Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành xây dựng hiện đại, việc áp dụng công nghệ mới nhằm rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí ngày càng được quan tâm. Theo báo cáo của ngành xây dựng, thời gian thi công các công trình cầu thép và bê tông cốt thép tại Việt Nam còn kéo dài do công nghệ ván khuôn truyền thống chưa tối ưu. Ván khuôn tháo lắp mới, đặc biệt là loại ván khuôn thép tái sử dụng nhiều lần, được xem là giải pháp tiềm năng để nâng cao hiệu quả thi công. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng ván khuôn tháo lắp mới JF Deck cho các cấu kiện cầu thép và bê tông dự ứng lực, nhằm đánh giá khả năng chịu lực, độ bền sau nhiều lần tái sử dụng và xây dựng quy trình vận hành, bảo dưỡng phù hợp.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là tính toán lại khả năng chịu uốn của tấm ván khuôn, so sánh kết quả lý thuyết với mô hình phần tử hữu hạn, thực hiện thí nghiệm kiểm tra hiệu suất sau 10 lần tái sử dụng, đồng thời đề xuất quy trình tháo lắp, vận chuyển và bảo dưỡng. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm kết cấu thuộc Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, trong giai đoạn 2019-2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thi công cầu thép và bê tông dự ứng lực, góp phần giảm chi phí và rút ngắn tiến độ dự án.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tính toán mô men uốn và mô hình phần tử hữu hạn (FEM). Lý thuyết mô men uốn được sử dụng để xác định mô men chảy $M_y$ và mô men dẻo $M_p$ của tấm ván khuôn dựa trên các thông số vật liệu và hình học như giới hạn chảy thép $F_y$, mô men quán tính $I_x$, mô men chống uốn $S_x$, khoảng cách trung hòa $y_{max}$. Công thức tính mô men chảy được áp dụng theo:

$$ M_y = F_y \times S_x $$

và mô men dẻo theo:

$$ M_p = F_y \times Z_x $$

Trong đó, $Z_x$ là mô men phát cắt dẻo của tiết diện. Lý thuyết này giúp đánh giá khả năng chịu lực của tấm ván khuôn trong điều kiện làm việc thực tế.

Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng bằng phần mềm Abaqus, sử dụng phần tử vỏ (shell element) để mô phỏng cấu trúc tấm ván khuôn JF Deck. Mô hình bao gồm các phần tử thép với đặc tính vật liệu phi tuyến tính, mô phỏng quá trình biến dạng và phá hủy. Các điều kiện biên như neo bulong, tải trọng tập trung được khai báo chi tiết để phản ánh chính xác trạng thái làm việc. Mô hình FEM cho phép so sánh kết quả với thí nghiệm thực tế, kiểm chứng độ tin cậy của tính toán lý thuyết.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: mô men uốn (bending moment), ứng suất dẻo (plastic stress), và mô hình phần tử hữu hạn (finite element model).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thí nghiệm uốn tấm ván khuôn JF Deck sau 10 lần tái sử dụng, dữ liệu tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng FEM. Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm kết cấu, sử dụng khung gia tải Hi-Tech Magnus với tải trọng lên đến 200 kN, mô phỏng tải trọng thực tế tác động lên tấm ván khuôn. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 3 mẫu chính với các điều kiện neo bulong khác nhau, nhằm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện biên đến hiệu suất chịu lực.

Phương pháp phân tích bao gồm: tính toán mô men uốn theo lý thuyết, mô phỏng mô hình phần tử hữu hạn bằng Abaqus, và so sánh kết quả với thí nghiệm thực tế. Việc lựa chọn phương pháp phân tích FEM dựa trên khả năng mô phỏng chính xác biến dạng phi tuyến và phá hủy vật liệu thép trong tấm ván khuôn. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, phân tích dữ liệu đến xây dựng quy trình vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng chịu lực của tấm ván khuôn JF Deck: Kết quả tính toán lý thuyết cho mô men chảy $M_y = 235 \times 9748 = 2,290,780 , \text{N.mm}$ và mô men dẻo $M_p = 235 \times 36100 = 8,483,500 , \text{N.mm}$. Mô hình FEM cho thấy mô men chịu lực tối đa gần bằng 2,300,000 N.mm, tương đồng với tính toán lý thuyết, sai số dưới 2%.

  2. Hiệu suất sau 10 lần tái sử dụng: Thí nghiệm uốn cho thấy tấm ván khuôn vẫn giữ được trên 95% khả năng chịu lực ban đầu, với mô men phá hủy trung bình khoảng 2,250,000 N.mm. So sánh với mô hình FEM, sai số dưới 3%, chứng tỏ độ bền và tính ổn định của ván khuôn sau nhiều lần sử dụng.

  3. Ảnh hưởng của điều kiện neo bulong: Mẫu có 3 bulong neo cho kết quả chịu lực cao hơn khoảng 5% so với mẫu 2 bulong, do giảm hiện tượng dịch chuyển và tăng cường liên kết. Điều này được minh họa qua biểu đồ phân bố ứng suất và biến dạng trong mô hình FEM.

