CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CÓ KHE NỐI
4.4. ẢNH HƯỞNG SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI GIỮA CÁC TẤM TRONG BÀI TOÁN ỨNG SUẤT NHIỆT
4.4.2. Khi xét tấm có thanh truyền lực
Kích thước tấm, thông số chia lưới và các dạng mô hình vật liệu, tải trọng giống như bài toán ở mục 4.4.1. Khoảng cách giữa các dowel bằng 300mm.
Kết quả ứng suất kéo lớn nhất trong tấm bằng 1.739MPa.
Hình 4-24. Tấm có sử dụng thanh truyền lực võng chênh lệch nhiệt độ
Nhận xét: Khi bài xét có xét đến sự làm việc đồng thời giữa các tấm thì sai số giữa trường hợp tấm đơn và tấm có thanh truyền lực khoảng 0.9%. Do đó đối với bài toán nhiệt độ chỉ cần khảo sát tấm đơn chịu sự chênh lệch nhiệt độ là đủ độ chính xác cần thiết.
Qua các dạng bài toán khảo sát đã trình bày ở chương này, một số nhận xét sau đây được rút ra:
Khi tải trọng tác dụng càng gần khe nối thì hiệu quả truyền tải trọng sang tấm kế tiếp càng lớn và gần 100%. Sự tăng hiệu quả truyền tải (LTE) cho thấy khả năng truyền tải trọng của thanh truyền lực tại vị trí khe nối trong kết cấu áo đường BTXM.
Khoảng cách giữa các thanh truyền lực lớn hơn 300 thì vẫn chịu được theo điều kiện ứng suất ép mặt. Tuy nhiên, hiệu quả truyền lực từ tấm này qua tấm kia sẽ giảm xuống.
Lực cắt trong thanh truyền lực phân bố trong khoảng 200mm, do đó chiều dài thanh truyền lực khoảng 400 là đảm bảo điều kiện chịu lực.
Khi kích thước cạnh dài tăng lên thì ứng suất nhiệt càng tăng khi tấm chịu chênh lệch nhiệt độ.
Khi lựa chọn kích thước tấm bê tông xi măng ở những vùng có chênh lệch nhiệt độ lớn (0.92H) thì chiều dài tấm không nên chọn lớn hơn 4.50m vì khi chọn tấm có chiều dài càng lớn thì phải tăng chiều dày tấm hoặc phải bố trí lưới thép góc cạnh hoặc liên tục toàn bộ tấm để chịu kéo do ứng suất nhiệt.
Khi kích thước tấm vuông (3.5x3.5m) thì ứng suất do nhiệt độ giảm đi đáng kễ và trường hợp này sẽ giảm được bề dày tấm (từ 30cm xuống còn 25cm).
Tuy nhiên khi chọn kích thước tấm vuông thì sẽ làm tăng số lượng khe nối, tăng thời gian thi công và mặt đường không êm thuận so với trường hợp tấm có kích thước dài (4.5m) hoặc mặt đường bê tông cốt thép liên tục.
Hệ số nền tỉ lệ nghịch với ứng suất trong tấm, tức là khi áo đường đặt trên nền càng cứng thì ứng suất trong tấm dưới tác dụng tải trọng xe càng nhỏ.
Khi tăng hệ số nền từ 0.2413 lên đến 0.05MPa/mm (tương ứng nền đường sử dụng vật liệu gia cố xi măng) thì ứng suất trong tấm giảm được 9.54%.
Ngược lại khi giảm hệ số nền từ 0.0241 đến 0.01MPa/mm (tương ứng với tấm BTXM đặt trực tiếp trên nền đất tốt) thì ta thấy ứng suất trong tâm tăng lên 8.3%.
Khi bài xét có xét đến sự làm việc đồng thời giữa các tấm thì sai số giữa trường hợp tấm đơn và tấm có thanh truyền lực khoảng 0.9%. Do đó đối với
bài toán nhiệt độ chỉ cần khảo sát tấm đơn chịu sử chênh lệch nhiệt độ là đủ độ chính xác cần thiết.
Khi chiều dày tấm bê tông tăng, chênh lệch nhiệt độ cũng tăng từ 20.24, 23, 27,6 và 29.44 độ tuy nhiên ứng suất trong tấm lại không tăng theo nhiệt độ mà ứng suất giảm theo chiều dày tấm. Cụ thể khi tấm chiều dày 25cm thì ứng suất trong tấm là 1.723MPa, còn khi tấm dày 20cm, ứng suất trong tấm là 1.929MPa.
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
A. KẾT LUẬN
Qua việc phân tích đặc điểm chịu lực của thanh truyền lực trong khe nối mặt đường bê tông xi măng dưới tác dụng của tải trọng xe và chênh lệch nhiệt độ bằng phương pháp phần tử hữu hạn, các kết luận sau được rút ra:
Khi sử dụng thanh truyền lực, tải trọng tác dụng càng gần khe nối thì hiệu quả truyền tải trọng sang tấm kế tiếp càng lớn và gần 100%, cho thấy hiệu quả và vai trò của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng sẽ làm cho mặt đường có độ êm thuận hơn.
Khi khoảng cách giữa các thanh truyền lực lớn hơn 300(mm), hiệu quả truyền tải trọng từ tấm này qua tấm kia sẽ giảm xuống và lực cắt trong thanh truyền lực phân bố trong khoảng 200(mm), do đó chiều dài thanh truyền lực khoảng 400(mm) là đảm bảo điều kiện chịu lực.
Ở những vùng có biên độ chênh lệch nhiệt độ lớn thì chiều dài tấm không nên chọn lớn hơn 4.50(m) vì khi chọn tấm có chiều dài càng lớn thì phải tăng chiều dày tấm hoặc phải bố trí lưới thép gia cường góc cạnh hoặc liên tục toàn bộ tấm để chịu kéo do ứng suất nhiệt. Còn nếu chọn chiều dài tấm nhỏ (tấm vuông) sẽ làm tăng số lượng khe nối, tăng thời gian thi công và mặt đường không êm thuận so với trường hợp tấm có kích thước dài (4.5m) hoặc mặt đường bê tông cốt thép liên tục.
Chọn lớp nền bên dưới tấm sao cho tiết kiệm vì lớp nền bên dưới ảnh hưởng ít đến ứng suất trong tấm. Cụ thể khi tăng hệ số nền từ 0.02413 lên đến 0.05MPa/mm thì ứng suất trong tấm giảm được 9.54% và ngược lại khi giảm hệ số nền từ 0.0241 đến 0.01MPa/mm thì ứng suất tăng lên 8.3%.
Khi giải bài toán bằng phương pháp phần tữ hữu hạn, quy đổi nền nhiều lớp về mô đun biến dạng chung tương đương trên lớp móng cho kết quả tính toán tin cậy. Do đó sẽ giảm được nhiều thời gian tính toán, mô phỏng, giảm được độ phức tạp khi phân tích tiếp xúc giữa tấm, lớp nền và giữa lớp nền và nền đất.
B. KIẾN NGHỊ
Khi thiết kế áo đường cứng nên bố trí thanh truyền lực để làm tăng hiệu quả truyền tải trọng giữa các tấm và khi tính toán, bố trí thì khoảng cách giữa các thanh truyền lực không nên vượt quá 300(mm).
Chiều dài tấm bê tông xi măng không nên chọn vượt quá 4.5(m) khi không sử dụng cốt thép gia cường.
Lớp nền và móng bên dưới áo đường cứng ảnh hưởng ít đến ứng suất trong tấm bê tông. Do đó khi lựa chọn cấu tạo lớp móng cần chọn sao cho tiết kiệm vật liệu.
C. HẠN CHẾ ĐỀ TÀI
Đề tài tính toán đối với mặt đường BTXM thông thường có khe nối, chưa xét đến việc sử dụng cốt thép gia cường trong tấm.
Trong bài toán tính toán mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục xe, tác giả chỉ xét trường hợp tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh chứ chưa xét đến hiện tượng mỏi do tải trọng di động và từ biến của bê tông.
Do đề tài đi vào nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực nên chưa xét đến ảnh hưởng của sự ma sát giữa tấm BT và nền, cũng như các hư hỏng tại góc tấm BTXM.
Hướng phát triển của đề tài
Tải trọng tác dụng trong mặt đường BTXM là tải trọng động và tác dụng lặp đi lặp lại. Do đó cần xem xét ứng xử của mặt đường dưới tải trọng di động.
Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt tấm BTXM là phi tuyến. Do đó cần xem xét một cách đầy đủ hơn ứng xử của mặt đường BTXM dưới tác dụng nhiệt độ thay đổi không đều này.
Mặt đường BTXM đưa vào sử dụng một thời gian thì liên kết giữa tấm BT và thanh truyền lực không còn như ban đầu. Do đó cần xem xét sự "lỏng lẻo" của thanh truyền lực ảnh hưởng đến khả năng truyền tải trọng.
Mô hình nền tính toán là mô hình nền Winkler, có thể thực hiện nghiên cứu đối với các mô hình nền khác như mô hình bán không gian đàn hồi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bộ Giao thông Vận tải, Tiêu chuẩn thiết kế Áo đường cứng đường ô tô- 22 TCN 223-95. NXB giao thông vận tải, 1995.
[2] Bộ Giao thông Vận tải, Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường Bê tông xi măng thông thường có sử dụng mối nối trong xây dựng công trình giao thông - Quyết định 3230/QĐ-BGTVT. NXB giao thông vận tải, 2012.
[3] Z. Q. Siddique, M. Hossain, and D. Meggers, "Temperature and Curling measurements on Concrete pavement," in Proceedings of the 2005 Mid- Continent Transportation Research Symposium, Ames, Iowa, 2005.
[4] N. D. Beskou and D. D. Theodorakopoulos, "Dynamic effects of moving loads on road pavements," Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 31, p.
547–567, 2011.
[5] S. R. Maitraa, K. S. R. Ramachandra, and a. L. S., "Estimation of Critical Stress in Jointed Concrete Pavement," Procedia - Social and Behavioral Sciences, vol.
104, p. 208–217, 2013.
[6] M. I. K. M. A. Qadeer and A. B. Harwalkar, "Mechanistic Analysis of Rigid Pavement for Temperature Stresses Using Ansys," IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE), vol. 11, no. 2, pp. 90-107, Mar. 2014.
[7] D. F. A. a. G. P. Merkley, "Mathematical Model of Temperature Changes in Concrete Pavements," Journal of Transportation Engineering, vol. 116, no. 3, p. 349–358, May 1990.
[8] P. T. Trí, "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hóa học và phụ gia khoáng để tăng cường độ tuổi sớm và tính dễ thi công của bê tông xi măng dùng cho áo đường cứng," Đại học Bách Khoa Tp. HCM Luận văn Thạc sĩ, 2015.
[9] V. T. Thọ, "Nghiên cứu đề xuất các yêu cầu về chất lượng mặt đường bê tông xi măng cho mặt đường cao tốc tại các tỉnh phía Nam," Đại học Bách Khoa Tp.
HCM Luận văn Thạc sĩ, 2013.
[10] Y. H. Huang, Pavement Analysis and Design, 2nd ed. New Jersey, United
States of Americ a: Pearson Prentice Hall, 2004.
[11] Oriental Consultants Co. LTD, "Báo cáo thiết kế mặt đường cứng - phương án chống trồi tại nút giao Lương Định Của," 11/2013.
[12] BK engineering and construction company, "Case study of construction runway concrete slab - DaNang international airport VietNam".
[13] Bộ Giao thông Vận tải, Thông tư 12/2013/TT-BGTVT - Quy định về sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng . 2013.
[14] The American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO - Guide for design of pavement structure. Washington, D.C, USA, 1993.
[15] E. J. Yoder and M. W. Witczak, Principles of Pavement Design, 2nd ed. USA:
A Wiley Interscience Publication, 1975.
[16] Hibbit, K. &. Sorenson, and Inc., Abaqus - Getting Started with Abaqus - Version 6.10, Interactive Edition ed. 2005.
[17] Hibbit, K. &. Sorenson, and Inc., Abaqus - Theory and User’s Manual - Version 6.10. Pawttucket, Rhode Island, 2005.
[18] Bộ Giao thông Vận tải, Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06.
NXB Giao thông Vận tải, 2006.
[19] B. Davids, EverFE Theory Manual. 2003.
[20] Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 5574:2012, Kết cấu bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế. NXB Xây Dựng, 2012.
[21] J. E. Akin, Finite Element for Analysis and Design. Academic Press, 1994.
[22] B. Gebhart, Heat Condition and Mass Diffusion. McGraw-Hill, 1993.
