CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ “METAL ROAD” 1. Lịch sử ra đời của phương pháp “Metal road” Phương pháp “Metal road” là công nghệ xây dựng đường của Nhật, được phát triển bởi Tập đoàn JFE, Nhật Bản. Công nghệ này đã được hội đồng thành viên Trung tâm Công nghệ bảo trì đường bộ đánh giá và chứng nhận vào tháng 3 năm 2000. Giải pháp “Metal Road” đã được ứng dụng thực tế trong nhiều dự án đường miền núi ở Nhật Bản [3].
Kết cấu “Metal road” Giải pháp “Metal Road” đã được ứng dụng thực tế trong nhiều dự án đường miền núi ở Nhật Bản. Kết cấu “Metal road” là một dạng kết cấu cầu hệ khung không gian bao gồm mặt cầu bằng bê tông cốt thép được đỡ bởi hệ dầm thép liên kết với các trụ thép tròn nhồi bê tông. Với ưu điểm về khả năng chịu lực, tiết kiệm chi phí thi công, độ ổn định cao, nên giải pháp “Metal Road” rất phù hợp cho các dự án đường khu vực miền núi Việt Nam, đặc biệt các khu vực có danh lam thắng cảnh, khu bảo tồn thiên nhiên. (a) (b) Hình 1-1: (a) Kết cấu “Metal road”; (b) Ứng dụng trong thực tế Trong đó, kết cấu cọc ống thép nhồi bê tông giữ vai trò rất quan trọng vì vừa là hệ móng cọc, vừa là trụ đỡ kết cấu phần trên làm việc như một cột chịu nén và uốn đồng thời.
Tuy nhiên, do phương án kết cấu được áp dụng trong khu vực đồi núi có độ dốc sườn lớn nên chiều dài cọc ống thép sẽ thay đổi tùy theo vị trí cọc. ‐8‐ Các cọc nằm ngoài sườn dốc sẽ có chiều dài lớn hơn nên khả năng mất ổn định khi chịu nén sẽ bị hạn chế. Kết cấu ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm như sức kháng uốn và nén cao, dễ thi công, không cần ván khuôn, và kích thước cấu kiện nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép. Ngoài ra, lõi bê tông còn có tác dụng chống mất ổn định cục bộ làm gia tăng sức kháng cho kết cấu.[5] Giải pháp “Metal Road” phù hợp cho công trình mở rộng đường bộ ở mặt phẳng nghiêng dốc ở khu vực miền núi, đặc biệt các khu vực có danh lanh thắng cảnh, khu bảo tồn thiên nhiên, duy trì đáng kể thảm thực vật và hiện trạng địa hình, gần như không có bất kỳ đất thải và đất dư thừa, bảo vệ môi trường tốt hơn so với các phương pháp xây dựng đào đắp truyền thống.
Kết cấu khung không gian 3 chiều có độ cứng lớn, các cấu kiện được chế tạo sẵn trong nhà máy, trọng lượng nhẹ và ngắn; vận chuyển, thi công, xây dựng và lắp đặt dễ dàng; đồng thời thời gian xây dựng cũng được rút ngắn. Tải trọng từ cấu trúc thượng tầng sẽ truyền đến mặt đất thông qua sự hỗ trợ trụ thép tròn nhồi bê tông, không gây ảnh hưởng đến sự ổn định của mặt dốc hiện hữu. Trong quá trình xây dựng không cần xây dựng đường tạm mà vẫn duy trì được giao thông hiện có trong khu vực. Hình 1-2: Bố trí chung một phương án “Metal road” ‐9‐ Phương pháp “Metal road” có 3 loại mặt cắt phổ biến: loại tiêu chuẩn, loại kiểu hẫng, loại kiểu cầu.
[3] a) Loại tiêu chuẩn: Hình 1-3: Loại tiêu chuẩn b) Loại kiểu hẫng: Hình 1-4: Loại kiểu hẫng c) Loại kiểu cầu: ‐10‐ Hình 1-5: Loại kiểu cầu 1. Khả năng ứng dụng của phương pháp “Metal road” Phương pháp “Metal road” thích hợp trong việc xây dựng mới, mở rộng cũng như sửa chữa đường miền núi. Phương pháp “Metal road” rất phù hợp khi áp dụng ở những nơi địa hình phức tạp và có mái dốc lớn. Một số trường hợp cụ thể áp dụng phương pháp “Metal road” như sau: a) Trường hợp tránh tác động và bảo vệ bờ sông: b) Trường hợp vùng mặt trượt: ‐11‐ c) Trường hợp sử dụng không gian trên các sườn dốc: d) Trường hợp trong các khu vực cần bảo tồn thiên nhiên: e) Trường hợp khắc phục thảm họa: ‐12‐ f) Trường hợp đường có bán kính đường cong nhỏ: g) Trường hợp đảm bảo giao thông đường bộ hiện hành: h) Trường hợp sử dụng trong các cầu ‐13‐ i) Trường hợp trên làn bên của đường cao tốc j) Trường hợp bắt qua thung lũng sâu 1.
Phạm vi áp dụng phương pháp “Metal road” Phương pháp “Metal road” được áp dụng trong trường hợp góc nghiêng của mặt dốc trên 300 hoặc trong trường hợp tầng chống đỡ sâu (chiều dày lớp phong hóa trên 2m) ‐14‐ Hình 1-6: Phạm vi ứng dụng của phương pháp “Metal Road” 1. Phương pháp thi công của kết cấu “Metal Road” Trong trường hợp mở rộng đường, phương pháp thi công của kết cấu “Metal Road” sẽ không ảnh hưởng đến sự lưu thông của các phương tiện giao thông và luôn đảm bảo mặt bằng xây dựng, quá trình xây dựng hoàn toàn nằm trong phạm vi của phần mở rộng (phần mặt đường xây dựng mới). Quá trình xây dựng gồm 5 bước như hình 1-7, hình 1-8, hình 1-9, hình 1-10, hình 1-11 mô tả dưới đây: Hình 1-7: Hình 1-8: Bước 1: Chuẩn bị thiết bị, vật liệu. Bước 2: Xác định vị trí tim cọc.
Khoan đào, đóng cọc CFT. ‐15‐ Hình 1-9: Hình 1-10: Bước 3: Đậy nắp cọc, thi công dầm. Bước 4: Tháo gỡ tấm thép tạm. Đặt tấm thép tạm tạo thành hệ Thi công bản mặt cầu.
Thiết bị di chuyển trên hệ giàn giáo và thi công cọc tiếp theo. Hình 1-11: Bước 5: Hoàn thiện. ‐16‐ CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tính toán, kết cấu “Metal road” là một kết cấu siêu tĩnh bậc cao nên việc tính toán chính xác nội lực biến dạng cầu rất phức tạp. Trong thiết kế cần phải xem xét đầy đủ các mô hình chịu lực, các giai đoạn làm việc… và có thể dùng các phương pháp cơ học kết cấu thông thường hoặc phần tử hữu hạn để giải.
Thực chất của phương pháp lực và chuyển vị trong cơ học kết cấu đều xuất phát từ ý tưởng giải bài toán của lý thuyết đàn hồi theo chuyển vị và theo ứng suất, phương pháp lực chọn các phản lực làm ẩn số, phương pháp chuyển vị chọn các chuyển vị làm ẩn số, tuy nhiên quá trình giải theo hai phương pháp này đều mang tính thủ công nên khả năng thực hiện đồng bộ trên máy tính cũng như tính chính xác là không cao, gặp nhiều khó khăn. Luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Midas/Civil 2011 để giải quyết việc tính toán nội lực và biến dạng cầu trong các trường hợp nghiên cứu.1 Tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của máy tính, phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp được ứng dụng nhiều nhất để phân tích kết cấu. Phương pháp phần tử hữu hạn xuất hiện vào những năm 1940 khi máy tính còn trong buổi sơ khai và phương pháp này phát triển mạnh vào những năm của thập niên 60 cùng với việc phát triển ngày càng mạnh của máy tính. So với các phương pháp số học khác, một trong những ưu thế của phương pháp này là lập trình để dùng trên máy.
Nó tạo ra thuận lợi trong việc tự động tính toán các số liệu với nhiều loại kích thước, hình dạng, vật liệu, điều kiện biên khác nhau… Ngày nay, phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật công trình, cơ khí, truyền nhiệt ,thấm ,trường điện thế, điện từ, cơ chất lỏng… và được xem như là một phương pháp hữu hiệu nhất trong việc giải các bài toán trong môi trường liên tục và rời rạc. Đây là một phương pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó. ‐17‐ Trong phương pháp phần tử hữu hạn vật thể liên tục (tức miền tính toán) được biểu diễn như là một tập hợp các phần tử hữu hạn. Các phần tử hữu hạn này được xem như liên kết với nhau tại một số điểm gọi là nút.
Các nút thường nằm trên biên phần tử nơi các phần tử liền kề nhau được xem là liên kết với nhau. Do sự biến thiên thực sự của biến trường (chuyển vị,ứng suất, nhiệt độ, áp suất…) bên trong vật thể (môi trường liên tục) chưa biết trước, ta giả thiết biến thiên của biến trường bên trong một phần tử hữu hạn có thể được xấp xỉ bởi một hàm đơn giản. Hàm xấp xỉ (hay hàm nội suy) được xác định theo biến trường tại các nút. Khi phương trình của biến trường được viết cho toàn bộ miền tính toán, các ẩn số mới sẽ là giá trị tại các nút của biến trường.
Bằng cách giải hệ phương trình này ta xác định được giá trị của biến trường tại các nút và từ hàm nội suy đã giả thuyết ta xác định được sự biến thiên của biến trường trong miền tính toán. Hình 2-1: Sự chia lưới thành các phần tử hữu hạn Mấu chốt trong việc giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là xây dựng ma trận độ cứng cho phần tử. Từ đó lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các điều kiện liên tục, điều kiện biên để tạo phương trình cho hệ và giải các hệ phương trình này [7]. Các bước tiến hành chung của phương pháp phần tử hữu hạn như sau: Bước 1: Rời rạc hóa kết cấu: phân chia miền tính toán thành E miền con/phần tử các miền con liên kết với nhau tại điểm nút: - Xây dựng lưới phần tử hữu hạn.
- Xây dựng hệ tọa độ địa phương và toàn cục. ‐18‐ - Xây dựng số nút và số phần tử. - Tính chất hình học cho bài toán. Bước 2: Chọn một hàm nội suy hay một mô hình chuyển vị thích hợp.
Mô hình nên đơn giản (thường có dạng đa thức) nhưng phải thỏa mãn một số yêu cầu về hội tụ. Mô hình chuyển vị bên trong phần tử được giả thiết là: u x, y, z e U v ( x, y , z ) N Q (2. Xây dựng ma trận độ cứng [K e ] và vecto tải P của từng phần tử bằng cách sử dụng nguyên lý thế năng cực tiểu. Phiến hàm thế năng p của toàn bộ vật thể (chỉ xét lực thể tích và lực mặt) có thể được viết như sau: p e1 pe E (2.