Bài giả ng Kế t Cấ u Bê Tông theo 22TCN 272-05
29
CHƯ Ơ NG 3: NGUYÊN LÝ THIẾ T KẾ THEO TIÊU CHUẨ N
22TCN-272-05
3.1. QUAN ĐIỂ M CHUNG VỀ THIẾ T KẾ
Trong thiế t kế các kỹ sư phả i kiể m tra độ an toàn và ổ n đị nh củ a phư ơ ng án khả thi đãđư ợ c
chọ n. Công tác thiế t kế bao gồ m việ c tính toán n hằ m chứ ng minh cho nhữ ng ng ư ờ i có trách nhiệ m
thấ y rằ ng mọ i tiêu chuẩ n tính toán và cấ u tạ o đề u đư ợ c thoả mãn.
Điề u kiệ n để đả m bả o độ an toàn củ a mộ t công trình là:
Sứ c kháng củ a vậ t liệ u Hiệ u ứ ng củ a tả i trọ ng
Điề u kiệ n trên phả i đư ợ c xét trên tấ t cả các bộ phậ n củ a kế t cấ u .
Khi nói về sứ c kháng củ a vậ t liệ u ta xét khả năng l àm việ c tố i đa củ a vậ t liệ u mà ta gọ i là trạ ng
thái giớ i hạ n (TTGH).
Mộ t trạ ng thái giớ i hạ n là mộ t trạ ng thái mà vư ợ t qua nó thì kế t cấ u hay mộ t bộ phậ n n ào đó
không hoàn thành mụ c tiêu thiế t kế đề ra .
Mụ c tiêu là không vư ợ t quá TTGH, tuy nhiên đó không phả i là mụ c tiêu duy nhấ t, mà cầ n xét
đế n các mụ c đích quan trọ ng khác, nh ư chứ c năng, mỹ quan, tác độ ng đ ế n môi trư ờ ng và yế u tố kinh
tế. Sẽ là không kinh tế nế u thiế t kế mộ t cầ u mà chẳ ng có bộ phậ n nào, chẳ ng bao giờ bị hư hỏ ng. Do
đó cầ n phả i xác đị nh đâu là giớ i hạ n chấ p nhậ n đư ợ c trong rủ i ro củ a xác suấ t phá huỷ . Việ c xác đị nh
một miề n an toàn chấ p nhậ n đư ợ c (cư ờ ng độ lớ n hơ n bao nhiêu so vớ i hiệ u ứ ng củ a tả i trọ ng) không
dựa trên ý kiế n chủ quan củ a mộ t cá nhân n ào mà dự a trên kinh nghiệ m củ a mộ t tậ p thể . Tiêu chuẩ n
22TCN272-05 có thể đáp ứ ng đư ợ c.
3.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦ A QUÁ TRÌNH THIẾ T KẾ
3.2.1.Thiế t kế theo ứ ng suấ t cho phép ( ASD - Allowable Stress Design)
§é an toµn ®îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch cho r»ng hiÖu øng cña t¶i träng sÏ g©y ra øng suÊt chØ b»ng
mét phÇn cña giíi h¹n ch¶y fy,
HÖ sè an toµn F = Cư ờ ng độ củ a vậ t liệ u R / hiÖu øng t¶i träng Q
Q
R
F
(3.1)
Do tiªu chuÈn ®Æt díi d¹ng øng suÊt nªn gäi lµ thiÕt kÕ theo SCP (ASD)
Ph¬ng ph¸p nµy cã nhiÒu nhîc ®iÓm nh :
Quan ®iÓm vÒ ®é bÒn dùa trªn sù lµm viÖc ®µn håi cña vËt liÖu ®¼ng híng , ®ång nhÊt.
Kh«ng biÓu hiÖn ®îc mét c¸ch hîp lý vÒ cêng ®é giíi h¹n lµ chØ tiªu c¬ b¶n vÒ kh¶ n¨ng
chÞu lùc h¬n lµ øng suÊt cho phÐp
HÖ sè an toµn chØ ¸p dông riªng cho cêng ®é, cha xÐt ®Õn sù biÕn ®æi cña t¶i träng
ViÖc chän hÖ sè an toµn dùa trªn ý kiÕn chñ quan vµ kh«ng cã c¬ së tin cËy vÒ x¸c suÊt h
háng.
§Ó kh¾c phôc thiÕu sãt nµy cÇn mét ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ cã thÓ :
Dùa trªn c¬ së cêng ®é giíi h¹n cña vËt liÖu
Bài giả ng Kế t Cấ u Bê Tông theo 22TCN 272-05
30
XÐt ®Õn sù thay ®æi tÝnh chÊt c¬ häc cña vËt liÖu vµ sù biÕn ®æi cña t¶i träng
§¸nh gi¸ ®é an toµn liªn quan ®Õn x¸c suÊt ph¸ ho¹i.
Ph¬ng ph¸p kh¾c phôc c¸c thiÕu sãt trªn ®ã lµ AASHTO-LRFD 1998 vµ nã ®îc chän lµm c¬
së biªn so¹n tiªu chuÈn thiÕt kÕ cÇu 22TCN272 -05.
3.2.2. ThiÕt kÕ theo hÖ sè t¶i träng vµ søc kh¸ng LRFD ( Load and Resistance Factors Design)
§Ó xÐt ®Õn sù thay ®æi ë c¶ hai phÝa cña bÊt ® ¼ng thøc trong ph¬ng tr×nh 1.1. PhÝa søc kh¸ng
®îc nh©n víi mét hÖ sè søc kh¸ng dùa trªn c¬ së thèng kª (≤PhÝa t¶i träng ®îc nh©n lªn víi
hÖ sè t¶i träng dùa trªn c¬ së thèng kª t¶i träng thêng lín h¬n 1. V× hiÖu øng t¶i trong tr¹ng th¸i
giíi h¹n bao gåm mét tæ hîp cña nhiÒu lo¹i t¶i träng (Q i) ë nhiÒu møc ®é kh¸c nhau cña sù dù tÝnh nªn
phÝa t¶i träng ®îc biÓu hiÖn lµ tæng cña c¸c gi¸ trÞ iQi. NÕu søc kh¸ng danh ®Þnh lµ R n, tiªu chuÈn
an toµn sÏ lµ:
Rn≥HiÖu øng cña i Qi(3.2)
V× ph¬ng tr×nh 3.2 chøa c¶ hÖ sè t¶i träng vµ hÖ sè søc kh¸ng nªn ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ ®îc gäi
lµ thiÕt kÕ theo hÖ sè t¶i träng vµ søc kh¸ng ( LRFD).
HÖ sè søc kh¸ng cho tr¹ng th¸i giíi h¹n cÇn xÐt tíi tÝnh ph©n t¸n cña :
TÝnh chÊt vËt liÖu
Ph¬ng tr×nh dù tÝnh cêng ®é
Tay nghÒ c«ng nh©n
KiÓm so¸t chÊt lîng
T×nh huèng h háng
HÖ sè t¶i träng idïngcho c¸c t¶i träng ®Æc biÖt cÇn xÐt tíi ®é ph©n t¸n cña :
§é lín cña t¶i träng
Sù s¾p xÕp cña t¶i träng
Tæ hîp t¶i träng cã thÓ x¶y ra
u ®iÓm cña LRFD:
Cã xÐt ®Õn s biÕn ®æi c¶ vÒ søc kh¸ng vµ t¶i träng
§¹t ®îc møc ®é an toµn ®ång ®Òu cho c¸c TTGH kh¸c nhau vµ c¸c lo¹i cÇu mµ kh«ng cÇn
ph©n tÝch x¸c suÊt vµ thèng kª phøc t¹p.
Ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ thÝch hîp
Nhîc ®iÓm cña LRFD:
Yªu cÇu thay ®æi t duy thiÕt kÕ ( so víi tiªu chuÈn cò )
Yªu cÇu hiÓu biÕt c¬ b¶n vÒ lý thuyÕt x¸c suÊt vµ thèng kª
Yªu cÇu cã c¸c sè liÖu ®Çy ®ñ vÒ thèng kª vµ thuËt to¸n tÝnh x¸c suÊt ®Ó chØnh lý hÖ sè søc
kh¸ng trong trêng hîp ®Æc biÖt.
3.3. NGUYÊN TẮ C CƠ BẢ N CỦ A TIÊU CHUẨ N 22TCN 272 - 05
3.3.1 Tổ ng quát
Cầ u phả i đư ợ c thiế t kế để đạ t đư ợ c các mụ c tiêu: thi công đư ợ c, an toàn và sử dụ ng đư ợ c, có xét
đế n các yế u tố : khả năng dễ kiể m tra, tính kinh tế , mỹ quan. Khi thiế t kế cầ u, để đạ t đ ư ợ c nhữ ng mụ c
Bài giả ng Kế t Cấ u Bê Tông theo 22TCN 272-05
31
tiêu này, cầ n phả i thỏ a mãn các trạ ng thái giớ i hạ n. Kế t cấ u thiế t kế phả i có đủ độ dẻ o, phả i có nhiề u
đư ờ ng truyề n lự c (có tính dư ) và tầ m quan trọ ng củ a nó trong khai thác phả i đ ư ợ c xét đế n.
Mỗ i cấ u kiệ n và liên kế t phả i thỏ a mãn phư ơ ng trình 3.3 đố i vớ i tấ t cả trạ ng thái giớ i hạ n.
iiQi≤Rn=Rr (3.3)
Trong đó:
Qi: HiÖu øng t¶i träng (nộ i lự c do t¶i hoÆc các tác độ ng bên ngoài sinh ra)
i: hệ số tả i trọ ng: hệ số nhân dự a tr ên thố ng kê dùng cho c¸c lự c
Rn: sứ c kháng danh đị nh
: hệ số sứ c kháng: hệ số nhân dự a tr ên thố ng kê dùng cho sứ c kháng danh đị nh.§èi víi
c¸c tr¹ng th¸i giíi h¹n sö dông vµ tr¹ng th¸i giíi h¹n ®Æc biÖt, hÖ sè søc kh¸ng ®îc lÊy b»ng 1,0
Rr:sứ c kháng tính toán, Rr = . Rn
i:hệ số điề u chỉ nh tả i trọ ng, xét đế n tính dẻ o, tính dư và tầ m quan trọ ng trong khai thác
0,95
i D R I
đố i vớ i tả i trọ ng dùng giá trịmax
11,0
i
R D l
đố i vớ i tả i trọ ng dùng giá trịmin
D=hệ số liên quan đế n tính dẻ o
R= hệ số liên quan đế n tính dư
I= hệ số liên quan đế n tầ m quan trọ ng trong khai thác
Hai hệ số đầ u có liên quan đế n cư ờ ng độ củ a cầ u, hệ số thứ ba xét đế n sự l àm việ c củ a cầ u ở
trạ ng thái sử dụ ng.
Trõ tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é , ®èi víi tÊt c¶ c¸c TTGH kh¸c , D = R = 1,0.
3.3.1.1. TÝnh dÎo
Tính dẻ o là mộ t yế u tố quan trọ ng đố i vớ i sự an to àn củ a cầ u. Nhờ tính dẻ o, các bộ phậ n chị u lự c
lớ n củ a kế t cấ u có thể phân phố i lạ i tả i trọ ng sang nhữ ng bộ phậ n khác có dự trữ về c ư ờ ng độ . Sự phân
phố i lạ i này phụ thuộ c vào khả năng biế n dạ ng củ a bộ phậ n chị u lự c lớ n và liên quan đế n sự phát triể n
biế n dạ ng dẻ o mà không xả y ra phá hoạ i.
HÖ kÕt cÊu cña cÇu ph¶i ®îc ®Þnh kÝch thíc vµ cÊu t¹o ®Ó ®¶m b¶o sù ph¸t triÓn ®¸ng kÓ vµ cã
thÓ nh×n thÊy ®îc cña c¸c biÕn d¹ng kh«ng ®µn håi ë tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é vµ tr¹ng th¸i giíi
h¹n ®Æc biÖt tríc khi ph¸ ho¹i.
Cã thÓ gi¶ ®Þnh r»ng c¸c yªu cÇu vÒ tÝnh dÎo ®îc tho¶ m·n ®èi víi mét kÕt cÊu bª t«ng ë ®ã søc
kh¸ng cña liªn kÕt kh«ng thÊp h¬n 1,3 lÇn øng lùc lín nhÊt do t¸c ®éng kh«ng ®µn håi cña c¸c cÊu kiÖn
liÒn kÒ t¸c ®éng lªn liªn kÕt ®ã.
§èi víi tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é :
D 1,05 cho cÊu kiÖn vµ liªn kÕt kh«ng dÎo.
D= 1,00 cho c¸c thiÕt kÕ th«ng thêng vµ c¸c chi tiÕt theo ®óng Tiªu chuÈn nµy.
Bài giả ng Kế t Cấ u Bê Tông theo 22TCN 272-05
32
D 0,95 cho c¸c cÊu kiÖn vµ liªn kÕt cã c¸c biÖn ph¸p t¨ng thªm tÝnh dÎo quy ®Þnh vît qu¸
nh÷ng yªu cÇu cña Tiªu chuÈn nµy
§ãi víi c¸c tr¹ng th¸i giíi h¹n kh¸c : D = 1,00
3.3.1.2. TÝnh d
TÝnh d cã tÇm quan träng ®Æc biÖt ®èi víi kho¶ng an toµn cña kÕt cÊu cÇu . Mét kÕt cÊu siªu tÜnh
®îc xem lµ d v× nã cã nhiÒu liªn kÕt h¬n so víi yªu cÇu c©n b»ng tÜnh häc .
C¸c kÕt cÊu cã nhiÒu ®êng truyÒn lùc vµ kÕt cÊu liªn tôc cÇn ®îc sö dông trõ khi cã nh÷ng lý
do b¾t buéc kh¸c. Khái niệ m nhiề u đư ờ ng truyề n lự c là tư ơ ng đư ơ ng vớ i tính dư . Các đư ờ ng truyề n
lự c đơ n hay các kế t cấ u cầ u không dư đư ợ c khuyế n cáo không nên sử dụ ng.
C¸c bé phËn hoÆc cÊu kiÖn chÝnh mµ sù h háng cña chóng g©y ra sËp ®æ cÇu ph¶i ®îc coi lµ cã
nguy c¬ h háng vµ hÖ kÕt cÊu liªn quan kh«ng cã tÝnh d, c¸c bé phËn cã nguy c¬ h háng cã thÓ
®îc xem lµ ph¸ ho¹i gißn.
C¸c bé phËn hoÆc cÊu kiÖn mµ sù h háng cña chóng kh«ng g©y nªn sËp ®æ cÇu ®îc coi lµ
kh«ng cã nguy c¬ h háng vµ hÖ kÕt cÊu liªn quan lµ d.
§èi víi tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é :
R 1,05 cho c¸c bé phËn kh«ng d
R = 1,00 cho c¸c møc d th«ng thêng
R 0,95 cho c¸c møc d ®Æc biÖt
§èi víi c¸c tr¹ng th¸i giíi h¹n kh¸c: R = 1,00
3.3.1.3. TÇm quan träng trong khai th¸c
§iÒu quy ®Þnh nµy chØ dïng cho tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é vµ tr¹ng th¸i giíi h¹n ®Æc biÖt.
Các cầ u có thể đư ợ c xem là có tầ m quan trọ ng trong khai thác nế u chúng nằ m tr ên con đư ờ ng
nố i giữ a các khu dân cư và bệ nh việ n hoặ c trư ờ ng họ c, hay là con đư ờ ng dành cho lự c lư ợ ng công an,
cứ u hỏ a và các phư ơ ng tiệ n giả i cứ u đố i vớ i nhàở , cơ quan và các khu công nghi ệ p. Cầ u cũng có thể
đư ợ c coi là quan trọ ng nế u chúng giúp giả i quyế t t ình trạ ng đi vòng do tắ c đư ờ ng, giúp tiế t kiệ m thờ i
gian và xăng dầ u cho ngư ờ i lao độ ng khi đi làm và trở về nhà. Nói tóm lạ i, khó có thể tìm thấ y tình
huố ng mà cầ u không đư ợ c coi là quan trọ ng trong khai thác. Mộ t ví dụ về cầ u không quan trọ ng l à cầ u
trên đư ờ ng phụ dẫ n tớ i mộ t vùng hẻ o lánh đư ợ c sử dụ ng không phả i quanh năm.
Chñ ®Çu t cã thÓ c«ng bè mét cÇu hoÆc bÊt kú cÊu kiÖn hoÆc liªn kÕt nµo cña nã lµ lo¹i cÇu quan
träng trong khai th¸c.
§èi víi tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é:
I1,05 cho c¸c cÇu quan träng
I= 1,00 cho c¸c cÇu ®iÓn h×nh
I0,95 cho c¸c cÇu t¬ng ®èi Ýt quan träng
§èi víi c¸c tr¹ng th¸i giíi h¹n kh¸c: I = 1,00
Bài giả ng Kế t Cấ u Bê Tông theo 22TCN 272-05
33
3.3.2. Các trạ ng thái giớ i hạ n
3.3.2.1. Tr¹ng th¸i giíi h¹n sö dông
Tr¹ng th¸i giíi h¹n sö dông ph¶i xÐt ®Õn nh mét biÖn ph¸p nh»m h¹n chÕ ®èi víi øng suÊt, biÕn
d¹ng vµ vÕt nøt díi ®iÒu kiÖn sö dông b×nh thêng.
3.3.2.2. Tr¹ng th¸i giíi h¹n mái vµ ph¸ ho¹i gißn
Tr¹ng th¸i giíi h¹n mái ph¶i ®îc xÐt ®Õn trong tÝnh to¸n nh mét biÖn ph¸p nh»m h¹n chÕ vÒ
biªn ®é øng suÊt do mét xe t¶i thiÕt kÕ g©y ra víi sè chu kú b iªn ®é øng suÊt dù kiÕn.
Tr¹ng th¸i giíi h¹n ph¸ ho¹i gißn ph¶i ®îc xÐt ®Õn nh mét sè yªu cÇu vÒ tÝnh bÒn cña vËt liÖu
theo Tiªu chuÈn vËt liÖu.
3.3.2.3. Tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é
Tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é ph¶i ®îc xÐt ®Õn ®Ó ®¶m b¶o cêng ®é vµ sù æn ®Þnh côc bé vµ æn
®Þnh tæng thÓ ®îc dù phßng ®Ó chÞu ®îc c¸c tæ hîp t¶i träng quan träng theo thèng kª ®îc ®Þnh ra
®Ó cÇu chÞu ®îc trong ph¹m vi tuæi thä thiÕt kÕ cña nã.
Tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é I: Tæ hîp t¶i träng c¬ b¶n liªn quan ®Õn viÖc sö dông cho xe tiªu
chuÈn cña cÇu kh«ng xÐt ®Õn giã
Tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é II: Tæ hîp t¶i träng liªn quan ®Õn cÇu chÞu giã víi vËn tèc vît qu¸
25m/s
Tr¹ng th¸i giíi h¹n cêng ®é III: Tæ hîp t¶i träng liªn quan ®Õn viÖc sö dông xe tiªu chuÈn cña
cÇu víi giã cã vËn tèc 25m/s
TTGH cư ờ ng độ là mộ t TTGH đư ợ c quyế t đị nh bở i cư ờ ng độ tĩnh củ a vậ t liệ u tạ i mộ t mặ t cắ t có
vế t nứ t đã cho. Có 3 tổ hợ p tả i trọ ng cư ờ ng độ khác nhau đư ợ c quy đị nh trong bả ng 1.1. Đố i vớ i mộ t
bộ phậ n riêng biệ t củ a kế t cấ u cầ u, chỉ mộ t hoặ c có thể hai trong số các tổ hợ p tả i trọ ng n ày cầ n đư ợ c
xét đế n. Sự khác biệ t trong các tổ hợ p tả i trọ ng c ư ờ ng độ chủ yế u liên quan đế n các hệ số tả i trọ ng
đư ợ c quy đị nh đố i vớ i hoạ t tả i. Tổ hợ p tả i trọ ng sinh ra hiệ u ứ ng lự c lớ n nhấ t đ ư ợ c so sánh vớ i cư ờ ng
độ hoặ c sứ c kháng củ a mặ t cắ t ngang củ a cấ u kiệ n.
Trong tính toán sứ c kháng đố i vớ i hiệ u ứ ng tả i trọ ng đ ã nhân hệ số như lự c dọ c trụ c, lự c uố n, lự c
cắ t hoặ c xoắ n, sự không chắ c chắ n đ ư ợ c biể u thị qua hệ số giả m c ư ờ ng độ hay hệ số sứ c kháng . Hệ
số là hệ số nhân củ a sứ c kháng danh đị nh Rn và điề u kiệ n an toàn là thoả mãn phư ơ ng trình tổ ng quát
3.3.
Trong các cấ u kiệ n BTCT, có nhữ ng yế u tố không đả m bả o đ ư ợ c chính xác như chấ t lư ợ ng vậ t
liệ u, kích thư ớ c mặ t cắ t ngang, việ c đặ t cố t thép v à nhữ ng công thứ c đư ợ c dùng để tính sứ c kháng.
Mộ t số mô hình phá hoạ i có thể đư ợ c đư a ra vớ i độ chính xác cao hơ n các mô hình khác và hậ u
quả do sự cố củ a chúng là ít nguy hiể m. Chẳ ng hạ n, dầ m chị u uố n th ư ờ ng đư ợ c thiế t kế tư ơ ng đố i ít
cố t thép, do đó phá hoạ i xả y ra do sự chả y từ từ củ a cố t thép chị u kéo, trong khi các cộ t chị u nén
thư ờ ng bị phá hoạ i độ t ngộ t không có báo tr ư ớ c. Mô hình phá hoạ i do cắ t thư ờ ng ít đư ợ c hiể u biế t và
nó là sự kế t hợ p củ a mô hình phá hoạ i do kéo và do nén. Do vậ y, hệ số trong trư ờ ng hợ p này phả i
nằ m trong khoả ng giữ a hệ số củ a dầ m chị u uố n và củ a cộ t chị u nén. Hậ u quả sự phá hoạ i củ a cộ t l à
nghiêm trọ ng hơ n củ a dầ m vì mộ t cộ t bị phá hoạ i sẽ kéo theo sự sụ p đổ củ a mộ t số dầ m, do đó, dự trữ
