Khảo sát đánh giá hư hỏng Khung BTCT sân vận động

Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ nhất về
Sự cố công trình và các nguyên nhân
khảo sát, đánh giá h hỏng kết cấu khung bê tông
cốt thép sân vận động Đồng hới, quảng bình
TS. Nguyễn Xuân Chính
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.
Tóm tắt: Trong những năm gần đây ngành xây dựng dân dụng công nghiệp nớc ta đã
có những bớc phát triển mạnh mẽ, nhiều công trình đợc xây dựng có chất lợng cao,
song cũng không ít công trình đã xẩy ra sự cố h hỏng gây tổn thất lớn. Một số công
trình có kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực bị h hỏng bởi nhiều nguyên nhân khác
nhau, đòi hỏi phải tiến hành khảo sát, đánh giá và xác định nguyên nhân h hỏng nhằm
đa ra biện pháp xử lý có hiệu quả nhất. Báo cáo này trình bày việc đánh giá sự cố sân
vận động Đồng Hới tỉnh Quảng Bình theo lý thuyết độ tin cậy.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu xây dựng đang sử dụng phơng pháp
trạng thái giới hạn là phơng pháp bán xác suất, độ tin cậy của kết cấu thiết kế theo ph-
ơng pháp này đợc bảo đảm thông qua các hệ số thành phần: hệ số độ tin cậy của tải
trọng, của vật liệu, hệ số điều kiện làm việc, hệ số về tầm quan trọng của công trình.
Tuy vậy, trong thực tế một số công trình vẫn bị h hỏng. Nhiều kết quả nghiên cứu lý
thuyết cũng nh kết quả khảo sát, đánh giá sự cố các công trình thực tế cho thấy rằng sự
biến động của các tham số trong thiết kế, quá trình thi công và sử dụng có ảnh hởng rất
lớn đến độ bền vững và an toàn của công trình, song phơng pháp tính toán thiết kế hiện
nay cha phản ánh hết đợc sự biến động đó. Sử dụng lý thuyết độ tin cậy vào việc tính
toán, đánh giá kết cấu sẽ phản ánh một cách đầy đủ hơn tính chất ngẫu nhiên của các
thông số tính toán và mối liên hệ giữa các yếu tố tác động bên ngoài với độ bền của kết
cấu.
Đánh giá độ tin cậy của kết cấu bê tông cốt thép hiện hữu đợc thực hiện theo các nội
dung sau đây:
1. Kiểm tra, khảo sát công trình, xử lý số liệu thu đợc;
2. Lập sơ đồ chịu lực thực tế của công trình;
3. Tính toán độ lệch chuẩn theo các thông số và khả năng chịu lực của kết cấu theo số

liệu thực tế;
4. So sánh kết quả tính toán với thiết kế hoặc so sánh với tiêu chuẩn quy định;
5. Đánh giá độ tin cậy của kết cấu;
6. Kết luận ( có thể đề xuất phơng hớng và biện pháp xử lý).
2. Nội dung khảo sát và đánh giá
Đối với các kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực việc khảo sát, thí nghiệm hiện tr-
ờng và thí nghiệm trong phòng cần cung cấp đợc các thông tin chủ yếu nh: tính chất cơ
lý của bê tông và cốt thép, kích thớc hình học của các bộ phận kết cấu, tải trọng tác
động lên kết cấu.
Sử dụng các chơng trình tính toán kết cấu thông dụng nh: STAAD III, SAP 90, SAP
2000 để tính toán nội lực của kết cấu và sử dụng các chơng trình chuyên dùng để tính
phơng sai và độ lệch chuẩn của các tham số, khả năng chịu lực của kết cấu, trên cở sở
đó đánh giá độ tin cậy của kết cấu.
Các bớc thực hiện phơng pháp đánh giá độ tin cậy của khung
Trong đó: P - Độ tin cậy của khung; P
i
- Độ tin cậy của cấu kiện thứ i
P
min
- Độ tin cậy thấp nhất của cấu kiện chịu lực trong khung.
Dới đây trình bày các bớc đánh giá độ tin cậy của khung bê tông cốt thép sân vận động
thị xã Đồng Hới tỉnh Quảng Bình, đây là một trong những kết cấu quan trọng và là kết
cấu chịu lực chủ yếu của hệ thống khán đài thuộc sân vận động này.
Công trình đợc thiết kế vào năm 1994 và bắt đầu thi công vào năm 1995, để tính toán
thiết kế, đơn vị thiết kế đã sử dụng các tiêu chuẩn: TCVN 2737 -1990, Tải trọng và tác
động -Tiêu chuẩn thiết kế; TCVN 5574-1991 Kết cấu bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn
thiết kế.
Quá trình thi công kéo dài trong 3 năm và khi công trình cha đa vào sử dụng thì đã xẩy
ra h hỏng ở nhiều kết cấu chịu lực quan trọng. Để xác định nguyên nhân gây h hỏng
Đặc trjng

ngẫu nhiên
của vật liệu
và hình học
Đặc trjng ngẫu
nhiên của
tải trọng
Tính nội lực của
khung theo kỳ vọng
bằng phjơng pháp
PTHH (F)
Tính nội lực của khung
khi có tác động của các
yếu tố ngẫu nhiên F
xi
Tính phjơng sai nội lực
của các phần tử khung
S
xi
=
Tính phjơng sai khả
năng chịu lực của các
phần tử khung
Tính độ tin cậy của các
phần tử khung
Đánh giá độ tin cậy của
khung
P p
min
công trình và đa ra giải pháp gia cờng sửa chữa, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
đã tiến hành khảo sát, kiểm tra và đánh giá chất lợng công trình này.

Theo thiết kế, khung K-13 là khung bê tông cốt thép thuộc khán đài A (khán đài cao
nhất của công trình). Mác bê tông thiết kế là 200, cốt thép nhóm CII (AII). Sơ đồ
khung đợc thể hiện trên hình 1.
Công tác khảo sát, kiểm tra chất lợng công trình bao gồm các nội dung sau:
Kiểm tra cờng độ bê tông bằng phơng pháp khoan lấy mẫu và súng bật nẩy;
Kiểm tra cờng độ cốt thép bằng cách lấy mẫu thép ở công trình và xác định các
tính chất cơ lý trong phòng thí nghiệm;
Xác định đờng kính cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ bằng thiết bị điện từ
và đục kiểm tra đối chứng tại một số vị trí của kết cấu.
Xác định kích thớc hình học cấu kiện, kết cấu bằng cách đo trực tiếp tại nhiều vị
trí của kết cấu.
Tất cả các số liệu thí nghiệm đo đạc đợc xử lý theo phơng pháp thống kê toán học.
Hình 1. Sơ đồ khung bê tông cốt thép K13
Trình tự các bớc đánh giá độ tin cậy của khung nh sau:
Bớc 1: Xử lý số liệu thí nghiệm theo kết quả kiểm tra, khảo sát thực tế của công trình.
Về cờng độ bê tông, để bảo đảm độ chính xác đã căn cứ vào kết quả thí nghiệm
mẫu khoan tại 3 vị trí đại diện trên khung và kết quả kiểm tra độ cứng bề mặt
bằng súng bật nẩy tại nhiều vùng của khung, mỗi cấu kiện tối thiểu 3 vùng, một
vùng tối thiểu 9 điểm. Đối với cốt thép, do khả năng lấy mẫu trong công trình
hạn chế nên đã sử dụng thêm các số liệu thí nghiệm kiểm tra trong quá trình thi
công. Các số liệu về kích thớc hình học của cấu kiện đợc thực hiện thuận lợi vì
khung không bị các kết cấu khác che lấp. Toàn bộ số liệu đợc xử lý thống kê và
đa vào trong bảng 1.
Bảng 1. Giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn các tham số của khung K13
Tên
cấu
kiện
R
n
kG/cm

2
S
Rn
kG/cm
2
R
a
kG/cm
2
S
Ra
kG/cm
2
b
cm
S
b
cm
h
cm
S
h
cm
a
cm
C1 86 18 2830 12 25 0,1 48,5 0,4 4,5
C2 86 18 2830 12 25 0,0 53 0,5 5,0
C3 86 18 2830 12 35 0,0 58,5 0,5 5,5
C4 86 18 2830 12 35 0,0 58,5 0,5 5,5
C5 86 18 2830 12 35 0,1 65 0,5 6,0

C6 86 18 2830 12 25 0,0 48,5 0,4 4,5
C7 86 18 2830 12 25 0,0 30 0.3 3.0
C9 86 18 2830 12 25 0,0 96 0,75 6,0
C11 86 18 2830 12 25 0,0 48,5 0,45 4,5
C19 86 18 2830 12 25 0,0 48,5 0,45 4,5
D8 86 18 2830 12 25 0,3 73 0,8 5,0
D10 86 18 2830 12 25 0,25 53,5 0,6 5,0
D12 86 18 2830 12 25 0,25 36,5 0,3 3,5
D13 86 18 2830 12 25 0,25 36,5 0,3 3,5
D14 86 18 2830 12 25 0,25 41,5 0,3 3,5
D15 86 18 2830 12 25 0,25 41,5 0,3 3,5
D16 86 18 2830 12 25 0,25 41,5 0,3 3,5
D17 86 18 2830 12 25 0,25 72,4 0,75 5,6
D18 86 18 2830 12 25 0,25 72,5 0,75 5,5
Bớc 2: Lập sơ đồ chịu lực thực tế của khung:
Do có những sai khác về kích thớc hình học của các tiết diện, về cờng độ bê tông
và cốt thép, để tính độ tin cậy cần phải tính lại nội lực của khung theo các số liệu
thực tế. Kết quả tính lại nội lực cho trong bảng 2.
Bảng 2. Giá trị nội lực trong khung K13.
Khung : K13p
Đon vị tính toán : METER MTON
Tổng số nút : 17
Tổng số phần tử : 19
Số cột : 10 Bê tông mác : 200 Cốt thép loại : A2
9 : 250x 980
7 : 250x 300
1 6 11 19 : 250x 485
2 : 250x 530
3 4 : 350x 585
5 : 350x 650

Số dầm : 9 Bê tông mác : 200 Cốt thép loại : A2
8 14 15 17 18 : 250 x 780
10 : 250 x 585
16 : 250 x 450
12 13 : 250 x 400
Tổng số trờng hợp tai trọng : 4
Tổng số phong án tổ hợp : 1
Phong án TH 1 : 1 1 2 1 3 .9 4 .9

Nội lực các P.A tổ hợp
P.A tổ hợp : 1
Cột
SPT Nút |M|max Ntu1 |M|min Ntu2 |N|max Mtu1 |N|min Mtu2 |Q|max
1 1 17.75 26.64 9.04 14.30 30.10 15.13 14.30 9.04 -9.16
2 16.61 -27.89 8.20 -15.55 -15.55 8.20 -31.35 14.05
2 3 13.31 69.03 5.85 38.22 70.55 8.56 38.09 12.72 -9.18
4 21.11 -70.40 10.03 -39.59 -39.46 16.53 -71.92 16.91
3 5 -8.48 50.10 -17.49 63.67 70.58 -14.94 44.42 -12.90 15.13
6 11.78 -63.95 2.80 -50.38 -44.70 9.09 -70.86 7.65
4 2 -8.20 15.55 -16.61 27.89 31.35 -14.05 15.55 -8.20 -9.16
7 26.68 -28.51 13.24 -16.17 -16.17 13.24 -31.97 22.60
5 4 -10.03 39.59 -21.11 70.40 71.92 -16.91 39.46 -16.53 -9.18
8 29.38 -70.96 13.86 -40.15 -40.02 23.56 -72.48 23.03
6 1 -1.06 12.63 -2.54 25.45 28.98 -1.68 12.63 -1.06 -1.47
9 6.47 -24.45 2.60 -11.63 -11.63 2.60 -27.98 6.08
7 10 1.16 31.90 -0.52 28.02 37.95 0.73 22.91 -0.35 0.42
11 0.07 -30.95 -0.83 -27.07 -21.96 -0.68 -37.00 -0.26
9 12 14.33 0.97 8.67 2.86 2.86 8.67 0.89 14.16 11.12
13 12.36 0.79 4.47 -1.18 0.79 12.36 -1.18 4.47
11 15 -5.29 49.85 -12.94 62.90 70.42 -10.75 43.36 -9.50 7.15

5 -8.48 -51.25 -17.49 -64.30 -44.76 -12.90 -71.82 -14.94
19 10 2.39 41.63 -1.88 66.97 68.65 1.35 41.63 2.39 1.88
15 7.40 -63.80 2.98 -48.64 -43.55 5.77 -70.57 6.26

Dầm
SPT i Mmax Mmin |Q|max Mmax Mmin |Q|max j Mmax Mmin |Q|max
8 9 14.29 0.00 14.60 | -6.07 1.16 -2.66 | 10 -24.58 2.24 16.75
10 11 27.92 0.00 16.99 | 7.79 0.00 5.94 | 14 0.00 0.00 0.00
12 3 9.81 0.00 3.92 | 0.96 0.00 3.23 | 1 6.34 0.00 -2.54
13 1 8.88 0.00 3.73 | -1.55 0.00 2.87 | 15 5.53 0.00 0.58
14 3 55.53 0.00 24.29 | 26.73 0.00 16.88 | 16 -8.29 0.00 -9.47
15 3 54.22 0.00 23.80 | 10.09 0.00 8.37 | 9 -8.20 0.00 4.07
16 16 8.29 0.00 5.81 | 4.03 0.00 5.52 | 17 0.00 0.00 -5.24
17 11 27.66 0.00 17.19 | -1.33 0.00 5.85 | 13 12.36 0.00 -4.88
18 10 25.95 -3.47 19.98 | -10.50 0.83 11.40 | 12 14.33 0.00 -3.63
Bớc 3 : Tính độ lệch chuẩn và khả năng chịu lực của khung theo số liệu thực tế, xác
định xác suất tin cậy của các cấu kiện của khung.
Sử dụng các chơng trình tính phơng sai, độ lệch chuẩn, xác suất tin cậy để tính cho
từng cấu kiện. Kết quả đợc cho trong bảng 3 và bảng 4.
Bảng 3. Xác suất tin cậy của các cột trong khung
Tên cấu
kiện
Lực dọc
N(thiết kế)
(T)
Khả năng
chịu lực thực
tế (T)
Độ lệch
chuẩn S

(T)
Xác suất
h hỏng P
f
Xác suất
tin cậy P
s
C1 26,678 31,268 2,347 0,0250 0,9750
C2 70,596 74,535 8,458 0,3192 0,6808
C3 64,006 90,412 10,669 0,0065 0,9935
C4 28,608 65,519 0,309 0 1
C5 71,156 81,526 10,053 0,1515 0,8485
C6 24.386 40,771 4,040 0 1
C7 37,080 73,336 9,353 0,0001 0,9999
C9 1,040 155,445 0,018 0 1
C11 64,624 69,757 7,584 0,2482 0,7518
C19 64,002 69,917 10,671 0,2911 0,7089
Xác suất tin cậy của cột và dầm đợc xác định theo các công thức sau:

( )









=

NN
te.t
f
te.n
S
NN
P
2
1
2
1










=
)MM
(
te.t
f
te.t
S
MM
P

2
1
2
1
P
s
= 1- P
f

Trong đó: P
s
- Xác suất tin cậy; P
f
- Xác suất h hỏng;
N
tte
, M
tte
- Nội lực trong khung tính theo các số liệu thực tế; N, M - Nội lực trong
khung tính theo thiết kế;
S
(

Ntte
-

N)
; S
(

Mtte
-

M)
- Độ lệch chuẩn của nội lực ; Giá trị của hàm tra theo bảng.

Bảng 4. Xác suất tin cậy của các dầm trong khung
Tên cấu
kiện
Momen
M(thiết kế)
(Tm)
Khả năng
chịu lực thực
tế (Tm)
Độ lệch
chuẩn S
(Tm)
Xác suất h
hỏng P
f
Xác suất
tin cậy
P
s
D8 24,591 56,298 6,19 0 1
D10 28,010 26,530 1,57 0,8264 0.1736
D12 9,3400 7,70 0,13 1 0
D13 8,6200 7,70 0,13 1 0
D14 55,580 58,02 4,61 0,2980 0,7020

D15 54,670 58,02 4,61 0,2327 0,7673
D16 8,2900 12,14 0,19 0 1
D17 27,760 21,79 0,26 1 0
D18 26,040 64,38 3,04 0 1
Bớc 4: Đánh giá độ tin cậy của khung
Từ kết quả đợc trình bày trong bảng 3 và 4 có thể thấy rõ rằng khung K13 có độ tin cậy
rất thấp. Nhiều cấu kiện có độ tin cậy bằng 0 (D12, D13, D17), điều này cũng phản
ánh đúng với thực trạng công trình. Trên thực tế công trình cha đa vào sử dụng thì đã
xuất hiện nhiều h hỏng (khung có nhiều vết nứt vợt quá tiêu chuẩn cho phép). Mặt
khác qua kết quả kiểm tra cờng độ bê tông cho thấy đã gần 4 năm kể từ ngày thi công
xong hệ khung bê tông cốt thép mà bê tông chỉ đạt xấp xỉ mác 200, điều đó cũng
chứng tỏ rằng cờng độ bê tông trong thời gian đầu thấp hơn nhiều so với mác thiết kế;
đây cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến h hỏng công trình.
3. kết luận
Qua kết quả khảo sát, đánh giá h hỏng khung bê tông cốt thép khán đài A sân vận động
Đồng Hới, Quảng Bình có thể thấy rất rõ sự bất hợp lý trong khâu thiết kế, nhiều bộ
phận kết cấu khung có độ tin cậy rất thấp, trong lúc đó lại có những bộ phận kết cấu l -
ợng cốt thép đợc bố trí vợt quá nhiều so với yêu cầu chịu lực, gây lãng phí. Đây là tình
trạng thờng xẩy ra ở một số địa phơng khi lực lợng kỹ s làm công tác thiết kế còn thiếu
những kiến thức cơ bản về lý thuyết kết cấu công trình, những hiểu biết về cấu tạo kết
cấu cũng nh thiếu các phơng pháp tính toán và kiểm tra tính đúng đắn và tin cậy của
các hồ sơ thiết kế.
Chất lợng công trình không bảo đảm yêu cầu của thiết kế, kể cả công tác bê tông, cốt thép và
công tác hoàn thiện.
áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào việc đánh giá sự cố công trình dạng khung chịu lực cho
ta biết mức độ an toàn của các bộ phận kết cấu và toàn bộ kết cấu nói chung, trên cơ sở
đó tiến hành tính toán kiểm tra lại khả năng chịu lực của kết cấu bằng cách lựa chọn các
thông số sử dụng trong thiết kế gia cờng xử lý nhằm bảo đảm độ bền tuơng đối đồng đều
của kết cấu, từ đó đề xuất biện pháp xử lý có hiệu quả nhất.
Đối với công trình sân vận động Đồng Hới tỉnh Quảng Bình, sau khi đã đợc kiểm tra,

đánh giá và xác định nguyên nhân gây h hỏng, công trình đã đợc thiết kế xử lý bằng
cách gia cờng các bộ phận kết cấu bị h hỏng, bị yếu (có độ tin cậy thấp). Một số khu
vực khán đài đã phải thay đổi cả sơ đồ chịu lực.
Tài liệu tham khảo
1. Đào Hữu Hồ. Xác suất thống kê. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 1998.
2. Nguyễn Văn Phó, Nguyễn Xuân Chính. Một phơng pháp tính độ tin cậy của hệ
nhiều yếu tố. Tạp chí Cơ học, số 4-1996.
3. Nguyễn Xuân Chính. Một phơng pháp đánh giá độ tin cậy của khung bê tông cốt
thép. Tạp chí KHCN Xây dựng, số1-1997.
4. Nguyễn Xuân Chính. áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào tiêu chuẩn thiết kế. Tạp chí
KHCN Xây dựng, số3-1998.
5. Nguyễn Xuân Chính. Lý thuyết độ tin cậy trong việc xem xét và áp dụng tiêu
chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép. Tuyển tập Hội nghị Cơ học vật rắn biến
dạng toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội 1999.
6. TCVN 2737-1995. Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế.
7. TCVN 5574-1991. Kết cấu bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế.
8. Báo cáo kết quả khảo sát h hỏng sân vận động thị xã ĐH tỉnh QB. Viện KHCNXD
10-1999.
9.Paộỗep B. . Teopố ớọáổớợủũố õ ủũợộũồởỹớợỡ ùợồờ-ũốợõớốố. ẩỗọũồởỹủũõợ ẹ. è.
1998.
10. Palle Thoft-Christensen, Michael J. Baker. Structural Reliability Theory and its
Application. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New-York. 1982.
11. Palle Thoft-Christensen, Yoshisada Murotsu, Application of Structural Systems
Reliability Theory. Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork Tokyo, 1986.