Tính toán kết cấu hồ nước mái

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HỒ NƯỚC MÁI ********************** 3.1 CẤU TẠO HỒ NƯỚC MÁI 3.1.1 Mặt bằng bản nắp và bản đáy Hình 3.1 Mặt bằng bản nắp và bản đáy Hình 3.2 Mặt cắt 1-1 và Mặt cắt 2-2 3.2 XÁC ĐỊNH SƠ BỘ KÍCH THƯỚC CÁC BỘ PHẬN HỒ NƯỚC MÁI. 3.2.1 Bản nắp Chiều dày bản nắp được chọn sơ bộ theo công thức sau: Trong đó: D = 0.8 Hệ số phụ thuộc tải trọng; ms = 40 Đối với sàn làm việc 2 phương; l Độ dài của cạnh ngắn của bản; . Chọn hbn = 8cm. 3.2.2 Dầm nắp,dầm đáy Chiều cao của dầm được chọn sơ bộ theo công thức sau: Trong đó: md =12-20 Hệ số phụ thuộc vào tính chất của khung và tải trọng; ld Nhịp dầm; Bề rộng dầm được chọn theo công thức sau: . Với ld=5500 (mm) Kích thước hệ dầm nắp được chọn như sau: Dầm nắp Dn (20x30); Dầm đáy Dđ1(20x45), Dđ2,3(20x40). 3.2.3 Bản đáy. Chiều dày bản đáy được chọn sơ bộ theo công thức sau: Trong đó: D = 1.2 Hệ số phụ thuộc tải trọng; ms = 40 Đối với sàn làm việc 2 phương; l Độ dài của cạnh ngắn của bản; . Chọn hbd = 12cm 3.2.4 Bản thành. Chọn hbt = 10cm. TÍNH TOÁN BẢN NẮP 3.3.1 Sơ đồ tính Bản nắp được chia thành 2 ô bản, do có cùng kích thước hình học và tính chất nhận tải và truyền tải nên ta tiến hành tính toán cho 1 ô bản đơn . Xét tỉ số giữa 2 cạnh của ô bản nắp. ô bản nắp thuộc loại bản kê số 2 trong 11 loại bản. Hình 3.3 Sơ đồ tính bản nắp -Cắt ô bản theo phương cạnh ngắn và cạnh dài với các dải có bề rộng 1m để tính. 3.3.2 Tải trọng bản nắp Trọng lượng bản thân Hình 3.4 Các lớp cấu tạo bản nắp Bảng 3.2 Bảng tải trọng của bản nắp TẢI TRỌNG BẢN NẮP HỒ NƯỚC Các lớp cấu tạo Chiều dày d (m) Bề rộng bản (m) Trọng lượng (kG/m3) Hệ số n Tải tiêu chuẩn (kG/m2) Tải tính toán (kG/m2) Lớp gạch men (m) 0.01 1 2000 1.2 20 24 Lớp vữa lót (m) 0.02 1 1800 1.3 36 46.8 Bê tông chống thấm (m) 0.01 1 2000 1.1 20 22 Bản nắp BTCT (m) 0.08 1 2500 1.1 200 220 Lớp vữa trát (m) 0.01 1 1800 1.3 18 23.4 Tổng tải trọng 336.2 Tải trọng sửa chữa Theo TCVN 2737 – 1995 hoạt tải tiêu chuẩn ptc = 75 (kG/m2) ptt = ptcxnp = 75x1.3=97.5(kG/m2 ) Tổng tải : qbn=336.2+97.5=433.7 (kG/m2). 3.3.3 Nội lực và tính toán cốt thép Xác định nội lực. Moment dương lớn nhất giữa nhịp: M1 = m21.P M2 = m22.P Moment âm lớn nhất trên gối: Mgối =k21.P Với: P = Trong đó: P – Tổng tải trọng tác dụng lên ô bản; Các hệ số m21, m22, k21, được tra bảng và nội suy phụ thuộc vào tỉ số Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.3 và 3.4 Bảng 3.3 Kết quả xác định các hệ số Tên bản ln (m) Ld(m) Tỉ số Ld/ln m21 m22 K21 Bản nắp 4.25 5.5 1.29 0.036 0.0168 0.0846 Bảng 3.4 Kết quả tính toán nội lực trong bản nắp Tên bản gtt ptt P M1 M2 Mgối (kG/m2) (kG/m2) kG/m2 kGm kGm kGm Bản nắp 336.2 97.5 10137.7 364.96 170.3 857.65 Tính toán cốt thép Bản nắp được tính như cấu kiện chịu uốn. Giả thiết tính toán. a = 2 Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến mép bê tông chịu kéo; h0 = hbn – a Chiều cao có ích của tiết diện; b = 100cm - Bề rộng tính toán của dải bản. Đặc trưng vật liệu lấy theo bảng 3.5 Bảng 3.5 Đặc trưng vật liệu sử dụng tính toán. Bê tông M300 Cốt thép CII Rn (daN/cm2) Rk (daN/cm2) Eb (daN/cm2) a0 (daN/cm2) Ra (daN/cm2) Ra’ (daN/cm2) Ea (daN/cm2) 130 10 2.9x105 0.58 2600 2600 2.1x106 Công thức tính toán : Trong đó: với Kiểm tra hàm lượng cốt thép m theo điều kiện sau: Trong đó ( theo bảng 15 TCVN 5574 : 1994); Kết quả tính toán đuợc trình bày trong bảng 3.6 Bảng 3.6 Bảng kết quả tính toán cốt thép Kí hiệu Moment b h0 A g Fatt Thép chọn m (%) (kGm) cm cm (cm2) f(mm) a(mm) Fa(cm2) Bản nắp M1 364.96 100 6 0.078 0.959 2.439 8 200 2.52 0.42 M2 170.31 100 6 0.036 0.981 1.112 8 200 2.52 0.42 Mgối 857.65 100 6 0.183 0.898 6.123 10 125 6.28 1.05 Cốt thép gia cường lỗ thăm được tính theo công thức sau: Fgc 1.2xFc = 1.2x2.012 = 2.41. Chọn thép gia cường là 2f14 có Fgia cường = 3.078 cm2 Đoạn neo thép lneo=30f=30*14=420(mm) TÍNH TOÁN DẦM NẮP 3.4.1 Sơ đồ tính Dầm nắp là dầm đơn giản tựa lên 2 cột Hình 3.5 Sơ đồ tính dầm nắp 3.4.2 Tải trọng dầm nắp Trọng lượng bản thân =(0.3-0.1)x0.2x2500x1.1=110 KG/m. Hình 3.6 Trọng lượng bản thân dầm nắp Tải trọng sàn truyền vào Tải trọng sàn (Tĩnh tải và hoạt tải) qs truyền vào dầm nắp dưới dạng hình thang Hình 3.7 Sơ đồ truyền tải từ sàn vào dầm nắp KG/m Tổng tải tác dụng lên dầm nắp Cộng tác dụng 2 biểu đồ trên Hình 3.8 Tĩnh tải và Tải trọng từ sàn truyền vào dầm KG/m. 3.4.3 Nội lực và tính toán cốt thép Nội lực Hình 3.9 Biểu đồ moment dầm nắp KGm Tính toán cốt thép Giả thiết tính toán: a = 4 Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến mép bê tông chịu kéo; h0 = hd – a Chiều cao có ích của tiết diện. Đặc trưng vật liệu lấy theo bảng 3.7 Bảng 3.7 Đặc trưng vật liệu sử dụng tính toán. Bê tông M300 Cốt thép CII Rn (daN/cm2) Rk (daN/cm2) Eb (daN/cm2) a0 (daN/cm2) Ra (daN/cm2) Ra’ (daN/cm2) Ea (daN/cm2) 130 10 2.9x105 0.58 2600 2600 2.1x106 Công thức tính toán Trong đó: với Kiểm tra hàm lượng cốt thép m theo điều kiện sau: Trong đó ( theo bảng 15 TCVN 5574 : 1994); == Bảng 3.8 Tính toán cốt thép dầm nắp Loại dầm Tiết diện M b h a h0 A g Fatt Chọn