Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững và bảo vệ môi trường, việc sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường ngày càng được quan tâm. Tại Việt Nam, các công trình cầu nhỏ thường sử dụng vật liệu truyền thống như bê tông và thép, tuy nhiên, nguồn tài nguyên gỗ địa phương vẫn còn dồi dào và có tiềm năng ứng dụng trong xây dựng cầu nhỏ. Theo ước tính, các công trình cầu nhỏ có nhịp dưới 10m và bề rộng không quá 5m chiếm tỷ lệ lớn trong hệ thống giao thông nông thôn và đô thị nhỏ. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu gỗ địa phương trong thiết kế các công trình cầu nhỏ, bao gồm cầu gỗ dành cho người đi bộ và cầu liên hợp gỗ - bê tông cho xe cơ giới, nhằm đề xuất giải pháp thiết kế phù hợp với điều kiện Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại gỗ lá kim phổ biến như gỗ thông, gỗ xoan và gỗ mỡ, với các thí nghiệm và mô hình tính toán được thực hiện trong giai đoạn 2020-2021 tại Hà Nội. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác hợp lý nguồn tài nguyên gỗ địa phương, giảm thiểu tác động môi trường và đa dạng hóa vật liệu xây dựng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết cơ học vật liệu gỗ và mô hình kết cấu liên hợp gỗ - bê tông. Lý thuyết cơ học vật liệu gỗ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn Hill về mô hình đàn hồi - dẻo, mô tả ứng xử cơ học đa hướng của gỗ với các đại lượng như mô đun đàn hồi, mô đun trượt và giới hạn chảy đàn hồi. Mô hình này giúp dự báo chính xác ứng suất và biến dạng của dầm gỗ dưới tải trọng uốn. Thứ hai, mô hình kết cấu liên hợp gỗ - bê tông được phát triển dựa trên tiêu chuẩn Eurocode 5, trong đó bản bê tông chịu nén, dầm gỗ chịu kéo và uốn, liên kết chống cắt giữa hai thành phần đảm bảo sự làm việc đồng bộ. Các khái niệm chính bao gồm: kết cấu dầm gỗ liên hợp nhiều lớp (GLT), liên kết chống cắt, trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCD) và trạng thái giới hạn sử dụng (TTGHSD). Ngoài ra, mô hình phá hoại bê tông theo Concrete Damage Plasticity Model (CDPM) được áp dụng để mô phỏng ứng xử cơ học của bê tông trong kết cấu liên hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thí nghiệm uốn 4 điểm trên 9 dầm gỗ địa phương (gỗ thông, gỗ xoan, gỗ mỡ) với kích thước mặt cắt 45x70 mm và chiều dài 0,91 m, được thực hiện tại phòng thí nghiệm cơ học, Đại học Xây dựng Hà Nội. Độ ẩm gỗ duy trì trong khoảng 12-15%, trọng lượng riêng từ 450 đến 650 kg/m³. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS để mô phỏng mô hình vật liệu gỗ theo tiêu chuẩn Hill và mô hình bê tông theo CDPM, so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm nhằm xác nhận tính chính xác. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2020 đến tháng 12/2021, bao gồm giai đoạn chế tạo mẫu, thí nghiệm, phân tích số liệu và xây dựng mô hình tính toán. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các loại gỗ phổ biến tại Việt Nam có tiềm năng ứng dụng trong xây dựng cầu nhỏ, đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cường độ uốn và mô đun đàn hồi của gỗ địa phương: Kết quả thí nghiệm cho thấy gỗ thông có cường độ uốn trung bình 45,6 MPa và mô đun đàn hồi 7.479 MPa; gỗ xoan đạt 39,3 MPa và 9.791 MPa; gỗ mỡ có giá trị thấp hơn với 37,4 MPa và 6.504 MPa. Sự khác biệt này phản ánh đặc tính cơ lý của từng loại gỗ, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của kết cấu cầu.

  2. Ứng xử cơ học của dầm gỗ dưới tải uốn: Đường cong lực - chuyển vị giữa nhịp thể hiện tính đàn hồi dẻo với phá hoại chủ yếu do kéo đứt sợi gỗ, phù hợp với mô hình đàn hồi - dẻo theo tiêu chuẩn Hill. Độ biến dạng tại điểm phá hoại dao động trong khoảng 20-30 mm, cho thấy khả năng chịu biến dạng lớn trước khi gãy.

  3. Hiệu quả của kết cấu liên hợp gỗ - bê tông: Mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng cầu liên hợp cho thấy sự phân bố ứng suất hợp lý, với bản bê tông chịu nén và dầm gỗ chịu kéo, giảm độ võng so với cầu gỗ thuần túy. Liên kết chống cắt có mô đun trượt cao giúp tăng cường sức kháng tổng thể, giảm độ trượt giữa các thành phần, nâng cao độ cứng và tuổi thọ công trình.

  4. So sánh với tiêu chuẩn Eurocode: Kết quả tính toán và mô phỏng phù hợp với các giới hạn về độ võng và ứng suất theo Eurocode 5, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế trong thiết kế cầu nhỏ sử dụng vật liệu gỗ địa phương.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt về cường độ và mô đun đàn hồi giữa các loại gỗ là do cấu trúc vi mô và thành phần tế bào gỗ khác nhau, như tỷ lệ các lớp tế bào S2 và S3, ảnh hưởng đến tính chất cơ học. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy vật liệu gỗ địa phương hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu chịu lực trong các công trình cầu nhỏ, đặc biệt khi kết hợp với bê tông tạo thành kết cấu liên hợp. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các công trình sử dụng GLT và kết cấu liên hợp gỗ - bê tông tại châu Âu, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocode. Việc áp dụng kết cấu gỗ không chỉ giảm tải trọng bản thân công trình tới 50% so với bê tông cốt thép mà còn góp phần giảm phát thải khí nhà kính, hỗ trợ mục tiêu phát triển bền vững. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong lực - chuyển vị, bảng so sánh cường độ và mô đun đàn hồi, cũng như sơ đồ phân bố ứng suất mô phỏng phần tử hữu hạn để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển tiêu chuẩn thiết kế cầu gỗ địa phương: Cần xây dựng và cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với đặc tính vật liệu gỗ Việt Nam, dựa trên các kết quả thí nghiệm và mô phỏng, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thiết kế cầu nhỏ. Chủ thể thực hiện: Bộ Giao thông Vận tải và các viện nghiên cứu; Thời gian: 2 năm.

  2. Ứng dụng kết cấu liên hợp gỗ - bê tông trong cầu nhỏ: Khuyến khích sử dụng kết cấu liên hợp để tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu, giảm trọng lượng công trình và tăng tuổi thọ. Chủ thể thực hiện: Các nhà thầu xây dựng và đơn vị thiết kế; Thời gian: áp dụng ngay trong các dự án mới.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và thi công cầu gỗ, kết cấu liên hợp cho kỹ sư và công nhân xây dựng nhằm nâng cao chất lượng công trình. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Thủy lợi, các trung tâm đào tạo; Thời gian: liên tục hàng năm.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý gỗ: Đầu tư nghiên cứu công nghệ xử lý gỗ chống mối mọt, tăng độ bền và khả năng chịu thời tiết nhằm mở rộng ứng dụng gỗ trong xây dựng ngoài trời. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ; Thời gian: 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế cầu nhỏ sử dụng vật liệu gỗ địa phương, giúp tối ưu hóa kết cấu và chi phí.

  2. Nhà quản lý dự án xây dựng: Tham khảo để đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng kết cấu gỗ và liên hợp trong các dự án cầu nhỏ, từ đó đưa ra quyết định đầu tư phù hợp.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu gỗ, kết cấu liên hợp và phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Hướng đến phát triển sản phẩm gỗ kỹ thuật và công nghệ xử lý gỗ, mở rộng thị trường vật liệu xây dựng thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu gỗ địa phương có đáp ứng được yêu cầu chịu lực trong cầu nhỏ không?
    Theo kết quả thí nghiệm, các loại gỗ thông, xoan và mỡ có cường độ uốn trung bình từ 37 đến 46 MPa, đủ khả năng chịu lực cho cầu nhỏ với nhịp dưới 10m, đặc biệt khi kết hợp với bê tông trong kết cấu liên hợp.

  2. Kết cấu liên hợp gỗ - bê tông có ưu điểm gì so với cầu bê tông truyền thống?
    Kết cấu liên hợp giảm trọng lượng bản thân công trình tới 50%, tăng độ cứng, giảm độ võng và cải thiện khả năng chống cháy, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính so với bê tông cốt thép.

  3. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn có chính xác không?
    Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ABAQUS được so sánh với kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao về đường cong lực - chuyển vị và điểm phá hoại, chứng minh tính chính xác và tin cậy của phương pháp.

  4. Tiêu chuẩn thiết kế nào được áp dụng cho cầu gỗ tại Việt Nam?
    Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn Eurocode 5 cho thiết kế kết cấu gỗ và kết cấu liên hợp gỗ - bê tông, phù hợp với điều kiện kỹ thuật hiện đại và có thể điều chỉnh cho phù hợp với đặc thù vật liệu gỗ địa phương.

  5. Làm thế nào để tăng tuổi thọ và khả năng chịu thời tiết của cầu gỗ?
    Cần áp dụng công nghệ xử lý gỗ chống mối mọt, chống thấm và sử dụng kết cấu liên hợp với bê tông để bảo vệ gỗ, đồng thời thiết kế kết cấu phù hợp nhằm giảm tác động của môi trường.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được đặc tính cơ học của các loại gỗ địa phương phổ biến, phù hợp cho thiết kế cầu nhỏ với cường độ uốn trung bình từ 37 đến 46 MPa và mô đun đàn hồi từ 6.500 đến 9.800 MPa.
  • Mô hình phần tử hữu hạn theo tiêu chuẩn Hill và CDPM mô phỏng chính xác ứng xử cơ học của kết cấu gỗ và bê tông, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
  • Kết cấu liên hợp gỗ - bê tông nâng cao khả năng chịu lực, giảm độ võng và trọng lượng công trình, đồng thời đáp ứng các yêu cầu thiết kế theo Eurocode 5.
  • Đề xuất phát triển tiêu chuẩn thiết kế, đào tạo kỹ thuật và ứng dụng công nghệ xử lý gỗ nhằm thúc đẩy sử dụng vật liệu gỗ trong xây dựng cầu nhỏ tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, triển khai thí điểm các công trình cầu gỗ liên hợp và nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu gỗ trong các công trình giao thông khác.

Hành động ngay hôm nay để khai thác tiềm năng vật liệu gỗ địa phương, góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng công trình giao thông Việt Nam.