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

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 tố

HÀ NỘI, NĂM 2021

&PTNTTRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦYLỢI

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

HÀ NỘI, NĂM 2021

&PTNTTRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦYLỢI

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đượcthực 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 côngtrình cầu nhỏ tại Việt Nam” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Trần VănĐăng và TS Lương Minh Chính, Bộ Môn Công trình Giao thông, Trường Đại HọcThủy Lợi Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệQuốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số107.01-2019.1

Trước hết, tôi chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia đãtài 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 luậnvăn tốt nghiệp của mình

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

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 vànăng lực của mình, tuy nhiên khó tránh khỏi những sai sót Vì vậy, tôi rất mong nhậnđược sự góp ý, chỉ bảo của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp, đó sẽ là những góp ý quýgiá để tôi có thể hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu và công tác saunày

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤCHÌNHẢNH v

DANH MỤCBẢNGBIỂU vii

DANH MỤC CÁC TỪVIẾTTẮT viii

PHẦNMỞĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GỖ VÀ THIẾT KẾCẦUGỖ 4

1.1 Lịch sử công trìnhcầugỗ 4

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

1.3 Vậtliệugỗ 6

1.3.1 Hình thái học và cấu trúc vi môcủagỗ 6

1.3.2 Nhómgỗ 8

1.3.3 Tính chất cơ lý-họccủa gỗ 9

1.3.4 Mô hình ứng xử cơ họccủagỗ 11

1.4 Kết cấu gỗ liên hợpnhiềulớp 14

1.4.1 Khái niệm kết cấu dầm gỗ liên hợpnhiềulớp 14

1.4.2 Phân loại dầm gỗ liên hợpnhiềulớp 15

1.5 Kết cấu liên hợp gỗ -bêtông 16

1.5.1 Tổng quan về kết cấu liên hợp gỗ -bêtông 16

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

1.5.3 Thiết kế kết cấu liên hợp gỗ- bê tông theo tiêuchuẩnEurocode-5 20

1.6 Vật liệubê tông 21

1.7 Thiết kế công trình cầu theo tiêuchuẩnEurocode 21

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM GỖĐỊAPHƯƠNG 25

2.1 Chế tạo mẫu dầmthínghiệm 25

2.2 Thí nghiệm uốn4điểm 26

2.3 Kết quảthínghiệm 27

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNHCẦUGỖ 33

3.1 Mởđầu 33

3.2 Các mô hình vật liệu áp dụng và so sánh vớithựcnghiệm 33

3.2.1 Mô hình đàn hồi- dẻo theo tiêu chuẩn Hill cho vậtliệugỗ 33

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

liệubêtông 36

3.3 Mô hình cầu liên hợp gỗ-bêtông 42

3.3.1 Xây dựng mô hình cầu gỗliênhợp 43

3.3.2 Đặc tính cơ học của vật liệusửdụng 47

3.3.3 Tải trọngtác dụng 48

3.3.4 Phân tíchmôhình 50

3.4 Kiểm tra ứng suất của tiết diện dầm gỗ liên hợptheoEurocode 52

3.5 Kếtluận 59

KẾT LUẬN VÀKIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆUTHAMKHẢO 62

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cầu gỗcổđại 4

Hình 1.2 Dầm liên hợp gỗ nhiều lớp, sử dụngkeodán 5

Hình 1.3 Dầm vòm kích thước lớn dạng liên hợp gỗ, sử dụngkeodán 5

Hình 1.4 Mộng liên kết răng cưađốiđầu 6

Hình 1.5 Thân cây gỗ lá kim và cây gỗlábản 6

Hình 1.6 Mô tả cấu trúc gỗlákim 7

Hình 1.7 Mô tả cấu trúc gỗlábản 7

Hình 1.8 Cấu tạo chung các lớp của tếbàogỗ 8

Hình 1.9 Ba mặt cắtđặctrưng 12

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

Hình 1.11 Dạng kết cấu liên hợp gỗ -bê tôngđiểnhình 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 Martinsetal.[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 hìnhsố[16] 19

Hình 1.14 Chi tiết cấu tạo cầu Resgia,ThụySĩ 19

Hình 1.15 Mô hìnhtảitrọng 22

Hình 1.16 Mô hình tải trọng xe tải tandem cho kiểm tracụcbộ 23

Hình 1.17 Bố trí tải trọng cho môhình2 23

Hình 2.1 Thiết bị đo độ ẩmcủagỗ 25

Hình 2.2 Bố trí thí nghiệm uốn4điểm 26

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

Hình 2.4 Phá hoại dầm gỗ(phần1) 27

Hình 2.5 Phá hoại của dầm gỗ(phần2) 28

Hình 2.6 Đường cong Lực-Chuyển vị giữa nhịp của các dầmgỗthông 29

Hình 2.7 Đường cong Lực- Chuyển vị giữa nhịp của các dầmgỗxoan 29

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

Hình 3.1 Mô hình phần tử hữuhạn(Abaqus) 34

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm uốn 4 điểm theo tiêu chuẩn EN408[26] 34

Hình 3.3 Điều kiện biên của môhìnhsố 35

Hình 3.4 Kết quả phân bố ứng suất của mô hình phần tửhữuhạn 35

Hình 3.5 So sánh đường cong Lực/Chuyển vị giữa mô hình số và thực nghiệm- dầmgỗ .36

Hình 3.6 Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu dầm bê tông100x100x400mm 37

Hình 3.7 Đường cong thực nghiệm Lực/chuyển vị của các dầmbêtông 37

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 củabêtông 40

Hình 3.10 Mô hình 3d mẫu bê tông thínghiệm(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 mẫubêtông 41

Hình 3.13 So sánh giữa đường cong của mô hình số vàthựcnghiệm 42

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

Hình 3.15 Mặt cắt ngang cầu liên hợp gỗ-bêtông 44

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

Hình 3.17 Bố chí thanh chốt chống cắt, liên kết dầm gỗ và bảnmặtcầu 45

Hình 3.18 Phần tử C3D8R áp dụng cho bản mặt cầu và các phiếndầmgỗ 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 bánhxe0,4x0,4m2 48

Hình 3.21 Tải trọng làn phần xe chạy9kN/m2 49

Hình 3.22 Tải trọng bộhành5kN/m2 49

Hình 3.23 Tải trọng bản thânkếtcấu 50

Hình 3.24 Phân bố ứng suất trên toàn bộ phần tử của môhìnhcầu 51

Hình 3.25 Phân bố chuyển vị trên toànbộcầu 52

Hình 3.26 Đường cong F-u của độ trượt trongliênkết 53

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

Hình 3.28 Bề rộng bản cánhhữuhiệu 55

Hình 3.29 Phân bố ứng suất trên mặt cắtliênhợp 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

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

Bảng 1.3 Quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơhọc [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 lượngriêng:kg/m3) 15

Bảng 1.5 Thông sốkỹthuật cầu Resgia(Thụysĩ) 20

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

Bảng 1.7 Số làn xe và bề rộng một làn xe theo tiêuchuẩnEurocode 21

Bảng 1.8 Giá trị tải trọng xetảiTandem 22

Bảng 1.9 Tổ hợp tải trọng cầubộhành 24

Bảng 2.1 Kết quả tính toán cường độ và mô đun đàn hồi củagỗThông 31

Bảng 2.2 Kết quả tính toán cường độ và mô đun đàn hồi củagỗXoan 31

Bảng 2.3 Kết quả tính toán cường độ và mô đun đàn hồi củagỗMỡ 32

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

Bảng 3.1 Các chỉ số cơ học đàn hồi- dẻocủagỗ 47

Bảng 3.2 Các chỉ số dẻo củabêtông 48 Bảng 3.3 Giá trị mô đun trượt Kser (N/mm) của các dạng liên kếtchogỗ vớigỗ[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 kỉtrước 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 vớikích 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 maimột, điều này gây ra tác động tiêu cực về ý thức duy trì nguồn gỗ, nó thể hiện bằngviệc khai thác rừng quá mức so với việc trồngrừng

