Theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” tải trọng phân bố q do tàu dang neo đậu ở bến tựa lên công trình dưới tác động của gió, dòng chảy và sóng được xác định theo công thức
0 0
109,11 153, 29
56, 43
.sin .cos .sin .cos 3.sin 30 .cos 20
tot Q N Q S n n � � 35
( 3 - 11 )
Trong đó: q - Lực tựa tàu
Qtot - Lực ngang do tác dụng tổng hợp của gió, dòng chảy và sóng: Qtot = 48 (T) ld - Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa tàu và công trình: ld = min(l,L)
L - Chiều dài bến: L = 90 (m)
l - Chiều dài đoạn thẳng thành tàu được xác định theo công thức
l = a.Lt ( 3 - 12 )
a - Hệ số xác định theo Bảng 3, phụ lục 3 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có a = 0,4
Lt - Chiều dài tàu tính toán: Lt = 80 (m)
l = a.Lt = 0,4.80 = 32 (m) ld = min(l,L) = min( 32;79,8 ) = 32 (m) Như vậy ta có 48 1,1. 1,1. 1,65 32 tot d Q q l (T) 3.2.3. Tải trọng va tàu
Tải trọng va tàu tác dụng lên công trình phụ thuộc vào trọng tải tàu tính toán, vận tốc lớn nhất khi cập tàu. Bên cạnh đó còn phụ thuộc vào loại đệm va
3.2.3.1. Năng lượng va tàu
Động năng va của tàu được xác định theo công thức
( 3 - 9 )
Trong đó:
E – Năng lượng cập tàu ( T.m )
W - Tải trọng di chuyển của tàu, W = 3696 (T)
V - Vận tốc cập tàu, với tàu có trọng tải 3.000DWT thì V = 0,15 (m/s) g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2 )
C - Hệ số cập bến được xác địng theo công thức
C = Cm.Ce.Cc.Cs
Cm - Hệ số kể đến khối lượng tăng thêm, xác định theo công thức
T - Mớn nước của tàu, T = 5,5m B - Chiều rộng tàu, B = 10m
Cb - Hệ số hình dạng bến, xác định theo công thức
L - Chiều dài tàu, L = 80m
w0 - Khối lượng riêng của nước, w0 = 1,025 (T/m3 )
Ce - Hệ số xét đến độ lệch tâm, xác định theo công thức
K – Bán kính quay tàu, thường lấy K = 0,25.Lt = 0,25.80 = 20(m)
A - Khoảng cách song song với bến, tính từ trọng tâm của tàu tới điểm tiếp xúc với bến A = ( 1/4 ÷ 1/5 )Lt , chọn A =1/4Lt = 1/4.80 = 20 (m) Cc - Hệ số hình dạng bến, Cc = 1 Cs - Hệ số xét đén hình thức đệm tàu, Cs = 1 Vậy ta có C = Cm.Ce.Cc.Cs = 1,053.0,5.1.1 = 0,53
Năng lượng cập bến của tàu là
(T.m)
3.2.3.2. Xác định lực va của tàu
Đệm tàu sử dụng là loại đệm hình thang LMD 400H-2000L có các thông số kĩ thuật của đệm như sau:
+ Thành phần cao su : CL3 + Năng lượng biến dạng : 6,6T + Phản lực khi nén : 39,2T + Trị số biến dạng tới hạn : 52,5%
+ Thành phần lực va vuông góc với mép bến
Fq = ( T )
+ Thành phần lực va song song với mép bến
Fn = .Fq = 0,5.23,496 = 11,748 ( T )
- Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu lớp mặt của thiết bị đệm. Với lớp mặt là cao su ta có = 0,5
3.2.3.3. Bố trí đệm va
Theo new selection of fender: Khoảng cáh giữa hai đệm va được xác định theo công thức:
( 3 - 10 )
Trong đó:
2l - Khoảng cách giữa hai đệm va B - Chiều rộng tàu tính toán, B = 10m L - Chiều dài tàu tính toán, L = 80m
h - Chiều dày đệm va khi động năng tác dộng của tàu được hấp thụ
h = H – Hx( năng lượng đệm ) = 3 – 3x52,5% = 1,425 (m)
H - Chiều cao ban đầu của đệm va, H = 3 (m) Vậy ta có:
21,826 (m)
Vậy khoảng cách tối đa giữa hai đệm va là: 22 (m)
3.3. Thiết kế sơ bộ các phương án kết cấu3.3.1. Phương án I 3.3.1. Phương án I
3.3.1.1. Tính toán sức chịu tải cọc
Điều kiện kiểm tra sức chịu tải của cọc
( 3 - 28 )
Sức chịu tải của cọc có thể được tính theo đất nền và theo khả năng vật liệu làm cọc. Tuy nhiên trên thực tế sức chịu tải của cọc theo đất nền thường nhỏ hơn theo vật liệu làm cọc. Vì vậy ta sẽ tính sức chịu tải của cọc theo đất nền. Tính cho các cọc có chiều dài 29m
a) Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền
Sức chịu tải của cọc theo đất nền được xác định theo công thức
= m.( mr.R.F + U.mf.fi. hi ) ( 3 - 29)
Trong đó:
- Sức chịu tải của cọc theo đất nền
m - Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất
R - Cường độ tính toán của đất dưới mũi cọc, tra bảng 1/20TCN21-86 ta có R = 375 ( T/m2 )
F - Diện tích mặt cắt ngang của cọc: F = a2 = (0,4)2 = 0,16 (m2) U – Chu vi của cọc: U = 4.a = 4.0,4 = 1,6 (m)
fi - Cường độ tính toán của ma sát thành lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh cọc, tra bảng 2/20TCN21-86
hi - Chiều dày lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc
mr , mf - Hệ số điều kiện làm việc của đất dưới chân cọc và trên thành cọc có xét đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc: mr = mf = 1
Lớp đất Isl Mảnh hi (m) zi (m) fi (T/m2) fi.hi (T/m) 2 1.38 1 2.00 1.00 0.20 0.40 2 2.00 3.00 0.50 1.00 3 2.00 5.00 0.60 1.20 4 0.50 6.25 0.60 0.30 3 0.69 5 2.00 7.50 1.09 2.18 6 2.00 9.50 1.10 2.20 7 1.00 11.00 1.11 1.11 4 0.67 8 2.00 12.50 1.14 2.28 9 2.00 14.50 1.18 2.36 10 2.00 16.50 1.27 2.54 11 2.00 18.50 1.37 2.74 12 1.50 20.25 1.44 2.16 5 0.30 13 2.00 22.00 5.80 11.60 14 2.00 24.00 6.00 12.00 6 0.30 15 2.00 26.00 6.20 12.40 16 2.00 28.00 6.40 12.80 Tổng 29.00 69.27 39
Thay số vào công thức ( 3 – 13 ) ta được
= m.( mr.R.F + U.mf.fi. hi ) = 1.( 1.375.0,16 + 1,6.69,27.1 ) = 170,832 (T)
Sức chịu tải thực tế của cọc là
(T)
ktc - Hệ số an toàn ktc = 1,4
b) Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đầu cọc
Sơ bộ xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một cọc có kích thước ô bản chịu tải theo phương ngang là 3,3m, theo phương dọc là 2,25m.
+ Trọng lượng lớp bê tông M350, dày 30cm
G1 = bt.b.h.l = 2,5.3,3.2,25.0,3 = 5,5688 (T) + Trọng lượng dầm ngang G2= bt.b.h.l = 2,5.0,7.0,6.3,3 = 3,465 (T) + Trọng lượng dầm dọc G3= bt.b.h.l = 2,5.0,7.0,6.2,25 = 3,045 (T) + Trọng lượng cọc dài 29m G4= b.h.l.bt = 0,4.0,4.29.2,5 = 11,6 (T)
+Tải trọng khai thác trên mặt bến
P5 = q.b.l = 3.3,3.2,25 = 22,275 (T/m)
Ta có tổng tải trọng tác dụng lên cọc
PH = G1 + G2 + G3 +G4 + P5 = 45,9538 (T)
Tải trọng tính toán tác dụng lên cọc được xác định theo công thức
Ntt = kn.nc.n.md.P ( 3 - 30 )
Trong đó:
kn - Hệ số đảm bảo xét đến tầm quan trọng của công trình: kn = 1,15 ( đối với công trình cấp III )
nc - Hệ số tổ hợp tải trọng: nc = 1 ( đối với tổ hợp tải trọng cơ bản ) n - Hệ số vượt tải: n = 1,25 ( đối với công trình bến cảng biển )
md - Hệ số phụ điều kiện làm việc xét đến đặc điểm làm thực tế của cấu kiện và một số giả thiết của sơ đồ tính toán: md = 1
Như vậy ta có
Ntt = kn.nc.n.md.P = 1,15.1.1,25.1.45,9538 = 66,0586 (T)
Nhận thấy:
Ntt = 66,0586 (T) < P = (T)
Kết luận: Với cọc có chiều dài 29m đảm bảo khả năng làm việc theo điều kiện đất nền
3.3.1.2 Tính toán chiều sâu ngàm của cọc
Theo giáo trình “ Công trình bến cảng ” chiều sâu chịu uốn của cọc xác định theo công thức
Lui = L0 + a ( 3 - 31 )
Trong đó:
- Loi: Chiều dài tự do của cọc
- : Hệ sô biến dạng xác định theo công thức sau:
Chọn bêtông cho cọc BTCT 0.4*0.4m mác 400 có E = 3,25.106 (T/m3) Cọc tiết diện vuông có I = = 2,133.10-3 (m4)
B:bề rộng quy ước của cọc;d=0,4m<0,8mbc=d.1,5+0,5=0,4.1,5+0,5=1,1(m) Chọn hệ số tỷ lệ K=1500T/ m4 ( tra bảng 3.5/T120)
lấy 2,7 m
Lio :chiều dài đoạn cọc (m)khoảng cách từ đầu tim đầu cọc đến mặt đất Bảng 3.15. chiều dài chịu uốn giả định của cọc
Cầu Cọc Lio (m) 2/αbd (m) Liu (m)
Cầu chính A 7 2.7 9.70
B 7.8 2.7 10.50 C 7.1 2.7 9.80 Cầu dẫn D 6.6 2.7 9.30 E 5.3 2.7 8.00 F 4 2.7 6.70 G 2.7 2.7 5.40 H 1.4 2.7 4.10
Xác định lực ngang do chuyển vị đơn vị tại đầu trên của cọc gây ra
+) Cọc đơn
Vì là cọc vuông đối xứng nên khả năng chụi tải theo hai phương là như nhau = =
Trong đó: j = : Độ cứng cho 1m dài cọc
Với bêtông mác 400 có E = 3,25.106 (T/m3) Cọc tiết diện vuông có J = = 0,00213 (m4) EJ = 6933 (Tm)
Cọc A: Cọc C: +) Cọc đôi
Phản lực ngang nằm trong mặt phẳng chứa hai cọc và mặt phẳng vuông góc: +Theo phương x :
Trong đó :
- K1, K2 là các hệ số lún đàn hổi được xác định theo công thức :
- E mô đun đàn hổi của vật liệu làm cọc - F là diện tích tiết diện ngang của cọc
- 1, 2: Là góc nghiêng so với phương thẳng đứng của các cọc trong một trụ cọc chụm đôi (1 = 2 = arctan(1/6) = 100 )
+Theo phương y : Với ;
Cụm cọc B
Hàng Cọc Cọc Hix Hiy Xi Yi Hix.Yi Hiy.Xi
1 A 91.156 91.156 0 0 0 0 B 2986.65 143.518 1.75 0 0 251.1565 C 88.394 88.394 4 0 0 353.576 0 2 A 91.156 91.156 0 3.3 300.8148 0 B 2986.65 143.518 1.75 3.3 9855.945 251.1565 C 88.394 88.394 4 3.3 291.7002 353.576 0 3 A 91.156 91.156 0 6.6 601.6296 0 B 2986.65 143.518 1.75 6.6 19711.89 251.1565 C 88.394 88.394 4 6.6 583.4004 353.576 0 4 A 91.156 91.156 0 9.9 902.4444 0 B 2986.65 143.518 1.75 9.9 29567.835 251.1565 C 88.394 88.394 4 9.9 875.1006 353.576 0 5 A 91.156 91.156 0 13.2 1203.2592 0 B 2986.65 143.518 1.75 13.2 39423.78 251.1565 C 88.394 88.394 4 13.2 1166.8008 353.576 0 6 A 91.156 91.156 0 16.5 1504.074 0 B 2986.65 143.518 1.75 16.5 49279.725 251.1565 C 88.394 88.394 4 16.5 1458.501 353.576 0 7 A 91.156 91.156 0 19.8 1804.8888 0 B 2986.65 143.518 1.75 19.8 59135.67 251.1565 C 88.394 88.394 4 19.8 1750.2012 353.576 0 8 A 91.156 91.156 0 23.1 2105.7036 0 B 2986.65 143.518 1.75 23.1 68991.615 251.1565 C 88.394 88.394 4 23.1 2041.9014 353.576 0 9 A 91.156 91.156 0 26.4 2406.5184 0 B 2986.65 143.518 1.75 26.4 78847.56 251.1565 C 88.394 88.394 4 26.4 2333.6016 353.576 0 10 A 91.156 91.156 0 29.7 2707.3332 0 B 2986.65 143.518 1.75 29.7 88703.505 251.1565 43
