Tài liệu 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

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 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GVC.TS. NGUYẾN VĂN MỸ 2. TS. HOÀNG TRỌNG LÂM Đà Nẵng - Năm 2018 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 MỤC LỤC 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 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 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 highspeed 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 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang Chiều rộng tiêu chuẩn các yếu tố mặt cắt ngang trên đường cao tốc theo TCVN 5729:2012 (m) Phân cấp lan can phòng hộ theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn Mỹ NCHRP 350 và Roadside Design Guide 4th Edition) 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 phòng hộ theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn Anh EN 1317 - 1998) Phân cấp lan can phòng hộ theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn Trung Quốc JTG/T D81-2006) Bảng so sánh một số thông số giữa xe mô phỏng và xe thực tế Năng lượng va chạm thu được sau khi mô phỏng thay đổi các góc va chạm khác nhau Ma trận các trường hợp khảo sát để đưa vào phần mềm mô phỏng 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 α 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  28 3.5 3.6 Diễn biến va chạm điển hình theo thời gian Năng lượng va chạm thu được khi thay đổi góc α 59 62 3.7 Năng lượng thu được khi thay đổi góc  65 3.8 Các kích thước hình học tối ưu 69 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 6 7 8 8 9 54 56 58 58 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 2.1 Tên hình Trang Bố trí mặt cắt ngang đường cao tốc theo TCVN 5729:2012 Lan can phòng hộ cáp Căng chỉnh lực căng dây cáp của hệ lan can phòng hộ cáp Lan can phòng hộ thép hình sóng đơn Một số loại lan can phòng hộ thép hình Lan can phòng hộ thép hình với sóng đôi Lan can phòng hộ con lăn Lan can phòng hộ con lăn Tường phòng hộ BTCT bố trí ở phần dải an toàn Lan can phòng hộ BTCT lắp ghép, bố trí ở phần dải giữa Lan can phòng hộ BTCT đổ tại chỗ, bố trí ở phần dải giữa Một số loại tường phòng hộ BTCT lề đất loại vát và loại một đỉnh bo tròn Một số cấu tạo móng tường phòng hộ BTCT lề đất và trên đỉnh Một số loại lan can phòng hộ BTCT dải phân cách giữa (loại toàn khối và loại ghép khối) Xe con va chạm với hộ lan bằng cáp mềm, thiệt hại không đáng kể Xe con đâm xuyên hộ lan tôn lượn sóng làm 01 người tử vong trên đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai Xe tải đâm qua tôn lượn sóng và bị lật trên đường cao tốc Nội Bài – Lào Cai 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 Xe con đâm vào dải phân cách rồi lật ngửa trên QL1A Xe khách đâm hỏng và leo lên dải phân cách trên QL1A (vụ tai nạn xảy ra tại Diễn Châu – Nghệ An) 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) Xe tải đâm hỏng dải phân cách và bị lật trên QL1A (vụ tai nạn tại Thạch Hà – Hà Tĩnh) Sự khác nhau trong phân tích tính toán giữa bài toán phân tích ẩn và 5 10 11 11 11 12 12 13 13 14 14 14 15 15 16 16 16 17 17 18 18 18 23 Số hiệu hình 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30 Tên hình hiện Logo khởi động phần mềm Abaqus CAE Sơ đồ khối tổng quát để thực hiện bài toán phân tích va chạm Mẫu xe Bus Hyundai Aero City Express D6HA30 Các kích thước hình học cơ bản Phần mềm Ansa Version 13.1.2 Input file mô hình 3D vào phần mềm Ansa Input file mô hình 3D vào phần mềm Ansa Hoàn thiện việc chia lưới phần tử Xuất file sang phần mềm mô phỏng Abaqus Import mô hình xe vào Abaqus Kết quả Import mô hình xe 3D vào Abaqus Hình ảnh dải phân cách giữa bê tông cốt thép trên cao tốc Hình ảnh dải phân cách giữa đang áp dụng trên tuyến cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi Tạo Part mới và dùng thanh công cụ để vẽ dải phân cách giữa Mặt cắt ngang dải phân cách giữa Chọn kéo dài mặt cắt để tạo mô hình dải phân cách 3D Mô hình dải phân cách 3D đã được vẽ xong Bảng khai báo thuộc tính vật liệu, mặt cắt và gán vật liệu cho mặt cắt Khai báo khối lượng riêng và tính chất đàn hồi của bê tông Quan hệ stress – strain của bê tông khi nén và khi uốn Quan hệ stress – strain của bê tông khi nén và khi uốn mô phỏng vào phần mềm Quan hệ stress – strain của bê tông khi nén và khi uốn mô phỏng vào phần mềm Quan hệ stress – strain của thép sử dụng cho xe khách Khai báo khối lượng riêng và tính chất đàn hồi của thép Quan hệ stress – strain của thép khi kéo mô phỏng vào phần mềm Khai báo khối lượng riêng và tính chất đàn hồi của cao su Khai báo thuộc tính mặt cắt cho dải phân cách, gán vật liệu cho dạng mặt cắt này là bê tông như đã khai báo Khai báo thuộc tính mặt cắt cho thép khung xe, gán vật liệu cho dạng mặt cắt này là thép như đã khai báo Khai báo thuộc tính mặt cắt cho bánh xe, gán vật liệu cho dạng mặt Trang 27 27 29 29 30 30 31 31 32 32 33 33 34 34 35 35 35 36 36 37 37 38 38 39 39 40 40 41 41 Số hiệu hình 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38 2.39 2.40 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.50 2.51 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Tên hình cắt này là cao su như đã khai báo Gán cấu thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện dải phân cách giữa Lắp ghép các cấu kiện xe và dải phân cách Kết quả sau khi lắp ghép cấu kiện (góc va chạm 25 độ) Các công cụ thiết lập các bước phân tích Chọn loại phân tích là Dynamic, Explicit Lựa chọn phân tích cơ bản Chọn điều kiện ràng buộc Thiết lập điều kiện ràng buộc, nếu chưa có thuộc tính của điều kiện ràng buộc thì nhấp vào biểu tượng Create Interaction Property Chọn dạng thuộc tính là ứng xử bình thường Khai báo trọng lực Khai báo khối lượng quán tính đặt lên điểm tại khung xe (bù phần khối lượng thiếu của xe khi đưa vào mô hình) Kết quả khai báo Chọn kích thước lưới Kết quả chia lưới phần tử Kết quả chia lưới phần tử Lựa chọn thiết lập điều kiện biên theo các phương Bắt đầu khai báo vận tốc Chọn toàn bộ xe và khai báo vận tốc xe di chuyển Tạo Job và submit Job để phần mềm phân tích Phần mềm đang phân tích bài toán Kết quả phân tích thể hiện ở dạng ứng suất Cấu tạo của dải phân cách đưa vào khảo sát Biểu đồ thể hiện sự thay đổi năng lượng va chạm theo góc va chạm Biểu đồ thể hiện sự thay đổi động năng theo thời gian ở các góc va chạm Sơ đồ thuật toán áp dụng cho bài toán mô phỏng Quan hệ giữa góc α và năng lượng va chạm theo vận tốc va chạm Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát V=60Km/h Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát V=80Km/h Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát V=100Km/h Trang 42 42 43 43 44 44 45 45 46 46 47 47 48 48 48 49 49 50 50 51 51 53 54 54 55 62 63 63 63 Số hiệu hình 3.9 3.10 3.11. 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 Tên hình Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát V=120Km/h Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc α, vận tốc khảo sát V=140Km/h Quan hệ giữa góc  và năng lượng va chạm theo vận tốc va chạm Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc , vận tốc khảo sát V=80Km/h Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc , vận tốc khảo sát V=100Km/h Quan hệ giữa năng lượng va chạm và góc , vận tốc khảo sát V=120Km/h 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) 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 Trang 64 64 65 66 66 66 67 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. 2 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. 2.2. Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu các thiết kế dải phân cách giữa bê tông đang áp dụng trong nước và trên thế giới. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng động trong mô phỏng va chạm động giữa các đối tượng cụ thể. Thông qua mô phỏng va chạm động giữa dải phân cách giữa với trường hợp cụ thể là xe khách với số lượng chuyên chở người lớn để khuyến nghị được thiết kế hình học kết cấu dải phân cách tối ưu với hàm mục tiêu là an toàn cho người và phương tiện tham gia giao thông. 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. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Tối ưu các thiết kế hình học cho dải phân cách giữa ứng với trường hợp mô phỏng bài toán va chạm động giữa xe khách và dải phân cách giữa bê tông. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết. - Phương pháp thực nghiệm, mô phỏng. - Phương pháp thống kê. 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. 4 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 6 “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) Lề Dải giữa Lề Mặt Mặt Cấp đường Dải an Dải an đường Cấu tạo dải đường Nền Dải Dải Trồng toàn (phần Dải an (phần toàn Trồng phân cách ô tô đường an phân cỏ (lề gia xe toàn xe (lề gia cỏ cao tốc toàn cách chạy) cố) cố) chạy) 1) Có lớp 60 0,75 2,50 7,00 0,50 0,50 0,50 7,00 2,50 0,75 22,00 phủ, không 80 0,75 2,50 7,00 0,50 0,50 0,50 7,00 2,50 0,75 22,00 bố trí trụ 100 0,75 3,00 7,50 0,75 0,75 0,75 7,50 3,00 0,75 24,75 công trình 120 0,75 3,00 7,50 0,75 0,75 0,75 7,50 3,00 0,75 24,75 2) Có lớp 60 0,75 2,50 7,00 0,50 1,50 0,50 7,00 2,50 0,75 23,00 phủ, có bố 80 0,75 2,50 7,00 0,50 1,50 0,50 7,00 2,50 0,75 23,00 trí trụ công 100 0,75 3,00 7,50 0,75 1,50 0,75 7,50 3,00 0,75 25,50 trình 120 0,75 3,00 7,50 0,75 1,50 0,75 7,50 3,00 0,75 25,50 60 0,75 2,50 7,00 0,50 3,00 0,50 7,00 2,50 0,75 24,50 3) Không có 80 0,75 2,50 7,00 0,50 3,00 0,50 7,00 2,50 0,75 24,50 lớp phủ 100 0,75 3,00 7,50 0,75 3,00 0,75 7,50 3,00 0,75 27,00 120 0,75 3,00 7,50 0,75 3,00 0,75 7,50 3,00 0,75 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) Vận Góc Năng Cấp Trọng tốc va va lượng thí Loại xe lượng chạm chạm va chạm nghiệm xe (kg) (Km/h) (độ) (kJ) 50 1100C (xe con) 1,100 25 18.93 1 50 2270P (xe bán tải) 2,270 25 39.07 70 1100C (xe con) 1,100 25 37.11 2 70 2270P (xe bán tải) 2,270 25 76.57 100 1100C (xe con) 1,100 25 75.73 3 100 2270P (xe bán tải) 2,270 25 156.27 100 1100C (xe con) 1,100 25 75.73 4 100 2270P (xe bán tải) 2,270 25 156.27 90 10000S (Xe tải trục đơn) 10,000 15 209.13 100 1100C (xe con) 1,100 25 75.73 5 100 2270P (xe bán tải) 2,270 25 156.27 80 36000V (Xe đầu kéo/xe kéo hàng) 36,000 15 594.85 100 1100C (xe con) 1,100 25 75.73 6 100 2270P (xe bán tải) 2,270 25 156.27 80 36000V (Xe đầu kéo/xe kéo dầu) 36,000 15 594.85 8 Bảng 1.3. Phân cấp lan can phòng hộ đường cao tốc theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn Nhật Bản 1998 và 2004) Năng Phân cấp lan can Trọng Vận tốc va Góc va lượng lượng xe chạm chạm va Lan Lan can Lan can (tấn) (Km/h) (0 ) chạm** can lề giữa bộ hành (kJ) A Am Ap >45 >130 SC SCm SCp SB SBm SBp SA SAm - >80 >420 SS SSm - >100 >650 >50 25 >160 >65 15 >280 Bảng 1.4. Phân cấp lan can phòng hộ theo năng lượng va chạm (tiêu chuẩn Anh EN 1317 - 1998) Vận tốc va Trọng lượng Góc va Năng lượng Cấp thí chạm xe chạm va chạm Loại xe nghiệm 0 (Km/h) (tấn) () (kJ) TB11 100 0.9 20 40,6 Xe con TB21 80 1.3 8 6,21 Xe con TB22 80 1.3 15 21,5 Xe con TB31 80 1.5 20 43,32 Xe con TB32 110 1.5 20 81,9 Xe con TB41 70 10 8 36,6 Xe tải TB42 70 10 15 126,63 Xe tải TB51 70 13 20 287,48 Xe bus TB61 80 16 20 462,13 Xe tải TB71 65 30 20 572,0 Xe tải TB81 65 38 20 724,57 Xe kéo mooc