Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
53
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU TƯỜNG KÉP
BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TRÌNH THỦY CÔNG -
CÓ XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN ỨNG XỬ PHI TUYẾN HÌNH HỌC
TRONG KẾT CẤU
Nguyễn Cảnh Thái1, Nguyễn Ngọc Thắng1, Nguyễn Văn Xuân2
1Đại học Thủy lợi, email: nnthang@tlu.edu.vn
2TT tư vấn & CGCN Thủy lợi, Tổng cục Thủy lợi, email:bantotmr@yahoo.com
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Năm 1892, François Hennebique tạo ra
vật liệu bê tông cốt thép (BTCT), từ đó, vật
liệu này đã được áp dụng rộng rãi trong các
kết cấu công trình xây dựng nói chung và
công trình thủy công nói riêng. Đồng thời,
các kết cấu này cũng liên tục được điều chỉnh
và bổ sung để đáp ứng tốt nhất các yêu cầu từ
thực tế cuộc sống. Ngày nay, yêu cầu đặt ra
đối với các công trình thủy công không chỉ là
đáp ứng yêu cầu về độ bền, hoàn thành các
công năng bảo vệ cơ bản, mà còn đáp ứng
các đòi hỏi riêng đặc thù từng địa phương.
Đó là các yêu cầu đặc biệt như: diện tích
chiếm đất nhỏ để việc xây dựng mở rộng
trong khu dân cư giảm thiểu giải phóng mặt
bằng; Tận dụng tối đa nguồn vật liệu địa
phương để đáp ứng kinh phí; Sử dụng được
nhiều không gian công trình kết hợp phục vụ
dân sinh kinh tế... Bài viết nghiên cứu về kết
cấu tường chắn BTCT kép của hệ thống đê
sông đã đáp ứng yêu cầu từ thực tế này, đồng
thời phân tích ưu điểm làm việc, có xét đến
điều kiện ứng xử phi tuyến hình học.
Tại Việt Nam, đê điều giữ một vai trò
quan trọng trong dân sinh kinh tế và có lịch
sử từ lâu đời. Theo thời gian, nhu cầu tu bổ
xây mới nâng cao chất lượng các tuyến đê
trở nên cấp bách, dẫn tới các yêu cầu mới
cần đáp ứng.
Yêu cầu quan trọng hàng đầu là giữ ổn
định trong điều kiện mực nước thiết kế
(MNTK) và mực nước kiểm tra (MNKT),
đảm bảo không bị trượt phẳng, trượt hỗn hợp
và trượt sâu. Ngoài ra, mặt đê cần đáp ứng
yêu cầu phục vụ giao thông, phần mái và
chân đê khi nâng cao trình đê và mở rộng mặt
đê không phạm vào khu vực không gian khu
dân cư sát đê.
Hình 1: Không gian giới hạn
phạm vi đê điển hình
Do yêu cầu đặc biệt của quỹ đất xây dựng
và yêu cầu sử dụng, một số phương án được
lựa chọn như: kết cấu kiểu đập bản tựa, kết
cấu kiểu tường đơn, mặt cắt đê đất đầm nén
hình thang,.. Tuy nhiên, với kết cấu kiểu bản
tựa, phần bản chống không tận dụng được
làm đường giao thông; với kết cấu tường
đơn, độ ổn định nhỏ, phải đóng cọc liên kết
nền dẫn đến chi phí lớn; với mặt cắt hình
thang, không đủ không gian để đắp mái...
Kết cấu BTCT tường kép đáp ứng yêu cầu
này, là một kết cấu thủy công đã được áp
dụng mới thành công tại Việt Nam
[HYPERLINK \l "Tổn13" 1 ].
Kết cấu sử dụng đồng thời 2 tường chắn
BTCT với liên kết dầm giữa hai tường. Đáy
tường có khoảng trống tận dụng lực dính của
đất, tăng cường ổn định và giảm khối lượng
vật liệu.
Bài viết trình bày các nghiên cứu về thấm,
ổn định nền, ứng suất trong thân tường khi
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
54
mực nước đạt MNKT +19.1m, là các kết quả
được thực hiện trên kết cấu thực, đã được xây
dựng, vận hành ổn định từ năm 2013 tại Phú
Thọ, Việt Nam.
Hình 2: Mặt cắt ngang tường kép BTCT
Hình 3: Mặt bên tường
trong mô hình Abaqus
Hình 4: Mặt bằng
một modul tính toán
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên
cơ sở kết hợp các phương pháp tính toán giải
tích, các mô hình phần tử hữu hạn, và quan
sát thực tế công trình đã hoạt động vận hành.
Tính thấm và ứng suất nền được thực hiện
trên modul Seep/w và Sigma/w, ứng suất
trong thân tường được thực hiện trên mô hình
Abaqus, có xét đến điều kiện ứng xử phi
tuyến hình học [2], [3].
Trong bài toán
phi tuyến hình học,
mặt cắt ngang hình
học của kết cấu có
xét đến sự thay đổi
(do biến dạng lớn –
large deformation,
hoặc do chuyển vị
lớn – large
displacement) khác
với bài toán tuyến
tính coi các kích
thước mặt cắt ngang
hình học là hằng số
không đổi [4], [5]. Đối với hệ thống cột, dầm,
hiệu ứng bậc hai thể hiện trong hai dạng: P-D
(biến dạng lớn phát sinh moment lớn), P-d
(hiệu ứng thay đổi dọc trục flexural strength
của cấu kiện do lực dọc với cấu kiện chịu uốn,
làm thay đổi moment ảnh hưởng) [5], [6].
Trong bài toán phân tích tuyến tính, quan
hệ tuyến tính giữa biến dạng và chuyển vị
được viết dưới dạng ma trận:
{e}=[∂].{U} (1)
Trong bài toán phi tuyến hình học, quan
hệ giữa biến dạng và chuyển vị là quan hệ
phi tuyến:
{e}=[D.(u)].{u} (2)
trong đó, ma trận [D.(u)] là hàm của thành
phần chuyển vị {u} tương ứng [7], [8].
Độ cứng phần tử có dạng:
[Ke+Kg].{du}={dP} (3)
trong đó, Ke là ma trận độ cứng ở hệ đàn hồi
biến dạng nhỏ; Kg là ma trận độ cứng gia
tăng do biến dạng lớn; {u} và {P} là các
vectơ chuyển vị và tải trọng [4], [7], [9].
Hai dầm bên trong mô hình tại điều kiện
mực nước đạt MNKT, mặt đập có hoạt tải,
chịu biến dạng và chịu uốn lớn, được xét tới
trong điều kiện phân tích ứng xử phi tuyến
hình học.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Bảng 1: Kết quả tính toán ứng suất,
biến dạng
Kết quả \ Tr.h tính Tuyến tính Phi tuyến
hình học
Chuyển vị Ux max (mm) 5.631E-01 6.160E-01
Chuyển vị Uy max (mm) 1.508E-04 7.533E-04
Biến dạng E\LE max 2.078E-04 2.136E-04
Ứng suất chính, smax (Tấn/m2)4.915E+02 5.047E+02
Ứng suất Von Mises, smax (Tấn/m2)5.104E+02 5.400E+02
Hình 6: Sơ đồ lực tác dụng
Hình 5: Hiệu ứng
P-D và P-d
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
55
Hình 7: Gradient thấm đáy tường, J= 0.15 Hình 8: Biểu đồ lực thấm đáy tường
(qthấm, Wthấm)
Hình 9: Biểu đồ ứng suất cắt lớn nhất khu vực đất nền Hình 10: Biến dạng LE, max=2.13e-4,
phi tuyến
Hình 11: Ứng suất chính,
smax=5.047e+2 T/m2, phi tuyến
4. KẾT LUẬN
Báo cáo đã trình bày tóm tắt ứng dụng và
hiệu quả của kết cấu tường kép BTCT trong
công trình thủy công. Ưu điểm nổi bật là
không gian sử dụng được tận dụng tối đa, chi
phí rẻ hơn so với phương án sử dụng cọc để
giữ ổn định. Tính toán kết cấu đã xét tới điều
kiện ứng xử phi tuyến hình học. Kết quả tính
toán với điều kiện ứng xử phi tuyến cho kết
quả lớn hơn trong điều kiện tuyến tính, sát
với thực tế làm việc của công trình.
Kết cấu đã được xây dựng trên thực tế
và phát huy hiệu quả tốt, góp phần nâng
cao hiệu quả và công năng của công trình
thủy công.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TT TV&CG CN TL, Tổng Cục Thủy lợi,
Thiết kế KTTC đê Phú Thọ. Phú Thọ, Việt
Nam, 2013.
[2] Bộ NN&PTNT, Viện khoa học Thủy lợi, Bộ
sách Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi. Hà Nội, Việt
Nam: Nhà xuất bản Nông nghiệp, 2005.
[3] Nguyễn Văn Xuân, “Nghiên cứu ứng suất
trong công trình kết cấu bê tông cốt thép
bảo vệ mái sông & đề xuất giải pháp áp
dụng”. Luận văn thạc sĩ. Đại học Thủy lợi.
[4] American Concrete Institute, ACI 318-95
Building Code Requirements for Structural
Concrete. US, 1995.
[5] European Standard, En 1993 -1-6 Design of
steel structures. European Union, 2007.