C 88.394 88.394 4 29.7 2625.3018 353.576 0 11 A 91.156 91.156 0 33 3008.148 0 B 2986.65 143.518 1.75 33 98559.45 251.1565 C 88.394 88.394 4 33 2917.002 353.576 0 12 A 91.156 91.156 0 36.3 3308.9628 0 B 2986.65 143.518 1.75 36.3 108415.395 251.1565 C 88.394 88.394 4 36.3 3208.7022 353.576 0 13 A 91.156 91.156 0 39.6 3609.7776 0 B 2986.65 143.518 1.75 39.6 118271.34 251.1565 C 88.394 88.394 4 39.6 3500.4024 353.576 0 14 A 91.156 91.156 0 42.9 3910.5924 0 B 2986.65 143.518 1.75 42.9 128127.285 251.1565 C 88.394 88.394 4 42.9 3792.1026 353.576 0 Tổng 44326.80 4522.952 950809.86 8466.25 5
Toạ độ tâm đàn hồi được xác định theo các công thức sau:
Vậy tọa độ tâm đàn hồi cho phân đoạn 1 là O1 (1.9 ; 21.5)
Tương tự như phân đoạn 1 ta xác định được tâm đàn hồi phân đoạn 2 là O2
3.3.1.3 Xác định góc xoay của bệ cho phân đoạn 1
Góc xoay của bệ :
Mômen do lực neo tàu đối với tâm đàn hồi được xác định theo công thức:
Mn = 2.Sn.Z1
Trong đó:
- Sn: Thành phần dọc của lực neo tác dụng lên một bích neo - Sn = 45,92 (T)
- Z1 = 4,25 (m)
Mn = 2.45,92.4,25 = 384,2 T.m Góc xoay của bệ :
Hàng Cọc Cọc Hix Hiy Xi Yi Hix*Yi^2 Hiy*Xi^2
1 A 91.156 91.156 0 0 0 0 B 2986.65 143.518 1.75 0 0 439.5239 C 88.394 88.394 4 0 0 1414.304 0 0 2 A 91.156 91.156 0 3.3 992.6888 0 B 2986.65 143.518 1.75 3.3 32524.62 439.5239 C 88.394 88.394 4 3.3 962.6107 1414.304 0 0 3 A 91.156 91.156 0 6.6 3970.755 0 B 2986.65 143.518 1.75 6.6 130098.5 439.5239 C 88.394 88.394 4 6.6 3850.443 1414.304 0 0 4 A 91.156 91.156 0 9.9 8934.2 0 B 2986.65 143.518 1.75 9.9 292721.6 439.5239 C 88.394 88.394 4 9.9 8663.496 1414.304 0 0 5 A 91.156 91.156 0 13.2 15883.02 0 B 2986.65 143.518 1.75 13.2 520393.9 439.5239 C 88.394 88.394 4 13.2 15401.77 1414.304 0 0 6 A 91.156 91.156 0 16.5 24817.22 0 B 2986.65 143.518 1.75 16.5 813115.5 439.5239 C 88.394 88.394 4 16.5 24065.27 1414.304 0 0 7 A 91.156 91.156 0 19.8 35736.8 0 B 2986.65 143.518 1.75 19.8 1170886 439.5239 C 88.394 88.394 4 19.8 34653.98 1414.304 � 45
0 0 8 A 91.156 91.156 0 23.1 48641.75 0 B 2986.65 143.518 1.75 23.1 1593706 439.5239 C 88.394 88.394 4 23.1 47167.92 1414.304 0 0 9 A 91.156 91.156 0 26.4 63532.09 0 B 2986.65 143.518 1.75 26.4 2081576 439.5239 C 88.394 88.394 4 26.4 61607.08 1414.304 0 0 10 A 91.156 91.156 0 29.7 80407.8 0 B 2986.65 143.518 1.75 29.7 2634494 439.5239 C 88.394 88.394 4 29.7 77971.46 1414.304 0 0 11 A 91.156 91.156 0 33 99268.88 0 B 2986.65 143.518 1.75 33 3252462 439.5239 C 88.394 88.394 4 33 96261.07 1414.304 0 0 12 A 91.156 91.156 0 36.3 120115.3 0 B 2986.65 143.518 1.75 36.3 3935479 439.5239 C 88.394 88.394 4 36.3 116475.9 1414.304 0 0 13 A 91.156 91.156 0 39.6 142947.2 0 B 2986.65 143.518 1.75 39.6 4683545 439.5239 C 88.394 88.394 4 39.6 138615.9 1414.304 0 0 14 A 91.156 91.156 0 42.9 167764.4 0 B 2986.65 143.518 1.75 42.9 5496661 439.5239 C 88.394 88.394 4 42.9 162681.2 1414.304 0 Tổng 44326.80 4522.952 28239053 25953.59
3.3.1.4. Tính toán nội lực kết cấu
a) Tải trọng tác dụng lên kết cấu * Tải trọng tác dụng lên kết cấu
- Tải trọng bản thân tác dụng lên kết cấu * Tải trọng bản thân dầm ngang
qa = bt.b.h = 2,5.0,7.0,6 = 1,05 (T/m)
* Tải trọng bản thân dầm dọc
qc = bt.b.h = 2,5.0,7.0,6 = 1,05 (T/m)
* Tải trọng bản thân dầm tựa tàu
qd = bt.b.h = 2,5.0,4.3,5 = 3,5 (T/m)
* Tải trọng bản thân bẳn mặt cầu
qe = bt.h = 2,5.0,3 = 0,75 (T/m2)
- Tải trọng khai thác trên mặt bến
Tải trọng do hệ thống đường ống và nhà điều hành tương đương tải trọng phân bố đều: qCN = 2 (T/m2)
b) Mô hình tính toán kết cấu:
Hình 3.12. Mô hình tính toán kết cấu c) Tổ hợp tải trọng
Bảng 3.20. Bảng tổ hợp tải trọng tính toán
TH Bản thân Công nghệ
1 X x
d) Kết quả tính toán nội lực
Việc tính toán nội lực được thực hiện bằng phần mềm Sap 2000 V9.03 Bảng 3.21. Kết quả tính toán nội lực của kết cấu
Cấu kiện M+ ( T.m ) M- ( T.m ) Q+ ( T ) Q- ( T ) N+ ( T ) N- ( T )
Dầm ngang 17,953 -37,964 14,94 -20,01 0,124 -36,491
Dầm dọc 15,054 -13,339 13,34 -13,34 0,708 -36,49
Cọc 14,913 -22,167 15,721 -13,237 0,452 -54,651
3.3.2 Tính toán bê tông cốt thép cho các phương án kết cấu3.3.2.1. Nguyên tắc chung 3.3.2.1. Nguyên tắc chung
Theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN4116-85 kết cấu bê tông cốt thép công trình thuỷ công được tính toán theo nguyên tắc sau.
Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất:
Tính toán cường độ, kiểm tra ổn định và hình dáng kết cấu, tính mỏi khi chịu tải trọng lặp nhiều lần.
Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai:
Tính biến dạng trong trường hợp trị số chuyển vị hạn chế khả năng khai thác bình thường của kết cấu và thiết bị nằm trên đó, theo hình thành và mở rộng vết nứt hoặc không cho nứt.
Tính toán BTCT theo trạng thái giới hạn thứ nhất: (theo độ bền).
Tính toán cường độ kiểm tra độ ổn định hình dáng kết cấu mỏi khi tải trọng lặp nhiều lần. Điều kiện đánh giá kết cấu BTCT đạt trạng thái ứng suất tới hạn thứ 1 là:
kn.nc.NP m.R. (3-
43)
Trong đó:
kn: hệ số độ tin cậy phụ thuộc cấp công trình. nc: hệ số tổ hợp tải trọng.
NP : giá trị tính toán của lực tác dụng tổng quát (M, Q, N)
Np = n.mđ.N (3- 44)
n: hệ số vượt tải.
mđ: hệ số điều kiện làm việc phụ. N: nội lực tiêu chuẩn.
mđ: hệ số điều kiện làm việc. a) Tính toán cốt chịu lực.
Theo tiêu chuẩn TCVN 4116-85, từ diều kiện:
kn.nc.M mb.Rnp.b.x.(h0 - 0,5.x) + ma.Ran.Fa’.(h0 - a’) (3- 45)
với F’a = 0 tính được chiều cao miền bê tông chịu nén x như sau:
(3- 46)
Giả định a, xác định h0, theo công thức:
h0 = h – a; =
Trong đó:
a: khoảng cách từ mép chịu kéo của tiết diện đến trọng tâm cốt thép. Với trường hợp đặt nhiều lớp cốt thép thì atđ xác định như sau:
ho: chiều cao làm việc của tiết diện. h: chiều cao của tiết diện
: chiều cao tương đối của vùng chịu nén bê tông. Xét 3 trường hợp sau:
+ Nếu x < 2a và < R thì tính toán với tiết diện cốt đơn, khi đó diện tích cốt chịu lực kéo là:
(3-46)
+ Nếu 2a x R.h0 thì khi đã biết Fa’ ta có chiều cao vùng BT chịu nén là: