Giáo trình kết cấu bê tông cốt thép công trình giao thông 3

Trang 1

Chuong 3

NGUYEN LY THIET KE THEO TIEU CHUAN 22TCN 272-05

3.1 Triét ly thiét ké

Trong công tác thiết kế kết cấu, người kỹ sư phải kiểm tra độ an tồn và ơn định của phương án kết cấu khả thì được chọn Công tác thiết kế bao gồm các công việc lựa chọn cấu tạo và tính toán kết cấu một tiêu chuẩn nhất định để chứng minh cho người có trách nhiệm thấy rằng kết cầu thoả mãn mọi yêu cầu của tiêu chuẩn áp dụng về tính toán và cầu tạo Điều kiện để đảm bảo độ an toàn cho một kết cấu, một công trình đó là tat cả các bộ phận câu tạo nên kết câu, công trình đều phải thỏa mãn điêu kiện:

Sức kháng của vật liệu, R > Hiệu ứng của tải trọng, Q (3.1) Sức kháng của vật liệu là khả năng làm việc tối đa của vật liệu, người ta gọi trạng thái tôi đa đó là trạng thái giới hạn, viết tat là trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay

bộ phận của kết cấu sẽ khơng hồn thành mục tiêu của thiết kế dé ra Tất cả các tiêu chuẩn thiết kế đều hướng đến một mục tiêu quan trọng nhất là kết cầu hay bộ phận kết cấu sẽ không vượt quá trạng thái giới hạn trong quá trình thi công cũng như trong khai thác Tuy nhiên, đó không phải là mục tiêu duy nhất mà còn phải xem xét đến các mục tiêu

khác đó là khả năng dễ thi công, khả năng dễ kiểm tra chất lượng, tính

Trang 2

được (cường độ lớn hơn bao nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) phụ thuộc và chức năng và tâm quan trọng của công trình trong khai thác 3.2 Sự phát triển của nguyên lý thiết kế

Khi kết cấu bê tông cốt thép ra đời thì lý thuyết tính tốn của mơn sức bền vật liệu đã khá hoàn chỉnh, do đó người ta đã vận dụng lý thuyết này vào tính toán cho kết cấu bê tông cốt thép Đó chính là phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Stress Design —- ASD) và được sử dụng rộng rãi cho đến gần đây

Đến nay do phát triển của khoa học vật liệu, của phương tiện tính toán, thử nghiệm người ta đã cải tiến phương pháp tính toán kết cầu bê tông cốt thép cho phù hợp với tính chất của bê tông Tức là không xem

bê tông cốt thép là vật liệu đàn hồi mà là vật liệu đàn — dẻo, áp dụng

phương pháp tính theo giai đoạn phá hoại thay thế cho phương pháp ứng suất cho phép, liên tục cải tiến và phát triển đến nay gọi là phương pháp tính theo các trạng thái giới hạn

3.2.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép — Allowable Stress Design, ASD

Độ an toàn được xác định bằng cách cho rằng hiệu ứng của tải trọng sẽ gây ra ứng suất phải nhỏ hơn ứng suất ứng suất gây phá hoại, ứng suất phá hoại là cường độ giới hạn của bê tông hoặc giới hạn chảy của thép

R

F= (3.2)

trong do:

R - cường độ của vật liệu Q - hiệu ứng của tải trọng

Tiêu chuẩn thiết kế theo nguyên lý này được viết dưới dạng ứng suất nên gọi là thiệt kê theo ứng suât cho phép

Trang 3

trong do:

fmax - ứng suất lớn nhất gây ra do tác động của tải trọng [f] - img suat cho phép của vật liệu chế tạo kết cấu

Nhược điểm của phương pháp ASD:

-_ Quan niệm về độ bền dựa trên sự làm việc trong miền đàn hồi của vật liệu đẳng hướng và đông nhât nhưng thực tê có nhiêu loại vật liệu không tuyến tính và có tính chất thay đổi theo thời gian, sự làm việc của vật liệu còn có giai đoạn phi đàn hồi

- Không biểu hiện được một cách hợp lý về cường độ giới hạn là chỉ tiêu cơ bản về khả năng chịu lực của vật liệu hơn là ứng suất cho phép

-_ Hệ số an toàn chỉ được áp dụng cho riêng cường độ, tải trọng được

coi như cố định Mặc dù trong thực tế, tải trọng lại có tính chất thất

thường

- _ Việc lựa chọn hệ số an toàn dựa trên ý kiến chủ quan mà không có co Sở tin cậy về xác suât hư hỏng

Để khắc phục thiếu sót này, cần có một phương pháp thiết kế mới mà trong đó phải xét đên các yêu tô sau:

-_ Đánh giá sự an toàn của kết cầu dựa trên cơ sở cường độ giới hạn của vật liệu

-_ Xét đồng thời sự thay đổi tính chất cơ học của vật liệu và sự thay đôi của tải trọng theo thời gian và môi trường

