tính toán kết cấu bể chứa

trình bày về tính toán kết cấu bể chứa

Chương 5 :

TÍNH TOÁN KẾT CẤU BỂ CHỨA 5.1 Thông số thiết kế ban đầu

5.1.1 Thông số kích thước

Dựa vào kết quả từ chương 2, thông qua việc sử dụng chương trình

Epanet để tính toán mạng lưới cấp nước, ta có các thông số kích thước

bể chứa như sau :

- Bể hình vuông cạnh 15 m

- Chiều sâu nước 5 m, bể đặt nửa ngầm dưới mặt đất, cao trìnhđáy bể là +0.0 m, cao

trình mực nước max = +5.0 m, cao trình mặt đất = +2.5 m

- Thể tích nước : 1050 m3

Sơ bộ chọn kích thước các tiết diện như sau :

- Phần tử vỏ :

 Thành bể : dày 20cm

 Mô hình bể chứa trong SAP

Cột góc Dầm nắp Nắp bể

Hình 5.2 : Mặt bằng và mặt cắt bể chứa

5.1.2 Vật liệu

a Bê tông

Bêtông B20 (M250) :

- Rbn = 15MPa 14715kN/m2 ; Rbtn = 1.4 MPa 1373.4kN/m2 (nhóm A);

- Rb = 11.5 MPa 11281.5kN/m2 ; Rbt = 0.9 Mpa 882.9kN/m2 (nhóm A);

5.2 Xác định tải trọng và tổ hợp tải trọng

5.2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên bể chứa

- Tải trọng bản thân : hệ số tin cậy n =1.1

- Tải trọng sửa chữa : 0.75kN/m2 , hệ số tin cậy n = 1.2

- Áp lực nước : áp lực nước bao gồm áp lực ngang tác dụng vàothành đài và trọng lượng nước tác dụng lên đáy bể chứa, hệsố tin cậy n = 1.0

- Áp lực đất : áp lực ngang của đất tác dụng vào thành đài, hệsố tin cậy n = 1.15

5.2.2 Tổ hợp tải trọng

Xét các trường hợp tổ hợp tải trọng sau :

- Tổ hợp 1 : TH1 = tĩnh tải ×1.1 + áp lực nước ×1.0

- Tổ hợp 2 : TH2 = tĩnh tải ×1.1 + áp lực đất ×1.15

- Tổ hợp 3 : TH3 = tĩnh tải ×1.1 + áp lực nước ×1.0 + áp lực đất

×1.15

- Tổ hợp 4 : TH4 = tĩnh tải ×1.1 + áp lực đất ×1.15 + sửa chữa

×1.2

- Tổ hợp bao : biểu đồ bao của các tổ hợp trên

5.2.3 Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền

- Khả năng chịu tải của đất nền :

- Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền :

gồm :

 Tải trọng bản thân : Nbt = 4307.7kN

 Trọng lượng nước : Nn = 11250kN

( kết quả lấy từ Sap)

p tc < Rtc : nền đủ khả năng chịu lực

- Xác định áp lực gây lún tại tâm đáy bể :

Pgl = - h = 53.37 - 14.88 2.5 = 16.17 kN/m2

5.2.4 Hệ số nền

- Chúng ta có thể sử dụng công thức được đưa ra bởi J.E.Bowles, kếthợp công thức của Terzaghi, Hansen :

- Trong đó :

 Kn : hệ số nền (kN/m3)

 C : hệ số phụ thuộc vào hệ thống đơn vị, với hệ thống SI (System International),

thì C = 40, do đó công thức có thể viết thành :

 c : lực dính của đất, c = 7.1613kN/m2

  : trọng lượng riêng của đất,  = 14.88kN/m3

 B : bề rộng móng, B = 15m

 Z : độ sâu đang khảo sát, Z = 2.5m

 n : chỉ xét đến trong trường hợp có tiến hành thực nghiệm Trong trường hợp có tiến hành thực nghiệm thì n là hệ số dùng để hiệu chỉnh cho kết quả tính toán Kn bằng công thức có giá trị gần đúng với kết quả thực nghiệm Trong trường hợp không tiến hành thí nghiệm thì lấy n = 1

 Nc , N , Nq : các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong  của đất

Với  = 3.5o

5.2.5 Xác định áp lực ngang của đất

Áp lực ngang của đất được xác định theo công thức sau :

( kN/m2) Với : - = 14.88kN/m3, trọng lượng riêng của đất,

- = 3.5o , góc ma sát trong của đất,

- h : độ sâu

P a = 13.17h (kN/m2)

Pa(kN/m2) 0

6.585

13.17

19.755

26.34

32.925

5.3 Tính toán nội lực và cốt thép bể chứa 5.3.1 Mô phỏng tính toán

- Áp lực nước tác dụng vào thành bể và đáy bể (phần tử Shell) được gán theo dạng áp lực mặt (Surface Pressrue) :

 Mặt tác dụng : mặt 5 màu tím, mặt trong bể

 Phương : cùng chiều trục 3 màu xanh, vuông góc với thành bể,

đi từ trong ra ngoài

- Áp lực ngang của đất được tác dụng vào thành đài (phần tử

Shell) được gán theo dạng áp lực mặt (Surface Pressrue ) :

 Mặt tác dụng : mặt 6 màu đỏ, mặt tiếp xúc với đất

 Phương : ngược chiều trục 3 màu xanh

- Tải sửa chữa : được gán cho nắp bể và đáy bể theo dạng lựcphân bố đều (Uniform Load), phương tác dụng theo chiều của tảitrọng bản thân.

 Các giá trị nội lực xuất ra như sau :

- Đối với phần tử dầm ( Frame) :

- P : lực dọc trục (Axial Force)

- M2 : moment 2-2 nằm trong mặt phẳng 1-3, uốn quanhtrục 2

- M3 : moment 3-3 nằm trong mặt phẳng 1-2, uốn quanhtrục 3

- V2 : lực cắt theo phương trục 2 (Shear 2-2)

- V3 : lực cắt theo phương trục 3 (Shear 3-3)

- Đối với phần tử vỏ ( Shell) :

- M22 : moment uốn quanh trục 1 (màu đỏ)

- M11 : moment uốn quanh trục 2 (màu trắng)

- F11 : lực theo phương trục 1

- F22 : lực theo phương trục 2

5.3.2 Các công thức tính toán các cấu kiện

a Cấu kiện chịu kéo

- Đúng tâm : (kN)

As,tot : diện tích tiết diện toàn bộ cốt thép dọc

- Độ lệch tâm của lực dọc N đối với trọng tâm của tiết diện quy

đổi

e0 = e01+eavới e01 = M/N : độ lệch tâm tính toán

ea : độ lệch tâm ngẫu nhiên

- Lệch tâm tiết diện chữ nhật:

+ Nếu lực dọc đặt trong khoảng giữa các hợp lực trong cột thép S

và S’

với e = 0.5h-e0-a với e’=0.5h+e0-a’

+ Nếu lực dọc đặt ngoài khoảng giữa các hợp lực trong cột thép

với tính theo mục 6.2.2.3 TCVN 356:2005)

b Cấu kiện chịu uốn

c Cấu kiện chịu nén lệch tâm tiết diện chữ nhật

- Trong đó : Ab - diện tích vùng bê tông chịu nén

Khi

Khi : đối với cấu kiện làm từ bê tông có cấp nhỏ hơnhoặc bằng B30, cốt thép nhóm CI, A-I, CII, A-II, CIII, A-III, x được xácđịnh theo công thức :

; với

Khi tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm, cần xét đến ảnhhưởng của độ cong (khi độ mảnh l/ho>8) đến độ bền, được xác địnhtheo điều kiện (36), (40), (65) bằng cách nhân e0 với hệ số 

- Tính

( tra bảng )

- Tính

- Với chiều cao vùng chịu nén x được xác định từ công thức :

5.3.2 Tính toán nội lực và cốt thép cho phần tử dầm (Frames)

a Dầm trên

- Kích thước : 40×30cm , lấy a = a’ = 3cm

- Lực tác dụng lên dầm : + Trọng lượng bản thân

+ Trọng lượng nắp+ Tải sửa chữa

- Các giá trị nội lực max ( xét trong tất cả các trường hợp )

Lực dọc trục P (Axial Force)

Lực cắt V2 (Shear Force 2-2)

Moment M3 (Moment 3-3)Giá trị :

6 0.100 0.105 4.800 414 6.156 0.55549.712

7 0.107 0.114 5.186 414 6.156 0.555

- Kiểm tra kích thước tiết diện dầm :

Nên không thay đổi kích thước tiết diện dầm

- Kiểm tra điều kiện lực cắt :

Bố trí cốt đai theo cấu tạo : Þ8a200

- Kiểm tra khả năng chịu lực kéo của dầm :

Bố trí cốt thép cho dầm nắp :

Hình 5.3 : Cốt thép dầm nắp

Nhận xét : Ta nhận thấy dầm chủ yếu chịu uốn do trọng lượngbản thân và tải trọng từ sàn nắp bể truyền xuống, dầm cũngchịu kéo do áp lực nước tác dụng lên thành bể Moment M22 cónhưng khá nhỏ, không đáng kể Moment M33 lớn tại nhịp gần

Axial Force (kN) Shear 2-2 (kN) Moment 3-3(kNm)

M3-49.605 42.262 29.589- 46.2196 49.7127

-tường do phải chịu tải trọng từ sàn nắp bể và áp lực nước tácdụng lên thành bể.

b Cột thành bể

- Kích thước : 50×30cm , lấy a = a’ = 3cm

- Lực tác dụng lên cột : + Trọng lượng bản thân

+ Tải trọng từ sàn nắp truyền xuống + Áp lực nước tác dụng

- Các giá trị nội lực max ( xét trong tất cả các trường hợp )

Moment M3 (Moment 3-3)Giá trị :

Axial Force (kN) Shear 2-2 (kN) Moment 3-3(kNm)

M3 25.437 68.57 69.947- 110.3089 32.2091

Cấu kiện chịu moment M3 gây uốn, lực cắt V2 và lực dọc P gâynén :

+ ; ; ; ;

M

chọn(cm2)Þ110.30

9 0.148 0.160 9.289 418 10.18 0.72232.209

1 0.043 0.044 2.551 214 3.078 0.218

- Kiểm tra kích thước tiết diện cột :

Nên không thay đổi kích thước tiết diện cột

- Kiểm tra điều kiện lực cắt :

Bố trí cốt đai theo cấu tạo : Þ8a200

- Kiểm tra khả năng chịu lực nén của cột :

Bố trí cốt thép cho cột thành bể :

Hình 5.4 : Cốt thép cột thành bể

Nhận xét : Giống như dầm nắp có moment M2 nhưng không lớn.Cột thành chịu tác dụng chủ yếu là moment M3 do áp lực nướctác dụng lên thành bể và cột thành bể khi đó như một dầmchịu một phần moment từ thành bể truyền sang

c Cột trong

- Kích thước : 30×30cm , lấy a = a’ = 3cm

- Lực tác dụng lên cột : + Trọng lượng bản thân

+ Tải trọng từ sàn nắp truyền xuống

- Các giá trị nội lực max ( xét trong tất cả các trường hợp )

Lực dọc P (Axial Force) Lực cắt V2(Shear Force 2-2) Moment M3(Moment 3-3)

Giá trị :

AxialForce(kN)

Shear 2(kN)

2-Shear 3(kN)

3-Moment 2(kNm)

2-Moment 3(kNm)

-160.297 3.407 -3.407 11.0243 -11.0243

- Cấu kiện chủ yếu chịu lực dọc P gây nén :

Bố trí cốt theo cấu tạo : 4Þ14

- Kiểm tra khả năng chịu Moment uốn của cột :

M

chọn(cm2)Þ11.024

3 0.045 0.046 1.521 214 3.078 0.380

- Kiểm tra điều kiện lực cắt :

Bố trí cốt đai theo cấu tạo : Þ8a200

Bố trí cốt thép cho cột trong bể :

Hình 5.5 : Cốt thép cột trong bể

Kiểm tra xuyên thủng của cột trong đối với đáy bể :

Hình 5.6 : Kiểm tra xuyên thủng

- Lực gây xuyên thủng :

- Lực chống xuyên thủng :

- Vậy cột trong không gây xuyên thủng đáy bể

Nhận xét : Cột trong chủ yếu chịu nén do tải trọng từ sàn nắptruyền xuống Lực cắt và moment có nhưng không đáng kể

d Cột góc bể

- Kích thước : 30×30cm , lấy a = a’ = 3cm

- Lực tác dụng lên cột : + Trọng lượng bản thân

+ Tải trọng từ sàn nắp truyền xuống

- Các giá trị nội lực max ( xét trong tất cả các trường hợp )

Giá trị :

AxialForce(kN)

Shear 2(kN)

2-Shear 3(kN)

3-Moment 2(kNm)

2-Moment 3(kNm)

- Cấu kiện chủ yếu chịu lực dọc P gây nén :

Bố trí cốt theo cấu tạo : 4Þ14

- Kiểm tra khả năng chịu Moment uốn của cột :

chọn(cm2)Þ2.846

9 0.012 0.012 0.386 2Þ14 3.078 0.380

- Kiểm tra điều kiện lực cắt :

Bố trí cốt đai theo cấu tạo : Þ8a200

Bố trí cốt thép cho cột góc bể :

Hình 5.7 : Cốt thép cột góc bể

Nhận xét : Cột góc chịu lực không đáng kể Ta bố trí 4 cột gócnày chủ yếu là để liên kết thành bể và thuận tiện hơn trongkhâu thi công bể chứa

5.3.3 Tính toán nội lực và cốt thép cho phần tử vỏ (Shell)

a Nắp bể

- Bề dầy : 10cm , lấy a = a’ = 1.5cm

- Lực tác dụng : + Trọng lượng bản thân

+ Tải sửa chữa

- Xét một dải bản sàn nắp điển hình :

- Các giá trị nội lực ( xét trong tất cả các trường hợp )

F11max

(kN/m) (kN/m)F11min (kN/m)F22max (kN/m)F22min

M11max(kN-m/

m)

M11min(kN-m/

m)

M22max(kN-m/

m)

M22min(kN-m/m)28.37

3.82 0.047 0.048 2.086 Þ10a200 3.925 0.462

4.821 0.059 0.061 2.651 Þ10a200 3.925 0.462

- Cốt thép chịu kéo :

Bố trí thép cho sàn nắp :

H ình 5.8 : Cốt thép sàn nắp bể

Nhận xét : Nắp bể chịu uốn do tải trọng bản thân và hoạt tảigây nên Chịu kéo do áp lực nước tác dụng vào thành gây ra lựctác dụng vào nắp bể

b Thành bể

- Bề dầy : 20cm , lấy a = a’ = 3cm

- Lực tác dụng : + Trọng lượng bản thân

+ Tải trọng từ sàn nắp truyền xuống

+ Áp lực nước và áp lực đất tác dụng

- Xét bốn dải thành bể điển hình sau :

Giá trị nội lực ở dải cột góc bể - dải 1 ( xét trong tất cả các trường hợp )

F11max

(kN/m) (kN/m)F11min (kN/m)F22max (kN/m)F22min

M11max(kN-m/

m)

M11min(kN-m/

m)

M22max(kN-m/

m)

M22min(kN-m/m)79.741

47.754

3 0.146 0.159 11.110 Þ12a100 11.31 0.6654.7905 0.015 0.015 1.033 Þ12a200 5.655 0.333

9.4701 0.029 0.029 2.058 Þ12a200 5.655 0.333

15.581

9 0.048 0.049 3.420 Þ12a200 5.655 0.333

 Cốt thép chịu kéo theo phương trục 1 (nằm ngang) :

 Cốt thép chịu kéo theo phương trục 2 (thẳng đứng) :

 Kiểm tra ứng suất nén trong bê tông :

=> Thỏa

Giá trị nội lực ở dải cột thành bể - dải 2 ( xét trong tất cả các trường hợp )

F11max

(kN/

m)

F11min(kN/

m)

F22max(kN/

m)

F22min(kN/m)

M11max(kN-m/m)

M11min(kN-m/m)

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)42.28

16

9.1786

1.9962

45.893

11.1522 29.9952 31.1233-

M

chọn (cm2)Þ

8.3890 0.026 0.026 1.820 Þ12a200 5.655 0.333

11.152

2 0.034 0.035 2.430 Þ12a200 5.655 0.33329.995

2 0.092 0.097 6.749 Þ12a100 11.31 0.66531.123

3 0.095 0.101 7.017 Þ12a100 11.31 0.665

 Cốt thép chịu kéo theo phương trục 1 (nằm ngang) :

 Kiểm tra ứng suất nén trong bê tông :

m)

F22max(kN/

m)

F22min(kN/m)

M11max(kN-m/m)

M11min(kN-m/m)

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)41.52

38

8.1348

5.5555

40.674

8.0307 0.025 0.025 1.741 Þ12a200 5.655 0.333

14.126 0.043 0.044 3.094 Þ12a20 5.655 0.333

6 040.153

4 0.123 0.132 9.205 Þ12a100 11.31 0.66533.366

1 0.102 0.108 7.554 Þ12a100 11.31 0.665

 Cốt thép chịu kéo theo phương trục 1 (nằm ngang) :

 Kiểm tra ứng suất nén trong bê tông :

m)

F22max(kN/

m)

F22min(kN/m)

M11max(kN-m/m)

M11min(kN-m/m)

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)50.29

10

9.4853

5.9286

53.777

17.0630 32.7161 28.2531-

M

chọn (cm2)Þ

6.5432 0.020 0.020 1.415 Þ12a200 5.655 0.333

17.063

0 0.052 0.054 3.755 Þ12a200 5.655 0.33332.716

1 0.100 0.106 7.398 Þ12a100 11.31 0.66528.253

1 0.087 0.091 6.338 Þ12a100 11.31 0.665

 Cốt thép chịu kéo theo phương trục 1 (nằm ngang) :

 Kiểm tra ứng suất nén trong bê tông :

=> Thỏa

 Chú thích : Mmax : làm căng thớ trong ; Mmin : làm căng thớ ngoài

 Bố trí thép cho thành bể chứa :

Hình 5.9 : Cốt thép thành bể

c Đáy bể

- Bề dầy : 30cm , lấy a = a’ = 3cm

- Lực tác dụng : + Trọng lượng bản thân

+ Tải trọng từ thành bể truyền xuống+ Tải trọng 4 cột trong truyền xuống+ Áp lực nước

+ Áp lực đất

- Xét bốn dải đáy bể điển hình sau :

Giá trị nội lực ở dải thành bể - dải 1 ( xét trong tất cả các trường hợp )

M11max(kN-m/m)

M11min(kN-m/m)

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)51.2166 71.6520 20.5166- 15.2263-

chọn (cm2)Þ

M11min(kN-m/m)

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)18.3902 31.0564 51.0429- 71.5938-

M

chọn (cm2)Þ

M11min(kN-m/m)

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)14.9250 -6.4905 37.0050 33.6601-

M

chọn (cm2)Þ

M22max(kN-m/m)

M22min(kN-m/m)31.3677 -5.6085 27.6879 31.0400-

M

chọn (cm2)Þ

Bố trí thép đáy bể như sau :

Hình 5.10 : Cốt thép đáy bể