Bài giảng môn học Kết cấu bê tông cốt thép (theo 22TCN 27205): Chương 3 TS. Đào Sỹ Đán

CHƯƠNG 3.
NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN KẾT CẤU
BTCT
1.Quan
điểm
về
1Q
điể chung
h
ề thiết kế
2.Sự
ựp
phát triển của q
quá trình thiết kế
3.Nguyên tắc cơ bản của Tiêu chuẩn
thiết kế cầu 22 TCN 272-05

Trường Đại học Giao thông Vận tải
University of Transport and Communications


3.1. QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KẾ
3.1.1. Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (1/2)
 TCTK cầu
ầ cũ:
ũ 22 TCN 18-79
18 79 (Quy
(Q
t ì h thiết kế cầu
trình
ầ cống

ố
th
theo
TTGH - QT 79). Nguồn gốc từ TCTK cầu của Liên Xô 1962 &1967.
 TCTK cầu mới: 22 TCN 272-05
 2011, ban hành thử nghiệm
g
22 TCN 272-01 ((dùng
g // với QT 79);
)
 7/2005, chính thức ban hành 22 TCN 272-05 & bỏ QT 79;
 Thực chất của 22 TCN 272-05: AASHTO LRFD 98 (Mỹ),
(Mỹ) có nguồn
gốc từ ACI, ANSI, AISC, AWS & ASTM.
 AASHTO LRFD 98 = AASHTO LRFD Bridge Specification, 1998
(American Association of State Highway and Transportation officials);
 ACI (American Concrete Institute); AISC (American Institute of Steel
Construction);
Co
st uct o ); LRFD ((Load
oad a
and
d Resistance
es sta ce Factor
acto Design);
es g );


2

3.1. QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KẾ
3.1.1. Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (2/2)
 Một số điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện VN:
 Hoạt tải xe
e ô tô thiết kế:
kế IM = 25% (AASHTO,
(AASHTO IM = 33%);
33%)
 Gió:

TCVN 2737-1995;;

 Nhiệt độ:

TCVN 4088-1985;

 Giao thông thủy:

TCVN 5664-1992;

 Động đất:

22 TCN 221-1995;

 Băng
Bă tuyết:
t ết

Khô có;

Không
ó



3


3.1. QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KẾ
3.1.2. Quan điểm chung về thiết kế
 TK là gì?
ì? là đưa
đ
ra phương
h
á kết cấu
án
ấ thỏa
thỏ mãn
ã mọii tiêu
tiê chuẩn
h ẩ tính
tí h
toán và cấu tạo được quy định trong các TCTK;
 Mục tiêu của TK là gì?
SK của k/c ≥ Hiệu ứng
g do tác động
g của tải trọng
g
Điều kiện này phải thỏa mãn trên tất cả các bộ phận của kc và tất cả

các TTGH;
 SK của kc là gì? là khả năng chịu lực tối đa của kết cấu;
 TTGH là gì? là TT của kc mà nếu
ế vượt qua nó thì kc hay 1 bộ phận
của kc không thỏa mãn mục tiêu của TK;
 Hiệu ứng của tải trọng là gì? là các ứng xử của kết cấu dưới tác
dụng
dụ
g của tả
tải ttrọng
ọ g như
ư M,, V,, ứ
ứng
g suất, b
biến
ế dạ
dạng,…
g,


4


3.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
3.2.1. Thiết kế theo ứng suất cho phép – ASD (Allowable Stress Design)
 Công
Cô thức
thứ của
ủ phương
h

pháp:
há

R
fmax   f  
F
Trong đó: fmax là us lớn nhất
ấ td lên kc, [f] là ưs cho phép của kc, R là cđ
vật liệu và F là hệ số an toàn. PP này có những nhược điểm sau:
 fmax được xđ dựa trên giả sử vật liệu là đh tt & đh  khác thực tế;
 Hệ số
ố an toàn
t à chỉ
hỉ xét
ét riêng
iê cho
h cường
ờ độ vl,l không
khô xét
ét tới sự thay
th
đổi của tt;
 F được quy định ≥ 1,0?  không rõ ràng, nó được chọn trên ý kiến
chủ quan của kỹ sư,
sư k có cơ sở tin cậy về thống kê & xác suất .


