Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Chương 1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP Đặc điểm phạm vi sử dụng kết cấu thép 1.1.1 Ưu điểm Kết cấu thép có ưu điểm Kết cấu thép có khả chịu lực lớn Do c ường độ thép cao nên kết cấu thép chịu lực lớn với mặt c khơng cần lớn lắm, lợi dụng khơng gian cách hiệu Việc tính tốn kết cấu thép có độ tin cậy cao Thép có cấu trúc đồng đều, mơ đun đàn hồi lớn Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép phù hợp với giả thiết sức bền vật liệu đàn hồi (như tính đồng chất, đẳng hướng vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng) Kết cấu thép “nhẹ” so với kết cấu l àm vật liệu thông thường khác (bê tông, gạch đá, gỗ) Độ nhẹ kết cấu đánh giá hệ số c =  / F , tỷ số tỷ trọng  vật liệu cường độ F Hệ số c nhỏ vật liệu nhẹ Trong bê tông cốt thép (BTCT) có c  24.10 4 thép 3, 7.10 4 1 , gỗ có c  4,5.10 4 hệ số c m m (Tài liệu [1]) m Kết cấu thép thích hợp với thi cơng lắp ghép v có khả giới hố cao chế tạo Các cấu kiện thép dễ đ ược sản xuất hàng loạt xưởng với độ xác cao Các liên kết kết cấu thép (đinh tán, bu lông, h àn) tương đối đơn giản, dễ thi công Kết cấu thép không thấm chất lỏng v chất khí thép có độ đặc cao n ên thích hợp để làm kết cấu chứa đựng chuyển chở chất lỏng, chất khí So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa tăng cường 1.1.2 Nhược điểm Bên cạnh ưu điểm chủ yếu kể trên, kết cấu thép có số nh ược điểm Kết cấu thép dễ bị han gỉ, đ ịi hỏi phải có biện pháp ph òng chống bảo dưỡng tốn Đặc biệt, yêu cầu chống gỉ cao đặt cho kết cấu cầu làm việc môi trường xâm thực lớn http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Thép chịu nhiệt Ở nhiệt độ tr ên 4000C, biến dạng dẻo thép phát triể n tác dụng tĩnh tải (từ biến thép) Vì thế, mơi trường có nhiệt độ cao, khơng có biện pháp đặc biệt để bảo vệ th ì khơng phép sử dụng kết cấu thép 1.1.3 Phạm vi sử dụng Do ưu điểm nói trên, kết cấu thép sử dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng Tuy nhiên, kết cấu thép đặc biệt có ưu kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ mảnh cao, chịu tải trọng nặng kết cấu địi hỏi tính không thấm 1.2 Cơ sở thiết kế kết cấu thép theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 1.2.1 Quan điểm chung thiết kế Công tác thiết kế bao gồm việc tính tốn nhằm chứng minh cho ng ười có trách nhiệm thấy rằng, tiêu chuẩn tính tốn cấu tạo thỏa mãn Quan điểm chung để đảm bảo an toàn thiết kế sức kháng vật liệu mặt cắt ngang phải không nhỏ hiệu ứng gây tác động ngoài, nghĩa Sức kháng  Hiệu ứng tải trọng (1.1) Khi áp dụng nguyên tắc đơn giản này, điều quan trọng hai vế bất đẳng thức phải đánh giá điều kiện Chẳng hạn, hiệu ứng tải trọng l gây ứng suất nén thì, tất nhiên, phải so sánh với sức kháng ép mặt Nói cách khác, đánh giá bất đẳng thức phải đ ược tiến hành cho điều kiện tải trọng riêng biệt liên kết sức kháng hiệu ứng tải trọng với Li ên kết thông thường quy định việc đánh giá hai vế trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn (TTGH) định nghĩa sau: Trạng thái giới hạn trạng thái mà kể từ trở đi, kết cấu cầu phận khơng cịn đáp ứng u cầu mà thiết kế đặt cho Các ví dụ TTGH cho cầu dầm hộp bao gồm độ v õng, nứt, mỏi, uốn, cắt, xoắn, ổn định (oằn), lún, ép mặt v trượt Một mục tiêu quan trọng thiết kế ngăn ngừa để không đạt tới TTGH Tuy nhiên, khơng phải đích Các mục tiêu khác phải xem xét cân đối thiết kế toàn thể chức năng, thẩm mỹ tính kinh tế Sẽ khơng kinh tế thiết kế cầu mà khơng có phận bị phá hoại Do đó, cần phải xác định đâu mức độ rủi ro hay xác suất xảy phá hoại chấp nhận đ ược Việc xác định miền an toàn chấp nhận (sức kháng cần phải lớn h ơn so với hiệu ứng tải trọng) v ý kiến cá nhân mà phải dựa kinh http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD nghiệm tập thể kỹ sư quan nghiên c ứu Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, dựa tiêu chuẩn AASHTO LRFD (1998) Hiệp hội cầu đ ường Mỹ, đáp ứng yêu cầu 1.2.2 Sự phát triển trình thiết kế Qua nhiều năm, trình thiết kế phát triển nhằm cung cấp miền an tồn hợp lý Q trình dựa ý kiến đóng góp phân tích hiệu ứng tải trọng cường độ vật liệu sử dụng 1.2.2.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD) Các phương pháp thiết kế lịch sử xây dựng tập trung trước hết vào kết cấu thép Thép kết cấu có ứng xử tuyến tính điểm chảy , nhận biết rõ ràng thấp cách an toàn so với cường độ giới hạn vật liệu Độ an to àn thiết kế đảm bảo quy định ứng suất hiệu ứng tải trọng sinh phần ứng suất chảy fy Giá trị tương đương với việc quy định hệ số an toàn F 2, nghĩa là, F fy sức kháng, R hiệu ứng tải trọng, Q 0,5 f y Vì phương pháp thiết kế đặt giới hạn ứng suất n ên biết đến với tên gọi thiết kế theo ứng suất cho phép (Allowable Stress Design, ASD) Khi phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép đời, hầu hết cầu có cấu tạo giàn vịm Với giả thiết cấu kiện li ên kết với chốt kết cấu tĩnh định, việc phân tích cho thấy cấu kiện thường chịu kéo chịu nén Diện tích hữu hiệu cần thiết kéo chịu ứng suất phân bố đ ược xác định đơn giản cách chia lực kéo T cho ứng suất kéo cho phép ft diƯn tÝch h÷u hiệu cần thiết Anet hiệu ứng tải trọng T  øng suÊt cho phÐp ft Đối với cấu kiện chịu nén, ứng suất cho phép fc phụ thuộc vào độ mảnh cấu kiện, nhiên, sở để xác định diện tích cần thiết mặt cắt ngang nh cấu kiện chịu kéo; diện tích mặt cắt cần thiết lực nén C chia cho ng sut cho phộp fc diện tích hữu hiệu cần thiÕt Agross  hiƯu øng t¶i träng C  øng suÊt cho phÐp fc Phương pháp áp dụng năm sáu m ươi kỷ 19 để thiết kế thành công nhiều cầu giàn tĩnh định nhịp lớn Ngày nay, cầu tương tự xây dựng chúng khơng cịn tĩnh định chúng khơng cịn liên kết chốt Do đó, ứng suất cấu kiện khơng c ịn phân bố Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép đ ược áp dụng cho dầm chịu uốn Với giả thiết mặt cắt phẳng v quan hệ ứng suất-biến dạng tuyến tính, mơ đun mặ t cắt (mô http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD men chống uốn) cần thiết xác định cách chia mô men uốn M cho ứng suất uốn cho phộp fb mô đun mặt cắt cần thiết S  hiƯu øng t¶i träng M  øng st cho phÐp fb Ẩn phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép giả thiết ứng suất cấu kiện khơng trước có tải trọng tác dụng, nghĩa l khơng có ứng suất dư tồn chế tạo Giả thiết hồn tồn g ần đặc mặt cắt hở, mỏng dầm thép cán điển h ình Các chi tiết mỏng dầm thép cán nguội (sau xử lý nhiệt) với mức độ khác ứng suất dư tồn mặt cắt ngang Các ứng suất d không phân bố không mà chúng cịn khó dự đốn trước Do đó, cần phải có điều chỉnh ứng suất uốn cho phép, đặc biệt chi tiết chịu nén, để xét đến ảnh h ưởng ứng suất dư Một khó khăn khác áp dụng ph ương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép dầm thép uốn thường kèm với cắt hai ứng suất tương tác với Do vậy, khơng hồn tồn sử dụng thí nghiệm kéo mẫu để xác định c ường độ chảy fy cho dầm chịu uốn Một quan niệm khác ứng suất chảy có kết hợp xem xét hiệu ứng cắt logic Như vậy, phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép đ ã xây dựng cho thiết kế kết cấu thép tĩnh định Nó không thiết phải đ ược áp dụng cách cứng nhắc cho vật liệu khác cho kết cấu siêu tĩnh Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép đ ược dùng làm sở cho số tiêu chuẩn thiết kế nước giới, chẳng hạn, tiêu chuẩn Viện kết cấu thép Mỹ (AISC) 1.2.2.2 Thiết kế theo hệ số sức kháng v hệ số tải trọng (LRFD) Để xét đến thay đổi hai vế bất đẳng thức công thức 1.1, vế sức kháng nhân với hệ số sức kháng dựa tr ên thống kê  , thường có giá trị nhỏ 1, vế tải trọng nhân với hệ số tải trọng dựa tr ên thống kê  , thường có giá trị lớn Vì hiệu ứng tải trọng trạng thái giới hạn (TTGH) định tổ hợp loại tải trọng khác (Qi) có mức độ dự đốn khác n ên vế hiệu ứng tải trọng thể tổng giá trị  i Qi Nếu sức kháng danh định cho Rn tiêu chuẩn an tồn  Rn  hiƯu øng cđa   i Qi (1.2) Vì cơng thức 1.2 chứa hệ số tải trọng v hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế gọi phương pháp thiết kế theo hệ số sức kháng v hệ số tải trọng (Load and Resistance Factor Design, viết tắt LRFD) Hệ số sức kháng  cho TTGH định phải xét đến khơng chắn - Thuộc tính vật liệu - Cơng thức dự đốn cường độ http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD - Tay nghề công nhân - Việc kiểm tra chất lượng - Tầm quan trọng phá hoại Hệ số tải trọng  i chọn loại tải trọng định phải xét đến không chắn - Độ lớn tải trọng - Sự xếp (vị trí) tải trọng - Tổ hợp tải trọng xảy Trong việc chọn hệ số sức kháng hệ số tải trọng cho cầu, lý thuyết xác xuất đ ược áp dụng cho số liệu cường độ vật liệu thống kê học, cho trọng lượng vật liệu tải trọng xe cộ Một số ý kiến đánh giá ph ương pháp LRFD tóm tắt sau: Ưu điểm phương pháp Xét tới thay đổi sức kháng v tải trọng Đạt mức độ an toàn đồng cho TTGH loại cầu khác nhau, khơng cần phân tích thống kê hay xác xuất phức tạp Đưa phương pháp thiết kế hợp lý quán Nhược điểm phương pháp Đòi hỏi thay đổi quan điểm thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ) Yêu cầu có hiểu biết lý thuyết xác xuất thống kê Yêu cầu có số liệu thống k ê đầy đủ thuật tốn tính xác xuất để điều chỉnh hệ số sức kháng cho phù hợp với trường hợp đặc biệt Phương pháp LRFD dùng làm sở cho tiêu chuẩn thiết kế Mỹ tiêu chuẩn Viện kết cấu thép Mỹ (AISC), Hiệp hội cầu đ ường Mỹ (AASHTO) tiêu chuẩn thiết kế cầu nước ta 1.2.3 Nguyên tắc Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 1.2.3.1 Vài nét việc biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (lúc đời, năm 2001, mang ký hiệu 22 TCN 272-01) biên soạn phần công việc dự án Bộ giao thông vận tải mang tên “Dự án phát triển Tiêu chuẩn cầu đường ” Kết việc nghiên cứu tham khảo đưa đến kết luận rằng, hệ thống Ti chuẩn AASHTO Hiệp hội cầu đường Mỹ thích hợp để chấp thuận áp dụng Việt nam Đó hệ thống Tiêu chuẩn hồn thiện thống nhất, cải biên để phù hợp với điều kiện thực tế n ước ta Ngôn ngữ tài liệu http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD tài liệu tham chiếu tiếng Anh, ngôn ngữ kỹ thuật thông dụng giới ngôn ngữ thứ hai phổ biến Việt nam Hơn nữa, hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO có ảnh hưởng lớn nước thuộc khối ASEAN m Việt nam thành viên Tiêu chuẩn thiết kế cầu dựa Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất thứ hai (1998), theo hệ đ ơn vị đo quốc tế SI Tiêu chuẩn LRFD đời năm 1994, sửa đổi xuất lần thứ hai năm 1998 Ti chuẩn soạn thảo dựa kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn khác tr ên khắp giới nên coi đại diện cho trình độ đại hầu hết lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm Các tài liệu Việt nam liệt kê tham khảo nguồn gốc liệu thể điều kiện thực tế Việt nam: Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18–1979 Tiêu chuẩn tải trọng gió TCVN 2737 – 1995 Tiêu chuẩn tải trọng nhiệt TCVN 4088 – 1985 Tiêu chuẩn thiết kế chống động đất 22 TCN 221 – 1995 Tiêu chuẩn giao thông đường thủy TCVN 5664 – 1992 Các quy định Tiêu chuẩn thiết kế cầu nhằm sử dụng cho công tác thiết kế, đánh giá khôi phục cầu cố định cầu di động tuyến đường Các điều khoản không liên quan đến cầu đường sắt, xe điện ph ương tiện công cộng khác Các yêu cầu thiết kế cầu đ ường sắt dự kiến ban hành phụ tương lai 1.2.3.2 Tổng quát Cầu phải thiết kế để đạt mục tiêu: thi cơng được, an tồn sử dụng được, có xét đến yếu tố: khả dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan Khi thiết kế cầu, để đạt mục tiêu này, cần phải thỏa mãn trạng thái giới hạn Kết cấu thiết kế phải có đủ độ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (có tính dư) tầm quan trọng khai thác phải xét đến Mỗi cấu kiện liên kết phải thỏa mãn công thức 1.3 tất trạng thái giới hạn    i Qi   Rn  Rr (1.3) đó: Qi hiệu ứng tác động (ví dụ, nội lực tải trọng ngồi sinh ra) i hệ số tải trọng: hệ số nhân dựa tr ên thống kê dùng cho hiệu ứng tác động Rn sức kháng danh định  hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa tr ên thống kê dùng cho sức kháng danh định Rr sức kháng tính tốn (hay sức kháng có hệ số), Rr = .Rn http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD  hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính d tầm quan trọng khai thác tải trọng dùng giá trị max    D  R  I  0, 95   1,  R  D l tải trọng dùng giá trị min D hệ số xét đến tính dẻo R hệ số xét đến tính dư I hệ số xét đến tầm quan trọng khai thác Hai hệ số đầu có liên quan đến cường độ cầu, hệ số thứ ba xét đến l àm việc cầu trạng thái sử dụng Đối với tất trạng thái giới hạn c ường độ, D = R = 1,0 1.2.3.3 Khái niệm tính dẻo, tính dư tầm quan trọng khai thác Hệ số xét đến tính dẻo D Tính dẻo yếu tố quan trọng an to àn cầu Nhờ tính dẻo, phận chịu lực lớn kết cấu phân phối lại tải trọng sang phận khác có dự trữ cường độ Sự phân phối lại n ày phụ thuộc vào khả biến dạng phận chịu lực lớn liên quan đến phát triển biến dạng dẻo m không xảy phá hoại Nếu cấu kiện cầu đ ược thiết kế cho biến dạng dẻo xuất th ì có dự báo cấu kiện bị tải Nếu l kết cấu BTCT vết nứt phát triển cấu kiện xem vào tình trạng nguy hiểm Phải tránh l àm việc giịn dẫn đến khả chịu lực đột ngột v ượt giới hạn đàn hồi Các cấu kiện liên kết BTCT làm việc dẻo hạn chế hàm lượng cốt thép chịu uốn bố trí cốt đai để kiềm chế biến dạng Cốt thép đ ược bố trí đối xứng để chịu uốn, điều n ày cho phép xảy làm việc dẻo Nói tóm lại, thiết kế, quy định Ti chuẩn tuân theo thực nghiệm cho thấy rằng, cấu kiện s ẽ có đủ tính dẻo cần thiết Đối với trạng thái giới hạn c ường độ, hệ số liên quan đến tính dẻo quy định sau: D  1,05 cấu kiện liên kết không dẻo D = 1,0 thiết kế thông th ường chi tiết theo Tiêu chuẩn D  0,95 cấu kiện liên kết có biện pháp tăng th êm tính dẻo vượt yêu cầu Tiêu chuẩn http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Hệ số xét đến tính dư R Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt to lớn khoảng an to àn kết cấu cầu Một kết cấu siêu tĩnh dư có nhiều liên kết số liên kết cần thiết để đảm bảo khơng biến dạng hình học Ví dụ, dầm cầu liên tục ba nhịp kết cấu siêu tĩnh bậc hai Một tổ hợp hai liên kết đơn, hai liên kết chống quay, li ên kết đơn liên kết chống quay bị m khơng dẫn tới hình thành khớp dẻo tải trọng tác dụng tìm đường khác để truyền xuồng đất Khái niệm nhiều đường truyền lực tương đương với tính dư Các đường truyền lực đơn hay kết cấu cầu không dư khuyến cáo không nên sử dụng Tính dư kết cấu cầu làm tăng khoảng an toàn chúng điều phản ánh trạng thái giới hạn cường độ qua hệ số xét đến tính dư R, quy định Tiêu chuẩn 22 TCN 272-01 sau: R  1,05 cấu kiện không d R = 1,0 cấu kiện có mức d thông thường R  0,95 cấu kiện có mức d đặc biệt Hệ số xét đến tầm quan trọng khai thác I Các cầu xem có tầm quan trọng khai thác chúng nằm đường nối khu dân c bệnh viện trường học, đường dành cho lực lượng công an, cứu hỏa phương tiện giải cứu nhà ở, quan khu công nghiệp Cầu coi quan trọng chúng giúp giải tình trạng vịng tắc đường, giúp tiết kiệm thời gian v xăng dầu cho người lao động làm trở nhà Nói tóm lại, khó tìm thấy tình mà cầu không coi quan trọng khai thác Một ví dụ cầu khơng quan trọng cầu đường phụ dẫn tới vùng hẻo lánh sử dụng khơng phải quanh năm Khi có cố động đất, điều quan trọng l tất đường huyết mạch, cơng trình cầu, phải thơng Vì vậy, u cầu sau đặt trạng thái giới hạn đặc biệt trạng thái giới hạn c ường độ: I  1,05 cầu quan trọng I = 1,0 cầu điển hình I  0,95 cầu quan trọng Đối với trạng thái giới hạn khác : I = 1,0 1.2.3.4 Các trạng thái giới hạn Kết cấu cầu thép phải thiết kế cho, tác dụng tải trọng, khơng vào TTGH quy định Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 Các TTGH áp dụng tất giai đoạn đời kết cấu cầu Điều kiện http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD phải đặt cho tất TTGH l sức kháng có hệ số phải không nhỏ h ơn hiệu ứng tổ hợp tải trọng có hệ số (cơng thức 1.3) Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, kết cấu thép, có bốn trạng thái giới hạn đề cập:  Trạng thái giới hạn sử dụng: xét đến nhằm hạn chế biến dạng cấu kiện hạn chế ứng suất thép  Trạng thái giới hạn cường độ: xét đến nhằm đảm bảo khả chịu lực phận kết cấu cường độ ổn định tổ hợp tải trọng c  Trạng thái giới hạn mỏi: xét đến nhằm hạn chế bi ên độ ứng suất xe tải thiết kế gây với số chu kỳ bi ên độ ứng suất dự kiến  Trạng thái giới hạn đặc biệt: đ ược xét đến nhằm đảm bảo tồn cầu xảy cố đặc biệt nh động đất, va đâm xe, xói lở, lũ lớn Trạng thái giới hạn sử dụng TTGH sử dụng liên quan đến phẩm chất cầu chịu tải trọng trạng thái khai thác Ở TTGH sử dụng kết cấu thép, giới hạn đ ược đặt độ võng biến dạng đàn hồi tải trọng sử dụng Bằng hạn chế độ võng, độ cứng thích hợp đảm bảo độ dao động giảm tới mức chấp nhận đ ược Bằng kiểm tra chảy cục bộ, tránh biến dạng đàn hồi thường xuyên cải thiện khả giao thơng Vì quy định cho TTGH sử dụng dựa kinh nghiệm phán người thiết kế xác định theo thống k ê, hệ số sức kháng  , hệ số điều chỉnh tải trọng  hệ số tải trọng  i công thức 1.3 lấy đơn vị Giới hạn độ võng không bắt buộc Nếu chủ đầu tư yêu cầu, lấy độ võng tương đối cho phép hoạt tải l l , với l chiều dài nhịp tính tốn Trong tính 800 tốn độ võng, phải giả thiết phân phối tải trọng dầm, độ cứng chống uốn dầm có tham gia làm việc mặt cầu đóng góp độ cứng chi tiết gắn liền rào chắn gờ chắn bánh bê tơng Nói chung, kết cấu cầu có độ cứng lớn giá trị xác định tính tốn Do vậy, việc tính tốn độ võng ước lượng độ võng thực tế Các giới hạn biến dạng đàn hồi bắt buộc Sự chảy cục d ưới tải trọng sử dụng II (theo AASHTO LRFD) không phép Sự chảy cục n ày không xảy cho mặt cắt thiết kế công thức 1.3 TTGH c ường độ hiệu ứng lực lớn xác định phân tích đ àn hồi Tuy nhiên, có phân phối lại mơ men q đàn hồi khớp dẻo hình thành ứng suất phải kiểm tra Trong trường hợp này, ứng suất biên chịu uốn dương chịu uốn âm cần không vượt quá:  Đối với hai biên thép mặt cắt liên hợp (dầm thép, bê tông) http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD f f  0, 95 Rh Fyf (1.4)  Đối với hai biên thép mặt cắt không liên hợp f f  0,80 Rh Fyf (1.5) đó, Rh hệ số giảm ứng suất bi ên cho dầm lai (là dầm mà vách biên làm vật liệu khác nhau), ff ứng suất đàn hồi biên gây tải trọng sử dụng II (MPa) Fyf ứng suất chảy biên (MPa) Đối với trường hợp dầm thơng thường có loại thép vách biên, Rh  1, Việc đảm bảo công thức 1.4 (hay 1.5) ngăn chặn phát triển biến dạng th ường xuyên chảy cục biên tác động vượt tải sử dụng xảy Trạng thái giới hạn mỏi đứt gãy Thiết kế theo TTGH mỏi bao gồm việc giới hạn bi ên độ ứng suất xe tải mỏi thiết kế sinh tới giá trị phù hợp với số chu kỳ lặp b iên độ ứng suất suốt tr ình khai thác cầu Thiết kế cho TTGH đứt gãy bao gồm việc lựa chọn thép có độ dẻo dai thích hợp cho phạm vi nhiệt độ định Chi tiết tải trọng mỏi kiểm toán mỏi tham khảo t ài liệu [3], [4] Trạng thái giới hạn cường độ TTGH cường độ có liên quan đến việc quy định cường độ sức kháng đủ để thoả m ãn bất đẳng thức công thức 1.3 cho tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống k ê cho cầu khai thác an tồn đời thiết kế TTGH cường độ bao hàm đánh giá sức kháng uốn, cắt, xoắn lực dọc trục Các hệ số sức kháng  xác định thống kê thường nhỏ 1,0 có giá trị khác vật liệu v TTGH khác Các hệ số tải trọng xác định thống k ê  i cho ba tổ hợp tải trọng khác bảng 1.1 theo xem xét thiết kế khác TTGH cường độ định cường độ tĩnh vật liệu hay ổn định m ột mặt cắt cho Có tổ hợp tải trọng cường độ khác quy định bảng 1.2 (Theo AASHTO LRFD: có t ổ hợp tải trọng cường độ) Đối với phận riêng biệt kết cấu cầu, hai số tổ hợp tải trọng cần xét đến Sự khác biệt tổ hợp tải trọng cường độ chủ yếu liên quan đến hệ số tải trọng quy định hoạt tải Tổ hợp tải trọng sinh hiệu ứng lực lớn so sánh với cường độ sức kháng mặt cắt ngang cấu kiện Trong tính tốn sức kháng hiệu ứng tải trọng có hệ số lực dọc trục, lực uốn, lực cắt xoắn, không chắn biểu thị qua hệ số giảm cường độ hay hệ số sức kháng  Hệ số  hệ số nhân sức kháng danh định Rn thỏa mãn thiết kế đảm bảo công thức 1.3 Trong cấu kiện thép, khơng chắn có liên quan đến thuộc tính vật liệu, kích thước mặt cắt ngang, dung sai chế tạo, tay nghề công nhân v http://www.ebook.edu.vn 10 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD công thức dùng để tính tốn sức kháng Tầm quan trọng phá hoại đề cập hệ số Chẳng hạn, hệ số sức kháng cột nhỏ dầm liên kết nói chung phá hoại cột kéo theo nguy hiểm cho kết cấu tựa tr ên Các xem xét phản ánh hệ số sức kháng TTGH cường độ cho bảng 1.1 Bảng 1.1 Các hệ số sức kháng cho TTGH c ường độ Trường hợp chịu lực Hệ số sức kháng Uốn f = 1,00 Cắt  = 1,00 Nén dọc trục, cấu kiện có thép c = 0,90 Nén dọc trục, cấu kiện liên hợp c = 0,90 Kéo, đứt gãy mặt cắt thực (mặt cắt hữu hiệu) u = 0,80 Kéo, chảy mặt cắt nguyên y = 0,95 Ép mặt tựa chốt, lỗ doa, khoan, lỗ bu lông v bề mặt cán b = 1,00 Ép mặt bu lông lên thép bb = 0,80 Neo chống cắt sc = 0,85 Bu lông A325M A490M chịu kéo t = 0,80 Bu lông A307 chịu kéo t = 0,65 Bu lông A325M A490M ch ịu cắt s = 0,80 Cắt khối bs = 0,80 Kim loại hàn đường hàn ngấu hoàn toàn - Cắt diện tích hữu hiệu el = 0,85 - Kéo nén vng góc với diện tích hữu hiệu  =  thép - Kéo nén song song với diện tích hữu hiệu  =  thép Kim loại hàn đường hàn ngấu khơng hồn tồn - Cắt song song với trục đường hàn e2 = 0,80 - Kéo nén song song với trục đường hàn  =  thép - Nén vng góc với diện tích hữu hiệu - Kéo vng góc với diện tích hữu hiệu  =  thép el = 0,80 Kim loại hàn đường hàn góc - Kéo nén song song với trục đường hàn  =  thép - Cắt mặt phẳng tính tốn đ ường hàn e2 = 0,80 http://www.ebook.edu.vn 11 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Trạng thái giới hạn đặc biệt TTGH đặc biệt xét đến cố với chu kỳ xảy lớn tuổi thọ cầu Động đất, tải trọng băng tuyết, lực đâm xe va xô tàu thuyền coi cố đặc biệt thời điểm, xét đến cố Tuy nhiên, cố tổ hợp với lũ lụt lớn (khoảng lặp lại > 100 năm < 500 năm) với ảnh hưởng xói lở Hệ số sức kháng  TTGH đặc biệt