Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương III: Tải trọng, hệ số tải trọng và các trạng thái giới hạn

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương III: Tải trọng, hệ số tải trọng và các trạng thái giới hạn

1. 11/9/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ môn Cầu và Công trình ngầm Website: Website: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU 1 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: ‐GTVT.TK/ Hà Nội, 10‐2012 CHƯƠNG IV Tảitrọng, hệ số tảitrọng và các TTGH 180 1
2. 11/9/2012 4.1. Tảitrọng Tảitrọng đượcchia ra làm hai nhóm: (1) Tảitrọng thường xuyên và (2) Tảitrọng nhấtthời. Tải trọng thường xuyên DD Tải trọng kéo xuống (hiện tượng ma sát âm) Down Drag Tảitrọng bảnthâncủacácbộ phậnkếtcấu Dead load of structural Components DC và thiếtbị phụ phi kếtcấu and nonstructural attachments Tảitrọng bảnthâncủalớpphủ mặtcầuvà Dead load of Wearing surfaces and DW các tiệníchcôngcộng utilities EH Tải trọng áp lực đất nằm ngang Horizontal Earth pressure load Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do phương accumulated Locked‐in Effects resulting EL pháp thi công from the construction process ES Tải trọng đất chất thêm Earth Surcharge load Vertical pressure from dead load of EV Áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp Earth fill 181 Tảitrọng (t.theo) Tảitrọng nhấtthời BR Lựchãmxe vehicular BRaking force CE Lựclytâm vehicular CEntrifugal force CR Từ biến CReep CT Lựcvaxe vehicular (Truck ?) Collision force CV Lựcvatàu Vessel Collision force EQ Động đất EarthQuake FR Ma sát FRiction IM Lực xung kích vehicular dynamic load allowance (IMpact ?) LL Hoạttảixe vehicular Live Load LS Hoạttảichấtthêm Live load Surcharge PL Hoạttảingười 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 182 2
3. 11/9/2012 4.2. Các Trạng Thái GiớiHạn(TTGH) quy định trong Tiêu chuẩnthiếtkế cầu 22TCN‐272‐05 TTGH CƯỜNG ĐỘ I Là tổ hợptảitrọng cơ bản để tính vớitảitrọng khai thác khi trên cầu có xe và không có gió TTGH CƯỜNG ĐỘ II Là tổ hợptảitrọng để tính cầuchịu gió V>25m/s, trên cầu khong có xe TTGH CƯỜNG ĐỘ III Là tổ hợp để tính vớitrường hợpxechạybìnhthường khi cầuchịu gió V<25m/s TTGH SỬ DỤNG Giớihạn đốivới ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường TTGH MỎI VÀ ĐỨT GÃY DO MỎI Nhằmhạnchế sự phát triểnvếtnứt, gãy do tảitrọng khai thác gây biến đổi ứng suất(mỏi) TTGH ĐẶC BIỆT Nhằm đảmbảocầuvẫntồntại sau biếncố (động đất, va tàu ) mặcdùcầucóthể bị hỏng 183 4.3. Các hệ số và tổ hợptảitrọng ‐ Trong mộttổ hợptảitrọng, hệ số tảitrọng cho các tảitrọng khác nhau được lấynhư quy định trong bảng 3.4.1‐1 ‐ Các hệ số phảichọn sao cho gây ra tổng ứng lựctínhtoáncựchạn. Đốivới mỗitổ hợptảitrọng, cả trị số cựchạnâmlẫntrị số cựchạndương đềuphải đượcxemxét. 184 3
4. 11/9/2012 Bảng 3.4.1‐1‐ Tổ hợpvàhệ số tảitrọng DC LL Tổ hợptải DD IM Cùng mộtlúcchỉ trọng DW CE TU dùng mộttrong EH BR WA WS WL FR CR TG SE các tảitrọng PL SH Trạng thái EV LS giớihạn EQ CT CV ES EL 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 ‐‐‐ Đặcbiệt  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 ‐‐‐ Mỏichỉ có 0,75 ‐‐‐ ‐ ‐ ‐‐‐ LL, IM & CE ‐ ‐‐ Ghi chú: AASHTO LRFD (1998) có tổng cộng 11 tổ hợptảitrọng. Để xét tớicácđiềukiệntại ViệtNam, 5 tổ hợptảitrọng đượclượcbỏ và do đó, tổng số các tổ hợptảitrọng cầnxét đếngiảmxuống còn 6 tổ hợpnhư trong bảng 3.4.3‐1. 185 Các hệ số và tổ hợptảitrọng (t.theo) • Hệ số tảitrọng tính cho gradien nhiệt TG và lún SE cần đượcxácđịnh trên cơ sở một đồ án cụ thể riêng. Nếu không có thông tin riêng có thể lấybằng: – 0,0 ở các trạng thái giớihạncường độ và đặcbiệt – 1,0 ở trạng thái giớihạnsử dụng khi không xét hoạttải, và – 0,50 ở trạng thái giớihạnsử dụng khi xét hoạttải 186 4
5. 11/9/2012 Các hệ số và tổ hợptảitrọng (t.theo) ‐Đốivớitácđộng củatảitrọng thường xuyên thì hệ số tảitrọng gây ra tổ hợp bấtlợihơnphải đượclựachọntheobảng 3.4.1‐2 187 4.4. Xác định tảitrọng thường xuyên ‐ Các tĩnh tảiDC, DW và EV nếu không đủ số liệu chính xác thì có thể lấytỷ trọng như Bảng 3.5.1‐1 để tính tĩnh tải ‐ Các tảitrọng đấtEH, ES, DD đượcxácđịnh theo điều3.11 trong Tiêu chuẩn cầu22 TCN‐272‐05 188 5
6. 11/9/2012 4.5. Xác định tảitrọng nhấtthời–Hoạttảixe Số làn xe: n = w/3500, trong đów là bề rộng lòng đường (khoảng cách giứa2 đávỉatínhbằng mm) Hệ số làn xe m (phụ thuộc vào số làn xe) được quy định trong bảng 3.6.1.1.2.1 Hoạttảiô tô trên mặtcầu được đặttênlàHL‐93 sẽ gồmtổ hợpcủa: ‐ Xe tảithiếtkế + Tảitrọng làn thiếtkế, hoặc ‐ Xe 2 trụcthiếtkế + Tảitrọng làn thiếtkế 189 Xác định hoạttải xe (t.theo) Xe tảithiếtkế ‐ Xe tảithiếtkế gồmcó1 trục trước (35KN) và 2 trụcsau (145KN) => tổng trọng lượng xe là 325 KN 4300mm 4300mm tới 9000mm ‐ Trừ quy định trong Điều 3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1, cự ly Xe 3 trục giữa2 trục 145 KN phảithay (145+145+35) đổigiữa 4300 và 9000 mm để gây ra ứng lựclớnnhất =325 kN ‐ Cự ly chiềungangcủacác bánh xe lấybằng 1800 mm 190 6
7. 11/9/2012 Xác định hoạttải xe (t.theo) Xe 2 trụcthiếtkế 110KN 110KN ‐ Xe 2 trụcgồm1 cặptrục 110KN => tổng trọng lượng = 220KN (2 trục cách nhau 1200mm) 1.2m ‐ Cự ly chiềungangcủa các bánh xe lấybằng 1800mm Tảitrọng làn thiếtkế ‐ Tảitrọng làn thiếtkế gồmtảitrọng 9.3N/mm phân bốđều theo chiềudọc ‐ Chiềungangcầu đượcgiả thiết phân bố 9.3N/mm đềutrênchiềurộng 3000mm ‐Ứng lựccủatảitrọng làn thiếtkế không xét tớilực xung kích 191 Xác định hoạttải xe (t.theo) Trừ khi có quy định khác, ứng lựclớnnhấtphải đượclấy theo giá trị lớnhơncủa2 trường hợp sau: Xe tảithiếtkế Xe 2 trụcthiếtkế + + Tảitrọng làn thiếtkế Tảitrọng làn thiếtkế 145KN 145KN 110KN 110KN 35KN 4.3 tới 1.2m 4.3 m 9 m 9.3 KN/m 9.3 KN/m 192 7
8. 11/9/2012 Xác định hoạttải xe (t.theo) Hoạttảithiếtkế HL‐93 (3.6.1.3.1) Xe 3 trục(Truck) + Tảitrọng làn Xe 2 trục (Tandem) + Tảitrọng làn Khi tính mô men âm và ≥ phảnlựcgốigiữa, lấy 90% hiệu ứng củacác tảitrọng trên hình 193 Xác định hoạttải xe (t.theo) Hoạt tải Xe (LL) Người đibộ (PL) Live Load Pedestrian Load Xe tảithiếtkế Xe 2 trục thiết kế Tảitrọng làn Tải phân bốđều (Design Truck) (Design Tandem) (Lane Load) 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 8
9. 11/9/2012 4.6. Xác định các tảitrọng nhấtthờikhác 4.6.1. Tảitrọng bộ hành (PL) ‐Đốivớitấtcảđường bộ hành rộng hơn 600mm phảilấytảitrọng người đibộ bằng 3x10‐3 MPa và phảitínhđồng thời cùng hoạttảixe thiếtkế. ‐Đốivớicầuchỉ dùng cho người đibộ và/hoặc đixeđạp, phảithiếtkế vớihoạttảibằng 4x10‐3 MPa ‐ Không xét lực xung kích đốivớitảitrọng bộ hành 195 4.6.2. Lực xung kích (IM) Trừ trường hợpvớicấukiệnvùi, tác động tĩnh họccủaXetảithiếtkế hoặcXe2 trụcthiếtkế (không kể lực ly tâm và lực hãm) phải đượctăng thêm mộttỷ lệ phầntrăm được quy định trong Bảng 3.6.2.1.‐1 cho lực xung kích. Lực xung kích không áp dụng cho Tảitrọng bộ hành hoặcTảitrọng làn thiếtkế. 196 9
10. 11/9/2012 Lực xung kích (t.theo) Không cầnxétlực xung kích đốivới: ‐ Tường chắn không chịuphảnlựcthẳng đứng từ kếtcấuphầntrên ‐ Thành phầnmóngnằm hoàn toàn dướimặt đất Đốivớicống và các cấukiệnvùitrongđất, lực xung kích (tính bằng %) phải lấynhư sau: ‐4 IM = 33(1 ‐ 4.1*10 DE) ≥ 0% trong đó, DE = chiềudàytốithiểucủalớp đấtphủ phía trên kếtcấu (mm) => Hệ số áp dụng cho tảitrọng tĩnh đượclấybằng: (1 + IM/100) 197 4.6.3. Lực ly tâm (CE) ‐ Lựclytâmđượclấybằng tích số củacácTrọng lượng trụccủa: Xe tải thiếtkế hoặcXe2 trụcthiếtkế vớihệ số C 4 v2 ‐ Hệ số C đượclấybằng: C 3 gR trong đó: ‐ v = vậntốcthiếtkếđường ô tô (m/s) ‐ g = gia tốctrọng lực 9,807 (m/s2) ‐ R = bánkínhcongcủa làn xe (m) ‐ Lựclytâmtácdụng theo phương nằm ngang cách phía trên mặt đường 1.8 m. 198 10
11. 11/9/2012 Lựclytâm(t.theo) ‐ Phảiápdụng hệ số làn xe như quy định trong điều 3.6.1.1.2 ‐ Tốc độ thiếtkếđường ô tô không lấynhỏ hơntrị số quy định trong Tiêu chuẩnthiếtkếđường bộ ‐ Tảitrọng làn thiếtkếđượcbỏ qua trong tính toán lực ly tâm vì cự ly giữa các xe có tốc độ cao đượccoilàlớndẫn đếnmật độ xe phía trước và sau xe tảithiếtkế thấp. 199 4.6.4. Lực hãm (BR) ‐ Lựchãmđượclấybằng 25% tổng trọng lượng các trụccủa: Xe tảithiếtkế hoặcXe2 trụcthiếtkế ‐ Các làn xe đượcgiả thiết đi cùng mộtchiều ‐ Các lựchãmđượccoilàtácdụng theo phương dọccầu cách phía trên mặt đường 1.8m ‐ Các lựchãmphải đượctínhchocả 2 chiềutheophương dọccầu để gây ra ứng lựclớnnhất. ‐ Phảiápdụng hệ số làn quy định trong Điều 3.6.1.1.2 ‐ Chỉ có Xe tảithiếtkế và Xe 2 trụcthiếtkế là đượcxéttínhlựchãmvì những xe khác đạidiệnbởiTảitrọng làn thiếtkếđượcmongđợilàhãm ngoài pha. 200 11
12. 11/9/2012 4.6.5. Lựcvaxe(CT) ‐ Không cầntínhlựcvaxenếucôngtrìnhđượcbảovệ bởi: ‐ Nền đắp, hoặc ‐ Kếtcấuràochắn độclập cao 1370mm chịu đượcvađập, chôn trong đấtvàđặt trong phạmvi cách bộ phậncần đượcbảovệ 3000mm, hoặc ‐ Rào chắn cao 1070mm đặtcáchbộ phậncầnbảovệ hơn 3000mm ‐ Tấtcả mố trụ (không thỏamãnđiềukiệnbảovệ nói trên) đặttrong phạmvi cách mép lòng đường bộ 9m hay trong phạmvi 15m đếntim đường sắt đềuphảithiếtkế cho mộtlựctĩnh tương đương là 1800KN tác dụng ở bấtkỳ hướng nào trong mặtphẳng nằmngangvàcáchmặt đấtlà1.2m 201 4.6.6. Tảitrọng nước(WA) Áp lựcdòngchảy theo chiềudọc ‐ Tác dụng theo chiềudọccủakếtcấuphầndưới: ‐4 2 p = 5.14 x 10 CD V trong đó: p = áp lựcdòngchảy(Mpa) CD = hệ số cảncủatrụ lấytheobảng 3.7.3.1‐1 V = vậntốcnướcthiếtkế tính theo lũ thiếtkế cho xói ở TTGH cường độ và sử dụng; tính theo lũ kiểm tra xói khi tính theo TTGH đặcbiệt 202 12
13. 11/9/2012 Áp lựcdòngchảy theo chiềungang ‐ Phân bốđềutrênkếtcấuphầndướido dòng chảylệch vớichiều dọccủatrụ mộtgócθđượclấybằng: ‐4 2 p = 5.14 x 10 CL V trong đó: p = áp lựcdòngchảy theo chiều ngang (Mpa) CL = hệ số cảncủatrụ lấytheobảng 3.7.3.2‐1 203 4.7. Triếtlýthiếtkế theo TTGH  Trạng thái giớihạn(TTGH) là gì? TTGH là trạng thái mà ở đócôngtrìnhbị phá hoạihoặc không thể thỏa mãn các yêu cầusử dụng bình thường (như bị võng quá mứchoặc rung động quá lớn ) TTGH là trạng thái mà tại đócôngtrìnhcầuhoặc các bộ phậncủanóngừng đáp ứng các nhiệmvụ thiếtkế.  Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05) “Cầuphải đượcthiếtkế theo các TTGH quy định để đạt được các mụctiêuthi công, an toàn và sử dụng được, có xét đếnkhả năng dễ kiểmtra, tính kinh tế và mỹ quan.”   iiQR i . n HiÖu øng cña t¶i träng ≤ Søc kh¸ng 204 13
14. 11/9/2012 Triếtlýthiếtkế theo TTGH (t.theo)  QR . ‐Đốivớicáctảitrọng dùng hệ số tảitrọng γi max  ii i n thì hệ sốđiềuchỉnh: ηi = ηD ηR ηI ≥ 0.95 ‐Đốivớicáctảitrọng dùng hệ số tảitrọng γi min thì hệ sốđiềuchỉnh: ηi = 1/(ηD ηR ηI) ≤ 1 ηi –hệ sốđiềuchỉnh tảitrọng Trong đó: γ –hệ số tảitrọng, là số nhân i +η liên quan đến độ dẻo(η ≥ 1.05 cho các cấu dựatrênthống kê dùng cho D D kiện và liên kết không dẻo;η = 1 cho các thiếtkế hiệu ứng lực D thông thường; ηD ≥ 0.95 cho các cấukiệncó dùng biện pháp tăng tính dẻo). Qi –hiệu ứng tảitrọng +ηR liên quan đến độ dư thừa(ηR ≥ 1.05 cho các cấukiện không dư thừa; η = 1 cho các mứcdư φ –hệ số sức kháng, là số R thông thường;η ≥ 0.95 cho các mứcdưđặc nhân dùng cho sức kháng D biệt). danh nghĩa +ηI liên quan đến độ quan trọng (ηI ≥ 1.05 cho các cầu quan trọng; ηI = 1 cho các cầu điển hình; Rn –Sức kháng danh nghĩa ηI ≥ 0.95 cho các tương đối ít quan trọng). 205 Triếtlýthiếtkế theo TTGH (t.theo) ‐ Tiêu chuẩn22‐TCN 272‐05 đượcBộ GTVT ban hành năm 2005 dựatrên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998. => Phương pháp tính theo TTGH trong 22TCN‐272‐05 đượcgọilàphương pháp thiếtkế theo hệ số tảitrọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design –LRFD). ‐Ưu điểmcủaphương pháp LRFD: Đãxétđếnsự khác nhau củacả tải trọng và sức kháng; Đạt đượcmức độ an toàn tương đối đồng đềugiữa các cấukiện khác nhau, các TTGH khác nhau và các loạicầu khác nhau. ‐ Nhược điểmcủaphương pháp LRFD: Yêu cầuhiểubiếtcơ bảnvề lý thuyếtxácsuấtvàthống kê; Yêu cầu có các số liệuthống kê đầy đủ và các thuậttoánthiếtkế xác suất để có thể chỉnh lý hệ số sức kháng trong từng trường hợpriêng. 206 14
15. 11/9/2012 4.8. Tổ hợpnộilực Xét mộtdầmchủ có hệ số phân phốinganggLL ‐ Nộilựctínhtoándo tĩnh tảiDC và DW: QDCDC   DC DC QDDDWW  W.  D W ‐ Nộilựctínhtoándo hoạttải HL93:  mg 1 IM . PTruck . y 9.3.  LL LL  i i LL QmHL93 ax   mg 1 IM . PTandem . y 9.3.  LL LL  i i LL trong đó: ‐ω= diệntíchđường ảnh hưởng nộilực ‐ m = hệ số làn xe ‐ P = trọng lượng trụcxe ‐ y = tung độ đường ảnh hưởng nộilựctạivị trí lựcP. 207 4.9. Ví dụ tính toán Đề bài: Cho kếtcấunhịpdầm đơngiản(1 dầmchủ, 1 làn xe) như hình vẽ. ‐ ChiềudàinhịptínhtoánLtt = 32m ‐ Trọng lượng dầmchủ 14 KN/m ‐ Trọng lượng các lớpphủ mặtcầu5KN/m ‐ Hoạttải tác dụng: HL93 ‐ Giả thiếthệ sốđiềuchỉnh tảitrọng η = 1.05 Yêu cầu: Xác định mômen tính toán tại½ nhịptheoTTGH cường độ I. Ltt = 32 m 208 15
16. 11/9/2012 Ltt = 32 m wDC = 14 KN/m wDW = 5 KN/m Diện tích đ.a.h: A = 128 m2. đ.a.h (M) 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 145KN 145KN 35KN đ.a.h (M) 5.85 m 5.85 m Diện tích đ.a.h: A = 128 m2. 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
17. 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 toán (t.theo) MômentínhtoánchoTTGH cường độ I: Mtt = MDC + MDW + max(MLL1 ; MLL2) Mtt = 2352 + 1008 + 8724.4 Mtt = 12084.4 KN.m 212 17