BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGHIÊN CỨU GĨP PHẦN HỒN THIỆN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô đường thành phố Mã ngành: 62.58.02.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2018 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: GS TS Phạm Huy Khang GS TS Vũ Đình Phụng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sỹ cấp trường, họp Trường đại học Giao thông vận tải Vào hồi ngày .tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường đại học Giao thông vận tải MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Việc sử dụng kết cấu mặt đường bê tông nhựa (BTN) xu giới Việt Nam với ưu điểm việc sử dụng nguồn vật liệu, thời gian thi công nhanh, giá thành rẻ thuận lợi cho công tác tu bảo dưỡng, sửa chữa nâng cấp Việc nghiên cứu lựa chọn phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay phù hợp với điều kiện khai thác thực tế cảng hàng không, sân bay nước ta cần thiết chưa có đầu tư nghiên cứu tương xứng, tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 ban hành sở biên dịch từ tiêu chuẩn CHИП Nga số tồn Do đó, việc nghiên cứu góp phần hồn thiện tiêu chuẩn thiết kế TCVN 10907:2015 áp dụng giai đoạn trước mắt đề xuất thêm phương pháp thiết kế đảm bảo khai thác dòng tàu bay thương mại có tần suất, tải trọng lớn Hãng hàng không khai thác cảng hàng khơng, sân bay nước vấn đề có ý nghĩa khoa học, có tính thời cấp thiết Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay giới Việt Nam Khảo sát trạng kết cấu, điều kiện khai thác sân bay; Ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, biến dạng hệ kết cấu nhiều lớp mặt đường mềm sân bay tính tốn chiều dày lớp kết cấu Nghiên cứu góp phần hồn thiện tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 định hướng áp dụng tiêu chuẩn AC 150/5320-6 (2016) Việt Nam Cấu trúc luận án Gồm có mở đầu, chương, phần kết luận kiến nghị, danh mục cơng trình tác giả công bố, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục Những đóng góp đề tài - Xây dựng mơ hình tính ứng suất, biến dạng, ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, biến dạng khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng hệ kết cấu nhiều lớp mặt đường mềm sân bay; - Xây dựng toán đồ xác định chiều sâu ảnh hưởng tải trọng, công thức hồi quy tính tốn độ võng tương đối tải trọng vượt ngồi tốn đồ, xây dựng thuật tốn viết phần mềm thiết kế góp phần hồn thiện tiêu chuẩn TCVN 10907:2015; - Ứng dụng phần mềm Abaqus tính tốn chiều dày lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay; - Nghiên cứu định hướng áp dụng tiêu chuẩn AC 150/5320-6 (2016) để thiết kế đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường sân bay Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận án có ý nghĩa khoa học thực tiễn, lần có nghiên cứu tổng quan phương pháp thiết kế, ảnh hưởng tải trọng tàu bay, vật liệu, đất, hoạt động khai thác, đến điều kiện làm việc mặt đường mềm sân bay, xem xét hạn chế tiêu chuẩn thiết kế TCVN 10907:2015, kết nghiên cứu góp phần hồn thiện tiêu chuẩn thiết kế để áp dụng giai đoạn trước mắt, lâu dài có đủ nghiên cứu, đánh giá, kiến nghị áp dụng tiêu chuẩn AC 150/5320-6 (2016) thiết kế đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường cảng hàng không, sân bay đáp ứng yêu cầu thực tế khai thác quản lý sở hạ tầng cảng hàng không, sân bay nước ta Luận án tài liệu tham khảo hữu ích cho nhà quản lý, khai thác, thiết kế cảng hàng không, sân bay nước ta Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY 1.1 Tổng quan mặt đường mềm sân bay 1.1.1 Tổng quan mặt đường sân bay Kết cấu mặt đường sân bay thiết kế xây dựng đủ cường độ chịu tác động tải trọng tàu bay, đảm bảo độ ổn định, êm thuận, chịu lực cắt xoay trượt, với điều kiện thời tiết bất lợi, không bị nứt vỡ không bị bong bật cốt liệu tác động cánh quạt khí động tàu bay 1.1.2 Cấu tạo chung mặt đường mềm sân bay Mặt đường mềm sân bay kết cấu nhiều lớp, vật liệu có cường độ độ bền giảm dần từ xuống theo chiều sâu tác dụng tải trọng Hình 1.1 Cấu tạo mặt đường mềm sân bay [65] 1.1.3 Các yêu cầu mặt đường mềm sân bay Mặt đường đảm bảo chịu tác dụng tải trọng tàu bay, bền, ổn định, độ phẳng, độ nhám cao toàn vẹn điều kiện thời tiết 1.1.4 Quy định sức chịu tải kết cấu mặt đường Sức chịu tải kết cấu mặt đường sân bay xác định theo số phân cấp kết cấu PCN (Pavement Classification Number) phụ thuộc vào CBR đất Tải trọng tàu bay sức chịu tải đất ảnh hưởng lớn đến số ACN (Aircraft Classification Number) tàu bay, thiết kế kết cấu mặt đường yêu cầu PCN phải lớn giá trị ACN, số ACN tàu bay phụ thuộc vào cấp chịu lực đất tính theo CBR hình 1.2 Nhận xét: Khi khai thác loại tầu bay B777, B787, A350, yêu cầu sức chịu tải (PCN) kết cấu mặt đường lớn thường loại tàu bay sử dụng để tính tốn chiều dày kết cấu mặt đường Hình 1.2a Mối quan hệ sức chịu tải đất với ACN yêu cầu tàu bay Boeing [36]-[41] Hình 1.2b Mối quan hệ sức chịu tải đất với ACN yêu cầu tàu bay Airbus [30]-[34] 1.1.5 Điều kiện khai thác Cảng hàng không (CHK) nước ta 1.1.5.3 Điều kiện khai thác thực tế Từ năm 2010, loại tàu bay A321, A330, A340, A350, B777, B747, B787… có tải trọng áp suất bánh lớn so với tiêu chuẩn tính toán khai thác với tần suất lớn CHK nước ta, tuổi thọ kết cấu mặt đường giảm xuống nhanh chóng, xuất nhiều hư hỏng 1.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn 1.2.1 Cơ chế phá hoại kết cấu mặt đường mềm Dưới tác dụng tải trọng tàu bay, biến dạng mặt đường kết loạt trình xẩy đồng thời (hình 1.4) P Kéo Nén kéo Cắt Vết nứt Trồi lê n nén ®Ê t Hình 1.4 Cơ chế phá hoại mặt đường [4], [7], [9], [75] 1.2.2 Tải trọng tàu bay tác động lên khu vực đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ Tải trọng tàu bay tác động lên đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ tàu bay, dải hãm phanh đầu xác định theo công thức sau: (1.1) Ptt  Pcc max  k tt Trong đó: Ptt tải trọng tính tốn (KN); Pcc max tải trọng cất cánh lớn tàu bay tính tốn (KN); ktt hệ số vượt tải xét đến ảnh hưởng tải trọng tàu bay theo khu vực kết cấu; 1.3 Các phương pháp thiết kế 1.3.1 Phương pháp lý thuyết 1.3.1.1 Phương pháp thiết kế theo độ võng đàn hồi giới hạn cho phép Mặt đường mềm sân bay có mật độ tàu bay khai thác nên tính theo giai đoạn bền vững quy