Nghiên cứu sử dụng vật liệu gỗ địa phương trong thiết kế các công trình cầu nhỏ tại việt nam

LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn “Nghiên cứu sử dụng vật liệu gỗ địa phương trong thiết kế các công trình cầu nhỏ tại Việt Nam” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.. Mặt khác gỗ được kết h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU GỖ ĐỊA PHƯƠNG TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CẦU NHỎ TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả Luận văn

Chữ ký

Trần Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Đề tài luận văn “Nghiên cứu sử dụng vật liệu gỗ địa phương trong thiết kế các công trình cầu nhỏ tại Việt Nam” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần Văn Đăng và TS Lương Minh Chính, Bộ Môn Công trình Giao thông, Trường Đại Học Thủy Lợi Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 107.01-2019.1

Trước hết, tôi chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia đã tài trợ kinh phí phục vụ các thí nghiệm nghiên cứu trong luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Văn Đăng và TS Lương Minh Chính, người đã dành rất nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Thầy Cô Khoa Công Trình, và ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Giao thông, Phòng Quản lý khoa học và Đào tạo Sau đại học, Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn tất cả những đồng nghiệp, những người bạn cùng khóa đào tạo thạc sĩ,

đã cho tôi sự trợ giúp trong việc có được các thông tin và dữ liệu liên quan đến nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin biết ơn gia đình, những người đã luôn ở bênh cạnh, ủng hộ và giúp

đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện khóa đào tạo

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên khó tránh khỏi những sai sót Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp, đó sẽ là những góp ý quý giá để tôi có thể hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu và công tác sau này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GỖ VÀ THIẾT KẾ CẦU GỖ 4

1.1 Lịch sử công trình cầu gỗ 4

1.2 Thực trạng áp dụng vật liệu gỗ trong công trình cầu trên thế giới và tại Việt Nam và trên thế giới 5

1.3 Vật liệu gỗ 6

1.3.1 Hình thái học và cấu trúc vi mô của gỗ 6

1.3.2 Nhóm gỗ 8

1.3.3 Tính chất cơ lý-học của gỗ 9

1.3.4 Mô hình ứng xử cơ học của gỗ 11

1.4 Kết cấu gỗ liên hợp nhiều lớp 14

1.4.1 Khái niệm kết cấu dầm gỗ liên hợp nhiều lớp 14

1.4.2 Phân loại dầm gỗ liên hợp nhiều lớp 15

1.5 Kết cấu liên hợp gỗ - bê tông 16

1.5.1 Tổng quan về kết cấu liên hợp gỗ - bê tông 16

1.5.2 Các nghiên cứu mới về kết cấu gỗ- bê tông và công trình thực tế 18

1.5.3 Thiết kế kết cấu liên hợp gỗ- bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode-5 20

1.6 Vật liệu bê tông 21

1.7 Thiết kế công trình cầu theo tiêu chuẩn Eurocode 21

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM GỖ ĐỊA PHƯƠNG 25

2.1 Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm 25

2.2 Thí nghiệm uốn 4 điểm 26

2.3 Kết quả thí nghiệm 27

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH CẦU GỖ 33

3.2.2 Mô hình đàn hồi – dẻo Concrete Damage Plasticity Model (CDPM) cho vật

liệu bê tông 36

3.3 Mô hình cầu liên hợp gỗ- bê tông 42

3.3.1 Xây dựng mô hình cầu gỗ liên hợp 43

3.3.2 Đặc tính cơ học của vật liệu sử dụng 47

3.3.3 Tải trọng tác dụng 48

3.3.4 Phân tích mô hình 50

3.4 Kiểm tra ứng suất của tiết diện dầm gỗ liên hợp theo Eurocode 52

3.5 Kết luận 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cầu gỗ cổ đại 4

Hình 1.2 Dầm liên hợp gỗ nhiều lớp, sử dụng keo dán 5

Hình 1.3 Dầm vòm kích thước lớn dạng liên hợp gỗ, sử dụng keo dán 5

Hình 1.4 Mộng liên kết răng cưa đối đầu 6

Hình 1.5 Thân cây gỗ lá kim và cây gỗ lá bản 6

Hình 1.6 Mô tả cấu trúc gỗ lá kim 7

Hình 1.7 Mô tả cấu trúc gỗ lá bản 7

Hình 1.8 Cấu tạo chung các lớp của tế bào gỗ 8

Hình 1.9 Ba mặt cắt đặc trưng 12

Hình 1.10 Dầm liên hợp gỗ nhiều lớp bằng keo dán (GLT) 15

Hình 1.11 Dạng kết cấu liên hợp gỗ -bê tông điển hình 17

Hình 1.12 Các thí nghiệm dầm liên hợp gỗ nguyên cây với bê tông với các dạng liên kết chống cắt khác nhau của Carlos Martins et al.[21] 18

Hình 1.13 Mô hình phần tử hữu hạn 3D cho liên kết chốt của kết cấu gỗ- bê tông : (a) thí nghiệm ; (b) mô hình số [16] 19

Hình 1.14 Chi tiết cấu tạo cầu Resgia, Thụy Sĩ 19

Hình 1.15 Mô hình tải trọng 22

Hình 1.16 Mô hình tải trọng xe tải tandem cho kiểm tra cục bộ 23

Hình 1.17 Bố trí tải trọng cho mô hình 2 23

Hình 2.1 Thiết bị đo độ ẩm của gỗ 25

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm uốn 4 điểm 26

Hình 2.3 Thí nghiệm uốn 4 điểm và vị trí các cảm biến lực, chuyển vị 26

Hình 2.4 Phá hoại dầm gỗ (phần 1) 27

Hình 2.5 Phá hoại của dầm gỗ (phần 2) 28

Hình 2.6 Đường cong Lực-Chuyển vị giữa nhịp của các dầm gỗ thông 29

Hình 2.7 Đường cong Lực- Chuyển vị giữa nhịp của các dầm gỗ xoan 29

Hình 2.8 Đường cong Lực-Chuyển vị giữa nhịp của các dầm gỗ mỡ.Mô đun đàn hồi Em,global và cường độ uốn fm của dầm được xác định lần lượt theo các công thức sau: 30 Hình 2.9 Vị trí các điểm tính toán trên đường cong Lực- Chuyển vị giữa nhịp 31

Hình 3.1 Mô hình phần tử hữu hạn (Abaqus) 34

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm theo tiêu chuẩn EN 408 [26] 34

Hình 3.3 Điều kiện biên của mô hình số 35

Hình 3.4 Kết quả phân bố ứng suất của mô hình phần tử hữu hạn 35 Hình 3.5 So sánh đường cong Lực/Chuyển vị giữa mô hình số và thực nghiệm- dầm gỗ

Hình 3.8 Đường cong ứng suất-biến dạng của bê tông: (a)- ứng xử kéo; (b) - ứng xử

nén 38

Hình 3.9 Ứng xử cơ học phá hoại nén, kéo của bê tông 40

Hình 3.10 Mô hình 3d mẫu bê tông thí nghiệm (Abaqus) 40

Hình 3.11 Điều kiện biên áp dụng cho mô hình 3d – bê tông 41

Hình 3.12 Phân bố ứng suất trong mô hình tính toán của mẫu bê tông 41

Hình 3.13 So sánh giữa đường cong của mô hình số và thực nghiệm 42

Hình 3.14 Mô hình tổng thể cầu liên hợp gỗ - bê tông 43

Hình 3.15 Mặt cắt ngang cầu liên hợp gỗ- bê tông 44

Hình 3.16 Cốt thép bản mặt cầu – cầu liên hợp gỗ- bê tông 44

Hình 3.17 Bố chí thanh chốt chống cắt, liên kết dầm gỗ và bản mặt cầu 45

Hình 3.18 Phần tử C3D8R áp dụng cho bản mặt cầu và các phiến dầm gỗ 46

Hình 3.19 Phần tử T3D2 áp dụng cho thép bản mặt cầu và các thanh chốt chống cắt 46 Hình 3.20 Tải trọng xe hai trục phân bố trên các diện tích bánh xe 0,4x0,4m2 48

Hình 3.21 Tải trọng làn phần xe chạy 9 kN/m2 49

Hình 3.22 Tải trọng bộ hành 5kN/m2 49

Hình 3.23 Tải trọng bản thân kết cấu 50

Hình 3.24 Phân bố ứng suất trên toàn bộ phần tử của mô hình cầu 51

Hình 3.25 Phân bố chuyển vị trên toàn bộ cầu 52

Hình 3.26 Đường cong F-u của độ trượt trong liên kết 53

Hình 3.27 Vị trí trục trung hòa của tiết diện liên hợp gỗ- bê tông 53

Hình 3.28 Bề rộng bản cánh hữu hiệu 55

Hình 3.29 Phân bố ứng suất trên mặt cắt liên hợp 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc tính cơ lý của một số loại gỗ thông dụng (* ở độ ẩm H=12%) [2] 9

Bảng 1.2 Phân loại gỗ theo cường độ chịu uốn [6] 10

Bảng 1.3 Quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơ học [5] 10

Bảng 1.4 Bảng phân loại dầm liên hợp gỗ nhiều lớp đồng nhất (đơn vị cường độ, mô đun: N/mm2; đơn vị khối lượng riêng: kg/m3) 15

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật cầu Resgia (Thụy sĩ) 20

Bảng 1.6 Giá trị giới hạn của độ võng dầm [7-8] 21

Bảng 1.7 Số làn xe và bề rộng một làn xe theo tiêu chuẩn Eurocode 21

Bảng 1.8 Giá trị tải trọng xe tải Tandem 22

Bảng 1.9 Tổ hợp tải trọng cầu bộ hành 24

Bảng 2.1 Kết quả tính toán cường độ và mô đun đàn hồi của gỗ Thông 31

Bảng 2.2 Kết quả tính toán cường độ và mô đun đàn hồi của gỗ Xoan 31

Bảng 2.3 Kết quả tính toán cường độ và mô đun đàn hồi của gỗ Mỡ 32

Bảng 2.4 Giá trị cường độ nén, kéo dọc thớ của các loại gỗ (Đơn vị: MPa) 32

Bảng 3.1 Các chỉ số cơ học đàn hồi- dẻo của gỗ 47

Bảng 3.2 Các chỉ số dẻo của bê tông 48 Bảng 3.3 Giá trị mô đun trượt Kser (N/mm) của các dạng liên kết cho gỗ với gỗ[11].54

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu gỗ được sử dụng trong các công trình dân dụng, tín ngưỡng từ nhiều thế kỉ trước Các kết cấu này được tìm thấy ở những ngôi nhà cổ hay nhưng ngôi đình, chùa

ở các địa phương Do tính hạn chế của vật liệu gỗ khi sử dụng ngoài trời, cùng với kích thước giới hạn của thân cây gỗ, mà vật liệu gỗ ngày càng ít được sử dụng và dần

bị thay thế bởi các vật liệu nhân tạo như bê tông, thép Vai trò của vật liệu gỗ bị mai một, điều này gây ra tác động tiêu cực về ý thức duy trì nguồn gỗ, nó thể hiện bằng việc khai thác rừng quá mức so với việc trồng rừng

Ngày nay các nước tiên tiến đã bắt đầu quan tâm và phát triển mạnh kết cấu và vật liệu

gỗ trong xây dựng công trình, nhằm thay thế một phần sự phụ thuộc vào các vật liệu hóa thạch (đá, thép), đây là nguồn tài nguyên không thể phục hồi Trong khi đó, gỗ là nguồn tài nguyên tái sinh, việc trồng rừng tạo ra môi trường xanh, cùng với chế tài khai thác gỗ hợp lý, điều này giúp duy trì một môi trường xanh Hơn nữa các công trình xây dựng bằng gỗ có mức khí thải thấp hơn nhiều lần so với các công trình thép hay bê tông Điều đó góp phần chống biến đổi khí hậu tích cực

Bài toán khó đặt ra cho các nhà khoa học, đó là làm sao áp dụng được vật liệu gỗ trong các công trình xây dựng mà kết cấu đòi hỏi khả năng chịu tải và vượt nhịp lớn Các nghiên cứu trong các thập niên gần đây đã đạt được những thành tích đáng kể Kết cấu

gỗ hiện đại có thể vượt được nhịp đến 60m, đó là kết cấu gỗ liên hợp dán nhiều thớ Mặt khác gỗ được kết hợp với các vật liệu khác như bê tông, tạo ra kết cấu liên hợp, phát huy tối đa tính năng của từng loại vật liệu Công nghệ xử lý gỗ được phát triển giúp tăng khả năng áp dụng gỗ ở điều kiện ngoài trời Các nghiên cứu này chứng minh rằng kết cấu gỗ hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của công trình hiện đại

Trong lĩnh vực công trình giao thông, kết cấu gỗ đã được sử dụng cho xây dựng cầu nhịp lớn và các cầu nhỏ dành cho người đi bộ Tại Việt Nam, nhiều địa phương có sẵn vật liệu gỗ tại chỗ, tuy nhiên các công trình cầu bằng gỗ còn rất hạn chế

Xuất phát từ các vấn đề đó cùng với sự đồng ý của khoa Công trình, Trường Đại học Thủy Lợi, cũng như sự giúp đỡ và định hướng của Thầy TS Trần Văn Đăng, thầy TS Lương Minh Chính, học viên đã lựa chọn luận văn: “Nghiên cứu sử dụng vật liệu gỗ địa phương trong thiết kế các công trình cầu nhỏ tại Việt Nam”

2 Mục đích của Đề tài

Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu gỗ trong các công trình cầu nhỏ, như là cầu gỗ dành cho người đi bộ và cầu liên hợp gỗ- bê tông cho xe cơ giới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các đối tượng nghiên cứu bao gồm

 Vật liệu và kết cấu gỗ

 Tiêu chuẩn thiết kế cầu Eurocode

Phạm vi nghiên cứu là các công trình cầu nhỏ có nhịp dưới 10m và rộng không quá 5m

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên các kết quả đã đạt được từ các công trình khoa học đã công bố về vật liệu và kết cấu gỗ, đề xuất các giải pháp thiết kế cầu phù hợp với năng lực chế tạo cũng như điều kiện địa phương cho phép

Sử dụng các tiêu chuẩn tính toán mới như là Eurocode

Sử dụng các phần mềm tính toán nâng cao theo phương pháp phần tử hữu hạn như là phần mềm ABAQUS

5 Cấu trúc luận văn

Cấu trúc của luận văn bao gồm:

 Chương 1: Tổng quan về kết cấu gỗ và thiết kế cầu gỗ

 Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm dầm gỗ địa phương

 Kết luận và kiến nghị

 Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GỖ VÀ THIẾT KẾ CẦU GỖ

1.1 Lịch sử công trình cầu gỗ

Gỗ đã được sử dụng từ thời kỳ đồ đá mới cho vượt sông Người ta ước tính rằng các khúc gỗ được đặt bằng phẳng và được phủ bằng sàn ở đó 17.000 năm trước đã tạo thành những cây cầu đầu tiên ở gỗ, tuy nhiên nhịp được giới hạn ở khoảng mười mét Các cây cầu nhịp ngắn để vượt qua một nhành sông Nile cách đây 2000 đến 3000 năm

đã được ghi chép trong các tài liệu của Herodotus Một cây cầu được hoàn thành ở Babylon vào năm 783 trước Công nguyên được tìm thấy trong tài liệu chi tiết nhất Nói chung, trong thời cổ đại, tiến bộ kỹ thuật trong sử dụng kết cấu gỗ là do đóng tàu, đặc biệt là của người Ai Cập , người Hy Lạp Quân đội của các đế chế lục địa sử dụng

xà lan nổi làm giá đỡ trung gian Chúng ta có thể trích dẫn cây cầu Darius trên eo biển Bosphorus thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên

Hình 1.1 Cầu gỗ cổ đại Người La Mã đã phát triển các cấu trúc mới phức tạp hơn với các cụm, đặc biệt là cầu nạng, dầm và vòm Trong số, chúng ta có thể trích dẫn cây cầu Trajan trên sông Danubecó niên đại từ 103 và vượt qua 1.100m mỗi nhịp 35m

Ở châu Á, có những cây cầu thuyền và nhiều các loại cầu có dầm, chân hoặc vòm, cũng như của những giao cắt bằng cầu treo đến dây leo Ở đảo Java, kỹ thuật cầu treo

có niên đại từ thời cổ đại Kỹ thuật của mố trụ búa cũng được phát triển ở châu Á

1.2 Thực trạng áp dụng vật liệu gỗ trong công trình cầu trên thế giới và tại Việt Nam và trên thế giới

Kết cấu gỗ thực sự phát triển vượt bậc trong giai đoạn chiến tranh thế giới thứ 2 1945) Do yêu cầu chế tạo các cây cầu tạm, phục vụ vận chuyển hàng hóa, vật liệu gỗ được ưu tiên do mang tính địa phương, dễ tìm và có sẵn Rất nhiều kỹ thuật tiến tiến trong chế tạo kết cấu gỗ được phát minh, trong đó phải kể đến là kết cấu liên hợp gỗ nhiều lớp, liên kết bằng keo dán Loại kết cấu này giúp tăng nhịp và kích thước cho các kết cấu gỗ, vốn dĩ bị hạn chế bởi kích thước của thân cây gỗ tự nhiên Hình dưới đây giới thiệu kết cấu gỗ liên hợp nhiều lớp, sử dụng keo dán

(1939-Hình 1.2 Dầm liên hợp gỗ nhiều lớp, sử dụng keo dán Ngày nay các dầm có nhịp đến 60 m đã được chế tạo và sử dụng cho các công trình nhịp lớn, như công trình cầu trong giao thông Các dạng dầm vòm được ưu tiên nhằm tạo dạng kết cấu phù hợp sơ đồ chịu lực của công trình nhịp lớn

Phiến gỗ

Keo dán

Ngoài ra kết cấu gỗ ghép còn giúp loại bớt những khuyết tật có sẵn của cây gỗ bằng kỹ thuật ghép mộng răng cưa đối đầu (Hình 1.4)

Hình 1.4 Mộng liên kết răng cưa đối đầu Hiện nay kết cấu gỗ đang dần có mặt trong các công trình ở Việt Nam, tuy nhiên, rất ít xuất hiện trong các công trình nhịp lớn, như công trình cầu Các nghiên cứu về kết cấu

gỗ còn rất hạn chế và chưa có một hướng rõ ràng

1.3 Vật liệu gỗ

1.3.1 Hình thái học và cấu trúc vi mô của gỗ

Gỗ được chia làm hai loại: gỗ lá kim thuộc họ cây hạt trần, tên khoa học là gymnospermes và gỗ lá bản thuộc họ cây hạt kín, có tên khoa học là angiospermes Các loại gỗ lá kim phổ biến như là gỗ thông, gỗ tùng, gỗ xoan và các loại gỗ lá bản như là gỗ sồi, dẻ, bạch đàn (Hình 1.5)

Hình 1.5 Thân cây gỗ lá kim và cây gỗ lá bản [7]

Hình 1.6 Mô tả cấu trúc gỗ lá kim [7]

Gỗ lá kim được cấu tạo từ các mạch, có hình dạng tổ ong giống nhau Nó giúp truyền nhựa trong thân cây và nuôi cây phát triển Ngoài ra các mạch này giúp hình thành cấu trúc thân cây, và đứng vững

Gỗ lá bản bao gồm từ rất nhiều loại tế bào có hình dạng thay đổi, hoàn toàn khác so với gỗ lá kim (Hình 1.7)

Tế bào gỗ rất khác nhau Từ ngoài vào trong bao gồm vách đầu tiên và vách thứ hai Vách thứ 2 chia làm ba lớp Lớp đầu tiên ngoài cùng S1 là các vi thớ, nghiêng góc 60° đến 80° so với với thớ dọc Lớp giữa S2 gồm các vi thớ xếp đặc, có góc nghiêng từ 5° đến 30° so với thớ dọc Chiều dày của lớp này chiếm đến 85% chiều dày của toàn bộ vách thứ 2 Thớ S2 có vai trò quyết định ứng xửcơ lý của loại gỗ Thớ trong cùng S3

 Nhóm II: Nhóm gỗ nặng, cứng, có tỷ trọng lớn và sức chịu lực cao

 Nhóm III: Nhóm gỗ nhẹ và mềm hơn nhóm II và nhóm I, nhưng cũng có sức bền, sức chịu lực cao và độ dẻo dai lớn

 Nhóm IV: Nhóm gỗ có thớ mịn, tương đối bền, dễ gia công chế biến

 Nhóm V: Nhóm gỗ trung bình, có tỷ trọng trung bình, dùng rộng rãi trong xây dựng, đóng đồ đạc

 Nhóm VI: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu đựng kém, dễ bị mối mọt nhưng bù lại rất dễ chế biến

 Nhóm VII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực kém, sức chống mối mọt

 Nhóm VIII: Nhóm gỗ nhẹ, sức chịu lực rất kém, khả năng bị mối mọt cao

1.3.3 Tính chất cơ lý-học của gỗ

Gỗ là vật liệu tự nhiên, các tính chất cơ lý –học của gỗ phụ thuộc vào loại gỗ, khối lượng riêng, độ ẩm và môi trường sống của gỗ Bảng 1.1 mô tả một số đặc tính cơ lý của các loại gỗ thông dụng

Bảng 1.1 Đặc tính cơ lý của một số loại gỗ thông dụng (* ở độ ẩm H=12%) [2]

Thông rừng

Thông biển

Linh sam Khối lượng

0,44±0,

0,44±0,07

Trung bình

Trung bình

Trung bình

Trung bình

Trung bình đến khá

Trung bình

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1072:1971 [3], phân loại gỗ địa phương theo tính chất cơ

lý của từng loại gỗ Tuy nhiên tiêu chuẩn đã được thực hiện từ năm 1971, và chưa được cập nhật mới Ngoài ra, hai tiêu chuẩn mới TCVN 8164: 2015 [4], TCVN 8574:

2010 [5] đã được thiết lập cho phân hạng kết cấu gỗ theo độ bền Tiêu chuẩn Châu Âu

EN 338 [6] phân loại gỗ lá kim thành 12 loại từ C14 đến C50 tương ứng với cường độ chịu uốn tương ứng từ 14MPa đến 50MPa Gỗ lá bản được phân loại từ D18 đến D70 tương ứng với cường độ chịu uốn từ 18 MPa đến 70 MPa (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Phân loại gỗ theo cường độ chịu uốn [6]

Bảng 1.3 Quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơ học [5]

1030 / 0.65 0,920 636 1910





14400  / 0, 65 0,917 13000 41700





1260 / 0, 65 0,900 1861 2080





Trong đó:

 H: Độ ẩm của gỗ

 0: Khối lượng riêng của gỗ ứng với độ ẩm 12%

 : Khối lượng riêng của gỗ ứng với độ ẩm thực tế

 Sij: Mô đun đàn hồi trong mặt phẳng ij (i; j = 1  6)

 E: Mô đun đàn hồi dọc thớ

 G: Mô đun đàn hổi trượt

 R: Phương sai

 B: Hệ số không đổi

Guitard 1987 [7] đưa ra mối quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơ học của nó (Bảng 1.3) Nghiên cứu được thực hiện trên các loại gỗ lá kim có trọng lượng riêng trung bình là 450 kg/m3 và các loại gỗ lá bản có trọng lượng riêng trung bình là 650 kg/m3

1.3.4 Mô hình ứng xử cơ học của gỗ

Ứng xử cơ học của gỗ phụ thuộc vào thớ làm việc của gỗ, do gỗ là một vật liệu đa hướng Ngoài ra các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, tải trọng tác động cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của gỗ Ứng xử cơ học của gỗ rất phức tạp, có thể giả thiết dưới các dạng mô hình như : đàn hồi, dẻo, đàn nhớt, cơ học hấp thu

Ứng xử cơ học của gỗ được xem xét ở ba mặt cắt đặc trưng (Hình 1.9) Mặt cắt hướng tâm (LR) là mặt phẳng cắt qua lõi cây

 Mặt cắt ngang (RT) là mặt phẳng vuông góc với thân cây

 Mặt cắt tiếp tuyến (LT) là mặt phẳng song song và không cùng tâm với trục của cây gỗ

Trong đó các kí hiệu L thể hiện trục dọc thớ, R là trục hướng tâm và T là trục tiếp tuyến

Hình 1.9 Ba mặt cắt đặc trưng

Thân cây gỗ được lý tưởng hóa bởi hệ trục tọa độ tổng thể (0,e1,e2,e3), trong đó e3 là trục của thân cây gỗ Mỗi điểm P nằm trong hệ tọa độ cực địa phương (P,er,eθ,ez), có tọa độ (r, θ, z)

Trong đó P’ là hình chiếu của P trong mặt phẳng (O, e1, e2)

Ứng xử cơ học đàn hồi tuyến tính của một môi trường liên tục thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần ứng suất và biến dạng, được mô tả bởi định luật Hook:

C S lần lượt là ten-xơ bậc bốn của mô đun đàn hồi và mô đun mềm

Đối với vật liệu gỗCijkl;S phụ thuộc vào tính tự nhiên của vật liệu, cũng như nhiệt độ ijkl

và độ ẩm

Để đơn giản trong kí hiệu, các đại lượng đàn hồi được đặt như sau:

 Đối với biến dạng:

Gỗ đạt trạng thái chảy dẻo ngay khi ứng suất đạt giá trị tới hạn σe, hay được gọi là giới hạn đàn hồi, được thể hiện qua tiêu chuẩn chảy dẻo fp

1.4 Kết cấu gỗ liên hợp nhiều lớp

Ngày nay, kết cấu gỗ liên hợp (Glued Laminated Timber (GLT)), được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, tại nhiều quốc gia, do có được những ưu thế vượt trội so với gỗ nguyên khối, cả về khả năng chịu tải và mức độ thích nghi với môi trường

Phần này giới thiệu những khái niệm chung về kết cấu GLT, phân loại kết cấu GLT theo tiêu chuẩn Eurocode 5 và những áp dụng của kết cấu GLT trong công trình cầu 1.4.1 Khái niệm kết cấu dầm gỗ liên hợp nhiều lớp

Dầm GLT là một kết cấu gồm nhiều lớp gỗ được dán chồng lên nhau bằng keo Mỗi lớp gỗ lại là một tổ hợp nhiều tấm gỗ có kích thước ngắn hơn được ghép dán đối đầu với nhau bằng mộng răng lược (finger joint) Độ dày của mỗi phiến gỗ tối đa là 45mm Chiều dài dầm GLT có thể đạt tới 40m, chiều cao dầm có thể đạt 2,5m và chiều rộng nhỏ nhất phải đạt 1/10 chiều cao Dầm có thể được chế tạo dưới dạng dầm thẳng hoặc dầm cong

Hình 1.10 Dầm liên hợp gỗ nhiều lớp bằng keo dán (GLT) Dầm GLT đã được chuẩn hóa bằng bộ tiêu chuẩn EN14080 [9], nhằm phục vụ tính toán, thiết kế Song song với đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phát triển loại kết cấu này

1.4.2 Phân loại dầm gỗ liên hợp nhiều lớp

Dầm liên hợp gỗ nhiều phiến, sử dụng các lớp gỗ cùng loại, có cường độ tương đương, được phân thành 7 loại dầm như trong bảng sau [9]:

Bảng 1.4 Bảng phân loại dầm liên hợp gỗ nhiều lớp đồng nhất (đơn vị cường độ, mô

đun: N/mm2; đơn vị khối lượng riêng: kg/m3)

Tính chất

cơ học

Ký hiệu

GL 20h

GL 22h

GL 24h

GL 26h

GL 28h

GL 30h

GL 32h Cường độ

 E0,mean: Mô đun đàn hồi dọc thớ

 E90,mean: Mô đun đàn hồi ngang thớ

 Gmean: Mô đun đàn hồi trượt

1.5 Kết cấu liên hợp gỗ - bê tông

1.5.1 Tổng quan về kết cấu liên hợp gỗ - bê tông

Kết cấu liên hợp gỗ- bê tông đã được phát minh cách đây khoảng gần 100 năm Các kết cấu dạng sàn đã được sử dụng cho các công trình dân dụng và công trình cầu giao thông Một trong các dự án đầu tiên được thực hiên bởi McCoullough năm 1943 Ông

đã thực hiện các thí nghiệm, gọi là «Oregon tests» trên các dầm liên hợp gỗ- bê tông trong dự án giảm chi phí các công trình cầu nhịp ngắn của Sở đường bộ Oregon (Mỹ) Tại châu âu, dạng kết cấu này đã được phát triển khi cải tạo lại các công trình sử dụng kết cấu gỗ, hoặc trong các công trình làm mới Một trong các dự án nổi bật nhất được thực hiện bởi Natterer năm 1996 [10], trong đó ông sử dụng một hệ thống các tấm đinh liên kết cho các sàn liên hợp của các công trình nhà nhiều tầng Hướng nghiên cứu lớn nhất được tập trung vào các dạng của liên kết chống cắt, được sử dụng cùng với bê tông thông thường và dầm gỗ nhiều thớ dán hoặc dầm nguyên khối Tuy nhiên khá ít nghiên cứu thực hiện theo hướng vật liệu khác nhau

Dạng phổ biến nhất của kết cấu gỗ- bê tông đó là bản bê tông được ngàm vào phần đỉnh của dầm gỗ với các liên kết chống cắt nhổ (Hình 1.11) Trong kết cấu liên hợp, bản bê tông chịu nén, dầm gỗ chịu kéo, uốn, và liên kết chống cắt chịu lực cắt trượt giữa hai thành phần bản bê tông và dầm gỗ

Hình 1.11 Dạng kết cấu liên hợp gỗ -bê tông điển hình

Ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này khi so sánh với kết cấu gỗ thông thường đó là cường độ chịu tải và độ cứng Nó giúp giảm độ võng khi chịu tải, cải thiện khả năng giảm tiếng ồn và chịu lửa Tải trọng bản thân của kết cấu có thể giảm tới 50% khi so sánh với kết cấu bê tông cốt thép

Liên kết chống cắt là một chỉ số quan trọng, nó ảnh hưởng lớn tới sức kháng tổng thể của dầm Do đó liên kết cần được thiết kế đủ cứng và đủ khỏe để tối ưu khả năng liên hợp Độ trượt giữa bản bê tông và dầm gỗ ảnh hưởng lớn tới ứng xử cơ học của kết cấu liên hợp

Các chỉ dẫn tính toán cho liên kết chống cắt được quy định trong tiêu chuẩn Eurocode

5 phần 1-1 (EN 1995-1-1:2004) [11] Các chỉ dẫn thiết kế cho kết cấu liên hợp gỗ- bê tông được trình bày trong Eurocode 5 phần 2 (EN 1995-1-2:2004) [12]

Mặc dù có rất nhiều ưu điểm, song việc sử dụng bê tông tươi cũng có nhưng hạn chế như sau:

 Ảnh hưởng do co ngót trong quá trình đông cứng của bê tông và hiện tượng từ biến trong bê tông cũng gây ra các biến dạng cục bộ và bất lợi cho dầm

 Các công tác bê tông cũng làm tăng thời gian thi công và giá thành công trình

 Tấm cách ly giữa bê tông và phần dầm gỗ nhằm ngăn sự xâm nhập hơi ẩm vào gỗ, cũng làm giảm liên kết giữa gỗ và bê tông

1.5.2 Các nghiên cứu mới về kết cấu gỗ- bê tông và công trình thực tế

Một số lượng đồ sộ các nghiên cứu tập trung vào phân tích thực nghiệm ứng xử của liên kết chống cắt, nhằm đánh giá sự làm việc của các loại khác nhau, cuối cùng tối ưu

và phát triển sức kháng tổng thể của dầm liên hợp qua thiết kế hợp lý liên kết chốngcắt [13-20]

Hình 1.12 Các thí nghiệm dầm liên hợp gỗ nguyên cây với bê tông với các dạng liên

kết chống cắt khác nhau của Carlos Martins et al.[21]

Hình 1.12 thể hiện các thí nghiệm của Carlos Martins cùng các cộng sự về ảnh hưởng của liên kết chống cắt tới sức kháng tổng thể của dầm liên hợp Trong đó liên kết dạng chốt cho sức kháng uốn lớn nhất (13,2MPa), liên kết đinh vít và thanh xiên cho sức kháng như nhau (12,1 MPa)

Một số nghiên cứu hướng tới sử dụng các vật liệu gia cường như lưới sợi thủy tinh nhằm tăng cường khả năng chịu kéo khi uốn của dầm gỗ, từ đó nâng cao sức kháng tổng thể của dầm liên hợp [15]

Song song với các hướng nghiên cứu thực nghiệm là hướng nghiên cứu theo phương pháp số Các mô hình số phần tử hữu hạn được xây dựng nhằm dự báo ứng xử cục bộ

và tổng thể của kết cấu A Dias [16] và các cộng sự đã xây dựng thành công mô hình

3D có thể dự báo ứng xử của liên kết chốt cho kết cấu liên hợp gỗ - bê tông (Hình 1.13)

Hình 1.13 Mô hình phần tử hữu hạn 3D cho liên kết chốt của kết cấu gỗ- bê tông : (a)

thí nghiệm ; (b) mô hình số [16]

Hình 1.14 Chi tiết cấu tạo cầu Resgia, Thụy Sĩ Kết cấu liên hợp gỗ- bê tông đã được áp dụng rộng rãi trong các công trình thực tế, đặc biệt là công trình cầu Trường hợp sau đây là một ví dụ Cầu Resgia (Thụy Sĩ) là cầu liên hợp gỗ - bê tông sử dụng bản mặt cầu bê tông, chịu phần tải trọng nén Nhịp chính cấu tạo dạng dầm vòm, kết hợp với các chi tiết dầm dọc, dầm ngang và cột chống gỗ Yêu cầu chiều dày tối thiểu của bản mặt cầu bê tông phải không nhỏ hơn 22 cm Tỉ lệ giữa chiều cao và chiều rộng giới hạn là 5

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật cầu Resgia (Thụy sĩ)

Bản mặt cầu

Lớp chế tạo trước dày (cm)

Lớp đổ tại chỗ dày (cm) 6 16

1.5.3 Thiết kế kết cấu liên hợp gỗ- bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode-5

Theo tiêu chuẩn Eurocode-5 [11-12], thiết kế kết cấu liên hợp gỗ- bê tông cần phải thỏa mãn hai trạng thái, trạng thái giới hạn cường độ TTGHCĐvà trạng thái giới hạn

sử dụng TTGHSD dưới tác dụng của tải trọng ngắn hạn và dài hạn TTGHCĐ là đánh giá ứng suất giới hạn của các vật liệu cấu thành kết cấu liên hợp như gỗ, bê tông và liên kết kháng cắt TTGHSD là kiểm tra độ võng cho phép

Eurocode-5 phần 1-1 [11], đưa ra một phương pháp đơn giản để tính toán các chỉ số cơ học của dầm liên hợp có liên kết dẻo, theo các chỉ dẫn sau :

 Dầm giản đơn có nhịp tính toán là L Đối với các dầm liên tục, các công thức được

sử dụng với chiều dài nhịp L bằng 0,8L, và 2 lần chiều dài đoạn mút thừa đối với dầm mút thừa

 Kết cấu gỗ thành phần có thể là gỗ nguyên khối hoặc là gỗ liên hợp có liên kết keo

 Các thành phần được liên kết với nhau bởi khóa chống cắt có mô đun trượt K

 Khoảng cách giữa các liên kết chống cắt là không đổi hoặc thay đổi theo lực cắt giữa hai giá trị smin và smax với smax≤4smin

Phương pháp này dựa trên lời giải của các phương trình vi phân của dầm với dạng liên hợp Phương pháp đơn giản này gọi là «γ-method», lần đầu tiên được giới thiệu trong nghiên cứu của Mohler K [22] Phương pháp này được chứng minh hiệu quả đối với dầm liên hợp

Theo Eurocode 5, giá trị độ võng tới hạn được quy định trong Bảng 1.6

Bảng 1.6 Giá trị giới hạn của độ võng dầm [7-8]

L: chiều dài tính toán của dầm

1.6 Vật liệu bê tông

Bê tông là hỗn hợp bao gồm đá, cát, xi măng, nước và các phụ gia Bê tông có tỉ trọng

là 2400 kg/m3, hệ số Poisson ν=0,2.Theo Eurocode 2 [23] bê tông được chia làm 14 loại, ứng với cường độ chịu nén từ 12 đến 90MPa Tiêu chuẩn Eurocode 2 [19] quy định các chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến kết cấu bê tông Mô hình vật liệu của bê tông được giả thiết theo mô hình phá hoại dẻo (Concrete Damage Plasticity Model), chi tiết

mô hình được thể hiện trong tài liệu [24]

1.7 Thiết kế công trình cầu theo tiêu chuẩn Eurocode

Phần này giới thiệu một số điểm quan trọng trong thiết kế cầu theo tiêu chuẩn Eurocode Tiêu chuẩn Eurocode sẽ được sử dụng cho các trường hợp nghiên cứu trong phần cuối của luận án

Theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode EN1991.2-2003 [25], số làn xe và bề rộng mỗi làn được quy định trong bảng sau:

Bảng 1.7 Số làn xe và bề rộng một làn xe theo tiêu chuẩn Eurocode

Bề rộng phần xe chạy w (m) Số làn xe Bề rộng một làn xe

 Mô hình tải trọng 1: Gồm hai thành phần:

Tải trọng tập trung của 2 trục xe tandem: một trục xe có tải trọng là αQ Qk, trong đó tải trọng một bánh xe 0,5 αQ Qkđược đặt trên một diện tích 0.4x0.4 m2

Tải phân bố đều: αq qk

αQ và αq: hệ số điều chỉnh tải trọng, không nhỏ hơn 0,8 Trong nghiên cứu này giá trị

Khoảng cách hai trục xe là 1.2m; bề rộng làn xe w=3m

Đối với các kiểm tra cục bộ, mô hình tải trọng 1 được bố trí như trong hình sau:

Hình 1.16 Mô hình tải trọng xe tải tandem cho kiểm tra cục bộ

 Mô hình tải trọng 2: gồm một trục xe đơn có tải trọng βQQak với Qak có giá trị bằng 400 kN, trong đó bao gồm cả tác dụng xung kích của xe Tải trọng này được áp dụng cho một số vị trí trên phần xe chạy Tuy nhiên, trường hợp thích hợp là chỉ sử dụng một trục xe Hệ số βQ được đề nghị lấy bằng giá trị của αQ Mô hình tải trọng 2 được bố trí như hình sau:

Hình 1.17 Bố trí tải trọng cho mô hình 2

 Mô hình tải trọng 4: Tải trọng làn có giá trị 5 kN/m2 Tải trọng làn phải được đặt trong môt mô hình tải trọng, có kể đến tác động xung kích của xe

Trường hợp thiết kế cầu bộ hành:

Tải trọng đứng bao gồm: Tải phân bố đều qfk (5 kN/m2); Tải tập trung Qfwk (10 kN trên 0.1x0.1m2 – áp dụng cho kiểm tra cục bộ) và Tải trọng phục vụ Qserv (xe cứu thương,

xe cứu hỏa, theo yêu cầu của dự án)

Tải trọng ngang: được đặt ở phần bản mặt cầu Giá trị tải trọng ngang tối thiểu được lấy như sau:

10% giá trị tải trọng phân bố (10%*5kN/m2)

Hoặc 60% giá trị tải trọng tập trung (60%*10 kN)

Bảng 1.9 Tổ hợp tải trọng cầu bộ hành

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM GỖ ĐỊA

PHƯƠNG

2.1 Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm

Dầm được cắt và sấy tại kho, nhằm giới hạn độ ẩm của dầm Sau đó các dầm được chuyển đến và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cơ học, trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội, tại địa chỉ 55 Giải Phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội

Các dầm gỗ thông đã được cắt và bào nhẵn theo kích thước thiết kế, với chiều dài là 0,91 m, mặt cắt là 45x70 mm2 Các dầm gỗ được duy trì trong phòng ở nhiệt độ khoảng 20°C và độ ẩm không khí 65% Độ ẩm trong gỗ đo được trong khoảng từ 12 đến 15% Số lượng dầm được chế tạo là 12 dầm Trọng lượng riêng của gỗ được xác định khoảng 450-500 kg/m3 Trong đó ba loại gỗ được nghiên cứu gồm gỗ thông, gỗ xoan và gỗ mỡ Mỗi loại gỗ trên được chế tạo 3 dầm và tổng số dầm được thí nghiệm

là 9 dầm

Hình 2.1 Thiết bị đo độ ẩm của gỗ

2.2 Thí nghiệm uốn 4 điểm

Các dầm gỗ được bố trí thí nghiệm uốn 4 điểm theo tiêu chuẩn Eurocode EN-408 [26]

Sơ đồ bố trí thí nghiệm thể hiện trong hình vẽ sau:

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm uốn 4 điểm

Thiết bị thí nghiệm là một máy nén dầu Sử dụng đối trọng là trọng lượng của sàn công tác Toàn bộ neo giữ của máy nén được bắt bu lông xuống sàn

Cảm biến lực và chuyển vị được kết nối và truyền dữ liệu trực tiếp về máy tính chủ Tốc độ gia tải được thiết lập là 10mm/phút, đảm bảo không có ảnh hưởng động của tải trọng

Hình 2.3 Thí nghiệm uốn 4 điểm và vị trí các cảm biến lực, chuyển vị

Vị trí đo chuyển vị (giữa dầm)