V MT S MÔHÌNH MT N NH CA H À GIÁOTHICÔNG CU BÊTÔNG TI CH PGS. TS. LÊ C CHNH B mô n T đng hoá thit k cu đng Khoa Công trình Trng i hc Giao thông Vn ti Tóm tt: S cu bêtông ct thép và bêtông d ng lc trên th gii b sp do h đàgiáothicông yu chim mt t l khá ln. làm rõ nguyên nhân, bài báo đi sâu phân tích mt s môhình mt n đnh ca h kt cu nêu trên. T đó rút ra mt s bài hc chocông tác thm đnh và nghim thu h s thit k đi vi h đàgiáo chuyên dng này. Summary: A grea t number of reinforced and prestressed concrete bridges in the world have been collapsed due to weakening scaffolds. In order to clarify possible reasons, this article analyses the unstable models of the above structure, from which some experiences are drawn for assessement and design document checking regarding this truss system. I. T VN T lâu Vit Nam đã quen s dng các b đàgiáo nh bng thép đ đ làm sàn đ bêtông nhà cao tng và các cu cng nh. Thông thng chiu dài nhp ca loi đàgiáo này không vt quá 6 m, chiu cao ca tr đ luôn nh hn 5 m (hình 1). Chúng thng có đ d tr v đ bn và n đnh ln cho nên khi thit k có th không cn phi tính ni lc, ch khi nào có yêu cu c th mi kim tra ng sut và đ võng. Trong nhiu h s thit k cng ch thy có mt vài bn v đn gin. CT 2 a) b) c) Hình 1. Mt s h đàgiáo c đnh bng thép dùng trong thicông cu: a. S dng dm thép hình, b. Kt cu nhp có cu to dng giàn, c. Tr đ tm Nhng khi áp dng công ngh đ ti ch trên h đàgiáo c đnh đ thicông các cu bêtông có chiu dài nhp và chiu cao ln hn thì nguy c mt n đnh rt d xy ra. Nhiu v sp cu trong quá trình đ bêtông bng công ngh này đã xy ra không ch Vit Nam mà đã thy www.cauduongonline.com.vn mt s nc trên th gii. Theo thng kê ca J.Scheer [1], có đn 48 trong s 356 v sp cu trên th gii là do sp đ ca h đàgiáothi công. Trong s các nguyên nhân nêu ra thì có ti 35% s v sp đ ca h đàgiáo là do thit k, riêng v thit k móng sai có đn 5 v. Nhm tìm hiu thêm v nguyên nhân dn đn nhng tai nn nói trên, trong bài này tác gi s đi sâu phân tích nhng ni dung sau: - L a chn h đàgiáothicông cu - Mt s môhình mt n đnh ca h đàgiáo bng thép - V công tác thm đnh và nghim thu các h đàgiáothicông cu. II. LA C HN H À GIÁOTHICÔNG CU 2.1. Gii thiu chung Phng p háp đ bêtông ti ch trên h đàgiáo c đnh có nhiu u đim nh không cn tr giao thông phía di cu, d to đc hình dng cu theo ý mun, gim đc các mi ni và khe co giãn, kt cu làm vic lin khi nên công trình thng có đ bn và tui th cao. Do vy phng pháp thicông truyn thng này vn rt thích hp đi vi các cu nh đn l, các cu dm liên tc vt đn 3 nhp cho các đa phng xa và min núi cng nh vi các cu cong, cu bn trong các đô th cht hp. Mt h đàgiáothicông cu bêtông nh vy thng có 3 phn, đó là phn móng, h đ và ván khuôn. Phn h đ đc làm bng thép, bao gm dm dc, dm ngang và tr đ. Nhim v ca h