Chương 1: trong chương này chủ yếu giới thiệu các bộ phận cơ bản của kết cấu trụ đài cứng, tình hình sử dụng cọc ống thép ở Việt Nam, cũng như hình ảnh minh họa tình hình sử dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng. Chương 2: trong chương này nêu ảnh hưởng của cọc trong trụ đài cứng chịu lực ngang sẽ xuất hiện các thành phần nội lực với bài toán phẳng, bài toán không gian và các yếu tố ảnh hưởng đến các thành phần nội lực xuất hiện trong cọc khi trụ chịu lực ngang. Chương 3: trong chương này sẽ nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của cọc, sức chịu tải ngang trục của cọc theo điều kiện vật liệu và điều kiện đất nền. Các mô hình tính cọc chịu lực đơn giản và phức tạp.
Chương 4: So sánh sự làm việc của cọc ống thép và cọc ống BTCT DƯL trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang, trong chương này mục đích là xây dựng các đồ -11- thì quan hệ về tải trọng ngang tác dụng lên trụ với đường kính cọc, đồ thị quan hệ giữa tải trọng ngang tác dụng lên trụ với kinh phí và ứng dựng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng với một số chiều dày tính toán. Chương 5: Rút ra một số nhận xét về khả năng ứng dụng cọc ống thép trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Phương pháp nghiên cứu - Lập mô hình nghiên cứu ứng xử của cọc trong kết cấu trụ đài cứng chịu lực ngang. - Tập hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về bài toán cọc đơn chịu lực đơn giản và chịu lực phức tạp, so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp này với nhau.
Từ đó chọn mô hình để áp dụng trong nghiên cứu này. - Sơ đồ khối của nghiên cứu: Thông số điều kiện địa chất thay đổi Mặt bằng cọc tính toán Thay đổi D (t) Đầu vào cọc ống thép Đầu vào cọc ống BTCT DƯL Đường kính (D) Đường kính (D) Bề dày (t) Xác định chi phí Tải trọng lớn nhất tác dụng lên đài So sánh hiệu quả kinh tế Kết luận -12- 4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Chỉ xét nền đơn giản, gồm 01 lớp đồng nhất quanh cọc (có trạng thái yếu đến trung bình) và một lớp đất tốt dưới mũi cọc. Đất nền được xem xét gồm 02 loại có tính chất khác biệt nhau và cũng thường gặp trong cấu tạo địa tầng ở Việt Nam: đất sét (đại diện cho loại đất dính) và đất cát (đại diện cho loại đất rời).
Trường hợp đất nền nhiều lớp, gồm cả đất dính và đất rời, việc nghiên cứu khi cần thiết sẽ được thực hiện tương tự. - Không xét đến ảnh hưởng của điều kiện địa hình, thủy văn, tải trọng, tác động (sóng, gió, dòng chảy, động đất)… - Việc so sánh hiệu quả kinh tế giữa cọc ống thép và cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực chỉ xét đến giai đoạn thi công hoàn thành. GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG CHỊU LỰC NGANG TRONG THỰC TẾ I. CÁC KẾT CẤU TRỤ THƯỜNG GẶP TRONG THỰC TẾ Kết cấu bến chuyên dụng dạng trụ là loại bến mà thành phần chủ yếu là các trụ để neo tàu và cập tàu.
