Nghiên cứu ứng dụng phương pháp bán phá hủy xác định trạng thái ứng suất biến dạng trong dầm bê tông dự ứng lực

Ứng suất gần lỗ khoan trước khi khoan

Xác định trạng thái ứng suất biến dạng hiện tại trong kết cấu công trình là nội dung quan trọng trong đánh giá kết cấu. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đang tập trung phát triển các phương pháp và công nghệ để xác định trạng thái ứng suất biến dạng hiện có này.

Về mặt lý thuyết, trạng thái ứng suất - biến dạng của kết cấu có thể được tính toán theo phương pháp lý thuyết bằng cách phân tích kết cấu chịu các tải trọng đã tác dụng lên nó: bao gồm tải trọng bản thân, dự ứng lực, tải trọng lớp phủ... Tuy nhiên, trong thực tê rất khó để xác định chính xác rằng đã có những tải trọng nào tác dụng lên kết cấu. Vấn đề sẽ còn phức tạp hơn nhiều nếu như xét đến cả các tải trọng tác động lâu dài theo thời gian (hiệu ứng từ biến, co ngót, nhiệt độ), hiệu ứng thứ cấp của tải trọng trên kết cấu liên tục hoặc hiệu ứng của tác động chồng chất của tĩnh tải trên kết cấu hình thành dần (cầu thi công theo phương pháp phân đoạn). Khi xét đến tính chất phi tuyến của các loại vật liệu (khi định lý cộng tác dụng không áp dụng được) thì việc áp dụng phương pháp mô phỏng lý thuyết càng khó khăn hơn. Quan trọng hơn nữa là kết quả tính toán vẫn chỉ là lý thuyết vì không được so sánh, kiểm chứng với kết quả đo thực nghiệm.

Do đó, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất để đo đạc trạng thái ứng suất biến dạng trong kết cấu, cả trong kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực. Có thể phân các giải pháp kỹ thuật này thành ba nhóm chính: phương pháp phá hủy, phương pháp không phá hủy và phương pháp bán phá hủy.

Phương pháp phá hủy mẫu được tiến hành bằng cách gia tải lên kết cấu đến gây phá hoại kết cấu (xem tài liệu [6]), do đó phương pháp này chỉ được áp dụng cho những kết cấu không còn được tiếp tục sử dụng và chủ yếu mang ý nghĩa khoa học, lý thuyết; không thể áp dụng vào đánh giá kết cấu công trình đang sử dụng.

Trong phương pháp không phá hoại, trạng thái ứng suất biến dạng trong kết cấu có thể được đo đạc từ các đặc trưng dao động của kết cấu (tần số dao động tự nhiên, hệ số cản...). Tuy nhiên, giải pháp này áp dụng chủ yếu cho nhưng kết cấu có độ cứng (và do đó là các đặc trưng dao động) có quan hệ trực tiếp với trạng thái ứng suất - biến dạng, ví dụ như với các dây văng khi lực căng hiện tại trong dây quan hệ trực tiếp với tần số của dây. Với những kết cấu mà quan hệ giữa các đặc trưng dao động với trạng thái ứng suất biến dạng không lớn, độ chính xác của phương pháp không phá hoại là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu do trong trường hợp này, sự thay đổi các đặc trưng dao động phụ thuộc lớn vào nhiều yếu tố khác (như khối lượng, điều kiện biên) [14]. Phương pháp này do đó mới được ứng dụng cho một số dạng kết cấu đặc biệt, chưa được áp dụng cho kết cấu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực cứng.

Nguyên lý của phương pháp bán phá hoại là tiến hành giải phóng cục bộ trạng thái ứng suất biến dạng tại vị trí cần đo. Với kết cấu thép, người ta có thể sử dụng phương pháp khoan lỗ và đo ứng suất biến dạng giải phóng được ở cạnh lỗ khoan. Đây là giải pháp được giới thiệu trong ASTM A837 [2]. Với các dạng vật liệu dạng bê tông, việc giải phóng ứng suất cục bộ được tiến hành bằng cách khoan tạo lỗ hoặc xẻ rãnh trên mặt kết cấu tại ví trí cần xác định ứng suất [5,6,8,11,12,13,14]). Nội lực tương đương khi kết cấu bị giải phóng ứng suất được xác định thông qua việc đo đạc biến dạng bằng ten-zô-mét hoặc đo gián tiếp thông qua lực tác động ngược lại kết cấu để khôi phục trạng thái ứng suất - biến dạng tổng thể như cũ bằng kích dẹt. Phương pháp bán phá hủy (khoan tạo lỗ, xẻ rãnh) thực chất chỉ gây ra suy giảm diện tích rất nhỏ trên kết cấu nên có khả năng áp dụng trong các công trình thực tế. Tuy nhiên, còn nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu liên quan. Trong đó, các nội dung chính gồm: ảnh hưởng của chiều sâu, kích thước của lỗ khoan và rãnh xẻ đến ứng suất được giải phóng, giải pháp đo đạc ứng suất giải phóng để đảm bảo độ chính xác [7,10,12].

Trong bài báo này, các tác giả tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp khoan tạo lỗ và xẻ rãnh để xác định ứng suất hiện có trong kết cấu dầm bê tông dự ứng lực, trong đó sẽ đề cập đến các vấn đề: các nghiên cứu bước đầu trên thế giới của giải pháp, phân tích ảnh hưởng của kích thước lỗ khoan và xẻ rãnh đến kết quả đo đạc ứng suất và đánh giá mức độ chính xác của giải pháp này trên 9 mẫu dầm dự ứng lực thí nghiệm thông qua việc so sánh kết quả đo với kết quả mô hình hóa. Tác giả: TS. ĐỖ HỮU THẮNG; ThS. NCS. NGUYỄN THÁI KHANH; ThS. KIỀU NHƯ CƯỜNG - Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải, KS. TRẦN MẠNH CƯỜNG; PGS. TS. NGÔ VĂN MINH - Trường Đại học Giao thông vận tải

Nội dung bài khoa học tại đây.