đàgiáo là to khuôn đúc bêtông và tip nhn các ti trng trong sut quá trình thi công. CT 2 Nhc đim ca h đàgiáo c đnh là đc lp ghép t nhiu chi tit khác nhau, có nhiu mi ni nên khi chu tác dng ca ti trng hay các tác nhân khác s rt d b bin dng. Trong quá trình vn chuyn, tháo lp nhiu ln chúng còn b va chm và làm phát sinh thêm các khuyt tt. Mt khác do thi gian dành cho mt ln s dng rt ngn nên khi thit k nhà thu ch tính đn vic khai thác ti u các b đàgiáo này mà quên đi nhng sai sót, khim khuyt hay nhng điu kin đ s dng nó. kh c phc các nhc đim này các nc đu đa ra tiêu chun thit k kt cu thép và quy trình thicông nghiêm ngt. Trong đó đc bit đc quan tâm là vn đ tính toán và kim tra n đnh ca các kt cu thép h thanh [2], [3]. Ngoài ra còn có tiêu chun riêng đ thit k và s dng các h đàgiáo bng thép [4], đa ra tiêu chí cho các nhóm đàgiáo khác nhau và nhng yêu cu riêng khi thit k các h đàgiáo ln. 2.2. Phân nhóm h đàgiáo Theo công th c (1) v tính ti trng ti hn cho thy, nu đ mnh ca mt cu kin chu nén nào đó tng lên thì ng sut ti hn λ th σ s càng gim, c th kt cu s tin ti b phá hoi. Cn c vào (2) thì đ mnh s luôn t l thun vi chiu cao hình hc và h s chiu dài tính toán ca kt cu. λ l μ www.cauduongonline.com.vn 2 2 2 0 2 th th E. A.l EJ. A N λ π = π ==σ (1) A/J l. i l 0 μ ==λ (2) Quan h này cho thy nu h đàgiáo càng cao thì nguy c mt n đnh càng ln. Ngc li, nu h đàgiáo nh, tr đ thp thì ti trng ti hn và ng sut ti hn s tng, an toàn ca công trình cng s đc bo đm. Ngha là h đàgiáo nh s có d tr v đ bn và n đnh ln, ngc li nguy c mt n đnh s tng lên các kt cu ln có đ mnh cao. Vì vy đ thun tin cho vic s dng DIN 4421 ca c [3] đã chia h đàgiáo thành 2 loi (loi nh và loi ln) và 3 nhóm khác nhau (bng 1). th N th σ Bng 1. Phân loi các h đàgiáothicôngbêtông theo nhóm Nhóm Ni dung H s T γ Yêu cu tính toán I Lo i đàgiáo nh m0,5h ≤ , , m0,6l ≤ m/kN0,15q ≤ 1,25 Ch ki m tra v cng đ và đ võng khi có yêu cu II Lo i đàgiáo trung bình và ln 1,15 Ch tính t oán ni lc và kim tra cho nhng cu kin c bn III Loi đc bit 1,00 Thc hin đy đ các yêu cu tính toán ca mt h s thit k hoàn chnh CT 2 Các h đàgiáo nh đc xp vào nhóm I, khi tính vi t hp ti trng chính đc phép s dng h s nhóm 25,1 T = γ làm h s an toàn chung. Nu có yêu cu kim tra v điu kin cng đ thì ch cn tính theo công thc cfépT RP. ≤ γ là đ, trong đó P là ng sut tính toán ca kt cu và là cng đ cho phép ca vt liu. Nhóm II là nhng h đàgiáo còn li có kh nng chu đc ti trng ln, ch yu s dng trong xây dng cu. Trong trng hp này h s thit k h đàgiáo phi có đ bn tính và bn v, đng thi phi giáo phù hp vi các tiêu chun thit k kt cu thép ca mi quc gia. Kt cu phi đt yêu cu v an toàn vi h s cfép R .15,1 T = γ Nhóm III cng chính là nhng h đàgiáo thuc nhóm II nhng có thêm mt s yêu cu đc bit đ đáp