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 ŽELEZOBETONOVÉ VÁLCOVÉ NÁDRŽE DESIGN OF REINFORCED CONCRETE CYLINDRIC TANK BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. MILOŠ ZICH, Ph.D. BRNO 2014
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště B3607 Stavební inženýrství Bakalářský studijní program s prezenční formou studia 3608R001 Pozemní stavby Ústav betonových a zděných konstrukcí ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student Barbora Koryčanská Název Vedoucí bakalářské práce Datum zadání bakalářské práce Datum odevzdání bakalářské práce V Brně dne 30. 11. 2013 Návrh železobetonové válcové nádrže doc. Ing. Miloš Zich, Ph.D. 30. 11. 2013 30. 5. 2014...... prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc. prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., MBA Vedoucí ústavu Děkan Fakulty stavební VUT
Podklady a literatura 1. Stavební podklady 2. Normy pro navrhování betonových konstrukcí ČSN a EN 3. Zich M., Bažant Z., Plošné konstrukce nádrže a zásobníky, Akademické nakladatelství Cerm, 2010 4. L. Gřenčík: Betonové konstrukce II. SNTL/ALFA 1986 5. D. Majdúch: Zásady vystužovania betónových konštrukcií. ALFA 1984. 6. Vhodné výpočetní program (např. Nexis, SCIA, Ansys apod.) Zásady pro vypracování Vypracovat stavební a konstrukční návrh konstrukce železobetonové válcové nádrže. Řešení provést včetně nezbytné výkresové dokumentace (výkresy tvaru a výztuže). Rozsah bakalářské práce stanoví vedoucí práce. Rozsah bakalářské práce stanoví vedoucí práce. Požadované výstupy: Textová část (obsahuje průvodní zprávu a ostatní náležitosti dle níže uvedených směrnic) Přílohy textové části: P1) Použité podklady P2) Statický výpočet P3) Výkresová dokumentace P4)... Prohlášení o shodě listinné a elektronické formy VŠKP (1x), Popisný soubor závěrečné práce (1x) Bakalářská práce bude odevzdána v listinné a elektronické formě dle směrnic a na CD (1x). Předepsané přílohy... doc. Ing. Miloš Zich, Ph.D. Vedoucí bakalářské práce
Abstrakt Předmětem bakalářské práce je statické řešení železobetonové válcové nádrže. Řešení zahrnuje výpočet zatížení pro vybrané zatěžovací stavy, návrh výztuže stěny a dna nádrže. Pro výpočet kombinací a účinků zatížení byl použit program Axis VM 11 verze 5b. Práce obsahuje výkresovou dokumentaci tvaru, výztuže dna a stěny. Klíčová slova Válec, dno, nádrž, železobeton, výztuž, normálová síla, ohybový moment. Abstract The bachelor's thesis deals with static analysis of a reinforced concrete cylindrical tank. The analysis includes load calculation for selected load cases and design of tank wall and bottom reinforcement. Load combinations and load effects were calculated using the Axis VM 11 verze 5b software. The thesis includes shape drawing documentation, as well as drawing documentation of bottom and wall reinforcement. Keywords Cylinder, bottom, tank, reinforced concrete, reinforcement, power, bending moment.
Bibliografická citace VŠKP Barbora Koryčanská Návrh železobetonové válcové nádrže. Brno, 2014. 19 s., 84 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav betonových a zděných konstrukcí. Vedoucí práce doc. Ing. Miloš Zich, Ph.D.
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracovala samostatně a že jsem uvedla všechny použité informační zdroje. V Brně dne 25.5.2014 podpis autora Barbora Koryčanská
Poděkování: Ráda bych poděkovala panu doc. Ing. Milošovi Zichovi, Ph.D. za jeho trpělivost, ochotu, odbornou pomoc a cenné rady, které mi pomohly ke zpracování této práce.
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 TEXTOVÁ ČÁST BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. MILOŠ ZICH, Ph.D. BRNO 2014
OBSAH 1. Úvod 13 2. Konstrukční řešení 13 3. Zatížení 14 4. Geologický průzkum 14 5. Upozornění 15 6. Pokyny k provádění konstrukcí 15 7. Bezpečnost práce a ochrana zdraví 15 8. Porovnání výsledků z programů 16 8.1 Porovnání vnitřních sil posuvný kloub 17 9. Použité podklady 12 10. Závěr 12 11. Použitá literatura 13 12. Seznam použitých zkratek a symbolů 13 13. Seznam příloh 13 2
1. ÚVOD Předmětem bakalářské práce je statické řešení železobetonové válcové nádrže. Objekt má průměr 41 m a výšku 8 m. Do výšky 4 m je proveden násyp zeminou. Pro výpočet účinků zatížení byl primárně použit program Axis VM 11 verze 5b, pouze konstanty c (Winklerovo kritérium) pro výpočet vnitřních sil dna nádrže byly spočítány pomocí programu Scia Engineer 2012 a modulu SOILIN. Dimenze výztuže včetně výkresové dokumentace je zpracována pro stěnu a dno. Vzhledem k velikosti objektu byla provedena také volba statického schématu (posuvný kloub, neposuvný kloub, vetknutí) připojení stěny ke dnu. 2. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Jedná se o objekt tvaru válce s půdorysnými rozměry d=41 m a výšky h=8 m. Objekt je navržen jako bílá vana a jako náplň je uvažována voda s maximální výškou hladiny 8 m. Navržené statické schéma je neposuvný kloub, protože vykazuje nejpříznivější účinky vnitřních sil. Nádrž není zastropena. Proti účinkům teplotního zatížení bude nádrž ve výšce 4 8 m opatřena tepelnou izolací, jejíž tloušťka bude stanovena tepelně technickým výpočtem. Základová spára bude tvořena štěrkovým podsypem G4 zhutněným na Edef = 80 MPa a dále zeminami viz. geologický průzkum. Spára musí být převzata odpovědným geologem. Stěna je tloušťky 35 cm, tloušťka základové desky je 30 cm. Stěna je s deskou spojena jako posuvný kloub. Všechny konstrukce budou provedeny z monolitického betonu tř. C30/37 XC4 XA2 a vyztuženy vázanou výztuží B 500B. Veškeré pracovní spáry musí být opatřeny profily zabraňující průsak vody vytvořenou spárou těsnící plechy. V místě styku stěny a dna bude umístěn těsnící plech Fradiflex premium šířky 120 mm a délky 131 m. Veškeré prostupy stěnami musí být opatřeny typovými prvky zaručujícími vodonepropustnost. Ve stěnách bude dále umístěn prvek Streamform 3515 pro řízenou spáru s lemovacími pruty v osových vzdálenostech 6,5 m. Vzhledem k tomu, že vlivem smršťování by mohlo dojít mezi stěnou nádrže a obrubním okrajem k posunu, je nutné obrubní okraj betonovat 14 dní po vybetonování stěny. 3
3. ZATÍŽENÍ Stanovené zatížení odpovídá účelu využití konstrukce. Uvažované hodnoty zatížení jsou stanoveny dle ČSN EN 1991-1-1 Zatížení stavebních konstrukcí. V rozsahu této práce bylo uvažováno se zatížením vlastní tíhou, vodorovným tlakem vody na stěnu nádrže a svislým tlakem vody na dno, zemním tlakem v klidu na stěnu a svislým tlakem zeminy na vyloženou část dna po obvodu. V práci bylo uvažováno s reologickými vlastnostmi betonu a to se smršťováním mladého betonu. Klimatické zatížení teplotou uvažováno nebylo vzhledem k použití tepelné izolace. Vlastní tíha je generována programem automaticky, vodorovný tlak vody stejně jako tlak zeminy v klidu roste lineárně se vzrůstající hloubkou. Nádrž působí jako celek tzn. uzavřený prstenec, proto je možné vnitřní síly v jednotlivých úsecích průměrovat. Výsledné síly budou na reálné nádrži vždy o něco menší než vychází ve výpočetním programu. Hodnoty jednotlivých zatížení a jejich kombinace jsou patrny ze statického výpočtu. 4. GEOLOGICKÝ PRŮZKUM V oblasti staveniště byl proveden jeden vrt pro zjištění geologických a hydrogeologických podmínek. Na vlastním staveništi byly zasaženy navážka štěrkového násypu, jílovito - písčitá hlína, hlína detto hnědá, písek hnědý hlinitý, štěrk písčitý. Svrchní pokryvná vrstva je tvořena travnatým drnem výšky 5 cm a nižší vrstvou štěrkového násypu 25 cm. Pod svrchní pokryvnou vrstvou byla zjištěna jílovito - písčitá hlína tmavohnědá, suchá, drobivá, pevné konzistence, náplavová, detto V-1 a 2. V hloubce 0,70 m byla zastižena hlína detto hnědá, tuhé až pevné konzistence, od 1,10 m postupně víc písčitější přechod do písku. V hloubce 1,20 m písek hnědý, hlinitý na hranici soudržosti. V hloubce 1,50 m písek hnědý, hlinitý,střednězrnný, nesoudržný. Poslední zastiženou vrstvou zeminy v hloubce 1,80 m je štěrk písčitý, hnědošedý, valouny do 5-7 cm, ojediněle do 10 cm 10%, polozaoblené a ploché, převážně pískovce a vápence, výplň vlhký, slabě hlinitý písek střednězrnný, nesoudržný. 4
Z celkového hlediska chemického působení podzemní vody na beton se jedná, dle ČSN EN 206 1 Klasifikace chemického působení vody na beton tab. 2, o středně agresivní chemické prostředí vůči betonu, které je hodnoceno stupněm XA2. 5. UPOZORNĚNÍ Použité betonové směsi musí odpovídat státním normám. Je třeba použít schválenou recepturu pro navržený beton. Veškeré práce je nutno provádět dle příslušných technologických pravidel a předpisů. V případě nejasností, nepředpokládaných změn nebo zjištění neznámých skutečností je nutno práce přerušit a povolat projektanta. 6. POKYNY K PROVÁDĚNÍ KONSTRUKCÍ Návrh a výroba vodotěsného betonu by se měly řídit standardními zásadami betonářské technologie. Velmi podstatné je ošetřování mladého betonu, který je nezbytné udržovat minimálně jeden až dva týdny v trvale vlhkém stavu. K tomuto účelu je třeba používat buď jemné mlžení nebo krytí povrchu konstrukce vlhkými geotextiliemi a foliemi. Přímé polévání konstrukce proudem studené vody není optimální. V chladnějším období je třeba povrch mladého betonu nejméně tři až čtyři dny chránit před prudkým chladnutím. Rozdíl teplot mezi jádrem a povrchem konstrukce by neměl přesáhnout v žádném okamžiku 15 C. Nezbytná je kontrola použití a správné fixace navržených těsnících prvků do pracovních spár. Výsledky kontroly zaznamenávat do stavebního deníku a betonáž úseku provádět až po této kontrole. 7. BEZPEČNOST PRÁCE A OCHRANA ZDRAVÍ Při provádění je třeba dodržovat platné normy pro jednotlivé druhy prací. Veškeré práce budou prováděny podle platných předpisů o bezpečnosti a ochraně zdraví při práci. Základním bezpečnostním předpisem je zákon č. 309/2006 Sb. Při stavebních pracích podle tohoto projektu je dodavatel povinen postupovat v souladu s vyhláškou č.362/2005 Sb., o bližších požadavcích na bezpečnost a ochranu zdraví při práci na pracovištích s nebezpečím pádu z výšky nebo do hloubky, č.591/2006 Sb., o bližších minimálních požadavcích na bezpečnost a ochranu zdraví při práci, č.361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. Při provádění stavebních prací nesmí docházet k poškozování životního prostředí. 5
Všichni pracovníci zhotovitele budou používat pracovní pomůcky a ochranné prostředky dle platných předpisů. Zhotovitel zpracuje pro uvedené práce v tomto projektu technologický postup. Celý prostor staveniště označí a zamezí přístupu nepovolaných osob. 8. POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ Z PROGRAMŮ Původním záměrem bylo modelovat celou nádrž pouze v programu Scia Engineer 2012 (dále jen Scia). Nicméně jsem v průběhu modelování narazila na chybu, u které jsem později zjistila, že je způsobená programem a musím ji tedy vyřešit s technickou podporou, spolupráce s ní bohužel nebyla nejlepší, proto jsem se rozhodla vyzkoušet program Axis VM 11 verze 5b (dále jen Axis). Pro zajímavost přikládám porovnání výsledků vnitřních sil u statického schématu posuvného kloubu, které jsem ověřila také ručním výpočtem. Porovnání bylo provedeno pouze pro zatížení vodou. Z porovnání je vidět, že programy se číselně shodují (odchylky od nuly jsou zanedbatelné), pouze mají ve výsledcích otočená znaménka. Z obrázků je také vidět, že program Axis neumí vykreslovat podpory tak dokonale, jako program Scia. Nakonec jsem se rozhodla pro další výpočty využít primárně výsledky z programu Axis. Co se týče samotného modelování, tak každý program vyžaduje pro řešení tohoto problému specifický přístup a modelování nádrže je dosti odlišné. V programu Scia se nádrž modeluje ze 2 skořepin, v programu Axis se celý objekt modeluje jako jeden celek pomocí sítě konečných prvků. Výhodou programu Scia je například to, že vlastní váhu zadává automaticky, zatím co v programu Axis je nutno ji dodatečně zadat. Zadávání zatížení kapalinou je naopak jednodušší a rychlejší v programu Axis oproti programu Scia, jelikož není třeba upravovat zatížení na danou plochu. V programu Scia nebyl problém vymodelovat všechna 3 statická schémata tedy posuvný i neposuvný kloub a vetknutí. V programu Axis je třeba věnovat zvýšenou pozornost modelování vetknutí, které není snadné. Program Axis počítá podloží pouze jako Winklerovo podloží, je tedy nutné zadat tuhost podpor, kterou lze určit buď přibližně z tabulky nebo případně přesnějším výpočtem. Já jsem k výpočtu těchto konstant využila SOILIN z programu Scia. Tento bod textové části slouží opravdu pouze jako porovnání výsledků a principů práce s jednotlivými programy. 6
8.1 POROVNÁNÍ VNITŘNÍCH SIL POSUVNÝ KLOUB Horní obrázek výsledky Scia Engineer 2012 Dolní obrázek výsledky Axis VM 11 7
8
9
10
11
9. POUŽITÉ PODKLADY Pro zpracování statického části projektu byly použity následující podklady: 1) Výkresy stavební části objektu 2) Závěrečná zpráva IG a HG průzkumu provedeného firmou PROGEO, Halalovka 23, 911 08 Trenčín 10. ZÁVĚR Navržená konstrukce vyhovuje na mezní stav únosnosti i použitelnosti dle platné normy ČSN EN 1992 1 1. V práci nebylo uvažováno klimatické zatížení námrazou, sněhem a větrem. Zatížení sněhem je zanedbatelné, jelikož nádrž není zastropena. Co se týče zatížení větrem, jedná se o masivní válcovou konstrukci, na kterou vzhledem k jejímu tvaru nemá toto zatížení přílišný vliv. Při uvažování zatížení teplotou jsem narazila zejména na problém stanovení přesné teploty, která může v reálnou dobu nastat na jednotlivých světových stranách konstrukce. Zároveň byl problém stanovit dle výpočtů tepelné techniky teplotu pod násypem, jehož tloušťka narůstá směrem dolů. Vzhledem k mým znalostem jsem také nebyla schopná posoudit, zda výsledky působení teplotního zatížení v Programu Axis VM i Scia Engineer jsou reálné. Použití tepelné izolace, případně zapuštění nádrže do zeminy s celoročně přibližně konstantní teplotou se mi jeví jako výhodnější řešení než výpočet a vyztužování na účinky teplotního zatížení. V rámci mé bakalářské práce jsem se nakonec rozhodla vyzkoušet si modelování ve 2 různých programech. Při výběru statického schématu jsem porovnávala funkci programu Axis VM 11 verze 5b a Scia Engineer 2012. Každý program vyžaduje pro řešení tohoto problému specifický přístup. Nicméně výsledky vnitřních sil vycházejí v obou programech ve většině případů přibližně stejné. Přesnější výpočet vnitřních sil na dnu nádrže nepochybně poskytuje program Scia Engineer díky modulu SOILIN, se kterým se pracuje lépe než s Winklerovým podložim, které používá program Axis VM, kde je třeba dopočítávat a následně zadávat konstanty tuhosti podloží. Nakonec jsem se však rozhodla využít program Axis VM pro vyřešení celé konstrukce. 12
11. POUŽITÁ LITERATURA ČSN EN 1991 1-1 Zatížení stavebních konstrukcí ČSN EN 1992 1-1 Navrhování betonových konstrukcí Zich M., Bažant Z., Plošné konstrukce, nádrže a zásobníky, Akademické nakladatelství Cerm, 2010 Štěpánek P., Zmek B., Prvky betonových konstrukcí Fiala A., Betonové konstrukce pro vodní stavby díl II, část 1: Rotačně symetrické nádrže z železového betonu a předpjatého betonu Teplý B., Šmiřák S., Pružnost a plasticita II Šmejkal J., Procházka J., článek z odborného časopisu Beton 1/2010: Navrhování nepřímo uložených a složených konzol s použitím modelů náhradní příhradoviny 12. SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ MSÚ mezní stav únosnosti MSP mezní stav použitelnosti Φ profil M ohybový moment N normálová síla 13. SEZNAM PŘÍLOH P1) Použité podklady P2) Statický výpočet P3) Výkresová dokumentace P4) Výsledky výpočtů z programu Axis VM 13