5

3.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
3.2.2. Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng – LRFD (1/2)
 Công
Cô thức
thứ của
ủ phương
h
pháp:
há
Sk của kết cấu, Rn ≥ Hiệu ứng của tải trọng, iQi
Trong đó:
 Rn = Sk danh định của kc = sk của kc theo thiết kế (Mn,
(Mn Vn,...);
Vn );
  = hệ số sk, nhằm xét tới sự thay đổi của sk kc trong thực tế do:
Tính chất vật liệu;
Phương trình dự tính cường độ;
Tay nghề của công nhân;
ĐK kiểm soát chất lượng;
ĐK môi trường,
trường v.v.
vv


6


3.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ
3.2.2. Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng – LRFD (2/2)
 Qi = Hiệu

Hiệ ứng
ứ do
d tác
tá động
độ của
ủ tt thứ i (Mi,
(Mi Vi,...);
Vi )
 i = hệ số tải trọng tương ứng với tt thứ i, nhằm xét tới sự thay đổi
của tt thứ i trong thực tế về:
Độ lớn của tt;
Sự sắp xếp của tt;
Tổ hợp tải trọng,
trọng v.v.
vv
 Vì có nhiều tải trọng cùng tác dụng vào kc, nên hiệu ứng của tt bằng
tổng
ổ hiệu ứng của các tt.
 PP này sử dụng đồng thời 2 hệ số đắt tiền là  &   LRFD.
 Ưu điểm: khắc phục được các nhược điểm của ASD;
 Nhược
ược đ
điểm:
ể Phải
ả tthay
ay đổ
đổi tư duy ttk;; p
phải
ả có kiến
ế tthức

ức về
ề xstk.
st


7


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.1. Nguyên tắc cơ bản của TCTK cầu 22 TCN 272-05

(1/5)

a) Công thức tổng quát
 Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 dựa trên pp của LRFD  cttq như sau:

Rr Rn iQi

(*)

Công thức này phải thỏa mãn ở mọi bộ phận của kc và mọi TTGH;
Trong đó:
 Rn = Sk danh định của kc = sk của kết cấu theo thiết kế (Mn, Vn,…);
  = hệ số sk, nhằm xét tới sự thay đổi của sk kc trong thực tế về:
Tính chất vật
ậ liệu;
ệ điều kiện
ệ chịu
ị lực;
ự

Phương trình dự tính cường độ;
Tay nghề của công nhân; ĐK kiểm soát chất lượng;
ĐK môi trường, v.v.
Thông thường hệ số  <= 1,0
1 0 để thiên về an toàn!


8


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.1. Nguyên tắc cơ bản của TCTK cầu 22 TCN 272-05

(2/5)

 Qi = Hiệu
Hiệ ứng
ứ do
d tác
tá động
độ của
ủ tt thứ i (Mi,
(Mi Vi,…);
Vi )
 i = hệ số tải trọng tương ứng với tt thứ i, nhằm xét tới sự thay đổi
của tt thứ i trong thực tế về:
Độ lớn của tt;
Sự sắp xếp của tt;
Tổ hợp
h tải trọng,

t
v.v.
Thông thường I ≥ 1,0 để thiên về an toàn!
 Vì có nhiều tải trọng cùng tác dụng vào kc, nên hiệu ứng của tt được
xđ bằng tổng hiệu ứng của các tt cùng tác dụng vào kc.
  = hệ số hiệu chỉnh tải trọng, được xđ như sau (khi sd max):

 D.R.I  0,95



9


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.1. Nguyên tắc cơ bản của TCTK cầu 22 TCN 272-05

(3/5)

Trong đó:
• D = hệ số dẻo,
dẻo nhằm xét tới tính dẻo của kc.
kc Tính dẻo của kc là gì?
Tính dẻo ảnh hưởng
g đến sự
ự an toàn của kc?  Kc càng
g dẻo thì càng
g
an toàn?
Ở TTGHCĐ, D được quy định như sau (ở các TTGH khác D = 1,0):

D ≥ 1,05

cho kết cấu không dẻo;

D ≥ 0,95
0 95 ( 1,00)
1 00)

cho kết cấu dẻo;

D = 1,00
,

cho kết cấu bình thường.
g



10


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.1. Nguyên tắc cơ bản của TCTK cầu 22 TCN 272-05

(4/5)

• R = hệ số dư thừa, nhằm xét tới tính dư thừa của kc. Tính dư thừa
của kc là gì?
Tính dư thừa ảnh hưởng
g đến sự

ự an toàn của kc?  Kc càng
g dư thừa
thì càng an toàn?
Ở TTGHCĐ, R được quy định như sau (ở các TTGH khác R = 1,0):
R ≥ 1,05

cho kết cấu không dư thừa;

R ≥ 0,95
0 95 ( 1,00)
1 00)

cho kết cấu dư thừa;

R = 1,00
,

cho kết cấu bình thường.
g



11


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.1. Nguyên tắc cơ bản của TCTK cầu 22 TCN 272-05

(5/5)

• I = hệ số tầm quan trọng, nhằm xét tới tính quan trong của kc. Tầm
quan trọng của kc là gì?
Tầm q
quan trọng
ọ g ảnh hưởng
g đến sự
ự an toàn của kc?  Kc càng
gq
quan
trọng thì càng phải an toàn?
Ở TTGHCĐ, I được quy định như sau (ở các TTGH khác R = 1,0):
R ≥ 1,05

cho kết cấu quan trọng;

R ≥ 0,95
0 95 ( 1,00)
1 00)

cho kết cấu không quan trọng;

R = 1,00
,

cho kết cấu bình thường.
g



12

3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.2. Các trạng thái giới hạn

(1/3)

TTGH? là TT mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận kc không
thỏa mãn mục tiêu do thiết kế đề ra. TC 05 quy định 4 TTGH như sau:
a) TTGH cường độ
TTGH cường độ phải được xem xét để đảm bảo cho kết cấu không bị
phá hoại (đứt gãy hoặc sụp đổ) dưới tác dụng của tt. TTGH cường độ
lại được chia nhỏ thành:
 TTGHCĐ I: là TTGHCĐ liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn
qua cầu và không
q
g có g
gió;
 TTGHCĐ II: là TTGHCĐ liên quan đến việc cầu chịu gió với v > 25
m/s và không có xe qua cầu;
 TTGHCĐ III: là TTGHCĐ liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn
qua cầu và trên cầu có gió với v = 25 m/s.
m/s


13


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.2. Các trạng thái giới hạn

(2/3)

b) TTGH đặc biệt
TTGHĐB là TTGH phải được xem xét để đảm bảo cho kết cấu không
bị phá hoại do tác dụng của
ủ những tải
ả trọng đặc biệt? như động đất,
ấ va
xô (tàu bè và xe cộ) và xói lở.
c) TTGH sử dụng
TTGHSD là TTGH phải được xem xét để đảm bảo cho kết cấu sử dụng
được bình thường (hạn chế biến dạng, bề rộng vết nứt và ứng suất
trong
g bt và ct)) dưới tác dụng
ụ g của tải trọng
ọ g trong
g điều kiện
ệ tiêu chuẩn (
= 1,0, gió có v = 25 m/s).
d) TTGH mỏi
TTGHM là TTGH phải được xem xét để đảm bảo cho kết cấu không bị
phá hoại dưới tác dụng của tải trọng mỏi (xe cộ chạy trên cầu).
cầu)


14


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05

3.3.2. Các trạng thái giới hạn

(3/3)

Một số
ố hình
hì h ảnh
ả h về
ề TTGH đặc
đặ biệt



15


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

(1/6)

a) Phân loại tải trọng
Theo tính chất tác dụng của tt, tt được chia thành 2 loại:
 Tt thường xuyên (dài hạn): là những tt tác dụng dài hạn vào kc, như
trọng lượng bản thân kc, lớp phủ mc, các tiện ích trên cầu, v.v.
 Tt tức thời (ngắn hạn): là các tt tác dụng ngắn hạn vào kc, thay đổi
về độ lớn, vị trí và hướng theo tg, như hoạt tải xe ô tô, gió, đđ, v.v.
Ví dụ về các tải trọng thường xuyên:
DC
= tải trọng bản thân của các bộ phận kc và thiết

ế bị phụ phi kc;
DD
= tải trọng kéo xuống (xét hiện tượng ma sát âm);
DW
= tải trọng
t
bản
bả thân
thâ của
ủ lớp
lớ phủ
hủ mặt
ặt và
à các
á tiện
tiệ ích
í h trên
t ê cầu;
ầ
EH
= tải trọng áp lực đất nằm ngang;
EL
= các hiệu ứng bị hãm tích luỹ do phương pháp thi công
công,
ES
= tải trọng đất chất thêm;
EV
= áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp
đắp.

16


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

(2/6)

Ví dụ về các tải trọng tức thời:
BR

= lực hãm xe,

LS

= hoạt tải chất thêm,

CE

= lực ly tâm,

PL

= tải trọng người đi,

CR

= từ biến,

SE

= lún,

CT

= lực va xe,

SH

= co ngót,

CV

= lực va tầu,
tầu

TG

= gradien nhiệt,
nhiệt

EQ

= động đất,

TU

= nhiệt độ đều,

FR

= ma sát,

WA

= tải trọng nước và áp lực

IM

g kích ((lực động)
g) dòng
g chảy,
y
= lực xung

của xe,
LL

= hoạt tải xe,
xe



WL

= gió trên hoạt tải,

WS = tải trọng gió trên kết cấu.
cấu

17


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

(3/6)

b) Tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng
 THTT? Một kc thường chịu td của nhiều tải trọng khác nhau và các tt
y có thể không
g xh đồng
g thời với nhau  Khi tính hiệu
ệ ứng
g do td của
này
tt, ta cộng hiệu ứng của tất cả các tt trên k?  Không. Việc xem xét
tính tổng hiệu ứng của các tt có thể xh đồng thời gọi là THTT.
 AASHTO LRFD 98 qđịnh phải xem xét 11 THTT. Tuy nhiên, TC 05
đã đơn giản hóa còn 6 THTT như sau:



18


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

(4/6)

Các THTT và hệ số tải trọng tương ứng (A3.4.1-1)
(A3 4 1-1)
DC
Tổ hợp tải 
Tổ
hợp tải DD
trọng hay  DW
Trạng thái  EH
giới hạn
giới hạn
EV
ES
C ờ độ I
Cường độ I

p

LL
IM
CE
BR
PL
LS
EL
1,75

Cường độ II

p

‐

1,00

1,40

C ờ độ III
Cường độ III

p

1,35

1,00

0.4

Đặc biệt

p

0,50

1,00

‐

Sử dụng
ửd

1.0 1,00

1,00

Mỏi chỉ có LL, 
IM & CE
IM & CE

‐

0,75



WA

WS

WL

TG SE
EQ

CT

CV

1,00 0,5/1.2 TG SE

‐

‐

‐

1,00 0,5/1.2 TG SE

‐

‐

‐

1,00 1,00 0,5/1.2 TG SE

‐

‐

‐

1,00

‐

‐
‐

‐

FR

TU
CR
SH

Cùng một lúc chỉ 
dùng một trong
dùng một trong 
các tải trọng

‐

1,00

‐

‐

‐

0,30 1,00 1,00 1,0/1,2 TG SE
‐

‐

‐

‐

‐

‐

1,00 1,00 1,00
‐

‐

‐

‐

‐

‐
19


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

(5/6)

(A3 4 1-2)
Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thường xuyên (A3.4.1-2)

20


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.3. Tải trọng và tổ hợp tải trọng

(6/6)

Khối lượng riêng (tỷ trọng) tham khảo của một số vật liệu (A3
(A3.5.1-1)
5 1-1)
Vật liệu
Hợp kim nhôm
Lớp phủ bê tông at-phan
Xỉ than
Cát chặt, phù sa hay đất sét
Nhẹ
Bê tông
Cát nhẹ
Thường
Cát rời, phù sa hoặc sỏi
Đất
ấ sét mền
ề
Sỏi cuội, macadam hoặc balat
Thép
Đá xây
Nước
Ngọt
Mặ

Mặn


Tỷ trọng (kg/m3)
2800
2250
960
1925
1775
1925
2400
1600
1600
2250
7850
2725
1000
1025
21


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.4. Hệ số sức kháng

(1/2)

 Hệ số sức kháng với TTGH cường độ cho kết cấu BTCT thi công
theo phương pháp thông thường được quy định như sau (A5.5.4.2.1):
Trạng thái giới hạn cường độ
Đối với uốn và kéo:

Bê tông cốt thép
Bê tông cốt
ố thép dự ứng lực
Đối với cắt và xoắn:
g có tỷ
ỷ trọng
g thông
g thường
g
Bê tông
Bê tông có tỷ trọng thấp
Đối với nén dọc trục có cốt thép xoắn hoặc giằng, trừ trường
hợp động đất vùng 3
Đối với bộ phận đỡ tựa trên bê tông
Đối với nén trong mô hình chống và giằng
Đối với nén tại vùng neo:
Bê tông có tỷ trọng thông thường
Bê tông có tỷ trọng thấp
Đối với
ới ké
kéo ttrong cốt
ốt thé
thép ttạii vùng
ù neo


Hệ số 
0,90
1,00
0,90

0,70
0,75
0,70
0,70
0,80
0,65
1 00
1,00
22


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.4. Hệ số sức kháng

(2/2)

 Đối với cấu kiện chịu nén và uốn kết hợp,  được nội suy như sau:
 = 0,75
0 75 + (0,9
(0 9 – 0,75).0,75Pn/(0,1f
0 75) 0 75Pn/(0 1f’cc.Ag)
Ag) <= 0,9
09
 Đối với với ck dưl một
ộ p
phần chịu
ị uốn,,  được
ợ nội
ộ suyy như sau:
 = 0,9 + 0,1(PPR)

Trong đó: PPR là tỷ lệ DƯL một phần, được xác định như sau:
PPR = Aps.fpy/(Aps.fpy + As.fy)
 Đối với các trạng thái giới hạn khác,
khác hệ số sức kháng được lấy mặc
định
ị  = 1,0.
,


23


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.5. Hoạt tải xe ô tô thiết kế

(1/4)

a)) Số làn
là xe thiết kế và
à hệ số
ố làn
là xe
 Bề rộng một làn xe chạy được lấy = 3500 mm  Số làn xe thiết kế ,
nL, được bằng phần nguyên của tỷ số W/3500. W là bề rộng phần xe
chạy = khoảng trống của lòng cầu giữa hai đá vỉa hoặc lan can (mm).
 Nhằm xét tới xs tất cả các làn xe đồng thời có xe, hiệu ứng của các
xe ô tô tk trên
t ê các
á làn
là phải

hải được
đ
nhân
hâ với
ới hệ số
ố làn
là xe, m, như
h sau:
500
500
W
Hệ số làn xe (A3.6.1.1.2-1)
Số
ố làn xe Hệ số
ố làn
xe, m
Se

4@S = 4S
B

MCN cầu
ầ thông
thô th
thường
ờ


Se

1

1 20
1,20

2

1,00

3

0 85
0,85

>3

0,65

24


3.3. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO 22 TCN 272-05
3.3.5. Hoạt tải xe ô tô thiết kế

(2/4)

b) Hoạt
H t tải xe ô tô thiết kế
 Hoạt tải xe ô tô thiết kế chạy trên cầu ký hiệu là HL-93, là tổ hợp lớn
hơn của:

 Xe tải thiết kế

+ Tải trọng làn thiết kế;

 Xe hai trục thiết kế

+ Tải trọng làn thiết kế.

 Xe tải thiết kế

35 kN

145 kN

145 kN

1800 mm

4300 mm ((4300  9000)) mm


25