trờng đại học giao thông vận tải nghiên cứu xác định chiều sâu làm việc an toàn và hoạt tải tối đa tác dụng trên ống nhựa xoắn chịu lực hdpe-thăng long Hà nội 10 - 2008 Hà nội 2009 2 3 nghiên cứu xác định chiều sâu làm việc an toàn và hoạt tải tối đa tác dụng trên ống nhựa xoắn chịu lực hdpe-thăng long GS TS Vũ Đình Lai TS Lơng Xuân Bính ThS Đỗ Xuân Quý ThS Đỗ Minh Thu KS Vũ Ngọc Linh KS Nguyễn Lợng Sáng KS Nguyễn Đức Hiếu TNV Vũ Ngọc Trinh bộ môn sức bền vật liệu trờng đại học giao thông vận tải PGS TS Trần Tuấn Hiệp 4 5 Mục lục 1. Giới thiệu chung 7 2. Mục tiêu nghiên cứu 7 3. Giả thiết và phạm vi nghiên cứu 7 4. Mô hình cơ học của bài toán 8 5. Xác định các đặc trng cơ học và hình học của vật liệu và kết cấu 9 5.1. Các đặc trng cơ học của vật liệu 9 5.2. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi E và hệ số Possion à của nhựa làm ống HDPE-Thăng Long 9 5.3. Tính các đặc trng hình học của ống xoắn 10 6. Nghiên cứu các phơng pháp tính hệ đàn hồi một lớp, nhiều lớp 13 6.1. Phơng pháp giải tích 13 6.2. Hạn chế của việc ứng dụng phơng pháp giải tích 28 7. Xác định chiều sâu làm việc an toàn của ống bằng phơng pháp phần tử hữu hạn 29 7.1. Tải trọng tính toán 29 7.2. Tính ng nhựa HDPE-Thăng Long t di nn đờng t cấp phối thiên nhiên 29 7.3. Tớnh ng t di mặt ng bờ tụng nhựa 34 7.4. Tớnh ng t di mặt ng bờ tụng xi mng 39 8. Kết luận 43 Tài liệu tham khảo 45 6 7 Nghiên cứu xác định chiều sâu làm việc an toàn và hoạt tải tối đa tác dụng trên ống nhựa xoắn chịu lực HDPE-Thăng Long 1. Giới thiệu chung ống nhựa xoắn chịu lực HDPE Thăng Long chuyên dụng bảo vệ cáp điện, cáp thông tin theo tiêu chuẩn sản xuất Hàn Quốc KSC 8454 và tiêu chuẩn lắp đặt cáp điện ngầm Nhật Bản JIS C 3653, đã đợc sản xuất tại Việt nam đầu tiên bởi Công ty Cổ phần Ba An. Sản phẩm này đã và đang đợc ứng dụng tại Việt Nam. ống nhựa xoắn chịu lực HDPE Thăng Long đợc chôn trong nền đất dới mặt đờng, kho bãi, bến cảng trên đó có các hoạt tải ô tô, xe máy chuyên dụng hoạt động. Dới tác dụng của hoạt tải, ống sẽ bị biến dạng và có thể phá hoại. Để đảm bảo an toàn cho ống, ống phải đợc chôn trong môi trờng ở một chiều sâu nhất định nào đó. Cho đến nay, chiều sâu này đợc quyết định chủ yếu theo quy định về cấu tạo là 50 centimét, mà cha có nghiên cứu nào về vấn đề này đợc công bố. Ngay cả trong TCVN 7417 về "Hệ thống dùng cho quản lý cáp" cũng cha có những quy định cụ thể về chiều sâu này. Để ứng dụng ống nhựa xoắn vào thực tế an toàn, hiệu quả, việc nghiên cứu xác định chiều sâu làm việc an toàn cho ống là điều cần thiết. Kết quả nghiên cứu có thể là những khuyến cáo hữu ích cho việc sử dụng khai thác ống, đồng thời có thể là những căn cứ để nghiên cứu tính toán cải tiến kết cấu tối u hơn cho ống trong tơng lai. 2. Mục tiêu nghiên cứu ắ Tìm hiểu cấu tạo các kết cấu đờng đô thị điển hình, môi trờng làm việc của ống nhựa xoắn chịu lực HDPE-Thăng Long, để đa ra mô hình kết cấu đàn hồi tơng ứng (hệ đàn hồi một lớp, nhiều lớp) cho bài toán tính ống nhựa xoắn chịu lực HDPE-Thăng Long. ắ Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết tính kết cấu đàn hồi một lớp, nhiều lớp, phân tích so sánh lựa chọn phơng pháp tính phù hợp để giải quyết bài toán. ắ Từ phơng pháp đã chọn, ứng dụng tính toán xác định chiều sâu làm việc an toàn cho ống dới tác dụng của hoạt tải bất lợi nhất. Từ đó kết luận về chiều sâu làm việc an toàn và tải trọng tối đa tác dụng lên ống. 3. Giả thiết và phạm vi nghiên cứu Đề tài đợc thực hiện với các giả thiết và phạm vi nghiên cứu sau đây. - Giả thiết ống nhựa xoắn chịu lực HDPE-Thăng Long và môi trờng nền xung quanh làm việc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính. 8 - Các đặc trng cơ học của nhựa làm ống đợc xác định bằng thí nghiệm. Các đặc trng cơ học của vật liệu kết cấu áo đờng, nền đờng lấy theo số liệu giả định cho loại loại kết cấu áo đờng điển hình ở vùng đô thị hay vùng lân cận đô thị Việt Nam. - ống nhựa đợc chôn trong nền đờng. Ba trờng hợp cơ bản của kết cấu áo đờng đợc xét tới, đó là: Kết cấu áo đờng đất cấp phối tự nhiên đầm chặt với hệ số đầm chặt yêu cầu k = 0,98 (hệ đàn hồi một lớp), kết cấu áo đờng bê tông xi măng, và kết cấu áo đờng bê tông nhựa (hệ đàn hồi nhiều lớp). - Hoạt tải tính toán là xe Reach Stacker với tải trọng bánh nặng nhất là 34,4 tấn. 4. Mô hình cơ học của bài toán Kết cấu đờng đô thị gồm hai loại chính: đờng bê tông xi măng và đờng bê tông nhựa. Lân cận và ngoài khu vực đô thị có thể gặp đờng đất cấp phối thiên nhiên. Từng loại kết cấu đờng có thể có cấu tạo nhiều lớp khác nhau nh lớp bê tông xi măng (bê tông nhựa), lớp đá dăm, lớp cát, lớp đất cấp phối thiên nhiên Tuy nhiên khi thi công chôn ống nhựa xoắn chịu lực HDPE-Thăng Long, ống thờng đặt trong rãnh đào, sau đó lấp cát, đất cấp phối lu nèn đến độ chặt yêu cầu, rồi tiến hành thi công lớp mặt. Từ đặc điểm đó, đồng thời để hạn chế bớt sự phức tạp của bài toán, các mô hình cơ học tơng ứng với từng loại kết cấu đờng đợc lựa chọn nh trong các hình vẽ dới đây. Trong đó hệ đàn hồi một lớp là mô hình cho đờng đất cấp phối thiên nhiên, hệ đàn hồi 2 lớp là mô hình cho đờng bê tông xi măng, hệ đàn hồi 3 lớp là mô hình cho đờng bê tông nhựa. ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long đợc đặt trong lớp đất cấp phối thiên nhiên. Hàm mục tiêu của bài toán: Chiều sâu chôn ống, H, để ống làm việc an toàn với điều kiện ràng buộc dới tác dụng của tải trọng bánh xe Reach Stacker (34,4 tấn); và tải trọng tối đa của bánh xe tác dụng trên mặt đờng, P max , để ống thoả mãn điều kiện ràng buộc. Điều kiện ràng buộc của bài toán là độ bẹp tơng đối của ống không vợt quá 3,5%. Độ bẹp tơng đối của ống đợc định nghĩa nh sau. () %100. 0 0 d dd = (4.1) Trong đó: d 0 là đờng kính của ống khi cha có hoạt tải tác dụng, đất cấp phối thiên nhiên ng HDPE H = ? P max = ? đất cấp phối thiên nhiên ng HDPE H = ? P max = ? 40cm 14cm Cấp phối đá dam Bê tông nhựa 1 Bê tông nhựa 2 đất cấp phối thiên nhiên ng HDPE H = ? P max = ? 24cm Bê tông xi mang Hình 4.1. Hệ đàn hồi một lớp Hình 4.2. Hệ đàn hồi hai lớp Hình 4.3. Hệ đàn hồi ba lớp 9 d là đờng kính thẳng đứng của ống sau khi có hoạt tải tác dụng. 5. Xác định các đặc trng cơ học và hình học của vật liệu và kết cấu Số liệu đầu vào để giải quyết bài toán bao gồm các đặc trng hình học của ống nhựa xoắn HDPE-Thăng Long, các đặc trng cơ học của vật liệu làm ống nhựa HDPE-Thăng Long, của vật liệu tạo nên kết cấu đờng. 5.1. Các đặc trng cơ học của vật liệu Các đặc trng cơ học của vật liệu kết cấu đờng và ống nhựa lấy nh trong bảng 5.1. Bảng 5.1. Các đặc trng cơ học của vật liệu đặc trng HDPE-TL 1) Đất Đá dăm Bê tông nhựa 1 Bê tông nhựa 2 Bê tông xi măng E (MPa) 976 40 200 350 420 31500 à 0.37 0.18 0.2 0.27 0.27 0.18 1) - Đợc xác định bằng thí nghiệm trình bày trong mục 5.2. 5.2. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi E và hệ số Possion à của nhựa làm ống HDPE- Thăng Long Trong quá trình sản xuất ống nhựa xoắn HDPE-Thăng Long, vật liệu làm ống đợc lấy một cách ngẫu nhiên để chế tạo mẫu thí nghiệm nh trong hình 5.1. Kích thớc mẫu thử thể hiện trong bảng 5.2. Mẫu thử đợc kéo cho đến khi đứt bởi máy kéo nén vạn năng (Universal Hydraulic Machine) (hình 5.2). Kết quả thí nghiệm đợc thể hiện trong bảng 5.3. Bảng 5.2. Kích thớc mẫu thí nghiệm nhựa làm ống HDPE-Thăng Long Bảng 5.3. Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson của nhựa làm ống HDPE-Thăng Long Mẫu E (Mpa) à 1 977 0,36 2 981 0,37 3 971 0,38 Trung bình 976.33 0,37 Mẫu b (mm) h (mm) F (mm 2 ) 1 11,85 8.85 104,87 2 10,50 9,01 94,50 3 10,76 8,90 95,76 10 5.3. Tính các đặc trng hình học của ống xoắn Hình 5.3 thể hiện dạng hình học của ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long. Phân tích ứng suất biến dạng của ống đòi hỏi phải giải quyết bài toán tính đặc trng hình học của mặt cắt ống. Mặt cắt dọc ống có dạng hình lợn sóng, không thuộc vào các hình cơ bản thờng gặp trong kỹ thuật. Trong phần này, các công thức toán học để tính toán đặc trng hình học cho ống nhựa xoắn sẽ đợc xây dựng. 5.3.1. Đặc trng hình học của hình viên phân Trớc hết, ta xét hình viên phân trong hệ trục toạ độ Oxy nh trong hình 5.4. Mẫu thí nghiệm Đầu đo biến dạng Hình 5.2. Máy kéo nén vạn năng (Universal Hydraulic Machine) Hình 5.1. Mẫu thí nghi ệ m Hình 5.3 . ống nhựa xoắn HDPE [...]... tính chiều sâu làm việc an toán của ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long theo phơng pháp giải tích Với số liệu đầu vào đợc đề cập ở mục 5, kết quả tính toán chiều sâu làm việc an toàn, H, của ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long bằng phơng pháp giải tích đợc thể hiện trong bảng 6.1 (ống chôn trong nền đất đồng nhất - nền đất 1 lớp), bảng 6.2 (ống chôn trong nền đờng bê tông nhựa - 3 lớp) 27 Bảng 6.1 Chiều sâu làm việc. .. quả xác định chiều sâu giới hạn làm việc an toàn cho từng loại ống đợc thể hiện trong các bảng dới đây Bảng 7.2 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 200 dới nền đờng đất cấp phối thiên nhiên TT 1 2 3 Bin dng Chuyn v mộp Chuyn v mộp di (cm) trờn (cm) cm % 39,50 1,63 0,96 0,67 3,35 38,71 1,75 0,97 0,78 3,89 39,00 1,68 0,99 0,69 3,44 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 40cm H (cm) Bảng 7.3 Chiều sâu giới... theo biên của ống nhựa - Coi các ứng suất đó nh là những áp lực tác dụng lên ống nhựa - Giải bài toán một khoanh ống nhựa xoắn chịu tác dụng của áp lực phân bố Tính kết cấu ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long bằng phơng pháp lực ng cú bỏn kớnh R chu ti trng phõn b q u nh hỡnh 6.7 Mc ớch: Thit lp cụng thc tớnh mụ men un ti cỏc im nguy him nht trong ng S dng phng phỏp lc Hỡnh 6.7 Sơ đồ chịu lực của ống 25 Hình... nhiều lớp bằng phơng pháp phấn tử hữu hạn, ta không