Nghiên cứu ứng dụng bê tông siêu tính năng - UHPC cho xây dựng cầu tại Việt Nam (P2)
Nghiên cứu bê tông siêu tính năng (UHPC) ứng dụng cho kết cấu xây dựng là lĩnh vực nghiên cứu được nhiều sự quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt Nam. UHPC là công nghệ mới, cho phép chế tạo dầm cầu với kích thước mỏng, nhẹ, kháng ăn mòn, tuổi thọ cao, giảm chi phí bảo trì tối đa và cho phép đẩy nhanh tiến độ thi công. Bài trình bày những nghiên cứu về UHPC và đề xuất một số dạng mặt cắt dầm ứng dụng cho cầu.
>> Nghiên cứu ứng dụng bê tông siêu tính năng - UHPC cho xây dựng cầu tại Việt Nam (P1)
4. THIẾT KẾ VÀ CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN
4.1 Phương pháp thiết kế
Theo Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA), tại báo cáo FHWA-HRT-14-028, đã nghiên cứu phát triển một họ dầm Pi bằng UHPC (tương tự Double Tee), nhưng cho phép bố trí cáp tập trung và tiết kiệm vật liệu hơn, dùng cho tải trọng lớn HL93, nhịp từ 20 - 41 m.
Trên cơ sở này, để thuận tiện cho chế tạo khuôn, dự án LRAM chọn thiết kế mặt cắt dầm Tee/Double Tee cho các cầu có tải trọng nhỏ hơn hoặc bằng 0,65HL93 và nhịp <24 m. Cụ thể là 2 cầu thiết kế 2x16 m, và 1 cầu 3x20 m đã được thiết kế và xây dựng trong năm 2018 tại 3 tỉnh là Thái Nguyên, Nghệ An và Trà Vinh (ĐBSCL).
Để thiết kế ở trạng thái giới hạn SLS và ULS, NF P18-710 cho phép sử dụng mối quan hệ ứng suất-biến dạng của UHPC như trong Hình 14 và Hình 15.
4.2 Mặt cắt điển hình dầm UHPC cho cầu giao thông nông thôn
4.3 Tính toán
4.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ
UHPC thể hiện khả năng chịu kéo vượt qua cường độ kéo khi nứt, cho tới khi sợi thép bị kéo ra tại biến dạng 0.007. Hệ số sức kháng có thể lấy 0.8 xét đến mức độ phân tán đồng đều của sợi thép.
Sức kháng cắt danh định, Vn
4.3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng
a) Giới hạn ứng suất:
NF P18 710 [4] giữ nguyên giá trị giới hạn ứng suất của bê tông UHPFRC như bê tông ứng suất trước truyền thống theo Eurocode 2.
b) Mất mát ứng suất:
Mất mát lâu dài dựa vào các công thức tính kiến nghị từ TCVN 11823:2017 hoặc AASHTO (phần lớn dựa vào thí nghiệm);
NF P18-710 [4] giữ nguyên cách tính mất mát ứng suất của bê tông UHPFRC như bê tông ứng suất trước thông thường.
Mất mát tức thời của UHPFRC có thể tính trực tiếp nếu biết mô đun đàn hồi của bê tông.
c) Khống chế nứt:
Tiêu chuẩn của Pháp NF P18-710, giới hạn về bề rộng vết nứt của UHPFRC nhỏ hơn 1mm so với bê tông truyền thống (Eurocode 2) trong cùng điều kiện môi trường tương ứng.
Đối với UHPFRC không dự ứng lực, cho phép nứt ở TTGH sử dụng, chiều rộng vết nứt cho phép 0.3 mm (bình thường); 0.1 mm (khắc nhiệt); 0.05 mm (rất khắc nhiệt);
Áp dụng TCVN 11823-5 (Mục 5.7.3.4 Tiêu chuẩn AASHTO-2014) tính khoảng cách tối thiểu giữa cốt thép chịu kéo trong trường hợp có cốt thép thường.
4.3.3 Phân tích kết cấu
Phân tích theo phần tử hữu hạn. Sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu RM, MIDAS…
Giới hạn về độ võng tuân theo TCVN 11823-2:2017:
Tải trọng xe nói chung: L/800
Tải trọng xe và/hoặc người đi bộ: L/1000
Tải trọng xe phần hẫng: L/300
Tải trọng xe và/hoặc người đi bộ phần hẫng: L/375
L: Chiều dài nhịp
5. KẾT LUẬN
1. Đã nghiên cứu chế tạo một hệ UHPC với cường chịu nén 120-180 MPa và cường độ chịu kéo từ 7 MPa đến 14 MPa.
2. Đã đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến các tính năng của UHPC. Kết quả thể hiện UHPC có thể sử dụng hàm lượng
sợi thép lên đến 4% và cho kết quả cao nhất so với các hàm lượng khác.
3. Khả năng chống thấm của UHPC được xác định với kết quả trên 20 MPa. Qua đó có thể khẳng định, UHPC đáp ứng các yêu cầu
thiết kế kết cấu và độ bền lâu, chống chịu ăn mòn trong môi trường nước phèn, nước biển ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
4. Nghiên cứu đã đề xuất dạng mặt cắt dầm Double Tee sử dụng UHPC nhịp 16 m và nhịp 20 m ứng suất trước, đơn giản trong
chế tạo, vận chuyển, rút ngắn thời gian trong cẩu lắp và thi công mối nối UHPC tại hiện trường.
5. Cường độ chịu nén và chịu kéo lớn, mô đun đàn hồi E lớn nên tiết diện kết cấu dầm thiết kế thanh mảnh.
6. Giảm chiều cao dầm h/l = 1/28 ~ 1/35 ~ 1/38 giảm chiều cao mố trụ, giảm chiều cao đường đắp đầu cầu.
7. Kết cấu đặc chắc nên khả năng chống thấm và chống ăn mòn cao nên tăng độ bền lâu của công trình (100-150 năm) giảm
chi phí duy tu bảo trì trong khai thác.
8. Kết cấu dầm thanh mảnh nên trọng lượng tĩnh tải bản thân nhỏ (giảm khoảng 70% so với tĩnh tải của dầm bê tông thường)
nên giảm được chi phí xây dựng móng và kết cấu mố trụ.
9. Chế tạo nhiều kiểu dáng kiến trúc, tĩnh tải nhẹ đảm bảo mỹ quan với các công trình cần kiến trúc đẹp, vận chuyển và cầu lắp
vào vị trí nhanh chóng.
10. UHPC với các tính năng đặc biệt (kéo tốt, giới hạn phá hoại kéo lớn sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên) áp dụng cho vùng động
đất lớn, và các bộ phận dễ hình thành khớp dẻo khi có dao động (chân trụ cầu).
11. Thời gian thi công công trình nhanh hơn, đúc hàng loạt trong nhà máy sẽ giảm giá thành. Đặc biệt hiệu quả với khu vực
Đồng bằng sông Cửu Long vì có thể vận chuyển bằng đường thủy.
12. Hiện nay các nhà máy bê tông lớn đều có thể làm chủ công nghệ vật liệu, chế tạo cấu kiện dầm UHPC (bê tông Thủ Đức 1,
Sông Đà Việt Đức, Thành Hưng, Xuân Mai).
13. Tư vấn thiết kế đã làm chủ phương pháp tính toán, tiêu chuẩn áp dụng, phần mềm thiết kế đã thiết kế và chế tạo 65 cầu
trên 13 tỉnh thành tại việt nam cho kết quả tốt.
14. Chi phí xây dựng công trình hiệu quả và có tính cạnh tranh caoc Chi phí xây dựng cầu giảm 15-30 % tổng giá thành so với cầu
sử dụng dầm bê tông thường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. US. Department of Transportation Federal highway administration (FHWA), Material property characterization of Ultra-high performance Concrete, August, 2018.
2. Kim Jee-sang; Kim Byung-suk, Design Guidelines for K-UHPC, Korea Institute of construction technology, Feb., 2014.
3. Voort .V, Design and field testing of tapered H-shaped Ultra High Performance Concrete piles, Iowa State University 2008.
4. Shah .S.P, Untra High performance concrete, properties and applications.
5. Francoi TOUTLEMONDE and Jacques RESPLENDINO, Proceedings of the RILEM-fib
6. Iowa State University, Design, construction, and field testing of an Ultra-high performance Concrete Pi-Girder bridge, Final report January, 2011.
7. Plank .J, New developments in admixtures for precast and ready-mix concrete. ICCX Middle East 2018 (International Concrete Conference & Exhibition), Sharjah (U.A.E.), November 25 – 26, 2018, Conference proceedings, p. 24-32.
8. FHWA-HRT-09-069, October 2009: Structural Behavior of a 2nd Generation UHPC Pi-Girder.
9. FHWA-HRT-10-079:2010, Finite Element Analysis of UHPC:Structural Performance of an AASHTO Type II Girder and a 2nd-Generation Pi-Girder.
10. FHWA-HRT-14-08, Design and Construction of Field-Cast UHPC Connections.
11. BS EN 14889-1:2006, Fibres for concrete – Steel fibres. Definitions, specifications and conformity.
12. ASTM C469/C469M-14e1, Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of Concrete in Compression.
13. ASTM A820/A820M-16, Standard Specification for Steel Fibers for FiberReinforced Concrete.
14. ACI PRC-239-18, Ultra-High Performance Concrete: An Emerging Technology Report.
15. Benjamin Graybeal and Myint Lwin: UHPC: A Bridge of the Future - A Solution Today. ASPIRE Magazine, Spring 2010, pp. 47-48. 2010.
16. WB- DRVN. REPORT PILOTING AND SCALING UP BUILDING CLIMATE RESIDIENT BRIDGES IN POOR RURAL AREAS, 2019. Hanoi. Vietnam.
ximang.vn (TH/ TC Xây dựng)
4. THIẾT KẾ VÀ CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN
4.1 Phương pháp thiết kế
Theo Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA), tại báo cáo FHWA-HRT-14-028, đã nghiên cứu phát triển một họ dầm Pi bằng UHPC (tương tự Double Tee), nhưng cho phép bố trí cáp tập trung và tiết kiệm vật liệu hơn, dùng cho tải trọng lớn HL93, nhịp từ 20 - 41 m.
Trên cơ sở này, để thuận tiện cho chế tạo khuôn, dự án LRAM chọn thiết kế mặt cắt dầm Tee/Double Tee cho các cầu có tải trọng nhỏ hơn hoặc bằng 0,65HL93 và nhịp <24 m. Cụ thể là 2 cầu thiết kế 2x16 m, và 1 cầu 3x20 m đã được thiết kế và xây dựng trong năm 2018 tại 3 tỉnh là Thái Nguyên, Nghệ An và Trà Vinh (ĐBSCL).
Để thiết kế ở trạng thái giới hạn SLS và ULS, NF P18-710 cho phép sử dụng mối quan hệ ứng suất-biến dạng của UHPC như trong Hình 14 và Hình 15.
4.2 Mặt cắt điển hình dầm UHPC cho cầu giao thông nông thôn
4.3 Tính toán
4.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ
UHPC thể hiện khả năng chịu kéo vượt qua cường độ kéo khi nứt, cho tới khi sợi thép bị kéo ra tại biến dạng 0.007. Hệ số sức kháng có thể lấy 0.8 xét đến mức độ phân tán đồng đều của sợi thép.
Sức kháng cắt danh định, Vn
4.3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng
a) Giới hạn ứng suất:
NF P18 710 [4] giữ nguyên giá trị giới hạn ứng suất của bê tông UHPFRC như bê tông ứng suất trước truyền thống theo Eurocode 2.
b) Mất mát ứng suất:
Mất mát lâu dài dựa vào các công thức tính kiến nghị từ TCVN 11823:2017 hoặc AASHTO (phần lớn dựa vào thí nghiệm);
NF P18-710 [4] giữ nguyên cách tính mất mát ứng suất của bê tông UHPFRC như bê tông ứng suất trước thông thường.
Mất mát tức thời của UHPFRC có thể tính trực tiếp nếu biết mô đun đàn hồi của bê tông.
c) Khống chế nứt:
Tiêu chuẩn của Pháp NF P18-710, giới hạn về bề rộng vết nứt của UHPFRC nhỏ hơn 1mm so với bê tông truyền thống (Eurocode 2) trong cùng điều kiện môi trường tương ứng.
Đối với UHPFRC không dự ứng lực, cho phép nứt ở TTGH sử dụng, chiều rộng vết nứt cho phép 0.3 mm (bình thường); 0.1 mm (khắc nhiệt); 0.05 mm (rất khắc nhiệt);
Áp dụng TCVN 11823-5 (Mục 5.7.3.4 Tiêu chuẩn AASHTO-2014) tính khoảng cách tối thiểu giữa cốt thép chịu kéo trong trường hợp có cốt thép thường.
4.3.3 Phân tích kết cấu
Phân tích theo phần tử hữu hạn. Sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu RM, MIDAS…
Giới hạn về độ võng tuân theo TCVN 11823-2:2017:
Tải trọng xe nói chung: L/800
Tải trọng xe và/hoặc người đi bộ: L/1000
Tải trọng xe phần hẫng: L/300
Tải trọng xe và/hoặc người đi bộ phần hẫng: L/375
L: Chiều dài nhịp
5. KẾT LUẬN
1. Đã nghiên cứu chế tạo một hệ UHPC với cường chịu nén 120-180 MPa và cường độ chịu kéo từ 7 MPa đến 14 MPa.
2. Đã đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến các tính năng của UHPC. Kết quả thể hiện UHPC có thể sử dụng hàm lượng
sợi thép lên đến 4% và cho kết quả cao nhất so với các hàm lượng khác.
3. Khả năng chống thấm của UHPC được xác định với kết quả trên 20 MPa. Qua đó có thể khẳng định, UHPC đáp ứng các yêu cầu
thiết kế kết cấu và độ bền lâu, chống chịu ăn mòn trong môi trường nước phèn, nước biển ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
4. Nghiên cứu đã đề xuất dạng mặt cắt dầm Double Tee sử dụng UHPC nhịp 16 m và nhịp 20 m ứng suất trước, đơn giản trong
chế tạo, vận chuyển, rút ngắn thời gian trong cẩu lắp và thi công mối nối UHPC tại hiện trường.
5. Cường độ chịu nén và chịu kéo lớn, mô đun đàn hồi E lớn nên tiết diện kết cấu dầm thiết kế thanh mảnh.
6. Giảm chiều cao dầm h/l = 1/28 ~ 1/35 ~ 1/38 giảm chiều cao mố trụ, giảm chiều cao đường đắp đầu cầu.
7. Kết cấu đặc chắc nên khả năng chống thấm và chống ăn mòn cao nên tăng độ bền lâu của công trình (100-150 năm) giảm
chi phí duy tu bảo trì trong khai thác.
8. Kết cấu dầm thanh mảnh nên trọng lượng tĩnh tải bản thân nhỏ (giảm khoảng 70% so với tĩnh tải của dầm bê tông thường)
nên giảm được chi phí xây dựng móng và kết cấu mố trụ.
9. Chế tạo nhiều kiểu dáng kiến trúc, tĩnh tải nhẹ đảm bảo mỹ quan với các công trình cần kiến trúc đẹp, vận chuyển và cầu lắp
vào vị trí nhanh chóng.
10. UHPC với các tính năng đặc biệt (kéo tốt, giới hạn phá hoại kéo lớn sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên) áp dụng cho vùng động
đất lớn, và các bộ phận dễ hình thành khớp dẻo khi có dao động (chân trụ cầu).
11. Thời gian thi công công trình nhanh hơn, đúc hàng loạt trong nhà máy sẽ giảm giá thành. Đặc biệt hiệu quả với khu vực
Đồng bằng sông Cửu Long vì có thể vận chuyển bằng đường thủy.
12. Hiện nay các nhà máy bê tông lớn đều có thể làm chủ công nghệ vật liệu, chế tạo cấu kiện dầm UHPC (bê tông Thủ Đức 1,
Sông Đà Việt Đức, Thành Hưng, Xuân Mai).
13. Tư vấn thiết kế đã làm chủ phương pháp tính toán, tiêu chuẩn áp dụng, phần mềm thiết kế đã thiết kế và chế tạo 65 cầu
trên 13 tỉnh thành tại việt nam cho kết quả tốt.
14. Chi phí xây dựng công trình hiệu quả và có tính cạnh tranh caoc Chi phí xây dựng cầu giảm 15-30 % tổng giá thành so với cầu
sử dụng dầm bê tông thường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. US. Department of Transportation Federal highway administration (FHWA), Material property characterization of Ultra-high performance Concrete, August, 2018.
2. Kim Jee-sang; Kim Byung-suk, Design Guidelines for K-UHPC, Korea Institute of construction technology, Feb., 2014.
3. Voort .V, Design and field testing of tapered H-shaped Ultra High Performance Concrete piles, Iowa State University 2008.
4. Shah .S.P, Untra High performance concrete, properties and applications.
5. Francoi TOUTLEMONDE and Jacques RESPLENDINO, Proceedings of the RILEM-fib
6. Iowa State University, Design, construction, and field testing of an Ultra-high performance Concrete Pi-Girder bridge, Final report January, 2011.
7. Plank .J, New developments in admixtures for precast and ready-mix concrete. ICCX Middle East 2018 (International Concrete Conference & Exhibition), Sharjah (U.A.E.), November 25 – 26, 2018, Conference proceedings, p. 24-32.
8. FHWA-HRT-09-069, October 2009: Structural Behavior of a 2nd Generation UHPC Pi-Girder.
9. FHWA-HRT-10-079:2010, Finite Element Analysis of UHPC:Structural Performance of an AASHTO Type II Girder and a 2nd-Generation Pi-Girder.
10. FHWA-HRT-14-08, Design and Construction of Field-Cast UHPC Connections.
11. BS EN 14889-1:2006, Fibres for concrete – Steel fibres. Definitions, specifications and conformity.
12. ASTM C469/C469M-14e1, Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of Concrete in Compression.
13. ASTM A820/A820M-16, Standard Specification for Steel Fibers for FiberReinforced Concrete.
14. ACI PRC-239-18, Ultra-High Performance Concrete: An Emerging Technology Report.
15. Benjamin Graybeal and Myint Lwin: UHPC: A Bridge of the Future - A Solution Today. ASPIRE Magazine, Spring 2010, pp. 47-48. 2010.
16. WB- DRVN. REPORT PILOTING AND SCALING UP BUILDING CLIMATE RESIDIENT BRIDGES IN POOR RURAL AREAS, 2019. Hanoi. Vietnam.
ximang.vn (TH/ TC Xây dựng)
