CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM MẠNG LƯỚI Kết cấu vòm mạng lưới là loại kết cấu vòm cứng với các dây treo (hay t hanh treo) xiên có ít nhất hai điểm giao cắt tại mỗi dây (trừ một số dây gần trụ). Khái niệm này được đưa ra bởi Giáo sư – Kỹ sư người Na Uy Per Tweit năm 1955 [10]. Trong kết cấu vòm mạng lưới, vòm đóng vai trò như dàn chịu nén, một phần nhỏ chịu uốn tron g khi dây treo chịu kéo. Cầu vòm mạng lưới thích hợp cho cả đường sắt và đường bộ.
Cầu vòm mạng lưới đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm thập niên 50, phát triển mạnh ở các nước Bắc Âu sau đó là các nước Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ… cầu vòm mạng lưới nổi lên như một kết cấu mới lạ, kiểu dáng thanh mảnh, giá thành thấp, gần như khắc phục được các nhược điểm của cầu vòm thông thường. Hình 1-1: Mô men uốn dọc trục của một dầm giản đơn chịu tải trọng phân bố đều Hình 1-2: Dạng hình học của một cầu vòm dạng cung Ứng xử của cầu vòm được cho là dựa trên dạng hình học chống lại lực kéo hay chống lại tải trọng thẳng đứng đè lên hệ mặt cầu. Khi hệ mặt cầu được gắn với sườn vòm, mặt cầu trở thành các phần tử dầm chịu kéo liên kết với các gối đỡ của vòm tạo thành một khối truyền tải trọng thẳng đứng xuống nền đất. -5- Hình 1-3: Sự truyền lực trong vòm Kiểu dáng trên đặc biệt c ó lợi khi nền đất không thể gánh đỡ được phần lớn lực đẩy ngang.
Thêm vào đó, ứng xử này là chung cho kết cấu vòm không kể dây thẳng đứng hay dây xiên. Tuy nhiên, khi tải trọng đứng đặt lệch ở một bên cầu, mô hình dầm chịu kéo và vòm chịu nén có thể không còn nữa, thay vào đó vòm cũng tham gia bị uốn. Hình 1-4: Sự phân phối mô men lên vòm dây treo thẳng đứng với tải trọng đặt lệch Hình 1-5: Sự phân phối mô men lên cung vòm dây treo xiên với tải trọng đặt lệch Với dây xiên, tải trọng phân bố thông qua các gối ảo hiệu quả hơn nhờ lực căng xiên trong dây. Hệ thống vòm – dây treo – dầm làm việc như một khối dầm, kết quả là mô men uốn nhỏ hơn trường hợp dây treo thẳng đứng.
Khi dây treo được sắp đặt theo lưới, kết cấu trở nên tối ưu nhất. Kết cấu vòm mạng lưới đảm bảo tính hiệu quả trong việc phân phối mô men một cách đồng đều, làm tối thiểu hóa ứng suất uốn trong vòm và hệ dầm. Ưu điểm của kết cấu thanh mảnh nhưng ph ân phối lực tốt hơn lại được khẳng định. CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CHÍNH TRONG CẦU VÒM MẠNG LƯỚI Các bộ phận kết cấu của cầu vòm mạng lưới gồm: vòm, dây treo, thanh giằng, hệ kết cấu dưới ( dầm dọc, dầm ngang, bản mặt cầu…) (hình 1-6).
Bằng các tài liệu thu thập được từ các công trình đã xây dựng trên thế giới tác giả muốn phân tích lựa chọn cấu tạo các bộ phận kết cấu cầu vòm mạng lưới cho các điều kiện áp dụng khác nhau về vật liệu, về vị trí xây dựng, công nghệ thi công, sự hòa hợp với cảnh quan môi trường. Dây treo Vòm Hệ kc dưới Hình 1-6: Các bộ phận kết cấu cầu vòm mạng lưới 1. Vòm Vòm thường bằng thép, từng modul được đúc sẵn hoặc lắp ghép trong nhà máy, tiết diện ngang thường có hình dạng chữ H ( hình 1-7), dạng hộp (hình 1-8) hoặc dạng ống tròn (hình 1-9). Mặt cắt ngang vòm dạng hộp có khả năng chịu lực, độ cứng theo phương ngang tốt hơn thường áp dụng cho các chiều dài nhịp lớn.
Hình 1-7 Hình 1-8 Hình 1-9 -7- Với cùng diện tích tiết diện, nếu sử dụng vòm chữ H kết cấu sẽ thanh mảnh hơn; trong khi dạng hộp tạo nên đường nét bề ngoài cầu đẹp hơn, tuy nhiên cấu tạo liên kết với các bộ phận khác phức tạp và đắt tiền hơn, nhất là liên kết với dây treo. Với mặt cắt ngang dạng ống có một số ưu nhược điểm tương tự dạng hộp. Tuy nhiên do có lỗ rỗng, bề mặt ống thường bị cong oằn trước khi mất ổn định cục bộ. Để khắc phục điều này người ta có thể bơm bê tông vào trong khi đó vòm trở thành kết cấu ống thép nhồi bê tông.
Hệ dây treo Là các thép thanh cường độ cao hoặc là các bó cáp không chịu lực nén bởi vì khi chịu nén thì dầm ứng xử như dàn, đầu trên được neo vào sườn vòm, đầu dưới neo vào dầm dọc. Việc bố trí hệ dây treo như thế nào để các bộ phận cầu làm việc tối ưu nhất là một trong số các bước quan trọng nhất trong thiết kế cầu vòm mạng lưới. Tveit [10] hệ dây treo tối ưu đạt được một số kết quả sa u: - Có tính thẩm mỹ về mặt kiến trúc; - Môment trong hệ kết cấu bên dưới nhỏ; - Tiết diện các dây treo là như nhau nhưng tận dụng hết khả năng chịu kéo trong tất cả các dây treo; - Gây ít môment trong hệ kết cấu bên dưới do chiều dài các khoang giữa các điểm nút gây ra; - Khoảng cách giữa các dây treo tạo thuận lợi cho việc thi công kết cấu tạm bên dưới; - Độ nghiêng các dây treo không gây ra môment quá lớn trong hệ kết cấu dưới dẫn đế n làm chùng các dây treo. Cấu tạo hệ thanh giằng Các thanh giằng ngang cũng làm bằng thép nối các sườn vòm.
Mặt cắt ngang thanh giằng cũng có dạng chữ H, dạng hộp, dạng ống hoặc hệ các thanh. Cách bố trí -8- thanh giằng trên mặt bằng có thể là các thanh song song ( hình 1-10) hoặc gồm các thanh liên kết dạng chữ K (hình 1-11)… Hình 1-10 Hình 1-11 Thanh giằng ngang dùng tăng cường độ cứng cầu theo phương ngang, chịu lực gió đẩy ngang, lực do động đất, lực lắc ngang…Khả năng làm việc của giằng ngang phụ thuộc khoảng cách giữa hai vòm, khi đó độ nghiêng vòm là một trong các biện pháp tăng cường độ cứng và khả năng chịu lực theo phương ngang cầu. Hệ kết cấu dưới Dầm chủ, dầm ngang thường bằng bê tông cốt thép hoặc bằng thép lắp ghép. Dầm dọc chịu lực từ các dây treo, ngoài ra phải chứa các lỗ để bố trí cáp dự ứng lực căng giữa 2 đầu vòm.
Trong cầu vòm mạng lưới tính chất làm việc của dầm dọc nhẹ hơn rất nhiều so với các loại cầu khác do đó giảm được chiều cao theo phương đứng tức giảm chiều cao kiến trúc toàn cầu làm cho kết cấu thanh mảnh hơn và giảm được chiều cao đắp đầu cầu cũng như rút ngắn chiều dài cầu. Hình 1-12: Dầm dọc bằng BTCT dự ứng lực -9- Hình 1-13: Dầm dọc bằng thép 1. MỘT SỐ CẦU VÒM MẠNG LƯỚI TRÊN THẾ GIỚI Cầu Steinkjer xây dựng năm 1963 tại Na Uy với chiều dài nhịp tương ứng là 80m - công trình đầu tiên được Per Tveit áp dụng. Cầu có 2 vòm chính song song nhau.
Loại cầu này nhanh chóng phát triển tại Na Uy, Đức, Mỹ trong đó phải kể tới công trình tiêu biểu như cầu Fehmarnsund (Đức) là loại kết cấu liên hợp thép – bê tông sử dụng cho cả xe lửa và ô tô với chiều dài nhịp lên tới 248m, hai vòm nghiêng vào nhau. Kỷ lục này bị phá bởi cầu Blennerhassett bắc qua s ông Ohio (Mỹ) với chiều dài nhịp 267.8m được xây dựng sau đó. Hình 1-14: Cầu Steinkjer (Na Uy-1963) - 10 - Hình 1-15: Cầu Fehrmarnsund (Đức - 1963) Hình 1-16: Cầu Blennerhassett (Mỹ - 2008) Với sự phát triển không ngừng của ngành xây dựng cầu, thế giới đã xuất hiện nhiều cầu vòm mạng lưới với nhiều hình dáng khác nhau. Đặc biệt là vi ệc thay đổi độ nghiêng của vòm làm cho chúng trông đẹp hơn.
Hình 1-17: Cầu Shinhamadera Ohashi (Nhật Bản) - 11 - Hình 1-18: Cầu Duaujvaros Danube (Na Uy) Ở Việt Nam, cầu vòm mạng lưới đầu tiên được xây dựng ở TP Hồ Chí Minh. Cầu Bình Lợi 2 thuộc dự án Tân Sơn Nhất - cầu Bình Lợi và đường vành đai ngoài hoàn thành ngày 27 tháng 8 năm 2013. C ầu có chiều dài nhịp chính 150 m với góc ngiêng vòm tỉ lệ 1/3. [10] Hình 1-19: Cầu Bình Lợi 2 – TPHCM Một số cầu vòm mạng lưới với các thông số hình học khác nhau được thống kê ở bảng 1-1.
Từ bảng này ta thấy, cầu vòm mạng lưới chủ yếu có góc nghiêng vòm 900 hoặc nhỏ hơn 90 0. - 12 - Bảng 1-1: Thống kê một số cầu vòm trên thế giới Chiều Bề Trọng Năm Góc dài rộng lượng Stt Tên cầu Quốc gia xây nghiêng nhịp cầu cầu dựng vòm (m) (m) (T) 1 Bechyne Sec 41 7.3 2004 900 31 2 Brandangersund Na Uy 220 6.330 4 Rio Carbon Peru 120 6.8 2008 900 130 5 Arakawa Nhật 144 1996 900 3974 6 Bamban Philippin 174 12.44 <900 1400 7 New Hamadera Nhật 254 1991 <900 4170 8 Nishinomiyako Nhật 252 31.337 10 Beneckeallee Đức 63 21 1995 <900 413 Osaka Monorail 11 Nhật 5x106 1997 <900 1.700 yodogawa 12 Nordring Đức 135 2002 900 970 - 13 - CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT 2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG ĐẤT: 2. Nguyên nhân gây động đất : Trái đất được tạo nên từ lớp lõi trong và ngoài, tiếp đến là lớp phủ và ngoài cùng là vỏ trái đất.
Vỏ trái đất và tầng trên cùng của lớp phủ tạo thành một lớp vỏ cứng được gọi là thạch quyển. Thạch quyển bị vỡ ra thành các mảng kiến tạo. Lực hút xuống dưới của trọng lực lên các mảng kiến tạo, và trong phạm vi nhỏ hơn là lực đẩy của lớp thạch quyển mới từ các dãy núi dưới lòng biển, khiến các mảng kiến tạo chuyển động. Hầu hết các trận động đất xảy ra tại ranh giới giữa các mảng kiến tạo.
Hình 2-1: Ranh giới các mảng kiến tạo Hình 2-2: Các vết nứt xuất hiện tại rìa của các mảng kiến tạo nơi vỏ Trái đất đang dịch chuyển theo các hướng khác nhau - 14 - Những mảng kiến tạo khác dịch chuyển chậm song song nhau. Các vết nứt xuất hiện tại rìa của các mảng kiến tạo nơi vỏ Trái đất đang dịch chuyển theo các hướng khác nhau. Ở một số nơi, các mảng kiến tạo bị dính vào nhau. Năng lượng tiềm tàng thường tích tụ trong các mảng kiến tạo bị dính vào nhau này.
Khi các mảng kiến tạo tương tác nhau, năng lượng tích tụ sẽ được giải phóng theo dạng một trận động đất. Điểm khởi nguồn của động đất bên dưới bề mặt Trái đất được gọi là tâm. Động đất giải phóng năng lượng theo ba dạng sóng địa chấn. Sóng P xảy ra ngay tức thì, sóng S xảy ra vài giây sau đó.
