Nghiên cứu thiết kế tối ưu hình học kết cấu dải phân cách giữa bê tông cốt thép khi tác động va chạm với phương tiện giao thông trên đường cao tốc việt nam

Do đó, trong phạm vi luận văn này tác giả đề cập đến chi tiết tương đối quan trọng với công tác nâng cao an toàn trên đường cao tốc là phân tích các diễn biến có thể xảy ra sau khi có va

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRẦN ĐĂNG HUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU HÌNH HỌC KẾT CẤU DẢI PHÂN CÁCH GIỮA BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI TÁC ĐỘNG VA CHẠM VỚI PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TRÊN ĐƯỜNG

CAO TỐC VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRẦN ĐĂNG HUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU HÌNH HỌC KẾT CẤU DẢI PHÂN CÁCH GIỮA BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI TÁC ĐỘNG VA CHẠM VỚI PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TRÊN ĐƯỜNG

CAO TỐC VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

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

Tác giả luận văn

Trần Đăng Huy

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ LAN CAN PHÒNG HỘ TRÊN ĐƯỜNG 4

1.1 Mục đích bố trí lan can phòng hộ 4

1.2 Các vấn đề tồn tại trong các tiêu chuẩn Việt Nam 5

1.3 Một số quy định về lựa chọn lan can phòng hộ của các nước trên thế giới 7

1.4 Giới thiệu loại hình lan can phòng hộ bố trí trên đường cao tốc 10

1.4.1 Lan can phòng hộ cáp 10

1.4.2 Lan can phòng hộ thép hình 11

1.4.3 Lan can phòng hộ dạng con lăn 12

1.4.4 Lan can phòng hộ cứng - Tường phòng hộ bê tông cốt thép (BTCT) 13

1.5 Tai nạn giao thông liên quan đến lan can phòng hộ 15

1.5.1 Va chạm lan can phòng hộ bố trí trên lề 15

1.5.2 Va chạm lan can phòng hộ bố trí trên dải giữa 17

1.6 Nhận xét 19

1.7 Kết luận Chương 1 19

1.7.1 Các vấn đề đã được giải quyết trong Chương 1 19

1.7.2 Vấn đề cần giải quyết ở Chương 2 19

CHƯƠNG 2 - LÝ THUYẾT VA CHẠM VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG XE KHÁCH VA CHẠM VỚI DẢI PHÂN CÁCH 21

2.1 Lý thuyết về phần tử hữu hạn ứng dụng cho bài toán mô phỏng va chạm 21

2.1.1 Tổng quát về Abaqus 21

2.1.2 Abaqus/Explicit 22

2.1.3 Sự khác biệt cơ bản giữa phương pháp giải ẩn và hiện 23

2.1.4 Sự ổn định và tăng dần tự động theo thời gian 23

2.1.5 Cân bằng năng lượng 26

2.2 Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng xe khách va chạm với dải phân cách bằng phần mềm Abaqus CAE của hãng Dassault Systèmes: 26

2.2.1 Giới thiệu chung 26

2.2.2 Kỹ thuật mô phỏng bài toán 28

2.3 Tính chính xác của bài toán phân tích 51

2.4 Kết luận Chương 2 52

2.4.1 Các vấn đề đã được giải quyết trong Chương 2 52

2.4.2 Vấn đề cần giải quyết ở Chương 3 52

CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HÌNH HỌC TỐI ƯU ĐỐI VỚI KẾT CẤU DẢI PHÂN CÁCH ÁP DỤNG CHO CÁC TUYẾN ĐƯỜNG CAO TỐC Ở VIỆT NAM 53

3.1 Đối tượng khảo sát 53

3.2 Thiết lập các điều kiện thay đổi để mô phỏng và thu kết quả để khảo sát 55

3.2.1 Sơ đồ thuật toán sử dụng để thực hiện luận văn 55

3.2.2 Ma trận thay đổi điều kiện đầu vào bài toán mô phỏng và thu kết quả để khảo sát 56

3.3 Tính đúng đắn của kết quả mô phỏng số thu được so với kết quả tính lý thuyết 57

3.4 Khảo sát mô hình, đề xuất tham số hình học tối ưu cho dải phân cách giữa bê tông cốt thép 58

3.4.1 Khảo sát góc α 62

3.4.2 Khảo sát góc  65

3.5 Đánh giá kết quả đạt được với các hình thái dải phân cách giữa bê tông cốt thép đang áp dụng 67

3.6 Kết luận Chương 3 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

TIỆN GIAO THÔNG TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC VIỆT NAM

Học viên: Trần Đăng Huy Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 60.58.0205, Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Những năm gần đây, Việt Nam đã và đang phát triển mạnh mẽ hệ thống đường cao

tốc xuyên Quốc gia nhằm rút ngắn khoảng cách hành trình và tăng tốc độ xe chạy trên tuyến Song song với nhiều tiêu chí thiết kế khác, một tiêu chí quan trọng cần đạt được là thiết kế tối ưu về mức độ

an toàn khi lưu thông trên các tuyến đường có tốc độ cao này cho các phương tiện vận tải hiện có ở Việt Nam cần được xem xét thấu đáo Do đó, trong phạm vi luận văn này tác giả đề cập đến chi tiết tương đối quan trọng với công tác nâng cao an toàn trên đường cao tốc là phân tích các diễn biến có thể xảy ra sau khi có va chạm giữa các phương tiện lưu thông trên đường với dải phân cách giữa bê tông cốt thép

Bằng việc khảo sát và mô phỏng các mô hình dải phân cách giữa khác nhau và mô hình xe khách chuyên chở số lượng lớn người, tác giả sẽ xây dựng mô hình va chạm động, phân tích mối liên

hệ giữa hai chủ thể trên, thông qua đó điều chỉnh thiết kế hình học dải phân cách giữa nhằm giảm thiểu thiệt hại gây ra do sự va chạm giữa xe và dải phân cách giữa

Dựa trên cơ sở từ kết quả phân tích đó sẽ đi đến tổng hợp, lựa chọn các thông số thiết kế về kích thước hình học tiết diện tối ưu, theo hướng đảm bảo an toàn nhất cho người và phương tiện, kết quả đề tài nghiên cứu có thể được dùng làm thông số lựa chọn ban đầu cho các nhà thiết kế trong nước sử dụng cho các dự án sắp tới triển khai

Từ khóa – Tính toán cơ học, tối ưu hình học, phần tử hữu hạn FEM, va chạm dải phân cách

giữa, phân tích động, cao tốc

STUDY ON THE OPTIMAL GEOMETRY DESIGN OF REINFORCED CONCRETE MEDIAN BARRIER CENTER IN CONSIDERATION OF DYNAMIC COLLISION WITH VEHICLE ON VIETNAM EXPRESSWAY

SYSTEM

Abstract – In recent years, Vietnam has been strongly developing the transnational expressway

system to shorten the distance and speed up the vehicle on the route In parallel with the design’s other goals, an important target is to achieve the optimal design of the safety level of traffic on these high- speed roads for existing vehicles in Vietnam which needs to be considered thoroughly Therefore, within the scope of this theosis, the theosis mentioned the relatively important details for improving the safety on the expressway is the analysis of possibility after having collision with on-road traffic vehicles and concrete median barrier

By investigating and simulating the series of median barriers and bus vehicle, the writer will build a model of dynamic collision, analysing the behaviour of two above subjects, adjusting the geometry design of median barrier to minimize damage induced by the interaction between vehicles and barries

Based on the results of the analysis, the design parameters of geometry of cross section in the direction of ensuring the most secure for people and means corresponding to the current traffic in Vietnam are recommended in the initial design stage for upcoming expressway projects

