Đề xuất một số biện pháp bảo vệ trụ cầu tránh va chạm với phương tiện thủy

Bài viết này giới thiệu các biện pháp bảo vệ trụ cầu, khu vực dễ xảy ra các vụ va chạm với phương tiện thủy, dựa trên tổng hợp các biện pháp bảo vệ cầu đã được sử dụng trên thế giới.

Từ kết so sánh bảng ta nhận thấy sai số chuyển vị tương đối lớn (đều 5%), nhiên tất sai số không vượt 20% Trường hợp 2, tải trọng từ ngồi sai số mơ hình số kết thí nghiệm lớn 18% (tại S4) 19,3% (tại S10) Kết luận Thông qua kết tính tốn phần mềm SAP2000, ta rút số kết luận sau: - Bản thành chịu lực ngang từ chịu lực ngang từ vào - Phân bố nội lực chuyển vị lớn vị trị sườn có điểm đặt lực tập trung; - Thơng qua mơ hình vật lý ta thấy xuất vết nứt nhanh nhiều sườn số 10 lực ngang từ ngoài, điều dẫn đến khác lớn kết mơ hình số thực nghiệm; - Kết mơ hình số SAP2000 kiểm chứng kết thí nghiệm mơ hình vật lý cách so sánh chuyển vị theo phương ngang sườn S4 S10 Sự khác biệt khơng lớn việc dùng phần mềm SAP2000 để phân tích ứng xử thành, đáy kết cầu thùng bê tông thành mỏng cốt FRP hoàn toàn tin cậy; - Thơng qua phân tích nội lực chuyển vị mơ hình SAP2000 tác giả kiến nghị cần tăng cường số lượng vách ngăn sườn gia cường thùng bê tông thành mỏng cốt FRP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 11109: Cốt composit polyme [2] TCVN 11110: Cốt composit polyme dùng kết cấu bê tông địa kỹ thuật [3] User manual SAP2000 v19 [4] Bùi Đức Vinh (2001) Phân tích thiết kế kết cấu bến phần mềm SAP2000 [5] Báo cáo kết thí nghiệm thùng bê tơng thành mỏng cốt FRP, Công ty Cổ phần Xây dựng Tư vấn đầu tư Hoàng Lê, 2015 Ngày nhận bài: Ngày phản biện: Ngày chỉnh sửa: Ngày duyệt đăng: 03/3/2017 24/3/2017 24/5/2017 31/5/2017 ĐỀ XUẤT MỘT SỐ BIỆN PHÁP BẢO VỆ TRỤ CẦU TRÁNH VA CHẠM VỚI PHƯƠNG TIỆN THỦY PROPOSALS OF BRIDGE PIERS’ PROTECTION AGAINST VESSEL COLLISION TRẦN ĐỨC PHÚ Khoa Công trình, Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Trong thời gian qua, số vụ tai nạn phương tiện cầu có chiều hướng ngày gia tăng Những vụ va chạm phương tiện cầu không gây thiệt hại to lớn đến kinh tế, xã hội mà để lại tác hại xấu cho mơi trường Chính thế, biện pháp đảm bảo an toàn cho cầu trước vụ tai nạn gây phương tiện thủy cần thiết Bài báo giới thiệu biện pháp bảo vệ trụ cầu, khu vực dễ xảy vụ va chạm với phương tiện thủy, dựa tổng hợp biện pháp bảo vệ cầu sử dụng giới Từ khóa: Phương tiện thủy, cầu, va chạm, an toàn hàng hải Abstract Recently, the number of accidents between vessels and bridges has increased significantly Such accidents not only have serious social and economic consequences but also include serious damage to the environment Hence, protection of bridge piers against vessel collision has become essential This article outlines the development of pier protection against vessel collision based collection from structural protection of bridges all over the world Keywords: Vessel, bridge, collision, maritime safety Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 75 Giới thiệu chung Trong thời gian vừa qua, có nhiều vụ va chạm