Phương pháp đánh giá độ tin cậy của khung bê tông cốt thép thiết kế theo tiêu chuẩn việt nam

Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án này nghiên cứu một phương pháp đánh giá độ tin cây của khung bẻ tông cốt thép được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam và áp dụng phương pháp nêu ra

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

VIÊN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

Công trình được hoàn thành tại:

VIÊN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS Nguyễn Văn Phó

2 PGS.TS Trần Chủng

Phân biện 1: PGS TSKH Nguyễn Văn Hợi

Phản biện 2: PGS TSKH Nguyễn Trâm

Phản biên 3: PGS TS Vũ Mạnh Lãng

Luan án sẽ được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước,

họp tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

Có thể fìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và thư viện Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong thực tế, kết cấu xây dựng chịu sự tác động của nhiều yếu tố mang đặc trưng ngẫu nhiên như các yếu tố về tính chất cơ lý của vật liệu, hình học, tác động của môi trường và tải trọng

Tính đến những đặc trunz ngẫu nhiên đó, các phương pháp thiết kế hiện hành

đã sử dụng các hệ số thành phần (hệ số đối với tải trọng, hệ số đối với vật liệu, hệ số

điều kiện làm việc v.v ) mặc dầu vậy các công trình vẫn có thể xẩy ra sự cố do

chưa đánh giá đúng mức sự tản mát của các biến thiết kế

Vì vậy, ngày nay việc thiết kế, phân tích, đánh giá công trình theo độ tin cậy

đã trở thành yêu cầu cần thiết của nhiều quốc gia

Cho đến nay nhiều nước trên thế giới đã có tiêu chuẩn quy định thiết kế kết cấu xây dựng theo độ tin cậy như Tiêu chuẩn quốc tế ISO 3394, Tiêu chuẩn Trung

Quốc /B 50153-92; Tiêu chuẩn Nga CHull Poccuu-1994 Do diéu kién tu nhiên, trình độ khoa học công nghệ, nên những yêu cầu và quy định tính toán thiết kế theo

độ tin cậy của các nước cũng có những điểm khác nhau

“Trong những nãm gần đây ngành xây dưng dân dụng và công nghiệp nước ta

đã phát triển mạnh mẽ, nhiều công trình được xảy dựng với chất lượng cao, song cũng không ít công trình đã xẩy ra sự cố hư hỏng gây tổn thất lớn, đặc biệt ở các công trình bê tông cốt thép Khung bê tông cốt thép là một loại kết cấu chịu lực phổ biến của các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, nhiều công trình có kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực đã bị hư hỏng nghiêm trọng bởi nhiều nguyên nhân khác nhau nhưng chủ yếu là do sự biến động của các tham số thiết kế chưa lường hết được, (nhà đóng bao nhà máy Mỳ Cái Lân tỉnh Quảng Ninh nhà làm việc Ngân hàng Nhà Nước tỉnh Thái Bình, khán đài sân vận động Đồng Hới tỉnh Quảng Binh v.v ) Vì vậy thiết kế, đánh giá khung bê tông cốt thép theo độ tin cậy là phù hợp với xu hướng quốc tế và đáp ứng yêu cầu thực tế của nước ta hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Luận án này nghiên cứu một phương pháp đánh giá độ tin cây của khung bẻ tông cốt thép được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam và áp dụng phương pháp nêu

ra để đánh giá độ tin cậy một số công trình hiện hữu có kết cấu đạng khung bê tông cốt thép chịu lực

3 Những đóng góp mới của luận án

Luận án dé xuất một phương pháp đánh giá độ tin cậy của khung bê tông cốt

thép thiết kế theo Tiêu chuẩn Việt Nam, trên cơ sở độ tin cậy của cấu kiện Đã sử

dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, kết hợp với phương pháp tuyến tính hoá các hàm ngẫu nhiên để xác định độ tin cậy của các phần tử kết cấu khung và đánh giá độ tin cậy của khung mà khóng cần biết phân phối đồng thời của các tham số

