Nghiên cứu áp dụng kết cấu thép ứng suất trước

để tăng cường khả năng chịu lực

cửa van thép trong công trình thủy lợi

ThS. Trương Quốc Bình

Bộ môn Kết cấu công trình,

Trường Đại học Thủy lợi

Tóm tắt :  Ứng suất trước đang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng. Phương pháp ứng suất trước là tạo nên ứng suất trong kết cấu ngược dấu với ứng suất do tải trọng tính toán gây ra, nhằm mục đích: tăng khả năng chịu lực của kết cấu, tức giảm chi phí vật liệu nhưng vẫn bảo đảm khả năng chịu lực yêu cầu và làm giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu. Vì vậy việc nghiên cứu, đề suất các sơ đồ ứng suất trước cho kết cấu thép cửa van là nhiệm vụ cấp bách và cần thiết, nhất là hiện nay, việc sử dụng các kết cấu cửa van thép nhịp lớn càng trở nên cần thiết để tạo nên các cửa van rộng ngăn triều và nước mặn xâm nhập sâu vào đất liền

Trong bài viết, tác giả đã đưa ra phương pháp nghiên cứu phân tích cấu tạo kết cấu, tạo sơ đồ căng ứng suất trước cho các kết cấu một cách hợp lý và kinh tế, từ đó thiết lập sơ đồ tính toán của các kết cấu cụ thể của cửa van như dầm chính, dàn ngang, dàn chịu trọng lượng và tiến hành tính toán so sánh ứng suất, biến dạng của chúng so sánh với phương pháp truyền thống là dùng kết cấu thép thường, rút ra được những ưu điểm của kết cấu ứng suất trước dùng trong công trình cửa van thép để kiến nghị áp dụng.

1. Đặt vấn đề

        Kết cấu ứng suất trước (ƯST) đang được sử dụng ngày càng rông rãi trong các công trình xây dựng ở nước ta hiện nay bởi hiệu quả kinh tế kỹ thuật mà kết cấu mang lại, song trong công trình thuỷ lợi chưa được sử dụng nhiều.

        Ở nước ta hiên nay, sự biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang đe dọa nghiêm trọng các công trình thủy lợi đã và đang xây dựng, chúng  làm thay đổi các yêu cầu thiết kế và tính toán, thậm chí còn làm thay đổi nhiệm vụ của công trình thủy lợi hoặc đặt thêm các yêu cầu phức tạp cho công trình thủy lợi, nhất là tại các công trình ven biển. Cửa van của công trình là một trong các kết cấu quan trọng nhất đóng vai trò điều tiết nước và ngăn dòng chảy cũng như lưu thông vận tải thủy, cần phải có kích thước lớn (hình 1). Với yêu cầu này, kết cấu thép ƯST sử dụng trong cửa van sẽ có ưu thế là chúng làm tăng được kích thước cửa van về chiều rộng để tạo được cửa van có nhịp lớn hơn, nhẹ và vững chắc hơn, vận hành nhanh và trơn tru hơn.

Hình 1. Cửa van nhịp lớn (50~64m) EMS- CHLB Đức ( 2002)

 

    Trong công trình thủy lợi cửa van phẳng và cửa van cung nhịp lớn sử dụng một khối lượng thép khá lớn, vấn đề nghiên cứu tiết kiêm thép cần được đặt ra và ứng suất trước là một giải pháp cần được xem xét.

Hình 2. Cửa van thép công trình thủy lợi

          Để tăng cường khả năng chịu lực cho cửa van đảm bảo các yêu cầu về cường độ và ổn định cũng như độ võng hoặc biến dạng của các thành phần của kết cấu và của toàn cửa van khi đưa vào vận hành, việc nghiên cứu sử dụng các dạng kết cấu ƯST cho kết cấu cửa van là rất thiết thực, mạng lại hiệu quả kinh tế đáng kể như giảm nhẹ trọng lượng bản thân cửa van, tăng cứng chống biến dạng hoặc chuyển vị cho cửa van, tạo điều kiện thuận lợi cũng như giảm chi phí cho công tác vận hành và tăng tuổi thọ cửa van.

         Trong bài viết này, với khuôn khổ có hạn của bản báo cáo khoa học tác giả chỉ trình bày nghiên cứu và phân tích dầm ƯST để chế tạo làm dầm chính cửa van, một số các kết cấu khác như hệ thanh ƯST dùng cho dàn ngang và dàn chịu trọng lượng và các kết cấu khác sẽ được trình bày ở các bài viết sau.

2. Dầm chính ứng suất trước cửa van thép

     Dầm chính trong cửa van thép là kết cấu quan trọng nhất vì chịu toàn bộ áp lực nước theo phương ngang, nó quyết định về khả năng chịu áp lưc nước và biến dạng theo hướng ngang của cửa van, khi được cấu tạo dạng dầm ƯST sẽ làm thay đổi căn bản khả năng chịu lực và biến dạng của toàn cửa van so với dầm thép truyền thống.

   a) Phân tích cấu tạo:

      Câc phương pháp tạo ƯST :

     .  - Dùng dây căng bằng thép cường độ cao để gây ứng suất trước trong kết cấu, bản chất của phương pháp này là năng lượng của dây căng trước được tích lũy gây nên ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng  gây ra, khi chịu tải cả dây căng và thanh cùng làm việc.

