Đồ án môn học kết cấu bê tông cốt thép: Thiết kế cầu máng bê tông cốt thép

Đồ án môn học kết cấu bê tông cốt thép: Thiết kế cầu máng bê tông cốt thép trình bày các nội dung chính: tài liệu thiết kế, số liệu chung, số liệu riêng, thiết kế các bộ phận cầu máng, thiết kế lề người đi, vách máng, đáy máng, dầm đỡ giữa. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên ngành Xây dựng.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP THIẾT KẾ CẦU MÁNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

A TÀI LIỆU THIẾT KẾ.

Mác bêtông

Nhóm thép Số nhịp

1

2 3

Dung trọng bê tông: γb = 25 kN/m 3 Bề rộng vết nứt giới hạn: a ngh = 0,24 mm

Độ võng cho phép: [f/l] = 1/500 Tải trọng người đi:q ng =200 kG/m 2 = 2 kN/m 2

Từ các số liệu đã cho , tra phụ lục giáo trình Kết cấu Bê tông cốt thép- ĐH Thủy Lợi ta có:

Kn=1,15; Rn= 90 daN/cm2; Rk=7.5 daN/cm2 ; Rkc = 11.5daN/cm2 ;Rnc = 115 daN/cm2; mb= 1; mb4=0,9; ma=1,1; Ra = R’

1 Xác định sơ đồ tính toán của các bộ phận kết cấu:

Cầu máng là kết cấu không gian có kích thước mặt cắt ngang và tải trọng không thay đổi dọc theo chiều dòng chảy Do vậy, đối với các bộ phận : lề đi, vách máng, đáy máng ta cắt 1m chiều dài theo chiều dòng chảy và tính toán theo bài toán phẳng Đối với dầm đỡ,

sơ đồ tính toán là dầm liên tục nhiều nhịp

3 Xác định biểu đồ nội lực bằng phương pháp tra bảng hoặc sử dụng phần mềm tính kết cấu

khe nứt, nếu bị nứt ta tiếp tục tính bề rộng khe nứt và so sánh đảm bảo yêu cầu an < angh , nếu an >angh , đưa ra giải pháp khắc phục.

6 Tính đọ võng toàn phần f và so sánh đảm bảo f/l < [f/l] Nếu f/l >[f/l] thì đưa ra giải pháp khắc phục

I LỀ NGƯỜI ĐI.

1.1 Sơ dồ tính toán

Cắt 1m dài lề người đi theo chiều dọc máng ( chiều dòng chảy ), coi lề người đi như một dầm công xôn ngàm tại đầu vách máng Chọn bề rộng lề là 1m Chiều dày lề thay đổi dần8÷12cm

Hình 1.2 – Biểu đồ nội lực lề người đi.

b

c

n

h

0 n

b

R

m

.h.b

R

= 1.90.100.8.0, 0331,1.2700 = 0.79 cm2 > µminbh0 = 0,001.100.8 = 0,8 cm2.Chọn và bố trí cốt thép chịu lực : 5ϕ8/1m ( 2,51 cm2) theo phương vuông góc với phươngdòng chảy

Chọn và bố trí cốt thép cấu tạo vuông góc với cốt thép chịu lực :4ϕ8/1m (2,01 cm2)

a=250

φ 8

Hình 1.3 – Bố trí thép lề người đi.

II Vách máng

2.1 Sơ đồ tính toán

Cắt 1m dài vách máng dọc theo chiều

dài máng, vách máng được tính toán

như một dầm công xôn ngàm tại đáy

máng và dầm dọc

Chiều cao vách:

Hv = Hmax + δ = 1,9 + 0,5 = 2,4 m

δ - độ vượt cao an toàn , lấy δ = 0,5 m

Bề dày thay đổi dần :

- Mô men trung do người đi trên lề truyền xuống: M ng

- Mô men do trọng lượng bản thân lề đi: M bt

- Áp lực nước tương ứng vơi Hmax: q n

- Áp lực gió ( gồm gió đẩy và gió hút ): q gđ và q gh

Các tải trọng này gây nên 2 trường hợp: Căng trong và căng ngoài vách máng.

a Trường hợp căng ngoài nguy hiểm nhất bao gồm các tải trọng : M bt , q gđ (gió đẩy, trong máng không có nước và không có người đi trên lê).

M

2 max

c max n c

6 = 14,861 kNm; Mn=

6

H

max max

TH căng ngoài TH căng trong

Hình 2.2 – Tải trọng tác dụng lên vách máng 2.3 Xác định nội lực.

a Trường hợp căng ngoài.

kNm M

3,594

0,84

bt gd

2,995 kN Q

0 kN Q

+

Hình 2.3 – Nội lực vách máng trong trường hợp căng ngoài.

Nội lực tại mặt cắt nguy hiểm nhất (mặt cắt ngàm )

M1 = Mgđ + Mbt = 3,594 - 0,84 = 2,754 kNm

M1c = Mgđc+ Mbtc = 2,765 – 0,8 = 1,965 kNm

M = Mbt + Mgđ = 3,594 – 0,84 = 2,754 kNm

Q1 = Qbt + Qgđ = 0 + 2,995 = 2,995 kN

b Trường hợp căng trong

Nội lực tại mặt cắt nguy hiểm nhất ( mặt cắt ngàm )

kNm

0,84 M

1,248 kN Q

Hình 2.4 – Nội lực vách máng trong trường hợp căng trong.

c n

h.b.R.m

M.n.k

0 n

c n

h.b.R.m

M.n.k

1,15.1.191650

A = 0,076 < A0 = 0,42 → Tính cốt đơn, α = 1 - 1−2A= 1 - 1 2.0,076− = 0,079

Fa =

a a

0 n b

R.m

.h.b.R

c Bố trí cốt thép.

Lớp trong: 5φ12/1m; Lớp ngoài: 5φ8/1m

Dọc theo phương dòng chảy bố trí lớp thép cấu tạo 4φ8/1m

φ 12 a=200

Hình 2.5 – Bố trí thép vách máng

2.5 Kiểm tra nứt

Kiểm tra cho trường hợp căng trong: M2c = 18,375 kNm

Điều kiện để cấu kiện không bị nứt: nc.Mc≤ Mn = γ1.Rkc.Wqđ

J

−

xn =

)'FF(nh

b

'a.'F.nh.F.n2

h

b

a a

a 0

a 2

++

++

=

2

100.20

10.5,65.18 10.2,51.22

2 n 0 a

3 n

3

n n.F (h x ) n.F' (x a')

3

)xh.(

b3

E

σ

− σ

.7.(4 - 100 µ) d

an2 = k.c2.η

a

0 2

E

σ

− σ

.7.(4 - 100 µ) d

k – hệ số lấy bằng 1 với cấu kiện chịu uốn

c – hệ số xét đến tính chất tác dụng của tải trọng, lấy bằng 1 với tải trọng ngắn hạn, bằng 1,3 với tải trọng dài hạn

Sơ bộ chọn kích thước đáy máng như sau

Chiều dày bản đáy : hđ = 25 cm

Hình 3.1 – Sơ đồ tính toán đáy máng.

3.2 Tải trọng tác dụng.

Do điều kiện làm việc cảu đáy máng, tổ hợp tải trọng cơ bản tác dụng lên đáy máng bao gồm các tải trọng sau :

1 Tải trọng bản thân đáy máng :

nmax = 14,861 kNm; Mnmax = 14,861 kNm đã tính ở phần thiết kế vách máng

4 Áp lực nước ứng với mực nước cột nước nguy hiểm Hngh:

Cột nước nguy hiểm Hngh là cột nước gây momen uốn lớn nhất tại mặt cắt trên gối giữa

ngh n

a Nội lực do tải trọng bản thân đáy máng và tải trọng do trọng lượng bản thân lề người

đi truyền xuống (q đ , M bt ):

CKBTCT)

q = 6,563 kN/md

1,95 0,84

kNm M

-6,23

6,23+

4,925

-b Nội lực do áp lực nước ứng với cột nước Hmax (q nmax , M nmax ):

( M g tra bảng 18 trang 167 giáo trình KCBTCT, β tra bảng 21 trang 179 giáo trình

KCBTCT).

q = 24,7 kN/mnmax

M

13,13 0,746

14,861

0,746

28,86-

+13,13

c Nội lực do áp lực nước ứng với cột nước nguy hiểm Hngh (q ngh , M ngh ):

KCBTCT).

13,28 13,29

-+

M = 0,768 kNmng0,768

-0,213

M = 2,696 kNm

Q kN

2,696 kNmM

gh

M = 3,594 kNmgd

1,4542,25

g Nội lực do áp lực gió thổi từ phải sang trái (M gđ , M gh ):

+ +

M = 3,594 kNmgd0,213

Các trường hợp tải trọng gây ra nội lực bất lợi nhất tại ba mặt cắt cần tính toán bao gồm:

1 TH tải trọng gây mômen căng trên lớn nhất tại mặt cắt sát vách :

Dẫn nước trong máng với chiều cao Hmax có người đi trên lề bên trái hoặc cả 2 bên và có gió thổi từ phải qua trái

M1 = Ma + Mb + Md + Mg = 0,84 + 14,861 + 0,768 + 2,969= 19,438 kNm

2 TH tải trọng gây mômen căng dưới lớn nhất tại mặt cắt giữa nhịp:

Dẫn nước trong máng với chiều cao Hngh có người đi trên lề bên phải và có gió thổi từ tráisang phải

M2 = Ma + Mc + Me + Mf = 0,975 + 1,88 + 0,096 + 1,691 = 4,642 kNm

3 TH tải trọng gây mômen căng trên lớn nhất tại mặt cắt trên gối giữa:

Dẫn nước trong máng với chiều cao Hngh không có người đi trên lề và có gió thổi từ phải qua trái và ngược lại

M3 = Ma + Mc + Mf ( hoặc Mg) = 1,95 + 3,765 + 0,213 = 5,928 kNm

3.4 Tính toán và bố trí cốt thép đáy máng.

a Tính toán cốt dọc chịu lực:

1 Trường hợp gây mômen căng trên lớn nhất M1 tại mặt cắt sát vách:

Tính toán như cấu kiện chịu uốn, tiết diện chữ nhật : b = 100cm, h = 25cm Chọn a = 3cm, h0 = h – a = 22cm

2 0

2 Trường hợp gây căng dưới lớn nhất M2 tại mặt cắt giữa nhịp:

Tính toán như cấu kiện chịu uốn tiết diện chữa nhật: b = 100cm, h = 25cm Chọn a = 3cm, h0 = h – a = 22cm

3 Trường hợp gây mômen căng trên lớn nhất

Tính toán như cấu kiện chịu uốn tiết diện chữ nhật: b = 100cm, h = 25cm Chọn a = 3cm,

Kiểm tra nứt tại 2 mặt cắt : mặt cắt sát vách và giữa nhịp.

Điều kiện để cấu kiện không bị nứt : nc.Mc≤ Mn = γ1.Rkc.Wqđ

75,825.100

3.93,3.75,822.65,5.75,82

25.100)

'FF(n

h

b

'a.'F.nh.F

a 0

a 2

=+

+

+

+

=+

+

++

n a

2 n 0 a

3 n

3

n n.F (h x ) n.F' (x a')

3

)xh.(

−+

−+

= 3 3 8,75.5,65(22 12,6)2 8,75.3,93.(12,6 3)2

3

)6,1225.(

1003

3.65,5.75,822.39,3.75,82

25.100)

'FF(nh

b

'a.'F.nh.F.n2

h

a a

a 0

a 2

++

+

+

=+

+

++

= 12,4 cm

n a

2 n 0 a

3 n

3

n n.F(h x ) n.F' (x a')

3

)xh.(

b3

1003

4,12

Sơ đồ tính toán dầm đỡ giữa

Chiều dài nhịp lnhịp = L/n = 26/6 = 4,33 m

Chọn kích thước dầm:

- Chiều cao dầm: hd = 80 cm

- Bề rộng sườn : b = 30 cm.

- Bề rộng cánh: B/2 = 3,3/2 = 1,65 m = 165 cm

B B/2

4,3 m 4,3 m

4.3 Xác định nội lực

Tra phụ lục 18 trang giáo trình Kết Cấu BTCT – ĐH Thuỷ Lợi, ta vẽ được biểu đồ nội lực M, Q của dầm đỡ giữa như sau:

kN Q

110,82

34,63

84,1

48,52 81,99

96,85

148,15

128,815

115,94 122.38

Chọn và bố trí thép chịu lực 4φ16/1m (8,04 cm2) theo chiều máng dọc

2, trường hợp căng dưới lớn nhất tại mặt cắt giữa nhịp : (tại mặt cắt có x/l = 0,4)

kn.nc.M < Mc→ trục trung hoà đi qua cánh

Tính toán tương tự như đối với tiết diện chữ nhật b'cxh = 160x80 cm

0,0091,15.90.160.76

Fa > μminbh0 = 0,001.30.76 = 2,28 cm2 (chọn bố trí thép trong bề rộng b = 30 cm).Chọn và bố trí thép chịu lực 3φ14/1m (4,62 cm2) theo chiều dọc máng.

Tính toán cốt đai không cốt xiên

Chọn đường kính cốt đai d = 8mm → Diện tích một nhánh đai fd = 0,503cm2

2 0 k 4

)Q.n.k(

h.b.R.m

2

8.0,9.7,5.30.761,1.2150.2.0,503

= 95,17 daN/cm

Qdb = 2,8.76 0,9.7,5.30.95,17 =29541,61daN

kn.nc.Q = 1,15.1.14815 = 17637.3 daN < Qdb Không cần đặt cốt xiên

c Bố trí cốt thép dầm (hình 3.2)

4.5 Kiểm tra nứt và tính bề rộng khe nứt.

Kiểm tra nứt tại 2 mặt cắt có mômen căng trên và căng dưới lớn nhất

Điều kiện để dầm không bị nứt tại các tiết diện trên: nc.Mc≤ Mn = γ1.Rkc.Wq®.

a Trường hợp căng dưới: Mc

max = 0,0779.qc.l2 = 0,0779.55,198.4,32 = 79,51 kNm Tiết diện chữ T cánh nén: b = 30 cm, h = 80 cm, b’c = 160 cm, h’c = 25 cm,

a = a’ = 4 cm, h0 = 76 cm, Fa = 4,62 cm2, F'a= 8,04 cm2; γ1= mh.γ = 1.1,75 = 1,75

(b b).h n.(Fa Fa')

h.b

'aFa.nh.Fa.n2

h.bb2

h

b

' c

' c

0

2 ' c '

c 2

++

−+

++

−+

2 n 0 a

3 n

3 n c c

3 n

3

)xh(b3

)x'h)(

b'b(3

x.'

b Trường hợp căng trên: Mc

max= 0,1053.qc.l2 = 0,1053.55,198.4,32 = 107,47 kNm Tiết diện chữ T cánh kéo: b = 30 cm, h = 80 cm, bc= 160 cm, hc= 25cm,

a = a' = 4 cm, h0 = 76 cm, Fa = 8,04 cm2, F'a= 4,62 cm2; γ1= mh.γ = 1.1,75 = 1,75

h.b

'aFa.nh.Fa.n2

hh.h.bb2

h

b

c c

0

c c

c 2

++

−+

++

Hình 4.6 – Kiểm tra nứt trường hợp căng trên.

n a

2 n 0 a

3 n c

3 n c c

3

3

)xh(b3

)hxh)(

bb(3

x

b

−+

−+

−+

−+

−+

a.F Z h xE

ψ

−.Trong đó chiều cao vùng nén trung bình x được tính theo quan hệ :

7,0

)TL(518,1

1

µ

+++

b

'Fa

nh

10.0,002.8,75

4h

'a

25)

30160(h

425,1)2

'1('

Tính cánh tay đòn nội ngẫu lực Z1 theo công thức kinh nghiệm

Z1 = (γ+ξ)

ξ+

γ

δ

−

''

2

0,33.1, 425 0,0231

P = 1k

p

k 0 129,9

Hình 4.7 – Biểu đồ mômen cuối cùng và biểu đồ mômen trên hệ cơ bản.

Dùng phương pháp nhân biểu đồ Vêrêshagin, ta tính được độ võng tại mặt cắt giữa nhịp biên: