thiết kế cầu bê tông theo tiêu chuẩn châu âu và tiêu chuẩn đức

2 TRIẾT LÝ VỀ ĐỘ AN TOÀN Hệ số an toàn đối với tải trọng trong TTGH cường độ trong các thiết kế cầu ở Đức có giá trị chính bằng các hệ số vẫn được áp dụng cho các thiết kế kết cấu nhà c

THIẾT KẾ CẦU BÊ TÔNG THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (EUROCODE) VÀ TIÊU CHUẨN ĐỨC (DIN) – CÁC TÁC ĐỘNG LÊN CẦU VÀ TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG –

)

GS.TS Carl-Alexander Graubner Người dịch: Ngô Văn Minh

TS Holger Schmidt

Diplom KS Andreas Greck

Viện kết cấu bê tông

Đại học Tổng hợp kỹ thuật Darmstadt

1 GIỚI THIỆU

Ở châu Âu, các tiêu chuẩn mới liên quan đến việc phân tích và thiết kế cầu bê tông đều nhanh chóng được xem xét ở cấp độ quốc gia và quốc tế Số lượng rất lớn các tiêu chuẩn cần phải xem xét đến trong thiết kế cầu chính là lý do phải tổng kết tất cả các tiêu chuẩn

liên quan trong hướng dẫn kĩ thuật DIN FB 101 “Các tác động lên cầu”[1] Bài báo này

tập trung trình bày về các tác động trên cầu đường ôtô theo tiêu chuẩn của Đức và châu

Âu, đặc biệt là về một số quy đinh trong DIN FB 101 [1] Cần chú ý rằng, đối với việc thi công cầu bê tông, tiêu chuẩn quốc tế về tác động Eurocode 1 sẽ có hiệu lực cùng với các hướng dẫn áp dụng của mỗi quốc gia Cần lưu ý thêm rằng, có thể đơn giản hóa các quy định về tải trọng và tổ hợp tải trọng tương ứng Do vậy, hướng dẫn kĩ thuật DINFB 101 [1] là một phần quan trọng trong việc áp dụng các thế hệ tiêu chuẩn mới

2 TRIẾT LÝ VỀ ĐỘ AN TOÀN

Hệ số an toàn đối với tải trọng trong TTGH cường độ trong các thiết kế cầu ở Đức có giá trị chính bằng các hệ số vẫn được áp dụng cho các thiết kế kết cấu nhà cửa, chỉ riêng hệ

số an toàn cho lún của nền đất là có sự khác biệt Một vấn đề quan trọng khác là trong hướng dẫn áp dụng cho mỗi quốc gia tương ứng với cho tiêu chuẩn Eurocode 1 – phần 3,

γ

trong khi chuẩn quốc tế của Eurocode 1 - phần 3 lại đưa ra hệ số nhỏ hơn γQ =1.35 Quy định này ở Đức dựa trên việc sử dụng mô hình hoạt tải đơn giản hóa với các tải trọng nhỏ hơn trong tài liệu hướng dẫn áp dụng quốc gia đối với Eurocode 1 phần 3

Giống như các công trình xây dựng thông thường, khi thiết kế trong TTGH sử dụng cần khảo sát một số tổ hợp tải trọng khác nhau Đó là tổ hợp các tải trọng thường xuyên và bán thường xuyên Khác với khi thiết kế các công trình xây dựng thông thường, trong thiết kế cầu cần xét đến các tổ hợp tải trọng không thường xuyên Trong khi tần suất xuất hiện của các tổ hợp tải trọng hiếm ở các công trình xây dựng thông thường là 50 năm thì

tổ hợp tải trọng không thường xuyên trên cầu có chu kỳ lặp chỉ là một năm Khi thiết kế trong TTGH cường độ, tổ hợp tải trọng ứng với trường hợp thiết kế dài hạn và ngắn hạn

có thể xác định tổng quát như sau :

∑γ ⋅ψ ⋅ +

⋅ γ +

⋅ γ +

∑γ ⋅

=

>

d G " " P " " Q " " Q

Trong công thức trên, hoạt tải Qk1 là tác động chính và các tải trọng Qki là các tải trọng phụ thêm (ví dụ như tải trọng gió hay nhiệt độ) Ứng với các hệ số an toàn, các hệ số tổ hợp ψ0i,cũng như các loại hoạt tải, có thể thiết lập được rất nhiều tổ hợp tải trọng Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế, có thể xác định được các tổ hợp tải trọng bất lợi tương đối đơn giản, do vậy số lượng tổ hợp tải trọng liên quan có thể được giảm đi đáng kể Bảng 1 trình bày một tập hợp các tổ hợp hoạt tải và hệ số tổ hợp tương ứng cho TTGH cường độ

