Khái niệm về tải trọng HL93, thể hiện vấn đề gì?

Tiêu chuẩn tải trọng HL93 là gì?

HL93: Highway Load accepted in 1993
(Tải trọng trên đường cao tốc được chấp nhận vào năm 1993)
 

Năm 1993, mô hình tải trọng di động đã được thay thế để phù hợp hơn với tình hình lưu thông của các loại xe tải nặng. Một mô hình tải trọng mới đã được thông qua bởi AASHTO và được đặt tên là “ Highway Load’93 ” hay HL93, và HL93 nó không đại diện cho bất kì một loại xe cụ thể nào. Nó đạt được các tiêu chí về an toàn với cấp tải trọng lớn hơn cho phép nhưng thường xuyên.

Lịch sử hình thành và cải tiến của tải trọng HL93 như sau.

Các nhà tiền chế sản xuất các sản phẩm ngầm như cống hộp và buồng bơm trong nhiều năm đã thiết kế các sản phẩm của họ cho AASHTO HS20-44 hoặc Tải quân sự thay thế (Tải liên bang), tùy theo điều kiện nào tạo ra tình trạng tồi tệ nhất trên cấu trúc. Họ đang bắt đầu thấy thông số kỹ thuật cho các dự án yêu cầu tải xe tải AASHTO HL93. Làm thế nào các thông số kỹ thuật tải mới sẽ ảnh hưởng đến các thiết kế trong tương lai cho các cấu trúc ngầm hiện đang dựa trên các yêu cầu của thông số kỹ thuật tải cũ?

Hiệp hội các quan chức giao thông và đường cao tốc tiểu bang Hoa Kỳ (AASHTO) được thành lập vào năm 1914 để cung cấp các hướng dẫn cho việc thiết kế các công trình trong phạm vi đường cao tốc. Bộ Ngoại Giao đã biên soạn và tạo ra các thông số kỹ thuật cần thiết. Tài liệu có tiêu đề "Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho đường cao tốc". Trong nhiều năm đã xác định các yêu cầu về tải trọng và thiết kế đối với các kết cấu bê tông đúc sẵn (hoặc đúc tại chỗ). Các khuyến nghị từ tài liệu này được bao gồm trong các thông số kỹ thuật của ASTM được viết cho các kết cấu bê tông đúc sẵn ngầm như C478, C890, C913, C1443 và C1557.

Phiên bản gần đây nhất của Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho đường cao tốc Bridges là phiên bản thứ 17, được xuất bản năm 2002. Phương pháp thiết kế trong 17 phiên bản này bao gồm Thiết kế ứng suất cho phép (ASD) và Thiết kế hệ số tải tối đa (LFD).

Tải trọng xe tải được sử dụng lần đầu tiên có ký hiệu H20 (xem Hình 1), bao phủ một chiếc xe tải hai trục nặng 20 tấn. Trục trước mang 8.000 pounds và trục sau, cách 14 feet, mang 32.000 pounds. Phiên bản năm 1944 bao gồm tải trọng xe tải HS20 và bắt đầu chính sách gắn năm với tải trọng làm cho HS20-44 trở thành chỉ định chính thức. Các ‘S’ bổ sung đã tạo ra một khoản phụ cấp cho các xe đầu kéo nặng hơn có sẵn tại thời điểm đó. 
Hình 2 mô tả khoảng cách tải và tải cho HS20-44.

Khi Hệ thống Đường cao tốc Liên bang phát triển vào những năm 1950, một trong những mục tiêu của nó là vận chuyển các phương tiện quân sự. Các loại tải trọng quân sự thay thế (còn được gọi là Tải trọng liên tiểu bang) được tạo ra để trang trải tải trọng trục từ các thiết bị quân sự hạng nặng. Tải trọng mới này, được hiển thị trong Hình 3, bao gồm hai trục cách nhau 4 feet với mỗi trục mang tải trọng 24.000 pounds.
 

Một hệ thống tải trọng làn được tạo ra để cung cấp một phương pháp tính toán mô men và kéo cắt đơn giản hơn là sử dụng tải trọng bánh xe tập trung như trong Hình 1 và 2. Tải trọng làn được sử dụng trong các thiết kế của sàn cầu bao gồm nhiều làn trên nhiều nhịp. Chúng không được sử dụng để thiết kế các cấu trúc dưới lớp, bởi vì các hộp bê tông thường bao gồm các nhịp đơn tương đối ngắn khi so sánh với các nhịp cầu.

Có một số lo ngại trong cuối thế kỷ 20 rằng tải trọng xe tải HS20 không phản ánh đầy đủ các điều kiện thực tế. Do đó, một số kỹ sư đã yêu cầu tải trọng xe tải HS25, cho các cấu trúc đúc sẵn dưới lòng đất. Đánh giá này đã được hiểu là cao hơn 25% so với tải xe tải HS20. Do đó, tải trọng trục HS20 là 32.000 pound trở thành tải trọng trục HS25 là 40.000 pound. Tải trọng tăng lên trong một số trường hợp có thể tạo ra sự cần thiết phải gia cố thêm thép và đôi khi là một tấm trên cùng dày hơn trên các cấu trúc ngầm được lắp đặt trong các khu vực tiếp xúc với tải trọng xe tải nặng.

Ký hiệu của HL93 bao gồm một chiếc xe tải thiết kế của cộng với tải trọng thiết kế làn đường hoặc thiết kế song song với tải trọng thiết kế, tùy theo trường hợp nào tạo ra trường hợp xấu nhất. Một chiếc xe tải thiết kế của thành phố giống hệt với các cấu hình tải HS20 được hiển thị trong Hình 2. Thiết kế của bộ đôi này giống như trong Hình 3 ngoại trừ tải trọng trục là 25.000 pounds thay vì 24.000 pounds. Thuật ngữ tải trọng làn đường LỚN là mới và áp dụng cho thiết kế sàn cầu trên. Nó không áp dụng cho các cấu trúc dưới mặt đất. Điều này được xác nhận trong tiêu chuẩn ASTM C1577, trong đó tuyên bố rằng các bảng được tạo bằng tải trọng trực tiếp AASHTO HL 93 mà không có tải trọng làn như AASHTO cho phép.

Nhiều nhà sản xuất nắp hố ga đặt ra câu hỏi, Tải trọng HL93 mới ảnh hưởng như thế nào đến việc thiết kế các cấu trúc được thiết kế với tải trọng bánh xe được chỉ định trong tài liệu cũ.
"Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho cầu đường cao tốc’? nhỏ đến mức chỉ có một bánh xe có thể ở trên đỉnh của cấu trúc tại bất kỳ thời điểm nào. Tải trọng bánh xe bằng một nửa tải trọng trục.

Một so sánh cũ và mới chỉ ra rằng sự khác biệt là rất nhỏ. Tải trọng bánh xe trong thiết kế của HL93 giống như tải trọng bánh xe HS20. Tải trọng bánh xe thiết kế song song của HL93 là 12.500 pound so với tải trọng quân sự thay thế 12.000 pound. Tải trọng bánh xe thêm 500 pound không phải là một mức tăng lớn và sẽ chỉ ảnh hưởng đến những thiết kế không có công suất vượt mức.

Các thiết kế dựa trên tải HS25 trong một số trường hợp có thể có khả năng mang tải trọng thiết kế mới của xe tải. Tải trọng bánh xe 20.000 pound cho HS25 lớn hơn tải trọng thiết kế 16.000 pound của Xe tải trong HL93.

 

Tải trọng bánh xe ảnh hưởng đến thiết kế tấm trên cùng nhiều hơn so với tấm tường và đáy. Điều này đặc biệt đúng khi tấm dưới 2 feet dưới lớp. Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe lên bản sàn giảm khi độ sâu của lớp phủ tăng lên. Thiết kế tường trong phần lớn các trường hợp sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự gia tăng nhỏ về tải trọng theo yêu cầu của Đặc điểm thiết kế cầu LRFD. Điều tương tự cũng đúng với thiết kế sàn dưới.

Có thể kết luận rằng tải mới có thể ảnh hưởng đến các thiết kế hiện có, nhưng sự khác biệt giữa cũ và mới không có nghĩa là tất cả các thiết kế cần phải được cập nhật. Việc tăng nhỏ sẽ không ảnh hưởng đến các thiết kế có công suất vượt mức. Những thiết kế giảm thiểu tối đa cốt thép và độ dày của tấm để tạo ra một cấu trúc vừa đủ tốt có thể cần phải được xem xét. 

Những kết luận này dựa trên so sánh tải trọng bánh xe và không bao gồm nhiều yếu tố khác được sử dụng trong thiết kế. Các hạng mục như tác động, độ sâu của lớp phủ, tải trọng và hệ số sức cản đều đóng một phần trong thiết kế cuối cùng. Một so sánh thực sự của các thiết kế phải được thực hiện dựa trên các tiêu chí được sử dụng trong các tính toán trước đó của tiền thân.

 

So sánh hai thông số kỹ thuật của ASTM chứng minh rằng các thiết kế cũ không thua kém các thiết kế mới sử dụng LRFD. ASTM C1433 được viết cho cống hộp sử dụng thiết kế hệ số tải cũ (LFD), trong khi đó, ASTM C1577 được viết cho cống hộp sử dụng thiết kế LRFD mới hơn. Một số khu vực thép được yêu cầu trong các thông số kỹ thuật mới hơn ít hơn các khu vực thép được yêu cầu trong thông số kỹ thuật cũ hơn. So sánh này xác nhận rằng tải HL93 mới không có nghĩa là gây ra thiết kế lại các cấu trúc đúc sẵn ngầm.

Kết luận chung:

Mô hình tải trọng trực tiếp của cầu theo quy định trong mã AASHTO LRFD đã được phát triển trong tnhiều năm qua để tính đến những thay đổi của phương tiện, những tiến bộ trong kỹ thuật mô hình hóa và dữ liệu mới và tốt hơn về giao thông hiện có. Khi lưu lượng truy cập tiếp tục phát triển, FHWA đang xem xét lại vấn đề này là vừa kịp thời và thích hợp. Dữ liệu sơ bộ chỉ ra rằng những thay đổi có thể được yêu cầu và xác nhận những nỗ lực liên quan đến các nghiên cứu. 
 

Tài liệu tham khảo

Kulicki, John & Stuffle, Timothy. Báo cáo cuối cùng: Phát triển tải trọng trực tiếp trên xe AASHTO . Đã đệ trình lên Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang vào ngày 18 tháng 12 năm 2006.

Kulicki, John & Mertz, Dennis. Sự phát triển của các mô hình tải trực tiếp của xe cộ trong kỷ nguyên thiết kế liên tiểu bang và sau đó . Ngày 11 tháng 7 năm 2006.

Đặc điểm kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD, Phiên bản thứ 6 . 2012.

Leech, Thomas & Kaplan, Linda. Những cây cầu… Pittsburgh at the Point… Hành trình xuyên lịch sử . Bản quyền 2016. Woodridge Publications, LLC. Nhà xuất bản Word Association, Pittsburgh, PA.

Dữ liệu WIM được cung cấp bởi Hệ thống cơ sở hạ tầng thông minh , Philadelphia, PA 2019.