phải tách riêng môi trờng và ống để tính, mà có thể khảo sát sự tơng tác qua lại giữa chúng Do đó, các tác giả quyết định lựa chọn phơng pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài toán 28 7 Xác định chiều sâu làm việc an toàn của ống bằng phơng pháp phần tử hữu hạn Trên cơ sở các phân tích ở trên, các tác giả xây dựng mô hình tính hệ đàn hồi một lớp, nhiều... lớp đã rất phức tạp, việc xét thêm sự có mặt của ống nhựa trong một lớp nào đó khiến bài toán phức tạp thêm rất nhiều Hơn nữa, việc cải tiến phơng pháp giải tích nh đề cập trên mới chỉ xét tới tơng tác của nền vào ống bằng cách truyền áp lực từ nền vào ống chứ cha xét đợc tơng tác của ống tới nền (khi tính nền không kể đến sự có mặt của ống) Thực tế thì ống và nền có tơng tác hai chiều Do đó lời giải... 3,64 36,9 1,670 1,147 0,523 3,49 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 40cm H (cm) Bảng 7.5 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 125 dới nền đờng đất cấp phối thiên nhiên TT 1 2 Bin dng Chuyn v mộp Chuyn v mộp di (cm) trờn (cm) cm % 40 1,519 1,106 0,413 3,30 38 1,610 1,170 0,440 3,52 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 40cm H (cm) Bảng 7.6 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 100 dới nền đờng đất cấp phối... 1,33 0,348 3,48 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 35cm H (cm) Bảng 7.7 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 80 dới nền đờng đất cấp phối thiên nhiên TT 1 2 3 Bin dng Chuyn v mộp Chuyn v mộp di (cm) trờn (cm) cm % 35,0 1,588 1,320 0,268 3,35 34,0 1,671 1,387 0,284 3,55 34,3 1,660 1,379 0,281 3,51 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 35cm H (cm) Bảng 7.8 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 65 dới nền... 1,309 0,224 3,45 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 40cm H (cm) Bảng 7.9 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 50 dới nền đờng đất cấp phối thiên nhiên Bin dng Chuyn v mộp Chuyn v mộp di (cm) trờn (cm) cm % 36,0 1,592 1,404 0,188 3,76 40,0 1,452 1,294 0,158 3,16 37,08 1,526 1,352 0,174 3,48 Chiều sâu giới hạn an toàn kiến nghị: 40cm TT H (cm) 1 2 3 Bảng 7.10 Chiều sâu giới hạn an toàn cho ống 40 dới nền... 6.1.4 ứng dụng phơng pháp giải tích tính kết cấu ống nhựa xoắn HDPE - Thăng Long chôn trong nền đờng Quy trình ứng dụng phơng pháp giải tích vào tính kết cấu ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long Trên đây là cơ sở lý thuyết của các phơng pháp giải tích để giải hệ đàn hồi một lớp, nhiều lớp Tuy nhiên để áp dụng vào bài toán tính hệ đàn hồi có chôn ống nhựa xoắn HDPE- Thăng Long bên trong thì ta cần một số cải... sâu làm việc an toàn của ống chôn trong nền đất đồng nhất - nền đất 1 lớp 30 H (cm) 40 50 65 80 100 125 150 175 200 45 78 78 77 80 88 111 110 105 103 Bảng 6.2 Chiều sâu làm việc an toàn của ống chôn trong nền đờng bê tông nhựa - nền 1 lớp 30 H (cm) 40 50 65 80 100 125 150 175 200 37 57 57 56 58 62 75 75 70 68 6.2 Hạn chế của việc ứng dụng phơng pháp giải tích vào tính hệ đàn hồi có ống nhựa HDPE- Thăng . xoắn chịu lực hdpe-thăng long GS TS Vũ Đình Lai TS Lơng Xuân Bính ThS Đỗ Xuân Quý ThS Đỗ Minh Thu KS Vũ Ngọc Linh KS Nguyễn Lợng Sáng KS Nguyễn Đức Hiếu TNV Vũ Ngọc Trinh bộ