Tổng quan nghiên cứu

Việc sử dụng vật liệu gỗ trong xây dựng công trình cầu nhỏ tại Việt Nam đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng, đặc biệt trong bối cảnh phát triển bền vững và giảm thiểu tác động môi trường. 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 khu vực miền núi. Tuy nhiên, việc áp dụng vật liệu gỗ địa phương trong thiết kế cầu còn hạn chế do thiếu các nghiên cứu khoa học bài bản về tính chất cơ lý và khả năng chịu lực của gỗ trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu gỗ địa phương, bao gồm gỗ thông, gỗ xoan và gỗ mỡ, trong thiết kế các công trình cầu nhỏ, đồng thời đề xuất các giải pháp thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn Eurocode và điều kiện thực tế tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các công trình cầu nhỏ có nhịp dưới 10m, tập trung tại các phòng thí nghiệm và địa phương có nguồn gỗ sẵn có. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường, giảm chi phí và thời gian thi công, đồng thời bảo tồn nguồn tài nguyên rừng thông qua việc sử dụng hợp lý vật liệu gỗ địa phương.

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 trên cơ sở phân tích cấu trúc vi mô của gỗ lá kim và gỗ lá bản, với các đại lượng đàn hồi như mô đun Young theo các trục dọc thớ, hướng tâm và tiếp tuyến, cùng các hệ số Poisson đặc trưng. Mô hình đàn hồi - dẻo theo tiêu chuẩn Hill được áp dụng để mô phỏng ứng xử cơ học của gỗ, trong đó các hằng số vật liệu được xác định qua thực nghiệm. Bên cạnh đó, mô hình liên hợp gỗ - bê tông được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn Eurocode 5, trong đó bê tông chịu nén và gỗ chịu kéo, uốn, với liên kết chống cắt giữa hai vật liệu được mô phỏng bằng mô hình phần tử hữu hạn. Các khái niệm chính bao gồm: kết cấu dầm gỗ liên hợp nhiều lớp (GLT), liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp, và các trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCĐ) và sử dụng (TTGHSD) theo Eurocode.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thí nghiệm uốn 4 điểm trên các mẫu dầm gỗ địa phương (gỗ thông, xoan, mỡ) được chế tạo và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm cơ học, Đại học Xây dựng Hà Nội. Tổng số 9 dầm được thí nghiệm, mỗi loại gỗ 3 dầm, kích thước mặt cắt 45x70 mm, chiều dài 0,91 m, độ ẩm gỗ duy trì trong khoảng 12-15%. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm ABAQUS theo phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử cơ học của dầm gỗ và kết cấu cầu liên hợp gỗ - bê tông. Mô hình vật liệu gỗ áp dụng tiêu chuẩn Hill, mô hình bê tông sử dụng Concrete Damage Plasticity Model (CDPM). Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm giai đoạn chế tạo mẫu, thí nghiệm, phân tích số liệu và xây dựng mô hình tính toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính chất cơ lý của gỗ địa phương: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ uốn trung bình của gỗ thông đạt khoảng 43,6 MPa với mô đun đàn hồi trung bình 7.479 MPa; gỗ xoan có cường độ uốn trung bình 39,3 MPa và mô đun đàn hồi 9.791 MPa; gỗ mỡ có cường độ uốn trung bình 37,4 MPa và mô đun đàn hồi 6.504 MPa. Độ biến thiên cường độ uốn dao động từ 7,9% đến 14,9%, cho thấy tính đồng nhất tương đối của vật liệu.

  2. Ứng xử cơ học của dầm gỗ: Đường cong lực - chuyển vị giữa nhịp thể hiện giai đoạn đàn hồi rõ ràng trước khi xảy ra phá hoại dòn do kéo đứt thớ gỗ. Mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng chính xác đường cong thực nghiệm, đặc biệt tại điểm phá hoại, với sai số dưới 5%.

  3. Hiệu quả của kết cấu liên hợp gỗ - bê tông: Mô hình số cho thấy liên kết chống cắt có vai trò quan trọng trong việc nâng cao sức kháng tổng thể của dầm liên hợp. Các dạng liên kết chốt cho sức kháng uốn lớn nhất (13,2 MPa), trong khi liên kết đinh vít và thanh xiên có sức kháng tương đương (khoảng 12,1 MPa).

  4. Khả năng ứng dụng trong thiết kế cầu nhỏ: Mô hình cầu liên hợp gỗ - bê tông với nhịp dưới 10m và bề rộng dưới 5m đáp ứng các yêu cầu về trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng theo tiêu chuẩn Eurocode, với độ võng nằm trong giới hạn cho phép (L/300 đến L/500).

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 tỷ trọng khác nhau, trong đó gỗ xoan có tỷ trọng cao hơn (khoảng 650 kg/m³) so với gỗ thông (450-500 kg/m³), dẫn đến khả năng chịu lực tốt hơn. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả cường độ uốn của gỗ địa phương tương đương hoặc cao hơn một số loại gỗ lá kim phổ biến, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng trong kết cấu cầu. Việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn với tiêu chuẩn Hill và CDPM giúp dự báo chính xác ứng xử cơ học, hỗ trợ thiết kế tối ưu. Kết cấu liên hợp gỗ - bê tông không chỉ tăng cường khả năng chịu tải mà còn giảm trọng lượng bản thân công trình, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam. Các biểu đồ lực - chuyển vị và phân bố ứng suất trong mô hình số minh họa rõ ràng sự phối hợp làm việc giữa gỗ và bê tông, đồng thời thể hiện hiệu quả của liên kết chống cắt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển tiêu chuẩn thiết kế kết cấu gỗ địa phương: Cần xây dựng và cập nhật các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với đặc tính cơ lý của gỗ địa phương, dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thiết kế cầu nhỏ.

  2. Ứng dụng kết cấu liên hợp gỗ - bê tông trong công trình 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 khả năng chịu tải, với thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, do các đơn vị thiết kế và thi công cầu.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ thiết kế và thi công: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và thi công kết cấu gỗ, đặc biệt là kỹ thuật liên kết chống cắt và xử lý gỗ ngoài trời, nhằm nâng cao chất lượng công trình và giảm thiểu rủi ro.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý gỗ: Đầu tư nghiên cứu công nghệ xử lý gỗ nhằm tăng khả năng chống mối mọt, chịu ẩm và kéo dài tuổi thọ công trình, đồng thời phát triển các loại keo dán và liên kết cơ khí phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu cơ lý và mô hình tính toán giúp thiết kế cầu nhỏ bằng vật liệu gỗ địa phương hiệu quả và an toàn.

  2. Các nhà quản lý dự án xây dựng cầu: Thông tin về ưu nhược điểm của kết cấu gỗ và liên hợp gỗ - bê tông hỗ trợ quyết định lựa chọn vật liệu và công nghệ thi công phù hợp.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp thí nghiệm, mô hình hóa và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu gỗ trong xây dựng.

  4. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và chế biến gỗ: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm gỗ kỹ thuật, kết cấu gỗ liên hợp, mở rộng thị trường ứng dụng trong xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu gỗ địa phương nào phù hợp nhất cho kết cấu cầu nhỏ?
    Gỗ thông và gỗ xoan được đánh giá có cường độ uốn và mô đun đàn hồi cao, phù hợp cho kết cấu chịu lực trong cầu nhỏ. Gỗ mỡ có cường độ thấp hơn nhưng vẫn có thể sử dụng trong các kết cấu chịu tải nhẹ.

  2. Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp gỗ - bê tông có vai trò gì?
    Liên kết chống cắt đảm bảo sự phối hợp làm việc giữa gỗ và bê tông, nâng cao sức kháng tổng thể của dầm liên hợp, giảm độ võng và tăng độ bền công trình.

  3. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để thiết kế cầu gỗ tại Việt Nam?
    Tiêu chuẩn Eurocode 5 được sử dụng làm cơ sở thiết kế kết cấu gỗ và liên hợp gỗ - bê tông, kết hợp với các tiêu chuẩn Việt Nam về phân loại gỗ và tải trọng cầu.

  4. Mô hình phần tử hữu hạn có thể dự báo chính xác ứng xử của kết cấu gỗ không?
    Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng tiêu chuẩn Hill cho gỗ và CDPM cho bê tông đã được kiểm chứng qua thí nghiệm, cho kết quả dự báo chính xác về ứng suất, biến dạng và điểm phá hoại.

  5. Lợi ích môi trường khi sử dụng vật liệu gỗ trong xây dựng cầu là gì?
    Gỗ là nguồn tài nguyên tái sinh, có mức khí thải thấp hơn nhiều so với bê tông và thép, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường xanh bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được các đặc tính cơ lý quan trọng của gỗ địa phương (thông, xoan, mỡ) phục vụ thiết kế kết cấu cầu nhỏ.
  • 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.
  • Kết cấu liên hợp gỗ - bê tông nâng cao khả năng chịu tải và giảm độ võng, phù hợp với tiêu chuẩn Eurocode và điều kiện thi công tại Việt Nam.
  • Các giải pháp thiết kế và công nghệ xử lý gỗ được đề xuất nhằm thúc đẩy ứng dụng vật liệu gỗ trong xây dựng cầu nhỏ.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng và phát triển tiêu chuẩn thiết kế kết cấu gỗ địa phương là bước đi cần thiết trong 2-3 năm tới.

Hãy áp dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển các công trình cầu nhỏ bền vững, thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế tại Việt Nam.