Những yêu cầu về tính toán kết cấu trong thiết kế tháp nước I. NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU THÁP NƯỚC 1. Những yêu cầu thiết kế tháp nước trong điều kiện nhiệt độ bình thường và quy trình hoạt động thông thường (1). Đối với tất cả các loại hình kết cấu tháp nước, ta đều phải tiến hành tính toán về cường độ. Đồng thời phải căn cứ vào tình hình tải trọng tác động và điều kiện địa chất công trình – trong trường hợp cần thiết phải tiến hành kiểm tra ổn định của kết cấu. Đối với bầu chứa bê tông cốt thép, ta còn phải tiến hành kiểm tra độ chống nứt hoặc bề rộng vết nứt. (2). Khi tiến hành kiểm tra ổn định tổng thể của tháp nước, tổ hợp tải trọng phải bao gồm: trọng lượng bản thân của kết cấu, thiết bị và tải trọng gió. (3). Khi tiến hành tính toán cường độ của bầu chứa, kiểm tra độ chống nứt hoặc bề rộng vết nứt, tổ hợp tải trọng phải bao gồm: trọng lượng bản thân của kết cấu, thiết bị, áp lực nước bên trong và tải trọng hữu ích (hoạt tải) trên đỉnh tháp. (4). Khi tiến hành tính toán cường độ của kết cấu ống đỡ tháp nước, trong trường hợp bầu chứa đầy nước, tổ hợp tải trọng phải bao gồm: trọng lượng bản thân của kết cấu, thiết bị, trọng lượng nước trong bầu chứa, tải trọng do vôi vữa và các vật rời tích đọng trên đỉnh, tải trọng hữu ích (hoạt tải) trên sàn công tác, cầu thang và tải trọng gió. Trong trường hợp bầu chứa không có nước, tổ hợp tải trọng phải bao gồm: trọng lượng bản thân của kết cấu, thiết bị và tải trọng gió. Trong trường hợp kết cấu đỡ của bầu chứa làm bằng khối xây gạch dạng ống, ta chỉ cần tính toán theo tổ hợp tải trọng khi bầu chứa đầy nước. (5). Phản lực đất nền của đế móng tháp nước, có thể giả thiết phân bổ theo quy luật tuyến tính, áp lực cực tiểu tại mép biên đế móng không cho phép xuất hiện trị số âm (lực kéo). 2. Những yêu cầu thiết kế tháp nước cần bảo ôn (1). Khi nhiệt độ tính toán cần phải bảo ôn của tháp nước thấp hơn -80C, ta phải tiến hành tính toán bảo ôn đối với bầu chứa và đường ống dẫn nước của tháp. (2). Tính toán bảo ôn phải tiến hành theo lý thuyết truyền dẫn nhiệt ổn định. (3). Nhiệt độ nước vào trong bầu chứa không thấp hơn 40C, nhiệt độ cuối cùng không thấp hơn 10C. (4). Lượng nước tính toán của bầu chứa có thể xét theo 60% dung lượng cực đại, cho phép thời gian ngừng trong vòng 16giờ, thời gian ngừng cho phép của nước trong ống dẫn từ 9-14 giờ. 3. Những yêu cầu thiết kế tháp nước phải chống động đất (1). Kiểm tra kháng chấn đối với tháp nước phải bao gồm kiểm tra cường độ và kiểm tra ổn định. Khi tiến hành kiểm tra kháng chấn, ảnh hưởng của tải trọng gió lấy bằng 1/4. (2). Điều kiện để có thể không cần phải kiểm tra kháng chấn tiết diện của các cấu kiện tháp nước là: a. Bầu chứa của tháp nước ngoài trường hợp xây dựng ở trong vùng động đất cấp 8 trên lớp đất nền yếu, hoặc xây dựng ở trong vùng động đất cấp 9 mà có dầm vành dưới dạng với khung đỡ bên dưới. b. Khi xây dựng trong vùng động đất cấp 7, có nền đất tốt với khung đỡ bê tông cốt thép, dung tích bầu chứa không lớn hơn 50m3, chiều cao nhỏ hơn hoặc bằng 20m có ống vách bằng khối xây gạch; hay dung tích nhỏ hơn hoặc bằng 7m có ống vách bằng gạch xây với cột và dầm tăng cường. c. ống đỡ bê tông cốt thép của tháp xây trong vùng động đất cấp 7, cấp 8 có đất nền loại tốt. (3). Khi kiểm tra kháng chấn tiết diện của tháp nước, ta phải xét cả hai trường hợp: đầy nước và không có nước. Nói chung, chỉ tính toán với tải trọng động đất theo phương nằm ngang. Đối với tháp nước dạng khung đỡ, cột gạch đỡ và tháp nước có kết cấu đỡ tiết diện không đối xứng cũng như tháp nước có mặt bằng hình đa giác, ta phải tiến hành kiểm tra riêng biệt theo phương chính diện và theo phương đường chéo. Hiệu ứng tác động của động đất theo phương thẳng đứng đối với tháp tương đối cao (xem hình 1) có thể phân phối theo tỷ lệ tải trọng trọng lực tương đương mà cấu kiện phải gánh chịu. Hình 1: Sơ đồ tác động của động đất thẳng đứng đối với kết cấu. Diễn giải công thức như sau: (1) (2) Trong các công thức trên FEgk: Trị số tiêu chuẩn của tổng tác động động đất theo phương thẳng đứng đối với kết cấu. Fgi: Trị số tiêu chuẩn của tổng tác động động đất theo phương thẳng đứng đối với chất điểm i. avmax: Trị số cực đại của hệ số ảnh hưởng động đất theo phương thẳng đứng, có thể lấy bằng 65% trị số cực đại của hệ số ảnh hưởng động đất theo phương nằm ngang. Geq: Tổng tải trọng của trọng lực tương đương của kết cấu, có thể lấy bằng 75% trị số quy đổi của tải trọng trọng lực. (4). Tính toán kháng chấn theo phương nằm ngang của tháp nước. a. Đối với tháp nước có khung đỡ và các loại tháp nước tương tự, trị số tiêu chuẩn của tác động động đất nằm ngang tương ứng gây ra mômen động đất tại phần đáy: M0 = a1 (Gt - ymGts)H0 (3) Trong công thức trên: M0: mômen sinh ra bởi trị số tiêu chuẩn của tác động động đất tại đáy của tháp nước. a1: Hệ số ảnh hưởng động đất nằm ngang ứng với chu kỳ dao động riêng cơ bản của tháp nước; đối với động đất thiết kế cấp 6, cấp 7, cấp 8, cấp 9, trị số của nó lần lượt lấy bằng 0,04; 0,08; 0,16; 0,32. Gt: Trị số tải trọng ứng với trọng lực của bầu chứa lấy bằng trọng lượng bản thân của bầu chứa cộng với 65% trọng lượng nước trong bầu. ym: Hệ số tương đương của mômen; với kết cấu đỡ có độ cứng không đổi có thể lấy bằng 0,35; với kết cấu đỡ có độ cứng thay đổi, có thể triết giảm thích đáng, nhưng không nhỏ hơn 0,25. Gts: Trị số quy đổi của tải trọng trọng lực của kết cấu đỡ của tháp nước và thiết bị phụ trợ, sàn nằm ngang. H0: Chiều cao tính từ cao trình mặt trên của móng tới trọng tâm của bầu chứa. b. Đối với tháp nước dạng ống đỡ tương đối thấp ta có thể sử dụng phương pháp lực cắt tại đáy để tính. c. Đối với tháp nước dạng ống đỡ tương đối cao hoặc khi tỷ số giữa chiều cao ống đỡ và đường kính ống đỡ lớn hơn 3,5, ta có thể dùng phương pháp phổ phản ứng phân giải dạng dao động để tính. (5). Khi móng của tháp nước dạng ống đỡ đặt trên loại đất nền tốt và trung bình, ta nên sử dụng loại móng dạng bản hoặc dạng vành khăn; khi sử dụng móng độc lập, cần cấu tạo hệ dầm dằng móng để liên kết các móng với nhau. II. NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI VIỆC ĐƠN GIẢN HOÁ TÍNH TOÁN NỘI LỰC CỦA THÁP NƯỚC Nói chung, bầu chứa, thân tháp, móng của tháp nước đều thuộc phạm trù kết cấu không gian, nên khối lượng của công tác tính toán rất lớn. Trong thực tế thiết kế, người ta thường phải tiến hành đơn giản hoá tính toán với điều kiện là phải bảo đảm độ an toàn của kết cấu và không ảnh hưởng đến tính hợp lý về kinh tế. 1. Đối với bầu chứa dạng vỏ trụ tròn có dung tích lớn hơn 500m3 và bầu chứa dạng vỏ chóp nón ngược có dung tích lớn hơn 200m3, khi phân tích nội lực, ta đều phải tính toán theo kết cấu vỏ tổ hợp, đảm bảo điều kiện tương thích về biến dạng tại các mắt. 2. Đối với bầu chứa dạng vỏ trụ tròn có dung tích nhỏ hơn 500m3 và bầu chứ dạng vỏ chóp nón ngược có dung tích nhỏ hơn 200m3, khi phân tích nội lực, ta có thể không cần xét đến ảnh hưởng của sự ràng buộc lẫn nhau tại mắt, mà chia cắt bầu chứa ra thành những phần tử để tiến hành tính toán riêng biệt; nhưng về mặt đặt thép cấu tạo, ta phải xét đến ảnh hưởng biến dạng của các cấu kiện biên. 3. Khi tiến hành tính toán các phần tử của bầu chứa, ta phải tuân theo các quy định sau: (1). Đỉnh và đáy bầu chứa vỏ trụ tròn, sau khi được tính toán riêng biệt theo bản hay vỏ chóp nón hoặc vỏ cầu có chu vi ngàm cố định hoặc gối khớp xong, sẽ đặt cốt thép theo hình bao nội lực. (2). Vách của bầu chứa dạng vỏ trụ tròn có thể dùng sơ đồ tính toán đầu mút trên tự do, đầu mút dưới ngàm cố định để tính mômen theo phương thẳng đứng. Khi tính toán lực kéo theo hướng vòng, ta sử dụng sơ đồ đầu mút trên tự do, đầu mút dưới gối khớp. Vách bầu chứa ở phía dưới lực kéo vòng cực đại cũng được đặt cốt thép theo lực kéo vòng cực đại. (3). Vỏ chóp nón bên dưới của bầu chứa dạng vỏ chóp nón ngược có thể được tính toán theo vỏ chóp nón cố định tại hai đầu mút; đặt thép trên hướng vòng theo lực kéo vòng cực đại. (4). Dầm vành đáy của bầu chứa đỡ bằng vách ống có thể tiến hành tính toán theo cấu kiện chịu lực dọc trục. (5). Dầm vành đáy của bầu chứa có khung đỡ, dưới tác động của tải trọng thẳng đứng có thể được tính toán theo sơ đồ dầm cong liên tục đều nhịp, nội lực của nó phải tổ hợp với nội lực tính toán của dầm vành dưới tác động của tải trọng gió và phân lực nằm ngang tại đáy bầu chứa. 4. Khung đỡ bầu chứa thuộc phạm trù kết cấu không gian. Trong thực tiễn công trình, thường được đơn giản hoá tính toán, giả thiết thành khung phẳng. Khi tiến hành tính toán nội lực, ta phải tuân theo các quy định sau: (1). Dưới tác động của tải trọng nằm ngang, khung có thể tiến hành tính toán riêng biệt theo phương chính diện và theo phương đường chéo góc. (2). Khung có thể được tiến hành tính toán theo từng khung phẳng ngàm cố định tại đầu mút dưới. Tải trọng nằm ngang tác động lên khung được tính toán theo tải trọng quy đổi tập trung tại điểm mắt. (3). Cường độ tiết diện của cột khung được tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm một phương hoặc hai phương. 5. Vách của ống đỡ bầu chứa có thể được tính toán theo cấu kiện công son ngàm cố định tại đầu nút dưới. Cường độ tiết diện của vách ống được tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm có tiết diện vòng. 6. Khi phân tích ống đỡ của bầu chứa dạng vỏ chóp nón ngược có đường kính nhỏ, độ cứng yếu, ta phải xét đến mômen bổ sung gây nên do trọng lượng của bầu chứa sau khi xuất hiện chuyển vị của vách ống dưới tác động của tải trọng gió, sai số thi công và độ nghiêng lệch của móng tháp. 7. Nội lực của móng dạng bản bê tông cốt thép của tháp nước có thể được tính toán theo bản đàn hồi hình tròn hoặc hình vành khăn. Dầm vành của móng tháp nước có khung đỡ phải được tính toán dưới tác động của mômen uốn và mômen