cầu với phương tiện thủy xảy Theo thống kê, từ năm 1960 đến 2007, giới có 34 vụ sập cầu 346 nạn nhân gây va chạm với phương tiện [1] Từ năm 2010 đến nay, Việt Nam xảy số vụ tai nạn cầu phương tiện gây thiệt hại to lớn kinh tế, xã hội Tiêu biểu tháng năm 2010, ảnh hưởng bão, ba tàu biển trọng tải lớn neo đậu đà đóng mới, sửa chữa Tổng Công ty công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bị trơi va đập mạnh vào cầu Bính Tháng 11 năm 2015, sà lan chở theo 1.000 đá xây dựng theo hướng từ hạ nguồn lên thượng nguồn sơng Sài Gòn bất ngờ cabin va chạm vào nhịp cầu số cầu Bình Lợi Tháng năm 2016, tàu thủy trọng tải 3000 di chuyển theo hướng thượng lưu hạ lưu (xuôi từ Hải Phòng Hải Dương) đâm vào trụ cầu An Thái - cầu nối huyện Kim Thành với huyện Kinh Môn (Hải Dương), Trước thiệt hại to lớn gây va chạm phương tiện thủy với cầu, cần thiết phải nghiên cứu biện pháp bảo vệ cầu trước nguy va chạm với phương tiện thủy [2] Tuy nhiên, nghiên cứu biện pháp phòng tránh va chạm tàu Việt Nam hạn chế Từ đó, tác giả đề xuất nghiên cứu biện pháp bảo vệ cầu trước va chạm với phương tiện thủy Các yếu tố quan trọng nghiên cứu lĩnh vực va chạm tàu cầu xác định lực va thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va Trong phần tiếp theo, tác giả đưa số biện pháp bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm với phương tiện thủy đúc rút từ nghiên cứu tác giả lĩnh vực Hình Thí nghiệm va chạm Woisin Hình Lực va chạm theo thời gian đề xuất Woisin Lực va chạm Nghiên cứu lĩnh vực va chạm tàu thực Minorsky dựa kết thực nghiệm 26 vụ va chạm trực tiếp hai tàu thủy vào năm 1958 [3] Đối với bảo vệ trụ cầu, va chạm trực diện tàu với tường cứng dựa kết nghiên cứu Woisin [4] đưa Theo đó, Woisin phát triển mối quan hệ động lực học lực va chạm theo thời gian hình với lực lớn khoảng 0,1 đến 0,2 giây từ lúc bắt đầu va chạm gấp khoảng hai lần lực va trung bình sau vài giây Từ kết thí nghiệm Woisin, tác giả kết luận lực va tĩnh tàu lớn với tường cứng tỉ lệ với bậc hai trọng tải (DWT) tàu, xem hình Tuy nhiên, quan hệ khoảng phân bố rộng lực va cho tàu có DWT dựa theo dạng kết cấu vỏ tàu vận tốc va chạm Từ đó, Svensson [5] đề xuất cơng thức tính lực va với độ phân tán ±50% P  0,88 DWT  50% , với P lực va trung bình theo MN Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 (1) 76 Hình Lực va tĩnh theo kích thước tàu Hình Hàm mật độ xác suất lực va tàu Công thức Svensson đưa vào năm 1981 nghiên cứu đề xuất tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu va chạm tàu AASHTO [6] Theo đó, quan hệ phân bố lực va nghiên cứu Woisin kết hợp với đề xuất ±50% Svensson đưa hình Giản lược phân bố rộng lực va tính tốn Woisin cách sử dụng đường phân chia 70% giá trị trung bình lực va tàu để tính lực phản hồi cầu ước tính thành phần để chống lại lực va chạm, xem hình Đường 70% dẫn đến tăng hệ số phân tính đề xuất ±50% Svensson từ 0.88 lên 0.98 Bên cạnh đó, Woisin đề xuất thêm vào hệ số v / ứng với vận tốc khác F  1,11  0,88 DWT  với F v  0,122  DWT  v bình quân lực va theo MN v (2) tốc độ tàu