LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

CÔNG TY TNHH KẾT CẤU WEFLY

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU
ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

PHẦN 1:
KẾT CẤU MÓNG ỐNG KHÓI

HÀ NỘI, 2017


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

MỤC LỤC

1.

2.

3.

4.

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN ...................... 2
1.1.

Các bước thiết kế móng cho ống khói.................................................................................. 2

1.2.

Tiêu chuẩn và tài liệu liên quan ........................................................................................... 2

TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC ................................................................................. 3
2.1.

Tính toán sức chịu tải theo Vật liệu ..................................................................................... 3

2.2.

Tính toán sức chịu tải theo Nền đất ..................................................................................... 4

XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG VÀ BỐ TRÍ MẶT BẰNG CỌC ......................................................... 6
3.1.

Xác định số lượng cọc trong đài .......................................................................................... 6

3.2.

Bài toán cọc chịu nén - uốn - cắt đồng thời.......................................................................... 6

3.3.

Các yêu cầu về cấu tạo cọc .................................................................................................. 6

3.3.1.

Khoảng cách giữa các cọc ............................................................................................ 6

3.3.2.

Cốt thép dọc................................................................................................................. 7

3.3.3.

Cốt thép đai.................................................................................................................. 7

THIẾT KẾ ĐÀI CỌC................................................................................................................. 8
4.1.

Giả thiết tính toán................................................................................................................ 8

4.2.

Tính toán cốt thép đài cọc theo TCVN 10304:2014 ............................................................. 8

4.3.

Bố trí cốt thép chịu uốn ..................................................................................................... 10

4.4.

Tính toán chống chọc thủng cho đài cọc ............................................................................ 10

4.5.

Tính toán chống cắt cho đài cọc ........................................................................................ 11

4.6.

Tính toán cốt thép đài cọc theo phương pháp Dàn ảo (ACI 318-08)................................... 11

4.6.1.

Tổng quan về Dầm cao và mô hình Dàn ảo ................................................................ 11

4.6.2.

Sơ đồ tính toán cho bài toán cụ thể ............................................................................. 12

4.6.3.

Tính toán cốt thép ...................................................................................................... 13

4.7.

Các yêu cầu về cấu tạo đài cọc .......................................................................................... 13

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


1


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

1.1. Các bước thiết kế móng cho ống khói


Bước 1: Thu thập dữ liệu đầu vào, bao gồm:
-

Tải trọng tác dụng lên móng ống khói

-

Tài liệu khảo sát địa chất



Bước 2: Tính toán sức chịu tải của cọc



Bước 3: Tính toán số lượng cọc và Bố trí mặt bằng cọc



Bước 4: Tính toán cốt thép đài cọc

1.2. Tiêu chuẩn và tài liệu liên quan
[1] TCVN 10304:2014 - Móng cọc - Tiêu chuẩn thiết kế
[2] TCVN 5574:2012 - Kết cấu Bê tông và Bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế
[3] ACI 318-08 - Kết cấu Bê tông - Tiêu chuẩn thiết kế (Tiêu chuẩn Mỹ)
[4] GS. Nguyễn Đình Cống - Thực hành tính toán cấu kiện Bê tông cốt thép
[5] Phạm Huy Chính - Tính toán móng công trình

[6] GS. Nguyễn Văn Quảng - Nền móng và tầng hầm nhà cao tầng

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


2


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

2. TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC
Sức chịu tải theo Vật liệu và theo Nền đất được xác định theo TCVN 10304:2014
2.1. Tính toán sức chịu tải theo Vật liệu
Các căn cứ:


Mục 7.1.7 TCVN 10304:2014: Tính toán cọc và đài cọc theo cường độ vật liệu cần tuân theo
các yêu cầu của các tiêu chuẩn hiện hành về kết cấu bê tông, bê tông cốt thép



Mục 7.1.8 TCVN 10304:2014: Đối với mọi loại cọc, khi tính toán theo cường độ vật liệu, cho
phép xem cọc như một một thanh ngàm cứng trong đất tại tiết diện nằm cách đáy đài một
khoảng l1 (công thức xác định l1 sẽ được trình bày cụ thể ở các mục sau)



Mục 7.1.9 TCVN 10304:2014: Khi tính cọc đóng hoặc ép nhồi, cọc khoan nhồi và barrette

theo cường độ vật liệu, cường độ tính toán của bê tông phải nhân với hệ số điều kiện làm việc

cb = 0.85 kể đến việc đổ bê tông trong khoảng không gian chật hẹp của hố và ống vách, và
nhân với hệ số 'cb = 0.7 kể đến phương pháp thi công khi thực hiện việc khoan và đổ bê tông
vào lòng hố khoan dưới dung dịch khoan hoặc dưới nước chịu áp lực dư
Các bước tính toán cụ thể
Bước 1

