Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT CẤU PHẦN XÂY DỰNG 2.1. Thuyết minh: 2.1.1. Móng cột BTLT: 2.1.1.1. Khái niệm: Tính toán móng cột điện tức là nghiên cứu các biện pháp giử chặt cột vào trong đất sao cho cột làm việc ổn định trong suốt quá trình vận hành đường dây. Phần cột chôn dưới đất không phụ thuộc vào dạng kết cấu gọi chung là phần móng và phần đất nhận áp lực từ móng gọi là nền. Nền mà sử dụng đất ở trạng thái tự nhiên gọi là nền tự nhiên. Nền sử dụng đất được gia cố bằng biện pháp nào đó làm tăng khả năng bền vững gọi là nền nhân tạo. Nền của móng cột đường dây tải điện thường là nền tự nhiên. Khoảng cách từ đáy móng đến bề mặt đất gọi là độ chôn sâu móng. Trị số độ chôn sâu được xác định theo tính toán. Khi thiết kế nền móng cột đường dây tải điện phải căn cứ vào các tài liệu sau: - Bản vẽ địa hình địa mạo nơi xây dựng. - Các tài liệu về cột khoan địa chất và các mặt cắt địa chất. Trong tài liệu này phải ghi rỏ cao trình các lớp đất, mô tả sơ bộ các lớp đất, khoảng cách các lỗ khoan, vị trí lấy các mẫu đất thí nghiệm, mực nước ngầm xuất hiện và ổn định. - Các tính chất lý hóa của nước ngầm, độ pH , tính xâm thực v.v - Các chỉ tiêu cơ học và vật lý của các lớp đất: Thành phần hạt, dung trọng, tỷ trọng, độ ẩm, giới hạn nhão, giới hạn dẻo, hệ số thấm, góc nội ma sát, lực dính, kết quả thí nghiệm nén v.v Tính toán nền móng là vấn đề khó khăn nhất khi thiết kế kết cấu đường dây tải điện. Lý do là đường dây tải điện là một công trình có chiều dài lớn đi qua nhiều vùng có địa chất khác nhau, không thể nào xác định chính xác tính chất của đất cho mỗi loại cột. 2.1.1.2- Phương pháp tính: Hiện nay, có 3 phương pháp tính toán. a. Phương pháp ứng suất cho phép: ứng suất gây nên bởi tải trọng bên ngoài phải bé hơn hoặc bằng ứng suất cho phép [σ] của vật liệu [s] đã tính đến hệ số an toàn n. n = ][σ σch Trong đó: s ch ứng suất chảy của vật liệu. b. Phương pháp tải trọng phá hoại: Tải trọng dùng trong phương pháp này là tải trọng phá hoại. Hệ số an toàn tính theo công thức sau: Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 1 Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây n = tc ph P P Trong đó: P ph Tải trọng phá hoại. P tc Tải trọng tiêu chuẩn. c. Phương pháp trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn là trạng thái mà từ đó trở đi kết cấu không thỏa mản yêu cầu đề ra cho nó. Công trình không sử dụng được bình thường hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Có 2 trạng thái giới hạn: - Trạng thái giới hạn thứ nhất I (Theo cường độ và ổn định): áp dụng cho các công trình thường xuyên chịu tải trọng ngang, các công trình xây trên mái dốc, các công trình có nền là đá. Mục đích việc tính toán là đảm bảo cường độ và ổn định cho công trình trong mọi tình huống bất lợi nhất. Dưới tác dụng của tải trọng, công trình bị phá hoại vì nền dất không đủ sức chịu tải. Ngoài ra, với những điều kiện cụ thể nào đó, công trình có thể bị nghiêng hoặc trượt trên nền dốc. Công thức: N ≤ Φ Trong đó: N Lực ngoài tác dụng lên nền; F Sức chịu tải của nền (cường độ) theo phương lực N. Ví dụ: nếu N làm cho móng trượt thì F là sức chống trượt, còn nếu N là mômen làm cho móng bị lật đổ thì F là mômen chống lật (mômen giử) v.v - Trạng thái giới hạn thứ II (Theo biến dạng): áp dụng cho mọi công trình trừ trường hợp công trình có nền là đá. Mục đích của việc tính toán là hạn chế độ lún, độ lún lệch và độ nghiêng (hay chuyển vị ngang) của móng để đảm bảo công trình không bị phá hoại hoặc đảm bảo sự làm việc bình thường của nó. 2.1.2. Xà cột: Kết cấu xà thép, được tính toán như đối với các kết cấu xây dựng khác, tính toán theo phương pháp trạng thái giới hạn. Mục đích của việc tính toán kết cấu là đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quá trạng thái giới hạn khiến cho không thể sử dụng được nữa, trong khi vẫn đảm bảo ít tốn kém nhất về vật liệu cũng như nhân công chế tạo, lắp dựng. Trạng thái giới hạn (TTGH) là trạng thái mà kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với công trình khi sử dụng cũng như khi xây lắp. Đối với kết cấu chịu lực, người ta xét các TTGH sau: - TTGH thứ nhất: Mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa. Bao gồm phá hoại về độ bền, mất ổn định. Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 2 Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây - TTGH thứ hai: Không còn sử dụng bình thường được do bị võng, bị rung, nứt. Các công thức dùng để xác định các trạng thái giới hạn như sau: Đối với TTGH thứ nhất : N ≤ Φ Đối với TTGH thứ hai : f ≤ f gh Trong đó lực tính toán N trong kết cấu là nội lực lớn nhất xảy ra trong suốt quá trình sử dụng, xác định theo tải trọng tính toán. Đại lượng Φ = m.R.F.A là khả năng chịu lực tối thiểu của kết cấu, phụ thuộc vào cường độ tính toán của vật liệu R, hệ số điều kiện làm việc của kết cấu m, đặc trưng hình học của tiết diện F và hệ số về trạng thái làm việc A của kết cấu. Hệ số điều kiện làm việc m thông thường m = 1. Đặc trưng hình học tiết diện F là diện tích, mômen chống uốn hoặc mômen quán tính Đại lượng A là các hệ số tương ứng với từng trạng thái làm việc của kết cấu về ổn định, mỏi và bền. Ví dụ A sẽ là j: Hệ số uốn dọc của thanh chịu nén đúng tâm. Đại lượng f là biến dạng xác định theo tính toán và giá trị f gh là biến dạng giới hạn lấy theo quy phạm. Vì f gh quy định theo điều kiện sử dụng bình thường nên f được tính theo tải trọng tiêu chuẩn. * Nguyên tắc tính toán kết cấu xà: - Giả thiết trước các thông số về hình học, tiết diện, độ cứng của kết cấu. - Xác định nội lực và kiểm tra tiết diện và sự làm việc của kết cấu theo hai trạng thái giới hạn trên. Trong mọi trường hợp, kết cấu và bộ phận cần được kiểm tra theo các TTGH thứ nhất, còn đối với TTGH thứ hai thì chỉ tiến hành kiểm tra khi mà chuyển vị gây điều kiện trở ngại cho sử dụng của kết cấu. 2.2. Tính toán móng cột BTLT: 2.2.1. Tính toán sự ổn định của móng: Sự làm việc ổn định của móng chủ yếu dựa vào sức bền của đất dưới đế móng, trong tính toán bỏ qua sức kháng của khối đất xung quanh. Phương pháp tính toán là phương pháp tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất. Khi móng chịu tác dụng của tải trọng ngang, có thể xảy ra các trường hợp nền chịu nén như sau : Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 3 Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây Nền chỉ chịu nén Nền chịu kéo và nén Ứng suất dưới đáy móng xác định theo công thức: σ tb = F QdQmN tc d ++ σ max = Wy hp.Px F QdQmN tc d + ++ Trong đó: N tc d - Tổng lực dọc tiêu chuẩn truyền lên móng. Q m - Trọng lượng móng. Q d - Trọng lượng đất trên móng. F - Diện tích đáy móng. h p - Chiều cao từ nền đến lực P. W y - mômen chống uốn của đế móng. Với móng tròn đường kính D, thì: σ max =       ± Π ∑ D e .81. D. N.4 2 Trong đó : ∑ N = N tc d + Qm + Qd; e = ∑ N hp.Px Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 4 h N Px b d h N Px b d Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây Để móng làm việc được ổn định yêu cầu: σ tb ≤ R tc σ max ≤ 1.2 x R tc R tc : Áp lực tiêu chuẩn của nền đất ở đáy móng (cường độ nền đất). Theo quy phạm TCXD 45 - 70 quy định: Rtc = m.(Ab + B.h).γ + D.c Trong đó: b - chiều rộng của móng; đối với móng tròn hoặc đa giác lấy b = (F là diện tích đáy móng). h - chiều sâu chôn móng. g - trọng lượng thể tích của đất. m - hệ số điều kiện làm việc . Nếu hố móng nằm dưới mực nước ngầm và trong tầng đất cát nhỏ thì m = 0.8 trong tầng cát bụi thì m = 0.6 ; các trường hợp khác m = 1 A , B , D - Các hệ số không thứ nguyên , phụ thuộc góc ma sát trong ϕ tc , tra bảng 1. Bảng 1: Hệ số A , B , D để xác định cường độ tính toán R của đất ϕ (độ) A B D ϕ (độ) A B D 0 0 1 3.14 24 0.72 3.87 6.45 2 0.03 1.12 3.32 26 0.84 4.37 6.9 4 0.06 1.25 3.51 28 0.98 4.93 7.4 6 0.10 1.39 3.71 30 1.15 5.59 7.95 8 0.14 1.55 3.93 32 1.34 6.35 8.55 10 0.18 1.73 4.17 34 1.55 7.21 9.21 12 0.23 1.94 4.42 36 1.81 8.25 9.98 14 0.29 2.17 4.69 38 2.11 9.44 10.8 16 0.36 2.43 5.00 40 2.46 10.84 11.73 18 0.43 2.72 5.31 42 2.87 12.5 12.77 20 0.51 3.06 5.66 44 3.37 14.48 13.96 22 0.61 3.44 6.04 45 3.66 15.64 14.64 2.2.2. Tính toán chống lật cho móng: Móng chống lật có nhiệm vụ chủ yếu là chống lại lực lật (lực ngang) làm đổ cột. Ngoài lực ngang, trên móng còn chịu tác động của tải trọng thẳng đứng và mômen uốn. Phương pháp để tính toán chống lật là tính theo phương pháp tải trọng phá hoại. Khả năng chống lật chủ yếu phụ thuộc vào sức kháng của đất ở mặt trước và mặt sau móng. Hệ số an toàn k của kết cấu phụ thuộc vào chế độ làm việc của đường dây, công thức: Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 5 Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây K = tc ph S S Trong đó: S ph - tải trọng phá hoại (khả năng bền vững của nền) S tc - tải trọng tiêu chuẩn đặt lên móng Trị số K cho trong bảng 2. Bảng 2: Hệ số an toàn k của nền móng chống lật và chống nhổ theo tải trọng phá hoại Dạng cột Chế độ bình thường Chế độ sự cố Trung gian thẳng 1.5 1.3 Trung gian góc 1.8 1.5 Néo góc, néo cuối 2.0 1.8 Cột vượt 2.5 2.0 Các móng dùng trong tính toán chống lật gồm: Móng chôn sâu (không móng), móng tròn (dạng giếng), móng thanh ngáng, móng ngắn, móng khối a/ Trường hợp móng chôn sâu (không móng hoặc móng giếng): Công thức kiểm tra chống lật như sau: K.S ≤ 2 h.b.m. 1 αµ Trong đó: α = h H αµ 1 tra bảng 3. m - đặc trưng cho sức kháng của đất. m = γ.       ϕ + 2 45tg o2 với ϕ là góc ma sát trong của đất. Tra theo bảng 4 b - chiều rộng tính toán Với cột tròn có đường kính trung bình phần chôn sâu do thì b = d 0 .k og Với móng tròn đường kính D thì: Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 6 Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây b = D.k og k og - hệ số tra bảng 5. S - tổng lực ngang tác dụng lên cột b. Trường hợp móng thanh ngáng: Độ dài tính toán của thanh ngáng : L = ( ) o d fdym A ' 1 11 + + Trong đó: f = tgϕ tra bảng 4. m - đặc trưng cho sức kháng của đất tra bảng 4. A = ( ) SkE 21. 2 +θ− ; E = 2 h.b.m 2 d 1 - đường kính (hay bề rộng) thanh ngáng; d' o , d o - đường kính cột tại vị trí lắp thanh ngáng và đường kính trung bình của phần chôn sâu cột trong đất. b - chiều rộng tính toán ; b = d o .k og . k og tra bảng 5. Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 7 D h S H Móng tròn (dạng móng giếng) Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây θ 2 - được tính theo phương trình : ( ) Hy. h.E K.S h y 667,0 h y .2.33,1. 1 11 2 +−−=       −θθ Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 8 Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây Móng chôn sâu đặt 1 thanh ngáng Bảng 3: Các hệ số µ và 1/ αµ dùng cho móng chống lật α = H/h µ αµ 1/ αµ 1 17.68 17.68 0.0566 2 14.06 28.12 0.0356 3 12.61 37.83 0.0264 4 12.13 48.52 0.0206 5 11.81 59.05 0.0169 6 11.55 69.3 0.0144 7 11.28 78.96 0.0127 8 11.15 89.2 0.0112 9 11.03 99.27 0.0109 10 10.91 109.1 0.0092 Bảng 4: Trị số f, m và γ của các loại đất Tên đất ϕ f = tgϕ m = γtg 2 (45 o +ϕ/2) kN/µ 3 γ kN/m 3 Đất sét và đất cát ngấm nước 20 0.364 38.0 18.6 Đất sét và đất cát ẩm tự nhiên 40 0.389 67.7 14.7 Đất sét mềm ngấm nước 20 0.364 36.0 17.6 Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 9 S do1 H y1 d’o do Thanh ngáng h L Tài liệu hướng dẫn về tính toán cơ khí đường dây Đất sét mịn 40 0.839 72.2 15.7 Đất sét rất mịn 45 1.000 104.5 17.6 Đá nhỏ lẫn cát ngấm nước 25 0.466 48.3 23.5 Sỏi, cát lớn ngấm nước 25 0.466 45.8 18.6 Cát nhỏ sủng nước 15 0.268 31.7 18.6 Cát nhỏ sạch và ướt 25 0.466 48.3 19.6 Cát lớn lẫn sỏi, khô 35 0.700 57.8 15.7 Cát nhỏ sạch và khô 40 0.839 81 17.6 Đất sét lẫn đá 35 0.700 50.7 13.7 Gạch đá vụn cát, ướt 30 0.577 52.9 17.6 Bảng 5: Trị số của k og dùng tính toán móng chống lật ϕ h/d o ; h/d' o hoặc h/D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 o 1.045 1.090 1.135 1.180 1.225 1.270 1.315 1.380 1.405 1.450 20 o 1.067 1.133 1.200 1.287 1.333 1.400 1.466 1.583 1.600 1.667 25 o 1.092 1.184 1.276 1.368 1.480 1.552 1.644 1.736 1.828 1.920 30 o 1.121 1.242 1.363 1.484 1.605 1.785 1.847 1.968 2.089 2.210 35 o 1.150 1.346 1.474 1.632 1.790 1.948 2.106 2.264 2.422 2.980 40 o 1.202 1.404 1.505 1.809 2.010 2.212 2.411 2.616 2.818 3.020 45 o 1.255 1.516 1.705 2.020 2.775 2.530 2.785 3.040 3.293 3.550 c. Trường hợp móng ngắn: + Móng ngắn không cấp: Công thức kiểm tra như sau S.K ≤ I, I = ( ) o.3n2 1 QFE.F. F 1 + Trong đó : 5.0tg.1 h H h H .5,1F 2 1 +       ϕ       ++= ( )       ϕ+ϕ+= tg. h d .5,11.tg1F 2 2 ( ) ϕ+ϕ+= tg h d .tg1F 2 3 ( ) ( ) [ ] 2 n 1.Ch 5,0. tg. ko.h.b E θ++γ ϕ+θθ = θ , θ 2 : Tra theo bảng 6, k o : Tra bảng 7. Q o - tổng trọng lượng đặt lên nền, kể cả trọng lượng móng. S - tổng lực ngang (lực tính toán) lên cột. Phòng kỹ thuật - Công ty Điện lực 3 Trang 10