Nhập môn cầu - Nguyên lý thiết kế và tính toán cầu theo TTGH

11/5/2013 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Website:  Bộmôn Cầu và Công trình ngầm Website:  NHẬP MÔN CẦU TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học:  Link dự phòng:  https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐ vietnamese/nhap‐mon‐cau Hà Nội, 10‐2013 125 2.3. Nguyên lý T.kế và tính toán cầu theo TTGH • 2.3‐1. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 – Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05): “Cầu phải được thiết kế theo các TTGH quy định để đạt được các mục tiêu thi công được, an  toàn và sử dụng được, có xét đến khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế và mỹ quan.” – Kết cấu được thiết kế phải thỏa mãn tất cả các TTGH xét cả về tổng thể lẫn cục bộ. – Nguyên lý đảm bảo an toàn trong thiết kế theo bất kỳ phương pháp nào đều là: hiệu ứng của tải trọng phải nhỏ hơn sức kháng của kết cấu. Hiệu ứng của tải trọng ≤ Sức kháng 11/5/2013 2 126 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 2005 dựa trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 (Mỹ).  – Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 sử dụng triết lý thiết kế như sau: • Chú ý rằng hai vế của bất đẳng thức trên phải được xem xét trong cùng một điều kiện hay nói cách khác, giá trị của 2 vế bất đẳng thức phải được xem xét trong cùng một TTGH • Để tính tới sự biến động ở cả 2 vế của bất đẳng thức trên, phía sức kháng được nhân với hệ số sức kháng φ (thường < 1) và phía trải trọng nhân với hệ số tải trọng γ (thường > 1). i i nQ R   Hiệu ứng của tải trọng ≤ Sức kháng tính toán 127 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Vế trái: hiệu ứng tải trọng ở một trạng thái giới hạn cụ thể là tổ hợp của nhiều loại tải trọng (Qi) với các mức độ tác dụng khác nhau được dự đoán trước. Do vậy hiệu ứng của tải trọng được biểu thị là tổng của các giá trị γiQi • Vế phải: Rn là sức kháng danh định. Tích số φRn được gọi là sức kháng tính toán.  • Bất đẳng thức trên bao gồm cả hệ số tải trọng γ và hệ số sức kháng φ nên phương pháp thiết kế được gọi là “Phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng”.  Tên tiếng anh: Load and Resistance Factor Design (LRFD). i i nQ R   11/5/2013 3 128 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Hệ số tải trọng γi của mỗi loại tải trọng cần phải tính đến sự không chắc chắn về: – Độ lớn của tải trọng; – Vị trí của tải trọng; – Các tổ hợp tải trọng có thể xảy ra. • Hệ số sức kháng φ ở một trạng thái giới hạn cần phải tính đến sự không chắc chắn về:  – Tính chất của vật liệu; – Các biểu thức xác định cường độ; – Tay nghề công nhân; – Kiểm soát chất lượng công trình; – Ảnh hưởng của các hư hỏng hay khuyết tật của kết cấu i i nQ R   129 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Trong việc lựa chọn hệ số tải trọng và sức kháng cho cầu, lý thuyết độ tin cậy đã được áp dụng cho các dữ liệu về cường độ của vật liệu và đồng thời áp dụng phương pháp thống kê về trọng lượng vật liệu cũng như tải trọng xe. i i nQ R   11/5/2013 4 130  Ưu điểm của phương pháp LRFD:   Xét đến sự khác nhau của cả tải trọng và sức kháng;   Đạt được mức độ an toàn tương đối đồng đều giữa các cấu kiện khác nhau, các TTGH khác nhau và các loại cầu khác nhau.  Nhược điểm của phương pháp LRFD:   Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê;   Yêu cầu có các số liệu thống kê đầy đủ và các thuật toán thiết kế xác suất để có thể chỉnh lý hệ số sức kháng trong từng trường hợp riêng. Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 131 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐2. Các trạng thái giới hạn (TTGH) – Định nghĩa TTGH: • Trạng thái giới hạn là trạng thái mà tại đó công trình hoặc các bộ phận của nó ngừng đáp ứng các nhiệm vụ đã được thiết kế. – Chú ý, khi thiết kế theo TTGH thì mọi TTGH đều được xem là quan trọng như nhau. – Thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 là phải thỏa mãn tất cả các TTGH, xét cả về tổng thể lẫn cục bộ và được thể hiện bằng biểu thức sau: i i i nQ R    Hiệu ứng tính toán của tải trọng ≤ Sức kháng tính toán 11/5/2013 5 132 ηi – hệ số điều chỉnh tải trọng γi – hệ số tải trọng, là số nhân dựa trên 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 định Rn – Sức kháng danh định • Đối với các TTGH cường độmà các tải trọng sử dụng hệ số tải trọng γi max thì hệ số điều chỉnh tải trọng là: ηi = ηD ηR ηI ≥ 0.95 Trong đó:  + ηD liên quan đến độ dẻo (ηD ≥ 1.05 cho các cấu kiện và liên kết không dẻo;ηD = 1 cho các thiết kế thông thường; ηD ≥ 0.95 cho các cấu kiện có dùng biện pháp tăng tính dẻo) – điều 1.3.3. + ηR liên quan đến độ dư thừa (ηR ≥ 1.05 cho các cấu kiện không dư thừa; ηR = 1 cho các mức dư thông thường;ηD ≥ 0.95 cho các mức dư đặc biệt) – điều 1.3.4. + ηI liên quan đến độ quan trọng (ηI ≥ 1.05 cho các cầu quan trọng; ηI = 1 cho các cầu điển hình; ηI ≥ 0.95 cho các cầu ít quan trọng) – điều 1.3.5. .i i i nQ R   Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 133 ηi – hệ số điều chỉnh tải trọng γi – hệ số tải trọng, là số nhân dựa trên 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 định Rn – Sức kháng danh định • Đối với các TTGH cường độmà các tải trọng sử dụng hệ số tải trọng γi min thì hệ số điều chỉnh tải trọng là: • Đối với các TTGH không phải là TTGH cường độ thì các hệ số : ηD = ηR = ηI = 1 .i i i nQ R   Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 1 1i D R I      11/5/2013 6 134 TTGH CƯỜNG ĐỘ I Là tổ hợp tải trọng cơ bản để tính với tải trọng khai thác khi trên cầu có xe và không có gió TTGH CƯỜNG ĐỘ II Là tổ hợp tải trọng để tính cầu chịu gió V>25m/s, trên cầu không có xe TTGH CƯỜNG ĐỘ III Là tổ hợp để tính với trường hợp xe chạy bình thường khi cầu chịu gió V<25m/s TTGH SỬ DỤNG Giới hạn đối với ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường TTGH MỎI VÀ ĐỨT GÃY DO MỎI Nhằm hạn chế sự phát triển vết nứt, gãy do tải trọng khai thác gây biến đổi ứng suất (mỏi) TTGH ĐẶC BIỆT Nhằm đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau biến cố (động đất, va tàu) mặc dù cầu có thể bị hỏng Các TTGH quy định trong 22TCN‐272‐05 135 (1) Tải trọng thường xuyên DC Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấuvà thiết bị phụ phi kết cấu Dead load of structural Components  and nonstructural attachments DW Tải trọng bản thân của lớp phủmặt cầu vàcác tiện ích công cộng Dead load of Wearing surfaces and  utilities DD Tải trọng kéo xuống (hiện tượng ma sát âm) Down Drag EH Tải trọng áp lực đất nằm ngang Horizontal Earth pressure load EL Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do phương 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 do tự trọng đất đắp Vertical pressure from dead load of Earth fill Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 2.3‐3. Các tải trọng (được chia ra làm hai nhóm) (1) Tải trọng thường xuyên và (2) Tải trọng nhất thời. 11/5/2013 7 136 (2) Tải trọng nhất thời BR Lực hãm xe vehicular BRaking force CE Lực ly tâm vehicular CEntrifugal force CR Từ biến CReep CT Lực va xe vehicular (Truck ?) Collision force CV Lực va tàu Vessel Collision force EQ Động đất EarthQuake FR Ma sát FRiction IM Lực xung kích vehicular dynamic load allowance (IMpact ?) LL Hoạt tải xe vehicular Live Load LS Hoạt tải chất thêm Live load Surcharge PL Hoạt tải người đi Pedestrian live Load SE Lún SEttlement SH Co ngót SHrinkage TG Gradien nhiệt Temperature Gradient TU Nhiệt độ đều Uniform Temperature WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy WAtter load and stream pressure WL Tải trọng gió trên hoạt tải Wind on live Load WS Tải trọng gió trên kết cấu Wind load on Structure Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 137 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐4. Hệ số tải trọng cho các TTGH – Trong mỗi TTGH, hệ số tải trọng cho các tải trọng khác nhau được lấy như quy định trong bảng 3.4.1‐1 – Các hệ số phải chọn sao cho gây ra tổng ứng lực tính toán cực hạn. Đối với mỗi tổ hợp tải trọng, cả trị số cực hạn âm lẫn trị số cực hạn dương đều phải được xem xét. 11/5/2013 8 138 Bảng 3.4.1‐1‐ Tổ hợp và hệ số tải trọng Tổ hợp tải trọng Trạng thái giới hạn DC DD DW EH EV ES LL IM CE BR PL LS EL WA WS WL FR TU CR SH TG SE Cùng một lúc chỉ dùng một trong các tải trọng EQ CT CV Cường độ I p 1,75 1,00 ‐ ‐ 1,00 0,5/1.20 TG SE ‐ ‐ ‐ Cường độ II  p 1,35 1,00 1,40 ‐ 1,00 0,5/1.20 TG SE ‐ ‐ ‐ Cường độ III  p ‐ 1,00 1,40 ‐ 1,00 0,5/1.20 TG SE ‐ ‐ ‐ Đặc biệt  p 0,50 1,00 ‐ ‐ 1,00 ‐ ‐ ‐ 1,00 1,00 1,00 Sử dụng 1.0 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 1,0/1,20 TG SE ‐ ‐ ‐ Mỏi chỉ có LL,  IM & CE ‐ 0,75 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Ghi chú: AASHTO LRFD (1998) có tổng cộng 11 tổ hợp tải trọng. Để xét tới các điều kiện tại Việt Nam, 5 tổ hợp tải trọng được lược bỏ và do đó, tổng số các tổ hợp tải trọng cần xét đến giảm xuống còn 6 tổ hợp như trong bảng 3.4.3‐1. 139 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Hệ số tải trọng tính cho gradien nhiệt TG và lún SE cần được xác định tùy thuộc vào từng đồ án cụ thể. Nếu không có thông tin riêng có thể lấy như sau: = 0 với các trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt; = 1 với TTGH sử dụng khi không xét hoạt tải; và = 0.5 với TTGH sử dụng khi xét hoạt tải. 11/5/2013 9 140 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Đối với các tác động của tải trọng thường xuyên thì hệ số tải trọng gây ra tổ hợp bất lợi hơn phải được lựa chọn theo bảng 3.4.1‐2 141 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐5. Cách xác định các tĩnh tải – Các tĩnh tải DC, DW và EV nếu không đủ số liệu chính xác thì có thể lấy tỷ trọng như Bảng 3.5.1‐1 để tính tĩnh tải. 11/5/2013 10 142 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Các tải trọng đất EH, ES, DD được xác định theo điều 3.11  trong Tiêu chuẩn cầu 22 TCN‐272‐05. • 2.3‐6. Cách xác định tác động của hoạt tải – Xác định số làn xe trong đó: Bxe = bề rộng đường xe chạy, mm (bằng khoảng cách giữa hai mép đá vỉa tính bằng mm). 3500 xeBn nguyên     Bxe 143 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Hệ số làn xe m (phụ thuộc vào số làn xe) được quy định trong bảng 3.6.1.1.2.1 – Hoạt tải HL93 gồm 2 tổ hợp sau:  • (TH1): Xe 3 trục thiết kế +   Tải trọng làn thiết kế hoặc • (TH2):   Xe 2 trục thiết kế +   Tải trọng làn thiết kế 11/5/2013 11 144 ‐ Xe tải thiết kế gồm có 1  trục trước (35KN) và 2 trục sau (145KN) => tổng trọng lượng xe là 325 KN ‐ Trừ quy định trong Điều 3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1, cự ly giữa 2 trục 145 KN phải thay đổi giữa 4300 và 9000 mm để gây ra ứng lực lớn nhất ‐ Cự ly chiều ngang của các bánh xe lấy bằng 1800 mm Xe 3 trục thiết kế (hoặc gọi là xe tải thiết kế) Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 4300mm tới 9000mm4300mm 145 Xe 2 trục thiết kế ‐ Xe 2 trục gồm 1 cặp trục 110KN => tổng trọng lượng = 220KN (2 trục cách nhau 1200mm) ‐ Cự ly chiều ngang của các bánh xe lấy bằng 1800mm 110KN    110KN 1.2m Tải trọng làn thiết kế ‐ Tải trọng làn thiết kế gồm tải trọng 9.3N/mm  phân bố đều theo chiều dọc ‐ Chiều ngang cầu được giả thiết phân bố đều trên chiều rộng 3000mm ‐ Ứng lực của tải trọng làn thiết kế không xét tới lực xung kích 9.3N/mm Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 11/5/2013 12 146 Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế 110KN    110KN 1.2m 9.3 KN/m Xe 3 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế 145KN      145KN 4.3 m 9.3 KN/m 4.3  tới35KN 9 m Trừ khi có quy định khác, ứng lực lớn nhất phải được lấy theo giá trị lớn hơn của 2 trường hợp sau: Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 147 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Xe 3 trục (Truck) +   Tải trọng làn Xe 2 trục (Tandem) +  Tải trọng làn Khi tính mô men âm và phản lực gối giữa, lấy 90% hiệu ứng của các tải trọng trên hình ≥ Hoạt tải thiết kế HL‐93 (3.6.1.3.1) 11/5/2013 13 148 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Tải trọng làn thiết kế không nhất thiết phải liên tục để có thể gây hiệu ứng bất lợi nhất cho kết cấu 149 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Xếp tải để tính mô men âm trên đỉnh trụ cầu dầm liên tục 11/5/2013 14 150 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐7. Xác định tác động một số tải trọng nhất thời khác – (1) Tác động xung kích (IM) • Trừ trường hợp với các cấu kiện vùi, tác động tĩnh học của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục thiết kế (không kể lực ly tâm và lực hãm) phải được tăng thêm một tỷ lệ phần trăm được quy định trong Bảng 3.6.2.1.‐1 cho lực xung kích. • Lực xung kích không áp dụng cho Tải trọng bộ hành hoặc Tải trọng làn thiết kế. 151 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Không cần xét lực xung kích đối với: – Tường chắn không chịu phản lực thẳng đứng từ kết cấu phần trên; và – Thành phần móng nằm hoàn toàn dưới mặt đất. • Đối với cống và các cấu kiện vùi trong đất, lực xung kích (tính bằng %) phải lấy như sau: IM = 33(1 ‐ 4.1 × 10‐4 × DE) ≥ 0% trong đó: DE = chiều dày tối thiểu của lớp đất phủ phía trên kết cấu (mm). • Hệ số xung kích áp dụng cho hoạt tải được lấy bằng:  (1 + IM/100) 11/5/2013 15 152 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (2) Tải trọng bộ hành (PL) • Đối với tất cả đường bộ hành có bề rộng Bbh ≥ 600mm thì phải lấy tải trọng người đi bộ bằng 3x10‐3 MPa và phải tính đồng thời cùng hoạt tải xe thiết kế. • Đối với cầu chỉ dùng cho người đi bộ và/hoặc đi xe đạp,  phải thiết kế với hoạt tải bằng 4x10‐3 MPa. • Không xét lực xung kích đối với tải trọng bộ hành ≥ 600mm 153 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Các tải