Lựa chọn vật liệu và xác định các đặc trưng của vật liệu:
Rb - Cường độ chịu nén tính toán của bê tông - Bảng 13 TCVN 5574:2012
Rs, Rsc - Cường độ chịu kéo và chịu nén tính toán của cốt thép - Bảng 21 TCVN
5574:2012

Bước 2

Lựa chọn kích thước tiết diện cọc và xác định các thông số hình học:
U - Chu vi tiết diện cọc
A - Diện tích tiết diện cọc

Bước 3

Bố trí cốt thép cọc và xác định thông số tính toán (xem thêm Các yêu cầu về cấu tạo cọc):
As - Diện tích cốt thép cọc

Bước 4

Xác định chiều dài quy ước l1 của cọc:
l1 = 2/ae
Trong đó:
√

k - hệ số tỉ lệ, đơn vị kN/m4, phụ thuộc vào nền đất xung quanh cọc, xem bản A.1
bp - bề rộng quy ước của cọc, đơn vị m, bp = d + 1 khi đường kính thân cọc d  0.8m, bp =
1.5d + 0.5 khi d > 0.8

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


3


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

c - hệ số điều kiện làm việc, c = 3 đối với cọc độc lập
E - mô đun đàn hồi của vật liệu làm cọc, đơn vị kPa
I - mô men quán tính của tiết diện cọc, đơn vị m4 ; đối với cọc tròn I = r4/4

Bước 5

Xác định chiều dài làm việc lo của cọc: sơ đồ một đầu ngàm 1 đầu ngàm trượt
lo = l1

Bước 6

Xác định độ mảnh  của cọc
√
Trong đó A và I lần lượt là diện tích tiết diện và mô men quán tính của cọc, đối với tiết
diện tròn  = 2lo/r

Bước 7

Xác định hệ số uốn dọc 
 = 1.028 - 0.00002882 - 0.0016

Bước 8

Xác định sức chịu tải trọng nén dọc trục theo vật liệu của cọc Rm
Rm = (cb'cb (A - As)Rb + AsRs)

2.2. Tính toán sức chịu tải theo Nền đất
Căn cứ: Phụ lục G.3.2 Xác định sức chịu tải theo Công thức của Viện kiến trúc Nhật Bản
Sức chịu tải cực hạn xác định theo công thức:
Rc,u = qbAb + u(fc,ilc,i + fs,ils,i)
Trong đó:
Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


4


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Ab và u lần lượt là diện tích và chu vi tiết diện cọc
lc,i là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất dính thứ i
ls,i là chiều dài đoạn cọc nằm trong lớp đất rời thứ i
qb là cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc


Khi mũi cọc nằm trong lớp đất rời: qb = 300Np đối với cọc đóng, và qb = 150Np đối với
cọc khoan nhồi



Khi mũi cọc nằm trong lớp đất dính: qb = 9cu đối với cọc đóng, và qb = 6cu đối với cọc
khoan nhồi



Np là chỉ số SPT trung bình trong khoảng 1d dưới mũi cọc và 4d trên mũi cọc



cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất dính, khi không có số liệu sức kháng cắt
không thoát nước cu xác định trên các thí nghiệm cắt đất trực tiếp hoặc thí nghiệm nén ba
trục có thể xác định từ thì nhiệm nén một trục nở ngang tự do (cu = qu/2), hoặc từ chỉ số
SPT trong đất dính cu,i = 6.25Ni tính bằng kPa.

fs,i là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất rời thứ i
fc,i là cường độ sức kháng trung bình trên đoạn cọc nằm trong lớp đất dính thứ i
Đối với cọc đóng fs,i và fc,i xác định như sau:
fs,i = 10Ni/3
fc,i = 6.25pfLNi
Ni là chỉ số SPT trung bình trong lớp đất thứ i
p là hệ số điều chỉnh cho cọc đóng, phụ thuộc tỉ lệ sức kháng cắt không thoát nước cu,i và trị số
trung bình của áp suất pháp hiệu quả thẳng đứng, xác định theo biểu đồ trên hình G.2a
fL là hệ số điều chỉnh theo độ mảnh h/d của cọc đóng, xác định theo biểu đồ trên hình G.2b
Đối với cọc khoan nhồi fs,i và fc,i xác định tương tự như đối với cọc đóng nhưng lấy fL = 1

Hình G.2 - Biểu đồ xác định hệ số p và fL

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


5


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

3. XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG VÀ BỐ TRÍ MẶT BẰNG CỌC
3.1. Xác định số lượng cọc trong đài
Xác định sơ bộ số lượng cọc trong đài theo công thức

