(a – mái; b – cột; c – dầm cầu trục)
Về tỷ lệ hƣ hỏng giàn thép theo thời gian biểu thị nhƣ ở Hình 1.15. Theo đó, trong kết cấu giàn mái tỷ lệ hƣ hỏng của thanh nén cong vênh khỏi mặt phẳng giàn chiếm gần 40%, còn thanh kéo cong vênh khỏi mặt phẳng giàn chiếm gần 20%. Các tỷ lệ thanh kéo/nén cong vênh trong mặt phẳng giàn hoặc cong vênh cục bộ thì mức độ ảnh hƣởng ít, chiếm dƣới 15% [7, tr 6].
1 2 3 4 1 0 2 0 3 0 4 0 n % 5 6 7
1 - Thanh nén cong vênh khỏi mặt phẳng giàn 2 - Thanh kéo cong vênh khỏi mặt phẳng giàn 3 - Thanh kéo cong vênh trong mặt phẳng giàn 4 - Thanh nén cong vênh trong mặt phẳng giàn 5 - Độ võng dƣ của giàn
6 - Cong vênh cục bộ của thanh nén 7 - Cong vênh cục bộ của thanh kéo Hình 1.15. Tỷ lệ hƣ hỏng giàn thép theo thời gian
Còn về tỷ lệ hƣ hỏng các cấu kiện trong giàn (thanh giàn hoặc nút liên kết giàn), biểu thị ở Hình 1.16, cho thấy rằng với xƣởng cơ khí lắp ráp sau khoảng thời gian sử dụng khoảng 20 năm thì mức độ hƣ hỏng các cấu kiện bắt đầu tăng dần và đạt đến khoảng 40% bộ phận, sau 50 năm thì hƣ hỏng chiếm tới 70% bộ phận [7, tr 6].
10 20 30 40 20 40 60 80 n% 50 60 nam 0 1 2 1 - Các xƣởng cơ khí lắp ráp 2 - Các xƣởng công nghiệp nặng Hình 1.16. Tỷ lệ hƣ hỏng các phần tử trong giàn thép
Theo đó, các hƣ hỏng phổ biến ở kết cấu giàn mái đƣợc thể hiện nhƣ ở Hình 1.17, chẳng hạn nhƣ cong vênh ở các thanh bụng, mặt phẳng giàn và bản mã bị vênh ra khỏi mặt phẳng làm việc, nút liên kết các thanh giàn bị hƣ hỏng.
Hình 1.17. Những hƣ hỏng phổ biến ở kết cấu giàn mái
(1 - cong vênh ở thanh bụng; 2 - cong vênh cục bộ; 3 - giàn vênh ra khỏi mặt phẳng thẳng đứng; 4 - bản mã bị vênh; 5 - vết nứt ở bản mã; 6 - gối tựa hư hỏng)
1.2.2. Một số sự cố và hƣ hỏng kết cấu giàn thép gần đây a) Ở ngoài nƣớc: a) Ở ngoài nƣớc:
Một cây cầu có kết cấu giàn thép nằm trên đại lộ nối giữa Seattle và Canada đã bị sập một nhịp vào tháng 5/2013, nhƣ ở Hình 1.18, làm chiếc xe tải rơi xuống sông Skagit và làm 3 ngƣời bị thƣơng, nguyên nhân do xe chở quá tải [12].
Hình 1.18. Sập cầu ở đại lộ Seattle - Canada
- Một cây cầu bắc qua sông Creek ở Wayne County, nhƣ ở Hình 1.19, đã sụp đổ năm 2010 do một chiếc xe tải AEP của hãng American Electric Power đi qua với tải trọng 6T gấp hai lần tải trọng cho phép là 3T [12].
Hình 1.19. Sập cầu ở Dickson giữa Lavallette - Wayne
- Kết cấu giàn mái của sân vận động Brazil World Cup sập đổ tháng 10/2013, nhƣ ở Hình 1.20, kết cấu giàn mái cấu tạo từ thanh thép ống với liên kết hàn trực tiếp. Nguyên nhân do trong quá trình thi công xây dựng một cần trục tháp bị mất ổn định về móng gây đổ sập vào mái [12].
- Kết cấu mái bể bơi ở Natatorio de, San Juan, PR bị sập đổ 8/2005, nhƣ ở Hình 1.21, kết cấu giàn mái ứng lực trƣớc với sợi cáp T – 91 và T – 153, vƣợt nhịp 20m. Nguyên nhân ban đầu do khi căng cáp không gia cƣờng kết cấu giàn để đảm bảo ổn định oằn bên. Lực nén dọc trục tối đa cho phép trong thanh cánh trên khoảng 87 kips (389,7kN), nhƣng lực nén đo đƣợc là 227 kips (1016,9kN) tại thời điểm sụp đổ [12].
Hình 1.20. Sập giàn mái của sân vận động Brazil World Cup
Hình 1.21. Sập giàn mái của bể bơi b) Ở trong nƣớc: b) Ở trong nƣớc:
- Kết cấu giàn mái của rạp chiếu Phim (rạp Nguyễn Trãi – Hà Đông), kết cấu mái panel bê tông đúc sẵn, do việc thi công và chế tạo gặp sai sót gây sập đổ vào ngày dự kiến khánh thành, năm 1986.
- Một cầu tạm gồm 2 đơn nguyên có 7 nhịp (tổng chiều dài khoảng 230m), nhƣ ở Hình 1.22, mỗi đơn nguyên rộng 11m, xe sơ mi rơ moóc tải trọng 60 tấn lƣu thông qua cầu, làm sập nhịp cầu phía bờ thuộc phƣờng 3 – Tp. Hồ Chí Minh [12].
- Một cầu qua suối ở Nậm Lạnh – Sơn La đã bị sập, nguyên nhân do chở quá tải với tổng trọng lƣợng xe và hàng hóa là 24,49 tấn, trong khi cầu giới hạn trọng lƣợng của xe là 5 tấn [12].
- Tháp truyền hình Nam Định, sập đổ tháng 10/2012, nhƣ ở Hình 1.23, có chiều cao 180 m và là công trình tháp cao đứng thứ hai ở Việt Nam, kết cấu thép đƣợc nhập từ Malaysia để lắp ráp xây dựng tại Nam Định [12].
- Cột ăngten cao gần 200 mét của Đài phát sóng phát thanh Đồng Hới, thuộc Đài tiếng nói Việt Nam tại Đồng Hới đã bị bão số 10 có cƣờng độ rất mạnh quật đổ tháng 9/2013, nhƣ ở Hình 1.23 [12].
- Tháp truyền hình Uông Bí – Quảng Ninh cao 52m cũng đã bị đổ tháng 11/2013 do cơn bão Hayan. Đồng thời, trƣớc đó cột ăng ten thu phát tín hiệu truyền thanh – truyền hình của đài truyền thanh – truyền hình TX. Quảng Yên, tỉnh Quảng Ninh cao 45 m đã bị gió lớn làm đổ, gãy vào tháng 10/2012, nhƣ ở Hình 1.24 [12].
Hình 1.23. Đổ tháp truyền hình Nam Định và Đồng Hới – Quảng Bình
Hình 1.24. Đổ tháp truyền hình Uông Bí và Quảng Yên – Quảng Ninh
Giàn mái nhà thi đấu Tp. Đà Nẵng có nhịp khoảng 100m, Hình 1.25, với chóp trung tâm có 80 mặt bích để liên kết 40 khung kéo dài xung quanh chóp. Trong quá trình thi công vị trí tâm chóp đã bị lệch đi 248mm về phía trƣớc và nhà thầu đã có biện
pháp di dời chóp về vị trí cũ bằng kích thủy lực. Đồng thời, nhà thầu cũng đã phải có biện pháp gia cƣờng chóp trung tâm, để khi thi công đƣa tâm chóp về vị trí nhằm làm triệt tiêu mô men xoay chóp có thể phát sinh khi lực ở các cặp kích không đều nhau, khi gia cƣờng có sử dụng hệ thống neo hàn với dầm I500 của sàn thao tác trƣớc khi tiến hành di dời [8].
Hình 1.25. Gia cƣờng giàn mái nhà thi đấu Tp. Đà Nẵng
1.3. Kinh nghiệm gia cƣờng kết cấu giàn thép
1.3.1. Gia cƣờng giàn để chịu thêm tải trọng a) Trƣờng hợp 1: Kết cấu giàn mái [7, tr 87] a) Trƣờng hợp 1: Kết cấu giàn mái [7, tr 87]
Một phân xƣởng sản xuất gồm 10 bƣớc gian 6m (tổng chiều dài là 60m), có hai nhịp, nhịp L1 = 18,0m và L2 = 24,0m, các giàn mái phải gia cƣờng vì khi xây dựng gần xong thì thay đổi cấu tạo lớp mái, làm kết cấu giàn phải chịu thêm tải trọng.
Các thanh xiên chịu nén của giàn nhịp L =18,0m đƣợc gia cƣờng bằng cách hàn thêm các thanh bụng phụ nhằm làm giảm độ mảnh của thanh bụng xiên; ngoài ra để làm giảm ứng suất trong các thanh xiên bị quá tải ngƣời ta đặt thêm vào giàn mái những thanh xiên khác theo hƣớng ngƣợc lại với hƣớng của thanh xiên cũ trong giàn, nhƣ ở Hình 1.26.
Lúc kiểm tra lại chi tiết liên kết trong kết cấu giàn thì thấy các đƣờng hàn ở các nút giàn không đủ để chịu tải trọng, một vài đƣờng hàn chỉ dài có 40mm và cao 3mm, trong khi kết cấu đã chịu tải trọng mái. Ngƣời ta coi giàn mái này nhƣ đang ở tình trạng nguy hiểm, và chỉ có thể tiến hành gia cƣờng sau khi đã dỡ tải đi một phần nào.
Gia cƣờng đƣờng hàn bằng cách đắp lớp mới thêm chiều cao đƣờng hàn mà không dỡ tải một phần nào trƣớc thì không thể đƣợc vì rằng ứng suất trong một vài đƣờng hàn (trƣớc khi gia cƣờng) đã có ứng suất lớn quá khả năng chịu cắt tính toán.
24000 18000 a)
24000 18000 b)
Hình 1.26. Gia cƣờng các thanh chịu nén của giàn có nhịp 18m
(a – giàn trước khi gia cường; b - giàn sau khi gia cường)
Để có thể tiến hành gia cƣờng đƣợc ngƣời ta phải đặt một cột đỡ tại nút thuộc dƣới chính giữa của giàn và đỡ tải cho giàn bằng cách kích giàn lên với một lực (200250)kN. Kích giàn lên ở một điểm có thể gây ra những ứng lực ngƣợc dấu trong toàn bộ các thanh của giàn trừ các thanh giao nhau ở khâu mắt chống kích; với cách thức này ngƣời ta có thể đỡ tải cho giàn và điều chỉnh lại ứng suất trong các thanh trƣớc khi gia cƣờng chúng. Nhƣng cuối cùng biện pháp kích giàn ở tại một nút thuộc cánh dƣới phải đƣợc thay thế bằng biện pháp đặt nhiều cột đỡ ở các nút thuộc cánh dƣới và đỡ một phần tải cho giàn bằng cách kích đội giàn ở từng nút một, sau đó tiến hành gia cƣờng.
Sau khi dỡ tải theo biện pháp nêu trên thì nội lực trong các thanh của giàn và trong các đƣờng hàn liên kết ở mức độ để cho phép tiến hành gia cƣờng.
Tính toán giàn theo hai giai đoạn: (1) Trƣớc khi đƣa các thanh xiên mới vào, tính toán theo sơ đồ thiết kế cũ với tải trọng có sẵn trên mái và các lực kích đội; (2) Khi đƣa thêm các thanh xiên mới vào, tính toán theo sơ đồ thiết kế mới với sự tác dụng của các ứng lực do các lực kích đội và do trọng lƣợng mái lên giàn sau khi đã gia cƣờng (ở đây sử dụng cách gia cƣờng có điều chỉnh ứng suất).
b) Trƣờng hợp 2: Kết cấu giàn băng tải [7, tr 90]
Một kết cấu giàn hành lang tải dốc hai nhịp của một xí nghiệp đƣợc gia cƣờng bằng dây cáp căng trƣớc, đƣờng kính cáp là 50mm, kết hợp các thanh chống đứng và
xiên, nhƣ ở Hình 1.27. Khi thi công, dùng hai kích để điều chỉnh ứng suất trong kết cấu; các kích này tạo ra trong dây cáp ứng lực là 800kN, và kéo căng cáp đồng thời một lúc ở cả hai giàn thép chính.
Ƣu điểm của biện pháp gia cƣờng này là kết cấu hành lang chỉ phải thay đổi chút ít, vật liệu tốn rất ít, mà hiệu quả là làm kết cấu chịu đƣợc tải trọng lớn hơn 25%.
62360 54344 1320 205 +38,3 +20,175 2 1 2 1 59964 52807 +4,410
Hình 1.27. Gia cƣờng cầu hành lang dốc bằng căng dây cáp ứng suất trƣớc
(1 – cáp ứng suất trước; 2 – thanh chống và thanh xiên gia cường)
1.3.2. Gia cƣờng giàn để tăng công suất
Phân xƣởng lò Mác- tanh đƣợc xây dựng năm 1940-1960, kết cấu phải gia cƣờng vì cần tăng công suất lò lên gấp đôi khi phải tăng tải trọng cầu trục; ngoài ra trƣớc đây đã một lần thay thế các tấm mái bằng lớp bê tông đổ toàn khối nên mái có nặng hơn, và móng nhà lại lún không đều [7 , tr 88].
a ) b )
Hình 1.28. Thay đổi sơ đồ kết cấu bằng giàn cửa trời cùng làm việc với khung Ngƣời ta áp dụng biện pháp gia cƣờng có điều chính ứng suất bằng cách thay Ngƣời ta áp dụng biện pháp gia cƣờng có điều chính ứng suất bằng cách thay giàn cửa trời mới (nhƣ ở Hình 1.28) và bắt nó làm việc kết hợp với khung nhà chính, nhƣ vậy là đã thay đổi sơ đồ cấu tạo của kết cấu. Làm giàn cửa trời mới chịu lực kết hợp với khung nhà chính bằng cách dùng kích thủy lực kéo căng trƣớc một trong những thanh xiên với sức kéo 400kN. Khi đó ở chỗ nối của thanh xiên có đặt sẵn các bản nối.
Biện pháp thay thế cửa trời khắc phục đƣợc hiện tƣợng quá tải trong các dầm trung gian của lò và gian đúc và cả trong các giàn đỡ kèo nữa; ngoài ra cửa trời mới còn làm cho nhà thông thoáng hơn.
Giảm tải cho các dầm trung gian bằng thang xiên của giàn cửa trời để kéo chúng về phía các giàn, thực hiện mọi chi tiết liên kết tại nút sau khi đã kéo căng trƣớc các thanh xiên của cửa trời.
Độ cứng ngang của công trình khi chịu tải trọng mới của cầu trục còn đƣợc đảm bảo bằng các hệ giằng đứng đặt ở vị trí trung gian các cột của sàn công tác (Hình 1.28b), tức bằng cách thay đổi sơ đồ tính toán của kết cấu ngang phân xƣởng. Trong trƣờng hợp này biện pháp gia cƣờng cục bộ các cột và các nút liên kết khung nhà không làm tăng đủ độ cứng cần thiết.
Ngoài ra các chi tiết kết cấu khác nhƣ dầm ngang của phân xƣởng cũng đƣợc gia cƣờng thêm bằng cách tăng tiết diện các thanh, bổ sung sƣờn v.v…
1.3.3. Gia cƣờng giàn mắc sai phạm trong chế tạo, gia công lắp ghép a) Trƣờng hợp 1: Sai phạm trong chế tạo [1, tr 57] a) Trƣờng hợp 1: Sai phạm trong chế tạo [1, tr 57]
Mái của phân xƣởng thuộc nhà máy thép dùng kết cầu giàn thép hình thang, khi kiểm tra phát hiện đầu thanh thép góc 2L160x4 của thanh cánh dƣới trong giàn nhịp 40m xuất hiện vết nứt ở cánh thép góc với mức độ khác nhau, nhƣ ở Hình 1.29, đa số kích thƣớc của vết nứt độ có sâu từ (25)mm với chiều rộng (0,510)m, và thanh cánh dƣới cũng có hiện tƣợng uốn cong.
Qua kiểm tra và phân tích, hiện tƣợng uốn cong thanh cánh dƣới của giàn hình thang đƣợc hình thành trong quá trình chế tạo, còn vết nứt ở cánh thép góc thanh cánh dƣới do khuyết tật ban đầu trong quá trình sản xuất vật liệu thép, thấy rằng việc tháo dỡ giàn là không khả thi nên đã quyết định dùng giải pháp gia cƣờng.
Thấy rằng vết nứt ở cánh thép góc tuy không phát triển thêm, nhƣng do lâu ngày cũng sẽ bị ăn mòn làm suy giảm diện tích tiết diện thanh, vì thế ngoài việc bít các vết nứt phân tầng dọc theo chiều dài của thanh cánh dƣới (ở hai phía của thanh thép góc ghép) cần hàn tăng cƣờng thêm một thanh thép góc L90x56x6, nhƣ ở Hình 1.29b. Nếu thanh thép góc cánh dƣới ở tại nút đầu không bị nứt, thép góc bổ sung chi gia cƣờng tới phía ngoài cùng giữa nút thứ hai, nhƣ ở Hình 1.29c, còn nếu thanh cánh dƣới tại nút ở đầu bị nứt thì cần gia cƣờng toàn bộ chiều dài thanh. Tại nút A ghép nối của thanh cánh dƣới, nhƣ ở Hình 1.29c, để thép góc gia cƣờng có thể tỳ sát toàn bộ vào
thép góc ghép nối, thép góc cánh dƣới, ở vị trí này cần cắt khuyết một đoạn sâu 1,4cm của thanh thép góc gia cƣờng để tránh cắt qua bản ghép, nhƣ ở Hình 1.29d. Sau khi hàn đầy giữa thép góc gia cƣờng với thép góc ghép nối, ở mặt dƣới thanh cánh dƣới cần hàn thêm một đoạn thép góc L63x6, nhƣ ở Hình 1.29e. Các bƣớc tiến hành gia cƣờng là: đầu tiên dùng thép góc gia cƣờng thanh cánh dƣới, sau đó mài vết nứt thép góc thanh cánh dƣới, sau khi làm sạch rồi hàn kín bằng hàn điện.
a) b) crack L160x14 L90x56x6 e) L90x56x6 L63x6 L 1 2 14 4 d) c) 1 3 A
Hình 1.29. Gia cƣờng thanh cánh dƣới
(1 – thép góc gia cường; 2 – thép góc bổ sung; 3 – thép góc bổ sung; 4 – rãnh khoét)
b) Trƣờng hợp 2: Sai phạm trong gia công, lắp ghép [7, tr 90]
Một phân xƣởng hai nhịp, mỗi nhịp có L = 24m, tổng chiều dài nhà B = 132m; theo thiết kế thì các hệ giằng dọc ở thanh cánh dƣới của giàn mái chỉ đƣợc bố trí dọc các hàng cột ngoài cùng theo chu vi của phân xƣởng. Bƣớc cột ở các hàng cột ngoài cùng là 6m, ở hàng cột giữa là 12m, cầu trục có sức trục 100/20T.
Trong khi lắp ghép kết cấu giàn, do không đặt kịp thời các hệ giằng đứng ở hàng cột nên khung nhà bị chuyển dịch theo hƣớng gió và không sao chỉnh dịch lại đƣợc nữa. Đầu các cột lệch khỏi vị trí thiết kế đến 40mm, các dầm cầu trục cũng bị xê dịch. Với các cột ở trạng thái lệch đó sẽ không cho phép sử dụng cầu trục.
Để khắc phục, bằng cách gia cƣờng kết cấu theo phƣơng pháp thay đổi sơ đồ cấu tạo, bằng cách để các khung lân cận nhau cùng làm việc chung; dọc hàng cột giữa đặt một hệ giằng dọc theo thanh cánh dƣới của các giàn mái, các giằng dọc có sẵn ở hai hàng cột ngoài cũng đƣợc gia cƣờng thêm bằng các thanh chống xiên.
Hệ thống các giằng mái nói trên kết hợp cùng với các giàn hãm đảm bảo để các khung lân cận nhau cùng làm việc chung và cho phép sử dụng công trình bình thƣờng.
c) Trƣờng hợp 3: Sai phạm trong gia công, lắp ghép [7, tr 92]