ước, thực nghiệm xác định độ võng tương đối giới hạn ∆th [4], [74]  th   h  a a rctg D D ,5 E1 E0 (1.2) Độ võng mặt đường tác dụng tải trọng máy bay [4], [74]:  pD n K n    nh      3,5  a.arctg  K h  E0 D 2  n  (1.3) Trong đó: Kn hệ số xét đến đặc điểm chuyển động tàu bay mặt đường; αn hệ số giảm cường độ mặt đường trượt bên tượng bắt đầu phá vỡ tính nguyên khối mặt đường đất; Kh hệ số xét đến ảnh hưởng bánh xe khác nhiều bánh; p áp suất bánh tàu bay tác dụng lên mặt đường 1.3.1.2 Phương pháp thiết kế Nga theo tiêu chuẩn CHИП 2.05.08.85 Kết cấu mặt đường tính toán theo tiêu chuẩn độ võng tương đối giới hạn điều kiện chịu kéo uốn lớp mặt BTN [72], [73] - Tính theo điều kiện độ võng tương đối giới hạn: (1.6) d   c u Trong đó: d độ võng tương đối tính tốn mặt đường tải trọng gây ra; c hệ số điều kiện làm việc lấy theo khu vực A, B, C, D mặt đường sân bay; u độ võng tương đối giới hạn mặt đường - Tính theo điều kiện chịu kéo uốn lớp mặt BTN: (1.7)  r   c Rd Trong đó: r ứng suất kéo uốn lớn lớp BTN tải trọng máy bay gây ra, MPa; Rd cường độ kéo uốn tính tốn BTN, MPa 1.3.1.3 Các phương pháp số Từ có sở phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp nguyên lý cực trị Gauss, xây dựng thành phần mềm để tính tốn kết cấu mặt đường như: phần mềm ALIZE3, ALIZE5, BISAR, Abaqus, 1.3.2 Các phương pháp thực nghiệm 1.3.2.1 Phương pháp thiết kế Công binh Mỹ (Phương pháp CBR) Nghiên cứu năm 1956 mối liên hệ chiều dày kết cấu mặt đường với tải trọng tàu bay áp suất bánh sau [14], [46]:  1  (1.8)  h P   8,1CBR  p  Xét đến tác dụng trùng phục đưa vào hệ số C:  23,1log C  14,  P    h 100   8,1CBR  p  (1.9) Tính cho loại tàu bay tải trọng nặng:      CBR  CBR  CBR  h   i  A  0,0481  1,1562  log  0,6414  log   0, 4730  log  pe  pe  pe            (1.10) Trong đó: αi hệ số xét đến tác dụng lặp lại nhiều lần tàu bay; A diện tích tiếp xúc bánh tàu bay in 2; pe áp suất bánh tàu bay chiều dày h tính theo bánh đơn tương tương (ESWL) (psi) Để tiện lợi thiết kế, Ngành công binh Mỹ đưa tốn đồ tính tốn chiều dày kết cấu mặt đường (xem phụ lục 1.1) 1.3.2.2 Phương pháp thiết kế ICAO [51], [63] Cơ sở lý thuyết phương pháp thiết kế dựa mơ hình giả thuyết lớp đàn hồi đặt bán không gian đàn hồi tuyến tính Các tốn đồ thiết kế lập sẵn dựa sở thực nghiệm xác định tổng chiều dày kết cấu mặt đường (lớp mặt, lớp móng trên, lớp móng dưới) Chiều dày tối thiểu lớp quy định bảng riêng 1.3.2.3 Phương pháp thiết kế Pháp [5] Phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay Pháp tiến hành theo tài liệu "Thiết kế mặt đường sân bay" Sở kỹ thuật hàng không (STBA) Sở hàng không (SBA) lập thành toán đồ (xem phục lục 1.3) 1.3.2.4 Phương pháp thiết kế Anh [5] Phương pháp Cục môi trường Vương quốc Anh ban hành Các tham số thiết kế mặt đường mềm gồm có chất lượng vật liệu mặt đường, cường độ đường, ACN thiết kế, tần suất vận chuyển, tuổi thọ thiết kế 20 năm, Tính chiều dày mặt đường theo tốn đồ thiết kế (xem phụ lục 1.4) 1.3.2.5 Phương pháp thiết kế hãng sản xuất máy bay Boeing, Airbus Thực chất phương pháp thiết kế CBR phương pháp thiết kế theo số phân cấp tải trọng LCN (Load Classification Number) xây dựng thành toán đồ thiết kế cho loại máy bay, chiều dày kết cấu phụ thuộc vào sức chịu tải đất, tải trọng máy bay, tần suất hoạt động, áp suất bánh kích thước bánh máy bay 1.3.3 Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm 1.3.3.1 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 [65] Dựa sở lý thuyết đàn hồi xem kết cấu áo đường mềm hệ đàn hồi nhiều lớp, tác dụng tải trọng tàu bay, xây dựng thành phần mềm thiết kế mặt đường sân bay FAARFIELD Tính toán sức chịu tải mặt đường mềm sân bay theo tiêu chuẩn biến dạng thẳng đứng lớn đường εv biến dạng ngang lớn đáy lớp mặt bê tông nhựa εh phụ thuộc vào tần suất khai thác tuổi thọ mặt đường 1.3.3.2 Phương pháp Viện bêtông Asphalt Mỹ [14], [60], [61] Dưới tác dụng tải trọng tàu bay mặt đường hình thành biến dạng kéo theo phương ngang εh đáy lớp BTN biến dạng thẳng đứng εc đỉnh đường theo trục đối xứng diện tích tiếp xúc bánh tàu bay mặt đường, xây dựng thành toán đồ (xem phụ lục 1.5) 1.3.4 Đánh giá ưu, nhược điểm phương pháp khả áp dụng vào Việt Nam 1.3.4.1 Phương pháp lý thuyết Ưu điểm phương pháp trình bày sở lý thuyết rõ ràng, tương đối chặt chẽ, tính tốn kết cụ thể áp dụng nhiều nước; Nhược điểm không sát với thực tế dựa giả thiết bỏ qua nhiều nhân tố tác dụng đồng thời việc cập nhật thơng số tàu bay khó khăn; 1.3.4.2 Phương pháp thực nghiệm Ưu điểm xét yếu tố đồng thời ảnh hưởng đến kết cấu mặt đường lý thuyết chưa thấy có lời giải rõ ràng, có khoa học ảnh hưởng đó, việc áp dụng thiết kế đơn giản, nhanh chóng Nhược điểm mang tính cục địa phương, điều kiện khác biệt kết thiết kế có sai số 1.3.4.3 Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm Là phương pháp kết hợp ưu điểm hạn chế số nhược điểm phương pháp lý thuyết phương pháp thực nghiệm, sở lý thuyết chặt chẽ, dựa vào mơ hình thực nghiệm để xây dựng tiêu thiết kế gắn với yếu tố đồng thời ảnh hưởng đến chiều dày kết cấu mặt đường 1.3.4.4 Đánh giá khả áp dụng vào Việt Nam Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 phương pháp đại ban hành 11/10/2016 ICAO khuyến cáo áp dụng, với xu hội nhập đồng tiêu chuẩn ICAO, việc xem xét áp dụng tiêu chuẩn bắt đầu Cục Hàng không Việt Nam nghiên cứu xây dựng lộ trình áp dụng 1.4 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 [24] 1.4.1 Tính tốn theo tiêu chuẩn độ võng tương đối giới hạn Khi tính mặt đường mềm sân bay theo độ võng tương đối giới hạn, toàn kết cấu phải thỏa mãn tiêu chuẩn: (1.15) d   c u Trong đó: d độ võng tương đối tính tốn mặt đường tải trọng gây ra; c hệ số điều kiện làm việc lấy theo khu vực mặt đường sân bay; A-1; B C - 1,05; D - 1,1 (xem hình 1.6); u độ võng tương đối giới hạn mặt đường, xác định theo tốn đồ hình 1.10 1.4.2 Tính tốn theo tiêu chuẩn cường độ chịu kéo uốn lớp BTN Cường độ lớp bê tông nhựa mặt đường mềm sân bay phải thỏa mãn tiêu chuẩn: (1.25)  r   c Rd Trong đó: r ứng suất kéo uốn lớn lớp tính tốn tải trọng tính tốn gây ra, MPa; Rd cường độ kéo uốn tính tốn BTN, MPa 1.4.3 Đánh giá tồn tiêu chuẩn thiết kế TCVN 10907:2015 1.4.3.1 Tải trọng thiết kế Thực tế khai thác với dòng tàu bay B787-8/9, B777-300/200, B747400/800, A350-900, A340, A330, A321,… có