THỬ BÀN VỀ MỘT VÀI QUY ĐỊNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐÁNH GIÁ
AN TOÀN ĐẬP VÒM BÊ TÔNG TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
14TCN56-88
VŨ HOÀNG HƯNG,
NGUYỄN QUANG HÙNG
Trường Đại học Thủy lợi
Tóm tắt: Cùng với sự phát triển
không ngừng của công nghệ tính
toán thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế
đập vòm của từng quốc gia cũng
có sự thay đổi liên tục để đáp ứng
yêu cầu ngày càng cao về kinh tế
và an toàn, nó cũng phản ánh trình độ phát triển đập vòm của mỗi nước. Dựa vào
“Tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông và đập bê tông trọng lực EM No.19” của
Mỹ ban hành năm 1977, “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SL 282 – 2003” của
Trung Quốc ban hành năm 2003, bài báo đã thử tiến hành phân tích so sánh một
vài vấn đề có liên quan đến đánh giá an toàn về cường độ và ổn định để có cái
nhìn khái quát hơn khi sử dụng 14TCN 56-88 vào thiết kế đập vòm ở Việt nam.
Từ khóa: đập vòm, quy phạm thiết kế, so sánh, tải trọng, ứng suất cho phép,ổn
định, hệ số an toàn
Đập vòm Oymapinar trên sông Manavgat (Thổ
Nhĩ Kỳ), cao 185m được xây dựng xong năm
1884
1 MỞ ĐẦU
Đập vòm đã trải qua một quá trình phát triển hàng ngàn năm lịch sử, từ những
đập vòm đơn giản bằng đá xây cao vài mét đến những đập vòm bê tông mỏng
cong hai chiều cao hàng trăm mét thậm chí cao trên 300 mét đã được xây dựng.
Để có những thành quả xây dựng đập vòm như ngày hôm nay đó chính là sự phát
triển không ngừng của công nghệ tính toán thiết kế và tiêu chuẩn thiết kế thống
nhất của từng quốc gia. Tiêu chuẩn của từng quốc gia thay đổi cùng với sự phát
triển của công nghệ tính toán thiết kế làm sao để công trình ngày càng an toàn và
hợp lý về kinh tế, nó cũng phản ánh trình độ phát triển đập vòm của mỗi quốc gia.
Ví dụ như “Tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông và đập bê tông trọng lực EM
No.19”[1] của Mỹ ban hành năm 1977 được sử dụng hiện này đã trải qua hai lần
thay đổi năm 1953 và năm 1960; “Quy phạm thiết kế đập vòm bê tông SL 282 –
2003”[2] của Trung quốc ban hành năm 2003 được sửa đổi dựa trên “Quy phạm
thiết kế đập vòm bê tông SD 145 – 85” ban hành năm 1985. Đối với Việt nam hiện
nay vẫn sử dụng “Thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế
14TCN 56-88”[3] ban hành năm 1988 dựa trên Quy phạm xây dựng của Liên xô cũ
và chưa có thay đổi gì. Căn cứ vào tiêu chuẩn thiết kế đập vòm bê tông hiện hành
của Mỹ và Trung Quốc, thử tiến hành phân tích so sánh một vài quy định chủ yếu
có liên quan đến đánh giá an toàn về cường độ và ổn định như tổ hợp tải trọng đặc
biệt, phương pháp phân tích ứng suất, chỉ tiêu khống chế ứng suất, ổn định tổng
thể và hệ số an toàn để thấy rõ một số vấn đề còn tồn tại khi sử dụng 14TCN 56-88
vào thiết kế đập vòm ở Việt nam.
2 VỀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐẶC BIỆT
Tổ hợp tải trọng trong tiêu chuẩn thiết kế đập vòm của các quốc gia là không
giống nhau. 14TCN 56-88 và SL282-2003 chỉ phân hai nhóm tổ hợp tải trọng là tổ
hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt. EM No.19 phân thành ba nhóm tổ
hợp tải trọng là tổ hợp tải trọng bình thường, tổ hợp tải trọng không bình thường
và tổ hợp tải trọng cực đoan. Các trường hợp tải trọng trong các tổ hợp tải trọng
cũng khác nhau. Dưới đây chỉ xin nêu một vấn đề về tải trọng động đất trong tổ
hợp tải trọng đặc biệt hay tổ hơp tải trọng cực đoan.
Khi thiết kế đập vòm ở Trung quốc, tải trọng động đất được tính toán dựa vào
“Quy phạm thiết kế kháng chấn công trình thủy công SL203-97”[4]. Đập vòm chỉ
thiết kế với động đất cấp 6, 7, 8, 9 và công trình cấp 1, 2, 3. Tính toán hiệu ứng tác
dụng địa chấn đập vòm sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh lực hoặc phương
pháp động lực. Khi sử dụng phương pháp động lực tính toán hiệu ứng tác dụng địa
chấn đập vòm sử dụng phương pháp phổ phản ứng chồng chất dao động, đối với
đập vòm đặc biệt có thể dùng phương pháp phân tích lịch sử - thời gian tiến hành
tính toán bổ sung. Khi đập vòm chịu tổ hợp tải trọng đặc biệt có tải trọng động
đất, ứng suất đập vòm vẫn ở trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính.
Trong EM No.19, khi tính toán động đất, phương pháp phổ phản ứng hoặc gia
tốc lịch sử - thời gian đều được xem xét sử dụng. Phương pháp phân tích dựa trên
phương pháp phần tử hữu hạn động lực đàn hồi tuyến tính và xem xét tác dụng
tương hỗ đập – nước – nền [5]. Tổ hợp tải trọng cực đoan bao gồm tải trọng động
đất lớn nhất có khả năng xuất hiện. Khi đập vòm chịu tổ hợp tải trọng cực đoan
cho phép đập bị nứt, hệ số an toàn ứng suất nén lấy là 1.0 hay nói cách khác
ứng suất nén lớn nhất có thể đạt đến cường độ kháng nén của bê tông. Ứng
suất đập ở vào trạng thái phi tuyến tính, cho phép đập bị phá hoại ở mức độ
tương đối nhưng không cho phép vỡ đập.
Ở Việt nam một thời gian dài trước đây khi thiết kế kháng chấn công trình
xây dựng phổ biến là áp dụng tiêu chuẩn CHиП II - 7 – 81 của Liên xô. Hiện nay
đang sử dụng TCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”[6] biên soạn
dựa trên cơ sở Tiêu chuẩn Châu âu Eurocode 8 có bổ sung hoặc thay thế các phần
mang tính đặc thù Việt nam. Trong tiêu chuẩn không quy định rõ ràng thiết kế
kháng chấn cho công trình thủy đặc biệt là công trình đập vòm, vì vậy vẫn cần
phải tham khảo tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn đập vòm của nước ngoài khi
chưa có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn riêng.
Do chênh lệch yêu cầu tình trạng làm việc đập vòm khi chịu tải trọng động
đất của các quốc gia là rất khác nhau, việc tham khảo tiêu chuẩn thiết kế kháng
chấn đập vòm của nước ngoài cần phải nghiên cứu lựa chọn cho phù hợp với đặc
thù Việt nam.
3 VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT
Trong quy phạm thiết kế đập vòm của Trung Quốc SL 282 – 2003 đã chỉ rõ phân
tích ứng suất đập vòm dựa trên kết quả tính toán phương pháp phân tải dầm vòm
và phương pháp phần tử hữu hạn. Đập vòm cấp 1, 2 và đập vòm cao hoặc đập vòm
phức tạp, ngoài sử dụng phương pháp phân tải dầm vòm vẫn nên sử dụng tính toán
phương pháp phần tử hữu hạn. Khi cần thiết nên tiến hành thí nghiệm mô hình
kết cấu. Trong khi đó EM No.19 quy định kết quả phân tích ứng suất đập vòm
được lấy khi sử dụng phương pháp thử tải (Trial Load Method) hoặc hệ thống
phần mềm phân tích ứng suất đập vòm ADSAS (Arch Dam Stress Analysis
System) của Bureau of Reclamation. Trong tiêu chuẩn không quy định có cần
thiết phải tiến hành thí nghiệm mô hình kết cấu hay không.
14TCN 56-88 quy định việc xác định trạng thái ứng suất biến dạng phải được
thông qua tính toán và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình. Đối với đập cấp I và
II cao hơn 60m, cũng như đối với các đập có chiều cao nhỏ hơn 60m trong điều
kiện địa chất công trình đặc biệt phức tạp và có áp dụng những kết cấu mới
chưa được kiểm nghiệm qua khai thác, thì bắt buộc phải tiến hành nghiên cứu
thực nghiệm.
Trước đây phương pháp nhiều dầm vòm được sử dụng nhiều nhất, nhưng với
sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm mô phỏng số trên
máy tính điện tử, phương pháp nhiều dầm vòm và phương pháp thí nghiệm mô
hình kết cấu ngày càng ít sử dụng. 14TCN 56-88 đã ra đời cách đây đã hơn 20
năm, khi đó công nghệ tính toán mô phỏng trên máy tính chưa phát triển, việc
nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình kết cấu là cần thiết. Nhưng với thời điểm
hiện nay, mô phỏng chân thực công trình trên máy tính đã đạt đến mức độ
hoàn thiện và có độ tin cậy cao, phương pháp thí nghiệm mô hình kết cấu chỉ
nên sử dụng khi tính toán kiểm tra cho những công trình trọng yếu.
4 VỀ CHỈ TIÊU KHỐNG CHẾ ỨNG SUẤT
Hình dáng, kích thước, ngày tuổi của mẫu thí nghiệm bê tông khi xác định
chỉ tiêu cường độ kháng nén của bê tông của các quốc gia đều không thống
nhất. Trong SL 282-2003 quy định cường độ kháng nén cực hạn của bê tông chính
là cường độ khối lập phương 15cm ở 90 ngày tuổi với suất bảo đảm 80%. Trong
EM No.19 quy định cường độ nén của bê tông được lấy từ mẫu thí nghiệm trụ tròn
đường kính 45cm, cao 90cm ở 365 ngày tuổi. Đối với Việt nam, cường độ nén của
bê tông thủy công được xác định trên mẫu chuẩn hình lập phương có kích thước
150x150x150 mm được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn ở tuổi 28 ngày [7].
Trong EM No.19 quy định rõ ràng chỉ tiêu khống chế ứng suất kéo, nén và hệ
số an toàn cường độ kháng nén đối với từng tổ hợp tải trọng nhưng không phụ
thuộc vào cấp công trình. Trong SL 282-2003 ngoài quy định rõ ràng ứng suất kéo
cho phép khi sử dụng các phương pháp phân tích ứng suất khác nhau, hệ số an
toàn kháng nén cũng thay đổi tùy thuộc vào cấp công trình và tổ hợp tải trọng.
