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 ŽELEZOBETONOVÁ VÁLCOVÁ NÁDRŽ REINFORCED CONCRETE CYLINDRICAL TANK BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR PETRA CHUMOVÁ Ing. PAVEL ŠULÁK, Ph.D. BRNO 2012
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 3647R013 Konstrukce a dopravní stavby Ústav betonových a zděných konstrukcí ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student ázev Vedoucí bakalářské práce Datum zadání bakalářské práce Datum odevzdání bakalářské práce V Brně dne 30. 11. 2011 Železobetonová válcová nádrž Ing. Pavel Šulák, Ph.D. 30. 11. 2011 25. 5. 2012...... prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc. prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Vedoucí ústavu Děkan Fakulty stavební VUT
Podklady a literatura Stavební podklady Platné normy: - ČSN EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí - ČSN EN 1991-1 až 4: Zatížení stavebních konstrukcí - ČSN EN 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí Další potřebná literatura po dohodě s vedoucím bakalářské práce. Zásady pro vypracování Studentka v rámci bakalářské práce vypracuje statické řešení železobetonové válcové nádrže. Řešení provede pomocí dostupného programového systému MKP. Dále provede kontrolu výsledků pomocí vhodné zjednodušené ruční metody. Práce bude obsahovat dimenzování vybrané části konstrukce (určí vedoucí práce), výkres tvaru a výztuže dimenzované části. Práce bude vypracována v rozsahu vědomostí, které odpovídají znalostem posluchače bakalářského studijního programu. Rozsah bude upřesněn vedoucím práce. Bakalářská práce bude odevzdána 1 x v listinné podobě a 2 x v elektronické podobě na CD s formální úpravou podle směrnice rektora č. 9/2007 (včetně dodatku č.1 ) a 2/2009 a směrnice děkana č. 12/2009. Předepsané přílohy A) Textová část B) Přílohy textové části B1) Použité podklady, B2) Statický výpočet, B3) Výkresová dokumentace. Licenční smlouva poskytovaná k výkonu práva užít školní dílo (3x) Popisný soubor závěrečné práce.... Ing. Pavel Šulák, Ph.D. Vedoucí bakalářské práce
Abstrakt Bakalářská práce je zaměřena na statické řešení železobetonové válcové nádrže. Zahrnuje dimenzování dna nádrže a jejích stěn na vybrané zatěžovací stavy a zpracování výkresové dokumentace. Výpočet vnitřních sil proběhl pomocí programového systému Scia Engineer. Pro kontrolu výsledků je na zjednodušeném modelu provedeno ověření výsledků vnitřních sil ve stěně nádrže ručním výpočtem pomocí diferenciálních rovnic. Abstract The Bachelor s thesis focuses on a static solution of reinforced concrete cylindrical tank. The thesis comprises dimensioning of the bottom of the tank and its walls to selected load cases and processing a drawing documentation. The calculation of internal forces is done using the software Scia Engineer. The validation of results is performed by hand calculation using differential equations on a simplified model for the results of internal forces in the wall of the tank. Klíčová slova nádrž, válec, dno, stěna, beton, výztuž, diferenciální rovnice, programový systém Klíčová slova v anglickém jazyce tank, cylinder, bottom, wall, reinforcement, concrete, differential equation, software Bibliografická citace VŠKP CHUMOVÁ, Petra. Železobetonová válcová nádrž. Brno, 2011. 15 s., 77 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav betonových a zděných konstrukcí. Vedoucí práce Ing. Pavel Šulák, Ph.D..
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatně, a že jsem uvedl(a) všechny použité informační zdroje. V Brně dne 25.5.2012 podpis autora
Poděkování Ráda bych poděkovala vedoucímu své bakalářské práce panu Ing. Pavlovi Šulákovi, Ph.D. za pomoc, čas a ochotu udělit cenné rady, které napomohly jejímu zpracování.
OBSAH: 1. Úvod 8 2. Popis konstrukce 8 3. Zatížení 9 4. Vyztužení 10 4.1. Stěna 10 4.2. Dno 11 5. Závěr 12 Seznam použitých zdrojů 13 Seznam použitých zkratek a symbolů 14 Seznam příloh 15 7
1. ÚVOD Bakalářská práce je zaměřena na statické řešení železobetonové válcové nádrže. Dno konstrukce je tvořeno kruhovou betonovou deskou o průměru 12,7 m. Stěny mají výšku 8,0 m. Práce zahrnuje dimenzování dna nádrže a jejích stěn na vybrané zatěžovací stavy. Výpočet je proveden v programovém systému Scia Engineer. Pro ověření přibližné správnosti výsledků, bylo na zjednodušeném modelu provedeno srovnání vnitřních sil, probíhajících po výšce stěny nádrže, s ručním výpočtem pomocí diferenciálních rovnic. 2. POPIS KONSTRUKCE Konstrukce je navržena dle ČSN EN 1992-1-1, pomocí metody mezních stavů. Dimenzování stěn nádrže a jejího dna proběhlo podle mezního stavu únosnosti. Bylo provedeno posouzení pomocí interakčních diagramů, které vychází z namáhání normálovou silou a ohybovým momentem, a ověření smykové únosnosti stěny. Velikost hodnot napětí v betonu a ve výztuži vyhovělo požadavkům pro mezní stav použitelnosti a nebylo tedy nutné měnit dimenze průřezu. Válcová nádrž je tvořena železobetonovým dnem a stěnami. Materiál všech hlavních konstrukčních částí je beton pevnostní třídy C30/37. Výztuž tvoří betonářská ocel B 500 (R), použity jsou profily od 6 do 12 mm. Dno tvoří kruhová deska, tloušťky 0,35 m a průměru 12,7 m. Je založena na štěrkovém polštáři tloušťky 200 mm, zhutněném vibračním válcem po vrstvách tl. 100 mm na 0,6 MPa. Na polštáři je provedena vrstva podkladního betonu, třídy C12/15 o minimální tloušťce 100 mm. Horní povrch dna se nachází v hloubce 2,0 m pod úrovní okolního terénu. Uprostřed desky je kruhová jímka průměru 0,8 m, hloubky 0,8 m, je osazená ocelovou troubou 400 x 8, délky 0,6 m. Povrch dna je opatřen spádovou vrstvou z betonu C16/20, její výška je 280 mm při stěně nádrže a směrem k okraji jímky se snižuje ve sklonu cca 5% až na 50 mm. Na vnějších okrajích dna jsou osazeny stěny. Jejich výška je 8,0 m a tloušťka 0,35 m. Vnější povrch nad úrovní terénu, to znamená od 2,0 do 8,0 m, je obalen 8
tepelnou izolací, tloušťky 80 mm. Stěny jsou namáhány bočním tlakem, jednak od zeminy, ale také z opačného směru od náplně nádrže. Náplň nádrže bude tvořit voda. Do statického výpočtu je uvažovaná nejvyšší výška hladiny 7,0 m od horního povrchu dna, což znamená 1,0 m pod horní okraj stěny. 3. ZATÍŽENÍ Konstrukce byla navrhována a posuzována pouze na vybrané zatěžovací stavy. V rozsahu této práce nebylo uvažováno s vlivem reologických účinků, které zahrnují smršťování betonu, a s vlivem klimatických účinků, které by v našem případě představovaly především nutnost stanovit působení kladných a záporných teplot na chování stěn nádrže. Rozdělení zatížení do zatěžovacích stavů a jejich kombinací s příslušnými koeficienty pro MSÚ a MSP, bylo provedeno podle ČSN EN 1991. ZATĚŽOVACÍ STAVY: LC1 Vlastní tíha LC2 Ostatní stálé LC3 Náplň LC4 Zemina Vlastní tíha a její působení je počítáno programovým systémem automaticky. Ostatní stálé zatížení je plošné zatížení, které působí na dno nádrže ve směru osy z. Vyvozuje ho spádový beton, jehož objemová tíha je 24 kn/m 3 a je uvažováno s průměrnou tloušťkou vrstvy. Náplň je tvořená vodou. Ta vyvozuje jednak rovnoměrné plošné zatížení, působící na desku dna ve svislém směru. Dále způsobuje boční tlak na stěny nádrže, jehož velikost je proměnná. Roste úměrně s hloubkou směrem od horního okraje ke spodnímu. Pro zjednodušení nanášení tohoto bočního zatížení ve výpočetním programu, si jej rozdělíme na 7 částí o výšce 1,0 m. Každá tato část působí jako rovnoměrné plošné zatížení, nabývají hodnot od 10 kn/m 2 (horní okraj stěny) do 70 kn/m 2 (spodní okraj stěny). Čtvrtý stav je tvořen bočním tlakem zeminy na stěny nádrže, v opačném směru než působí náplň. Nanášet jej budeme obdobným způsobem jako u třetího stavu, pouze s rozdílem orientace směru působení a výšky, která v případě zeminy sahá pouze do 2,0 m ode dna konstrukce. 9
KOMBINACE: 1. KOMBINACE PRO MSÚ 6.10,., +,., +,.,., CO1 = LC1.1,35 + LC2.1,35 + LC3.1,5 + LC4.1,35 CO2 = LC1.1,35 + LC2.1,35 + LC3.1,5 CO3 = LC1.1,35 + LC2.1,35 + LC4.1,35 2. KOMBINACE PRO MSP (CHARAKTERISTICKÁ) 6.14.b, +, +,., CO4 = LC1 + LC2 + LC3+LC4 CO5 = LC1 + LC2 + LC3 CO6 = LC1 + LC2 + LC4 Z kombinačních hodnot byla vybrána maxima pro dané konstrukční části a směry působení a na tyto hodnoty byly dimenzovány výšky průřezů a jejich vyztužení. 4. VYZTUŽENÍ Veškeré vyztužení, které je navrženo, je tvořeno tyčemi z oceli B 500 (R). Ve výkresové dokumentaci nebylo řešeno vyztužení v oblastech těsněných pracovních spár. Návrh jeho provedení je znázorněn zvlášť v samostatné příloze ve formě schémat výztuže. 4.1. STĚNA Stěna nádrže je namáhaná normálovými silami a ohybovým momentem, pro posouzení navrženého vyztužení byly tudíž použity interakční diagramy. Ve svislém směru vyhověla výztuž ØR 12 á 200 mm při vnějším povrchu průřezu a při vnitřním ØR 12 á 192 mm. Ve vodorovném směru jsou opět použity profily ØR 12, pruty výztuže jsou však obloukově zakřivené. Při vnějším povrchu průřezu v poloměru R = 6,292 m a při vnitřním R = 6,058 m. Stykovány jsou přesahem 700 mm. Od spodního okraje stěny do výšky 4,0 m jsou pruty kladeny v osové vzdálenosti po 150 mm a od 4,0 m až po horní okraj (výška 8,0 m) po 250 mm. 10
Stěna byla dále posouzena na smykovou únosnost. Závěr vyplývající z posudku je, že smyková únosnost stěny je dostatečná a není již nutné navrhovat další smykovou výztuž. Pruty ve stěně jsou spojeny konstrukčními sponami profilu ØR 6. Podle mezních stavů použitelnosti bylo potřeba určit napětí v betonu a ve výztuži. Pro tento výpočet byly použity charakteristické kombinační hodnoty vnitřních sil. Napětí bez problémů vyhověla požadovaným hodnotám, v betonu nebudou vznikat trhliny. 4.2. DNO Výztuž dna byla navrhována pro dvě oblasti. Oblast A1 zahrnuje kruhovou plochu o poloměru 3,0 m, jejíž střed je totožný se středem desky dna. Oblast A2 tvoří prstenec, z vnitřní strany vymezený oblastí A1, sahající až po vnější okraj desky. Protože je dno také namáháno kombinací normálových sil s ohybovými momenty, bylo pro posouzení jednotlivých částí opět použito interakčních diagramů. Oblast A1 je vyztužená křížem. Jednotlivé pruty jsou kladeny ve směru osy x a kolmo na ně ve směru osy y. V obou směrech je navržena výztuž ØR 12 po 220 mm, při horním i dolním povrchu desky stejná. Středovou část celého dna tvoří jímka, její půdorys je kruh o průměru 0,8 m a její hloubka je rovněž 0,8 m. Pruty výztuže oblasti A1 jsou v tomto místě přerušeny a vyztužení jímky je provedeno samostatně, tvoří jej profily ØR 10, ve svislém i vodorovném směru, a jejich rozmístění je patrné z výkresové dokumentace. V oblasti A2 se nachází radiální výztuž ØR 12 á 200 mm, měřeno při vnějším okraji a tangenciální výztuž ØR 12 á 250 mm, která je opět stykovaná přesahem 700 mm. Oba tyto typy výztuže jsou umístěny symetricky při horním i dolním okraji průřezu. 11
5. ZÁVĚR Návrh obou hlavních konstrukčních částí železobetonové válcové nádrže, vyhověl požadavkům posouzení dle platných norem ČSN EN 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí. Pro kontrolu výsledků z výpočetního programu jsem použila ruční výpočet průběhu vnitřních sil ve stěně nádrže, který vychází z diferenciálních rovnic čtvrtého řádu. Srovnání těchto dvou metod výpočtu, jsem provedla na zjednodušeném modelu konstrukce a vše uvedla v příloze s názvem Kontrola výsledků z programového systému pomocí ruční metody. Dalšími, nezbytnými přílohami této práce je statický výpočet společně s výstupem z programového systému Scia Engineer. Dále výkresová dokumentace, která se skládá ze stavebních výkresů, výkresů tvaru, výkresů výztuže a samostatně provedeného návrhu řešení vyztužení pracovních spár mezi dnem a stěnou nádrže a mezi dnem a jímkou. 12
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ NORMY: [1] ČSN EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí [2] ČSN EN 1991-1 až 4: Zatížení stavebních konstrukcí [3] ČSN EN 1992-1-1: avrhování betonových konstrukcí LITERATURA: [4] TEPLÝ, B. ŠMIŘÁK, S. Pružnost a plasticita II. 1.vydání. Brno: Nakladatelství VUT v Brně, 1993. ISBN 80-214-0498-1 [5] ZICH, M. KOLEKTIV. Příklady posouzení betonových prvků dle eurokódu. Praha: Verlag DashÖfer, 2010. ISBN 978-80-86897-38-7 [6] PANÁČEK, J. Prvky betonových konstrukcí: Dimenzování betonových prvků - část 1. Studijní opory VUT v Brně 2005 [7] ŠTĚPÁNEK, P. ZMEK, B. Prvky betonových konstrukcí: avrhování dle ULS kombinace ohyb síla, místní namáhání, prostý beton navrhování dle SLS. Studijní opory VUT v Brně 2005 OSTATNÍ PODKLADY: [8] HAMALA, M. Rekonstrukce ČOV Mariánské Údolí: Uskladňovací nádrž kalu: stavební část výkresové dokumentace. Brno: akciová společnost Hydroprojekt, 2004 [9] ŠULÁK, P. Kořenec-Intenzifikace ČOV: Čerpací stanice:výkres tvaru a Výkres výztuže, Brno: SMV projekt, s.r.o., 2012 13
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ cca MSÚ MSP Ø z latinského circa = přibližně mezní stav únosnosti mezní stav použitelnosti průměr C30/37 třída pevnosti betonu C f ck /f ck,cube f ck charakteristická 28-mi denní pevnost betonu v tlaku, stanovená na válcích o průměru 150 mm a výšce 300 mm f ck,cube charakteristická 28-mi denní pevnost betonu v tlaku, stanovená na krychlích o hraně 150 mm B 500 B betonářská ocel 500 charakteristická mez kluzu v MPa 14
SEZNAM PŘÍLOH Příloha A: Kontrola výsledků z programového systému pomocí ruční metody Příloha B: Statický výpočet B1: Statický výpočet B2: Dokument Scia Engineer Příloha C: Výkresová dokumentace C1: Stavební výkresy C2: Výkresy tvaru C3: Výkresy výztuže C4: Řešení pracovní spáry 15