tải trọng áp suất bánh lớn so với tiêu chuẩn 1.4.3.2 Chiều sâu tác dụng tải trọng tàu bay Chiều sâu tác dụng thực tế tải trọng lớn 6m phụ thuộc vào đất, cần xác định cụ thể chiều sâu để xem xét biện pháp xử lý, cải thiện sức chịu tải đất phạm vi ảnh hưởng tải trọng 1.4.3.3 Tính tốn độ võng tương đối tải trọng tàu bay gây d Thực tế tính tốn kết cấu cho dịng tàu bay với mơ đun đàn hồi đất nhỏ 45MPa, tỉ số ttot/D thường lớn 2, nằm ngồi tốn đồ hình 1.13, khơng thể xác định Eed độ võng tương đối tính tốn d 1.4.3.4 Tính tốn độ võng tương đối giới hạn u Với áp suất bánh dòng máy bay khai thác thực tế pa >1,5MPa tần suất cất cánh Nr > 100 lượt/ngày khơng thể xác định u, khơng thể tính tốn chiều dày lớp kết cấu 1.5 Các nghiên cứu giới Việt Nam 1.5.1 Nghiên cứu phương pháp thiết kế Trên giới, Nga Mỹ nước có đầu tư nghiên cứu phương pháp thiết kế Các nghiên cứu đề xuất công thức gần tính mơ đun đàn hồi chung hệ bán khơng gian đàn hồi lớp: - Cơng thức tính Ech theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 [20]: (1.28) 1, 05.E0 E ch  1  E / E1  /   H / D   E / E1    0,67  E / E1  - Cơng thức tính Ech theo đề nghị GS.TS Phạm Cao Thăng [15]: 1, 05  0,1h / Dqd   E ch  0, 71 E 2, ch E 2, ch / E1  E1   / E1 arctg 1, 35 htd / Dqd    E1 / E  arctg  Dqd / htd  (1.29) Trong đó: E1 mơ đun đàn hồi lớp trên; E2,ch mô đun đàn hồi tương đương lớp (hoặc mô đun đàn hồi chung); h chiều dày lớp trên; Dqd đường kính hình trịn vệt áp lực bánh xe quy đổi; htd chiều dày "lớp tương đương" có mơ đun E2,ch Nhận xét: Áp dụng cơng thức (1.28) (1.29) tính Ech tỉ số H/D < cho kết sai lệch với tốn đồ 1.13 trung bình từ 6% đến 10% 1.5.2 Nghiên cứu FAA ảnh hưởng tần suất, áp suất bánh nhiệt độ cao đến hình thành vệt lún mặt đường BTN sân bay [51] FAA cải tiến thiết bị thí nghiệm APA tăng áp suất bánh phù hợp với tải trọng áp suất bánh dòng tàu bay A350-900, B787-8/9, B777X có áp suất bánh từ 250 psi (1,72 MPa) đến 260 psi (1,79 MPa) Nhận xét: Dưới tác dụng điều kiện tải trọng, nhiệt độ mặt đường tăng từ 210C lên 600C, vệt lún bánh tàu bay tăng lần; Trong điều kiện nhiệt độ không thay đổi 600C, áp suất bánh tác dụng lên mặt đường tăng từ 100 psi (0,69 MPa) đến 250 psi (1,72 MPa), vệt lún bánh tàu bay tăng 2,5 lần; 1.6 Kết luận Chương - Các phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay chia làm nhóm (nhóm phương pháp thực nghiệm, nhóm phương pháp lý thuyết nhóm phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm) Cơ sở lý thuyết 11 Hình 2.20 Mơ hình tốn hệ kết cấu nhiều lớp Kết tính tốn: Hình 2.21 Độ võng U (mm) Hình 2.22 Ứng suất cắt S12 (MPa) Hình 2.25 Độ võng mặt lớp kết cấu 2.2.4.4 Tính ứng suất, độ võng mặt đường tác dụng tải trọng động Cường độ tác động tải trọng theo quy luật hình sin Kết tính tốn sau: 12 Hình 2.27 Độ võng U (mm) Hình 2.28 Ứng suất cắt S12 (MPa) Hình 2.29 Các chu kỳ độ võng mặt đường Hình 2.30 Các chu kỳ ứng suất S12 2.2.4.5 Tính ứng suất, độ võng mặt đường xét lớp BTN vật liệu nhớt đàn hồi Mơ hình hóa đặc tính nhớt đàn hồi lớp BTN theo đường cong đồng từ biến thời điểm khác D(t) mô đun đàn hồi theo thời gian