lấy đơn vị 1.2.4 Giới thiệu tải trọng tổ hợp tải trọng 1.2.4.1 Các tổ hợp tải trọng Tiêu chuẩn AASHTO LRFD quy định xét 11 tổ hợp tải trọng Trong Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, việc tổ hợp tải trọng đơn giản hóa phù hợp với điều kiện Việt nam Có tổ hợp tải trọng đ ược quy định bảng 1.2 Bảng 1.2 Các tổ hợp tải trọng theo Ti chuẩn 22TCN 272-05 Tổ hợp tải trọng Mục đích tổ hợp tải trọng Các hệ số tải trọng chủ yếu Cường độ I Xét xe bình thường cầu khơng có gió Hoạt tải L= 1,75 Cường độ II Cầu chịu gió có tốc độ 25 m/s Tải trọng gió L= 1,40 Cường độ III Xét xe bình thường cầu có gió với tốc độ 25 m/s Hoạt tải L= 1,35 Tải trọng gió L= 0,40 Kiểm tra động đất, va xe, va xơ t àu thuyền xói lở Hoạt tải L= 0,50 Tải trọng đặc biệt L= 1,00 Kiểm tra tính khai thác, tức l độ võng bề rộng vết nứt bê tông Hoạt tải L= 1,00 Tải trọng gió L= 0,30 Kiểm tra mỏi cốt t hép Hoạt tải L= 0,75 Đặc biệt Khai thác Mỏi 1.2.4.2 Hoạt tải xe thiết kế Số xe thiết kế Bề rộng xe lấy 3500 mm để ph ù hợp với quy định “Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô” Số xe thiết kế xác định phần nguyên tỉ số w/3500, w bề rộng khoảng trống l òng đường hai đá vỉa hai r chắn, tính mm Hệ số xe Hệ số xe quy định bảng 1.3 Bảng 1.3 Hệ số xe m http://www.ebook.edu.vn 12 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Số chất tải Hệ số 1,20 1,00 0,85 >3 0,65 Hoạt tải xe ô tô thiết kế Hoạt tải xe ô tô mặt cầu hay kết cấu phụ trợ có ký hiệu l HL-93, tổ hợp xe tải thiết kế xe hai trục thiết kế v tải trọng thiết kế (hình 1.2)  Xe tải thiết kế Trọng lượng, khoảng cách trục v khoảng cách bánh xe xe tải thiết kế cho hình 1.1 Lực xung kích lấy theo bảng 1.4 Hình 1.1 Đặc trưng xe tải thiết kế Cự ly hai trục sau xe phải đ ược thay đổi 4300 mm v 9000 mm để gây ứng lực lớn Đối với cầu tuyến đường cấp IV thấp hơn, chủ đầu tư xác định tải trọng trục thấp tải trọng cho hình 1.1 hệ số chiết giảm 0,50 0,65  Xe hai trục thiết kế Xe hai trục gồm cặp trục 110.000 N cách 1200 mm Khoảng cách theo chiều ngang bánh xe 1800 mm Lực xung kích lấy theo bảng 1.4 http://www.ebook.edu.vn 13 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Đối với cầu tuyến đường cấp IV thấp hơn, chủ đầu tư xác định tải trọng hai trục thấp tải trọng nói hệ số chiết giảm 0,50 0,65  Tải trọng thiết kế Tải trọng thiết kế tải trọng có cường độ 9,3 N/mm phân bố theo chiều dọc cầu Theo chiều ngang cầu, tải trọng đ ược giả thiết phân bố bề rộng 3000 mm Khi tính nội lực tải trọng thiết kế, khơng xét tác động xung kích Đồng thời, giảm tải trọng thiết kế cho tuyến đ ường cấp IV thấp hơn, tải trọng giữ nguyên giá trị 9,3 N/mm, không nhân với hệ số (0,50 hay 0,65) Hình 1.2 Hoạt tải thiết kế theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD (1998)  Lực xung kích Tác động tĩnh học xe tải thiết kế xe hai trục thiết kế phải đ ược lấy tăng thêm tỉ lệ phần trăm cho tác động xung kích IM, quy định bảng 1.4 Bảng 1.4 Lực xung kích IM Cấu kiện IM Mối nối mặt cầu, tất trạng thái giới hạn 75% Tất cấu kiện khác  Trạng thái giới hạn mỏi 15%  Các trạng thái giới hạn khác 25% http://www.ebook.edu.vn 14 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD 1.3 Vật liệu Các thuộc tính thép thể cường độ chảy, cường độ kéo đứt, độ dẻo, độ rắn độ dai Cường độ chảy ứng suất mà xảy tăng biến dạng m ứng suất không tăng Cường độ chịu kéo ứng suất lớn đạt thí nghiệm kéo Độ dẻo số vật liệu phản ánh khả giữ đ ược biến dạng đàn hồi mà khơng xảy phá hoại Nó đ ược tính tỷ số độ giãn phá hoại độ giãn điểm chảy Độ rắn thuộc tính vật liệu cho phép chống lại m ài mòn bề mặt Độ dai thuộc tính vật liệu cho phép ti hao lượng mà không xảy phá hoại 1.3.1 Thành phần hóa học thép Thành phần hố học có ảnh hưởng trực tiếp tới cấu trúc thép, có li ên quan chặt chẽ đến tính chất học Thành phần hố học chủ yếu thép l sắt (Fe) bon (C) Lượng bon nhỏ có ảnh hưởng quan trọng tính chất học thép: lượng bon nhiều cường độ thép cao tính dẻo, tính dai tính hàn giảm Thép dùng xây dựng địi hỏi phải có tính dẻo cao để tránh đứt g ãy đột ngột nên hàm lượng bon hạn chế thấp, thường không lớn 0,2-0,22 % khối lượng Trong thép bon thường, sắt bon cịn có ngun tố hố học khác Các ngun tố hố học có lợi thường gặp mangan (Mn) silic (Si) Các nguyên tố có hại kể đến phốt (P) lưu huỳnh (S) thể rắn, ô xy (O) ni tơ (N) thể khí Các ngun tố có hại này, nói chung, làm cho thép tr nên giòn, đặc biệt thép làm việc điều kiện bất lợi (chịu ứng suất tập trung, tải trọng lặp, chịu nhiệt độ cao…) Thép hợp kim loại thép mà thành phần hố học kể trên, cịn có thêm nguyên tố kim loại bổ sung Các nguy ên tố đưa vào nhằm cải thiện số thuộc tính tốt thép làm tăng cường độ mà khơng giảm tính dẻo, tăng khả chống gỉ hay khả chống m ài mịn Chẳng hạn, crơm đồng làm tăng khả chống gỉ thép, sử dụng chế tạo thép chống gỉ, mangan l àm tăng cường độ thép kiềm chế ảnh hưởng xấu sunfua Tuy nhi ên, hàm lượng kim loại bổ sung cao (hợp kim cao) tính dẻo, tính dai, tính hàn giảm Thép hợp kim dùng xây dựng thép hợp kim thấp với thành phần kim loại bổ sung khoảng 1,5-2,0% http://www.ebook.edu.vn 15 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD 1.3.2 Khái niệm ứng suất dư Ứng suất tồn phận kết cấu m không tác động ngoại lực gọi ứng suất dư Điều quan trọng nhận biết có mặt ứng suất dư ảnh hưởng đến cường độ cấu kiện chịu lực Ứng suất d phát sinh q trình gia cơng nhiệt, gia cơng học hay q trình luyện thép Ứng suất dư gia cơng nhiệt hình thành nguội xảy không Ứng suất dư gia công học xảy biến dạng dẻo khơng bị kích ép Ứng suất dư luyện kim sinh thay đổi cấu trúc phân tử thép Khi mặt cắt ngang chế tạo hàn ba chiều, ứng suất dư xuất ba chiều Sự đốt nóng nguội làm thay đổi cấu trúc kim loại biến dạng thường bị cản trở, gây ứng suất d kéo đạt tới 400 MPa mối h àn Nhìn chung, mép thép bình thường chịu ứng suất dư nén, cắt nhiệt chịu ứng suất dư kéo Các ứng suất cân với ứng suất tương đương có dấu ngược lại vị trí khác cấu kiện Hình 1.3 biểu diễn cách định tính phân bố tổng thể ứng suất d thép hà n cán nóng Chú ý rằng, ứng suất hình ứng suất dọc Hình 1.3 Sơ họa ứng suất dư mặt cắt thép cán ghép xưởng (a) mặt cắt cán nóng, (b) mặt cắt h ình hộp hàn, (c) cán mép, (d) cắt mép lửa, (e) mặt cắt I tổ hợp hàn cắt mép lửa 1.3.3 Gia cơng nhiệt Thuộc tính học thép nâng cao phương pháp gia công nhiệt khác nhau: gia công làm ngu ội chậm gia công làm nguội nhanh http://www.ebook.edu.vn 16 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Gia công làm nguội chậm phép tơi chuẩn thơng thường Nó bao gồm việc nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt độ n ày khoảng thời gian thích hợp sau đó, làm nguội chậm khơng khí Nhiệt độ tơi tuỳ theo loại gia cơng Gia cơng làm nguội chậm làm tăng tính dẻo, tính dai thép, làm giảm tính dư khơng nâng cao cường độ độ cứng Gia công làm nguội nhanh định cho thép cầu, c òn gọi nhúng Trong phương pháp này, thép đư ợc nung nóng tới tới khoảng 900 0C, giữ nhiệt độ khoảng thời gian, sau làm nguội nhanh cách nhúng v bể nước bể dầu Sau nhúng, thép lại đ ược nung tới khoảng 500 0C, giữ nhiệt độ này, sau làm nguội chậm Tơi nhúng làm thay đổi cấu trúc vi mô thép, làm tăng cường độ, độ rắn độ dai 1.3.4 Phân loại thép kết cấu Các thuộc tính học loại thép kết cấu điển h ình biểu diễn bốn đường cong ứng suất-biến dạng hình 1.4 Mỗi đường cong đại diện cho loại thép kết cấu với thành phần cấu tạo đáp ứng yêu cầu riêng Rõ ràng loại thép ứng xử khác nhau, trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc toạ độ Bốn loại thép khác n ày nhận biết thành phần hố học cách xử lý nhiệt chúng Đó l thép bon (cấp 250), thép hợp kim thấp c ường độ cao (cấp 345), thép hợp kim thấp gia công nhiệt (cấp 485) thép hợp kim gia công nhiệt c ường độ cao (cấp 690) Các thuộc tính c học nhỏ thép cho bảng 1.5 Hình 1.4 Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình thép kết cấu http://www.ebook.edu.vn 17 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Bảng 1.5 Các thuộc tính học nhỏ thép cán d ùng cơng trình, cường độ chiều dày Thép kết cấu Thép hợp kim thấp cường độ cao Thép hợp kim thấp nhúng Thép hợp kim nhúng cường độ cao Ký hiệu theo AASHTO M270 Cấp 250 M270 Cấp 345 M270 Cấp 345W M270 Cấp 485W M270 Cấp 690/690W Ký hiệu theo ASTM tương đương A709M Cấp 250 A709M Cấp 345 A709M Cấp 345W A709M Cấp 485W A709M Cấp 690/690W Chiều dày (mm) Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Thép hình Tất nhóm Tất nhóm Tất nhóm Cường độ chịu kéo nhỏ nhất, Fu, (MPa) 400 450 485 620 760 690 Điểm chảy nhỏ cường độ chảy nhỏ nhất, Fy, (MPa) 250 345 345 485 690 620 Tới 65 Không áp Không áp dụng dụng Trên 65 tới 100 Không áp dụng Một tiêu chuẩn thống hoá cho thép cầu đ ược cho ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M-94a (M mét 94a năm xét lại lần cuối) Sáu cấp thép t ương ứng với bốn cấp cường độ cho bảng 1.2 hình 1.2 Cấp thép có ký hiệu “W” thép chống gỉ, có khả chống gỉ khơng khí tốt h ơn so với thép than thường sử dụng nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ Tất cấp thép bảng 1.5 hàn, nhiên với với quy cách hàn Mỗi cấp thép có yêu cầu riêng hàn phải tuân theo Trong hình 1.4, số ngoặc bốn mức c ường độ thép ký hiệu theo ASTM thép có cường độ chịu kéo thuộc tính biến dạng giống thép A709M Các số nêu chúng quen thuộc người thiết kế khung nhà thép cơng trình khác Sự khác thép thép A709M chỗ thép A709M dùng cho xây dựng cầu phải có u cầu bổ sung thí nghiệm xác định độ dai Các yêu cầu khác cấu kiện tới hạn đứt g ãy khơng đứt gãy tính tốn TTGH mỏi đứt gãy Hai thuộc tính tất cấp thép đ ược coi không đổi, mô đun đàn hồi Es = 200 GPa hệ số giãn nở nhiệt 11,7.10 -6 http://www.ebook.edu.vn 18 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Phần sau giới thiệu tóm tắt thuộc tính cấp thép ứng với cấp c ường độ khác Để giúp so sánh loại thép n ày, biểu đồ ứng suất-biến dạng giai đoạn đầu đường cong gỉ phụ thuộc thời gian đ ược cho, tương ứng, hình 1.5 1.6 Thép bon cơng trình Tên gọi thật khơng đặc trưng tất thép cơng trình có bon Đây định nghĩa kỹ thuật Các ti chuẩn để định loại thép bon tham khảo mục 8.2.5, tài liệu [4] Một đặc trưng chủ yếu thép bon cơng trình có điểm chảy nhận biết rõ thềm chảy dài Điều miêu tả hình 1.5 biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục m khơng đứt gãy Thuộc tính làm cho thép bon đặc biệt phù hợp sử dụng làm chi tiết liên kết Thép bon có tính hàn t ốt thích hợp cho bản, thép cán định hình xây dựng Chúng dự kiến cho sử dụng nhiệt độ khơng khí Mức độ gỉ hình 1.6 thép bon có đồng (Cu) khoảng nửa thép bon thông thường Thép hợp kim thấp cường độ cao Các thép có thành ph ần hố học hạn chế để phát triển c ường độ chảy cường độ kéo đứt lớn thép bon lư ợng kim loại bổ sung nhỏ h ơn thép hợp kim Cường độ chảy cao (Fy = 345 MPa) đạt điều kiện cán nóng h ơn qua gia cơng nhiệt Kết chúng có điểm chảy rõ ràng tính dẻo tuyệt vời miêu tả hình 1.5 Thép hợp kim thấp cường độ cao có tính hàn tốt thích hợp cho bản, thép cán định hình xây dựng Các hợp kim có sức kháng gỉ khơng khí cao cho thấy hình 1.6 Do có phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thường lựa chọn người thiết kế cầu có nhịp trung bình nhỏ Thép hợp kim thấp gia công nhiệt Thép hợp kim thấp cường độ cao gia cơng nhiệt để đạt đ ược cường độ chảy cao (Fy = 485 MPa) Thành phần hoá học cho cấp 345W v 485W gần Việc xử lý nhiệt (tôi thép) l àm thay đổi cấu trúc vi mô thép v làm tăng cường độ, độ rắn độ dai Sự gia công nhiệt làm điểm chảy thép dịch chuyển cao l ên cho thấy hình 1.5 Có chuyển tiếp rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử đàn hồi Cường độ chảy thép thường xác định độ giãn 0,5% tác dụng tải trọng độ giãn 0,2% theo định nghĩa b ù (xem hình 1.5) Thép hợp kim thấp gia cơng nhiệt h àn, nhiên thích hợp cho Sức kháng gỉ khơng khí củ a chúng giống thép hợp kim thấp cường độ cao http://www.ebook.edu.vn 19 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 AASHTO LRFD Hình 1.5 Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển hình thép cơng trình Hình 1.6 Các đường cong gỉ cho vài loại thép môi trường công nghiệp Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao Thép hợp kim loại thép có thành phần hố học khơng phải nh thép hợp kim thấp cường độ cao Phương pháp gia công nhiệt nhúng thực tương tự thép hợp kim thấp thành phần khác nguyên tố hợp kim làm phát triển cường độ cao (Fy = 690 MPa) tính dai lớn nhiệt độ thấp http://www.ebook.edu.vn 20 ... http://www.ebook.edu.vn Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2-0 5 AASHTO LRFD nghiệm tập thể kỹ sư quan nghiên c ứu Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -0 5, dựa tiêu chuẩn AASHTO LRFD (19 98) Hiệp... thiết kế cầu 22 TCN 27 2-0 5 1. 2.3 .1 Vài nét việc biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 27 2-0 5 Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 27 2-0 5 (lúc đời, năm 20 01, mang ký hiệu 22 TCN 27 2-0 1) biên soạn... thép cho bảng 1. 5 Hình 1. 4 Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình thép kết cấu http://www.ebook.edu.vn 17 Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2-0 5 AASHTO LRFD Bảng 1. 5 Các thuộc