Đồ án tốt nghiệp Thiết kế kỹ thuật bể chứa trụ đứng V=45000m3

Khái niệm bể chứa Bể chứa là một công trình xây dựng nhằm mục đích phục vụ cho công táctàng trữ các sản phẩm dầu xăng, dầu hoả…, khí hoá lỏng, nước, axít, cồn côngnghiệp… Hiện nay cùng

LỜI CẢM ƠN

- 

 -Đối với mỗi sinh viên đồ án tốt nghiệp có vai trò rất quan trọng, đặc biệt là khối nghành kĩ thuật như trường Đại học Xây Dưng Nó giúp sinh viên vận hoàn thiện, tổng hợp, vận dụng những kiến thức đã tích lũy, trau dồi trong suốt quá trình học tập tại trường

Được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phan Ý Thuận và sự cố gắng, tìm tòi

học hỏi của bản thân sau 3 tháng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với

đề tài:” Thiết kế kĩ thuật bể chứa trụ đứng V=45000m 3 ” Đây là đề tài mang ý nghĩa thực tế cao, em cũng đã cố gắng tập trung nghiên cứa, học hỏi , làm việc nghiêm túc nhưng kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế thi công thực tế chưa có, khối lượng công việc lớn vì vậy không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự, hướng dẫn, chỉ bảo của các thầy cô để em có thể hoàn thiện mình hơn khi ra trường.

Qua đây cho phép em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong trường Đại học Xây Dựng nói chung, các thầy cô trong Viện Xây dựng Công trình biển nói riêng đã truyền đạt, dạy dỗ em trong suốt quá trinh học tập tại trường.

Đặc biệt cho phép em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới

PGS.TS.Phan Ý Thuận đã trực tiếp, tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt

nghiệp này.

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè - Những người đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong những lúc khó khăn nhất khi làm đồ án tốt nghiệp này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 11 tháng 06 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Xuân Thành

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỂ CHỨA DẦU

I. Khái niệm và phân loại bể chứa

1. Khái niệm bể chứa

Bể chứa là một công trình xây dựng nhằm mục đích phục vụ cho công táctàng trữ các sản phẩm dầu (xăng, dầu hoả…), khí hoá lỏng, nước, axít, cồn côngnghiệp…

Hiện nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và yêu cầu về mặt côngnghệ, người ta đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng các loại bể chứa có cấu trúcphức tạp nhưng hợp lý hơn về mặt kết cấu góp phần mang lại hiệu quả kinh tế cao

2. Phân loại bể chứa

a) Phân loại theo hình dạng bể

- Bể chứa hình trụ

- Bể hình cầu, hình giọt nước

Bể chứa hình trụ (trụ đứng, trụ ngang), bể hình cầu, hình giọt nước… tuỳtheo vị trí của bể trong không gian chúng có thể đặt cao hơn mặt đất (trên gối tựa),đặt trên mặt đất, ngầm hoặc nửa ngầm dưới đất hoặc dưới nước

b) Phân loại theo mái bể

- Bể chứa có thể tích không đổi (mái tĩnh – cố định)

- Bể chứa có thể tích thay đổi (mái phao – ngoài mái cố định còn có mái cốđịnh nổi trên mặt chất lỏng, hoặc mái nổi – bản thân là mái phao)

c) Phân loại theo áp lực dư ( do chất lỏng bay hơi)

- Bể chứa áp lực thấp : khi áp lực dư Pd <= 0.002 MPa Và áp lực chân không

Bể chứa trụ đứng

Các bộ phận chính của bể:

- Đáy bể : Được đặt trên nền cát đầm chặt và chịu áp lực chất lỏng Đáy bểgồm các thép tấm có kích thước lấy theo định hình sản xuất và được liên kếtvới nhau bằng đường hàn đối đầu

- Thân bể : Là bộ phận chịu lực chính, gồm nhiều khoang thép tấm hàn lại,chiều dày các thép tấm thân bể có thể thay đổi hoặc không dọc theo thành

bể Liên kết giữa các thép tấm trong cùng một đoạn thân là đường hàn đốiđầu, liên kết giữa các đoạn thân dùng đường hàn vòng hoặc đối đầu Nốithân bể và đáy bể dùng đường hàn góc

- Mái bể: Cũng được tổ hợp từ các tấm thép hàn lại với các dạng chính nhưsau: Mái nón, mái treo, mái cầu, mái trụ cầu

1.3. Bể chứa trụ đứng mái phao

Loại bể này hiện nay được sử dụng khá nhiều trên thế giới Việc sử dụng máimang lại hiệu quả kinh tế cao, làm giảm đáng kể sự mất mát Cacbua – Hydro nhẹ,giảm ô nhiễm môi trường xung quanh Việc loại trừ khoảng không gian hơi trên bềmặt xăng dầu chứa trong bể, cho phép tăng mức độ an toàn phòng hỏa so với cácloại bể khác Trên thực tế người ta hay dùng hai loại bể:

- Bể hở có mái phao

- Bể kín có mái phao

Bể mái phao hao tổn do bay hơi giảm tới 80 % - 90%

Bể chứa trụ đứng mái phao

1.4.Bể chứa trụ đứng mái cầu

Loại bể này dùng để chứa sản phẩm dầu nhẹ dưới áp lực dư P = 0.01 – 0.07MPa Mái gồm các tấm chỉ cong theo phương kinh tuyến, với bán kính thân bể

Thân bể được hàn từ thép tấm Dưới bể được bố trí các bu lông neo quanhthân tránh hiện tượng đáy bể bị uốn và nâng lên cùng thân dưới tác dụng của áp lực

dư lớn khi lượng chất lỏng trong bể giảm

2. Bể chứa trụ ngang

Bể chứa trụ ngang dùng để chứa các sản phẩm dầu mỏ dưới áp lực dư pd ≤0.2Mpa và hơi hoá lỏng có pd ≤ 1.8Mpa, áp lực chân không p0 ≤ 0.1Mpa

Bể chứa trụ ngang có 3 bộ phận chính: thân, đáy và gối tựa

- Thân bể: bằng thép tấm, được chia làm nhiều khoang Các tấm thép đượcliên kết với nhau bằng đường hàn đối đầu, bên trong mỗi khoang đặt cácvành cứng bằng thép góc và hàn với thân bể

- Đáy: có các hình dạng khác nhau: phẳng, nón, trụ, cầu, elíp Việc lựa chọnđáy phụ thuộc vào thể tích bể, và áp lực dư trong bể.

- Gối tựa: gồm hai gối hình cong lõm bằng bê tông hoặc gối tựa dạng thanhđứng

Bể chứa trụ ngang có những ưu điểm, nhược điểm chính sau:

- Ưu điểm: hình dạng đơn giản, dễ chế tạo, có khả năng chế tạo trong nhà máyrồi vận chuyển đến nơi xây dựng.Có thể tăng đáng kể áp lực dư so với bể trụđứng

- Nhược điểm: tốn chi phí chế tạo gối tựa

Bể được đặt trên gối dạng vành hay thanh cống bằng thép ống hoặc thép chữ

I Dùng thanh chống đảm bảo được biến dạng tự do cho bể Các thanh chống nêntiếp xúc với mặt bể để giảm ứng suất cục bộ và không tỳ vào đường hàn nối cáctấm của vỏ bể

Bể chứa cầu

4. Bể chứa hình giọt nước

Khuynh hướng đi tìm một giải pháp kết cấu cho ứng lực trên bể tương đốiđồng nhất đã đưa đến giải pháp bể dạng giọt nước

Loại bể này thường được dùng để chứa xăng nhẹ do khả năng chịu được ápsuất cao do khí dư bay hơi và có vòng quay sản phẩm lớn

Bể chứa hình giọt nước được đặt trên hệ giá đỡ, được tổ hợp từ các thanhthép ống Hệ giá đỡ này được đặt trên móng bêtông cốt thép

5. Bể chứa trụ đứng mái dome

Đây là loại bể chứa trụ đứng, mái cầu Trong đó kết cấu mái là hệ thống giàn khônggian được cấu tạo từ các thanh dầm chữ I, liên kết với nhau thông qua hệ thốngbulông và bản đệm, được bao che kín nhờ các panel mái, tất cả hệ thống đều sửdụng loại vật liệu là hợp kim nhôm (aluminum) Ưu điểm chính của hệ kết cấu mái

này là lắp dựng đơn giản, trọng lượng nhẹ do đó giảm được tải trọng tác dụng lênthân bể, móng bể dẫn đến giảm được giá thành xây dựngKết cấu mái Dome là mộtloại kết cấu mái làm từ hợp kim aluminum ngày nay được sử dụng rất nhiều để làm

hệ thống mái cho các bể chứa Người ta dùng nó để thay thế cho các loại mái thépnặng nề Với trọng lượng nhẹ và vượt được nhịp lớn, loại kết cấu này đem lại rấtnhiều lợi ích cho nhà sử dụng Cấu tạo của nó gồm 2 phần chính

• Hệ thống khung đỡ không gian với các nút liên kết đặc biệt Các phần tửthanh được cấu tạo từ dầm chữ I và được liên kết với nhau bằng bulôngthông qua một bản đệm Cấu tạo của hệ thống này như sau

Ghi chú Silicone sealant: chất bịt silicone

Silicone gasket: miếng đệm silicone

• Hệ thống các panel kín được liên kết vững chắc vào các phần tử thanh Hìnhdạng loại mái này như sau

Kết cấu mái này được liên kết và đỡ bởi bể thông qua các khung đỡ đựơc bố trí đềuxung quanh thành bể.

Các tính chất đặc trưng của hệ kết cấu này như sau:

• Bảo dưỡng đơn giản, không cần phá vỡ kết cấu và không cần sơn phủ

• Đảm bảo tính kín nước, kết quả thí nghiệm cho thấy loại mái này loại trừđựơc sự đi vào của nước mưa

• Giảm sự hấp thụ nhiệt bởi tác động bên ngoài do mái cấu tạo từ aluminum làhợp kim có mầu sáng trắng

• Phù hợp với tất cả các loại sản phẩm của bể chứa

• Có trọng lượng nhẹ và vượt nhịp lớn do được chế tạo từ hợp kim aluminum

và thép không gỉ

• Có thể thử và điều chỉnh với những thay đổi nhỏ nhất

• Tuổi thọ của kết cấu mái có thể trên 50 năm

• Đáp ứng được yêu cầu thiết kế cho những bể chứa đặc biệt

• Dễ dàng lắp đặt, có thể lắp đặt trên mặt đất sau đó tiến hành cẩu lắp lên hoặclắp đặt trực tiếp trên bể

• Có thể thiết kế cho tải trọng gió và tuyết lớn

Bể chứa trụ đứng mái dome

Các chi tiết của mái Dome

III. Nhu cầu và tình hình xây dựng các công trình bể chứa ở Việt Nam

Bể chứa bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam vào đầu thể kỷ 20 với mục đích chủyếu nhằm phục vụ cho công cuộc khai phá thuộc địa của thực dân Pháp Sau khi đấtnước độc lập, cùng với sự phát triển của đất nước nhu cầu sử dụng bể chứa cũngtăng theo Bể chứa chủ yếu tập trung và phổ biến ở Hải Phòng, TP Hồ Chí Minh,Cần Thơ, Vũng Tàu và mới đây nhất là khu lọc hóa dầu Dung Quất – QuảngNgãi(do BP làm tổng thầu) Các công trình này đã đáp ứng nhu cầu phục vụ chomục đích dân sự, công nghiệp và quốc phòng – an ninh như bể chứa nước, xăngdầu, khí hóa lỏng

Do hạn chế về mặt kỹ thuật nên các công trình bể chứa được xây dựng ởViệt Nam chủ yếu là dạng trụ đứng, còn các dạng bể chứa khác như bể cầu, bể hìnhgiọt nước còn phải đi mua của nước ngoài.Vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng cáccông nghệ tiên tiến trong thiết kế và thi công các công trình bể chứa là rất quantrọng đặc biệt là trong giai đoạn mới khi nhu cầu sử dụng năng lượng (có xuất phát

từ các sản phẩm dầu khí) của nước ta tăng cao

Dưới đây là một số hình ảnh về các công trình bể chứa tại nhà máy lọc hóadầu Dung Quất :

Toàn cảnh khu bể chứa nhìn từ xa

Khu bể chứa dầu trụ đứng

Khu bể chứa khí hóa lỏng

Thi công bể chứa cầu

Thi công bể chứa trụ đứng

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÂN BỂ

Dung tích thiết kế: 45000 (m 3 )

Số liệu địa chất công trình ( Xem phụ lục 1 )

II Phân tích lựa chọn phương án

Với yêu cầu thiết kế kỹ thuật bể chứa dầu dung tích V = 45.000 (m3) ta đưa

ra các yêu cầu:

- Tiết kiệm vật liệu

- Khả năng thi công

- Phù hợp với diện tích mặt bằng xây dựng

Kích thước tối ưu nhất của bể được lựa chọn theo những tiêu chí: kinh tế,khả năng thi công, khả năng sửa chữa duy tu, lượng dầu thất thoát là nhỏ nhất

1. Tính toán sơ bộ các phương án xây dựng

1.1. Lựa chọn kích thước tối ưu bể chứa

Đặc trưng vật liệu cho thân – đáy bể:

Thép tấm A36M có các đặc trưng sau:

- SMYS = 250 (Mpa), SMTS = 400(Mpa)

- Sd =160(Mpa), St =171(Mpa)

Lựa chọn kích thước tối ưu bể chứa:

Chiều cao tối ưu của bể chứa được tính theo công thức B.S.SuKhop:

n

γγ

∆

=

(2.1)Trong đó:

- Hln là chiều cao tối ưu của bể

- Rkh là cường độ tính toán của đường hàn đối đầu chịu kéo, lấy bằng cường

độ chịu kéo của vật liệu: Rkh = 40000(T/m2)

- ∆ là tổng chiều dày của bản đáy và mái, ∆ = 13(mm) =0.013(m)

- γ1 là tỷ trọng của chất lỏng (dầu) chứa trong bể, γ1 = 0.8(T/m3)

- n1 là hệ số vượt tải: n1 = 1.5

- γ là hệ số điều kiện làm việc

Thay số vào ta được: Hln = 19.75 (m)⇒ các phương án đưa ra có chiều cao

H lựa chọn xung quanh giá trị Hln = 19.75 (m)

Đường kính tương ứng với chiều cao H là:

4*

*

V D

H

π

=

( 2.2 )Trong đó:

- V là thể tích bể chứa

- D là đường kính bể

Lựa chọn kích thước bể phải thỏa mãn điều kiện:

+ Chiều cao không được quá lớn để dễ dàng cho việc chữa cháy khi có sự cốxảy ra

+ Chiều cao không được quá nhỏ vì nếu chiều cao nhỏ thì đường kính D lớn sẽlàm tăng diện tích mặt thoáng của chất lỏng, lượng chất lỏng bốc hơi sẽ lớnlàm giảm độ an toàn của công trình (gây ra áp lực dư lớn) và gây ô nhiễmmôi trường

+ Tổng khối lượng thép của thân bể và đáy bể phải là nhỏ nhất

Ta dự định trước thân bể được hàn từ các tấm thép có kích thước 2x9m vàchiều dày đáy bể là 8mm Ta sẽ tính toán theo các trường hợp sau để lựa chọn ratrường hợp tối ưu nhất :Trong tính toán sơ bộ ta tính chiều dày theo phương pháp1foot (0.3m), phương pháp này chỉ áp dụng cho bể có đường kính nhỏ hơn hoặcbằng 60m(200ft)

Theo phương pháp này thì chiều dày thành bể được tính toán theo công thứcsau:

- H là khoảng cách từ đáy của mỗi tầng đến mặt thoáng chất lỏng (m)

- G là trọng lượng riêng của chất lỏng (gồm 2 trường hợp là chất lỏng thiết kế

và nước thử áp lực ) (m)

- CA là chiều dày ăn mòn cho phép lấy bằng 2mm (theo API650[1])

- Sd, St là ứng suất cho phép trong điều kiện thiết kế và trong điều kiện thử áplực (Mpa)

Kết quả tính toán như sau:

1. Phương án 1: H = 22(m), D = 52 (m).

Bảng II.1 Khối lương thép phương án 1.

2. Kết luận phương án chọn

Từ những tính toán như trên nhận thấy trường hợp 3 (H =18 m, D = 57m) cótổng khối lượng thép là nhỏ nhất tuy nhiên chiều cao H = 18(m) xa giá trị chiều caolợi nhất của bể Hln = 19.75(m), đường kính D là tương đối lớn ứng với tăng diệntích mặt thoáng của chất lỏng và chất lỏng bốc hơi lớn làm tăng áp suất dư gâynguy hiểm và thiệt hại kinh tế Vậy ta chọn kích thước bể theo phương án 2

H = 20 (m)

D = 54 (m)

V = 45000(m3)

3. Tính toán kết cấu thân bể

3.1. Tính toán chiều dày thân bể (theo API650)

Chiều dày thân bể được lấy theo giá trị chiều dày trong điều kiện thiết kế(design shell thickness), có kể đến ăn mòn(corrosion allowance) và chiều dày trongđiều kiện kiểm tra áp lực(hydrostatic test shell thickness) nhưng không được nhỏhơn một giá trị chiều dày nhất định tùy thuộc vào đường kính của bể theo mục3.6.1.1 (API 650 – [1]):

API 650 đưa ra hai phương pháp tính toán chiều dày thân bể:

- Phương pháp 1foot (1foot method) đã được trình bày trong phần lựa chọnphương án và tính toán sơ bộ chiều dày thành bể

- Phương pháp điểm thiết kế biến thiên (variable design point method) tínhtoán chính xác hơn bề dày thành bể, được trình bày như sau:

3.2. Phương pháp điểm thiết kế biến thiên

Phương pháp điểm thiết kế biến thiên (Varible design point method) làphương pháp tính lặp bề dày thành bể tại điểm thiết kế căn cứ vào bề dày thành bể

đầu tiên của tầng tôn sát đáy, với bề dày của tầng tôn sát đáy được tính theophương pháp 1foot.

Phương pháp này thường được áp dụng để tính toán đối với bể trụ đứng lớn

và cực lớn có đường kính lớn hơn 200 feet

Số tầng tôn của bể được xác định theo công thức sau:

20 10 2

Ht n Hi

( 2.5 )Trong đó:

- Ht là chiều cao bể (m)

- Hi là chiều cao của mỗi tầng tôn (m)

Phương pháp này được sử dụng khi điều kiện sau thỏa mãn:

1000 6

L

H ≤

( 2.6 )Trong đó:

- L = (500Dt)0,5

- D là đường kính bể (m)

- t là chiều dày tầng đáy(mm)

- H là mực chất lỏng thiết kế lớn nhất (m)

• Chiều dày tầng đáy

Chiều dày tầng đáy được xác định theo công thức:

- Trong điều kiện thiết kế:

• Chiều dày tầng thứ 2(t2)

Chiều dày tầng thứ 2 được xác định qua kiểm tra tỷ số:

1 0,5 1( * )

h n

R t

=

( 2.9 )Trong đó:

- h1 là chiều cao tầng đáy (m)

TL là chiều dày của tầng thấp hơn

Tu là chiều dày sơ bộ của tầng 2 thay đổi theo các lần lặp:

- lần 1: tu được tính theo phương pháp 1foot

- lần 2: tu = t1x

- lần 3: tu = t2x

Tính toán bề dày nhỏ nhất (tx) của lớp vỏ phía trên theo điều kiện kiểm tra vàthử áp lực theo công thức sau:

- Trong điều kiện kiểm tra:

S

−

=

( 2.17 )Bằng cách tính lặp như trên ta có kết quả tính toán chiều dày thành bể nhưsau :

Bảng II 4 Chiều dày các phân đoạn bể.

4. Tính toán kết cấu đáy bể

4.1. Cấu tạo đáy bể

Đáy bể tựa trên nền cát và chịu áp lực chất lỏng Ứng suất tính toán trongđáy không đáng kể nên chiều dày của tấm đáy được chọn theo các yêu cầu của cấutạo khi hàn và chống ăn mòn

Phần chính của đáy (khu giữa ), gồm các tấm thép có kích thước lấy theo cáctấm thép định hình (2 x 9 m )

Phần viền ngoài (vành khăn) cần được tính toán cụ thể theo tiêu chuẩnAPI650[1]

Đường kính đáy phải lớn hơn đường kính bể tối thiểu là 100 mm

4.2. Tính toán chiều dày đáy bể

Theo API 650[1] (phần 3.4.1) chiều dày tối thiểu của đáy bể chưa kể ăn mòn

là 6 mm.Vậy chiều dày của đáy bể là :

Tb = 6+CA = 6+2 =8 (mm)

Chọn tb =8 (mm)

4.3. Tính toán tấm vành khăn (annular bottom plate)

4.3.1. Tính toán chiều dày tấm vành khăn.

Theo bảng 3.1 của tiêu chuẩn API 650[1] với bể có đường kính bể 50 m, áplực thiết kế cho phép ≤ 190 MPa, chiều dày tấm thành bể lớn nhất là 26 mm Chiềudày tối thiểu của tấm vành khăn là: tba = 6 + CA = 6 + 2 = 8 mm(CA là chiều dàychống ăn mòn của tấm vành khăn ở đáy: 2 mm)

Chọn chiều dày của tấm vành khăn là: 10 mm

4.3.2. Tính toán chiều rộng của tấm vành khăn

Theo mục 3.5.2 của tiêu chuẩn API 650[1]

Khoảng cách giữa thành trong của bể và mối hàn chồng ≥ 600mm

Tấm vành khăn phải nhô ra khỏi ít nhất là 100 mm

Trong trường hợp độ rộng của tấm vành khăn lớn hơn yêu cầu thì tính toántheo công thức sau:

0,5

215( * )

ba

t

H G ( 2.18 )

Trong đó:

- tba là chiều dày của tấm vành khăn

- H là chiều cao lớn nhất của mực chất lỏng chứa trong bể

5. Tính toán vành gia cường chống gió

Vành chống gió có tác dụng làm giảm chiều cao tính toán của thành bể, giúpcho bể ổn định, không bị biến dạng dẻo, tính toán thiết kế vành chống gió dựa trênviệc so sánh giữa chiều cao ổn định của thành bể và chiều cao quy đổi của thành bểtheo mục 3.9.7 Tiêu chuẩn API 650[1].

• Chiều cao ổn định của thân bể

Chiều cao lớn nhất của thành bể không bị biến dạng dẻo được tính theo công thứcsau:

- H1 là khoảng cách theo phương đứng giữa vành chống trung gian với thépgóc ở đỉnh bể hay là khoảng cách lớn nhất không cần gia cường

W W* ( orm)

tr

actual

t t

=

( 2.20 )Trong đó:

- Wtr là chiều cao quy đổi của thành bể

- W là chiều cao thực tế của thành bể

- tuniform là bề dày tầng tôn trên cùng

- tactual là bề dày thực tế của thành bể

Thay số vào ta có kết quả như sau:

Bảng II 5 Chiều cao quy đổi thân bể.

Tính toán chiều cao quy đổi

Chiều cao ổn định quy đổi thân bể: Hqd = ΣWtr = 17.43 (m)

Nhận xét: Hqd = 17.42 > 11.9 = H1 ⇒suy ra cần phải đặt vành gia cường, và chỉcần thiết kế một vành chống gió

• Vị trí của vành chống gió trung gian:

• Chiều cao chuyển đổi của đoạn thân bể từ vành chống gió trung gian đếnđỉnh bể và đến đáy bể phải nhỏ hơn chiều cao ổn định H1

• Không được đặt nằm trong phạm vi 150 mm của đường hàn vòng Khi tínhtoán sơ bộ vành chống gió đặt trong phạm vi 150 mm của đường hàn thì nóphải được đặt ở dưới

Từ các điều kiện trên ta chọn được vị trí đặt vành chống gió trung gian: nằmgiữa tầng thứ 8 cách đáy của tầng 9 là 1000 mm

• Tính toán tiết diện vành chống gió

Theo API650(3.9.7.6) moment kháng uốn của vành chống gió trung gianđược tính theo công thức :

2 1

*17

D H

z=

( 2.20 )Trong đó:

- D là đường kính thiết kế bể (m)

- Z momen chống uốn yêu cầu nhỏ nhất (cm3)

Do đặc điểm kết cấu mái chỉ có tác dụng che nắng che mưa, tải trọng tácdụng chủ yếu lên mái là tải trọng gió, tải trọng bản thân và hoạt tải sửa chữa nên talựa chọn kết cấu mái là mái nón có cột trung tâm đỡ mái.

Kết cấu đỡ mái là các hệ thống dàn vì kèo hướng tâm và các dàn vì kèo đượcliên kết với nhau ngoài mặt phẳng bằng hệ thống các xà gồ vòng

1.2. Đặc điểm

Do các tấm lợp của mái bể là các tấm thép hình có bề dầy 2 mm, và yêu cầu

sử dụng trên mái ít Cần đảm bảo độ thoát nước an toàn trong quá trình sử dụng

Nhịp của dàn vì kèo khá lớn, độ dốc nhỏ, chiều cao của dàn bị hạn chế

1.3. Xác định các kích thước cơ bản của mái

Theo TCVN chiều cao dàn phụ thuộc vào nhịp và độ dốc mái, ngoài ra nócòn phụ thuộc vào các điều kiện riêng biệt cụ thể của mái

Với dàn có độ dốc i = 100 và nhịp dàn là L = 26 m Ta chọn chiều cao dàntheo yêu cầu và điều kiện cụ thể h = 1.5 m

Hệ thanh bụng của dàn được bố trí để các nút trùng với các vị trí đặt tải, là vịtrí liên kết giữa dàn và xà gồ Góc nghiêng hợp lý của các thanh bụng vào khoảng

300 – 550 Có thể dùng hệ thanh bụng tam giác và có thể là thanh đứng, thanh xiên ,hoặc kết hợp giữa các hệ thanh Khoảng cách giữa các nút phụ thuộc vào tấm lợp

Mái dạng hình nón, có góc hợp với mặt ngang bể là: i = 100, độ dốc của mái

bể được lựa chọn sao cho phù hợp với điều kiện đảm bảo độ thoát nước tốt, và saocho tải trọng ngang tác dụng lên thành bể là nhỏ nhất

Liên kết hai đầu dàn: một đầu dàn được liên kết cứng với đầu cột, coi như làliên kết ngàm, còn một đầu, một nửa thanh đứng đầu dàn được liên kết vào thành

bể Và các tấm mái cũng được hàn kín với thành bể

1.4. Tải trọng tác dụng lên mái

Trọng lượng tấm mái, với chiều dầy tấm mái là t = 2 mm, vậy trọng lượngtấm mái trên một mét vuông là :

Pm = 78 x 1 x 1 x 0.002 = 0.156 (kN/m2)

Trọng lượng lớp cách nhiệt: Pcn = 0.05 (kN/m2)

Hoạt tải trên mái (theo TCVN 2737, mái không sử dụng, không có người đilại) là: Pht = 0.75 (kN/m2

Tải trọng gió: tính toán theo tiêu chuẩn: TCVN 2737- 1995[2] Do độ dốc

mái rất nhỏ nên tải trọng gió tác dụng lên mái là gió hút

Áp lực gió xác định như sau: W = W0kγc

Trong đó:

- W0 :áp lực gió,dựa vào vị trí xây dựng là Đình Vũ thuộc thành phố HảiPhòng(IV.B) ta tra phụ lục E[2] và bảng 4[2] suy ra: W0 =155 (daN/m2)

- K: Hệ số kể tới sự thay đổi gió theo độ cao

Bảng III.1 Hệ số k(z) theo độ cao và dạng địa hình.

- γ : Hệ số độ tin cậy của P, lấy γ= 1.2

- c :Hệ số khí động của gió với mái bể

Tra trong bảng chỉ dẫn xác định hệ số khí động sơ đồ 33 ta được:

Tính toán tải trọng gió lên phần thân và mái bể:

+ Phần thân bể: ce1 = 0.56

P = 155x1.11x1.2x0.45 = 92.907 (daN/m2) = 0.929 (kN/m2)

+ Phần mái bể: ce2 = - 0.61

+ Ta có bảng tải trọng gió tác dụng lên mái bể như sau:

Bảng III 2 Tải trọng gió tác dụng lên mái bể.

21.50 1.14 -0.61 1.55 -1.08 5.29 1.74 1.74 -0.99

21.82 1.15 -0.61 1.55 -1.08 4.95 1.74 1.74 -0.9322.14 1.15 -0.61 1.55 -1.08 4.61 1.74 1.74 -0.8722.47 1.15 -0.61 1.55 -1.09 4.27 1.74 1.74 -0.8122.79 1.16 -0.61 1.55 -1.09 3.93 1.74 1.74 -0.7423.11 1.16 -0.61 1.55 -1.09 3.59 1.74 1.74 -0.6823.43 1.16 -0.61 1.55 -1.09 3.25 1.74 1.74 -0.6223.76 1.16 -0.61 1.55 -1.10 2.91 1.74 1.74 -0.5624.08 1.17 -0.61 1.55 -1.10 2.57 1.74 1.74 -0.4924.40 1.17 -0.61 1.55 -1.10 4.43 1.74 1.74 -0.8524.72 1.17 -0.61 1.55 -1.10 3.75 1.74 1.74 -0.7225.04 1.18 -0.61 1.55 -1.11 3.07 1.74 1.74 -0.5925.37 1.18 -0.61 1.55 -1.11 2.39 1.74 1.74 -0.4625.69 1.18 -0.61 1.55 -1.11 1.71 1.74 1.74 -0.3326.01 1.18 -0.61 1.55 -1.12 1.03 1.74 1.74 -0.2026.33 1.19 -0.61 1.55 -1.12 0.18 1.74 1.74 -0.04

Tổ hợp tải trọng tác dụng lên mái:

Bảng III 3 Tổ hợp các tải trọng tác dụng lên mái bể.

Xà gồ là cấu kiện chịu uốn xiên có ta dùng thép hình cán sẵn có dạng chữnhật hoặc hình chữ C, chữ I

Nhịp của xà gồ là các bước dàn Do đặc điển của mái tròn là các dàn hướngtâm vì vậy các nhịp của xà gồ thay đổi Ta chọn xà gồ ngoài cùng có nhịp lớn nhất

để tính toán

Để tiết kiệm vật liệu và giảm tải trọng tác dụng lên mái ta thiết kế tiết diện

xà gồ thay đổi theo nhịp của xà gồ Nhưng vẫn giữ nguyên chiều cao của xà gồ đểđảm bảo độ phẳng của mái

Chọn tiết diện xà gồ có mặt cắt ngang là chữ C rỗng

- α: góc nghiêng mặt mái so với phương ngang

Các thành phần tác dụng lên xà gồ như sau

M y = y

ứng suất lớn nhất do tác dụng đồng thời của hai mômen Mx, My Trong haimặt phẳng được kiểm tra theo công thức sau

R W

M W

M

y

y ü

x y

σ

Độ võng của xà gồ :

= 5.ql 4 /384EI

Độ võng cho phép của xà gồ là 1/150L

2 2

y

x f f

Trọng lượng bản thân g = 0.122 kN/mTải trọng tác dụng lên xà gồ : q = 3.96 kN/mCác thành phần tải trọng : qx = 0.68 kN/m

qy = 3.90 kN/m

My = 14.23 kNmMômen kháng uốn Wx = 70200 mm3

Kiểm tra

Kết quả tính toán ta chọn được thép hình chữ [14 có kích thước cơ bản sau đây:

Có các đặc trưng tiết diện sau đây :

Diện tích tiết diện : F = 15.6 cm2

Mômen quán tính với trục trung hoà : Jx = 491 cm4

Mômen chống uốn với trục trung hoà : Wx = 70.2 cm3

Bán kính quán tính với trục trung hoà : rx = 5.6 cm

Mômen quán tính với trục y – y : Jy = 45.4 cm4

Mômen chống uốn với trục y - y : Wy = 11 cm3

Bán kính quán tính với trục trung hoà : ry = 1.7 cm

1.5.2. Tính toán thiết kế dàn vì kèo

• Sơ đồ tính dàn vì kèo VK1

• Tải trọng tác dụng lên dàn vì kèo.

Tải trọng tác dụng lên dàn là những lực tập trung tác dụng tại các nút dàngồm

Tải trọng thường xuyên gồm có trọng lượng các tấm mái, trọng lượng kếtcấu mái Trị số các tải trọng này được xác định như sau

Tải trọng gió: là gió hút(bốc) xác định như trên, trường hợp gây nguy hiểm

là khi mái chỉ chịu tải trọng gió

Hoạt tải lấy như trên

- df : Khoảng cách nút dàn bên phải

- dt : Khoảng cách nút dàn bên trái

- qtc: Tải trọng tiêu chuẩn phân bố trên đơn vị diện tích mặt bằng (nếu phân bốtrên đơn vị diện tích mái dốc thì phải chia cho cosα; α là góc nghiêng củamái);

Khi tính Pi cần phải tính riêng rẽ cho tải trọng thường xuyên (trọnglượng các kết cấu thuộc phạm vi mái như: tấm lợp, lớp cách nhiệt, xà gồ) vàcác tải trọng tạm thời như sửa chữa mái, gió như sau:

Bảng III 4 Tải trọng tại các nút mái.

Ta chọn sơ bộ các dàn vì kèo như sau:

Bảng III 4 Tiết diện các cấu kiện mái.

Sơđồtảitrọngt

ểu

đồ nộilưctácdụ

ng lênmá

i bể

Bảng III 4 Kiểm tra ứng suất các thanh dàn.

l x = l y = l

Đối với các thanh chịu nén:

Diện tích cần thiết của tiết diện thanh cần thiết tính theo công thức sau

- N: Nội lực trong các thanh

- R: Cường độ tính toán của thép

- γ: Hệ số điều kiện làm việc

- ϕ: Hệ số uốn dọc tra bảng D.8 - [3] phụ thuộc vào độ mảnh

Kiểm tra ứng suất của các thanh chịu nén theo công thức

γ

ϕ A R

N c

≤min

Kiểm tra độ mảnh cho phép

Đối với các thanh chịu kéo

Diện tích cần thiết của tiết diện thanh cần thiết tính theo công thức sau

N: Nội lực trong các thanh

R: Cường độ tính toán của thép

γ: Hệ số điều kiện làm việc Kiểm tra ứng suất của các thanh chịu nén theo công thức

R A

N c

≤Kiểm tra độ mảnh cho phép

Các thanh dàn ghép bởi hai thép góc phải có miếng đệm giữa hai thép góc.Đồng thời mỗi một thanh giữa 2 nút không được cho các thanh di chuyển ra ngoàimặt phẳng của dàn

Các thanh liên kết vào bản mã bằng đường hàn góc cạnh, chiều dài cácđường hàn không được nhỏ hơn 40mm Chiều cao tiết diện các đường hàn khôngnhỏ hơn 4mm Với thanh bụng các đường hàn nên kéo trùm sang bên đầu nút thanh20mm Khoảng hở giữa thanh bụng và thanh cánh ở nút dàn hàn có bản mã khôngnhỏ hơn 20mm và không lớn hơn 80 mm

1.5.3. Thiết kế cột trung tâm đỡ dàn vì kèo

• Xác định các loại tải trọng tác dụng lên cột:

Tải trọng tác dụng lên đầu cột bao gồm các tải trọng do các đầu dàn vì kèotác dụng lên, tải trọng cầu thang và tải trọng các thiết bị có trên mái bể

- Tải trọng các đầu dàn : N = 59.23 x 16 = 947.68 kN

- Tải trọng các thiết bị trên nóc bể : N = 160 kN

- Tải trọng kết cấu đỡ đầu dàn : N = 15 kN

- L0 chiều dài tính toán của cột

- µ: bằng 0.5 nếu hai đầu là ngàm và bằng 0.7 nếu đầu ngàm đầu khớp