VỀ VIỆC ÁP DỤNG LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ
TRONG XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU
TS. BÙI TIẾN THÀNH
Bộ môn Cầu - Hầm
Khoa Công Trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo trình bày một cách nhìn tổng thể về việc xây dựng các loại mô hình thí
nghiệm thu nhỏ phục vụ cho thiết kế, nghiên cứu công trình giao thông. Các vấn đề cơ bản về
lý thuyết tương tự, chọn vật liệu làm mô hình và cách bố trí điểm đo làm thí nghiệm sẽ lần lượt
được đề cập. Cuối cùng là một số ví dụ và cách xử lý kết quả.
Summary: A perspective on physical modelling of engineering structures is presented in
this paper, including classification of the various types of physical models and some comments
on the general role of these categories of models in design, research, education, and concept
development. Basic information on the laws of similitude, various materials for model
fabrication, instrumentation, etc., is likewise discussed.
I. MỞ ĐẦU
Việc các kỹ sư sử dụng mô hình thu nhỏ có từ cách đây hàng nghìn năm. Thế nhưng việc
làm mô hình đàn hồi chỉ mang tính chất mô tả trình tự quá trình thi công của công trình trong
quá trình lập phương án mà chưa tiên đoán được được các ứng xử biến dạng và cường độ của
kết cấu thực. Ở khía cạnh này nó chỉ có tác dụng như mô hình kiến trúc chứ không phải là các
mô hình kết cấu mà ngày nay ta được biết đến.
CT 2
Gần đây cùng với sự phát triển của của các thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo đạc, cho phép
phân tích chính xác được ứng suất, biến dạng, các đặc trưng dao động của mô hình, từ đó giúp
cho người kỹ sư, nhà nghiên cứu có thể tiên đoán được sự làm việc thật của kết cấu dưới tác
dụng của tải trọng. Có thể kể đến một vài thiết bị là: chụp ảnh với các chất nhạy quang trong các
mô hình có hình học phức tạp, các sensor bằng sợi cáp quang để đo ứng suất, LVDT, thiết bị thu
thập và phân tích số liệu từ nhiều kênh,…
II. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI MÔ HÌNH KẾT CẤU
Định nghĩa
Mô hình là kết cấu hay một cấu kiện của công trình thật được thu nhỏ theo một tỷ lệ nhất
định để mô tả hóa thí nghiệm, phục vụ cho mục đích thiết kế, nghiên cứu. Mô hình được mô
phỏng về mặt kết cấu, vật liệu, liên kết,… một cách hoàn toàn đồng dạng hoặc gần giống với
công trình thật, dựa trên các phân tích của lý thuyết tương tự. Lý thuyết này cũng được dùng đế
phân tích kết quả đo được sau khi thí nghiệm trên mô hình.
Phân loại
Mô hình kết cấu được phân chia thành sáu loại chính phụ thuộc vào mục đích sử dụng của
mô hình.
1. Mô hình đàn hồi: loại mô hình này hoàn toàn giống với kết cấu thật nhưng được làm
bằng vật liệu đàn hồi, đồng nhất (homogeneous, elastic material). Loại vật liệu làm mô hình
không nhất thiết là vật liệu dự định thiết kế cho kết cấu thật. Khi thí nghiệm mô hình này phải
giới hạn tải trọng tác dụng trong miền đàn hồi và tất nhiên là nó không được dùng để đánh giá
về vết nứt, tính dẻo và các ứng sử sau đàn hồi khác. Vật liệu cho loại mô hình này thường là
chất dẻo (Plexiglas, Lucite, Perspex), nhựa PVC, gỗ nhẹ. Trong nhiều trường hợp để tăng tính
minh họa, chẳng hạn như phóng đại độ võng của kết cấu, ta có thể dùng các loại nhựa dẻo, cao
su,...
2. Mô hình gián tiếp:
loại mô hình này là trường
hợp đặc biệt của mô hình đàn
hồi để vẽ đường ảnh hưởng
nội lực, phản lực gối. Mô
hình này không nhất thiết
phải trùng hợp với kết cấu
thật mà mặt cắt, liên kết phụ
có thể được thay đổi nhưng
độ cứng EJ (hay EF) phải
được giữ đúng tỷ lệ. Hiện
nay mô hình này ít được sử
dụng do ta có thể mô hình
hóa trên máy tính sử dụng
các phần mềm phần tử hữu
hạn tính kết cấu để vẽ đuờng
ảnh hưởng và cho kết quả tin
cậy.
Hình 1. Mô hình cầu treo dưới tác dụng của tải trọng động
(ISMES, Bergamo, Italia)
CT 2
3. Mô hình trực tiếp: mô hình trực tiếp phải có giống kết cầu thật về hình dáng và tải trọng.
Biến dạng, ứng suất và độ võng đo được ở các tổ hợp tải trọng khác nhau thường cũng tỷ lệ với
kết cấu thực. Như thế mô hình đàn hồi cũng là một loại mô hình trực tiếp (hình 1).
4. Mô hình cường độ: loại mô hình này để thí nghiệm xác định tải trọng giới hạn mà kết
cấu có thể chịu được nên nó còn được gọi là mô hình phá hoại. Vật liệu làm mô hình này phải
giống kết cấu thật. Ví dụ lập mô hình cường độ cho một kết cấu cầu bê tông cốt thép thì vật liệu
phải là bê tông. Tuy nhiên việc chọn cốt liệu cho bê tông và loại cốt thép có kích thước phù hợp
để làm mô hình là một lựa chọn khó khăn vì nó sẽ rất nhạy cảm với số liệu thí nghiệm.
5. Mô hình xét ảnh hưởng tác động gió và mô hình động: các mô hình này để xác định
những đặc trưng của kết cấu thật liên quan đến gió như hệ số cản gió, các đặc trưng dao động do
gió, đặc trưng khí động học. Mô hình này có thể thí nghiệm trong hầm gió hoặc được đặt lên
các bàn rung tạo dao động. Các loại cầu dây, cầu qua vịnh, eo biển hay cầu nằm trong khu vực
có cấp động đất lớn thường phải làm mô hình này để thí nghiệm.
6. Mô hình mô tả và nghiên cứu: các loại mô hình này thường có tính tượng trưng hoặc mô
hình một bộ phận nào đó phục vụ thuần túy cho công tác giảng dạy và nghiên cứu.
Trên đây là cách phân chia thành các loại chính, thực tế còn có các loại mô hình khác như
mô hình xác định ảnh hưởng của nhiệt độ, mô hình mô tả thi công phân đoạn,... Ngày nay với
sự phát triển của máy tính cùng với các phần mềm hỗ trợ thiết kế làm cho công việc làm mô
hình đơn giản hơn rất nhiều bằng cách tạo các kết cấu ảo (virtual product). Chẳng hạn như các
phần mềm CAD cho phép mô phỏng mô hình không gian của kết cấu cầu từ ý tưởng ban đầu
cho đến quá trình thi công, khai thác, bảo dưỡng và phá hoại (product lifecycle management).
Việc tiến hành làm mô hình cũng được mô phỏng và tính toán giúp giảm thời gian, giá thành
đồng thời tối ưu hóa được hiệu quả của việc làm mô hình mang lại.
Các loại công trình thường phải làm mô hình
Vì việc phân tích kết cấu đơn thuần dựa trên phân tích và tính toán là không đủ tin cậy nên
trong những trượng hợp sau thường phải làm mô hình phục vụ cho quá trình thiết kế, thi công
và đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu.
1. Các loại kết cấu ứng dụng vật liệu mới như sợi carbon, bê tông polime.
2. Các loại kết cấu mới như kết cấu tấm mỏng có sườn (dùng trong kết cấu bản mặt cầu),
cấu kiện có điều kiện biên đặc biệt.
3. Các loại kết cấu phức tạp có tương tác của nhiều thành phần như kết cấu nút giao thông
khác mức phức tạp.
4. Các loại kết cấu thi công phân đoạn như thi công hẫng.
5. Các loại kết cấu cầu qua vùng đặc biệt như vùng có cấp động đất lớn, vùng có gió mạnh
như cầu qua vịnh.
6. Các chi tiết làm việc cục bộ như ụ neo, bê tông kê gối, gối cầu, liên kết... là những nơi có
ứng suất cục bộ lớn. Việc hiểu rõ sự làm việc của các chi tiết này giúp cho việc thiết kế và đánh
giá kết cấu được chính xác hơn.
III. LỰA CHỌN TỶ LỆ HÌNH HỌC
Việc lựa chọn tỷ lệ mô hình phụ thuộc rất nhiều vào năng lực của thiết bị thí nghiệm và
máy tạo lực (hay điều kiện chất tải trọng). Tuy nhiên nó không được quá nhỏ vì khi đó sẽ chế
tạo mô hình khó khăn và kết quả thu được khó chính xác. Bảng 1 đưa ra các khuyến cáo của
Harris và Sabnis [1] về tỷ lệ kích thước cho một số loại kết cấu điển hình.
CT 2
Bảng 1. Tỷ lệ kích thước mô hình cho một số loại kết cấu điển hình
Lọai kết cấu Mô hình đàn hồi Mô hình cường độ
Kết cấu nhịp liên tục 1/25 1/20 ÷ 1/4
Kết cấu kiểu dầm lắp ghép/bản mặt cầu 1/25 1/10 ÷ 1/4
Thí nghiệm tải trọng gió 1/300 ÷ 1/50 -
IV. TRIỂN KHAI MÔ HÌNH
Mô hình kết cấu là một dự án nhỏ trong dự án lớn đòi hỏi phải được lên kế hoạch cẩn thận
các bước cần tiến hành. Trình tự có thể tiến hành như sau:
1. Xác định quy mô và tiêu chuẩn của mô hình
2. Đưa ra các yêu cầu tương tự (similitude) như hình học, vật liệu, tải trọng và cách xử lý
kết quả. Đặc biệt chú ý đến các tiêu chuẩn mà việc làm mô hình tương tự khó đạt được. Chẳng
hạn như dùng vật liệu chất dẻo làm mô hình cho kết cấu bê tông nhưng phải đảm bảo có cùng hệ
số nở ngang (hệ số Poisson).
3. Quyết định kích cỡ của mô hình và mức độ tin cậy và chính xác của mô hình cần đạt
được. Điều này phải phù hợp với quy mô, tầm quan trọng của công trình và tiêu chuẩn dự án.
4. Chọn vật liệu làm mô hình và lắp ráp.
5. Lựa chọn máy tạo lực và thiết kế giá lực.
6. Chọn máy móc và thiết bị tương thích để đo ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của tải
trọng thử.
7. Tiến hành thí nghiệm. Trong quá trình làm thí nghiệm phải ghi hình, chụp ảnh thường
xuyên. Chú ý đến các hiện tượng như mất ổn định, chảy dẻo, hình thành và phát triển nứt,... Nên
chia các cấp tải trọng, xếp tải thành các sơ đồ đúng tâm, lệch tâm,… Sau mỗi lần dỡ tải phải ghi
lại các giá trị không tải. Nếu hai lần đo mà kết quả không chụm thì có thể phải làm thêm để đối
chiếu.
8. Xử lý số liệu, phân tích kết quả, tính toán và viết báo cáo.
Ngoài ra phải làm các thí nghiệm nhỏ phụ phục vụ để nghiên cứu các chi tiết của mô hình
hay xác định các tính chất và đặc trưng của vật liệu như cường độ hay mô đun đàn hồi.
V. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA VIỆC PHÂN TÍCH KẾT CẤU SỬ DỤNG MÔ HÌNH
Ưu điểm
Ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng mô hình thí nghiệm là nó mô tả được toàn bộ quá trình
làm việc của kết cấu cho đến phá hoại, trong khi đó mô hình trên máy tính chỉ giải được bài
toán ở một số giai đoạn cụ thể và nó rất hạn chế ở tính toán mô hình không gian và khi có tải
trọng phức tạp.
Làm mô hình thu nhỏ là để giảm chi phí, do giảm được chi phí tạo lực và chi phí làm giá
đỡ, thiết bị đi kèm.
Nhược điểm
Làm mô hình có nhược điểm là tốn thời gian và chi phí, kéo dài dự án. Ngoài ra trong quá
trình mô phỏng một số chi tiết đã được được đơn giản hóa hoặc quy mô nhỏ hơn nên phải cần
phương pháp tin cậy để dịch kết quả hay phải có công cụ kiểm chứng. CT 2
Từ những ưu nhược điểm trên cho thấy nên phải có kế hoạch mô hình từ sớm để đảm bảo
tiến độ của dự án, tránh trường hợp đến giai đoạn gặp khó khăn trong phân tích mới sử dụng mô
hình.
VI. KẾT LUẬN
Trên đây là giới thiệu về việc áp dụng lý thuyết tương tự trong xây dựng mô hình thí
nghiệm công trình xây dựng cầu phục vụ cho công tác thiết kế và nghiên cứu. Việc xây dựng
mô hình kết cấu là cần thiết cho cho những công trình quan trọng, công trình phức tạp để giúp
cho việc thiết kế được hoàn thiện. Phương pháp thí nghiệm và phân tích kết quả thu được trên
mô hình cũng quan trọng vì mô hình thường có kích thước nhỏ và một số chi tiết được đơn giản
hóa so với công trình thật.
Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào giải quyết vấn đề áp dụng lý thuyết tương tự vào
một số bài toán cụ thể cho một số loại kết cấu cầu cũng như một số loại vật liệu thông dụng và
việc phân tích, chuyển đổi kết quả vào trong công trình kích thước thật.
Tài liệu tham khảo
[1]. Harris H. and Gajanan S., Structural Modeling and Experimental Techniques. CRC Press, 1999.
[2]. Schuring D., Scale Models in Engineering Fundamentals and Applications. Pergamon Press, 1977.
[3]. Harris H. Edition, Dynamic Modeling of Concrete Structures, Publication SP-73. American Concrete
Institute, 1982♦