Tính toán và thiết kế bể nước ngầm

Đề xuất phương án, tính toán và thiết kế bể nước ngầm trong phạm vi đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật xây dựng, tiến hành tính toán lưu lượng sử dụng, kích thước các cấu kiện trong bể, bố trí thép các cấu kiện, tiến hành kiểm tra ổn định của bể

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ BỂ NƯỚC NGẦM1.1 ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH.

1.1.1 Vị trí địa chất khu vực

- Mã số hồ sơ địa chất: 089

- Báo cáo khảo sát địa chất được lấy từ công trình: Cao ốc văn phòng DDM Office –Quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh

- Địa điểm: Phường 25, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh

- Cấu trúc địa chất: Địa tầng khu vực khảo sát có cấu trúc tương đối đơn giản, bao gồm

3 lớp có khả năng chịu tải khác nhau

1.1.2 Phân loại và mô tả các lớp đất

- Lớp 1: Bùn sét, xám xanh đen: Trạng thái chảy Bề dày thay đổi từ 22.0 m 23.7

m, trung bình 22.85 m

- Lớp 2: Sét, sét pha, vàng- xám xanh, nâu Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng Bề

dày thay đổi từ 11.8 m12.4 m, trung bình 12.1 m

- Lớp 3: Cát pha, nâu, vàng, nâu đốm xám xanh Trạng thái dẻo Bề dày thay đổi từ

hơn từ 12.8m14.6m, trung bình 13.7 m (giả thuyết lớp 3 sâu vô tận)

Sơ bộ tính nhu cầu sử dụng nước như sau: công trình có 16 tầng trong đó tầng khu vực

diện tích sinh hoạt là 864 m2, vậy số người tối đa của 1 tầng là

N* = 864/10 = 86 người

Có 1 tầng thương mại (tầng 1) và 13 tầng văn phòng (tầng 2 đến tầng 14) Vậy sốngười tối đa cho chung cư là N = N*n = 86*14= 1204 người Theo bảng 3.1 TCXD33-2006 Tiêu chuẩn cấp nước – mạng lưới đường ống và công trình quy định:

Tiêu chuẩn dùng nước trung bình cho nhân viên cửa hàng thương mại và văn phònglấy: qsh =50 lit/người.ngày.đêm

Hệ số điều hòa Kngày = 1.2÷1.5

Dung lượng nước sinh hoạt trong 1 ngày đêm tính bằng công thức:

Hình 6-3: Mặt bằng bể nước ngầm

1.3 THÔNG SỐ THIẾT KẾ

1.3.1 Sơ bộ tiết diện các cấu kiện.

Bể nước ngầm (gồm đáy bể, thành bể, nắp bể) được đúc bêtông cốt thép toàn khối

Sơ bộ sàn theo công thức:

+ D= 0.8  1.4 phụ thuộc vào tải trọng

Bản nắp chịu trọng lượng bản thân và hoạt tải sửa chửa Xem như bản nắp là ô bản 2phương, chọn hệ số tải trọng D=0.8, m=45

Bản đáy, do bản đáy vừa phải chịu tải trọng bản thân, vừa phải chịu cột nước cao2.5m, đặt trực tiếp trên nền đất và yêu cầu chống nứt, chống thấm cho nên chiều dàybản đáy thông thường dày hơn chiều dày bản thành thường từ (1.2 ÷ 1.5) lần.

800mm mỗi bên.

1.3.2 Vật liệu sử dụng.

Sử dụng bê tông B30, cốt thép CB-240T và CB-400V Các thông số của vật liệu đượctrình bày ở mục Error: Reference source not found

1.4 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP MÓNG CHO BỂ NƯỚC NGẦM.

Trọng lượng bản thân của bể nước:

Trọng lượng nước khi chứa đầy bể: Gnuoc   6 6 2.5 10 900 kN   

Phần đất phía trên đáy bể mở rộng trong trường hợp MNN ổn định

Theo mục 4.6.9, TCVN 9362–2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình quy

+ II: dung trọng lớp đất từ đáy đáy bể trở xuống, II = 14.6 (kN/m3)

+ cII là giá trị lực dính đơn vị của đất nằm trực tiếp dưới đáy bể, tính bằng kN/m2

1.5 KIỂM TRA ĐẨY NỔI CHO BỂ NƯỚC NGẦM

Kiểm tra bể khi không chứa nước để xem xét bể có bị đẩy nổi dưới áp lực nước dướiđất Giả sử mực nước ngầm nằm ngay mặt đất tự nhiên (điều kiện nguy hiểm nhất của

áp lực nước)

Điều kiện để bể không bị đầy nổi: kG ≥ Gdn

Trong đó:

+ G là tổng tải trọng chống đẩy nổi của bể khi không chứa nước

+ k: Hệ số an toàn đẩy nổi k = 0.9 ( mục 3 trang 9 TCVN 2737:1995)

+ Gdn = γwV : Lực gây đẩy nổi

+ γw dung trọng của nước

+ V thể tích của bể:

V 8.1 8.1 0.35   6.5 6.5 2.5   6.5 6.5 0.15  134.93 m

Lực gây đẩy nổi: G =γ V=10×134.93=1349.3 kNdn w  

Trọng lượng bản thân bể và trọng lượng phần đất phía trên đáy móng mở rộng:

1.6 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D BỂ NƯỚC NGẦM.

Hình 6-4: Mô hình 3D bể nước trong Sap2000 1.6.1 Các trường hợp tải trọng

Tĩnh tải (trọng lượng các lớp cấu tạo)

 As - Hằng số phụ thuộc chiều sâu móng

 Bs - Hệ số phụ thuộc độ sâu

 n - Hệ số hiệu chỉnh để k có giá trị gần với đường cong thực nghiệm, trường hợp không có kết quả thí nghiệm lấy n =1

As = C (cNcSc + 0.5  BNgSg)

Bs = C( Nq)Trong đó

 : C là hệ số chuyển đổi đơn vị, với hệ SI, C = 40

 c: Lực dính (kN/m2)

 : Trọng lượng riêng tự nhiên của đất kN/m3

 Sc = Sg = 1 (Hệ số-không đơn vị)

 Nc; Nq; Ng: Hệ số tra bảng từ góc ma sát của đất, không đơn vị

 với tc =3o24’ ta được các hệ số sức chịu tải Nc= 6.7616; Nq= 1.403; N0.2924

 Xác định hệ số nền theo công thức Bowles.

Cz = As + Bs.Z n (*)

Hình 6-6: Sơ đồ áp lực ngang của đất.

Hệ số áp lực đất tĩnh

o 0

Hình 6-8: Áp lực tĩnh đất tác dụng lên cánh bể (DAT1)

2 Trường hợp đất 2.

Giả thiết MNN dâng lên đến MDTN

Áp lực đất tác dụng lên thành ở cao độ đáy bể

p    ' z 2.5 4.8 12 kN/m  

Hình 6-9: Áp lực tĩnh đất tác dụng lên thành bể (DAT2)

Hình 6-10: Áp lực tĩnh đất tác dụng lên đáy bể (DAT2)

1.6.3.2 Áp lực nước chứa trong bể

Áp lực nước tác dụng lên bể được xác định như sau:

+ Thành bể: mực nước trong bể cao 2.5 m, biểu đồ áp lực nước có dạng tam giác tăng dần theo độ sâu: pNUOCCHUA = 10 × 2.5 = 25 kN/m2

+ Tại đáy bể: pNUOCCHUA = 10 × 2.5 = 2.5 kN/m2

Hình 6-11: Áp lực nước tác dụng lên thành bể (NUOC CHUA)

Hình 6-12: Áp lực nước tác dụng lên đáy bể (NUOC CHUA)

1.6.3.3 Áp lực nước ngầm

1 Nước ngầm 1

Xét mực nước ngầm ở vị trí ổn định ở cao độ cách mặt đất tự nhiên 0.5m

Thành bể: bể cao 2.5 m tính từ mặt đất tự nhiên, do mực nước ngầm cách mặt đất tựnhiên 0.5m nên thành bể ngập trong nước 2m , biểu đồ áp lực nước có dạng tam giáctăng dần theo độ sâu: pNUOCNGAM1 = 10 × 2 = 20 kN/m2

Tại đáy bể: pNUOCNGAM1= 10 × 2 + 10 × 0.35 = 23.5 kN/m2

Hình 6-13: Áp lực nước tác dụng lên bản thành (NUOC NGAM 1)

Hình 6-14: Áp lực nước tác dụng lên bản đáy (NUOC NGAM 1)

Tại đáy bể: pNUOCNGAM2= 10 × 2.5 + 10 × 0.35 = 28.5 kN/m2

Hình 6-15: Áp lực nước tác dụng lên bản thành (NUOC NGAM 2)

Hình 6-16: Áp lực nước tác dụng lên đáy bể (NUOC NGAM 2)

1.6.3.4 Trọng lượng bản thân các lớp hoàn thiện

Bảng 6-5: Trọng lượng các lớp hoàn thiện

bể là ptc=3(kN/m2) Hoạt tải tính toán là ptt=31.2=3.6(kN/m2)

Hình 6-17: Hoạt tải tác dụng lên thành bể (HT)

Hình 6-18: Hoạt tải tác dụng lên nắp bể (HT).

1.7 TỔ HỢP NỘI LỰC TÍNH TOÁN CHO BỂ.

1.7.1 Các trường hợp tổ hợp nội lực tính toán cho bể.

- Các trường hợp tải trọng

Bảng 6-6:Các trường hợp tổ hợp tải trọng

0.5m

- Trường hợp trung gian: TT = 1.1TLBT+1.2CLHT; HT=1.2HT

HT=1.2HT

- Tổ hợp tải trọng

NUOC NGAM 2

DAT 1

DAT 2

1(DH)

1.8 TÍNH TOÁN CỐT THÉP CHO BỂ

- Để tiện cho việc tính toán cốt thép cho bể và thiên về an toàn ta lấy giá trị momen lớn nhất trên sàn và giả thiết momen đó nằm trên

bề rộng Strip là 1m để thiết kế thép

Hình 6-20:Biểu đồ mô men M11 ứng với tổ hợp BAO-Min

Hình 6-21:Biểu đồ mô men M22 ứng với tổ hợp BAO-Max

Hình 6-22:Biểu đồ mô men M22 ứng với tổ hợp BAO-Min

Chọn mô men thiết kế cho bản nắp: Do bản nắp đối xứng 2 phương nên ta chọn mô men

và bố trí thép theo 2 phương giống nhau

+ Mô men ở gối: M = -14 kN.m

b mm

a mm

393.00

6

1.8.1.3 Tính toán thép gia cường lỗ mở:

Do ta bị mất thép do 1 phần lỗ mở để làm lỗ thăm, nên ta bù diện tích thép đã mất đi bằngcách đặt thêm những thanh thép có đường kính lớn hơn xung quanh rìa của lỗ mở

Diện tích thép mất đi do lỗ mở:

2

2 s

Bản thành bể nước ngầm thiết kế theo 2 trạng thái chịu lực:

+ Cấu kiện chịu uốn và chịu uốn + kéo trong trường hợp bể đầy nước và chưa có đấtđắp xung quanh

+ Cấu kiện chịu uốn trong các tổ hợp còn lại

1.8.2.1 Trường hợp 1 bể đầy nước và chưa có đất đắp xung quanh.

Ở trương hợp bể đầy nước và chưa có đất đắp xung quanh ta thiết kế thành bểtheo cấukiện chịu uốn cho phương thẳng đứng và cấu kiện chịu kéo uốn theo phương ngang

1 Xác định nội lực tính toán.

Hình 6-23: Biểu đồ momen M 11 CB1: 1TT+1NUOC CHUA

2 Thiết kế cốt thép trường hợp 1.

a Theo phương đứng tính toán theo cấu kiện chịu uốn.

Tính toán cấu kiện chịu uốntương tự mục Error: Reference source not found ta có kết quả diện như sau:

Bảng 6-9: Kết quả tính toán thép bản thành trường hợp 1

b mm

a mm

Bản

327.69

8a150

+ Nếu lực dọc N nằm trong khoảng giữa các hợp lực của các nội lực trong cốt thép S

và S’ như Hình 6 -26 thì tính toán phải thỏa:

u u

Ne MNe' M '

+ Nếu lực dọc nằm ngoài khoảng giữa các hợp lực của các nội lực trong cốt thép S

và S’ như Hình 6 -27 thì tính theo điều kiện Ne M u, với momen giới hạn Mu đượcxác định theo công thức sau:

Khi đó chiều cao vùng nén x được xác định theo công thức:

Nếu giá trị x tính ra lớn hơn R 0h thì thay x R 0h

Hình 6-27: Lực dọc N đặt ngoài khoảng cách giữa các hợp lực của các nội lực trong các

1.8.2.2 Trường hợp 2 thiết kế theo cấu kiện chịu uốn cho các tổ hợp còn lại.

Sử dụng tổ hợp BAO để tính toán theo cấu kiện chịu uốn cho thành bể

1 Xác định nội lực tính toán.

Hình 6-28: Biểu đồ momen M 11 ứng với tổ hợp BAO -Max

Hình 6-29: Biểu đồ momen M 11 ứng với tổ hợp BAO -Min

Hình 6-30: Biểu đồ momen M 22 ứng với tổ hợp BAO -Max

Hình 6-31: Biểu đồ momen M 22 ứng với tổ hợp BAO-Min

2 Thiết kế cốt thép cho trường hợp 2.

b mm

a mm

Bản

337.81

10a200

393.0

b Theo phương ngang.

Ta có các giá trị momen lớn nhất như sau:

b mm

a mm

h 0

m m

A s

mm 2

Chọn thép

nhận thấy diện tích thép của lớp bên trong và bên ngoài chênh lệch nhau không nhiều

và để tiện cho thi công ta chọn 10a200 bố trí cho cả lớp trong và lớp ngoài theophương đứng của bản thành bể

1.8.3 Tính toán cốt thép cho bản đáy.

1.8.3.1 Xác định momen tính toán.

Hình 6-32:Biểu đồ mô men M11 ứng với tổ hợp BAO-Max

Hình 6-33:Biểu đồ mô men M11 ứng với tổ hợp BAO Min

Hình 6-34:Biểu đồ mô men M22 ứng với tổ hợp BAO Max

Hình 6-35:Biểu đồ mô men M22 ứng với tổ hợp BAO-Min

- Chọn mô men thiết kế cho bản đáy: Do bản đáy đối xứng 2 phương nên ta chọn mô men

và bố trí thép theo 2 phương giống nhau

+ Mô men ở gối: M = 32 kN.m

+ Mô men ở nhịp: M = -29.2 kN.m

1.8.3.2 Tính toán thép cho bản đáy.

- Tính toán bản nắp theo cấu kiện chịu uốn tương tự như mục Error: Reference source notfound ta được bảng kết quả thép cho bảng nắp như sau:

b mm

a mm

393.00

9

10a200

393.00

Trong đó:

của tiết diện

  là hệ số, lấy bằng 1.3

Xác định Wred:

red red

t

IW

y

Trong đó:

+ Ired là mô men quan tính của tiết diện quy đổi của cấu kiện đối với trọng tâm của nó, cho phép lấy Ired = I là mô men quán tính của bê tông

+ acrc là chiều rộng vết do tác dụng của ngoại lực

+ acrc,u là chiều rộng vết nứt giới hạn cho phép, lấy theo bảng 17 TCVN 5574:2018.Chiều rộng vết nứt dài hạn được xác định theo công thức:

acrc = acrc,1

Chiều rộng vết nứt ngắn hạn:

acrc = acrc,1 + acrc,2 – acrc,3

Trong đó:

+ acrc,1 là chiều rộng vết nứt do tác dụng dài hạn của tải trọng thường xuyên và tạmthời dài hạn.

+ acrc,2 là chiều rộng vết nứt do tác dụng ngắn hạn của tải trọng thường xuyên và tạmthời (dài hạn và ngắn hạn)

+ acrc,3 là chiều rộng vết nứt do tác dụng ngắn hạn của tải trọng thường xuyên và tạmthời dài hạn

Xác định acrc,i:

s crc,i 1 2 3 s s

ngoại lực tương ứng

+ Ls là khoảng cách cơ sở ( không kể đến ảnh hưởng của loại bề mặt cốt thép) giữacác vết nứt thẳng góc kề nhau

kéo giữa các vết nứt, cho phép lấy s= 1 Nếu không thỏa tính lại theo công thức:

crc s

M

1 0.8

M

  

+ 1 là hệ số, kể đến thời hạn tác dụng của tải trọng, lấy bằng:

 1.0 – khi có tác dụng ngắn hạn của tải trọng;

 1.4 – khi có tác dụng dài hạn của tải trọng

+ 2là hệ số, kể đến loại hình dạng bề mặt của cốt thép dọc, lấy bằng:

 0.5 – đối với cốt thép có gân và cáp;

 0.8 – đối với cốt thép trơn;

+ 3là hệ số, kể đến đặc điểm chịu lực, lấy bằng:

 1,0 – đối với cấu kiện chịu uốn và chịu nén lệch tâm

 1,2 – đối với cấu kiện chịu kéo

Xác định s:

+ Giá trị Ls lấy không nhỏ hơn 10ds và 100mm và không lớn hơn 40ds và 400 mm.+ Abt là diên tích tiết diện bê tông chịu kéo;

+ As là diện tích tiết diện cốt thép chịu kéo;

+ ds là đường kính danh nghĩa của cốt thép

1.9.2 Kiểm tra sự hình thành vết nứt cho bản đáy và bản thành.

1.9.2.1 Nội lực tính toán.

Dựa vào các kết quả từ mục 1.8.3.1 ta tổng hợp được các giá trị tính toán vết nứt cho bảnthành và bản đáy bể như sau

1 Bản thành.

Hình 6-36: Momen lớn nhất ở bản thành, |M|max ứng với tổ hợp BAO

2 Bản đáy.

Hình 6-37: Momen lớn nhất ở bản đáy, |M|max ứng với tổ hợp BAO

1.9.2.2 Thực hành tính toán vết nứt cho bản thành.

Tiến hành tính toán 1 m chiều rộng bản thành, với hbt = 250 mm

Khoảng cách từ thớ bê tông chịu kéo nhiều nhất đến trọng tâm tiết diện quy đổi của cấukiện:

t,red t

+ St,red: là mô men tĩnh của diện tích tiết diện quy đổi của cấu kiện đối với thớ

bê tông chịu kéo nhiều hơn

h

2250

5 s

M =W R 13998840 1.75 10 24.5 kNm

Momen do tác động của ngoại lực: ta lấy mômen trường hợp tổ hợp bao

Kết luận: M 29 kNm > M crc 24.5 kNm  Thành bể bị nứt

* Tính toán bề rộng vết nứt được tiến hành theo điều kiện mở rộng vết nứt:

+ acrc là chiều rộng vết do tác dụng của ngoại lực

+ acrc,u là chiều rộng vết nứt giới hạn cho phép, lấy theo bảng 17 TCVN 5574:2018.Chiều rộng vết nứt ngắn hạn được xác định theo công thức:

a crc ,1=0.015 mmacrc ,3=0.011 mm

Chiều rộng vết nứt dài hạn:

a crc=a crc , 1=0.011 mm ≤ acrc , u=0.3 mm⇒ ThỏaChiều rộng vết nứt ngắn hạn:

a crc=a crc , 1+a crc , 2−a crc ,3=0.015+0.011−0.011=0.015 mm

a crc=0.015 mm<acrc , u=0.4 mm⇒ Thỏa

Vậy sàn thỏa điều kiện vết nứt

* Ô bản còn lại ta tính toán tương tự và được bảng sau:

Bảng 6-10:Tính toán sự hình thành vết nứt Bản xét

1.10 TÍNH LÚN CHO BỂ.

Số liệu lớp đất: Lớp đất 1: Cát mịn-bụi, rời đến chặt vừa (giả thiết lớp đất đắp được đắpbằng lớp đất 1 này khi đào đất móng lên) có các thông số:  14.6 kN/m3; γdn = 4.8 kN/

m3; φ = 3024’ Mực nước ngầm ở độ sâu 2.0 m tính từ mặt đất tự nhiên

Tính ứng suất hữu hiệu do tải trọng bản thân gây ra:

+ Tại mặt đất: σbt

z = 0+ Tại đáy bể (z = 3 m): btz  0.5 14.6 4.8 2.5 19.3 kN/m     2

p = p0 – σbt

z = 13.69 – 19.3 = -5.61 kN/m2 < 0  Bể không lún