Phân tích độ tin cậy của hệ kết cấu dây căng sử dụng mạng nơ ron nhân tạo và phương pháp FORM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHỤNG CƠNG TỒN THỂ

PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ KẾT CẤU
DÂY CĂNG SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN
TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP FORM

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã ngành: 60 58 02 08

TP. Hồ Chí Minh, năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHỤNG CƠNG TỒN THỂ

PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ KẾT CẤU
DÂY CĂNG SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN
TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP FORM

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã ngành: 60 58 02 08

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN GIANG

TP. Hồ Chí Minh, năm 2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS. NGUYỄN VĂN GIANG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

Khổng Trọng Toàn

Chủ tịch

2

Nguyễn Hồng Ân

Phản biện 1

3

Đào Đình Nhân

Phản biện 2

4

Nguyễn Sơn Lâm

5

Trần Tuấn Nam

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHỤNG CƠNG TỒN THỂ

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18/3/1978

Nơi sinh: Long An

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
MSHV: 154.187.0016
I- Tên đề tài: Phân tích độ tin cậy của hệ kết cấu dây căng sử dụng mạng nơ ron
nhân tạo và phương pháp FORM
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Nghiên cứu và áp dụng sử dụng các lý thuyết mạng nơ ron nhân tạo và phương
pháp đánh giá độ tin cậy FORM để phân tích ổn định của mơ hình khơng gian nhà thi
đấu đa năng với kết cấu mái sử dụng cáp dây căng hình cánh cung dưới tác động của
tải trọng.
2. Phát triển thuật tốn dựa trên phần mềm tính tốn kết cấu ETABS dựng mơ hình,
SAP 2000 để phân tích nội lực của kết cấu tương ứng với các loại tải trọng khác nhau,
dùng ngơn ngữ lập trình Matlab để thiết lập các cơng thức cho bài tốn và giải các
phương trình tổng động thể của bài tốn. Trong luận văn, mơ phỏng cơng trình nhà thi
đấu đa năng làm việc với mơ hình khơng gian với kết cấu mái sử dụng cáp dây căng
hình cánh cung với số tầng cao 01 tầng, chiều dài 120m, chiều rộng 90m, chiều cao
24m. Cột, các thanh chống đứng, chống xiên, các thanh giằng hệ dàn cáp là các cấu
kiện thép, kết cấu chịu lực chính phần mái cơng trình, dây căng giữ ổn định đầu cột

tại vị trí neo cáp truyền xuống là dây cáp cường độ cao.
3. Các yếu tố ngẫu nhiên được xem xét bao gồm yếu tố tải trọng gió, nhiệt độ môi
trường; các tải trọng tác động vào công trình lấy theo tiêu chuẩn Việt Nam. Hai yếu
tố này liên tục thay đổi trong quá trình sử dụng của kết cấu và mang tính chất ngẫu
nhiên.
4. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình bằng cách so sánh kết quả của chương trình với
kết quả của các tác giả khác.ậu. Thực hiện các ví dụ số nhằm khảo sát ảnh hưởng của
các nhân tố quan trọng đến ứng xử của kết cấu từ đó rút ra kết luận và kiến nghị.
III- Ngày giao nhiệm vụ
: / /20


IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

/ /20

V- Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN VĂN GIANG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. NGUYỄN VĂN GIANG

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình thực hiện luận văn này tơi đã có tham khảo nhiều tài liệu và
nhiều luận văn trước đây của các tác giả và được trích dẫn theo đúng quy định.
Ngoài những nội dung được tham khảo và trích dẫn tơi cam đoan Luận văn “Phân

tích độ tin cậy của hệ kết cấu dây căng sử dụng mạng Nơ ron nhân tạo và phương
pháp FORM” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Giang là công trình nghiên
cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Học viên thực hiện Luận văn

Phụng Cơng Tồn Thể


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ là bài luận cuối khóa nhằm tổng hợp lại kiến thức của các mơn
học trong suốt quá trình học tập theo chương trình đào tạo Thạc sỹ của trường.
Những mơn học chính trong đề tài được sử dụng như phương pháp nghiên cứu khoa
học, kết cấu tấm vỏ, tối ưu hóa độ tin cậy, động lực học kết cấu, phương pháp định
lượng, v.v. để giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế, từ đó rút ra những
bài học cho bản thân và đóng góp cho các cơng trình nghiên cứu khoa học.
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Văn Giang.
Thông qua môn học tối ưu hóa độ tin cậy, phương pháp phần tử hữu hạn, thầy đã
truyền sự đam mê nghiên cứu khoa học, nhất là phương pháp số là phương pháp mà
trước đây bản thân muốn tìm hiểu nhưng chưa có điều kiện và nhiệt huyết. Hơn
nữa, từ những gợi ý của thầy và thực tiễn của q trình cơng tác đã hình thành nên ý
tưởng của đề tài. Trong quá trình nghiên cứu thầy đã giúp tơi rất nhiều về cách nhận
định đúng đắn trong những vấn đề, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.
Thông qua các tài liệu mà TS. Nguyễn Văn Giang đã cung cấp, tôi đã lựa chọn lĩnh
vực kết cấu thép, dây căng, dây võng nghiên cứu đã có nhiều phát triển trên thế
giới, nhưng vẫn còn hạn chế đối với Việt Nam. Là loại dây đơn hoặc tổ hợp các dây

đơn lại với nhau thành tao khơng có khả năng chịu nén, độ cứng uốn rất nhỏ nên khi
tính tốn khơng xét ảnh hưởng của nó đến nội lực và chuyển vị mà chỉ xét độ cứng
kéo của dây. Hiện nay, kết cấu dây mềm được sử dụng phổ biến trong thực tế xây
dựng như kết cấu dây treo mái che trong các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
nhịp lớn, đặc biệt là các kết cấu cầu treo dây võng, cầu treo dây văng đó là các kết
cấu liên hợp giữa dây mềm và dầm hoặc dàn cứng. Vấn đề tính tốn dây đơn là cơ
sở để xây dựng các loại sơ đồ tính cho các loại kết cấu dây mềm và kết cấu liên hợp
nói trên. Trong luận văn, học viên sử dụng dây cáp cường độ cao với đặc tính trên
để đưa vào mơ hình nghiên cứu, tính tốn cơng trình dân dụng và cơng nghiệp nhịp
lớn đưa vào đề tài. Do đó, với lịng đam mê của mình, tơi tiếp tục kế thừa các đồng
nghiệp Việt Nam đã làm trước đây để phát triển đề tài.


iii

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng - Trường Đại
học kỹ thuật công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã truyền dạy những kiến thức cần
thiết cho tơi, đó cũng là những kiến thức quý báu trên con đường nghiên cứu khoa
học và sự nghiệp của tôi sau này.
Kiến thức khoa học là vô tận, nhất là đối với những người không chuyên nghiên
cứu, có thể một vấn đề nhỏ tuy nhiên để hiểu và ứng dụng được cũng cần nhiều thời
gian tìm hiểu. Trong hoàn cảnh Luận văn Thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian
ngắn khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong q thầy (cơ) có những lời nhận
xét, hướng dẫn, giúp đỡ để tôi được học tập thêm những kiến thức cần thiết và hoàn
thiện hơn.
TP. HCM, ngày tháng

năm 2017

Phụng Cơng Tồn Thể

iv

TÓM TẮT
Kết cấu dây căng là loại kết cấu đặc biệt, vì là loại kết cấu chỉ làm việc theo
một trạng thái nhưng lại chịu tác động bởi nhiều loại tải trọng. Do đó, đánh giá độ
tin cậy của kết cấu này rất phức tạp, tác giả qua nghiên cứu bài tốn cụ thể được áp
dụng cho mơ hình khơng gian nhà thi đấu đa năng với kết cấu mái sử dụng cáp dây
căng hình cánh cung của luận văn này thấy rằng việc sử dụng mạng Nơron nhân tạo
và phương pháp Form đã đem lại các kết quả khả quan. Các hàm hàm trạng thái
giới hạn I dựa theo tiêu chuẩn độ bền của cáp (nội lực trong cáp không vượt quá
cường độ giới hạn theo catalogue của nhà sản xuất) và hàm trạng thái giới hạn II
dựa theo điều kiện chuyển vị giới hạn (biến dạng, chuyển vị theo phương đứng phải
nhỏ hơn chuyển vị cho phép) đã được tác động bởi các biến ngẫu nhiên sẽ được
chọn thơng qua q trình phân tích và tính tốn mức độ nhạy của các yếu tố bên
ngoài tác động đến các hàm trạng thái giới hạn. Đầu tiên, luận văn tiến hành phân
tích độ tin cậy cho kết cấu của cơng trình theo thiết kế. Sau đó, các phương án thiết
kế khác nhau được lựa chọn và phân tích nhằm đưa ra cái nhìn tổng quan về các
phương án thiết kế. Từ đó giúp người thiết kế có thêm thơng tin để lựa chọn phương
án thiết kế phù hợp.
Từ khóa: Tối ưu hóa, độ tin cậy, mạng Nơron nhân tạo, phương pháp Form,
dây căng, artificial neural networks.


v

ABSTRACT
Tension wire structure is a special type of structure, because it is a type of
structure that only works in one state but is affected by many types of load.

Therefore, the reliability of this structure is very complex. The author examines the
specific problem applied to the multipurpose house space model with the roof
structure using a bow-shaped wire rope. This thesis found that using artificial neural
networks and the Form method yielded satisfactory results. Limit function functions
are based on the cable strength criterion (internal force in the cable does not exceed
the manufacturer's catalog strength limits) and the limiting state function II is based
on the limited displacement condition (distortion, vertical displacement must be
smaller than the allowable displacement) that is influenced by random variables will
be selected through the analysis and calculation of the sensitivity of the external
factors affecting limited state functions. First, the thesis carries out the reliability
analysis of the structure of the work according to the design. Then, different design
options were selected and analyzed to give an overview of the design options. From
there, designers have more information to choose the right design.
The thesis includes 4 chapters:
Keywords: Optimization, reliability, artificial neural networks, form
methods, artificial neural networks.


vi

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC ..................................................................................xii
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT.............................................................................. xiii
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 6
1.3 Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 7

1.3.1 Xác định lực căng trước trong hệ dây căng ...................................................7
1.3.2 Sự ảnh hưởng của gối tựa ..............................................................................8
1.4 Tình hình nghiên cứu ............................................................................................ 8
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.................................................................9
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................................9
1.5 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ..................................................................... 11
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 13
2.1 Giới thiệu tổng quan về hệ kết cấu dây căng ...................................................... 13
2.1.1 Hệ dàn dây căng ...........................................................................................13
2.1.2 Phân tích ứng xử của hệ kết cấu dây căng bằng phần mềm ........................14
2.2 Phương pháp mạng nơ ron nhân tạo (ANN) ...................................................... 24
2.2.1 Cấu trúc của một nơ ron nhân tạo [1] ..........................................................25
2.2.2 Mơ hình mạng nơ ron nhân tạo [1] ..............................................................28
2.2.3 Quá trình huấn luyện [1], [20], [21]:............................................................30
2.3 Lý thuyết độ tin cậy ............................................................................................ 34
2.3.1 Tổng quát các bước của một bài tốn phân tích độ tin cậy cho kết cấu ......34
2.3.2 Phương pháp FORM [1], [20], [21]: ............................................................38
2.4 Sự kết hợp giữa mạng nơ ron nhân tạo (ANN) với phương pháp đánh giá độ tin
cậy FORM ...................................................................................................... 42


vii

Chương 3. MƠ HÌNH TÍNH TỐN ...................................................................... 44
3.1 Mơ hình bài toán sử dụng phần mềm ................................................................. 44
3.2 Khảo sát độ nhạy, chọn biến ngẫu nhiên ............................................................ 48
3.2.1 Khảo sát biến lực căng trước trong cáp .......................................................49
3.2.2 Khảo sát biến tiết diện và nội lực cáp ..........................................................51
3.2.3 Khảo sát nhiệt độ thay đổi............................................................................54
3.2.4 Khảo sát tải trọng gió thay đổi .....................................................................56

3.2.5 Khảo sát môđun đàn hồi...............................................................................58
3.3 Đánh giá độ tin cậy cho bài toán ........................................................................ 59
3.4 Xác định giá trị biến tải trọng gió và nhiệt độ theo TTGH I, lực căng của cáp
vượt quá giới hạn ........................................................................................... 60
3.4.1 Tải trọng gió .................................................................................................60
3.4.2 Tải trọng nhiệt độ .........................................................................................60
3.4.3 Lực căng trước của cáp ................................................................................60
3.4.4 Nội lực của cáp (phần tử 5295) ứng với trường hợp lực căng T=600
KN

...........................................................................................................61

3.4.5 Chuyển vị tại nút 793 ứng với trường hợp lực căng T=600 KN .................63
3.5 Đánh giá độ tin cậy của hệ kết cấu theo TTGH I, cáp bị đứt ............................. 65
3.5.1 Lấy mẫu từ phần mềm SAP 2000 ................................................................65
3.5.2 Mơ hình mạng nơ ron nhân tạo (ANN)........................................................66
3.5.3 Đánh giá độ tin cậy bằng FORM .................................................................69
3.6 Tính tốn xác định giá trị biến tải trọng gió và nhiệt độ theo TTGH II, chuyển vị
của nút nhỏ hơn chuyển vị cho phép .............................................................. 70
3.6.1 Mơ hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) ...................................................70
3.6.2 Đánh giá độ tin cậy bằng Form ....................................................................72
3.7 Sự thay đổi của độ tin cậy của hệ với giá trị biến tải trọng gió và nhiệt độ theo
trạng thái giới hạn II (viết tắt TTGH II), theo giá trị chuyển vị cho phép .... 74
3.8 Sự thay đổi của độ tin cậy của hệ với giá trị biến tải trọng gió và nhiệt độ theo
trạng thái giới hạn II (viết tắt TTGH II), theo giá trị lực căng trước ............. 75


viii

3.9 Xác định giá trị biến tải trọng gió và nhiệt độ theo TTGH II, lực căng của cáp

âm, cáp bị chùng ............................................................................................ 75
3.10

Mối tương quan giữa các yếu tố đầu vào của thiết kế và chi phí đầu tư ....... 76

Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 77
4.1 Kết luận............................................................................................................... 77
4.2 Một số đề xuất dựa trên cơ sở của luận văn ....................................................... 79
4.2.1 Đề xuất việc sử dụng hệ thống kết cấu cáp ở Việt Nam hiện nay ...............79
4.2.2 Đề xuất về việc sử dụng công cụ đánh giá độ tin cậy trong thiết kế ...........80
4.2.3 Hạn chế và hướng phát triển của đề tài ........................................................81
4.2.4 Hướng phát triển của đề tài ..........................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 83
PHỤ LỤC


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sân vận động Wembley, Ln Đơn, Anh (2007). ....................................... 3
Hình 1.2. Mái nhà sân vận động Olympic, Munich, Đức (1968-1972). ..................... 3
Hình 1.3. Cầu đi bộ Campo Volantin, Bilbao, Tây Ban Nha (1994-1997). ............... 3
Hình 1.4. Bảo tàng nghệ thuật Milwaukee, Wiscosin, Mỹ (1996-2002). ................... 4
Hình 1.5. Trung tâm phân phối ơ tơ Renault, Swindon, Anh (1980-1982). ............... 4
Hình 1.6. Đại học Loyola University Pavilon, America (1980-1983). ....................... 4
Hình 1.7. Loyola University Pavilon, America. ......................................................... 5
Hình 1.8. Biểu đồ vật liệu. .......................................................................................... 5
Hình 1.9. Các hệ thống kết cấu dây căng chịu lực dạng hypa. ................................. 12
Hình 2.1. Sơ đồ dây căng hệ dàn tam giác. ............................................................... 13
Hình 2.2. Sơ đồ dây căng hình cánh cung giao nhau. ............................................... 13

Hình 2.3. Sơ đồ dây căng hình cánh cung đối xứng. ................................................ 13
Hình 2.4. Mơ hình phần tử dây căng có xét đến biến thiên nhiệt độ. ....................... 14
Hình 2.5. Biểu đồ phương pháp Newton – Raphson. ............................................... 17
Hình 2.6. Sơ đồ thuật tốn Newton – Raphson. ........................................................ 18
Hình 2.7. Đồ thị phát sinh các điểm nút dây căng hình cánh cung giao nhau. ......... 20
Hình 2.8. Đồ thị phát sinh các điểm nút dây căng hình cánh cung đối xứng. .......... 21
Hình 2.9. Cấu trúc của một nơ ron sinh học điển hình. ............................................ 25
Hình 2.10. Cấu trúc của một nơ ron nhân tạo điển hình. .......................................... 26
Hình 2.11. Mạng tự kết hợp. ..................................................................................... 28
Hình 2.12. Mạng kết hợp khác kiểu. ......................................................................... 28
Hình 2.13. Mạng truyền thẳng một lớp. .................................................................... 29
Hình 2.14. Mạng truyền thẳng nhiều lớp. ................................................................. 30
Hình 2.15. Mạng phản hồi......................................................................................... 30
Hình 2.16. Sơ đồ ANN. ............................................................................................ 34
Hình 2.17. Đồ thị xác định hàm trạng thái giới hạn. ................................................. 36
Hình 2.18. Hàm trạng thái giới hạn........................................................................... 37


x

Hình 2.19. Đồ thị biểu diễn xác định điểm thiết kế phương pháp FORM. ............... 39
Hình 2.20. Lưu đồ thuật tốn nội suy bằng phương pháp FORM. ........................... 40
Hình 2.21. Sơ đồ kết hợp giữa mạng nơ ron nhân tạo (ANN) với phương pháp đánh
giá độ tin cậy FORM . ............................................................................................ 43
Hình 3.1. Mơ hình khơng gian bài tốn phương án thiết kế dây căng đan chéo từ
phần mềm Etabs

. ............................................................................................ 46

Hình 3.2. Xuất mơ hình khơng gian bài tốn phương án thiết kế dây căng đan chéo

từ phần mềm Etabs sang phần mềm Sap 2000. ......................................................... 46
Hình 3.3. Lập mơ hình khơng gian bài tốn phương án thiết kế dây căng võng từ
phần mềm Sap 2000

. ............................................................................................ 47

Hình 3.4. Mơ hình khung, nút, sợi cáp...................................................................... 48
Hình 3.5. Sự biến thiên của nội lực khi căng trước cáp thay đổi. ............................. 49
Hình 3.6. Sự biến thiên của chuyển vị so với đường kính cáp. ................................ 52
Hình 3.7. Biến thiên của nội lực so với đường kính cáp. .......................................... 53
Hình 3.8. Biến thiên của chuyển vị so với nhiệt độ. ................................................. 54
Hình 3.9. Biến thiên của nội lực so với nhiệt độ....................................................... 55
Hình 3.10. Biến thiên của nội lực so với tải trọng gió. ............................................. 56
Hình 3.11. Biến thiên của chuyển vị so với tải trọng gió.......................................... 57
Hình 3.12. Biến thiên của nội lực so với mơđun đàn hồi.......................................... 58
Hình 3.13. Biến thiên của chuyển vị so với mô đun đàn hồi. ................................... 58
Hình 3.14. Mean Squared.......................................................................................... 67
Hình 3.15. Output Target. ......................................................................................... 68
Hình 3.16. Biểu đồ kết quả huấn luyện thay đổi nội lực........................................... 68
Hình 3.17. Mean Squared.......................................................................................... 71
Hình 3.18. Biểu đồ kết quả huấn luyện chuyển vị. ................................................... 71


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Hệ số đường cong Parabol dây căng hình cánh cung giao nhau .............. 20
Bảng 2.2. Hệ số đường cong Parabol dây căng hình cánh cung đối xứng................ 20
Bảng 2.3. Một số hàm truyền thông dụng ................................................................. 27
Bảng 3.1. Khả năng chịu lực của các loại cáp .......................................................... 53

Bảng 3.2. Giá trị tải trọng khai báo trong phần mềm Sap 2000 ............................... 60
Bảng 3.3. Giá trị nhiệt độ khai báo trong phần mềm ................................................ 60
Bảng 3.4. Nội lực của cáp phần tử 5295 ................................................................... 61
Bảng 3.5. Chuyển vị của nút 793 .............................................................................. 63
Bảng 3.6. Giá trị nội lực và chuyển vị do biến tải trọng gió và nhiệt độ thay đổi .... 65
Bảng 3.7. Giá trị lực căng cho phép của cáp ............................................................. 69
Bảng 3.8. Kết quả tính tốn xác suất an tồn theo TTGH I ...................................... 69
Bảng 3.9. Kết quả tính β theo TTGH I...................................................................... 70
Bảng 3.10. Chỉ số độ tin cậy trong tiêu chuẩn BS EN 1990:2000+A1:2005 ........... 73
Bảng 3.11. Sự thay đổi chỉnh số β và đường kính cáp.............................................. 73
Bảng 3.12. Sự thay đổi của số β và chuyển vị cho phép ........................................... 74
Bảng 3.13. Sự thay đổi số β và lực căng trước cáp D=75 ......................................... 75
Bảng 3.14. Sự thay đổi số β và lực căng trước cáp D=80 ......................................... 75
Bảng 3.15. So sánh tiết diện cáp và chi phí .............................................................. 76
Bảng 3.16. Sự thay đổi số β và đường kính cáp ....................................................... 76


xii

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Mơ hình bài toán ......................................................................................... I
Phụ lục 2. Kết quả nội lực của cáp 5295 (trường hợp tải DL_W_-X_T) ................ XII
Phụ lục 3. Code Matlab tính xác suất theo Hàm TTGH I ...................................... XIV
Phụ lục 4. Code Matlab tính xác suất theo Hàm TTGH II.................................... XVII
Phụ lục 5. Code lập trình Matplap .......................................................................... XX
Phụ lục 6. Code ANN

...................................................................................... XXIII

Phụ lục 7. Code FORM ........................................................................................XXV

Phụ lục 8. Bảng B2 Eurocode BS EN 1990:2002+A1: 2005 ............................ XXVII


xiii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
DOF

Bậc tự do (Degree of Freedom)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

MEM

Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method)

PTHH

Phần Tử Hữu Hạn

FEM

Finite Element Method

FORM First Order Reliability Method
ANN

Artificial Neural Network

TTGH

Trạng thái giới hạn 1

I
TTGH

Trạng thái giới hạn 2

II
Ma trận và Véc-tơ

Δ

Véc-tơ chuyển vị

f

Véc-tơ nội lực

K

Ma trận độ cứng của phần tử

p

Véc-tơ ngoại lực

x

Véc- tơ chứa biến thiết kế trong bài tốn đánh giá độ tin cậy

u

Khơng gian chuẩn hóa



Hệ số poisson của vật liệu



Trọng lượng riêng của vật liệu

g(x)

Hàm trạng thái giới hạn

R(x)

Biến vô hướng đại diện khả năng kháng cho phép của kết cấu.

Q(x)

Biến vô hướng đại diện khả năng ứng xử của kết cấu

Ps

Xác suất an toàn trong bài toán đánh giá độ tin cậy


xiv



Chỉ số độ tin cậy

P

Véc-tơ đầu vào

T

Véc-tơ đầu ra

Ɛ

Biến dạng

T

Lực căng cáp

E

Mô đun đàn hồi

α

Hệ số giản nở nhiệt

T

Chênh lệch nhiệt độ

l0

Chiều dài khi chưa căng

F

Ma trận mềm của phần tử dây căng

fi

Nội lực tại nút

d

Hệ số tải trọng

r

Lực dư

Si

Kích cỡ của N-1 lớp ẩn

TFi
BTF

Hàm truyền của lớp thứ i, mặc định là hàm “tansig” đối với lớp ẩn,
hàm “pureline” đối với lớp đầu ra
Hàm thuật toán lan truyền ngược, mặc định là hàm “trainlm”


1

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

Đặt vấn đề
Mục đích của luận văn là nghiên cứu vận dụng thuật toán dựa trên cơ sở lý

thuyết đã được nghiên cứu để thẩm định, đánh giá độ tin cậy, độ an toàn của hồ sơ
thiết kế kết cấu, luận văn đề cập đến kết cấu dây căng cùng làm việc với kết cấu
thép. Qua tìm hiểu, tham khảo kiến trúc hiện đại, tài liệu trong nước, nước ngoài,
các luận văn đã làm, học viên nhận thấy kết cấu dây căng ngày càng được ứng dụng
rộng rãi, nhất là đối với cơng trình mang tính biểu tượng, cơng trình cơng cộng với
khẩu độ vượt nhịp lớn nhưng tải trọng bản thân nhẹ phù hợp với điều kiện địa chất
trên nền đất yếu trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh, điều kiện kinh tế trong nước
và thích ứng với biến đổi khí hậu, đồng thời cơng trình chịu tải trọng gió, động đất
tốt.
Kết cấu dây căng sử dụng trong cơng trình cần được nghiên cứu, phát triển. Các
cơng trình kết cấu chủ yếu như kết cấu dây dạng console, kết cấu dây dạng khung
phẳng, khung không gian với quy mô lớn là kết quả của sự phát triển cơng nghiệp
hóa, hiện đại hóa trong q trình hội nhập, phát triển kinh tế. Ưu điểm của nó là tải

trọng nhẹ, khả năng chịu lực lớn, vượt nhịp lớn và độ tin cậy cao, thi công nhanh
thường được sử dụng trong cơng trình cơng cộng, nhà cơng nghiệp, nhà xưởng, nhà
máy, v.v.
- Nhà nhịp lớn: là những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khá lớn từ 30
- 100m như nhà biểu diễn, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy
bay, v.v. dùng kết cấu dây căng là hợp lý nhất. Có những trường hợp nhịp đặc biệt
lớn trên 100m thì kết cấu dây là duy nhất áp dụng được.
- Cầu đường bộ, đường sắt: Cầu treo bằng kết cấu dây căng có thể vượt nhịp
trên 1.000m.
Trong q trình thiết kế, các đơn vị tư vấn đưa ra nhiều giải pháp thiết kế kết
cấu cho cơng trình nhằm đảm bảo khả năng chịu lực của kết cấu là tin cậy, đảm bảo


2

cơng năng sử dụng phù hợp, mang tính thẩm mỹ cao. Ngồi các vật liệu truyền
thống như bê tơng cốt thép, gạch, đá, v.v. thì kết cấu dây căng đã góp phần làm thay
đổi bộ mặt kiến trúc đơ thị, hiện đại hóa cơng trình xây dựng, kiến trúc hiện đại hỗ
trợ cho người thiết kế trong sáng tạo nhưng vẫn đáp ứng nhu cầu công năng, nhu
cầu sử dụng của con người, tạo nên nét kiến trúc đặc trưng cho đô thị. Không ai phủ
nhận ưu điểm của kết cấu dây căng trong chịu lực, độ bền vững, v.v. và nhất là tạo
các khơng gian, hình khối kiến trúc đa dạng, nhẹ nhàng, thanh thốt, hiện đại, có
khả năng vượt nhịp lớn và đặc biệt là dễ dàng chế tạo tại nhà máy.
Việc thiết kết cấu dây căng trong xây dựng cơng trình và các tiêu chuẩn áp dụng
cho giải pháp trên hiện nay còn nhiều hạn chế. Thực trạng tiêu chuẩn thiết kế xây
dựng Việt Nam chỉ sử dụng các số liệu đầu vào của bài toán chỉ có một giá trị xác
định nên việc thiết kế thường phải chọn những hệ số an toàn như hệ số vượt tải, hệ
số an toàn khi thiết kế kết cấu cơng trình, v.v. dẫn đến thiết kế thừa với thực tế, gây
lãng phí và quan trọng hơn là khơng thể đánh giá được độ tin cậy của kết cấu cơng
trình.

Đồng thời, sự tương tác giữa kết cấu dây căng trong khơng gian cịn ảnh hưởng
đến độ cứng, lực cản của hệ nên làm thay đổi các ứng xử của hệ, do đó khi thiết kế
kết cấu người thiết kế cần quan tâm tới độ tin cậy của kết cấu dưới ảnh hưởng của
tương tác ngoại lực đến ứng xử của tải trọng gió, nhiệt độ, v.v. liên quan đến khả
năng chịu lực của kết cấu.
Do đó, luận văn tập trung nghiên cứu áp dụng mạng nơ ron nhân tạo và phương
pháp đánh giá độ tin cậy để phân tích ổn định của hệ kết cấu dây dưới tác động của
tải trọng là cần thiết.


3

Hình 1.1. Sân vận động Wembley, Ln Đơn, Anh (2007).
(Nguồn: và designs.vn)

Hình 1.2. Mái nhà sân vận động Olympic, Munich, Đức (1968-1972).
(Nguồn:)

Hình 1.3. Cầu đi bộ Campo Volantin, Bilbao, Tây Ban Nha (1994-1997).
(Nguồn:)


4

Hình 1.4. Bảo tàng nghệ thuật Milwaukee, Wiscosin, Mỹ (1996-2002).
(Nguồn:http:/ www.hivietnam.net)

Hình 1.5. Trung tâm phân phối ơ tơ Renault, Swindon, Anh (1980-1982).
(Nguồn: và www.bmktcn.com)

Hình 1.6. Đại học Loyola University Pavilon, America (1980-1983).
(Nguồn:)


5

Hình 1.7. Loyola University Pavilon, America (1980-1983).
(Nguồn:)

Hình 1.8. Biểu đồ vật liệu.


6

Hầu hết dây căng chủ yếu được sản xuất tại nhà máy do nhà sản xuất cung cấp,
thi công được lắp đặt trực tiếp tại công trường. Việc lựa chọn tiết diện, giải pháp
thiết kế đều ảnh hưởng đến giá thành cơng trình. Vì vậy, để tăng khả năng cạnh
tranh, chủ đầu tư cũng luôn đặt yêu cầu các kỹ sư đưa ra phương án thiết kế tối ưu
nhất cho các cơng trình. Việc giải các bài tốn tối ưu, độ tin cậy đòi hỏi người thiết
kế phải nắm vững các phương pháp tính tốn như: Phương pháp phần tử hữu hạn để
phân tích kết cấu, áp dụng phương pháp đánh giá độ tin cậy để đánh giá độ tin cậy
cho hệ kết cấu dưới ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên. Thông thường, người thiết
kế thường dựa vào kinh nghiệm để thiết kế. Do đó, kết quả thiết kế có thể bị lãng
phí hoặc có thể khơng đảm bảo an toàn khi sử dụng. Việc đưa ra những phương
pháp thiết kế tối ưu, tin cậy dựa trên các cơ sở toán học bằng cách thành lập và giải
các bài tốn tối ưu hóa cho kết cấu là thực sự cần thiết.
1.2

Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu xác định hàm trạng thái giới hạn, các tiêu chuẩn phá

hủy của hệ dây căng; xác định các biến ngẫu nhiên; sử dụng phần mềm ETABS mơ
phỏng mơ hình kết cấu, chuyển qua SAP 2000 gán thông số vật liệu, tiết diện, giải
tìm nội lực, mơ phỏng của hệ kết cấu dây với các thông số đầu vào (f, e, t, b, h, to,
v.v.). Tạo bộ dữ liệu (gồm dữ liệu ngẫu nhiên đầu vào và ứng xử kết cấu đầu ra)
bằng cách thay đổi các biến ngẫu nhiên theo các quy luật phân bố mẫu phù hợp.
Nghiên cứu lập trình chương trình tính tốn phân tích độ nhạy, xác định các
biến ngẫu nhiên quan trọng.
Sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để xấp xỉ ứng xử của hệ kết cấu dây
căng và thành lập hàm trạng thái giới hạn.
Sử dụng các phương pháp đánh giá độ tin cậy để đánh giá độ tin cậy (xác suất
phá hủy) cho hệ kết cấu dây dưới ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên.
Kết quả đạt được là độ tin cậy (xác suất phá hủy) của hệ kết cấu dây khi chịu
ảnh hưởng của biến ngẫu nhiên. Từ kết quả đạt được, người thiết kế sẽ có cơ sở để
đề xuất các giải pháp để điều chỉnh kết cấu phù hợp nhằm đảm bảo sự cân đối giữa
độ an toàn cho phép của cơng trình và chi phí đầu tư.