giới thiệu tóm tắt về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (lrfd) của aashto và tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của vn. ký hiệu 22 tcn -272-05

Sau khi nghiên cứu này được công bố, một quy trình mới, đầy đủ đã được phát triển – Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng.. TRIẾT LÍ THIẾT KẾ THEO HỆ SỐ TẢI TRỌNG V

GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ THEO

HỆ SỐ TẢI TRỌNG VÀ HỆ SỐ SỨC KHÁNG (LRFD) CỦA AASHTO VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU MỚI CỦA VN.

KÝ HIỆU 22 TCN -272-05

GS TS Nguyễn Viết Trung.

Đại Học Giao Thông Vận Tải.

1.1 LỜI NÓI ĐẦU

Đây là một bài giới thiệu sơ lược về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng, gồm một số chủ đề chung và cách xử lí đơn giản trong thiết kế bê tông Nhiệm vụ chính của bài này là đưa ra một bức tranh tổng quan về LRFD là gì Trong bài này, chúng

ta có thể thấy những thông tin chi tiết và những phân tích kĩ thuật sâu sắc qua những ví

dụ thiết kế và những công cụ trợ giúp thiết kế

Để giúp cho bài viết súc tích, ngắn gọn lại dễ hiểu, trong toàn bộ bài, các tên, các tiêu đề

và các vấn đề được dùng ở dạng viết tắt Những từ này được dùng hoặc không được dùngtrong các thuật ngữ của AASHTO Dưới đây là danh sách các từ:

TỪ VIẾT TẮT NGHĨA

LRFD Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng của

AASHTO

SS Tiêu chuẩn thiết kế chung cho đường bộ của AASHTO

STM Mô hình chống và giằng (xem trong phần thiết kế chống

lực cắt và lực xoắn)

MCFT Học thuyết về lực nén thay đổi (xem trong phần thiết kế chống lực cắt và lực xoắn)

1.2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH

Vào năm 1986, tiểu ban của AASHTO về cầu và kết cấu thấy rằng tiêu chuẩn chung cho cầu đường bộ ( Standard Specification, viết tắt là SS ) còn có một số mâu thuẫn và chưa đại diện cho *********** trong thiết kế cầu và bước đầu tiên cần làm là thay thế nó đi

Họ thừa nhận rằng yêu cầu đặt ra đối với uỷ ban nghiên cứu là phải thực hiện đánh giá vềtiêu chuẩn hiện có và so sánh nó với tiêu chuẩn thiết kế của nước ngoài cũng như đối với các triết lí thiết kế khác nhau Công việc này được hoàn thành vào năm 1987 và đánh giá rằng tiêu chuẩn này so với tiêu chuẩn nước ngoài còn có khoảng cách và có thể dễ dàng nhận thấy được sự khác biệt, thậm chí có một số điểm trái ngược hoàn toàn Hơn nữa, tiêu chuẩn này không phải là hiện thân của triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

Sau khi nghiên cứu này được công bố, một quy trình mới, đầy đủ đã được phát triển – Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng Nỗ lực kéo dài 5 năm đã kết thúc vào năm 1993 và tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(viết tăt tiếng Anh là LRFD) đã được AASHTO công nhận cùng với SS Nhưng lúc này, phần lớncác bang vẫn thiết kế cầu theo Tiêu chuẩn SS nên khi đưa ra tiêu chuẩn LRFD, AASHTOthừa nhận cả 2 Tiêu chuẩn và xem LRFD là sự thay thế dần dần cho SS Điều này nghĩa

là lúc này không phải là lúc trả lời cho câu hỏi liệu LRFD có thay thế được cho SS hay không mà chỉ là sự chuyển tiếp từ SS lên LFRD mất bao lâu

Hiện nay, một số bang đã và đang dần công nhận LFRD Một số bang khác cũng đang xem xét LRFD ở các mức độ khác nhau

Để đạt được những mục đích như trên, cần phải thực hiện nhiều thay đổi đối với quy trình cũ, bao gồm:

cấu

1.4 TRIẾT LÍ THIẾT KẾ THEO HỆ SỐ TẢI TRỌNG VÀ HỆ SỐ SỨC

KHÁNG(LRFD)