[23] H. B. SII, G. W. Chai, R. v. Staden, and H. Guan, "Three-Dimensional Finite Element Analysis of Doweled Joints in Concrete Pavements," Advanced Materials Research, vol. 723, pp. 245-257, 2013.
[24] N. H. Q. Hùng, "Nghiên cứu mô phỏng sự phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết," Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh Luận văn Thạc
sỹ, 2013.
[25] P. H. Chương, "Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền bê tông xi măng dùng cho mặt đường cao tốc trong môi trường khí hậu miền nam Việt Nam,"
Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh Luận văn Thạc sỹ, 2012.
[26] Z. W. William G. Davids, G. Turkiyyah, J. P. Mahoney, and a. D. Bush,
"Three-Dimensional Finite Element Analysis of Jointed Plain Concrete Pavement with EverFE2.2," Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, vol. 1853, no. 1, pp. 03-2223, 2003.
[27] L. A. T. V. Đ. C. Nguyễn Hữu Trí, "Nghiên cứu ứng dụng mặt đường BTXM ở việt Nam trong điều kiện hiện nay," Tạp chí Cầu đường Việt Nam, p. 33, Mar.
2009.
I. TÓM TẮT
Họ và tên : Phan Ngọc Tường Vy
Phái : Nữ
Sinh ngày : 02/09/1988 Nơi sinh : Bình Thuận
Nhà riêng : 80A/43 Khóm 4, Phường 3, TP. Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long Điện thoại : 0989 218 401
Cơ quan : Trường Đại học Xây dựng Miền Tây Email : tuongvyphng@gmail.com
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Năm 2006 – 2011: Sinh viên trường Đại học Giao thông vận tải - Cơ sở II Tốt nghiệp đại học: Năm 2011
Hệ: Chính quy
Chuyên ngành: Xây dựng Đường bộ
Năm 2012: thi trúng tuyển cao học vào trường đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, phương thức đào tạo theo chương trình giảng dạy
Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
Chuyên Nghành: Xây Dựng Đường Ô tô và Đường Thành Phố Mã số học viên: 12010343
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
Từ tháng 06/2011 đến tháng 07/2014: công tác tại Công ty Cổ phần Công trình giao thông 68.
Từ tháng 07/2014 đến nay: công tác tại Khoa Xây dựng – Trường Đại học Xây dựng Miền Tây.
Xác nhận của cơ quan hoặc địa phương (Thủ trưởng ký tên và đóng dấu)
Tp. Vĩnh Long, ngày 28 tháng 12 năm 2015 Người khai
Phan Ngọc Tường Vy
1
PLAIN CONCRETE PAVEMENT
TS. Nguyễn Mạnh Tuấn, KS. Phan Ngọc Tường Vy Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Tóm tắt
Ngày nay mặt đường bê tông xi măng được sử dụng rộng rãi trong công trình giao thông như đường cao tốc, đường có tải trọng nặng, sân bay… do đó đòi hỏi việc tính toán áo đường cứng được mở rộng với nhiều thông số ảnh hưởng thay vì đơn giản theo các tiêu chuẩn hiện hành đang sử dụng ở Việt Nam. Bài báo trình bày phương pháp tính toán kết cấu áo đường cứng sử dụng phần mềm everFE 2.25 có sự so sánh kết quả tính giải tích được trình bày bởi tác giả Huang. Kết quả bài báo cho thấy khả năng ứng dụng phần mềm everFE 2.25 trong việc tính toán, thiết kế kết cấu áo đường cứng, đặc biệt với mặt đường BTXM thông thường có khe nối trong điều kiện Việt Nam.
Từ khóa: EverFE, mặt đường bê tông xi măng, thanh truyền lực tại khe nối, truyền tải trọng.
Abstract
Nowadays, concrete pavement are widely used in civil engineering such as highways, heavy loading road, airport pavement ... so that the calculation of concrete pavement is considered with many affected parameters instead of simple calculation based on current Vietnam design specification. This paper shows the calculation method for concrete pavement using everFE version 2.25 program in comparing to theory presented by Huang. The result of paper shows that the able applications of everFE v2.25 program in computing, designing the system of concrete pavement, especially for jointed plain concrete pavement in Vietnam condition.
Keywords: everFE, concrete pavement, doweled joint, load transfer.
1. Giới thiệu chung
Hiện nay, với sự phát triển của lưu lượng giao thông, tải trọng xe chạy …, mặt đường bê tông xi măng (BTXM) ngày càng được sử dụng phổ biến với những ưu điểm hơn so với mặt đường bê tông nhựa thông thường như: độ bền cao, có khả năng chịu được lưu lượng xe lớn, tải trọng nặng, ổn định với môi trường chịu ảnh hưởng thời tiết ẩm ướt. Từ đó, đặt ra các yêu cầu về tính toán, thiết kế, thi công, nghiệm thu kết cấu áo đường cứng. Để tính toán áo đường cứng, có thể sử dụng “Tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng đường ô tô” - 22TCN 223-95 [1] và
“Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông” ban hành theo quyết định số 3230/QĐ-BGTVT ngày 14/12/2012 [2]. Theo quyết định và tiêu chuẩn trên, thanh truyền lực trong khe nối không được tính toán mà chỉ bố trí cấu tạo dựa trên các tài liệu của các nhà khoa học người Nga. Do đó, việc tìm
2
Winkler đã được Huang [3] trình bày.
Ngoài ra, việc tính toán kết cấu áo đường cứng tại Việt Nam hiện nay chủ yếu được thực hiện thủ công với sự trợ giúp của phần mềm tính toán excel chứ chưa có phần mềm tính toán chuyên dụng.Trên thế giới hiện nay sử dụng một số phần mềm tính toán áo đường cứng như:
Kenpave, Illi-slab, ứng dụng mở rộng thiết kế áo đường cứng trên cơ sở hướng dẫn thiết kế AASHTO, hay các sử dụng các công cụ lập trình … Trong phạm vi bài báo, tác giả tập trung trình bày phương pháp tính toán mặt đường BTXM thông thường có khe nối bằng phần mềm everFE 2.25.
2. Giới thiệu phần mềm everFE 2.25
EverFE (phiên bản 2.25) là một công cụ phân tích phần tử hữu hạn 3D sử dụng để mô phỏng sự làm việc của kết cấu mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối (JPCP) dưới tác dụng của tải trọng (trục xe) và tác động môi trường (nhiệt độ). EverFE hữu ích trong cả việc nghiên cứu cũng như thiết kế mặt đường bê tông xi măng, sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính hay phi tuyến để phân tích JPCP.
Đại học Maine và Washington cùng nhau hợp tác phát triển phần mềm EverFE với sự tài trợ của Cục Giao thông Vận tải bang Washington và California. EverFE có thể dễ dàng cài đặt trên bất kỳ máy tính sử dụng hệ điều hành Windows [4].
Một số tính năng quan trọng của EverFE bao gồm:
Khả năng mô hình 1, 2 hoặc 3 tấm và vai đường theo phương dọc và phương ngang (có thể lên đến 9 tấm). Thanh nối ngang (tie bar) giữa các tấm – vai đường liền kề có thể được mô hình hóa một cách rõ ràng.
Có thể mô hình lên đến ba lớp móng đàn hồi sử dụng vật liệu có gia cố hoặc không. Sự truyền lực cắt giữa tấm – móng có thể được mô phỏng lại thông qua mô hình đàn dẻo phân phối độ cứng theo phương ngang giữa các tấm và móng. Lớp dưới cùng (nền) được mô tả bằng hệ số phản lực đất nền (k).
Tuyến tính hoặc phi tuyến tổng hợp chuyển liên động cắt có thể được mô phỏng ở các khớp ngang.
Mở rộng khả năng mô hình hóa các thanh truyền lực tại các khe nối ngang, sự tương tác giữa thanh truyền lực và tấm bê tông có thể được phản ánh lại, trong các trường hợp thanh truyền lực có thể lỏng lẻo hay các lò xo được chèn giữa thanh truyền lực và tấm bê tông. Sự dịch chuyển lệch vị trí hay lệch hướng của thanh truyền lực cũng được mô phỏng lại.
Có thể phản ánh được một, hai hay ba sự thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều dày tấm bê tông.
Mở rộng khả năng giải quyết bài toán, có thể lấy được các giá trị ứng suất, chuyển vị tại từng điểm ứng với tọa độ thay đổi, cũng như giá trị nội lực của từng thanh truyền lực riêng biệt.