ng đc các yêu cu v an toàn nh 2 nhóm I và II. 2.3. La chn móng và kt cu tr tm 2.3.1. Móng tr tm Móng ca tr đ tm đc thit k riêng hoc ta trc tip lên móng ca tr cu. Mc đích là làm sao móng không b lún. i vi nhng khu vc đa cht yu và không đu, cn có bin pháp hn ch lún và nht là hn ch tác hi do lún không đu gây ra. www.cauduongonline.com.vn 2.3.2. Kt cu tr tm tng cng kh nng chu lc ca các tr tm, trong thc t thng s dng 2 loi ct rng, mi loi có th b trí 3 hoc 4 nhánh ct bng thép ng hoc thép hình (hình 2). Các nhánh ct này đc liên kt vi nhau bng các bn ging hoc thanh ging. Nu khong cách gia các nhánh trong mt ct rng ln thì dùng thanh ging s tng đc kh nng chu ct ca h. a. Ct rng 3 nhánh có liên kt cht c hai đu b. Ct rng 4 nhánh có liên kt mt đu ngàm và mt đu cht c. Mt dng mt ct ngang ca mt ct rng Lc ti hn trong ct rng 2 td 2 2 Z 1 2 th EA. ).( EA. N λ π = λμ π = Hình 2. Dng ct rng thng dùng cho tr tm ca h đàgiáo ln n đnh ca h đàgiáothicông cu ph thuc ch yu vào n đnh ca tr tm. Mt tr tm thng gm nhiu ct, các ct này đc đt sát nhau trên cùng mt b móng và liên kt vi nhau bi mt lot các thanh ging. Ngoài các thanh ging hoc bn ging, toàn b tr tm còn đc tng cng n đnh bng nhng cáp neo đúng tiêu chun k thut (hình 3). CT 2 a. B trí ging cho tr tm, (gm 14 ct rng liên kt cht c hai đu) b. B trí ging và neo cho tr tm (gm 3 ct rng liên kt ngàm c 2 đu) Hình 3. Cu to mt tr đ tm Khi các nhánh ct b un quanh trc o, lc ct s làm thanh ging bin dng, mô men quán tính s nh đi và lc nén ti hn cng gim. Vì vy khi tính toán đ mnh tng tng tđ λ (hình 2c) cn xét đn nh hng ca góc nghiêng các thanh ging i α và đ nghiêng ca ct www.cauduongonline.com.vn rng ψ (hình 4 a, b). 2.4. Tng cng kh nng chng ct Khi lc tác dng đún g tâm, ngoài bin dng chung nh un dc, tr tm có th còn b bin dng do lc ct (hình 4 a, b). Lc ct ca h đc tính theo công thc (3), trong đó là ngoi lc, là tng các lc dc thanh, là tng lc ti hn ca các thanh trong mt mt ct, là góc nghiêng ca tr tm, đi vi thép ly h s an toàn II Q I Q v N th N 7,1 = γ . ψ ).NQ( N N 1 1 Q v I th v II ψ+ γ− = (3) a. Môhình kim tra n đnh chng ct tr tm b. Góc nghiêng ca tr đ c. Môhình tng cng n đnh cho h dm dc có kt cu dng giàn CT 2 Hình 4. Tng cng n đnh cho tr tm và h dm dc [5] i vi h dm dc có kt cu dng giàn, các thanh biên trên b nén, đ tng cng n đnh ca h cn b trí các h ging ngang tng ng vi các v trí đu (A), gia (D) và cui (C, B) ca dm dc (hình 4c). www.cauduongonline.com.vn III. MT S MÔHÌNH MT N NH CA H À GIÁO BNG THÉP Trong thc t tính toán kt cu cho thy trong nhiu trng hp tuy ti trng còn nh hn giá tr cho phép điu kin bình thng nhng kt cu vn có th không gi đc hình dng ban đu mà chuyn sang dng cân bng khác. T đó s làm ni lc trong kt cu tng rt nhanh và công trình b phá hoi. tìm hiu nguyên nhân dn đn làm sp h đàgiáothicông cu, đây ch đ cp đn 2 môhình c bn v n đnh ca ct chu nén đúng tâm và môhình mt n đnh ca h ct phc tp. 3.1. n đnh ca ct chu nén đúng tâm Trong tính toán n đnh ca k t cu thì bài toán n đnh ca ct chu nén có v trí đc bit. Hình 5 gii thiu 4 s đ ct chu nén đúng tâm, trong đó ng sut ti hn có quan h trc tip vi đ mnh ca kt cu, kh nng chu nén ca ct còn phù thuc rt ln vào liên kt 2 đu ct. thit k tr tm trong thicông cu nên chn các s đ hình 5d, 5c hoc 5b, là nhng s đ có tính n đnh tt hn. λ Phng trình đng cong: 0)x(y.N)x(y.EJ " =+ Công thc tính lc ti hn: 2 0 2 th l EJ. N π = ; l.l 0 μ = ; A/J l i l 00 ==λ (a) (b) (c) (d) H s chiu dài tính toán μ 2 = μ 1 = μ 7,0 ≈ μ 5,0=μ CT 2 Hình 5. Các môhình c bn ca ct chu nén đúng tâm 3.2. Môhình mt n đnh ca h ct phc tp Trong h đàgiáothicông cu, tr tm đc kt ni vi dm ngang và tip theo là dm dc. Theo phng ngang cu, tr tm làm vic nh ct chu nén đúng tâm và đc ni thêm lên phía trên to thành s đ ct phc tp. S đ truyn lc ca h này đc mô t nh trên hình 6a. im đt ca lc N đc tính t mép di ca h dm dc, khong cách t B đn đnh tr đ (cht C) là a. Khi lc N tng lên s làm cho đon ct b un cong, dù đó là rt nh. T đó đim C s chuyn dch ngang và làm tng chuyn v f, lc N b phân b li làm tng lc nén trong thanh a và phát sinh lc đy ngang H (hình 6b). i vi đon ct , ngoài N đc chuyn đi t trng thái tác dng đúng tâm thành lch tâm còn có thêm lc đy ngang H, chúng cùng tác dng và làm chomô men un tng lên gp bi. l l Ct l b cong đáng k, làm cht C và đim B tip tc chuyn dch xung, đon f đc tính theo quan h N H a f = . Khi f = a kt cu s bin hình (hình 6d) và công trình nhanh chóng sp đ. www.cauduongonline.com.vn Hình 6. Môhình bin dng ca h ct ghép khi chu nén T a) đn d): Các trng thái bin dng ca ct ghép t chu nén đúng tâm đn lch tâm [7] e. Môhình bin d ng ca tr tm thicông mt cu bêtông nc ta Hình 7. Môhình sp tr đ tm ca h đàgiáothicông cu do chuyn v dc b cn t r gây ra Trên hình 7 là kch bn sp mt tr tm ca h đàgiáo đang thicông mt cây cu liên tc 15 nhp bng bêtông d ng lc c. Trình t đ bêtông đc thc hin t gi c đnh G gia cu và thicông ngc v phía hai m theo phng pháp đúc phân đon tng nhp mt. im dng đ bêtông đc b trí đim mô men bng không trên mi nhp cu. Các tr đ tm đc ging vi nhau c theo phng dc cu bng các thanh ging D (hình 7) dng thép ng. Trc khi đ bêtông đon cui cùng, sát vi m A thì cu b sp. Nguyên nhân là do đêm hôm trc tri rt lnh, bui sáng khi đ bêtông tri nng m làm bêtông kéo dãn theo phng dc cu mt đon là v. Chuyn v này b các thanh ging cn tr và làm phát sinh lc cng bc ti liên kt gia tr đ và dm ngang. Thanh ging không đc tháo kp thi nên đã kéo theo làm các tr đ sp xung. Kt qu kim tra cho thy nhit đ đã tng . Dm ngang I 55 b nghiêng, đnh tr đ chuyn