tải trọng và các tổ hợp tải trọng tính toán nội lực

tải trọng và các tổ hợp tải trọng tính toán nội lực

Chương 4

Tải trọng và các tổ hợp tải trọng tính toán nội lực phương án 1

1 Giới thiệu kết cấu phương án 1.

Kết cấu cầu chính gồm có 5 phân đoạn,giữa mỗi phân đoạn có khe lún 2 cm.Cọc sử dụng là cọc BTULT có D = 700 mm dài 35 m gồm 3 đoạn

Bước khung ngang là 4.5 m,bước khung dọc là 5.2 m

Kích thước cầu chính là 55m x 31m

Bố trí cọc BTULT như sau:

 Tại vị trí trụ tựa bố trí 1 cọc thẳng vá 2 cọc xiên không gian

 Tại vị trí dầm cần trục phía trong bố trí 2 cọc xiên không gian

 Tại vị trí các dầm ngang bố trí 1 cọc thẳng

Cầu chính gồm có:

 Hệ thống dầm trong 1 phân đoạn cầu chính bao gồm:

 11 dầm ngang DN tiết diện 90x110cm Cao độ đáy dầm +4.09m

 1 dầm dọc DD1 tiết diện 90x110cm, cao độ đáy dầm +4.09m

 5 dầm dọc DD2 có tiết diện 70x90cm, cao độ đáy dầm +4.29m

 2 dầm cần trục DCT có tiết diện 90x110cm, cao độ đáy dầm+4.09m.Trên dầm cần trục bố trí hệ thống cọc ray, ray A100 hoặc loại rayphù hợp với yêu cầu của Nhà cung cấp cẩu

 Trụ tựa tàu:

Toàn bến có 55 trụ tựa (mỗi phân đoạn có 11 trụ), cao trình đáy trụ là +2.19

m, có có kích thước trụ 3.2x2.0x3.0m Đệm tựa tàu được bố trí cách 1 trụtreo một đệm, tổng số đệm sử dụng cho bến 1a là 27 đệm và 10 bích neotàu đượïc bố trí tại 10 trụ

 Bản mặt cầu chính:

Kích thước 1 phân đoạn bản mặt cầu là 55mx31m riêng vị trí tiếp giáp cầudẫn rộng 30.5m, chiều dày bản mặt cầu 35cm và 6cm lớp phủ mặt bến, trênbản có bố trí các lỗ thoát nước D60 Trên mặt bản bố trí gờ chắn xe bằngBTCT, giữa các phân đoạn là khe lún rộng 2cm và khớp chống chuyển vịngang

2 Tải trọng tác dụng lên bến (tính cho 1 phân đoạn).

2.2 Tải trọng do cần trục.

Cần trục sử dụng trên bến là cần trục SSG 40T

Cần trục có 4 chân mỗi chân 8 bánh,theo số liệu của cần trục thì khi cẩu hàng:

 Aùp lực lên 8 bánh trước là:31.80 T/1bánh

 Aùp lực lên 8 bánh sau là:24.92 T/1bánh

Cần trục trong trường hợp cẩu hàng vào giữa thì áp kực lên các bánh xe là đềunhau và bằng 31.29 T/1bánh

Khoảng cách giữa các bánh là 1.2m

2.3 Tải trọng ôtô

Ô tô sử dụng trên cảng là H-30 có tải trọng như hình vẽ:

2.4 Tải trọng xe nâng.

Xe nâng sử dụng trên bến là xe nâng RSD 40T

2.5 Tải trọng do tàu

2.5.1 Diện tích chắn gió & lực gió tác dụng lên tàu

a) Theo phương ngang tàu

 Diện tích chắn gió theo phương ngang tàu :

Aq = αq L2

t,max (TCVN 222- 95) Tra bảng Lt ,max = 218 m => khi đầy hàng αq = 0.078

khi không có hàng αq =0.1036

 Diện tích khi đầy hàng :

Vận tốc gió : Vq = 37.5 m/s ứng với suất đảm bảo là 2%

Hệ số  lấy theo bảng ứng với Lt ,max = 218 m =>  = 0.5

 Khi tàu đầy hàng :

W q = 73.6 x 10-5x 3706.872x 37.52x0.5 = 1918.3 KN

 Khi tàu chưa hàng :

W q = 73.6 x 10-5x 4923.486x 37.52x0.5 = 2547.9 KN

Vận tốc gió : Vq = 25 m/s ứng với suất đảm bảo là 20%

Hệ số  lấy theo bảng ứng với Lt ,max = 218 m =>  = 0.5

 Khi tàu đầy hàng :

W q = 73.6 x 10-5x 3706.872x 252x0.5 = 852.38 KN

 Khi tàu chưa hàng :

W q = 73.6 x 10-5x 4923.486x 252x0.5 = 1132.29 KN

b) Theo phương dọc tàu :

 Diện tích chắn gió :

An = αn B 2 (TCVN 222- 95)

 Khi tàu đầy hàng αn = 0.95 => An = 0.95x 30.22 = 866.44 m2

 Khi không có hàng αn =1.2 => An = 1.2x 30.22 = 1094.45 m2

 Tải gió theo phương dọc tàu :

Wn = 49 x 10-5 x An x Vn2 x 

Vận tốc gió : Vn = 37.5 m/s ứng với suất đảm bảo là 2%

Hệ số  lấy theo bảng ứng với B = 30.2m =>  = 0.96

 Khi tàu đầy hàng : Wn = 49 x 10-5 x866.44 x 37.52 x0.96 = 573.15 KN

 Khi tàu chưa hàng : Wn = 49 x 10-5 x1094.45 x 37.52 x0.96 = 723.98 KN

Vận tốc gió : Vn = 25 m/s ứng với suất đảm bảo là 20%

Hệ số  lấy theo bảng ứng với B = 30.2m =>  = 0.96

 Khi tàu đầy hàng : Wn = 49 x 10-5 x866.44 x 252 x0.96 = 254.6 KN

 Khi tàu chưa hàng : Wn = 49 x 10-5 x1094.45 x 252 x0.96 = 321.6 KN

2.5.2 Tải trọng do dòng chảy.

a) Theo phương ngang tàu

Q = 0.59 x At x V2

t

Vận tốc dòng chảy : Vt = 0.1m/s

Khi đầy hàng : At = 218 x 11.1 x 0.9 =2177.82 m2

Khi không có hàng : At = 218 x 6.95 x 0.9 = 1363.6 m2

Tải trọng do dòng chảy theo phương ngang tàu

 Khi đầy hàng: Qw = 12.85 KN

 Khi không có hàng : Qw = 8.05 KN

b) Theo phương dọc tàu

N = 0.59 x At xV2

t

Vận tốc dòng chảy : Vt = 1.0 m/s

Khi đầy hàng : At =30.2 x 11.1 x 0.9 = 301.7 m2

Khi không có hàng : At = 30.2 x 6.95 x 0.9 = 188.9 m2

Tải trọng do dòng chảy theo phương dọc tàu

 Khi đầy hàng:

Q

q1.1

Qtot : Tổng lực ngang do gió, sóng và dòng chảy

Vận tốc gió : Vn = 37.5 m/s ứng với suất đảm bảo là 2%

Khi đầy hàng : Qtot = Wq + Q =1918.3 + 12.85 = 1931.2 KN Khi không có hàng : Qtot = Wq + Q =2547.9 + 8.05 = 2555.95 KN

Vận tốc gió : Vn = 25 m/s ứng với suất đảm bảo là 20%

Khi đầy hàng : Qtot = Wq + Q =852.38 + 12.85 = 865.23 KN Khi không có hàng : Qtot = Wq + Q =1132.3 + 8.05 = 1140.3 KN

lt : Chiều dài đoạn thẳng thành tàu

Khi đầy hàng : 86m

Khi không có hàng : 65 m

Lực tựa tàu :

Vận tốc gió : Vn = 37.5 m/s ứng với suất đảm bảo là 2%

Khi đầy hàng : q = 24.69 KN/mKhi không có hàng : q = 43.25 KN/m

Vận tốc gió : Vn = 25 m/s ứng với suất đảm bảo là 20%

Khi đầy hàng : q = 10.06 KN/mKhi không có hàng : q = 19.29 KN/m

Trong đó :

D = 42800 T : Lượng rẽ nước tính toán của tàu

V = 0.15(m/sec) : Thành phần vuông góc (với mặt trước công trình)

của tốc độ cập tàu m/s tra bảng TCVN222-95

 = 0.65 : Hệ số tra bảng

E q 313KJ

2

215.04280065





 Tra bảng chọn thiết bị đệm tàu SUMITOMO Upi-800H 2000L (loại CP2) cao

su hình thanh rỗng với biến dạng 60%

 Thành phần lực va theo phương vuông góc mép bến :