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 liệuhóa thạch (đá, thép),đâylà nguồn tài nguyên không thể phục hồi Trong khi đó, gỗ lànguồn tài nguyên tái sinh, việc trồng rừng tạo ra môi trường xanh, cùng với chế tàikhai thác gỗ hợp lý, điều này giúpduytrì một môi trường xanh Hơn nữa các công trìnhxây dựng bằng gỗ có mức khí thải thấp hơn nhiều lần so với các công trình thép hay bêtông Điều đó góp phần chống biến đổi khí hậu tíchcực

Bài toán khó đặt ra cho các nhà khoa học, đó là làm sao áp dụng được vật liệu gỗ trongcác công trình xây dựng mà kết cấu đòi hỏi khả năng chịu tải và vượt nhịp lớn Cácnghiên 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 triểngiúp tăng khả năng áp dụng gỗ ở điều kiện ngoài trời Các nghiên cứu này chứng minhrằng kết cấu gỗ hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của công trình hiện đại

Trong bối cảnh này, vật liệu và kết cấu gỗ cũng cần phải được quan tâm tới trong cáccông trình xây dựng tại Việt Nam Hiện nay, thị trường gỗ tại Việt Nam mới chỉ chútrọng tới các sản phẩm nội thất (bàn, ghê, tủ,…), mà rất ít được sử dụng trong các côngtrình xây dựng

Trong lĩnh vực công trình giao thông, kết cấu gỗ đã được sử dụng cho xây dựng cầunhịp lớn và các cầu nhỏ dành cho người đi bộ Tại Việt Nam, nhiều địa phương có sẵnvật 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 họcThủy 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 gỗđịa phương trong thiết kế các công trình cầu nhỏ tại Việt Nam”

2 Mục đích của Đềtài

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

3 Đối tượng và phạm vi nghiêncứu

Các đối tượng nghiên cứu bao gồm

 Vật liệu và kết cấugỗ

 Tiêu chuẩn thiết kế cầuEurocode

Phạm vi nghiên cứu là các công trình cầu nhỏ có nhịp dưới 10m và rộng không quá5m

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiêncứu

Nghiên cứu dựa trên các kết quả đã đạt được từ các công trình khoa học đã công bố vềvật liệu và kết cấu gỗ, đề xuất các giải pháp thiết kế cầu phù hợp với năng lực chế tạocũng 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 làphần mềm ABAQUS

5 Cấu trúc luậnvăn

Cấu trúc của luận văn bao gồm:

 Phần mởđầu

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

 Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm dầm gỗ địaphương

 Chương 3: Mô hìnhcầu

 Kết luận và kiếnnghị

 Tài liệu thamkhảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GỖ VÀ THIẾT KẾ CẦU GỖ

Gỗ đã được sử dụng từ thời kỳ đồ đá mới cho vượt sông Người ta ước tính rằng cáckhúc gỗ được đặt bằng phẳng và được phủ bằng sàn ở đó 17.000 năm trước đã tạothành 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 ởBabylon vàonăm783 trước Công nguyên được tìm thấy trong tài liệu chi tiết nhất Nóichung, trong thời cổ đại, tiến bộkỹthuật trong sử dụng kết cấu gỗ là do đóng tàu, đặcbiệt là của người Ai Cập , người Hy Lạp Quân đội của các đế chế lục địa sử dụng xàlan nổi làm giá đỡ trung gian Chúng ta có thể trích dẫn cây cầu Darius trên eo biểnBosphorus thếkỷthứ 6 trước Côngnguyên

Hình 1.1 Cầu gỗ cổ đạiNgười La Mã đã phát triển các cấu trúc mới phức tạp hơn với các cụm, đặc biệt là cầunạng, dầm và vòm Trong số, chúng ta có thể trích dẫn cây cầu Trajan trên sôngDanubecó 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 châuÁ

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

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

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

Hình 1.4 Mộng liên kết răng cưa đối đầuHiện nay kết cấu gỗ đang dần có mặt trong các công trình ở Việt Nam, tuy nhiên, rất ítxuất 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

1.3.1 Hình thái học và cấu trúc vi mô củagỗ

Gỗ được chia làm hai loại: gỗ lá kim thuộc họ cây hạt trần, tên khoa học làgymnospermes 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 bảnnhư là gỗ sồi, dẻ, bạch đàn (Hình1.5)

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 truyềnnhựa trong thân cây và nuôi cây phát triển Ngoài ra các mạch này giúp hình thành cấutrúc thân cây, và đứng vững

Gỗ lá bản bao gồm từ rất nhiều loại tế bào có hình dạng thay đổi, hoàn toàn khác sovới gỗ lá kim (Hình1.7)

Hình 1.7 Mô tả cấu trúc gỗ lá bản [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 bộvách thứ 2 Thớ S2 có vai trò quyết định ứng xửcơ lý của loại gỗ Thớ trong cùng S3cógócnghiêngtừ60°đến90sovớithớdọc.

Hình 1.8 Cấu tạo chung các lớp của tế bào gỗ [7]

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

 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 dailớn

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

 Nhóm V: Nhóm gỗ trung bình, cótỷtrọng trung bình, dùng rộng rãi trong xây dựng,đóng đồđạc

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

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

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

1.3.3 Tính chất cơ lý-học củagỗ

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

Thôngrừng

Thôngbiển

LinhsamKhối lượng

0,44±0,

05 0,42

0,44±0,07

0,39±0,

04 0,45 0,45

0,46±0,02

Trungbình

Trungbình

Trungbình

Trungbình

Trungbình đếnkhá

Trungbình

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 chưađược 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 độchịu uốn tương ứng từ 14MPa đến 50MPa Gỗ lá bản được phân loại từ D18 đến D70tương ứng với cường độ chịu uốn từ 18 MPa đến 70 MPa (Bảng1.2)

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

Trong đó:

 H: Độ ẩm củagỗ

 0: Khối lượng riêng của gỗ ứng với độ ẩm12%

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

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

 E: Mô đun đàn hồi dọcthớ

 G: Mô đun đàn hổitrượt

 R: Phươngsai

 B: Hệ số khôngđổi

Guitard 1987 [7] đưa ra mối quan hệ giữa các đại lượng đàn hồi của gỗ và chỉ số cơhọc của nó (Bảng 1.3) Nghiên cứu được thực hiện trên các loại gỗ lá kim có trọnglượng riêng trung bình là 450 kg/m3và các loại gỗ lá bản có trọng lượng riêng trungbình là 650 kg/m3

1.3.4 Mô hình ứng xử cơ học củagỗ

Ứng xử cơ học của gỗ phụ thuộc vào thớ làm việc của gỗ, do gỗ là một vật liệu đahướng Ngoài ra các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, tải trọng tác động cũng ảnh hưởngđến tính chất cơ học của gỗ Ứng xử cơ học của gỗ rất phức tạp, có thể giả thiết dướicác dạngmôhình như : đàn hồi, dẻo, đàn nhớt, cơ học hấpthu

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

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

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

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

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 làtrục của thân cây gỗ Mỗi điểm P nằm trong hệ tọa độ cực địa phương (P,er,eθ,ez), cótọa 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 hệgiữa các thành phần ứng suất và biến dạng, được mô tả bởi định luật Hook:

ij C ijklkl

(1-4)

