Kiến trúc xây dựng - Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm

Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 49 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỒ NƯỚC NGẦM ----- o0o ----- 4.1. CẤU TẠO VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU:  Công trình có 2 hồ nước ngầm: phục vụ nhu cầu sinh hoạt và nước chữa cháy, được bố trí ở vị trí giao giữa trục A-B và trục 3-5.  Mỗi hồ kích thước: 8.5 x 6.25 x 4.5m  Chọn chiều dày sơ bộ của bản thành và bản vách là 250mm, bản đáy 300mm, dầm đáy 400x600mm.  Mực nước cao nhất trong hồ là 3m.  Hồ nước được làm bằng vách bê tông cốt thép chịu lực toàn khối, truyền tải xuống các dầm đáy. Mặt bằng hồ nước ngầm Mặt cắt hồ nước ngầm Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 50 4.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CẤU KIỆN: 4.2.1. Bản nắp, dầm nắp: Vì bản nắp và dầm nắp chính là dầm và sàn tầng 1 của công trình nên được tính toán và bố trí theo cách tính sàn tầng. Vì vậy không tính riêng cho hồ nước. 4.2.2. Bản thành: (Tính bản vách ngoài trục A) a. Bản vách ngoài (8.5x4.5m) Trường hợp bể đầy nước và chưa có đất đắp xung quanh (thử tải) Tải trọng: 2/450015.41000 mkgnhp nnn   Sơ đồ tính và nội lực: Bỏ qua trọng lượng bản thân kết cấu, xét tỉ số cạnh dài trên cạnh ngắn: α= 9.1 5.4 5.8 1 2  L L => thiên về an toàn và cũng dễ tính toán ta xem vách như bản 1 phương để tính. Cắt dải bản 1m tính như cấu kiện chịu uốn sơ đồ như sau: Sơ đồ tính Momen Tính thép: Giá trị tính toán: Chọn a = 7  h0 = h - a = 25 – 7 = 18cm. Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 51 Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Thép CIII có: Rs = Rsc = 3650 kg/cm 2, 405.0;563.0  RR  Từ M tính: 2 ob m hbR M   ; )211(5.0 m  ; 0hR M A s s    Momen Giá trị M ho b Rb Rs m  As Chọn thép As  (daN.cm) (cm) (cm) (MPa) (MPa) (cm2)  a (mm) chọn Gối 606153 18.0 100 14.5 365 0.129 0.931 9.91 14 150 10.26 0.57 Nhịp 267839 18.0 100 14.5 365 0.057 0.971 4.20 12 200 5.66 0.31 Trường hợp bể được đắp đất xung quanh và không chứa nước Chỉ tiêu cơ lý của đất nền LỚP ĐẤT Lực dính C (kg/cm2) Góc ma sát trong φ (độ) Dung trọng ướt (T/m3) Dung trọng đẩy nổi (T/m3) Độ ẩm (%) I I I I I CL1 0.0663 1.732 1.538 0.550 80.64 CL2 0.0806 5.442 1647 0.667 54.74 CH 0.6598 18.531 1.898 0.913 33.11 CL3 0.6107 12.700 1.945 0.956 30.66 Tải trọng: ta dùng đất CL1 để tính đất đắp xung quanh bể nước Mực nước ngầm ở cao trình -0.95m so với mặt đất tự nhiên (ta quy ước cost mặt sân hoàn thiện bằng mặt đất tự nhiên) + Tải tạm thời trên mặt đất, lấy qtth = 1 T/m 2 và được quy ra chiều cao tương đương, ta coi như tải của 1 lớp đất có chiều cao tương đương: m q h đ tth tđ 65.0 1538 1000   - Áp lực đất ở đỉnh vách: do chiều cao htđ < 1m, ta chọn vị trí đỉnh vách áp lực bằng 0. - Áp lực đất vị trí mực nước ngầm: 200 1 /3104 2 453.16.11538 2 45 mkgtgtgnhP dd                Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 52 - Áp lực đất tại chân vách: + Áp lực P0 của lớp đất có chiều dày H1 kể từ mặt đất tương đương tới mực nước ngầm   2000 /3104 2 732.1 453.195.065.01538 2 45 mkgtgtgnhp d                + Áp lực nước ngầm tác dụng lên thành bể: 2/28051.155.21000 mkghp nn   + Áp lực đẩy nổi trong nước tác dụng lên thành bể: 200 /1769 2 453.155.2550 2 45 mkgtgtgnhp đnđn                 Tổng tải trọng tác dụng tại chân bể nước: 2 2 /7678280517693104 mkgpppP nđnod  Sơ đồ tính và nội lực: Tải trọng Momen Tính thép: Giá trị tính toán: Chọn a = 7  h0 = h - a = 25 – 7 = 18cm. Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Thép CIII có: Rs = Rsc = 3650 kg/cm 2, 405.0;563.0  RR  Từ M tính: Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 53 2 ob m hbR M   ; )211(5.0 m  ; 0hR M A s s    Momen Giá trị M ho b Rb Rs m  As Chọn thép As  (daN.cm) (cm) (cm) (MPa) (MPa) (cm2)  a (mm) chọn Gối 999570 18.0 100 14.5 365 0.191 0.893 15.34 14 100 15.39 0.86 Nhịp 441919 18.0 100 14.5 365 0.094 0.951 7.08 14 200 7.70 0.43  Tổng hợp: Chọn giá trị thép lớn nhất trong 2 trường hợp trên để bố trí: - Thép dọc 2 lớp: Ø14a100 - Thép ngang theo cấu tạo: Ø12a200 Kiểm tra nứt: Kiểm tra điều kiện hình thành vết nứt theo công thức sau: Mr  Mcrc Trong đó:  Mr – momen do ngoại lực nằm ở một phía tiết diện đang xét đối với trục song song với trục trung hòa và đi xa điểm lõi cách xa vùng chịu kéo của tiết diện này hơn cả;  Mcrc – momen chống nứt của tiết diện thẳng góc với trục dọc cấu kiện khi hình thành vết nứt, được xác định theo công thức: Mcrc = Rbt,ser.Wpl + Mrp  Với cấu kiện không ứng lực trước Mrp =0;  Wpl – momen kháng uốn của tiết diện đối với thớ chịu kéo ngoài cùng có xét đến biến dạng không đàn hồi của bêtông vùng chịu kéo, theo 7.1.2.6 TCVN 356-2005:  '2 bo so so pl bo I I I W S h x       Với: +x – khoảng cách từ trục trung hòa đến mép chịu nén +Ibo, Iso, Iso ’ – lần lượt là momen quán tính đối với trục trung hòa của diện tích vùng bê tông chịu nén, của diện tích cốt thép chịu kéo và của diện tích cốt thép chịu nén. +Sbo – momen tĩnh đối với trục trung hòa của diện tích vùng bê tông chịu kéo. +Vị trí trục trung hòa x được xác định theo điều kiện: Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 54 +S’b0 – momen tĩnh của vùng chịu nén đối với trục trung hòa. +SS0, S ’ S0 – momen tĩnh của diện tích cốt thép chịu kéo và cốt thép chịu nén đối với trục trung hòa. ' ', , ,f f f fh h b b - chiều cao, bề rộng cánh trên dưới của tiết diện chữ I với tiết diện chữ nhật ' '0, 0, 0, 0f f f fh h b b    Ta có: 3 3x bIbo  ;   2 0 xhAI sso   2'0'' ahAI sso    2 2 xh bSbo   ; 0hx    2 '' bt soso Axh SSS bo        '' '' 2 ' 12 5.0 12 1 ffred sf f hbbA A h a bb h h bh                  Kết quả kiểm tra được thể hiện ở bảng sau: Vị trí Thớ ngoài Thớ trong M (daN.cm) 999570 606153 b(cm) 100 100 h(cm) 25 25 a (cm) 7 7 a’ (cm) 7 7 h0 (cm) 18 18 As (cm 2) 15.39 15.39 A's (cm 2) 15.39 15.39 Es (Mpa) 200000 200000 Eb (Mpa) 30000 30000 Rbt,ser (Mpa) 1.6 1.6 Rb,ser (Mpa) 18.5 18.5 α 6.67 6.67 x=.h0 (cm) 9 9 Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 55 Ibo (cm 4) 25881 25881 Iso (cm 4) 1194 1194 I'so (cm 4) 1862 1862 Sbo (cm 3) 12496 12496 Wpl (cm 3) 18348 18348 Mcrc (daN.cm) 2935691 2935691 Kết luận Không nứt Không nứt Kết luận: không nứt b. Bản vách ngang (6.25x4.5m) Tải trọng: Tải trọng lớn nhất khi thử tải, tức bể chứa đầy nước. 2/450015.41000 mkgnhp nnn   2 21 /63281 2 1 mkgllpP n  Sơ đồ tính và nội lực: Bỏ qua trọng lượng bản thân kết cấu. Xét tỉ số cạnh dài trên cạnh ngắn: 39.1 5.4 25.6 1 2  L L => Bản hai phương Sơ đồ tính l2/l1 α1 α2 β1 β2 1.0 0.0194 0.0216 0.0588 0.0502 Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 56 1.1 0.0211 0.0198 0.0614 0.0480 1.2 0.0228 0.0178 0.0633 0.0435 1.3 0.0243 0.0153 0.0644 0.0418 1.4 0.0257 0.0132 0.0650 0.0396 1.5 0.0271 0.0120 0.0652 0.0357 Bản thành được tính như ô bản 2 phương, chịu tải trọng tam giác. Moment được tính như sau: mkgPM .1620632810256.011  mgPM .848632810134.022  mkgPM I .4107632810649.01   mkgPM II .2519632810398.02   Tính thép: Giá trị tính toán: Chọn a = 7 h0 = h - a = 25 – 7 = 18cm. Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Thép CIII có: Rs = Rsc = 3650 kg/cm 2, 405.0;563.0  RR  Từ M tính: 2 ob m hbR M   ; )211(5.0 m  ; 0hR M A s s    Momen Giá trị M ho b Rb Rs m  As Chọn thép As  (daN.cm) (cm) (cm) (MPa) (MPa) (cm2)  a (mm) chọn M1 162000 18.0 100 14.5 365 0.034 0.982 2.51 10 200 3.93 0.22 M2 84800 18.0 100 14.5 365 0.018 0.991 1.30 10 200 3.93 0.22 MI 410700 18.0 100 14.5 365 0.087 0.954 6.55 14 200 7.70 0.43 MII 251900 18.0 100 14.5 365 0.054 0.972 3.94 12 200 5.66 0.31  Tổng hợp: Giá trị thép tính được tương đối nhỏ, vì thế thiên về an toàn ta bố trí thép như thép bản vách ngoài trục A (ô bản 8.5x4.5m) Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 57 4.2.3. Bản đáy: Cấu tạo bản đáy Vật liệu Trọng lượng riêng (kg/m3) Chiều dày (m) Hệ số vượt tải Tải trọng tính toán (kg/m2) -Xi măng B5 quét 2 lớp,Vữa xi măng B5 trộn Sika dày 3cm 2000 0.03 1.1 66 -Sàn bê tông cốt thép dày 30cm 2500 0.3 1.1 825 -Mực nước cao nhất 3m 1000 3 1 3000 Tổng 3891 a. Trường hợp bể đầy nước  Nhịp tính toán: L1 = 6.25m ; L2 = 8.5m Khi đó: α = l2/l1 = 8.5/6.25 = 1.36  Tải trọng: P = q x l1 x l2 = 3891x6.25x8.5 = 211491 kg  Sơ đồ tính: bản đáy được tính như ô sàn đơn 4 cạnh ngàm theo sơ đồ số 9 Số hiệu ô sàn Cạnh ngắn L1 (m Cạnh dài L1 (m) α m91 Hoạt Tĩnh P M1 m92 tải tải M2 k91 ptt gtt MI k92 MII daN/m2 daN/m2 (daN.m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Đầy nước 6.25 8.5 1.36 0.0210 3000 891 206709 4341 0.0113 2344 0.0454 9380 0.0258 5325  Nội lực và tính thép: Giá trị tính toán: Chọn a = 7  h0 = h - a = 30 – 7 = 23cm. Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 58 Thép CIII có: Rs = Rsc = 3650 kg/cm 2, 405.0;563.0  RR   Từ M tính: 2 ob m hbR M   ; )211(5.0 m  ; 0hR M A s s    Momen Giá trị M ho b Rb Rs m  As Chọn thép As  (daN.cm) (cm) (cm) (MPa) (MPa) (cm2)  a (mm) chọn 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 M1 434090 21.0 100 14.5 365 0.068 0.965 5.87 12 150 7.54 0.36 M2 234408 19.0 100 14.5 365 0.045 0.977 3.46 12 200 5.66 0.30 MI 938047 21.0 100 14.5 365 0.147 0.920 13.30 14 100 15.39 0.73 MII 532483 21.0 100 14.5 365 0.083 0.956 7.26 14 200 7.70 0.37 b. Trường hợp chưa