VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NÁVRH A POSOUZENÍ JÍMKY ODPADNÍCH VOD DESIGN OF WASTE WATER TANK

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV BETONOVÝCH A ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF CONCRETE AND MASONRY STRUCTURES NÁVRH A POSOUZENÍ JÍMKY ODPADNÍCH VOD DESIGN OF WASTE WATER TANK BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR VLASTIMIL KONEČNÝ Ing. IVANA ŠVAŘÍČKOVÁ, Ph.D. BRNO 2013

2 [}l VYSOKE UCENI TECHN CKE V BRNE t: I l l J FAKULTA STAVEBNI ffi Studijní program Typ studijního programu Studijní obor pracoviště Stavební inženyrství Bakalá sky studijní program s prezenčníformou studia 3608R00 1 Pozemní stavby Ústav betonovych a zděnych konstrukcí ZADANI BAKALARSKE PRACE Student Vlastimil Konečny I\ázev Návrh a posouzeníjímky odpadních vod Vedoucí bakalá ské práce Ing. Ivana Švaíčková,Ph.D. Datum zadání bakalá ské práce Datum odevzdání bakalá ské práce V Brně dne II {/t prof. RIrTDr. Ing. Petr Stěpánek, CSc. vedoucí stavu prof. Ing. Rostislav Děkan Fakulty ochyt vební

3 Podklady a literatura Stavební podklady, geologický pruzkum Platné normy: - CSN EN 1990: Zásaďy navrhování konstrukcí, ČsN EN až 4: Zatíženístavebních konstruk cí ČSN EN : Navrhování betonových konstrukcí - Čast t-t: obecná pravidla pro pozemní stavby.2006 Dalšípotřebná literatura po dohodě s vedoucím bakalářslaé práce. Zásady pro vypracování (zadání, cíle práce, požadované výstupy) Y zadaném objektu proveďte návrh a posouzenívýztuže. Jímka má předepsáno omezení šířky trhlin na0,2 mm, Posouzení prvků proveďte podle mezního stavu únosnosti a šířkytrhlin. Pro stanovení ÚČinkŮ vnitřních sil využijte software s možností zadánívrstev podloži a průběhy vnitřních sil porovnejte se zjednodušeným modelem konstantního p*benu napětí v základové spaře. Vypracujte výkres tvaru a výztuže jimky. Požadované výstupy: Textová Část (obsahuje průvodní zprávu a ostatní náležitosti dle nížeuvedených směrnic) Přílohy textové části P1) Použité podklady P2) Statický výpočet P3) Výkresová dokumentace P4) Řešení vnitřních sil a výstupy výpočetníhoprogramu. Prohlášení o shodě listinné a elektronické formy VŠrr1tx;, Popisný soubor závěrečnépráce (1x) Bakalářská práce bude odevzdána v listinné a v elektronické podobě s formální úpravou dle směrnic + na CD (1x). Struktura bakalářské/diplomové práce VŠKP vypracujte a rozčleňte podle dále uvedené struktury: Textová east VŠrPzpracovanápodle Směrnice rektora "Úprava, odevzdávání, zveřejňování a uchovávání vysokoškolských kvalifikačníchprací" a Směrnice děkana "Úprava, odevzď{váni,zveřejňování a uchovávání vysokoškolských kvalifikačníchprací na FAST VUT" (povinná součást VŠKP). Přílohy textové části VŠKPzpracované podle Směmice rektora "Úprava, odevzdáváni, zveřejňování a uchovávání vysokoškolských kvalifikačníchprací" a Směmice děkana "Úprava, odevzďávénl, zvóřejňování a uchovávání vysokoškolských kvaliíikačníchprací na FAST VUT" (nepovinná součást VŠrPv případě, že přilohy nejsou součástí textové části VŠKP, ale textovou část doplňuj},./ /: F,'l, ftillt^l,-: ^ť Lť ",bl! \/ Lť _:!,.l f; :l {" t*""/ Ing. Ivana Švaíčková,Ph.D. Vedoucí bakalá sk é práce

4 Abstrakt Cílem bakalářské práce je návrh a posouzení výztuže pro konstrukci jímky odpadních vod. Dalším předmětem zadání je posouzení nádrže na mezní stav trhlin. Posouzení prvků je provedeno dle mezních stavů únosnosti a použitelnosti-mezního stavu trhlin. Pro stanovení účinků vnitřních sil je použit výpočtový software Scia Engineer Výpočet je proveden dvěma způsoby, a to zadáním podloží konstrukce pomocí ručního výpočtu a zadáním vrstev podloží pomocí přídavného modulu Soilin, který generuje zatížení a ostatní parametry. Pro výstupy z těchto metod výpočtu je provedeno srovnání výsledků a navržení a posouzení výztuže na mezní stav únosnosti a mezní stav použitelnosti. Pro mezní stav použitelnosti mezní stav trhlin je předepsáno omezení šířky trhlin pro limitní hodnotu w k = 0,2 mm dle EC Klíčová slova železobeton, jímka odpadních vod, železobetonová nádrž, beton, betonářská ocel, zatížení, podloží

5 Abstract Aim of the bachelor's thesis is to design reinforcement for waste water tank. Another part of task is to do examine for limit state of cracks. Tank is examined for Capacity limit state and Applicability limit state - Limit state of cracks. To determine the effects of internal forces is used calculation software Scia Engineer Calculation is performed by two methods. The first method is to assign subsoil with manual calculation and the second is to assign subsoil layers with module Soilin which generates loads and another parameters. Outputs from the methods of calculation were used for comparison of results and design reinforcement for Capacity limit state and Applicability limit state. According to Applicability limit state Limit state of cracks is prescribed limitation of cracks width to limit width w k = 0,2 mm by EC Keywords reinforced concrete, waste water tank, reinforced concrete tank, concrete, reinforcing steel, load, subsoil

6 Bibliografická citace VŠKP KONEČNÝ, Vlastimil. Návrh a posouzení jímky odpadních vod. Brno, s., 88 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav betonových a zděných konstrukcí. Vedoucí práce Ing. Ivana Švaříčková, Ph.D..

7 áš í š ž ř á ě ž š ž é č í ě č

8 Poděkování: Tímto bych chtěl poděkovat mojí vedoucí práce paní Ing. Ivaně Švaříčkové, Ph.D. za její ochotu při konzultacích, rady a připomínky. Dále bych chtěl poděkovat rodině a přítelkyni za podporu během studia.

9 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV BETONOVÝCH A ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF CONCRETE AND MASONRY STRUCTURES A) TECHNICKÁ ZPRÁVA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR VLASTIMIL KONEČNÝ Ing. IVANA ŠVAŘÍČKOVÁ, Ph.D. BRNO 2013

10 OBSAH 1. ÚVOD POPIS KONSTRUKCE OBJEKTU ZATÍŽENÍ ZÁKLADOVÉ POMĚRY MATERIÁLY ZÁVĚR...13

11 1. Úvod Zadáním bakalářské práce je vypracování návrhu a posouzení výztuže v zadaném objektu, který tvoří nádrž na odpadní vody. Jedná se o objekt v průmyslovém areálu, o rozměrech 3000 x 9590 mm a výšce stěn 2000 mm. Zastropení je řešeno pomocí stropních předpjatých panelů Spiroll PPD 254 a není součástí řešení. Nádrž je zcela zasypána a výšková úroveň v základové spáře je -3,250 m. Objekt je řešen jako bezodtokový a má vnitřní objem 36,3 m 3, přičemž výška hladiny náplně je maximálně 1,5 m ode dna nádrže. Cílem práce je navrhnout výztuž tak, aby bylo vyhověno požadavkům na mezní stav únosnosti a mezní stav použitelnosti mezní stav trhlin s omezenou šířkou trhlin na 0,2 mm. Pro stanovení účinku vnitřních sil byl využit software Scia Engineer. Je vypracován statický výpočet, srovnání průběhu vnitřních sil určených pomocí softwaru s ručním výpočtem a dále výkres tvaru a výkres výztuže zadaného objektu. 2. Popis konstrukce objektu Řešený objekt je monolitická železobetonová nádrž na odpadní vody v průmyslovém areálu. Celá konstrukce je kompletně zasypána, úroveň základové spáry je -3,250 m pod upraveným terénem. Pro dodržení požadavků na systém tzv. bílé vany je konstrukce navržena z betonu C30/37, třída prostředí XA1 slabě agresivní chemické prostředí. Třída prostředí byla navržena s ohledem na funkci a náplň nádrže. Půdorysné rozměry objektu jsou 3000 x 9590 mm a výška stěn 2000 mm, tloušťka stěn 200 mm. Zastropení je řešeno pomocí stropních předpjatých panelů Spiroll PPD 254 tloušťky 250 mm a není součástí řešení. Vstup pro údržbu objektu je řešen dvěma otvory 600 x 600 mm dle projektové dokumentace. Rozhodnutím o typu nádrže bylo zjištěno, že se jedná o nízkou nádrž. Stěny jsou řešeny jako konzoly vetknuté do dna nádrže, zastropení je kloubově připojeno na svislé prvky. Pod dnem nádrže je podkladní beton tloušťky 50 mm. Byl proveden inženýrsko-geologický průzkum, složení vrstev podloží viz podklady a bod č. 4. Hladina podzemní vody dle průzkumu nebyla zjištěna, a proto není ve statickém výpočtu zohledněna. Návrh výztuže byl proveden tak, aby bylo zamezeno vzniku trhlin dle mezního stavu použitelnosti mezní stav trhlin. Případný vznik trhlin je omezen požadavkem pro tzv. bílé vany w k = 0,2 mm. Konstrukce je navržena pro třídu nepropustnosti 0 (jistý průsak se připouští). Pracovní spáry budou opatřeny 11

12 systémovými těsnícími prvky Leschuplast KAB 125. Při ukládce během betonáže se prvky zatlačí s nasazenými montážními třmínky do čerstvého betonu. Beton se následně zhutní. Zhutnění obsypu a zásypu musí být provedeno postupně a rovnoměrně bez použití těžké techniky do hodnot únosnosti zeminy. Zpětné zásypy budou prováděny zeminou z výkopu. 3. Zatížení Ve statickém výpočtu jsou uvažovány dva druhy zatížení zatížení stálé a proměnné. Do stálého zatížení spadá: vlastní tíha konstrukce generuje výpočtový software, zatížení zeminou a zatížení náplní nádrže. Jako proměnné zatížení je uvažováno přitížení provozem q k = 5 kn/m 2. Toto zatížení je převzato z národní přílohy ČSN EN a spadá do kategorie G dopravní a parkovací plochy pro středně těžká vozidla (> 30 kn, 160 kn tíhy). Při ručním výpočtu stálého a nahodilého zatížení jsou do softwaru zadávány charakteristické hodnoty zatížení, ty poté program kombinuje dle EC dílčími součiniteli pro MS únosnosti γ g = 1,35 pro stálé zatížení a γ q = 1,50 pro nahodilé zatížení. Klimatická zatížení ve výpočtu nejsou uvažována, protože prostor, ve kterém se objekt nachází, je zastropen, a tudíž terén není vystaven účinkům zatížení sněhem. Dále není uvažováno zatížení teplotou z hlediska založení objektu v nezámrzné hloubce. 4. Základové poměry V blízkosti objektu byl proveden průzkumný vrt za účelem stanovení vrstev podloží. Dle přiloženého inženýrsko-geologického průzkumu byly zjištěny následující sestupně popisované vrstvy. První vrstva s mocností 1,0 m je navážka, do 0,3 m sprašová zemina s úlomky cihel, od 0,3 1,0 m tmavě hnědá, organická zemina tuhé až pevné konzistence, třída těžitelnosti dle ČSN / ČSN /I. Druhá vrstva s mocností 0,8 m je klasifikována jako eluvium jílovce R6 mající charakter jílovité zeminy F6 CI jíl s příměsí prachu, místy i jemného písku tuhé až pevné konzistence, třída těžitelnosti 3 / I. Třetí vrstva s mocností 1,2 m byla určena jako eluvium jílovce R6 mající charakter jílovité zeminy F6 CI jíl s příměsí prachu, místy i jemného písku pevné až tvrdé konzistence, třída těžitelnosti 3 4 / I. Předpokládá se, že třetí vrstva pokračuje do neurčité hloubky nebylo průzkumem zjištěno. Hladina podzemní vody nebyla nalezena a ve statickém výpočtu se neuvažuje. 12

13 Celkově lze charakterizovat základové poměry jako jednoduché s nejvyšší hodnotou tabulkové výpočtové únosnosti R dt = 275 kpa. 5. Materiály Jako materiál na provedení nádrže byl navržen beton C30/37-XA1-D max 22 mm, třída prostředí XA1 slabě agresivní chemické prostředí, konzistence betonu dle sednutí kužele S3. Charakteristická válcová pevnost betonu v tlaku f ck = 30 MPa, návrhová válcová pevnost v tlaku f cd = 20 MPa. Hodnota výpočtového součinitele pro beton γ c = 1,50. Do betonové směsi je pro realizaci vodonepropustného betonu nutné přidat těsnicí přísadu XYPEX Admix C-100. Vyztužení konstrukce bylo navrženo z betonářské oceli B500B válcované za studena, charakteristická pevnost oceli f yk = 500 MPa, návrhová pevnost oceli f yd = 434,783 MPa, modul pružnosti E s = 200 GPa. 6. Závěr Cílem bakalářské práce bylo provést návrh a posouzení výztuže tak, aby byly dodrženy a splněny podmínky dle mezního stavu únosnosti a mezního stavu použitelnosti mezní stav trhlin s omezením šířky trhlin na 0,2 mm. Pro stanovení průběhu vnitřních sil byl použit program Scia Engineer Bylo provedeno srovnání výsledků pro konstrukci s možností zadání vrstev podloží a pro konstrukci s ručním určením zatížení působícího na objekt. Dále byl vypracován výkres tvaru a výkres výztuže nádrže. Návrh a posouzení jsou provedeny dle platných norem. Navržená konstrukce splňuje požadavky a vyhovuje dle mezního stavu únosnosti a použitelnosti. 13

14 Použitá literatura Platné normy: - ČSN EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí. Český normalizační institut, Praha ČSN EN až 4: Zatížení stavebních konstrukcí. Český normalizační institut, Praha ČSN EN : Navrhování betonových konstrukcí Část 1-1: Obecná pravidla pro pozemní stavby. Český normalizační institut, Praha ČSN EN : Navrhování betonových konstrukcí Část 3: Nádrže na kapaliny a zásobníky. Český normalizační institut, Praha Ostatní literatura: - [1] ŠVAŘÍČKOVÁ, Ivana. Tabulky. Zdroj: - [2] ŠVAŘÍČEK, Libor. Disertační práce Navrhování podlahových desek Vybrané problémy. Brno [3] PROCHÁZKA, Jaroslav a kol. Navrhování betonových konstrukcí. Příručka k ČSN EN a ČSN Informační centrum ČKAIT, Praha [4] ZICH, Miloš., BAŽANT, Zdeněk. Plošné betonové konstrukce, nádrže a zásobníky. Akademické nakladatelství CERM, Brno [5] PROCHÁZKA, Jaroslav a kol. Příklady navrhování betonových konstrukcí 1. ČVUT Praha, Praha [6] ZICH, Miloš a kol. Příklady posouzení betonových prvků dle Eurokódů. Verlag Dashöfer, nakladatelství, s.r.o., Praha [7] podklady firmy Leschuplast GLT GmbH & Co. KG. - [8] podklady firmy XYPEX Australia. - [9] BAREŠ, Richard. Tabulky pro výpočet desek a stěn. SNTL, Praha [10] WEIGLOVÁ, Kamila. Mechanika zemin modul BF02-M03. Praktické aplikace mechaniky zemin I. Akademické nakladatelství CERM, Brno 2005 Použitý software - Nemetschek Scia: Scia Engineer Microsoft Corp.: Microsoft Word 2007, Microsoft Excel Autodesk: AutoCAD

15 Seznam použitých značek Malá písmena b šířka založení [m] b šířka vnitřního dna nádrže [m] b celk celková šířka nádrže [m] b s tloušťka stěny nádrže [m] c min minimální hodnota tloušťky krycí vrstvy [mm] c min,b minimální hodnota tloušťky krycí vrstvy dle profilu výztuže a velikosti kameniva c min,dur minimální hodnota tloušťky krycí vrstvy dle konstrukční třídy [mm] c nom jmenovitá (nominální) hodnota tloušťky betonové krycí vrstvy [mm] d hloubka založení [m] d tloušťka dna nádrže [m] d účinná výška výztuže [mm] d 1 poloha těžiště výztuže [mm] f cd návrhová pevnost betonu v tlaku [MPa] f ck charakteristická pevnost betonu v tlaku [MPa] f ctm střední pevnost betonu v tahu [MPa] f ctm(t) = f ct,eff střední pevnost betonu v tahu v čase t [MPa] f yd návrhová pevnost oceli v tahu [MPa] f yk charakteristická pevnost oceli v tahu [MPa] g kz stálé zatížení od zeminy [kn/m 2 ] g o.v. stálé zatížení od odpadních vod [kn/m 2 ] g pan stálé zatížení od panelů [kn/m 2 ] 15

16 h hloubka vrstvy zeminy [m] h c,eff efektivní výška betonového průřezu [m] h cr výška tlačené oblasti bezprostředně před vznikem trhliny [m] h v hladina odpadních vod [m] k c součinitel pro prostý tah l délka založení [m] q k užitné zatížení dle ČSN EN [kn/m 2 ] s koeficient cementu [-] s r,max maximální vzdálenost trhlin [mm] w k šířka trhliny [mm] x poloha neutrální osy [mm] x bal,1 vzdálenost neutrální osy od okraje tlačeného průřezu [mm] x i těžiště ideálního průřezu [m] z.š. zatěžovací šířka [m] z c rameno vnitřních sil [mm] c dev přídavek na návrhovou odchylku[mm] Velká písmena A posuzovaná plocha [m 2 ] A cc plocha posuzovaného betonového průřezu [mm 2 ] A I plocha ideálního průřezu [mm 2 ] A s,eff efektivní plocha výztuže převedená na betonový průřez [mm 2 ] A st plocha výztuže [mm 2 ] 16

17 A st,max maximální plocha výztuže [mm 2 ] A st,min minimální plocha výztuže [mm 2 ] E cm střední hodnota modulu pružnosti betonu v tlaku [GPa] E s modul pružnosti oceli v tahu [MPa] I I moment setrvačnosti ideálního průřezu [mm 4 ] K 0 součinitel pro zemní tlak v klidu [-] M cr moment na mezi vzniku trhlin [knm] M Ed návrhový moment [knm] M char maximální moment charakteristické kombinace [knm] M Rd moment na mezi únosnosti [knm] R dt tabulková výpočtová únosnost zeminy [kpa] ΣF součet sil působících na podloží [kn] Písmena řecké abecedy α e poměr modulů pružnosti betonu a oceli [-] γ z objemová tíha zeminy [kn/m 3 ] γ c dílčí součinitel spolehlivosti materiálu pro beton [-] γ s dílčí součinitel spolehlivosti materiálu pro ocel [-] γ v objemová tíha odpadních vod [kn/m 3 ] σ,i přitížení užitným zatížením [kn/m 2 ] ε cm průměrná hodnota poměrného přetvoření betonu mezi trhlinami [-] ε cu3 maximální poměrné přetvoření betonu v tlaku [ ] ε sm průměrná hodnota poměrného přetvoření výztuže [-] 17

18 ε yd poměrné přetvoření oceli [ ] λ štíhlostní poměr [-] ρ objemová tíha železobetonu [kn/m 3 ] σ ol přitížení v základové spáře [kpa] σ s napětí ve výztuži při vzniku trhlin [kpa] σ z napětí v základové spáře [kpa] σ z,i únosnost zeminy [kn/m 2 ] φ ef úhel vnitřního tření vrstvy podloží [ ] Ф průměr prutu výztuže [mm] Seznam příloh P1) Použité podklady P2) Statický výpočet P3) Výkresová dokumentace P4) Seminární práce Porovnání modelů nádrže. Řešení vnitřních sil a výstupy výpočetního programu 18