BÀI GIẢNG NHẬP MÔN THIẾT KẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG GIAO THÔNG BỘ MÔN KẾT CẤU XÂY DỰNG BÀI GIẢNG NHẬP MÔN THIẾT KẾ HÀ NỘI 2011 CHƯƠNG KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ 1.1 Giới thiệu Thiết kế mô tả trình sáng tạo dạng “khái niệm” hay “ý tưởng” đối tượng chưa có Đối với nhiều người, khái niệm thiết kế liên quan đến việc tạo đối tượng hoàn thành tốt công việc cần thực nghĩa có hiệu chức Một sản phẩm “được thiết kế tốt” thường có nghĩa sản phẩm hoàn thành tốt chức mong muốn Thiết kế đối tượng, đặc biệt công trình xây dựng trình phức hợp, có liên quan đến nhiều đối tượng vấn đề khác Hãy xem ví dụ thiết kế sau: Hãy tưởng tượng có sông cắt qua thành phố Giả sử rằng, thời có cách vượt sông thuyền Cách rõ ràng hạn chế bất tiện Nếu bạn yêu cầu cải thiện tình hình này, bạn làm việc nào? Có thể bạn nghĩ đến việc xây dựng cầu hầm để vượt sông Việc chọn vị trí công trình vượt sông đòi hỏi phải thực nhiều nghiên cứu, ví dụ, hệ thống đường giao thông có hai bên sông, điều kiện địa chất, chiều dài công trình, v.v Bạn phải xem xét ảnh hưởng hai hay ba phương án khác Sau lựa chọn vị trí lý tưởng, bạn phải thực khảo sát sơ địa hình, địa chất, giao thông, v.v Một số thiết kế sơ thực với phương án giá thành Với dự án xây dựng lớn, việc đạt thoả thuận cho dự án trình khó khăn Dự án có ảnh hưởng xấu đến số người nhóm cộng đồng Dự án cần phải nghe ý kiến phản đối Do đó, bạn phải trình bày thiết kế, nhấn mạnh yếu tố hiệu kinh tế, môi trường, tạo công ăn việc làm, v.v Bạn phải xét đến lập luận kỹ thuật người phản đối Sau thoả thuận có kết dự án, bạn phải xây dựng phương án chi tiết để xây dựng công trình Ở giai đoạn, số lượng lớn lựa chọn cần phải xem xét vật liệu sử dụng (thép, bê tông, v.v.), dạng kết cấu (kết cấu cầu treo, dây văng, kết cấu dầm hay bản, số lượng nhịp, v.v.) Sau thiết kế tối ưu hoá, vẽ chi tiết thực để tiến hành đấu thầu Khi nhà thầu lựa chọn, bạn phải cung cấp vẽ chi tiết đặc tả cho sản phẩm dự kiến đầu bạn xây dựng Như vậy, trình này, từ yêu cầu không rõ ràng khách hàng “cải thiện tình hình giao thông”, bạn đến cung cấp cho khách hàng vẽ mô tả chi tiết cần thiết đủ để xây dựng công trình cầu Quá trình gọi thiết kế Như vậy, toàn trình cung cấp cho khách hàng sản phẩm mà ban đầu có dạng yêu cầu gọi thiết kế Các chi tiết thay đổi từ dự án thiết kế sang dự án thiết kế khác Hãy xem ví dụ khác: Cần phải xây dựng bệnh viện xác định trước kiểu (bệnh viện đa khoa hay chuyên khoa) số lượng giường bệnh Ở đây, người thiết kế phải lựa chọn vị trí tốt sở xem xét trung tâm dân cư mà bệnh viện cần phục vụ, sở hạ tầng đường sá, phương tiện công cộng, xử lý rác thải, v.v Các yêu cầu không gian cho khoa khác quan hệ chúng cần phải đặt Các bệnh viện cần phải phục vụ cách đặc biệt nên cần phải xem xét không gian thông gió, cấp nhiệt, việc cung cấp khí y tế, thiết bị báo động, v.v Ngoài ra, cần phải xem xét đến vấn đề khác vị trí nhà máy đun nước, kho trữ khí y tế, nơi xử lý rác y tế, khu giặt, thang máy bệnh nhân, thiết bị an ninh phòng cháy, thông tin liên lạc bệnh viện Ở bên ngoài, dòng phương tiện giao thông cần phải quy hoạch cẩn thận phép xe cứu thương, phương tiện khác hoạt động Các nhà phải đẹp hài hoà với môi trường xung quanh Như ví dụ trước, giai đoạn, lượng lớn phương án cần phải xem xét từ đó, lựa chọn phương án hợp lý Kết cấu chịu lực cần phải thiết kế thoả mãn yêu cầu đặt để đảm bảo cho bệnh viện hoạt động hiệu Vị trí cột cần phải bố trí cho có đủ không gian lớn để thoả mãn yêu cầu dịch vụ bệnh viện Cũng ví dụ trước, vẽ chi tiết cần phải cung cấp cho nhà thầu Nhà thầu mong muốn vẽ phối hợp với lĩnh vực với vấn đề ăn khớp với Đó dấu hiệu thiết kế tốt Từ ví dụ thấy rằng, trình thiết kế số yêu cầu đơn giản khách hàng việc xây dựng công trình vượt sông hay bệnh viện Dạng cuối trình sản phẩm thống thiết kế Ảnh hưởng việc thiết kế không dừng lại công trình thi công xong Sự dễ dàng, thuận tiện việc khai thác, bảo trì, v.v bị ảnh hưởng thiết kế chọn yếu tố lại có ảnh hưởng lớn đến người dùng Hầu hết thiết kế phức hợp, yêu cầu kỹ nhiều lĩnh vực khác kết cấu, trang thiết bị nhà, kiến trúc, v.v Người thiết kế, đó, thường làm việc nhóm Vai trò lãnh đạo xác định phụ thuộc vào dạng đối tượng, ví dụ, kỹ sư xây dựng đóng vai trò nhóm thiết kế công trình vượt sông kiến trúc sư thường chịu trách nhiệm chung việc thiết kế bệnh viện 1.2 Các tính chất thiết kế Có thể tóm tắt số tính chất thiết kế tốt cho công trình xây dựng sau: • • • • • • Thoả mãn tất yêu cầu khách hàng Có hiệu chức khai thác Có hiệu cao đầu tư Cân hợp lý chi phí ban đầu chi phí bảo trì Dễ xây dựng, dễ bảo trì dễ khai thác Có tính mỹ quan cao Một thiết kế thực tế tổng hoà yếu tố Mỗi khách hàng đặt ưu tiên cho số tính chất kể Từ ví dụ nêu đưa định nghĩa thiết kế sau: Thiết kế trình tối ưu hoá tất khía cạnh yêu cầu khách hàng Việc thiết kế yêu cầu tích hợp tất yêu cầu khách hàng để tạo tổng thể, đảm bảo tính hiệu quả, kinh tế mỹ quan Việc tích hợp yêu cầu khác đòi hỏi hợp tác trình thiết kế Việc nhấn mạnh vào “tổng thể” yêu cầu giải pháp chung, vượt chuyên môn cá nhân Tính hiệu quả, kinh tế, mỹ thuật đồng thời có nghĩa tạo thoả hiệp cân đối yêu cầu khác Sự thành công việc thiết kế phụ thuộc vào kiến thức tổng hợp người thiết kế việc định nghĩa cách rõ ràng chức mong muốn sản phẩm thiết kế Nói chung, có nhiều thiết kế khả thi, tức thiết kế hoàn thành mục tiêu đặt Trong số thiết kế khả thi có số thiết kế tốt thiết kế khác có thiết kế tối ưu Thiết kế tối ưu thiết kế coi thoả mãn cách tốt yêu cầu đặt cho đối tượng Nói chung, mong muốn người thiết kế tìm thiết kế tối ưu Về mặt lý thuyết, để tìm thiết kế tối ưu, người ta thường sử dụng tiêu chí dạng hàm khách quan Trong thực tế, thiết kế trình lặp Khi trình thiết kế bắt đầu, có loạt ẩn số Để thực trình này, người thiết kế phải sử dụng số giả định phần khác thiết kế Tiếp theo, giả định thay dần liệu biết Cứ giả định tinh chỉnh thay thế, thiết kế phân tích lại Ví dụ thiết kế hệ thống sàn, người thiết kế phải biết tĩnh tải để thực trình phân tích Tuy nhiên, thời điểm ban đầu trình thiết kế, người thiết kế chưa biết thành phần kết cấu nên chưa tính cách xác tĩnh tải Để bắt đầu, người thiết kế phải giả định tải trọng dựa giá trị (hay kinh nghiệm?) Sử dụng tải trọng giả định, việc thiết kế tiến hành cấu kiện lựa chọn Khi cấu kiện lựa chọn, giả định tải trọng xác định lại việc phân tích lại thực Quá trình lặp lại tính toán cuối cùng, tải trọng xác định từ cấu kiện lựa chọn Các ví dụ minh hoạ bước dự án tóm tắt lại sau: • • • • • • • Bản yêu cầu Nghiên cứu dự án Thiết kế sơ Thoả thuận dự án Thiết kế chi tiết Bản vẽ thi công Đấu thầu • Xây dựng 1.3 Thiết kế phân tích Thiết kế phân tích hai hoạt động tách rời cần thiết phải biết khác chúng Phân tích trình đánh giá vấn đề đặt ra, việc lựa chọn phương án kết cấu hay cấu kiện Phân tích đơn giản tính toán xác định số tính chất kết cấu hay cấu kiện Ví dụ, bạn có dầm với kích thước tải trọng cho trước, việc phân tích cho kết phản lực, giá trị hay biểu đồ mô men, lực cắt kết so sánh với tính cho phép liên quan đến ràng buộc định trước cường độ, độ võng, v.v Nói cách khác, việc phân tích sử dụng số giá trị thiết kế, thực tính toán trả kết sử dụng trình thiết kế Quá trình thiết kế sử dụng kết phân tích để định vấn đề thiết kế Dựa vào kết phân tích, trình thiết kế thay đổi mô tả vấn đề (các tham số thiết kế) sau đó, yêu cầu phân tích bổ sung Quá trình thiết kế lặp lại tìm giải pháp tốt Hãy phân tích lại ví dụ thiết kế sàn để thấy rõ quan hệ thiết kế phân tích Giả sử rằng, mục đích thiết kế xác định chiều dày sàn Với vật liệu cho trước, chiều dày sàn phải đủ lớn để chịu tải trọng khai thác trọng lượng thân Ở thời điểm ban đầu, chưa biết chiều dày nên chưa biết trọng lượng thân Người ta giả định chiều dày sàn theo kinh nghiệm thực trình phân tích để có nội lực sàn Trên sở nội lực này, chiều dày sàn điều chỉnh lại Mỗi lần thay đổi chiều dày sàn lại phải thực phân tích để tính nội lực đánh giá lại khả chịu lực sàn Có thể thấy rằng, hầu hết vấn đề liên quan đến thiết kế đòi hỏi nhiều phân tích Trong phân tích kết cấu phức tạp, việc sử dụng công cụ phần mềm hữu ích Máy tính đặc biệt có ích thực công việc có tính lặp lặp lại để dành thời gian sang tạo cho người CHƯƠNG CÁC DẠNG LỖI Mục tiêu thiết kế để tránh lỗi, hư hỏng hay thất bại xảy Trong thực tế, có nhiều dạng lỗi hay chí thất bại xảy trước nghiên cứu phương pháp phòng tránh, cần phải hiểu khác chúng Chúng ta bắt đầu với việc xem xét lỗi hay thất bại theo nghĩa rộng từ qua ví dụ Một công ty thuê thiết kế tháp nước cho khu vực Tháp xây dựng bê tông cốt thép cần phải có đủ chiều cao để cung cấp nước cho khu vực rộng lớn Một nhà thầu địa phương giao xây dựng tháp nước Nhà thầu thiết bị khí nên bê tông phải trộn vận chuyển đến tháp phương pháp thủ công Chất lượng việc đổ đầm bê tông Đến lúc tháp xây xong nửa, người ta chắn tháp xây đến chiều cao thiết kế Tuy nhiên, quyền không muốn mang tiếng nhà thầu địa phương khả xây dựng tháp áp lực trị buộc phải sử dụng tháp dẫn đến thoả hiệp: tháp không xây dựng cao thùng chứa nước lắp lên cao độ có Điều thực nhà thầu địa phương coi hoàn thành công việc với niềm tự hào lớn Tháp này, vậy, hoàn toàn vô dụng người sử dụng đủ chiều cao Tháp nước không bị sụp đổ hay hư hỏng, nhiên thật thất bại người dùng khả sử dụng chẳng khác bị đổ Như vậy, định nghĩa lỗi (hay thất bại) sau: Một công trình coi có lỗi hay, nghiêm trọng hơn, bị thất bại khả đáp ứng tất tiêu đề cho Rõ ràng tất lỗi nghiêm trọng Tháp nước ví dụ thất bại hoàn toàn không sử dụng Tuy nhiên có nhiều lỗi làm hạn chế việc sử dụng bình thường kết cấu không dẫn đến vô dụng hoàn toàn lỗi sửa chữa mà không đòi hỏi chi phí lớn Sau đây, xem xét số lỗi (hay thất bại) hay xảy thực tế xây dựng 2.1 Lỗi chức Ví dụ nêu thuộc dạng lỗi Công trình đơn giản khả hoạt động yêu cầu Ở sai sót vật liệu kết cấu thiết kế xây dựng phù hợp với quy tắc tiêu chuẩn thiết kế Các sai sót dạng hay gặp nghĩ Nó không thiết phải sai sót kỹ sư kết cấu hay nhà thầu Thông thường sai sót nằm chỗ khách hàng không phân tích cách đầy đủ nhu cầu hay không trao đổi đầy đủ rõ ràng với người thiết kế Hệ thống thoát nước không bố trí chỗ thấp khu vực, cầu xây dựng với khoảng tịnh không không đủ để tàu thuyền qua chúng, nhà máy thuỷ điện xây xong nước chứa, v.v thường xảy quy nhóm Cách để tránh lỗi các bên có liên quan dự án phải phân tích vấn đề giải tất bên phải hiểu cách rõ ràng, vấn đề yêu cầu Đây chắn nhiệm vụ cần phải thực thiết kế 2.2 Lỗi khả khai thác, vận hành Lỗi khả khai thác, vận hành công trình xây dựng xảy ứng xử kết cấu, tác dụng tải trọng khai thác, làm hạn chế hoạt động bình thường Ví dụ hay gặp độ võng mức dầm võng lớn làm biến dạng khung cửa làm cho cửa không đóng ví dụ lỗi khai thác Ví dụ khác dao động lớn máy móc làm cho thiết bị đo đạc có độ nhạy cao không hoạt động Hầu hết lỗi khai thác thiếu độ cứng mà thiếu khả chịu lực 2.3 Hư hỏng hết khả chịu lực Các công trình xây dựng bị hư hỏng, phá hoại nhiều nguyên nhân khác phải kể đến hết khả chịu lực nghĩa hiệu ứng tải trọng nội lực, ứng suất, v.v vượt khả chịu đựng vật liệu Việc phòng ngừa xảy hư hỏng dạng yêu cầu việc thiết kế kết cấu Bên cạnh phá hoại kết cấu trực tiếp hết khả chịu lực có dạng phá hoại ổn định Ở đây, biến dạng hiệu ứng thứ cấp (hiệu ứng phát sinh chuyển vị) dẫn đến phá hoại kết cấu mà vật liệu hết khả chịu lực Do đó, lỗi chịu ảnh hưởng độ cứng cường độ Mất ổn định dẫn đến hư hỏng hầu hết cấu kiện mảnh, chịu nén Ví dụ dạng phá hoại bao gồm: • • • • Các cột mảnh, Vùng chịu nén dầm mảnh, Các cánh chịu nén mặt cắt dầm thép cán, Tường thùng chứa, silo, v.v 2.4 Sự phá hoại dây chuyền Phá hoại dây chuyền tượng số phận kết cấu bị phá hoại dẫn đến phá hoại phận khác Trong kết cấu cầu, phá hoại trụ dẫn đến phá hoại nhịp dầm lân cận Cũng tương tự phá hoại cột công trình nhà dẫn đến phá hoại khu vực hay chí công trình Sự sụp đổ nhà Trung tâm thương mại giới Mỹ năm 2001 ví dụ phá hoại Nhiệt độ cao vụ đâm máy bay làm cho số cột thép tầng bị chảy dẫn đến tầng bị sập xuống Tải trọng lớn với nhiệt độ cao làm cho cột tầng khả chịu lực dẫn đến phá huỷ toàn công trình Để tránh phá hoại dây chuyền, công trình nên thiết kế có tính dư, nghĩa phận kết cấu phải có nhiều đường truyền lực 2.5 Phá hoại chuyển vị lớn móng Chuyển vị lớn móng làm thay đổi quan hệ truyền lực nội lực phận kết cấu dẫn đến phá hoại kết cấu Chuyển vị lớn làm cho công trình không sử dụng bình thường bị nghiêng mức hay đơn giản gây tâm lý không yên tâm cho người sử dụng Chuyển vị lớn móng công trình nhiều nguyên nhân gây việc khảo sát địa chất không đầy đủ dẫn đến đánh giá sai khả chịu lực đất, thiết kế kết cấu móng không hợp lý hay chuyển vị thân đất hạ cao độ mực nước ngầm, vận động địa chất, v.v 2.6 Vai trò Tiêu chuẩn thiết kế Phải thấy rằng, kết thiết kế giả định, thiết kế thực Không biết trước, liệu có thực hoạt động mong muốn hay không Liệu có lỗi trình phân tích? Liệu có điều kiện hay ràng buộc chưa xét đến? Liệu có điều kiện chưa gặp trước đây? Không biết thiết kế thực Để giảm thiểu lỗi hay thất bại xảy ra, thường học tập từ kinh nghiệm thực tế Theo nghĩa này, lỗi hay thất bại có ích giúp phát điều kiện hay ràng buộc trước chưa biết Rất tiếc nhiều lỗi bị lặp lại người khác, dự án khác Để giúp tránh việc lặp lại lỗi xảy đề phòng lỗi xảy ra, xã hội giới chuyên môn sử dụng công cụ đặc biệt Tiêu chuẩn kỹ thuật Tiêu chuẩn kỹ thuật có nhiệm vụ đưa khuyến nghị ràng buộc cần phải xét đến giá trị nên sử dụng trình kỹ thuật Mỗi ràng buộc phát hay yếu điểm phát ràng buộc có, tiêu chuẩn kỹ thuật cần phải cập nhật để xét đến vấn đề Tất thiết kế yêu cầu phải thoả mãn với yêu cầu Tiêu chuẩn để khai thác lợi có khứ Phù hợp với điều đó, tất tiêu chuẩn thiết kế phải cập nhật sau số năm để có kiến thức tốt Có thể nói rằng, điều khoản tiêu chuẩn quan trọng, có ảnh hưởng đến sinh mạng nhiều người tài sản CHƯƠNG CÁC DẠNG VẬT LIỆU 3.1 Giới thiệu Mối quan hệ dạng kết cấu tính chất vật liệu phức tạp bắt buộc phải xem xét nghiên cứu để tạo thiết kế có độ an toàn cao kinh tế Chương giới thiệu sơ lược số vật liệu điển hình Các phương pháp chế tạo, tính chất vật liệu xây dựng giới thiệu chi tiết sách giáo khoa vật liệu xây dựng Ở Bắc cực, nơi người Eskimo sinh sống, trước có tuyết người ta tìm cách sử dụng tuyết làm vật liệu xây dựng Với vật liệu này, người Eskimo sáng tạo lều tuyết, dạng kết cấu đặc biệt Các viên “gạch tuyết” có chiều dày khoảng 400-500 mm cắt xây dựng thành lều có dạng xoắn ốc lên đỉnh Đây dạng kết cấu tự chống đỡ, tất giai đoạn không cần hệ thống kết cấu hỗ trợ Lều giúp người Eskimo tránh gió bão trì nhiệt độ bên cao bên khoảng 40°C Kết cấu phát huy tính chất băng tuyết có cường độ chịu nén tốt không chịu kéo Kết cấu khai thác ưu khác tuyết khả cách nhiệt cao Đây điển hình việc phát triển kết cấu thoả mãn yêu cầu sử dụng sở khai thác tối ưu tính chất vật liệu có sẵn Các ví dụ tương tự tìm nhiều Việt Nam hay nhiều nơi khác giới Ở nhiều miền quê Việt Nam người dân sử dụng bùn trộn với rơm (rơm đất) làm vật liệu làm tường nhà Vật liệu có sẵn địa phương, có tính cách nhiệt cao dễ xây dựng Nhược điểm loại vật liệu có cường độ thấp nên thường xây dựng tường có cốt (tre, v.v.) không chịu nước nên phải che chắn khỏi nước mưa Gạch làm từ đất sét dạng vật liệu phổ biến nhiều nơi giới từ hàng nghìn năm Gạch không nung có cường độ không cao không chịu nước nên sử dụng làm tường bao che khỏi tác động nước Gạch nung có cường độ chịu nén lớn chịu mưa nắng nên sử dụng nhiều dạng kết cấu chịu nén khác tường, cột, mái vòm, v.v Rất nhiều công trình mái vòm có nhịp lớn xây dựng gạch Các kết cấu làm từ gạch phát huy ưu điểm loại vật liệu có khả chịu nén cao, cách nhiệt cách âm tốt rẻ tiền Hai ví dụ sử dụng tuyết đất làm vật liệu xây dựng nói chứng minh rằng, vật liệu “tầm thường”, sử dụng dạng kết cấu hợp lý, phát huy lợi để phục vụ tốt nhu cầu người 3.2 Đá Đá tự nhiên vật liệu sử dụng phổ biến lịch sử Rất nhiều công trình kỳ quan giới xây đá Kim Tự Tháp, Angkor Wat, Vạn Lý tường thành, v.v xây dựng đá Ở Việt Nam, nhiều công trình xây dựng đá Thành Nhà Hồ Thanh Hoá, Nhà Thờ Đá Phát Diệm, v.v Hình Hình Thành Nhà Hồ Cầu vòm đá Rôm, Ý Đá tự nhiên có cường độ chịu nén lớn có cường độ chịu kéo nhỏ nên chúng sử dụng hợp lý kết cấu chịu nén cột, tường, vòm Dạng kết cấu tiếng để sử dụng hiệu vật liệu đá tự nhiên kết cấu vòm Gothic Hầu hết nhà thờ lớn châu Âu Trung Đông xây dựng vật liệu kết cấu 3.3 Gỗ Các nhược điểm khả chịu kéo làm cho kết cấu đá gạch sử dụng hạn chế để chịu uốn Các kết cấu vòm vượt nhịp lớn đắt đỏ Chúng sử dụng số cầu nhà đặc biệt Kết cấu vòm đắt không chúng khó xây dựng mà chúng đòi hỏi chiều cao lớn từ chân đến đỉnh vòm kết cấu để chịu lực ngang chân vòm Do đó, người ta phải tìm vật liệu chịu uốn tốt để vượt qua nhịp tương đối lớn Cho đến cách mạng công nghiệp, vật liệu đáp ứng yêu cầu gỗ Có thể nói gỗ vật liệu có cường độ chịu kéo chịu nén tương đối cao cho phép chịu uốn tốt Về mặt tự nhiên, gỗ khai thác từ nên có chiều dài lớn 10 đường cong phân bố cộng dồn dạng logarit sau nối thêm đường thẳng vào đầu Phương pháp cho phép dự đoán xác xác suất xảy tải trọng lớn Hình 10 Đường cong phân bố vẽ lại để cung cấp xác suất tải trọng vượt dạng logarit Bảng Xác suất tải trọng tác dụng lên 14, 5m sàn Tải trọng ( kN m2 Xác suất vượt ) 4,3% 0,67% 0,11% 0,016% 10 0,0039% Nếu định tải trọng có xác suất nhỏ 1/1000 không quan trọng thì, từ Bảng 1, giá trị tải trọng thiết kế khoảng 6kN m2 Một phương pháp khác hay sử dụng nghiên cứu dạng tải trọng môi trường gió, động đất, sóng, v.v ghi lại cách liên tục tải trọng thiết bị từ đó, xác định chu kỳ lặp lại cấp tải trọng Chu kỳ lặp lại khái niệm dễ nhầm lẫn Khái niệm thường áp dụng để mô tả ứng xử có tính chu kỳ lại khác Ví dụ, trận bão với chu kỳ lặp lại 50 năm xảy hôm qua không thiết trận bão tương tự xảy sau 50 năm Hãy xem xét ví dụ đơn giản để giải thích vấn đề Giả sử xúc xắc gieo ngày lần Mỗi ngày có khả gieo số Nói cách khác, bạn có hội gieo số lần sáu ngày Như vậy, chu 22 kỳ lặp lại việc gieo số ngày Tuy nhiên, vấn đề là, bạn gieo mặt hôm không thiết bạn lại gieo mặt sau năm ngày Hoàn toàn bạn gieo mặt ngày hôm sau Bão 50 năm bão mà sác suất xảy tương tự lớn chu kỳ 50 năm cao dự đoán không xảy bão tương tự hay lớn vòng 50 năm Tốc độ gió đại lượng đo giá trị chuyển đổi thành lực gió nhờ công thức tiêu chuẩn Như vậy, nghiên cứu tải trọng, nói chung, nói cho biết tải trọng sử dụng để thiết kế mà cung cấp thông tin xác suất tương đối xảy cấp tải trọng khác “Nói chung” hiểu có số trường hợp tải trọng xác định xác Ví dụ, thùng đựng đầy nước, thể tích trọng lượng riêng nước xác định xác nên lực xác định xác 5.2.2 Sự bất định cường độ vật liệu Cho đến nay, nghiên cứu cách xác định “tải trọng lớn hợp lý” Cũng cần phải xem xét đến cách định nghĩa “cường độ nhỏ nhất” vật liệu Nếu thí nghiệm mẩu vật liệu sử dụng kết cấu cho đảm bảo cường độ vật liệu sử dụng Tuy nhiên, thí nghiệm vật liệu thường dẫn đến phá hoại Do đó, thử nghiệm toàn vật liệu thực tế sử dụng kết cấu Cách tốt thử nghiệm số vật liệu với hy vọng phần vật liệu sử dụng kết cấu có tính chất tương tự Trong ngôn ngữ thống kê, lấy mẫu tập hợp gán tính chất mẫu cho toàn tập hợp Toàn tập hợp vật liệu sử dụng kết cấu Do không chắn rằng, thử nghiệm phần yếu tập hợp vật liệu nên được, liệu điểm xung yếu kết cấu, vật liệu yếu vật liệu mà thử hay không Do đó, với tải trọng, cho câu hỏi “cường độ nhỏ vật liệu gì” câu trả lời cách tốt xác định xác suất cường độ nhỏ cấp cường độ cho trước Quá trình xây dựng làm cho vật liệu sử dụng kết cấu yếu vật liệu thử Ví dụ, bê tông cần phải vận chuyển đến công trường, đổ, đầm bảo dưỡng Tất công đoạn này, thực không cẩn thận làm cho vật liệu yếu vật liệu lấy mẫu Chúng ta xem xét hai phương diện trình thiết kế xây dựng: xác định tải trọng xác định cường độ vật liệu Chúng ta thấy có bất định lớn hai nói đôi điều xác suất mà cấp độ tải trọng hay cường độ xảy Tuy nhiên có nhiều nơi mà tính bất định xuất trình thiết kế xây dựng 5.2.3 Tính bất định kích thước kết cấu Việc xây dựng kết cấu có kích thước cho vẽ Mặc dù có số dung sai Tuy nhiên việc đo đạc lại cho thấy chúng hay bị vi phạm Như chiều dài nhịp dầm kích thước mặt cắt ngang không xác 23 thiết kế Ở kết cấu bê tông cốt thép, vị trí cốt thép sai khác với vị trí vẽ tất kết cấu có sai khác so với mong muốn Tất yếu tố có ảnh hưởng đến khả chịu lực kết cấu cần phải xem xét Một số nghiên cứu thực để xác định biến thiên kích thước kết cấu số trường hợp, cung cấp thông tin dạng xác suất khác biệt 5.2.4 Sự bất định độ xác tính toán Ứng xử kết cấu phức tạp hiểu biết không đầy đủ Ngoài ra, phương pháp tính toán kết cấu phản ánh gần ứng xử thật kết cấu thường phức hợp tốn nhiều thời gian để sử dụng Vì nguyên nhân này, việc đơn giản hoá lý tưởng hoá cần thiết để làm cho công việc thiết kế thực mức không đắt Một ví dụ đơn giản, kết cấu cần phân tích để xác định phân bố nội lực (mô men, lực cắt, lực dọc, v.v.), thông thường kết cấu giả định có độ cứng chiều dài không cần đến kích thước mặt cắt, tức kết cấu giả định tập trung vào đường tâm Ngoài ra, vật liệu hầu hết giả định đàn hồi Không có giả định số hoàn toàn cho vật liệu kết cấu thực sử dụng chúng dẫn đến số lỗi kết nhận Các phân tích xác thực với việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn chiều Phương pháp sử dụng quan hệ ứng suất – biến dạng (hay gần đúng) vật liệu Phương pháp này, thực với máy tính đại áp dụng cho kết cấu đơn giản lại đắt thời gian công sức kết cấu phức tạp Hơn nữa, lỗi đơn giản hoá nêu thường không lớn nên phân tích xác lại không cho kết tốt đáng kể Tuy vậy, việc lý tưởng hoá dẫn đến cấp độ cao bất định trình tính toán, thiết kế Các công thức ước tính kết thí nghiệm cường độ vật liệu thường phù hợp chưa đạt đến độ xác tuyệt đối Hơn nữa, số công thức thiết kế coi phù hợp với số dạng mặt cắt lại không thật phù hợp với số dạng mặt cắt khác Sức kháng cắt cấu kiện bê tông cốt thép cốt chịu cắt ví dụ điển hình bất định Đến nay, chưa có lý thuyết tổng quát coi thích hợp để giải thích làm việc chịu cắt bê tông Hầu hết công thức dựa thí nghiệm dựa hiểu biết sâu sắc người vấn đề 5.2.5 Ảnh hưởng thời gian Tất vật liệu có tính chất thay đổi theo thời gian theo ảnh hưởng tác động môi trường Bê tông, nói chung, có cường độ tăng theo thời gian số trường hợp lại bị giảm cường độ ảnh hưởng tác động môi trường Thép bị rỉ không sơn, gỗ bị mục bị ẩm nhiều vật liệu khác bị giòn hoá theo thời gian 24 5.3 Các công cụ để xác định độ an toàn có xét đến bất định 5.3.1 Các phát triển trước Như có không chắn việc xác định tải trọng, cường độ vật liệu sử dụng kết cấu, trình xây dựng, khả xác định ứng xử kết cấu, v.v Mặc dù vậy, phải thiết kế xây dựng kết cấu an toàn kinh tế Trong thực tế cho phép tồn không chắn Áp lực tính kinh tế tăng dần theo thời gian nên ý tưởng để tạo kết cấu có độ an toàn cao trở nên ngày phức hợp Cho đến đầu kỷ 19, có công trình thiết kế với việc sử dụng công thức tính toán Người ta công cụ để xác định cường độ vật liệu xây dựng kiến thức lý thuyết ứng xử kết cấu phát triển đến mức độ sử dụng để dự đoán khả chịu lực kết cấu Độ an toàn đảm bảo nhờ áp dụng kinh nghiệm Một người thợ, thợ mộc hay thợ xây, dành đời để thu thập kinh nghiệm dạng kết cấu, vật liệu kích thước làm việc tình cụ thể Các kiến thức truyền từ thợ đến người học việc qua hệ thống đào tạo nội thực hàng kỷ hay thiên niên kỷ Nói chung, hệ thống dạng tin cậy tạo nhiều kết cấu phục vụ cho mục đích chúng cách an toàn Nhiều số chúng sử dụng đến ngày Yếu điểm việc phụ thuộc vào kinh nghiệm chỗ, số thiết kế rõ ràng không an toàn không nên xây dựng lại phương tiện để biết liệu khả chịu lực cung cấp có bị vượt không liệu có giải pháp khác kinh tế không (do xác khả chịu lực độ lớn tải trọng nên thiết kế kết cấu yếu thừa) Một yêu cầu quan trọng hệ thống hoạt động môi trường thay đổi, nghĩa lượng tiền đầu tư xây dựng dạng vật liệu dạng kết cấu áp dụng thay đổi không nhanh Điều giữ xảy cách mạng công nghiệp Nửa đầu kỷ 19 chứng kiến thay đổi nhanh chóng tất ngành công nghiệp Năm 1790 Abraham Darby xây dựng cầu sắt Anh – cầu Ironbridge, cầu đến ngày Việc khảo sát cầu cho thấy rằng, ông ta chép nhiều chi tiết công nghệ kết cấu gỗ Vật liệu phát triển nhanh chóng nửa sau kỷ 19 với việc tạo sắt thép phục vụ cho ngành công nghiệp Đến cuối kỷ 19, bê tông cốt thép sử dụng vật liệu hoàn toàn cho ngành công nghiệp xây dựng Khi vật liệu cho ngành xây dựng thay đổi, dạng kết cấu phải thay đổi theo nhanh chóng Sự phát triển ngành đường sắt yêu cầu chúng độ dốc đường nhỏ dẫn đến yêu cầu xây dựng số lượng lớn cầu có nhịp vượt mà kinh nghiệm cung cấp Tải trọng mà chúng phải chịu vượt giá trị kinh nghiệm Trong lĩnh vực khác, phát triển nhà máy công xưởng dẫn đến yêu cầu dạng nhà 25 phát triển hệ thống sở hạ tầng cảng biển Các thách thức vượt nhiều kinh nghiệm người thiết kế xây dựng phương pháp phải tìm Đây áp lực dẫn đến phát triển kết cấu xây dựng mà biết đến ngày Các cố gắng ban đầu để phát triển thiết kế an toàn dẫn đến việc thử nghiệm kết cấu Theo cách này, trước xây dựng cầu đường sắt qua sông Wye, Brunel dựng số dầm lên trụ tạm thử nghiệm chúng với tải trọng đến 770 Robert Stephenson sử dụng mô hình thí nghiệm cẩn thận thiết kế cầu Britannia Phương pháp họ để đảm bảo an toàn đảm bảo cho kết cấu chịu tải trọng lớn đáng kể tải trọng dự kiến thực tế Điều biểu diễn sau: R ³ gS g Với R sức kháng S tải trọng thiết kế hệ số an toàn Mục đích hệ số an toàn tạo vùng biên (hay vùng đệm) để xét đến tất yếu tố bất định xác định tải trọng sức kháng Hệ số an toàn chọn bất kỳ, thông thường xung quanh Đây dạng tiện lợi để đảm bảo an toàn cường độ vật liệu xác định thí nghiệm hay kết cấu thử nghiệm với tải trọng lớn nhiều lần tải trọng thiết kế 5.3.2 Phương pháp ứng suất cho phép Trong kỷ 19 người ta đạt bước tiến lớn việc phát triển lý thuyết kết cấu Những công trình lớn tên tuổi tiếng Navier, Rankine, Maxwell Castigliano thực giai đoạn Các công việc thực phân tích đàn hồi kết cấu tính toán ứng suất cấu kiện Lý thuyết đàn hồi không trực tiếp dẫn đến việc xác định cường độ mà dẫn đến việc xác định phân bố độ lớn ứng suất Để đánh giá khả chịu lực cần phải xác định ứng suất lớn mà vật liệu chịu Điều dẫn đến việc mô tả vấn đề an toàn dạng hoàn toàn khác Ứng suất cực hạn mà vật liệu chịu chia cho hệ số an toàn “ứng suất cho phép” Việc tính toán sau thực để đảm bảo rằng, ứng suất cho phép không bị vượt Phương pháp thể sau sR g ³ ss Ở đây, sR ứng suất lớn mà vật liệu chịu, ss g với tải trọng thiết kế hệ số an toàn Nếu ứng suất cho phép định nghĩa thành s p = sR g s p ³ ss 26 ứng suất lớn tính ứng phương trình viết lại Phương trình công thức mô tả xác định độ an toàn theo ứng suất cho phép Ở đây, giá trị hệ số an toàn lựa chọn tuỳ ý không xác định hàm có xét đến giá trị bất định Giá trị tải trọng để tính toán ứng suất tải trọng có khả xảy đời công trình Đây rõ ràng bước tiến việc định nghĩa tải trọng Tải trọng mô tả dạng thực người thiết kế khách hàng Ví dụ, tải trọng mà khách hàng dự kiến đặt vào nhà kho Ngoài ra, tác dụng tải trọng này, kết cấu có ứng xử gần tuyến tính nên việc tính toán tải trọng ứng suất tương đối thực tế 5.3.3 Việc phát triển phương pháp ứng suất cho phép Thời điểm phát triển phương pháp ứng suất cho phép thời điểm mà bê tông cốt thép coi vật liệu xây dựng quan trọng Sự phát triển vật liệu làm phát sinh vấn đề phức tạp vấn đề độ an toàn Bê tông cốt thép vật liệu liên hợp làm từ cốt thép bê tông làm việc đồng thời Hai vật liệu khác cách chế tạo nên khác độ bất định cường độ chúng Các cốt thép chế tạo công nghiệp kiểm soát nhà máy Ở công trường chúng uốn đạt vào vị trí, trình dẫn đến thay đổi quan trọng tính chất vật liệu Trong đó, bê tông lại chế tạo từ đá cát, vật liệu tự nhiên Trong ngày đầu, bê tông thường trộn công trường công cụ thô sơ, sau đó, đổ vào khuôn đầm chặt Việc kiểm soát việc đong đếm vật liệu, trộn đổ bê tông vào khuôn hạn chế tính chất bê tông, đó, biến đổi Người ta nhanh chóng nhận thấy phương pháp ứng suất cho phép biến đổi cách dễ dàng để xét đến cấp độ chắn khác vật liệu khác việc sử dụng hệ số an toàn khác cho vật liệu Ứng suất cho phép áp dụng cho vật liệu khác viết dạng s R g1 ³ ss1 s R g2 ³ ss2 s R g3 ³ s s3 Ở đây, s R 1, s R 2, s R ứng suất lớn mà vật liệu 1, 2, chịu, g ,g ,g s s1, ss2, s s3 ứng suất lớn tính ứng với tải trọng thiết kế vật liệu 1, 2, hệ số an toàn ứng với vật liệu 1, 2, Phương pháp rõ ràng phức tạp có khả xét vật liệu có cường độ khác liên quan đến bất định khác Người sử dụng phương pháp có nhiệm vụ khó khăn cần phải đánh giá bất định tương đối, đó, phương pháp trước đây, cần vài giá trị tổng thể xác định để xét đến tất bất định 27 5.3.4 Phương pháp hệ số an toàn riêng Yếu điểm phương pháp nêu xem xét rằng, vật liệu khác có độ bất định khác liên quan đến chúng lại không xét đến bất định khác liên quan đến dạng tải trọng khác Yếu điểm thứ hai trình xác định ứng suất cho phép mối quan hệ trực tiếp ứng suất cho phép tính toán theo mô hình đàn hồi tải trọng phá hoại Hệ số an toàn, đó, có tính khái niệm (ảo) liên hệ trực tiếp đến độ an toàn thực kết cấu Trong giai đoạn kỷ 19 nhiều nghiên cứu thực để dự đoán sức kháng cấu kiện xét đến tính an toàn, logic cho nhiều người độ an toàn mô tả sức kháng cực hạn điều kiện khai thác Phương pháp hệ số an toàn riêng xuất lần đầu tiêu chuẩn thiết kế Nga năm 1930 nhiên cách mà sử dụng ngày lại giới thiệu lần Recommendations Comité Européen du Beton (CEB – Hiệp hội bê tông châu Âu) vào năm 1964 Bước để xác định hệ số an toàn riêng xây dựng định nghĩa xác tải trọng sức kháng (hay cường độ) vật liệu Giá trị tương trưng tải trọng gọi giá trị đặc trưng Tiêu chuẩn Việt Nam nhiều tiêu chuẩn giới nêu tải trọng đặc trưng tải trọng chọn cho, tải trọng vượt phía bất lợi có xác suất nhỏ xác suất định trước chu kỳ định có xét đến tuổi thọ kết cấu Người ta định trước xác suất xuất tải trọng vượt tải trọng đặc trưng, ví dụ 1/10000 Trong thực tế, người ta thường định nghĩa tải trọng đặc trưng cấp tải trọng xuất thời gian khai thác công trình Lý việc lựa chọn là cấp tải có thực xem xét và, đó, quen biết với người thiết kế Một số tài liệu cho rằng, xác suất vượt tải trọng 5% giá trị không nêu tài liệu Phương pháp tương tự áp dụng để định nghĩa cường độ vật liệu Nhiều tiêu chuẩn tiên tiến khác giới định nghĩa giá trị đặc trưng tính chất vật liệu “giá trị mà xác suất giá trị không đạt giá trị nhỏ trị số cho trước chuỗi có vô hạn giá trị thí nghiệm Thông thường ứng với điểm phân vị xác định đường cong phân bố thống kê giá trị đó” Các Tiêu chuẩn thiết kế thường chọn điểm phân vị 5% Chuỗi thí nghiệm vô tận ngầm định số lượng thí nghiệm đủ lớn để yêu cầu rằng, tính chất vật liệu nêu toàn thể vật liệu mẫu thử Có số phương pháp thống kê để hiệu chỉnh tính chất có từ mẫu thử tính chất (gần đúng) toàn vật liệu Nếu có số lượng đủ lớn mẫu thử thí nghiệm khác biệt tính chất mẫu thử toàn tập hợp không lớn Sau định nghĩa tải trọng cường độ danh định sử dụng chúng để định nghĩa tải trọng cường độ thiết kế, đại lượng có xác suất xuất thấp Cường độ thiết kế vật liệu cho dạng: 28 fd = f k g m f Với d cường độ thiết kế k cường độ đặc trưng vật liệu xét, toàn riêng tương ứng với vật liệu gm hệ số độ an Sức kháng thiết kế mặt cắt, cấu kiện hay kết cấu tính toán hàm cường độ thiết kế vật liệu viết dạng: Rd = fn Với Rd cường độ thiết kế cấu kiện, { fn } gm1, f2 gm2 , hàm đại lượng dấu ngoặc nhọn Cho đến lúc này, phương pháp chưa khác nhiều so với phương pháp ứng suất cho phép ngoại trừ cường độ cực hạn sử dụng thay cho ứng suất tải trọng trạng thái khai thác Sự khác phương pháp ứng suất cho phép phương pháp hệ số an toàn riêng cách xem xét tải trọng Ở đây, tải trọng nhân với hệ số an toàn riêng phản ánh không chắn xác định chúng Tải trọng thiết kế định nghĩa theo quan hệ: Fd = gf Fk F g F Với d tải trọng thiết kế, k tải trọng đặc trưng f hệ số an toàn riêng tương ứng với tải trọng Việc tính tải trọng tổng tác dụng lên kết cấu cách lấy tổng tải trọng thiết kế khác thực số tải trọng có tác dụng theo phương khác với tải trọng khác, ví dụ trọng lượng thân tác dụng theo phương đứng tải trọng gió lại tác dụng theo phương ngang Do đó, người ta thường sử dụng hiệu ứng tác dụng lực lên kết cấu, Sd Như vậy, Sd = fn { gf 1Fk1, gf 2Fk2, } Hiệu ứng lực nội lực, mô men, phản lực, v.v Những thành phần tổ hợp cách hợp lý với Yêu cầu đảm bảo độ an toàn kết cấu Rd ³ Sd Đây công thức áp dụng cho nhiều tiêu chuẩn khác Vấn đề liên quan đến công thức thực tế có nhiều bất định có bất định vật liệu tải trọng, bất định kích thước kết tính toán, v.v Người ta đưa thêm hệ số để xét đến chúng điều dẫn đến phức tạp mức 29 cần thiết Do đó, giá trị chọn cho phép hệ số khác gm gf giả thiết có chứa giá trị cho g Định nghĩa sở hệ số an toàn riêng f xét đến tất hệ số có ảnh hưởng đến độ xác việc tính toán hiệu ứng tải trọng ví dụ độ lớn phân bố nội lực, g mô men, v.v Trong đó, m chứa tất hệ số liên quan đến độ xác tính toán sức kháng kết cấu Nếu tất bất định liệt kê bất định chứa hai hệ số sau: Hệ số • • • • Hệ số • • • • gf xét đến Sự bất định (không chắn) độ lớn tải trọng Sự bất định phân bố tải trọng Sự bất định phương pháp tính toán hiệu ứng tải trọng (phân tích kết cấu) Sự bất định kích thước kết cấu chúng có ảnh hưởng đến hiệu ứng tải trọng gm xét đến Sự bất định cường độ vật liệu thí nghiệm, Tính không chắn khác vật liệu thí nghiệm vật liệu sử dụng kết cấu, Sự bất định kích thước kết cấu chúng có ảnh hưởng đến sức kháng, Sự bất định độ xác phương pháp sử dụng để tính toán sức kháng Như vậy, thấy rằng, xem xét đến vấn đề lớn này, việc mô tả vấn đề độ an toàn trở nên rộng lớn phức tạp 5.3.5 Thiết kế theo phương pháp xác suất Vào thời điểm phương pháp hệ số an toàn riêng nghiên cứu phát triển, người ta nghĩ đến phương pháp có tính cách mạng mà, đó, độ xác bị giới hạn liệu có bất định xem xét Đây phương pháp xác suất đầy đủ Việc quan trọng phương pháp thiết kế theo xác suất định nghĩa độ an toàn định nghĩa có liên quan đến xác suất phá hoại kết cấu Xác suất phá hoại nhỏ, độ an toàn cao Điểm xuất phát phương pháp xác định xác suất phá hoại chấp nhận Việc thiết kế phải thực cho xác suất phá hoại không vượt giá trị giới hạn Phương pháp thể dạng biểu đồ Hình 11 Với phận trình thiết kế có bất định phải thu thập thông tin xây dựng phân bố tần suất Sự phân bố tần suất tải trọng sàn văn phòng trình bày phần trước Các phân bố tần 30 suất thể phần phần Hình 11 Ở phần Hình 11, tải trọng, kích thước độ cứng vật liệu phân tích để xác định phân bố tần suất hiệu ứng tải trọng Ở phần hình, tính chất vật liệu kích thước sử dụng liệu đầu vào để xác định phân bố tần suất sức kháng kết cấu Sự phân bố cần có khả xét đến bất định phương pháp phân tích trình xây dựng Vấn đề xác định xác suất xảy trường hợp hiệu ứng tải trọng lớn sức kháng Thông thường người ta biến đổi bất phương trình độ an toàn từ R ³ S thành R - S ³ xây dựng biểu đồ tần suất cho ( R - S) ( R - S ) Việc tính duyệt thiết kế trở thành yêu cầu xác suất nhỏ phải không vượt giá trị xác định 31 Hình 11 Phương pháp xác xuất đầy đủ Nếu có liệu cho biến số phân bố tần suất mô tả gần dạng chuẩn hàm phân bố xác suất lý thuyết thống kê sử dụng phương pháp thống kê chuẩn để thực tính toán Ví dụ phân bố chuẩn có dạng hình chuông đối xứng cho phương trình: y= s 2p - ( x- x ) e 2s đây, y tần suất, x hoành độ mà đó, y tính, x giá trị trung bình, s độ lệch chuẩn hàm phân bố Độ lệch chuẩn thước đo phân tán phân bố Đối với phân bố xây dựng từ n phép đo, độ lệch chuẩn xác định 32 s= å æå x ÷ ö ç ÷ ç - ç ÷ ç è n ÷ ø x2 n Hình 12 minh hoạ thay đổi dạng hàm phân bố tần suất theo độ lệch chuẩn Hình 12 Sự thay đổi hàm phân bố tần suất theo độ lệch chuẩn Sự biến đổi nhiều đại lượng tự nhiên, ví dụ biến đổi cường độ vật liệu, mô tả gần phân bố chuẩn dạng thường cho kết hợp lý Nếu giả định phân bố R S Hình 11 có dạng chuẩn phân bố ( R - S) ( R - S) có dạng chuẩn với giá trị trung bình độ lệch chuẩn s R2 + s S2 Thông thường người ta biểu diễn độ an toàn số an toàn b = ( R - S) s R2 + s S2 Nếu có phân bố chuẩn tính toán xác quan hệ số độ an toàn với xác suất phá hoại bảng Bảng Quan hệ số độ an toàn xác suất phá hoại b Xác suất phá hoại 1,64 0,05 2,0 0,023 3,0 0,003 4,0 0,0009 5,0 0,0000 Ví dụ đơn giản sau minh hoạ cách sử dụng phương pháp thiết kế Giả sử vật nặng trung bình 100 kN với độ lệch chuẩn 40 kN treo lên thép có cường độ 33 trung bình 400 N/mm2 với độ lệch chuẩn 40 kN/mm2 Hãy tính diện tích thép để đạt số độ an toàn Sức kháng thép tính tích cường độ vật liệu với diện tích (A) Giả thiết diện tích giá trị xác định thay vào phương trình tính toán số độ an toàn = ( 400A - 100000) ( 40A ) + 400002 Giải phương trình cho kết A = 934mm 34 CHƯƠNG THIẾT KẾ THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 6.1 Khái niệm trạng thái giới hạn Trong thiết kế, ràng buộc thiết kế thường gọi trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn trạng thái mà đó, kết cấu bị phá hoại không hoạt động dự kiến Các trạng thái giới hạn mô tả dạng tổng quát: Yêu cầu < khả Các trạng thái giới hạn kết cấu thường phân chia thành nhóm chính: trạng thái giới hạn cường độ trạng thái giới hạn khai thác 6.2 Trạng thái giới hạn cường độ Trạng thái giới hạn dựa cường độ trạng thái dẫn đến hư hỏng kết cấu Đối với kết cấu thép, hư hỏng chảy (biến dạng dạng vĩnh viễn) hay phá hoại Đối với kết cấu bê tông cốt thép, hư hỏng vỡ bê tông nén chảy cốt thép Trạng thái giới hạn cường độ mô tả dạng tổng quát: Sức kháng yêu cầu < Sức kháng danh định Sức kháng yêu cầu nội lực xác định từ việc phân tích kết cấu thiết kế Ví dụ, thiết kế dầm, sức kháng yêu cầu mô men lớn nhất, tính dầm Sức kháng danh định khả dự tính dầm, ví dụ, chịu uốn, mô men lớn M n mà dầm có khả chịu (là hàm cường độ vật liệu đặc trưng mặt cắt cấu kiện) Thông thường, tiêu chuẩn thiết kế sử dụng tham số sau để thể cường độ khác nhau: P = Lực dọc M = Mô men uốn V = Lực cắt R = Phản lực 6.3 Trạng thái giới hạn sử dụng Các trạng thái giới hạn sử dụng trạng thái không dựa cường độ làm cho kết cấu không phù hợp với mục đích sử dụng Các trạng thái giới hạn sử dụng thiết kế kết cấu bao gồm độ võng, dao động, độ mảnh tịnh không Trạng thái giới hạn sử dụng viết dạng tổng quát: 35 Ứng xử thực < Ứng xử cho phép Một ví dụ độ võng Một dầm cong xon cần phải có độ võng đầu tự (ứng xử thực) nhỏ độ võng cho phép (ứng xử cho phép) Các trạng thái giới hạn sử dụng nói chung không bị đòi hỏi khắt khe trạng thái giới hạn cường độ không liên quan đến độ an toàn kết cấu Các trạng thái giới hạn sử dụng không gây nguy hiểm đến người tài sản 6.4 Một số nhận xét tổng quát Lưu ý rằng, hai vế bất phương trình trạng thái giới hạn quan hệ với đại lượng biến thiên không chắn Cách xử lý đại lượng biến thiên không chắn phụ thuộc vào triết lý thiết kế chọn Hiện có hai triết lý thiết kế thiết kế kết cấu: thiết kế theo hệ số tải trọng sức kháng (Load & Resistance Factor Design - LRFD) thiết kế theo cường độ (hay ứng suất) cho phép Một số kỹ sư thấy có ích chia vế trái bất phương trình trạng thái giới hạn cho vế phải dạng: (sức kháng yêu cầu/sức kháng danh định) < 1.00 (ứng xử thời)/(ứng xử cho phép) < 1.00 Dạng hữu ích lý Nó làm cho việc so sánh trở nên dễ dàng (giá trị kết phải < 1,00) kết cho biết phần trăm khả sử dụng Việc biết phần trăm khả dùng giúp bạn biết trạng thái giới hạn tới hạn thực tối ưu hoá thiết kế phức tạp 36