CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GỖ VÀ THIẾT KẾ CẦU GỖ 1.1 Lịch sử công trình cầu gỗ Gỗ đã được sử dụng từ thời kỳ đồ đá mới cho vượt sông. Người ta ước tính rằng các khúc gỗ được đặt bằng phẳng và được phủ bằng sàn ở đó 17.000 năm trước đã tạo thành những cây cầu đầu tiên ở gỗ, tuy nhiên nhịp được giới hạn ở khoảng mười mét. Các cây cầu nhịp ngắn để vượt qua một nhành sông Nile cách đây 2000 đến 3000 năm đã được ghi chép trong các tài liệu của Herodotus. Một cây cầu được hoàn thành ở Babylon vào năm 783 trước Công nguyên được tìm thấy trong tài liệu chi tiết nhất.
Nói chung, trong thời cổ đại, tiến bộ kỹ thuật trong sử dụng kết cấu gỗ là do đóng tàu, đặc biệt là của người Ai Cập , người Hy Lạp. Quân đội của các đế chế lục địa sử dụng xà lan nổi làm giá đỡ trung gian. Chúng ta có thể trích dẫn cây cầu Darius trên eo biển Bosphorus thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên.1 Cầu gỗ cổ đại Người La Mã đã phát triển các cấu trúc mới phức tạp hơn với các cụm, đặc biệt là cầu nạng, dầm và vòm. Trong số, chúng ta có thể trích dẫn cây cầu Trajan trên sông Danubecó niên đại từ 103 và vượt qua 1.
Ở châu Á, có những cây cầu thuyền và nhiều các loại cầu có dầm, chân hoặc vòm, cũng như của những giao cắt bằng cầu treo đến dây leo. Ở đảo Java, kỹ thuật cầu treo có niên đại từ thời cổ đại. Kỹ thuật của mố trụ búa cũng được phát triển ở châu Á.2 Thực trạng áp dụng vật liệu gỗ trong công trình cầu trên thế giới và tại Việt Nam và trên thế giới Kết cấu gỗ thực sự phát triển vượt bậc trong giai đoạn chiến tranh thế giới thứ 2 (1939- 1945). Do yêu cầu chế tạo các cây cầu tạm, phục vụ vận chuyển hàng hóa, vật liệu gỗ được ưu tiên do mang tính địa phương, dễ tìm và có sẵn.
Rất nhiều kỹ thuật tiến tiến trong chế tạo kết cấu gỗ được phát minh, trong đó phải kể đến là kết cấu liên hợp gỗ nhiều lớp, liên kết bằng keo dán. Loại kết cấu này giúp tăng nhịp và kích thước cho các kết cấu gỗ, vốn dĩ bị hạn chế bởi kích thước của thân cây gỗ tự nhiên. Hình dưới đây giới thiệu kết cấu gỗ liên hợp nhiều lớp, sử dụng keo dán. Phiến gỗ Keo dán Hình 1.2 Dầm liên hợp gỗ nhiều lớp, sử dụng keo dán Ngày nay các dầm có nhịp đến 60 m đã được chế tạo và sử dụng cho các công trình nhịp lớn, như công trình cầu trong giao thông.
Các dạng dầm vòm được ưu tiên nhằm tạo dạng kết cấu phù hợp sơ đồ chịu lực của công trình nhịp lớn.3 Dầm vòm kích thước lớn dạng liên hợp gỗ, sử dụng keo dán 5 Ngoài ra kết cấu gỗ ghép còn giúp loại bớt những khuyết tật có sẵn của cây gỗ bằng kỹ thuật ghép mộng răng cưa đối đầu (Hình 1.4 Mộng liên kết răng cưa đối đầu Hiện nay kết cấu gỗ đang dần có mặt trong các công trình ở Việt Nam, tuy nhiên, rất ít xuất hiện trong các công trình nhịp lớn, như công trình cầu. Các nghiên cứu về kết cấu gỗ còn rất hạn chế và chưa có một hướng rõ ràng.3 Vật liệu gỗ 1.1 Hình thái học và cấu trúc vi mô của gỗ Gỗ được chia làm hai loại: gỗ lá kim thuộc họ cây hạt trần, tên khoa học là gymnospermes và gỗ lá bản thuộc họ cây hạt kín, có tên khoa học là angiospermes. Các loại gỗ lá kim phổ biến như là gỗ thông, gỗ tùng, gỗ xoan và các loại gỗ lá bản như là gỗ sồi, dẻ, bạch đàn (Hình 1.5 Thân cây gỗ lá kim và cây gỗ lá bản [7].6 Mô tả cấu trúc gỗ lá kim [7]. Gỗ lá kim được cấu tạo từ các mạch, có hình dạng tổ ong giống nhau.