  4. Quy trình tháo lắp và vận chuyển: Việc áp dụng quy trình tháo lắp nhanh, vận chuyển bằng xe tải 10 tấn giúp giảm thời gian thi công xuống khoảng 20% so với phương pháp truyền thống, đồng thời kéo dài tuổi thọ ván khuôn lên đến 10 lần sử dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả chịu lực cao và độ bền lâu dài của tấm ván khuôn JF Deck là do vật liệu thép có giới hạn chảy cao và thiết kế tiết diện hợp lý, tận dụng tối đa mô men quán tính và mô men phát cắt dẻo. Kết quả mô hình FEM phù hợp với thí nghiệm thực tế, cho thấy mô hình phần tử hữu hạn là công cụ tin cậy để dự báo hiệu suất ván khuôn trong điều kiện làm việc phức tạp.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành xây dựng cầu thép tại một số địa phương, ván khuôn JF Deck có ưu điểm vượt trội về khả năng tái sử dụng và giảm chi phí bảo dưỡng. Việc xây dựng quy trình tháo lắp và vận chuyển chi tiết giúp giảm thiểu hư hỏng vật liệu, tăng tuổi thọ sản phẩm, đồng thời rút ngắn tiến độ thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mô men phá hủy giữa các mẫu thí nghiệm và mô hình FEM, bảng thống kê thời gian thi công và chi phí bảo dưỡng giữa ván khuôn truyền thống và JF Deck, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi ván khuôn JF Deck trong thi công cầu thép và bê tông dự ứng lực: Động tác này nhằm tăng tỷ lệ tái sử dụng ván khuôn lên trên 80%, giảm chi phí vật liệu và bảo dưỡng trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu xây dựng và chủ đầu tư.

  2. Xây dựng quy trình tháo lắp, vận chuyển và bảo dưỡng tiêu chuẩn: Đề xuất hoàn thiện quy trình kỹ thuật chi tiết, đào tạo nhân lực vận hành trong 6 tháng, nhằm kéo dài tuổi thọ ván khuôn lên 10 lần sử dụng. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công và quản lý dự án.

  3. Đầu tư trang thiết bị hỗ trợ tháo lắp và vận chuyển chuyên dụng: Trang bị xe tải trọng 10 tấn và thiết bị nâng hạ phù hợp, giảm thiểu hư hỏng vật liệu, dự kiến hoàn thành trong 1 năm. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu và đơn vị cung cấp thiết bị.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại cấu kiện khác: Khảo sát và thử nghiệm ván khuôn JF Deck cho các cấu kiện bê tông cốt thép khác như dầm, cột trong 2 năm tới, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả kinh tế. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà thầu xây dựng cầu đường: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn công nghệ ván khuôn phù hợp, giảm chi phí và rút ngắn tiến độ thi công cầu thép và bê tông dự ứng lực.

  2. Chủ đầu tư dự án giao thông: Sử dụng thông tin để đánh giá hiệu quả đầu tư, lựa chọn nhà thầu có công nghệ thi công tiên tiến, đảm bảo chất lượng và tiến độ dự án.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng: Tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về vật liệu và công nghệ thi công cầu đường, nâng cao trình độ khoa học công nghệ.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và giao thông: Dùng làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình vận hành và bảo dưỡng ván khuôn trong thi công cầu đường, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ván khuôn JF Deck có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Theo thí nghiệm, ván khuôn JF Deck có thể tái sử dụng ít nhất 10 lần mà không giảm đáng kể khả năng chịu lực, giúp tiết kiệm chi phí vật liệu và bảo dưỡng.

  2. Phương pháp mô phỏng FEM có chính xác không?
    Kết quả mô phỏng FEM so với thí nghiệm thực tế có sai số dưới 3%, chứng tỏ phương pháp này rất tin cậy trong dự báo hiệu suất chịu lực và biến dạng của ván khuôn.

  3. Quy trình tháo lắp và vận chuyển có ảnh hưởng đến tuổi thọ ván khuôn?
    Có, quy trình tháo lắp và vận chuyển đúng kỹ thuật giúp giảm hư hỏng vật liệu, kéo dài tuổi thọ ván khuôn lên đến 10 lần sử dụng, đồng thời rút ngắn thời gian thi công.

  4. Ván khuôn JF Deck có phù hợp với các loại cầu bê tông dự ứng lực không?
    Nghiên cứu cho thấy ván khuôn JF Deck thích hợp cho cả cầu thép và bê tông dự ứng lực, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong thi công các loại cầu này.

  5. Chi phí đầu tư ban đầu cho ván khuôn JF Deck có cao không?
    Chi phí ban đầu có thể cao hơn ván khuôn truyền thống, nhưng nhờ khả năng tái sử dụng nhiều lần và giảm chi phí bảo dưỡng, tổng chi phí trong vòng đời công trình được giảm đáng kể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được khả năng chịu lực và độ bền của tấm ván khuôn JF Deck qua tính toán lý thuyết, mô hình FEM và thí nghiệm thực tế.
  • Ván khuôn JF Deck giữ được trên 95% hiệu suất sau 10 lần tái sử dụng, phù hợp với yêu cầu thi công cầu thép và bê tông dự ứng lực tại Việt Nam.
  • Quy trình tháo lắp, vận chuyển và bảo dưỡng được xây dựng chi tiết, giúp kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí thi công.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thi công, giảm thời gian và chi phí cho các dự án cầu đường.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi công nghệ ván khuôn JF Deck và tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các cấu kiện khác trong ngành xây dựng.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng quy trình tháo lắp và vận chuyển tại các công trình thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành. Mời các nhà thầu, chủ đầu tư và viện nghiên cứu liên hệ để nhận tư vấn chi tiết và hợp tác phát triển công nghệ thi công tiên tiến này.