Phương pháp tối ưu hóa thiết kế dựa trên độ tin cậy áp dụng cho dầm thép chữ I tổ hợp: Đánh giá độ nhạy tải trọng

Tóm tắt

Thiết kế đơn định (DDO) đối với kết cấu thép thường tiềm ẩn rủi ro phá hoại do chưa định lượng được sự bất định của tải trọng và vật liệu. Bài báo trình bày phương pháp tối ưu hóa thiết kế dựa trên độ tin cậy (RBDO) cho dầm thép chữ I tổ hợp, thực hiện đồng bộ hóa mô hình xác suất JCSS với các tiêu chuẩn TCVN 2737:2023 và TCVN 5575:2024. Kết quả phân tích trên nhịp dầm 10m cho thấy phương pháp DDO bộc lộ khuyết điểm lớn khi vi phạm đồng thời tiêu chuẩn độ mảnh cục bộ bản bụng và ngưỡng an toàn chịu uốn (chỉ số độ tin cậy β = 3,56). Phương án thiết kế kinh nghiệm (HD) dù gia tăng khối lượng vật liệu nhưng vẫn không đạt mục tiêu an toàn (β = 3,61). Ngược lại, giải pháp RBDO đã tự động tái cấu trúc hình học một cách thông minh bằng cách tối ưu hóa độ dày bản cánh để tập trung vật liệu vào việc mở rộng chiều cao và bề rộng dầm. Phương pháp đề xuất không chỉ đảm bảo dầm đạt chuẩn an toàn tuyệt đối (β = 3,82) mà còn sử dụng lượng thép ít hơn phương án HD, giúp tiết giảm 22,3% tổng chi phí vòng đời so với DDO. Cuối cùng, nghiên cứu làm rõ cơ chế "nhảy hình học" của tiết diện khi hệ số biến thiên của hoạt tải vượt ngưỡng 0,25.

Abstract

Deterministic Design Optimization (DDO) of steel structures often conceals unquantifiable failure risks due to inherent uncertainties in load patterns and material properties. This paper presents a Reliability-Based Design Optimization (RBDO) method for built-up steel I-beams, aligning probabilistic models from the JCSS Probabilistic Model Code with Vietnamese standards TCVN 2737:2023 and TCVN 5575:2024. A comparative study on a 10m span beam demonstrates that DDO reveals severe flaws by violating both local web slenderness and bending safety standards (reliability index β= 3.56). The heuristic design (HD) approach, despite consuming more material, still fails to meet the safety threshold (β= 3.61). In contrast, the RBDO solution intelligently reallocates geometry by optimizing flange thickness to maximize beam depth and width. The proposed method not only strictly satisfies the target safety threshold (β= 3.82) but also consumes less steel than the HD approach, resulting in a 22.3% reduction in the total lifecycle cost compared to DDO. Finally, the study clarifies the "geometric jump" mechanism of the cross-section when the live load's coefficient of variation exceeds 0.25.