4, Tính khoa học và thực tiễn

Đây là phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê toán học và

phương pháp tuyến tính hoá kết hợp với chương trình tính khung theo phương pháp PTHH để tính kỳ vọng và phương sai nội lực Tác giả đã thiết lập các chương trình

tính phương sai và độ lệch chuẩn của các biến thiết kế dựa vào các tài liệu, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện hành, vì vậy cơ sở khoa học của phương

pháp bảo đảm được tính chặt chế và đúng đán Phương pháp để xuất trong luận án

có thể đánh giá độ tin cậy của một bản thiết kế, đánh giá độ tin cậy của kết cấu hiện

hữu (đối với kết cấu khung) và đánh giá ảnh hường của các hệ số trong tiêu chuẩn

thiết kế đến độ tin cậy của khung

5 Bố cục của luận án

Luận án được trình bày trong 5 chương với tổng số 126 trang, 19 bảng biển

và 25 hình vẽ, đồ thị Phần phụ lục có 111 trang gồm 9 chương trình lập cho máy tính, kết quả tính toán của hai khung bé tông cốt thép và bảng hàm phân bố chuẩn

Chương I1 Tổng quan vẻ lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình, mục

đích và phạm vi nghiên cứu của luận án

Chương 2 Phương pháp tính độ tin cậy của cấu kiện bê tông cốt thép

Chương 3 Độ tin cậy của hệ nhiều phần tử và phương pháp đánh giá độ tin

cậy của khung bê tông cốt thép

Chương 4 Ảnh hướng của các tham số đến độ tin cậy của cấu kiện và khung

bê tông cốt thép

Chương 5 Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào một số vấn đề soát xét, cải tiến

tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá chất lượng công trình xây dựng

Chương I TONG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CÔNG TRINH,

MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1.1.Tổng quan vẻ lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng trong tính toán kết cấu công trình

Ngày nay, tính toán và thiết kế kết cấu công trình theo độ tin cậy đã được quy

định trong tiêu chuẩn của nhiều quốc gia ở các mức khác nhau

Lý thuyết độ tin cậy được ứng dụng trước tiên trong kỹ thuật điện tử (radio),

kỹ thuật tính toán (máy tính) chế tạo máy và kỹ thuật tên lửa v.v Trong một thời

gian dai, người ta chỉ tính được độ tin cậy của các hệ đơn giản, có thể sơ đồ hoá

thành các hệ điện (nối tiếp, song song, hỗn hợp) Do đó, trong thời kỳ này nhiều công trình nghiên cứu đã dành cho việc sơ đồ hoá hệ thống phức tạp Đối với công

trình xây dựng nói chung, khó có thể sơ đồ hoá thành các hệ điện, vì mối liên hệ

giữa các yếu tố là các phương trình vi phan hay trong dạng gần đúng (phương pháp PTHH) là hệ các phương trình đại số Chính vì vậy các phương pháp xác suất trong xây dựng nói chung và lý thuyết độ tin cậy của công trình nói riêng được phát triển 'theo một hướng khác, (thường là tìm cách đánh giá, nghĩa là tìm khoảng tin cậy) Những công trình đầu tiên về độ tin cậy trong cơ học kết cấu đã được công bố boi Mayer M và Xoeumanoe HẰœ trong khoảng thời gian 1926 - 1929, trong dé quan niệm về độ tin cậy được thể hiện ở dạng ứng suất cho phép và hệ số an toàn Ứng dụng các phương pháp thống kê vào cơ học kết cấu đã được bắt đầu từ năm l935 bởi Cnperenkwx H.C tác giả đã trình bày một cách có hệ thống quan niệm thiết kế công trình theo độ tin cậy Tuy không ở đạng tường minh, song quan niệm thống kê đã được phản ánh trong phương pháp luận của tính toán theo trạng thái giới hạn

Những năm sau đó, việc nghiên cứu được tiếp tục phát triển tại Liên Xô (trước đây) và các nước phương Tây Điển hình là các công trình của A.P.PwaHnrtun và Freudenthal A.M

