CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN KẾT CẤU
2. Quá trình mô hình hóa kết cấu
2.5. Mô hình hóa kết cấu công trình theo giai đoạn thi công
Hầu hết các công trình đều được xây dựng trong một thời gian dài và qua nhiều giai đoạn khác nhau. Sự làm việc của công trình hay bộ phận công trình trong quá trình thi công có thể khác xa với sự làm việc của công trình ở giai đoạn khai thác. Sự khác nhau này có thể được thể hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau như sơ đồ chịu lực của kết cấu, tác động, tính năng cơ học của vật liệu, …
Để đánh giá được sự làm việc của kết cấu trong giai đoạn thi công cũng như ảnh hưởng của các tác động ở quá trình này đến sự làm việc của kết cấu ở giai đoạn khai thác, cần thiết phải thực hiện việc phân tích kết cấu theo từng giai đoạn thi công. Trong hầu hết các trường hợp, phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công là một công việc rất phức tạp, do trong quá trình thi công, trạng thái và thành phần kết cấu, đặc tính vật liệu cũng như các tác động thường xuyên thay đổi. Mục tiêu của việc phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công là xem xét và mô hình hóa một cách đầy đủ và chính xác sự thay đổi trạng thái kết cấu cũng như các tác động trong từng giai đoạn để làm cơ sở cho việc thiết kế cấu tạo vĩnh cửu cho công trình khi khai thác cũng như cấu tạo tạm thời để phục vụ thi công.
2.5.1. Các vấn đề trong mô hình hóa kết cấu thi công phân đoạn.
Các cấu kiện hay hạng mục của công trình được hình thành dần trong quá trình thi công và có thể mô tả sự hình thành công trình theo sự thay đổi trạng thái của nó. Một cách tương đối, có thể chia quá trình xây dựng công trình được thành các giai đoạn, mỗi giai đoạn chiếm một khoảng thời gian nhất định và trong thời gian đó có sự thay đổi về trạng thái của công trình. Ví dụ, một số hạng mục công trình được chuyển sang vị trí mới, một số khác được xây dựng thêm hay phá bỏ, một số bộ phận bắt đầu tham gia làm việc do vật liệu đã đạt cường độ, v.v. Công nghệ thi công góp phần quyết định tới sự thay đổi trạng thái của công trình trong quá trình thi công.
Sự thay đổi trạng thái làm việc của công trình đươc thể hiện qua các yếu tố chính sau:
Sự thay đổi về thành phần cấu tạo của công trình:Trong các giai đoạn thi công, một số hạng mục mới được xây dựng thêm hoặc tham gia làm việc với các hạng mục đã có, một số hạng mục hoặc thiết bị phụ tạm được dỡ bỏ, ... Những yếu tố này góp phần làm thay đổi thành phần cấu tạo của công trình. Hình III-67 dưới đây mô tả sự thay đổi trạng thái làm việc của một cấu kiện dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép: trước khi vật liệu bê tông đạt cường độ, bộ phận chịu lực chính của cấu kiện là dầm thép nhưng sau khi vật liệu bê tông đạt cường độ, bản bê tông cốt thép tham gia chịu lực cùng với dầm thép và cấu kiện trở thành cấu kiện liên hợp với các đặc trưng cơ học hoàn toàn khác trước.
http://www.ebook.edu.vn
Hình III-67: Các giai đoạn làm việc của dầm thép liên hợp
Sự thay đổi về liên kết hay ràng buộc giữa các bộ phận trong công trình:Đây cũng có thể là hệ quả của sự thay đổi về thành phần cấu tạo. Trong một giai đoạn thi công, một số liên kết mới được tạo ra và một số khác sẽ được thay thế hoặc bỏ đi. Trong ví dụ được chỉ ra trong Hình III-68 dưới đây: trước khi hợp long, dầm và trụ được liên kết với nhau thông qua các trụ tạm và thanh neo; sau khi hợp long, các liên kết này được bỏ đi. Như vậy liên kết dầm-trụ trong mô hình sẽ được chuyển từ ngàm cứng sang liên kết gối.
Hình III-68: Sự thay đổi liên kết dầm-trụ trong quá trình thi công cầu đúc hẫng
Sự thay đổi các tác động lên công trình: Trong mỗi giai đoạn thi công, tùy thuộc vào các công việc được thực hiện, một số tác động mới có thể xuất hiện hoặc các tác động đang có bị mất đi. Sự thay đổi các tác động này sẽ làm thay đổi trạng thái chịu lực của công trình. Ví dụ về sự thay đổi tác động trong các giai đoạn thi công được minh họa trên Hình III-69 ở giai đoạn kéo dự ứng lực trong cáp dây văng, công trình chịu thêm lực kéo này trong khi lực này không có ở giai đoạn trước đó. Một ví dụ khác là nhiệt độ do sự thủy hóa bê tông ở các khối bê tông đúc sau có thể gây tác động lên các khối đã được thi công trước đó, v.v.
