Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương 4: Tải trọng, hệ số tải trọng và các TTGH cung cấp cho người học các kiến thức: Tải trọng, các trạng thái giới hạn (TTGH) quy định trong tiêu chuẩn thiết kế cầu 22tcn‐272‐05, xác định hoạt tải xe,... Mời các bạn cùng tham khảo.
11/9/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ mơn Cầu Cơng trình ngầm Website: http://www.nuce.edu.vn Website: http://bomoncau.tk/ THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU 1 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: http://47XDCT‐GTVT.TK/ Hà Nội, 10‐2012 CHƯƠNG IV Tải trọng, hệ số tải trọng TTGH 180 11/9/2012 4.1. Tải trọng Tải trọng chia ra làm hai nhóm: (1) Tải trọng thường xuyên (2) Tải trọng thời Tải trọng thường xuyên DD Tải trọng kéo xuống (hiện tượng ma sát âm) Down Drag DC Tải trọng thân phận kết cấu Dead load of structural Components thiết bị phụ phi kết cấu and nonstructural attachments DW Tải trọng thân lớp phủ mặt cầu tiện ích cơng cộng EH Tải trọng áp lực đất nằm ngang EL Dead load of Wearing surfaces and utilities Horizontal Earth pressure load Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do phương pháp thi cơng ES Tải trọng đất chất thêm EV Áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp accumulated Locked‐in Effects resulting from the construction process Earth Surcharge load Vertical pressure from dead load of Earth fill 181 Tải trọng (t.theo) Tải trọng thời BR CE CR CT CV EQ FR IM LL LS PL SE SH TG TU WA WL WS Lực hãm xe Lực ly tâm Từ biến Lực va xe Lực va tàu Động đất Ma sát Lực xung kích Hoạt tải xe Hoạt tải chất thêm Hoạt tải người đi Lún Co ngót Gradien nhiệt Nhiệt độ đều Tải trọng nước và áp lực dịng chảy Tải trọng gió trên hoạt tải Tải trọng gió trên kết cấu vehicular BRaking force vehicular CEntrifugal force CReep vehicular (Truck ?) Collision force Vessel Collision force EarthQuake FRiction vehicular dynamic load allowance (IMpact ?) vehicular Live Load Live load Surcharge Pedestrian live Load SEttlement SHrinkage Temperature Gradient Uniform Temperature WAtter load and stream pressure Wind on live Load Wind load on Structure 182 11/9/2012 4.2. Các Trạng Thái Giới Hạn (TTGH) quy định Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272‐05 TTGH CƯỜNG ĐỘ I Là tổ hợp tải trọng để tính với tải trọng khai thác cầu có xe khơng có gió TTGH CƯỜNG ĐỘ II Là tổ hợp tải trọng để tính cầu chịu gió V>25m/s, cầu khong có xe TTGH CƯỜNG ĐỘ III Là tổ hợp để tính với trường hợp xe chạy bình thường cầu chịu gió V tổng trọng lượng xe 325 KN ‐ Trừ quy định Điều 3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1, cự ly 2 trục 145 KN phải thay đổi 4300 và 9000 mm để gây ứng lực lớn 4300mm ‐ 4300mm tới 9000mm Xe 3 trục (145+145+35) =325 kN Cự ly chiều ngang bánh xe lấy 1800 mm 190 11/9/2012 Xác định hoạt tải xe (t.theo) Xe 2 trục thiết kế ‐ Xe 2 trục gồm 1 cặp trục 110KN => tổng trọng lượng = 220KN (2 trục cách 1200mm) ‐ Cự ly chiều ngang bánh xe lấy 1800mm 110KN 110KN 1.2m Tải trọng thiết kế ‐ Tải trọng thiết kế gồm tải trọng 9.3N/mm phân bố theo chiều dọc ‐ Chiều ngang cầu giả thiết phân bố chiều rộng 3000mm ‐ Ứng lực tải trọng thiết kế khơng xét tới lực xung kích 9.3N/mm 191 Xác định hoạt tải xe (t.theo) Trừ có quy định khác, ứng lực lớn phải lấy theo giá trị lớn trường hợp sau: Xe tải thiết kế + Tải trọng thiết kế Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng thiết kế 145KN 145KN 110KN 110KN 4.3 tới 9 m 1.2m 35KN 4.3 m 9.3 KN/m 9.3 KN/m 192 11/9/2012 Xác định hoạt tải xe (t.theo) Hoạt tải thiết kế HL‐93 (3.6.1.3.1) Xe 3 trục (Truck) + Tải trọng Xe 2 trục (Tandem) + Tải trọng Khi tính mơ men âm phản lực gối giữa, lấy 90% hiệu ứng tải trọng hình ≥ 193 Xác định hoạt tải xe (t.theo) Hoạt tải Xe (LL) Live Load Xe tải thiết kế (Design Truck) Xe trục thiết kế (Design Tandem) Người (PL) Pedestrian Load Tải trọng (Lane Load) Tải phân bố Xe 3 trục Xe 2 trục Tải phân bố đều 3 kN/m2: có xe (145+145+35) (110+110) 9.3 kN/m 4 kN/m2: ko có xe =325 kN =220 kN Các tải trọng xe được bố trí trong chiều rộng 3m theo phương ngang cầu để có hiệu ứng bất lợi nhất (3.6.1.3.1). Tuy nhiên, theo Lecture 7 của NHI, hai làn xe Truck được xếp cách nhau 3600mm, tim đến tim! 194 11/9/2012 4.6. Xác định tải trọng thời khác 4.6.1. Tải trọng hành (PL) ‐ Đối với tất đường hành rộng 600mm phải lấy tải trọng người 3x10‐3 MPa phải tính đồng thời hoạt tải xe thiết kế ‐ Đối với cầu dùng cho người và/hoặc xe đạp, phải thiết kế với hoạt tải 4x10‐3 MPa ‐ Khơng xét lực xung kích tải trọng hành 195 4.6.2. Lực xung kích (IM) Trừ trường hợp với cấu kiện vùi, tác động tĩnh học Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế (không kể lực ly tâm lực hãm) phải tăng thêm tỷ lệ phần trăm quy định Bảng 3.6.2.1.‐1 cho lực xung kích Lực xung kích khơng áp dụng cho Tải trọng hành Tải trọng thiết kế 196 11/9/2012 Lực xung kích (t.theo) Khơng cần xét lực xung kích đối với: ‐ Tường chắn khơng chịu phản lực thẳng đứng từ kết cấu phần ‐ Thành phần móng nằm hồn tồn mặt đất Đối với cống cấu kiện vùi đất, lực xung kích (tính %) phải lấy sau: IM = 33(1 ‐ 4.1*10‐4DE) ≥ 0% đó, DE = chiều dày tối thiểu lớp đất phủ phía kết cấu (mm) => Hệ số áp dụng cho tải trọng tĩnh lấy bằng: (1 + IM/100) 197 4.6.3. Lực ly tâm (CE) ‐ Lực ly tâm lấy tích số Trọng lượng trục của: Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế với hệ số C ‐ Hệ số C được lấy bằng: C v2 gR đó: ‐ v = vận tốc thiết kế đường ô tô (m/s) ‐ g = gia tốc trọng lực 9,807 (m/s2) ‐ R = bán kính cong xe (m) ‐ Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía mặt đường 1.8 m 198 10 11/9/2012 Lực ly tâm (t.theo) ‐ Phải áp dụng hệ số xe quy định điều 3.6.1.1.2 ‐ Tốc độ thiết kế đường ô tô không lấy nhỏ trị số quy định Tiêu chuẩn thiết kế đường ‐ Tải trọng thiết kế bỏ qua trong tính tốn lực ly tâm cự ly xe có tốc độ cao coi lớn dẫn đến mật độ xe phía trước sau xe tải thiết kế thấp 199 4.6.4. Lực hãm (BR) ‐ Lực hãm