dch ngày càng ln, đn khi liên kt thanh ging bng thép ng b phá hoi. Thiu sót đây chính là nhà thu khi thicông h đàgiáođã không xét đn nh hng ca nhit đ. Trc khi đ bêtôngđã không kim tra k s sai lch ca dm ngang nh b nghiêng hay các liên kt b cong vênh. Khi thit k h đã quá tit kim, ch s dng dm thép ch I mà không chú ý đn vic gia công ch sa đ gim chiu cao và tng đ n đnh cho dm ngang. CT 2 K15 0 www.cauduongonline.com.vn 3.3. Môhình mt n đnh ca tr tm trong thicông mt cu Vit Nam thicông các nhp cu có chiu dài ln hn 20 m, mt s nhà thu đã b trí thêm các tr tm gia cng bng thép. H tr tm ln nht đc s dng thicông cu bêtông nc ta có cu to và s đ truyn lc nhìn theo phng ngang cu nh trên hình 2b và 6e. Mi tr tm đc b trí 2 ct rng đt cách nhau 15,5 m, chúng đc liên kt vi nhau bng các thanh ging và h dm ngang. Mi ct rng có 4 ct nhánh bng thép hình đt cách nhau 3,6 m, các ct nhánh cng đc liên kt vi nhau bng các thanh ging và liên kt thng đng vi b móng cc bng các mt bích. Mi ct rng ta trên mt b móng riêng r, b cc bng bêtông có kích thc 5,0 x 5,0 x 1,2 m. Chiu cao ca thân tr tm khong 14 m. Dm ngang có kt cu dng giàn có chiu cao 6,3l 1 ≈ m, ta trc tip lên 2 ct rng ca h tr tm. Trong điu kin bình thng, lc tng hp N s tác dng thng đng lên tr tm (hình 6e). Mt khi có bin dng, đim C s chuyn v sang ngang, đim B chuyn dch xung theo phng thng đng. c bit là khi có lún lch mt đài cc, kt qu đo là 11 mm thì vi tng chiu cao 17,6 m, đim C s chuyn v sang ngang khong 50 mm. Vi chuyn v ban đu này s làm v trí gi kê ca dm dc thay đi, phân b lc trong dm ngang và các nhánh ca ct rng cng nhanh chóng thay đi theo. Ngoài ra các lc ngang khác có th do nhiu nguyên nhân khác sinh ra, nm cao đ mt cu cách đnh dm ngang (đim C) khong 1,0 m, s truyn lên tr tm và làm tng thêm lc đy ngang H. Kt qu là ni lc trong mt s thanh đã tng lên rt nhanh, nht là các thanh ging, kéo theo các nhánh ct b cong ri b on, dn đn làm sp đ toàn b kt cu. IV. VN THM NH H S THIT K VÀ NGHIM THU H À GIÁO CT 2 không lp li các s c sp cu bêtông trong quá trình thicông đ ti ch trên h đàgiáo c đnh, ngành giao thông và các đn v chuyên môn cn tng cng công tác qun lý k thut. c bit là đi vi vic s dng các b đàgiáo ln khi thicông các cu có chiu dài nhp ln hn 20 m, đòi hi đn v thit k cng nh xây lp phi có trình đ chuyên môn, nm vng kin thc và kh nng t chc thi công. Hình 8. S đ và thành phn tham gia thm đnh, nghim thu h s thit k h đàgiáothicông cu www.cauduongonline.com.vn Trc tiên nhà thu phi lp đc h s thit k t chc thicông sát vi thc t (hình 8). tránh nhng s c có th xy ra, công tác thm đnh h s thit k và nghim thu h đàgiáo phi đc coi trng. i ng cán b k thut phi làm ch đc các công vic nh xác đnh các kích thc hình hc, phân chia các công đon thi công, trình t đ bê tông, các bc cng kéo cáp cng nh quyt đnh thi đim tháo d ván khuôn và toàn b h đà giáo. Các k s tham gia phi có kinh nghim trong tính toán thit k, bit thm tra t nn móng, kt cu tr tm đn các liên kt và đim kê gi. Vi c phi hp thng xuyên vi t vn giám sát không đc phép b qua hay thc hin mt cách hình thc. Ch nhim đ án phi có trách nhim chuyn giaocho k s t vn giám sát đc duyt toàn b h s thit k thi công. Riêng phn thit k h đàgiáo phi đc k s phía đn v giám sát phn bin và theo dõi nghiêm ngt, lp báo cáo nghim thu ngay ti hin trng. i vi nhng h đàgiáo đc ng dng ln đu, nht thit phi có bc th ti [7]. V. NHN X ÉT VÀ KIN NGH Nhim v xây dng cu Vit Nam còn rt nng n, trong đó phng pháp thicông cu bêtông bng phng pháp đ ti ch trên h đàgiáo c đnh va quen thuc, d làm, phù hp vi kh nng ca các đa phng nên nht đnh s đc các đn v thicông quan tâm tip tc nghiên cu và áp dng. Bài báo đã đi sâu phân tích thc cht chu lc và bin dng ca h kt cu này, qua đó làm rõ thêm mt s nguyên nhân dn đn làm sp mt s cu ngay trong quá trình đ bê tông. Trên c s các tiêu chun thit k kt cu h đàgiáo thép và các kinh nghim thc t trong và ngoài nc, tác gi đã làm rõ s cn thit phi la chn h đàgiáo theo nhóm và tm quan trng ca công tác nghim thu kt cu này trong xây dng cu. CT 2 Ngoài ra cn tng cng kh nng giám sát đ ngay t đu đã loi b đc nhng phng án thit k sai lm, không phù hp vi điu kin thc t. Mc đích là làm sao không đ lp li nhng sai sót nh đt móng tr tm trên nn đt quá yu, chn nhng s đ kt cu cho tr tm d mt n đnh ( ), v.v… 2≥μ Tài liu tham kho [1]. Joachim Scheer: Versagen von Bauwerken - Ursachen, Lehren (Các s c công trình - nguyên nhân và bài hc), Tp 1: Cu; NXB Ernst&Sohn, Berlin 2000. [2]. TCXDVN 338, Thi t k Kt cu thép, BXD – Hà ni 5/2005. [3]. Tiêu chu n thit k kt cu thép c, DIN 18800, Berlin 1990, NXB Beuth GmbH [4]. Tiêu chu n thit k h đàgiáo c, DIN 4421, Berlin 8/1982. [5]. U .Schmiedel, Prüfung und Abnahme von Traggerüsten (Thm đnh và nghim thu h đ đà giáo). Tiefbau 3/2001. [6]. C hristian Petersen: Statik und Stabilität der Baukonstruktionen, NXB Vieweg, Braunschweig 1982 [7]. G oebel, Chinh - L.D, H s kt qu th ti h đàgiáothicông cu Grodeuben, loi R II, L = 21,25m, ABK - Dresden, CHDC c 1972 ♦ www.cauduongonline.com.vn . chn h đà giáo thi công cu - Mt s mô hình mt n đnh ca h đà giáo bng thép - V công tác thm đnh và nghim thu các h đà giáo thi công cu. II. LA C HN H À GIÁO THI CÔNG CU. [7] e. Mô hình bin d ng ca tr tm thi công mt cu bê tông nc ta Hình 7. Mô hình sp tr đ tm ca h đà giáo thi công cu do chuyn v dc b cn t r gây ra Trên hình 7 là. đ thi t k và s dng các h đà giáo bng thép [4], đa ra tiêu chí cho các nhóm đà giáo khác nhau và nhng yêu cu riêng khi thi t k các h đà giáo ln. 2.2. Phân nhóm h đà giáo Theo công