E(t) Các thơng số tính tốn thể hiển bảng 2.2 Kết tính tốn sau: Hình 2.31 Độ võng U (mm) Hình 2.32 Ứng suất cắt S12 lớp BTN (MPa) 13 Hình 2.33 Chu kỳ độ võng mặt đường U (mm) Hình 2.35 Chu kỳ ứng suất cắt S12 (MPa) Bảng 2.5 So sánh độ võng ứng suất cắt (vật liệu đàn hồi) Tải trọng tác dụng Giá trị so sánh Sai số Tải trọng tĩnh Tải trọng động Độ võng (mm) 3,531 3,476 1,58% -1 S12 (10 MPa) 6,355 6,144 3,43% Bảng 2.6 So sánh độ võng ứng suất cắt (BTN vật liệu nhớt đàn hồi) Giá trị so sánh Độ võng (mm) S12 (10-1MPa) Ứng xử vật liệu BTN Nhớt đàn hồi 3,392 6,000 Đàn hồi 3,476 6,144 Sai số 2,48% 2,40% Nhận xét: Giá trị chuyển vị, ứng suất kéo lớn đáy lớp BTN lớp móng đá GCXM mặt đường lớn tâm đường tròn tải trọng tác dụng; Tiêu chuẩn CHИП TCVN 10907 tính độ võng mặt đường tác dụng tải trọng tĩnh ứng với Eđàn hồi tĩnh cho tổng chiều dày lớp kết cấu lớn tính với tải trọng động ứng với Eđàn hồi động theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 giá trị Eđàn hồi động thường lớn 2-3 lần Eđàn hồi tĩnh 2.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng kết cấu mặt đường mềm sân sân bay 14 Mối quan hệ áp suất bánh tàu bay từ 1,0MPa đến 1,75MPa độ võng mặt đường điều kiện kết cấu, đất tuân theo quy luật tuyến tính xác định theo công thức U = 2,194pa + 0,138, (mm) (2.36) Mối quan hệ độ võng mặt đường với số lượng bánh với áp suất bánh đường kính vệt bánh khơng đổi xác định theo công thức (2.37) U = -0,026n  0,782n  2, 045 , (mm) Mối quan hệ độ võng mặt đường với sức chịu tải đất (mô đun đàn hồi) điều kiện kết cấu xác định theo công thức U = -1,12lnEnền+8,224, (mm) (2.38) Mối quan hệ độ võng mặt đường với cường độ lớp BTN điều kiện đất lớp móng xác định theo cơng thức (2.39) U = 14,04E btn0,24 , (mm) Mối quan hệ ứng suất kéo đáy lớp BTN mặt đường với sức chịu tải đất điều kiện kết cấu xác định theo công thức (2.40) σ ku =0,12.103 E 2btn  0,025E btn  3,186 , (MPa) 2.4 Kết luận Chương - Để xác định giá trị ứng suất, biến dạng hệ kết cấu đàn hồi nhiều lớp đặt đất bán khơng gian đàn hồi vơ hạn, có nhiều phương pháp giải gần ứng dụng để tính tốn, phương pháp PTHH sử dụng nhiều - Phần mềm Abaqus hoàn toàn đủ độ tin cậy sử dụng để tính tốn ứng suất, biến dạng mơ hình hệ kết cấu nhiều lớp đàn hồi đặt đất bán không gian đàn hồi vô hạn chịu tác dụng tải trọng tĩnh, tải trọng động - Giá trị ứng suất, biến dạng mặt đường tính với trường hợp tải trọng tĩnh ứng với Eđàn hồi tĩnh lớp mặt BTN lớn tính với trường hợp tải trọng động ứng với Eđàn hồi động trường hợp lớp BTN vật liệu nhớt đàn hồi - Ứng dụng phần mềm Abaqus khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay giúp cho có nhìn tổng quan yếu tố có ảnh hưởng lớn cần ý q trình thiết kế, thi cơng khai thác Chương KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM 3.1 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 Trong điều kiện khai thác thực tế sân bay, nhiều trường hợp áp dụng tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 để thiết kế lý sau: - Tỉ số tổng chiều dày kết cấu / đường kính vệt bánh tương đương lớn lần, vượt ngồi tốn đồ tính tốn hình 1.13 - Áp suất bánh tần suất