- _ Đánh giá độ an toàn của kết cầu liên quan đến xác suất phá hoại 3.2.2 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design)

Trang 4

trọng được biếu diễn là tông của các giá trị y¡.Q¡ Nêu sức kháng danh

định là Rạ tiêu chuân an toàn sẽ là:

(Sức kháng của vật liệu) ®.Đ,> S7, Q (Hiệu ứng của tải trong) (3.4) Phương trình (3.4) chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng tiếng Anh là Load and Resistance Factor Design, việt tắt LRFD

Hệ sơ sức kháng ® cho trạng thái giới hạn cân xét tới tính phân tán

Tỉnh chất vật liệu;

Phương trình dự tính cường độ;

Tay nghề cơng nhân; Kiêm sốt chât lượng; Tình huống hư hỏng

Hệ sô tải trọng y¡ dùng cho các tải trọng đặc biệt cân xét tới độ phân tán của:

- Độ lớn của tải trọng;

- Sự sắp xêp của tải trọng; - T6 hop tai trong co thé xay ra

- Uu điểm của phương pháp thiết kê theo hệ sô tải trọng và hệ số sức kháng:

-_ Có xét đên sự biên đôi cả về sức kháng va tai trong;

- - Đạt được mức độ an toàn đồng đều cho các trạng thái giới hạn khác nhau và các loại câu mà không cân phân tích xác suât, thông kê phức tạp;

- Phuong phap thiét ké thich hợp với các đặc tính vật liệu

Nhược điểm của phương pháp thiết kê theo hệ số tải trọng và hệ sô sức kháng:

Trang 5

- Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thông kê và thuật toán tính xác suât đề chỉnh ly hệ sô sức kháng trong trường hợp đặc biệt

3.3 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05

Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 (lúc ra đời năm 2001,

mang ký hiệu 22 TCN 272-01, đến 2005 được áp dụng chính thức) đã được biên soạn như một phần công việc của dự án của Bộ Giao thông Vận tải mang tên “Dự án phát triển các Tiêu chuẩn cầu và đường bộ”

Kết quả nghiên cứu tham khảo của dự án đã đưa đến kết luận rằng:

Hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO của Hiệp hội Cầu đường Mỹ là thích hợp nhất để được chấp thuận áp dụng ở Việt Nam Đó là một hệ thống Tiêu chuẩn hoàn thiện và thống nhất, có thể được cải biên để phù hợp với các

điều kiện thực tế ở nước ta Ngôn ngữ của tài liệu này cũng như các tài

liệu tham chiếu của nó đều là tiếng Anh, là ngôn ngữ kỹ thuật thông dụng nhất trên thế giới và cũng là ngôn ngữ thứ hai phổ biến nhất ở Việt Nam

Hơn nữa, hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO có ảnh hưởng rất lớn trong các nước thuộc khối ASEAN mà Việt Nam là một thành viên

Chính vì vậy Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới được dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998), theo hệ đơn vị đo quốc tế SI Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRED ra đời năm 1994,

được sửa đổi và xuất bản lần thứ hai năm 1998 Tiêu chuẩn này đã được soạn thảo dựa trên những kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn

khác nhau trên khắp thế giới nên có thê được coi là đại diện cho trình độ

hiện đại trong hầu hết các lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm hiện nay Tính đến nay tiêu chuẩn này đã được cập nhật liên tục mới nhất là bán “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2012”

Trang 6

3.3.1 Tổng quan về thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

Kết cầu phải được thiết kế để đạt được các mục tiêu: thi cơng được,

an tồn và sử dụng được, có xét đến các yếu tô: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan Khi thiết kế, để đạt được những mục tiêu này cần phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn Kết cấu thiết kế phải có đủ độ dẻo,

phải có tính dư và tầm quan trọng của nó trong khai thác phải được xét đền Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn phương trình (3.5) đối với tật cả trạng thái giới hạn 3 7.+,.Q <®œR, = R, (3.5) trong đó: Q; - hiệu ứng của tải trọng: là nội lực do tải trọng hoặc các tác động ngoài sinh ra) yi - hé số tải trọng thứ ¡: là hệ số nhân vào tải trọng thứ 1 và xác định theo thống kê R› - sức kháng danh định

@® - hệ số sức kháng: là hệ số nhân vào sức kháng danh định và xác định

theo thông kê Đôi với các trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái

giới hạn đặc biệt thi D=1

ni - hé s6 điều chỉnh tải trọng có xét đến tính đẻo, tính dư và tầm quan

trọng trong khai thác

?), =TI›1,1, 3 0,95 (3.6)

VỚI:

Tịp - hệ số liên quan đến tính dẻo,

Tìn - hệ số liên quan đến tính dư,

Trang 7

Hệ số Tịp và rịa có liên quan đến cường độ của cầu, hệ số rị xét đến

sự làm việc của cầu ở trạng thái sử dụng Trừ trạng thái giới hạn cường

độ, đối với tat cả các trạng thái giới hạn khác rịp = rịg= rị=l

3.3.2 Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05

Kết cầu bê tông cốt thép phải được thiết kế sao cho dưới tác dụng

của tải trọng và các tác động ngoài, nó không vi phạm vào bất cứ trạng thái giới hạn Các trạng thái giới hạn này được áp dụng ở tât cả các giai đoạn trong suốt quá trình thi công và khai thác kết cấu Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, kết cầu bê tông cốt thép cần phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn sau đây:

- Trạng thái giới hạn sử dụng - Trang thai gidi han cường độ - Trang thai gidi han dac biét

3.3.2.1 Trang thái giới hạn sử dụng

Trạng thái giới hạn sử dụng là trạng thái giới hạn được xét đến

nhằm hạn chế đối biến dạng (hiểu trong phạm vi hẹp hơn là độ võng),

hạn chế ứng suất không cho gây nứt ở kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực và hạn chế bề rộng vết nứt của bê tông cốt thép thường trong điều kiện khai thác bình thường

3.3.2.2 Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại giòn

Trạng thái giới hạn mỏi phải được xét đến trong tính toán nhằm hạn chê vê biên độ ứng suât do một xe tải thiết kê gây ra với sô chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến

Trạng thái giới hạn giòn phải được xét đến như một số yêu cầu về

tính bên của vật liệu theo tiêu chuân của vật liệu

3.3.2.2 Trạng thái giới hạn cường độ

Trạng thái giới hạn cường độ được xét đến để đảm bảo cường độ, độ ôn định cục bộ và ôn định tổng thể đưới tác dụng của các tổ hop tai trọng quan trọng theo thống kê được dé ra trong quá trình thi công và khai thác câu trong phạm vi tuôi thọ thiết kế của nó Trạng thái giới hạn

Trang 8

- Trạng thái giới hạn cường độ I: Tô hợp tải trọng cơ bản liên quan đền việc sử dụng xe tiêu chuẩn của câu không xét đên gió

- Trang thái giới hạn cường độ II: Tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu khi có gió với vận tốc lớn hơn 25m/s, không có xe chạy trên câu

- Trạng thái giới hạn cường độ III: Tô hợp tải trọng liên quan đên việc sử dụng xe tiêu chuân của câu khi có gió với vận tôc bang 25 m/s

Trạng thái giới hạn cường độ là một trạng thái giới hạn được quyết định bởi cường độ tĩnh của vật liệu tại một mặt cắt bất kỳ Có 3 tô hợp tải trọng cường độ khác nhau được quy định trong bảng 3.2 Đối với một bộ

phận riêng biệt của kết cấu cầu, chỉ một hoặc có thé hai trong sé cac 16

hợp tải trọng này cần được xét đến Sự khác biệt trong các tổ hợp tải trọng cường độ chủ yếu liên quan đến các hệ số tải trọng được quy định đối với hoạt tải Tổ hợp tải trọng sinh ra hiệu ứng lực lớn nhất được so sánh với sức kháng của mặt cắt ngang của cấu kiện theo phương trình (3.5)

Trong khi tính toán theo phương trình (3.5); phía hiệu ứng của tải trọng đã được nhân thêm hệ số tải trọng y thê hiện sự không chắc chắn của tải trọng danh định như yếu tố quá tải hay giảm tải; phía sức kháng

của vật liệu được nhân thêm hệ số sức kháng ®, hệ số này là hệ số giảm cường độ thể hiện sự không chắc chắn của sức kháng danh định như

những yếu tố không đảm bảo được chính xác chất lượng vật liệu, của công tác chế tạo cầu kiện và ngay cả công thức xác định sức kháng và

hình thức chịu lực của cấu kiện Hệ số sức kháng ® theo TƠN 272-05 như sau: Bảng 3.1 Hệ số sức kháng đối với các kết cấu thông thường Trang thái giới hạn cường độ Hệ số sức kháng © Đối với uốn và kéo: - Bé tông cốt thép thường 0,90 - Bê tông cốt thép dự ứng lực 1,00

Đối với cắt và xoắn:

- _ Bê tông có trọng lượng trung bình 0,90

Trang 9

- Bé tong nhe 0.70

Đôi với nén dọc trục với côt thép đai xoăn hoặc piãng 0,75 trừ quy định riêng với động đât ở vùng 3 ở trạng thái

giời hạn đặc biệt

Đối với bộ phận đỡ tựa trên bê tông 0,70

Dối với trường hợp nén trong mơ hình tính tốn chống 0,70 va giang Đôi với trường hợp chịu nén ở vùng neo: -_ Bê tông có trọng lượng trung bình 0.80 Bê tông nhẹ 0,60 Dung cho thép chiu kéo trong ving neo 1,00

Đôi với trường hợp uốn và nén kết hợp, hệ số ® trong trường hợp

nén có thê được lây tăng lên tuyên tính từ giá trị 0,75 ở lực đọc trục nhỏ

cho tới hệ sơ ® đơi với n thuần túy ở lực dọc băng không Một lực doc nhỏ được định nghĩa là 0,10 f A, voi f, la cudng độ chịu nén 28 ngày của bê tông và Ag là diện tích mặt căt ngang nguyên của câu kiện chịu

nén

Đối với các dầm chịu kéo hoặc không chịu kéo được đặt cốt thép

thường và cốt thép dự ứng lực hỗn hợp, hệ số ® phụ thuộc vào tí lệ dự

ứng lực bộ phận (PPR) và được tính bằng cơng thức sau:

A,, Soy

@®=0,90+0,10.P2R và PPR =—————“——

Annet py + A, J, (3.7) trong do:

Aps - dién tich cét thép dự ứng lực,

f„ - giới hạn chảy của cốt thép dự ứng lực,

A; - diện tích cốt thép thường,

Trang 10

3.3.2.3 Trạng thái giới hạn đặc biệt

Trạng thái giới hạn đặc biệt được xét đến để đảm bảo sự tồn tại của kết cấu, của cầu trong các trường hợp đặc biệt như động đât, lũ lụt, gió bão, cháy nổ hoặc khi bị tàu thuý, xe cộ va xô, có thể cả trong điêu kiện - bị xói lở

3.3.3 Tính đẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác 3.3.3.1.Tính đẻo

Tính dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu Nhờ

tính dẻo, các bộ phận chịu lực lớn của kết cấu có thể phân phối lại tải

trọng sang những bộ phận khác có dự trữ về cường độ Sự phân phối lại này phụ thuộc vào khả năng biến dạng của bộ phận chịu lực lớn và liên quan đến sự phát triển biến dạng dẻo mà không xảy ra phá hoại

Hệ kết cấu công trình phải được định kích thước và cau tao dé dam bảo sự phát triển đáng kế và có thể nhìn thấy được của các biến đạng dẻo ở'trạng thái giới hạn cường độ va trạng thái giới hạn đặc biệt trước khi phá hoại

Ví dụ kết cấu bê tông cốt thép thì vết nứt sẽ phát triển và cầu kiện được xem là ở vào tình trạng nguy hiểm, phải tránh sự làm việc giòn vì nó dẫn đến sự mắt khả năng chịu lực đột ngột khi vượt quá giới hạn đàn

hồi Các cấu kiện và liên kết trong BTCT có thể làm việc đẻo khi hạn chế

hàm lượng cốt thép chịu uốn và khi bé trí cốt dai để kìm chế biến dạng Nói tóm lại, nếu trong thiết kế, các quy định của Tiêu chuẩn được tuân thủ nghiêm túc thì thực nghiệm cho thấy rằng, các cấu kiện sẽ có đủ tính

dẻo cần thiết

k ° rie se ere ` ˆ

Đôi với trạng thái giói hạn cường độ:

> 1,05 đôi với các câu kiện và liên kêt không dẻo

= 1,00 đối với các kết cấu thông thường và các chỉ tiết theo đúng

Tp | tiêu chuân

Trang 11

Đối với trạng thái giới hạn khác, np=1,00 3.3.3.2 Tính dư

Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt đối với miền an toàn của kết

cầu cầu Kết cấu siêu tĩnh được coi là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn

so với số liên kết tối thiểu cần thiết để đảm bảo kết cấu không bị biến

dang hinh hoc (số liên kết của kết cấu siêu tĩnh nhiều hơn số liên kết tối thiểu để kết cấu cân bằng tĩnh học) Khi một bộ phận chịu lực bị quá tải, nó sẽ truyền tải trọng sang bộ phận khác còn dự trữ an toàn

Ví dụ kết cấu dầm liên tục ba nhịp là kết cấu siêu tĩnh bậc hai Nếu một liên kết đơn hay một liên kết chỗng quay mất đi; hoặc một tô hợp hai liên kết đơn hay hai liên kết chống quay hay một liên kết đơn và một liên

kết chống quay mất đi thì kết cấu cầu dầm liên tục ba nhịp đó vẫn chưa

hình thành khớp dẻo ngay vì tải trọng tác dụng vẫn có thể tìm con đường khác để truyền xuống đất Kết cầu có nhiều đường truyền lực như vậy gọi là kết cầu có tính dư Kết cấu có tính dư cảng cao thì càng an tồn Trong cơng tác thiết kế kết cấu, tiêu chuẩn khuyến cáo không nên sử dụng các kết cấu không có tính dư

Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

>1,05 đối với các bộ phận không dư

r„ | =1,00 đối với các bộ phận có mức dư thông thường

> 0,95 đối với các bộ phận có mức dư đặc biệt Đối với trạng thái giới hạn khác, rịạ=1,00

3.3.3.3 Tầm quan trọng trong khai thác

Trang 12

huỗng mà cầu không được coi là quan trong trong khai thác Một ví dụ về cầu không quan trọng là cầu trên đường phụ dẫn tới một vùng hẻo lánh được sử dụng không phải quanh năm

Khi có xảy ra các thảm hoạ thiên nhiên như động đất, 216 bao, ., hay các hoạt động phá hoại do con người như khủng bố thì điều quan trọng là tất cả các con đường, cũng như các công trình cầu trên con đường đó vẫn phải thông, để đảm bảo cho hoạt động cứu hộ của chính quyền Vì vậy, các yêu cầu về tầm quan trọng trong khai thác chỉ đặt ra cho trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt với các

giá trị như sau:

Đối với trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt: > 1,05 đối với các cầu quan trọng

n, | = 1,00 đối với các điển hình thông thường

> 0,95 đối với các cầu ít quan trọng

Đối với trạng thái giới hạn khác, rịr=1,00 3.4 Tải trọng và hệ số tải trọng theo 22TCN 272-05

Tải trọng tác dụng lên công trình cầu rất phức tạp và có nhiều cách dé phan loại Dựa theo tính chất tác đụng của tải trọng người ta phân chia thành hai loại là tải trọng thường xuyên và tải trọng tức thời Trong mục

này của tải liệu chỉ nêu ra các loại tải trọng nhằm mục đích hiểu được

tổng quát về nguyên lý và quan điểm thiết kế theo 22 TCN 272-05, việc xác định chỉ tiết cho từng loại tải trọng được đưa vào từng phân theo giáo trình của từng môn học phù hợp

Tải trọng thường xuyên là tải trọng không có sự thay đôi về phương, chiều và trị số trong một thời gian dài, có thể trong suốt quá trình khai thác cầu như trọng lượng bản thân kết cấu của cầu, của lớp phủ mặt cầu, lan can, cột đèn, như vậy có thể gọi là tĩnh tải

Tải trọng tức thời là tải trọng có sự thay đổi về vị trí tác dụng,

Trang 13

3.4.1 Tai trong va tén tai trong 3.4.1.1 Tải trọng thường xuyên

Bảng 3.2: Tải trọng thường xuyên và ký hiệu Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh Ký hiệu Tải trong do từ biến Force effects due to creep CR

Tải trọng kéo xuống do hiện Downdrag force DD

tượng ma sát âm

Tải trọng bản thân của các bộ | Dead load of structural

phận kết cấu và các thiết bị components and nonstructural DC

phụ phi kết cầu attachments

Tải trọng bản thân của các lớp | Dead load of wearing surfaces

phủ mặt cầu và các tiện ích and utilities DW

công cộng

Tải trọng áp lực đất nằm Horizontal earth pressure load EH ngang

Các hiệu ứng bị hãm tích luỹ | Miscellaneous locked-in force do phương pháp thị công effects resulting from the

construction process, including EL jacking apart of cantilevers in

segmental construction

Tai trong dat chat thém Earth surcharge load ES Ap luc thang dtmg do ty trong | Vertical pressure from dead EV

dat dap load of earth fill

Tải trọng phu do cang du img , Secondary forces from post- PS

lực tensioning

Force effects due to shrinkage SH

Tai trong do co ngot

Trang 14

3.4.1.2 Tai trong tire thoi

Bảng 3.3: Tải trọng tức thời và ký hiệu Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh Ký hiệu

Tải trọng nỗ Blast loading BL

Lực hãm xe Vehicular braking force BR

Lực ly tâm Vehicular centrifugal force CE

Lực do xe va vào kết cấu Vehicular collision force CT Lực do tàu thuyền va vào kết | Vessel collision force CV câu

Tải trọng do động đất Earthquake load EQ

Tai trong do ma sat Friction load FR

Lực xung kích của xe Vehicular dynamic load IM

allowance

Hoạt tải xe Vehicular live load LL

Hoạt tải chất thêm Live load surcharge LS

Tải trọng người đi bộ Pedestrian live load PL

Tải trọng lún Force effect due to settlement SE Luc do su thay đổi của nhiệt Force effect due to temperature TG độ gradient Lực do sự chênh lệch nhiệt độ | Force effect due to uniform TU temperature Tải trọng nước và áp luc dong | Water load and stream pressure WA chay

Tải trọng gió tác dụng lên hoạt

tai xe Wind on live load WL

Tải trọng gió tác dụng lên kết

cau Wind load on structure WS

Trang 15

3.4.1.3 Hoat tai xe thiét ké, LL a) Số làn xe thiết kế

Bề rộng làn xe được lấy bằng 3500mm để phù hợp với quy định bề

rộng 1 làn xe của “Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô” Số làn xe thiết kế

được xác định bởi phần nguyên của tỉ số w/3500, trong đó w là bề rộng khoảng trống của lòng đường giữa hai đá vỉa hoặc hai rào chắn, tính bằng mm

Trên thực tế, có trường hợp được yêu cầu thiết kế bề rộng làn xe <3500mm thì sô làn xe thiết kê phải lây băng sô làn giao thông và bê rộng làn xe phải lây băng bê rộng làn giao thông thực tê

b) Hệ số làn xe

Hệ số làn xe dùng để xét đến xác suất xuất hiện của nhiều làn xe ở

cùng một vị trí bất lợi Ví dụ thiết kế cầu có 3 làn xe thì hệ số làn là 0,85,

đó là cách chiết giảm tải trọng của ASSHTO bởi vì rất khó xảy ra cả 3 làn đều cùng 1 vị trí bât lợi nhât, nêu thiệt kê như vậy sẽ lãng phí

Như vậy ứng lực cực hạn của hoạt tải xe trong phương trình (3.5)

được xác định bằng cách tính tổ hợp có thể của số làn chịu tải nhân với

hệ số làn xe tương ứng được cho trong bảng 3.4 Bảng 3.4 Hệ số làn xe Số làn chất tải Hệ số làn, m ' 1 1,20 2 1,00 3 0,85 >3 0,65

b) Hoat tai xe thiét ké, LL

Hoat tai xe 6 t6 trén mat cau hay các kết cầu phụ trợ có ký hiệu là

Trang 16

Bang 3.5 Hoat tai xe thiét ké theo 22TCN 272-05 HL-93 So dé tai ¬ athe ako 145kN 145kN 35kN Xe tải thiết kê và 4.3dén9.0m] 4.5m tải trọng làn thiết 9.3 N/mm kế —_LT TT TL T_ ] ; Lak 110kN 110kN Xe hai trục thiệt kê 1.2m và tải trọng làn | | 9.5 N/mm thiết kế ——t 1 i tf fi oj oj

“+ Xe tai thiết kế — Design truck:

Trọng lượng và khoảng cách các trục và khoảng cách các bánh xe:

của xe tải thiết kế được lấy theo hình 3.1 Xe tải thiết kế là loại xe 3 trục,

khoảng cách giữa hai trục nặng 145 kN thay đổi trong khoảng từ 4300mm đến 9000 mm để gây ra ứng lực lớn nhất trên kết cấu

Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thê xác định tải trọng trục như trong hình 3.1 nhân với hệ sô 0,5 hoặc 0,65 4 rm 1800mm © 35 KN 145 KN 145 KN 600 mm noi chung 4300 mm — 14300mmtéi 9000mm 300mm mút thừa của mặt cầu Làn thiết kế 3600 mm Hình 3.1 Mô hình xe tải thiết kế %% Xe 2 trục thiết kế — Design tandem:

Xe 2 trục thiết kế là một cặp trục có trọng lượng 110kN cách nhau 1200mm, khoảng cách giữa tim các bánh xe theo chiều ngang là 1800mm

Trang 17

Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thê xác định tải trọng trục như trong hình 3.1 nhân với hệ sô 0,5 hoặc 0,65

% Tải trọng làn thiết kế:

Tải trọng làn thiệt kê được đưa ra đê mô tả cho dòng xe hồn hợp, ngau nhiên mà rât khó đê mô tả băng một loại xe nào đó trên câu

Khi tính toán theo phương đọc cầu, tải trọng làn thiết kế là có

cường độ 9,3 N/mm = 9,3 kN/m và phân bố đều theo chiều dọc câu Khi tính toán theo phương ngang cầu, tải trọng được giả thiết là phân bố đều trên bề rộng 3000 mm, khi đó cường độ của nó là 9,3N/mm/3000mm =

9.3kN/3m = 3,1 kN/ni

Khi tính toán hiệu ứng của tải trọng làn, không xét đến hiệu ứng

xung kích (xem mục 3.4.1.5)

Khi giảm tải trọng thiết kế cho các tuyến đường cấp IV và thấp hơn tải trọng làn vẫn giữ nguyên giá trị 9,3 N/mm, không nhân với các hệ sô (0,50 hay 0,65)

3.4.1.4 Hoạt tải người đi bộ, PL

Tất cả các đường bộ hành rộng hơn 600mm, lấy tải trọng người đi bộ là 3x10””MPa và phải tính đồng thời với hoạt tải xe thiết kế

Đối với cầu được thiết kế dành riêng cho người đi bộ và/hoặc xe

đạp, phải lấy tải trọng người đi bộ là 4,1x10-* MPa va tinh đồng thời với

hoạt tải xe thiết kế

Khi tính toán hiệu ứng của tải người đi bộ, không xét đến hiệu ứng xung kích (xem mục 3.4.1.5)

3.4.1.5 Lực xung kích, IM

Khi phân tích tải trọng để thiết kế, ta phân tích tải trọng xe chạy

Trang 18

analysis Tuy nhiên việc phân tích động rất phức tạp vì phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chính vì vậy để đơn giản các tiêu chuẩn đưa ra một hệ số để

xét đến hiệu ứng này và gọi là hệ số xung kích

Tác động tĩnh học của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế phải được lấy tăng thêm một tỷ lệ phần trăm (IM) được quy định như trong bang 3.6 Trong tính toán người ta nhân thêm vào trị số tải trọng của xe

tải hoặc xe 2 trục thiết kế một hệ số (1+IM/100) Bảng 3.6 tỷ lệ % cho lực xung kích Cấu kiện IM, % Môi nỗi ban mat cau, doi vdi tat ca cdc trang thai gidi han 75

