Quan Hệ Ứng Suất-Biến Dạng Của Tao Thép 7 Sợi Được Sản Xuất Theo Các Quá Trình Khác Nhau

- Tao hoặc cáp không khử ứng suất dư có mất mát do tự chùng cao hơn nên không được sử dụng trong cầu.

- Thép dự ứng lực thông thường nhất là tao thép bảy sợi, loại này được khử ứng suất và có độ chùng thấp. Khi chế tạo các tao thép, thanh thép các-bon cao được kéo liên tục qua các khuôn kéo sợi có đường kính nhỏ liên tục nhằm sắp xếp các phân tử thép theo một hướng và làm tăng cường độ của sợi thép tới trên 1700 MPa. Rồi 6 sợi được đặt bao quanh một sợi ở giữa theo kiểu xoắn ốc. Sự kéo nguội và xoắn các sợi tạo ra ứng suất dư trong tao thép. Các ứng suất dư này là nguyên nhân khiến

cho biểu đồ ứng suất – biến dạng tròn hơn và giới hạn chảy thấp hơn. Giới hạn chảy này có thể được nâng cao bằng cách làm nóng các tao thép tới 350oC và để chúng nguội dần. Biện pháp cải thiện hơn nữa đối với sự chùng của thép được thực hiện bằng cách kéo các tao thép trong chu trình nóng, lạnh. Quá trình này được gọi là sự tôi thép và đưa ra sản phẩm là các tao thép có độ chùng

thấp.

- Theo ASTM A416M và A722, ta có các loại tao cáp và thép thanh DUL như sau:

Vật liệu

Loại hoặc cấp thép	Đường kính (mm)	Cường độ chịu kéo min, fpu (MPa)	Cường độ chảy min, fpy (MPa)
Tao cáp thép	1725MPa (Grade 250)	6,35 15,24	1725	85%fpu, ngoại trừ 90%fpu đối với tao tự chùng thấp
	1860MPa (Grade 270)	9,35  15,29	1860
Thép thanh	Loại 1, tròn trơn	19 35	1035	85%fpu
	Loại 2, có gờ (tròn đốt)	15  36	1035	80%fpu

Có thể bạn quan tâm!

• Kết cấu công trình cầu đường - Trường Cao đẳng Xây dựng TP. Hồ Chí Minh Phần 1 - 2
• Phân Loại Kết Cấu Btct Theo Trạng Thái Ứng Suất Khi Chế Tạo: 2 Loại
• Hệ Số Ks Đối Với Tỉ Số Thể Tích/diện Tích Bề Mặt
• Hệ Số Sức Kháng Đối Với Các Kết Cấu Thông Thường
• Sơ Đồ Tính Độ Võng Đàn Hồi Của Một Số Kết Cấu Cơ Bản
• Sơ Đồ Xác Định Ứng Suất Trong Dầm Btct Dự Ứng Lực Liên Hợp

Xem toàn bộ 98 trang tài liệu này.

2.2.2.2. Đường cong quan hệ us-bd của cốt thép DUL

Hình 2.8 - Quan hệ ứng suất-biến dạng của tao thép 7 sợi được sản xuất theo các quá trình khác nhau

- Theo Collin và Mitchell (1991) thì biểu thức thể hiện mối quan hệ giữa fps và ps như sau: Với tao cáp độ tự chùng thấp, fpu = 1860MPa thì:

 0,975 





ps

f ps E p.ps .0,025 1 118

10 0,1 

f pu

- Biến dạng trong cốt thép dự ứng lực ps có thể được xác định ở một mức tải trọng nào đó từ biến dạng trong bê tông bao quanh cp như sau:

ps =cp +pe (2.17)

trong đó cp là biến dạng của bê tông ở cùng một vị trí với cốt thép dự ứng lực và pe thường được tính gần đúng như sau:

pe pe p

f / E

- Trong trường hợp cốt thép không dính bám, sự trượt xảy ra giữa cốt thép và bê tông xung quanh và biến dạng trong cốt thép trở nên đều đặn trong đoạn nằm giữa các điểm neo. Biến dạng dài tổng cộng của cốt thép lúc này phải bằng biến dạng dài tổng cộng của bê tông trong đoạn nói trên, tức là

ps cp pe

(2.18)



ở đây, cp

là biến dạng trung bình của bê tông tại vị trí cốt thép dự ứng lực, được tính trung bình

trong khoảng cách giữa các neo của cốt thép không có dính bám.

- Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép dự ứng lực được cho trên hình 2.9. Các đường cong này có thể được tính gần đúng bằng các công thức sau:

Đối với cấp 250:

ps

197000 ps đối với 0,008 

f 



0, 4

(2.19)

ps 



1710 

ps

0, 006

< 0,98fpu

đối với 0,008 

ps



Đối với cấp 270:

197000 ps

ps

đối với 0,008 

f 0, 517

 (2.20)

ps 



1848 

ps

0, 0065

< 0,98fpu

đối với 0,008 

ps



Đối với thép thanh

207000 ps

ps

đối với 0,004 

f 

0,192

 (2.21)

ps 



1020 

ps

0, 003

< 0,98fpu

đối với 0,004 

ps



Hình 2.9 - Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép dự ứng lực

- Mô đun đàn hồi của cốt thép DUL: Tiêu chuẩn (A5.4.4.2) quy định: Nếu không có các số liệu chính xác hơn, mô đun đàn hồi của cốt thép DUL có thể lấy như sau:

+ Đối với tao thép Ep = 1,97.105MPa

+ Đối với thép thanh Ep = 2,07.105MPa.

CHƯƠNG 3 :NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN TCVN11823: 2017 (TC cũ 22TCN272-05)

3.1. Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN11823: 2017

3.1.1. Vài nét về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18 – 1979

Tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế cầu ở Việt nam là tiêu chuẩn ngành mang ký hiệu 22 TCN 18– 1979 với tên gọi “Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn” (thường được gọi tắt là Quy trình 79). Tiêu chuẩn này đã được sử dụng trong khoảng một phần tư thế kỷ mà chưa có dịp cập nhật, sửa đổi. Nội dung Quy trình này dựa trên Quy trình của Liên xô (cũ) ban hành từ năm 1962 và năm 1967 và có tham khảo Quy trình của Trung quốc năm 1959.

Hiện nay, Quy trình nói trên vẫn đang được sử dụng để thiết kế nhiều cầu nhỏ và cầu trung cũng như một vài cầu lớn. Nhưng nói chung khi thiết kế các cầu lớn, các nhà thiết kế Việt nam và nước ngoài đã tham khảo và sử dụng một số tiêu chuẩn thiết kế hiện đại hơn, đã được quốc tế công nhận. Đặc biệt, trong những trường hợp có tư vấn nước ngoài tham gia dự án thì Tiêu chuẩn Nhật bản (JIS) và Tiêu chuẩn Hoa kỳ (AASHTO) thường được sử dụng nhất.

3.1.2. Cơ sở của nội dung Tiêu chuẩn mới TCVN11823: 2017

Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu mang ký hiệu 22 TCN 272-01 (áp dụng từ năm 2001) đã được biên soạn như một phần công việc của dự án của Bộ giao thông vận tải mang tên “Dự án phát triển các Tiêu chuẩn cầu và đường bộ ”.

Kết quả của việc nghiên cứu tham khảo đã đưa đến kết luận rằng, hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO (Hiệp hội cầu đường Mỹ) của Hoa kỳ là thích hợp nhất để được chấp thuận áp dụng ở Việt nam. Đó là một hệ thống Tiêu chuẩn hoàn thiện và thống nhất, có thể được cải biên để phù hợp với các điều kiện thực tế ở nước ta. Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới được dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998), theo hệ đơn vị đo quốc tế SI. Tiêu chuẩn LRFD (Thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng) ra đời năm 1994, được sửa đổi và xuất bản lần thứ hai năm 1998. Tiêu chuẩn này đã được soạn thảo dựa trên những kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn khác nhau trên khắp thế giới nên có thể được coi là đại diện cho trình độ hiện đại trong hầu hết các lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm hiện nay.

Các tài liệu Việt nam được liệt kê dưới đây đã được tham khảo hoặc là nguồn gốc của các dữ liệu thể hiện các điều kiện thực tế ở Việt nam:

Tiêu chuẩn về thiết kế cầu 22 TCN 18–1979

Tiêu chuẩn về tải trọng gió TCVN 2737 – 1995

Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt TCVN 4088 – 1985 Tiêu chuẩn về thiết kế chống động đất 22 TCN 221 – 1995 Tiêu chuẩn về giao thông đường thủy TCVN 5664 – 1992

3.2. Quan điểm chung về thiết kế

Trong thiết kế các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi đã được chọn .Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có trách nhiệm thấy rằng mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thoả mãn .

Điều kiện để đảm bảo độ an toàn của một công trình là :

Sức kháng của vật liệu Hiệu ứng của tải trọng

Điều kiện trên phải được xét trên tất cả các bộ phận của kết cấu .

Khi nói về sức kháng của vật liệu ta xét khả năng làm việc tối đa của vật liệu mà ta gọi là trạng thái giới hạn(TTGH).

Một trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành mục tiêu thiết kế đề ra .

Mục tiêu là không vượt quá TTGH, tuy nhiên đó không phải là mục tiêu duy nhất , mà cần xét đến các mục đích quan trọng khác , như chức năng , mỹ quan , tác động đến môi trường và yếu tố kinh tế. Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng có bộ phận nào , chẳng bao giờ bị hư hỏng .Do đó cần phải xác định đâu là giới hạn chấp nhận được trong rủi ro của xác suất phá huỷ . Việc xác định một miền an toàn chấp nhận được (cường độ lớn hơn bao nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) không dựa trên ý kiến chủ quan của một cá nhân nào mà dựa trên kinh nghiệm của một tập thể .Tiêu chuẩn TCVN11823: 2017 có thể đáp ứng được .

3.3. Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD

Để xét đến sự thay đổi ở cả hai phía của bất đẳng thức trong phương trình 1.1. Phía sức kháng được nhân với một hệ số sức kháng  dựa trên cơ sở thống kê (<=1). Phía tải trọng được nhân lên với hệ số tải trọng  dựa trên cơ sở thống kê tải trọng,  thường lớn hơn 1. Nếu sức kháng danh định là Rn , tiêu chuẩn an toàn sẽ là:

.Rn ≥ Hiệu ứng của i.Qi (3.2)

Vì phương trình 1.2 chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng ( LRFD).

Hệ số sức kháng  cho trạng thái giới hạn cần xét tới tính phân tán của :

- Tính chất vật liệu

- Phương trình dự tính cường độ

- Tay nghề công nhân

- Kiểm soát chất lượng

- Tình huống hư hỏng

Hệ số tải trọng i dùng cho các tải trọng đặc biệt cần xét tới độ phân tán (sự sai khác) của :

- Độ lớn của tải trọng

- Sự sắp xếp của tải trọng

- Tổ hợp tải trọng có thể xảy ra Ưu điểm của LRFD:

- Có xét đến sư biến đổi cả về sức kháng và tải trọng

- Đạt được mức độ an toàn đồng đều cho các TTGH khác nhau và các loại cầu mà không cần phân tích xác suất và thống kê phức tạp.

- Phương pháp thiết kế thích hợp Nhược điểm của LRFD:

- Yêu cầu thay đổi tư duy thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ)

- Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê

- Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thống kê và thuật toán tính xác suất để chỉnh lý hệ số sức kháng trong trường hợp đặc biệt.

3.4. Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN11823: 2017

3.4.1. Quan điểm thiết kế

Cầu phải được thiết kế để đạt được các mục tiêu: thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan. Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiêu này, cần phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn. Kết cấu thiết kế phải có đủ độ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (có tính dư) và tầm quan trọng của nó trong khai thác phải được xét đến.

Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn TK cầu TCVN11823: 2017 là: Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn tất cả các TTGH cả tổng thể và cục bộ, được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau:

i.i.Qi ≤ Rn (3.3)

Trong đó:

Qi Hiệu ứng tải trọng theo quy định (nội lực do tải hoặc các tác động bên ngoài sinh ra)

i hệ số tải trọng theo thống kê

Rn sức kháng danh định của vật liệu

 hệ số sức kháng theo thống kê của sức kháng danh định.

Đối với mọi trạng thái giới hạn (trừ TTGHCĐ), hệ số sức kháng  = 1,0

hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác của cầu, có dạng tổng quát sau:

i D .R .I

D = hệ số dẻo

 0,95

R = hệ số dư thừa

I = hệ số tầm quan trọng

Hai hệ số đầu có liên quan đến cường độ của cầu, hệ số thứ ba xét đến sự làm việc của cầu ở trạng thái sử dụng.

Trừ trạng thái giới hạn cường độ, đối với tất cả các TTGH khác , D = R = 1,0.

1. Tính dẻo

Tính dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu. Nhờ tính dẻo, khi một bộ phận chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang các bộ phận khác, do đó kết cấu có dự trữ độ bền.

Nếu vật liệu không dẻo thì kết cấu sẽ bị phá hoại đột ngột khi bị quá tải  phá hoại giòn. Có thể biến kết cấu BTCT thành dẻo nếu ta bố trí cốt thép một cách hợp lý. Nếu ta tuân thủ đầy đủ các quy định của tiêu chuẩn thì các phần tử sẽ có tính dẻo.

Các trị số đối với trạng thái giới hạn cường độ:

D ≥ 1,05 cho cấu kiện và liên kết không dẻo.

= 1,00 cho các thiết kế thông thường và các chi tiết theo đúng Tiêu chuẩn này.

≥ 0,95 cho các cấu kiện và liên kết có tính dẻo, hoặc dùng các biện pháp tăng thêm tính dẻo

2. Tính dư

Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu . Một kết cấu siêu tĩnh được xem là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học.

Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được sử dụng trừ khi có những lý do bắt buộc khác. Khái niệm nhiều đường truyền lực là tương đương với tính dư thừa. Các đường truyền lực đơn hay các kết cấu cầu không dư được khuyến cáo không nên sử dụng.

Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn.

Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập đổ cầu được coi là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư.

Đối với trạng thái giới hạn cường độ :

R  1,05 cho các bộ phận không dư

= 1,00 cho các mức dư thông thường

 0,95 cho các mức dư đặc biệt

3. Tầm quan trọng trong khai thác

Điều quy định này chỉ dùng cho trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt.

Các cầu có thể được xem là có tầm quan trọng trong khai thác nếu chúng nằm trên con đường nối giữa các khu dân cư và bệnh viện hoặc trường học, hay là con đường dành cho lực lượng công an, cứu hỏa và các phương tiện giải cứu đối với nhà ở, cơ quan và các khu công nghiệp. Cầu cũng có thể được coi là quan trọng nếu chúng giúp giải quyết tình trạng đi vòng do tắc đường, giúp tiết kiệm thời gian và xăng dầu cho người lao động khi đi làm và trở về nhà. Nói tóm lại, khó có thể tìm thấy tình huống mà cầu không được coi là quan trọng trong khai thác. Một ví dụ về cầu không quan trọng là cầu trên đường phụ dẫn tới một vùng hẻo lánh được sử dụng không phải quanh năm.

Chủ đầu tư có thể công bố một cầu hoặc bất kỳ cấu kiện hoặc liên kết nào của nó là loại cầu quan trọng trong khai thác.

Đối với trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt.

I  1,05 cho các cầu quan trọng

= 1,00 cho các cầu điển hình

 0,95 cho các cầu tương đối ít quan trọng

3.4.2. Các trạng thái giới hạn theo TCVN11823: 2017

TTGH là trạng thái mà vượt qua nó kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành được nhiệm vụ mà thiết kế đề ra. Tiêu chuẩn 05 đề cập tới 4 TTGH sau:

3.4.2.1. TTGH sử dụng

- TTGHSD phải xét đến như một biện pháp nhằm hạn chế đối với ứng suất, biến dạng và bề rộng vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường.

3.4.2.2. Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại giòn

Trạng thái giới hạn mỏi phải được xét đến trong tính toán như một biện pháp nhằm hạn chế về biên độ ứng suất do một xe tải thiết kế gây ra với số chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến.