Cơ sở thiết kế công trình dân dụng và công nghiệp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (21.46 MB, 148 trang )
MỤC LỤC
Trang
Giới thiệu môn học
1
Chương 1 : Mở đầu
2
1.1
Luật Xây dựng
2
1.2
Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật
3
1.3
Tiêu chuẩn xây dựng và Quy chuẩn xây dựng
6
1.4
Cơng trình xây dựng & thiết kế xây dựng cơng trình
8
1.5
Thiết kế kết cấu cơng trình
11
1.6
Bài tập
14
Chương 2 : Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn
15
2.1
Lịch sử các phương pháp thiết kế kết cấu và nền
15
2.2
Những khái niệm của phương pháp trạng thái giới hạn
17
2.3
Tính tốn kết cấu theo trạng thái giới hạn
20
2.3
Thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn
23
2.4
Độ an toàn của kết cấu
25
2.5
Bài tập
26
Chương 3 : Tải trọng và tác động trong thiết kế cơng trình DD&CN
27
3.1
Khái qt chung
27
3.2
Các khái niệm về tải trọng
27
3.3
Tải trọng thường xuyên
30
3.4
Tải trọng tạm thời lên sàn nhà và mái nhà
31
3.5
Tải trọng cầu trục và cẩu treo
36
3.6
Tải trọng gió
37
3.7
Tải trọng đặc biệt
50
3.8
Tổ hợp tải trọng
51
3.9
Bài tập
52
Chương 4 : Tính tốn kết cấu
53
4.1
Khái qt chung về tính tốn kết cấu
53
4.2
Trình tự thực hiện tính tốn kết cấu
55
4.3
Mơ hình tính tốn kết cấu
59
4.4
Tính tốn kết cấu theo mơ hình tuyến tính
63
4.5
Tính tốn kết cấu theo mơ hình phi tuyến
74
i
4.6
Tính tốn kết cấu có xét đến sự phân phối lại nội lực
78
4.7
Tính tốn dẻo kết cấu
84
4.8
Bài tập
86
Chương 5 : Cơ sở thiết kế kết cấu BTCT theo trạng thái giới hạn
87
5.1
Tiêu chuẩn thiết kế
87
5.2
Cơ sở thiết kế kết cấu BTCT theo TCVN 5574:2012
87
5.3
Tính tốn kết cấu BTCT theo các trạng thái giới hạn
101
5.4
Quy trình thiết kế kết cấu BTCT theo trạng thái giới hạn
105
5.5
Bài tập
105
Chương 6 : Cơ sở thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn
107
6.1
Tiêu chuẩn thiết kế
107
6.2
Cơ sở thiết kế kết cấu thép theo TCVN 5575:2012
107
6.3
Tính tốn kết cấu thép theo các trạng thái giới hạn
115
6.4
Quy trình thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn
118
6.5
Bài tập
119
Chương 7 : Cơ sở thiết kế móng nơng theo trạng thái giới hạn
120
7.1
Tiêu chuẩn thiết kế
120
7.2
Cơ sở thiết kế móng nơng theo TCVN 9362:2012
120
7.3
Tính tốn móng nơng theo các trạng thái giới hạn
129
7.4
Quy trình thiết kế móng nơng theo trạng thái giới hạn
136
7.5
Bài tập
137
Chương 8 : Cơ sở thiết kế móng cọc theo trạng thái giới hạn
138
8.1
Tiêu chuẩn thiết kế
138
8.2
Cơ sở thiết kế móng cọc theo TCVN 10304:2014
138
8.3
Tính tốn móng cọc theo các trạng thái giới hạn
139
8.4
Tính tốn đài cọc
145
8.5
Quy trình thiết kế móng cọc theo trạng thái giới hạn
145
8.6
Bài tập
146
ii
GIỚI THIỆU MƠN HỌC
Mơn học Cơ sở thiết kế cơng trình dân dụng và cơng nghiệp là mơn học bắt
buộc đối với sinh viên ngành Kỹ thuật xây dựng và là môn học tự chọn đối với
sinh viên các ngành cơng trình khác. Mục tiêu của mơn học là cung cấp cho
người học cơ sở thiết kế kết cấu và nền móng các cơng trình xây dựng dân dụng
và cơng nghiệp phù hợp với hệ thống Quy chuẩn và Tiêu chuẩn xây dựng của
Việt Nam.
Nội dung của môn học tập trung vào các vấn đề:
- Nhiệm vụ và nội dung của thiết kế xây dựng cơng trình theo quy định của
Luật pháp Việt Nam.
- Cơ sở của phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn kết cấu và nền
công trình.
- Áp dụng phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn kết cấu và nền các
cơng trình dân dụng và công nghiệp theo Tiêu chuẩn & Quy chuẩn Xây
dựng Việt Nam.
Tài liệu học tập môn học:
- Nguyễn Tiến Chương, Bài giảng “Cơ sở thiết kế cơng trình dân dụng và
công nghiệp”, Hà Nội, 2019.
- TCVN 2737 : 1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 5574 : 2012 Kết cấu BT và BTCT – Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 5575 : 2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 10304 : 2014 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 9362 : 2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và cơng trình.
- QUỐC HỘI NƯỚC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM. Luật
Xây dựng số 50/2014/QH13.
1
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1
LUẬT XÂY DỰNG
1.1.1 GiỚI THIỆU LUẬT XÂY DỰNG
Luật Xây dựng số 50/2014/QH13 đã được Quốc hội nước Cộng hịa xã hội chủ nghĩa
Việt Nam khóa XIII, kỳ họp thứ 7 thông qua ngày 18 tháng 6 năm 2014. Luật này có
hiệu lực thi hành từ ngày 01 tháng 01 năm 2015.
Luật xây dựng số 16/2003/QH11 và Điều 1 của Luật sửa đổi, bổ sung một số điều
của các luật liên quan đến đầu tư xây dựng cơ bản số 38/2009/QH12 hết liệu lực thi
hành kể từ ngày Luật Xây dựng số 50/2014/QH13 có hiệu lực.
Luật Xây dựng quy định về quyền, nghĩa vụ, trách nhiệm của cơ quan, tổ chức, cá
nhân và quản lý nhà nước trong hoạt động đầu tư xây dựng.
Luật Xây dựng áp dụng đối với cơ quan, tổ chức, cá nhân trong nước; tổ chức, cá
nhân nước ngoài hoạt động đầu tư xây dựng trên lãnh thổ Việt Nam.
Trường hợp điều ước quốc tế mà Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam là thành viên
có quy định khác với quy định của Luật này thì áp dụng quy định của điều ước quốc
tế đó.
Nội dung của Luật xây dựng:
CHƯƠNG I: NHỮNG QUY ĐỊNH CHUNG
CHƯƠNG II: QUY HOẠCH XÂY DỰNG
CHƯƠNG III: DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
CHƯƠNG IV: KHẢO SÁT XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ XÂY DỰNG
CHƯƠNG V: GIẤY PHÉP XÂY DỰNG
CHƯƠNG VI: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
CHƯƠNG VII: CHI PHÍ ĐẦU TƯ XÂY DỰNG VÀ HỢP ĐỒNG XÂY DỰNG
CHƯƠNG VIII: ĐIỀU KIỆN NĂNG LỰC HOẠT ĐỘNG XÂY DỰNG
CHƯƠNG IX: TRÁCH NHIỆM QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐẦU TƯ XÂY DỰNG
CỦA CÁC CƠ QUAN NHÀ NƯỚC
CHƯƠNG X: ĐIỀU KHOẢN THI HÀNH.
2
1.1.2 HOẠT ĐỘNG ĐẦU TƯ XÂY DỰNG VÀ HOẠT ĐỘNG XÂY DỰNG:
-
Hoạt động đầu tư xây dựng (HĐĐTXD):
Hoạt động đầu tư xây dựng là quá trình tiến hành các hoạt động xây dựng gồm xây dựng
mới, sửa chữa, cải tạo cơng trình xây dựng.
-
Hoạt động xây dựng (HĐXD):
Hoạt động xây dựng bao gồm các loại hoạt động liên quan đến xây dựng cơng trình, bao
gồm:
Lập quy hoạch xây dựng,
lập dự án đầu tư xây dựng cơng trình,
Khảo sát xây dựng,
Thiết kế xây dựng cơng trình,
Thi cơng xây dựng cơng trình,
Giám sát thi cơng xây dựng cơng trình,
Quản lý dự án đầu tư xây dựng cơng trình,
Lựa chọn nhà thầu trong hoạt động xây dựng,
Các hoạt động khác có liên quan đến xây dựng cơng trình.
1.2
TIÊU CHUẨN VÀ QUY CHUẨN KỸ THUẬT
1.2.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật
Tiêu chuẩn kỹ thuật quy định về đặc tính kỹ thuật và yêu cầu quản lý dùng làm chuẩn để
phân loại, đánh giá sản phẩm, hàng hoá, dịch vụ, q trình, mơi trường và các đối tượng
khác trong hoạt động kinh tế – xã hội nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các đối
tượng này. Tiêu chuẩn do một tổ chức công bố dưới dạng văn bản để tự nguyện áp dụng.
Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam bao gồm:
Tiêu chuẩn quốc gia, ký hiệu là TCVN;
Tiêu chuẩn cơ sở, ký hiệu là TCCS.
Trước đây, hệ thống tiêu chuẩn của nước ta là hệ thống 3 cấp (Tiêu chuẩn quốc gia, Tiêu
chuẩn ngành và Tiêu chuẩn cơ sở), nhưng từ 2006 hệ thống tiêu chuẩn của nước ta chỉ còn
2 cấp: Tiêu chuẩn quốc gia và và Tiêu chẩn cơ sở.
Thẩm quyền công bố Tiêu chuẩn quốc gia và cơ quan quản lý nhà nước về tiêu chuẩn là Bộ
Khoa học và Công nghệ.
Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật quy định:
3
Bộ trưởng, Thủ trưởng cơ quan ngang bộ, Thủ trưởng cơ quan thuộc Chính phủ
tổ chức xây dựng dự thảo tiêu chuẩn quốc gia và đề nghị thẩm định, công bố Tiêu
chuẩn quốc gia.
Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ tổ chức thẩm định dự thảo Tiêu chuẩn
quốc gia và công bố Tiêu chuẩn quốc gia.
Các tổ chức xây dựng và công bố Tiêu chuẩn cơ sở bao gồm: tổ chức kinh tế; cơ
quan nhà nước; đơn vị sự nghiệp; tổ chức xã hội - nghề nghiệp.
Tiêu chuẩn được phân thành các loại như sau:
Tiêu chuẩn cơ bản quy định những đặc tính, yêu cầu áp dụng chung cho một
phạm vi rộng hoặc chứa đựng các quy định chung cho một lĩnh vực cụ thể.
Tiêu chuẩn thuật ngữ quy định tên gọi, định nghĩa đối với đối tượng của hoạt
động trong lĩnh vực tiêu chuẩn.
Tiêu chuẩn yêu cầu về kỹ thuật quy định về mức, chỉ tiêu, yêu cầu đối với đối
tượng của hoạt động trong lĩnh vực tiêu chuẩn.
Tiêu chuẩn phương pháp thử quy định phương pháp lấy mẫu, phương pháp đo,
phương pháp xác định, phương pháp phân tích, phương pháp kiểm tra, phương
pháp khảo nghiệm, phương pháp giám định các mức, chỉ tiêu, yêu cầu đối với đối
tượng của hoạt động trong lĩnh vực tiêu chuẩn.
Tiêu chuẩn ghi nhãn, bao gói, vận chuyển và bảo quản quy định các yêu cầu về
ghi nhãn, bao gói, vận chuyển và bảo quản sản phẩm, hàng hoá.
1.2.2 Quy chuẩn kỹ thuật:
Quy chuẩn kỹ thuật quy định về mức giới hạn của đặc tính kỹ thuật và yêu cầu quản lý mà
sản phẩm, hàng hố, dịch vụ, q trình, mơi trường và các đối tượng khác trong hoạt động
kinh tế – xã hội phải tuân thủ để bảo đảm an toàn, vệ sinh, sức khoẻ con người; bảo vệ động
vật, thực vật, môi trường; bảo vệ lợi ích và an ninh quốc gia, quyền lợi của người tiêu dùng
và các yêu cầu thiết yếu khác. Quy chuẩn kỹ thuật do cơ quan nhà nước có thẩm quyền ban
hành dưới dạng văn bản để bắt buộc áp dụng.
Hệ thống quy chuẩn kỹ thuật và ký hiệu quy chuẩn kỹ thuật của Việt Nam bao gồm:
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, ký hiệu là QCVN;
Quy chuẩn kỹ thuật địa phương, ký hiệu là QCĐP.
Thẩm quyền ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia được giao cho các bộ (cơ quan ngang
bộ) quản lý chuyên ngành. Luật cũng cho phép Uỷ ban nhân dân tỉnh, thành phố trực thuộc
trung ương ban hành quy chuẩn kỹ thuật địa phương trong một số trường hợp đặc biệt.
Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật quy định:
4
Đối với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia:
o Bộ trưởng, Thủ trưởng cơ quan ngang bộ tổ chức xây dựng và ban hành quy
chuẩn kỹ thuật quốc gia trong phạm vi ngành, lĩnh vực được phân công quản
lý;
o Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ tổ chức thẩm định dự thảo quy chuẩn
kỹ thuật quốc gia;
o Chính phủ quy định việc xây dựng, thẩm định, ban hành quy chuẩn kỹ thuật
quốc gia mang tính liên ngành và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cho đối tượng
của hoạt động trong lĩnh vực quy chuẩn kỹ thuật thuộc trách nhiệm quản lý
của cơ quan thuộc Chính phủ.
Đối với quy chuẩn kỹ thuật địa phương:
o Uỷ ban nhân dân tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương xây dựng và ban
hành quy chuẩn kỹ thuật địa phương để áp dụng trong phạm vi quản lý của địa
phương đối với sản phẩm, hàng hóa, dịch vụ, q trình đặc thù của địa
phương và yêu cầu cụ thể về môi trường cho phù hợp với đặc điểm về địa lý,
khí hậu, thuỷ văn, trình độ phát triển kinh tế - xã hội của địa phương;
o Quy chuẩn kỹ thuật địa phương được ban hành sau khi được sự đồng ý của cơ
quan nhà nước có thẩm quyền.
Quy chuẩn kỹ thuật bao gồm: quy chuẩn kỹ thuật chung; quy chuẩn kỹ thuật an toàn; quy
chuẩn kỹ thuật môi trường; quy chuẩn kỹ thuật quá trình; quy chuẩn kỹ thuật dịch vụ.
Quy chuẩn kỹ thuật chung bao gồm các quy định về kỹ thuật và quản lý áp dụng
cho một lĩnh vực quản lý hoặc một nhóm sản phẩm, hàng hố, dịch vụ, q trình.
Quy chuẩn kỹ thuật an tồn bao gồm:
o Các quy định về mức, chỉ tiêu, yêu cầu liên quan đến an toàn sinh học, an
toàn cháy nổ, an toàn cơ học, an tồn cơng nghiệp, an tồn xây dựng, an tồn
nhiệt, an tồn hóa học, an tồn điện, an tồn thiết bị y tế, tương thích điện từ
trường, an toàn bức xạ và hạt nhân;
o Các quy định về mức, chỉ tiêu, yêu cầu liên quan đến an toàn vệ sinh thực
phẩm, an toàn dược phẩm, mỹ phẩm đối với sức khoẻ con người;
o Các quy định về mức, chỉ tiêu, yêu cầu liên quan đến vệ sinh, an tồn thức ăn
chăn ni, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc thú y, chế phẩm sinh học và
hoá chất dùng cho động vật, thực vật.
Quy chuẩn kỹ thuật môi trường quy định về mức, chỉ tiêu, yêu cầu về chất lượng
môi trường xung quanh, về chất thải.
5
Quy chuẩn kỹ thuật quá trình quy định yêu cầu về vệ sinh, an tồn trong q trình
sản xuất, khai thác, chế biến, bảo quản, vận hành, vận chuyển, sử dụng, bảo trì
sản phẩm, hàng hóa.
Quy chuẩn kỹ thuật dịch vụ quy định yêu cầu về an toàn, vệ sinh trong dịch vụ
kinh doanh, thương mại, bưu chính, viễn thơng, xây dựng, giáo dục, tài chính,
khoa học và cơng nghệ, chăm sóc sức khoẻ, du lịch, giải trí, văn hố, thể thao,
vận tải, mơi trường và dịch vụ trong các lĩnh vực khác.
1.3
TIÊU CHUẨN VÀ QUY CHUẨN XÂY DỰNG VIỆT NAM
1.3.1 Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
Tiêu chuẩn xây dựng là tiêu chuẩn quốc gia về xây dựng, quy định về chuẩn mực kỹ
thuật định mức kinh tế - kỹ thuật, trình tự thực hiện các cơng việc kỹ thuật, các chỉ tiêu,
các chỉ số kỹ thuật và các chỉ số tự nhiên được cơ quan, tổ chức có thẩm quyền ban hành
hoặc cơng nhận để áp dụng trong hoạt động xây dựng. Tiêu chuẩn xây dựng gồm tiêu chuẩn
bắt buộc áp dụng và tiêu chuẩn khuyến khích áp dụng.
Hiện nay, theo quy định của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật, tiêu chuẩn xây dựng
do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành.
Một số tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu và nền móng:
TCVN 2737 : 1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 5573 : 2012 Kết cấu gạch đá và gạch đá cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 5574 : 2012 Kết cấu BT và BTCT – Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 5575 : 2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 9362 : 2012 Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và cơng trình.
TCVN 10304 : 2014 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 9386 : 2012 Tiêu chuẩn thiết kế cơng trình chịu động đất.
1.3.2 Quy chuẩn xây dựng Việt Nam
Quy chuẩn xây dựng là các quy định bắt buộc áp dụng trong hoạt động xây dựng do cơ
quan quản lý nhà nước có thẩm quyền về xây dựng ban hành. Đó là các yêu cầu về kỹ thuật
tối thiểu bắt buộc phải tuân thủ đối với mọi hoạt động xây dựng và các giải pháp, các tiêu
chuẩn được sử dụng để đạt được các yêu cầu đó.
Quy chuẩn quốc gia về xây dựng do Bộ Xây dựng ban hành.
Mục tiêu của Quy chuẩn xây dựng:
Đảm bảo các điều kiện an toàn, vệ sinh, tiện nghi cho những người làm việc và
sinh sống trong khu vực hoặc trong công trình được xây dựng, cải tạo.
Bảo vệ mơi trường sống, cảnh quan và các di tích lịch sử, văn hố
6
Bảo đảm các yêu cầu về quốc phòng, an ninh, phòng chống cháy nổ...
Sử dụng hợp lý vốn đầu tư, đất đai và các tài nguyên khác.
Các giải pháp kỹ thuật được chấp thuận trong Quy chuẩn xây dựng bao gồm:
Những giải pháp kỹ thuật được chấp thuận dựa trên một số tiêu chuẩn hiện hành.
Khi một tiêu chuẩn nào trong số này được thay thế thì tiêu chuẩn thay thế sẽ mặc
nhiên được chấp thuận trong Quy chuẩn xây dựng. Khi có khác biệt giữa Quy
chuẩn xây dựng và tiêu chuẩn, phải tuân theo Quy chuẩn xây dựng;
Những giải pháp kỹ thuật không được nêu trong Quy chuẩn xây dựng nhưng
được cấp có thẩm quyền thẩm định đạt yêu cầu của quy chuẩn;
Những giải pháp kỹ thuật được đề xuất dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế, tiêu
chuẩn nước ngoài được phép áp dụng.
Một số Quy chuẩn quốc gia về xây dựng đã ban hành:
- Quy chuẩn hệ thống cấp thốt nước trong nhà và cơng trình.
-
Quy chuẩn xây dựng cơng trình để đảm bảo người tàn tật tiếp cận sử dụng.
-
Quy chuẩn xây dựng các cơng trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả.
Quy chuẩn về quy hoạch xây dựng.
-
Quy chuẩn xây dựng nhà và cơng trình.
-
Quy chuẩn về điều kiện tự nhiên trong xây dựng.
-
Quy chuẩn xây dựng các cơng trình hạ tầng kỹ thuật đơ thị.
-
Quy chuẩn an tồn, phịng chống cháy cho cơng trình xây dựng.
-
Quy chuẩn xây dựng các cơng trình giao thơng.
-
Quy chuẩn xây dựng các cơng trình thuỷ lợi.
-
Quy chuẩn xây dựng các cơng trình cơng nghiệp.
1.3.3 Áp dụng tiêu chuẩn và quy chuẩn xây dựng
Đ iề u 6 Luậ t Xâ y d ựn g 201 4 quy đị n h về á p dụng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật
trong hoạt động đầu tư xây dựng như sau:
-
Hoạt động đầu tư xây dựng phải tuân thủ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
-
Tiêu chuẩn được áp dụng trong hoạt động đầu tư xây dựng theo nguyên tắc tự
nguyện, trừ các tiêu chuẩn được viện dẫn trong quy chuẩn kỹ thuật hoặc văn bản quy
phạm pháp luật khác có liên quan.
-
Tiêu chuẩn áp dụng cho cơng trình phải được người quyết định đầu tư xem xét, chấp
thuận khi quyết định đầu tư.
-
Việc áp dụng tiêu chuẩn phải bảo đảm các yêu cầu sau:
Phù hợp với yêu cầu của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và quy định của pháp
luật có liên quan;
7
Bảo đảm tính đồng bộ, tính khả thi của hệ thống tiêu chuẩn được áp dụng.
-
Việc áp dụng giải pháp kỹ thuật, công nghệ, vật liệu mới trong hoạt động đầu tư xây
dựng phải đáp ứng yêu cầu của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và quy định của pháp
luật có liên quan.
-
Bộ Xây dựng, Bộ quản lý cơng trình xây dựng chun ngành có trách nhiệm xây
dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia áp dụng cho cơng trình xây dựng
chun ngành theo quy định của pháp luật về tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật.
1.4
CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
1.4.1 Cơng trình xây dựng
-
Cơng trình xây dựng:
Cơng trình xây dựng là sản phẩm được tạo thành bởi sức lao động của con người, vật liệu
xây dựng, thiết bị lắp đặt vào cơng trình, được liên kết định vị với đất, có thể bao gồm phần
dưới mặt đất, phần trên mặt đất, phần dưới mặt nước và phần trên mặt nước, được xây dựng
theo thiết kế.
Theo Lu ật X ây dự ng 201 4 ( đ iều 5 ) t hì c ông trình xây dựng được phân theo loại và
cấp công trình.
-
Loại cơng trình:
Loại cơng trình được xác định theo cơng năng sử dụng gồm cơng trình dân dụng, cơng trình
cơng nghiệp, cơng trình giao thơng, cơng trình nơng nghiệp và phát triển nơng thơn, cơng
trình hạ tầng kỹ thuật và cơng trình quốc phịng, an ninh.
-
Cấp cơng trình:
Cấp cơng trình được xác định theo từng loại cơng trình căn cứ vào quy mơ, mục đích, tầm
quan trọng, thời hạn sử dụng, vật liệu sử dụng và yêu cầu về kỹ thuật xây dựng cơng trình.
Cấp cơng trình gồm cấp đặc biệt, cấp I, cấp II, cấp III, cấp IV và các cấp khác theo quy định
của Chính phủ.
-
Tầm quan trọng của cơng trình:
Tầm quan trọng của cơng trình được xác định trên cơ sở mức độ ảnh hưởng của công trình
đó đến con người, tài sản hay cộng đồng khi có sự cố; hoặc ảnh hưởng của cơng trình đó
trong sự phát triển của nền kinh tế xã hội trên phạm vi lãnh thổ nhất định. Khi cấp của cơng
trình xây dựng được quy định theo nhiều tiêu chí khác nhau thì cấp của cơng trình được xác
định theo tiêu chí của cấp cao nhất.
-
Độ bền vững của cơng trình:
8
Độ bền vững là đặc trưng tổng quát về độ bền, độ ổn định của nhà và cơng trình trong suốt
thời gian khai thác sử dụng.
-
Bậc chịu lửa và giới hạn chịu lửa của cơng trình:
Bậc chịu lửa là đặc trưng chịu lửa của nhà và cơng trình theo tiêu chuẩn được xác định bằng
giới hạn chịu lửa của các kết cấu xây dựng chính.