có nước Mực nước ngầm ở cao trình -0.95m so với mặt sân hoàn thiện Áp lực đẩy nổi tác dụng lên đáy sàn nhà xem như phần hoạt tải khi tính toán. Lực đẩy nổi được tính như sau: 2/28051.155.21000 mkgnhp dn   Trọng lượng bản thân của bản đáy: 2/891 mkgq bd  Hai tải trọng này có chiều ngược nhau, thiên về an toàn nên không xét qbd  Tải trọng: P = (gtt+ptt) x l1 x l2 = 2805x6.25x8.5 = 149016kg  Sơ đồ tính: bản đáy được tính như ô sàn đơn 4 cạnh ngàm theo sơ đồ số 9 Số hiệu ô sàn Cạnh ngắn L1 (m Cạnh dài L1 (m) α m91 Hoạt Tĩnh P M1 m92 tải tải M2 k91 ptt gtt MI k92 MII daN/m2 daN/m2 (daN.m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Không nước 6.25 8.5 1.36 0.0210 2805 0 149016 3129 0.0113 1690 0.0454 6762 0.0258 3839 Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 59  Nội lực và tính thép: Giá trị tính toán: Chọn a = 7  h0 = h - a = 30 – 7 = 23cm. Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Thép CIII có: Rs = Rsc = 3650 kg/cm 2, 405.0;563.0  RR   Từ M tính: 2 ob m hbR M   ; )211(5.0 m  ; 0hR M A s s    Momen Giá trị M ho b Rb Rs m  As Chọn thép As  (daN.cm) (cm) (cm) (MPa) (MPa) (cm2)  a (mm) chọn 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 M1 312933 23.0 100 14.5 365 0.041 0.979 3.81 12 200 5.66 0.25 M2 168984 22.0 100 14.5 365 0.024 0.988 2.13 10 200 3.93 0.18 MI 676233 23.0 100 14.5 365 0.088 0.954 8.45 14 150 10.26 0.45 MII 383864 23.0 100 14.5 365 0.050 0.974 4.69 12 200 5.66 0.25 Cốt thép bản đáy được bố trí 2 lớp, ta chọn giá trị lớn nhất trong 2 trường hợp trên để bố trí như sau: Lớp dưới: phương ngắn: Ø12a150 Phương dài : Ø12a200 Lớp trên: phương ngắn: Ø14a100 Phương dài : Ø14a200 c. Kiểm tra võng bản đáy 1 200 l l f f        Độ võng của bản ngàm bốn cạnh được xác định theo công thức sau: D a q 4 ..  Trong đó α là hệ số phụ thuộc vào tỉ số (L2/L1) của ô bản: Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 60 L2/L1 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 α 0.00126 0.00150 0.00172 0.00191 0.00207 Ta có: L2/L1= 8.5/6.25 = 1.36 tra bảng được α = 0.00206 q = 3891 kg/m2 ; a = L1 = 6.25 m Ta có:   10 2 33 2 3 1003125.7 2.0112 3001030 )1(12        hE D b Với: Eb = 30.10 3 MPa; h = 300mm; µ =0,2 Độ võng của ô bản:   cmfmm D a q 5.27.1 10.03125.7 625 10389100206.0.. 10 4 4 4   Kết luận: độ võng của bản đáy nằm trong giới hạn cho phép. Kết luận: thép bản thành được bố trí như sau: Lớp dưới: phương ngắn: Ø12a150 Phương dài : Ø12a200 Lớp trên: phương ngắn: Ø14a100 Phương dài : Ø14a200 4.2.4. Dầm đáy. a. Hệ dầm đáy và sơ đồ truyền tải: Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 61 b. Tải trọng tác dụng lên dầm đáy: Dầm D1 gồm: Trọng lượng bản thân:     mkgnbhhg dsđd /3301.125004.03.06.01   Trọng lượng thành hồ:   mkgnhbg ttt /22691.1250026.05.425.0   Tải do bản đáy truyền vào: mkg l qkqp tđ /2644 2 25.6 1086779.0 2 1 1  Với q là tải bản đáy có xét đẩy nổi: 108628053000891  đnhtbđ qqqq k là hệ số quy đổi được tính theo công thức sau:     779.0368.0368.02121 3232  k 368.0 5.82 25.6 2 2 1      l l  Tổng tải tác dụng lên dầm D1: mkgpggG t /524326442269330111  Dầm D2 gồm: Trọng lượng bản thân:     mkgnbhhg dsđd /3301.125004.03.06.02   Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 62 Trọng lượng thành hồ:   mkgnhbg ttt /22691.1250026.05.425.0   Tải do bản đáy truyền vào: mkg l qqp tđ /2121 2 25.6 1086 8 5 28 5 1 2  Tổng tải tác dụng lên dầm D2: mkgpggG t /472021212269330222  Dầm D3 gồm: Trọng lượng bản thân:     mkgnbhhg dsđd /3301.125004.03.06.03   Trọng lượng thành hồ:   mkgnhbg ttt /22691.1250026.05.425.0   Tải do bản đáy truyền vào: mkg l qqp tđ /4242 2 25.6 1086 8 5 2 28 5 2 13  Tổng tải tác dụng lên dầm D3: mkgpggG t /684142422269330333  c. Tính nội lực Hệ dầm trực giao do đó có nhiều cách xác định nội lực. Trong thực tế các hệ dầm này làm việc đồng thời với nhau. Do đó ta giải bài toán hệ dầm này làm việc không gian bằng cách mô hình bài toán vào Sap2000 (mô hình không gian). Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 63 Sơ đồ truyền tải Biểu đồ Moment Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 64 Biểu đồ lực cắt BẢNG SỐ LIỆU NỘI LỰC DẦM Tên dầm Vị trí Lực cắt (Kg) Momen (M3) (Kg.cm) D1 Gối 27833 -4718158 Nhịp 2660243 D2 Gối 14750 0 Nhịp 2365639 D3 Gối 21378 0 Nhịp 3171389 d. Tính thép Tính cốt dọc Giá trị tính toán: Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Thép CIII có: Rs = Rsc = 3650 kg/cm 2, 405.0;563.0  RR  Từ M tính: Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 65 2 ob m hbR M   ; )211(5.0 m  ; 0hR M A s s    Đoạn Vị Trí Giá trị M a h ho b Rb Rs m  As tt% Chọn thép As ch% dầm (daN.cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (MPa) (MPa) (cm2) n  n  chọn D1 Nhịp 2,660,243 7 60 53.0 40 14.5 365 0.163 0.910 15.11 0.71 4 25 19.63 0.93 Gối C 4,718,158 9 60 51.0 40 14.5 365 0.313 0.806 31.45 1.54 4 20 4 25 32.20 1.58 D2 Nhịp 2,365,639 7 60 53.0 40 14.5 365 0.145 0.921 13.27 0.63 3 25 14.73 0.69 D3 Nhịp 3,171,389 7 60 53.0 40 14.5 365 0.195 0.891 18.40 0.87 4 25 19.63 0.93 Tính cốt đai Bê tông B25 có: Rb = 145 kg/cm 2, Rbt = 10.5 kg/cm 2 Thép CI có: Rsw = 1750 kg/cm 2, 427.0;618.0  RR  Chọn thép đai Ø8, số nhánh đai n = 2  Asw = 2x0.503 = 1.005 cm 2 Tính Mb: 2 0 1 2 hb bt Rnfbb M         Với: φb2 – hệ số phụ thuộc vào loại bê tông φf – hệ số ảnh hưởng của cánh tiết diện φn – hệ số ảnh hưởng của lực dọc Tính s:   Q bhR S btnb 2 04 max 1    0max 2hS  21 4 Q ARM S swswbtt    bR AR S btnfb swsw tt    1 2 3 2 Sct  h/3 Khoảng cách bố trí:   cm ct s tt s tt ss bt S 14, 2 , 1 , max min  Kiểm tra điều kiện chịu nén : Phần 2: Kết cấu thượng tầng Chương 4: Thiết kế hồ nước ngầm trang 66 011 3.0max hbb R bw Q   Bảng tính cốt đai Đoạn G.trị Qmax a h ho b Chọn thép đai sct Mb smax stt1 stt2 sbt   K.tra dầm (daN) (cm) (cm) (cm) (cm) n s s (cm) (daN.cm) (cm) (cm) (cm) (cm) nén D1 17,833 6 60 54.5 40 2 8 1.005 20.0 2495010 104.9 55.2 14.0 13 0.0019 1.0677 OK D2 14,750 6 60 54.0 40 2 8 1.005 20.0 2449440 108.0 79.2 14.0 13 0.0019 1.0677 OK D3 21,378 6 60 54.0 40 2 8 1.005 20.0 2449440 85.9 37.7 14.0 13 0.0019 1.0677 OK Bố trí cốt đai như sau: Đoạn ¼ đầu dầm bố trí đai Ø8a100 Đoạng giữa đàm bố trí đai Ø8a200