Nghiên cứu ứng suất trong công trình kết cấu BTCT bảo vệ mái sông và đề xuất giải pháp áp dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI _____________________ NGUYỄN VĂN XUÂN NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT TRONG CÔNG TRÌNH KẾT CẤU BTCT BẢO VỆ MÁI SÔNG & ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ÁP DỤNG Chuyên ngành : XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Mã số : 60 - 58 - 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học : 1. PGS TS. NGUYỄN CẢNH THÁI 2. PGS TS. NGUYỄN VĂN HẠNH Hà nội – 2012 4 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ SÔNG VÀ TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT 1.1. Tổng quan các công trình bảo vệ bờ trên thế giới Trong suốt chiều dài lịch sử tiến bộ của con người, cuộc sống luôn hình thành và phát triển gắn liền với những dòng sông. Dòng sông mang tới những nguồn nước quý giá đầu tiên để hình thành các khu dân cư, các làng mạc, các thành phố. Sông mang nguồn nước nuôi dưỡng cây trồng, vật nuôi. Sông còn mang trong mình nó những nguồn thực phẩm dồi dào là các loài cá,… và là một trong những con đường giao thông quan trọng. Cuộc sống của con người gắn liền với những dòng sông, vớ i những thuận lợi và cũng đồng thời là những khó khăn phải khắc phục. Lưu lượng nước trong sông thay đổi theo thời tiết, ảnh hưởng bởi các hiện tượng mưa, bão, lũ, hạn hán, lực quay Coriolis của trái đất, và các quá trình thay đổi dòng chảy, áp lực thấm, nước ngầm, Các tác động cơ học, vật lý và hóa học tác động trực tiếp đến hai bên bờ sông, gây ra những tác động tiêu cực ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định bờ, ngăn cản sinh hoạt và phát triển sản xuất của cư dân sống xung quanh. Từ những buổi bình minh ban đầu của lịch sử, con người đã có những biện pháp để khắc phục những khó khăn đó, bằng các giải pháp công trình : đắp đê nắn dòng, dựng các mỏ hàn lái dòng chảy, đắp đập tạo các hồ chứa, xây dựng các công trình kè bả o vệ bờ,… Các công trình bảo vệ bờ là một giải pháp hiệu quả, được sử dụng phổ biến từ lâu bởi khả năng giữ an toàn, tính khả thi, mang lại hiệu ích kinh tế lớn. Năm 1824, một phát minh quan trọng là xi măng Portland ra đời. Đến năm 1847 một phát minh mới kết hợp bê tông với cốt thép tạo ra một vật liệu mới là bê tông cốt thép. Với những ưu điể m nổi trội so với những vật liệu xây dựng trước đó, vật liệu mới đã nhanh chóng có những ứng dụng vô cùng hiệu quả cho các công trình xây dựng nói chung, và công trình bảo vệ bờ nói riêng. 5 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Một trong những ứng dụng tiêu biểu đầu tiên là hệ thống Chelsea – Victoria Embankment nằm trong hệ thống kè sông Thames - London được khởi công xây dựng năm 1854, với kết cấu bê tông cốt thép. Thiết kế được đánh giá tốt bởi ứng dụng khả năng chịu lực cao của vật liệu mới, đã ổn định hiệu quả bờ sông, và các công trình đặc biệt nằm phía sau bờ kè. Hình 1- 1: Mặt cắt điển hình hệ thống kè sông Thames Một mặt cắt kè sông thuộc hệ thống sông Thames xây dựng năm 1854 với hệ thống thoát nước công nghiệp và hệ thống ống hơi, khí gas ngay sau mái kè. Phía sau là một trạm xe điện ngầm. Giải pháp vật liệu bê tông cốt thép đã phát huy khả năng chịu lực hiệu quả trong nhiều ứng dụng phức tạp. Thiết kế các công trình bảo vệ bờ không những đáp ứng những yêu cầu cấp thiết của việc hạn chế tối đa những bất lợi của dòng chảy, mà còn đóng góp đáng kể vào cảnh quan văn hóa, du lịch, làm giàu đẹp quê hương. Sự phát triển những thiết kế công trình bảo vệ bờ đã được gắn liền với hình ảnh phát triển của nhiều vùng, nhi ều đất nước, quốc gia. Hình ảnh bờ sông Nile gắn liền với các thành phố Ai Cập cổ đại, sông Tigre với Baghdad, sông Danube chảy qua các thành phố Đông Âu, sông Seine ở Paris, sông Thames ở London, … và gần đây là Seoul với sông Hàn nổi tiếng. 6 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Hình 1- 2: Hình ảnh một số công trình kè bảo vệ bờ trên thế giới Sông Danube ở Budapest : nơi những công trình đẹp nhất của thành phố đều nằm dọc hai bên dòng sông. Thiết kế tuyệt đẹp của hệ thống bảo vệ bờ kết cấu bê tông cốt thép đã góp một phần không nhỏ trong việc thành phố được đưa vào danh sách Di sản văn hóa Thế giới – và trở thành một trong những thành phố đẹp nhất châu Âu . 1.1.1. Các hình thức kết cấu công trình bảo vệ bờ sông Trên cơ sở 14TCN-84-91 : Các công trình bảo vệ đê, bờ sông, có thể phân loại các hình thức công trình kè bảo vệ bờ sông như hình 1-3. Đối tượng chính của đề tài tập trung vào kết cấu công trình bảo vệ bờ mái sông bê tông cốt thép. Các ứng suất bên trong kết cấu được trình bày chủ yếu ở chương 2. Ngoài ra việc xác định ổn định của công trình cũng có liên hệ mật thiết đến sự làm việc tổng thể củ a toàn hệ thống. Các nguyên lý chung tính toán ổn định được trình bày trong mục 2.4 chương 2. 7 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Hình 1- 3: Một số hình thức phân loại kè bảo vệ bờ 1.1.2. Ứng suất trong kết cấu công trình bảo vệ bờ bê tông cốt thép Sự kết hợp giữa vật liệu bê tông và cốt thép tạo nên nhiều đặc tính ưu việt. Bê tông chịu nén tốt, nhưng khả năng chịu kéo kém, nhược điểm này đã được cốt thép khắc phục hiệu quả do cốt thép là vật liệu chịu kéo tốt. Năm 1729 Buynphighe đã đưa ra khái niệm về quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. Khái niệm ứng suất đặc trư ng cho khả năng chịu lực của vật liệu tại một điểm, khi ứng suất vượt quá giới hạn cho phép thì vật liệu bị phá hoại. Năm 1768 Hooke đã nêu khái niệm về quan hệ tỷ lệ thuận giữa ứng suất và biến dạng ở giai đoạn biến dạng tuyến tính của vật liệu. Năm 1847, khi vật liệu bê tông cốt thép ra đời thì yêu cầu xác đị nh trạng thái ứng suất trong kết cấu làm bằng vật liệu bê tông cốt thép được xác định nhằm bố trí hình dạng mặt cắt thiết kế tối ưu, phân bố cốt thép đúng vị trí, kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu khi hoạt động. Trong phạm vi đề tài, vật liệu làm việc tuân theo định luật Hooke, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng xuất hiệ n trong quá trình tác động của tải trọng theo quan hệ bậc nhất : 8 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy () f σ ε = (1-1) Trong đó s : ứng suất e : biến dạng 1.2. Tình hình xây dựng các hệ thống công trình bảo vệ bờ sông 1.2.1. Tình hình xây dựng công trình bảo vệ bờ trên thế giới Từ trước Công nguyên, các nền văn minh cổ đại đã xây dựng nhiều hệ thống công trình bảo vệ bờ, giữ an toàn và tạo thẩm mỹ cho các thành phố. Hình 1- 4: Một số công trình bảo vệ bờ xây dựng trước Công nguyên Kè sông Tigre và Euphrate chảy qua thành phố Baghdad, nền văn minh Lưỡng Hà đã được xây dựng 560 năm trước Công nguyên. Châu Âu, thời kỳ La Mã, những kênh dẫn nước với kết cấu bảo vệ mái bờ bằng đá và gạch đã được xây dựng với nhiệm vụ dẫn nước sinh hoạt cho các thành phố lớn. Tiêu biểu cho các công trình dẫn nước giai đoạn này là hệ thống dẫn nước “Aqua Virgo” kéo dài 21 km t ừ vùng núi 9 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Sabin tới thủ đô Roma. Hệ thống công trình do Marcus Agrippa điều hành xây dựng từ 312 năm trước Công nguyên. Hình 1- 5: Mạng lưới kênh cấp nước Rome và tường đá bảo vệ bờ kênh Hệ thống kênh dẫn nước với những kênh dẫn dài bảo vệ hiệu quả nguồn nước sạch, với kết cấu tường đá hoặc gạch xây bảo vệ mái, với nhiều cấu trúc và hình dạng phức tạp, từng được đánh giá như một kỳ quan cổ đại. Hình 1- 6: Tường gạch xây bảo vệ bờ kênh dẫn nước ăn thành phố Rome 312 B.C Từ khi vật liệu bê tông cốt thép ra đời, rất nhiều công trình bảo vệ bờ bê tông cốt thép đã được xây dựng khắp các thành phố của Châu Âu. Năm 1855, hệ thống công trình bảo vệ bờ sông Seine, Paris, được đề xuất khởi công không chỉ duy trì sự ổn định dòng chảy, bảo vệ bờ sông tránh các biến động tự nhiên, mà còn là một cảnh quan nổi tiếng. 10 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Năm 1905, kè Krasnopresnenskaya thành phố Moscow hoàn thành phần kết cấu bê tông cốt thép, năm 1925 lát đá bề mặt dài 3.5km. Chênh lệch cao độ đỉnh kè chân kè lên tới 5m. Năm 2003, hệ thống bảo vệ bờ Cheonggyecheon Embankment thành phố Seoul được khởi công, góp phần hoàn chỉnh chuỗi hệ thống công trình bảo vệ bờ Han River nổi tiếng. Hình 1- 7: Hình ảnh kè sông Seine và sông Moscow Cùng với những tiến bộ nhanh chóng về khoa học công nghệ, những thiết kế kết cấu bảo vệ bờ mới liên tục phát triển, phục vụ ngày càng đa dạng mọi nhu cầu cuộc sống. Hình 1- 8 : Hình ảnh kè sông Seoul và một Model thiết kế mới 11 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Bảng 1- 1: Một số công trình kè Kết cấu BTCT bảo vệ bờ sông trên Thế giới 1.2.2. Tình hình xây dựng công trình bảo vệ bờ ở Việt nam Các công trình bảo vệ bờ gắn liền với các cánh đồng canh tác lúa nước của người Việt. Khu vực trung tâm đồng bằng sông Hồng, phần lớn nằm ở độ cao từ 0,4 m đến 12 m trên mực nước biển, với 56% có độ cao thấp hơn 2 m. Vùng đất của đồng bằng sông Hồng nằm trong vành đai 2 loại đê : khoảng 3.000 km đê ngăn lũ của hệ thống sông, và 1.500 km đê biển ngăn sóng l ớn của các cơn bão. Phần lớn các trung tâm đông dân cư đều nằm dưới mực nước lũ sông Hồng. Cùng với hệ thống đê điều đã được xây dựng cách đây hơn hai nghìn năm, các hệ thống bảo vệ bờ tại các đoạn đê xung yếu đặc biệt được chú trọng, nhằm đảm bảo an toàn cho cư dân trong mùa mưa bão. Công trình bảo vệ bờ có th ể đơn giản chỉ là cọc gỗ xếp thả bao tải cát, hoặc có thể là các khối đá thả tạo thành lăng thể bảo vệ mái. Cho đến trước những năm 80, do tình hình khó khăn kinh tế nói chung, các công trình bảo vệ bờ vẫn còn đơn giản, hầu hết chỉ tập trung bảo vệ bờ mái đê tại các đoạn xung yếu, bằng vật liệu đá lát với kết c ấu hộ chân lăng thể đá STT Địa danh Khởi công Hoàn thành Chiều dài (km)/tuyến sông kết nối 1Hệ thống kè sông Thames London Victoria 1865 1870 Westminster - London . Chelsea Embankment 1854 1874 Khu bắc London Albert 1866 1869 1.6 2Hệ thống kè sông Seine Paris 1855 1910 Các quận trung tâm Paris Fleur Embankment 1930 3Hệ thống kè T.p Bordeaux Bordeaux 1990 2002 4.5 4Hệ thống kè Moscow Filyovskaya 1895 1905 1 Berezhkovskaya 1915 1930 3 Krasnopresnenskaya 1905 tường BTCT 3.5 1925 lát đá bề mặt 5Hệ thống kè Han River Seoul Cheonggyecheon Embankment 2003 2005 8.4 Gyeongin 2011 2011 3.5 Tên hệ thống kè 12 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy Hình 1- 9 : Công trình kè bảo vệ mái đê Các công trình kè bờ chính trên sông Hồng đoạn Hà Nội do Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn và UBND thành phố Hà Nội xây dựng nêu trong bảng 1.2. Bảng 1- 2: Công trình bảo vệ bờ sông do UBND TP Hà nội ĐTXD Sau năm 80 , các kết cấu công trình bảo vệ bờ đã có sự phát triển đa dạng hơn. Ngoài kết cấu đá lát khan trong khung chia ô, đã sử dụng các kết cấu tường đá xây, tấm bản bê tông cốt thép bảo vệ mái, Các cấu kiện lát mái bê tông với nhiều hình thức được áp dụng. Cấu kiện chữ nhật, cấu kiện T1-79, đã tạo một lớp phủ mới làm tăng mỹ quan và hiệu quả bảo vệ cho kết cấu truyền thống. Từ năm 2000, tại một số tỉnh phía nam đã áp dụng kết cấu cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực với sự hướng dẫn của nhà sáng chế : Tiến sĩ Itoshima Nhật bản. Kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp ứng lực căng của cốt thép ứng suất trướ c và sức chịu nén của bê tông để tạo trong kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải. Nhờ đó những kết cấu bê tông STT Tên công trình/địa danh Năm XD Chiều dài (m) Hình thức kết cấu 1Kè bờ Thuỵ Phương (Liên Mạc) 1996 600 Đá lát khan 2Kè bờ Phú Gia GĐ I19971800Đá lát khan 3Kè bờ Phú Gia GĐ II 1998 2800 Đá lát khan 4Kè bờ Tứ Liên 1998 1150 Đá lát khan 5Kè bờ Phúc Xá - Chương Dương 1983 400 Đá lát khan 6Kè bờ Bát Tràng 1998 500 Đá lát khan 7Kè bờ Thanh Trì 1996 1050 Đá lát khan 8Kè Bá Thị 2006 100 Tường BTCT [...]... phương pháp tính toán ứng suất đã nêu trong chương 1 .Trong phạm vi đề tài tính toán tập trung chủ yếu vào phương pháp truyền thống và phương pháp Phần tử hữu hạn Đối tượng nghiên cứu là các dạng kết cấu bảo vệ bê tông mái sông, được chia ra thành các dạng cơ bản là : dầm, tấm bản chữ nhật và hệ khung mái 2.2 Phương pháp nghiên cứu tính toán truyền thống Phương pháp tính toán truyền thống là phương pháp. .. đặc biệt KẾT LUẬN CHƯƠNG I Công trình bảo vệ bờ là một giải pháp hiệu quả khắc phục những khó khăn do các tác động cơ học, vật lý, của dòng chảy Trong suốt quá trình phát triển, nhiều nơi trên thế giới đã xây dựng được những công trình bảo vệ bờ lớn, thực hiện tốt nhiệm vụ bảo vệ bờ sông đồng thời là cảnh quan văn hóa đặc sắc Công trình bảo vệ bờ bê tông cốt thép được áp dụng từ thế kỷ 19 và đã có... trọng tác dụng thường xuyên : Trọng lượng của công trình và các thiết bị cố định đặt trên và trong CT Áp lực nước, áp lực thấm của nước ngầm Trọng lượng đất và áp lực bên Áp lực đất phát sinh do biến dạng nền và kết cấu công trình do tải trọng bên ngoài Áp lực bùn cát Tác dụng của co ngót và từ biến Tác động nhiệt lên công trình và nền trong thời kỳ thi công và khai thác của năm có biên độ dao động nhiệt... thành các tổ hợp tải trọng trong xem xét tính toán Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy 21 Luận văn thạc sĩ Chương II : Nghiên cứu Ứng suất Chương 2 : NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT TRONG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP BẢO VỆ BỜ SÔNG 2.1 Khái quát chung Khái niệm ứng suất đặc trưng cho khả năng chịu lực của vật liệu tại một điểm, khi ứng suất vượt quá giới hạn cho... biệt nêu trong các tiêu chuẩn thiết kế các loại công trình thủy lợi chuyên biệt 2.4 Ổn định nền và ảnh hưởng ứng suất Quan hệ ứng suất – biến dạng trong kết cấu phụ thuộc chặt chẽ vào độ ổn định tổng thể của công trình Khi nền công trình ổn định, các biến dạng nằm Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy 33 Luận văn thạc sĩ Chương II : Nghiên cứu Ứng suất trong giới... Tháp 2009 200 Tường BBTCT + TV BTCTDUL Gần đây dự án Saigon River Park đã kết hợp nhiều hình thức kết cấu, tạo điểm nhấn hiện đại trong các hệ thống bảo vệ bờ mái sông của đất nước Hình 1- 10: Thiết kế kè bảo vệ bờ công trình SaiGon River Park Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy 14 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan 1.3 Các phương pháp xác định ứng suất trong. .. dự ứng lực cũng đã được xây dựng Các hệ thống kè sử dụng kết cấu tường chắn bê tông cốt thép cũng dần xuất hiện, tạo diện mạo mới cho các khu vực bảo vệ được xây dựng Đặc biệt các kết cấu mới có tính thẩm mỹ cao, hài hòa cảnh quan môi trường, một số công trình đã xây dựng được nêu trong bảng 1-3 Bảng 1- 3: Một số công trình bảo vệ bờ kết cấu BTCT tại Việt nam STT 1 Tên công trình Kè gia cố bờ Đông sông. .. Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy 19 Luận văn thạc sĩ Chương I : Tổng quan Đây là phương pháp cần những phần mềm máy tính điện tử mạnh với các thuật toán phức tạp và là một trong những phương pháp ưu việt nhất hiện nay 1.4 Các tải trọng và tổ hợp tải trọng tác động lên kết cấu công trình bảo vệ bờ Các tải trọng và tổ hợp tải trọng ảnh hưởng đến kết cấu công trình : Các tải trọng tác dụng thường xuyên... thể nói rằng phương pháp PTHH được coi là một trong những phương pháp có hiệu quả nhất để giải các bài toán cơ học vật rắn nói riêng và cơ học môi trường liên tục nói chung Phương pháp PTHH là phương pháp tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng, giao thông,… đến... giáp giữa kết cấu và nền σ y’ ≤ 0 Học viên : Nguyễn Văn Xuân Lớp : CH18C11 ( ứng suất nén mang dấu (-)) ( PL 2-4) Chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy 25 Luận văn thạc sĩ Chương II : Nghiên cứu Ứng suất 2.3 Phân tích ứng suất trong kết cấu BTCT theo trạng thái giới hạn 2.3.1 Vật liệu Bê tông cốt thép Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê tông và thép Trong . Các công trình bảo vệ đê, bờ sông, có thể phân loại các hình thức công trình kè bảo vệ bờ sông như hình 1-3. Đối tượng chính của đề tài tập trung vào kết cấu công trình bảo vệ bờ mái sông. Xây dựng Công trình thủy Bảng 1- 1: Một số công trình kè Kết cấu BTCT bảo vệ bờ sông trên Thế giới 1.2.2. Tình hình xây dựng công trình bảo vệ bờ ở Việt nam Các công trình bảo vệ bờ gắn. DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI _____________________ NGUYỄN VĂN XUÂN NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT TRONG CÔNG TRÌNH KẾT CẤU BTCT BẢO VỆ MÁI SÔNG & ĐỀ XUẤT