Ứng dụng các kết cấu liên hợp và phương pháp thiết kế cho các công trình biển

Lời mở đầu Các kết cấu liên hợp được tổ hợp từ thép và bê tông đã được áp dụng cho các công trình biển ở Nhật Bản từ đầu những năm 1980. Một vài kết cấu đã được làm từ kết cấu liên hợp và đã tiến hành công tác thiết kế và thi công. Các kết cấu được mô tả ở đây là loại trọng lực như kết cấu giếng chìm dạng kè biển, loại nổi như kết cấu đê chắn sóng và loại hầm dìm…

  1. Đặc điểm kết cấu liên hợp

Kết cấu liên hợp bản thép và bê tông được miêu tả dưới dạng hình vẽ, được sử dụng trong các bản bê tông, toà nhà…Hai loại kết cấu được đưa ra cho các kết cấu biển đó là kết cấu dạng kẹp hở open sandwich và kết cấu dạng kẹp sandwich. Kết cấu dạng kẹp mở bao gồm một bản thép và bê tông cốt thép, cả hai được liên kết với nhau bằng các đinh neo hoặc thép góc. Kết cấu dạng kẹp bao gồm 2 bản thép và lõi bê tông. Hai bản thép được liên kết với nhau bằng một bản chống cắt và các dây buộc. Trong cả hai kết cấu, thép bản thép và thanh thép chịu lực kéo và bê tông chịu lực nén.

Cơ chế chịu tải này giống như kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Để làm rõ cơ chế này, các bản thép và bê tông cần được liên kết lại với nhau bằng một phương pháp thích hợp. Ứng suất dính bám tự nhiên giữa thép và bê tông có thể có nhưng nó rấ nhỏ và không được tính đến trong thiết kế. Các liên kết chống cắt được hàn vào bản để chịu lực cắt và lực nhổ giữa bản thép và bê tông. Các đinh neo khá phổ biến như các liên kết chống cắt kẹp hở. Các bản chống cắt giữa hai bản thép được bố trí để liên kết hai bản và ép lói bê tông.

  1. Các lợi thế trong môi trường biển.

Kết cấu liên hợp nhằm có được xác tính năng tiêu biểu sau đây trong môi trường biển, khi thép được chống gỉ đầy đủ.

2.1. Ứng xử cơ học tốt

Kết cấu liên hợp có cường độ cao và khả năng chịu võng tốt. Do đó mặt cắt mỏng cũng có thể thu được các đặc trưng cơ học yêu cầu. Nó có khả năng tạo ra một cấu kiện phức tạp và có được rất nhiều kích cỡ hình dạng khác nhau. Hơn thế nữa, kết cấu này có trọng lượng nhẹ nên nó có lợi thế cho các cấu kiện được thi công trên vùng bùn yếu ở biển.

2.2. Kín nước

Các bản thép sẽ ngăn cho bê tông không bị thấm nước khi hình thành các vết nứt trên mặt cắt của bê tông. Sự kín nước của kết cấu liên hợp sẽ có tác dụng cho các kết cấu nổi và hầm dìm.

2.3. Tốc độ thi công.

Việc bố trí các thanh thép, ván khuôn và các sai sót có thể giảm đáng kể. Hơn nữa, mỗi phần tử kết cấu có thể được gia công trong nhà máy hay công xưởng, đó là các kết cấu được gia công trước. Phương pháp gia công trước có thể giảm được thời gian thi công trên công trường, đó thường là trên biển.

2.4. Giá thành gia công.

Mặc dù giá thành vật liệu cũng như giá thành chế tạo không phải lúc nào cũng thấp do giá thành của thép tương đối cao nhưng tổng giá thành có thể giảm xuống nhờ thời gian thi công nhanh, chi phí nhân công trong nhà máy thấp…

  1. Thiết kế kết cấu liên hợp

3.1. Khái quát chung.

Sách Hướng dẫn thiết kế thùng chìm liên hợp Hybrid Caison 1991 và Kêt cấu kẹp giữa Sandwich cho hầm dìm 1992 đã được xuất bản ở Nhật Bản. Phương pháp thiết kế gồm có thiết kế theo trạng thái giới hạn, trạng thái giới hạn cực hạn U.L.S, trạng thái giới hạn sử dụng S.L.S và trạng thái giới hạn mỏi F.L.S. Hệ số an toàn trong thiết kế theo trạng thái giới hạn cho kết cấu liên hợp được đưa ra trong bảng 1.

Bảng 1Các hệ số an toàn

Hệ số an toàn U.L.S S.L.S F.L.S
Hệ số vật liệu Bê tông 1.3 1.0 1.3
Thép thanh 1.0 1.0 1.05
Thép bản 1.05 1.0 1.05
Hệ số tải trọng Tải trọng vĩnh cửu 0.9-1.1 1.0 1.0
Tải trọng thay đổi 0.8-1.2 1.0 1.0
Tải trọng bất thường 1.0
 Lực động đất 1.0
Lực sóng 1.3 1.0 1.0
Hệ số phân tích 1.0 1.0 1.0
Hệ số thành phần  kết cấu Liên hợp, BTCT 1.15-1.3 1.0 1.0
Phần thép
Hệ số kết cấu 1.2 -1.2 1.0 1.0

U.L.S:Trạng thái giới hạn cực hạn

S.L.S: Trạng thái giới hạn sử dụng

F.L.S:  Trạng thái giới hạn mỏi

3.2. Cường độ uốn và cắt

Kết cấu lien hợp chịu uốn được thiết kế như kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Các bản thép được coi như là các thanh cốt thép với cùng diện tích mặt cắt. Khi cốt thép chịu cắt thích hợp được bố trí trong dầm, dạng phá huỷ của mẫu thử là dạng phá huỷ uốn, có nghĩa là bản chịu kéo bị chảy ra, sau đó be etông bị ép vỡ tại đỉnh của dầm.

Thiết kế chống cắt được thực hiện bằng cơ chế vòm chống. Đối với các kết cấu kẹp giữa, các bản chống được bố trí giữa hai bản thép. Lý thuyết giằng chống được áp dụng để tính toán sức kháng cắt cho kết cấu.

3.3. Sức kháng cắt của liên kết.

Liên kết chống cats được hàn vào bản tép để truyền lực cắt giữa bản thép và bê tông . Các đinh neo được sử dụng rộng rãi như các liên kết chống cắt. Khả năng chịu tải Qa của chúng được biết khá tốt qua thí nghiệm gia tải push – off.

Qa = 28d2          ơch  1/2 when H/d =  6

Qa = 5d            Hơch 1/2 9when H/d < 6                         1

Với:

d: đường kính đinh neo cm, H: chiều cao của đinh neo cm, ơch: cường độ nén của bê tông N/mm2.

3.4. Chống ăn mòn

Đối với kết cấu kẹp ở open – sandwich, phần bê tông lộ ra trực tiếp ngoài nước biển và bản thép được đặt bên trong kết cấu. Điều đó làm cho độ bền của kết cấu có thể không nghiêm trọng khi lớp phủ bê tông cho thanh thép bên trong và độ rộng vết nứt lớn nhất được chú ý trong thiết kế như đối với bê tông cốt thép thông thường. Chiều rộng vết nứt cho phép W,mm trong môi trường nước biển như sau:

W=0.035 x C                                                                  2

Với: C là lớp phủ bê tông: thường bằng 70mm.

Khi bản thép được lắp đặt bên trong kết cấu như thùng phao, thùng chìm…bản thép sẽ bị ăn mòn dần do có ôxy trong cát nhồi và nước biển bên trong. Thường thì lượng ôxy rất nhỏ mặc dù nước biển không bị rò rỉ vào bên trong kết cấu. Do đó bản thép khó bị ăn mòn. khi phần thép đặt ở trong đất, tỷ lệ ăn mòn là 0.03mm/năm. Bằng cách nhân tỷ lệ này với thời gian sử dụng thường là 30-50năm.

Một cách khác, đối với kết cấu kẹp giữa, bản thép chịu sự tấn công của nước biển. nói chung, cần phải có chủ ý đặc biệt trước khi á dụng trong các tình huống ăn mòn như vùng bị nước biển bắn vào. Chủ yếu áp dụng bảo vệ bằng lớp phủ hoặc bảo vệ cực âm. Trong thiết kế bảo vệ cực âm, chọn dòng điện 100-150A và tuổi thọ thiết kế của bảo vệ cực âm là 30-100 năm.

Tuổi thọ thiết kế của kết cấu quan trọng như hầm dìm là 100năm.

  1. Thi công

4.1. Thi công kết cấu kẹp hở

Chế tạo các bản thép và hàn các bản liên kết chống cắt và bản chống cắt trong nhà máy. Sau đó lắp giáp các bản thép vào trong một vài khối. Chuyển các khối này đến công trường thi công thùng chìm. Lắp giáp các khối này vào trong kết cấu bằng các đường hàn ngoài công trường. Lắp đặt các thanh cốt thép trong các khối.Gắn các ván khuôn lên các khung thép đối với các kết cấu kẹp hở. Sau đó đổ bê tông giữa các bản thép và ván khuôn, sử dụng xi măng Portland thông thường.

4.2. Thi công kết cấu kẹp

Lắp đặt các bản thép vào các khối thép trong nhà máy bằng các đường hạn để tạo ra các khoang thép trong nhà máy với hai bản mặt và bản chống cắt. Chuyển các khối này ra bãi chứa của nhà máy để dựng lên toàn bộ kết cấu. Đối với kết cấu kẹp hở, không cần có ván khuôn để đổ bê tông. Thường sử dụng bê tông có độ chảy cao bê tông tự đàm cho kết cấu kẹp hở. Đổ bê tông có độ chảy cao từ các ống gắn trên mặt phẳng của mỗi khoảng tép. Khi đổ bê tông chảy ra từ các ống thăm dò được gắn tại một vài vị trí trên mặt phẳng tức là khoang théop đã được đổ đầy bê tông. Khi đoán được có một vài lỗ rỗng ở dưới bản nắp, tiến hành điều tra tỷ lệ đồng nhất để biết được độ lớn của lỗ rỗng. nếu độ lớn của lỗ rỗng lớn hơn 5mm thì pahỉ tiến hành công tác phun sửa chữa.

5.Các ví dụ thi công.

5.1. Kè và đê chắn dạng thùng chìm.

Kè biển và đê chắn sóng dạng trọng lực áp dụng kết cấu dạng kẹp hở đã được xây dựng. Ở Nhật Bản tổng chiều dài của kè biển là 1100km và của đê chắn sóng là 300km. Thùng chìm liên hợp chỉ ra trong các bản vẽ. Các kè biển được đặt tại mép của vùng đất cải tạo. Bản đáy và tường ngoài được làm từ kết cấu dạng kẹp hở. Tường ngăn được làm từ các bản thép với các gân tắng cường. Chiều dày bản thép của tường bên và bản đáy là 6mm, của tường ngăn là 8mm. Chiều dày của tường bên khoảng 30cm, của bản đáy khoảng 40cm. Kết cấu liên hợp làm cho nó có khả năng tăng chiều dài bệ móng, làm cho toàn bộ kết cấu có trọng lượng nhẹ hơn do cường độ của kết cấu liên hợp cao. Móng thùng chìm Yokohama: chiều dài của kết cấu bệ móng là 5m và chiều dày của bệ móng tại chân là 1,3m.

5.2. Đê chắn sóng và cầu tầu dạng nổi

Đê chắn sóng dạng nổi được xây dựng để ngăn cho cảng không bị sóng xâm nhập do các vậtn thể trôi nổi được neo vào biển bằng các dây xích hay cọc uốn cong hình cá heo. Kết cấu dạng kẹp hở được áp dụng cho các kết cấu dạng nổi này. Loại đê chắn sóng này được áp dụng ch những nơi nước sâu và sóng nhẹ. Đê chắn sóng dạng nổi thường được xây dựng ở những cảng nhỏ. Đã có rất nhiều loại đê chắn sóng dạng nổi được xây dựng ở Nhật Bản. Các cầu tầu dạng nổi cũng được xây dựng ở nhiều khu vực cảng.

5.3. Hầm dìm.

Hầm dìm được xây dựng để nối đất liền bị ngăn cách bởi sông hay kênh đào. Một vài hầm dìm đã được xây dựng bằng kết cấu bê tông cốt thép và các vỏ thép. Trong các phương pháp thông thường của công nghệ thi công hầm dìm, các bản thép bên ngoài được bố trí chỉ để ngăn nước khi có động đất lớn xảy ra làm nứt lớn bê tông trên tường của hầm dìm. Có nghĩa là ácc bản thép bao quanh không phải là vật liệu kết cấu. Các bản thép của kết cấu liên hợp đóng cả hai vai trò ngăn nước và thành phần kết cấu chịu lực. Ở cảng Osaka, công tác thi công hầm dìm này được hoàn thành vào năm 1997. Hầm này có chiều dài 2700mm được làm từ 10 kết cấu liên hợp. Trên mặt cắt ngang, có hai đường ray ở giưũa và hai làn xe chạy bên tría và bên phải. Cao độ mực nước của hai nắp là -17,5m. Mỗi kết cấu có chiều dài 100m, rộng 35,2m và cao 8,6m.

Các tường và các bản được chế tạo bằng kết cấu dạng kẹp hở. Các đinh neo và cốt thép chịu cắt dài được hàn vào các bản thép với chiều dày 9mm bằng máy hàn tự động. Mỗi kết cấu có

tổng số đinh neo có đường kính 19mm và chiều dài 150mm khoảng 42.000 cái và tổng số cốt đai có đường kính 19 hoặc 22mm và chiều dài 1m là 63.000 cái.

Cường độ nén thiết kế của bê tông là 30MPa. Có khoảng 350 thanh nhôm được gắn vào mặt thép để làm bảo vệ cực âm cho tuổi thọ là 100năm. Ở cảng Nâh, công tác thi công hầm dìm đang được tiến hành. Các tường và bản được chế tạo bằng kết cấu dạng kẹp.

Bơm bê tông có độ chảy cao vào trong thùng thép như là bê tông lõi. Sau đó các kết cấu hầm dìm bằng kết cấu dạng kẹp được vận chuyển xà lan từ nhà máy đến công trường đảo Okinawa. Các kết cấu thép được neo vào lưng của thùng chìm đê chắn sóng và độ bê tông có độ tự chảy cao vào các vị trí neo.

  1. Kết luận

Kết cấu liên hợp được áp dụng rộng rãi cho các kết cấu biển như thùng chìm đê chắn sóng, cầu tàu nổi, hầm dìm…Thép là một vật liệu kết cấu quan trọng và công nghệ phòng chống ăn mòn trong môi trường biển đang ngày càng phát triển cho việc sử dụng thép. Phủ bê tông, bảo vệ cực âm đang được áp dụng cho công tác chống ăn mòn thép.Các kết cấu liên hợp có một số tính năng tuyệt vời. Mặc dù kết cấu liên hợp có các ưu điểm nổi trội nhưng giá thành chế tạo của chúng vẫn cao hơn các kết cấu bê tông thông thường.

CATEGORIES
Share This

COMMENTS

Wordpress (0)
Disqus (0 )