Giới hạn chịu lửa là thời gian (tính bằng giờ hoặc bằng phút) từ khi bắt đầu thử chịu lửa
theo chế độ nhiệt tiêu chuẩn các mẫu cho tới khi xuất hiện một trong các trạng thái giới hạn
của kết cấu và cấu kiện như sau:
Mất khả năng chịu lực;
Mất tính tồn vẹn;
Mất khả năng cách nhiệt.
-
Tuổi thọ cơng trình:
Tuổi thọ là khả năng của cơng trình xây dựng đảm bảo các tính chất cơ lý và các tính chất
khác được thiết lập trong thiết kế và đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường trong suốt thời
gian khai thác vận hành.
1.4.2 Thiết kế xây dựng cơng trình
Thiết kế xây dựng cơng trình thường bao gồm các nội dung:
-
Thiết kế kiến trúc;
-
Thiết kế kết cấu;
-
Thiết kế hệ thống kỹ thuật;
-
Thiết kế phòng, chống cháy, nổ;
-
Thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng;
-
Thiết kế hệ thống kỹ thuật bảo vệ mơi trường;
-
Tổng dự tốn, dự tốn chi phí xây dựng phù hợp với từng bước thiết kế xây
dựng.
Theo Luật xây dựng (điều 80), nội dung chủ yếu của thiết kế xây dựng triển khai sau
thiết kế cơ sở bao gồm:
- Phương án kiến trúc.
- Phương án cơng nghệ (nếu có).
-
Cơng năng sử dụng.
Thời hạn sử dụng và quy trình vận hành, bảo trì cơng trình.
Phương án kết cấu, loại vật liệu chủ yếu.
Chỉ dẫn kỹ thuật.
9
- Phương án phòng, chống cháy, nổ.
- Phương án sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả.
- Giải pháp bảo vệ mơi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu.
- Dự toán xây dựng phù hợp với bước thiết kế xây dựng.
Theo Luật Xây dựng (Điều 52), thiết kế xây dựng cơng trình phải bảo đảm các u cầu
chung:
-
Phù hợp với quy hoạch xây dựng, cảnh quan, điều kiện tự nhiên và các quy
định về kiến trúc; dự án đầu tư xây dựng cơng trình đã được phê duyệt;
-
Phù hợp với thiết kế công nghệ trong trường hợp dự án đầu tư xây dựng cơng
trình có thiết kế cơng nghệ;
-
Nền móng cơng trình phải bảo đảm bền vững, khơng bị lún nứt, biến dạng quá
giới hạn cho phép làm ảnh hưởng đến tuổi thọ cơng trình, các cơng trình lân
cận;
-
Nội dung thiết kế xây dựng cơng trình phải phù hợp với yêu cầu của từng bước
thiết kế, thoả mãn yêu cầu về chức năng sử dụng; bảo đảm mỹ quan, giá thành
hợp lý;
-
An toàn, tiết kiệm, phù hợp với quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng được áp dụng;
các tiêu chuẩn về phịng, chống cháy, nổ, bảo vệ mơi trường và những tiêu
chuẩn liên quan; đối với những cơng trình cơng cộng phải bảo đảm thiết kế
theo tiêu chuẩn cho người tàn tật;
-
Đồng bộ trong từng cơng trình, đáp ứng u cầu vận hành, sử dụng cơng trình;
đồng bộ với các cơng trình liên quan.
Đối với cơng trình dân dụng và cơng trình cơng nghiệp, ngồi các u cầu trên cịn phải
bảo đảm các yêu cầu sau đây:
- Kiến trúc công trình phải phù hợp với phong tục, tập quán và văn hố, xã hội
của từng vùng, từng địa phương;
-
An tồn cho người khi xảy ra sự cố; điều kiện an toàn, thuận lợi, hiệu quả cho
hoạt động chữa cháy, cứu nạn; bảo đảm khoảng cách giữa các cơng trình, sử
dụng các vật liệu, trang thiết bị chống cháy để hạn chế tác hại của đám cháy đối
với các cơng trình lân cận và môi trường xung quanh;
-
Các điều kiện tiện nghi, vệ sinh, sức khoẻ cho người sử dụng;
-
Khai thác tối đa thuận lợi và hạn chế bất lợi của thiên nhiên nhằm bảo đảm tiết
kiệm năng lượng.
10
Thiết kế xây dựng cơng trình bao gồm các bước: thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật và thiết kế
bản vẽ thi cơng. Tuỳ theo tính chất, quy mơ của từng loại cơng trình, thiết kế xây dựng cơng
trình có thể được lập một bước, hai bước hoặc ba bước như sau:
-
Thiết kế một bước là thiết kế bản vẽ thi cơng được áp dụng đối với cơng trình
quy định chỉ phải lập báo cáo kinh tế - kỹ thuật;
-
Thiết kế hai bước bao gồm bước thiết kế cơ sở và bước thiết kế bản vẽ thi công
được áp dụng đối với cơng trình quy định phải lập dự án đầu tư xây dựng cơng
trình;
-
Thiết kế ba bước bao gồm bước thiết kế cơ sở, bước thiết kế kỹ thuật và bước
thiết kế bản vẽ thi công được áp dụng đối với cơng trình quy định phải lập dự án
đầu tư xây dựng và có quy mơ lớn, phức tạp.
Đối với cơng trình phải thực hiện thiết kế hai bước trở lên, các bước thiết kế tiếp theo chỉ
được triển khai thực hiện trên cơ sở bước thiết kế trước đã được phê duyệt.
Hồ sơ thiết kế được lập cho từng cơng trình bao gồm thuyết minh thiết kế, các bản vẽ thiết
kế, các tài liệu khảo sát xây dựng liên quan, quy trình bảo trì cơng trình, dự tốn xây dựng
cơng trình. Hồ sơ thiết kế xây dựng cơng trình phải được lưu trữ theo quy định của pháp
luật về lưu trữ.
1.5
THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠNG TRÌNH
1.5.1 Khái niệm về thiết kế kết cấu cơng trình
Kết cấu cơng trình là các bộ phận của cơng trình xây dựng làm nhiệm vụ chịu các tải trọng
tác động lên công trình, đảm bảo cho cơng trình làm việc ổn định trong q trình sử dụng.
Kết cấu cơng trình thường được phân thành kết cấu chịu lực và kết cấu bao che; cũng có
trường hợp phân thành kết cấu chịu lực chính và kết cấu phụ.
Thiết kế kết cấu là một quá trình bắt đầu từ ý tưởng về giải pháp kết cấu; đề xuất phương án
kết cấu; thực hiện phân tích, tính tốn hoặc thí nghiệm để hồn thiện phương án kết cấu
nhằm đảm bảo tính an tồn và điều kiện sử dụng bình thường của các bộ phận kết cấu cũng
như toàn bộ kết cấu khi chịu các tải trọng và tác động trong suốt thời hạn sử dụng cũng như
trong quá trình chế tạo, xây dựng; lập hồ sơ thiết thiết kế kết cấu.
Sản phẩm của thiết kế kết cấu là bộ hồ sơ thiết kế kết cấu gồm các bản vẽ thể hiện sơ đồ,
hình dáng, kích thước, các quy định về sử dụng vật liệu, các chi thiết cấu tạo và chỉ dẫn kỹ
thuật chế tạo, thi cơng xây dựng kết cấu. Ngồi ra, bộ hồ sơ thiết kế kết cấu cịn có các
thuyết minh về giải pháp, các cơ sở, nội dung và kết quả tính tốn hoặc thí nghiệm.
Kết cấu được thiết kế, với một xác suất an toàn được chấp nhận đảm bảo hồn thành các
cơng năng định trước trong suốt tuổi thọ thiết kế; chịu được các tải trọng và tác động được
11
sinh ra trong thi công và sử dụng cũng như phải có khả năng chịu đựng thỏa đáng trước
những tác động bất thường và khả năng chịu lửa.
1.5.2 Mối quan hệ giữa kiến trúc và kết cấu
Trong lịch sử, hầu hết các cơng trình xây dựng đã từng được thiết kế và tổ chức xây dựng
bởi một cá nhân - được gọi là Chủ thầu xây dựng. Người này vừa là kiến trúc sư, vừa là kỹ
sư, là người tổ chức, chỉ đạo thi công... tất cả trong một. Khi q trình cơng nghiệp hóa bắt
đầu, số lượng cơng trình cần xây dựng ngày một nhiều, quy mơ và tính phức tạp của các
cơng trình ngày càng tăng, vật liệu và các công cụ phục vụ phát triển cùng các kỹ thuật xây
dựng. Điều này gây khó khăn cho một người cần biết về tất cả mọi vấn đề, suy nghĩ và giải
quyết thấu đáo các yếu tố trong xây dựng. Cơng việc thiết kế, do đó, đã được phân chia
thành các nhóm chun mơn: thiết kế kiến trúc, thiết kế kết cấu, thiết kế các hệ thống kỹ
thuật…Vấn đề lớn nhất cần giải quyết lúc này là cần tạo được mối liên hệ thống nhất giữa
các nhóm chun mơn, trong đó quan trọng nhất là giải quyết hài hịa quan hệ giữa kiến
trúc và kết cấu.
Quan hệ giữa kiến trúc và kết cấu là mối quan hệ hữu cơ, gắn bó hết sức chặt chẽ với
nhau.Hình dáng và khơng gian kiến trúc được thể hiện trên cơ sở hệ kết cấu cơng trình. Các
khơng gian đơn giản nhất được tạo nên từ hệ dầm, cột, tường và sàn theo hệ lưới cột ô
vuông hoặc chữ nhật. Các không gian rộng, có hình dáng kích thước phức tạp được tạo nên
bằng các hệ kết cấu như dàn, vòm, vỏ mỏng khơng gian v.v... Khơng gian kiến trúc, loại
hình kết cấu và chiều cao kết cấu có liên quan chặt chẽ với nhau. So với các kết cấu truyền
lực theo hai phương hay kết cấu không gian truyền lực theo nhiều phương, các kết cấu
phẳng truyền lực theo một phương có chiều cao kết cấu lớn hơn. Nếu chọn loại hình kết cấu
khơng thích hợp sẽ khơng giải quyết thoả đáng vấn đề chiều cao kết cấu.
Kích thước của hệ lưới cột ảnh hưởng trực tiếp tới độ lớn của không gian kiến trúc và địi
hỏi những loại hình kết cấu tương ứng.Dù chọn không gian kiến trúc như thế nào thì ngay
từ khi sơ phác mặt bằng của cơng trình đã phải nghĩ đến khả năng chịu tải trọng đứng, tải
trọng ngang (gió, động đất...), những biến thiên nhiệt độ và lún lệch có thể xảy ra. Phải tuân
thủ những nguyên tắc cho giải pháp kết cấu chịu gió, động đất, nhiệt độ, lún lệch...
Do vậy trong thiết kế những phương án kiến trúc đã phải chứa đựng những nội dung cơ bản
của các phương án kết cấu.Không tuân thủ các nguyên lý làm việc của kết cấu trong sáng
tác kiến trúc sẽ hoặc mắc sai lầm về tính khả thi của cơng trình hoặc là chỉ đạt tới những
phương án gị bó, thiếu mỹ quan, sinh động và độc đáo.
1.5.3 Tính khả thi của phương án kết cấu
Phương án thiết kế có được chấp nhận và đưa vào thiết kế hay không phụ thuộc vào nhiều
yếu tố. Những yếu tố chung nhất có thể kể đến là:
12
- Thoả mãn những yêu cầu về kỹ thuật trong sử dung hiện tại và lâu dài, thoả mãn
các yêu cầu về bền vững phù hợp với niên hạn sử dụng, thoả mãn các yêu cầu về
phòng chống cháy nổ và có thể thi cơng được trong điều kiện thiết bị kỹ thuật cho
phép (thiết bị đang có, thuê mướn hoặc được phép mua).
- Giá thành cơng trình (theo dự tốn có xét đến) khơng vượt q kinh phí đầu tư.
Như vậy, khi thiết kế một cơng trình, căn cứ vào nhiệm vụ thiết kế, cần phải tạo dựng một
số phương án. Thông qua việc so sánh các phương án với nhau về mặt kỹ thuật và kinh tế sẽ
chọn ra một phương án đáp ứng tốt nhất nhiệm vụ thiết kế. Việc thiết kế chi tiết được tiến
hành với phương án đã chọn.
1.5.4 Yêu cầu về kỹ thuật và yêu cầu về kinh tế
a) Yêu cầu về kỹ thuật
Kết cấu cần đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật như sau:
- Sơ đồ kết cấu rõ ràng, qua đó người thiết kế có khẳ năng nắm được sự phân phối nội
lực trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng và các tác động khác (nhiệt độ, co ngót
và từ biến của bê tông, lún gối tựa...). Khi chọn phương án kết cấu không nên thiên
về sơ đồ dễ tính tốn nội lực mà phải thiên về tính hợp lý của sự phân phối nội lực
trong kết cấu. Cũng cần lưu ý rằng, đối với kết cấu tĩnh định có thể dễ dàng tìm được
biểu đồ nội lực nhưng độ an tồn tổng thể thì kém so với kết cấu siêu tĩnh. Chỉ cần
một tiết diện nào đó bị hỏng là kết cấu tĩnh định bị sập đổ hoàn tồn, trong khi đó kết
cấu siêu tĩnh chỉ bị sập đổ cụ bộ hay không bị sập đổ mà chỉ giảm độ an tồn và khi
đó có nhiều khả năng sửa chữa để đưa vào sử dụng bình thường.
- Vật liệu làm kết cấu được chọn căn cứ vào điều kiện thực tế cho phép và yêu cầu cụ
thể đối với cơng trình đang thiết kế. Nên ưu tiên dùng vật liệu cường độ cao (đặc biệt
là đối với cấu kiện chịu lực lớn).
- Kết cấu được tính tốn với tải trọng và tác động có thể xảy ra, bao gồm trọng lượng
bản thân của cơng trình, hoạt tải sử dụng, tải trọng gió, tải trọng động đất, tác động
của nhiệt độ, tác động của co ngót và từ biến của vật liệu, khả năng lún khơng đều
của móng cơng trình v.v..
- Kết cấu được tính tốn với mọi tình huống có thể xảy ra trong q trình sử dụng và
trong q trình thi cơng. Mỗi giai đoạn thi cơng tương ứng với một sơ đồ kết cấu.
Trong một số trường hợp nội lực xuất hiện trong quá trình thi công lớn hơn nội lực
trong giai đoạn sử dụng một cách đáng kể. Khi đó vừa phải điều chỉnh kết cấu, vừa
phải tìm chọn trình tự và biện pháp thi cơng thích hợp để giảm nhẹ kết cấu, tránh tình
trạng kết cấu nặng nề, to lớn nhưng chỉ để chịu tải trọng trong q trình thi cơng.
Chọn phương án kết cấu phải xuất phát từ thời hạn thi công mà chủ đầu tư yêu cầu.
13
Nghĩa là khi có u cầu về thi cơng nhanh thì phải chọn dạng kết cấu và các chi tiết
kết cấu có khả năng thi cơng nhanh (bao gồm cả phương án móng).
- Phương án được chọn phù hợp với khả năng kỹ thuật thi cơng đang có hoặc sẽ có.
Nói cách khác kết cấu mà ta thiết kế phải được phía thi cơng chấp thuận thực hiện.
Như vậy khi thiết kế kết cấu phải luôn nghĩ đến biện pháp kỹ thuật thi cơng kết cấu
đó. Nếu thấy vướng mắc về thi cơng thì phải đổi phương án. Cần lưu ý rằng những
phương án kết cấu khó thi cơng thường cũng khó đảm bảo yêu cầu về chất lượng kỹ
thuật.
- Khi chọn phương án kết cấu và thi công cần cân nhắc đến kết cấu toàn khối (đổ tại
chỗ), kết cấu lắp ghép và kết cấu bán lắp ghép.Trong điều kiện cụ thể nào đó, việc
kết hợp giữa kết cấu toàn khối và kết cấu lắp ghép cỏ thể đưa đến hiệu quả kinh tế
cao mà vẫn đảm bảo được cường độ và độ cứng của kết cấu xấp xỉ như kết cấu toàn
khối.
b) Yêu cầu về kinh tế
Kết cấu được thiết kế cần đạt được các mục tiêu kinh tế như sau:
-
Kết cấu có giá thành hợp lý. Giá thành của cơng trình được cấu thành từ tiền vật
liệu, tiền thuê hoặc khấu hao máy thi công (bao gồm cả năng lương tiêu hao), tiền
nhân công v.v... Đối với các cơng trình thơng thường, tiền vật liệu chiếm tỷ trọng lớn
hơn cả. Khi đó cần phải chọn phương án kết cấu có chi phí vật liệu thấp nhất. Tuy
vậy cũng có những cơng trình mà tiền th máy móc thi cơng và nhân cơng chiếm
phần lớn, khi đó việc tiết kiệm chút ít vật liệu khơng có ý nghĩa so với việc đam bảo
an toàn tuyệt đối cho kết cấu trong giai đoạn thi công và sử dụng.
-
Kết cấu được thiết kế sao cho tiến độ thi công được bảo đảm. Vì việc đưa cơng trình
vào sử dụng đúng hạn có ý nghĩ kinh tế - xã hội to lớn khơng chỉ đối với các cơng
trình cơng nghiệp mà cả đối với các cơng trình dân dụng và quốc phòng. Để đảm
bảo chỉ tiêu kinh tế hợp lý cho cơng trình cần phải gắn liền việc thiết kế kết cấu với
việc thiết kế biện pháp và tổ chức thi cơng.
1.6
BÀI TẬP
Tìm hiểu Luật Xây dựng số 50/2014/QH13.
14
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ NỀN
THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
2.1 LỊCH SỬ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU
Xét theo lịch sử phát triển thì các phương pháp thiết kế kết cấu gồm có: phương pháp thiết
kế theo ứng suất cho phép, phương pháp thiết kế theo giai đoạn phá hoại và phương pháp
thiết kế theo trạng thái giới hạn.
a) Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép
Phương pháp thiết kế kết cấu theo ứng suất cho phép đã có lịch sử hơn một thế kỷ. Phương
pháp này lấy ứng suất chảy của vật liệu đưa chia cho một hệ số an tồn nào đó làm ứng suất
cho phép để tính tốn kết cấu. Hệ số an tồn có giá trị lớn hơn đơn vị nên ứng suất cho phép
nằm trong giai đoạn đàn hồi. Kết cấu được tính tốn nhằm đảm bảo điều kiện ứng suất do
ngoại tải gây ra có giá trị khơng vượt quá ứng suất cho phép:
(2.1)
Thông thường giá trị ứng suất cho phép được xác định:
c
(2.2)
k
Hệ số an toàn k 1 là một hệ số kinh nghiệm.
Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép có khái niệm rõ ràng, đơn giản, thuận tiện dễ
áp dụng, nhưng lại có một số nhược điểm như sau:
-
Khơng xét đến tính phi đàn hồi của vật liệu do vậy không thể phản ánh được trạng
thái làm việc của kết cấu ở giai đoạn phá hpại.
-
Không phản ánh được tính đặc thù của hiệu ứng các loại tải trọng cũng như tính hợp
lý của các tổ hợp tải trọng tác động lên kết cấu. Bởi vậy, khi tính tốn trên các mặt
cắt kết cấu thì phương pháp này thiên về an toàn (bảo thủ), nhưng xét trên toàn hệ kết
cấu thì vẫn có thể xẩy ra tình huống khơng an tồn.
Hiện nay trên thế giới phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép ít được sử dụng để thiết
kế kết cấu, nhưng vẫn được sử dụng để tính tốn kiểm tra nứt và sự làm việc bình thường
của kết cấu bêtông ứng suất trước.
b) Phương pháp thiết kế theo giai đoạn phá hoại
15
Phương pháp thiết kế theo giai đoạn phá hoại là phương pháp thiết kế dựa trên nội lực phá
hoại tại tiết diện và được diễn đạt theo điều kiện:
F
Fph
(2.3)
k
Trong đó:
F là nội lực tính tốn ;
Fgh là nội lực phác hoại ;
k là hệ số an toàn .
Ưu điểm của phương pháp thiết kế theo giai đoạn phá hoại là có xét đến đặc tính làm việc
ngồi giới hạn đàn hồi của vật liệu.
Hạn chế của phương pháp là hệ số an tồn mang tính kinh nghiệm, khơng phản ánh được
quy luật phân bố của các đặc trưng của các vật liệu khác nhau trong kết cấu cũng như tải
trọng. Ngồi độ bền, phương pháp này khơng xét được các đặc tính làm việc khác của kết
cấu như chuyển vị, nứt…
Phương pháp thiết kế theo giai đoạn phá hoại được giáo sư người Nga Loleit A.V. đề xuất
năm 1931, sau đó được giáo sư Gvozdev A.A. (Nga) phát triển (1938) và là tiền đề để các
nhà khoa học xây dựng phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn.
c) Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn
Phương pháp thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn do các nhà khoa học Xôviết lần đầu
tiên đưa ra vào những năm năm mươi của thế kỹ XX. Có thể xem phương pháp thiết kế theo
trạng thái giới hạn là một cải tiến to lớn của phương pháp thiết kế theo giai đoạn phá hoại.
Sự tiến bộ của phương pháp này ở chỗ là khơng chỉ xét đến tính phi đàn hồi của vật liệu mà
cịn thừa nhận tính khơng tiền định của cả tải trọng lẫn các đặc trưng của vật liệu. Hạn chế
của phương pháp này là chưa xét đến tính khơng tiền định của các đại lượng hình học của
kết cấu. Chính vì lẽ đó nên người ta thường gọi phương pháp thiết kế này là phương pháp
thiết kế theo trạng thái giới hạn bán xác suất.
Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn bán xác suất đã được đưa và tiêu chuẩn thiết
kế của Liên Xô (cũ) từ những năm năm mươi của thế kỷ trước. Sau đó nhiều nước trên thế
giới cũng đã lần lượt công nhận và sử dụng phương pháp này trong các tiêu chuẩn thiết kế
của mình. Cho đến nay phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn đã được sử dụng ở
hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Trong mấy chục năm gần đây người ta đã tiến hành nghiên cứu nhằm hoàn thiện phương
pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc xây dựng
định nghĩa độ tin cậy của kết cấu theo lý thuyết xác suất và trên cơ sở lý thuyết xác suất
xem xét sự phân bố và tổ hợp hiệu ứng của tải trọng và khả năng chịu lực của kết cấu.
16
Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn với những cải tiến, bổ sung này được gọi là
phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn xác suất.
Phương pháp trạng thái giới hạn được giới thiệu trong phần dưới đây phù hợp với hệ thống
tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hiện hành của Việt Nam. Một số nội dung có thể khơng phù hợp
với các tiêu chuẩn nước ngồi.
2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CỦA PHƯƠNG PHÁP TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
2.2.1 Các trạng thái giới hạn
Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt qua nó kết cấu, nền, nhà hoặc cơng trình khơng
thoả mãn một hoặc nhiều chức năng được thiết khi khai thác thác sử dụng hoặc khi thi
cơng.
Trạng thái giới hạn được chia thành hai nhóm:
-
Trạng thái giới hạn thứ nhất: là khi cơng trình xây dựng vượt trạng thái giới hạn
này thì kết cấu xây dựng sẽ mất khả năng chịu lực.
-
Trạng thái giới hạn thứ hai: là khi cơng trình xây dựng vượt trạng thái giới hạn này
thì kết cấu xây dựng sẽ khơng đảm bảo khả năng sử dụng bình thường, làm mất dự
trữ về độ bền lâu hoặc không đảm bảo tiện nghi sử dụng.
Trạng thái giới hạn thứ nhất gồm:
- Sự mất ổn định tổng thể về hình dáng.
-
Sự mất ổn định về vị trí.
Sự phá hoại một đặc điểm bất kì nào đó.
-
Sự chuyển đổi thành một hệ mới.
-
Sự thay đổi hình dạng.
-
Trạng thái dẫn đến sự cần thiết phải ngừng khai thác sử dụng do vật liệu biến
dạng lớn, do các mối nối bị cắt và do các vết nứt phát triển quá lớn.
Trạng thái giới hạn thứ hai gồm những trạng thái vượt quá mức cho phép về:
- Biến dạng của kết cấu do bị uốn, xoắn, lún;
-
Dao động của kết cấu.
-
Thay đổi vị trí (chuyển vị);
-
Tạo thành hoặc phát triển vết nứt.
Trạng thái giới hạn thứ nhất (I) còn được gọi là trạng thái cực hạn, còn trạng thái giới hạn
thứ hai (II) – trạng thái giới hạn sử dụng.
2.2.2 Tải trọng và tác động
1) Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính tốn
17
Đặc tính cơ bản của tải trọng là giá trị tiêu chuẩn của nó. Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng
được cho trong nhiệm vụ thiết kế hoặc được xác định theo tiêu chuẩn thiết kế hoặc được
xác định như sau:
-
Đối với trọng lượng của kết cấu, xác định theo khối lượng trung bình của vật liệu,
kích thước hình học và cấu tạo của kết cấu theo thiết kế. Nếu các cấu kiện được sản
xuất trong nhà máy thì trọng lượng của chúng được xác đinh theo số liệu của nhà sản
xuất
-
Đối với trọng lượng của các vật liệu, xác định theo trọng lượng trung bình của vật
liệu và kích thước hình học thực tế của chúng.
-
Đối với trọng lượng của thiết bị, xác định theo số liệu do nhà chế tạo cung cấp.
-
Đối với các tải trọng do sự vận hành của thiết bị gây ra, xác định bằng giá trị lớn
nhất cỏ thể đối với điều kiện vận hành của thiết bị.
-
Đối với các tác động tự nhiên do mơi trường khí quyển gây ra như gió, mưa, sóng,
nhiệt độ mơi trường… xác định bằng giá trị lớn nhất trong năm với xác suất vượt
theo chu kỳ lặp trung bình được quy định bởi tiêu chẩn thiết kế.
-
Đối với tải trọng đặc biệt, xác định bằng giá trị tương ứng với yêu cầu của các tiêu
chuẩn thiết kế được xây dựng trên cơ sở vận dụng các phương pháp thống kê xác
suất.
Độ sai lệch có thể xảy ra của tải trọng về phía bất lợi cho kết cấu so với trị tiêu chuẩn do sự
biến động của tải trọng hay thay đổi điều kiện sử dụng bình thường tạo ra, được tính đến
bằng các hệ số độ tin cậy cua tải trọng. Các hệ số này được quy định có kể đến độ phân tán
của số liệu thống kê của tải trọng, cơng năng của cơng trình, điều kiện sử dụng cơng trình.
Các hệ số độ tin cậy của tải trọng dùng để tính tốn từng loại kết cấu theo các trạng thái giới
hạn được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế.
Độ sai lệch có thể xảy ra của các đặc trưng của tải trọng động (biên độ, tần số, xung…) so
với giá trị tiêu chuẩn được tính đến trong tính tốn động lực kết cấu theo các u cầu của
tiêu chuẩn tương ứng.
Giá trị tính tốn của tải trọng bằng giá trị tiêu chuẩn nhân với hệ số tin cậy của tải trọng.
Giá trị tính tốn của tải trọng được gọi là tải trong tính tốn, được phân ra dùng riêng cho
tính tốn theo từng trạng thái giới hạn.
2) Các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng
Các trường hợp tải trọng là sự sắp xếp khơng gian các tải trọng được đưa vào tính toán kết
cấu. Các tải trọng cần được sắp xếp sao cho ảnh hưởng bất lợi nhất lên kết cấu đối với trạng
thái giới hạn được xem xét.
Tổ hợp tải trọng là tập hợp các giá trị tính tốn để kiểm tra kết cấu theo trạng thái giứi hạn
dưới ảnh hưởng đồng thời của các tải trọng khác nhau. Kết cấu và nền cần được tính tốn
18
theo các tổ hợp tải trọng bất lợi có thể xảy ra (đối với các tiết diện của cấu kiện, kết cấu và
các mối nối của chúng hoặc là đối với tồn bộ cơng trình).
Việc giảm xác suất tăng đồng thời các giá trị tính tốn đối với một số tải trọng trong tổ hợp
so với xác suất tăng trị tính tốn của một tải trọng được tính đến bằng hệ số tổ hợp.
2.2.3 Các đặc trưng tính tốn của vật liệu và đất nền
Các thông số cơ bản về cường độ của vật liệu đối với tác động lực là cường độ tiêu chuẩn,
do tiêu chuẩn thiết kế kết cấu xây dựng quy định có tính đến sự phân tán ngẫu nhiên các
tính chất cơ học của vật liệu. Hệ số đảm bảo các giá trị cường độ tiêu chuẩn của vật liệu
không nhỏ hơn 95%. Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu cho phép lấy giá trị đặc trưng cường
độ của vật liệu. Ngoài cường độ tiêu chuẩn, các đặc tính khác của vật liệu được lấy giá trị
trung bình của các số liệu thống kế.
Các đặc tính tiêu chuẩn của vật liệu và đất nền cũng như sự thay đổi của chúng được xác
định trên cơ sở kết quả thí nghiệm của các mẫu phù hợp hoặc xác định bằng phương pháp
thí nghiệm khơng phá hủy. Các thí nghiệm cần được thực hiện trên các tổ mẫu vật liệu có
xét đến điều kiện chế tạo, nghiệm thu và giao nhận.
Khi chọn các đặc trưng tính tốn của vật liệu cần phải xét đến sự khác nhau của tính chất
vật liệu trong mẫu thử và kết cấu thực (ảnh hưởng của kích thước, thay đổi tính chất theo
thời gian, điều kiện nhiệt độ khác nhau v.v…).
Khi tính tốn kết cấu làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc thấp, độ ẩm cao, trong môi
trường xâm thực, chịu tải trọng lặp v.v… cần phải xét đến khả năng thay đổi tính chất của
vật liệu theo thời gian, trước tiên là sự suy giảm tính chất cơ lý (cường độ, độ đàn hồi, độ
dẻo, từ biến, co ngót).
Trị tiêu chuẩn các đặc tính của đất nền được xác định trên cơ sở xử lý thống kế các kết quả
khảo sát địa kỹ thuật khu đất xây dựng cơng trình. Trị tiêu chuẩn các đặc tính của đất nền
hay các thông số quyết định sự tác động tương hỗ giữa móng và đất nền được lấy giá trị
trung bình của chúng.
Những sai lệch có khả năng xảy ra theo hướng bất lợi đối với các đặc trưng của vật liệu và
đất nền so với giá trị tiêu chuẩn được nhân với hệ số tin cậy về vật liệu và đất nền. Các hệ số
này có thể có những giá trị khác nhau đối với các trạng thái giới hạn khác nhau.
Giá trị tính tốn của các đặc trưng vật liệu hay đất nền được xác định bằng cách lấy giá trị
tiêu chuẩn chia cho hệ số tin cậy về vật liệu hay đất nền. Cũng có thể xác định trực tiếp giá
trị tính tốn của các đặc trưng vật liệu hay đất nền từ số liệu thí nghiệm.
2.2.4 Điều kiện làm việc của kết cấu, vật liệu và nền
Những sai lệch có thể xảy ra giữa sơ đồ tính tốn cơng trình so với điều kiện làm việc thực
tế được xét đến bằng cách sử dụng hệ số điều kiện làm việc của kết cấu, vật liệu và nền.
Hệ số điều kiện làm việc cần được xác định trong các tiêu chuẩn tính tốn kết cấu và nền
19
trên cơ sở số liệu thực nghiệm và lý thuyết cũng như số liệu về sự làm việc thực tế của vật
liệu, kết cấu và nền trong điều kiện thi cơng và sử dụng cơng trình.
2.2.5 Tầm quan trọng của cơng trình
Phụ thuộc vào mức độ quan trọng của cơng trình dựa trên hậu quả về xã hội, sinh thái, kinh
tế khi cơng trình bị hư hỏng và phá hủy mà thiết kế phải tính đến hệ số tin cậy về tầm quan
trọng. Giá trị của hệ số tầm quan trọng đối với cơng trình được cho tiêu chuẩn thiết kế
2.3 TÍNH TỐN KẾT CẤU THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
2.3.1 Ngun tắc chung
Tính tốn kết cấu theo trạng thái giới hạn là bằng tính tốn ngăn chặn khả năng vượt quá
trạng thái giới hạn kết cấu trong toàn bộ thời gian sử dụng cũng như q trình thi cơng. Việc
đảm bảo không vượt quá trạng thái giới hạn phải phù hợp với mức độ an toàn của kết cấu.
Những yêu cầu về tính tốn phải làm sao cho ứng suất hay nội lực, biến dạng hay chuyển vị,
vết nứt, v.v...không vượt q giá trị giới hạn.
Tính tốn kết cấu theo trạng thái giới hạn gồm: tính tốn kết cấu và tính tốn theo trạng thái
giới hạn.
2.3.2 Tính tốn kết cấu
Mục đích của tính tốn kết cấu là xác định chuyển vị hoặc biến dạng và nội lực hoặc ứng
suất trong kết cấu.Tính tốn kết cấu được thực hiện với các tải trọng tính tốn. Các hệ số độ
tin cậy của tải trọng được lấy các giá trị tương ứng với trạng thái giới hạn cần tính tốn.
Khi tính tốn cần xem xét các giá trị bất lợi có thể xẩy ra của các đặc tính của vật liệu và đất
nền, các giá trị bất lợi của các tổ hợp tải trọng, tác động và trong nhiều trường hợp cần tính
đến độ sai lệch bất lợi về kích thước cũng như điều kiện thi công, sử dụng và những điều
kiện làm việc đặc biệt của kết cấu và nền. Các giá trị bất lợi có thể xảy ra là các giá trị của
các đặc tính tương ứng với đảm bảo nhất định.
Mơ hình tính tốn và các giả thiết cơ bản trong tính tốn kết cấu và nền cần phản ánh điều
kiện làm việc thực tế của cơng trình, phù hợp với trạng thái giới hạn đang xem xét. Khi đó,
trong những trường hợp đã được các tiêu chuẩn thiết kế quy định, cần phải tính đến: những
yếu tố quyết định trạng thái ứng suất và biến dạng; những đặc điểm của sự tác động tương
hỗ giữa các cấu kiện với nhau và với nền; sự làm việc không gian, phi tuyến tính về hình
học và vật lí; tính dẻo và tính lưu biến của vật liệu và đất.
Biến dạng khơng đàn hồi của vật liệu và đất nền (biến dạng dẻo, từ biến), cũng như sự hình
thành vết nứt trên các kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu gạch đá, kết cấu gạch đá cốt thép
được tính tốn theo yêu cầu của các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu, nền nhà và cơng trình. Nếu
trong các tiêu chuẩn khơng quy định việc tính tốn biến dạng khơng đàn hồi, nội lực do tải
trọng và tác động trong các hệ kết cấu siêu tĩnh được tính tốn như khi kết cấu làm việc
20
trong giai đoạn đàn hồi, khi đó các tiết diện hoặc các cấu kiện nên được tính tốn theo các
tiêu chuẩn có tính đến các biến dạng khơng đàn hồi trong các trường hợp cần thiết. Khi chưa
xây dựng được phương pháp xác định nội lực và ứng suất có tính đến biến dạng khơng đàn
hồi, cho phép tiến hành tính tốn cường độ của kết cấu dựa trên điều kiện là ứng suất lớn
nhất do tải trọng tính tốn gây ra (xác định trên giả thiết kết cấu làm việc trong giai đoạn
đàn hồi) không được vượt quá cường độ tính tốn tương ứng.
Một số trường hợp đặc biệt khác:
1) Trong tiêu chuẩn thiết kế có thể quy định những trạng thái giới hạn khơng u cầu
tính tốn.
2) Khi thiếu những phương pháp tính tốn lí thuyết đáng tin cậy hoặc thiếu những cách
giải tương tự đã được kiểm chứng trước cũng như trong các trường hợp cần có luận
chứng về mặt kinh tế, việc tính tốn cơng trình cần được tiến hành trên những cơ sở
nghiên cứu riêng về lí thuyết hoặc thực nghiệm trên mơ hình hoặc kết cấu thực.
2.3.3 Tính tốn theo trạng thái giới hạn
Tính toán theo trạng thái giới hạn nhằm đảm bảo ngăn chặn khả năng vượt quá trạng thái
giới hạn kết cấu trong toàn bộ thời gian sử dụng cũng như quá trình thi cơng. Việc đảm bảo
khơng vượt q trạng thái giới hạn phải phù hợp với mức độ an toàn của kết cấu. Những u
cầu về tính tốn phải làm sao cho ứng suất, biến dạng, chuyển vị, vết nứt, v.v...khơng vượt
q giá trị giới hạn.
Giá trị tính tốn của tải trọng dùng để tính tốn kết cấu và nền được lấy như sau:
F tt F tc F
(2.4)
Trong đó:
F tc giá trị tiêu chuẩn của tải trọng được cho trong các tiêu chuẩn thiết kế hoặc
được xác định thực tế, lấy bằng giá trị đặc trưng theo phương pháp thống kê;
F hệ số độ tin cậy của tải trọng.
Giá trị tính tốn của cường độ của vật liệu được xác định:
f tt f tc / M
(2.5)
Trong đó:
f tc giá trị tiêu chuẩn của cường độ của vật liệu;
M hệ số độ tin cậy của cường độ của vật liệu.
a) Tính tốn theo trạng thái giới hạn I:
Tính tốn kết cấu theo độ bền được thể hiện bằng điều kiện:
Sd Rd
(2.6)
trong đó:
Sd - nội lực tính tốn theo các tổ hợp tải trọng tại tiết diện Sd Sd F tt ;
21
tt
R d - khả năng chịu lực của tiết diện đang xét. Rd Rd f , 0 , n ;
F tt tải trọng tính tốn F tt F tc f ;
f tt cường độ tính tốn của vật liệu f tt f tc / M ;
0 hệ số điều kiện làm việc của kết cấu;
n hệ số độ tin cậy về tầm quan trọng của cơng trình.
Nội lực tính tốn được xác định bằng tính tốn kết cấu với các tổ hợp tải trọng có xét đến
các hệ số độ tin cậy và hệ số tổ hợp tải trọng. Biểu thức tổ hợp các tải trọng có dạng:
F tt i Fi tt
(2.7)
Trong đó:
Fi tt giá trị tính tốn của tải trọng thứ i;
i hệ số tỏ hợp tương ứng với tải trọng thứ I;
thể hiên sự kết hợp các tải trọng.
b) Tính tốn kết cấu theo trạng thái giới hạn II:
Tính tốn theo trạng thái giới hạn II (về điều kiện sử dụng bình thường) được thực hiện theo
điều kiện:
Ed Cd
(2.8)
trong đó:
Cd - giá trị giới hạn của tiêu chí về diều kiện sử dụng bình thường của kết cấu (biến
dạng /chuyển vị/góc xoay, nứt, rung động, mỏi, cháy, động đất, độ bền lâu…);
Ed - giá trị tình tốn của tiêu chí do tải trọng gây ra đối với kết cấu (hiệu ứng của tải
trọng) về điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu tương ứng với Cd .
Khi tính tốn đại lượng Ed , hệ số độ tin cậy của tải trọng, của vật liệu và của kết cấu cần lấy
giá trị tương ứng khi tính toán theo trạng thái giới hạn II, được quy định trong các tiêu
chuẩn thiết kế.
22
2.3.4 Quy trình tính tốn kết cấu theo trạng thái giới hạn
PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
XUẤT PHÁT
TÍNH TỐN KẾT CẤU
XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ & NỘI LỰC
ĐIỀU CHỈNH
PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
TÍNH TỐN CÁC TIÊU CHÍ
THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
KHƠNG ĐẠT
KIỂM TRA
THEO TRẠNG THÁI
GIỚI HẠN?
ĐẠT
CHẤP NHẬN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
Hình 2.1: Quy trình tính tốn kết cấu theo trạng thái giới hạn
Ghi chú: Tính tốn các tiêu chí theo trạng thái giới hạn đối được thực hiện cho tứng cấu
kiện hay tiết diện. Đối với trạng thái giới hạn I thì các tiêu chí đó là độ bền, độ bền mỏi hay
lực tới hạn (ổn định) của cấu kiện. Đối với trạng thái giới hạn II thì các tiêu chí đó là nứt
hay độ võng của cấu kiện. Chuyển vị, độ rung động của kết cấu cũng là các tiêu chí theo
trạng thái giới hạn II.
2.4 THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
2.4.1 Nguyên tắc chung
Mọi trạng thái giới hạn đều cần được xem xét trong thiết kế. Cần đưa ra một mơ hình tính tốn cho
mỗi trạng thái giới hạn nhất định. Mơ hình này cần kết hợp chặt chẽ các biến thiết kế thích hợp, có
xét đến tính bất định của tải trọng, đến phản ứng toàn phần củ kết cấu, đối xử của các cấu kiện riêng
lẻ, của vật liệu kết cấu và các điều kiện môi trường.
23
