Chương 3: Chế tạo máy rung 2 phương và kết quả thực nghiệm
1.2. Ứng ụng ết cấu xi măng lưới thép
- Trong giao thông : Kết cấu XMLT đƣợc sử dụng làm tàu thuyền khá rộng rãi.
Năm 1915 một thuyền XMLT dài 16m tên là Awahriee do một người Mỹ làm chủ, đƣợc chế tạo tại NewZea and đã đi vòng quanh thế giới mà không gặp phải sự cố nào dù va chạm rất nhiều với các vật khác nhƣ băng trôi, gặp gió mạnh, sóng lớn. Tương tự như vậy, một số thuyền khác đã được chế tạo. Năm 1921, một tàu đánh cá k o ƣới và đã đƣợc công ty Xây dựng XMLT biển ở Hồng Kông chế tạo dài 26m, ượng choán nước 250 tấn, là một trong những chiếc thuyền đánh cá XMLT lớn nhất lúc bấy giờ.
Ngày nay thuyền XMLT dùng để đi du ịch đƣợc chế tạo nhiều ở Mỹ, Oxtraylia, New Zealand và bán với giá khá cao từ 215.000 – 250.000 USD).
Một dạng khác của kết cấu XMLT dùng trong giao thông là làm cầu và cầu vượt cho người đi bộ, do có trọng ượng nhẹ và hình thức kết cấu đẹp.
- Trong xây dựng: Ông Nervi cũng à người tiên phong trong việc dùng kết cấu XMLT trong kiến trúc, xây dựng. Một nhà kho bằng XMLT cũng đƣợc ông xây dựng năm 1947, một bể bơi kết cấu XMLT đã đƣợc xây dựng tại học viện Hải Quân Ý. Nhà triển lãm Turin có nhịp 91m, các công trình này dùng kết hợp hệ
khung sườn bằng bê tông cốt thép, lớp vỏ bao che bằng XMLT. Vào những năm 1960 các nước Anh, New-Di an, Oxtray ia đã sử dụng rộng rãi kết cấu XMLT.
Năm 1958 tại Li n Xô cũ đã x y dựng hệ mái vòm cho trung tâm mua bán tại phố Reshetnikov Leningrat bằng loại kết cấu XMLT. Sau đó nhiều công trình nhƣ nhà triển lãm, trung tâm mua bán, nhà hàng, kho chứa …. Khoảng 10 triệu mét vuông mái các loại đã đƣợc xây dựng trên khắp Li n Xô cũ , có nhiều mái có nhịp ƣu thông đến 24~30m, chiều dày ch khoảng 2cm. Cũng tại Leningrat, mái vòm bằng XMLT của ga tàu điện ngầm k ch thước 43,5x160m đã được xây dựng vào năm 1978. Vào thời gian này ở Mỹ một kết cấu bằng XMLT kích thước lớn 75m x 23m, là kết cấu vỏ XMLT lớn nhất úc đó, đã được công ty sợi th p vùng T y Saeranmento x y dựng.
Tại nhiều nơi tr n thế giới, các khu ngh ngơi giải tr resort cũng đƣợc xây bằng kết cấu XMLT (Hawaii-USA, New Zea and, Canada…
- Trong thủy lợi vật liệu xi măng ƣới th p đƣợc áp dụng rộng rãi nhƣ ống dẫn nước bằng xi măng ưới thép có khả năng chịu lực lớn thay thế ống thép dùng trong các công trình trạm bơm, ống có đường kính 25~30cm,chiều dày 2,5~3cm có thể lắp đặt cho các đoạn ống hút và ống xả của trạm bơm thay thế các ống thép.
Các loại cửa van trong các công trình tưới hoặc ti u nước được chế tạo bằng xi măng ƣới thép cho phép tiết kiệm đƣợc khối ƣợng thép rất lớn, giảm được chi phí bảo dưỡng chống r cho các phần ngập sâu trong nước, nhất là môi trường ven biển thường bị nước mặn ăn mòn…
Trong hệ thống tưới ti u nước cho nông nghiệp, kênh, cầu máng bằng xi măng ƣới th p đăt tr n mặt đất có kết cấu nhẹ, khả năng chống thấm cao, giảm ượng nước bị mất mát từ 50~70% so với k nh đất, nhất là ở vùng có độ thấm lớn, nó cho ph p tăng đƣợc vận tốc dòng chảy trong k nh để vận chuyển đƣợc ƣu ƣợng lớn hơn do đó hệ thống này ngày càng phát triển.