Fq = 83.2 T

 Thành phần lực va song song với mép bến:

Fn = Fq =0.5 x 83.2 =43.1 T : Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu của lớp mặt thiết bị đệm (vật

liệu là polyethylene)

2.5.5 Tính toán lực neo tàu

Chiều dài tàu Lmax = 218m  Chọn 6 bích neo(bố trí trên bến là 12 neo) :

Lực neo tác động lên một bích neo :

S

Sn

 Sq

n tot Q

S 

Qtot : Thành phần lực vuông góc với mép bến

Vận tốc gió : Vn = 37.5 m/s ứng với suất đảm bảo là 2%

Khi tàu đầy hàng : Qtot = 1918.3 + 12.85 = 1931.2 KNKhi không có hàng : Qtot = 2547.9 + 8.05 = 2555.95 KNn: Số bích neo bằng 6

Tàu neo tại mép bến : Đầy hàng :  = 30o,  = 200

Không chứa hàng :  = 30o,  = 400

 Lực neo tác động lên một bích neo :

 Khi tàu đầy hàng

685 68.5

2030

6

2.1931

Sq =

6

2.1931

= 321.9 KN = 32.19T

Sn= Sx Cos300x Cos200 = 55.74T

Sv= Sx Sin200 = 23.43 T

 Khi không có hàng

1112.18 111.22

4030

6

95.2555

Sq =

6

95.2555

= 426 KN = 42.6 T

Sn= S x Cos300x Cos400 = 73.78 T

Sv= S x Sin400 = 71.49 T

Vận tốc gió : Vn = 25 m/s ứng với suất đảm bảo là 20%

Khi tàu đầy hàng : Qtot = 852.38 + 12.85 = 856.23 KNKhi không có hàng : Qtot = 1132.29 + 8.05 = 1140.34 KNn: Số bích neo bằng 6

Tàu neo tại mép bến : Đầy hàng :  = 30o,  = 200

Không chứa hàng :  = 30o,  = 400

 Lực neo tác động lên một bích neo :

 Khi tàu đầy hàng

306.9 30.69

2030

6

23.865

Sq =

6

23.865

6

34.1140

Sq =

6

34.1140

= 190 KN = 19 T

Sn= S x Cos300x Cos400 = 32.9 T

Sv= S x Sin400 = 31.88 T

Vậy lực tác dụng lên bến do tàu là:

Vận tốc gió : Vn = 37.5 m/s ứng với suất đảm bảo là 2%

Lực neo khi không hàng: Sq = 42.6 T

Sn = 73.78 T

Sv = 71.49 T

Lực neo khi có hàng: Sq = 32.19 T

Sn = 55.74 T

Sv = 23.43 T

Vận tốc gió : Vn = 25 m/s ứng với suất đảm bảo là 20%

Lực neo khi không hàng: Sq = 19 T

3 Chều dài tính toán và sức chịu tải của cọc

3.1 Số liệu về cọc bêtông ứng suất trước

3.1.1 Các đặc trưng của cọc ống BTDƯL sử dụng cho cầu chính

 Đường kính ngoài: D = 700mm

 Đường kính trong: d = 480mm

 Bề dày thành cọc: T = 110mm

 Khả năng chịu tải nén(Axial working load) P  220T

 Momen uốn nứt(Cracking moment) Mcr :loại C Mur  39.25 Tm

3.1.2 Các đặc trưng của cọc ống BTDƯL sử dụng cho cầu dẫn

 Đường kính ngoài:D = 600mm

 Đường kính trong:d = 380mm

 Bề dày thành cọc:T = 110mm

 Khả năng chịu tải nén(Axial working load) P  170T

 Momen uốn nứt(Cracking moment) Mcr :loại C Mur  22.7Tm

3.2 Sức chịu tải của cọc cầu chính D= 700 mm

Với kết cấu bến như phương án 1 ta chọn cọc bêtông ứng lực trước có chiều dàilà 35m gồm 3 cọc nối nhau,với bước khung ngang là 4.5m,khung dọc là5.2m.Tính toán sức chịu tải với cọc ở vị trí ngoài cùng vị trí trụ tựa

3.2.1 Sức chịu tải theo vật liệu.

Sức chịu tại theo vật liệu được cho ở số liệu bên trên là 220T

3.2.2 Sức chịu tải theo đất nền.

Theo tiêu chuẩn về móng cọc TCXD 205 : 1998 – MÓNG CỌC – TIÊU CHUẨNTHIẾT KẾ

Sức chịu tải của cọc được kiểm tra theo sức chịu tải của đất nền Tính cho cọcngoài cùng, độ sâu cọc cắm vào lớp đất 5a : với cọc BTCTULT có tiết diệnd=700 mm ,L=35m

a Tính theo chỉ tiêu cơ lí đất nền.

Sức chịu tải của cọc theo cơ lí của đất nền được tính là sức chịu tải của một cọc

do ma sát và phản lực mũi cọc gây ra:

Sức chịu tải tính toán ( cho phép) của cọc đơn theo đất nền :

Ktc: hệ số an toàn lấy ktc = 1.4 ( do sức chịu tải được xác địnhbằng tính toán , kể cả theo thử động cọc mà không kể đếnbiến dạng đàn hồi của đất).

Qtc: Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn

Qa: Sức chịu tải cho phép của cọc đơn theo đất nền

 Chịu tải nén :

Qtc = m[mmrApqp + U(mffsili )]

Trong đó :

m : Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất , lấy m = 1

mr : Hệ số xét đến mở rộng mũi cọc, lấy mr = 1

mf : Hệ số xét đến ma sát đất với mũi cọc, lấy mf = 1

Ap : Diện tích tiết diện ngang của cọc : Cọc d=70cm : AP =3.14x0.352= 0.385 m 2

U : Chu vi cọc : Cọc d=70cm : u = 3.14x0.7 = 2.2 m

li : Chiều dày lớp đất mà cọc đi qua (m)

qp : Sức chịu tải của đất nền dưới mũi cọc

fsi : Lực ma sát của lớp đất thứ i tác dụng lên cọc

Qtc : Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn

Sức chịu tải của mũi cọc qp được tra bảng phụ thuộc vào độ sâu và loại đất:

(TCXD 205 : 1998 – MÓNG CỌC – TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ )

Ta có cọc d=70 cm được thiết kế đóng sâu 20,81 m , mũi cọc cắm vào lớp 5a:9.11m , là lớp cát bột ,hạt nhỏ- trung, đôi chỗ lẫn ít sỏi sạn laterit , kết cấu chặtvừa- chặt , do đó tra bảng và nội suy tuyến tính, ta được qp = 325 T/m2

Tính lực ma sát của lớp đất tác dụng lên cọc:

QS = ASfS = ufS.li

Xác định f si :

Lớp 3: sét, với IL=0.29 , tra bảng lực ma sát bên và nội suy tuyến tính gần đúng

(TCXD 205 : 1998 – MÓNG CỌC – TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ ) ta được :

Từ số liệu đó ta thế vào công thức:

6.298

= 213 T

ktc: hệ số an toàn lấy ktc = 1.4

 Chịu tải nhổ :

Với cọc có tiết diện ngang d=70cm : mumf.fi.li =2.2 79.1=173.8 T

Qnh=

4.1

8.173

=124T

b Tính theo chỉ tiêu cường độ của đất nền

Sức chịu tải cho phép của cọc :

Qa =

P

P S

S

FS

Q FS

Q

 Trong đó :

FSS = 1.5 : Hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên

FSP = 2 : Hệ số an toàn cho sức chống mũi cọc

QS : Sức kháng ma sát của đất xung quanh cọc

QS = As  fs

QP : Sức kháng mũi của nền dưới mũi cọc

Qp = Ap  qp

Trong đó :

AP : diện tích tiết diện ngang mũi cọc.

Cọc d=70cm : Ap =3.14x0.352 = 0.385 m 2

As: diện tích xung quanh cọc :As= Lp  U (m2)

Lp: chiều dài cọc đi qua lớp đất (m)

hi : bề dày lớp đất thứ i

C : lực dính của đất,  : góc nội ma sát của đất ;

Cai : lực dính giữa đất và cọc, ai : góc ma sát của cọc và đất

Đối với cọc BTCT ta có :

Lực ma sát có các kết quả tính toán được trình bày sau đây:

Từ kết quả trên, ta có sức chịu tải của cọc do thành phần lực ma sát là:

Qs = u( fsili )

Qs=2.2( 3.49x4.35 + 4.61x7.35+ 4.29x9.11) = 194 T

 Sức chịu tải mũi cọc:

Qp = Apqp Trong đó :

qp : Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc

Ap : Tiết diện ngang của mũi cọc Cọc d=70cm : AP =3.14x0.352 = 0.385 m 2

 Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc :

Nc , Nq , N : Hệ số sức chịu tải , phụ thuộc vào góc ma sát trong

của đất (), hình dạng mũi cọc và phương pháp thicông cọc

Góc ma sát trong của đất :  = 240 , tra Bảng các hệ số sức chịu tải của

Terzaghi ( Giáo trình nền móng – Đại Học Bách Khoa T.P Hồ Chí Minh ).

1942

5

Công thức tính sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên động chuẩn

được tính theo công thức ( Meyerhof (1956) , TCXD 205 : 1998 ).

Qu = K1  NAp + K2NtbAs Trong đó:

K1 = 400 : Hệ số cho cọc đóng

N là chỉ số SPT trung bình của đất trong khoảng 1D = 0.7 m dưới mũicọc là N = 27 và 4D = 4 0.7 = 2.8 m trên mũi cọc là N = 27 vì cọccắm vào lớp đất 5a là 9.11 m Như vậy, N =27

Ap = F ( m2 ): tiết diện ngang của cọc

K2 = 2 : Hệ số lấy cho cọc đóng

Ntb=21 : Chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc trong phạm vi lớp đất rời

As: diện tích mặt bên cọc trong phạm vi lớp đất rời

Vậy sức chịu tải cực hạn của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên động chuẩn là:

Qu = 400273.14x0.352 + 2x19.5x3.14x0.7x9.11 = 4935 kPa = 493.5TSức chịu tải tiêu chuẩn :

5.493

= 197.4T

k = 2.5: Hệ số an toàn

Vậy để thiên về an toàn ,ta thiết kế sơ bộ sẽ lấy sức chịu tải của cọc P c =177

T Để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết cần tiến hành công tác thử cọc tại hiện trường để xác định sức chịu tải sau cùng của cọc.

3.3 Chiều dài tính toán của cọc

3.3.1 Chiều dài chịu uốn của cọc

L o

L

P

EF o

L n L

3.68177

385.06105.43107

3107

Trong đó :

E: Modun dàn hồi của vật liệu cọc

F: diện tích cắt ngang cọc F= 3.14x0.352 = 0.385

P: sức chịu tải của cọc theo đất nền

4 Tổ hợp tải trọng.

Từ những tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình ta tổ hợp các trường hợp cóthể gây nguy hiểm cho công trình như sau:

4.1 Tĩnh tải + Hàng Hóa +Neo:

Neo

qhh = 4T/m2 qbt

4.2 Tĩnh tải + Hàng Hóa +Va:

4.4 Tĩnh tải + Hàng Hóa + Va + Cần trục:

4.6 Tĩnh tải + Va:

q bt

Va

Bảng tổ hợp tải trọng

5 Giải sơ đồ kết cấu tìm nội lực

Kết cấu bến là khung không gian gồm cọc,dầm,bản.Sơ đồ khung không gianđược giải bằng phần mềm Sap 2000

Tải trọng bản thân được gán trực tiếp vào dầm,bản.Lực neo,va được gắn lên khung.

Tải trọng cần trục là tải trọng di động nên được gán nhiều trường hợp lên dầm cầu trục:bánh xe cầu trục di chuyển từng nấc 1m bằng khoảng cách giữa 2 bánh xe kề nhau cho đến khi cần trục di chuyển đến giữa dầm Dùng tổ hợp tải trọng để tìm ra nội lực nguy hiểm nhất cho kết cấu công trình.

5.1 Sơ đồ các trường hợp đặt tải

5.1.3 Lực neo.

5.1.4 Cần trục.

5.2 Các kết quả nội lực

Lực dọc trong cọc lớn nhất (Biểu đồ bao)

Mômen trong cọc lớn nhất (Biểu đồ bao) tại khung số 1

Lực cắt âm trong dầm cần trục lớn nhất (Biểu đồ bao)

Lực cắt dương trong dầm cần trụclớn nhất (Biểu đồ bao)

Lực cắt âm trong dầm dọc lớn nhất (Biểu đồ bao)

Lực cắt dương trong dầm dọc lớn nhất (Biểu đồ bao)

Mômen âm trong dầm dọc lớn nhất (Biểu đồ bao)

Mômen dương trong dầm dọc lớn nhất (Biểu đồ bao)

Mômen dương trong dầm cần trục lớn nhất (Biểu đồ bao)

Mômen âm trong dầm cần trụclớn nhất (Biểu đồ bao)