Giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD) của AASHTO và tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của VN. Giáo s - Tiến sĩ Nguyễn Viết Trung. ĐH GTVT. Tháng 8/2001. Giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD). Tổng quan: Lời nói đầu Quá trình hình thành Nhiệm vụ Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng. Các kí hiệu và đơn vị. Lời nói đầu Đây là một bài giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng, gồm một số chủ đề chung và cách xử lí đơn giản trong thiết kế bê tông. Nhiệm vụ chính của bài này là đa ra một bức tranh tổng quan về LRFD là gì. Trong bài này, chúng ta có thể thấy những thông tin chi tiết và những phân tích kĩ thuật sâu sắc qua những ví dụ thiết kế và những công cụ trợ giúp thiết kế. Để giúp cho bài viết súc tích, ngắn gọn lại dễ hiểu, trong toàn bộ bài, các tên, các tiêu đề và các vấn đề đợc dùng ở dạng viết tắt. Những từ này đợc dùng hoặc không đợc dùng trong các thuật ngữ của AASHTO. Dới đây là danh sách các từ: Từ viết tắt Nghĩa LRFD Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng của AASHTO. SS Tiêu chuẩn thiết kế chung cho đờng bộ của AASHTO. STM Mô hình chống và giằng (xem trong phần thiết kế chống lực cắt và lực xoắn). MCFT Học thuyết về lực nén thay đổi (xem trong phần thiết kế chống lực cắt và lực xoắn). Quá trình hình thành: Vào năm 1986, tiểu ban của AASHTO về cầu và kết cấu thấy rằng tiêu chuẩn chung cho cầu đờng bộ còn có một số mâu thuẫn và cha đại diện cho *********** trong thiết kế cầu và bớc đầu tiên cần làm là thay thế nó đi. Họ thừa nhận rằng yêu cầu đặt ra đối với uỷ ban nghiên cứu là phải thực hiện đánh giá về tiêu chuẩn hiện có và so sánh nó với tiêu chuẩn thiết kế của nớc ngoài cũng nh đối với các triết lí thiết kế khác nhau. Công việc này đợc hoàn thành vào năm 1987 và đánh giá rằng tiêu chuẩn này so với tiêu chuẩn nớc ngoài còn có khoảng cách và có thể dễ dàng nhận thấy đợc sự khác biệt, thậm chí có một số điểm trái ngợc hoàn toàn. Hơn nữa, tiêu chuẩn này không phải là hiện thân của triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng mà triết lí này từng đợc xem là *********** Sau khi nghiên cứu này đợc công bố, một quy trình mới, đầy đủ đã đợc phát triển Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng. Nỗ lực kéo dài 5 năm đã kết thúc vào năm 1993 và tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD) đã đợc AASHTO công nhận cùng với SS. Nhng lúc này, phần lớn các bang vẫn thiết kế cầu theo tiêu chuẩn SS nên khi đa ra tiêu chuẩn LRFD, AASHTO thừa nhận cả 2 tiêu chuẩn và xem LRFD là sự thay thế dần dần cho SS. Điều này nghĩa là lúc này không phải là lúc trả lời cho câu hỏi liệu LRFD có thay thế đợc cho SS hay không mà chỉ là sự chuyển tiếp từ SS lên LFRD mất bao lâu. Hiện nay, một số bang đã và đang dần công nhận LFRD. Một số bang khác cũng đang xem xét LRFD ở các mức độ khác nhau. Nhiệm vụ: *** Dễ hiểu. Phù hợp với ngành, nghề. Giống với cuốn sách chuyên ngành (hơn là giống một cuốn sách giáo khoa). Thiết kế cẩn thận, tỉ mỉ. Nhận thức rõ về những nơi có tầm quan trọng cao: tính dẻo, tính d. Để đạt đợc những mục đích nh trên, cần phải thực hiện nhiều thay đổi đối với quy trình cũ, bao gồm: Đa ra triết lí thiết kế có tính an toàn cao. Xác định 4 trạng thái giới hạn trong quá trình thiết kế. Phát triển các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng mới. Phát triển các mô hình tải trọng đã đợc cải tiến. Xem xét kĩ những kĩ thuật dùng để phân tích và phân bố tải trọng. Kết hợp cả bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực một phần hay toàn phần vào kết cấu. Phát triển các nhận xét, t tởng độc lập. Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD): Tiêu chuẩn LRFD chính là sự biểu hiện của triết lí trong đó cầu phải đợc thiết kế để đạt đợc các mục tiêu :thi công đợc, an toàn và sử dụng đợc, có xét đến các vấn đề: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mĩ quan. Khi thiết kế cầu, để đạt đợc những mục tiêu này, cần phải thoả mãn các trạng thái giới hạn: kết cấu phải đủ độ dẻo, phải có nhiều đờng truyền lực (nh tính d) và phải xét đến tầm quan trọng trong khai thác. Kí hiệu, đơn vị Trong khi một số kí hiệu đợc sử dụng trong tiêu chuẩn LRFD giống với trong tiêu chuẩn SS thì có một số kí hiệu lại khác hoàn toàn. ở những ví dụ mà kí hiệu trong tiêu chuẩn LRFD khác với trong tiêu chuẩn SS thì nói chung là kí hiệu này giống với kí hiệu trong ACI318, quy trình xây dựng kết cấu bằng bê tông cốt thép. Trong tiêu chuẩn LRFD có cả hệ đơn vị của Mĩ lẫn hệ đơn vi quốc tế (tính theo đơn vị mét). Do đó, trong bản tính theo đơn vị của Mĩ thì ngời ta thay các đơn vị lb và psi bằng các đơn vị KIP và KSI (chú ý theo quy ớc, các đơn vị đợc viết bằng chữ in hoa). Kết quả là những hệ số tơng tự trong các phơng trình phải thay đổi mặc dù thực ra các ph- ơng trình này là nh nhau. Ví dụ nh 6f c (có đơn vị psi) bây giờ thành 0.190 f c (có đơn vị KSI). Giới thiệu về LRFD: Tải trọng Các trạng thái giới hạn Các loại tải trọng Tải trọng thờng xuyên Tải trọng tạm thời Tác dụng của tải trọng bánh xe Tải trọng mỏi Hệ số làn xe Các hệ số tải trọng Các trạng thái giới hạn Trong LRFD, các cấu kiện đều phải thoả mãn cái mà ta gọi là các trạng thái giới hạn. Tất cả các trạng thái giới hạn cần phải thoả mãn là: hSQ i g i fR n =R r với h : hệ số điều chỉnh tải trọng g i : hệ số tải trọng thứ i Q i : các ứng lực f : các hệ số sức kháng R n : sức kháng danh định R t : sức kháng tính toán Để hiểu về khái niệm này, ngời ta đã đa một khái niệm dựa trên thực nghiệm về trạng thái giới hạn đợc ghi trong tiêu chuẩn LRFD. Trạng thái giới hạn là trạng thái mà lớn hơn sự chịu lực của công trình để đảm bảo công trình khai thác đợc bình thờng. Theo LRFD, có 4 trạng thái giới hạn là: Trạng thái giới hạn cờng độ: đảm bảo cờng độ và sự ổn định. Trạng thái giới hạn đặc biệt: liên quan đến những sự kiện đặc biệt chỉ lặp lại sau một thời gian dài (nh động đất, băng trôi, va tàu thuỷ, xe cộ). Trạng thái giới hạn sử dụng: liên quan đến ứng suất, biến dạng, nứt. Trạng thái giới hạn mỏi: để hạn chế biên độ của ứng suất. Mỗi trạng thái giới hạn đều có một hoặc nhiều loại, mỗi loại lại có mục đích riêng: Trạng thái giới hạn cờng độ I : Tổ hợp tải trọng cơ bản. II : Lợng xe tiêu chuẩn. III: Vận tốc gió > 55 dặm/giờ. IV: Sự chênh lệch lớn giữa tĩnh và hoạt tải. V : Hoạt tải cộng thêm tải trọng gió (55 dặm/giờ). Trạng thái giới hạn những sự kiện đặc biệt I : Tổ hợp tải trọng liên quan đến động đất. II : Tải trọng băng tuyết, va tàu thuyền, xe cộ. Trạng thái giới hạn sử dụng I : Tổ hợp tải trọng sử dụng thông thờng. II : Kết cấu thép. III: Chịu kéo trong trờng hợp bê tông cốt thép dự ứng lực kéo trớc. Trạng thái giới hạn mỏi : Hoạt tải xe trùng phục Đối với tiêu chuẩn SS, các phơng pháp kiểm tra thiết kế cũng nh vậy. Tuy nhiên, chúng đợc thực hiện trên một kết cấu hoàn toàn khác. Loại tải trọng Tiêu chuẩn LRFD chia tải trọng thành 2 loại chính là tải trọng thờng xuyên và tải trọng nhất thời. Trong 2 loại chính này, mỗi loại lại chia thành nhiều loại nhỏ hơn và cộng thêm vài loại tải trọng nữa. Hiện nay, mỗi loại tải trọng đều đợc kí hiệu bằng 2 chữ cái. Tải trọng thờng xuyên Khi xem xét tải trọng thờng xuyên, cần xác định rõ một số loại tải trọng. Chú ý rằng trớc đây, tĩnh tải(tải trọng bản thân) của cầu chỉ có một loại. Nhng giờ đây, nó đợc chia thành 2 loại chính là DC và DW, với các hệ số tải trọng khác nhau. Kí hiệu Nghĩa DD Tải trọng kéo xuống DC Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu DW Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng EH áp lực đất nằm ngang ES Tải trọng đất chất thêm EV áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp Tải trọng nhất thời : theo LRFD, một số loại tải trọng nhất thời đợc định nghĩa nh sau: Kí hiệu Nghĩa BR Lực hãm xe CE Lực li tâm CR Từ biến CT Lực va xe CQ Lực va tàu EQ Động đất FR Ma sát IC Tải trọng băng tuyết IM Lực xung kích của xe LL Hoạt tải xe LS Hoạt tải chất thêm PL Tải trọng ngời đi SE Lún SH Co ngót TG Gradien nhiệt TU Nhiệt độ phân bố đều WA Tải trọng nớc và áp lực dòng chảy WL Gió trên hoạt tải WS Tải trọng gió trên kết cấu Hoạt tải Một trong số những thay đổi lớn nhất đợc đa ra trong thiết kế cầu ở quy trình mới là mô hình hoạt tải xe. Trong LRFD, có 3 loại xe nh sau: Xe tải thiết kế : gồm một trục xe trớc nặng 8 KIP và hai trục xe sau, mỗi trục xe nặng 32 KIP. Hai trục xe đầu cách nhau một khoảng không đổi là 14 feet, trong khi đó thì khoảng cách hai trục xe sau thay đổi từ 14 đến 32 feet. Xe hai trục thiết kế: gồm hai trục, mỗi trục nặng 25 KIP, cách nhau một khoảng không đổi là 4 feet. Tải trọng làn thiết kế : là tải trọng phân bố đều 0.64 KIP/foot. Từ quan điểm tạo hình, xe tải thiết kế trong LRFD có tỉ lệ tải trọng giữa các trục xe giống với xe tải HS 20 trong tiêu chuẩn SS nh chúng ta thấy ở hình 1. Tuy nhiên, cần chú ý rằng, xe tải thiết kế trong tiêu chuẩn LRFD không hoàn toàn tỉ lệ với xe HS 20 trong tiêu chuẩn SS. Ví dụ nh xe HS 25 sẽ không tơng đơng với xe tải thiết kế trong LRFD. Tác dụng của hoạt tải xe thiết kế Nói chung, cần phải kiểm tra hai tổ hợp xe trong các thành phần của hoạt tải xe thiết kế cho tất cả các loại cầu để xác định đợc trờng hợp bất lợi nhất do hoạt tải gây ra. Những tổ hợp tải trọng mà ta đặt tên là HL93 gồm: Tải trọng xe tải thiết kế + tải trọng làn thiết kế. Tải trọng xe 2 trục + tải trọng làn thiết kế. Đối với những cây cầu liên tục, ở giữa những điểm uốn ngợc chiều chịu tác dụng của tĩnh tải và để xác định đợc phản lực gối giữa gây bất lợi nhất thì ngời ta lấy 90% hiệu ứng của hai xe tải thiết kế với 90% hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế. Khoảng cách giữa các trục của xe tải lấy không đổi là 14FT và khoảng cách giữa trục bánh trớc xe này với trục sau xe kia không đợc nhỏ hơn 50FT. Khi xác định tải trọng gây ra bất lợi nhất, cần dùng những tải trọng và kĩ thuật khác tác dụng mà gây ra ứng lực lớn nhất. Những trục bánh xe không gây ra ứng lực lớn nhất phải bỏ qua. Tải trọng mỏi Lấy một xe đặc biệt dùng để thí nghiệm mỏi. Đây là một xe tải thiết kế nh đã quy định ở trên nhng trục xe sau nặng 32KIP, cách trục xe trớc một khoảng cố định là 32FT và không tính đến tải trọng rải đều. Hệ số làn xe Để tính ảnh hỏng của cầu có nhiều làn xe, ngời ta đa vào hệ số làn xe. Chúng đợc dùng ở những trờng hợp : 1 làn xe, 2 làn xe, 3 làn xe hay nhiều hơn nữa. Nhng cần chú ý rằng, ảnh hỏng của hệ số làn xe đợc tính toán từ các phơng trình tính gần đúng hệ số phân bố tải trọng đợc quy định trong tiêu chuẩn LRFD. Tuy nhiên, đối với trờng hợp phân tích mỏi, khi xem xét một làn xe, hệ số phân bố tìm đợc bằng cách sử dụng phơng pháp xấp xỉ cần phải đợc chia cho hệ số phân bố của một làn là 1.2. Bảng 1 : Hệ số làn xe m (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD) Số làn chất tải Hệ số làn " m" 1 1.20 2 1.00 3 0.85 >3 0.64 Các hệ số tải trọng Đối với từng trạng thái giới hạn, hệ số tải trọng khác hẳn so với tiêu chuẩn SS. Bảng 3.4.1-1 và 3.4.1-2 trong tiêu chuẩn LRFD cho thấy các hệ số tải trọng và tổ hợp tải trọng ứng với từng trạng thái giới hạn.Ví dụ nh đối với một cây cầu dầm hộp bê tông ứng suất trớc nhịp giản đơn, cờng độ ở trạng thái giới hạn I đợc xác định nh sau: Q=1.25DC + 1.5DW + 1.75LL Với Q là tổng ứng lực và DC, DW, LL đợc xác định nh trên. Bảng 2 : Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 trong tiêu chuẩn LRFD) Tổ hợp DC LL TU Cùng một lúc chỉ dùng tải trọng DD IM WA WS WL FR CR TG SE một trong DW CE SH các tải trọng Trạng thái EH BR giới hạn EV PL EQ IC CT CV ES LS Cờng độ I g p 1.75 1.00 - - 1.00 0.5/1.20 g TG g SE - - - - Cờng độ II g p 1.35 1.00 - - 1.00 0.5/1.20 g TG g SE - - - - Cờng độ III g p - 1.00 1.40 - 1.00 0.5/1.20 g TG g SE - - - - Cờng độ IV g p chỉ có EH,EV, 1.5 - 1.00 - - 1.00 0.5/1.20 - - - - - - ES,DW và DC Cờng độ V g p 1.35 1.00 0.40 0.40 1.00 0.5/1.20 g TG g SE - - - - Đặc biệt I g p g eq 1.00 - - 1.00 - 1.00 - - - Đặc biệt II g p 0.50 1.00 - - 1.00 - - 1.00 1.00 1.00 Sử dụng I 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 1.00 1.00/1.2 0 g TG g SE - - - - Sử dụng II 1.00 1.30 1.00 - - 1.00 1.00/1.2 0 - - - - - - Sử dụng III 1.00 0.80 1.00 - - 1.00 1.00/1.2 0 g TG g SE - - - - Mỏi - 0.75 - - - - - - - - - - - Bảng 3 : Các hệ số tải trọng đối với tải trọng thờng xuyên, g p ( bảng 3.4.1-2 trong tiêu chuẩn LRFD) Loại Tải Trọng Hệ số tảI trọng Lớn nhất nhỏ nhất DC: Cấu kiện và các thiết bị phụ 1.25 0.90 DD: Kéo xuống 1.80 0.45 DW: Lớp phủ mặt cầu và các tiện ích 1.50 0.65 EH: áp lực ngang của đất Chủ động 1.50 0.90 Bị động 1.35 0.90 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 kín 1.30 0.90 Khung cứng 1.35 0.90 Kết cấu vùi mềm 1.95 0.90 Cống hộp thép mềm 1.50 0.90 Es: Tải trọng đất chất thêm 1.50 0.75 Hệ số sức kháng Hệ số sức kháng , f , là hệ số nhân (điều chỉnh) dựa trên thống kê dùng cho sức kháng danh định của từng cấu kiện. Đối với bê tông, những hệ số sức kháng lấy từ chơng 5 nh sau: Bảng 4 : hệ số sức kháng theo tiêu chuẩn LRFD Trờng hợp áp dụng Hệ số sức kháng Chịu kéo và uốn: bê tông cốt thép 0.90 bê tông dự ứng lực 1.00 Chịu cắt và xoắn: bê tông thờng 0.90 bê tông nhẹ 0.70 Nén dọc trục 0.75 Khả năng chịu nén của bê tông 0.70 Chịu nén trong mô hình chống và giằng 0.70 Chịu nén ở neo bê tông thờng 0.80 bê tông nhẹ 0.65 Thép chịu kéo ở neo 1.00 Giới thiệu về LRFD Phân tích Giới thiệu chung Ph ơng pháp xấp xỉ Bản mặt cầu Hệ số phân bố đối với cầu dầm bản Giới thiệu chung Tiêu chuẩn LRFD cho rằng bất kì phơng pháp phân tích nào mà hợp lí đều có thể sử dụng để phân tích cầu, đảm bảo thoả mãn tất cả các điều kiện cân bằng, tính tơng hợp và sử dụng đợc mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cho loại vật liệu đang xét. Các ph- ơng pháp đợc tiêu chuẩn công nhận nói tới ở đây là: Phơng pháp chuyển vị và phân tích lực cổ điển Phơng pháp sai phân hữu hạn Phơng pháp phần tử hữu hạn Phơng pháp bản gập Phơng pháp dải băng hữu hạn Phơng pháp tơng tự mạng dầm Phơng pháp chuỗi hoặc hàm điều hoà khác Phơng pháp đờng chảy dẻo Bên cạnh đó, tiêu chuẩn còn chú ý ngời kĩ s khi sử dụng các chơng trình máy tính dựa trên các phơng pháp trên. Tiêu chuẩn chỉ rõ là ngời thiết kế phải là ngời chịu trách nhiệm về kết quả chơng trình đợc sử dụng. Điều muốn nói tới ở đây là chơng trình chỉ là công cụ trợ giúp thiết kế và ngời kĩ s có thể sử dụng tuỳ ý bất kì công cụ nào. Tuy nhiên, ngời kĩ s này phải hoàn toàn chịu trách nhiệm về sự sử dụng của mình. Đó là khi sử dụng một phần mềm thì tên, phiên bản và ngày phần mềm đợc đa vào sử dụng phải đợc ghi rõ trong các tài liệu của hợp đồng. Phơng pháp xấp xỉ Thay cho phân tích chi tiết, nếu tất cả các tiêu chuẩn đều đã thoả mãn, có thể sử dụng phơng pháp xấp xỉ nh trong tiêu chuẩn LRFD. Tất nhiên, những phơng pháp này là kinh nghiệm nhng lại tiết kiệm đợc rất nhiều thời gian so với phơng pháp chính xác. Nếu dùng phơng pháp xấp xỉ, chúng ta chỉ cần thực hiện một số phơng trình khá đơn giản. Ví dụ nh, nếu lấy công sức bỏ ra để so sánh thì so với phơng pháp phân tích phần tử hữu hạn hay phân tích một khung đơn giản, phơng pháp xấp xỉ sẽ tiết kiệm đợc một lợng công việc đáng kể. Mặt cầu Mặt cầu có thể đợc thiết kế bằng phơng pháp dựa vào kinh nghiệm hay phơng pháp cổ điển. Cái tên có thể nói lên tất cả, phơng pháp dựa vào kinh nghiệm không phải là phơng pháp dựa vào lí trí, cũng chẳng liên quan đến một phân tích nào.Hơn nữa, cốt thép đợc quy định bố trí trên và dới nh nhau thay vì bố trí lới cốt thép ở phía trên và dới theo tính toán. Tuy nhiên, đầu tiên,phải thoả mãn số tiêu chuẩn đợc nêu ở chơng 9 mới có thể sử dụng đợc phơng pháp dựa vào kinh nghiệm. Phơng pháp cổ điển này chia mặt cầu thành những dải nhỏ có bề rộng khác nhau phụ thuộc vào cách nghiên cứu. Bề rộng các dải chỉ rõ mômen dơng, mômen âm và cách thiết kế bản hẫng. Bảng 3 : Bề rộng dải tơng đơng của mặt cầu Loại kết cấu nhịp cầu Hớng của dải Bề rộng của dải Phần hẫng 45.0 + 10.0X Bê tông đúc tại chỗ hoặc song song +M: 26.0 + 6.6S hoặc vuông góc -M: 48.0 + 3.0S Bê tông đúc tại chỗ có ván khuôn hoặc song song +M: 26.0 + 6.6S hoặc vuông góc -M: 48.0 + 3.0S Đúc sẵn, căng sau hoặc song song +M: 26.0 + 6.6S hoặc vuông góc -M: 48.0 + 3.0S Hệ số phân bố đối với cầu dầm bản Đối với việc phân tích đơn giản cầu dầm bản, các phơng trình tính hệ số phân bố hoạt tải trong tiêu chuẩn LRFD còn khá phức tạp so với trong tiêu chuẩn SS. Trớc đây, chỉ có một hệ số phân bố dùng cho cả mômen, lực cắt và mômen lẫn lực cắt thờng đợc tính bằng các phơng trình hết sức đơn giản (ví dụ nh trong S/5.5). Mặc dù, hiện nay, phơng trình tính hệ số phân bố của mômen và lực cắt đợc chia ra chứ không tính chung nữa, và những phơng trình này đều là hàm của một vài tham số. Tuy nhiên, nếu có thể dùng đợc, sử dụng những phơng trình tính hệ số phân bố chắc chắn hợp lí hơn là lựa chọn dùng phơng pháp phân tích phần tử hữu hạn hay phơng pháp tơng tự mạng dầm. Tuy nhiên, để có thể sử dụng hệ số phân bố hoạt tải đợc quy định trong tiêu chuẩn LRFD, trớc hết phải thoả mãn các điều kiện sau: Bề rộng mặt cầu là hằng số Số lợng dầm không nhỏ hơn 4 Các dầm song song với nhau Các dầm phải có độ cứng nh nhau Phần đờng xe chạy của bản hẫng là 3FT Độ cong phải nhỏ hơn giới hạn nêu trong điều 4.6.1.2 Mặt cắt ngang phải giống với các mặt cắt đã quy định Cũng có một số hạn chế đối với mỗi trờng hợp hệ số phân bố đặc biệt. Nói chung là phạm vi áp dụng chúng ta có thể thấy qua bảng. Hệ số phân bố cho mômen Để xác định đợc phơng trình tính các hệ số phân bố, theo LRFD, trớc hết phải xác định đợc chính xác loại cầu. Đối với cầu dầm I điển hình dự ứng lực có bản mặt cầu liên hợp, loại cầu này là thuộc loại K. Tra bảng 4.6.2.2.2b-1để tìm hệ số phân bố dùng cho mômen ở dầm giữa. Đối với cầu có 2 làn hoặc hơn 2 làn thiết kế chất tải, hệ số phân bố là: với K g =n(1 + e g 2 ) (theo công thức 4.6.2.2.1-1 trong tiêu chuẩn LRFD). Cho rằng 3.5S16 4.5t s 12.0 20L240 N b 4 Với n = tỉ số môđun giữa dầm và mặt cầu. I = mômen quán tính (IN 4 ). DF 0.075 S 9.5 0.6 S L 0.2 K g 12.0 L t g ( ) 3 0.1 +:= e g = khoảng cách giữa các trọng tâm dầm cơ bản và bản mặt cầu. S = khoảng cách các dầm (FT). t s = chiều dày bản bê tông (IN). L = chiều dài nhịp (FT). Hệ số phân bố cho lực cắt Phơng trình tính hệ số phân bố cho lực cắt đối với dầm giữa của cầu loại K có hai hoặc hơn hai làn thiết kế chịu tải (theo phơng trình 4.6.2.2.3a-1 trong tiêu chuẩn LRFD) là: Quy tắc đòn bẩy Đối với những trờng hợp mà khoảng cách các dầm đạt tới khoảng cách tối đa nh trong bảng đã cho, chúng ta có thể sử dụng quy tắc đòn bẩy để xác định hệ số phân bố hoạt tải. Theo tiêu chuẩn SS, giả thiết rằng bản mặt cầu đợc nối ở gối giữa, trong trờng hợp này, hệ số phân bố hoạt tải là phản lực của phần chịu lực ở gối đó. Khi sử dụng quy tắc đòn bẩy, hệ số làn xe (đợc quy định trong điều 3.6.1.1.2) phải đợc dùng cho những trờng hợp này. (Chú ý : đối với những trờng hợp đã cho trong bảng thì hệ số làn xe ở trong những phơng trình này đã đợc tính rồi). Phân bố tĩnh tải đặt trên đối với dầm dọc phụ Tải trọng thờng xuyên phân bố đều cho tất cả các dầm nếu các điều kiện về sử dụng đợc thoả mãn (điều 4.6.2.2.1). Theo đó, thì tải trọng đặt trên có thể phân bố đều nhau đối với mỗi dầm và cho rằng đây là tiêu chuẩn để cho việc sử dụng hệ số phân bố hoạt tải đợc thoả mãn. Điều này cũng giống nh quy định trong tiêu chuẩn SS là cho phép phân bố đều trọng lợng của bờ đờng, lan can và lớp phủ mặt cầu cho tất cả các dầm dọc phụ hoặc dầm nếu các dầm này đợc đặt sau khi đã thi công bản mặt cầu xong. Giới thiệu LRFD Thiết kế bê tông Tổng quan Mất mát ứng suất Chiều dài truyền lực Cờng độ kháng uốn Các trạng thái giới hạn của bê tông Kiểm tra nứt Trạng thái giới hạn mỏi Cắt và xoắn Cốt thép chịu lực dọc trục Lực cắt tiếp xúc (lực cắt ngang) Tổng quan Chơng 5 trong tiêu chuẩn LRFD chính là sự kết hợp của chơng 8 và 9 trong tiêu chuẩn SS. Điều này giúp cho sự chú ý tới kết cấu bê tông đợc tốt hơn là chia nhỏ nó thành bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực. Mục đích của sự kết hợp này là đa ra một chơng mà tạo ra sự chuyển tiếp từ bê tông cốt thép sang bê tông dự ứng lực toàn phần hay dự ứng lực một phần một cách dễ dàng. DF 0.2 S 12 + S 35 2.0 := [...]... dựa vào kinh nghiệm nh trớc đây, phơng pháp này là phơng pháp hợp lí mà chuyển những hiện tợng,vấn đề thực tế thành các tham số để tính toán Đối với thiết kế kháng cắt, nh trớc đây, mối quan hệ cơ bản sau cần phải đợc thoả mãn tại mọi mặt cắt Vu Vn Vn := Vc + Vs + Vp với mối quan hệ cơ bản này cũng giống nh phơng pháp thiết kế kháng cắtđã đợc nêu trong tiêu chuẩn SS của AASHTO Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn. .. 0.85f c ' 1 b + kAps f pu dp cắt hình chữ nhật thì độ cao của trục trung hoà tính từ thớ chịu kéo lớn nhất của dầm là: b : tỉ số giữa độ cao của vùng chịu ứng suất phân bố đều đợc giả thiết là đạt tới trạng thái giới hạn về cờng độ với độ cao của vùng chịu nén thực tế (LRFD 5.7.2.2) Chú ý rằng k ở đây giống với tham số g* trong tiêu chuẩn SS, hệ số đặc trng cho loại f py k := 2 1.04 f pu thép dự...Mất mát ứng suất Theo tiêu chuẩn SS, có 4 loại mất mát ứng suất là mất mát do co ngắn đàn hồi, co ngót, từ biến và do tự chùng của cốt thép Các quá trình và các phơng trình trong tiêu chuẩn LRFD tính toán các mất mát ứng suất này cũng giống nh trong tiêu chuẩn SS Tuy nhiên, kí hiệu của nó đợc thay đổi nh sau: fpT = fpES + fpSR + fpCR + fpR Chỉ có hai... lần đờng kính tao thép Chú ý là khoảng cách giả thiết này vẫn dài hơn một chút so với khoảng cách đợc giả thiết trong tiêu chuẩn SS(dài bằng 50 lần đờng kính tao thép) Cờng độ kháng uốn Trạng thái giới hạn về cờng độ yêu cầu phải thoả mãn điều kiện sau Mr = Mn > Mu Với Mr : lực kháng uốn tính toán Mn : lực kháng uốn danh định Mu : mômen tính toán thiết kế f = 1.0 đối với trờng hợp bê tông dự ứng lực... nhiều so với yêu cầu tính mỏi Chắc chắn là do bản mặt cầu cong bên trong Kết quả là chúng ta không cần tính mỏi đối với bản mặt cầu bê tông trong cầu nhiều dầm hộp (Theo LRFD 5.5.3.1) Chịu cắt và xoắn Khi thừa nhận tiêu chuẩn LRFD, ngời ta cũng đồng thời thừa nhận phơng pháp mới hoàn chỉnh về thiết kế chống cắt có tên gọi là học thuyết về vấn đề nén thay đổi Đây là một phơng pháp đơn giản, thống nhất có... đối với các loại vật liệu khác nhau và mỗi lớp cốt thép đợc mô hình hoá riêng biệt Các giới hạn về cốt thép Lợng cốt thép tối đa Hàm lợng thép giới hạn ở một mặt cắt nhất định đợc biểu thị qua độ cao giới hạn của trục trung hoà Lợng thép có thể có trong một mặt cắt phải thoả mãn sao cho độ cao tới trục trung hoà của mặt cắt không lớn hơn 42% độ cao tới trọng tâm của cốt thép chịu kéo Ta có: c 0.42... rằng có một điểm cong Tại điểm này, giả thiết rằng bán kính cong nhỏ hơn hoặc bằng 12FT Nh vậy, biên độ ứng suất cho phép dới tác dụng tải trọng mỏi là 10 KSI Những tao thép ( ybc 2.00) Ep E Df := Mf lc c thay đổi ứng suất lớn nhất phần lớn là những tao thép ở hàng dới cùng Giả thiết tao thép dới cùng nằm cách đáy của dầm hộp là 2 IN, biên độ ứng suất do tải trọng mỏi ở đây là: Thanh thép gia cờng... trong bảng LRFD 5.8.3.4.2-1 để tìm giá trị của b và q tơng ứng Nếu q có sai số quá lớn, không phù hợp với q đã giả thiết, thì ta lấy giá trị q mới này để tính giá trị ex mới, và lại tra bảng lần nữa Khi giá trị q đã hội tụ tại một điểm, ta tính đợc Vc Tại mặt cắt có lực cắt giới hạn, tức là xem xét mặt cắt gần gối nhất, lực cắt phải lớn hơn: a 0.5dvcotq hay theo LRFD5.8.3.2 b dv với dv : độ cao lực... nứt ở mặt cắt (theo LRFD 5.7.3.3.2) Mômen gây nứt này, Mr, là mômen cần để sinh ra vết nứt đầu tiên dựa vào môđun gây nứt đợc quy định trong điều 5.4.2.6 Đó là: Mr 1.2Mcr Nếu một mặt cắt không có thép dự ứng lực, tỉ số vết nứt có thể xem nh đạt nếu nh tỉ số sau của thép đợc thoả mãn (Theo LRFD 5.7.3.3.2-1): fc ' min 0.03 fy Kiểm tra nứt ứng suất đối với thép tròn trơn ở trạng thái giới hạn sử dụng... cùng tới trọng tâm của thanh thép gần nhất (IN) A : diện tích bê tông bao cốt thép chịu kéo và có cùng trọng tâm với cốt thép chủ chịu kéo, chia cho số lợng các thanh thép (IN2) Z : đại lợng đặc trng cho bề rộng vết nứt Z = 170 KIPS/IN đối với điều kiện bình thờng Z = 130 KIPS/IN đối với điều kiện khó khăn, khắc ngiệt Trạng thái giới hạn mỏi Cách bó thép dự ứng lực Ngời ta chỉ áp dụng khái niệm giới hạn . 8/2001. Giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD). Tổng quan: Lời nói đầu Quá trình hình thành Nhiệm vụ Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức. chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng. Nỗ lực kéo dài 5 năm đã kết thúc vào năm 1993 và tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD) đã đợc AASHTO công. Giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD) của AASHTO và tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của VN. Giáo s - Tiến sĩ Nguyễn