CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ
4.2.3 Tải trọng và cường độ
Vấn đề cốt lừi trong cụng tỏc thiết kế là thiết kế cỏc cụng trỡnh bảo vệ cú khả năng chịu được tỏc động của dũng chảy, sự thay đổi mực nước hoặc tỏc động của súng. Đối với những cụng trỡnh cú sử dụng cỏc cấu kiện tương đối nhỏ (đỏ hộc, đỏ khối, cấu kiện bờ tụng...), khỏi niệm về cường độ tương đối khụng rừ ràng. Hỡnh 4-13 đưa ra sự so sỏnh với kết cấu thộp nhằm làm sỏng tỏđiều này.
Hỡnh 4-13 Quan hệ giữa tải trọng và độ bền của kết cấu thộp (vật liệu đàn dẻo) và cụng trỡnh sử dụng vật liệu rời (đỏ)
Khi kết cấu thộp chịu tải, ban đầu biến dạng của kế cấu nằm trong giai đoạn đàn hồi, tuõn theo định luật Hooke. Đến một thời điểm nào đú, khi tải trọng tăng đủ lớn, mặc dự giữ nguyờn tải trọng nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng, khi đú kết cấu làm việc trong giai đoạn biến dạng dẻo. Sau đú tiếp tục tăng tải, biến dạng cũng tăng theo cho cho đến khi thanh thộp
H− hỏng kè bảo vệ bờ Mất ổn định tổng thể Xói mái dốc Mất ổn định cục bộ Mất ổn định CT bảo vệ Sóng tràn đỉnh Va chạm tàu thuyền
Xói chân công trình
Lún toàn bộ công trình
bịđứt góy. Cường độ tiờu chuẩn của thộp được lấy dựa vào giới hạn đàn hồi thụng qua thớ nghiệm thực hiện cho nhiều mẫu thộp. Sự thay đổi trong khẳ năng ứng xử của vật liệu đúng vai trũ trong việc xỏc định cường độ tiờu chuẩn của vật liệu.
Đối với kết cấu sử dụng vật liệu rời, những giới hạn trờn khụng được rừ ràng. Khi tải trọng nhỏ so với cường độ chịu lực, cụng trỡnh vẫn làm việc bỡnh thường. Nhưng khi tải trọng tăng đến một giỏ trị nào đú, một số cấu kiện bắt đầu dịch chuyển và ổn định tạm thời sau một khoảng thời gian nào đú. Tiếp tục tăng tải dẫn đến dịch chuyển ngày càng nhiều hơn, cuối cựng vật liệu bị di chuyển xa khỏi vị trớ ban đầu, gõy mất ổn định tuyệt đối, dẫn tới cụng trỡnh bị xúi lở. Thụng thường một vài hư hỏng như sự dịch chuyển vị trớ của một số hũn đỏ trờn mỏi dốc khụng phải là vấn đề lớn và cũn tựy thuộc vào chếđộ duy tu bảo dưỡng. Danh giới giữa mức độ xúi cho phộp và xúi quỏ giới hạn thường khụng rừ ràng và khú xỏc định. Sự dịch chuyển tới hạn cho phộp cũng cần phải được xỏc định.
Sự khỏc nhau nữa giữa thộp và đỏ là: đối với thộp, cả tải trọng và cường độ chịu lực đều được thể hiện với cựng đơn vị lực: Newton. Đối với cụng trỡnh bảo vệ bờ biển, trọng lượng viờn đỏ cú thể biểu diễn theo đơn vị N và xỏc định cường độ chịu lực như tớnh trọng lượng viờn đỏ đú (khối lượngìg = N), nhưng thường cỏch này rất ớt dựng trong thực tế. Thụng thường tải trọng tỏc dụng được biểu thị theo chiều cao súng hoặc vận tốc dũng chảy cũn cường độ chịu lực được tớnh theo đường kớnh hoặc chiều dày viờn đỏ D. Tỷ trọng tương đối của vật liệu (Δ=ρm-ρw/ρw) cũng là yếu tố xỏc định cường độ. Do đú người ta thường sử dụng cỏc đại lượng khụng thứ nguyờn nhưH/ΔD hoặc u2/ΔgDđể biểu thị cường độ.
Trong kỹ thuật cụng trỡnh thủy, việc sử dụng cỏc đại lượng này rất dễ gõy nhầm lẫn bởi vỡ chỳng được sử dụng là tham số chuyển động và thụng sốổn định. Sự khỏc nhau được thể hiện rừ khi coi tham số chuyển động như một biến độc lập trong phương trỡnh chuyển động và coi đại lượng ổn định như một biến phụ thuộc trong phương trỡnh ổn định:
Hư hỏng do di chuyển = f (tham số chuyển động, đặc trưng hỡnh học, vv.)
ổn định (cỏc thụng số)= f (độ hư hỏng cho phộp, đặc trưng hỡnh học, vv.)
Khi dựng đại lượng khụng thứ nguyờn như một tham số chuyển động, giỏ trị lớn biểu thị chuyển động mạnh (tải trọng lớn, cường độ thấp). Khi sử dụng như một thụng sốổn định, giỏ trịH/ΔD càng lớn thỡ càng ổn định (cựng một kớch thước viờn đỏ cú thể chịu được súng lớn hơn hay với cựng một con súng cú thể dựng đỏ cú kớch thước nhỏ hơn). Thụng sốổn định cú thể xem nhưgiỏ trị giới hạn của tham số chuyển động, từđú lựa chọn được tổng mức độ hư hỏng hoặc lượng di chuyển chuyển chấp nhận được.
Sự khỏc nhau cú thểđược minh họa qua sự ổn định của viờn đỏ trờn mỏi dốc thuộc vựng súng vỡ (Hỡnh 4-14) theo cụng thức Van der Meer. Trong mặt phẳng H/ΔD-hư hỏng, thỡ tỷ sốH/ΔD là thụng số chuyển động, trong mặt phẳng H/ΔD-α, tỷ số này là thụng sốổn định. Với một mỏi dốc α và kớch thước viờn đỏ cho trước (ΔD), chiều cao súng càng lớn thỡ tỷ số
H/ΔD càng lớn dẫn đến chuyển động nhiều hơn hay hư hỏng càng nhiều. Với sự hư hỏng cho phộp, một viờn đỏ (ΔD) cho trước cú thể chịu được chiều cao súng lớn hơn khi mỏi dốc thoải hơn (α nhỏ hơn). Nguyờn nhõn là do trọng lực làm giảm cường độ của viờn đỏ trờn mỏi dốc, ngoài ra cũn do súng vỡ trờn cỏc mỏi cú độ dốc khỏc nhau tạo ra cỏc lực tỏc dụng khỏc nhau. Điều này lại chứng tỏ rằng tải trọng và cường độ chịu lực của kết cấu làm bằng
vật liệu rời khụng thể xỏc định một cỏch rừ ràng nhưđối với kết cấu thộp khi cả hai đều được tớnh bằng đơn vịNewton.
Hỡnh 4-14 Dịch chuyển và ổn định
Vớ dụ 4-1:Chiều cao súng trờn một bói biển khi cú bóo là 3m và cỏt trờn bói biển đú cú kớch thước 0.2mm, ta cú tỷ số H/ΔD bằng 10000. Khi cú bóo, rất nhiều cỏt bị vận chuyển đi. Với cựng một chiều cao súng, một thựng chỡm thành đứng bằng bờ tụng (concrete cassion wall), tỷ số H/ΔD nhỏ hơn 1 và khụng cú dịch chuyển nào xảy ra. Do đú, giỏ trị thụng số chuyển
động lớn hơn biểu thị độổn định nhỏ hơn.
Vẫn bờ biển đú, lỏt đỏ trờn mỏi dốc. Tiến hành thớ nghiệm với mỏi dốc 1:2, thụng sốổn định vào khoảng 2 (hầu như khụng cú viờn đỏ nào chuyển động) và độ dốc 1:4 hệ sốổn định vào khoảng 2..5 (với cựng mức độ hư hỏng). Với chiều cao súng thiết kế là 3m, cần sử dụng đỏ cú kớch thước 0.9m đối với mỏi dốc 1:2, và 0.7m đối với mỏi dốc 1:4. Như vậy thụng sốổn
định càng lớn, kết cấu càng ổn định.
Lựa chọn tải trọng và độ bền trong thiết kế
Khi tải trọng tỏc dụng vượt quỏ cường độ chịu lực, hai cỏch sau cú thểđược xem xột: tăng cường độ chịu lực hoặc giảm tải trọng tỏc dụng (Hỡnh 4-15). Một bói biển bị xúi do tỏc dụng của súng cú thểđược bảo vệ bằng kố mỏi (trường hợp A) hoặc bằng một cụng trỡnh giảm súng nhưđập phỏ súng phớa trước bói (trường hợp B). Phương ỏn B được chọn khi cú yờu cầu bảo tồn cảnh quan tự nhiờn của bói biển.
e. Xỏc định tải trọng và cường độ dựa theo thống kờ
Tải trọng trong lĩnh vực cụng trỡnh thủy phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiờn và thường xuyờn biến đổi. Súng phụ thuộc vào giú, do vậy tải trọng này phụ thuộc nhiều vào điều kiện khớ tượng mà đặc điểm của cỏc yếu tố khớ tượng là ngẫu nhiờn. Do đú cỏc phương phỏp thiết kế theo lý thuyết ngẫu nhiờn đúng vai trũ quan trọng trong việc thiết kế cỏc cụng trỡnh bảo vệ. Trong giai đoạn nghiờn cứu khả thi, thụng thường chỉ cần tớnh với một tải trọng đại diện là đủ. Việc lựa chọn tải trọng đú cần dựa vào cơ chế phỏ hoại liờn quan (Hỡnh 4-11) và hậu quả xảy ra khi vượt quỏ tải trọng thiết kế. Vớ dụ sựổn định lớp bảo vệ ngoài cựng (lớp vỏ) của kết cấu bảo vệ lũng dẫn sau cống phụ thuộc chủ yếu vào tải trọng đặc biệt và vỡ vậy nờn tớnh toỏn trong một tỡnh huống nguy hiểm nhất, trong khi đú xúi sau cụng trỡnh bảo vệ bờ thường được tớnh với tải trọng thường xuyờn. Việc lựa chọn tần suất vượt quỏ (tần suất thiết kế) khỏc nhau cho ra cỏc giỏ trị tải trọng thiết kế khỏc nhau với cựng trường hợp tải trọng tỏc dụng. Núi chung, sự làm việc của cụng trỡnh cần được xem xột trong nhiều trường hợp khỏc nhau liờn quan đến cỏc trạng thỏi giới hạn khỏc nhau (xem thờm vớ dụ trong TAW/CUR 141, 1990). Hai trạng thỏi giới hạn thường được sử dụng rộng rói là:
Trạng thỏi giới hạn phỏ hủy cuối cựng-ULS (Ultimate Limit State):
Trạng thỏi giới hạn này chỉ rừ sự phỏ hoại hoàn toàn hay biến dạng đến mức kết cấu khụng cũn hoàn thành cỏc chức năng chớnh của nú nữa. Trạng thỏi giới hạn này thường liờn quan đến trường hợp tải trọng đặc biệt hay tảI trọng cực hạn. Theo phõn loại mức độ trong phần 4.1.2 , cú thể hiểu trạng thỏi giới hạn này là trường hợp phỏ hoại của đờ (cấp độ trung gian). Trong sơđồ cõy sự cố (Hỡnh 4-12), trạng thỏi giới hạn này được thể hiện ở cỏc phần cao hơn trong sơđồ.
Trạng thỏi giới hạn khả năng khai thỏc-SLS(Serviceability Limit State):
Trạng thỏi giới hạn này nờu lờn giới hạn về khă năng hoạt động (khă năng phục vụ, khai thỏc) của cụng trỡnh sử dụng, vớ dụ như giảm súng bằng đờ phỏ súng trong bến cảng. Trong phạm vi mụn học này, SLS mụ tả trạng thỏi mà tại đú cụng trỡnh cần phải được duy tu, bảo dưỡng để cú thể tiếp tục khai thỏc, vận hành. Theo phõn loại trong phần 4.1.2, cú thể hiểu trường hợp hư hỏng nhẹ của kết cấu bảo vệ mỏi đờ thuộc trạng thỏi này (mức độ hư hỏng nhỏ). Cần lưu ý rằng đối với lớp bảo vệ ngoài (lớp vỏ) của cụng trỡnh bảo vệ bờ cú thểđược xem như liờn quan đến ULS. Vỡ vậy định nghĩa về trạng thỏi giới hạn cũng cũn phụ thuộc vào mức độ chi tiết của vấn đề xem xột. Trong Hỡnh 4-12, trạng thỏi giới hạn khả năng khai thỏc nằm ở phần dưới cựng của cõy sự cố.
Xỏc suất chấp nhận được khi cụng trỡnh đạt đến cả hai trạng thỏi giới hạn là hàm số của sự hư hỏng gõy ra do vượt quỏ cỏc trạng thỏi giới hạn đú. Rừ ràng xỏc suất để cụng trỡnh đạt tới trạng thỏi giới hạn cuối cựng (ULS) thấp hơn nhiều so với trường hợp đạt tới trạng thỏi giới hạn về khả năng khai thỏc. Chớnh sỏch duy tu cú mối quan hệ chặt chẽ với cỏc trạng thỏi giới hạn chế này. Khả năng chịu lực của tổng thể cụng trỡnh cú thể giảm xuống thấp hơn mức độ cần thiết trong điều kiện tải trọng đặc biệt (Hỡnh 4-16). Khi những trường hợp này khụng xảy ra nghĩa là cụng trỡnh làm việc chua đạt tới trạng thỏi giới hạn cuối cựng. Khi sự hư hỏng tiếp diễn và kộo dài, độ bền sẽ giảm đi đỏng kể, thậm chớ quỏ thấp ngay cả trong điều kiện làm việc bỡnh thường, và khi đú sẽ dẫn tới sụp đổ toàn bộ cụng trỡnh. Tải trọng đặc biệt (cực hạn) trờn Hỡnh 4-16 cũng mang tớnh ngẫu nhiờn. Khi độ bền cụng trỡnh lớn hơn tải trọng lớn nhất
cú thể, xỏc suất để cụng trỡnh đạt tới trạng thỏi giới hạn cuối sẽ nhỏ, ở mức chấp nhận được. Khi khụng cú sự duy tu bảo dưỡng định kỳ, độ bền cụng trỡnh sẽ giảm và khả năng xảy ra hư hỏng tăng cao, cú thểđạt đến giỏ trị 100%, khi cường độ thấp hơn tải trọng bỡnh thường.
Hỡnh 4-16 Độ bền phụ thuộc thời gian vận hành và mức độ bảo dưỡng