Tiêu chuẩn LRFD chính là sự biểu hiện của triết lí trong đó cầu phải được thiết kế để đạt được các mục tiêu :thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các vấn đề: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mĩ quan Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiêu này,cần phải thoả mãn các trạng thái giới hạn: kết cấu phải đủ độ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (như tính dư) và phải xét đến tầm quan trọng trong khai thác

1.5 KÍ HIỆU, ĐƠN VỊ

Trong khi một số kí hiệu được sử dụng trong tiêu chuẩn LRFD giống với trong tiêu chuẩn

SS thì có một số kí hiệu lại khác hoàn toàn Ở những ví dụ mà kí hiệu trong tiêu chuẩn LRFD khác với trong tiêu chuẩn SS thì nói chung là kí hiệu này giống với kí hiệu trong ACI318, quy trình xây dựng kết cấu bằng bê tông cốt thép

Trong tiêu chuẩn LRFD có cả hệ đơn vị của Mĩ lẫn hệ đơn vi quốc tế (tính theo đơn vị mét) Do đó, trong bản tính theo đơn vị của Mĩ thì người ta thay các đơn vị “lb” và “psi” bằng các đơn vị “KIP” và “KSI” (chú ý theo quy ước, các đơn vị được viết bằng chữ in hoa) Kết quả là những hệ số tương tự trong các phương trình phải thay đổi mặc dù thực

Trong LRFD, các cấu kiện đều phải thoả mãn cái mà ta gọi là các trạng thái giới hạn Tất

cả các trạng thái giới hạn cần phải thoả mãn là:

với

h : hệ số điều chỉnh tải trọng

Theo LRFD, có 4 trạng thái giới hạn là:

thời gian dài (như động đất, băng trôi, va tàu thuỷ, xe cộ)

Mỗi trạng thái giới hạn đều có một hoặc nhiều loại, mỗi loại lại có mục đích riêng:

Trạng thái giới hạn cường độ

I : Tổ hợp tải trọng cơ bản

II : Lượng xe tiêu chuẩn

III: Vận tốc gió > 55 dặm/giờ

IV: Sự chênh lệch lớn giữa tĩnh và hoạt tải

V : Hoạt tải cộng thêm tải trọng gió (55 dặm/giờ)

Trạng thái giới hạn những sự kiện đặc biệt

I : Tổ hợp tải trọng liên quan đến động đất

II : Tải trọng băng tuyết, va tàu thuyền, xe cộ

Trạng thái giới hạn sử dụng

I : Tổ hợp tải trọng sử dụng thông thường

II : Kết cấu thép.

III: Chịu kéo trong trường hợp bê tông cốt thép dự ứng lực kéo trước

Trạng thái giới hạn mỏi : Hoạt tải xe trùng phục

Đối với tiêu chuẩn SS, các phương pháp kiểm tra thiết kế cũng như vậy Tuy nhiên, chúng được thực hiện trên một kết cấu hoàn toàn khác

2.2 CÁC LOẠI TẢI TRỌNG

Tiêu chuẩn LRFD chia tải trọng thành 2 loại chính là tải trọng thường xuyên và tải trọng nhất thời Trong 2 loại chính này, mỗi loại lại chia thành nhiều loại nhỏ hơn và cộng thêmvài loại tải trọng nữa Hiện nay, mỗi loại tải trọng đều được kí hiệu bằng 2 chữ cái

2.3 TẢI TRỌNG THƯỜNG XUYÊN

Khi xem xét tải trọng thường xuyên, cần xác định rõ một số loại tải trọng Chú ý rằng trước đây, tĩnh tải(tải trọng bản thân) của cầu chỉ có một loại Nhưng giờ đây, nó được chia thành 2 loại chính là DC và DW, với các hệ số tải trọng khác nhau

Kí hiệu Nghĩa

DD Tải trọng kéo xuống

DC Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu

DW Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng

FR Ma sát

IC Tải trọng băng tuyết

IM Lực xung kích của xe

LL Hoạt tải xe

LS Hoạt tải chất thêm

PL Tải trọng người đi

SE Lún

SH Co ngót

TG Gradien nhiệt

TU Nhiệt độ phân bố đều

WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy

WL Gió trên hoạt tải

WS Tải trọng gió trên kết cấu

Hoạt tải

Một trong số những thay đổi lớn nhất được đưa ra trong thiết kế cầu ở quy trình mới là

mô hình hoạt tải xe Trong LRFD, có 3 loại xe như sau:

32 KIP Hai trục xe đầu cách nhau một khoảng không đổi là 14 feet, trong khi đó thì khoảng cách hai trục xe sau thay đổi từ 14 đến 32 feet

đổi là 4 feet

Từ quan điểm tạo hình, xe tải thiết kế trong LRFD có tỉ lệ tải trọng giữa các trục xe giốngvới xe tải HS 20 trong tiêu chuẩn SS như chúng ta thấy ở hình 1 Tuy nhiên, cần chú ý rằng, xe tải thiết kế trong tiêu chuẩn LRFD không hoàn toàn tỉ lệ với xe HS 20 trong tiêu chuẩn SS Ví dụ như xe HS 25 sẽ không tương đương với xe tải thiết kế trong LRFD

2.5 TÁC DỤNG CỦA HOẠT TẢI XE THIẾT KẾ

Nói chung, cần phải kiểm tra hai tổ hợp xe trong các thành phần của hoạt tải xe thiết kế cho tất cả các loại cầu để xác định được trường hợp bất lợi nhất do hoạt tải gây ra Những

tổ hợp tải trọng mà ta đặt tên là HL93 gồm:

Đối với những cây cầu liên tục, ở giữa những điểm uốn ngược chiều chịu tác dụng của tĩnh tải và để xác định được phản lực gối giữa gây bất lợi nhất thì người ta lấy 90% hiệu ứng của hai xe tải thiết kế với 90% hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế Khoảng cách giữa các trục của xe tải lấy không đổi là 14FT và khoảng cách giữa trục bánh trước xe này với trục sau xe kia không được nhỏ hơn 50FT

Khi xác định tải trọng gây ra bất lợi nhất, cần dùng những tải trọng và kĩ thuật khác tác dụng mà gây ra ứng lực lớn nhất Những trục bánh xe không gây ra ứng lực lớn nhất phải

bỏ qua

2.6 TẢI TRỌNG MỎI

Lấy một xe đặc biệt dùng để thí nghiệm mỏi Đây là một xe tải thiết kế như đã quy định ởtrên nhưng trục xe sau nặng 32KIP, cách trục xe trước một khoảng cố định là 32FT và không tính đến tải trọng rải đều

2.7 HỆ SỐ LÀN XE

Để tính ảnh hưỏng của cầu có nhiều làn xe, người ta đưa vào hệ số làn xe Chúng được dùng ở những trường hợp : 1 làn xe, 2 làn xe, 3 làn xe hay nhiều hơn nữa Nhưng cần chú

ý rằng, ảnh hưỏng của hệ số làn xe được tính toán từ các phương trình tính gần đúng hệ

số phân bố tải trọng được quy định trong tiêu chuẩn LRFD Tuy nhiên, đối với trường hợp phân tích mỏi, khi xem xét một làn xe, hệ số phân bố tìm được bằng cách sử dụng phương pháp xấp xỉ cần phải được chia cho hệ số phân bố của một làn là 1.2

Bảng 1 : H s l n xe “m” (b ng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chu n LRFD)ệ số làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ố làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) àn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ẩn LRFD)

Q=1.25DC + 1.5DW + 1.75LL

Với Q là tổng ứng lực và DC, DW, LL được xác định như trên

Bảng 2 : Các t h p t i tr ng v h s t i tr ng (B ng 3.4.1-1 trong tiêu chu n ợp tải trọng và hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 trong tiêu chuẩn ảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ọng và hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 trong tiêu chuẩn àn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ệ số làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ố làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ọng và hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 trong tiêu chuẩn ảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ẩn LRFD)LRFD)

-Bảng 3 : Các hệ số tải trọng đối với tải trọng thường xuyên, gBBBpBBBBBBB ( b ng 3.4.1-ảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD)

2 trong tiêu chu n LRFD)ẩn LRFD)

DC: Cấu kiện và các thiết bị phụ 1.25 0.90

DW: Lớp phủ mặt cầu và các tiện ích 1.50 0.65

EH: áp lực ngang của đất

chương 5 như sau:

Bảng 4 : h s s c kháng theo tiêu chu n LRFDệ số làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ố làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ức kháng theo tiêu chuẩn LRFD ẩn LRFD)

Khả năng chịu nén của bê tông 0.70

Chịu nén trong mô hình chống và giằng 0.70

Chịu nén ở neo

bê tông thường 0.80

4.4 Hệ số phân bố đối với cầu dầm bản

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Tiêu chuẩn LRFD cho rằng bất kì phương pháp phân tích nào mà hợp lí đều có thể sử dụng để phân tích cầu, đảm bảo thoả mãn tất cả các điều kiện cân bằng, tính tương hợp

và sử dụng được mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cho loại vật liệu đang xét Các phương pháp được tiêu chuẩn công nhận nói tới ở đây là:

Bên cạnh đó, tiêu chuẩn còn chú ý người kĩ sư khi sử dụng các chương trình máy tínhdựa trên các phương pháp trên Tiêu chuẩn chỉ rõ là người thiết kế phải là người chịu trách nhiệm về kết quả chương trình được sử dụng Điều muốn nói tới ở đây là chương trình chỉ là công cụ trợ giúp thiết kế và người kĩ sư có thể sử dụng tuỳ ý bất kì công cụ nào Tuy nhiên, người kĩ sư này phải hoàn toàn chịu trách nhiệm về sự sử dụng của mình

Đó là khi sử dụng một phần mềm thì tên, phiên bản và ngày phần mềm được đưa vào sử dụng phải được ghi rõ trong các tài liệu của hợp đồng

4.2 PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ

Thay cho phân tích chi tiết, nếu tất cả các tiêu chuẩn đều đã thoả mãn, có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ như trong tiêu chuẩn LRFD Tất nhiên, những phương pháp này là kinh nghiệm nhưng lại tiết kiệm được rất nhiều thời gian so với phương pháp chính xác Nếu dùng phương pháp xấp xỉ, chúng ta chỉ cần thực hiện một số phương trình khá đơn giản Ví dụ như, nếu lấy công sức bỏ ra để so sánh thì so với phương pháp phân tích phần

tử hữu hạn hay phân tích một khung đơn giản, phương pháp xấp xỉ sẽ tiết kiệm được một lượng công việc đáng kể

9 mới có thể sử dụng được phương pháp dựa vào kinh nghiệm.

Phương pháp cổ điển này chia mặt cầu thành những dải nhỏ có bề rộng khác nhau phụ thuộc vào cách nghiên cứu Bề rộng các dải chỉ rõ mômen dương, mômen âm và cách thiết kế bản hẫng

Bảng 3 : B r ng d i tề rộng dải tương đương của mặt cầu ộng dải tương đương của mặt cầu ảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) ương đương của mặt cầung đương đương của mặt cầung c a m t c uủa mặt cầu ặt cầu ầu

LOẠI KẾT CẤU NHỊP

CẦU

HƯỚNG CỦA DẢI

BỀ RỘNG CỦA DẢI

4.4 HỆ SỐ PHÂN BỐ ĐỐI VỚI CẦU DẦM BẢN

Đối với việc phân tích đơn giản cầu dầm bản, các phương trình tính hệ số phân bố hoạt tải trong tiêu chuẩn LRFD còn khá phức tạp so với trong tiêu chuẩn SS Trước đây, chỉ

có một hệ số phân bố dùng cho cả mômen, lực cắt và mômen lẫn lực cắt thường được tính bằng các phương trình hết sức đơn giản (ví dụ như trong S/5.5) Mặc dù, hiện nay, phương trình tính hệ số phân bố của mômen và lực cắt được chia ra chứ không tính chungnữa, và những phương trình này đều là hàm của một vài tham số Tuy nhiên, nếu có thể dùng được, sử dụng những phương trình tính hệ số phân bố chắc chắn hợp lí hơn là lựa chọn dùng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn hay phương pháp tương tự mạng dầm

Tuy nhiên, để có thể sử dụng hệ số phân bố hoạt tải được quy định trong tiêu chuẩn LRFD, trước hết phải thoả mãn các điều kiện sau:

Cũng có một số hạn chế đối với mỗi trường hợp hệ số phân bố đặc biệt Nói chung là phạm vi áp dụng chúng ta có thể thấy qua bảng

4.4.1 HỆ SỐ PHÂN BỐ CHO MÔMEN

Để xác định được phương trình tính các hệ số phân bố, theo LRFD, trước hết phải xácđịnh được chính xác loại cầu Đối với cầu dầm I điển hình dự ứng lực có bản mặt cầu liênhợp, loại cầu này là thuộc loại K Tra bảng 4.6.2.2.2b-1để tìm hệ số phân bố dùng cho mômen ở dầm giữa Đối với cầu có 2 làn hoặc hơn 2 làn thiết kế chất tải, hệ số phân bố

n = tỉ số môđun giữa dầm và mặt cầu

4.4.4 PHÂN BỐ TĨNH TẢI ĐẶT TRÊN ĐỐI VỚI DẦM DỌC PHỤ

Tải trọng thường xuyên phân bố đều cho tất cả các dầm nếu các điều kiện về sử dụng được thoả mãn (điều 4.6.2.2.1) Theo đó, thì tải trọng đặt trên có thể phân bố đều nhau đối với mỗi dầm và cho rằng đây là tiêu chuẩn để cho việc sử dụng hệ số phân bố hoạt tảiđược thoả mãn Điều này cũng giống như quy định trong tiêu chuẩn SS là cho phép phân

bố đều trọng lượng của bờ đường, lan can và lớp phủ mặt cầu cho tất cả các dầm dọc phụ hoặc dầm nếu các dầm này được đặt sau khi đã thi công bản mặt cầu xong

5 THIẾT KẾ BÊ TÔNG

5.1 TỔNG QUAN

Chương 5 trong tiêu chuẩn LRFD chính là sự kết hợp của chương 8 và 9 trong tiêu chuẩn SS Điều này giúp cho sự chú ý tới kết cấu bê tông được tốt hơn là chia nhỏ nó thành bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực Mục đích của sự kết hợp này là đưa ra một chương mà tạo ra sự chuyển tiếp từ bê tông cốt thép sang bê tông dự ứng lực toàn phần hay dự ứng lực một phần một cách dễ dàng

5.2 MẤT MÁT ỨNG SUẤT

Theo tiêu chuẩn SS, có 4 loại mất mát ứng suất là mất mát do co ngắn đàn hồi, co ngót, từ biến và do tự chùng của cốt thép Các quá trình và các phương trình trong tiêu chuẩn LRFD tính toán các mất mát ứng suất này cũng giống như trong tiêu chuẩn SS Tuy nhiên, kí hiệu của nó được thay đổi như sau:

Chỉ có hai thay đổi nhỏ được đưa ra trong tính toán thực tế, cả hai đều liên quan đến

sự tự chùng của cốt thép Thay đổi đầu tiên là mất mát do tự chùng của cốt thép gồm hai thành phần, thứ nhất là sự thể hiện cho mất mát lúc truyền lực và thứ hai là sự thể hiện cho mất mát sau khi truyền lực (như là sau một thời gian dài) Thay đổi nữa là tự chùng liên quan đến tao thép đã được khử ứng suất dư đối với tao thép có độ tự chùng thấp, chúng ta chỉ lấy 30% giá trị do khử ứng suất dư Quay lại vấn đề này trong tiêu chuẩn SS,người ta sử dụng hai phương trình riêng biệt để tính mất mát do tự chùng của thép trong thời gian dài, nhờ đó, tự chùng đối với thép có độ tự chùng thấp chỉ là 25% giá trị sau khitao thép đã khử ứng suất dư

5.3 CHIỀU DÀI TRUYỀN LỰC

Khoảng cách từ điểm bắt đầu kéo tao thép 7 sợi tới điểm mà lượng dự ứng lực truyền vào bê tông đã đủ được giả thiết là bằng 60 lần đường kính tao thép Chú ý là khoảng cách giả thiết này vẫn dài hơn một chút so với khoảng cách được giả thiết trong tiêu chuẩn SS(dài bằng 50 lần đường kính tao thép)