lấy 25% tổng trọng lượng trục của: Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế ‐ Các xe giả thiết chiều ‐ Các lực hãm coi tác dụng theo phương dọc cầu cách phía mặt đường 1.8m ‐ Các lực hãm phải tính cho 2 chiều theo phương dọc cầu để gây ứng lực lớn ‐ Phải áp dụng hệ số quy định Điều 3.6.1.1.2 ‐ Chỉ có Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế xét tính lực hãm xe khác đại diện Tải trọng thiết kế mong đợi hãm pha 200 11 11/9/2012 4.6.5. Lực va xe (CT) ‐ Khơng cần tính lực va xe cơng trình bảo vệ bởi: ‐ Nền đắp, hoặc ‐ Kết cấu rào chắn độc lập cao 1370mm chịu va đập, chôn đất đặt phạm vi cách phận cần bảo vệ 3000mm, hoặc ‐ Rào chắn cao 1070mm đặt cách phận cần bảo vệ 3000mm ‐ Tất mố trụ (không thỏa mãn điều kiện bảo vệ nói trên) đặt phạm vi cách mép lòng đường 9m hay trong phạm vi 15m đến tim đường sắt phải thiết kế cho lực tĩnh tương đương 1800KN tác dụng ở bất kỳ hướng mặt phẳng nằm ngang cách mặt đất 1.2m 201 4.6.6. Tải trọng nước (WA) Áp lực dòng chảy theo chiều dọc ‐ Tác dụng theo chiều dọc kết cấu phần dưới: p = 5.14 x 10‐4 CD V2 đó: p = áp lực dịng chảy (Mpa) CD = hệ số cản trụ lấy theo bảng 3.7.3.1‐1 V = vận tốc nước thiết kế tính theo lũ thiết kế cho xói ở TTGH cường độ sử dụng; tính theo lũ kiểm tra xói tính theo TTGH đặc biệt 202 12 11/9/2012 Áp lực dòng chảy theo chiều ngang ‐ Phân bố kết cấu phần do dòng chảy lệch với chiều dọc trụ góc θ lấy bằng: p = 5.14 x 10‐4 CL V2 đó: p = áp lực dịng chảy theo chiều ngang (Mpa) CL = hệ số cản trụ lấy theo bảng 3.7.3.2‐1 203 4.7. Triết lý thiết kế theo TTGH Trạng thái giới hạn (TTGH) là gì? TTGH là trạng thái mà ở đó cơng trình bị phá hoại khơng thể thỏa mãn yêu cầu sử dụng bình thường (như bị võng mức rung động lớn…) TTGH là trạng thái mà cơng trình cầu phận ngừng đáp ứng nhiệm vụ thiết kế Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05) “Cầu phải thiết kế theo TTGH quy định để đạt mục tiêu thi cơng, an tồn sử dụng được, có xét đến khả dễ kiểm tra, tính kinh tế mỹ quan.” i i Q i R n HiÖu øng tải trọng Sức kháng 204 13 11/9/2012 Trit lý thiết kế theo TTGH (t.theo) i i Q i R n ηi – hệ số điều chỉnh tải trọng γi – hệ số tải trọng, là số nhân dựa thống kê dùng cho hiệu ứng lực Qi – hiệu ứng tải trọng φ – hệ số sức kháng, là số nhân dùng cho sức kháng danh nghĩa Rn – Sức kháng danh nghĩa ‐ Đối với tải trọng dùng hệ số tải trọng γi max hệ số điều chỉnh: ηi = ηD ηR ηI ≥ 0.95 ‐ Đối với tải trọng dùng hệ số tải trọng γi min hệ số điều chỉnh: ηi = 1/(ηD ηR ηI) ≤ 1 Trong đó: +ηD liên quan đến độ dẻo (ηD ≥ 1.05 cho cấu kiện liên kết không dẻo;ηD = 1 cho thiết kế thơng thường; ηD ≥ 0.95 cho cấu kiện có dùng biện pháp tăng tính dẻo) +ηR liên quan đến độ dư thừa (ηR ≥ 1.05 cho cấu kiện không dư thừa; ηR = 1 cho mức dư thông thường;ηD ≥ 0.95 cho mức dư đặc biệt) +ηI liên quan đến độ quan trọng (ηI ≥ 1.05 cho cầu quan trọng; ηI = 1 cho cầu điển hình; ηI ≥ 0.95 cho tương đối quan trọng) 205 Triết lý thiết kế theo TTGH (t.theo) ‐ Tiêu chuẩn 22‐TCN 272‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 2005 dựa Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998. => Phương pháp tính theo TTGH trong 22TCN‐272‐05 được gọi phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng sức kháng (Load and Resistance Factor Design – LRFD) ‐ Ưu điểm phương pháp LRFD: Đã xét đến khác tải trọng sức kháng; Đạt mức độ an toàn tương đối đồng cấu kiện khác nhau, các TTGH khác loại cầu khác ‐ Nhược điểm phương pháp LRFD: Yêu cầu hiểu biết lý thuyết xác suất thống kê; Yêu cầu có số liệu thống kê đầy đủ thuật toán thiết kế xác suất để chỉnh lý hệ số sức kháng trường hợp riêng 206 14 11/9/2012 4.8. Tổ hợp nội lực Xét dầm chủ có hệ số phân phối ngang gLL ‐ Nội lực tính toán do tĩnh tải DC và DW: QDC DC DC. DC QDW DW DW. DW ‐ Nội lực tính tốn do hoạt tải HL93: QHL 93 Truck LL m.g LL 1 IM Pi yi 9.3. LL max Tandem yi 9.3. LL LL m.g LL 1 IM Pi đó: ‐ ω = diện tích đường ảnh hưởng nội lực ‐ m = hệ số xe ‐ P = trọng lượng trục xe ‐ y = tung độ đường ảnh hưởng nội lực vị trí lực P 207 4.9. Ví dụ tính tốn Đề bài: Cho kết cấu nhịp dầm đơn giản (1 dầm chủ, 1 làn xe) như hình vẽ. ‐ Chiều dài nhịp tính tốn Ltt = 32m ‐ Trọng lượng dầm chủ 14 KN/m ‐ Trọng lượng lớp phủ mặt cầu 5KN/m ‐ Hoạt tải tác dụng: HL93 ‐ Giả thiết hệ số điều chỉnh tải trọng η = 1.05 u cầu: Xác định mơmen tính tốn ½ nhịp theo TTGH cường độ I Ltt = 32 m 208 15 11/9/2012 Ltt = 32 m wDC = 14 KN/m wDW = 5 KN/m đ.a.h (M) Diện tích đ.a.h: A = 128 m2 Ltt / 4 = 8 m MDC = γDC*η*(wDC*A) = 1.25*1.05*(14*128) = 2352 KN.m MDW = γDW*η*(wDW*A) = 1.5*1.05*(5*128) = 1008 KN.m 209 Ltt = 32 m 9.3 KN/m 35KN 145KN 145KN đ.a.h (M) 5.85 m Diện tích đ.a.h: A = 128 m2 5.85 m 8 m MLL1 = γLL*η*m*(1+IM)*Σ(Pi*Yi) + γLL*η*m*(9.3*A) MLL1 = 1.75*1.05*1.2*(1+0.25)*(35*5.85+145*8+145*5.85)+ +1.75*1.05*1.2*(9.3*128) MLL1 = 6099.6 + 2624.8 = 8724.4 KN.m 210 16 11/9/2012 Ltt = 32 m 9.3 KN/m 110KN 110KN đ.a.h (M) 7.4 m Diện tích đ.a.h: A = 128 m2 8 m MLL2 = γLL*η*m*(1+IM)*Σ(Pi*Yi) + γLL*η*m*(9.3*A) MLL2 = 1.75*1.05*1.2*(1+0.25)*(110*8+110*7.4)+ +1.75*1.05*1.2*(9.3*128) MLL2 = 4669.1 + 2624.8 = 7293.9 KN.m 211 Ví dụ tính tốn (t.theo) Mơmen tính tốn cho TTGH cường độ I: Mtt = MDC + MDW + max(MLL1 ; MLL2) Mtt = 2352 + 1008 + 8724.4 Mtt = 12084.4 KN.m 212 17 ... mặt cầu đặt tên HL‐93 sẽ gồm tổ hợp của: ‐ Xe tải thiết kế + Tải trọng thiết kế, hoặc ‐ Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng thiết kế 189 Xác định hoạt tải xe (t.theo) Xe tải thiết kế ‐ Xe tải thiết kế. .. giá trị lớn trường hợp sau: Xe tải thiết kế + Tải trọng thiết kế Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng thiết kế 145 KN 145 KN 110KN 110KN 4. 3 tới 9 m 1.2m 35KN 4. 3 m 9.3 KN/m 9.3 KN/m 192 11/9/2012... tải thiết kế thấp 199 4. 6 .4. Lực hãm (BR) ‐ Lực hãm lấy 25% tổng trọng lượng trục của: Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế ‐ Các xe giả thiết chiều ‐ Các lực hãm coi tác dụng theo phương dọc cầu