Hình III-69: Sự thay đổi về lực căng dây trong các giai đoạn thi công cầu treo dây văng
Sự thay đổi về vị trí của một số hạng mục nào đó hay toàn bộ công trình: Trong quá trình thi công, vị trí của một số hạng mục công trình cũng có thể thay đổi. Các cầu thép thi công theo phương pháp lao dọc, các cầu bê tông thi công theo phương pháp đúc đNy (Hình III-70) là các ví dụ về sự thay đổi vị trí công trình trong quá trình thi công.
Hình III-70: Sự thay đổi vị trí các hạng mục công trình trong quá trình thi công cầu đúc đẩy
Sự thay đổi theo thời gian của các tính năng vật liệu: Một số vật liệu, nhất là bê tông, có nhiều tính năng thay đổi theo thời gian. Điển hình trong số này là sự thay đổi cường độ và độ cứng. Những sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi cấu tạo của kết cấu như đã được nêu ở trên hoặc làm thay đổi đặc tính làm việc của kết cấu do có sự thay đổi độ cứng tương đối giữa các bộ phận.
Sự thay đổi theo thời gian của các ứng xử kết cấu:Theo thời gian, một số giá trị ứng xử của kết cấu cũng có những thay đổi. Ví dụ, do hiện tượng co ngót và từ biến trong bê tông, giá trị biến dạng của các cấu kiện bê tông thay đổi và dẫn đến sự thay đổi các giá trị khác, như giảm nội lực do dự ứng lực hay làm xuất hiện các nội lực mới do sự cưỡng bức về chuyển vị, v.v.
http://www.ebook.edu.vn 2.5.2. Các yếu tố cần xác định trong mô hình hóa giai đoạn thi công
Bản chất của việc mô hình hóa là việc đưa các kết cấu thực cùng các tác động thực về mô hình tính phù hợp với mục tiêu xem xét. Với góc độ phân tích kết cấu, mô hình tính bao gồm mô hình kết cấu cùng các điều kiện biên và các mô hình tải trọng. Như vậy, mô hình hóa kết cấu theo các giai đoạn thi công là việc lập các mô hình tính tương ứng với các giai đoạn thi công.
Các mô hình này phải phản ánh chính xác sự thay đổi trạng thái làm việc của kết cấu thông qua việc cập nhật sự thay đổi về thành phần kết cấu, về điều kiện biên và tải trọng theo từng giai đoạn thi công. Mỗi giai đoạn có một mô hình tính tương ứng nhưng các mô hình này có quan hệ hữu cơ với nhau. Thông thường, mô hình tính ở giai đoạn sau được xây dựng từ mô hình ở giai đoạn trước đó thông qua một số thay đổi về:
Thành phần kết cấu: Thành phần kết cấu có thể được bổ sung thêm hoặc bớt đi tùy thuộc vào nội dung công việc được thực hiện trong giai đoạn thi công được xem xét.
Điều kiện biên:Điều kiện biên và liên kết trong mô hình tính cần được cập nhật tương ứng với thành phần kết cấu và nội dung công việc được thực hiện trong giai đoạn thi công.
Tải trọng: Tương ứng với quá trình thi công, trong mô hình tính của một giai đoạn có thể có thêm những tải trọng mới hoặc bỏ đi những tải trọng đang có ở các mô hình ứng với các giai đoạn trước đó.
Đặc trưng vật liệu: Đặc trưng vật liệu trong mô hình tính cũng cần được cập nhật thông qua các thông số có liên quan đến tuổi của các thành phần tham gia.
CHÚ ÝNgoài ra cũng cần chú ý rằng việc mô hình hóa kết cấu theo các giai đoạn thi công cũng phải tùy theo quan điểm và phương pháp phân tích. Ví dụ, trong phương pháp phân tích thuận (forward analysis) thì các giai đoạn được mô hình hóa là từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng, còn trong phân tích ngược (backward analysis), các giai đoạn lại được mô hình hóa theo trình tự từ trạng thái cuối cùng đến trạng thái xuất phát.
2.5.3. Một số nội dung của việc phân tích kết cấu thi công phân đoạn
Căn cứ theo mục tiêu đã được xác định, việc phân tích kết cấu theo các giai đoạn thi công có thể có các nội dung sau:
Tính toán nội lực, ứng suất và biến dạng trong quá trình thi công do các tác động gây ra ở mỗi giai đoạn thi công như tải trọng thi công, thủy nhiệt, co ngót, từ biến cũng như các trường hợp tải trọng tai biến khác,
Xác định vị trí các bộ phận công trình ở từng giai đoạn thi công.
Tính toán điều chỉnh nội lực, độ vồng trong thi công để đạt được vị trí, hình dạng hoặc nội lực mong muốn của kết cấu.