Bến trụ thường thấy ở các cảng nước sâu, phục vụ cho các tàu lớn, có lực cập đến 600T, lực neo đến 250T, thường dùng cho các bến dầu, bến quặng… cách xa bờ, có cầu nối với bờ hay đường ống dẫn, dây cáp treo nối bờ… Kết cấu trụ được chia thành 2 loại chính là trụ cập và trụ neo: + Trụ cập (breasting dolphins hay berthing dolphins) cần mềm để tiêu tán năng lượng va của tàu. Độ mềm có thể do biến dạng dẻo của bản thân trụ cập hay do biến dạng của đệm tàu hoặc do sự kết hợp của cả hai. + Trụ neo (mooring dolphins) chỉ cần chịu được tải trọng gần như tĩnh và kinh tế nhất là được thiết kế dưới dạng khó uốn, thường dùng các cọc ông đường kính lớn. Ngoài ra còn có trụ quay và trụ dẫn hướng, trong đó trụ quay dùng để quay các tàu lớn ở nơi có bể cảng hẹp và trụ dẫn hướng dùng để dẫn tàu vào cảng, vào âu và ụ Hình 1: Trụ quay và trụ dẫn hướng Hình 2: Kết cấu bến sử dụng trụ cập và trụ neo -14- Theo cách phân chia về kết cấu trụ có thể chia ra thành trụ đài mềm và trụ đài cứng.
+ Với trụ đài mềm có đài dễ bị biến dạng khi chịu lực ngang gồm các cọc ống đường kính bé hay một tập hợp các cọc ống liên kết với nhau bằng các thanh giằng bằng thép hoặc đài bằng BTCT có độ cứng nhỏ như hình 3. Nhóm các cọc đứng được xây dựng trong một mũ bê tông cốt thép hoặc một khung giằng thép liên kết các cọc với nhau, phần trên là bản để lắp đặt các thiết bị phụ trợ. Với loại kết cấu này thường sử dụng cọc ống bên trong có nhồi cát hoặc bê tông để tăng độ ổn định của cả hệ. Các trụ này thường được thiết kế để tiêu hao năng lượng động học của các tàu cập bến nhờ chuyển dịch của đài cọc.
Các tải trọng cập tàu tác dụng vào trụ, ngoài việc gây dịch chuyển tịnh tiến đài trụ còn có thể gây xoắn đài trụ. Ưu điểm khi sử dụng cọc ống thép trong công trình loại này là do vật liệu cọc có độ dẻo cao, chúng thích hợp cho việc tiêu hao năng lượng, và độ bền cao của chúng. Hình 3: Kết cấu trụ mềm phổ biến hiện nay ở một số nơi trên thế giới (Nguồn High Performance Fenders) -15- + Trụ đài cứng thường sử dụng đài có kết cấu bê tông khối lớn, để liên kết các cọc với nhau như hình 4 Hình 4: Hình ảnh một số trụ đài cứng ở một số nơi trên thế giới (Nguồn High Performance Fenders) -16- I. CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CẢU KẾT CẤU TRỤ ĐÀI CỨNG Các bộ phận cơ bản của kết cấu trụ đài cứng bao gồm: hệ thống nền cọc, đài trụ, hệ thống bích neo, đệm tàu.
Cọc ống thép a. Yêu cầu về tính chất cơ học Yêu cầu tính chất cơ học trong cọc ống thép cần tuân thủ chặt chẽ theo [18] Bảng 1. Tính chất cơ học Độ chống nén bẹp, Giới hạn Giới hạn Giới hạn bền Kí hiệu Độ giãn khoảng cách giữa các bền kéo chảy kéo của mối cấp dài % tấm phẳng (H), D đường (Mpa) (Mpa) hàn (Mpa) kính ngoài của ống SPP 345 ≥345 ≥205 ≥18 ≥345 2/3D SPP 400 ≥400 ≥235 ≥18 ≥400 2/3D SPP 490 ≥490 ≥315 ≥18 ≥490 7/8D b. Yêu cầu về ứng suất trong cọc ống thép Theo TCXD 205-1998 (Theo điều 3.2) : Ứng suất cho phép lớn nhất về nén và kéo không được vượt quá giới hạn sau với cọc thép 0.25fy, với fy : giới hạn chảy của thép.