Bước 1

nc = k*N/Rcd ,
Trong đó:
- N là tải trọng thẳng đứng tác dụng lên hệ móng
- k là hệ số xác kể đến ảnh hưởng của mô men; có thể lấy k = 1.5 . Do bài toán xác
ống khói là bài toán cụ thể, nên có thể thực hiện tính toán nhiều trường hợp để đưa ra hệ
số k chính xác hơn.
Bước 2

Bố trí sơ bộ mặt bằng cọc. Đài hình tròn có thể bố trí theo một trong hai dạng dưới đây:

Bước 3

Kiểm tra tải trọng đầu cọc, theo [5] đối với đài cọc hình tròn hoặc hình vành khuyên, tải
trọng đầu cọc được xác định theo công thức:
∑
Trong đó rj là khoảng cách từ tâm đài đến tâm mỗi cọc

3.2. Bài toán cọc chịu nén - uốn - cắt đồng thời

3.3. Các yêu cầu về cấu tạo cọc
3.3.1.

Khoảng cách giữa các cọc

Theo mục 8.13 TCVN 10304:2014:


Khoảng cách giữa các tim cọc không bé hơn 1.5*d đối với cọc chống, hoặc 3*d đối với cọc
treo



Khoảng thông thủy giữa các cọc khoan nhồi tối thiểu bằng 1m

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


6


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

3.3.2.

ThS. Hồ Việt Hùng

Cốt thép dọc

Theo [6], hàm lượng tối thiểu của cốt thép trong cọc khoan nhồi như sau:


0.5% đối với cọc có diện tích tiết diện A < 0.5m2



0.25% đối với cọc có diện tích tiết diện A  0.5m2

Cốt thép dọc được bố trí theo chu vi, đường kính   12mm
3.3.3.

Cốt thép đai

Theo [6], cốt thép đai có đường kính từ 6  10mm, khoảng cách 200  300mm, dùng đai đơn hoặc
dạng xoắn
Thép đai tăng cường có đường kính lớn hơn (12 hoặc 14) bố trí với khoảng cách 2m để tăng cứng
cho lồng thép đồng thời để gắn các con kê bảo vệ cốt thép

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


7

THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

4. THIẾT KẾ ĐÀI CỌC
4.1. Giả thiết tính toán
Đài cọc được tính toán dựa trên giả thiết: khi cắt đài ra từng dải vành khuyên với các vết cắt hướng
tâm thì các dải này làm việc độc lập và có thể tính toán như một cấu kiện riêng lẻ.
Trong bài toán này, đài cọc sẽ được cắt thành các dải trong đó mỗi dải chứa một hàng cọc hướng tâm
như trong hình dưới.

4.2. Tính toán cốt thép đài cọc theo TCVN 10304:2014
Theo mục 8.3 của TCVN 10304:2012: "Đài cọc được tính như dầm bê tông cốt thép. Chiều cao của
đài và cốt thép xác định bằng tính thép theo TCVN 5574:2012".
Để xác định mô men trong đài cọc, trước hết cần xác định tải trọng đầu cọc, cũng chính là phản lực
của cọc tác dụng lên đài

Sơ đồ xác định tải trọng đầu cọc
Tải trọng tác dụng lên cọc thứ i được xác định theo công thức:
(

)
∑

Sau khi xác định được tải trọng đầu cọc, tiến hành xác định mô men uốn trong đài cọc. Thực hiện
các mặt cắt I-I và II-II để xác định xác định mô men tại mặt cắt bên trái và bên phải cột.
Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY

8


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Do kích thước cột bé so với kích thước đài cọc, và để thiên về an toàn, có thể coi cánh tay đòn là
khoảng cách từ các cọc đến tâm đài cọc.

Sơ đồ xác định mô men trong đài cọc
Ví dụ với sơ đồ trên, mô men trong đài cọc tại các mặt cắt xác định lần lượt như sau:
MI = P1 * y1 + P2 * y2
MII = P3 * y3 + P4 * y4
Trong trường hợp tổng quát, mô men được xác định bởi công thức M = Pi*yi , với số lượng cọc tính
toán là số cọc ở về một bên tính từ tâm đài cọc.
Sau khi xác định được MI và MII, mô men sử dụng để tính toán cốt thép là Ms = max(MI, MII)
Diện tích cốt thép trong đài cọc, As, được xác định theo TCVN 5574:2012, quy trình như sau:

√

Trong đó:
Rb và Rs lần lượt là cường độ tính toán của bê tông và cốt thép
b là bề rộng của dải tính toán, dải tính toán có bề rộng không đều, thiên về an toán có thể lấy giá
trị bé nhất
ho là chiều cao làm việc của cốt thép, tính từ mép bê tông chịu nén đến trọng tâm của nhóm cốt
thép.
Để đơn giản và cũng thiên về an toàn, có thể áp dụng công thức được đề xuất trong [6], đây là công
thức được sử dụng trong đa số tài liệu về tính toán nền móng:

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


9


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

4.3. Bố trí cốt thép chịu uốn
Sau khi tính toán cốt thép theo mục 4.2, cốt thép có thể bố trí đều trên toàn tiết diện, hoặc bố cắt
theo biểu đồ mô men để tiết kiệm

Sơ đồ xác định mô men trong đài cọc

4.4. Tính toán chống chọc thủng cho đài cọc
Tính toán chống chọc thủng cho đài cọc tuân theo mục 6.2.5.4 của TCVN 5574:2012

Sơ đồ tính toán chọc thủng đài cọc
a) Khi mặt bên của tháp chọc thủng nghiêng 45o
b) Khi mặt bên của tháp chọc thủng nghiêng góc lớn hơn 45o
Đối với bê tông cốt thép thông thường, điều kiện chống chọc thủng của đài cọc được xác định như
sau:
Trong đó:
F là lực chọc thủng, bằng lực dọc chân cột trừ đi phản lực của các đầu cọc nằm trong tháp chọc
thủng; trường hợp không có cọc nào nằm trong tháp chọc thủng thì F = N
Rbt là cường độ chịu kéo tính toán của bê tông
ho là chiều cao làm việc của cốt thép

um là giá trị trung bình của chu vi đáy trên và đáy dưới của tháp, trong trường hợp của bài toán
um = 2b với b là bề rộng của dải tính toán
k hệ số gia tăng khả năng chịu cắt khi tháp chọc thủng nghiêng góc lớn hơn 45o, k = ho/c nhưng
không lớn hơn 2.5

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


10


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Trường hợp điều kiện chống chọc thủng không thỏa mãn, có thể bố trí cốt thép đai vuông góc với
mặt bản trong phạm vi tháp chọc thủng, điều kiện chống chọc thủng khi có mặt của cốt đai được xác
định như sau:
nhưng không được lớn hơn 2Fb
Trong đó
Fb = kRbtumho (xác định như phía trên)
Fsw = RswAsw
Rsw lấy không lớn hơn giá trị chịu cắt tính toán của cốt thép C-I, A-I
Asw là tổng diện tích cốt thép bị tháp chọc thủng cắt qua
4.5. Tính toán chống cắt cho đài cọc
Cần kiểm tra trường hợp đài cọc bị phá hoại do lực cắt chính bẳng tổng phản lực của nhóm cọc ở
một phía của chân cột gây ra, ví dụ như hình bên dưới lực cắt Q = P1 + P2

Sơ đồ tính toán chống cắt cho đài cọc
Đối với bê tông thông thường, khả năng chống cắt của tiết diện đài cọc được xác định theo công

thức:
[ ]
Nhưng giá trị [Q] lấy không lớn hơn 2.5Rbtbho và không bé hơn 0.6Rbtbho
Điều kiện cần thỏa mãn: Q < [Q]
4.6. Tính toán cốt thép đài cọc theo phương pháp Dàn ảo (ACI 318-08)
4.6.1.

Tổng quan về Dầm cao và mô hình Dàn ảo

Dầm cao là dầm có chiều dài nhịp thông thủy nhỏ hơn 4 lần chiều cao dầm.
Dầm cao cần được thiết kế theo mô hình dàn ảo như trình bày dưới đây

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


11


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Trong dầm cao hình thành các thanh chống chịu nén để truyền lực từ vị trí đặt tải trọng đến vị trí gối
đỡ. Các thanh cốt thép đóng vai trò như thanh dàn chịu kéo. Vùng bê tông giao thanh chịu nén và
thanh chịu kéo chính là các nút dàn.

Sơ đồ dàn ảo để tính toán dầm cao
Quá trình tính toán thực hiện theo quy trình:
1. Xác định lực nén và lực kéo trong các thanh dàn
2. Lực nén cần đảm bảo gây ứng suất không vượt quá giá trị giới hạn

3. Lực kéo được sử dụng để tính toán cốt thép
4. Vùng nút dàn được kiểm tra theo điều kiện ứng suất
4.6.2.

Sơ đồ tính toán cho bài toán cụ thể

Trong bài toán tính móng cho ống khói, các cọc chính là các gối đỡ trong sơ đồ dầm cao. Thông
thường có khá nhiều cọc, hệ trở thành hệ siêu tĩnh nên không thể giải bài toán bằng phương pháp
tĩnh học thông thường. Bài toán đòi hỏi phải sử dụng phần mềm phân tích kết cấu, trong đó cọc được
mô hình hóa bằng phần tử gối đàn hồi, như hình dưới đây:

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


12


THIẾT KẾ MÓNG CHO ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Hình ảnh dưới là ví dụ về kết quả phân tích trong phần mềm SAP2000

a)

b)
Hình 4.6.2

4.6.3.

Tính toán cốt thép

Cốt thép được tính toán dựa trên lực kéo, theo công thức
As = T / Rs
Trong đó T là lực kéo trong thanh dàn, Rs là cường độ tính toán của cốt thép
Hình 4.6.2 cho thấy lực kéo lớn trong phạm vi ở gần điểm đặt lực, và bé hơn ở các khu vực bên
ngoài; điều này là tương đồng với sơ đồ tính toán theo mô men nêu trong mục 4.2
4.7. Các yêu cầu về cấu tạo đài cọc
Biên đài cọc đưa ra khỏi mép cọc biên một đoạn tối thiểu là 250mm
Chiều cao đài cọc thông thương lấy tối thiểu bằng: 2D + 10cm trong đó D là đường kính cọc
Thép được bố trí thành các lưới:


Lưới ở đáy đài chịu kéo và bố trí theo tính toán, các thanh thuộc lưới này được bẻ lên một
đoạn > 20 lần đường kính cốt thép



Lưới ở đỉnh đài thường bố trí theo cấu tạo, để chống nứt do co ngót và tăng cường chịu nén
cho bê tông. Mật độ bố trí thông thường khoảng 6cm2/1 mét dài [6]



Lưới ở mặt bên bố trí theo cấu tạo chống nứt do co ngót. Mật độ bố trí thông thường khoảng
6cm2/1 mét dài [6]

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


13

CÔNG TY TNHH KẾT CẤU WEFLY

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU
ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

PHẦN 2:
KẾT CẤU THÂN ỐNG KHÓI

HÀ NỘI, 2017


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

MỤC LỤC

1.

2.

TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN............................................ 2
1.1.

Các bước thiết kế ống khói .................................................................................................. 2

1.2.

Tiêu chuẩn và tài liệu liên quan ........................................................................................... 2

TẢI TRỌNG .............................................................................................................................. 3
2.1.

Tải trọng thường xuyên ....................................................................................................... 3

2.2.

Tải trọng Gió ...................................................................................................................... 3

2.2.1.

Thành phần tĩnh của tải trọng Gió ................................................................................ 4

2.2.2.

Thành phần động của tải trọng Gió .............................................................................. 4

2.2.3.

Tổng hợp tác động của tải trọng Gió ............................................................................ 6

2.3.

Tải trọng Động đất .............................................................................................................. 6

2.4.

Tác dụng do sự thay đổi nhiệt độ ......................................................................................... 7

3.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU ............................................................... 9

4.

KIỂM TRA ĐỘ BỀN VÀ ĐIỀU KIỆN CHUYỂN VỊ .............................................................. 10
4.1.

4.1.1.

Tính toán cốt thép theo TCVN 5574:2012 .................................................................. 10

4.1.2.

Kiểm tra độ bền theo ACI 307-98 .............................................................................. 11

4.2.
5.

Kiểm tra độ bền................................................................................................................. 10

Kiểm tra chuyển vị ............................................................................................................ 13

CÁC YÊU CẦU CẤU TẠO ..................................................................................................... 14

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY

1


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN
1.1. Các bước thiết kế ống khói


Bước 1: Xác định tải trọng tác dụng lên ống khói



Bước 2: Tạo mô hình và phân tích kết cấu bằng phần mềm chuyên dụng (Etabs, Sap)



Bước 3: Kiểm tra độ bền và độ ổn định của ống khói



Bước 4: Các yêu cầu cấu tạo

1.2. Tiêu chuẩn và tài liệu liên quan
[1] TCVN 2737:1995 - Tải trọng và tác động
[2] TCXD 229:1999 - Hướng dẫn xác định thành phần động của tải trọng Gió theo tiêu chuẩn
TCVN 2737:1995

[3] TCVN 9386:2012 - Thiết kế công trình chịu động đất
[4] TCVN 5574:2012 - Kết cấu Bê tông và Bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế
[5] QCVN 02:2009/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu, điều kiện tự nhiên dùng
trong xây dựng
[6] Eurocode 8 (Part 6) - Thiết kế công trình chịu động đất (Phần 6: Tháp, Cột trụ và Ống khói)
[7] ACI 318-08 - Kết cấu Bê tông - Tiêu chuẩn thiết kế (Tiêu chuẩn Mỹ)
[8] ACI 307-98 - Thiết kế và thi công ống khói bê tông cốt thép.

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


2


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

2. TẢI TRỌNG
Các loại tải trọng tác dụng lên ống khói bao gồm


Tải trọng thường xuyên: Tải trọng bản thân của ống khói và các tải trọng khác tồn tại trọng
suốt thời gian thi công và sử dụng



Tải trọng Gió



Tải trọng Động đất



Tác dụng do sự thay đổi nhiệt độ

2.1. Tải trọng thường xuyên
Tải trọng thường xuyên là các tải trọng tồn tại trong suốt thời gian thi công và sử dụng, bao gồm:


Tải trọng bản thân: Trọng lượng bản thân của ống khói, được xác định dựa trên kích thước
hình học và trọng lượng riêng vủa vật liệu làm ống khói (trọng lượng riêng của bê tông cốt
thép thường bằng 25 kN/m3).



Tải trọng thường xuyên khác: bao gồm các đối tượng được gắn trên ống khói, ví dụ cầu
thang, hệ thống kỹ thuật v.v.. Xác định bằng phương pháp thống kê từ hồ sơ kiến trúc và
công nghệ.

2.2. Tải trọng Gió
Tải trọng gió bao gồm thành phần tĩnh và thành phần động.
Ống khói được chia thành n phần theo chiều cao, mỗi phần được giả thiết có khối lượng tập trung
phía trên của đoạn chia. Tải trọng gió được giả thiết là tác dụng tập trung tại các điểm này.

Sơ đồ tính toán của ống khói
Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY

3


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

2.2.1.

ThS. Hồ Việt Hùng

Thành phần tĩnh của tải trọng Gió

Giá trị tính toán của thành phần tĩnh được xác định theo công thức:
Trong đó:
Wo - giá trị của áp lực gió, tra bảng 4.1 của QCVN 02 : 2009/BXD
k - hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao, lấy theo bảng 5 của TCVN 2737:1995,
phụ thuộc độ cao của điểm tính toán và dạng địa hình
c - hệ số khí động, tra bảng 6 của TCVN 2737:1995, phụ thuộc hình dạng và kích thước công
trình
- hệ số độ tin cậy (hay hệ số tầm quan trọng) = 1.37
2.2.2.

Thành phần động của tải trọng Gió

Thành phần động của tải trọng gió phụ thuộc độ cứng, khối lượng và các đặc trưng động học của
công trình.
Công trình trong thực tế có thể dao động phức tạp, và được giả thiết là tổng hợp của các dao động
riêng cơ bản. Quy trình xác định thành phần động của tải trọng gió được tóm tắt như sau:
1. Phân tích giao động, xác định tần số và dạng của các dao động riêng
2. Tính toán lực quán tính tác dụng lên công trình ứng với mỗi dạng dao động riêng - chính là
thành phần động của tải trọng Gió ứng với mỗi dạng dao động riêng

3. Tổng hợp tác động của thành phần động của tải trọng Gió trong các dạng dao động

Các dạng dao động riêng cơ bản của công trình
Giá trị tính toán thành phần động của tải trọng Gió tác dụng lên phần thứ j trong dạng dao động riêng
thứ i được xác định như sau:

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


4


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

W pji 

ThS. Hồ Việt Hùng

M j *  ji * WTj *  ji *  j 

 M

j

*  2ji



* *  i

Trong đó:


Mj : khối lượng của phần thứ j



ji: chuyển vị tỉ đối của tầng thứ j trong dạng dao động riêng thứ i. ji có thể được xác định
bằng các phần mềm phân tích kết cấu, hoặc bằng quy trình được giới thiệu phía dưới.



WTj: giá trị tính toán thành phần tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên tầng thứ j



j: hệ số áp lực động tại cao độ tầng thứ j, phụ thuộc cao độ và dạng địa hình (tra bảng 3 của
TCXD 229:1999)



: hệ số tương quan không gian, phụ thuộc bề rộng đón gió và chiều cao của công trình (tra
bảng 4 của TCXD 229:1999). Lưu ý rằng  = 1 đối với các dạng dao động bậc cao (dạng thứ
2, 3, v.v..).



j: hệ số động lực ứng với dạng dao động thứ j, phụ thuộc tần số dao động và áp lực gió (xem
mục 4.5 của TCXD 229:1999)

Các đặc trưng động học của công trình như tần số dao động riêng hay dạng của dao động (chuyển vị
tỉ đối ji) có thể được xác định bằng các phần mềm phân tích kết cấu hoặc bằng phương pháp gần
đúng được giới thiệu trong phụ lục B, mục B.2.4 của TCXD 229:1999, cụ thể được trình bày dưới
đây.
Đối với công trình dạng ống khói hoặc các công trình tương tự có mặt cắt ngang hình vành khuyên,
tần số dao động riêng có kể đến ảnh hưởng biến dạng của nền, được xác định theo công thức:
fi 

i ro
2 H 2

Eg
q

Trong đó:
fi – là tần số dao động riêng thứ i (Hz);
E – là môđun đàn hồi của vật liệu làm thân ống khói (kN/m2);
H – là chiều cao của ống khói từ đỉnh đến móng (m);
g – là gia tốc trọng trường (m/s2);
q – là trọng lượng thể tích của thân ống khói (kN/m3).
ro – là bán kinh quán tính của tiết diện đáy ống khói (m). ro = (Jo/Fo)
Jo, Fo – là mômen quán tính và diện tích tiết diện đáy ống khói (m4, m2)
λi – là hệ số, ứng với dạng dao động thứ i. Với 3 dạng dao động đầu tiên, λi được xác định theo
các đồ thị hình B.2 của TCXD 229:1999

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


5

THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Lớp lót ống khói thường chỉ làm tăng trọng lượng còn hầu như không ảnh hưởng đến độ cứng của
ống khói, khi đó giá trị q được tính gần đúng theo công thức:

Trong đó:
qth và qL – là trọng lượng thể tích của vật liệu làm thân ống khói và lớp lót (kN/m3)
Fth và FL – diện tích tiết diện ngang của phần thân và phần lớp lót ứng với độ cao trung bình của ống
khói (m2)
Các dạng dao động riêng của ống khói được xác định theo công thức:

3 h j
5 h j 
  hj
sin
 Ai sin
 Bi sin


hj  2H
2H
2H 
1 k
H
1

y ji 

Trong đó:
k = 0.75(JH/Jo - 1)
Ai, Bi – là các hệ số ứng với các dạng dao động riêng , được xác định theo các biểu đồ hình B.3
của TCXD 229:1999. Các hệ số λi, Ai, Bi đối với mỗi dạng dao động phụ thuộc vào các tham số:

2 EJ o
JH H
, ,
Cz Fm H 3
J o ro
JH, Jo – là mômen quán tính của tiết diện đỉnh và đáy ống khói (m4);
E – là mônđun đàn hồi của vật liệu làm thân ống khói (kN/m2);
hj – chiều cao từ đáy ống khói đến điểm đang xét (m);
Fm – diện tích đế móng ống khói (m2);
Cz – là hệ số nền của đất
Ví dụ tính toán thành phần động của tải trọng Gió tác dụng lên ống khói có thể tìm thấy trong mục
D.3 phụ lục D của TCXD 229:1999
2.2.3.

Tổng hợp tác động của tải trọng Gió

Nội lực và chuyển vị của công trình dưới tác dụng của tải trọng gió được xác định theo công thức:
X  Xt 

 X 
n

i 1

d 2
i

Trong đó: Xt là nội lực trong kết cấu do tải trọng gió thành phần tĩnh, Xid là nội lực trong kết cấu do
thành phần động của tải trọng gió trong dạng dao động thứ i.
2.3. Tải trọng Động đất
Tải trọng động đất được xét đến dưới dạng lực cắt đáy Fb xác định như sau:
Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


6


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Fb = Sd(T1) * m
Tải trọng tác dụng lên từng phần của công trình được xác định theo công thức:
∑

Trong các công thức trên:
mi , zi - lần lượt là khối lượng và cao độ của các phần công trình.
m tổng khối lượng phía trên mặt móng
T1 - chu kỳ dao động cơ bản của công trình, xác định tương tự mục 2.2.2
Sd(T1) - tung độ của phổ thiết kế tại chu kỳ T1
Phổ thiết kế Sd(T) được xác định như sau:
Khi 0  T  TB

:

( )

Khi TB  T  TC

:

( )

Khi TC  T  TD

:

( )

Khi TD  T

:

( )

[

(

)]

Tuy nhiên giá trị Sd(T) không bé hơn  * ag là cận dưới của phổ thiết kế,
Trong các công thức xác định Sd(T):
ag - gia tốc nền thiết kế trên nền loại A; ag = I*agR

agR - đỉnh gia tốc nền tham chiếu trên nền loại A, tra bảng 6.1 của QCVN 02:2009/BXD
I

- hệ số tầm quan trọng, = 1.25

S, TB, TC, TD - lần lượt là hệ số nền và các tham số xác định phổ, phụ thuộc vào loại nền đất
Loại nền đất

S

TB (s)

TC (s)

TD (s)

A

1.0

0.15

0.4

2

B

1.2

0.15

0.5

2

C

1.25

0.20

0.6

2

D

1.35

0.20

0.8

2

E

1.4

0.15

0.5

2

Tiêu chí phân loại nền đất được cho trong bảng 3.1 của TCVN 9386:2012
2.4. Tác dụng do sự thay đổi nhiệt độ
Theo ACI 307-98, tác dụng do sự thay đổi nhiệt độ có thể kể đến bằng cách giảm cường độ tính toán
của bê tông và cốt thép. Mục 5.5.7 của tiêu chuẩn này quy định như sau:
Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


7


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

Đối với các trường hợp có kể đến tác động của nhiệt độ, giá trị fy và fc' (cường độ của cốt thép và của
bê tông) được hiệu chỉnh theo các công thức:
Thay thế fy và fc' bằng:
(

)

Trong các công thức trên:
f''CTV và f''STV lần lượt là ứng suất lớn nhất theo phương đứng của bê tông và cốt thép xuất hiện
trong mặt trong của ống khói dưới tác dụng của nhiệt độ

fSTV - ứng suất lớn nhất theo phương đứng của cốt thép xuất hiện ở mặt ngoài của ống khói dưới
tác dụng của nhiệt độ
1

- tỉ số giữa diện tích cốt thép ở mặt trong và mặt ngoài của ống khói

Các giá trị f''CTV , f''STV và fSTV được xác định theo các công thức:
(
(

)
)

Trong đó:
te - Hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông và cốt thép
Ec, Es - Mô đun đàn hồi của bê tông và của cốt thép
c - hệ số phụ thuộc hàm lượng cốt thép
2

- tỉ số của khoảng cách từ mặt trong của ống khói tới trọng tâm của cốt thép mặt ngoài ống

khói với chiều dày của thành ống.
Các quy định tính toán cụ thể xem thêm tiêu chuẩn ACI 307:98

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


8

THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU
Kết cấu có thể được mô hình hóa chính xác bằng phần mềm phần tích kết cấu chuyên dụng để thu
được kết quả chính xác về nội lực và chuyển vị. Hoặc được tính toán bằng sở đồ thanh công xôn
ngàm tại mặt móng theo các công thức cho trong bộ môn Cơ học kết cấu.

Sơ đồ tính toán của ống khói

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


9


THIẾT KẾ ỐNG KHÓI DỰ ÁN NHIỆT ĐIỆN

ThS. Hồ Việt Hùng

4. KIỂM TRA ĐỘ BỀN VÀ ĐIỀU KIỆN CHUYỂN VỊ
4.1. Kiểm tra độ bền
TCVN 5574:2012 có đề cập đến việc tính toán kiểm tra độ bền cho tiết diện hình vành khuyên, chính
là cấu kiện dạng ống giống như ống khói. Tuy nhiên TCVN 5574:2012 không đề cập đến việc tính
toán hay cấu tạo cho trường hợp có mở cửa.
ACI 307:98 có đề cập chi tiết các trường hợp tính toán trong đó bao gồm cả các trường hợp khác
nhau của lỗ cửa. Tuy nhiên khi áp dụng hệ thống ACI có nhiều điểm khác so với TCVN.
4.1.1.

Tính toán cốt thép theo TCVN 5574:2012

Đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm tiết diện vành khuyên có tỷ số giữa bán kính trong và bán kính
ngoài r1/r2 ≥ 0.5, cốt thép phân bố đều theo chu vi (số thanh cốt thép dọc không nhỏ hơn 6), việc tính
toán cần được tiến hành theo điều kiện:
(

)

(40)

trong đó, diện tích tương đối của bê tông vùng chịu nén được xác định từ công thức:
(

)
(

)

(41)

Nếu kết quả tính toán theo công thức (41) cho thấy giá trị cir < 0.15, thì trong công thức (40) giá trị
cir được xác định theo công thức:
(

)

(42)

trong đó, giá trị s và zs được xác định theo công thức (43) và (44) với cir = 0.15.

Trong các công thức từ (40) đến (42):
rm là giá trị trung bình của bán kính trong và bán kính ngoài của tiết diện;
rs là bán kính đường tròn đi qua trọng tâm cốt thép;
As,tot là diện tích toàn bộ tiết diện cốt thép dọc;

s là hệ số, xác định theo công thức:
s = 1 - 2 cir

(43)

zs là khoảng cách từ hợp lực của cốt thép chịu kéo đến trọng tâm tiết diện được xác định theo
công thức (44) nhưng lấy không lớn hơn rs:
(

)

(44)

sp là ứng suất trước trong cốt thép, khi không có ứng suất trước sp = 0
ω1 là hệ số, xác định theo công thức:

Công ty TNHH Kết Cấu WEFLY


10