Những công trình đặt nền móng cho lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình

thuộc về nhà cơ học Xé Viết viện sỹ B.B.Bonorun trong đó ông đã phát biểu bài

toán độ tin cậy của công trình đưới đạng tổng quát và ứng dụng vào một loạt bài

toán quan trọng

Song song với các nhà khoa học Xô Viết, các tác giả phương Tây cũng đã cho

ra đời nhiều công trình quan trọng như G.Augusti, Palle Thofl - Christensen,

O.Ditlevsen Các tác giả này đã để ra phương pháp tính toán và ứng dụng vào nhiều

bài toán thực tế

Như đã trình bày ở trên, các quan niệm tính theo ứng suất cho phép hay tính

theo trạng thái giới hạn đều mang ý tưởng của lý thuyết độ tỉn cậy, song ở đưới dang

ẩn và còn chứa một số nhược điểm Trong quá trình cải tiến các tiêu chuẩn thiết kế,

người ta đã lấy lý thuyết độ tin cậy làm nên tảng Các nhà bác học Xô Viết có công lớn trong lĩnh vực này phải kế đến A.P.Pxanmuian, B.B.Bonorrn B Pañ3eP,

v.v Các nhà cơ học phương Tây có Pall Thoft-Christensen, O.Ditlevsen, Nhật bản

có Murotsu Y, Okada H v.v

Tổ chức quốc tế về an toàn kết cấu đã phân loại theo ba mức để áp dụng lý

thuyết độ tin cay:

đánh giá độ tin cậy đối với một số dang kết cấu, ví dụ như công trình bến cảng, hệ kết cấu siêu tĩnh v.v

Những nghiên cứu về lÿ thuyết độ tin cậy của công trình ở Việt Nam

Lý thuyết độ tin cậy nói chung và độ tin cậy công trình nói riêng đi vào Việt Nam từ những năm 60 Chẳng hạn cuốn sách"Những phương pháp toán học trong lý thuyết độ tin cậy "của B.V.Gnedenko, IU.K Beliaev, A.D Xoloviev, được địch ra

tiếng Việt

Một số sách về độ tin cây được xuất bản bằng tiếng Việt như " Cơ sở đánh giá

độ tin cậy "của Phan Văn Khôi v.v Đồng thời nhiều cán bộ có trình độ đại học và trên đại học được đào tạo ở Liên Xô và các nước Đông Âu đã từng tham gia nghiên

cứu vớt các chuyên gia nước ngoài và đã công bố các công trình nghiên cứu vẻ độ

tin cậy hoặc liên quan trực tiếp đến độ tin cậy

Cùng với quá trình đó, một số cơ quan trong nước đã tổ chức dưới dạng hội thảo hay chuyên để để truyền bá và nghiên cứa lý thuyết độ tin cay các công trình

xây dựng (Đại học Xây dựng, Viện Cơ học, Hội Cơ học v.v )

Trong những năm gần đây, lý thuyết độ tin cậy và tuổi thọ công trình được

giảng dạy tại các lớp đào tạo thạc sĩ, (Đại học Xây dựng, Đại học Bách khoa, Đại học Kiến trúc v.v ) Một số thạc sĩ, tiến sĩ được đào tạo ở trong và ngoài nước về độ tin cay

1.2 Độ tin cây của kết cấu xây dựng

Độ tín cây của kết cấu là xác suất hoàn thành các công năng yêu cầu của kết

cấu trong một thời gian quy ước dưới những điều kiện quy định Có thể nói một cách

khác, độ tin cậy của kết cấu là một khái niệm bao quát về tính an toàn, tính thích

dụng và tính bền lâu của kết cẩu

Dưới ảnh hưởng của các loại yếu tố khác nhau, năng lực hoàn thành các

công năng đã dự định của kết cấu là không thể xác định chắc chắn trước được, chỉ

có thể thể hiện bằng xác suất Định nghĩa độ tin cậy theo xác suất là một định nghĩa khoa học, xuất phát từ quan điểm thống kê, nó khác với các định nghĩa xuất phát từ

quan điểm tiền định (coi độ an toàn của kết cấu là dự trữ an toàn)

Hiện nay trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu xây dựng đang sử dụng phương pháp trạng thái giới hạn là phương pháp bán xác suất, độ tin cậy của kết cấu thiết kế theo phương pháp này được bảo đảm thông qua các hệ số thành phần: hệ số

độ tín cậy của tải trọng, của vật liệu, hệ số điều kiện làm việc, hệ số về tầm quan trọng của công trình Các hệ số này chưa phản ánh một cách đẩy đủ và chính xác tính biến động của các tham số trong thiết kế, thi còng và khai thác sử dụng

Sử dụng lý thuyết đệ tin cậy sẽ phản ánh một cách đầy đủ hơn tính chất ngẫu nhiên của các thông số tính toán và mối liên hệ giữa các yếu tố tác động bên ngoài

và độ bền của kết cấu

Tuy Việt Nam chưa quy định thiết kế còng trình theo chỉ tiêu tin cậy, song các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình xây dựng được tính theo trạng thái giới hạn, đó

là thuận lợi cho việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào tính toản công trình

1.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của luận án

1.3.1 Luận án này nghiên cứu một phương phấp đánh giá độ tin cậy của khung bê

tông cốt thép được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5574-1991) và áp

dụng phương pháp được nêu ra để đánh giá độ tin cậy một số công trình có kết cấu đạng khung bê tông cốt thép hiện có tại Việt Nam

Các tham số về tải trọng, tính chất cơ lý của vật liệu, kích thước hình học được

xem là độc lập và có phân bố chuẩn (nếu không chuẩn thì dùng phép biến đổi để đưa

về chuẩn)

1.3.2 Đề xuất phương pháp và lập các chương trình tương ứng để tính độ tin cậy của các cấu kiện bê tông cốt thép được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam (các chương trình được lập cho các cấu kiện bê tông cốt thép có tiết điện hình chữ nhật)

1.3.3 Sử dụng phương pháp đã nêu trên để đánh giá độ tin cậy của khung bê tông cốt thép một số công trình đang sử dụng Số liệu dùng trong tính toán đánh giá là

các số liệu được đo đạc, khảo sát, thí nghiệm tại công trình

1.3.4 Nghiên cứu khảo sát mức độ ảnh hưởng của các tham số thiết kế đến độ tin cậy của kết cấu, từ đó giúp người thiết kế lựa chọn được phương án thiết kế mới hoặc thiết kế sửa chữa một cách hợp lý, bảo đảm các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế Với cách tiệm cận bằng lý thuyết độ tin cậy, khi có đủ số liệu thống kê ta có thể sửa

đổi hoặc bổ sung một số hệ số cũng như yêu cầu về thiết kế theo độ tin cậy vào các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH BO TIN CAY CUA CAU KIEN

BE TONG COT THEP

2.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ tìn cậy của kết cấu xây dựng

Mối quan hệ giữa độ tin cậy với các yếu tố ảnh hưởng tới nó được thể hiện

bằng biểu thức:

P,= 6 (P., Pi, Po Tu)

trong đó: P, - độ tia cậy của cấu kiện (hoặc kết cấu)

P, - độ tin cậy của cấu kiện theo thiết kế, phụ thuộc vào phương pháp tính toán, giải pháp kết cấu, cấu tạo, tiêu chuẩn áp dụng

P, - độ tin cậy của cấu kiện theo công nghệ, phụ thuộc vào sự hoàn thiên của

công nghệ sản xuất, thí công

P, - độ tin cậy của cấu kiện trong sử dụng phụ thuộc vào môi trường tác động

và chế độ sử dụng

Tụ - thời gian khai thác sử dụng (thời gian phục vụ)

Trong các trường hợp cụ thể có thể xem xét đánh giá độ tin cây của cấu kiện

hoặc kết cấu với một số yếu tố ngẫu nhiên mà người thiết kế hoặc sử dụng quan tâm

2.2, Đánh giá độ tín cậy của cấu kiện

2.2.1 Trường hợp chung

Xác suất mà ứng suất trong cấu kiện lớn hơn ứng suất tính toán nhân với hệ

số an toàn khi kể đến biến động của ứng suất thực được xác định theo công thức:

P(o + Ao,, > mo, silg ím-Dø,

2 2 S fotdey) trong đó:

g-ứng suất thực trong cấu kiện: Aơ,„-biến động ứng suất thực so với kỳ vọng của nó; ơ„- ứng suất tính toán; m- hệ số an toàn; Sicency i7 độ lệch chuẩn của ứng

Tyeaae) “Ty OT = dx, + ax, ig + Bax,

Theo các công thức trên khi xác định được các phương sai thành phần ta sẽ tính được độ tin cây Dưới đây là tóm lược các công thức tính phương sai các loại cấu kiện phổ biến của khung bê tông cốt thép

2.2.2.1 Cấu kiện bà tông cối tháp chịu uốn đặt cốt don

3ơ đồ ứng suất của tiết diện chữ nhật đặt cốt đơn được thể hiện trên hình 2.1

3.2.2.2 Cấu kiện bẻ lông cốt thép chịu uốn đặt cốt kép

Các công thức cơ bản của cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn có tiết điện chữ nhật đặt cốt kép là:

đó R, , F, là cường độ và điện tích cốt thép chịu nén

Từ đây ta tinh duoc phuong sai cha momen M,,:

Siu, =Su) + Gn) +B, P +6 P Gal + Gy +6, F +6)

3.2.2.3 Cấu kiện bé tông cốt thép chịu nén trung lám

Khi tính theo trạng thái giới hạn có kể đến ảnh hưởng của uốn đọc, ta có công thức

cơ bản sau: N <N„-> N<o{R„F, +RjF, ); ở đầy: N - lực đọc do tải trọng gây ra, ata Nự- lực đọc giới hạn mà tiết điện có thé chịu được, @ - hé 36 ảnh hưởng của uốn dọc

độ lệch tam, a - chiều day lớp bê tông bảo vệ

Phuong sai cla Ny sé Ha: Siy, = Sy +S) +S +82 482 +82 +80

3.2.2.5 Cấu kiện bê tông cốt thép chịu kéo trung lâm

Điều kiện cường độ được viết như sau:

N<N,—> N<R/F„

10

trong đó: N - lực kéo tác dụng theo trục của cấu kiện đo ngoại lực

Nụ - nội lực giới hạn mà tiết điện có thể chịu được

R¿ - cường độ của cốt thép; F„ - tổng điện tích cốt thép đọc chịu lực

3.3.2.6 Cấu kiện bê tông cối thép chịu kéo lệch tâm

a Trường hợp lệch tâm bé

Độ lệch tâm của lực dọc ea được xác định bing ey = M/N, Lậch tâm bé xẩy

ra khi eạ < 0,5h - a

Điều kiện về cường độ là:

Ne=R,F (hạ-a); e=0,5h-ep-a; Ne= R,F,(ho-a') ; el=0,5h+ep-a

Các kết quả đạt được đã trình bày trong chương 2 là:

Vận dụng lý thuyết xác suất thống kê và phương pháp tuyến tính hoá các đặc

trưng ngẫu nhiên để nêu ra cách tính độ tin cậy của cấu kiện bê tông cốt thép được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam

Với phương pháp nêu ra, tác giả đã thiết lập các công thức tính phương sai và

độ lệch chuẩn của các tham số đối với các cấu kiện cơ bản có tiết điện chữ nhật và

độ tin cậy tương ứng của:

- Cấu kiện bè tông cốt thép chin uốn đặt cốt đơn

- Cấu kiện bè tông cốt thép chịu uốn đặt cốt kép

- Cấu kiện bề tông cốt thép chịu nén trung tâm

- Câu kiện bẻ tông cốt thép chịu nén lệch tâm

- Cấu kiện bê tông cốt thép chịu kéo trung tâm