TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (LRFD)

TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Bài mở đầu Tổng quan Triết lý thiết kế Tổng quát Độ tin cậy đợc định nghĩa xác xuất đối tợng thực đợc chức yêu cầu thời gian điều kiện định trớc Nh độ tin cậy móng công trình xác xuất chống đỡ đợc công trình bên mà không sụp đổ gây độ lún mức cho phép thời gian tuổi thọ thiết kế công trình Để có đợc độ tin cậy cần thiết mục đích yêu cầu thiết kế xây dựng móng Để thỏa mãn yêu cầu này, thiết kế đạt đợc cách cho hệ số an toàn cao Tuy nhiên, tiếp cận theo cách ngời thiết kế gặp phải mâu thuẫn không phần quan trọng, giá thành công trình cao Nh độ tin cậy công trình đối nghịch với giá thành xây dựng công trình Thông thờng ngời thiết kế tìm cân độ tin cậy tính kinh tế thiết kế thông qua hệ số an toàn Hệ số an toàn cao thờng đợc sử dụng độ tin cậy quan trọng trình phân tích thiết kế có nhiều yếu tố không chắn, hệ số an toàn thấp thờng đợc dùng điều kiện ngợc lại Phơng pháp đợc gọi phơng pháp hệ số an toàn chung Phơng pháp hệ số an toàn chung thờng không dựa vào đánh giá tổng thể độ tin cậy, đặc biệt xem xét móng công trình bên nh tỏng thể Với phơng pháp này, số thành phần an toàn Trong lúc đó, số thành phần nguy hiểm Giá thành phụ thêm cho thành phần có hệ số an toàn cao không góp phần làm tăng độ an toàn tổng thể công trình, phơng pháp phơng pháp kinh tế để tạo cong trình tin cậy Nói cách khác, tốt nên dùng tiền thành phần có độ an toàn cao cho thành phần có độ an toàn thấp để tăng độ an toàn chung công trình Vì lý phơng pháp thiết kế theo độ tin cậy phát triển Phơng pháp có xu hớng xác định độ tin cậy để cân độ tin cậy giá thành công trình Một mục đích khác thiết kế theo độ tin cậy đánh giá tốt khả phá hoại khác nhau, thông tin đợc dùng để cải tiến thiết kế thi công để đạt đợc công trình vững Có nhiều phơng pháp thiết kế theo độ tin cậy nh: Phơng pháp miền xác xuất cho sức kháng tải trọng, phơng pháp bậc mô men cấp hai, phơng pháp thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD Load and Resistance Factor Design) phơng pháp sử dụng hệ số tải trọng ( i) nhân với tải trọng danh định (tiêu chuẩn) để có đợc tải trọng có hệ số (có thể coi nh tải trọng tính toán) Ngoài ra, để xét đến tính dẻo, độ TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) siêu tĩnh tầm quan trọng công trình, tải trọng tác dụng đợc nhân thêm hệ số (i) Các quy định Bộ Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 dựa vào phơng pháp luận Thiết kế theo hệ số tải trọng hệ số sức kháng (LRFD) Các hệ số đợc lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa kiến thức thống kê tải trọng tính kết cấu Những quan điểm an toàn thông qua tính dẻo, tính d, bảo vệ chống xói lở va chạm đợc lu ý nhấn mạnh Bộ Tiêu chuẩn đợc biên soạn, dựa Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng hệ số sức kháng AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials ), xuất lần thứ hai (1998), in dùng hệ đơn vị quốc tế (SI) Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, Cầu phải đợc thiết kế theo trạng thái giới hạn quy định để đạt đợc mục tiêu thi công đợc, an toàn sử dụng đợc, có xét đến vấn đề: khả dễ kiểm tra, tính kinh tế mỹ quan (nêu Điều 2.5) Bất kể dùng phơng pháp phân tích kết cấu phơng trình luôn cần đợc thỏa mãn với ứng lực tổ hợp đợc ghi rõ chúng Mỗi cấu kiện liên kết phải thỏa mãn Phơng trình với trạng thái giới hạn, trừ đợc quy định khác Đối với trạng thái giới hạn sử dụng trạng thái giới hạn đặc biệt, hệ số sức kháng đợc lấy 1,0, trừ trờng hợp với bu lông phải áp dụng quy định Điều 6.5.5 Mọi trạng thái giới hạn đợc coi trọng nh i i Qi Rn = Rr (1) với : i= D R l > 0,95 (2) Đối với tải trọng dùng giá trị cực đại Yi: i = 1,0 DR I (3) : i = hệ số tải trọng: hệ số nhân dựa thống kê dùng cho ứng lực = hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa thống kê dùng cho sức kháng danh định (ghi Phần 5, 6, 10, 11 12) i = hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính d tầm quan trọng khai thác D = hệ số liên quan đến tính dẻo (Điều 1.3.3) R = hệ số liên quan đến tính d (Điều 1.3.4) I = hệ số liên quan đến tầm quan trọng khai thác (Điều 1.3.5) Qi = ứng lực Rn = sức kháng danh định Rr = sức kháng tính toán = Rn TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Các cấu kiện liên kết cầu phải thoả mãn phơng trình cho tổ hợp thích hợp ứng lực cực hạn tính toán đợc quy định cho trạng thái giới hạn dới Tải trọng tác dụng Các tải trọng lực thờng xuyên thời sau phải đợc xem xét đến: Tải trọng thờng xuyên: Ký hiệu Tên tải trọng DD tải trọng kéo xuống (xét tợng ma sát âm) down drag DC tải trọng thân phận kết cấu & thiết bị phụ phi kết cấu dead load of structural components and nonstructural attachments DW tải trọng thân lớp phủ mặt tiện ích công cộng dead load of wearing surfaces and utilities EH tải trọng áp lực đất nằm ngang horizontal earth pressure load EL hiệu ứng bị hãm tích luỹ phơng pháp thi công accumulated locked-in effects resulting from the construction process ES tải trọng đất chất thêm earth surcharge load EV áp lực thẳng đứng thân đất đắp vertical pressure from dead load of earth fill Tải trọng thời: Ký hiệu Tên tải trọng BR lực hãm xe vehicular braking force CE lực ly tâm vehicular centrifugal force CR từ biến creep CT lực va xe vehicular collision force CV lực va tầu vessel collision force EQ động đất earthquake FR ma sát friction TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) IM lực xung kích (lực động ) xe vehicular dynamic load allowance LL hoạt tải xe vehicular live load LS hoạt tải chất thêm live load surcharge PL tải trọng ngời pedestrian live load SE lún settlement SH co ngót shrinkage TG gradien nhiệt temperature gradient TU nhiệt độ uniform temperature WA tải trọng nớc áp lực dòng chảy water load and stream pressure WL gió hoạt tải wind on live load WS tải trọng gió kết cấu wind load on structure Chi tiết cách tính loại tải trọng xem Phần Tải trọng hệ số tải trọng Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 hay AASHTO 2007 2.1 Tải trọng thờng xuyên (1) Tĩnh tải DC, DW EV Tĩnh tải bao gồm trọng lợng tất cấu kiện kết cấu, phụ kiện tiện ích công cộng kèm theo, trọng lợng đất phủ, trọng lợng mặt cầu, dự phòng phủ bù mở rộng Khi đủ số liệu xác lấy tỷ trọng nh Bảng để tính tĩnh tải (2) Tải trọng áp lực đất EH áp lực đất, tải trọng phụ gia đất , tải trọng kéo xuống (ma sát âm) đợc xác định Điều 3.11 Khi đất giữ không đợc thoát nớc tác dụng áp lực thuỷ tĩnh phải đợc bổ sung vào áp lực đất Trong trờng hợp phía sau tờng đọng thành vũng tờng phải đợc thiết kế để chịu áp lực đất áp lực thuỷ tĩnh áp lực ngang đất phía dới mức nớc ngầm phải tính với tỷ trọng đất ngậm nớc Nếu mức nớc ngầm hai phía tờng khác phải xét tác dụng TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) thấm đến ổn định tờng khả phải đặt đờng ống dẫn áp lực lỗ rỗng sau tờng đợc lấy gần theo phơng pháp dòng tịnh hay phơng pháp phân tích khác phải đợc cộng thêm vào ứng suất nằm ngang hữu hiệu tính tổng áp lực ngang đất lên tờng Khi lờng trớc tác dụng thiết bị đầm máy xảy cự ly nửa chiều cao tờng lấy chênh cao điểm giao lớp móng đờng làm xong với lng tờng đáy tờng tác dụng bổ sung áp lực đất đầm lèn phải đợc đa vào tính toán Bảng - Tỷ trọng Tỷ trọng (kg/m3) Vật liệu Hợp kim nhôm 2800 Lớp phủ bê tông at-phan 2250 Xỉ than 960 Cát chặt phù sa hay đất sét 1925 Nhẹ 1775 Cát nhẹ 1925 Thờng 2400 Bê tông Cát rời phù sa sỏi 1600 Đất sét mền 1600 Sỏi cuội macadam balat 2250 Thép 7850 Đá xây 2725 Nớc Ngọt 1000 Mặn 1025 Hiệu ứng khả khuyếch đại áp lực đất chủ động và/hoặc độ chuyển dịch khối đất bị động động đất phải đợc xét đến áp lực đất đợc giả thiết phân bố tuyến tính tỷ lệ với chiều sâu đất lấy bằng: p = k h s gz (10 ) (4) đó: p = kh áp lực đất (MPa) = hệ số áp lực ngang đất lấy k o (Điều 3.11.5.2) tờng không uốn cong hay dịch chuyển, k a (Điều 3.11.5.3; 3.11.5.6 3.11.5.7) tờng uốn cong hay dịch chuyển đủ để đạt tới điều kiện chủ động tối thiểu s = tỷ trọng đất (kg/m3) z = chiều sâu dới mặt đất (mm) TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) g = số trọng lực (m/s2) Trừ quy định khác đi, tổng tải trọng ngang đất trọng lợng đất lấp phải giả định tác dụng độ cao 0,4H phía đáy tờng, H tổng chiều cao tờng tính từ mặt đất đến đáy móng * Hệ số k0 Đối với đất đợc cố kết bình thờng hệ số áp lực đất ngang tĩnh lấy nh sau: k0 = - sinf (5) Đối với đất cố kết hệ số áp lực đất ngang tĩnh giả thiết thay đổi theo hàm số tỷ lệ cố kết hay lịch sử ứng suất lấy bằng: k0 = (1 - sinf )(OCR)sint (6) đó: f = gốc ma sát đất thoát nớc ko = hệ số áp lực đất tĩnh đất cố kết OCR = tỷ lệ cố kết Các giá trị ko cho tỷ lệ cố kết khác OCR lấy Bảng Phù sa, sét, sét dẻo chảy không nên dùng làm đất đắp mà vật liệu hạt dễ thoát nớc có sẵn Bảng 2- Hệ số điển hình áp lực đất ngang tĩnh Hệ số áp lực đất ngang k0 Loại đất OCR = OCR = OCR = OCR = 10 Cát rời 0,45 0,65 1,10 1,60 Cát vừa 0,40 0,60 1,05 1,55 Cát chặt 0,35 0,55 1,00 1,50 Đất phù sa bùn(ML) 0,50 0,70 1,10 1,60 Sét nhão (CL) 0,60 0,80 1,20 1,65 Sét dẻo chảy (CH) 0,65 0,80 1,10 1,40 * Hệ số áp lực chủ động Trị số hệ số áp lực chủ động lấy bằng: ka = Sin ( + ) Sin 2Sin ( ) (7) đây: 10 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Sin ( + ) Sin ( ) = + Sin ( + ) + Sin ( + ) (8) đó: = góc ma sát đất đắp tờng(độ) = góc đất đắp với phơng nằm ngang nh Hình (độ) = (độ) góc đất đắp sau tờng với phơng thẳng đứng nh Hình , góc nội ma sát hữu hiệu (độ) = Tờng cứng Hình -1 Chú giải Coulomb áp lực đất Đối với điều kiện khác với miêu tả Hình 1, áp lục đất chủ động tính phơng pháp thử dựa theo lý thuyết lăng thể trợt * áp lực đất bị động Đối với đất dính áp lực bị động xác định theo: pp = k p sg Z 109 + 2c k p (9) đó: pp = áp lực đất bị động (MPa) s = tỷ trọng đất (kg/m3) z = độ sâu tính từ mặt đất c = độ dính đơn vị (MPa) kp = hệ số áp lực bị động lấy theo Hình thích hợp (3) Tải trọng chất thêm (ES) Khi có tải trọng chất thêm phải bổ sung thêm áp lực đất ngang không đổi vào áp lực đất - áp lực đất không đổi lấy bằng: p = ks qs (10) đó: p = áp lực đất ngang không đổi tác dụng tải trọng chất thêm phân bố (MPa) 11 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) ks = hệ số áp lực đất tác dụng tải trọng chất thêm qs = hoạt tải tác dụng lớn (MPa) Đối với áp lực đất chủ động ks phải lấy ka , với áp lực đất tĩnh ks phải lấy ko Ngoài loại đất đắp độ dịch chuyển tờng cụ thể dùng giá trị trung gian phù hợp Ngoài cách tính chi tiết loại tải trọng chất thêm tham khảo Điều 3.11.6 Hệ số giả m (R) c Kp t heo c c t ỷ số - / hệ số p l ực bịđộng Kp Mặt phá hoạ i Xoắn ốc l ogar it p l ực bịđộ ng Ghi c hú : Cá c đ ng c o ng đ ợ c t hể dù ng c ho / =-1 Góc nối ma sá t t heo độ Hình - Cách tính áp lực đất bị động tờng nghiêng đắp 12 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Hệ số giảm (R) c uả Kp t heo c c t ỷ số / hệ số p l ực bị độ ng Kp Mặt phá hoạ i Xoá n ố c l ogar it p l ực bịđộ ng Ghi c hú : Cá c đ ờng c ong đ ợ c t hể dù ng c ho /=-1 gó c nộ i ma sá t t heo độ Hình - Cách tính áp lực đất bị động tờng nghiêng, đắp dốc (4) Lực kéo xuống (xét ma sát âm - DD) ứng lực tác động kéo xuống cọc hay cọc khoan lún khối đất tiếp giáp với cọc hay cọc khoan phải đợc xác định theo quy định Phần 10 Tiêu chuẩn 13 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) 2.2 Tải trọng thời (1) Hoạt tải xe (LL) a) Số xe thiết kế Số xe thiết kế đợc xác định phần số nguyên tỷ số w/3500, w bề rộng khoảng trốngcủa lòng đờng hai đá vỉa hai rào chắn, đơn vị mm Cần xét đến khả thay đổi tơng lai vật lý chức bề rộng trống lòng đờng cầu Trong trờng hợp bề rộng xe nhỏ 3500mm số xe thiết kế lấy số giao thông bề rộng xe thiết kế phải lấy bề rộng giao thông Lòng đờng rộng từ 6000mm đến 7200mm phải có xe thiết kế, nửa bề rộng lòng đờng b) Hệ số xe Hệ số không đợc áp dụng cho trạng thái giới hạn mỏi, trờng hợp dùng với xe tải thiết kế, số xe thiết kế Khi dùng hệ số phân phối gần xe đơn (nh Điều 4.6.2.2 4.6.2.3), khác với quy tắc đòn bẩy phơng pháp tĩnh học, ứng lực phải đợc chia cho 1.2 ứng lực cực hạn hoạt tải phải xác định cách xét tổ hợp số chịu tải nhân với hệ số tơng ứng Bảng Bảng - Hệ số m Số chất tải Hệ số (m) 1,20 1,00 0,85 >3 0,65 c) Hoạt tải xe ôtô thiết kế c.1) Tổng quát Hoạt tải xe ôtô mặt cầu hay kết cấu phụ trợ đợc đặt tên HL-93 gồm tổ hợp của: Xe tải thiết kế + Tải trọng thiết kế, Xe trục thiết kế + Tải trọng thiết kế 14 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Bảng 10 Hệ số giá trị D Trạng thái giới hạn TTGH cờng độ Mô tả D cho cấu kiện liên kết không dẻo 1,05 cho thiết kế thông thờng chi tiết theo Tiêu chuẩn = 1,00 cho cấu kiện liên kết có biện pháp tăng thêm tính dẻo quy định vợt yêu cầu Tiêu chuẩn Các TTGH khác 0,95 = 1,00 Bảng 11 Hệ số giá trị R Trạng thái giới hạn TTGH cờng độ Mô tả R cho phận không d 1,05 cho mức d thông thờng = 1,00 cho mức d đặc biệt Các TTGH khác 0,95 = 1,00 Bảng 12 Hệ số giá trị I Trạng thái giới hạn TTGH cờng độ Mô tả cho cầu quan trọng 1,05 cho cầu điển hình = 1,00 cho cầu tơng đối quan trọng Các TTGH khác I 0,95 = 1,00 (2) Hệ số i Hệ số tải trọng cho tải trọng khác bao gồm tổ hợp tải trọng thiết kế đợc lấy nh quy định Bảng 13 Mọi tập hợp thoả đáng tổ hợp tải trọng phải đợc nghiên cứu Có thể nghiên cứu thêm tổ hợp tải trọng khác chủ đầu t yêu cầu ngời thiết kế xét thấy cần thiết Đối với tổ hợp tải trọng, tải trọng đợc đa vào tính toán có liên quan đến cấu kiện đợc thiết kế bao gồm hiệu ứng đáng kể tác dụng xoắn, phải đợc nhân với hệ số tải trọng t- 26 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) ơng ứng với hệ số (Điều 3.6.11.2) áp dụng Kết đợc tổng hợp theo phơng trình 19 nhân với hệ số điều chỉnh tải trọng Các hệ số phải chọn cho gây tổng ứng lực tính toán cực hạn Đối với tổ hợp tải trọng trị số cực hạn âm lẫn trị số cực hạn dơng phải đợc xem xét Trong tổ hợp tải trọng tác dụng tải trọng làm giảm tác dụng tải trọng khác phải lấy giá trị nhỏ tải trọng làm giảm giá trị tải trọng Đối với tác động tải trọng thờng xuyên hệ số tải trọng gây tổ hợp bất lợi phải đợc lựa chọn theo Bảng 14 Khi tải trọng thờng xuyên làm tăng ổn định tăng lực chịu tải cấu kiện toàn cầu trị số tối thiểu hệ số tải trọng tải trọng thờng xuyên phải đợc xem xét Trị số lớn hai trị số quy định cho hệ số tải trọng TU, CR, SH đợc dùng để tính biến dạng, trị số nhỏ dùng cho tác động khác Bảng 13- Tổ hợp hệ số tải trọng i DC LL Tổ hợp tải DD IM trọng DW CE EH BR EV PL Trạng thái ES giới hạn Cùng lúc dùng tải trọng TU WA WS WL FR CR TG SE SH LS eq ct cv EL Cờng độ I p 1,75 1,00 - - 1,00 0,5/1.2 TG SE - - - Cờng độ II p - 1,00 1,40 - 1,00 0,5/1.2 TG SE - - - Cờng độ III p 1,35 1,00 0.4 1,00 1,00 0,5/1.2 TG SE - - - Đặc biệt p 0,50 1,00 - - - - 1,00 1,00 1,00 1.0 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 1,0/1,2 TG SE - - - 0,75 - - - - - - - - Sử dụng Mỏi có LL, IM & CE 1,00 - - - Ghi bảng 4: Khi phải kiểm tra cầu dùng cho xe đặc biệt Chủ đầu t quy định xe có giấy phép thông qua cầu hệ số tải trọng hoạt tải tổ hợp cờng độ I giảm xuống 1.35 27 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải hoạt tải cao (tức cầu nhịp lớn) cần kiểm tra tổ hợp hoạt tải, nhng với hệ số tải trọng 1.50 cho tất kiện chịu tải trọng thờng xuyên Đối với cầu vợt sông trạng thái giới hạn cờng độ trạng thái sử dụng phải xét đến hậu thay đổi móng lũ thiết kế xói cầu Đối với cầu vợt sông, kiểm tra hiệu ứng tải EQ, CT CV trạng thái giới hạn đặc biệt tải trọng nớc (WA) chiều sâu xói dựa lũ trung bình hàng năm Tuy nhiên kết cấu phải đợc kiểm tra về hậu thay đổi lũ, phải kiểm tra xói trạng thái giới hạn đặc biệt với tải trọng nớc tơng ứng (WA) nhng tải trọng EQ, CT CV tác dụng Để kiểm tra chiều rộng vết nứt kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực trạng thái giới hạn sử dụng, giảm hệ số tải trọng hoạt tải xuống 0,8 Để kiểm tra kết cấu thép trạng thái giới hạn sử dụng hệ số tải trọng hoạt tải phải tăng lên 1.30 Bảng 14 - Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thờng xuyên, p Hệ số tải trọng Loại tải trọng Lớn Nhỏ DC: Cấu kiện thiết bị phụ 1,25 0,90 DD: kéo xuống (xét ma sát âm) 1,80 0,45 DW: Lớp phủ mặt cầu tiện ích 1,50 0,65 EH: áp lực ngang đất Chủ động 1,50 0,90 Nghỉ 1,35 0,90 1,00 1,00 EL: Các ứng suất lắp ráp bị hãm EV: áp lực đất thẳng đứng ổn định tổng thể 1,35 N/A Kết cấu tờng chắn 1,35 1,00 Kết cấu vùi cứng 1,30 0,90 Khung cứng 1,35 0,90 Kết cấu vùi mềm khác với cống hộp thép 1,95 0,90 Cống hộp thép mềm 1,50 0,90 ES: Tải trọng đất chất thêm 1,50 0,75 28 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Hệ số tải trọng tính cho gradien nhiệt TG lún SE cần đợc xác định sở đồ án cụ thể riêng Nếu thông tin riêng lấy TG bằng: = 0,0 trạng thái giới hạn cờng độ đặc biệt = 1,0 trạng thái giới hạn sử dụng không xét hoạt tải, = 0,50 trạng thái giới hạn sử dụng xét hoạt tải Sức kháng hệ số sức kháng Sức kháng tính toán sức kháng danh định nhân với hệ số sức kháng Rr = Rn (20) Khi đánh giá ổn định tổng thể mái đất có móng móng cần khảo sát trạng thái giới hạn sử dụng dựa tổ hợp tải trọng sử dụng hệ số sức kháng phù hợp Nếu thông tin tốt hệ số sức kháng lấy nh sau: Khi thông số địa kỹ thuật đợc xác định tốt mái dốc không chống đỡ không chứa cấu kiện 0.75 Khi thông số địa kỹ thuật dựa thông tin cha đầy đủ hay cha xác mái dốc có chứa chống đỡ cấu kiện 0.65 Phải lấy hệ số sức kháng loại kết cấu móng khác theo trạng thái giới hạn cờng độ đợc quy định Bảng 15 đến bảng 17, trừ có sẵn giá trị riêng khu vực Theo trạng thái giới hạn sử dụng lấy hệ số sức kháng 1.0 Bảng 15 - Hệ số sức kháng theo TTGH cờng độ cho móng nông Phơng pháp / Đất / Điều kiện Hệ số sức kháng Cát - Phơng pháp bán thực nghiệm dùng số liệu SPT - Phơng pháp bán thực nghiệm dùng số liệu CPT Khả chịu tải áp lực bị động 0,45 0,55 - Phơng pháp hợp lý dùng f ớc tính từ số liệu SPT, dùng f ớc tính từ số liệu CPT 0,35 0,45 29 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Sét Khả chịu tải áp lực bị động - Phơng pháp bán thực nghiệm dùng số liệu CPT 0,50 - Phơng pháp hợp lý dùng sức kháng cắt đo đợc phòng thí nghiệm dùng sức kháng cắt đo đợc thí nghiệm cắt cánh trờng dùng sức kháng cắt ớc tính từ số liệu CPT 0,60 0,60 0,50 Đá Trợt - Phơng pháp bán thực nghiệm, Carter Kulhawy (1988) 0,60 Thí nghiệm bàn tải trọng 0,55 Bê tông đúc sẵn đặt cát dùng f ớc tính từ số liệu SPT 0,90 dùng f ớc tính từ số liệu 0,90 CPT Bê tông đổ chỗ cát dùng f ớc tính từ số liệu SPT 0,80 dùng f ớc tính từ số liệu CPT 0,80 Trợt đất sét đợc khống chế cờng độ đất sét lực cắt đất sét nhỏ 0.5 lần ứng suất pháp, đợc khống chế ứng suất pháp cờng độ kháng cắt đất sét lớn 0.5 lần ứng suất pháp (xem Hình 1, đợc phát triển cho trờng hợp có 150mm lớp vật liệu hạt đầm chặt dới đáy móng) * Đất sét(Khi sức kháng cắt nhỏ 0.5 lần áp lực pháp tuyến) - dùng sức kháng cắt đo đợc phòng thí nghiệm - dùng sức kháng cắt đo đợc thí nghiệm trờng 0,85 - dùng sức kháng cắt ớc tính từ số liệu CPT 0,80 * Đất sét (Khi sức kháng cắt lớn 0.5 lần áp lực pháp tuyến) T 0,85 Đất đất 0,85 1,0 30 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) ep ổn định chung áp lực đất bị động thành phần sức kháng trợt 0,50 Đánh giá ổn định tổng thể sức kháng dạng phá hoại sâu móng nông đặt gần sờn dốc tính chất đất đá mực nớc ngầm dựa thí nghiệm phòng trờng 0,90 Bảng 16 Các hệ số sức kháng theo trạng thái giới hạn cờng độ địa kỹ thuật cho cọc chịu tải trọng dọc trục Phơng pháp/Đất/Điều kiện Ma sát bề mặt: Sét Phơng pháp (Tomlinson, 1987) Phơng pháp (Esrig & Kirby, 1979 phơng pháp Nordlund dùng cho đất dính) Phơng pháp (Vijayvergiya & Focht,1972) Khả chịu lực cực hạn cọc đơn Phá hoại khối Sức kháng mũi cọc: sét đá Sét (Skempton, 1951) Đá (Hiệp hội địa kỹ thuật Canada, 1985) Hệ số sức kháng 0,70v 0,50v 0,55v 070v 0,50v Ma sát bề mặt chịu lực mũi cọc: Cát Phơng pháp SPT Phơng pháp CPT 0,45v Phân tích phơng trình sóng với sức kháng đóng cọc giả định Thí nghiệm tải trọng 0,65v 0,55v 0,80v Sét 0,65 Phơng pháp Khả chịu lực nhổ cọc đơn Phơng pháp Phơng pháp SPT Phơng pháp CPT Thí nghiệm tải trọng 0,60 0,40 0,45 0,35 0,45 0,80 Khả chịu lực nhổ nhóm cọc Cát Sét 0,55 0,55 Phơng pháp Phơng pháp kiểm tra việc thi công cọc đánh giá khả chịu tải chúng sau đóng cọc vào đất đợc quy định hồ sơ thầu Giá trị V 31 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Các cách thức đóng cọc, thí dụ ENR, phơng trình thiếu đo sóng ứng suất trình đóng cọc 0,80 Đồ thị sức chịu tải xác định từ phân tích phơng trình sóng không đo sóng ứng suất trình đóng cọc 0,85 Đo sóng ứng suất cho 2% đến 5% số cọc, dùng phơng pháp đơn giản để kiểm tra khả chịu tải, thí dụ phân tích đóng cọc 0,90 Đo sóng ứng suất cho 2% đến 5% số cọc, dùng phơng pháp đơn giản để kiểm tra khả chịu tải, thí dụ phân tích thử tải trọng tĩnh để kiểm tra khả chịu tải 1,00 Đo sóng ứng suất cho 2% đến 5% số cọc, dùng phơng pháp đơn giản để kiểm tra khả chịu tải, thí dụ phân tích đóng cọc dùng phân tích CAPWAP để kiểm khả chịu tải 1,00 Đo sóng ứng suất cho 10% đến 70% số cọc, dùng phơng pháp đơn giản để kiểm tra khả chịu tải, thí dụ phân tích đóng cọc 1,00 Bảng 17 - Hệ số sức kháng TTGH cờng độ cho cọc khoan chịu tải trọng dọc trục Hệ số sức kháng Phơng pháp/Đất/Điều kiện Sức kháng thành bên đất sét Phơng pháp Sức kháng mũi cọc đất sét Tổng ứng suất (Reese 1988) 0,65 & (Reese 1988) O Neill 0,55 & O Neill Touma & Reese (1974) Khả chịu lực tới hạn cọc khoan đơn Sức kháng thành bên cát Meyerhof (1976) Quiros & Reese (1977) Xem đề cập Điều 10.8.3.4 Reese & Wright (1977) Reese & O Neill (1988) Touma & Reese (1974) Sức kháng mũi cọc cát Meyrhof (1976) Quiros & Reese (1977) Xem đề cập Điều 10.8.3.4 Reese & Wright (1977) Reese & O Neill (1988) Sức kháng thành bên đá Carter (1988) Horvath (1979) & Kulhawy 0,55 0,65 & Kenney 32 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Sức kháng mũi cọc đá Hiệp hội địa kỹ thuật Canada (1985) Phơng pháp đo áp lực (Hiệp hội địa kỹ thuật Canada, 1985) Sức kháng thành bên sức kháng mũi cọc Phá hoại khối Thí nghiệm tải trọng Sét 0,50 0,80 0,65 Phơng pháp Sét 0,50 0,55 (Reese & O Neill) Cọc loe 0,50 (Reese & O Neill) Khả nâng chịu lực nhổ cọc khoan đơn Touma & Reese (1974) Cát Meyrhof (1976) Xem đề cậptrong Điều 10.8.3.7 Quiros & Reese (1977) Reese & Wright (1977) Reese & ONeill (1988) Đá Khả nâng chịu lực nhổ nhóm cọc Carter & Kulhawy 0,45 Horath & Kenny 0,55 Thí nghiệm tải trọng 0,80 Cát 0,55 Đất sét 0,55 Các trạng thái giới hạn 5.1 Trạng thái giới hạn sử dụng (Service Limit State) Trạng thái giới hạn sử dụng phải xét đến nh biện pháp nhằm hạn chế ứng suất, biến dạng vết nứt dới điều kiện sử dụng bình thờng Trạng thái giới hạn sử dụng: Tổ hợp tải trọng liên quan đến khai thác bình thờng cầu với gió có vận tốc 25m/s với tất tải trọng lấy theo giá trị danh định Dùng để kiểm tra độ võng, bề rộng vết nứt kết cấu bê tông cốt thép bê tông cốt thép dự ứng lực, chảy dẻo kết cấu thép trợt liên kết có nguy trợt tác dụng hoạt tải xe Tổ hợp trọng tải cần đợc dùng để khảo sát ổn định mái dốc Với móng chủ yếu kiểm tra lún đất 5.2 Trạng thái giới hạn mỏi phá hoại giòn (Fatigue and Fracture Limit State) 33 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Trạng thái giới hạn mỏi phải đợc xét đến tính toán nh biện pháp nhằm hạn chế biên độ ứng suất xe tải thiết kế gây với số chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến Trạng thái giới hạn phá hoại giòn phải đ ợc xét đến nh số yêu cầu tính bền vật liệu theo Tiêu chuẩn vật liệu Trạng thái giới hạn mỏi: Tổ hợp tải trọng gây mỏi đứt gẫy liên quan đến hoạt tải xe cộ trùng phục xung kích dới tác dụng xe tải đơn có cự ly trục đợc quy định nh (Điều 3.6.1.4.1) (thờng kiểm tra kết cấu thép) 5.3 Trạng thái giới hạn cờng độ (Strength Limit State) Trạng thái giới hạn cờng độ phải đợc xét đến để đảm bảo cờng độ ổn định cục ổn định tổng thể đợc dự phòng để chịu đợc tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống kê đợc định để cầu chịu đợc phạm vi tuổi thọ thiết kế Trạng thái giới hạn cờng độ I: Tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng cho xe tiêu chuẩn cầu không xét đến gió Trạng thái giới hạn cờng độ II: Tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu chịu gió với vận tốc vợt 25m/s Trạng thái giới hạn cờng độ III: Tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn cầu với gió có vận tốc 25m/s 5.4 Trạng thái giới hạn đặc biệt (Extreme Events Limit State) Trạng thái giới hạn đặc biệt phải đợc xét đến để đảm bảo tồn cầu động đất, lũ lớn bị tầu thuỷ, xe cộ va, điều kiện bị xói lở Trạng thái giới hạn đặc biệt: Tổ hợp tải trọng liên quan đến động đất, lực va tầu thuyền xe cộ, đến số tợng thuỷ lực với hoạt tải chiết giảm khác có phần tải trọng xe va xô, CT Các tải trọng, hệ số tổ hơp tải trọng thiết kế móng theo TTGH 6.1 Các tải trọng, hệ số tổ hợp tải trọng tác dụng lên mố cầu (1) Trọng lợng thân KCPT phận khác (DC1) - Trọng lợng thân KCPT (dầm chủ, dầm ngang, mặt cầu, ) - Trọng lợng thân gờ lan can (2) Trọng lợng lớp phủ lan can (DW) (3) Hoạt tải (LL) tải trọng hành (PL) (nếu có): Tải trọng HL93, sơ đồ xép tải chia thành hai trờng hợp sau: Trờng hợp 1: Xe tải thiết kế (LL)+ tải trọng (9.3 kN/m) Trờng hợp 2: Xe hai trục (LL) + tải trọng (9.3 kN/m) 34 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Chú ý: Không xét đến hệ số xung kích (IM) hệ số phân bố tải trọng (DM) (ở mục 4.6.2) tính toán bệ móng bệ ngạ hoàn toàn đất Tải trọng hành (PL): Tải trọng rải w= kN/m2*Chiều rộng lề hành Hình 10 Sơ đồ xếp hoạt tải thiết kế mố Bảng 18 Các trờng hợp hoạt tải thiết kế mố Tải trọng Xe tải thiết kế Pi Yi (wi) 145 145 Y2 = 145*Y2 35 Y1 = 35*Y1 110 110 Y3 9.3 = 110 = 110*Y3 =B Tổng Tải trọng = 145 =A Tổng Xe hai trục Pi*Yi 0.5*Ls C = 9.3*0.5*Ls Hoạt tải thiết kế HL93+tải trọng Trờng hợp = (A) + C Trờng hợp = (B) + C Tải trọng hành (PL) W = 3*bề rộng hành 0.5*Ls D = w*0.5*Ls 35 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) (4) Lực hãm xe (BR) Nếu gối cầu gối cố định phải tính toán lực hãm xe tác dụng lên mố Lực hãm xe lấy bằng: 25% Tổng trọng lợng trục xe xe tải thiết kế xe hai trục, có nhân với số (n) hệ số (m) (5) Tĩnh tải thân mố (DC2) Có thể chia thành phần nhỏ để dễ tổ hợp tải trọng mặt cắt (Mặt cắt đỉnh bệ mặt cắt đáy bệ) (6) Tải trọng đất đắp thẳng đứng (EV) (7) áp lực ngang đất sau mố (EH) Chú ý áp lực đất thay đổi vị trí mặt cắt Vì phải tính riêng với vị trí (theo chiều cao mặt cắt tính từ mặt đờng trở xuống) (8) áp lực đất hoạt tải chất thêm (LS) (9) áp lực đất động đất (EQ) Bảng 19 - Tổ hợp tải trọng mặt cắt (Mặt cắt đỉnh mặt cắt đáy bệ mố cầu) DC DW LL,IM, PL, LS, BR TTGH cờng độ 1.25 1.5 1.75 1.5 1.35 - TTGH cờng độ 1.25 1.5 1.35 1.5 1.35 - TTGH cờng độ 1.25 1.5 1.5 1.35 - 1 1 - 1.25 1.5 0.5 1.5 1.35 TTGH TTGH sử dụng TTGH đặc biệt EH EV EQ 6.2 Các tải trọng, hệ số tổ hợp tải trọng tác dụng lên trụ cầu (1) Trọng lợng thân KCPT phận khác (DC1) - Trọng lợng thân KCPT (dầm chủ, dầm ngang, mặt cầu, ) - Trọng lợng thân gờ lan can (2) Trọng lợng lớp phủ lan can (DW) (3) Hoạt tải (LL) tải trọng hành (PL) (nếu có): Tải trọng HL93: sơ đồ chất tải nh sau: * Trờng hợp 1: 01 Xe tải thiết kế + tải trọng (9.3kN/m) * Trờng hợp 2: Xe hai trục + tải trọng (9.3kN/m) * Trờng hợp 3: 90%x(2 xe tải thiết kế + tải trọng 9.3kN/m) 36 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Chú ý: Không xét đến hệ số xung kích (IM) hệ số phân bố tải trọng (DM) (ở mục 4.6.2) tính toán bệ móng bệ ngạp hoàn toàn đất Tải trọng hành (PL): Tải trọng rải w= kN/m2*Chiều rộng lề hành Hình 11 Sơ đồ xếp hoạt tải thiết kế trụ cầu Bảng 20 Các trờng hợp hoạt tải thiết kế trụ Tải trọng Xe tải thiết kế Pi Yi (wi) 145 = 145 145 Y2 = 145*Y2 35 Y1 = 35*Y1 =A Tổng Xe hai trục 110 = 110 110 Y3 = 110*Y3 =B Tổng xe tải thiết kế Pi*Yi 145 = 145 145 Y1 = 145*Y1 35 Y2 = 35*Y2 37 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) 35 Y3 = 35*Y3 145 Y4 = 145*Y4 145 Y5 = 145*Y5 =C Tổng Tải trọng 9.3 0.5*Ls ( Ls) D = 9.3*0.5*Ls E = 9.3*Ls Hoạt tảI HL 93 (LL+IM) Trờng hợp = (A)+D Trờng hợp = (B)+D Trờng hợp = 0.9*(C)+0.9*E Tải trọng hành (PL) W = 3*bề rộng hành 0.5*Ls F = w*0.5*Ls (4) Lực hãm xe (BR) Nếu gối cầu gối cố định phải tính toán lực hãm xe tác dụng lên mố Lực hãm xe lấy : 25% Tổng trọng lợng trục xe xe tải thiết kế xe hai trục, có nhân với số hệ số (5) Tĩnh tải thân trụ (DC2) (Chú ý chia thành phần nhỏ để dễ tổ hợp tải trọng mặt cắt (Mặt cắt đỉnh bệ mặt cắt đáy bệ) (6) Tải trọng nớc (WA) 6.1 Lực đẩy 6.2 áp lực dòng chảy * Theo phơng dọc kết cấu phần dới: p=5.14x10-4.Cd.V3 (21) * Theo phơng ngang kết cấu phần dới p=5.14x10-4.CL.V3 (22) (7) Tải trọng gió (WS, WL) (8) Tải trọng va tàu (CV) (9) áp lực đất động đất (EQ) 38 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Bảng 21- Tổ hợp tải trọng mặt cắt (Mặt cắt đỉnh đáy bệ trụ cầu) DC DW LL, BR, PL Cờng độ 1.25 1.5 1.75 - - - - Cờng độ 1.25 1.5 - 1.4 - - - Cờng độ 1.25 1.5 1.35 0.4 1 - - Đặc biệt 1.25 1.5 0.5 - - 1 Sử dụng: 1 1 0.3 1 - - Tải trọng WA WS WL FR EQ CV 6.3 Thiết kế móng theo TTGH (1) Thiết kế móng theo TTGH cờng độ Móng phải đợc thiết kế mặt kích thớc cho sức kháng tính toán không nhỏ tác động tải trọng tính toán xác định Phần a) Móng nông xem xét vấn đề sau: Sức chịu tải thông thờng Lật hay tiếp xúc mức Trợt đáy móng b) Móng cọc cọc khoan nhồi xem xét vấn đề sau: Sức chịu nén dọc trục cọc đơn Sức chịu nén nhóm cọc Sức chịu nhổ cọc đơn Sức chịu nhổ nhóm cọc Khả chọc thủng cọc vào lớp đất yếu phía dới đáy móng Sức chịu tải ngang cọc đơn nhóm cọc (2) Thiết kế móng theo TTGH sử dụng Lún, Chuyển vị ngang (do đất đắp phía sau mố) ổn định tổng thể (trợt sâu móng đặt mái dốc) Xói với lũ thiết kế 39 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Xem xét lún phải dựa độ tin cậy tính kinh tế Các tiêu chuẩn chuyển vị thẳng đứng ngang móng phải đợc phát triển phù hợp với chức loại kết cấu, tuổi thọ phục vụ dự kiến, hậu chuyển vị không cho phép khả làm việc kết cấu Các tiêu chuẩn chuyển vị chấp nhận đợc phải đợc thiết lập phơng pháp thực nghiệm hay phân tích kết cấu, hai Độ lún gây tải trọng đắp sau mố cầu phải đợc nghiên cứu Trong vùng có động đất, phải xem xét khả lún móng cát rung gây động đất Chuyển vị ngang móng phải nhỏ chuyển vị ngang cho phép 38mm (3) Thiết kế móng theo TTGH đặc biệt theo quy định 40 ... Xe tải thiết kế + Tải trọng thiết kế, Xe trục thiết kế + Tải trọng thiết kế 14 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Trừ trờng hợp đợc điều chỉnh (Điều 3.6.1.3.1), thiết. .. định theo quy định Phần 10 Tiêu chuẩn 13 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) 2.2 Tải trọng thời (1) Hoạt tải xe (LL) a) Số xe thiết kế Số xe thiết kế đợc xác định phần số. .. n có tải/ mớ n không tải Mớn có tải/ mớn không tải Hình - Lực va sà lan lên trụ 24 TRiết lý thiết kế theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng (LRFD) Hệ số tải trọng tổ hợp tải trọng Tổng ứng lực tính