Key words – Computational mechanics, geometry optimization, finite element, median barrier

crash, dynamyc analysics, expressway project

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BGTVT Bộ giao thông vận tải

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn

Is Mức độ nghiêm trọng của va chạm (Impact Severity) MCN Mặt cắt ngang

QL1A Đường Quốc lộ 1A

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Số hiệu

1.1 Chiều rộng tiêu chuẩn các yếu tố mặt cắt ngang trên đường cao

1.2 Phân cấp lan can phòng hộ theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn

Mỹ NCHRP 350 và Roadside Design Guide 4th Edition) 7

1.3 Phân cấp lan can phòng hộ đường cao tốc theo năng lượng va

2.1 Bảng so sánh một số thông số giữa xe mô phỏng và xe thực tế 28

3.1 Năng lượng va chạm thu được sau khi mô phỏng thay đổi các

58

3.4

Độ sai lệch giữa kết quả khảo sát năng lượng va chạm trung bình từng cấp vận tốc và kết quả tính theo công thức lý thuyết khi khảo sát góc 

58

3.5 Diễn biến va chạm điển hình theo thời gian 59 3.6 Năng lượng va chạm thu được khi thay đổi góc α 62 3.7 Năng lượng thu được khi thay đổi góc  65 3.8 Các kích thước hình học tối ưu 69

1.9 Tường phòng hộ BTCT bố trí ở phần dải an toàn 13 1.10 Lan can phòng hộ BTCT lắp ghép, bố trí ở phần dải giữa 14 1.11 Lan can phòng hộ BTCT đổ tại chỗ, bố trí ở phần dải giữa 14 1.12 Một số loại tường phòng hộ BTCT lề đất loại vát và loại một đỉnh

1.13 Một số cấu tạo móng tường phòng hộ BTCT lề đất và trên đỉnh 15 1.14 Một số loại lan can phòng hộ BTCT dải phân cách giữa (loại toàn

1.15 Xe con va chạm với hộ lan bằng cáp mềm, thiệt hại không đáng kể 16 1.16 Xe con đâm xuyên hộ lan tôn lượn sóng làm 01 người tử vong trên

đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai 16 1.17 Xe tải đâm qua tôn lượn sóng và bị lật trên đường cao tốc Nội Bài –

1.18 Xe khách đâm hỏng tôn lượn sóng dạng W 02 lớp làm 03 người tử

vong trên đèo Lò Xo vào ngày 16/6/2018 17 1.19 Xe con đâm vào dải phân cách rồi lật ngửa trên QL1A 17 1.20 Xe khách đâm hỏng và leo lên dải phân cách trên QL1A (vụ tai nạn

xảy ra tại Diễn Châu – Nghệ An) 18 1.21

Xe khách nổ lốp, đâm hỏng dải phân cách và vượt qua làn đối diện

trên QL1A (vụ tai nạn làm 02 người tử vong tại Nghi Xuân – Hà

hiện

2.2 Logo khởi động phần mềm Abaqus CAE 27 2.3 Sơ đồ khối tổng quát để thực hiện bài toán phân tích va chạm 27 2.4 Mẫu xe Bus Hyundai Aero City Express D6HA30 29 2.5 Các kích thước hình học cơ bản 29 2.6 Phần mềm Ansa Version 13.1.2 30 2.7 Input file mô hình 3D vào phần mềm Ansa 30 2.8 Input file mô hình 3D vào phần mềm Ansa 31 2.9 Hoàn thiện việc chia lưới phần tử 31 2.10 Xuất file sang phần mềm mô phỏng Abaqus 32 2.11 Import mô hình xe vào Abaqus 32 2.12 Kết quả Import mô hình xe 3D vào Abaqus 33 2.13 Hình ảnh dải phân cách giữa bê tông cốt thép trên cao tốc 33 2.14 Hình ảnh dải phân cách giữa đang áp dụng trên tuyến cao tốc Đà

2.15 Tạo Part mới và dùng thanh công cụ để vẽ dải phân cách giữa 34 2.16 Mặt cắt ngang dải phân cách giữa 35 2.17 Chọn kéo dài mặt cắt để tạo mô hình dải phân cách 3D 35 2.18 Mô hình dải phân cách 3D đã được vẽ xong 35 2.19 Bảng khai báo thuộc tính vật liệu, mặt cắt và gán vật liệu cho mặt

2.20 Khai báo khối lượng riêng và tính chất đàn hồi của bê tông 36 2.21 Quan hệ stress – strain của bê tông khi nén và khi uốn 37 2.22 Quan hệ stress – strain của bê tông khi nén và khi uốn mô phỏng

dạng mặt cắt này là bê tông như đã khai báo 40

2.29 Khai báo thuộc tính mặt cắt cho thép khung xe, gán vật liệu cho

dạng mặt cắt này là thép như đã khai báo 41 2.30 Khai báo thuộc tính mặt cắt cho bánh xe, gán vật liệu cho dạng mặt 41

Số hiệu

cắt này là cao su như đã khai báo

2.31 Gán cấu thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện dải phân cách giữa 42 2.32 Lắp ghép các cấu kiện xe và dải phân cách 42 2.33 Kết quả sau khi lắp ghép cấu kiện (góc va chạm 25 độ) 43 2.34 Các công cụ thiết lập các bước phân tích 43 2.35 Chọn loại phân tích là Dynamic, Explicit 44

2.38 Thiết lập điều kiện ràng buộc, nếu chưa có thuộc tính của điều kiện

ràng buộc thì nhấp vào biểu tượng Create Interaction Property 45 2.39 Chọn dạng thuộc tính là ứng xử bình thường 46

2.41 Khai báo khối lượng quán tính đặt lên điểm tại khung xe (bù phần

khối lượng thiếu của xe khi đưa vào mô hình) 47

2.46 Lựa chọn thiết lập điều kiện biên theo các phương 49

2.48 Chọn toàn bộ xe và khai báo vận tốc xe di chuyển 50 2.49 Tạo Job và submit Job để phần mềm phân tích 50 2.50 Phần mềm đang phân tích bài toán 51 2.51 Kết quả phân tích thể hiện ở dạng ứng suất 51 3.1 Cấu tạo của dải phân cách đưa vào khảo sát 53 3.2 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi năng lượng va chạm theo góc va chạm 54 3.3 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi động năng theo thời gian ở các góc va

3.4 Sơ đồ thuật toán áp dụng cho bài toán mô phỏng 55 3.5 Quan hệ giữa góc α và năng lượng va chạm theo vận tốc va chạm 62 3.6 Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát

3.9 Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát

3.10 Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát

3.11 Quan hệ giữa góc  và năng lượng va chạm theo vận tốc va chạm 65

3.12 Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc , vận tốc khảo sát

3.15 Thiết kế dải phân cách đề xuất áp dụng vào thiết kế (i) và thi công

đường cao tốc, đường có tốc độ thiết kế cao(ii) 67 3.16 Dải phân cách áp dụng trên đường cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ở

bước TKKT và bước BVTC sau khi điều chỉnh MCN nền đường 68

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quy hoạch phát triển mạng đường bộ cao tốc Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo quyết định số 326/QĐ-TTg ngày 01/03/2016, theo đó, mạng đường bộ cao tốc Việt Nam sẽ bao gồm 21 tuyến với tổng chiều dài 6,411Km trải dài từ Bắc đến Nam Tuy nhiên đến nay một phần nhỏ trong số các tuyến đường cao tốc nói trên mới được đưa vào khai thác sử dụng, khối lượng công việc còn phải triển khai đầu tư xây dựng theo quy hoạch còn rất lớn

Trong quá trình triển khai thiết kế, đối với các dự án cao tốc thì tiêu chí thiết kế

an toàn là vô cùng quan trọng, do với vận tốc xe di chuyển cao, trong trường hợp xảy

ra tai nạn thì rủi ro xảy ra mức độ thiệt hại nghiêm trọng là rất lớn Một trong những tình huống tai nạn có thể kiểm soát và giảm thiểu mức độ thiệt hại là tai nạn xảy ra khi xe va chạm với lan can phòng hộ, thực trạng hiện nay, một số tuyến đường cao tốc mới hoàn thành và đưa vào khai thác sử dụng như Đà Nẵng – Quảng Ngãi, Nội Bài – Lào Cai; Tp Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây, Pháp Vân – Cầu Giẽ - Ninh Bình, Tp Hồ Chí Minh – Trung Lương đã xuất hiện các vụ tai nạn giao thông liên quan đến va chạm giữa xe và lan can phòng hộ, đã có nhiều trường hợp xe vượt qua cả lan can phòng hộ, vượt khỏi dải đất dành cho đường, lật xe khi xảy ra va chạm Điều này cho thấy thiết kế an toàn cho lan can phòng hộ có thể chưa đảm bảo được tiêu chí an toàn