 - Điều chỉnh nội lực trong kết cấu bằng chuyển vị gối tựa.

 - Tạo ứng suất trước bằng cách gây biến dạng đàn hồi các bộ phận của kết cấu

    Dầm chính của cửa van thường dùng dạng chữ I chữ T hoặc dạng hộp, chiều cao dầm ở 2 đầu nhỏ hơn ở giữa nhịp tùy thuộc vào chọn bề rộng khe van, chiều dài dầm phụ thuộc kích thước khoang cống (hình 3).

       Ứng suất trước trong dầm có thể được tạo ra bằng cách đặt thêm cáp hoặc bó sợi thép có cường độ cao chịu kéo trong vùng kéo của dầm (hình 4).

Hình 3. Dầm chính cửa van phẳng bằng thép

Hình 4. Một số cách bố trí cáp căng cho dầm ƯST

       Do sự lệch tâm của dầm gây ra bởi cáp cường độ cao, ứng suất kéo sẽ xuất hiện ở vùng nén của dầm và giảm dần khi hoạt tải tác động lên dầm tăng lên, khi đó ứng suất ban đầu do ứng suất trước gây ra dần dần trở về trạng thái trung hòa và vì vậy mà tổng tải trọng dầm chịu được do hoạt tải gây nên sẽ tăng lên. Như vậy là căng cáp đặt vào miền kéo của dầm đã làm tăng được tải trọng tác dụng lên dầm.(phương pháp tạo ƯST bằng cáp hoặc bó sợi thép cường độ cao)

     b)  Nguyên lý tính toán của sơ đồ ƯST

         Ở bài toán thanh chịu kéo có tiết diện A₁, cường độ tính toán R₁, khả năng chịu lực của thanh trong hai trường hợp:

 - Khi thanh không có ứng suất trước:  P₁ = A₁ R₁

- Khi thanh có ứng suất trước:  P₂ = A₁(R₁+σ₀₁)

trong đó:

   σ₀₁- ứng suất nén trước của thanh

       Khi ứng suất trong dây căng đạt đến cường độ tính toán của vật liệu R₂ thì giới hạn bền của thanh là:

                            P₂ = A₁R₁ + A₂R₂      (1)

tr0ng đó  A₂ là diện tích tiết diện dây căng

       Đặt:  α = A₂/ A₁  và  β = R₂/ R₁  thì (1) được viết lại P₂ = A₁R₁(1+αβ)

Lượng (1+αβ) chính là hệ số tăng khả năng chịu lực của kết cấu ứng suất trước so với kết cấu không có ứng suất trước.        

      Phân tích dầm đơn ứng suất trước được tiến hành như sau: đầu tiên cáp được căng với lực P­_c đặt lệch tâm so với trọng tâm dầm, lực nén lệch tâm này làm cho cánh trên của dầm sinh ra ứng suất kéo.

và ở cánh dưới của dầm chịu ứng suất nén

 trong đó:

           n₂– hệ số tải trọng của lực căng trước;

           W_t và W_d – mômen chống uốn của dầm ở thớ trên và thớ dưới

           h_a - khoảng cách từ phương lực căng trước tới trọng tâm dầm

     Lực căng trước P_c khi biết được tải trọng tác dụng.

       Mặt khác lực căng trước P_kc được khống chế bằng giá trị sau

trong đó:

            X₁- lực căng thêm của cáp

           F_a , L_a­ - diên tích tiết diện chiều dài dây căng.

            R_a, E_a - cường độ và môđun dàn hồi thép làm dây căng.

            _a - độ mềm của neo

và lực căng trước P_kc không được lớn hơn khả năng chịu nén của cánh dưới của dầm trong quá trình tạo ứng suất trước.

3. Tính toán cửa van phẳng loại 2 dầm chính

     - Số liệu tính toán

        Chọn trường hợp tính toán cho của van phẳng trên mặt có kích thước thông thường gặp trong thực tế: H_o = 6m, L=12m

        Vật liệu chế tạo cửa van là thép CT3 có E = 2,1.10⁶ daN/cm², μ=0.3.

        Dầm chính bố trí theo nguyên tắc hai dầm chính chịu tải trọng như nhau, ứng suất trước do lực F được đặt lên đầm chính gây ra qua cáp căng trước.  

        Dầm ứng suất trước được sử dụng làm dầm chính cho của van và lực đặt trước trong dầm để tạo ƯST được gia tải qua các gối căng cáp (như sơ đồ hình 3)

     - Mô hình tính toán

          Lập sơ đồ không gian cửa van theo phương pháp phân tử hữu hạn, dùng phần mềm SAP2000 được  thể hiện ở hình 5.