Hình 1.2 Hệ thống k nh XMLT T nh An Giang
Cầu máng xi măng ưới th p thường được nối tiếp với hệ thống k nh để chuyển nước qua khu vực thấp, trũng, vượt những khoảng cách lớn qua kênh, rạch đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi thay thế cho cầu máng bê tông cốt thép cho thấy rừ những khả năng ƣu việt của chỳng nhƣ kết cấu nhẹ và độ bền cao, hình dáng đẹp, tiết kiệm vật liệu hơn so với các loại cầu máng khác nhƣ th p hoặc bê tông cốt th p, đồng thời lại có thể chế tạo hàng loạt bằng công nghệ rung đúc cơ giới hóa, cho n n cùng với hệ thống k nh xi măng ƣới thép chúng đã và đang tạo ra một bước mới trong việc công nghiệp hóa và hi n đại hóa hệ thống cung cấp nước tưới trong ngành nông nghiệp, là cở sở hạ tầng cần thiết để tiến hành tự động hóa tưới tiêu nông nghiệp.
1.3. Cầu máng XMLT 1.3.1 Khái quát chung
Cầu máng là một công trình dẫn nước được dùng khi các tuyến kênh gặp các trở ngại cần phải vƣợt qua nhƣ: sông, suối, thung ũng, k nh rạch, vùng đất trũng hoặc thay thế một đoạn k nh qua vùng đất thấm nước nhiều…Cầu máng thường làm bằng bêtông cốt thép (BTCT) hoặc xi măng ưới thép (XMLT).
Cầu máng gồm các bộ phận sau đ y: đoạn cửa vào, đoạn cửa ra, thân máng, kết cấu trụ đỡ hình 1.3. Việc bố trí và thiết kế đoạn cửa vào, cửa ra, tính toán thuỷ lực trong máng, tính toán dòng chảy tại cửa vào cửa ra, các biện pháp
chống thấm, chống xói lở, tránh lắng đọng bùn cát…trong uận án này sẽ không đề cập đến. Chủ yếu đi s u vào phần tính kết cấu th n máng để sử dụng công nghệ rung chế tạo thân máng bằng vật liệu xi măng ƣới th p, đảm bảo kết cấu th n máng đạt yêu cầu về độ bền cơ học, độ chống thấm theo các yêu cầu về sử dụng của kết cấu cầu máng.
Hình 1.3 Cầu máng xi măng ƣới thép
1.Đoạn cửa vào 2. Mố biên kiểu trọng lực 3.Thân máng 4.Trụ giữa kiểu khung kép 5. Trụ giữa kiểu khung đơn 6.Móng trụ đỡ 7. Khe co dãn
8. Đoạn cửa ra 9. Kênh 10. Mặt đất tự nhiên
Kết cấu th n máng đƣợc chia thành hai loại: kiểu dầm và kiểu vòm, thông thường dùng kiểu dầm. Thân máng kiểu dầm có đặc điểm chịu lực như một dầm có gối đỡ là các trụ giữa và mố biên. Tuỳ theo vị trí các gối tựa và vị trí các khớp nối, thân máng kiểu dầm đƣợc phân thành hai loại: loại dầm đơn, oại dầm một nhịp có mút thừa. Thông thường từ trước đến nay chúng ta chủ yếu vẫn sử dụng kết cấu cầu máng bê tông cốt thép. Nhịp cầu máng kiểu dầm đơn thường không vƣợt quá 10m, nhịp cầu máng kiểu mút thừa (khoảng cách giữa hai gối đỡ thường không quá 25m. Những năm gần đ y oại kết cấu bằng xi măng ưới th p đƣợc sử dụng nhiều do khẳng định đƣợc những ƣu việt của kênh vỏ mỏng xi măng ƣới th p, do đó cũng cần phải nghiên cứu thêm các hình thức kết cấu th n máng để có thể tăng chiều dài nhịp máng, giảm trọng ƣợng của bản thân, tiết kiệm vật liệu…
1.3.2 Dạng mặt cắt thân máng
Thân máng XMLT có hình dạng vỏ trụ mỏng, mặt cắt ngang của thân máng có thể là hình chữ nhật, hình thang, hình chữ U, hình parapol... (hình 1.4).
Chọn hình thức mặt cắt thân máng phải dựa vào tính toán thuỷ lực, vật liệu làm
9
1 2
5 3
6 10
7 8
4
cầu máng, phương pháp thi công, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra. Hình thức mặt cắt ngang th n máng thường dùng là hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U.
(a) (b) (c) (d) (e) Hình 1.4 Các dạng mặt cắt ngang thân máng
Cầu máng mặt cắt chữ nhật và hình thang và chữ U có cấu tạo đơn giản, dễ thi công, trọng ƣợng của cầu máng này khá nhẹ, nên rất thuận tiện cho việc đúc sẵn và lắp ghép. Các mặt cắt khác ít dùng vì tính toán và thi công khá phức tạp. Cầu máng vỏ trụ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn phương ngang nhiều. Khi trên kênh không có yêu cầu về vận tải thuỷ, để tăng th m độ cứng của phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của máng, người ta thường bố trí các thanh giằng ngang và các sườn gia cường dọc (tai máng). Nếu có yêu cầu về vận tải thuỷ không thể bố trí các thanh giằng ngang thì cần bố tr các sườn gia cường ngang hoặc tăng th m chiều dày thành máng, hình 1.5.
Hình 1.5 Đoạn kênh máng a) Kết cấu thân máng mặt cắt chữ nhật
- Máng hình chữ nhật không có thanh giằng (hình 1.6a) – Thành bên sẽ chịu lực nước như một bản công son, loại máng này có kết cấu đơn giản, dễ thi
công, nên vẫn đƣợc dùng trong các cầu máng loại vừa và nhỏ có yêu cầu cho thuyền bè qua lại.
- Máng chữ nhật c sườn ngang không có thanh giằng (hình 1.6b) – Sườn ngang đai ngang đƣợc bố trí ở hai bên thành và đáy máng tạo thành một khung ngang chịu áp lực nước. Do đó có thể giảm được chiều dày của vách bên và bản đáy, giảm đƣợc khối ƣợng máng. Loại này có nhƣợc điểm là khó thi công
- Máng chữ nhật có thanh giằng (hình 1.6c) – Khi máng không có yêu cầu thuyền bè qua lại, thường bố trí thêm các thanh giằng ngang tr n đ nh máng để tăng khả năng chịu lực theo phương ngang, khoảng cách giữa các giằng ngang từ 2 3m, thanh giằng tăng cường được khả năng chịu lực của thành bên và bản đáy, àm giảm bớt ượng cốt thép, thi công loại cầu máng này cũng tương đối dễ dàng.
- Máng chữ nhật kiểu hình hộp (hình 1.6d) - Cầu máng hình hộp có khả năng chịu lực theo phương ngang và theo phương dọc đều tốt, đồng thời có thể lợi dụng bản mặt trên làm cầu cho người qua lại. Loại cầu máng này có nhược điểm là khó thi công, tốn cốt pha, khó xử lý khe co giãn.
a) b) c) d) Hình 1.6 Máng có mặt cắt chữ nhật
- ch thư c mặt cắt ngang của máng chữ nhật
K ch thước mặt cắt ngang của cầu máng hình chữ nhật có thể chọn như sau:
h- Chiều cao thành máng: h = H + H (m) H- Chiều sâu cột nước tính toán
H = 0,2 0,5m à độ cao vƣợt an toàn (phụ thuộc vào cấp công trình)
B- Chiều rộng đáy máng, thường chọn B = (1,5 1,7 H để vừa đảm bảo điều kiện về vận chuyển nước, vừa đảm bảo tăng khả năng chịu lực theo phương dọc máng.
- K ch thước mặt cắt thanh giằng có chiều cao hg = 15 20)cm, - Bề rộng bg = (12 18) cm,
- Khoảng cách giữa các thanh giằng Lg = (1,0 3,0)m.
- K ch thước mặt cắt sườn ngang có chiều cao hs = (1530)cm,
- Bề rộng bs = (12 20 cm, sườn ngang tại gối có k ch thước lớn hơn b) Kết cấu thân máng mặt cắt hình thang, chữ U.
Hình dạng máng chữ U thường dùng có đáy à nửa hình tròn, có hai thành bên thẳng đứng (hình 1.7). Máng chữ U có ƣu điểm là trạng thái thủy lực tốt, độ cứng theo phương dọc lớn, thi công dễ.Th n máng cũng thường được gia cường bằng các sườn dọc (tai máng), các sườn ngang đai máng và các thanh giằng ngang.
Hình 1.7 Mặt cắt ngang máng
a: Mặt cắt hình thang; b: Mặt cắt nửa tròn chữ U)
- ch thư c mặt cắt ngang thân máng hình thang, chữ U
Chọn sơ bộ k ch thước tiết diện ngang thân máng XMLT hình chữ U có thể tham khảo các số liệu dưới đ y:
- Bề dày của thành máng t = (1/15 1/25)R0, thường chọn t = 3 6 cm đối với cầu máng xi măng ƣới thép.
- Chiều cao đoạn thẳng đứng của thành máng f = (0,1 0,3)D0
- K ch thước tai máng thường chọn như sau:
a = (1,52,5)t ; b = (1 2)t ; c = (1 2)t.
- Tỷ số H/L < 15 20 và D0< 1 - K ch thước mặt cắt thanh giằng:
Chiều cao hg = (10 20)cm, bề rộng bg = (8 15)cm.
Sườn ngang tại vị trí gối tựa có k ch thước lớn hơn sườn ngang ở trong nhịp, và kết hợp để tạo thành kết cấu gối tựa cho th n máng. Để đảm bảo điều kiện chống nứt theo phương ngang, đoạn cong ở đáy máng thường àm dày hơn, k ch thước phần này có thể lấy nhƣ sau:
to = (1,0 1,5)t; do = (0,5 1,5)Ro; So = (0,3 0,4)Ro
1.3.3 Phân tích về cường độ cầu máng XMLT
a) Phân tích nội lực thân máng theo lý thuyết dầm
Th n máng à một kết cấu vỏ mỏng, ại thường được gia cường bằng các sườn dọc, sườn ngang và thanh giằng hình 1.5 , do đó việc ph n t ch nội ực th n máng theo ý thuyết vỏ mỏng không gian để tìm ời giải ch nh xác thì hầu như không thể thực hiện được, mà ch có thể tìm được ời giải bằng các phương pháp gần đúng, “ ý thuyết dầm” à một trong các phương pháp đó [4, 5].
Phương pháp ph n t ch nội ực theo ý thuyết dầm rất th ch hợp với cầu máng có tỷ số ớn giữa chiều dài nhịp và bề rộng th n máng ớn. Nội dung của ý thuyết t nh toán này à theo phương dọc th n máng được t nh như bài toán dầm, còn theo phương ngang th n máng được t nh như một khung phẳng có bề rộng bằng một đơn vị đƣợc cắt ra từ th n máng, chịu tất cả các tải trọng tác dụng n đoạn máng đó và được c n bằng nhờ các ực tương h của hai phần máng hai bên.
Từ ph n t ch nội ực theo 2 phương, cường độ và biến dạng của máng đƣợc xác định với các mặt cắt khác nhau nhƣ mặt cắt hình thang và chữ U.
b) Phân tích nội lực theo lý thuyết vỏ
Tùy theo tỷ số giữa chiều dày t và bán kính cong R nhỏ nhất của mặt trung bình mà người ta chia vỏ thành hai loại: vỏ mỏng khi t/R rất bé, ngược lại là vỏ dày.
Khi tỷ số t/R không lớn hơn 0,03 thì kết quả tính toán theo lý thuyết vỏ mỏng
không dẫn tới sai số quá lớn không cho phép trong thiết kế công trình. Các công trình thực tế thường có tỷ số t/R vào khoảng từ 0,001 đến 0,02, do đó ý thuyết vỏ mỏng đƣợc áp dụng rất rộng rãi.
Khi giải các bài toán theo ý thuyết vỏ mỏng, cần dựa vào các phương trình cơ bản như: phương trình hình học, phương trình c n bằng và các điều kiện bi n của bài toán [4, 25].
Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH) [28, 29, 58] được dùng rất phổ biến để giải bài toán vỏ mỏng
Nhiều phần mềm t nh toán khác nhau đã đƣợc sử dụng, trong đó phần mềm SAP2000 [54] đã đƣợc các tác giả [4, 44] sử dụng để phân tích nội lực và biến dạng máng hình thang. Theo phần mềm này các số liệu đƣợc đƣa vào theo yêu cầu (khai báo) hình 1.8
Hình 1.8 Mô phỏng tính toán bằng phần mềm Sap 2000
và tìm đƣợc các kết quả về biến dạng, ứng suất của máng thể hiện ở hình 1.9
Hình 1.9 Biểu đồ ứng suất
Khi ph n t ch t nh toán cường độ của cầu máng, một trong các đặc trưng vật liệu quan trọng của cầu máng khi đƣa vào t nh toán à mô đun đàn hồi E của bê tông, trong kết cấu XMLT mô đun đàn hồi này đƣợc xác định thông qua thí nghiệm nén hoặc uốn các mẫu vữa [37, 39, 45], để khi hình thành kết cấu bê tông hoặc XMLT thì đ y ch nh à đầu vào để t nh toán cường độ độ bền nén, uốn… . Việc chế tạo các mẫu vữa theo các phương pháp khác nhau như đầm thủ công, đầm trên các loại máy rung, sau khi bảo dƣỡng theo đúng quy trình tùy theo 7 ngày tuổi hoặc 28 ngày tuổi sẽ được thử cường độ tương ứng theo quy trình thử nghiệm [32, 33, 34] để xác định “mác” b tông, àm cơ sở cho các bài toán ph n t ch t nh toán cường độ, biến dạng của kết cấu. Các thông số cơ bản của máy rung chế tạo mẫu như bi n độ, tần số, thời gian rung ảnh hưởng quyết định đến mô đun đàn hồi này [3, 43].
1.3.4 Phân tích về độ chống thấm của cầu máng XMLT
Trong kết cấu bêtông XMLT, tuổi thọ của kết cấu là một tiêu chuẩn quan trọng để kéo dài thời gian sử dụng, giữ được cường độ yêu cầu và u dài. Như vậy kết cấu phải có khả năng chịu đƣợc quá trình phong hóa diễn ra ở phần tiếp xúc với bên ngoài gọi à độ bền lâu, hay tuổi thọ.
Ngoài nhiều nguyên nhân gây ra giảm tuổi thọ: nhƣ quá trình ý, hóa, cơ học nhƣ mài mòn, ở, xâm thực, phản ứng alkali-silicat, alkali-cacbonate, hóa chất bên ngoài tấn công vào ion của cốt liệu: chrolas, sunfat cacbon dioxit.. khí và chất thải..thì một yếu tố tác dụng rất quan trọng của chất lỏng là xâm nhập hoặc thấm qua kết cấu mà mặt tiếp xúc ngoài sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới sự thấm này.
Do đặc tính của b tông thay đổi theo thời gian, tính thấm àm tăng khả năng vận chuyển những chất lỏng và chất kh khác nhau đi qua như: nước, clorit, sunfat...làm ảnh hưởng tới ưới và cốt thép bên trong. Có mối liên hệ chặt chẽ giữa tỷ lệ nước/ximăng N/X và t nh thấm [46, 55].
Dòng chảy trong l mao dẫn khi bão hòa của vật liệu xi măng ƣới thép hoặc bê tông tuân theo qui luật Darcy của chảy tầng qua môi trường xốp [41]:
L h g K A dt
dq 1 ' . .
1
Trong đó:
dq/dt : tốc độ dòng thấm (m3/s).
A1: diện tích mặt cắt ngang của mẫu.
h: độ tổn hao cột nước qua mẫu (m).
L: chiều dày của mẫu (m).
: độ nhớt động lực của chất lỏng (Ns/m2).
: mật độ của dòng chảy (Kg/m3).
g : gia tốc trọng trường, (m/s2)
K’ : hệ số thể hiện độ thấm, khi chất lỏng à nước ta có:
K =
g K'
(m/s)
Vậy ta có thể xác định độ thấm của nước qua vật liệu là
L K h A dt
dq
1
. 1
Y u cầu kỹ thuật của b tông thủy công quy định về độ chống thấm nước [31, 35] xác định bằng áp ực thấm tối đa của mẫu. Độ chống thấm ở tuổi 28 ngày, xác định bằng mác chống thấm nhƣ bảng 1.1.
Bảng 1.1 Quy định mác chống thấm của bê tông thủy công Mác chống thấm Áp lực chịu tối đa daN/cm2)
B-2 2
B-4 4
B-6 6
B-8 8
B-10 10
B-12 12