va theo m/s T Lực va (MN) ường cứng E UROCOD E A ASHTO C ọc đàn hồi Thời gian (giây) Hình Quan hệ lực va - vận tốc tàu theo AASHTO Hình So sánh lực va lên tường cứng cọc đàn hồi ứng với phương pháp khác Tuy nhiên, lực va tối đa, ước tính gấp đơi lực trung bình, hình 3, khơng đề xuất dẫn kĩ thuật AASHTO xem xét khoảng thời gian ngắn từ lúc bắt đầu va chạm để gây vấn đề lớn cho hầu hết kết cấu Lực va trung bình theo thời gian tăng lên tới 70% mức phân tách để đảm bảo chắn phân tích Theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode [7], lực va chạm thiết kế tính theo cơng thức: F  Km  v , với K độ cứng tương ứng, m khối lượng va chạm v vận tốc Theo công thức tiêu chuẩn châu Âu này, kết đưa cao lượng định so với giá trị đưa tiêu chuẩn AASHTO Ngoài ra, có số phương pháp để xác định lực va chạm, ví dụ phương pháp Pedersen phương pháp đại học Tongji Kết cấu bảo vệ 3.1 Một số dạng kết cấu bảo vệ trụ cầu Để bảo vệ cầu kết cấu khác trước va chạm phương tiện thủy, sử dụng số cách sau: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 77 - Tránh va cách đặt toàn kết cấu cầu bờ; - Làm chệch hướng tàu đảo nhân tạo kết cấu dẫn hướng; - Thiết kế trụ cầu đủ vững để chịu va chạm trực tiếp 3.2 Đặt kết cấu bờ Cầu T K àu va chạm Hình Cầu Tjưrn cũ sau va chạm cũ Hình Thiết kế cầu Tjưrn - Thụy Điển cũ Cách an toàn để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu đặt chúng lên bờ Bằng cách chi phí phụ trội việc tăng chiều dài nhịp cầu tính vào phần chi phí tiết kiệm từ việc khơng phải dùng đến chi phí xây dựng cơng trình bảo vệ Trong trường hợp cầu dạng vòm, phần vòm cầu cần phải tránh vùng bị tác động Điển việc xây dựng cầu Tjưrn Thụy Điển Sau xảy va chạm dẫn đến sập cầu, xem hình 7, kết cấu cầu đưa hình Theo thiết kế mới, cầu xây dựng có nhịp 366m, tăng từ cầu vòm ban đồ có nhịp 217m Đồng thời, khoảng tĩnh cho tồn chiều dài nhịp 45,3m Bên cạnh cầu Tjưrn, giới có nhiều cầu áp dụng cách để hạn chế va chạm với phương tiện thủy, ví dụ cầu Yang Pu Thượng Hải, Trung Quốc, cầu Stonecutter Hồng Kông, 3.3 Đảo nhân tạo Hình Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ Hình 10 Cầu qua kênh Neckar, Kirchheim, Đức Với vùng nước rộng để cầu bắc qua mà không sử dụng trụ cầu kênh hành hải, nên sử dụng loại đảo nhân tạo Ưu điểm phương pháp cho độ an toàn cao cho phép dừng phương tiện thủy cách từ từ, hạn chế gia tăng thiệt hại vỏ tàu Để bảo vệ khỏi ăn mòn, loại đảo thực khơng u cầu tu mà đòi hỏi bồi đắp bổ sung thêm lượng nhỏ sau va chạm Việc sử dụng loại thường bị hạn chế để khơng làm giảm mặt cắt ướt dòng chảy dẫn tới tốc độ dòng chảy tăng lên cách nguy hiểm Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ (hình 9) cầu Kap Shui Mun Hồng Kơng hai cơng trình tiêu biểu sử dụng đảo nhân tạo để bảo vệ trụ cầu Hai cầu thiết kế với trụ cầu đặt bờ, đảo nhân tạo xây dựng phục vụ cho trụ lại đặt vị trí nước nơng 3.4 Kết cấu dẫn hướng Kết cấu dẫn thiết kế để đưa tàu xa khỏi trụ cầu thân cầu Chúng thường không thiết kế để chịu va chạm trực tiếp cho phép phương tiện thủy có kích