Kết Cấu Bể | Căn Bản Thiết Kế Xây Dựng Theo TCVN

Kết cấu bể nước, bể bơi bêtông cốt thép có hầu hết trong thiết kế xây dựng các nhà dân dụng hiện nay. Tuy nhiên do là cấu kiện phụ, mọi người thường bỏ qua khâu tính toán và làm theo kinh nghiệm của các kết cấu bể thông thường đã thi công và khai thác tương tự. Với các bể có quy mô đặc biệt: dung tích lớn, điều kiện địa chất phức tạp, ... đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải có hiểu biết cơ bản về làm việc và quy trình tính toán kết cấu bể chứa. Bao gồm lựa chọn kích thước, thiết kế chi tiết, chọn phương án nền móng hợp lý (cho bể ngầm).

Nhìn chung bài toán thiết kế kết cấu bể chứa bêtông cốt thép thông thường chia ra thành các bài toán nhỏ của các bộ phận như sau:

• Kết cấu nắp bể: bài toán cấu kiện dầm sàn chịu uốn do tải trọng tác dụng lên bản nắp bể.
• Kết cấu vách bể: bài toán cấu kiện chịu nén lệch tâm do trọng lượng bản thân, tải trọng truyền lên từ nắp bể, áp lực ngang của chất lỏng chứa trong bể và của đất bên ngoài.
• Kết cấu đáy bể: kết cấu dầm sàn chịu uốn do áp lực của chất lỏng và tải trọng truyền từ vách bể vào đáy bể. Với bể ngầm, bản sàn đáy bể là sàn trên nền đàn hồi hay trên nền cọc. Tính toán liên quan đến nền móng.

Bài viết sau đây trình bày một cách tính toán trong thực hành thiết kế kết cấu vách bể theo cách tương đối cơ bản, có thể áp dụng thông qua việc lập bản tính.

1. Tính toán vách bể theo cường độ (TTGH1)

Do áp lực thuỷ tĩnh:

Tải trọng tiêu chuẩn do áp lực thuỷ tĩnh: $$q_w=H_w\gamma_w$$ Tải trọng tính toán lấy bằng cách nhân với hệ số độ tin cậy bằng $n_w=1,1$. Sơ đồ tính và nội lực trong vách theo như sơ đồ sau:

Moment uốn tại đáy bể (mặt trong bể): $M_A=\frac{q_wH_w^2}{15}$

Moment lớn nhất (mặt ngoài bể): $M_{max}=\frac{q_wH_w^2}{33,6}$ tại khoảng cách x từ đáy bể lên trên $x=0,553H_w$

Lực cắt: $Q_A=\frac{2}{5}q_wH_w, Q_B=\frac{1}{10}q_wH_w$

Do áp lực ngang của đất lên mặt ngoài bể:

Các tải trọng tiêu chuẩn:

$q_{e1}=K_a\gamma{h_o}+K_aq_s$

$q_{e2}=K_a\gamma(h_o+H)+K_aq_s$

$K_a$: hệ số áp lực chủ động $K_a=tg^2\left(45^o-\frac{\varphi}{2}\right)$

Hệ số độ tin cậy của tải trọng do áp lực ngang của đất: $n_e=1,15$

Sơ đồ tính toán vách bể khi chịu tải trọng áp lực ngang của đất

Nội lực trong vách bể khi tính toán theo trường hợp này là tổng của nội lực xác định theo sơ đồ 1 và sơ đồ 2. Nội lực theo sơ đồ 1 tương tự như trường hợp tính toán với áp lực nước ở trên. Nội lực theo sơ đồ 2 xác định như sau:

Tính toán cốt thép dọc của vách bể

Tính toán thiết kế kết cấu chịu uốn với bề rộng b=1m, xác định diện tích cốt thép chịu kéo $A_s$ theo các nội lực moment uốn M tính ra ở trên như đối với dầm.

Tính toán chịu cắt cho vách bể

Các lực cắt do áp lực ngang gây ra do bêtông vách bể chịu. Theo công thức (84) của tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép TCVN 5574:2012, điều kiện để bêtông đủ khả năng chịu lực cắt, không cần tính toán cốt thép là:

$$Q\leqslant{Q}_{bo}=\frac{\varphi}{c}$$

Trong đó giới hạn $Q_{b3}\leqslant{Q}_{bo}\leqslant{2,5}R_{bt}bh_o$ với $Q_{b3}=\varphi_{b3}(1+\varphi_n)R_{bt}bh_o$

$\varphi_{b4}=1,5$ với bêtông nặng

$\varphi_n=0,1\frac{N}{R_{bt}bh_o}\leqslant{0,5}$ (b=1m)

$\varphi_{b3}=0,6$ với bêtông nặng

$c=\sqrt{\frac{\varphi_{b2}(1+\varphi_n+\varphi_f)R_{bt}bh_o^2}{q_1}}$

$\varphi_{b2}=2,0$ với bêtông nặng

$\varphi_f=0$ do chỉ xét tiết diện vách bể hình chữ nhật

$q_1$: Tải trọng quy về phân bố đều gây ra nội lực cắt trong vách bể, lấy giá trị lớn hơn từ hai trường hợp áp lực ngang do chất lỏng trong bể hoặc do đất bên ngoài bể.

Thông thường lực cắt xuất hiện trong bể $Q<Q_{bo}$, nghĩa là riêng bêtông vách bể đã đủ khả năng chịu cắt. Cốt thép ngang đặt theo điều kiện cấu tạo cho cấu kiện vách trong thiết kế xây dựng.

2. Tính toán vách bể theo sử dụng (TTGH2)

Do điều kiện làm việc của bể chứa tương đối khắc nghiệt hơn kết cấu trong nhà , kết cấu vách bể trong suốt vòng đời của nó làm việc trong môi trường chứa chất lỏng, tiếp xúc với nền đất bên ngoài. Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thứ II về điều kiện sử dụng sẽ tập trung vào điều kiện khống chế về vết nứt gây ra bởi tải trọng không vượt quá các giá trị giới hạn đảm bảo sự làm việc bình thường của kết cấu.

Cụ thể với bể chứa phải xác định cấp chống nứt và giá trị bề rộng giới hạn cho phép của vết nứt theo bảng 1 của Tiêu chuẩn để đảm bảo hạn chế thấm cho kết cấu bể chứa và bảng 2 để đảm bảo an toàn cho cốt thép của cấu kiện trong điều kiện làm việc của kết cấu trong môi trường bị xâm thực: ở ngoài trời hoặc trong nền đất.

Do cấp chống nứt và điều kiện làm việc của cấu kiện vách bể trong môi trường nào sẽ quy định giá trị bể rộng vết nứt giới hạn $a_{cr1}, a_{cr2}$.

Quy trình tính toán tương tự như tiến hành đối với thiết kế kết cấu chịu uốn trong chủ đề Nứt, võng của bê tông theo TCVN. Tuy nhiên công thức tính toán hơi khác một chút do vách bể là cấu kiện chịu nén lệch tâm.

Ứng suất trong các cốt thép chịu kéo ở lớp ngoài cùng $\sigma_s$ xác định theo công thức sau đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm:

$$\sigma_s=\frac{N(e_s-Z_b)}{A_sZ_b}$$

$e_s$: khoảng cách từ điểm đặt lực nén lệch tâm N đến trọng tâm cốt thép chịu kéo: $e_s=e_o+y_t-a$

$y_t$: khoảng cách từ trục cấu kiện đến mép chịu kéo. Với tiết diện chữ nhật $y_t=0,5h$

$e_o=\frac{M}{N}$: độ lệch tâm của lực dọc

$Z_b$: cánh tay đòn nội lực $$Z_b=\left[1-\frac{\frac{h'_f}{h_o}\varphi_f+\xi^2}{2(\varphi_f+\xi)}\right]h_o$$

$h'_f=2a'$ với tiết diện vách bể hình chữ nhật: không có cánh trong vùng nén.

Cũng tiến hành tính toán 2 giá trị: bề rộng $a_{cr}$ do tác dụng dài hạn của tải trọng (thường xuyên + tạm thời dài hạn) với $\varphi_l>1$, bề rộng $a_{cr(1)}$ ngắn hạn được xác định bằng tổng của $a_{cr}$ dài hạn và số gia bề rộng vết nứt $\Delta{a}_{cr}$ do tác dụng của tải trọng tạm thời ngắn hạn với hệ số $\varphi_l=1$

$$a_{cr(1)}=a_{cr}+\Delta{a}_{cr}$$

Giá trị $\Delta{a}_{cr}$ được tính toán như công thức của $a_{cr}$ với $\sigma_s$ do tải trọng tạm thời ngắn hạn.

Tải trọng thường xuyên là trọng lượng bản thân của các lớp kết cấu. Tải trọng tạm thời dài hạn là áp lực của chất lỏng chứa trong bể. Tải trọng tạm thời ngắn hạn là áp lực đất tác động lên vách bể từ bên ngoài (do hầu hết thời gian làm việc của bể là chứa đầy nước), ngoài ra còn có phần ngắn hạn của hoạt tải tác dụng lên nắp bể truyền vào vách bể.

Quy trình tính toán theo TTGH2 có thể áp dụng cho thiết kế xây dựng các cấu kiện nắp bể và đáy bể (các cấu kiện chịu uốn).

💞Bảng tính toán vách bể theo TTGH1 và TTGH2 tại đây và đây.

Tham khảo:

• TCVN 5574:2018 "Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế"
• "Tính toán thực hành Cấu kiện bêtông cốt thép theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005" tập 2 - Gs. Nguyễn Đình Cống - Nhà xuất bản Xây dựng.