         Khai báo phần tử để tính toán 

-          Bản mặt:                                +  phần tử Shell

-          Dầm chính:                + bản bụng, bản cánh dầm dùng phần tử Shell

-   Trụ biên:                                  + bản bụng, bản cánh dùng phần tử Shell

-          Dầm phụ và dàn ngang:         + phần tử Frame

Để khai báo lực căng trước trong dầm, có thể đặt một cặp lực kéo giữa 2 gối căng thay cho dây căng ứng suất trước.như trong hình 3 và khi cần khảo sát biến đổi ứng suất của dầm có thể thay đổi lực căng F đặt tại gối căng.

Hình 5- Mô hình tính toán dầm chính  ứng suất trước

                     

4. Kết quả tính toán

     - Trạng thái ứng suất trong dầm

Kết quả tính toán ứng suất của dầm chính trong bài toán phân tích tổng thể cửa van theo sơ đồ không gian như sau:

Hình 6 - Ứng suất pháp s11 của dầm chính khi làm việc bình thường không có ƯST

Như ta thấy trên hình vẽ, ứng suất của dầm khi không có ứng suất trước thể hiện rõ miền kéo và nén. Ứng suất trước trong dầm sẽ được tạo ra sao cho ứng suất ở các miền kéo nén đều giảm nhờ lực căng F đặt vào miền kéo của bụng dầm (vị trí lực căng F ở hình 3). Lực căng F đã làm trạng thái ứng  suất  trong dầm thay đổi có lợi cho khả năng chịu lực của dầm (hình 7 và 8).

Hình 7 Ứng suất pháp s11 của dầm chính làm việc khi có ƯST (T=10T)

Hình 8  Ứng suất pháp s11 của dầm chính làm việc khi có ƯST (T=20T)

- Kết quả tính toán:

     Kết quả tính toán dầm chính như sau:

Hình 9  Ký hiệu vị trí tính toán

        Bảng 1                        Giá trị ứng suất tại các điểm ở miền kéo

            của dầm trong các trường hợp tạo ứng suất trước:

5. Nhận xét kết quả và kết luận

       Như ta đã thấy khi tạo ứng suất trước trong dầm, ứng suất kéo của cửa van nhỏ đi nhiều, đã cho thấy khả năng chịu lực của của van tăng lên đáng kể. Từ đó có thể giảm tiết diện dầm chính, bảng so sánh ứng suất trong các trường hợp tạo ứng suất trước cũng cho thấy khi gia tăng ứng suất trước trong dầm thì ứng suất kéo trong dầm khi chịu tải nhỏ đi. Để có hiệu quả nhất thì giá trị lực căng trước sẽ chỉ nên giới hạn tới giá trị nhất định.(ở đây chưa xét đến tổn hao ứng suất do chùng ứng suất, do từ biến hoặc mỏi gây ra).

      Tính toán dầm chính ứng suất trước của cửa van phẳng theo trạng thái giới hạn 1 bằng phần mềm SAP2000 cho ta xác định các giá trị ứng suất và chuyển vị (độ võng) của dầm nhanh chóng, chính xác, mặt khác việc lựa chọn, điều chỉnh tiết diện, hoặc lực căng ứng suất trước khá dễ dàng, từ đó tìm được tiết hợp lý của kết cấu, nó cho phép tính chính xác được lực căng cáp tạo ứng suất trước để kết cấu làm việc có hiệu quả nhất.

  Việc áp dụng ứng suất trước cho các kết cấu cửa van của công trình thủy lợi là hướng đi mới, hợp lý và cần được quan tâm tiếp tục nghiên cứu, phân tích với sự trợ giúp của phần mềm chuyên dùng để áp dụng tốt vào thực tế. Mặt khác cần chú ý về các yêu cầu công nghệ, khả năng thi công, bảo dưỡng công trình sau khi chế tạo và đưa vào sử dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Vũ Thành Hải, Trương Quốc Bình, Vũ Hoàng Hưng. Kết cấu thép-NXB Xây dựng 2006

  2. Kết cấu thép - công trình dân dụng và công nghiệp – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà  

      Nội-2006

3. Design of metal structures. K. K Mukhanov – Mir Publishers. Moscow 1968

4. Prestressed Load-Bearing Metal Structures. E.Belenya, Mir Publicshers Moscow 1977

5. Nguyễn Khánh Hùng, Phạm Thái Mạnh - Tính toán nội lực bằng SAP 2000

  6. Thiết kế kết cấu thép - GS.TS Đoàn Định Kiến (Theo quy phạm Mỹ - NXBXD 2006)

   Các ý kiến xin vui lòng gửi theo đia chỉ e-mail: Binh.kcct@wru.edu.vn hoăc gọi điện thoại

   Trương Quốc Bình (04)3 563 6456 / DĐ 090 344 2467- Xin cảm ơn.

Đóng góp ý kiến về bài viết này