Tat ca các câu kiện khác:

- Trạng thái giới hạn mỏi 15

- Trạng thái giới hạn khác 25

Đối với tải trọng làn, tải trọng người đi bộ, LM=0 3.4.2 Hệ số tải trọng và tô hợp tải trọng

Các loại tải trọng (thường xuyên, tức thời, đặc biệt .) được phân biệt dựa vào tính chất tác động của chúng lên công trình Sự tác động của chúng lên công trình có thé xảy ra đồng thời hoặc không đồng thời, do đó trong thiết kế cần phải xem xét tổ hợp các tải trọng có thể xảy ra đồng thời dé tính toán đảm bảo an tồn cho cơng trình Trong tiêu chuẩn thiết - kế gọi là tô hợp tải trọng

Trang 19

Bảng 3.7 Các tổ hợp và hệ số tải trong LL Cùng một lúc Tổ hợp | DC chỉ dùng một vị IM Tài

tải DD trong các tải

trọng one |DW CE EH BR|WA|WS|WL|FR| CR |TG|SE 1 trong ne

Trang | EV PL thai | ES ane LS SH EQ | CT | CV ve EL giới hạn Cường | ya |1,75|1,00| - - 11,00|0,5/1,20|Yre|YsE| - - - độ I Cuong | yn | - |1,00|1,.40[ - |1,0010,5/1,220lYrolYse| - - - do II Cường | +na |1,35|1,0010,4011,00|1,0010,5/1,20|yre|YsEl - - - độ II Đặc Yn |0.5011,00] - - {1,00 - - | - |1,00)1,00}1,00 biét Str 1,00} 1,00} 1,00]0,30|1,00]1,00]1,0/1,20lyrclyse| - | - | - dung Mỏi, chỉ có LL, IM&CE - 10,75 Ghi chu:

- Khi phai kiém tra cầu đùng cho xe đặc biệt do chủ đầu tư quy định hoặc xe có giây phép thông qua câu thì hệ sô tải trọng của hoạt tải trong trạng thái giới hạn cường độ I có thể giảm xuống còn 1,35

-_ Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải trên hoạt tải rất cao (tức là cầu nhịp lớn)

cân kiểm tra tổ hợp không có hoạt tải, nhưng với hệ số tải trọng bằng 1,50 cho tất cả các cấu kiện chịu tải trọng thường xuyên

Trang 20

-_ Đối với các cầu vượt sông, khi kiểm tra các hiệu ung tai EQ, CT va

CV ở trạng thái giới hạn đặc biệt thì tải trọng nước WA và chiều sâu xói có thể dựa trên lõ trung bình hàng năm Tuy nhiên kết cấu cần phải được kiểm tra về những hậu quả do các thay đổi do lũ, phải kiểm tra xói ở những trạng thái giới hạn đặc biệt với tải trọng nước tương ứng WA nhưng không có các tải trọng EQ, CT và CV tac dụng

- Để kiểm tra chiều rộng vết nứt bê tông ở trạng thái giới hạn sử dụng, có thể giảm hệ số tải trọng của hoạt tải xuống 0,80

Trang 21

- Hésé tải trọng tính cho lực do thay đổi nhiệt độ yrs và lún ysg cần được xác định trên một đồ án cụ thể riêng Nếu không có thông tin riêng

thì có thê lây giá trị của yrc như sau:

_+_ Yro = 0,00 ở trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt,

+ ro = 1,00 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải, +_ Tre = 0,50 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi có xét hoạt tải

3.5 Trình tự tính toán thiết kế

3.5.1 Mục tiêu thiết kế kết câu công trình

Để thiết kế một kết cấu công trình hợp lý, người kỹ sư thiết kế

nghiên cứu sao cho sản phâm thiệt kê đáp ứng được các yêu câu sau: s* Công năng và hình dạng công trình

Người kỹ sư cần phải nghiên cứu yêu cầu thiết kế và công năng công trình được thể hiện trong nhiệm vụ thiết kế được giao Người kỹ sư thể hiện ý đồ thiết kế thông qua các phương án thiết kế kiến trúc công

trình và phương án thiết kế kết cấu công trình +» Độ bền vững và tuôi thọ công trình

Trách nhiệm chính của kỹ sư là đảm bảo an toàn cho người sử dụng kết câu, đảm bảo kết câu làm việc được lâu đài, dễ duy tu bảo dưỡng va đảm bảo được hiệu suất khai thác

“+ Khả năng thi công được

ˆ Kết cấu được thiết kế phải đảm bảo được khả năng chế tạo, lắp ráp không quá khó khăn Kết cấu được thiết kế đảm bảo hết các yêu cầu khác nhưng lại thi công rất khó khăn hoặc phải áp dụng một số công nghệ

phức tạp có thê dẫn đến chỉ phí quá cao sẽ không có ý nghĩa thực tiễn

+ Tính kinh tế

Trang 22

chi phi van hanh trong tudi tho thiét ké cha kết cấu, các nhân tố vật liệu

tại chỗ để giảm chỉ phí xây dựng

s* Tính mỹ quan

Công trình được thiết kế phải phù hợp với cảnh quan xung quanh, bổ sung vẻ đẹp cho khu vực, tức là kết cầu công trình phải có hình dáng

đẹp, khỏe khoắn Người kỹ sư phải chọn hình đáng đẹp cho kết cầu bằng

cách cải thiện bản thân hình dáng, quan hệ giữa các cấu kiện và hết sức tránh áp dụng cách làm đẹp không bình thường và phi kết cầu

3.5.2 Những giới hạn gây áp lực lên kỹ sư thiết kế

Nguồn vốn xây dựng bị hạn chế từ phía chủ đầu tư: Do tình hình

kinh tế khó khăn chung của cả nước, nguồn vốn đầu tư xây dựng cho công trình thường bị giới hạn ngay từ đầu do đó người kỹ sư phải tìm

được phương án kết cấu đáp ứng tất cả các nhiệm vụ thiết kế nhưng với

lượng chỉ phí bị giới bạn

Chi phi thiết kế được chỉ trả từ chủ đầu tư: Chi phí này được tính:

băng tỷ lệ phân trăm của chi phí xây dựng công trình, thường <3% do đó

khó có thể đầu tư hết nguồn lực cho công tác thiết kế công trình

Chủ đầu tư, kỹ sư thiết kế kiến trúc lại hạn chế về kinh nghiệm và

kiến thức tính toán kết cấu do đó gây trở ngại trong các thảo luận về ứng xử của kết cấu và phương pháp thiết kế để có thể cải thiện chế độ làm việc của kết cấu

Kỹ sư thiết kế kết cầu thiếu kiến thức, kinh nghiệm: nhiều kỹ sư lâu

năm lại quen tính toán với tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 và ngại áp dung tiêu chuẩn mới 22TCN 272-05; trong khi đó những kỹ sư trẻ được đào tạo theo tiêu chuẩn mới lại thiếu kinh nghiệm

3.5.3 Trình tự các bước thiết kế công trình

Sản phẩm của quá trình thiết kế là hồ sơ bản vẽ (thể hiện cấu tạo chung và chỉ tiết của các bộ phận kết cấu) và hồ sơ dự toán (thê hiện chi phí để xây dựng công trình và các loại chỉ phí khác liên quan) Công tác

Trang 23

-_ Xác định các điều kiện khống chế của dự án như nguồn vốn của dự án, mục tiêu của dự án, về chức năng của công trình

-_ Đề xuất và lựa chọn phương án kiến trúc, phương án kết cấu tối ưu

để thiết kế

-_ Lựa chọn vật liệu chế tạo và các yêu cầu vật liệu như cường độ,

khả năng chịu biên dạng

- Tinh todn tai trọng sơ bộ, đề xuất các kích thước và cốt thép đây chính là công tác lập thiệt kê sơ bộ và khái tốn cơng trình

-_ Phân tích, đánh giá và thiết kế lại kích thước, cốt thép ở bước trước

một cách chỉ tiết hơn, đây là công tác lập thiết kế khai triển và lập lại dự toán cơng trình

- Tính tốn thiết kế các giải pháp thi công và tổ chức thi công công

trình

- Thể hiện cấu tạo và bố trí cốt thép của kết cầu trên bản vẽ, trên thuyét minh

Với kết cấu bê tông cốt thép công trình cầu, công tác thiết kế kết

Trang 24

8TT ele LUA CHON SO BO KET GẤU: Reyer eRe - Kích thước các bộ phận căn cử yêu cầu về kiến trúc TÍNH TỐN SƠ BỘ KẾT €, ~ Xác định sợ đồ tính của kết cấu

- Tính nội lực, chuyển vị tại các vị trí quan trạng

- Tính toán bố trí cốt thép cho những vị trí quan trọng của kết cấu

TÍNH TỐN CHI TIẾT KẾT CA

- Quyết định chính xác hình dạng và kích thước của kết cấu

- Tỉnh toán và bổ trí cốt thép cho toàn bộ kết cấu

Đạt Kiểm tra điều kiện chuyển vị,

vết nứt và tính hợp lý của kết cấu Không đạt

Hình 3.2- Trình tự tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép,

Trang 25

Nội dung ôn tập chương 3: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Nêu nguyên lý thiết kế và trình bày sự phát triển của quá trình thiết kế Trình bày phương pháp thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo phương pháp hệ số tải trọng và hệ số sức kháng Phân tích ưu, nhược điểm của phương pháp hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

Thế nào là trạng thái giới hạn? Nêu các trạng thái giới hạn trong

tính tốn kết cầu bê tơng cốt thép

Thế nào là tính đẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác của kết câu công trình Tính dẻo, tính dư và tâm quan trọng được xem

xét như thế nào trong tiêu chuẩn thiết kế?

Liệt kê các loại tải trọng, hệ số tải trọng và tổ hợp tải trọng trong

tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép