tính toán kết cấu bể chứa

Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
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 trình đáy bể là +0.0 m, cao
trình mực nước max = +5.0 m, cao trình mặt đất = +2.5 m.
- Thể tích nước : 1050 m
3
.
Sơ bộ chọn kích thước các tiết diện như sau :
- Phần tử vỏ :
+ Đáy bể : dày 30cm
+ Thành bể : dày 20cm
+ Nắp bể : dày 10cm
- Phần tử dầm :
+ Cột trong : 30×30cm
+ Cột thành bể : 50×30cm
+ Cột góc : 30×30cm
+ Dầm nắp : 40×30cm
• Mô hình bể chứa trong SAP
Cột góc Dầm nắp Nắp bể

Cột trong Cột thành Thành bể Đáy bể
Hình 5.1 : Mô hình bể chứa trong Sap
SVTH : Võ Duy Trung - 68 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa

GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
Hình 5.2 : Mặt bằng và mặt cắt bể chứa
5.1.2. Vật liệu
a. Bê tông
Bêtông B20 (M250) :
- R
bn
= 15MPa
≈
14715kN/m
2
; R
btn
= 1.4 MPa
≈
1373.4kN/m
2
(nhóm A);
- R
b
= 11.5 MPa
≈
11281.5kN/m
2
; R
bt
= 0.9 Mpa
≈
882.9kN/m
2

(nhóm A);
- E
b
= 27×10
3
Mpa
≈
264.87×10
5
kN/m
2
b. Cốt thép
- d > 10mm : thép A-II
+ R
s
= R
sc
= 280 MPa
≈
2.747×10
5
kN/m
2
+ E
s
= 21×10
4
MPa

≈
2.06×10
8
kN/m
2
- d ≤ 10mm : thép A-I
+ R
s
= R
sc
= 225 MPa
≈
2.207×10
5
kN/m
2
+ E
s
= 21×10
4
MPa
≈
2.06×10
8
kN/m
2
5.2. Xác đònh tải trọng và tổ hợp tải trọng
5.2.1. Các loại tải trọng tác dụng lên bể chứa
SVTH : Võ Duy Trung - 69 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa

GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
- Tải trọng bản thân : hệ số tin cậy n =1.1
- Tải trọng sửa chữa : 0.75kN/m
2
, hệ số tin cậy n = 1.2
- Áp lực nước : áp lực nước bao gồm áp lực ngang tác dụng vào thành đài và trọng lượng nước
tác dụng lên đáy bể chứa, hệ số tin cậy n = 1.0
- Áp lực đất : áp lực ngang của đất tác dụng vào thành đài, hệ số 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 = tónh tải ×1.1 + áp lực nước ×1.0
- Tổ hợp 2 : TH2 = tónh tải ×1.1 + áp lực đất ×1.15
- Tổ hợp 3 : TH3 = tónh tải ×1.1 + áp lực nước ×1.0 + áp lực đất ×1.15
- Tổ hợp 4 : TH4 = tónh 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 chòu tải của đất nền
- Khả năng chòu tải của đất nền :
1 2
( )
II II f I II
tc
m m
R Ab BD Dc
k
γ γ
= + +
Với : -
ϕ
= 3.5
o

→
A = 0.0533 , B = 1.213 , D = 3.4624
- m
1
, m
2
, k
tc
lấy bằng 1
-
I II
γ γ
= =
14.88kN/m
3

- c
II
= 7.1613kN/m
2

- D
f
= 2.5m
- b : chiều dài bản đáy, b = 15m

→
0.0533 14.88 1.213 2.5 14.88 3.4624 7.1613 70.71
II

R
= × + × × + × =
kN/m
2

- Kiểm tra khả năng chòu tải của đất nền :
Tổng tải trọng truyền xuống nền :
1.1 15988.47
tt
bt n
N N N kN
= + =
∑
, bao gồm :
+ Tải trọng bản thân : N
bt
= 4307.7kN
+ Trọng lượng nước : N
n
= 11250kN
( kết quả lấy từ Sap)
→
áp lực truyền xuống nền :
2
15988.47
53.37
1.2 1.2 15.8
tt
tc
N

p
F
= = =
×
kN/m
2

⇒
p
tc
< R
tc
: nền đủ khả năng chòu lực .
- Xác đònh áp lực gây lún tại tâm đáy bể :
P
gl
=
tc
p
-
γ
h = 53.37 - 14.88
×
2.5 = 16.17 kN/m
2

5.2.4. Hệ số nền
- Chúng ta có thể sử dụng công thức được đưa ra bởi J.E.Bowles, kết hợp công thức của
Terzaghi, Hansen :
( )

0.5
n
n C q
K C cN BN C N Z
γ
γ γ
= + +
- Trong đó :
+ K
n
: hệ số nền (kN/m
3
)
+ C : hệ số phụ thuộc vào hệ thống đơn vò, với hệ thống SI (System International),
SVTH : Võ Duy Trung - 70 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
thì C = 40, do đó công thức có thể viết thành :
( )
40 0.5 40
n
n C q
K cN BN N Z
γ
γ γ
= + +
+ c : lực dính của đất, c = 7.1613kN/m
2
+ γ : trọng lượng riêng của đất, γ = 14.88kN/m
3

+ 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 K
n
bằng công
thức có giá trò gần đúng với kết quả thực nghiệm. Trong trường hợp không tiến hành
thí nghiệm thì lấy n = 1
+ N
c
, N
γ
, N
q
: các hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong ϕ của đất
Với ϕ = 3.5
o

6.045, 1.37, 0.29
c q
N N N
γ
⇒ = = =
( )
( )
3
40 7.1613 6.045 0.5 14.88 15 0.29 14.88 1.37 2.5 5064 /
N
K kN m
⇒ = × × + × × × + × × =

5.2.5. Xác đònh áp lực ngang của đất
Áp lực ngang của đất được xác đònh theo công thức sau :
2
45
2
o
a
P htg
φ
γ
 
= −
 ÷
 
( kN/m
2
)
Với : -
γ
= 14.88kN/m
3
, trọng lượng riêng của đất,
-
ϕ
= 3.5
o
, góc ma sát trong của đất,
- h : độ sâu
→
P

a
= 13.17h (kN/m
2
)
h (m) 0 0.5 1 1.5 2 2.5
P
a
(kN/m
2
) 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 lực phân bố đều (Uniform Load),
phương tác dụng theo chiều của tải trọng bản thân.
 Các giá trò nội lực xuất ra như sau :
- Đối với phần tử dầm ( Frame) :
- P : lực dọc trục (Axial Force)
SVTH : Võ Duy Trung - 71 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
- M2 : moment 2-2 nằm trong mặt phẳng 1-3, uốn quanh trục 2
- M3 : moment 3-3 nằm trong mặt phẳng 1-2, uốn quanh trục 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
SVTH : Võ Duy Trung - 72 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
- F22 : lực theo phương trục 2
5.3.2. Các công thức tính toán các cấu kiện
a. Cấu kiện chòu kéo
- Đúng tâm :
,
s
s tot
N R A
≤
(kN)
A
s,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
e
0
= e
01
+e
a

với e
01
= M/N : độ lệch tâm tính toán
e
a
: 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’
SVTH : Võ Duy Trung - 73 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
)'(
0
'
ahARNe
ss
−≤
với e = 0.5h-e
0
-a
)'(
0
'
ahARNe
ss
−≤
với e’=0.5h+e
0
-a’
+ Nếu lực dọc đặt ngoài khoảng giữa các hợp lực trong cột thép S và S’

'
0 0
( 0.5 ) ( ')
b sc s
Ne R bx h x R A h a≤ − + −
với e = e
0
-0.5h+a’
Trong đó, chiều cao vùng chòu nén x được xác đònh theo công thức :
bxRNARAR
bsscss
=−−
'
(nếu
0
hx
R
ξ
>
lấy
0
hx
R
ξ
=

với
,
1 (1 )
1.1

R
sR
sc u
ω
ξ
σ
ω
σ
=
+ −
tính theo mục 6.2.2.3 TCVN 356:2005)
b. Cấu kiện chòu uốn
' '
0 0
( 0.5 ) ( )
b sc s
M R bx h x R A h a≤ − + −
bxRARAR
bsscss
=−
'
c. Cấu kiện chòu nén lệch tâm tiết diện chữ nhật
bb
ARN
α
≤
- Trong đó : A
b
- diện tích vùng bê tông chòu nén
• Khi

0
R
x
h
ξ ξ
= ≤
'
0 0
( 0.5 ) ( ')
b sc s
Ne R bx h x R A h a≤ − + −
bxRARARN
bsscss
=−+
'
• Khi
R
h
x
ξξ
>=
0
: đối với cấu kiện làm từ bê tông có cấp nhỏ hơn hoặc bằng B30, cốt thép
nhóm CI, A-I, CII, A-II, CIII, A-III, x được xác đònh theo công thức :
bxRARAN
bsscss
=−+
'
σ
; với

s
R
s
R
hx








−
−
−
=
1
1
/1
2
0
ξ
σ
Khi tính toán cấu kiện chòu nén lệch tâm, cần xét đến ảnh hưởng của độ cong (khi độ mảnh
l/h
o
>8) đến độ bền, được xác đònh theo điều kiện (36), (40), (65) bằng cách nhân e
0
với hệ số η.

- Tính
,
1 (1 )
1.1
R
sR
sc u
ω
ξ
σ
ω
σ
=
+ −
0.623
R
ξ
→ =
( tra bảng )
- Tính
0
x
h
ξ
=
- Với chiều cao vùng chòu nén x được xác đònh từ công thức :
bxRARARN
bsscss
=−+
'

SVTH : Võ Duy Trung - 74 -
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
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 trò 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 trò :
-
Cấu kiện
chòu
moment
M3 gây uốn, lực cắt V2 và lực dọc P gây kéo :
+
2
R
b o
M
R bh
α α
= ≤
;
1 1 2
ξ α

= − −
;
s b o s
A R bh R
ξ
=
;

min
0.05%
µ
=
;

max
5%
µ
=
M
(kNm)
α
ξ
s
A
(cm
2
)
s
A
chọn

s
o
A chon
bh
µ
=
Þ
s
A
46.2196 0.100 0.105 4.800 4Φ14 6.156 0.555
SVTH : Võ Duy Trung - 75 -
Axial Force
(kN)
Shear 2-2
(kN)
Moment 3-3
(kNm)
P V2+ V2- M3+ M3-
49.605 42.262 -29.589 46.2196 -49.7127
Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
49.7127 0.107 0.114 5.186 4Φ14 6.156 0.555
- Kiểm tra kích thước tiết diện dầm :
0 0 max
0.35 11281.5 0.3 0.37 438.29 42.262
b
k R bh kN Q kN
= × × × = > =
→

Nên không thay đổi kích thước tiết diện dầm
- Kiểm tra điều kiện lực cắt :
1 0 max
0.6 882.9 0.3 0.37 58.8 42.262
bt
k R bh kN Q kN
= × × × = > =
→
Bố trí cốt đai theo cấu tạo : Þ8a200
- Kiểm tra khả năng chòu lực kéo của dầm :
5 4
,
49.605 2.747 10 6.156 10 169.1
s s tot
N R A kN kN
−
≤ ⇔ ≤ × × × =
• Bố trí cốt thép cho dầm nắp :
Hình 5.3 : Cốt thép dầm nắp
• Nhận xét : Ta nhận thấy dầm chủ yếu chòu uốn do trọng lượng bản thân và tải trọng từ sàn nắp
bể truyền xuống, dầm cũng chòu kéo do áp lực nước tác dụng lên thành bể. Moment M22 có
nhưng khá nhỏ, không đáng kể. Moment M33 lớn tại nhòp gần tường do phải chòu tải trọng từ
sàn nắp bể và áp lực nước tác dụng 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 trò nội lực max ( xét trong tất cả các trường hợp )
SVTH : Võ Duy Trung - 76 -

Chương 5 : Tính toán kết cấu bể chứa
GVHD : Th.S Đặng Quốc Dũng
Lực dọc P (Axial Force) Lực cắt V2(Shear Force 2-2) Moment M3 (Moment 3-3)
• Giá trò :
Axial Force
(kN)
Shear 2-2
(kN)
Moment 3-3
(kNm)
P V2+ V2- M3+ M3-
-25.437 68.57 -69.947 110.3089 -32.2091
- Cấu kiện chòu moment M3 gây uốn, lực cắt V2 và lực dọc P gây nén :
+
2
R
b o
M
R bh
α α
= ≤
;
1 1 2
ξ α
= − −
;
s b o s
A R bh R
ξ
=

;

min
0.05%
µ
=
;

max
5%
µ
=
M
(kNm)
α
ξ
s
A
(cm
2
)
s
A
chọn (cm
2
)
s
o
A chon
bh

µ
=
Þ
s
A
110.309 0.148 0.160 9.289 4Φ18 10.18 0.722
32.2091 0.043 0.044 2.551 2Φ14 3.078 0.218
- Kiểm tra kích thước tiết diện cột :
0 0 max
0.35 11281.5 0.3 0.47 556.74 69.947
b
k R bh kN Q kN
= × × × = > =
SVTH : Võ Duy Trung - 77 -