Nó giúp truyền nhựa trong thân cây và nuôi cây phát triển. Ngoài ra các mạch này giúp hình thành cấu trúc thân cây, và đứng vững. Gỗ lá bản bao gồm từ rất nhiều loại tế bào có hình dạng thay đổi, hoàn toàn khác so với gỗ lá kim (Hình 1.7 Mô tả cấu trúc gỗ lá bản [7] 7 Tế bào gỗ rất khác nhau. Từ ngoài vào trong bao gồm vách đầu tiên và vách thứ hai.
Vách thứ 2 chia làm ba lớp. Lớp đầu tiên ngoài cùng S1 là các vi thớ, nghiêng góc 60° đến 80° so với với thớ dọc. Lớp giữa S2 gồm các vi thớ xếp đặc, có góc nghiêng từ 5° đến 30° so với thớ dọc. Chiều dày của lớp này chiếm đến 85% chiều dày của toàn bộ vách thứ 2.
Thớ S2 có vai trò quyết định ứng xửcơ lý của loại gỗ. Thớ trong cùng S3 có góc nghiêng từ 60° đến 90 so với thớ dọc.8 Cấu tạo chung các lớp của tế bào gỗ [7] 1.2 Nhóm gỗ Theo quy định hiện hành tại Việt Nam hiện nay gỗ tự nhiên được chia thành 8 nhóm bao gồm [1]: Nhóm I: Nhóm gỗ quý có vân thớ, màu sắc đẹp, có hương thơm, độ bền và giá trị kinh tế cao. Nhóm II: Nhóm gỗ nặng, cứng, có tỷ trọng lớn và sức chịu lực cao. Nhóm III: Nhóm gỗ nhẹ và mềm hơn nhóm II và nhóm I, nhưng cũng có sức bền, sức chịu lực cao và độ dẻo dai lớn.
Nhóm IV: Nhóm gỗ có thớ mịn, tương đối bền, dễ gia công chế biến. Nhóm V: Nhóm gỗ trung bình, có tỷ trọng trung bình, dùng rộng rãi trong xây dựng, đóng đồ đạc. Nhóm VI: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu đựng kém, dễ bị mối mọt nhưng bù lại rất dễ chế biến. Nhóm VII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực kém, sức chống mối mọt 8 Nhóm VIII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực rất kém, khả năng bị mối mọt cao.3 Tính chất cơ lý-học của gỗ Gỗ là vật liệu tự nhiên, các tính chất cơ lý –học của gỗ phụ thuộc vào loại gỗ, khối lượng riêng, độ ẩm và môi trường sống của gỗ.1 mô tả một số đặc tính cơ lý của các loại gỗ thông dụng.1 Đặc tính cơ lý của một số loại gỗ thông dụng (* ở độ ẩm H=12%) [2] Gỗ lá bản Gỗ lá kim Đặc tính cơ Lãnh Vân Thông Thông Linh lý Dẻ gai Sồi Dẻ sam sam rừng biển sam Khối lượng 710±3 490±5 riêng 740±50 640 450±60 550 550 540±40 0 0 *(kg/m3) Hệ số giãn 0,54±0 0,44±0, 0,44±0 0,39±0, 0,46±0, nở thể tích 0,42 0,45 0,45 ,04 05 ,07 04 02 (%) Hệ số giãn nở theo 11,6±1 8,7±2, 9,7±0,9 6,9 8,2±0,8 8,3 9 6,9±1,2 phương tiếp ,2 3 tuyến (%) Hệ số giãn nở theo 5,7±0, 4,0±1, phương 4,5±0,5 4,2 3,9±1,4 5,2 4,5 4,7±0,4 9 1 hướng tâm (%) Độ bão hòa hơi nước 32 31 30 29 33 30 32 27 (%) Trung Mức độ ổn Trung Trung Trung Trung Trung bình Trung định khi sử Khá bình bình bình bình bình đến bình dụng đến khá khá 9 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1072:1971 [3], phân loại gỗ địa phương theo tính chất cơ lý của từng loại gỗ.
Tuy nhiên tiêu chuẩn đã được thực hiện từ năm 1971, và chưa được cập nhật mới. Ngoài ra, hai tiêu chuẩn mới TCVN 8164: 2015 [4], TCVN 8574: 2010 [5] đã được thiết lập cho phân hạng kết cấu gỗ theo độ bền. Tiêu chuẩn Châu Âu EN 338 [6] phân loại gỗ lá kim thành 12 loại từ C14 đến C50 tương ứng với cường độ chịu uốn tương ứng từ 14MPa đến 50MPa. Gỗ lá bản được phân loại từ D18 đến D70 tương ứng với cường độ chịu uốn từ 18 MPa đến 70 MPa (Bảng 1.2 Phân loại gỗ theo cường độ chịu uốn [6] Gỗ lá C14 C16 C18 C20 C22 C24 C27 C30 C35 C40 C45 C50 - - kim Gỗ lá - - D18 - - D24 - D30 D35 D40 - D50 D60 D70 bản Bảng 1.3 Quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơ học [5] Gỗ lá bản Gỗ lá kim H=12%; ρ0=0,65g/cm3 H=12%; ρ0=0,45g/cm3 MPa= 106 MPa Sij1 Sij1 R S ij1 S ij1 B 0 R 0 S111 ER 1800 / 0.41 0,546 RT TR EL ET S231 31200 / 0, 65 0,805 30800 101000 0, 45 1.09 0,817 LT TL ER EL S311 37300 / 0, 65 0,727 342000 117000 0, 45 0,762 0,913 RL LR S441 GTL 971 / 0, 65 0,912 745 989 0, 45 1,26 0,533 S551 GRL 1260 / 0, 65 0,900 1861 2080 0,45 1,34 0,676 S661 GRT 366 / 0, 65 0,851 83, 6 228 0, 45 1,74 0,460 10 Trong đó: H: Độ ẩm của gỗ 0: Khối lượng riêng của gỗ ứng với độ ẩm 12% : Khối lượng riêng của gỗ ứng với độ ẩm thực tế Sij: Mô đun đàn hồi trong mặt phẳng ij (i; j = 1 6) E: Mô đun đàn hồi dọc thớ G: Mô đun đàn hổi trượt R: Phương sai B: Hệ số không đổi Guitard 1987 [7] đưa ra mối quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơ học của nó (Bảng 1.
Nghiên cứu được thực hiện trên các loại gỗ lá kim có trọng lượng riêng trung bình là 450 kg/m3 và các loại gỗ lá bản có trọng lượng riêng trung bình là 650 kg/m3.4 Mô hình ứng xử cơ học của gỗ Ứng xử cơ học của gỗ phụ thuộc vào thớ làm việc của gỗ, do gỗ là một vật liệu đa hướng. Ngoài ra các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, tải trọng tác động cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của gỗ. Ứng xử cơ học của gỗ rất phức tạp, có thể giả thiết dưới các dạng mô hình như : đàn hồi, dẻo, đàn nhớt, cơ học hấp thu. Ứng xử cơ học của gỗ được xem xét ở ba mặt cắt đặc trưng (Hình 1.
Mặt cắt hướng tâm (LR) là mặt phẳng cắt qua lõi cây. Mặt cắt ngang (RT) là mặt phẳng vuông góc với thân cây Mặt cắt tiếp tuyến (LT) là mặt phẳng song song và không cùng tâm với trục của cây gỗ. Trong đó các kí hiệu L thể hiện trục dọc thớ, R là trục hướng tâm và T là trục tiếp tuyến.9 Ba mặt cắt đặc trưng. Thân cây gỗ được lý tưởng hóa bởi hệ trục tọa độ tổng thể (0,e1,e2,e3), trong đó e3 là trục của thân cây gỗ.
Mỗi điểm P nằm trong hệ tọa độ cực địa phương (P,er,eθ,ez), có tọa độ (r, θ, z).