Nhóm

1

cấu phần trên

Thiết kế cho gối + cột

Nhóm

Chủ yếu cho thiết kế gối và kết cấu phần trên, cũng như cho kết cấu phần dưới

Nhóm

thiết kế dầm hẫng theo phương ngang cầu

1) Sử dụng giá trị triết giảm q fk = 2.5 kN/m 2 ở nhóm 1, giá trị đầy đủ q fk =5.0 kN/m 2 ở nhóm 3

Bảng 1 : Tổ hợp và hệ số tổ hợp tải trọng của hoạt tải trong TTGH cường độ

Khi thiết kê trong trường hợp sự cố, có thể sử dụng các hệ số tổ hợp có giá trị nhỏ hơn

(ψ1 và ψ2) để thiết kế trong TTGH cường độ :

∑ψ ⋅ +

⋅ ψ + +

⋅ γ +

∑γ ⋅

=

>

j GAj kj

dA G " " P " "A " " Q " " Q

Các tổ hợp tải trọng trong TTGH sử dụng gồm có :

a) Tổ hợp tải trọng hiếm

∑ψ ⋅ +

+ +

∑

=

>

j kj

d G " "P " "Q " " Q

b) Tổ hợp tải trọng thường xuyên

∑ψ ⋅ +

⋅ ψ + +

∑

=

>

j kj

d G " "P " " Q " " Q

c) Tổ hợp tải trọng bán thường xuyên

∑ψ ⋅ +

+

∑

=

>

j kj

d G " "P " " Q

d) Tổ hợp tải trọng không thường xuyên

∑ψ ⋅ +

⋅ ψ + +

∑

=

>

j kj

d G " "P " " ' Q " " Q

Tổ hợp tải trọng không thường xuyên lấy theo DIN FB 102 [2] là một quy định phụ thêm

đối với thiết kế cầu bê tông

Bảng 2 đưa ra tập hợp đầy đủ các tổ hợp hoạt tải và các hệ số tổ hợp tương ứng cho

TTGH sử dụng Cần chú ý rằng so với tiêu chuẩn hiện hành ở Đức thì số lượng các tổ

hợp tải trọng cho TTGH sử dụng tăng lên đáng kể do sự đa dạng của các mức độ dự ứng

lực

Loại Q TS,k q UDL,

k q fk T k Q FW,

Tổ hợp tải

trọng không

thường

xuyên

a 0.8 0.8 0.8 0.6 Hoạt tải là tải trọng chủ yếu

b 0.75 0.4 0.4 0.8 Nhiệt độ là tải trọng chủ yếu

c 0.8 0.8 0.5 Hoạt tải là tải trọng chủ yếu, giảm tải trọng gió

d 0.75 0.4 0.6 Tải trọng gió là tải trọng chủ yếu

Tổ hợp tải

trọng

thường

xuyên

e 0.75 0.4 0.4 0.4 ví dụ : giới hạn bề rộng vết nứt

f 0.2 0.2 0.2 0.6

Tổ hợp tải

trọng

bánthường

xuyên

ví dụ : Kiểm toán hiện tượng giảm nén

“decompression”

1) Sử dụng giá trị chiết giảm q fk =2.5 kN/m 2 cho nhóm 1

Bảng 2 : Tổ hợp tải trọng của Nhóm 1 với các tải trọng khác và hệ số tổ hợp trong TTGH sử dụng

3 TĨNH TẢI

Các giá trị đặc trưng của tĩnh tải phải được xác định theo DIN FB 101 [1] và DIN 1055- phần 1 [10] Cần lưu ý rằng theo DIN FB 101- phụ lục C2.3, cần phải xét đến sự biến thiên về giá trị của giá trị tiêu chuẩn, nếu giá trị có lợi hay bất lợi của tĩnh tải gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích ở các vị trí khác nhau trong một kết cấu Cụ thể, những tải trọng có lợi phải được nhân với hệ số 0.95 trong khi phần tải trọng bất lợi phải được nhân

với hệ số 1.05 Tuy nhiên, quy định này không áp dụng cho dầm liên tục có hoặc không

có phần hẫng, trong trường hợp này chỉ áp dụng một giá trị tĩnh tải thiết kế cho tất cả các nhịp

Chuyển vị lún bất lợi cần phải được xét như tĩnh tải đối với trường hợp thiết kế tương ứng Trong thiết kế cầu, hệ số an toàn của tải trọng trong trường hợp này lấy bằng 1.0 cho TTGH cường độ Liên quan đến giá trị cần xem xét cần phải lựa chọn giữa chuyển vị

có thể và chuyển vị dự đoán của nền Chuyển vị và/hoặc chuyển vị xoay của nền móng xuất hiện do tác dụng của tải trọng tĩnh đặt lên nền đất được gọi là chuyển vị có thể (probable movement) Giới hạn của chuyển vị và/hoặc chuyển vị xoay có thể xảy ra dưới

ảnh hưởng của các yếu tố không xác định được tính dựa trên việc dự đoán chuyển vị của nền đất được gọi là các chuyển vị dự đoán của nền đất

Theo DIN 1072, chuyển vị có thể của nền đất thường được tính trong TTGH sử dụng và

TTGH cường độ dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên, trong khi chuyển vị dự đoán

của nền đất chỉ được xét đến trong những trường hợp đặc biệt Hướng dẫn kỹ thuật DIN

FB 102 quy định luôn sử dụng chuyển vị dự đoán của đất nền lớn hơn khi thiết kế trong TTGH cường độ Tuy nhiên, ứng suất được phép xác định tương ứng với ứng xử của vật liệu đã nứt và độ cứng cấu kiện giảm đi đáng kể Trong TTGH sử dụng, cần phải xét đến ứng suất thứ cấp sinh ra do chuyển vị dự kiến của nền đất ([2], II – 2.3.4 trang (110))

4 TẢI TRỌNG GIAO THÔNG

Quy đinh về hoạt tải theo Eurocode 1 phần 3 sẽ được áp dụng trong tương lai gần Do vậy sẽ có 4 mô hình tải trọng chính và 5 mô hình tải trọng mỏi được áp dụng trong tính toán Trong tài liệu hướng dẫn áp dụng tương ứng ở Đức, các mô hình tải trọng này đã được đơn giản hóa khá nhiều Những quy định này nằm trong hướng dẫn kĩ thuật DIN

FB 101 “ Các tác động lên cầu” Cần lưu ý rằng tất cả các giá trị tải trọng trên đã bao gồm hệ số tải trọng động Hình 1 đưa ra so sánh giữa mô hình tải trọng chính và mô hình tải trọng mỏi đối với cầu ôtô theo hướng dẫn DIN FB 101 và theo tiêu chuẩn DIN 1072 Trong thiết kế thông thường, mô hình tải trọng chính 1 (LM1) được sử dụng để kiểm toán trong TTGH cường độ và TTGH sử dụng và đã bao trùm hầu hết các tác động gây ra bởi ôtô và xe nặng Mô hình tải trọng chính 2 (LM2) tương đương với một trục xe đơn và chủ yếu sử dụng để kiểm toán cục bộ Mô hình này cần phải áp dụng để bổ sung cho mô hình

tải trọng chính 1 (LM1) Mô hình tải trọng 3 (FLM3) được sử dụng để kiểm toán trong TTGH mỏi

Mô hình tải trọng

DIN FB

101

LM 1

Trục đôi với các tải trọng cụ thể

LM 2 Trục xe đơn để kiểm toán cục bộ

19.2 to

FLM 3

Xe đơn với 4 trục

48 to

DIN 1072

Xe 3 trục

Các tải trọng rải đều ở làn chính và làn bên

Hình 1 : Các mô hình tải trọng chính (LM) và mô hình tải trọng mỏi (FLM 3) cho cầu ôtô

Khi thiết kế trên mặt cắt ngang, cần đặt hoạt tải rải đều 5 kN/m2 lên lề đi bộ hoặc đường

xe đạp của cầu đường bộ ([1], IV-5.3.2) Khi tổ hợp với các tải trọng giao thông khác, có thể sử dụng giá trị chiết giảm 2.5 kN/m2 Các tác động lên kết cấu do lực phanh và khởi động phụ thuộc vào chiều dài của cầu L ( [1], IV-4.4.1) Ngoài các quy định này, hướng dẫn DIN FB 101 còn quy định lực ly tâm áp dụng cho các cầu có bán kính cong lớn ([1], IV-4.4.2) Các lực ly tâm này chỉ tác dụng theo đường tim gối và chỉ áp dụng trong thiết

kế gối cầu và kết cấu phần dưới

5 CÁC TẢI TRỌNG ĐẶC BIỆT

Kết cấu phần dưới của cầu phải được thiết kế để chịu lực va xô của xe ([1], IV-4.7.2.1)

Theo đó một lực tập trung có giá trị 1 MN theo chiều dòng xe cũng như một lực tập trung

có giá trị 500 kN vuông góc với chiều của dòng xe sẽ được đặt tại cao độ 1.25m cách mặt

đất Không cần thiết phải xét đồng thời cả hai tải trọng này Đối với trường hợp tải trọng

đặc biệt trên mặt cầu, phải tổ hợp các tải trọng đặc biệt với tổ hợp tải trọng bán thường

xuyên của tải trọng giao thông trong thiết kế kết cấu phần dưới ([1], IV, phụ lục C.2.1.2)

Trên những làn đi bộ và làn xe đạp có lan can cứng, cần xét một trục đơn có tải trọng Qk

=160 kN/trục tại vị trí lan can cầu ([1], IV-4.7.3.1) Phía trong lan can cứng, cần xét một

tải trọng bánh xe nặng 40 KN với diện tích đặt lực 20cm x 20cm Trường hợp sử dụng

thiết bị phòng hộ mềm, cần xét tải trọng trục đặt phía trong thiết bị phòng hộ 1m, nếu như

lan can được bố trí ở rìa của kết cấu phần trên

Gờ chắn (lề đường) cần được thiết kế chịu được lực ngang 100 kN và lực thẳng đứng

120kN, có thể phân bố trên chiều dài 0.5 m Hệ thống chống va xe cũng phải thiết kế chịu

lực ngang 100 kN và lực thẳng đứng 80 kN, các tải trọng này cũng có thể được phân bố

trên chiều dài 0.5m

6 CÁC TÁC ĐỘNG KHÁC

Khi thiết kế cầu bê tông, cần xét đến các tải trọng nhiệt độ theo quy định tại chương V

của hướng dẫn DIN FB 101 Khi thiết kế trong TTGH cường độ, không phải xét đến ảnh

hưởng của tải trọng nhiệt độ nếu như đảm bảo giải tỏa được các ứng suất nội tại sinh ra

Khi đó, chỉ cần xét ứng suất sinh ra do nhiệt độ trong TTGH sử dụng và trong thiết kế

chuyển vị của gối cầu Nói chung, cần phải tách biệt giữa thay đổi nhiệt độ (TN) trên toàn chiều cao của cấu kiện

và chênh lệch nhiệt độ tuyến tính (TM) theo chiều cao cấu kiện Về cơ bản, cần phải phân

biệt giữa 3 dạng kết cấu phần trên ( thép, liên hợp, bê tông) và các dạng mặt cắt ngang

( dầm hộp, dầm T, bản)

So với DIN 1072 [12], độ chênh lệch nhiệt độ tăng lên đáng kể, đặc biệt đối với dầm T

Mỗi giá trị tiêu chuẩn đều phải được nhân với hệ số tổ hợp tương ứng khi thiết kế trong

TTGH sử dụng

Việc xác định chi tiết tải trọng gió theo Eurocode 1 phần 2.4 yêu cầu tính toán phức tạp, liên quan đến một số lượng lớn các thông số ảnh hưởng Đối với công trình cầu, có thể tính toán áp lực gió thiết kế đơn giản hơn dựa theo hướng dẫn áp dụng của Đức cho Eurocode 1 phần 3, trong đó chỉ xét đến chiều cao cầu tính từ mặt đất và các kích thước của cầu Khi trên cầu có bố trí tường chắn tiếng ồn thì cần phân biệt tải trọng gió tác dụng khi không có tải trọng giao thông và tải trọng gió tác dụng đồng thời với tải trọng giao thông Giá trị tải trọng gió sử dụng trong thiết kế cầu theo quy đinh của DIN FB 101 được trình bày ở Bảng 3 :

Khi không có xe cộ và tường chắn

ồn

Khi có xe cộ và/hoặc tường chắn

ồn b/d ≤ 0,5 b/d = 4,0 b/d ≥ 5,0 b/d ≤ 0,5 b/d = 4,0 b/d ≥ 5,0

Bảng 3 : Tải trọng gió tiêu chuẩn w k [kN/m 2 ] theo hướng dẫn DIN FB 101

Hướng dẫn kĩ thuật DIN FB 101 mục C.2.1.1 quy định về diện tích chắn gió hữu hiệu đối với tải trọng giao thông tác dụng đồng thời trên cầu Trong trường hợp này phải giả thiết diện tích chắn gió hữu hiệu của xe cộ chỉ cao 2 m, khác với những quy định của DIN

1072 Do vậy, diện tích chắn gió hữu hiệu theo DIN FB 101 là nhỏ hơn theo quy định của DIN 1072 Bên cạnh đó, DIN FB 101 phụ lục C cũng quy định đặc biệt đối với hệ số tổ hợp trong tổ hợp của tải trọng gió và tải trong giao thông Trong giai đoạn thi công, tải trọng gió theo Eurocode 1 có thể được chiết giảm bằng cách nhân với hệ số 0.67 (từ trước tới nay vẫn dùng hệ số 0.7 theo DIN 1072) DIN FB 101 không quy định hệ số chiết giảm tương ứng

Theo hướng dẫn kĩ thuật DIN FB 102, thông thường không cần xét đến tải trọng băng

tuyết Tuy nhiên, vẫn cần phải xét đến tải trọng băng tuyết trong giai đoạn thi công ([1], IV-4.10.3)

7 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG

7.1 Tổng quan

Các kiểm toán thiết kế cần phải tiến hành trong TTGH sử dụng được trình bày trong mục 4.4 của hướng dẫn DIN FB 102 “Cầu bê tông” [2] Cụ thể bao gồm :

- Kiểm toán về giới hạn ứng suất

- Kiểm toán hiệu ứng giảm nén trong mặt cắt ngang

- Kiểm toán lượng cốt thép tối thiểu để tránh các vết nứt rộng đơn lẻ

- Kiểm toán về giới hạn bề rộng vết nứt

- Kiểm toán về giới hạn độ võng

- Kiểm toán về giới hạn dao động (không yêu cầu với các cầu ô tô bằng bê tông thông thường)

Mỗi kiểm toán lại phải được tiến hành với các tổ hợp tải trọng khác nhau Để phân loại các trường hợp thiết kế, các phân nhóm cầu từ A đến E đã đượ thiết lập để quy định các

tổ hợp tải trọng quan trọng cho việc kiếm toán giảm nén trên mặt cắt ngang và kiểm toán

bề rộng vết nứt (xem Bảng 4)

Phân nhóm

Tổ hợp tải trọng để kiểm toán về

Bảng 4: Các tổ hợp tải trọng và bề rộng vết nứt tối đa w k ([2], II-4.4.0.3)

Việc kiểm toán trong TTGH sử dụng phụ thuộc tương đối nhạy cảm vào mức độ thay đổi

trị tiêu chuẩn của dự ứng lực, cụ thể là các giá trị giới hạn trên và dưới của dự ứng lực (Psup / Pinf) trong tính toán ở TTGH sử dụng, thay vì giá trị trung bình Pm,t

7.2 Giới hạn ứng suất ([2], II-4.4.1)

Theo hướng dẫn kĩ thuật DIN FB 102, cần duy trì ứng suất của bê tông và thép trong phạm vi giới hạn để đảm bảo khả năng phục vụ và độ bền của các cấu kiện Khác với các kết cấu không dự ứng lực trong xây dựng dân dụng thông thường, khi thiết kế cầu luôn phải kiểm toán về giới hạn ứng suất Việc kiểm toán ứng suất nén trong bê tông và ứng suất trong cốt thép dự ứng lực có thể thực hiện ứng với giá trị trung bình của dự ứng lực (tức là bỏ qua mức độ phân tán của dự ứng lực) Khi kiểm toán về ứng suất trong cốt thép, phait xét đến các giá trị tiêu chuẩn của dự ứng lực

Tại những vùng không tiến hành tăng cường (ví dụ như tăng thêm chiều dày lớp bê tông bảo vệ trong vùng chịu nén hoặc bọc vùng chịu nén bằng các cốt thép đai), ứng suất nén trong bê tông dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng không thường xuyên và lực dự ứng trung bình phải được giới hạn để đảm bảo không xuất hiện vết nứt dọc (II-4.4.1.2, trang 103)

ck frequent

non

c, − ≤0.6f

Ứng suất kéo trong cốt thép cũng cần được giới hạn để đảm bảo không xảy ra biến dạng dẻo trong TTGH sử dụng Theo đó, ứng suất kéo trong cốt thép không được vượt quá giá trị sau đây dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng không thường xuyên (II.4.4.1.3 (105)) :

yk frequent

non

s, − ≤0.8f

Do hiện tướng nứt gây ra do ăn mòn cốt thép chịu lực, giá trị trung bình của ứng suất kéo trong cốt thép dự ứng lực dưới tác dụng của của tổ hợp tải trọng bán thường xuyên cần phải được giới hạn Giá trị trung bình của dự ứng suất đã xét đến mất mát ứng suất theo thời gian cần phải nhỏ hơn (II-4.4.1.4 (1) *P) :

p quasi permanent f pk

Việc kiểm toán ứng suất kéo trong cốt thép dự ứng lực đối với cốt thép dự ứng lực ngoài hoặc cốt thép dự ứng lực không dính bám là không cần thiết nếu đảm bảo có thể thay thế chúng