Trongđóij;kll ầnlượtlàten-xơứngsuấtvàten-xơbiếndạng

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

Đối với vật liệu

gỗCijkl;Sijklvà độ ẩm

phụ thuộc vào tính tự nhiên của vật liệu, cũng như nhiệt độ

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

 Đối với biếndạng:

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 dẻof p

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

Phần này giới thiệu những khái niệm chung về kết cấu GLT, phân loại kết cấu GLTtheo 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 nhiềulớp

Dầm GLT là một kết cấu gồm nhiều lớp gỗ được dán chồng lên nhau bằng keo Mỗilớp gỗ lại là một tổ hợp nhiều tấm gỗ có kích thước ngắn hơn được ghép dán đối đầuvới 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 rộngnhỏ nhất phải đạt 1/10 chiều cao Dầm có thể được chế tạo dưới dạng dầm thẳng hoặcdầm 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 tínhtoán, thiết kế Song song với đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm pháttriển loại kết cấu này

1.4.2 Phân loại dầm gỗ liên hợp nhiềulớp

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

 E0,mean: Mô đun đàn hồi dọcthớ

 E90,mean: Mô đun đàn hồi ngangthớ

 Gmean: Mô đun đàn hồitrượt

1.5 Kết cấu liên hợp gỗ - bêtông

1.5.1 Tổng quan về kết cấu liên hợp gỗ - bêtông

Kết cấu liên hợp gỗ- bê tông đã được phát minh cách đây khoảng gần 100 năm Cáckết cấu dạng sàn đã được sử dụng cho các công trình dân dụng và công trình cầu giaothông 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 tôngtrong 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 dụngkết cấu gỗ, hoặc trong các công trình làm mới Một trong các dự án nổi bật nhất đượcthực hiện bởi Natterer năm 1996 [10], trong đó ông sử dụng một hệ thống các tấm đinhliên kết cho các sàn liên hợp của các công trình nhà nhiều tầng Hướng nghiên cứu lớnnhất được tập trung vào các dạng của liên kết chống cắt, được sử dụng cùng với bêtông thông thường và dầm gỗ nhiều thớ dán hoặc dầm nguyên khối Tuy nhiên khá ítnghiên cứu thực hiện theo hướng vật liệu khácnhau

Dạng phổ biến nhất của kết cấu gỗ- bê tông đó là bản bê tông được ngàm vào phầnđỉnh 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 trượtgiữa 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 làcường độ chịu tải và độ cứng Nó giúp giảm độ võng khi chịu tải, cải thiện khả nănggiảm tiếng ồn và chịu lửa Tải trọng bản thân của kết cấu có thể giảm tới 50% khi sosánh 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 thểcủa dầm Do đó liên kết cần được thiết kế đủ cứng và đủ khỏe để tối ưu khả năng liênhợp Độ trượt giữa bản bê tông và dầm gỗ ảnh hưởng lớn tới ứng xử cơ học của kếtcấu liênhợp

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- bêtông 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 chếnhư sau:

 Ảnh hưởng do co ngót trong quá trình đông cứng của bê tông và hiện tượng từbiếntrong 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 côngtrình

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

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

Một số lượng đồ sộ các nghiên cứu tập trung vào phân tích thực nghiệm ứng xử củaliên 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 hưởngcủa liên kết chống cắt tới sức kháng tổng thể của dầm liên hợp Trong đó liên kết dạngchốt cho sức kháng uốn lớn nhất (13,2MPa), liên kết đinh vít và thanh xiên cho sứckháng như nhau (12,1 MPa)

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

Song song với các hướng nghiên cứu thực nghiệm là hướng nghiên cứu theo phươngpháp 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 SĩKết cấu liên hợp gỗ- bê tông đã được áp dụng rộng rãi trong các công trình thực tế, đặcbiệt là công trình cầu Trường hợp sau đây là một ví dụ Cầu Resgia (Thụy Sĩ) là cầuliên hợp gỗ - bê tông sử dụng bản mặt cầu bê tông, chịu phần tải trọng nén Nhịp chínhcấu 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 lệgiữa chiều cao và chiều rộng giới hạn là 5

Liên kết giữa bản mặt cầu và kết cấu dầm gỗ bằng các chi tiết thép góc hoặc trực tiếpvới thép cốt chịu lực trong bản mặt cầu

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

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

Theo tiêu chuẩn Eurocode-5 [11-12], thiết kế kết cấu liên hợp gỗ- bê tông cần phảithỏa 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 đánhgiá ứng suất giới hạn của các vật liệu cấu thành kết cấu liên hợp như gỗ, bê tông vàliên kết kháng cắt TTGHSD là kiểm tra độ võng chophép

Eurocode-5 phần 1-1 [11], đưa ra một phương pháp đơn giản để tính toán các chỉ số cơhọc 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 thứcđược

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

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

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

 Khoảng cách giữa các liên kết chống cắt là không đổi hoặc thay đổi theo lựccắtgiữa 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 liênhợp Phương pháp đơn giản này gọi là «γ-method», lần đầu tiên được giới thiệu trongnghiên cứu của Mohler K [22] Phương pháp này được chứng minh hiệu quả đối vớidầm 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].

Dầm giản đơn L/300- L/500 L/250- L/350 L/150- L/300

L: chiều dài tính toán của dầm

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 14loại, ứng với cường độ chịu nén từ 12 đến 90MPa Tiêu chuẩn Eurocode 2 [19] quyđịnh các chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến kết cấu bê tông Mô hình vật liệu của bê tôngđược 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 chuẩnEurocode

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

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

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

 Mô hình tải trọng 1: Gồm hai thànhphần:

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

Tải phân bố đều: αqqk

αQvà 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 βQQakv ớ i Q akcó giátrịbằng400kN,trongđóbaogồmcảtácdụngxungkíchcủaxe.Tảitrọngnàyđượcápdụng cho một số vị trí trên phần xe chạy Tuy nhiên, trường hợp thích hợp là chỉsửdụng một trục xe Hệ số βQđược đề nghị lấy bằng giá trị của αQ Mô hình tải trọng2được bố trí như hình sau:

Hình 1.17 Bố trí tải trọng cho mô hình 2

M ô h ì n h t ả i t r ọ n g 3 : Mô hình tải trọng này kể tới các trường hợp xe

đặc biệt, được phép đi qua cầu thiết kế Mô hình đượcáp dụng cho từng trườnghợp cụ thể Giá

trị tải trọng xe đặc biệt tham khảo thêm trong tiêu chuẩn Eurocode 1991.2.2003 [25]

M ô h ì n h t ả i t r ọ n g 4 : Tải trọng làn có giá trị 5 kN/m2 Tải trọng lànphải được đặt trong môt mô hình tải trọng, có kể đến tác động xung kích củaxe.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 trên0.1x0.1m2– áp dụng cho kiểm tra cục bộ) và Tải trọng phục vụ Qserv(xe cứu thương,xecứu hỏa, theo yêu cầu của dựán)

Tải trọng ngang: được đặt ở phần bản mặt cầu Giá trị tải trọng ngang tối thiểu đượclấy nhưsau:

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

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

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM

GỖĐỊAPHƯƠNG

Dầm được cắt và sấy tại kho, nhằm giới hạn độ ẩm của dầm Sau đó các dầm đượcchuyển đến và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cơ học, trường Đại Học Xây Dựng HàNội, 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 là0,91m,mặt cắt là 45x70 mm2 Các dầm gỗ được duy trì trong phòng ở nhiệt độ khoảng20°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 địnhkhoảng 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 là9dầm

Hình 2.1 Thiết bị đo độ ẩm của gỗ

Vị trí đo chuyển vị (giữa dầm)

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 sàncông tác Toàn bộ neo giữ của máy nén được bắt bu lông xuốngsàn

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 tảitrọng

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