Trong thiết kế công trình, việc thực hiện phân tích kết cấu trên phần mềm đang trở nên phổ biến. Bài viết lần này giới thiệu phần mềm Engineer's Studio® Ver.10 được trang bị tính năng chạy phân tích FEM để cho ra kết quả ứng suất, chuyển vị, v.v., đồng thời thực hiện kiểm toán dựa trên các tiêu chuẩn của Nhật Bản như "Tiêu chuẩn kỹ thuật cầu đường" và "Tiêu chuẩn kỹ thuật về bê tông", rất hữu ích cho người dùng. Phần mềm cũng có thể xuất báo cáo tự động và biểu diễn trực quan kết quả phân tích. Ông Kunihiko cho rằng, thông thường, các phần mềm phân tích thường sử dụng cách tính toán là phân tích kết cấu khung, do đó mô hình kết cấu được biểu diễn dạng khung, kết quả phân tích cũng được biểu diễn dưới dạng bảng số liệu, khi xuất file kết quả thì dữ liệu đầu ra cũng chỉ có số liệu. Vì vậy, để giải thích trực quan đến chủ đầu tư hoặc người không có chuyên môn sâu ở mảng này, thường phải tạo thêm các biểu đồ để minh họa kết quả. Trong Engineer's Studio® Ver.10, ở bước xây dựng mô hình kết cấu, phần mềm sẽ hiển thị trực quan hình dạng mô hình kết cấu, đồng thời trong kết quả phân tích cũng có các mảng màu thể hiện tình trạng phá hoại của bê tông, cốt thép một cách dễ hiểu. Vì vậy, file xuất ra từ phần mềm này có thể được trực tiếp dùng để diễn giải kết quả phân tích, giúp tiết kiệm công sức của đơn vị thiết kế và tính toán kết cấu. Đây là một tính năng rất hiệu quả trên phương diện cải thiện năng suất làm việc. Vì vậy, ông Kunihiko đã sử dụng Engineer's Studio® Ver.10 từ khi vào làm việc tại phòng thiết kế của công ty, và ông cho biết rất hài lòng với các tính năng của phần mềm này.

Bài viết lần này sẽ giới thiệu về các dự án thực tế đã sử dụng Engineer’s Studio® Ver.10 trong nghiên cứu và phát triển công nghệ xây dựng, là mảng chuyên môn của ông Kunihiko.

Ngoài ra, Engineer's Studio® Ver.10 cho phép mô hình hóa bằng phần tử sợi, từ đó giúp nắm được tình trạng hư hỏng của trụ. Ở mặt cắt phần trên trụ, có thể thấy từ biểu đồ phân bố giới hạn chảy của cốt thép dọc và điểm mà biến dạng nén vượt qua biến dạng ở thời điểm ứng suất nén cực đại, ở trụ biên, phần hư hỏng được phân bố trên phạm vi rộng hơn (hình 5).

Hơn nữa, có thể thấy nội lực lớn sinh ra tại phần trên hoặc phần móng của trụ bất kỳ (hình 6). So sánh trụ giữa và trụ biên, ta thấy trụ biên chịu nhiều hư hỏng (ngoài phá hoại uốn) phân bố trên phạm vi rộng hơn, điều này phù hợp với tình trạng hư hỏng thực tế.

Hình 6. Phá hoại uốn tối đa của trụ

Với cách làm trên, có thể phân tích chi tiết hư hỏng do động đất gây ra bằng cách mô hình kết cấu bằng phần tử sợi và chạy phân tích giá trị riêng trong Engineer's Studio® Ver.10. Như trình bày ở trên, Engineer's Studio® Ver.10 có thể biểu diễn kết quả phân tích hư hỏng trực quan, giúp mọi người dễ dàng hiểu về tình hình thiệt hại do động đất, góp phần thúc đẩy xây dựng các biện pháp chống động đất trong tương lai.

Engineer's Studio® Ver.10 là công cụ rất hữu ích trong nghiên cứu, cải tiến công tác bảo trì, bảo dưỡng. Ở đây, họ đã phát triển phương pháp đánh giá khả năng chịu lực còn lại của công trình cầu tàu có cốt thép phần trên đã bị ăn mòn, hư hại. Đánh giá sẽ dựa trên kết quả phân tích mức độ hư hỏng của kết cấu thu được từ Engineer's Studio® Ver.10.

Trong các công trình cảng, cầu tàu hoạt động trong môi trường khắc nghiệt nhất do phải chịu tác động ăn mòn của muối. Tính đến tháng 3 năm 2020, tại Nhật Bản có khoảng 21% công trình cảng đã hoạt động trên 50 năm, tỷ lệ này ước tính sẽ đạt 43% vào tháng 3 năm 2030 và 66% vào tháng 3 năm 2040⁽⁵⁾. Đạo luật sửa đổi về cảng và công trình cảng tại Nhật Bản yêu cầu bắt buộc đơn vị quản lý công trình kiểm tra các công trình cảng, thực hiện việc duy tu bảo trì phù hợp hơn.

Theo đó, họ đã hợp tác với Đại học Công nghiệp Tokyo phát triển công nghệ đánh giá khả năng chịu lực còn lại của cầu tàu một cách tương đối dễ dàng sử dụng kết quả đánh giá mức độ hư hỏng thu được từ các đợt kiểm tra công trình định kỳ. Đối với kết quả kiểm tra kết cấu định kỳ, mức độ hư hỏng được thể hiện theo bốn giai đoạn từ mức a đến mức d. Nếu thực hiện phân tích kết cấu theo các mức độ hư hỏng này trên mô hình khung, thì có thể đánh giá khả năng chịu lực còn lại của kết cấu sử dụng Engineer's Studio® Ver.10.

Họ đã chuẩn bị mẫu thử theo các mức độ hư hỏng và đặt thử tải lên các mẫu vật đó để tính toán mô hình khung kết cấu.

Hình 8. Ví dụ kết quả thử nghiệm đặt tải

Với việc tính toán mô hình khung từ mối quan hệ tải trọng - chuyển vị thu được trong thử nghiệm đặt tải, họ đã có thể mô hình hóa kết cấu trong Engineer's Studio® Ver.10. Engineer's Studio® Ver.10 có thể tự động tính toán mô hình khung với dữ liệu đầu vào là tiết diện và bố trí thanh thép của bê tông cốt thép, hỗ trợ đắc lực trong quá trình thiết kế. Phần mềm có thể liên kết dữ liệu với Engineer's Studio® Section Ver.2 để dễ dàng kiểm toán khả năng chịu tải của mặt cắt kết cấu sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau. Mặt khác, phần mềm cho phép người dùng tự do thiết lập mô hình khung, nên trường hợp này ta có thể sử dụng mô hình khung đã được tính toán trong thử nghiệm đặt tải vừa rồi. Mô hình khung ở đây có thể được đưa về các mức độ hư hỏng bằng cách nhân độ cứng và khả năng chịu tải của mô hình khung có dầm hoạt động tốt với tỷ lệ giảm yếu. Do đó, có thể tính toán mô hình khung kết cấu dầm hoạt động tốt (giả định trước là dầm hoạt động tốt), sau đó nhân các thông số của mô hình khung đó với tỷ lệ giảm yếu để cho ra các mô hình khung dầm bị hư hỏng. Đối với tỷ lệ giảm yếu, ông Kunihiko kỳ vọng rằng tương lai, Engineer's Studio® Ver.10 sẽ phát triển thêm tính năng tự động thiết lập thông số tỷ lệ này nhằm giúp việc đánh giá khả năng chịu lực còn lại của kết cấu dễ dàng hơn.

Tiếp theo là ví dụ về đánh giá khả năng chịu lực còn lại của kết cấu cầu tàu đã xuống cấp trong thực tế

Hình 9 là mô hình kết cấu cầu tàu thực tế sử dụng để phân tích. Sau khi kiểm tra công trình, kết quả đánh giá mức độ hư hỏng được thể hiện như trong hình 10. Các dầm được khoanh tròn trong hình là các dầm có thể có thanh cốt thép bị gãy.

Hình 9. Mô hình chạy phân tích

Hình 10. Kết quả đánh giá cấp độ hư hỏng, xuống cấp

Họ sử dụng Engineer's Studio® Ver.10 để nghiên cứu xem loại phá hoại nào sẽ xảy ra khi cho chuyển động nền đất đầu vào (như hình 11) tác động lên kết cấu cầu tàu đã xuống cấp như vậy, đồng thời khả năng chịu lực còn lại ở mức nào.

Kết quả phân tích thể hiện trạng thái hư hỏng của dầm, không thể hiện hư hỏng của trụ cọc như trong hình 12, cho thấy Engineer's Studio® Ver.10 có thể đánh giá khả năng chịu lực còn lại của kết cấu cầu tàu đã bị xuống cấp, sử dụng các mô hình khung kết cấu hiệu chỉnh theo các mức độ hư hỏng. Có thể thấy rằng không chỉ riêng với kết cấu cầu tàu, cách làm tương tự còn có thể được triển khai đối với nhiều dạng kết cấu khác nhau.

Hình 12. Kết quả đánh giá khả năng chịu lực còn lại của công trình cầu tàu

Những người đã sử dụng Engineer's Studio® Ver.10 đều biết rằng đây là phần mềm rất hữu ích cho việc thiết kế đa dạng các kết cấu khác nhau, và ngoài ra phần mềm còn có thể được sử dụng cho mục đích nghiên cứu và phát triển. Chúng tôi tin rằng Engineer's Studio® Ver.10 sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong phân tích hư hỏng kết cấu gây ra bởi động đất, phát triển các biện pháp gia cố kháng chấn và duy tu bảo trì. Gần đây, công nghệ đánh giá hư hỏng kết cấu₍₆₎ sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) cũng đã được chúng tôi giới thiệu, tuy nhiên sẽ cần có nhiều phân tích kết cấu để cải thiện độ chính xác của công nghệ này. Chúng tôi hy vọng rằng Engineer's Studio® Ver.10 sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

• Shuhiko Uno, Tomoya Inaba, Masashi Kobayashi, Mitsuyoshi Akiyama: Damage analysis by 3D nonlinear dynamic analysis of railway RC rigid frame bridge damaged by the 2011 Tohoku Earthquake, JSCE Proceedings A1 (Structural and Seismic Engineering), Vol.72, No.4, pp.I_506-I_514, 2016.
• Japan Society of Civil Engineers Earthquake Engineering Committee: Final Report of Damage Analysis Subcommittee for Bridges due to the Tohoku Earthquake, 2015.
• Masashi Kobayashi, Kenji Shinoda, Koichiro Mizuno, Shinichiro Nozawa, Tadayoshi Ishibashi: Damage analysis on the Shinkansen RC rigid frame viaduct damaged by the 2011 Tohoku Earthquake, JSCE Proceedings A1 (Structural and Seismic Engineering), Vol.70, No .4, pp.I_688-I_700, 2014.
• Shuhiko Uno, Mitsuyasu Iwanami: Application of residual strength evaluation method utilizing deterioration degree judgment results to actual piers, JSCE Proceedings B3 (Ocean Development), Vol.74, No.2, pp.I_55-I_60, 2018.
• Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism: Structure Life Extension Plan (Action Plan), pp.6-7, 2021.
• Shuhiko Uno, Shiraka, Mitsuyasu Iwanami: Study on evaluation of residual strength of pier by machine learning method using image data, AI / Data Science Proceedings, Vol.1, No.J1, pp.132-141, 2020.