Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương IV: Tải trọng, hệ số tải trọng và các TTGH

11/9/2012 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Website:  Bộmôn Cầu và Công trình ngầm Website:  THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG  CẦU 1 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: ‐GTVT.TK/ Hà Nội, 10‐2012 180 CHƯƠNG IV Tải trọng, hệ số tải trọng và các TTGH 11/9/2012 2 181 Tải trọng thường xuyên DD Tải trọng kéo xuống (hiện tượng ma sát âm) Down Drag 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 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 4.1. Tải trọng Tải trọng được chia ra làm hai nhóm:  (1) Tải trọng thường xuyên và (2) Tải trọng nhất thời. 182 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 Tải trọng (t.theo) 11/9/2012 3 183 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 khong 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 4.2. Các Trạng Thái Giới Hạn (TTGH) quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272‐05 184 4.3. Các hệ số và tổ hợp tải trọng ‐ Trong một tổ hợp tải trọng, 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. 11/9/2012 4 185 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. 186 Các hệ số và tổ hợp tải trọng (t.theo) • Hệ số tải trọng tính cho gradien nhiệt TG và lún SE cầnđược xác định trên cơ sởmột đồ án cụ thể riêng. Nếu không có thông tin riêng có thể lấy bằng: – 0,0 ở các trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt – 1,0 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải, và – 0,50 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi xét hoạt tải 11/9/2012 5 187 ‐ Đối với 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 Các hệ số và tổ hợp tải trọng (t.theo) 188 ‐ 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 ‐ Các tải trọng đất EH, ES, DD được xác định theo điều 3.11 trong Tiêu chuẩn cầu 22 TCN‐272‐05 4.4. Xác định tải trọng thường xuyên 11/9/2012 6 189 Số làn xe: n = w/3500, trong đó w là bề rộng lòng đường (khoảng cách giứa 2 đá vỉa tính bằng mm) Hệ số làn xe m (phụ thuộc vào số làn xe) được quy định trong bảng 3.6.1.1.2.1 Hoạt tải ô tô trên mặt cầu được đặt tên là HL‐93 sẽ gồm tổ hợp của: ‐ Xe tải thiết kế + Tải trọng làn thiết kế, hoặc ‐ Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế 4.5. Xác định tải trọng nhất thời – Hoạt tải xe 190 ‐ 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 tải thiết kế Xác định hoạt tải xe (t.theo) 4300mm tới 9000mm4300mm Xe 3 trục (145+145+35) =325 kN 11/9/2012 7 191 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 Xác định hoạt tải xe (t.theo) 192 Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế 110KN    110KN 1.2m 9.3 KN/m Xe tải 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: Xác định hoạt tải xe (t.theo) 11/9/2012 8 193 Xác định hoạt tải xe (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) 194 Xác định hoạt tải xe (t.theo) 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! 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 11/9/2012 9 195 ‐ Đối với tất cả đường bộ hành rộng hơn 600mm 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 4.6. Xác định các tải trọng nhất thời khác 4.6.1. Tải trọng bộ hành (PL) 196 Trừ trường hợp với 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. 4.6.2. Lực xung kích (IM) 11/9/2012 10 197 Không cần xét lực xung kích đối với: ‐ Tường chắn không chịu phản lực thẳng đứng từ kết cấu phần trên ‐ 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*10‐4DE) ≥ 0% trong đó, DE = chiều dày tối thiểu của lớp đất phủ phía trên kết cấu (mm) =>    Hệ số áp dụng cho tải trọng tĩnh được lấy bằng: (1 + IM/100) Lực xung kích (t.theo) 198 ‐ Lực ly tâm được lấy bằng tích số của các Trọng lượng trục của: Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục thiết kế với hệ số C ‐ Hệ số C được lấy bằng:  trong đó: ‐ 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) ‐ Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên mặt đường 1.8 m. 24 3 vC gR  4.6.3. Lực ly tâm (CE) 11/9/2012 11 199 ‐ 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. Lực ly tâm (t.theo) 200 ‐ Lực hãm được lấy bằng 25% tổng trọng lượng các trục của:  Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục thiết kế ‐ 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. 