thép Fac m% KGm cm cm cm cm cm2 cm2 DN Nhịp 4342.8 20 30 4 26 0.25 0.933 6.885 3f18 7.63 0.98 Tính toán cốt đai KG Kiểm tra điều kiện hạn chế : Thỏa mãn điều kiện han chế, không tăng tiết diện Kiểm tra điều kiện tính toán : Cần phải tính cốt đai. Lực cốt đai phải chịu Chọn đai F6 có fđ = 0.283 cm2, đai hai nhánh n = 2, thép CI Rađ =1600 (kG/cm2) Khoảng cách tính toán cốt đai: Khoảng cách đai lấy theo cấu tạo: - Trên đoạn gần gối tựa ( l/4) h/2 = 15 cm Uct £ 30 cm - Trên đoạn dầm giữa nhịp: 3h/4 = 45 cm Uct £ 50 cm Khoảng cách đai được chọn là U = min(Utt, Uct , Umax), do đó chọn như sau: Đoạn gần gối tựa (l/4): F6 a = 150 mm Đoạn giữa nhịp (l/2) : F6 a = 200 mm 3.5 TÍNH TOÁN BẢN THÀNH 3.5.1 Sơ đồ tính. Bản thành là cấu kiện chịu nén uốn đồng thời, lực nén trong bản thành chỉ do trọng lượng bản thân bản thành gây nên. Để đơn giản ta bỏ qua trọng lượng bản thân hồ nước, lúc này xem bản thành như là cấu kiện chịu uốn thuần tuý có sơ đồ tính được xác định như sau: Xét tỉ số : Bản thành trục 3– 4 có Thuộc loại bản dầm. Bản thành trục C–D có Thuộc loại bản dầm. Cắt 1 dải bản có bề rộng là 1m theo phương cạnh ngắn để tính Hình 3.9 Sơ đồ tính bản thành 3.5.2 Tải trọng Tải trọng bản thân Bảng 3.9 Bảng tính trọng bản thành TẢI TRỌNG BẢN THÀNH HỒ NƯỚC Các lớp cấu tạo Chiều dày d (m) Bề rộng bản (m) Trọng lượng (kG/m3) Hệ số n Tải tiêu chuẩn (kG/m2) Tải tính toán (kG/m2) Lớp gạch men (m) 0.01 1 2000 1.2 20 24 Lớp vữa lót (m) 0.02 1 1800 1.3 36 46.8 Bê tông chống thấm (m) 0.01 1 2000 1.1 20 22 Bản thành BTCT (m) 0.1 1 2500 1.1 250 275 Lớp vữa trát (m) 0.01 1 1800 1.3 1800 23.4 Tổng tải trọng 391.2 Tải trọng do bản nắp truyền vào Q=488.7 KG/m2 Hình 4.0 Tải trọng bản nắp truyền vào bản thành Áp lực nước = KG/m2 Gió hút = KG/m2 (Hồ nước ở độ cao 32.7m, tra bảng và nội suy k=1.386) Tổng tải trọng KG/m2 Hình 4.1 Tải trọng bản thành dưới Hình 4.2 Tải trọng bản thành dưới tác dụng của gió hút tác dụng của gió đẩy và áp lực nước và áp lực nước Từ 2 sơ đồ tải trọng, ta nhận thấy trường hợp gây nguy hiểm nhất cho bản thành chính là dưới tác dụng của gió hút và áp lực nước. Từ đó ta tính toán bản thành theo sơ đồ tải trọng trên. 3.5.3 Nội lực và tính toán cốt thép Nội lực Hình 4.3 Biểu đồ moment Hình 4.4 Biểu đồ moment dưới tác dụng của gió hút dưới tác dụng của áp lực nước Dùng phương pháp cơ học kết cấu để tính nội lực cho từng trường hợp tải trọng tác dụng, kết quả được tóm tắt như sau: ; ; ; . Ta lấy tổng giá trị M1,M2 tại nhịp và gối của 2 biểu đồ để tính cốt thép Mg = 41.42 + 586.67 = 628.1 KGm; Mn = 23.3 + 261.9= 285.2 KGm. Tính toán cốt thép Bản thành được tính như cấu kiện chịu uốn. Cốt thép được bố trí đối xứng Giả thiết tính toán. a = 2 khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến mép bê tông chịu kéo. chiều cao có ích của tiết diện, h0 = hbt – a = 10 – 2 = 8cm; b = 100cm - bề rộng tính toán của dải bản. Bê tông mác 300, Rn=130 KG/cm2 Cốt thép CII, Ra=2600 KG/cm2 Đặc trưng vật liệu lấy theo bảng 3.5 Công thức tính toán : Trong đó: với Kiểm tra hàm lượng cốt thép m theo điều kiện sau: Bảng 4.0 Kết quả tính toán cốt thép bản thành Kí hiệu Moment b h0 A g Fatt Thép chọn m (%) (kGm) cm cm (cm2) f(mm) a(mm) Fa(cm2) Bản thành Mnh 285.2 100 8 0.034 0.98 1.814 6 150 1.89 0.24 Mgối 628.1 100 8 0.075 0.96 4.086 8 120 4.19 0.52 3.6 TÍNH TOÁN BẢN ĐÁY 3.6.1 Sơ đồ tính Xét tỉ số giữa 2 cạnh của ô bản đáy. ô bản nắp thuộc loại bản kê. Xét tiếp tỉ số Bản liên kết ngàm với dầm Bản liên kết khớp với dầm Bảng 4.1 Sơ đồ tính bản đáy Ô sàn Dầm Tỉ số Liên kết Sơ đồ tính Ký hiệu hb (cm) Ký hiệu hd (cm) hd/hb DĐ1 45 3.75 Ngàm Bản đáy 12 DĐ2 40 3.33 Ngàm DĐ3 40 3.33 Ngàm 3.6.2 Tải trọng Trọng lượng bản thân Hình 4.5 Các lớp cấu tạo bản đáy Bảng 4.2 Bảng tính trọng lượng bản đáy hồ nước TẢI TRỌNG BẢN ĐÁY HỒ NƯỚC Các lớp cấu tạo Chiều dày d (m) Bề rộng bản (m) Trọng lượng (kG/m3) Hệ số n Tải tiêu chuẩn (kG/m2) Tải tính toán (kG/m2) Lớp gạch men (m) 0.01 1 2000 1.2 20 24 Lớp vữa lót (m) 0.02 1 1800 1.3 36 46.8 Bê tông chống thấm (m) 0.01 1 2000 1.1 20 22 Bản đáy BTCT (m) 0.12 1 2500 1.1 300 330 Lớp vữa trát (m) 0.01 1 1800 1.3 18 23.4 Tổng tải trọng 446.2 Áp lực thủy tĩnh Tổng tải trọng 3.6.3 Nội lực và tính toán cốt thép Nội lực Bản đáy thuộc ô bản số 9 trong 11 ô bản, 4 cạnh điều ngàm Hình 4.6 Biểu đồ nội lực bản đáy Bản đáy được tính toán cho 1 ô bản đơn Công thức tính toán tương tự như phần bản nắp Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 3.3 và 3.4 Bảng 4.3 Kết quả xác định các hệ số Tên bản ln (m) Ld(m) Tỉ số Ld/ln m91 m92 K91 K92 Bản đáy 4.25 5.5 1.29 0.021 0.0125 0.0475 0.0285 Bảng 4.4 Kết quả tính toán nội lực trong bản nắp Tên bản gtt ptt P M1 M2 MI MII (kG/m2) (kG/m2) kG/m2 kGm kGm kGm kGm Bản đáy 446.2 2200 61855 1299 773.2 2938.1 1762.87 Tính toán cốt thép Bản đáy được tính như cấu kiện chịu uốn. Giả thiết tính toán. a = 2 Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến mép bê tông chịu kéo; h0 = hbn – a Chiều cao có ích của tiết diện; b = 100cm - Bề rộng tính toán của dải bản. Bê tông mác 300, Rn=130 KG/cm2 Cốt thép CII, Ra=2600 