xoắn. III. TRỊ SỐ CHO PHÉP TRONG THIẾT KẾ THÁP NƯỚC 1. Trị số cho phép của bề rộng vết nứt cực đại của tháp nước bê tông cốt thép. Trị số cho phép dfmax của bề rộng vết nứt cực đại của tháp nước bê tông cốt thép lấy bằng 0,22mm; trị số cho phép dfmax của bề rộng vết nứt cực đại của ống đỡ bầu chứa lấy bằng 0,25mm. Bề dầy của lớp bảo vệ cốt thép của tháp nước bê tông cốt thép: đối với thép chịu lực lấy bằng 35mm; đối với thép cấu tạo và thép đai lấy bằng 30mm. 2. Trị số cho phép cực tiểu Si của số hiệu chống thấm của bê tông bầu chứa: Tỷ số iw giữa tác động cực đại của áp lực cột nước và bề dầy của bê tông: Khi iw » 0, lấy S2; Khi iw < 1 lấy S4; Khi iw = 1 ~ 30, lấy S6; Khi iw > 0 lấy S8. 3. Yêu cầu về mặt phòng chống động đất của tháp nước. Bầu chứa tháp nước thuộc phạm trù kết cấu không gian có yêu cầu phải chống thấm chống đông lạnh; đối với loại bầu chứa tháp nước cỡ nhỏ đơn giản như bầu chứa đáy phẳng có dung tích không lớn hơn 100m3, bầu chứa đáy vỏ cầu có dung tích không lớn hơn 500m3, bầu chứa dạng vỏ chóp nón ngược có dung tích không lớn hơn 200m3, ta có thể dùng các phương pháp gần đúng để tính toán. Để khắc phục tính thiếu chính xác của phương pháp tính toán, ta có thể xử lý bằng biện pháp cấu tạo. Nhưng về nguyên tắc phải bảo đảm thoả mãn được yêu cầu an toàn sử dụng. Đối với các bầu chứa có dung tích lớn hơn hoặc kết cấu phức tạp thì phải tính toán bằng máy tính điện tử với các phần mềm tương ứng. Sau đây, xin giới thiệu một số phương pháp tính toán gần đúng thực hành. 1. Đối với bầu chứa dạng đáy phẳng (1). Nội lực thiết kế của nắp đỉnh dạng chóp nón (hình 2) a. Nội lực do tải trọng tập trung åP sinh ra: Hình 2: Sơ đồ tính toán nội lực của nắp đỉnh (4a) (4b) b. Nội lực do trọng lượng bản thân g của vó chóp nón sinh ra: (5a) (5b) c. Nội lực do tải trọng hữu ích (hoạt tải) Ps trên nắp đỉnh sinh ra: (6a) (6b) d. Nội lực do tất cả các loại tải trọng tác động đồng thời sinh ra: Nr = Nr1 + Nr2 + Nr3 (7a) Nt = Nt1 + Nt2 + Nt3 (7b) Trong các công thức trên: åP: Trọng lượng bản thân và tải trọng hữu ích (hoạt tải) do bộ phận cửa trên nóc truyền xuống (kG). g: Tổng trọng lượng của vỏ chóp nón và các lớp chống thấm, làm phẳng, bảo ôn (kG/m2); Ps: Tải trọng hữu ích (hoạt tải) tiêu chuẩn tính theo hình chiếu nằm ngang (kG/m2); Nr: Áp lực kinh tuyến trên tiết diện 1m dài cung tròn của vỏ chóp nón tại bán kính rs (kG); Nt: Áp lực hướng vòng trên tiết diện 1m rộng dọc theo phương S tại bán kính rs (kG); j: Góc nghiêng của vỏ chóp nón (0); S: Chiều dài xiên từ đỉnh chóp nón tới tiết diện bất kỳ (m); s1: Khoảng cách từ đỉnh chóp tới giao điểm của mặt trên vỏ (m). . Những yêu cầu về tính toán kết cấu trong thiết kế tháp nước I. NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU THÁP NƯỚC 1. Những yêu cầu thiết kế tháp nước trong điều kiện nhiệt. móng để liên kết các móng với nhau. II. NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI VIỆC ĐƠN GIẢN HOÁ TÍNH TOÁN NỘI LỰC CỦA THÁP NƯỚC Nói chung, bầu chứa, thân tháp, móng của tháp nước đều thuộc phạm trù kết cấu không. yêu cầu thiết kế tháp nước cần bảo ôn (1). Khi nhiệt độ tính toán cần phải bảo ôn của tháp nước thấp hơn -80C, ta phải tiến hành tính toán bảo ôn đối với bầu chứa và đường ống dẫn nước của tháp. (2).