Thiết kế khối chân đế dàn BK bằng thép độ sâu 77 mét nước

- Tải trọng bản thân của khối chân đế. - Tải trọng đẩy nổi được phân bố trên chiều dài phần tử. Đầu ra của bài toán là chu kỳ dao động riêng của công trình. Kết quả cuối cùng của nội lực trong các phần tử kết cấu của hệ sẽ được xác định bằng việc nhân kđ với kết quả trong bài toán tĩnh. + Nếu chu kỳ dao động riêng của công trình gần với chu kỳ tải trọng tác động (ở đây là chu kỳ của sóng) thì ảnh hưởng của tải trọng động đến phản ứng của công trình là đáng kể. Vì vậy ta phải kể đến ảnh hưởng động của yếu tố môi trường tác động lên công trình. *Khối lượng nước kèm: Khi công trình năng trong môi trường nước biển, dưới tác động của sóng và dòng chảy sẽ xuất hiện các vùng nước chuyển động xung quanh các phần tử kết cấu. Khối lượng của vùng nước đó là khối lượng nước kèm. Trong tính toán công trình biển ta phải kể tới khối lượng này. Khối lượng nước kèm quy đổi về nút được tính theo công thức: Trong đó: : Khối lượng nước kèm quy đổi tại nút thứ i : Trọng lượng riêng nước biển, : Hệ số khối lượng nước kèm : Thể tích quy đổi tại nút thứ i (m3) Kết quả tính toán khối lượng nước kèm được xem ở phụ lục 2 Quá trình tính dao động riêng cho ta kết quả như sau. Program SAP2000 Nonlinear Version 7.42 File:tinh ddr.OUT Page 3 M O D A L P E R I O D S A N D F R E Q U E N C I E S MODE PERIOD FREQUENCY FREQUENCY EIGENVALUE (TIME) (CYC/TIME) (RAD/TIME) (RAD/TIME)**2 1 2.606295 0.383686 2.410773 5.811826 2 2.386872 0.418958 2.632393 6.929491 3 2.122743 0.471089 2.959937 8.761229 4 1.778740 0.562196 3.532379 12.477702 5 1.440423 0.694240 4.362041 19.027400 3.5.2.3. Đánh giá ảnh hưởng động của khối chân đế, kết luận Như vậy sau khi tính toán dao động riêng ta xác định được chu kỳ dao động riêng lớn nhất của công trình là Tdđr = 2.606 (s) < 3 (s), w1=2,41 rad/sec. Điều đó chứng tỏ rằng ta có thể tính toán khối chân đế bằng phương pháp tựa tĩnh. Kết quả tính toán nội lực chỉ cần nhân thêm hệ số động kđ: kđ = 3.5.Tính toán tựa tĩnh kết cấu khối chân đế 3.5.1. Tính toán 3.5.1.1. Chương trình tính toán Trong đồ án này ta sử dụng chương trình SAP2000 được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán nội lực khối chân đế. Phương trình chính tắc của phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán tĩnh biểu diễn mối quan hệ giữa lực tác dụng vào công trình và chuyển vị của công trình dưới dạng ma trận như sau: [K].[X] =[P] Trong đó: [K] : Ma trận độ cứng của hệ kết cấu [X] : Véc tơ chuyển vị của hệ nút [P] : Véc tơ ngoại lực tác dụng vào nút Giải phương trình trên sẽ thu được chuyển vị tại nút của hệ kết cấu. Từ chuyển vị nút sẽ tìm ra nội lực trong các phần tử. 3.5.1.2. Số liệu tính toán Tính toán kết cấu chịu lực với các tổ hợp tải trọng được thực hiện ngay trên máy tính bằng chương trình SAP2000. Đầu vào gồm có: Tải trọng khối thượng tầng, khối lượng nước kèm và hà bám, lực đẩy nổi - Tải trọng sóng dòng chảy - Tải trọng gió Đầu ra gồm có: Nội lực, chuyển vị của công trình 3.5.1.3. Kết quả tính toán * Chuyển vị nút của khối chân đế Theo quy phạm BCH51.3-85, chuyển vị cho phép lớn hơn không quá 0.5% chiều cao công trình. Với chiều cao tính toán công trình là 92 m, chuyển vị cho phép là 0.46m. Kết quả tính toán cho thấy không có giá trị nào vượt qua giới hạn trên.Chuyển vị lớn nhất tại các nút đỉnh khung nối là -0,20884m < 0,46m.(thỏa mãn). Kết quả tính toán được cho trong phần phụ lục 4. * Nội lực: Kết quả tính toán được cho trong phần phụ lục 4 3.5.1.4. Nhận xét kết quả tính toán Khi tính toán kết cấu hệ thanh sẽ thu được kết quả chính xác. Tuy nhiên trong bài toán này kết quả cũng chỉ mang tính gần đúng do đã thực hiện gần đúng hoá sơ đồ tính. Sự gần đúng đó thể hiện ở các điểm sau đây: Trong sơ đồ tính bỏ qua độ lệch tâm ban đầu của các phần tử tại các nút ở các trường hợp độ lệch tâm nhỏ hơn D/4 Việc mô phỏng các loại tải trọng lên công trình chỉ mang tính gần đúng Thực chất là sự làm việc giữa cọc và nền đất là đồng thời trong khi ta tính kết cấu với sơ đồ ngàm. * Nội lực: Ta nhận thấy nội lực lớn nhất nằm ở các thanh ống chính có vị trí sát đáy biển, các thanh này chịu nén và uốn đồng thời. Với việc coi liên kết các phần tử trong sơ đồ tính là cứng hoàn toàn, toàn bộ tải trọng ngoài gây ra lực dọc còn gây ra mô men và lực cắt.Giá trị lực nén lớn nhất: N=-13613,49(kN)đạt tại vị trí chân ngàm giả định.Kết quả tính toán cho thấy 2 cọc chịu nén , 2cọc chịu nhổ. * Chuyển vị: Dựa vào bản kết quả chuyển vị (xem chi tiết ở phụ lục 4 ) ta nhận thấy đối với các nút nằm trong cùng một mặt phẳng ngang thì chuyển vị giảm dần theo phương truyền sóng tuy nhiên sự thay đổi là rất bé do đó có thể coi các Diafragma là tuyệt đối cứng. Còn đối với các nút nằm trong cùng một mặt phẳng thẳng đứng thì chuyển vị tăng dần từ trên xuống dưới, tuy nhiên sự thay đổi này là rất nhỏ và đều nằm trong phạm vi cho phép. 3.5.2. Kiểm tra các phần tử kết cấu * Nguyên tắc kiểm tra: Việc kiểm tra các phần tử kết cấu được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn thiết kế API. Về nguyên tắc cần kiểm tra toàn bộ các phần tử của hệ, nhưng trong phạm vi đồ án này ta chỉ tiến hành kiểm tra cho một số phần tử. Việc kiểm tra được thực hiện trên các phần tử kết cấu có nội lực lớn nhất trong số các phần tử có cùng tính chất chịu lực và đặc trưng hình học. Hơn nữa việc kiểm tra được thực hiện trên tiết diện nguy hiểm nhất. 3.5.2.1. Cơ sở lý thuyết kiểm tra các phần tử kết cấu a. kiểm tra ổn định phần tử. Trong phạm vi đồ án này ta kiểm tra hai loại mất ổn định đó là: Mất ổn định cục bộ và mất ổn định tổng thể. a1.ổn định cục bộ các phần tử chịu kéo, nén. Trong tiêu chuẩn API, chỉ đưa ra công thức xác định ổn định cục bộ với những phần tử trụ có tỷ số: 60 Ê D/t Ê 300. Trong đó: D,t là đường kính ngoài và chiều dày của tiết diện. - ứng suất mất ổn định cục bộ (trong miền đàn hồi) FXC = 2.C.E.t /D Trong đó: C : hệ số uốn dọc đàn hồi cục bộ D : đường kính ngoài (m) t : chiều dày của tiết diện (m). Theo lý thuyết thì C = 0,6 ; tuy nhiên, người ta thường lấy C = 0,3. - ứng suất mất ổn định cục bộ (ngoài miền đàn hồi) FXC = Fy. Ê FXC Và FXC = Fy( với D/t Ê 60 ) trong đó: FXC là ứng suất mất ổn định cục bộ ngoài miền đàn hồi. a 2. ổn định tổng thể. ứng suất cho phép ( Fa) được xác định theo công thức ASTM cho các phần tử có tỷ số D/t [60 Fa = với kl/r < Cc Hoặc Fa= với kl/r > Cc Trong đó: Cc = E: modul đàn hồi ngang (MPa). k : hệ số phụ thuộc vào liên kết ở hai đầu của phần tử. r : bán kính quán tính (m). Fy: Giới hạn chảy của vật liệu(MPa). b. kiểm tra bền phần tử. b1. Các phần tử chịu kéo, nén dọc trục. Ft=0,6 Fy Trong đó: Ft : ứng suất kéo cho phép của phần tử (MPa) Fy: giới hạn chảy của vật liệu (MPa) b2. Các phần tử chịu uốn. - ứng suất do uốn cho phép (Fb ) được xác định theo công thức: Fb = 0,75. Fyvới hay (1) Fb =với Ê < (2) Fb =với Ê < 300 (3) - Trong đồ án này ta có: (D/t)max= 1626/28,6 = 56,853 < 60 (D/t)min= 711/23,8 = 29,874 Mà: < 29,874 < 56,853 Vậy khi kiểm tra ta cần sử dụng hợp lý hai công thức (2) và (3). b3. Với các phần tử chịu cắt. - ứngsuất tiếp lớn nhất trong phần tử, fv, đối với phần tử trụ là: fv = Trong đó: fv : ứng suất tiếp lớn nhất (MPa) Q : lực cắt (MN) A : diện tích tiết diện ngang (m2) - ứng suất cho phép (Fv) được xác định: Fv = 0,4.Fy b4. Với các phần tử chịu xoắn. + ứng suất xoắn trong phần tử được xác định theo công thức sau. sx= Trong đó: Mx là giá trị mô mem xoắn. D là đường kính ngoài của tiết diện. Ip là mô mem quán tính độc cực của tiết diện. + ứng suất xoắn cho phép của vật liệu được xác định theo công thức sau: Fvt = 0,4Fy b5. Với các phần tử chịu áp lực thuỷ tĩnh. Do áp lực thuỷ tĩnh tỷ lệ thuận với độ sâu nước nên chỉ cần kiểm tra các phần tử ở gần đáy biển. * Đối với các phần tử ngập trong nước , nó chịu một áp lực bên ngoài có thể gây mất ổn định cho tiết diện theo phương vòng. Theo qui phạm API thi ứng suất theo phương vòng được xác định như sau. fh= p.D/2t Trong đó: fh : ứng suất vòng do áp lực thuỷ tĩnh p là giá trị của áp lực (Mpa). p =g .Hz với Hz= z + Trong đó: z là độ sâu nước tại vị trí kiểm tra (m). Hmax: chiều cao sóng lớn nhất. k: số sóng. k = (1/m) L : chiều dài sóng (m). d: độ sâu nước (m) g: mật độ nước - Điều kiện kiểm tra. fh Ê trong đó: Fhc: ứng suất vòng giới hạn. sFh : hệ số an toàn chống lại sự phá hoại do áp lực thuỷ tĩnh + Trong miền đàn hồi ứng suất vòng tới hạn bằng: Fhc=2Ch.E.t/ D Trong đó: Ch: hệ số mất ổn định vòng tới hạn Ch= 0,44t/D khi M ³ 1,6D/t Ch= 0,44t/D + khi 0,825D/t Ê M < 1,6D/t Ch= 0,736/(M - 0,636) khi 3,5 Ê M < 0,825D/t Ch= 0,755/(M – 0,559) khi 1,5 Ê M < 3,5 Ch= 0,8 khi M Ê 1,5 Với M là thông số hình dạng, được xác định từ công thức: M =, l: chiều dài phần tử (hoặc khoảng cách giữa các vòng chống mất ổn định). + Ngoài miền đàn hồi, ứng suất vòng tới hạn bằng: Fhc= Fhe khi Fhe Ê 0,55Fy Fhc= 0,45Fy +0,18 Fhe khi 0,55Fy < Fhe Ê 1,6Fy Fhc= khi 1,6Fy < Fhe Ê 6,2Fy Fhc= Fy khi Fhe > 6,2Fy * Nếu xảy ra mất ổn định do áp lực thuỷ tĩnh có thể khắc phục bằng các vòng chống mất ổn định (rings), mômen quán tính cần thiết của tiết diện vòng chống mất ổn định xác định theo công thức sau: Ic= Trong đó: Ic: momen quán tính cần thiết của tiết diện vòng chống mất ổn định (m4) b6. Các phần tử chịu tổ hợp ứng suất. Việc kiểm tra phần tử chịu nhiều trạng thái ứng suất thường phức tạp và cần phải có qui phạm cụ thẻ hoặc phương pháp luận để đánh giá đúng sự làm việc của kết cấu.Trong phạm vi đồ án này, ta chỉ kiểm tra phần tử chịu ứng suất do lực dọc và mômen uốn gây ra. - Tổ hợp ứng suất trong phần tử chịu nén uốn. + Kết hợp với điều kiện ổn định tổng thể ta có điều kiện kiểm tra như sau. Ê 1,0 Ê 1,0 Khi fa/Fa < 0,15, thì có thể thay thế hai công thức trên công thức sau. Ê 1,0 Trong đó: Fa: ứng suất nén cho phép được tính theo điều kiện ổn định tổng thể. fby, fbz: ứng suất do moment uốn My và Mz gây ra. fa: ứng suất do lực nén (N )gây ra. * Tổ hợp ứng suất trong phần tử chịu kéo uốn. + Điều kiện kiểm tra. Ê 1 Trong đó: ft là ứng suất do lực kéo gây ra. c. kiểm tra sự làm việc của nút. Kiểm tra sự làm việc của nút theo qui phạm API thực chất là tính toán liên kết giữa các thanh thanh với nhau. Ta phải tính toán, kiểm tra các bài toán sau: + Kiểm tra điều kiện bền, chọc thủng ống chính. + Kiểm tra điều kiện bền ống nhánh tại nút. + Kiểm tra đường hàn. c1. Sự chọc thủng Theo quy phạm API ta có. * ứng suất chọc thủng được tính theo công thức: Vp = t.f.sinq Trong đó: q : Góc hợp bởi ống chính và ống nhánh. f : ứng suất dọc trục danh nghĩa, ứng suất uốn trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng ống nhánh (tính riêng cho từng trường hợp tải trọng) t = t/T với T là bề dày ống chính, t là bề dày ống nhánh. * ứng suất chọc thủng cho phép: Vpa = Qq. Qf. Fyc: giới hạn chảy của vật liệu. g = , D là đường kính ngoài của ống chính. Qq : hệ số kể đến ảnh hưởng của loại tải trọng và hình học, lấy theo bảng 4.3.1-1(Quy phạm API). Qf : hệ số kể đến sự xuất hiện ứng suất dọc trục danh nghĩa trong ống chính. Qf = 1- l.f.A2 , trong đó: l = 0,03 đối với ứng suất dọc trục của ống nhánh. l = 0,045 đối với ứng suất uốn trong trong mặt phẳng ống nhánh. l = 0,021 đối với ứng suất uốn nằm ngoài mặt phẳng ống nhánh. A = : ứng suất dọc trục danh nghĩa, ứng suất uốn trong mặt phẳng và uốn ngoài mặt phẳng ống chính. - Qf = 1,0 khi tất cả ứng suất thớ ngoài của ống chính là ứng suất kéo. + Với ống nhánh đồng thời chịu lực dọc và momen uốn thì phải thoả mãn: Ê 1,0 Ê 1,0 c2. Tải trọng danh nghĩa Pa = Qu - Qf . . Ma = Qu .Qf . .(0,8d). Trong đó Pa : tải trọng dọc trục cho phép trong thanh nhánh. Ma : momen uốn cho phép trong thanh nhánh. Qu : hệ số độ bền giới hạn ( tra bảng 4.3.1-2 qui phạm API). + Với thanh nhánh làm việc phức tạp (uốn và nén dọc). Ê 1,0 Ê 1,0 c3. Kiểm tra đường hàn. * Kiểm tra đường hàn liên kết ở đây chủ yếu là đường hàn góc liên kết giữa ống chính và các ống nhánh. ở đây ống chính có chiều dày t= 31,8mm(tại nút), ống nhánh ở các khoang dưới (khoang 3và4) là 20,6mm. + Tính các đặc trưng đường hàn: - Momen kháng của đường hàn: Wgh = bh.p . ( Rtd = , với Ce là chiều dài giao tuyến giữa 2 ống được tính bằng chu vi elip tạo bởi (d/2, d/(2sinq )); q là góc hợp giữa 2 ống). - Diện tích tính toán của đường hàn: Agh = bh..hh.Ce - ứng suất trong đường hàn do lực nén và momen uốn gây ra: s1= Trong đó: d là đường kính ống nhánh(m). fx: Lực dọc trong ống nhánh (kN). My, Mz; Mômen uốn trong ống nhánh (kNm). 3.5.2.2. Tính toán kiểm tra Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp ta chỉ kiểm tra các phần tử chịu kéo (nén), cắt và uốn đồng thời. Không xét tới tác dụng của áp lực thuỷ tĩnh lên các phần tử, nên việc kiểm tra được tiến hành như sau: Các phần tử chịu kéo: Kiểm tra bền, ổn định Các phần tử chịu nén : Kiểm tra bền, ổnđịnh cục bộ Nhưng do các phần tử đều có tỷ số D/t <60 nên có thể không cần kiểm tra mất ổn định cục bộ.Tuy nhiên về nguyên tắc ta vẫn phải kiểm tra toàn bộ các phần tử. Trên cơ sở đó ta sẽ kiểm tra các phần tử sau: + Các phần tử có nội lực lớn nhất trong tất cả các phần tử có cùng tính chất chịu lực và đặc trưng hình học. + Cọc sẽ được kiểm tra riêng. a. Kiểm tra khả năng chịu lực của phần tử Ta sẽ kiểm tra phần tử 5 làm ví dụ: N=-13522,02kN; M2-2=-8532,7kNm; M3-3=-249,44kNm. Trong một thanh ta chỉ kiểm tra một mặt cắt nguy hiểm nhất Chiều dài thanh L=1.005m, D = 1,626m, t = 0.0318m Bán kính quán tính I : Mô men quán tính Mô men chống uốn W=2.I/D =0.062258 (m3) Ta có K : Hệ số ảnh hưởng của chiều dài phần tử Với các ống chính và cọc K = 1 Với các ống còn lại K = 0,8 Ta lại có ứng suất nén trong thanh Mô men uốn tổng cộng Hệ số tăng mô men uốn dọc Điều kiện kiểm tra Thay số vào ta có Như vậy điều kiện bền và ổn định của phần tử 5 được thoả mãn. Những phần tử còn lại kiểm tra tương tự. Kết quả kiểm tra xem ở phụ lục. b. Kiểm tra sự làm việc của nút b1. Kiểm tra chọc thủng. Kiểm tra mẫu cho nút 119, xét sự chọc thủng của thanh 201 (762x23,8mm): N = 152,95 kN M2-2 = 294,64 kNm ; M3-3 = 16,38 kNm - Xác định lực chọc thủng cho phép: Vpa = Qq. Qf . Qq = (1,1 + 0,2/b ).Qg g = = =25.57 > 20 Qg= 1,8 - =1,8- = 1,677 b == 0,5 --> Qq = (1,1 + 0,2/0,5).1,677 = 2,52 Qf= 1,0 - l .g .A2 l = 0,03; g =25,57 A = fAX= = 2770,83KN/m2 f*IPB= = 4606,099 KN/m2 Nhận thấy fOPB rất nhỏ so với fAX và fIPB ta có thể bỏ qua không cần tính fOPB. A = = 0,0197 Ta thấy A rất nhỏ, A2 ằ 0 --> Qf = 1,0 – 0,03 .25,57 .0,01972 ằ 1,0. --> Vpa= 2,52.1,0. = 74736 (KN/m2) - Xác định lực chọc thủng tính toán : Vp = t . f. sinq t = =0,748 q : góc giữa phần tử 201 và ống chủ bằng 49o (sinq = 0,7547) f = fAX = 2770,83 KN/m2 Vp =0,748. 2770,83.0,7547= 1564,177 KN/m2 < Vpa. Vậy ống chủ không bị phá hoại chọc thủng. * Nhận xét: theo tính toán ở trên ta thấy A2 ằ 0 nên Qf ằ 1,0, vì vậy khi tính toán kiểm tra ta có thể tính Vpa theo công thức: Vpa = Qq. và không cần quan tâm đến momen mà chỉ xét đến lực dọc của các thanh nhánh. Như vậy ta sẽ chọn ra các nút có các thanh nhánh có lực dọc lớn để kiểm tra chọc thủng, và chỉ cần kiểm tra sự chọc thủng của các thanh đó lên ống chủ mà không cần kiểm tra các thanh nhánh khác. Xét nút 55 có phần tử 120(762x23,8mm; q = 49° ) quy tụ vào và có giá trị lực dọc lớn nhất : N=5263,42kN ; M2-2=57,71kNm ; M3-3=-73,7kNm. Lực chọc thủng lớn nhất là: Vp = t . f. sinq =1,0..sin49°= 7196,293kN/m2 - Xác định lực chọc thủng cho phép: Vpa = Qq. Qf . Qg= 1,8 - =1,8- =1,677(do g = = =25,57 > 20) b == 0,5(ở đây d=0,813m;D=1,626m); g là khoảng cách giữa mép của hai ống nhánh,thường thì g=50mm. Từ đây tính được: Qq = (1,1 + 0,2/0,5).1,677 = 2,52 --> Vpa= 2,52.1,0. = 74736,02 kN/m2 > Vp =7196,293 kN/m2 Đối với các nút khác ta cũng kiểm tra tương tự, tuy nhiên lực chọc thủng rất nhỏ nên ta không cần kiểm tra.Kết quả kiểm tra chọc thủng ống chính xem chi tiết ở bảng phụ lục. b.2. Kiểm tra đường hàn. + Lựa chọn phần tử kiển tra. * Kiểm tra đường hàn liên kết ở đây chủ yếu là đường hàn góc liên kết giữa ống chính và các ống nhánh. ở đây ống chính có chiều dày t = 31,8mm(tại nút), ống nhánh ở các khoang dưới (khoang 3và4) là 23,8mm. + Trước hết, ta chọn chiều cao đường hàn (hh) theo yêu cầu cấu tạo: hhminÊ hh Ê 1,2dmin Trong đó: hhmin là chiều cao tối thiểu của đường hàn; hhmin³ dmin. dmin: Bề dày nhỏ nhất của các cấu kiện; dmin=23,8mm. Vậy ta chọn hh= 23,8mm. + Kiểm tra sự làm việc của đường hàn. - Với que hàn E55, hàn tay, ta có: Rhg=2400kG/cm2= 240000kN/m2, bh=0,7; bt=1. Vì bh.Rgh = 0,7.240000 = 168000 < bt .Rgt = 289000 (kN/m2), nên nếu liên kết bị phá hoại thì phá hoại theo đường hàn. Như vậy, chỉ cần kiểm tra bền đối với đường hàn. Kiểm tra: Ta kiểm tra mẫu cho nút 55 có phần tử 120 (là thanh nhánh có nội lực lớn )quy tụ vào nút: N=5263,42kN;M22=57,71kNm;M33=-70,62kNm; f762x23,8mm; q = 49° Ta có: a=2.RB/sinq; b=2.RB Trong đó : RB là bán kính ống nhánh (m) . q là góc hợp bởi ống chính và ống nhánh. Ce=p.[1,5.(a+b)-] là chu vi tiết diện chọc thủng (m). Kết quả tính được:a=1,00966 ;b=0,762 ; Ce=5,5932 ;Rtd=0,8902 ;Ah=0,0932 Wh=0,009242 ; s=66613,31 kN/m2 <Rgh=240000 kN/m2. Vậy đường hàn đảm bảo khả năng chịu lực. Kết quả kiểm tra được thể hiện trong bảng phụ lục. 3.6. Tính toán kết cấu móng cọc 3.6.1. Đánh giá điều kiện địa chất Dựa vào số liệu về điều kiện địa chất khu vực xây dựng công trình đã cho ở nhiệm vụ thiết kế ta có những nhận xét như sau: Nền đất được chia thành 10 lớp với các đặc trưng cơ lý tương đối tốt. Với bề mặt như vậy có thể đảm bảo cho ổn định cho khối chân đế. Giả thiết rằng đáy biển tương đối bằng phẳng có thể tiến hành thi công lắp dựng mà không phải san nền. 3.6.2. Nguyên lý tính toán Nguyên tắc tính toán cọc là xác định được chiều dài của cọc cần thiết cần phải đóng xuống phải đảm bảo sao cho chiều dài cọc đóng xuống là ít nhất (thoả mãn điều kiện kinh tế) nhưng phải đảm bảo cho công trình đủ ổn định (thoả mãn điều kiện về khả năng chịu lực). Chiều sâu đóng cọc được xác định theo công thức sau: Qd ³ Nt Trong đó: Qd – Khả năng chịu tải của đất nền Nt – Tổng tải trọng tác dụng lên cọc tại vị trí tính toán * Kết cấu móng cọc được tính toán theo qui phạm API. + Trong phần này chỉ tính cọc chịu tải trọng dọc trục. + Khả năng chịu tải của cọc Qd được tính theo công thức sau: Đối với cọc chịu nén: Qd = Qf + Qp – Wp.L= f .As + q.Ap - Wp.L Đối với cọc chịu nhổ: Qd = Qf – Wp.L= f .As - Wp.L Trong đó: Wp.L = Qf: tổng lực ma sát giữa thành cọc và nền đất. Qp: tổng lực chống tại đầu cọc. As: tổng diện tích xung quanh cọc ngập trong đất Ap: diện tích mặt cắt cọc. f: lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất. q: lực chống đơn vị tại đầu cọc, bằng cường độ chịu nén của đất tại đầu cọc. : Khối lượng riêng của thép làm cọc (T/m3) : Khối lượng riêng của lớp đất thứ i (T/m3) : Diện tích mặt cắt ngang của cọc (m2) : Diện tích mặt cắt ngang của lõi đất (m2) 3.6.2.1. Xác định lực ma sát đơn vị giữa cọc và nền đất a. Đối với đất dính f = a.c Trong đó: a: hệ số không thứ nguyên c: lực dính của lớp đất đang xét + Hệ số không thứ nguyên (a)được xác định theo công thức sau. a = (nếu j<1) a= (nếu j>1) + Điều kiện khống chế a1 thì lấy a=1) Giá trị của j được tính như sau. j = c/P0 ; j tính cho điểm đang xét. Với: P0= áp lực hữu hiệu của các lớp đất phía trên điểm đang xét. P0=ồPoi với Poi= gi.Hi Trong đó: gi: trọng lượng riêng của đất có kể đến đẩy nổi Hi: chiều dày lớp đất thứ i (m) b. Đối với đất rời f = k.p0.tgd Trong đó: k: hệ số áp lực hông của đất vào cọc (Hệ số k đối với cọc không bịt đầu được tính gần đúng k ằ 0,8). po: Tổng áp lực của bản thân của đất tại điểm đang xét. d: Góc ma sát giữa thành cọc và đất (d được xác định theo bảng 6.4.3-1 trang 60- qui phạm API ). f : không vượt quá fgh, nếu vượt quá thì lấy f= fgh. 3.6.2.2. Xác định lực kháng đơn vị tại đầu cọc + Trường hợp cọc chịu nén. a. Đối với đất dính q=9.c Trong đó: c là lực dính của lớp đất đang xét. b. Đối với đất rời - Lớp 1,7: Đất thuộc loại đất rời. Lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất. f = k.p0.tgd Lực kháng đơn vị tại đầu cọc. q=P0.Nq - Lớp 2,3,4,5,6,8,9,10: Đất thuộc loại đất dính. Lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và nền đất. f = a.c Lực kháng đơn vị tại đầu cọc. q=9.c + Khả năng chịu tải của cọc là tổng của: lực ma sát thành ngoài, phản lực của đất ở mũi cọc (tính cho tiết diện vành khuyên), lực ma sát thành trong hoặc phản lực của lõi đất ở mũi cọc (trong hai giá trị này lấy giá trị bé hơn). 3.6.3. Tính toán * Thực tế ta phải tính toán cho 2 trường hợp cọc chịu nén và chịu nhổ để xác định chiều sâu cọc cần thiết. 3.6.3.1. Xác định các thông số tính toán + Cọc: - Đường kính của cọc: D = 1422mm Chiều dày thành cọc: t = 31,8mm Diện tích mặt cắt ngang cọc: Ap = 0,1409 m2 Diện tích mặt cắt ngang lõi đất: Ad = 1,4922 m2 + Kết quả tính toán nội lực lớn nhất ở đầu cọc có giá trị như sau: N=-13613,49kN; M22=14802,64 kN/m2; M33=238,38 kN/m2. - Lực dọc tính toán tại đầu cọc (tính với giá trị lớn nhất). N0 = Nmax= 0.98906 . 13613,49 = 13464.558 (kN) * Sức chịu nén của nền. - Trong bài toán cọc chịu nén, quy phạm API quy định lấy hệ số áp lực ngang K= 0,5 á 1,0 để tính lực ma sát đơn vị giữa thành cọc và đất nền. - Khi tính toán, bề dày các lớp đất được chia nhỏ. Tuỳ theo yêu cầu độ chính xác của chiều sâu hạ cọc, bề dầy các lớp đất có thể từ 1 á 3 m. Trong bảng tính chỉ thể hiện chi tiết sức chịu tải của đất nền từ độ sâu 34m trở xuống (vì theo kinh nghiệm với dàn BK, cọc thường nằm thấp hơn độ sâu này). Tuy nhiên khi tính các lớp đất trên vẫn thực hiện chia lớp. Để đảm bảo chính xác, ở đây lớp đất chia ra là: 2 m. 3.6.3.2. Tính chiều dài cần thiết của cọc - Sức chịu tải dọc trục tính toán cần thiết của cọc là: Nt = k .(N0+ Q.cosb ) Trong đó: N0: Lực dọc tính toán tại đỉnh cọc. Q: trọng lượng của đoạn cọc dưới mặt đất. b: góc nghiêng của cọc so với phương thẳng đứng, b = 8,050 k: hệ số toàn, theo API lấy k = 3. - Để xác định được chiều sâu đóng cọc cần thiết ta phải tính đúng dần: Bước 1: Giả thiết chiều dài cọc đóng ( Lc) Bước 2: Tính Nt và Qd Bước 3: So sánh Nt và Qd. - Nếu Qd ³ Nt thì chiều sâu đóng cọc đã thoả mãn (tức là với độ sâu đóng cọc này thì cọc đã đủ khả năng chịu lực). - Nếu Qd < Nt thì quay lại bước 1, tăng chiều sâu đóng cọc và tính lại. * Kết quả tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền được thể hiện thành bảng. Xem chi tiết trong phụ lục 4 * Theo kết quả tính trong bảng (được trình bày trong phụ lục 4) thì đóng cọc đến độ sâu 38m đã đủ khả năng chịu tải cần thiết.Tuy nhiên để thêm an toàn ta đóng cọc đến độ sâu 40m. Kể cả đoạn cọc lồng trong ống thì chiều dài tổng cộng của cọc là 125 m. Chương 4 Thiết kế chi tiết kết cấu Thiết kế chi tiết là giai đoạn thiết kế chế tạo công trình. Mục đích của việc thiết kế chi tiết là đảm bảo cho công trình về cả phương diện chịu tải, khả năng thi công và khả năng cung cấp vật tư cho công trình. 4.1. Thiết kế nút Các nút được thiết kế tăng bề dày hoặc tăng cả bề dày và đường kính. Vật liệu của các đoạn này là thép loại II, có khả năng chịu lực cao. Mục đích của việc tăng kích thước ống tại nút là làm tăng khả năng chịu cắt và chọc thủng cho các nút vì ứng suất tập trung tại đây rất lớn. Chiều dài đoạn cần tăng kích thước được xác định theo tiêu chuẩn API như hình vẽ D 50 50 4.1.1. Các yêu cầu về cấu tạo nút - Góc hợp giữa ống nhánh và ống chính:q =30°á 60°, tốt nhất là q= 40°á 50°. Điều này đã được xem xét khi thiết kế tổng thể - Các khe hở giữa các ống phụ và thành ống chính khi lắp ghép để hàn được qui định như sau: + Với q < 45° chiều rộng khe hở là 3,2 á 6,4mm. + Với 45° Ê q Ê 90° chiều rộng khe hở là 1,6 á 4,8mm. +Với q >900 chiều rộng khe hở là 0á4,8 mm - Chiều cao đường hàn được qui định như sau: + Với q < 35°chiều cao đường hàn là:1,75t + Với q = 35°á50° chiều cao đường hàn là:1,5t + Với q = 50°á 90° chiều cao đường hàn là :1,25t + Với q = 90°á 135° chiều cao đường hàn là :1t Trong đó, t là chiều dày thành ống nhánh. - Các mối hàn đối đầu khi chiều dày thành ống lớn hơn 25 mm thì phải có biện pháp gia nhiệt. 4.1.2. Thiết kế nút Cấu tạo một số nút đơn giản. a. Thiết kế nút đơn giản * Các nút đơn giản là các nút có cấu tạo đơn giản dạng chữ K, X, T các đường trục không yêu cầu đông quy tại một điểm(nhưng cần hạn chế số điểm đồng quy), những nút này được sử dụng rất phổ biến. * Trong nguyên tắc cấu tạo nút, thanh nhánh được hàn vào thanh chủ, cấu tạo các nút được quy định như sau: - Khoảng hở giữa 2 mép của 2 thanh cùng tiếp giáp với thanh chủ không nhỏ hơn 50 mm. - Trong các nút mà có ống chính thay đổi tiết diện thì khoảng cách từ điểm tiết diện thay đổi đến mép của ống phụ liên kết vào ống chính không được nhỏ hơn D/4 hoặc là 12inch (khoảng 300mm). - Khoảng cách từ đầu mút ống chính đến