Theo tiêu chuẩn Anh BS6349 – Part 2 : 1988 (Theo điều 6.2) : Để hạn chế ảnh hưởng do tăng ứng suất khi đóng cọc, ứng suất nén dọc trục trong cọc thép khi đóng trong các điều kiện chất tải tiêu chuẩn không nên vượt quá 0. Giá trị này có thể tăng đến 0.5fy khi đóng qua lớp đất mềm và dừng ngay khi đi vào trong lớp đất chặt. Ứng suất kéo dọc trong cọc thép trong các điều kiện chất tải tiêu chuẩn không nên vượt quá 0. Uốn dọc trong quá trình thi công đóng cọc Trong thiết kế cọc, người ta đề nghị là kiểm tra không chỉ tải trọng tác động sau khi đã hoàn thiện việc xây dựng mà còn cả tải trọng khi đang vận chuyển và đóng cọc.2 (I- 1) r y -17- Trong đó py: Ứng suất uốn dọc của cọc thép xét đến độ dày của thành ống (kN/m2) y: Ứng suất uốn dọc của cọc thép chịu tải trọng tĩnh (kN/m2) t: Độ dày thành ống của cọc ống (mm) r: Bán kính của cọc ống (mm) Trong những trường hợp khác, không nên sử dụng cọc ống thép bên ngoài giới hạn được chỉ ra trong hình 5.
Nếu có nguy cơ xảy ra hiện tượng uốn dọc, cọc thép nên được gia cố bằng đai thép hoặc nên sử dụng cọc dày hơn. Hình 5: Mối quan hệ giữa ứng suất uốn dọc (max) và tỷ số độ dày thành ống so với đường kính (t/2r) I. Cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực a. Yêu cầu về ứng suất hữu hiệu của cọc PHC Ứng suất hữu hiệu của cọc PHC là ứng suất nén trước tính toán của cọc PHC có tính đến các đặc tính biến dạng đàn hồi, co ngót của bê tông, sự suy giảm ứng suất do từ biến của bê tông và sự suy giảm ứng suất do cốt thép bị chùng ứng suất.
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam 7888-2008: Ứng suất hữu hiệu tính toán của cọc PHC cho từng cấp tải A, B, C tương ứng là 3920 kN/m2, 7850 kN/m2, 9810 kN/m2, với sai số cho phép là 5%. -18- Theo Tiêu chuẩn Nhật JIS 5373-2004: Mục 5-1, quy định ứng suất hữu hiệu trong cọc PHC tương ứng với từng cấp tải A, B, C là 4,000 kN/m2, 8,000 kN/m2, 10,000 kN/m2. Yêu cầu độ bền của thân cọc Theo tiêu chuẩn Việt Nam : Theo [6], điều 4.2 độ bền uốn nứt thân cọc PC và cọc PHC được xác định qua giá trị mômen uốn nứt nêu trong bảng 1. Giá trị mômen uốn trong thân cọc không được vượt quá giá trị này.2 ứng suất nén trong cọc không được vượt quá giới hạn sau: 0.
Với fc : Cường độ chịu nén tính toán của bê tông, lấy theo [14], fpe: Giá trị ứng suất trước của tiết diện bê tông đã kể đến tổn thất (ứng suất hữu hiệu), [6] Theo tiêu chuẩn Nhật Theo [11], Phần V : Nền Móng - Chương 4: Sức chịu tải của móng cọc - Mục 4.4 : Ứng suất cho phép của vật liệu cọc, có đề cập đến ứng suất của cọc bê tông ứng suất trước cường độ cao như sau : - Ứng suất nén - uốn cho phép : không được vượt quá 30% cường độ tiêu chuẩn thiết kế và không vượt quá 12MN/m2. - Ứng suất kéo – uốn cho phép : không được vượt quá 5MN/m2 (đối với cọc loại C), 3MN/m2 (đối với cọc loại B, A) Theo tiêu chuẩn AASHTO (2002) - Ứng suất nén trong cọc không được vượt quá giới hạn sau : 0.27fpe, trong đó: fc lấy nhỏ nhất 34.5MPa, fpe lấy nhỏ nhất 5MPa. Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực nghiên cứu trong luận văn Bảng 2. Thông số về cọc ống bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) Đường kính Chiều dày Mômen Ứng suất Khả năng Cấp ngoài D thành cọc nứt hữu hiệu bền cắt tải (mm) (mm) (kN.
