Thiết kế đài nước trong công trình thủy lợi

Qua thực tế sản xuất cho thấy các công trình được đặt trên nền có hệ số k nền khác nhau, việc tính toán loại công trình này chủ yếu là tính toán thủy lực để xác định chiều cao và dung tí

Mục Lục

Mục Lục 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

Đài nước Louisville – Hoa Kỳ 6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM SAP 2000 – LÝ THUYẾT SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN 20

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC MÓNG ĐÀI THÍCH HỢP VỚI MỘT SỐ ĐẶC TÍNH NỀN PHỔ BIẾN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH NINH THUẬN 38

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của Đề tài:

Nước sạch đang là vấn đề bức xúc thu hút sự quan tâm của tất cả các cộng đồng người trên thế giới đặc biệt là ở các nước đang phát triển và chậm phát triển Hầu hết các nguồn nước ngọt trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đều

bị ô nhiễm ở các mức độ nặng nhẹ khác nhau Một báo cáo kết quả nghiên cứu năm

1993 của Uỷ ban Hành động Quốc tế về Dân số (PAI) của Mỹ cho biết đến năm

2025, cứ ba người thì có một người ở các nước sẽ sống cực kỳ khó khăn do căng thẳng hoặc rất khan hiếm về nước Năm 1990, kết quả nghiên cứu về: “Nguồn nước bền vững: Dân số và Tương lai của nguồn cấp nước tái tạo.” cho thấy có hơn 350 triệu người sống ở các nước bị căng thẳng hoặc khan hiếm về nước (mỗi năm/ mỗi người được dưới 1700 m3 nước) Số người lâm vào hoàn cảnh này sẽ tăng lên gấp 8 lần vào năm 2025 tức khoảng từ 2,8 tỷ đến 3,3 tỷ người tương đương khoảng gần một nửa dân số thế giới Ta biết rằng, nguồn nước sinh hoạt bị ô nhiễm là nguồn

gốc chủ yếu gây ra các bệnh tật, ảnh hưởng đến sức khoẻ và lao động của người dân, gây ra tình trạng suy dinh dưỡng ở trẻ em, ảnh hưởng lâu dài đến các thệ hệ mai sau Trước tình hình đó, Nhà nước ta đã ban hành Luật bảo vệ sức khoẻ nhân dân, Luật bảo vệ môi trường và nhiều văn bản pháp quy về việc cung cấp nước sạch cho nông thôn, miền núi, thị trấn, thị xã; việc bảo vệ các nguồn nước, các hệ thống cấp nước, thoát nước, các công trình vệ sinh và thực hiện các quy định về vệ sinh công cộng ở nhiều địa phương còn bị hạn chế Nhiều vùng nông thôn còn rất khó khăn về nước uống và nước sinh hoạt Nguồn nước mặt trong kênh, rạch, ao, hồ ở nhiều nơi bị ô nhiễm nặng nề Nguồn nước ngầm tại không ít giếng khoan cũng bị mặn hoá, phèn hoá, trữ lượng nước bị cạn kiệt do bị khai thác quá mức

Ninh Thuận là một khu vực có lượng mưa ít nhất cả nước, lượng mưa hàng năm biến động mạnh mẽ, mùa mưa rất ngắn Đây là vùng khô hạn nhất với chỉ số

ẩm ướt nhỏ hơn 1 và lượng mưa năm thấp hơn 1000 mm, mùa mưa chỉ có từ 3 đến

4 tháng, nhiều năm không có mùa mưa, nền nhiệt độ cao, nhiệt độ trung bình năm là

26oC đến 28oC, nhiệt độ giữa các tháng trong mùa hạ gần như không thay đổi Mật

độ lưới sông tại Ninh Thuận tương đối thấp, trong phạm vi 0,10-0,15 km/km2 Mô đun dòng chảy năm trên các sông suối rất nhỏ, dưới 10 l/s.km2 Nguồn nước mặt vốn đã rất ít lại tập trung vào mùa lũ ngắn 3-4 tháng để lại 8-9 tháng cạn kiệt kéo dài Mặc dù nguồn nước rất hạn chế như thế, nhưng nhu cầu sử dụng nước cho sản xuất và đời sống trên địa bàn Ninh Thuận khá cao Trong một thời gian dài, Chương trình nước sinh hoạt nông thôn với sự tài trợ của UNICEF đã khoan cho nông dân hàng nghìn giếng khoan lắp bơm tay Tuy nhiên rất nhiều trong số đó đã không còn hoạt động nữa do kỹ thuật Mặt khác, nghiên cứu của các nhà khoa học cũng chỉ ra rằng loại hình giếng khoan tay này là một tác nhân gây phá huỷ môi trường rất mạnh, vì do đa số chúng không được xử lý kỹ thuật tốt – chúng là con đường dẫn nước chất lượng xấu ở bên trên xâm nhập xuống tầng nước chính bên dưới, gây phá huỷ chất lượng nước các tầng sâu [1]

Việc đầu tư xây dựng các hệ thống cấp nước sạch trong đó có hạng mục Đài

dân trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận được Đảng và Nhà nước hết sức quan tâm Từ nguồn vốn chương trình mục tiêu quốc gia nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn, Ninh Thuận đã và đang được đầu tư xây dựng từng bước giải quyết được vấn

đề nước sạch cho nhân dân Qua thực tế sản xuất cho thấy các công trình được đặt trên nền có hệ số k nền khác nhau, việc tính toán loại công trình này chủ yếu là tính toán thủy lực để xác định chiều cao và dung tích Đài nước; về kiểu dáng kết cấu móng đài thường áp dụng tương tự, việc tính toán thiên về an toàn thường là giải pháp lựa chọn của đơn vị tư vấn thiết kế, trong khi bài toán kinh tế đang cần được phân tích để nâng cao hiệu quả đầu tư

Vì vậy phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của Đài nước để lựa chọn kích thước móng đài thích hợp với đặc tính nền phổ biến trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận là hết sức cần thiết góp phần làm giảm giá thành công trình tăng hiệu quả đầu tư

II Mục đích của Đề tài:

Căn cứ vào đặc tính nền phổ biến trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận để lựa chọn kích thước móng đài thích hợp, thỏa mãn điều kiện trạng thái ứng suất, biến dạng cho phép theo tiêu chuẩn hiện hành

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng: Nghiên cứu quan hệ giữa chiều sâu đặt móng hm, bán kính móng R

và chiều dày bản đáy δ ứng với các dung tích V; chiều cao đài H với đặc tính nền

knền trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận

Phạm vi: Nghiên cứu quan hệ giữa chiều sâu đặt móng hm, bán kính móng R

và chiều dày bản đáy δ với các dung tích Vđài = 50m3, 100m3, 150m3 và chiều cao

Hđài = 10m, 15m, 20m, tương ứng với một số loại nền có hệ số knền khác nhau trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận

IV Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Xây dựng mô hình không gian kết cấu Đài nước cho các trường hợp dung tích và chiều cao đài trên nền có hệ số khác nhau để lựa chọn kích thước móng đài thích hợp thỏa mãn điều kiện về chuyển vị và ứng suất.

- Sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng

V Kết quả dự kiến đạt được:

- Xây dựng các đường quan hệ giữa chiều cao, bán kính, chiều dày bản đáy móng đài ứng với các loại dung tích, chiều cao của đài nước và các hệ số nền khác nhau để lựa chọn kích thước móng đài thích hợp

- Đưa ra khuyến cáo về phạm vi áp dụng của từng loại móng đài trên một số loại nền đặc trưng tại địa bàn tỉnh Ninh Thuận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Khái quát về Đài nước

Việc cung cấp nước sạch và đảm bảo vệ sinh môi trường đang là vấn đề cần giải quyết ở nước ta hiện nay Trong các hệ thống cấp nước tập trung hạng mục công trình không thể thiếu đó là tạo áp lực nước trong đường ống để dẫn đến các nơi tiêu thụ Hiện nay các hệ thống cấp nước tại đô thị, các khu công nghiệp với phạm vi cung cấp nước rộng, lưu lượng tiêu thụ nước lớn, liên tục nên việc tạo áp lực nước trong đường ống thường sử dụng các loại bơm tăng áp, bơm biến tần hoặc trạm bơm tăng áp có bình điều áp bằng khí nén thay cho đài nước truyền thống Tuy nhiên tại các hệ thống cấp nước tập trung ở nông thôn do phạm vi cấp nước hẹp, lượng nước tiêu thụ ít và chủ yếu vào những giờ cao điểm nhất định nên việc sử dụng đài nước để tạo áp lực và điều tiết lượng nước cấp vẫn là giải pháp được lựa chọn nhiều nhất vì chúng có những ưu điểm như sau:

- Tạo được cột nước áp lực ổn định trong phạm vi cấp nước của công trình

- Điều tiết lượng nước cấp đối với những giờ cao điểm, là nguồn dự trữ sử

- Tạo điểm nhấn kiến trúc không gian trong khu vực nông thôn Giảm chi phí trong quá trình vận hành khai thác công trình sau đầu tư

1.2 Hiện trạng xây dựng Đài nước trên thế giới và ở Việt nam

Trên thế giới sử dụng đài nước đã có từ lâu Đài nước hay gọi là tháp nước là một kết cấu trữ nước được đặt trên cao nhằm gây áp lực lên hệ thống cấp nước phân phối nước sinh hoạt và tích nước để cung cấp khẩn cấp cho phòng cháy chữa cháy Các loại đài nước nói chung chỉ để lưu trữ nước thô (không uống), nước phòng cháy chữa cháy hoặc các mục đích công nghiệp, và có thể không cần phải kết nối với một nguồn cung cấp nước công cộng

Đài nước có thể cung cấp nước ngay cả khi mất điện, vì dựa vào áp lực thủy tĩnh gây ra bởi độ cao của nước (do trọng lực) để đẩy nước vào hệ thống phân phối nước sinh hoạt và công nghiệp Một đài nước cũng phục vụ như một hồ chứa để gánh vác nhu cầu dùng nước trong thời gian sử dụng cao điểm Nước trong đài thường được sử dụng vào các giờ sử dụng cao điểm trong ngày, sau đó sử dụng máy bơm bơm nước lên đài vào những giờ thấp điểm Với đài nước làm việc trong vùng băng giá, quá trình này cũng giữ cho nước không bị đóng băng trong thời tiết lạnh,

do nước trong đài được liên tục được xả và nạp lại

Hình 1 1: Một vài Đài nước trên thế giớiViệc sử dụng các bể chứa nước đặt trên cao đã tồn tại từ thời cổ đại dưới các hình thức khác nhau Tuy nhiên đến thế kỷ 19, khi máy bơm hơi nước trở nên phổ biến, đài nước được sử dụng cho các hệ thống nước công cộng để gây áp lực, đài nước càng được phát triển khi ống dẫn tốt hơn có thể chịu áp suất cao hơn

Nhiều đài nước bây giờ được coi là có ý nghĩa lịch sử, và đã được đưa vào danh sách di sản khác nhau trên thế giới Một số được chuyển đổi thành căn hộ hoặc căn hộ penthouse độc quyền

Tại Việt Nam từ thời kỳ Pháp thuộc đã xuất hiện rất nhiều đài nước trong các khu dân cư tập trung, các đồn điền cao su từ Bắc vào Nam và đến nay vẫn còn tồn tại trở thành di tích lịch sử

Hình 1 2: Một số Đài nước được xây dựng ở Việt Nam từ thời kỳ Pháp thuộcSau khi thống nhất đất nước, chúng ta đã xây dựng một số Đài nước trong các khu tập thể, chung cư với mục đích cấp nước sinh hoạt cho các khu nhà tập thể cao tầng Điển hình như tháp nước Trung Tự, Kim Liên ở Hà Nội, do yếu tố kỹ thuật nên từ khi xây dựng đến nay hơn 35 năm không được sử dụng và đã bị phá bỏ Hiện nay nhiều tháp nước vẫn tiếp tục được xây dựng chủ yếu cung cấp nước cho các khu công nghiệp, cứu hỏa, các khu tập trung dân cư…

Hình 1 3: Một số Đài nước được xây dựng ở Việt Nam những năm gần đây

1.3 Hình thức cấu tạo Đài nước

Có nhiều cách để phân loại đài nước, tuy nhiên theo đặc điểm cấu tạo có thể phân thành 2 loại đài nước như sau: Đài nước thép và Đài nước bê tông cốt thép

(1) Đài nước thép

Ngoài phần móng ra còn lại sử dụng thép trong kết cấu thân đài, bầu đài sử dụng bằng thép, composite hoặc Inok Loại này thường là những đài nước có dung tích nhỏ, thời gian sử dụng ngắn

Hầu hết các đài nước đã được xây dựng ở Việt Nam đều có dạng kết cấu truyền thống, bao gồm các bộ phận chủ yếu như: móng đài, thân đài, bầu đài

- Móng đài: Xây dựng bằng bê tông cốt thép, bê tông hoặc gạch, đá xây nhằm đảm bảo truyền lực từ đài xuống nền công trình giữ công trình an toàn, ổn định

- Thân đài: Gồm trụ đỡ bằng thép hoặc các thanh thép liên liên kết với nhau bằng bu lông tạo thành khung đỡ bầu đài, trên đó có gắn thang lên xuống đài và đường ống cấp thoát nước

- Bầu đài: Bằng thép, Inok hoặc composite chế tạo sẵn liên kết với thân đài, trên bầu đài có gắn thiết bị chống sét, hệ thống ống, van cấp nước lên xuống,…

(2) Đài nước bê tông cốt thép

Là loại công trình cấu tạo hoàn toàn bằng bê tông cốt thép hoặc thân đài bằng

bê tông cốt thép, bầu đài bằng thép hoặc Inok chế tạo sẵn lắp ghép với thân đài Được sử dụng phổ biến vì loại này thường là những đài nước có dung tích chứa lớn, thời gian sử dụng lâu dài và đáp ứng được yêu cầu mỹ quan của khu vực

Các đài nước đã được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu đều có dạng kết cấu bê tông cốt thép liền khối

- Móng đài: Nhằm đảm bảo truyền lực từ đài xuống nền công trình giữ công trình an toàn, ổn định Tùy vào kết cấu thân đài, khả năng chịu tải của nền để bố trí móng đài phù hợp Trường hợp thân đài là một trụ đỡ thì móng đài sử dụng móng

bè, thân đài gồm nhiều trụ bê tông cốt thép liên kết với nhau thì sử dụng móng đơn liên kết với nhau bằng các dầm bê tông cốt thép hoặc sử dụng móng bè (nếu nền thiên nhiên đảm bảo khả năng chịu tải, sử dụng móng nông) Trường hợp nền đất yếu không đảm bảo khả năng chịu tải của công trình thường phải sử dụng móng sâu

- Thân đài: Gồm 2 loại chính như sau: Loại 1 gồm nhiều trụ đỡ bằng bê tông cốt thép liên liên kết với nhau bằng các dầm bê tông cốt thép tạo thành khung đỡ bầu đài (hình 1 4a), loại này trước kia thường được sử dụng phổ biến, tuy nhiên về mặt mỹ quan không đáp ứng được đòi hỏi cuộc sống hiện tại nên đến nay ít áp dụng

Loại 2 gồm 1 trụ đỡ bằng bê tông cốt thép (hình 1 4b), loại này đang sử dụng khá phổ biến trong thực tế hiện nay do đáp ứng được yêu cầu mỹ quan, tạo điểm nhấn kiến trúc trong khu vực

- Bầu đài: chủ yếu bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ liên kết với thân đài, hệ thống ống, van cấp nước lên xuống

Hình 1 4: Đài nước bê tông cốt thépNói chung về hình thức Đài nước là kết cấu mảnh có độ cao lớn, trong khi đó khối lượng nước tập trung ở trên đỉnh do đó tạo mô men lớn đối với móng đài khi chịu tác dụng của tải trọng ngang Vì vậy việc nghiên cứu kết cấu móng đài phù hợp trên các loại nền khác nhau khi chịu tác dụng của các loại tải trọng trong đó có tải trọng gió, động đất là việc làm cần thiết để đảm bảo Đài nước làm việc ổn định lâu dài

1.4 Khái niệm về nền móng công trình [3]

1.4.1 Nền và móng

Nền móng là phần công trình làm việc chung với lớp đất bên dưới trực tiếp gánh đỡ tải trọng bên trên truyền xuống Công việc tính toán nền móng là nhằm chọn được một loại nền móng công trình đảm bảo các điều kiện sau:

1- Công trình phải tuyệt đối an toàn

2- Khả thi nhất cho công trình

3- Giá thành rẻ nhất

Móng là bộ phận dưới công trình có tác dụng truyền và phân bố tải trọng từ công trình lên mặt nền Móng thường có kích thước lớn hơn kết cấu bên trên để giảm áp suất mặt nền.

Móng được chia làm hai loại móng nông và móng sâu

Móng nông (hình 1 5a) là phần mở rộng của chân cột hoặc đáy công trình nhằm có được một diện tích tiếp xúc thích hợp để đất nền có thể gánh chịu được áp lực đáy móng, loại móng này không xét lực ma sát xung quanh thành móng với đất khi tính toán khả năng gánh đỡ của đất

Móng nông thường được chia thành móng đơn chịu tải đúng tâm, móng đơn chịu tải lệch tâm lớn, móng phối hợp, móng băng, móng bè

Hình 1 5: Một số loại móng thường gặpMóng sâu khi độ sâu chôn móng lớn hơn chiều sâu tới hạn Dc, từ độ sâu này sức chịu tải của đất nền không tăng tuyến tính theo chiều sâu nữa mà đạt giá trị không đổi, và thành phần ma sát giữa đất với thành móng được xét đến trong sức chịu tải của đất nền, gồm các loại móng trụ, móng cọc, móng barrette

Móng trụ gồm các cột lớn chôn sâu gánh đỡ các công trình cầu, cảng, giàn khoan ngoài biển,…

Móng cọc là một loại móng sâu, thay vì được cấu tạo thành một trụ to, người

ta cấu tạo thành nhiều thanh có kích thước bé hơn trụ

Nền là phạm vi đất phía dưới móng chịu thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng khi xây dựng công trình

Nền tự nhiên là nền gồm các lớp đất có kết cấu tự nhiên, nằm ngay sát bên dưới móng, chịu đựng trực tiếp tải trọng công trình do móng truyền sang

Nền nhân tạo là nền khi các lớp đất ngay sát bên dưới móng không đủ khả năng chịu lực với kết cấu tự nhiên (thường gặp là sét, á sét, á cát trạng thái dẻo

nhão, nhão, bùn, cát xốp (rời), 0,2 kG/cm2 ≤ Rtc ≤0,8 kG/cm2), cần phải áp dụng các biện pháp nhằm nâng cao khả năng chịu lực của nền.

1.4.2 Mô hình nền

Xét một móng dầm như hình vẽ sau:

Hình 1 6: Mô hình nềnDưới tác dụng của tải trọng ngoài q(x) và phản lực nền p(x) móng dầm bị uốn và độ võng của móng w(x) được xác định bằng phương trình vi phân trong sức bền vật liệu:

4 4

Để giải phương trình trên cần dựa vào điều kiện tương tác giữa móng và nền

do chúng luôn tiếp xúc với nhau ta có điều kiện tiếp xúc giữa đáy móng và mặt nền sau khi lún là w(x) = s(x) Đồng thời phải dùng một mô hình cơ học nào đó để mô

tả tính biến dạng của nền dưới tác dụng của lực, đó chính là quan hệ giữa độ lún của nền s(x) với áp lực đáy móng (phản lực nền), nghĩa là:

s(x) = F1[p(x)]

hoặc p(x) = F2[s(x)]

Các quan hệ trên thể hiện cơ chế làm việc của nền dưới tác dụng của ngoại lực, và được gọi là mô hình nền

1.4.2.1 Mô hình nền biến dạng cục bộ (mô hình Winkler)

Cơ sở của mô hình: Tại mỗi điểm (ở mặt đáy) của dầm trên nền đàn hồi, áp suất mặt nền (= phản lực nền p(x)) tỷ lệ bậc nhất với độ lún của nền s(x):

w(x)

p(x) = c.s(x)trong đó:

c – hệ số tỷ lệ, gọi là hệ số nền, trị số của nó bằng áp suất gây ra 1 đơn vị độ lún nền có thứ nguyên [p/1 đơn vị lún → kN/m3]

Đối với dầm có chiều rộng b, biểu thức liên hệ là:

p(x) = b.c.s(x) hoặc b.c = k thì ta có p(x) = k.s(x)

Nền đất tuân theo giả thiết Winkler gọi là nền Winkler, phương pháp tính toán dầm trên nền (đàn hồi) Winkler, gọi là phương pháp hệ số nền

Mô hình nền Winkler coi nền đất như một hệ lò xo đặt thẳng đứng, dài bằng nhau, có độ cứng c, làm việc độc lập với nhau

Nhược điểm chủ yếu của mô hình nền Winkler là nó không phản ánh được tính phân phối của đất Thực tế đất có tính dính và ma sát trong, nên khi chịu tải trọng cục bộ nó có khả năng lôi kéo cả vùng đất xung quanh vào cùng làm việc với phần đất ngay dưới tải trọng Đặc tính ấy của đất được gọi là đặc tính phân phối

Mô hình nền Winkler vì vậy còn gọi là mô hình nền biến dạng cục bộ

Hình 1 7: Đặc tính phân phối của đất

Do không kể đến tính phân phối của đất nên có sự sai lệch như sau:

+ Khi nền đồng nhất, tải trọng phân bố liên tục trên dầm (mềm tuyệt đối) thì theo mô hình nền Winkler dầm sẽ lún đều và không bị uốn Nhưng thực tế quan sát thấy trong trường hợp này dầm vẫn bị võng ở giữa vì vùng đất ở giữa phải làm việc nhiều hơn do ảnh hưởng của vùng đất xung quanh nên lún nhiều hơn hai đầu

+ Khi móng tuyệt đối cứng, tải trọng đặt đối xứng, móng sẽ lún đều, theo mô hình Winkler ứng suất tiếp xúc sẽ phân bố đều Nhưng những kết quả đo đạc thí nghiệm trong các trường hợp như vậy, ứng suất tiếp xúc vẫn phân bố không đều mà phân bố theo một đường cong lõm hoặc lồi tùy theo khoảng tác dụng của tải trọng

P

+ Một trường hợp nữa khi dầm tách ra khỏi nền nếu theo mô hình nền Winkler ứng suất tiếp xúc phải có giá trị âm (nghĩa là ứng suất kéo) Nhưng thực tế dầm và nền không thể có ứng suất kéo được.

1.4.2.2 Mô hình nền bán không gian biến dạng tổng thể

Trường hợp bài toán không gian Nền đất được xem như một bán không gian biến dạng tuyến tính có giới hạn phía trên là một mặt phẳng vô hạn với những đặc trưng là mô đun biến dạng E0 và hệ số nở hông µ0

Hình 1 8: Liên hệ giữa tải trọng và độ lún của nềnMột tải trọng tập trung (P) tác dụng lên mặt nền, cách điểm đặt lực một khoảng (r) một độ lún được xác định theo công thức Butxinesk:

2 0 0

P S

E d

µπ

r: khoảng cách từ điểm xét đến điểm lực tác dụng

S: độ lún của nền tại điểm xét

Trường hợp bài toán phẳng theo lời giải của Flamant, ta có độ lún của điểm

A so với điểm B là:

2 0

−

trong đó:

A, B: hai điểm đang xét

P: Tải trọng tác dụng theo phương đường thẳng

d: khoảng cách từ điểm xét đến điểm đặt lực tác dụng

Ở đây dạng lún của mặt nền là một đường cong hàm số Logarit.

Hình 1 9: Liên hệ giữa tải trọng và độ lún của nền

Mô hình nền nửa không gian biến dạng tuyến tính đã xét đến tính phân phối của đất (biến dạng của nền đất xảy ra cả ngoài điểm đặt tải) vì vậy mô hình này còn gọi là mô hình nền biến dạng tổng quát

Nhược điểm của mô hình là đánh giá quá cao tính phân phối của đất vì khi tính toán đã coi nền đất là môi trường đàn hồi, chiều sâu vùng chịu nén tới vô hạn, cho nên dẫn tới biến dạng mặt nền ra xa vô hạn

Thực tế chiều sâu vùng chịu nén chỉ giới hạn ở một độ sâu nhất định (Ha) và

độ lún mặt nền sẽ tắt ở tại một điểm cách vị trí đặt tải chỉ một khoảng nhất định, tùy theo loại đất, trạng thái của đất và trị số tải trọng

tổng quát

3 – Tài liệu thí nghiệm thực tế đo đượcHình 1 10: Thí nghiệm bàn nén độ lún của mặt đất

1.4.2.3 Mô hình nền lớp không gian biến dạng tổng thể

Mô hình là bước phát triển của mô hình nền nửa không gian biến dạng tổng thể, nhưng đã xét đến chiều dày lớp đất nền chịu nén (Ha)

Trường hợp H > Ha thì lấy Ha để tính toán

Trường hợp H < Ha thì lấy H để tính toán

Kết quả phản lực nền tính theo mô hình nền này sát với thực tế hơn Nhược điểm của mô hình là tính toán coi vùng chịu nén Ha là hằng số nhưng thực ra Ha

thay đổi tùy theo điểm tính lún và việc tính toán khá phức tạp trong nhiều trường hợp còn chưa giải quyết được.

1.5 Tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn

1.5.1 Tính toán nền móng công trình theo trạng thái giới hạn 2

Các công trình chủ yếu chỉ có các lực tác dụng thẳng đứng và xây dựng trên nền đất mềm yếu thường dễ bị mất ổn định do các điều kiện biến dạng gây nên Do

đó phải tính toán nền móng theo trạng thái giới hạn 2 Trong tính toán phải chọn tổ hợp tải trọng cơ bản còn trị số các tải trọng lấy với các giá trị tiêu chuẩn (Ntc) Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cho phép lấy giá trị tính toán ứng với hệ số an toàn về đất

Khi tải trọng lệch tâm cần có thêm điều kiện:

trong đó:

ptb và pmax : lần lượt là áp suất đáy móng trung bình và lớn nhất

Rtc: cường độ tiêu chuẩn của đất nền được xác định như sau:

A1/4, B, D: những hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất

m: hệ số điều kiện làm việc của nền móng

b Xác định kích thước móng khi tải trọng đúng tâm

+ Đối với móng đơn

Nếu có một móng đơn chiều rộng là b, chiều dài là L, chịu tải trọng tác dụng lên móng là Ntc thì áp suất đáy móng trung bình sẽ là:

Hình 1 11: Sơ đồ tính toán xác định kích thước móng

b L

G N

2 H m A1/4 b Bq Dc b

N

m tb

H M

c M

q M

tb

3

Các hệ số M1, M2, M3 phụ thuộc vào các góc ma sát trong của đất ϕtc

c Xác định kích thước đáy móng khi tải trọng lệch tâm

Dùng phương pháp tính thử dần Dựa vào điều kiện ptb = Rtc để xác định chiều rộng như trường hợp tải trọng tác dụng đúng tâm, sau đó kiểm tra điều kiện

pmax= 1,2 Rtc Nếu không thỏa mãn điều kiện này cần xê dịch móng sang phía lệch tâm để giảm pmax đến khi thỏa mãn Trong trường hợp độ lệch tâm quá lớn thì cần tăng thêm chiều rộng móng mới đảm bảo được điều kiện pmax= 1,2 Rtc

1.5.1.2 Kiểm tra điều kiện biến dạng của móng

Để công trình làm việc bình thường về mặt biến dạng cần phải thỏa mãn điều kiện sau:

γi , hi là trọng lượng riêng và chiều dày lớp đất thứ i

+ Tính và vẽ biểu đồ ứng suất gây lún (ứng suất tăng thêm) cùng trục với ứng suất bản thân

trong đó:

ptb: áp suất trung bình

γ, H: là trọng lượng riêng lớp đất phía trên đáy móng và chiều sâu đào hố móng.

Theo độ sâu z (kể từ đáy móng) ứng suất gây lún giảm dần và tính theo biểu thức:

+ Xác định chiều dày vùng ảnh hưởng (Ha) tính từ đáy móng đến vị trí thỏa mãn điều kiện σz = 0,2 σzđ

Chia nền đất trong phạm vi vùng chịu lún (Ha) ra thành những lớp mỏng,

n i

E S

S

1 0

0 1

σ

β

(1 4)trong đó:

β: hệ số phụ thuộc hệ số nở hông µo của đất

Eoi, hi : mô đun biến dạng và chiều dày của lớp đất thứ i mà ta tính lún

σzi: ứng suất gây lún của lớp đất thứ i, lấy giá trị ở giữa lớp hi

Cuối cùng cần thử lại các điều kiện biến dạng S < Sgh và ∆S < ∆Sgh

b Tính độ chênh lệch lún và độ nghiêng của móng

Trong những trường hợp độ chênh lệch lún giữa hai móng gần nhau hoặc giữa các điểm trong cùng một cột móng sẽ gây ra những bất lợi cho sự làm việc của công trình nên cần tính mức độ chênh lệch ∆S:

L: khoảng cách giữa hai điểm A và B mà ta cần tính lún.

Trường hợp tính độ nghiêng của móng chỉ do lực đặt lệch tâm gây ra có thể

sử dụng công thức sau:

- Theo trục dài của móng chữ nhật:

3

2 0 1

)2.(

)1

(

L E

M tb k

tg

tb

L L

)2.(

)1

(

b E

M tb k

tg

tb

b b

Nội dung Chương đã khái quát các mô hình nền thường dùng trong tính toán

và phương pháp tính toán nền móng công trình theo trạng thái giới hạn

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ

PHẦN MỀM SAP 2000 – LÝ THUYẾT SỨC CHỊU TẢI CỦA NỀN.

2.1 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) [5]

Phương pháp PTHH là phương pháp tìm dạng gần đúng của hàm chưa biết trong miền xác định của nó bằng cách thay miền tính toán bằng các miền con gọi là phần tử Các phần tử này xem như chỉ được nối với nhau ở một số điểm nút được chọn trên biên của phần tử gọi là nút Hàm xấp xỉ thường được chọn dưới dạng hàm

đa thức nguyên Dạng của hàm đa thức này phải chọn sao cho thỏa mãn điều kiện

có số hệ số tổi thiểu phải bằng số ẩn chuyển vị nút của phần tử và đủ để lấy đạo hàm trong biểu thức tính thế năng toàn phần của phần tử

Tùy theo ý nghĩa của hàm xấp xỉ, trong bài toán kết cấu người ta chia ra làm

ba mô hình sau đây:

Mô hình tương thích: Biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị

trong phần tử, các ẩn số là các chuyển vị được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange hoặc định lý dừng của thế năng toàn phần

Mô hình cần bằng: Biểu diễn gần đúng dạng phân bố của ứng suất hoặc nội

lực trong phần tử, các ẩn này là ứng suất hoặc nội lực được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castigliano

Mô hình hỗn hợp: Biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả ứng suất lẫn

chuyển vị trong phần tử, coi ứng suất và chuyển vị là hai yếu tố độc lập nhau, các

ẩn số là ứng suất và chuyển vị được xác định từ hệ phương trình được thiết lập trên

cơ sở nguyên lý biến phân Hellinger-Reissner

Trong ba mô hình trên thì mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi hơn cả

và thích hợp cho bài toán kết cấu

Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH với mô hình tương thích được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange khi có chuyển vị khả dĩ cho phép (phù hợp với liên kết của hệ), nếu vật thể ở trạng thái cân bằng và thỏa mãn các điều kiện biên thì thế năng toàn phần của hệ đạt giá trị dừng

0)

b

T e e

T e

e dv u (p ) dv u (p ) ds2

1

(2 0)trong đó:

σe, εe - vectơ ứng suất và vectơ biến dạng;

Ve, Se - thể tích của phần tử và diện tích đặt tải trọng bề mặt;

(pb)e, (ps)e - vectơ lực khối và vectơ tải trọng bề mặt

Với vật liệu đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:

b

T e e

T e

)p(Ndv

DBB

T e e

b

T e e

e

T e

T e

=

Π

Do biến phân δ∆ là tuỳ ý, nên từ (2 5) có phương trình cân bằng của phần

∆e - vectơ chuyển vị nút của phần tử

Ke, Fe - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ tọa độ địa phương, được xác định theo công thức sau:

∆ - vectơ chuyển vị nút của kết cấu

K, F - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ tọa độ tổng thể, được xác định theo công thức sau:

trong đó: ma trận độ cứng K và vectơ tải trọng nút F của kết cấu bằng tổng ma trận

độ cứng Ke và vectơ tải trọng nút Fe của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể được định

vị trong ma trân độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu nhờ ma trận định vị Le

và được ký hiệu lần lượt là L

T e

e e e

T e

e e

Để tính toán một kết cấu đàn hồi tuyến tính theo phương pháp phần tử hữu hạn tương ứng với mô hình chuyển vị, ta thực hiện theo trình tự sau:

1 Chọn loại và dạng hình học của phần tử hữu hạn;

2 Rời rạc hóa kết cấu thành một lưới các phần tử hữu hạn, mức độ thưa mau phụ thuộc vào yêu cầu quy định về độ chính xác của kết quả tính toán Lập véc tơ chuyển vị nút của toàn kết cấu rời rạc hóa {∆} (véc tơ chuyển vị);

3 Giả thiết hàm chuyển vị cho phần tử đã chọn để tính toán;

4 Lập ma trận độ cứng của các phần tử dưới dạng các công thức để có thể tính ma trận độ cứng của từng phần tử;

5 Tập hợp các ma trận độ cứng thành ma trận độ cứng của toàn kết cấu rời rạc hóa Ma trận này phù hợp chặt chẽ với véc tơ chuyển vị nút về thứ tự, thành phần và kích thước;

6 Xác định véc tơ tải tương đương (lực nút) của kết cấu rời rạc hóa bằng các tập hợp các véc tơ tải của từng phần tử Véc tơ tải này tương ứng với véc tơ chuyển

9 Xác định nội lực, ứng suất của từng phần tử;

10 Vẽ các biểu đồ biểu diễn kết quả

Cách làm thích hợp nhất khi tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn

mô hình chuyển vị là thực hiện theo sơ đồ khối dưới đây Tất cả các bước được thực hiện tự động trên máy tính theo một Chương trình lập sẵn

Hình 2 1: Sơ đồ khối giải bài toán kết cấu theo phương pháp PTHH

M = M + 1

2.2 Tổng quan về phần mềm SAP2000 [6]

Phần mềm tính toán kết cấu SAP2000 (Structural Analysis Program) được phát triển bởi công ty CSI (computers and Strutures, Inc) của Hoa Kỳ và nổi tiếng trên phạm vi toàn thế giới Đây là phần mềm mạnh phân tích và thiết kế kết cấu trên

cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn theo mô hình chuyển vị Trải qua hơn 30 năm kiểm nghiệm phân tích kết cấu thực tế và không ngừng đổi mới cho phù hợp với sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn, hiện nay đã phát triển đến phiên bản SAP2000 V15

Hình 2 2: Màn hình khởi động của phần mềm SAP2000Phần mềm SAP2000 có nhiều ưu điểm:

- Giao diện đồ họa thân thiện giúp mô hình hóa đơn giản và nhanh chóng;

- Phần tử đa dạng: thanh, neo, tấm, vỏ, khối…

- Nhiều lựa chọn cho phân tích kết cấu như: tuyến tính – tĩnh, tuyến tĩnh động, phi tuyến – động;

- Nhiều kỹ thuật phân tích mới đã được đưa vào phần mềm như: phân tích biến dạng lớn, hiệu ứng P – Delta, phân tích Pushover, phân tích Buckling,…

- Khả năng tự động hóa thiết kế kết cấu bê tông, kết cấu thép theo tiêu chuẩn một số nước như Hoa Kỳ, Anh, Eurocode…

- Kết quả tính toán được định dạng chuẩn hoặc có thể thay đổi tùy ý

- Liên kết với phần mềm AutoCAD thông qua file *.DXF hoặc có thể copy/paste từ các bảng tính như Excel

Trong phạm vi luận văn tác giả khai thác kết quả từ phần mềm SAP2000 V14 với kết cấu Đài nước được mô hình hóa theo bài toán không gian bằng phần tử khối.

2.3 Bài toán hình khối (Solid)

2.3.1 Khái niệm về bài toán khối

Khối là vật thể không gian 3 chiều có kích thước chiều nhỏ hơn không chênh lệch nhau nhiều so với 2 chiều kia Với công trình xây dựng có hình dạng và chịu

áp lực phức tạp không thể đưa về bài toán thanh, bài toán tấm và vỏ để đơn giản hóa tính toán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác yêu cầu, trong trường hợp này cần thiết phải giải bài toán khối và được mô hình hóa bằng phần tử khối (Soilid)

Trong SAP2000 có các phần tử khối 6 mặt, 5 mặt và 4 mặt (tứ diện), mỗi nút có 3 thành phần chuyển vị Ux, Uy và Uz Hệ tọa độ cục bộ 123 của phần tử được mặc định cùng phương chiều với hệ trục tọa độ tổng thể XYZ

Hình 2 3: Phần tử khối trong SAP2000

2.3.2 Một số quy ước về phần tử khối

- Hệ tọa độ cục bộ 123 của phần tử được mặc định cùng chiều với hệ trục tọa

độ tổng thể XYZ

- Mã nút và mã mặt của phần tử khối 6 mặt được thể hiện trên hình 2 4a

- Trạng thái ứng suất tại một điểm trong phần tử khối được đặc trưng bằng các thành phần ứng suất tại điểm đó là các hình chiếu của các ứng suất toàn phần trên ba mặt cắt vuông góc với nhau lên ba pháp tuyến vuông góc với mặt cắt đó Trường hợp ba mặt cắt vuông góc với ba trục tọa độ 1, 2, 3 thì các thành phần ứng suất được ký hiệu như sau: Trên mặt dương trục 1 có S11, S12, S13, trên mặt dương trục 2 có S22, S21 và S23, Trên mặt dương trục 3 có S33, S31 và S32 trong đó S12=S21, S13=S31, S23=S32 như biểu diễn ở hình 2 4b

Hình 2 4: Phần tử khối trong SAP2000Với quy định trên phần tử khối được tạo bởi diện tích nhờ chức năng Extrucde Area to Solid, Hiển thị tên mặt phần tử khối: Display > Show Misc Assign

> Solid > Xuất hiện bảng Show Solid Assignments > Chọn Show color – Code Faces > Hiển thị tên mặt của các phần tử khối bằng phổ màu như hình 2 5

Hình 2 5: Phần tử khối 6 mặt và khối 5 mặt

2.4 Thao tác phân tích tác dụng của động đất theo phương pháp phổ phản ứng trong SAP2000

Phương pháp phổ phản ứng là một loại phương pháp mô phỏng động, cũng

là một loại phương pháp thống kê Phương pháp phổ phản ứng đã xem xét ảnh hưởng của độ lớn chuyển động mặt đất, tính chất của đất nền cùng với đặc tính động lực kết cấu đối với lực động đất, vì vậy có thể phản ánh gần đúng tác

động động đất đối với kết cấu Do phương pháp phổ phản ứng với phương pháp thiết kế kết cấu truyền thống gần giống nhau, vì vậy được ứng dụng tương đối rộng rãi Trong quy phạm của các quốc gia đều đưa ra đường cong phổ phản ứng thiết kế

Phân tích phổ phản ứng trong SAP2000 là đầu tiên dựa trên đường cong phổ phản ứng thiết kế của mỗi một quốc gia, sau đó dựa vào phân tích dao động (Modal) thu được các dạng dao động, sử dụng phương pháp tổ hợp dạng dao động tính toán hiệu ứng động đất

Dưới đây trình bày các bước phân tích phổ phản ứng động đất trong

SAP2000

(1) Xây dựng mô hình tính toán động

Mô hình tính toán động lực với mô hình tính toán tĩnh lực có những điểm giống và khác nhau:

Điểm giống nhau: mô hình hình học, vật liệu, tiết diện, tính chất phần tử Điểm khác nhau: dựa trên điểm khác căn bản của động lực với tĩnh lực là có xem xét ảnh hưởng lực quán tính và tải trọng động, trong mô hình tính toán động lực cần định nghĩa khối lượng, đường cong thay đổi tải trọng động…

(2) Định nghĩa đường cong phổ phản ứng

Define > Functions > Response Spectrum > Xuất hiện cửa sổ Define

Response Spectrum Functions > Choose Function Type to Add lựa chọn một trong các dạng đường cong phổ phản ứng quy định trong các quy phạm khác nhau (ví dụ lựa chọn Chinese2002 Spectrum) như hình 2 6, nhấn Add New Function > Xuất hiện cửa sổ Response Spectrum Chinese 2002 Function Definition như hình 2 7 > Dựa vào cấp độ động đất và điều kiện địa chất, tiến hành lựa chọn các thông số đầu vào cho phù hợp với tiêu chuẩn của mỗi nước Theo tiêu chuần hiện hành của Trung Quốc <Quy phạm thiết kế kháng chấn công trình> (GB 50011 – 2001) ta có đường cong phổ phản ứng thiết kế như ở hình 2 7

Hình 2 6: Định nghĩa phổ phản ứng

(3) Định nghĩa trường hợp phân tích phổ phản ứng

Define > Load Cases > Xuất hiện cửa sổ Define Load Cases > Nhấn Add

New Load Case xuất hiện tiếp cửa sổ Load Case Data – Linear Static, trong Load Case Type chọn Response Spectrum, chuyển sang cửa sổ Load Case Data – Response Spectrum như hình 2 8

Lưu ý: Có thể định nghĩa trường hợp tải trọng trước từ đường dẫn Define > Load Patterns, sau đó định nghĩa trường hợp phân tích phổ phản ứng > Trong cửa

sổ Define Load Cases sẽ xuất hiện tên trường hợp tải trọng và chỉ cần lựa chọn sau

đó nhấn Modify/Show Load Case > Xuất hiện cửa sổ hình 2 8 với Load Case Name

đã được định nghĩa

Trong cửa sổ hình 2 8 cần lựa chọn phương pháp tổ hợp dao động (ví dụ lựa chọn phương pháp SRSS – căn bậc hai của tổng bình phương); đối với loại hình tải trọng là gia tốc, cần lựa chọn phương dao động (ví dụ lựa chọn U1 – gia tốc theo phương trục X) ; lựa chọn hàm số đường cong phổ phản ứng được định nghĩa ở bước trước và nhập hệ số tỉ lệ

Hình 2 8: Định nghĩa trường hợp phân tích phổ phản ứng

(4) Lựa chọn loại hình phân tích và tính toán

(5) Hiển thị kết quả tính toán

2.5 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng SAP2000 V14

1 Chọn hệ đơn vị

2 Mô hình hóa kết cấu từ thư viện kết cấu mẫu hay tự vẽ

2 Định nghĩa vật liệu

4 Định nghĩa đặc trưng hình học của phần tử kết cấu

5 Định nghĩa tải trọng và tổ hợp tải trọng

6 Gán đặc trưng hình học vào các phần tử kết cấu đã mô hình hóa

7 Gán tải các trường hợp tải trọng vào kết cấu đã mô hình hóa

8 Đặt tên bài toán

9 Chạy Chương trình và hiển thị kết quả tính toán

2.6 Tính toán sức chịu tải của nền

2.6.1 Tính toán sức chịu tải của nền theo lý thuyết cân bằng giới hạn

Tính toán sức chịu tải của nền đất dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn là nhằm đảm bảo độ bền và tính ổn định của nền đất Việc tính toán dùng lý thuyết cân bằng giới hạn, để xác định tải trọng giới hạn (pgh) gây phá hoại nền hoàn toàn, rồi sau đó chia tải trọng giới hạn cho hệ số an toàn K > 1, ta sẽ nhận được trị số sức chịu tải của nền:

[ ]

K

p

Nguyên lý của phương pháp tính toán dựa theo lý thuyết cân bằng giới hạn

là, xét trạng thái cân bằng tĩnh và cân bằng giới hạn của một phân tố đất, dựa vào việc giải hệ các phương trình vi phân cân bằng tĩnh và điều kiện cân bằng giới hạn tại một điểm, xét trạng thái ứng suất tại các điểm trong vùng trượt Do đó có thể xác định hình dạng mặt trượt một cách chặt chẽ và tìm ra tải trọng giới hạn

Trong trường hợp bài toán phẳng, hãy xét một phân tố đất có chứa điểm M trong hệ trục tọa độ vuông góc y,z, chiều phương của Oz hướng theo chiều tác dụng của trọng lượng

Hình 2 9: Sơ đồ ứng suất tác dụng đối với phân tố đất trong TH bài toán phẳng.Phân tố đất có cạnh dy và dz, chịu tác dụng của σy, σz, τyz và trọng lượng bản thân

Trạng thái cân bằng của phân tố đất được biểu thị bởi hai phương trình cân bằng tĩnh và một phương trình cân bằng giới hạn sau đây:

∂τ

∂σ + = γ

yz Z

σσ

τσ

2

2 2

sin)cot.2(

.4)(

=+

+

+

−

g c y z

yz y

z

(2- 0)

Với các điều kiện biên cụ thể, giải hệ phương trình trên với ẩn số cho phép xác định được tải trọng giới hạn và dạng đường trượt

2.6.2 Tính toán sức chịu tải của nền theo K.Terzaghi

Sơ đồ tính toán của K.Terzaghi là vẫn dùng những đường trượt như ở trường hợp γ = 0, đồng thời có chú ý đến sự tồn tại của nêm đất mà K.Terzaghi giả thiết là hình tam giác cân với góc ở đáy bằng ϕ cho phù hợp với các kết quả của thí nghiệm nén Nêm đất phải khắc phục áp lực bị động của đất trong khu vực cân bằng giới hạn ở hai bên và dính kết chặt với đáy móng

Trên cơ sở nhận định như vậy, K.Terzaghi đã đưa ra công thức tính tải trọng giới hạn ở trường hợp bài toán phẳng như sau:

c N h N

b N

σ

τ z yz

z dz

σ σ

y y

y dy

σ σ

τzy τzy

y dy

Nγ, Nq và Nc - Các hệ số sức chịu tải, phụ thuộc vào góc ma sát ϕ và tính theo biểu đồ.

Ngoài ra K.Terzaghi còn đưa ra các hệ số kinh nghiệm vào công thức (2 19)

để tính tải trọng giới hạn trong trường hợp bài toán không gian

- Đối với móng vuông có cạnh là b:

Đối với móng tròn có bán kính R:

2.7 Khái quát về công trình chịu tác dụng của động đất [6]

Động đất là quá trình giải phóng năng lượng dưới dạng sóng động đất phân tán ra bốn xung quanh, sau khi sóng động đất tới mặt đất dẫn đến mặt đất bị chuyển động khiến công trình ban đầu đang ở trạng thái đứng yên chịu tác dụng của động lực Tác dụng động lực này thông qua nền công trình ảnh hưởng đến kết cấu phần trên, làm toàn bộ kết cấu công trình phát sinh dao động, lực quán tính phát sinh trong quá trình dao động kết cấu gọi là tác động động đất

Độ lớn của tác động động đất có liên quan đến chất lượng của kết cấu, đặc tính động lực bản thân kết cấu (chu kỳ dao động của kết cấu, hình dạng dao động, lực cản), đặc tính chuyển động mặt đất (cấp động đất và tình trạng xa gần tâm chấn)

Phương pháp tính toán tác động động đất lên công trình chủ yếu bao gồm: phương pháp giả tĩnh, phương pháp lực cắt đáy, phương pháp phổ phản ứng, và phương pháp phân tích động theo lịch sử thời gian Hiện nay hai phương pháp phổ phản ứng và phương pháp phân tích động theo lịch sử thời gian được sử dụng phổ biến trong tính toán tác động động đất

2.7.1 Phương pháp lực cắt đáy

Phương pháp lực cắt đáy thích hợp với công trình có độ cao nhỏ hơn 40m, lấy biến dạng cắt là chính mà còn phân bố độ cứng và khối lượng theo chiều cao khá đồng đều, xem như kết cấu gần giống hệ thống đơn chất điểm (ví dụ như tháp nước, nhà một tầng, cầu máng …)

Lấy kết cấu tháp nước làm ví dụ (hình 2 10) Khi tính toán động đất, đơn giản hóa có thể coi hệ thống là một chất điểm đơn được đặt trên một thanh đàn hồi không khối lượng, khối lượng của chất điểm là m Khi mặt đất có gia tốc hướng

ngang a t , chất điểm phát sinh gia tốc là o( ) a t Theo định luật 2 Newton, chất ( )

điểm chịu tác dụng của một lực quán tính F là:

Hình 2 10: Kết cấu tháp nước được đơn giản hóa thành hệ thống chất điểm đơn

Độ lớn của giá trị gia tốc lớn nhất của chất điểm amax có liên quan đến giá trị đại diện gia tốc động đất thiết kế theo phương ngang mặt đất (ah) ah là định lượng tiêu chuẩn của cấp độ động đất thiết kế Giá trị gia tốc lớn nhất của chất điểm có thể xác định theo công thức dưới đây:

ax

trong đó:

β - hệ số động lực hoặc gọi là hệ số phóng đại

Thay amax vào công thức (2- 23) được lực quán tính động đất (giá trị tiêu chuẩn):

trong đó:

G – giá trị đại diện tải trọng tổng trọng lượng của chất điểm, G = mg

α1 – hệ số ảnh hưởng của động đất theo phương ngang tương ứng với chu kỳ dao động riêng cơ bản của kết cấu

Đối với hệ thống chất điểm đơn, dựa vào năng lượng lớn nhất trong quá trình dao động của chất điểm, sử dụng phương pháp năng lượng để xác định chu kỳ dao động riêng cơ bản của kết cấu T1 theo công thức dưới đây:

F có thể tính toán theo công thức (2- 28) Phương pháp này

được gọi là phương pháp giả tĩnh

ah – giá trị đại diện gia tốc động đất thiết kế theo phương ngang mặt đất

ξ - hệ số triết giảm hiệu ứng tác dụng động đất, thông thường lấy bằng 0,25

αi – hệ số phân phối động đất của chất điểm thứ i

GEi – giá trị đại diện tác dụng trọng lực tập trung lên chất điểm thứ i

g – gia tốc trọng trường

Đối với tháp nước, hệ số αi lấy theo hình 2 11

Hình 2 11: Hệ số phân phối động đất hướng ngang theo chiều cao

2.7.3 Phương pháp phổ phản ứng chia dạng dao động

Đối với công trình cao cần sử dụng phương pháp phổ phản ứng chia dạng dao động để tính toán hiệu ứng tải trọng động đất

Đối với hệ nhiều bậc tự do có thể dùng phương pháp chia dạng dao động để thu được nhiều dạng dao động Thông thường kết cấu chia thành n chất điểm có n dạng dao động

- Giá trị tiêu chuẩn tác dụng của động đất theo phương ngang lên chất điểm thứ i dạng dao động j của kết cấu:

γj – hệ số tham gia của dạng dao động j

- Hiệu ứng tác dụng động đất theo phương ngang Sau khi xuất lực hiệu ứng động đất của các dạng dao động, không thể dùng phương pháp cộng tác dụng thu

được nội lực tính toán, mà cần dùng lực động đất tương đương của mỗi dạng dao động lần lượt tính toán nội lực và chuyển vị của kết cấu, sau đó thông qua phương pháp tổ hợp dạng dao động để tính toán nội lực của mặt cắt và chuyển vị của các lớp, khi tổ hợp dạng dao động sử dụng công thức dưới đây (phương pháp căn bậc hai của tổng bình phương SRSS):

2 1

m tc

S - hiệu ứng của giá trị tiêu chuẩn tác dụng động đất theo phương ngang

Sj – hiệu ứng của giá trị tiêu chuẩn tác dụng động đất theo phương ngang của dạng dao động thứ j (mô men, lực cắt, lực dọc hoặc chuyển vị)

m – số dạng dao động tham gia tổ hợp

2.8 Kết luận Chương 2

Phương pháp tính toán biến dạng và ứng suất công trình xây dựng thường dùng nhất hiện nay là phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình chuyển vị (tương thích), ít khi dùng phương phương pháp giải tích vì hình dạng kết cấu, điều kiện biên cũng như tải trọng tác dụng lên nó khá phức tạp, nên phương pháp giải tích hầu như không đáp ứng được các yêu cầu mong muốn

Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 là một phần mềm mạnh có khả năng

mô phỏng các kết cấu có hình dạng phức tạp, chịu tác động của nhiều dạng, nhiều loại tải trọng khác nhau với điều kiện biên phù hợp với trạng thái làm việc thực của kết cấu Vì vậy Luận văn sử dụng phần mềm SAP2000 để phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu Đài nước để từ đó lựa chọn kích thước móng đài thích hợp với các loại nền phổ biến trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận

Nội dung Chương cũng khái quát phương pháp xác định sức chịu tải của nền đối với từng loại móng theo K.Terzaghi trong đó có móng tròn được sử dụng trong kết cấu đài nước

Ngoài ra đã khái quát các phương pháp tính toán động đất phù hợp với từng loại kết cấu đài nước và khuyến cáo với đài nước cao nên sử dụng phương pháp phổ phản ứng để xem xét ảnh hưởng của động đất đến trạng thái ứng suất và chuyển vị của kết cấu

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC MÓNG ĐÀI THÍCH HỢP VỚI MỘT SỐ ĐẶC TÍNH NỀN PHỔ

BIẾN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH NINH THUẬN3.1 Lựa chọn hình thức kết cấu.

Lựa chọn hình thức kết cấu Đài nước bê tông cốt thép liền khối kiểu trụ tháp tiết diện tròn gồm 3 phần: bầu đài, thân đài và móng đài

3.2 Số liệu tính toán

- Mặt cắt dọc điển hình kết cấu Đài nước được cho ở hình 3 1 Các thông số

cơ bản của Đài nước dùng trong nghiên cứu bao gồm:

+ Dung tích đài nước: Vđài = 50m3, 100m3, 150m3;

+ Chiều cao đài nước: Hd = 10m; 15m; 20m;

+ Chiều sâu đào móng: hm = 3m; 4m; 5m; 6m; 7 m;

+ Bán kính bản đáy: Rm = 7m; 6m; 5m; 4m; 3m;

+ Chiều dày bản đáy: δ = 0,5m; 1,0m; 1,5m

400

280 230

MDTN

1 : 0

Rm Dm

Hình 3 1 Sơ đồ tính toán cắt dọc thân đài

- Các thông số kỹ thuật của vật liệu bê tông và nền cho ở bảng 3.1

Bảng 3 1 Bảng các thông số kỹ thuật và khu vực nghiên cứu

TT

Thông số kỹ thuật Ký

hiệu

Đơn vị

Khu vực nghiên cứu trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận

I Chỉ tiêu cơ lý của Bê tông M250

Mô hình không gian của đài nước dùng phần tử Solid thể hiện trên hình 3.2

Hình 3 2 Mô hình Đài nước dùng phần tử Solid - SAP2000

a Hđài = 10m; b Hđài = 15m; c Hđài = 20m