Hướng dẫn tính toán kết cấu cống đồng bằng

Tải trọng tác dụng chỉ tính toán cho trường hợp 4, các trường hợp còn lại tương tự... - QPTL C1 - 75: Quy phạm tính toán thủy lực cống dưới sâu - QPTL C1-78: Quy phạm tải trọng và lực

1 Danh mục quy chuẩn, tiêu chuẩn sử dụng 1

2.Giới thiệu về phần mềm Sap2000 1

3 Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu cống 1

3.1 Hệ số nền của đất 1

3.1.1 Độ cứng của lò xo gắn vào bản đáy 2

3.1.2 Độ số cứng của lò xo gắn vào cọc 2

3.2 Tải trọng tác dụng 2

3.2.1 Trọng lượng bản thân : 2

3.2.2 Áp lực đất: 2

3.2.3 Áp lực nước tác dụng lên bản đáy và bản tường: 3

3.2.4 Áp lực thấm: 4

3.2.5 Áp lực đẩy nổi: 5

3.2.6 Tải trọng theo giao thông , trọng lượng giàn van: 5

3.2.7 Tải trọng cửa van 5

3.2.8 Tải trọng xe + máy thi công 6

4 Bài toán cống hở 6

4.1 Tài liệu thiết kế 6

4.2 Tổ hợp mực nước 11

4.3 Trường hợp tính toán 11

4.4 Tổ hợp và tải trọng tính toán 12

4.2 Tải trọng tác dụng ( chỉ tính toán cho trường hợp 4, các trường hợp còn lại tương tự) 12 4.2.1 Áp lực cát 13

4.2.2 Áp lực nước: 14

4.2.3 Áp lực thấm và áp lực đẩy nổi 16

4.2.4 Lực tác dụng lên tai van: 16

4.2.5 Trọng lượng cửa van 16

4.3.Trình tự thực hiện 16

4.4 Xuất kết quả tính toán 36

4.4.3 Xử lý kết quả và tính toán bố trí cốt thép 39

5 Bài toán cống ngầm: 42

5.2 Các lực tác dụng 42

5.1.3 Tổ hợp lực 44

5.1.4 Hệ số vượt tải 44

5.2 Tạo mô hình và nhập lực vào mô hình 45

5.2.1 Tạo mô hình 45

5.2.2 Nhập lực tác dụng 52

5.3.Kết quả tính toán 56

6.Tài liệu tham khảo: 57

r fu

1 Danh mục quy chuẩn, tiêu chuẩn sử dụng

- QCVN 04-05: 2012/BNNPTNT: Công trình thủy lợi - Các quy định chủ yếu về thiếtkế

- TCVN 4253 - 2012: Nền các công trình thủy công - Tiêu chuẩn thiết kế

- QPTL C1 - 75: Quy phạm tính toán thủy lực cống dưới sâu

- QPTL C1-78: Quy phạm tải trọng và lực tác dụng lên công trình thủy lợi

2.Giới thiệu về phần mềm Sap2000

- Sap2000 là phần mềm phân tích, tính toán kết cấu tổng hợp nổi tiếng của hãng CSI( Computers and Structures, Inc) của Mỹ, có khả năng hỗ trợ tính toán nhiều loại kết cấulàm việc ở nhiều trạng thái khác nhau chịu tác động của nhiều loại tải trọng Vì thế có thể ápdụng Sap2000 để giải các kết cấu với cấu tạo khác nhau như: hệ thanh, hệ tấm vỏ, kết cấuđặc

- Phần mềm Sap2000 có nhiều phiên bản khác nhau, hiện nay mới nhất là phiên bảnSap2000 V14

3 Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu cống

3.1 Hệ số nền của đất.

Để phản ánh sự làm việc thực của kết cấu, tiến hành tính toán trên sơ đồ không giantổng thể bao gồm cả tường bên, bản đáy và cọc cùng làm việc đồng thời Việc tiến hànhtheo phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình tính kết cấu chuyên dụng Sap2000

Liên kết giữa bản cống có nền theo mô hình Winkler xem nền đất như một dãy các lò xo có

độ cứng Klxn, các lò xo này độc lập với nhau

Hệ số nền của đất được qui đổi thành hệ số cứng của lò xo như sau:

S K

K lxn  Trong đó:

S: Diện tích mỗi phần tử Shell đã được chia nhỏ trong Sap2000

K: Hệ số nền của đất, xác định theo công thức Bowles:

Z N BN

N c

Nc, Nq, N: Hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất.

3.1.1 Độ cứng của lò xo gắn vào bản đáy.

+ Nhóm 1: Có hệ số cứng của lò xo K1 KS

+ Nhóm 2: Có hệ số cứng của lò xo 2 2

S K

K  

+ Nhóm 3: Có hệ số cứng của lò xo

4 3

S K

Tùy thuộc vào mức độ chuyển vị của tường mà áp lực đất tác dụng lên tường có thể là

áp lực chủ động , bị động hoặc áp lực đất tĩnh Trường hợp tường liên kết ngàm với bảnđáy, chuyển vị của đỉnh tường cống là không đáng kể, có thể sử dụng áp lực đất tĩnh để tínhtoán

Hoặc có thể tra bảng 6.2 Hệ số áp hông K0 ( GT Cơ đất ) Đại học Thủy lợi

q: Tải trọng phân bố đều trên mặt đất ( kN/m2)

3.2.3 Áp lực nước tác dụng lên bản đáy và bản tường:

P n  nTrong đó:

 / ³0

 / ³0

r fu

P dn h h t banday

Trong đó :

Pdn : Áp lực đẩy nổi

hh : Cột nước phía hạ lưu tính từ mặt trên của bản đáy

tbản đáy : Chiều dày bản đáy phía hạ lưu

Hoặc cũng có thể lấy kết quả từ tính toán ổn định cống

3.2.6 Tải trọng theo giao thông , trọng lượng giàn van:

- Tải trọng do xe cộ bên trên tác dộng lên thân cống, tính toán theo quy phạm

+ Thiết kế cầu

+ Đường giao thông nôn thôn

+ Thiết kế đường giao thông

+ Đường trên nền đất yếu

-Tính toán quy thành lực tập trung và truyền lên các vị trí tiếp xúc với cống

3.2.7 Tải trọng cửa van

Ngoài trọng lượng cửa van tác dụng lên thân cống, Tải trọng cửa van còn có áp lựcnước, lực đóng mở …



3.2.8 Tải trọng xe + máy thi công

Phụ thuộc vào loại xe thi công và chỉ dẫn thi công

4 Bài toán cống hở

4.1 Tài liệu thiết kế

4.1.1 Kích thước kết cấu công trình

Mặt cắt dọc cống

r fu

a.Bản đáy:

- Chiều rộng bản đáy : B = 33,50m

- Chiều dài bản đáy : L = 22,00m

- Chiều dày bản đáy : d = (1,20 ÷ 3,10)m

- Cống 1 khoang, bề rộng : b = 33,50m

- Cao độ ngưỡng cống : Zngưỡng = -4,00m

- Cao độ bản đáy : Zđáy = -7,60m

b.Trụ biên:

- Cao độ đỉnh : Zđỉnh = + 2,80 m

- Chiều dày trụ biên : db= (1,1÷1,78)m

- Chiều dài trụ biên : L = 22,00m

c.Hệ thống cọc

Mặt cắt dọc hệ thống cọc

Mặt cắt ngang hệ thống cọc

Mặt bằng bố trí hệ thống cọc

- Cọc BTCT M300, kích thước 35×35cm

d Đặc trưng của của vật liệu

Bêtông sử dụng cho dầm , bản và cọc là BTCT M300 có các đặc trưng vật liệu:

r fu

- Modun đàn hồi của bêtông : E = 2,90x106T/m2

- Trọng lượng riêng của bêtông :  2 , 50T/m3

- Modun đàn hồi của thép : E = 2,10x107T/m2

- Hệ số poisson :   0 , 15

4.1.2 Tài liệu về địa chất

Bảng chỉ tiêu trị tính toán các lớp đất độ tin cậy α= 0,95

02032’

0,113

1,591,01

05000’

0,123

2,011,73

33001’

0,085

1,981,61

15030’

0,362

1,951,64

12045’

0,199

Trong đó lớp 2a dày 27m , 2b dày 3m , 3a dày 5m , 4a dày 3m

Áp dụng công thức của Bowles ta tính được các hệ số Klxn tương ứng

- Trường hợp 1 : Tính toán kết cấu trong trường ngăn triều.

Mực nước phía sông : Zsông = +1,92m

- Trường hợp 1: Thi công xong bản đáy

- trường hợp 2: Thi công xong bản đay là trụ pin nhưng chưa đắp đất vào tường

- Trường hợp 3: Mới thi công xong, chưa có nước

- Trường hợp 4: Thượng và hạ lưu cống có mực nước lớn nhất ứng với trường hợp ngăn triều.

- Trường hợp 5: Thượng và hạ lưu cống có mực nước lớn nhất ứng với trường hợp giữ nước vào mùa khô

- Trường hợp TH: Tổ hợp của 5 trường hợp trên

Theo B.2 - QCVN 0405-2012, hệ số lệch tải của các tải trọng và tác động:

Các hệ số vượt tải

ST

T Tên tải trọng và tác động

Kíhiệu

Hệ số lêchtải

1 Trọng lượng bản thân công trình n1 1,05

4.2 Tải trọng tác dụng ( chỉ tính toán cho trường hợp 4, các trường hợp còn lại tương tự)

- Tính toán với tải trọng tiêu chuẩn nhằm mục đích tính kiểm tra nứt và chuyển vị côngtrình

- Tính toán tải trọng tính toán để tính toán cốt thép

Sở đồ lực

Vì cống nằm ở giữa 2 trụ pin có cát đắp.

Sơ đồ áp lực cát tác dụng vào tường Sơ đồ tính toán ( tâm bản đáy)

- Bản tường chịu tác dụng của áp lực cát được xác định theo công thức:

 h K0

P t i i

-Trong đó:

 / 38 ,

1 T m



 : Dung trọng của cát đắp

58 , 0 25 sin 1 sin 1 sin

4.2.2.1 Phía sông (mực nước ngăn triều +1,92m)

Phần phía trước của van

 / ³0

r fu

h

P n  nTrong đó:

 / ³0

- Trường hợp ngăn triều: qđn = 5,78T/m.

4.2.4 Lực tác dụng lên tai van:

Là lực tập trung và đươc phân thành 2 thành

Xác định lực này bằng cách: Mô hình hóa cửa van sap2000, tùy theo kết cấu cửa van

mà có mô hình khác nhau

- Thành phần lực thẳng đứng: Đtaivan = 150,30T

- Thành phần lực nằm ngang: Ntaivan =57,20T

4.2.5 Trọng lượng cửa van

Trọng lượng cửa van tác dụng lên bản đáy cống dưới dạng tải tập trung, Tcửa van =139,23T Trọng lượng cửa van trên tổng chiều dài cửa van 4,2T/m, Điểm đặt tại những vịtrí mà cửa van tiếp xúc với bản đáy cống

4.3.Trình tự thực hiện

Bước 1: Chọn hệ thống đơn vị Ton,m,C hoặc KN,m,C

Click vào biểu tượng mũi tên ở góc phải phía dưới màn hình

Bước 2: Tạo lưới

File→ New Model→Grid Only→Ok

Ở hình Quick Grid Lines:

+ Chọn số ô lưới theo các phương X,Y,Z ( Mumber of grid lines)

+ Chọn khoảng cách các lưới theo các phương (Grid spacing)

r fu

Màn hình sau khi tạo lưới

Muốn sữa đổi lưới Click chuột phải vào màn hình chọn Modify Grid

Bước 3: Khai báo các đặc trưng của vật liệu:

Define→Materials

Để khai báo vật liệu mới chọn Add new material …

Cửa sổ Materials Property Data:

Khai báo các đặc trưng vật liệu, sau đó chọn biểu tượng OK , nếu có nhiều loại vật liệuthì làm tương tự hoặc có thể chọn Add copy material … (nếu vật liệu khai báo sau gầngiống với vật liệu trước).

Bước 4: Khai báo tiết diện:

- Khai báo tiết diện tấm

+ Define→ Section Properties→Area Section

+ Đặt tên cho tiết diện ( Section name)

+ Type: Chọn Shell – Thin

+ Material Name : Lựa chọn vật liệu tương ứng với cấu kiện

r fu

+ Thickness : Nhập bề dày của phần tử tấm

+ Tương tự khai báo cho các tiết diện còn lại

- Khai báo tiết diện cọc ( quan niệm tính toán cọc là thanh )

+ Define→ Section Properties→Frame Section…

Bước 5: Vẽ các tấm từ lưới đã tạo từ bước 2:

Draw→Draw Poly Area để vẽ phần tử tấm vỏ có hình dạng bất kỳ

Draw→Quick Draw Area Element: Vẽ nhanh phần tử tấm nếu đã có lưới sẵn

Tương tự vẽ tất cả các tấm còn lại

r fu

Bước 6: Xoay hệ trục tọa độ địa phương: Để tiện nhập lực, được giá trị mômen đúng

theo các phương M11 và M22

Để hiển thị hệ trục tọa độ :

View → Set Display Option…(Ctrl + E) tích vào biểu tượng Local Axes phần Area

Click vào các tấm cần thay đổi

Xoay 2 trục còn lại của trục tọa độ địa phương sao cho hướng của 1 trục luôn trùng nhau.

Kết quả sau khi xoay trục:

r fu

Bước 7: Tiến hành chia lưới phần tử:

Chọn phần tử cần chia: Edit→Edit Areas→Divide Areas

1 Chia tấm thành bao nhiêu phần tử theo phương từ trục 1 sang trục 2 và từ 1 sang 3.

2 Chế độ này máy tự dộng chia phần tử ( với kích thước phần tử quy định trước)

r fu

Tương tự như thế chia các phần tử còn lại

* Chú ý: Để chính xác ta nên thêm các lưới của hệ thống cọc rồi tiến hành chia phần tử

Bước 8: Chia nhỏ đoạn cọc:

- Chia nhỏ cọc ra thành từng đoạn để gán các lò xo nền đã tính ở trên Tại mũi cọc nên gán thêm lò xo đứng Một số quan điểm tính khác cho rằng nên gắn lò xo đứng (Z) từ đầu lớp đất tốt đến mũi cọc ( trong phạm vi lớp đất tốt)

- Chọn tất cả các cọc: Edit→Edit Lines → Divide Frames

Chia cọc thành 35 đoạn mỗi đoạn dài 1m

Bước 9: Gán hệ số lò xo cho kết cấu:

+ Gán lò xo cho cọc

Để gán Klxn nhanh nên dùng các khung nhìn 3D trực giao bằng cách: View→Set 3d View…( Shift +F3)

r fu

Chọn các nút cách bản đáy 1m bằng cách quét chọn từ trái sang phải tương tự như cad lúc này ta chọn được tất cả các điểm trên cọc các đáy một đoạn 1m rồi tiến hành gán hệ số nền

Assign→Joint→ Spring

Tương tự cho các độ sâu tiếp theo của cọc

+ Gán lò xo cho bản đáy

Chọn các nút thuộc vùng 1 Assign→Joint→ Spring

Các vùng khác tương tự:

Bước 10: Khai báo tải trọng

Define→Load Patterns

(1) Đối với TLBT mặc định Type dead và Self Weight Multiplier chọn 1 để máy tự động tính

Bước 11: Khai báo áp lực tác dụng lên điểm:

r fu

(1) Scale Factor là hệ số lệch tải lấy theo bảng B2- QCVN-04-05:2012

Khai báo bao tổ hợp trường hợp tải tính toán Nếu Scale Factor =1 thì tương ứng với tải tiêu chuẩn

(1) Khai báo cho trường hợp bao mômen

Bước 13: Gán áp lực đất cho tường:

Gán giá trị áp đất vào các nút, từ các giá trị này mới gán cho các element

Chọn tất cảc các nút liên quan đến áp lực đất bằng cách bật các khung nhìn xz , kết hơpvới biểu tượng mũi tên lên xuống

Assign→Joint Patterns

Ở đây các giá trị C,D được xác định dựa vào giải hệ phương trình :

P=Ax+By+Cz+D tại Z=0 → P=D=10,34

tại Z=9,3m → P=9,3C+10,34=0 → C=-1,11

P: Giá trị áp lực đất tại điểm khảo sát

Đối với tường thay nghiêng góc trong không gian thì phải giải phương trình 4 ẩn số, A,B,C,D

Gán áp lực đất vào các phần tử ( element)

Chọn lại các phần tử bị tác dụng bởi áp lực đất ( hoặc ps ở thanh công cụ)Assign→ Area Loads→Surface Pressure

r fu

Bước 14 Áp lực nước:

Tận dụng áp lực nước ở tường cống bằng với áp lực nước ở bản đáy cống nên khi gán

áp lực nước cho các điểm nút ta có thể chọn luôn cả phần bản đáy bị nước tác dụng lực Hoặc cũng có thể tách riêng ra từng phần

Gán áp lực nước vào điểm.

Chọn lại các phần tử trên

Assign→ Area Loads→Surface Pressure

Bước 16: Áp lực đẩy nổi

Chọn tất cả các phần tử thuộc bản đáy

Bước 17: Trọng lượng cửa van

Chọn tất cả các nút trên bản đáy tại đó cửa van tiếp xúc với nó

Assign→Joint Load→Forces

Bước 19: Tai van : Tương tự như bước 18

Chọn 2 điểm trên tường cống tương ứng với vị trí của tai van

Assign→Joint Load→Forces

r fu

Tóm tắt vấn đề gán lực:

- Lực phân bố đều trên các tấm: Assign→Area Loads→Uniform (shell)…

- Lực thay đổi theo 1 phương bất kỳ mà có quy luật :

+ Gán giá trị áp lực vào nút của phần tử: Assign→Joint Patterns

+ Gán áp lực vào các element: Assign→ Area Loads→Surface Pressure

- Lực tập trung Assign→Joint Load→Forces

Bước 20: Chạy mô hình

Analyze→Run Analisys (F5)

4.4 Xuất kết quả tính toán

Một số quy ước trong quá trình giải và xuất và xử lý kết quả từ SAP2000:

- Mômen 22 : Bố trí thép phương đứng của tường, phương vuông góc dòng chảy củabản đáy

- Mômen 11 : Bố trí thép phương dọc của tường, phương dọc dòng chảy của bản đáy

4.4.1 Xem kết quả tính toán kết cấu thân cống:

Display→Show Forces→Shells

Mômen 11

Mômen 22

Xem chuyển vị

Display → Show Detormed Shape

Xem kết quả tường 1,78 m

Select→Select→Properties→Area Section

r fu

View→Show Selection Only

Display→Show Forces→Shells

4.4.2 Xuất kết quả ra file excel

Chọn các phần tử Shell cần xuất kết quả các phần tử này phải điển hình tránh chọn nhưng điểm có cục bộ

Display → Show Table

4.4.3 Xử lý kết quả và tính toán bố trí cốt thép

Kết quả phân tích được xuất qua excel như sau

Xóa hết những thông tin không quan cần thiết và đổi tên

r fu

Tường cống

Area Joint OutputCase StepType M11 M22 V13 V23

Text Text Text Text Tonf-m/m Tonf-m/m Tonf/m Tonf/m

M22 Max tính toán bố trí thép theo phương đứng , lớp chịu lực ( lớp giáp đất)

M11 Max tính toán bố trí thép theo phương dọc , lớp chịu lực ( lớp giáp đất)

M22 Min tính toán bố trí thép theo phương đứng ( lớp giáp nước)

M11 Min tính toán bố trí thép theo phương dọc ( lớp giáp nước)

LỚP GIÁP ĐẤT

5 Bài toán cống ngầm:

5.1 Tài liệu thiết kế :

5.1.1 Tài liệu kết cấu

Mặt cắt ngang cống

Mặt cắt F-FCống 2 khoang : Dài 10m dtn  dbt  dbd  0 , 25m

Bê tông M200 có E=2,4x107kN/m2 ,   0 , 2 ,bt  25kN/m3

5.1.2 Tài liệu về địa chất

Lớp đất

Khối lượng riêng tự nhiên w (g/cm3)Khối lượng riêng đẩy nỗi dn (g/cm3)Góc ma sát trong (o)

Lực dính C (kG/cm2)

1,980,995

15030’

0,362

5.2 Các lực tác dụng

Sơ đồ tính toán:

r fu

- Áp lực đất tác dụng theo phương đứng biết đỉnh của tấm nắp cách mặt đất 1 m:

Áp lực đất thẳng đứng tác dụng lên đỉnh cống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chấtcủa đất, độ cứng của cống, phương pháp chôn cống và chiều sâu đặt cống trong nền [1]

Sơ đồ tác dụng lực vào cống

Sơ đồ lực tác dụng lên sơ đồ tính toán

5.1.3 Tổ hợp lực

TH1: Cống mới thi công xong chưa đưa vào vận hành

TH2: Cống được đưa vào vận hành

Hệ số lêchtải

1 Trọng lượng bản thân công trình n1 1,05

r fu

Bước 3 : Khai báo đặc trưng của vật liệu

Define→Materials

Bước 4: Khai báo tiết diện:

+ Define→ Section Properties→Area Section

Bước 5: Vẽ các tấm từ lưới đã tạo từ bước 2

Draw→Quick Draw Area Element