Lan can phòng hộ có vai trò hết sức quan trọng trong thiết kế an toàn đường cao tốc, mục đích bố trí hệ thống này nhằm: dẫn hướng, giúp lái xe nhận biết được khoảng

an toàn, tạo tâm lý tự tin cho lái xe khi điều khiển phương tiện; trong trường hợp có tai nạn sẽ đóng vai trò hạn chế thiệt hại khi va chạm, giảm thiểu thiệt hại tối đa cho người

và phương tiện tham gia giao thông; có thể dễ dàng kết hợp với các giải pháp khác như lắp đặt các thiết bị cảnh báo, dễ dàng gia cường tại các vị trí nguy hiểm; trong một mục đích khác, các công trình này còn nhằm ngăn cách, bảo vệ công trình bên trong để hạn chế các tác nhân bên ngoài ảnh hưởng đến điều kiện xe chạy

Như đã phân tích ở trên, có thể thấy tiêu chí quan trọng là cần phải xem xét hết sức kỹ lưỡng là tìm giải pháp để tối ưu hóa thiết kế của hệ thống an toàn giao thông với tốc độ xe chạy cao phù hợp trên đường cao tốc Do đó, trong phạm vi của nghiên cứu này, sẽ đề cập đến các chi tiết tương đối quan trọng để nâng cao tính an toàn trên đường cao tốc là phân tích khả năng xảy ra sau khi va chạm giữa phương tiện giao thông trên đường và một trường hợp lan can phòng hộ trên đường cao tốc là dải phân cách giữa bê tông cốt thép

Bằng việc điều tra và mô phỏng hình dạng, cấu tạo dải phân cách giữa đang được

áp dụng, cũng như tiến hành lựa chọn, xây dựng mô hình va chạm động, phân tích ứng

xử của hai đối tượng là xe khách và dải phân cách giữa, qua đó tiến hành điều chỉnh thiết kế hình học để tối ưu cho thiết kế hình học kết cấu dải phân cách giữa nhằm giảm thiểu thiệt hại gây ra bởi sự tương tác giữa xe và dải phân cách bê tông, qua đó đưa ra khuyến cáo trong giai đoạn thiết kế ban đầu cho các dự án đường cao tốc sẽ triển khai trong tương lai

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát

Nắm được cở sở lý thuyết tính toán cho bài toán va chạm động trong thực tế Đánh giá được ứng xử sau va chạm của phương tiện tham gia giao thông và dải phân cách giữa bê tông trên đường cao tốc

Đặt ra hướng nghiên cứu ứng dụng là điều chỉnh thiết kế tối ưu dải phân cách giữa bê tông cũng như các công trình an toàn giao thông cho đường cao tốc phù hợp với điều kiện phương tiện giao thông và đường sá ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Dải phân cách giữa bê tông cốt thép áp dụng cho các tuyến đường cao tốc tại Việt Nam trên quan điểm an toàn cho người và phương tiện tham gia giao thông khi xảy ra va chạm

3

5 Bố cục của đề tài

Luận văn chia thành 04 phần:

- Phần mở đầu: Trình bày tóm tắt lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Chương I: Tổng quan lan can phòng hộ trên đường

- Chương II: Lý thuyết va chạm và kỹ thuật mô phỏng xe khách va chạm với dải phân cách

- Chương III: Nghiên cứu và đề xuất thiết kế hình học tối ưu đối với kết cấu dải phân cách áp dụng cho các tuyến đường cao tốc ở việt nam

- Kết luận và kiến nghị: Trình bày kết quả thu được của đề tài, các kiến nghị từ kết quả thu được trong đề tài nghiên cứu đồng thời trình bày hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ LAN CAN PHÒNG HỘ TRÊN ĐƯỜNG 1.1 Mục đích bố trí lan can phòng hộ

Khi xe di chuyển trên đường, trường hợp xảy ra sự cố sẽ bị rời khỏi đường và gây ảnh hưởng đến các công trình bên đường khác khi xảy ra các trường hợp:

+ Lái xe mệt mỏi;

+ Lái xe bối rối khi xử lý hoặc mất tập trung khi lái xe;

+ Mất kiểm soát khi tốc độ di chuyển quá cao;

+ Lái xe trong tình trạng sử dụng các chất kích thích như ma túy hoặc rượu; + Tầm nhìn của lái xe kém;

+ Sự cố khi di chuyển trong dòng xe trên đường

Dù cho bất kể lý làm cho xe rời khỏi đường thì luôn cần thiết để thiết kế một môi trường bên đường bằng vật có tính cố định và ổn định, nhằm tăng cơ hội tối đa cho người lái xe để lấy lại quyền kiểm soát xe, đồng thời, sẽ làm giảm mức độ nghiêm trọng của vụ tai nạn Các thiết kế này được bố trí trong phạm vi lề đường và dải giữa, nếu việc thiết kế hợp lý thì khả năng giảm thiểu các thiệt hại khi xảy ra tai nạn là hết sức đáng kể

Có thể thấy rằng, thiết kế bên đường là một phần không tách rời của quá trình thiết kế giao thông Thiết kế các giải pháp để giảm thiểu thiệt hại trong thiết kế đường

bộ, theo thứ tự ưu tiên, như sau:

+ Loại bỏ các chướng ngại vật;

+ Thiết kế lại các chướng ngại vật để có thể đi qua an toàn;

+ Chuyển vị trí của chướng ngại vật đến một điểm mà nó ít có khả năng bị va chạm;

+ Giảm mức độ ảnh hưởng của tác động bằng cách sử dụng thiết bị tách rời thích hợp (ví dụ: các thiết bị như con lăn chuyển hướng, thiết bị giảm chấn);

+ Che chắn trở ngại với hàng rào lưu thông dọc được thiết kế để chuyển hướng hoặc sử dụng đệm lót;

+ Thay đổi thiết kế cản nếu các lựa chọn trước đó không thích hợp;

+ Ngoài ra, có thể bổ sung các dải rumble (tạo rung động ở bánh xe khi đi vào) nhằm cảnh báo lái xe đang rời khỏi phạm vi xe chạy, kịp thời xử lý đưa xe trở lại lộ trình

Trong các giải pháp tổng thể đã nêu thì có thể thấy giải pháp sử dụng lan can phòng hộ là một trong những giải pháp cần được ưu tiên áp dụng, do khi sử dụng sẽ đảm bảo được những mục đích hợp lý, như sau:

+ Giúp người lái xe nhận biết khoảng cách an toàn khi điều khiển phương tiện + Đóng vai trò dẫn hướng phương tiện, định hướng cho người lái, giúp người lái

tự tin khi tham gia giao thông

5

+ Che chắn, chuyển hướng cho xe nhằm đảm bảo an toàn cho người và phương tiện

+ Có thể dễ dàng kết hợp với các giải pháp khác như lắp đặt các thiết bị cảnh báo,

dễ dàng gia cường tại các vị trí nguy hiểm

+ Giảm diện tích chiếm dụng đất của đường bộ so với các giải pháp thiết kế hình học cho lề đường như tạo dốc vát để giảm tốc

Hình 1.1 Bố trí mặt cắt ngang đường cao tốc theo TCVN 5729:2012

Dựa trên những phân tích ở trên, có thể thấy rằng vai trò của hệ thống rào chắn trên đường cao tốc là hết sức quan trọng, cần có sự quan tâm đúng mức, đó cũng là lý

do tác giả chọn đề tài này với đối tượng nghiên cứu là dải phân cách cứng bê tông cốt thép bố trí ở dải giữa đối với tình huống va chạm nhằm đảm bảo an toàn cho người và phương tiện tham gia giao thông