trọng làn xe được bố trí trong chiều rộng 3m theo phương ngang cầu để có hiệu ứng bất lợi nhất (3.6.1.3.1). Hoạt tải Xe (LL) Live Load Xe tải thiết kế (Design Truck) Xe 2 trục thiết kế (Design Tandem) Tải trọng làn (Lane Load) Người đi bộ (PL) Pedestrian Load Tải phân bố đều Xe 3 trục (145+145+35) =325 kN Xe 2 trục (110+110) =220 kN Tải phân bố đều 9.3 kN/m 3 kN/m2: có xe 4 kN/m2: ko có xe 11/5/2013 16 154 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (3) Lực ly tâm (CE) • Lực ly tâm được lấy bằng tích số của: hệ số C với trọng lượng các trục của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục. trong đó: • Hệ số C được lấy bằng: • v = vận tốc thiết kế đường ô tô (m/s) • g = gia tốc trọng lực 9,807 (m/s2) • R = bán kính cong của làn xe (m) 24 3 vC gR  155 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên  mặt đường 1.8 m. • Lực ly tâm không xét đến lực xung kích; • Phải áp dụng hệ số làn xe như quy định trong điều 3.6.1.1.2 • Tốc độ thiết kế đường ô tô không lấy nhỏ hơn trị số quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế đường bộ • Tải trọng làn thiết kế được bỏ qua trong tính toán lực ly tâm vì cự ly giữa các xe có tốc độ cao được coi là lớn dẫn đến mật độ xe phía trước và sau xe tải thiết kế thấp. 11/5/2013 17 156 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (4) Lực hãm (BR) • Lực hãm được lấy bằng 25% tổng trọng lượng các trục của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục. • Cần chú ý: – Các làn xe được giả thiết đi cùng một chiều – Các lực hãm được coi là tác dụng theo phương dọc cầu cách phía trên mặt đường 1.8m – Các lực hãm phải được tính cho cả 2 chiều theo phương dọc cầu để gây ra ứng lực lớn nhất. – Phải áp dụng hệ số làn quy định trong Điều 3.6.1.1.2. – Chỉ có Xe tải thiết kế và Xe 2 trục thiết kế là được xét tính lực hãm vì những xe khác đại diện bởi Tải trọng làn thiết kế được mong đợi là hãm ngoài pha. 157 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (5) Tải trọng va xe (CT) • Theo điều 3.6.5.1: không cần tính lực va xe nếu công trình  được bảo vệ bởi: – Nền đắp, hoặc – Kết cấu rào chắn độc lập cao 1370mm chịu được va đập,  chôn trong đất và đặt trong phạm vi cách bộ phận cần được  bảo vệ 3000mm, hoặc – Rào chắn cao 1070mm đặt cách bộ phận cần bảo vệ hơn  3000mm 11/5/2013 18 158 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Theo điều 3.6.5.2: – Tất cả mố trụ (không thỏa mãn điều kiện bảo vệ trong điều 3.6.5.1) đặt trong phạm vi cách mép lòng đường  bộ 9m hay trong phạm vi 15m đến tim đường sắt đều  phải thiết kế cho một lực tĩnh tương đương là 1800KN  tác dụng ở bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng nằm  ngang và cách mặt đất là 1.2m. 1.2m 1800KN 159 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Tải trọng nước (WA) • Tác dụng theo chiều dọc của trụ: p = 5.14 x 10‐4 Cd V2 trong đó:  p =  áp lực dòng chảy (MPa)  Cd = hệ số cản của 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 và sử dụng và tính theo lũ kiểm tra xói  khi tính theo TTGH đặc biệt). 11/5/2013 19 160 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Tác dụng theo chiều ngang (vuông góc với trục của trụ). Áp lực phân bố đều trên kết cấu phần dưới do dòng chảy lệch với chiều dọc của trụmột góc θ được lấy bằng: p = 5.14 x 10‐4 CL V2 trong đó:  p =  áp lực dòng chảy theo chiều ngang (MPa);   CL = hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.2‐1