khai thác tàu bay tính tốn vượt ngồi tốn đồ tính tốn hình 1.10 Để phù hợp với điều kiện khai thác thực tế sân bay, áp dụng tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 cần nghiên cứu, bổ sung số nội dung sau: 15 3.1.1 Xác định chiều sâu đất bị nén tác dụng tải trọng tàu bay Ứng dụng phương pháp PTHH phần mềm Abaqus để tính tốn chiều sâu tác dụng loại tàu bay Airbus, Boeing sức chịu tải đất (mô đun đàn hồi) thay đổi từ 28MPa - 100MPa Kết tính tốn lập thành tốn đồ hình 3.1 3.2 Hình 3.1 Chiều sâu tác dụng xuống đất loại tàu bay Boeing Hình 3.2 Chiều sâu tác dụng xuống đất loại tàu bay Airbus 3.1.2 Tính độ võng tương đối tính tốn tải trọng ngồi tốn đồ Khi tính tốn cho loại tàu bay có tải trọng lớn, sức chịu tải đất kém, tỉ số ttot / De  E / Emt  0,1 , sử dụng công thức thực nghiệm (3.3)[70]: k  1  E / Emt  /   ttot / De   E / Emt  1,05 E / Emt 2/3  E / Emt (3.3) Trong đó: Emt mơđun đàn hồi trung bình kết cấu nhiều lớp vật liệu (MPa); ttot tổng chiều dày lớp kết cấu (cm); E môđun đàn hồi đất tự nhiên (MPa); De đường kính vịng trịn (m) diện tích vệt bánh tương đương tải trọng bánh đơn tương đương xác định theo công thức (1.19) [24] Hoặc áp dụng phần mềm Abaqus tính độ võng w mặt đường, xác định độ võng tương đối tính tốn theo cơng thức (3.2) Kết tính tốn độ võng tương đối d theo phương pháp tra toán đồ, phần mềm Abaqus công thức thực nghiệm (3.3) cho giá trị xấp xỉ 16 (sai số nhỏ 0,6%) đủ độ tin cậy sử dụng trình thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay 3.1.3 Tính độ võng tương đối giới hạn tải trọng ngồi tốn đồ Khi áp suất bánh pa > 1,5MPa số lần cất cánh quy đổi Nr > 100 lần/ngày, để xác định giá trị u ngồi tốn đồ, mơ tốn đồ hình 1.10 [24] theo hàm số tốn học, u = f(Nr, pa) Xây dựng Hàm hồi quy xác định độ võng tương đối giới hạn theo quy luật hàm số mũ phần mềm Matlab (mã code xây dựng hàm hồi quy u trình bày phụ lục 3.15) - Nền đất sét, sét, cát (gồm có đất sỏi sạn), xác định theo cơng thức:  3,165   0, 8395 p a2  3, 208 p a  0, 3722      10 3 u  0,1313 Nr (3.7)  3,163   0, 9266 p a2  3,133 p a  0, 0255      10 3 u  0,1023 Nr - Nền cát bụi, xác định theo công thức: 1,889  0, 0702 pa2  1, 793 pa  0, 7897    10 3 u   0,1125 Nr (3.8) - Nền cát hạt trung, to mịn, xác định theo công thức: (3.9) - Sai số tính theo cơng thức hồi quy tốn đồ ∆u≤ 1,79% kiến nghị lựa chọn công thức (3.7), (3.8), (3.9) tính u áp suất bánh tần suất ngồi giới hạn tốn đồ 3.1.4 Xây dựng phần mềm tính tốn theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 Hình 3.5a Giao diện chương trình thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 Phần mềm tính tốn kết cấu mặt đường theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 viết ngôn ngữ Microsoft Visual Studio 2005, mã nguồn trình bày phụ lục 3.16 Excel 17 3.2 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6F [65] 3.2.2 Mô hình tính tốn Mơ hình tính tốn dựa sở lý thuyết đàn hồi xem kết cấu mặt đường mềm hệ đàn hồi nhiều lớp, đặt đất bán không gian đàn hồi vô hạn, chịu tác dụng tải trọng tàu bay tính phương pháp PTHH sử dụng phần tử không gian 3D, xây dựng thành phần mềm thiết kế mặt đường sân bay FAARFIELD (Flexible Iterative Elastic Layer Design Program) Tính tốn sức chịu tải mặt đường mềm sân bay theo tiêu chuẩn biến dạng thẳng đứng lớn đường εv biến dạng ngang lớn đáy lớp mặt bê tông nhựa εh 3.2.3 Hệ số phá hủy tích lũy CDF (Cumulative Damage Factor) Khái niệm tàu bay thiết kế thay khái niệm thiết kế theo phá hoại mỏi thể qua giá trị hệ số phá hủy CDFi tàu bay tích lũy theo quy luật Miner CDF tổng giá trị độ bền mỏi theo tuổi thọ thiết kế kết cấu mặt đường đạt đến giới hạn, thể tỉ số tải trọng lặp tác dụng thực tế với tải trọng lặp cho phép phá hủy Bảng 3.3 Xác định tuổi thọ kết cấu dựa giá trị CDF Giá trị CDF Tuổi thọ kết cấu 1,0 Kết cấu đạt đến giới hạn mỏi (kết cấu vừa đạt đến giới hạn tuổi thọ khai thác) < 1,0 Kết cấu chưa khai thác đến giới hạn mỏi, giá trị CDF phản ánh giá trị khai thác, sử dụng > 1,0 Kết cấu khai thác vượt giới hạn mỏi, kết cấu bị phá hủy 3.2.4 Phần mềm thiết kế FAARFIELD Hình 3.9 Giao diện phần mềm FAARFIELD Phần mềm tính tốn kết cấu mặt đường FAARFIELD theo tiêu chuẩn AC 150-5320-6 (2016) viết ngôn ngữ Visual Basic 2005 18 3.2.6 Những vấn đề đặt áp dụng Việt Nam - Phương pháp xây dựng dựa theo điều kiện tự nhiên, vật liệu, công nghệ thi công nước Mỹ cần có nghiên cứu, đánh giá, hiệu chỉnh áp dụng Việt Nam khác biệt địa lý, điều kiện tự nhiên, vật liệu xây dựng, công nghệ thi công - Cần tiến hành khảo sát nguồn vật liệu, thí nghiệm đánh giá cường độ so với quy định tiêu chuẩn để có hiệu chỉnh cho phù hợp - Những vấn đề cịn tồn tính tốn: Khơng tính toán cụ thể ứng suất, biến dạng lớp kết cấu mặt đường; Khơng tính tốn ứng suất tiếp lớn gây trượt, xô vật liệu bê tông nhựa nhiệt độ môi trường tăng cao tác dụng tải trọng để xem xét điều kiện đảm bảo khả chống trượt lớp BTN 3.3 Ứng dụng phần mềm Abaqus thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay 3.3.1 Mơ hình tiêu tính tốn Khi tính với tàu bay có hệ bánh, sử dụng mơ hình đối xứng trục, với hệ nhiều bánh, sử dụng mơ hình khơng gian 3D Hình 3.13 Mơ hình đối xứng trục Hình 3.14 Mơ hình khơng gian 3D - Tính tốn theo tiêu độ võng giới hạn cho phép: w ≤ [w] (3.18) Nền đất sét, sét, cát (gồm có đất sỏi sạn), xác định theo cơng thức:  2, 657 p w    10,1533 pa  1,178  10 3 a  2,9308 p w   N 0,1313 r  9, 9097 pa  0, 0807  10 3 Nền cát bụi, xác định theo công thức: a  0,1326 p   De N 0,1023 r  3, 387 pa  1, 4917   10 3  De (3.19) (3.20) Nền cát hạt trung, to mịn, xác định theo công thức: w  a N 0,1125 r  De (3.21) ... thác, thiết kế cảng hàng không, sân bay nước ta Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY 1.1 Tổng quan mặt đường mềm sân bay 1.1.1 Tổng quan mặt đường sân bay Kết cấu mặt. .. lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay giúp cho có nhìn tổng quan yếu tố có ảnh hưởng lớn cần ý trình thiết kế, thi cơng khai thác Chương KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM. .. pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay giới Việt Nam Khảo sát trạng kết cấu, điều kiện khai thác sân bay; Ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, biến dạng hệ kết cấu nhiều lớp mặt đường mềm sân bay