4.6.4. Lực hãm (BR) 11/9/2012 12 201 ‐ 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 ‐ Tất cảmố trụ (không thỏa mãn điều kiện bảo vệ nói trên) 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 4.6.5. Lực va xe (CT) 202 Áp lực dòng chảy theo chiều dọc ‐ Tác dụng theo chiều dọc của kết cấu phần dưới: 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; tính theo lũ kiểm tra xói khi tính theo TTGH đặc biệt 4.6.6. Tải trọng nước (WA) 11/9/2012 13 203 Áp lực dòng chảy theo chiều ngang ‐ 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 3.7.3.2‐1 204 .i i i nQ R   4.7. Triết lý thiết kế theo TTGH  Trạng thái giới hạn (TTGH) là gì? TTGH là trạng thái mà ở đó công trình bị phá hoại hoặc không thể thỏa mãn các yêu cầu sử dụng bình thường (như bị võng quá mức hoặc rung động quá lớn) TTGH là trạng thái mà tại đó công trình cầu hoặc các bộ phận của nó ngừng đáp ứng các nhiệm vụ thiết kế.  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, an toàn và sử dụng được, có xét đến khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế và mỹ quan.” HiÖu øng cña t¶i träng ≤ Søc kh¸ng 11/9/2012 14 205 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 nghĩa Rn – Sức kháng danh nghĩa ‐ Đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γi max  thì hệ số điều chỉnh: ηi = ηD ηR ηI ≥ 0.95 ‐ Đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γi min  thì hệ số điều chỉnh: ηi = 1/(ηD ηR ηI) ≤ 1 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). +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). +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 tương đối ít quan trọng). .i i i nQ R   Triết lý thiết kế theo TTGH (t.theo) 206 ‐ Tiêu chuẩn 22‐TCN 272‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 2005 dựa trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998. => Phương pháp tính theo TTGH trong 22TCN‐272‐05  được gọi là phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design – LRFD). ‐ Ưu điểm của phương pháp LRFD: Đã 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. Triết lý thiết kế theo TTGH (t.theo) 11/9/2012 15 207 Xét một dầm chủ có hệ số phân phối ngang gLL ‐ Nội lực tính toán do tĩnh tải DC và DW: ‐ Nội lực tính toán do hoạt tải HL93: trong đó: ‐ ω = diện tích đường ảnh hưởng nội lực ‐ m = hệ số làn xe ‐ P = trọng lượng trục xe ‐ y = tung độ đường ảnh hưởng nội lực tại vị trí lực P.        93 . . . 1 . . 9.3. ax . . . 1 . . 9.3. Truck LL LL i i LL HL Tandem LL LL i i LL m g IM P y Q m m g IM P y                       W W W . . . . . W. DC DC DC D D D Q DC Q D         4.8. Tổ hợp nội lực 208 Đề bài: Cho kết cấu nhịp dầm đơn giản (1 dầm chủ, 1 làn xe) như hình vẽ.  ‐ Chiều dài nhịp tính toán Ltt = 32m‐ Trọng lượng dầm chủ 14 KN/m ‐ Trọng lượng các lớp phủmặt cầu 5KN/m ‐ Hoạt tải tác dụng: HL93 ‐ Giả thiết hệ số điều chỉnh tải trọng η = 1.05 Yêu cầu: Xác định mômen tính toán tại ½ nhịp theo TTGH cường độ I. Ltt = 32 m 4.9. Ví dụ tính toán 11/9/2012 16 209 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 Ltt = 32 m đ.a.h (M) Ltt / 4 = 8 m Diện tích đ.a.h: A = 128 m2. wDC = 14 KN/m wDW = 5 KN/m 210 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 Ltt = 32 m đ.a.h (M) Diện tích đ.a.h:  A = 128 m2. 9.3 KN/m 8 m 5.85 m5.85 m 145KN145KN 35KN 11/9/2012 17 211 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 Ltt = 32 m đ.a.h (M) 8 mDiện tích đ.a.h:A = 128 m2. 9.3 KN/m 7.4 m 110KN110KN 212 Mômen tính toán cho TTGH cường độ I: Mtt = MDC + MDW + max(MLL1 ; MLL2) Mtt = 2352 + 1008 + 8724.4  Mtt = 12084.4 KN.m Ví dụ tính toán (t.theo)