KG/cm2 Đặc trưng vật liệu lấy theo bảng 3.5 Công thức tính toán : Trong đó: với Kiểm tra hàm lượng cốt thép m theo điều kiện sau: Kết quả tính toán đuợc thể hiện trong bảng 4.5 Bảng 4.5 Bảng kết quả tính toán cốt thép Kí hiệu Moment b h0 A g Fatt Thép chọn m (%) (kGm) cm cm (cm2) f(mm) a(mm) Fa(cm2) Bản đáy M1 1326 100 10 0.071 0.963 5.74 10 150 5.23 0.44 M2 789.3 100 10 0.042 0.978 3.36 10 200 3.93 0.33 MI 2999 100 10 0.16 0.912 13.7 16 150 13.4 1.12 MII 1800 100 10 0.096 0.949 7.9 16 200 10.05 0.84 3.6.4 Kiểm tra độ võng của bản đáy Độ võng của bản ngàm 4 cạnh được xác định theo công thức sau: Trong đó: a - Hệ số phụ thuộc vào tỷ số (l2/l1) tra bảng phụ lục 17 (giáo trình Bê Tông Cốt Thép tập3-Võ Bá Tầm) (Độ cứng trụ) Bê tông mác 300 ;h=14cm;m=0.2;l2/l1=1.29Þa=0.0019 ;lng=4.25m Ta có: Độ võng của bản: (1)(đạt yêu cầu) Theo TCVN 5574 : 1991: (2) Từ (1) và (2) Kết Luận: Việc tính toán bản đáy đã thoả mãn về yêu cầu độ võng 3.6.5 Kiểm tra nứt bản đáy ( Theo trạng thái giới hạn 2 ). Theo TCVN 5574 – 1991: . Trong đó: - Khe nứt giới hạn của cấu kiện cấp 3, có 1 phần tiết diện chịu nén, lấy theo bảng 1 TCVN 5574 – 1991; k = 1 - Cấu kiện chịu uốn; C = 1,5 - Hệ số kể đến tác dụng tải trọng dài hạn; - Hệ số ảnh hưởng bề mặt thanh thép; h = 1mm2 đối với thép có gân có gờ; h = 1,3mm2 đối với thép tròn trơn; Ea - Môđun đàn hồi của thép (Ea = 2,9.106 kG/cm2); d - Đường kính cốt thép chịu lực (mm); - Hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo; = min - Ứng suất trong cốt thép chịu kéo ở tiết diện nứt; Bảng 4.6 Xác định các hệ số Tên bản ln (m) Ld(m) Tỉ số Ld/ln m91 m92 K91 K92 Bản đáy 4.25 5.5 1.29 0.021 0.0125 0.0475 0.0285 Bảng 4.7 Nội lực tiêu chuẩn trong bản đáy. Tên bản gtc kG/m2 ptc kG/m2 P ( kG ) M1 (kGm) M2 (kGm) MI (kGm) MII (kGm) Bản đáy 394 1000 32585 684.3 407.3 1548 928.67 Bảng 4.8 Kết quả kiểm tra bề rộng khe nứt bản đáy Kí hiệu Giá trị Moment Mtc h0 d (mm) Fa (cm2) A Z1 (cm) (kG/cm2) (%) 20 (%) an (mm) Kiểm tra BĐ M1 684.28 10 10 5.23 0.053 0.973 9.729 13.447 0.523 10.5 0.0009 Thỏa M2 407.309 10 10 3.93 0.031 0.984 9.841 10.532 0.393 7.86 0.0007 Thỏa MI 1547.78 10 16 13.4 0.119 0.936 9.364 12.335 1.34 26.8 0.0006 Thỏa MII 928.665 10 16 10.05 0.071 0.963 9.629 9.5964 1.005 20.1 0.0005 Thỏa 3.7 TÍNH TOÁN DẦM ĐÁY 3.7.1 Sơ đồ tính Xem dầm DĐ1là dầm đơn giản tựa lên dầm biên DĐ3 sơ đồ tính là liên kết khớp Dầm DĐ2, DĐ3 tựa lên các cột Xét tỉ số độ cứng: : Dầm liên kết ngàm với cột :Dầm liên kết khớp với cột Trong đó: Giả sử tiết diện cột (300x300)mm, lcột=0.8m Dầm đáy: Dđ3(20x40) Dầm liên kết ngàm với cột Dầm đáy: Dđ2(20x40) Dầm liên kết ngàm với cột Hình 4.7 Sơ đồ tính dầm đáy 3.7.2 Tải trọng Trọng lượng bản thân Hình 4.8 Trọng lượng bản thân dầm nắp Dầm Dđ1 Dầm Dđ2,Dđ3 Tải trọng sàn truyền vào Tải trọng sàn (Tĩnh tải và hoạt tải) qs truyền vào dầm đáy dưới dạng hình thang và hình tam giác Hình 4.9 Sơ đồ truyền tải từ bản đáy vào dầm đáy Dầm DĐ1 Dầm DĐ2 Dầm DĐ3 Trọng lượng bản thành gbt=391.2 x 2=782.4 KG/m Tổng tải tác dụng lên dầm đáy Dầm DĐ1 Dầm DĐ2,3 3.7.3 Nội lực và tính toán cốt thép Nội lực Hình 5.0 Biểu đồ moment dầm đáy ; , , , , , Bảng 4.9 Bảng nội lực dầm đáy Loại dầm Tiết diện L q M Q m KG/m KGm KG Dđ1 Nhịp 5.5 2300.6 8699.14 6326.65 Dđ2 Nhịp 5.5 1990.5 2508.86 5473.88 Gối 5.5 1990.5 5017.72 Dđ3 Nhịp 4.25 1990.5 2527.97 3172.36 Gối 4.25 1990.5 4494.18 5287.27 Tính toán cốt thép Giả thiết tính toán: a = 4 Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến mép bê tông chịu kéo; h0 = hd – a Chiều cao có ích của tiết diện. Đặc trưng vật liệu lấy theo bảng 3.7 Công thức tính toán và kiểm tra hàm lượng cốt thép tương tự như dầm nắp Cốt thép dầm đáy được thể hiện trong bảng 4.9 Rn =130 KG/cm2 Ra= 2600 KG/cm2 Bảng 5.0 Bảng tính toán cốt thép dầm đáy Loại Tiết M b h h0 A g Fatt Chọn Fac m% dầm diện KGm cm cm cm cm2 thép cm2 Dđ1 Nhịp 8699.14 20 45 41 0.199 0.888 9.19 5f16 10.05 1.23 Dđ2 Nhịp 2508.86 20 40 36 0.074 0.962 2.79 2f14 3.07 0.43 Gối 5017.72 20 40 36 0.149 0.919 5.83 3f16 6.03 0.84 Bảng 5.0 Bảng tính toán cốt thép dầm đáy (Tiếp theo) Loại Tiết M b h h0 A g Fatt Chọn Fac m% dầm diện KGm cm cm cm cm2 thép cm2 Dđ3 Nhịp 2527.97 20 40 36 0.075 0.961 2.81 2f14 3.07 0.43 Gối 4494.18 20 40 36 0.133 0.928 5.17 3f16 6.03 0.84 Kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tông Lực cắt trên dầm đáy D1(20x45) Qmax = 6326.65 (kG) Để bê tông không bị phá hoại do ứng suất nén chính, cần phải thoả mãn điều kiện . Do vậy không tăng tiết diện. . (kG) Phải tính cốt đai Tính cốt đai cho dầm Lực mà cốt đai phải chịu: Chọn đai F8 có fđ = 0.502 cm2, đai hai nhánh n = 2, thép CI Rađ =1600 (kG/cm2) Khoảng cách tính toán cốt đai: Khoảng cách đai lấy theo cấu tạo: - Trên đoạn gần gối tựa ( l/4) h/3 = 15 cm Uct £ 30 cm - Trên đoạn dầm giữa nhịp: 3h/4 = 45 cm Uct £ 50 cm Khoảng cách đai được chọn là U = min(Utt, Uct , Umax), do đó chọn như sau: Đoạn gần gối tựa (l/4): F8 a = 150 mm Đoạn giữa nhịp (l/2) : F8 a = 200 mm CHI TIẾT MẶT BẰNG BỐ TRÍ THÉP BẢN NẮP, BẢN ĐÁY, DẦM NẮP DẦM ĐÁY ĐƯỢC THỂ HIỆN TRONG BẢN VẼ KẾT CẤU KC 3/6