1.2 Các vấn đề tồn tại trong các tiêu chuẩn Việt Nam

Hiện nay, trong các quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện hành thì hệ thống lan can phòng

hộ mới chỉ được nêu một cách khá chung chung mà chưa được phân cấp theo cấp hạng đường, thiếu chỉ dẫn thiết kế cấu tạo chi tiết, thiếu chỉ dẫn tính toán cơ học lẫn mức độ

an toàn Đặc biệt, đến thời điểm hiện tại thì trong các quy định hiện hành vẫn chưa quy định cụ thể tại các vị trí xung yếu, nguy hiểm cần phải tăng cường độ cứng hoặc có các biện pháp thiết kế riêng, phù hợp mà chỉ quy định chung giống nhau trên toàn tuyến

Cụ thể một số quy định đang áp dụng như sau:

+ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số 41:2012/BGTVT về báo hiệu đường bộ đề cập

tới “dải phân cách tôn sóng” trong điều 80 và điều 81 mà không đề cập cụ thể tới lan

can phòng hộ hay những quy định cụ thể để áp dụng riêng với đường cao tốc Cụ thể là

“dải phân cách tôn lượn sóng có thể dùng thay thế cọc tiêu, rào chắn hoặc tường bảo

vệ bằng bê tông, đá xây; làm hộ lan các đoạn đường cong, đường dẫn vào cầu, các đoạn nền đường đắp cao trên 2m, các đoạn đường men theo sông, suối, đầm hồ, ao”

Ngoài ra, Quy chuẩn này cũng quy định chung là “dải phân cách tôn sóng gồm 1 hoặc

2 hàng tôn lượn sóng được lắp đặt song song với mặt đường bởi hệ cột bằng thép hoặc

bê tông cốt thép có gia cố chân bằng bê tông xi măng Dải phân cách tôn sóng khi thay thế cho tường bảo vệ, hàng rào chắn cố định và dải phân cách cứng phải được tính toán ổn định do va chạm của phương tiện đâm vào”

+ TCVN 5729-2012: đề cập phạm vi áp dụng lan can phòng hộ trên dải phân cách và trên dải lề trồng cỏ Mặc dù vậy tiêu chuẩn này chưa đề cập đến 1 số đoạn đường nguy hiểm hơn có thể cần chú ý bố trí các công trình an toàn phòng hộ cần thiết

kế gia cường (ví dụ như cuối đoạn thẳng quá dài hay đỉnh dốc lồi trên mặt cắt dọc, bụng / lưng đường cong nằm ), tiêu chuẩn này chỉ quy định bề rộng của dải phân cách giữa, khuyến cáo các loại hình rào chắn áp dụng, chưa có quy định cụ thể về thiết

kế hình học, cấu tạo chi tiết đối với các loại kết cấu này

Bảng 1.1 Chiều rộng tiêu chuẩn các yếu tố mặt cắt ngang trên đường cao tốc theo

TCVN 5729:2012 (m)

Cấu tạo dải

phân cách

Cấp đường

ô tô cao tốc

Lề Mặt

đường (phần

xe chạy)

Dải giữa Mặt

đường (phần

xe chạy)

Lề

Nền đường

Trồng

cỏ

Dải an toàn (lề gia cố)

Dải

an toàn

Dải phân cách

Dải an toàn

Dải an toàn (lề gia cố)

2,50 2,50 3,00 3,00

7,00 7,00 7,50 7,50

0,50 0,50 0,75 0,75

0,50 0,50 0,75 0,75

0,50 0,50 0,75 0,75

7,00 7,00 7,50 7,50

2,50 2,50 3,00 3,00

0,75 0,75 0,75 0,75

22,00 22,00 24,75 24,75 2) Có lớp

2,50 2,50 3,00 3,00

7,00 7,00 7,50 7,50

0,50 0,50 0,75 0,75

1,50 1,50 1,50 1,50

0,50 0,50 0,75 0,75

7,00 7,00 7,50 7,50

2,50 2,50 3,00 3,00

0,75 0,75 0,75 0,75

23,00 23,00 25,50 25,50

2,50 2,50 3,00 3,00

7,00 7,00 7,50 7,50

0,50 0,50 0,75 0,75

3,00 3,00 3,00 3,00

0,50 0,50 0,75 0,75

7,00 7,00 7,50 7,50

2,50 2,50 3,00 3,00

0,75 0,75 0,75 0,75

24,50 24,50 27,00 27,00

+ TCVN 4054-2005 chỉ ra phạm vi áp dụng lan can phòng hộ đối với “các nền

đắp cao hơn 4m, đường cầu, cầu cạn, cầu vượt, vị trí của các trụ và các mố cầu vượt đường, phần bộ hành ở trong hầm” Trong tiêu chuẩn này, kiểm toán cơ học lan can

phòng hộ mới chỉ xét đến tải trọng tính toán mà chưa xét đến tốc độ, góc va chạm

7

1.3 Một số quy định về lựa chọn lan can phòng hộ của các nước trên thế giới

Đối với các nước phát triển hệ thống lan can phòng hộ đường cao tốc phải được thiết kế thông qua các mức độ của thí nghiệm va chạm tương ứng với loại phương tiện thí nghiệm, vận tốc và góc va chạm quy định Trên cơ sở đó tiêu chuẩn đã phân cấp an toàn theo vận tốc thiết kế, cũng như phân cấp lan can phòng hộ theo mức độ đã thử nghiệm đạt an toàn yêu cầu Ngoài ra, các nước phát triển vẫn tiếp tục nghiên cứu theo

xu thế phát triển của điều kiện an toàn va chạm theo một số hướng sau:

+ Đối tượng chính trong dòng xe hướng đến là xe con và xe tải, trong đó xe tải ngày càng được chú trọng do gây thiệt hại lớn

+ Nâng cao độ cứng của lan can phòng hộ nhằm hạn chế thiệt hại sau va chạm, ví dụ: tăng độ cứng của lan can bê tông cốt thép để giảm thiểu việc phát tán các khối bê tông sau va chạm

+ Thiết kế gia cường đặc biệt ở những vị trí nguy hiểm như trên cầu, đường cong bán kính nhỏ, điểm đen mất an toàn giao thông

+ Lan can phòng hộ trên đường và trên cầu được sử dụng cùng một mô hình va chạm chỉ khác nhau ở cấp va chạm

Bảng 1.2 Phân cấp lan can phòng hộ theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn Mỹ

NCHRP 350 và Roadside Design Guide 4th Edition)

xe (kg)

Góc

va chạm (độ)

Năng lượng

va chạm (kJ)

Bảng 1.3 Phân cấp lan can phòng hộ đường cao tốc theo năng lượng va chạm (tiêu

chuẩn Nhật Bản 1998 và 2004)

Phân cấp lan can

Trọng lượng xe (tấn)

Vận tốc va chạm (Km/h)

Góc va chạm ( 0 )

Năng lượng

va chạm** (kJ)

Trọng lượng

xe (tấn)

Góc va chạm ( 0 )

Năng lượng

va chạm (kJ)

(m/s 2 )

Năng lượng

va chạm**

(kJ)

Điều kiện đánh giá

Vận tốc

va chạm (Km/h)

Trọng lượng

xe (tấn)

Góc va chạm ( 0 )

A, Am

An toàn hành khách

Độ cứng của lan can

SB,

SBm

An toàn hành khách

Độ cứng của lan can

SA,

SAm

An toàn hành khách

Độ cứng của lan can

SS

An toàn hành khách

Độ cứng của lan can

Ghi chú: * Điều kiện an toàn tính mạng cho người lái và hành khách;

** Điều kiện an toàn cho phương tiện xe tải, độ cứng của lan can phòng hộ

Nhận xét về cách lựa chọn cấp lan can phòng hộ để thiết kế ở nước ngoài:

+ Phân cấp lan can phòng hộ thiết kế được lưa chọn trên cơ sở vận tốc thiết kế của tuyến đường, mức độ nguy hiểm do phương tiện giao thông lưu thông trên đường

có thể gây ra (thể hiện qua giá trị năng lượng va đâm) Tùy theo điều kiện cụ thể của vị trí thiết kế trên đường cao tốc (địa hình, vận tốc thiết kế, lưu lượng giao thông, các vị trí cần gia cường và thành phần các loại xe trong dòng xe…) mà lựa chọn bố trí thiết

kế loại lan can phòng hộ cho phù hợp

1.4 Giới thiệu loại hình lan can phòng hộ bố trí trên đường cao tốc

Lan can phòng hộ là một hệ thống kết cấu chạy dọc theo đường cao tốc, vừa có tác dụng dẫn hướng xe quay lại phần xe chạy vừa có tác dụng giảm thiểu lực đâm va nhờ khả năng tự biến dạng hoặc hấp thụ năng lượng va chạm của lan can phòng hộ Hệ thống lan can phòng hộ của đường cao tốc gồm lan can phòng hộ hai bên đường, lan can phòng hộ trên cầu, lan can phòng hộ trên dải phân cách giữa Có thể phân loại lan can phòng hộ theo cấp thí nghiệm va chạm, như đã trình bày ở Phần 1.3 của chương này, ngoài ra, có thể phân cấp lan can phòng hộ theo độ cứng sau khi va chạm có thể phân thành: lan can phòng hộ cứng, lan can phòng hộ nửa cứng và lan can phòng hộ mềm

Thực tế trong nước và trên thế giới hiện nay đang sử dụng phổ biến một số loại hình lan can phòng hộ như sau:

1.4.1 Lan can phòng hộ cáp

Lan can phòng hộ cáp hay lan can phòng hộ mềm là hệ thống lan can phòng hộ được thiết kế thông qua các dây cáp treo và được căng trước trên các hệ cột đầu và cột trung gian Tác dụng giảm lực va chạm chủ yếu nhờ lực căng của hệ thống cáp

Hình 1.2 Lan can phòng hộ cáp

Hình 1.4 Lan can phòng hộ thép hình sóng đơn

Hình 1.5 Một số loại lan can phòng hộ thép hình

Hình 1.6 Lan can phòng hộ thép hình với sóng đôi

1.4.3 Lan can phòng hộ dạng con lăn

Là một loại lan can phòng hộ cải tiến, kết hợp giữa kết cấu dầm liên tục, có cường độ và độ cứng nhất định với các bánh lăn, tương tự như lan can tôn lượn sóng, loại hình lan can này cũng lợi dụng biến dạng của đất và các cột, trụ đỡ và kết hợp con lăn để giảm lực va chạm và chuyển hướng phương tiện trở lại phần xe chạy

Hình 1.7 Lan can phòng hộ con lăn

13

Hình 1.8 Lan can phòng hộ con lăn

1.4.4 Lan can phòng hộ cứng - Tường phòng hộ bê tông cốt thép (BTCT)

Là một loại lan can phòng hộ không bị biến dạng khi va chạm, điển hình là tường bảo vệ hoặc tường phòng hộ bằng bê tông cốt thép Thông qua việc cho bánh lái của

ô tô trèo lên một đoạn rồi dẫn hướng trở lại đường để giải phóng lực va chạm

Hình 1.9 Tường phòng hộ BTCT bố trí ở phần dải an toàn

Hình 1.10 Lan can phòng hộ BTCT lắp ghép, bố trí ở phần dải giữa

Hình 1.11 Lan can phòng hộ BTCT đổ tại chỗ, bố trí ở phần dải giữa

Hình 1.12 Một số loại tường phòng hộ BTCT lề đất loại vát và loại một đỉnh bo tròn

15

Hình 1.13 Một số cấu tạo móng tường phòng hộ BTCT lề đất và trên đỉnh

Hình 1.14 Một số loại lan can phòng hộ BTCT dải phân cách giữa (loại toàn khối và

loại ghép khối)

1.5 Tai nạn giao thông liên quan đến lan can phòng hộ

Như đã phân tích ở Mục 1.1 – Mục đích bố trí lan can phòng hộ, có thể thấy rằng

việc bố trí lan can phòng hộ cho đường là vô cùng quan trọng trong công tác giảm thiểu thiệt hại khi xảy ra tai nạn giao thông Thực tế khai thác, có thể thấy rằng việc nhìn nhận chưa đủ, chưa đúng về vai trò của hệ thống an toàn này dẫn đến việc thiết

kế công trình lan can phòng hộ để nâng cao mức độ an toàn cho đường chưa được tính toán cẩn trọng, đây cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng thiệt hại khi xảy ra tai nạn giao thông, có thể thấy trên thực tế thường xảy ra các loại hình tai nạn như sau:

1.5.1 Va chạm lan can phòng hộ bố trí trên lề

Đối với các vụ tai nạn khi xe va chạm với lan can phòng hộ bố trí trên lề đường (vai ta luy), tùy theo mức độ va chạm thiệt hại có thể là rất nghiêm trọng do xe có thể vượt ra khỏi rào chắn và ra khỏi phạm vi đường, dưới đây là một số hình ảnh về mức

độ va chạm:

Hình 1.15 Xe con va chạm với hộ lan bằng cáp mềm, thiệt hại không đáng kể

Hình 1.16 Xe con đâm xuyên hộ lan tôn lượn sóng làm 01 người tử vong trên đường

cao tốc Nội Bài – Lào Cai

Hình 1.17 Xe tải đâm qua tôn lượn sóng và bị lật trên đường cao tốc

Nội Bài – Lào Cai

17

Hình 1.18 Xe khách đâm hỏng tôn lượn sóng dạng W 02 lớp làm 03 người tử vong trên

đèo Lò Xo vào ngày 16/6/2018

1.5.2 Va chạm lan can phòng hộ bố trí trên dải giữa

Đối với các vụ tai nạn khi xe va chạm với lan can phòng hộ bố trí trên dải giữa, các trường hợp va chạm khi tai nạn có thể là ít nghiêm trọng cho đến rất nghiêm trọng, tùy thuộc vào mức độ va chạm, xe có thể quay trở lại làn đường (ít nghiêm trọng), vượt lên trên dải phân cách (nghiêm trọng vừa), lật xe (nghiêm trọng), thậm chí vượt sang làn đối diện và va chạm với xe khác chạy ngược chiều (rất nghiêm trọng), một số hình ảnh về tai nạn thường gặp như sau:

Hình 1.19 Xe con đâm vào dải phân cách rồi lật ngửa trên QL1A

Hình 1.20 Xe khách đâm hỏng và leo lên dải phân cách trên QL1A (vụ tai nạn xảy ra

tại Diễn Châu – Nghệ An)

Hình 1.21 Xe khách nổ lốp, đâm hỏng dải phân cách và vượt qua làn đối diện trên

QL1A (vụ tai nạn làm 02 người tử vong tại Nghi Xuân – Hà Tĩnh)

Hình 1.22 Xe tải đâm hỏng dải phân cách và bị lật trên QL1A (vụ tai nạn tại Thạch Hà

– Hà Tĩnh)

đó đặc biệt quan tâm đến công tác lựa chọn và phân loại lan can phòng hộ phù hợp cấp đường thiết kế và mức độ nguy hiểm, năng lượng va chạm

Hiện nay, các nước phát triển đã triển khai việc thí nghiệm va chạm thực tế cũng như kiểm toán bằng việc mô phỏng lý thuyết, do đó, có thể thấy ở Việt Nam cần thiết phải có các nghiên cứu chuyên sâu xem xét các yếu tố liên quan đến phương tiện khảo sát va chạm, góc va chạm, tốc độ va chạm trong công tác kiểm toán lan can phòng hộ để nâng cao an toàn cho đường

Trong phạm vi đề tài này sẽ tiến hành xem xét cho trường hợp va chạm giữa xe khách (phương tiện chuyên chở người nhiều) và dải phân cách giữa bê tông cốt thép, thông qua đó khảo sát năng lượng va chạm ứng với các góc va thay đổi, vận tốc thay đổi, dựa vào việc khảo sát và thay đổi biến số khảo sát là kích thước hình học của dải phân cách để đưa ra các kích thước tối ưu nhằm giảm thiểu năng lượng khi xảy ra va chạm, thông qua đó đảm bảo an toàn cho người và phương tiện

1.7 Kết luận Chương 1

1.7.1 Các vấn đề đã được giải quyết trong Chương 1

Trong Chương 1 của Luận văn, tác giả đã có những nghiên cứu tổng quan cũng như có những phân tích và làm rõ các vấn đề sau:

+ Đã làm rõ được mục đích của việc bố trí lan can phòng hộ;

+ Chỉ ra được các tồn tại trong các tiêu chuẩn về lan can phòng hộ ở Việt Nam; + Đã giới thiệu và chỉ ra sự khác biệt về quy định về thiết kế lan can phòng hộ trên thế giới so với các quy định của Việt Nam;

+ Đã giới thiệu được tổng quan một số loại hình lan can phòng hộ bố trí trên đường;

+ Đã trình bày một số minh họa về tai nạn giao thông liên quan đến hệ thống lan can phòng hộ trên đường;

+ Đã tổng kết và đưa ra được những nhận xét về tầm quan trọng phải có những nghiên cứu chuyên sâu để đưa ra quy định thiết kế, thi công cho hệ thống lan can phòng hộ nhằm nâng cao mức độ an toàn cho đường

1.7.2 Vấn đề cần giải quyết ở Chương 2

Như vậy, có thể thấy việc phải có các nghiên cứu chuyên sâu xem xét các yếu

tố liên quan đến phương tiện khảo sát va chạm, góc va chạm, tốc độ va chạm trong công tác kiểm toán lan can phòng hộ để nâng cao an toàn cho đường là rất cần thiết

Tuy nhiên, tương ứng với điều kiện ở nước ta hiện tại, việc triển khai các mô hình va chạm thực tế hay kết hợp giữa mô hình va chạm thực tế với mô phỏng thông qua phần mềm mô phỏng để kiểm tra an toàn cho lan can phòng hộ là rất tốn kém

Do đó, tương ứng với điều kiện nghiên cứu ở nước ta hiện nay thì trước mắt cần có các nghiên cứu về lý thuyết tính cũng như nghiên cứu việc sử dụng các phần mềm

mô phỏng sẽ tiết kiệm kinh phí hơn nhiều so với phương án mô phỏng bài toán va chạm thực tế

Việc nghiên cứu lý thuyết tính cũng như thực hiện kỹ thuật mô phỏng va chạm giữa xe ô tô và lan can phòng hộ sẽ được thực hiện ở Chương 2

21

Chương 2 - LÝ THUYẾT VA CHẠM VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG XE

KHÁCH VA CHẠM VỚI DẢI PHÂN CÁCH 2.1 Lý thuyết về phần tử hữu hạn ứng dụng cho bài toán mô phỏng va chạm

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một phương pháp tính toán số để giải quyết nhiều phương trình vi phân bằng sự trợ giúp của một máy tính FEM phân chia một cách liên tục trong số lượng của các phần tử Tính năng đặc trưng của FEM là thay vì giải quyết phương trình vi phân cho toàn thể liên tục, chúng được giải quyết cho các phần tử hữu hạn Các phần tử được kết nối tại các nút giữa các phần tử lại với nhau Các điểm nút là các đầu của mỗi phần tử, mỗi nút có một số bậc tự do (DOF), chẳng hạn như chuyển vị và góc xoay trong trục x và y trong phân tích 2D và x, y và

cả trục z trong phân tích 3D Từ các giá trị của nút DOF của trạng thái phần tử có thể được xác định một cách kiểm soát với sự trợ giúp của phương trình đã được xác định trước, và vì các ứng xử cơ học của vật liệu đã được biết, các ứng xử cơ học tương ứng

sẽ được xác định Điều này được thực hiện cho mỗi một phần tử tạo nên sự liên tục cho phép có thể có được một giải pháp gần đúng cho toàn bộ sự liên tục tiếp sau

2.1.1 Tổng quát về Abaqus

Abaqus là một chương trình phần tử hữu hạn được phát triển bởi hãng Dassault Systemes Abaqus bây giờ là một bộ các chương trình mô phỏng kỹ thuật có thể giải quyết các vấn đề khác nhau, từ đơn giản phân tích tuyến tính cho đến mô phỏng động phi tuyến tính có mức độ phức tạp cao Nó bao gồm phạm vi rộng các dạng phần tử làm cho nó có thể mô hình bất kỳ loại hình học nào Abaqus có một danh sách các mô hình vật liệu có thể được sử dụng để mô phỏng các ứng xử của vật liệu đáng để quan tâm như thép, bê tông, nhôm, vật liệu địa kỹ thuật như đất đá và các loại khác tài liệu không đề cập ở đây Trong phân tích phi tuyến, Abaqus tự động chọn và điều chỉnh tăng tải và dung sai hội tụ trong quá trình phân tích để đảm bảo rằng một kết quả chính xác có thể đạt được

Abaqus bao gồm ba sản phẩm phân tích chính mỗi một trong số chúng thích hợp cho các vấn đề vật lý khác nhau Các sản phẩm phân tích này là Abaqus / Standard, Abaqus / Explicit và Abaqus / CFD Abaqus / Standard là một phân tích mục đích chung có thể giải quyết các vấn đề tuyến tính và phi tuyến liên quan đến tĩnh, động và các loại khác của vấn đề kỹ thuật, tiêu chuẩn sử dụng phương pháp ẩn để giải quyết

vấn đề Abaqus / Explicit là một sản phẩm phân tích được sử dụng trong mục đích

đặc biệt, sản phẩm này sử dụng công thức phần tử hữu hạn động rõ ràng Nó phù hợp với các trường hợp động học va chạm Nó cũng được ưa thích để sử dụng cho các bài toán liên quan đến biến dạng lớn, tức là các vấn đề phi tuyến tính cao cấp Abaqus / CFD được sử dụng để nghiên cứu động lực học chất lỏng

Luận văn Thạc sỹ này phân tích liên quan đến va chạm với biến dạng lớn, do đó

sử dụng Abaqus/Explicit để phân tích được cho là phù hợp

2.1.2 Abaqus/Explicit

Abaqus / Explicit dùng như tên phương pháp cụ thể, phương pháp Explicit để phân tích thông qua thời gian Phương pháp Explicit (hiện) cụ thể đã dùng là trung tâm các phương pháp khác, thực hiện liên tục các tích phân phương trình chuyển động thông qua thời gian Nó dùng điều kiện động học ở một sự gia tăng về thời gian hiện tại để tính cho điều kiện động học ở sự gia tăng kế tiếp (về thời gian, liên quan đến lực quán tính, gia tốc) Khi quá trình giải được bắt đầu thì nó giải quyết cân bằng động lực, theo phương trình 2.1

Từ công thức 2.1, gia tốc nút được tính vào thời điểm bắt đầu của sự gia tăng hiện tại ở thời gian t, là:

|(t)=M-1 (P - I) |(t) (2.2) Giải pháp Explicit dùng các khối lượng tập trung để một ma trận khối lượng chéo, làm cho việc tính toán đơn giản hơn Không giải quyết nhiều phương trình cùng lúc,

do gia tốc nút của một điểm bất kỳ được xác định bởi khối lượng của nó và tổng lực ảnh hưởng đến nó, dẫn đến khối lượng tính toán lớn

Vận tốc nút được tính toán thông qua gia tốc nút đã biết Gia tốc nút được tích phân thông qua thời gian sử dụng chủ yếu qua quy tắc khác Sự thay đổi vận tốc được tính toán là giả sử gia tốc không đổi, sự thay đổi này của vận tốc được thêm vào vận tốc ở giữa trước khi tăng để xác định vận tốc ở giữa của lượng tăng hiện tại

(2.3) Khi tốc độ nút được tính toán, giải pháp tích phân những vận tốc này theo thứ tự

để thu được chuyển vị nút, đó là:

(2.4) Như đã đề cập trên đây, phương pháp Explicit giả sử không làm thay đổi gia tốc đối với mỗi lần tăng Để có được kết quả chính xác, tăng dần thời gian phải được sử dụng để có gia tốc gần như không đổi trong quá trình gia tăng dẫn đến phân tích với số lượng gia tăng lớn Tuy nhiên, mỗi gia tăng là không tốn kém vì không có phương trình đồng thời để giải quyết

Biết được sự chuyển vị của nút, người ta bắt đầu triển khai tính toán các phần tử Các sự gia tăng biến dạng của phần tử, Δε, được tính toán từ tỉ lệ biến dạng, Sự gia

tăng biến dạng tính toán làm cho nó có thể tính toán ứng suất của phần tử, σ, bằng

2.1.3 Sự khác biệt cơ bản giữa phương pháp giải ẩn và hiện

Đặc tính của phương pháp ẩn và hiện làm cho nó phù hợp với các loại vấn đề Các phương pháp hiện đòi hỏi ít không gian đĩa và việc sử dụng bộ nhớ hơn là giải quyết tiềm ẩn, một phần là do không lặp lại trong mỗi bước và một phần là do việc sử dụng các đường chéo, gộp ma trận khối lượng, hệ thống được giải quyết là không tách

ra, hệ thống được giải quyết độc lập Vấn đề tập hợp cái mà có thể hiện diện trong phương pháp ẩn có thể được giải quyết với phương pháp hiện Đặc điểm lớn nhất của phương pháp hiện là thiếu ma trận độ cứng, cái mà cần thiết cho phương pháp ẩn Từ khi các phương trình mô hình được nâng cao rõ ràng, lặp đi lặp lại và dung sai là không cần thiết Lợi thế của phương pháp hiện so với phương pháp ẩn là phân tích tính toán do tăng số lượng của DOF Một khác biệt khác được biểu diễn dưới dạng đồ thị trong hình

Hình 2.1 Sự khác nhau trong phân tích tính toán giữa bài toán phân tích ẩn và hiện

2.1.4 Sự ổn định và tăng dần tự động theo thời gian

Như đã đề cập ở mục 1.2, sự tăng dần theo thời gian là cần thiết cho việc giải

quyết bài toán Explicit đảm bảo ổn định, hạn chế sai số Nó là giới hạn ổn định mà chiếu theo sự tăng lên tối đa theo thời gian sử dụng, tạo nên các yếu tố quan trọng cho

sự thể hiện của Abaqus/Explicit Giải quyết Explicit là một điều kiện ổn định nghĩa là tổng thời gian mà trạng thái mô phỏng có thể được nâng cao và chênh lệch được rút ngắn Nếu sự tăng lên theo thời gian lớn hơn tổng thời gian tối đa, thì sự tăng lên đó được gọi là đã vượt qua sự giới hạn ổn định Nói chung là không dễ để xác định sự ổn định theo thời gian một cách chính xác, việc ước lượng theo cách truyền thống cũng

được thêm vào Khi giới hạn ổn định không đổi sẽ có ảnh hưởng tới độ chính xác và

độ tin cậy, nó phải luôn được xác định theo sự ước lượng và đồng nhất Tuy nhiên không được gia tăng theo thời gian nhỏ một cách tùy tiện vì việc ước lượng thời gian này đảm bảo việc tính toán đạt hiệu quả Abaqus/Explicit chọn việc gia tăng lên theo thời gian sát nhất có thể đối với sự giới hạn sự ổn định để đảm bảo sự thời gian gia tăng không vượt quá mức đó

a) Định nghĩa giới hạn ổn định

Giới hạn ổn định được xác định trong phần tử của tần số cao nhất trong hệ thống,

ωmax Không quan tâm tới giảm chấn, giới hạn ổn định được tính toán là:

Δtstable=2/ωmax (2.6)

Và nếu xét giảm chấn, biểu thức trên trở thành

(2.7) Trong đó ε là phần giảm chấn động trong phương trình với tần số cao nhất Trong động lực học cơ bản, nó được biết đến là giảm chấn tới hạn là giới hạn giữa dao động

và không dao động trong bối cảnh rung động tự do Nó nên được đề cập đến rằng Abaqus/Explicit luôn giới thiệu một số lượng nhỏ chấn động với độ dẻo lớn để kiểm soát các tần số cao

Tuy nhiên, để xác định thực tế tần số cao nhất trong hệ thống được dựa trên một tập hợp các yếu tố tương tác và các công việc không phải là tính toán khả thi để tính toán giá trị chính xác của nó Sự ước lượng đơn giản, hiệu quả và thận trọng được sử dụng Thay vì nhìn vào các mô hình tổng thể, tần số cao nhất của mỗi phần tử riêng

biệt trong mô hình được ước lượng Tần số này luôn luôn được kết hợp với chế độ giãn nở Chúng được hiển thị với phần tử tần số cao nhất được xác định trên nền tảng

phần tử với phần tử mà luôn luôn cao hơn tần số cao nhất trong mô hình thiết lập các

phần tử hữu hạn Cho một thực tế trong điểm giới hạn ổn định trong biểu thức 2.7 có

thể dựa trên phần tử thông qua phần tử cơ bản và được định nghĩa bằng chiều dài phần

tử, Le (chiều dài ô lưới) và tốc độ sóng của vật liệu, cd, là:

Δtstable=Le/cd (2.8)

Sự rõ ràng về sự ngắn hơn của chiều dài phần tử, giới hạn ổn định nhỏ hơn Tốc

độ sóng là thuộc tính của vật liệu Chiều dài co dãn của vật liệu với tỷ số Poisson's của tốc độ sóng được định nghĩa là:

cd = √(E/ρ) (2.9)

Trong đó: E là mô-đun Young và ρ là trọng lượng riêng

Đơn giản hóa giới hạn ổn định làm nó thực hiện được dự báo sự ổn định giới hạn với chiều dài phần tử nhỏ nhất và vật liệu Ví dụ vật liệu với tốc độ sóng là 5000m/s (gần với thép) và với kích thước phần tử nhỏ nhất là 100mm, ổn định giới hạn là 2.10-5 s

25

b) Sự gia tăng thời gian hoàn toàn tự động so với sự gia tăng thời gian cố định trong Abaqus/Explicit

Các phương trình đã đề cập trong mục 1.4.1 được sử dụng trong Abaqus/Explicit

để điều chỉnh kích cỡ gia tăng theo thời gian thông qua các phân tích để giới hạn mức

độ ổn định của bài toán, dựa trên các phần tử hiện tại của vật, và sẽ đảm bảo không để vượt quá giới hạn cho phép Sự gia tăng theo thời gian sẽ là tự động và không cần sự can thiệp của người dùng, nếu không có thiết lập yêu cầu cho sự gia tăng theo thời gian ban đầu trước khi tiến hành chạy bài toán Giới hạn ổn định là một khái niệm toán học mà kết quả từ các mô hình số Phương pháp hiện có tất cả các chi tiết thích hợp cần thiết và có thể xác định sự hiệu quả và việc ước lượng giới hạn có thể ổn định Tuy nhiên, nó có khả năng cho người dùng ghi đè sự tăng thời gian một cách tự động nếu mong muốn

Nếu sự tăng thời gian tự động bị ghi đè lên thì người dùng phải chọn việc tăng lên theo thời gian với sự chú ý Sai sót sẽ xảy ra khi sử dụng việc tăng lên thời gian không đủ nhỏ để dẫn đến kết quả không ổn định Sự phản hồi của vấn đề biến số như

là sự hoán đổi sẽ thường dao động với việc tăng lên biên độ khi sự bất ổn đang diễn ra Tổng năng lượng sẽ gần như không sai số đáng kể

Có hai kiểu ước lượng đã được dùng cho sự gia tăng tự động theo thời gian để xác định được giới hạn có thể ổn định: phần tử theo phần tử và tổng quát Mỗi phân tích bắt đầu với phương pháp ước lượng các phần tử với phần tử và có thể đổi thành tổng quát mà người đo đưa ra trong một số trường hợp nhất định trong các phân tích Phần tử theo phần tử là truyền thống, nghĩa là sẽ tạo nên việc tăng lên sự ổn định theo thời gian ít nhỏ hơn là giới hạn có thể ổn định dựa trên tần số tối đa của toàn bộ mô hình Đó là việc quan trong để biết được rằng các hạn chế như điều kiện giới hạn và liên hệ động học có ảnh hưởng đến việc nén các phổ tần số riêng mà không đưa vào phép tính bởi người đánh giá phần tử theo phần tử

Thuật toán ước lượng tổng quát tần số tối đa của tất cả mô hình sử dụng tốc độ sóng gần nó ở hiện tại Thuật toán này có thể tính toán nâng lên tần số cao nhất đề giới hạn ổn định chính xác Người ước lượng tổng quát sẽ sẽ thường chấp nhận việc tăng thời gian mà xác định bởi từng phần tử ước tính

c) Ảnh hưởng của vật liệu tới giới hạn ổn định

Mô hình vật liệu đã dùng sẽ ảnh hưởng tới giới hạn ổn định qua đó ảnh hưởng đến tốc độ sóng Ở các vật liệu đàn hồi tuyến tính thì mô đun Young chỉ những hệ số ảnh hưởng tới giới hạn ổn định trong phân tích là sự thay đổi nhỏ nhất của kích thước phần tử Ở vật liệu phi tuyến tính, chẳng hạn như thép dẻo, tốc độ sóng thay đổi khi vật liệu bắt đầu giản dần về hiệu suất và độ bền vững của vật liệu Kết quả của ảnh hưởng này là sự tăng lên của giới hạn ổn định

2.1.5 Cân bằng năng lượng

Kết quả năng lượng là phần quan trọng trong phân tích Abaqus/Explicit Năng lượng đầu ra bao gồm một số thành phần, so sánh giữa các thành phần năng lượng khác nhau được sử dụng để đánh giá liệu phân tích có đáp ứng thích hợp

Sự cân bằng năng lượng cho toàn bộ mô hình có thể được viết như

E I + E V + E FD + E KE + E IHE - E W - E PW - E CW - E MW - E HF = E total , (2.10)

E FD Là năng lượng do ma sát tiêu hao

E KE Là động năng

E IHE Là năng lượng nhiệt bên trong (nội bộ)

E W Là năng lượng do tải trọng ngoài

và khối lượng thúc đẩy tương ứng

Tổng của các thành phần năng lượng này là E total , gần như không đổi, đối với mô hình số thì thường chỉ sai số 1%

Các thành phần năng lượng nội bộ, EI, trong phương trình 2.10 lần lượt bao gồm một số các thành phần khác Biểu thức cho năng lượng nội bộ là

E I = E E + E P + E CD + E A + E DMD + E DC + E FC (2.11)

E P Là năng lượng hao phí không đàn hồi

E CD Là năng lượng tiêu hao thông qua tính đàn hồi hoặc từ biến

E A Là năng lượng biến dạng

2.2 Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng xe khách va chạm với dải phân cách bằng phần mềm Abaqus CAE của hãng Dassault Systèmes:

2.2.1 Giới thiệu chung

a) Giới thiệu phần mềm mô phỏng Abaqus CAE của hãng Dassault Systèmes

Phần mềm Abaqus / CAE là một trong những phần mềm về mô phỏng của tập đoàn Dassault Systèmes, Mỹ Phần mềm này là giải pháp hoàn chỉnh cho việc mô phỏng mô hình phần tử hữu hạn, có tính trực quan, và có thể tự động hoá cả quy trình tính toán

Với Abaqus / CAE có thể tạo, chỉnh sửa, theo dõi, phân tích và trực quan hóa các bài toán bằng các phân tích tiên tiến của Abaqus một cách nhanh chóng và hiệu quả Giao diện trực quan kết hợp việc lập mô hình, phân tích, quản lý công việc và hiển thị

27

kết quả trong một môi trường dễ sử dụng tạo sự nhất quán, đơn giản để tìm hiểu cho người dùng mới, nhưng cũng có hiệu suất cực cao cho người dùng có đã có kinh nghiệm

Hình 2.2 Logo khởi động phần mềm Abaqus CAE

Người dùng có thể tạo ra cấu kiện hình học, nhập các mô hình từ CAD để chia lưới phần tử Giao diện kết nối cho CATIA V5, SolidWorks và Pro / ENGINEER cho phép đồng bộ hóa các phần mềm CAD và CAE và cho phép cập nhật mô hình nhanh chóng mà không mất các tính năng phân tích do người dùng đã định nghĩa từ trước

Bộ công cụ tuỳ biến mở của Abaqus / CAE cung cấp một giải pháp tự động hóa quy trình mạnh mẽ, cho phép các chuyên gia triển khai các quy trình công việc đã được kiểm chứng trên toàn bộ cơ sở kỹ thuật (kiểm toán lại tổng thể các thiết kế)

b) Sơ đồ khối tổng quát để phân tích bài toán va chạm

Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng quát để thực hiện bài toán phân tích va chạm

Việc triển khai mô phỏng sẽ được bắt đầu ở bước đánh giá mô hình thực của bài toán với tỷ lệ thực tế, tác giả sẽ tiến hành mô phỏng gần đúng tỷ lệ giữa xe mô phỏng

và xe khách thực tế, đồng thời cũng mô phỏng đúng tỷ lệ của dải phân cách so với dải phân cách cứng thực tế đang sử dụng

Sau khi xác lập các thông số với tỷ lệ đầy đủ của các cấu kiện cần mô phỏng, sẽ tiến hành mô hình xe và mô hình giải phân cách cứng bằng phần mềm, sau đó tác giả

sẽ thiết lập các điều kiện biên, điều kiện vật liệu đầu vào, các thiết lập khác như góc va chạm, vận tốc va chạm và tiến hành phân tích, kết quả phân tích sẽ được đánh giá theo hàm mục tiêu là đảm bảo an toàn cho đối với người và phương tiện

Quá trình ở Hình 2.3 sẽ được lặp lại nhiều lần đến khi đạt được thu được các kết quả khảo sát

c) Chi tiết quá trình mô phỏng bài toán va chạm bằng phầm mềm Abaqus/CAE và các phần mềm trung gian:

Có thể thấy rằng, việc triển khai mô phỏng cho 02 đối tượng là xe khách và dải phân cách, sau đó thiết lập các điều kiện rồi cho chúng tương tác (va chạm) với nhau

là tương đối phức tạp Tuy nhiên, trình tự thực hiện sẽ dễ dàng hơn nếu được định hình

rõ các bước trong quá trình mô phỏng, chi tiết quá trình mô phỏng sẽ được thực hiện qua các bước sau:

+ Thiết lập xe mô hình với cấu tạo hình học gần với xe thực tế bằng các phần mềm vẽ 3D và xử lý chia lưới phần tử hữu hạn của xe bằng phần mềm Ansa Sau đó Import vào phần mềm Abaqus CAE;

+ Vẽ cấu tạo dải phân cách giữa bằng phần mềm Abaqus CAE;

+ Định nghĩa, gán vật liệu và thuộc tính mặt cắt cho các đối tượng mô phỏng; + Định nghĩa lắp ghép cấu kiện để lắp ghép xe và dải phân cách vào cùng 01 mô hình phân tích;

+ Thiết lập các bước phân tích cho bài toán;

+ Định nghĩa ràng buộc;

+ Khai báo tải trọng;

+ Phân chia mạng lưới (Mesh lưới);

+ Thiết lập điều kiện biên;

+ Thiết lập vận tốc va chạm của xe khách;

+ Tạo Job và phân tích bài toán

2.2.2 Kỹ thuật mô phỏng bài toán

a) Thiết lập xe mô hình

Tác giả lựa chọn thiết lập xe mô hình với kích thước hình học cơ bản của xe khách tương đương với kích thước của xe Hyundai Aero City Express D6HA30

Có thể thấy một số thông số cơ bản giữa xe thực tế và mô hình số:

Bảng 2.1 Bảng so sánh một số thông số giữa xe mô phỏng và xe thực tế

Thông số kỹ thuật Xe thực tế Xe mô phỏng Sai lệch