thước vừa nhỏ trượt qua Kết cấu dẫn hướng sử dụng để bảo vệ trụ cầu vượt sông Neckar gần Kirchheim, Đức, xem hình 10 Thành phần gia cường cho chắn bảo vệ ống thép chứa sỏi Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 78 khoan vào lớp đá phía Động sinh va chạm trượt qua bị hấp thụ thông qua biến dạng dẻo ống thép Phần chịu biến dạng kết cấu dẫn hượng tính cho nằm cách xa phần trụ cầu 10m Dẫn tới, làm giảm phần luồng hàng hải 20 đến 40m Vì lý này, cầu xây dựng lại cách sử dụng trụ cầu cố định thiết kế có khả chịu lực va chạm phương tiện thủy lên 3.5 Cơng trình bảo vệ độc lập Hình 11 Hệ thống bảo vệ cầu Zárate Brazo-Largo, Argentina Hình 12 Hệ thống bảo vệ trụ cầu Sunshine Skyway, Mỹ Với số cầu xây dựng khu vực có độ sâu lớn cầu xây dựng lâu đời nên phần trụ cầu không thiết kế để chịu tải trọng va chạm tàu, việc thiết kế hệ thống bảo vệ trở nên cần thiết để giảm thiểu thiệt hại cầu Cầu Zárate Brazo-Largo Argentina cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu bảo vệ độc lập để tránh va chạm cho tàu có trọng tải lên tới 25000 DWT Do cầu xây dựng vùng nước có độ sâu lớn, thời gian xây dựng từ lâu nên trụ cầu thiết kế khơng có khả chịu tải trọng va chạm tàu Chính vậy, trụ bê tơng tròn độc lập đề xuất xây dựng sử dụng cọc dài 70m có sàn dạng tam giác chịu va chạm tàu dẫn hướng cho tàu tránh khỏi trụ cầu Tuy nhiên dựa chi phí xây dựng, chủ đầu tư lựa chọn sử dụng hệ thống bảo vệ [8], hình 11 Nguy rủi ro lớn cho dạng cơng trình bảo vệ bị nhấn chìm xuống nước để tàu vượt qua va chạm với số loại mũi tàu có dạng thẳng dạng xà lan Ngồi ra, cơng trình bảo vệ độc lập sử dụng cho nhiều cầu khác giới, ví dụ cầu Sunshine Skyway Tampa, FL, Mỹ (hình 12) cầu Rosario-Victoria Argentina sử dụng kết cấu trụ bảo vệ khác để bảo vệ cầu khỏi va chạm với phương tiện thủy 3.6 Trụ cứng Một cách khác để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu vùng nước có độ sâu lớn thiết kế trụ cầu chịu tải trọng gây va chạm Tải trọng theo phương đứng lên mố trụ cầu góp phần đáng kể việc chống lại tải trọng theo phương ngang Đối với mố trụ cầu xây dựng đá vị trí khơng giá sâu, loại kết cấu đem lại hiệu kinh tế đáng kể so với sử dụng kết cấu bảo vệ độc lập Do mố trụ cầu có độ cứng lớn nên tàu bị hấp thu chủ yếu vỏ tàu, dẫn đến phần lớn hư hỏng xuất vỏ tàu Tuy nhiên, mức độ hư hỏng tàu lớn so với việc sử dụng kết cấu bảo vệ độc lập có mức độ đàn hồi tốt Đề xuất phương án bảo vệ trụ cầu phù hợp với điều kiện Việt Nam Đặc điểm mưa nhiều Việt Nam tạo số lượng sông suối lớn Do sông bắt nguồn từ núi cao nên sông thượng lưu dốc, dẫn đến vào mùa mưa sông chảy xiết, chảy đồng bằng, sông uốn khúc quanh co Chính yếu tố dẫn đến việc cần thiết phải xây dựng kết cấu bảo vệ cầu khỏi va chạm với phương tiện thủy Với cầu xây mới, tùy thuộc kinh phí xây dựng yếu tố khác bề rộng lòng sơng, điều kiện địa chất, địa hình mật độ giao thơng đường thủy, lựa chọn biện pháp bảo vệ trụ cầu phù hợp sử dụng trụ cứng có khả chịu tải trọng va chạm, xây dựng đảo nhân tạo với sơng có bề rộng lớn đặt trụ cầu bờ với sơng có bề rộng hẹp Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 79 Tàu bị làm chệch hướng va chạm Hình 15 Trụ cứng bảo vệ cầu Mỹ Thuận Hình 14 Kết cấu trụ cầu Mỹ Thuận Ví dụ cầu dây văng Mỹ Thuận xây dựng bắc qua sông Tiền sử dụng cọc dài lên tới 100m Do tượng xói lở, độ sâu nước dao động từ 16 đến 25m [5] Chính vậy, mố trụ cầu theo hướng xi dòng phải thiết kế theo AASHTO [6] để chịu tải trọng va chạm lên tới 32MN Trong trường hợp xảy va chạm, theo thiết kế này, phần tàu bị hấp thu biến dạng vỏ tàu chuyển vị đầu cọc Phần lượng lại va chạm bị đàn hồi lại cọc Để tránh va chạm xảy tương lai phương tiện thủy lớn hơn, mố trụ cầu thiết kế để chịu tải trọng theo hướng xi dòng lên tới 39MN Ngồi ra, với cầu xây dựng từ trước, xem xét việc hạn chế thiệt hại gây va chạm với phương tiện thủy cách lựa chọn biện pháp sử dụng kết cấu bảo vệ trụ cầu độc lập kết cấu dẫn hướng để bảo vệ trụ cầu Kết luận Cùng với phát triển không ngừng phương tiện thủy công nghệ xây dựng cơng trình giao thơng, đặc biệt xây dựng cầu, yêu cầu cấp thiết cần phải có biện pháp bảo vệ cầu khỏi vụ va chạm với phương tiện thủy Đúc rút từ trình nghiên cứu va chạm cầu phương tiện thủy, tác giả đề xuất số biện pháp bảo vệ trụ cầu, khu vực dễ xảy vụ va chạm với phương tiện thủy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sha, Y and H Hao, Nonlinear finite element analysis of barge collision with a single bridge pier Engineering Structures, 2012 41: p 63-76 [2] Tran, D.P., A study of Floating Protection System subjected to Vessel Collisions Considering Fluid-Structure Interaction, in Ocean Civil Engineering 2016, Mokpo National Maritime University [3] Minorsky, V.U., An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants 1958 p Medium: X; Size: Pages: 10 [4] Woisin, G., GKSS collision tests 1978: United Kingdom p 51 [5] Svensson, H., Protection of Bridge Piers against Ship Collision Steel Construction 2, 2009 [6] AASHTO, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, SI Units, 4th Edition 2007, American Association of State Highway and Transportation Officials [7] EN, Eurocode 1: Actions on structures 1991 [8] Mondorf, P.E., Floating Pier Protections Anchored by Prestressing Tendons IABSE reports = Rapports AIPC = IVBH Berichte, 1983 42: p 361-370 Ngày nhận bài: 15/3/2017 Ngày phản biện: 23/3/2017 Ngày duyệt đăng: 28/3/2017 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 80 ... dựng cầu, yêu cầu cấp thiết cần phải có biện pháp bảo vệ cầu khỏi vụ va chạm với phương tiện thủy Đúc rút từ trình nghiên cứu va chạm cầu phương tiện thủy, tác giả đề xuất số biện pháp bảo vệ trụ. .. cấu trụ bảo vệ khác để bảo vệ cầu khỏi va chạm với phương tiện thủy 3.6 Trụ cứng Một cách khác để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu vùng nước có độ sâu lớn thiết kế trụ cầu chịu tải trọng gây va chạm. .. to lớn gây va chạm phương tiện thủy với cầu, cần thiết phải nghiên cứu biện pháp bảo vệ cầu trước nguy va chạm với phương tiện thủy [2] Tuy nhiên, nghiên cứu biện pháp phòng tránh va chạm tàu Việt