Sửa chữa silo bột liệu từ xa trong đại dịch Covid-19

Hình 1: Quang cảnh RMS bị hư hỏng tại nhà máy Akçansa ở Thổ Nhĩ Kỳ.

Trong quá trình vận hành nhà máy xi măng Akçansa ở Thổ Nhĩ Kỳ, khi tiến hành kiểm tra nhà máy định kỳ, đã phát hiện ra một số vết nứt dọc lên đến 5mm trên silo bột liệu (RMS) sức chứa 18.000 tấn. Điều này đã gây ra nguy cơ tiềm ẩn cho sản xuất, vnplan beratende ingenieure đã được Akçansa chỉ định vào thực hiện kiểm tra kết cấu và đưa ra lời giải đáp cho ba vấn đề:

- Có thể sử dụng silo sau khi sửa chữa và/hoặc gia cường không?

- Có thể vận hành tạm thời silo cho đến khi sửa chữa và các nguy cơ nào sẽ gặp phải khi tiếp tục sử dụng cho đến thời điểm sửa chữa đó?

- Xét theo góc độ cấu trúc thì mức nạp đầy tối đa là bao nhiêu?

Nhiệm vụ dành cho vnplan là một thách thức, không chỉ do tính phức tạp của kết cấu, mà còn do một thực tế là việc di chuyển đi lại giữa Thổ Nhĩ Kỳ và vnplan ở Đức không thể thực hiện được do dịch bệnh Covid-19. Toàn bộ công tác kiểm tra đã được tiến hành song song cùng với khách hàng và nhóm nhân viên của nhà máy.

Vai trò của dự án

Dự án có ba đối tác tham gia thực hiện: Akçansa, Trung tâm Công nghệ HeidelbergCement (HTC) và vnplan.  

Khách hàng và nhóm nhân viên của nhà máy đã xem xét toàn bộ các vấn đề tại chỗ, không chỉ các vấn đề về tổ chức mà còn rất nhiều chi tiết kỹ thuật nữa, bao gồm lập bản đồ các vết nứt trong silo và dò tìm các khu vực bị nứt vỡ để đánh giá tác động kết cấu của silo và mức độ hư hỏng. Các dữ liệu và hướng dẫn kỹ thuật cần thiết đã được vnplan đưa ra. Ngoài ra, các tiêu chí thiết kế, tuân thủ theo các quy định bắt buộc của Eurocode, đã được vnplan soạn thảo và thảo luận với Akçansa và HTC để phù hợp với các điều kiện địa phương, đặc biệt là các điều kiện về động đất và sức gió. Để hiểu thật rõ việc chất tải thực tế lên RMS, các mẫu bột liệu chứa trong silo đã được đưa đến Đức và được thí nghiệm kiểm tra trong các phòng thí nghiệm đã được chứng nhận. Nhờ đó, các giá trị liệu rời thực tế trong kết cấu đã được xác định thông qua thí nghiệm theo Eurocode và được xem xét sử dụng trong khi lập mô hình kết cấu silo thông qua phân tích phần tử hữu hạn.

Mặc dù silo mới vận hành được khoảng 12 năm, nó đã cho thấy một số vết nứt ngang và dọc khoảng 0,7 – 5,0mm (Hình 2). Vì silo còn cách quá xa tuổi thọ thiết kế 50 năm, nên được cho rằng sự hư hỏng này là do các vấn đề kết cấu gây ra hơn là vấn đề tuổi thọ. Bài viết này trình bày các biện pháp đã thực hiện để đảm bảo rằng RMS có thể nạp đầy an toàn 100% sức chứa.

Các yêu cầu chính của khách hàng

Khách hàng mong muốn đáp ứng được một số yêu cầu sau:

- Sản xuất phải được tiếp tục;

- RMS phải duy trì hoạt động trong thời gian tiến hành kiểm tra kết cấu;

- Việc giảm bớt mức nạp đầy tạm thời nên càng ít càng tốt;

- Việc sử chữa/gia cường phải được tuân thủ theo các yêu cầu bắt buộc của Eurocode; 

- Việc thực hiện công việc phải tuân thủ các hạn chế của Covid-19.
 

Hình 3: Tiến hành sửa chữa/gia cường (Phiên bản 6).

Để đáp ứng các yêu cầu của khách hàng, việc phân tích kết cấu sơ bộ đã được thực hiện trong một thời gian ngắn. Trước hết, các đường cong áp lực silo đã được xác định để so sánh tải trọng chất lên thành tường silo liên quan tới việc giảm mức nạp đầy. Qua việc giảm mức nạp đầy đi 70%, áp lực chất tải ngang silo đồng nhất được giảm đi khoảng 80%. Nếu như mức nạp đầy giảm đi 50%, thì khi đó áp lực ngang silo giảm chỉ còn 40%. Mối liên quan giữa việc giảm mức nạp đầy và áp lực ngang silo là mối liên quan phi tuyến tính cao. Mối liên quan giữa việc giảm mức nạp đầy và áp lực ngang silo cũng phụ thuộc vào hình dạng silo bên cạnh các giá trị khối lượng liệu rời. Do đó, mỗi silo có các đặc tính kỹ thuật riêng về phương diện này. Việc giảm mức nạp đầy không thể tổng quát hoá được nếu chỉ nhờ vào loại nguyên liệu rời tồn trữ.

Việc giảm mức nạp đầy xuống 30%, khi làm rỗng silo, và 40% khi nạp đầy, cho đến khi hoàn thành kiểm tra kết cấu đã được thống nhất với khách hàng. Tuy nhiên, để tối ưu hoá mức nạp đầy cho nhu cầu sản xuất và đồng thời vận hành an toàn, các hệ thống giám sát chuyên nghiệp đã được lắp đặt. Điều này có nghĩa rằng việc giảm mức nạp đầy càng ít càng tốt và được tối ưu hoá theo các biến dạng đo được và các giới hạn kết cấu an toàn.

Để đáp ứng các yêu cầu của Eurocode, việc sửa chữa và gia cường RMS là không thể tránh khỏi. Điều này đặc biệt quan trọng trong trường hợp này, vì là một hệ thống chất tải không đối xứng và các biện pháp bảo vệ động đất đã chi phối thiết kế trong khu vực này.

Kiểm tra kết cấu của RMS

RMS có đường kính trong 20m và tổng chiều cao là khoảng 75m. Nó là dạng kết cấu bê tông cốt thép không áp dụng ứng suất sau, được đặt trên một tấm móng nông ở vùng có đới địa chấn cao. RMS hình trụ có một côn ngược giảm áp lực bên trong.


Các vết nứt 0,7 - 5,0mm nằm ở khoảng 1/3 phía trên RMS. Các silo có côn ngược ở khu vực này thường phải chịu tải trọng kết cấu lớn do tải trọng lệch tâm. Tính toán phần tử hữu hạn đã cho thấy rằng RMS an toàn dưới tải trọng đối xứng, nhưng sẽ rất mất an toàn dưới tải trọng không đối xứng, do kênh lưu lượng và tác động địa chấn dựa trên Eurocode. Tải trọng lệch tâm lên thành tường silo gây ra các mô-men uốn mà ảnh hưởng tới độ ổn định của nó.

Tuy nhiên, khách hàng đã được cung cấp những thông tin tốt. Việc sử dụng silo sau khi sửa chữa và gia cường có thể tiếp tục, nếu như một trong 7 giải pháp đề xuất được thực hiện. Hơn nữa, RMS có thể vận hành với mức nạp đầy 100% sau khi gia cường. Cũng vậy, RMS có thể tiếp tục vận hành với mức nạp đầy 30% với sự giám sát chuyên nghiệp. Sau đó, mức nạp đầy này có thể tăng lên 5% gia số cho đến mức tối đa 50% để đáp ứng các yêu cầu sản xuất.

Sau khi đánh giá ưu và nhược điểm của mỗi giải pháp sửa chữa/gia cường, khách hàng đã lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp và hiệu quả về kinh tế nhất. Đây là giải pháp thứ sáu trong số 7 giải pháp lựa chọn được vnplan đưa ra và đã được sử dụng:

- Gia cường phần hình trụ silo (silo cylinder) bằng cách thi công ứng suất sau bên ngoài lần thứ nhất lên đến 69,0m;

- Gia cường bằng tường bê tông cốt thép bên trong (dầy 200mm) lên đến phần đáy côn;

- Gia cường bằng tường bê tông cốt thép phía ngoài (dầy 350mm) lên đến 49,0m;

- Gia cường bằng thi công ứng suất sau phái ngoài lần thứ hai lên đến cao độ +49,0m.
Hình 4&5 cho thấy những lợi ích của việc tạo ứng suất sau và bổ sung thêm các tường bê tông cốt thép. Các hình này cho thấy rõ ràng phần cốt thép ngang yêu cầu bên trong và phía ngoài với sự phân bố lực ứng suất sau khác nhau dọc theo chiều cao silo. Bên trái của hai hình này cho thấy vòng cốt thép yêu cầu không áp dụng ứng suất sau. Ở giữa và bên phải cho thấy những ảnh hưởng khi áp dụng tạo ứng suất sau.
 
Hệ thống giám sát

Để vận hành an toàn cho đến khi hoàn thành sửa chữa, mức nạp đầy đã được tối ưu hoá theo lợi ích của nhu cầu sản xuất và xem xét đến độ an toàn kết cấu. Hệ thống giám sát bao gồm các dấu thạch cao, các bộ cảm biến độ dịch chuyển và các máy đo độ biến dạng. Các máy đo độ biến dạng đã được lắp để đo gián tiếp sự thay đổi độ rộng vết nứt ngang và vết nứt dọc trong quá trình vận hành với các mức nạp đầy khác nhau, nghĩa là, các tải trọng khác nhau lên thành tường RMS. Việc giám sát theo dõi sự phát triển vết nứt được thực hiện liên tục. Tình cờ, một trận động đất đã xảy ra trong quá trình thực hiện dự án, cách nhà máy khoảng 200km. Các ảnh hưởng của nó có thể thấy được nhưng, nhờ có sự hỗ trợ phân tích kết cấu và giám sát chuyên nghiệp, vẫn duy trì được vận hành an toàn.

Những hạn chế do Covid-19
Do những hạn chế về di chuyển đi lại, nên việc kiểm tra hiện trường gồm cả việc lập sơ đồ vết nứt, lấy các lõi bê tông, thí nghiệm Schmidt Hammer, thí nghiệm carbonat hoá, lấy mẫu clorua… đều do công ty tại địa phương thực hiện. Hơn nữa, khách hàng đã xác minh các thông tin kỹ thuật quan trọng và đã khảo sát kiểm tra các kích thước bị thiếu ở hiện trường.
 

Hình 7: Silo hoàn thành sau khi sửa chữa và gia cường.

Nếu không có sự tham gia liên tục của khách hàng và sự kiên trì của họ để đạt được kết quả tốt nhất bất chấp tất cả những hạn chế của Covid-19, thì gần như không thể thực hiện được kiểm tra một cách chính xác được. Hơn nữa, khách hàng đã không hề do dự khi gửi nguyên liệu rời đi thí nghiệm ở Đức, giúp cho vnplan chuẩn bị được phần thiết kế gia cường.

Vì việc nhập khẩu các hệ thống ứng suất sau thông thường là cực kỳ khó khăn trong quá trình thực hiện dự án, các dây/hệ thống tạo ứng suất sau đã được Công ty ở địa phương ở Thổ Nhĩ Kỳ phát triển và thử nghiệm để tiết kiệm thời gian và tối ưu hoá các chi phí. Khách hàng đã điều phối tất cả các vấn đề có liên quan ở địa phương và đã được vnplan hỗ trợ về mặt kỹ thuật.
 
Những nỗ lực thêm nữa tại hiện trường chính là của nhà thầu thi công và giám sát  hiện trường, các công việc thực hiện của khách hàng, phù hợp với các quy định Covid-19 và các hướng dẫn khác về sức khoẻ và an toàn.

Mặc dù gặp phải rất nhiều khó khăn, nhưng vẫn có những thuận lợi để thi công trong thời gian đại dịch. Tình hình đã khiến khách hàng phải ra quyết định tức thời khi tham gia vào các cuộc thảo luận kỹ thuật trong các cuộc họp nhóm. Điều này đã thúc đẩy nhanh dự án lên rất nhiều.

Tóm lại

Tóm tắt tiến độ thực hiện các công việc được thể hiện rõ nhất ở Hình 6 &7. Sau khi hoàn thành dự án, RMS đã vận hành an toàn với 100% mức nạp đầy.

Dự án  này cho thấy rằng để đánh giá sự hư hại của RMS liên quan đến sự ổn định của nó, sẽ cần phải có một chuyên gia sửa chữa kết cấu. Các kết quả khả dĩ tốt nhất đã đạt được là nhờ chủ đầu tư, nhóm nhân viên của nhà máy, chuyên gia sửa chữa kết cấu và nhà thầu thi công đã phối hợp làm việc chặt chẽ với nhau. Kết quả này có giá trị đối với tất cả các dự án, đặc biệt là trong những thời điểm bất thường như trong đại dịch toàn cầu như hiện nay.