược Quốc gia an toàn giao thông đường bộ giai đoạn 2021-2030

và tầm nhìn đến năm 2045 20

Hình 2 Ràochắn dạng cáp [9] 24

Hình 3 Ràochắn bê tông [12] 26

Hình 4 Ràochắn dạng sóng W [15] 27

Hình 5 Hệ thống rào chắn conlăn [19] 28

Hình 6 Cấu tạo và cách lắp đặt con lăn xoay trên rào con lăn [20] 28

Hình 7 Bản vẽ giới hạn chiều rộng làm việc W và độ võngD 32

Hình 8 Hộp CEN 33

Hình 9 Tensor ứng suất Cauchy, một tensor hạng hai [27] 37

Hình 10 Ứng suất trong vật liệu biến dạng liên tục 40

Hình 11 Biểu đồ ứng suất-biến dạng cung cấp thông tin có giá trị về lượng lực mà vật liệu có thể chịu được trước khi xảy ra biến dạng vĩnh viễn hoặc hỏng hóc 43

Hình 12 Biểu diễn chung của đường cong ứng suất-biến dạng bằng phương trình Ramberg - Osgood Độ căng tương ứng với điểm chảy là tổng của các thành phần đàn hồi và dẻo 44

Hình 13Đường cong ứng suất-biến dạng đối với vật liệu giòn so với vật liệu dẻo [36] 45

Hình 14Mô hình phần tử hữuhạn của xe Geo Metro 47

Hình 15Mô hình phần tử hữuhạn của rào chắn dạng cáp 48

Hình 16Mô hình phần tử hữuhạn của rào chắn dạng cáp 49

Hình 17 Mô hình phần tử hữu hạn của rào chắn bê tông 49

Hình 18 Mô hình phần tử hữu hạn và thực thế mối nối giữa hai khối bê tông 50

Hình 19 Sự phân bố lực trên rào chắn bê tông 50

Hình 20 Bản vẽ thực tế nguyên mẫu của mô hình rào cản [41] 51

Hình 21 Các loại hệ thống rào chắn dạng sóng mở được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu 52

Hình 22 Hình dạng sóng W của rào chắn được sử dụng 52

Hình 23 Mô hình phần tử hữu hạn của rào chắn dạng sóng W được sử dụng 53 Hình 24 Thông số vật liệu rào chắn dạng sóng W 53

Hình 25 Bu lông và các kết nối của rào chắn 54

Hình 26 Phân bố lực khi phương tiện va chạm với rào chắn 54

Hình 27 Thiết lập vị trí xe va chạm với rào chắn dạng cáp 55

Hình 28 Thiết lập mô phỏng xe va chạm với rào chắn bê tông 55

Hình 29 Thiết lập mô phỏng xe va chạm với rào chắn sóng W 56

Hình 30 Tài liệu mô phỏng liên quan xe va chạm với rào chắn dạng cáp [44] 58

Hình 31 Tài liệu mô phỏng liên quan xe va chạm với rào chắn bê tông [45] 61 Hình 32 Tài liệu mô phỏng liên quan xe va chạm với rào chắn dạng sóng W [17] 65

Danh m c b ng bi u ục lục ảm ơn ểu

Bảng 1 Mô tả thử nghiệm 11 va chạm có thể xảy ra của phương tiện theo tiêu

chuẩn EN 1317 [23] 30

Bảng 2 Mức độ ngăn chặn thông qua các bài kiểm tra 31

Bảng 3 Giới hạn chiều rộng làm việc (Levhels of normalized working width) theo EN 1317 32

Bảng 4 Mức độ nghiêm trọng của tác động 32

Bảng 5 Tham số mô hình Geo Metro so với yêu cầu EN1317 48

Bảng 6 Thuộc tính vật liệu được sử dụng trong mô hình rào chắn 51

Bảng 7 Hình cắt nhìn từ trên xuống của mô phỏng va chạm giữa xe và rào chắn dạng cáp và sau khi đã lược bỏ phương tiện 57

Bảng 8 Tổng lực tác dụng lên rào chắn dạng cáp ở 2 vận tốc khác nhau 59

Bảng 9 Tổng mô men rào chắn dạng cáp ở 2 vận tốc khác nhau 60

Bảng 10 Hình cắt nhìn từ trên xuống của mô phỏng va chạm giữa xe và rào chắn bê tông và sau khi đã lược bỏ phương tiện 61

Bảng 11 Tổnglực tác dụng lên rào chắn bê tông ở 2 vận tốc khácnhau 62

Bảng 12 Tổngmô men rào chắn bê tông ở 2 vận tốc khác nhau 63

Bảng 13 Hình cắt nhìn từ trên xuống của mô phỏng va chạm giữa xe và rào chắn sóng W và sau khi đã lược bỏ phương tiện 64

Bảng 14 Tổnglực tác dụng lên rào chắn sóng W ở 2 vận tốc khácnhau 65

Bảng 15 Tổngmô men rào chắn sóng W ở 2 vận tốc khác nhau 66

Bảng 16 Chuyển vị của ba loại rào chắn 67

Bảng 17 Mực độ ngăn chặn của rào chắn an toàn 79

Bảng 18 Mức độ ngăn chặn của rào chắn an toàn 79

đó là các mục tiêu của luận văn và phương pháp tiếp cận mục tiêu đó.

1.1 Gi i thi u t ng quan ới thiệu luận văn ệu ổng quan

1.1.1 Tình hình an toàn giao thông đ ười cam kết ng b (liên quan đ n rào ch n ộ (liên quan đến rào chắn ết ắt luận văn

an toàn)

Theo thống kê, các vụ va chạm xe cơ giới hàng năm dẫn đến hơn 37.000 trườnghợp tử vong và được xếp hạng thứ 7 trong số những nguyên nhân gây thiệt mạngtrong khoảng thời gian từ năm 2012 đến năm 2014 ở Hoa Kỳ [1] Chính vì vậy,rào chắn an toàn (rào chắn giao thông) ra đời được coi là một trong những biệnpháp đối phó hiệu quả nhằm giảm mức độ nghiêm trọng của các vụ va chạm Tuynhiên, rào chắn an toàn phải được thiết kế phù hợp để kiểm soát các phương tiệnkhi va chạm cũng như giảm lực tác động tối thiểu cho người lái và hành khách đểngăn ngừa tử vong do va chạm và thương tích nghiêm trọng Từ đó đòi hỏi việcthiết kế một rào chắn an toàn phù hợp là điểm mấu chốt trong việc giảm mức độ

Mai Nguyễn Hoàng Nam 20

VĂN

nghiêm trọng của va chạm [2]

Mai Nguyễn Hoàng Nam 21

VĂN

Ở Việt Nam, cùng với sự phát triển của kinh tế, mức sống của người dân đượcnâng cao đã thúc đẩy số lượng phương tiện cơ giới đường bộ gia tăng một cáchnhanh chóng Trong khi đó, kết cấu hạ tầng giao thông vận tải trong những nămqua đã được nhà nước đầu tư phát triển, đặc biệt là tại các tuyến quốc lộ, tỉnh lộhuyết mạch, có mật động giao người dân tham gia giao thông cao Chiến lượcquốc gia bảo đảm trật tự, an toàn giao thông đường bộ giai đoạn 2021-2030 vàtầm nhìn đến năm 2045 hướng đến mục tiêu giảm 5-10% số người chết hằngnăm,

tiến tới xây dựng một xã hội có hệ thống giao thông an toàn, thông suốt, thuậntiện, hiệu quả và thân thiện môi trường

100% tuyến

dường bộ xây dựng mới, nâng cấp cài tạo, đang khai thác được thấm tra, thẩm định ATGT

100% hệ thống

dường tình, 50-80%

hệ thống đường huyện được xây dựng, láp đặt đẩy đù các còng trình, trang thiết bị bảo đàm ATGT

100% tuyến

quốc lộ, dường tình (từ cấp III trở lên) xây dựng mới

Xóa bò

kịp thời điếm den,

điểm tiềm ân

TNGT

75% chiéu dài

mạng quốc lộ dang khai thác đạt mức độ ATGTtừ3sao trở lên*

Mai Nguyễn Hoàng Nam 22

100% chữ xe

ô tó dùng

tài khoán thu phí điện tử thanh toán

đa mục đích cho các dịch vụ

100% các tuyến cao tốc, quốc lộ được bố tri trạm cấp cứu

Có thể thấy, với sự nỗ lực hết mình của nhà nước, tình hình tai nạn giao thông ởViệt Nam đang giảm dần qua từng năm [3] Tuy nhiên, phân tích cho thấy tuyếnđường 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 toànđường bộ.

2«/o 10/0

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 tảitriển 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 đểđảm bảo tính hiệu quả

Nguyên nhâu Biểu đồ 2 Nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông [6].

Kết quả phân tích biểu đồ ở trên cho thấy, các hành vi vi phạm do người điều

khiển phương tiện đi không đúng làn đường, phần đường quy định chiếm 25,3%,

hay liên quan đến chuyển hướng không đúng quy định, vượt xe không đúng quy

định chiếm 9,7% đều là những nguyên nhân chiếm tỷ lệ cao nhất gây tai nạn Bên

cạnh việc nâng cao kỹ năng, ý thức, kiến thức pháp luật cho người tham gia giao

thông thì sự bất cập của kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ cũng là tácnhân chủ

yếu gây ra tai nạn giao thông đường bộ, trong đó có việc thiếu các thiết

bị an toàn

7000

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 chủyếu ở những khung đường thẳng, phẳng do di chuyển với tốc độ cao hơn so vớicác 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

1.1.2 Rào ch n an toàn (safety/traffic barriers) ắt luận văn

Rào chắn an toàn (lan can phòng hộ) là một hệ thống kết cấu chạy dọc theo đường,vừa có tác dụng dẫn hướng xe quay lại phần xe chạy, vừa có tác dụng giảm bớtlực va chạm nhờ khả năng biến dạng của lan can phòng hộ Hệ thống lan canphòng hộ của ô tô bao gồm hệ thống lan can phòng hộ hai bên đường và lan canphòng hộ trên giải phân cách giữa

Khi lưu lượng giao thông và tắc nghẽn tăng lên, nhu cầu về các tính năng an toànhiệu quả ở dải phân cách ngày càng cao Trên thực tế, nhiều vụ việc tai nạn liênhoàn xảy ra trên đường quốc lộ, cao tốc khi các phương tiện đang lưu thông vớivận 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 vụviệc 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 khácnhau 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 tựđộng 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 vachạm, 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 ngườilái xe [7]

Hiện nay, rào chắn an toàn của đường bộ và đường cao tốc có nhiều loại khácnhau, phổ biến nhất tại Việt Nam là rào chắn dạng cáp (cable median barriers), ràochắn bê tông (concrete barriers) và rào chắn dạng sóng W (open guard rail hay W-

beam guardrail) và một số nơi đã được lắp đặt hệ thống rào chắn an toàn kiểumới

- rào chắn con lăn (roller safety barrier)

1.1.2.1 Rào ch n d ng cáp (cable median barriers) ắt luận văn ạng cáp (cable median barriers)

Rào chắn dạng cáp là thiết bị giao thông có khả năng thích ứng lý tưởng nhằmngăn chặn các vụ va chạm giao thông và là một trong những biện pháp an toànhiệu quả được triển khai ở nhiều nơi Rào chắn dạng cáp là rào cản linh hoạt, đượclàm 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 tainạn giao thông Các trường hợp bị thương nặng do tai nạn giao thông hoặc tử vongthường xảy ra khi xe chạy ở làn đường bên trong của đường cao tốc có dải phâncách, băng qua dải phân cách và đâm vào xe đi ngược chiều Những loại va chạmnày 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 nạnthương 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 đượcbuộc trên các cột trụ và hoạt động như một tấm lưới khi có xe va vào chúng Khimột chiếc ô tô va vào rào chắn, các trụ bị gãy và dây cáp bị uốn cong, hấp thụnhiều động năng của một vụ va chạm Điều này sẽ chuyển hướng phương tiện dọctheo 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 thốngrào cản khác và chi phí sửa chữa và bảo trì dễ dàng Do có độ võng lớn, chiều rộngdải phân cách là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi lắp đặt các rào chắn dạngcáp 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 loạirào chắn khác [10]

1.1.2.2 Rào ch n bê tông (concrete barriers) ắt luận văn

Rào chắn bê tông là một loại hàng rào được làm bằng bê tông sử dụng để phâncách các làn đường giao thông, kiểm soát giao thông và bảo vệ vành đai Nó đượcthiết 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 liênkết 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 điểmcủa 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 chắnlàm từ bê tông cũng thường nguy hiểm hơn cho người lái xe khi xảy ra tai nạn sovới 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 chạmcủa 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 thanhchắn bê tông khi xe va chạm [13]

1.1.2.3 Rào ch n d ng sóng W (open guard rail hay W-beam guardrail) ắt luận văn ạng cáp (cable median barriers)

Rào chắn dạng sóng W là một trong những thiết bị an toàn được sử dụng rộng rãitrên đường cao tốc, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các phương tiện lệchhướng 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]

bề mặt đồng thời tấm sắt bị chồng lên nhau nên giúp tăng cường độ cứng Hiệuquả này càng tăng cao ở đoạn đường có khúc cua có lắp đặt rào chắn theo đườngvòng Đai ốc được kết nối trên tấm khung kim loại hình thang nên thuận lợi cholúc thi công hoặc khi lắp ghép cố định rào chắn, đồng thời vì nó được kết nối ởphía trong cột trụ nên tính tạo khối cao hơn và có thể hấp thụ được lực tác động[17].

Từ lâu những rào chắn kim loại đã ra đời nhằm ngăn không cho xe lao ra khỏi lànđường Chúng chạy dọc hai bên đường và có tác dụng làm chệch hướng, giảm lựctác động, hoặc ít nhất chặn những chiếc xe mất lái để tránh lao ra khỏi lan can

1.1.2.4 Rào ch n con lăn (roller safety barrier) ắt luận văn

Rào chắn con lăn là hệ thống lan can phòng hộ hấp thụ và chuyển một phần độngnăng va chạm thành năng lượng xoay để giảm thiểu tác động va chạm

Rào chắn con lăn là loại rào chắn an toàn mới giúp giảm lực tác động khi ô tô vachạm và bảo vệ tính mạng những người trên xe Các loại rào chắn khác có thể làmlệch hướng chiếc xe tông vào khiến nó trở lại làn đường, làm chậm phương tiệncho đến khi dừng hoàn toàn Tuy nhiên, kích thước và tốc độ của chiếc xe có thểảnh hưởng đến hiệu quả của các loại rào chắn đó Vì vậy, rào chắn con lăn đượcxem là hiệu quả với nhiều loại xe khác nhau [18]

Hình 5 Hệ thống rào chắn con lăn [19].

Rào chắn con lăn không chỉ hấp thu lực va chạm, chúng còn chuyển đổi lực vachạm thành lực xoay để đẩy xe dọc theo lan can, chứ không va chạm trực diện với

xe Khi một chiếc xe chạm vào lan can, thùng xoay chuyển lực va chạm thành lựcxoay Khung trên và dưới của lan can sẽ chắn lốp xe để ngăn hệ thống lái mất chứcnăng

Hình 6 Cấu tạo và cách lắp đặt con lăn xoay trên rào con lăn [20].

Rào chắn có các con lăn (bánh xoay) làm bằng nhựa EVA (là copolymer củaEthylene và Vinyl Acetate) với khả năng hấp thụ tốt lực va chạm, ngoài ra còn cókhung đệm ba chiều và dụng cụ đặc hỗ trợ khung Con lăn được dán tấm phảnquang giúp tài xế nhìn rõ hơn EVA linh hoạt hơn và đàn hồi tốt hơn so với cácloại nhựa polyethylene khác, đồng thời có các tính năng tương tự như cao su Trênthực tế, nó nhẹ hơn, đàn hồi hơn urethane và rất bền [21].

Con lăn được lắp kiểu đường ray và thanh chống mềm dẻo giúp hấp thụ sốc từ tainạn và khung có bề mặt mịn giúp điều chỉnh lốp xe và dẫn hướng chuyển động đểngăn chặn va chạm từ phía sau lần hai Các cấu trúc khung và đệm 3 chiều hìnhchữ D sẽ phân phối và hấp thụ lực sốc lần thứ hai

Ngày 08/12/2020, Tổng Cục trưởng Tổng cục Đường bộ Việt Nam ký ban hànhQuyết định số 6043/QĐ-TCĐBVN về việc ban hành Tiêu chuẩn cơ sở TCCS 32:2020/TCĐBVN về Lan can phòng hộ con quay - Yêu cầu kỹ thuật và thi công tạiViệt Nam

1.1.2.5 Tiêu chu n Châu Âu EN 1317 ẩn Châu Âu EN 1317

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 1317 cung cấp các tiêu chí để xác định mức độ ngăn chặnphương tiện, chuyển hướng phù hợp cho các phương tiện đi sai đường và cungcấp hướng dẫn cho người đi bộ và những người tham gia giao thông khác Ràocản an toàn thường được thiết kế theo EN 1317 sử dụng ba tiêu chí chính: ngănchặn phương tiện, mức độ nghiêm trọng của tác động và chiều rộng làm việc củarào cản [22] Bộ tiêu chuẩn EN 1317 bao gồm:

- EN 1317-1: Hệ thống phòng hộ trên đường - Tiêu chí chung về thuật ngữ

và phương pháp thử nghiệm

- EN 1317-2: Hệ thống phòng hộ trên đường - Các cấp tính năng, tiêu chíchấp nhận thử nghiệm va chạm và phương pháp thử nghiệm cho các lancan phòng hộ bao gồm rào chắn cho phương tiện

- EN 1317-5: Hệ thống phòng hộ trên đường - Yêu cầu đối với sản phẩm vàđánh giá sự phù hợp đối với hệ thống ngăn chặn xe

Đối với EN 1317-2, các mức ngăn chặn được chia thành mức ngăn chặn H1 (gồmcác thử nghiệm va chạm TB 42 và TB 11), H2 (gồm các thử nghiệm va chạm TB

51 và TB 11) hoặc mức cao hơn (H3, H4a, H4b, L1, L2, L3, L4a, L4b)

Bảng 1 Mô tả thử nghiệm 11 va chạm có thể xảy ra của phương tiện theo tiêu chuẩn EN

Tông khói lượng xe thừ

Bảng 1 trình bày các thử nghiệm va chạm giữa các phương tiện và rào cản khácnhau Trên cơ sở các tiêu chuẩn EN 1317, các rào chắn an toàn đường bộ phảiđược thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau như góc va chạm và vận tốc của

xe, thông qua việc sử dụng các phương tiện khác nhau bao gồm xe khách, xe buýt

và xe tải

Bảng 2 Mức độ ngăn chặn thông qua các bài kiểm tra

(TB32 )

(TB3 2)

Biểu đồ 5 Tóm tắt các mức độ tương phản, kiểm tra va chạm và năng lượng va chạm

Hình 7 Bản vẽ giới hạn chiều rộng làm việc W và độ võng D

Working width (W) là khoảng cách giữa mặt tiếp xúc của hệ thống rào chắn trước

va chạm và vị trí biên xa nhất mà bất kỳ bộ phận thiết yếu nào của hệ thống ràochắn đạt được sau va chạm

Bảng 3 Giới hạn chiều rộng làm việc (Levhels of normalized working width) theo EN 1317

Mức độ nghiêm trọng của tác động: Là chỉ số đánh giá mức độ thiệt hại bên trong

xe khi va chạm với hệ thống rào chắn

Với ASI là chỉ số mức độ nghiêm trọng của gia tốc, THIV là vận tốc tác động vàođầu trên lý thuyết.

Ngoài ra, EN 1317 còn xem xét đến tính chuyển hướng Đây là khả năng của hệthống rào chắn để đưa xe trở lại đường một cách có kiểm soát sau một tác độngcủa hệ thống rào chắn đó

Hình 8 Hộp CEN

Hộp CEN là hu vực mà xe không được rời khỏi quỹ đạo thoát ra sau khi tác độngvào hệ thống rào chắn Hệ thống sẽ chỉ được chứng nhận nếu quá trình kiểm trakết thúc với chiếc xe bên trong hộp CEN

Luận văn có 2 mục tiêu chính:

- Xây dựng mô phỏng va chạm giữa các phương tiện và các loại rào chắn antoàn 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

1.3 Ý nghĩa th c ti n ực tiễn ễn

Bằng việc phân tích ứng xử các loại rào chắn an toàn khác nhau khi bị phươngtiện va chạm, các công ty sản xuất, nhà thiết kế có thể cải tiến và phát triển cácloại 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 nguồntài liệu tham khảo giúp các nhà thiết kế, công ty sản xuất và người ra quyết địnhđánh giá ứng xử của các loại rào chắn, từ đó rõ ràng hơn trong việc lựa chọn ràocản 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 dựatrên loại rào cản giao thông, tỷ lệ phần trăm lưu lượng xe, tốc độ phương tiện vàcác đặc điểm khác của đường cao tốc

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ thuật liênquan được công bố qua các tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế ở trong vàngoài nước

Phương pháp mô hình toán: Với số lượng lớn các trường hợp va chạm cần đượcphân 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 phầnmềm chuyên dụng dùng để mô phỏng va chạm LS-DYNA - phần mềm mô phỏngvật lý đa dụng tiên tiến được phát triển bởi Công ty Cổ phần Công nghệ Phần mềmLivermore (LSTC) trước đây, được Ansys mua lại vào năm 2019 [24] LS-DYNAđược sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô, hàng không vũ trụ, xây dựng và kỹ thuậtdân dụng, quân sự LS-DYNA sử dụng mã phần tử hữu hạn tác động phi tuyến

để mô phỏng các vụ va chạm xe cơ giới, cho phép mô phỏng các vụ va chạm trựcdiện và phân tích các yếu tố của sự cố

Sau khi mô phỏng các trường hợp, kết quả sẽ được phân tích và đánh giá để tìm

ra mối liên hệ giữa ứng xử của các loại rào chắn Biểu đồ trình tự của mô phỏngbao gồm:

Biểu đồ 6 Trình tự của mô phỏng.

Mai Nguyễn Hoàng Nam 38

THUYẾT

Chương 2

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 quyếtcác vấn đề vật lý trong nhiều lĩnh vực như cơ học môi trường liên tục, lý thuyếtđàn hồi, lý thuyết tương đối rộng Nói cách khác, tensor là các đối tượng hìnhhọc có thể được sử dụng để mô tả các tính chất vật lý, miêu tả quan hệ tuyến tínhgiữa các đại lượng vectơ, vô hướng, và các tenxơ với nhau Những liên hệ này rấtquen thuộc bao gồm tích vô hướng, tích vectơ, và ánh xạ tuyến tính Đại lượngvectơ 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 vôhướng có thể được chỉ định là một tensor có hạng bằng không

Nếu các thành phần của tensor bất kỳ của bậc tensor bất kỳ biến mất trong một hệtọa độ cụ thể, chúng sẽ biến mất trong tất cả các hệ tọa độ Phép biến đổi các biến

Mai Nguyễn Hoàng Nam 39

THUYẾT

của tensor thay đổi tensor thành một tensor khác có thành phần là các

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:

2.1.1 H th ng ký hi u ệu ống ký hiệu ệu

Tensor được kí hiệu trong hệ thống đặc trưng bởi một hay nhiều chỉ số trên và

dưới, ví dụ như: a 1 , a iJ , Oj, aịj,

Theo quy ước, các chỉ số bằng chữ la tinh lấy các giá trị 1,2,3 Ví dụ, nếu kí hiệu

a 1 nghĩa là biểu thị 1 trong 3 phần tử ữ1, ư2, a 3

a iJ biểu thị 1 trong 9 phần tử ữ 11, ư 12, ư 13, ư 21, ư 22, ư 23, ư 31, ư 32, ư 33

Mai Nguyễn Hoàng Nam 40

THUYẾT

2.1.2 H ng c a tensor ạng cáp (cable median barriers) ủa tensor

Hạng của tensor xác định bằng số hạng chỉ số trong kí hiệu tensor

Ví dụ:

Oj phụ thuộc vào một chỉ số nên Oj là hệ thống hạng 1 bao gồm 3 hạng tử

ciịj phụ thuộc vào 2 chỉ số (i,j) nên ciịj là hệ thống hạng 2 bao gồm 32 = 9phần tử

Tổng quát: hệ thống phụ thuộc n chỉ số là hệ thống hạng n gồm 3 n phần tử

2.1.3 Quy ưới thiệu luận văn c v ch s ề chỉ số ỉ số ống ký hiệu

Chỉ số trong hệ thống tensor tuân theo quy ước: “Trong một biểu thức, nếu chỉ sốlặp lại 2 lần, nó biểu thị tổng đó từ 1 đến 3” Chỉ số như vậy là chỉ số câm nên nó

Mai Nguyễn Hoàng Nam 41

132 = e

213 = e

Các thành phần còn lại của eịj k = 0.

2.1.5 Lo i tensor ạng cáp (cable median barriers)

Loại tensor (phản biến, hiệp biến, hỗn hợp) được xác định bởi vị trí của chỉ số

Hệ thống hạng hai ciịj gọi là tenxơ hiệp biến hạng hai.

Hệ thống hạng hai a'y gọi là tenxơ phản biến hạng hai

Hệ thống hạng hai a l j gọi là tenxơ hỗn hợp hạng hai

2.2 Ứng suất (Stress) [30] ng su t (Stress) [30] ất (Stress) [30]

Ứng suất là một đại lượng vật lý biêu thị nội lực phát sinh trong vật thê biến dạng

do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ Phương trình ứng suất tổng quát: