Dự báo tuổi thọ cầu giàn thép tại KM2+250, quốc lộ 14E theo chỉ số độ tin cậy, xét đến sự thay đổi tiết diện do ăn mòn

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E đã qua quá trình khai thác sử dụng - Phân tích độ tin cậy kết cấu nhịp cầu giàn theo điều k iệ n v ề sức kháng kéo

ĐỘ TIN CẬY, XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI

TIẾT DIỆN DO ĂN MÒN

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Thảo

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Lan

Phản biện 2: TS Đặng Việt Dũng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại trường Đại

học Bách khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E đã qua quá trình khai thác sử dụng

- Phân tích độ tin cậy kết cấu nhịp cầu giàn theo điều k iệ n v ề sức kháng kéo hoặc nén (điều kiện bền), xét đến sự thay đổi tiết diện

do ăn mòn

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

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm

và nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thu thập các số liệu hiện trạng cầu thép cũ tại Km 2+250, Quốc lộ 14E để p hụ c v ụ ch o v iệc phân tích

- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích trạng thái ứn g su ất k ết c ấu cầu giàn bằng phương pháp PTHH (phần mềm Midas, Sap ) Khảo sát ảnh hưởng của tham số tải trọng và suy giảm tiết diện do ăn mòn đến trạng thái làm việc, làm cơ sở cho việc tính chỉ số độ tin cậy của các phần tử kết cấu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định mô hình tính toán thích hợp hơn để đánh giá kết cấu khi các yếu tố đầu vào là không chắc chắn để phản ánh một cách xác thực sự làm việc của kết cấu

Theo lý thuyết độ tin cậy, phân tích đánh giá cầu giàn th é p c ó xét đến sự thay đổi tiết diện do ăn mòn và biến đổi tải trọng Từ đ ó , đánh giá khả năng khai thác và dự báo tuổi thọ của công trình cầu giàn thép và thời gian cần gia cố sửa chữa về sau

6 Cấu trúc của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU GIÀN THÉP, CÁC ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN ĐẦU VÀO KHI TÍNH TOÁN KẾT CẤU

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU GIÀN THÉP

Cầu giàn thép được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam trong các công trình đường bộ hay đường ray tàu hỏa Cầu giàn th ép v ới các

ưu điểm cơ bản về độ bền cao, tính ổn định và đồng nhất, trọng lượng bản thân nhỏ, dễ công nghiệp hóa chế tạo, cơ giới hóa vận chuyển, đảm bảo thi công nhanh, không cần giàn giáo , k h ông ch ịu ảnh hưởng của địa chất, thủy văn và thời tiết

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN ĐẦU VÀO TRONG BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ công trình

Các yếu tố ảnh hưởng được thể hiện theo sơ đồ tương tác quản

lý và các giai đoạn đánh giá ĐTC

Số liệu

khảo sát

Hồ sơ thiết kế

Hồ sơ hoàn công

Ý thức người

sử dụng

Khai thác

Tác động môi trường ĐTC

thiết kế

ĐTC thi công

ĐTC khai thác

Độ tin cậy Tuổi thọ CT

1.2.2 Các giải pháp nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ công trình

- Lựa chọn các đơn vị tham gia công trình đủ năng lực v à k inh nghiệm

- Tăng cường dự phòng các khâu yếu, các phần tử nhạy cảm đảm bảo độ tin cậy các phần tử hệ thống đồng đều

- Kết hợp thiết kế ban đầu và bảo dưỡng tro n g q u á trìn h k h ai thác theo chế độ

- Thiết kế có dự phòng các tổn thất khi khai thác

- Hướng dẫn chi tiết các quy trình khai thác

- Tăng cường kiểm tra chất lượng khi thi công

- Tuyên truyền, giáo dục, xử lý về ý thức nâng cao chất lượn g

và bồi dưỡng tay nghề cho người lao động

- Sử dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới tro n g các giai đoạn để tránh sai sót

- Áp dụng quy trình quản lý chất lượng trong tất cả các khâu theo ISO

1.2.3 Các yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy của cầu giàn: Gồm: Công tác khảo sát, thiết kế, thi công, quản lý khai

thác sử dụng và môi trường

1.2.4 Vấn đề ăn mòn kết cấu thép dưới tác động của môi trường

Ăn mòn kết cấu thép là sự phá hủy bề mặt kim loại dưới tác động hóa học hoặc điện hóa của môi trường xung quanh Tốc độ ăn mòn của thép chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, hàm lượng ion Cl-, độ ẩm tương đối của không khí Khả năng chịu lực củ a k ết cấu giảm theo thời gian dưới tác động của môi trường ăn mòn

Kết luận Chương 1

Cầu giàn thép được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam trong các công trình đường bộ hay đường ray tàu hỏa Cầu giàn thép giúp tiết

kiệm vật liệu, diện tích chắn gió thực tế nhỏ và khoảng cách hai giàn chủ lớn giúp cho khả năng chịu lực ngang của cầu giàn được đánh giá rất cao, có hình dáng đẹp, tính thẩm mỹ cao, công tác thi công đơn giản, có thể chế tạo hàng loạt trong xưởng nên có thể đảm bảo tiến độ thi công nhanh cho công trình

Đối với cầu giàn thép yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy của cầu là rất lớn như: Thiết kế, thi công, môi trường và quá trình vận hành duy tu Nhưng yếu tố ảnh hưởng chính là ăn mòn kết cầu do tác động của môi trường

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

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

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

Mô hình đánh giá sự an toàn hay hư hỏng của kết cấu hình thành các quan điểm tính toán như sau:

+ Tính toán sự an toàn của kết cấu theo ứng suất cho phép + Tính toán sự an toàn của kết cấu theo trạng thái giới hạn + Tính toán sự an toàn của kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy Trong 3 quan điểm tính toán trên, tính toán sự an toàn của kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy sát với thực tế hơn cả vì nó có x ét đ ến các sai lệch ngẫu nhiên của các tham số tính toán có trong thực tế

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

Từ những năm đầu thế kỷ 20, việc tính toán đ ánh giá an to àn cho kết cấu được mô hình hóa ở dạng ứng suất cho phép v à m ột h ệ

số an toàn, sau đó tính toán và kiểm tra theo trạng thái giới hạn Một số điểm mốc quan trọng trong quá trình phát triển như sau:

Những công trình đầu tiên về độ tin cậy trong cơ học k ết c ấu đ ược công bố bởi Mayer và Khôialốp Thực tế, những ứng dụng của phương pháp thống kê vào cơ học kết cấu đã được bắt đầu từ 1935 Năm 1981 B.V.Gnhedenco, B.V.Beliav, Iu.K.Xoloviev đã trình bày “Những phương pháp toán học trong lý thuyết độ tin cậy” một cách có hệ thống về quan niệm thiết kế theo độ tin cậy

Lý thuyết độ tin cậy được sử dụng làm cơ sở của quá trình cải tiến của các tiêu chuẩn thiết kế Hiện nay việc tính toán kết cấu theo chỉ số

độ tin cậy đã được đưa vào tiêu chuẩn một số nước như Trung Quốc, các nước châu Âu và tổ chức tiêu chuẩn quốc tế như Tiêu chuẩn ISO 2394-1998: Nguyên lý chung về độ tin cậy của kết cấu công trình

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CÔNG TRÌNH

2.2.1 Chỉ số độ tin cậy β:

Để thuận lợi cho việc tính toán, trong ứng dụng người ta thường dùng chỉ số độ tin cậy , nó tương ứng với xác suất tin cậy Ps (hay là xác suất từ chối Pf)

Giá trị  càng lớn cho thấy độ tin cậy càng cao hay xác suất phá

hủy càng thấp và chỉ số  được xác định theo công trình sau:

2 S 2

R

S R

+

Sử dụng bảng tra hàm () ta có một số cặp giá trị của  và Pf

và suy ra PS theo bảng tra bên dưới

 2.25 3.25 3.75 4.25 4.75 5.25

Pf 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

PS 0.99 0.999 0.9999 0.99999 0.999999 0.9999999

Mô hình giao thoa thể hiện xác suất không an toàn

Ý nghĩa hình học của PS và Pf

2.2.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác định chỉ số độ tin cậy :

a Mô hình tuyến tính hóa hàm phi tuyến

b Sơ đồ khối biểu diễn các bước thực hiện tính toán độ tin cậy

2.3 ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU GIÀN THEO LÝ THUYẾT

ĐỘ TIN CẬY

Để đánh giá độ tin cậy của hệ nhiều phần tử theo quan niệm sơ

đồ điện ta phải xác định hai yếu tố: Tìm sơ đồ độ tin cậy của hệ dạng hỗn hợp và xác định độ tin cậy của từng phần tử trong hệ

Trên sơ đồ hệ giàn xác định ứng suất các thanh do tải trọng Căn cứ cường độ vật liệu (giới hạn bền) và các độ lệch tiêu chuẩn để xác định chỉ số 

Áp dụng công thức tính độ tin cậy của hệ nối tiếp để xác định

độ tin cậy của toàn giàn Từ độ tin cậy PS của toàn giàn tính ngược

ra chỉ số  của toàn giàn theo công thức PS = -1()

Sơ đồ thuật toán được thể hiện như sau:

2.4 DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

Đối với kết cấu công trình, tuổi thọ được đo bằng thang thời gian tính theo năm, được tính từ thời điểm công trình hoàn thành và đưa vào khai thác sử dụng cho đến khi chuyển sang trạng thái giới hạn

Có nhiều phương pháp xá định tuổi thọ của kết cấu cô ng trìn h như: Theo chỉ số độ tin cậy  hoặc theo quan điểm tổn thương tích lũy hoặc theo chỉ số độ tin cậy  mục tiêu

Trong luận văn xác định tuổi thọ kết cấu công trình theo ch ỉ số

độ tin cậy  mục tiêu Trong bài toán xét đến ăn mòn Khi đó, hàm chỉ số (t) được xác định theo công thức:

2 2

)()

(

S R

t S R t

R là giới hạn bền của vật liệu

Ta có được Biểu đồ suy giảm chỉ số  theo thời gian do ăn mòn

Căn cứ vào chỉ số  mục tiêu sẽ xác định được khoảng thời gian

t mà trong đó chỉ số ≥ mục tiêu

Mặt khác cũng dự tính các mốc thời gian và giá trị  tương ứng, qua đó kiến nghị thời gian cần bảo dưỡng, sửa chữa để phục hồi khả năng làm việc của kết cấu nhịp cầu

CHƯƠNG 3 DỰ BÁO TUỔI THỌ CỦA CẦU GIÀN THÉP

TẠI KM2+250, QUỐC LỘ 14E THEO CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cầu tại Km2+250, Quốc lộ 14E là chiếc cầu thép được sử dụ ng lại từ việc tháo cây cầu De Lattre ở Đà Nẵng, do hãng Effel chế tạo, năm 1951 người Pháp xây dựng, có chiều dài 216m

Kết cấu cầu: Giàn thép, từ nhịp 1 đến nhịp 5, khổ cầu rộng 7.28m, bản mặt cầu bằng thép; từ nhịp 6 đến nhịp 7, khổ cầu rộng 6.74m b ản mặt cầu bằng BTCT, chiều dài nhịp L=30.8m; mố cầu bằng BTCT

3.2 PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU NHỊP

3.2.1 Phân tích tính toán ứng suất của kết cấu nhịp

Bài toán tiền định là bài toán tại thời điểm cầu m ới đ ược x ây dựng năm 1951, đây là năm đầu tiên bắt đầu tính ăn mòn

Sử dụng phần mềm Midas Civil, Version 2019 để tính toán

Kết quả mô hình kết cấu nhịp cầu

Tải trọng tác dụng gồm: Tải trọng bản thân (DC); tải trọ n g lớp phủ mặt cầu (DW); Hoạt tải HL93 theo 22TCN 272-05

Ta có sơ đồ tên gọi các thanh giàn chủ như sau:

Chương trình tự động tính toán và xuất kết quả giá trị bao ứng suất trong các thanh giàn theo mô hình tiền định Theo sơ đ ồ th anh giàn và kết quả ứng suất của trường hợp bất lợi như sau:

Stt Tên thanh Tung độ bao ứng suất (KN/m2)

max min xét

1 BT 3 (Thanh biên trên) -15,386 -115,270 -115,270

2 BD 6 (Thanh biên dưới) 111,110 64,666 111,110

3.2.2.1 Lựa chọn tham số ăn mòn tại cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E:

- Chiều dày ăn mòn theo công thức:  = 0 e−t (cm)

Trong đó:  = 0.002-0.004

- Trong khoảng thời gian khai thác cầu đến thời điểm k hảo sát (từ năm 1951 đến năm 2019) đã trải qua 68 năm, theo s ố liệ u k h ảo sát thực tế kết cấu nhịp cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E, tại các thanh biên trên và dưới ăn mòn nhiều nhất, có vị trí đã bị gỉ sét

ăn mòn sâu đến 2.24mm Xác định hệ số ăn mòn  một cách gần đúng như sau: Với chiều dày ban đầu 0=10mm, hiện nay còn lại

=7.76cm trong khoảng thời gian t=68 năm Ta được =0.00373

- Vậy xác định chiều dày ăn mòn tại cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E theo công thức:   = 0 e−0.00373t (cm) Từ đó, khảo sát ăn mòn tiết diện cho các cấu kiện của kết cấu nhịp cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E trong các năm tiếp theo

3.2.2.2 Xác định tiết diện sau ăn mòn của cầu g ià n thép tạ i Km2+250, Quốc lộ 14E theo thời gian:

- Hiện tại công trình đã qua 68 năm sử dụng, khảo sát sự ăn mòn của kết cấu với các khoảng thời gian 10 năm tiếp theo

- Kết quả ăn mòn và chiều dày còn lại của các thanh cấu kiện Năm

khảo sát Cấu kiện

điểm hiện nay (2019):

3.2.3.1 Xét đối với hoạt tải HL93:

Xét kết cấu nhịp cầu giàn thép tại Km2+250, Qu ốc lộ 1 4 E hiện nay đã bị suy giảm tiết diện do ăn mòn và sự biến đổi tải trọng.Thực hiện đánh giá độ tin cậy theo phân phối chuẩn với độ lệch giới hạn bền 5%, độ lệch chuẩn của hoạt tải theo tương ứng: 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30%

Công thức xác định độ tin cậy:

2 S 2

R Xˆ

Xˆ

SRβ

+

−

=

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

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

R

X ˆ : là độ lệch chuẩn của giới hạn bền

S

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

Mô hình hóa kết cấu nhịp cầu trên phần mềm Mid as Kết q uả ứng suất nội tại trong các loại thanh giàn được tổng hợp như sau

Trường hợp tải trọng Ứng suất lớn nhất  max (kN/m 2 )

Từ đó xác định chỉ số  về bền ứng với các mức độ lệch hoạt tải

Trường hợp tải trọng Chỉ số độ tin cậy 

3.2.3.2 Xét đối với hoạt tải 0.65HL93

- Tính tương tự với hoạt tải HL93, học viên tiến hành tính toán tương tự với hoạt tải 0.65HL93

Kết quả ứng suất tính toán như sau:

Trường hợp tải trọng Ứng suất lớn nhất  max (kN/m 2 )

Từ đó xác định chỉ số  về bền ứng với các mức độ lệch hoạt tải

Trường hợp tải trọng Chỉ số độ tin cậy 

Với kết quả tính toán và biểu đồ quan hệ trên ta nhận thấy thanh BT3 là bất lợi nhất vì có chỉ số độ tin cậy  thấp nhất n ên x ác đ ịn h

độ tin cậy của toàn hệ bằng độ tin cậy của thanh BT3 Như v ậy, với giá trị mục tiêu ≥ 3.5, thì cầu chỉ đảm bảo độ tin cậy với hoạt tải k h ai thác 0.65 HL93 và cho phép độ lệch hoạt tải không vượt quá 13%

3.2.3.3 Xét đối với hoạt tải 0.5HL93

Tương tự đánh giá khả năng khai thác của kết cấu nhịp với tải trọng 0.5HL93 ta có được kết quả như sau

Trường hợp tải trọng Ứng suất lớn nhất  max (kN/m 2 )

Trường hợp tải trọng Chỉ số độ tin cậy 

Như vậy, với giá trị mục tiêu ≥ 3.5, thì cầu đảm bảo độ tin cậy với hoạt tải khai thác 0.5HL93 và cho phép độ lệch hoạt tải kh ông v ượt quá 30%

3.2.3.4 Tổng hợp kết quả đánh giá đối với từng cấp tải trọng

Trường hợp tải trọng Chỉ số độ tin cậy 

Từ biểu đồ ta nhận thấy sự suy giảm chỉ số độ tin c ậy d o b iến động tải trọng là rất lớn, chỉ số độ tin cậy suy giảm nhanh

Từ kết quả tổng hợp và biểu đồ quan hệ và mục tiêu ≥ 3.5 thì:

- Đối với hoạt tải HL93: Cầu không đảm bảo độ tin cậy

- Đối với hoạt tải 0.65HL93: Cầu đảm bảo độ tin cậy và cho phép độ lệch hoạt tải tối đa 13%

- Đối với hoạt tải 0.5HL93: Cầu đảm bảo độ tin cậy và cho phép

độ lệch hoạt tải khai thác tối đa 30%

3.3 KHẢO SÁT SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY DO ĂN MÒN KẾT CẤU NHỊP CẦU KHI XÉT ĐỒNG THỜI BIẾN ĐỘNG TẢI TRỌNG

Với kết quả đánh giá khả năng khai thác của kết cấu nhịp cầu giàn thép tại Km2+250, Quốc lộ 14E ở mục 3.2, chúng ta nhận thấy cầu chỉ đảm bảo độ tin cậy với hoạt tải khai thác 0.65HL93 và 0.5HL93 nên phần này học viên chỉ khảo sát sự suy giảm độ tin cậy do ăn mòn kết cấu nhịp khi xét đồng thời biến động tải trọng ở 2 c ấp: 0.65HL93 v à 0.5HL93

3.3.1 Xét đối với hoạt tải 0.65HL93:

- Khảo sát sự suy giảm độ tin cậy do ăn mòn kết cấu theo k ết qu ả

ăn mòn trong từng khoảng 10 năm, đồng thời với trường hợp độ lệch hoạt tải 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30%, độ lệch giới hạn bền 5%

- Phương pháp tính tương tự, chúng ta chỉ thay đổi tiế t d iệ n d o

ăn mòn tương ứng với kết quả tính toán ăn mòn theo từng năm khảo sát, ta được kết quả và lập thành các bảng giá trị sau tương ứng với các năm khảo sát

3.3.2 Xét đối với hoạt tải 0.5HL93:

- Phương pháp tính tương tự, chúng ta chỉ thay đổi tiế t d iệ n d o

ăn mòn tương ứng số liệu theo từng năm khảo sát, ta được kết quả và lập thành các bảng giá trị sau tương ứng với các năm khảo sát