Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu lực và ổn định của tháp phong điện khi mở rộng khẩu độ cửa tháp

Bài viết Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu lực và ổn định của tháp phong điện khi mở rộng khẩu độ cửa tháp được nghiên cứu nhằm kiểm chứng khả năng chịu lực, và ổn định cục bộ của tháp phong điện khi tỉ lệ chiều cao và chiều rộng của lỗ cửa chân tháp b/h ≤ 3 như trong tiêu chuẩn châu Âu, và tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực, và ổn định cục bộ của tháp phong điện khi tỉ lệ bề rộng và chiều cao của lỗ cửa chân tháp b/h> 3.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 85 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA THÁP PHONG ĐIỆN KHI MỞ RỘNG KHẨU ĐỘ CỬA THÁP RESEARCH ON EVALUATING STRENGTH AND STABILITY OF WIND TOWER WHEN EXPANDING APERTURE DOOR Nguyễn Dương Khánh Tâm1, Lê Anh Tuấn2 Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng; khanhtam07x1c@dau.edu.vn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; a.tuanpro.successo@gmail.com Tóm tắt - Năng lượng sạch, cụ thể lượng gió vấn đề nóng hổi bối cảnh lượng hóa thạch dần cạn kiệt, việc kiểm định tiêu chuẩn thiết kế turbine gió từ tiêu chuẩn châu Âu, Nhật Bản ứng dụng vào điều kiện địa hình Việt Nam vấn đề cấp thiết Bài báo cáo nhằm kiểm chứng khả chịu lực, ổn định cục tháp phong điện tỉ lệ chiều cao chiều rộng lỗ cửa chân tháp b/h ≤ tiêu chuẩn châu Âu, tiến hành kiểm tra khả chịu lực, ổn định cục tháp phong điện tỉ lệ bề rộng chiều cao lỗ cửa chân tháp b/h> Qua đề xuất phương trình xác định hệ số ảnh hưởng lỗ cửa tính toán ổn định tháp phong điện Abstract - Clean energy, in particular wind energy, is a hot issue in a time when fossil fuels are being exhausted The testing of wind turbine design standards from European, Japanese standards applied in Vietnam is an urgent issue.The article aims to verify the strength and local stability of wind power tower when the ratio of width and height of the leg holes of tower gate is b/h ≤ The article also examines the strength, and the local stability of wind power tower when the ratio of width and height of the leg holes of tower gate is b/h> Thereby, the article proposes equations to determine coefficients that affect the stability calculations of electricity tower Từ khóa - turbine gió; ổn định; cường độ ổn định vỏ; vỏ trụ; lý thuyết vỏ Key words - wind turbine; buckling; strength and stability of shell structures; cylindrical shell; shell plate theory Đặt vấn đề Năng lượng gió sử dụng rộng rãi nước châu Âu, Nhật Bản Ở Việt Nam, lượng gió bắt đầu đưa vào sử dụng số tỉnh duyên hải miền Trung Tuy Phong - Bình Thuận Nhưng chưa có tiêu chuẩn cụ thể việc thiết kế turbine gió, nên việc ứng dụng tiêu chuẩn thiết kế châu Âu cần kiểm chứng lại cho phù hợp với điều kiện địa lí, thời tiết Việt Nam Bài báo cáo đề cập đến phá hoại tháp tiết diện cửa tháp ổn định (cục bộ, tổng thể) với tỉ lệ độ cửa h/b = 2,5; 3; 3,5; tương ứng với mơ hình tháp có chiều cao 35m, 42m, 77m      x x0       x  x   1   x x  x   p (2.3)      x0   p      x    x p  x2  x 0, 62 (2.5) p  (2.4);  x  1,44 1   1, 91 wk / t  Lý thuyết tính tốn 2.1 Khả chịu lực tháp phong điện Tải trọng thiết kế tháp lấy 0,7 lần khả chịu lực trường hợp tháp với tỉ lệ lỗ cửa thấp h/b = 2,5 2.2 Tính tốn ứng suất thiết kế tháp phong điện theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế châu Âu Eurocode thiết kế kết cấu thép phần 1.6 Cường độ ổn định kết cấu vỏ (Eurocode 3: Design of steel structures- Part 1-6: Strength and Stability of Shell Structures) [1] để tính tốn ứng suất thiết kế vỏ trụ tháp phong điện Hệ thống công thức sử dụng tính tốn sau:  x, Rd   x , Rk (2.1);  M1  x , Rk   x f y , k (2.2) wk  t Q r (2.6); t x  l t  (2.8); r r 1,7    0,5r / t  x , Rcr  0, 605 EC x f y,k  x , Rcr (2.7) r l  (2.9) t rt   Cx   1,36 1,83/   207 / 2   1,7 (2.10) max 1 0,21  2t / r  / Cxb ;0,6   0,5r / t   r   150 t       t NÕu     th× Cx  Cx,N  xE,N    xE,M  (2.11) r  xE   xE    E  1000 500  f  y,k Trong đó:  x, Rd : ứng suất thiết kế;  M 1: hệ số phần  M  1,1; σx,Rk: ứng suất ổn định đặc trưng; f y , k : cường độ thực tế thép; 86 Nguyễn Dương Khánh Tâm, Lê Anh Tuấn χx: hệ số điều chỉnh ổn định;   r '  C  C1  A  B     t   x  0, 2: độ mảnh giới hạn; p: độ mảnh giới hạn tương đối; β: hệ số vùng dẻo: β = 0,6; αx: hệ số khiếm khuyết đàn hồi; Δwk: biên độ khiếm khuyết đặc trưng; Q: thông số chất lượng giả định, cho bảng D.2 phụ lục D Eurocode phần 1.6 Bảng Thông số chất lượng giả định Q Lớp giả định Lớp A Lớp B Lớp C Đặc trưng Rất cao Cao Trung bình Q 40 25 16 x: Độ mảnh tương đối vỏ tháp; σx,Rcx: Ứng suất ổn định tới hạn theo phương đứng; Cx: Phụ thuộc vào thông số chiều dài đường kính ω Cxb = 3: Tương ướng với điều kiện biên bảng sau: Bảng Hệ số Cxb Trường hợp Mép trụ Đỉnh Đáy Đỉnh Đáy Đỉnh Đáy Điều kiện biên Tấm dày chịu uốn Có neo Tấm mỏng Có neo Tấm mỏng Tấm đáy, không neo Cxb c  b C  c fcr c f cr 1 Trong đó: c fcr : Cường độ chịu nén tới hạn; E: Môđun đàn hồi; F = σc: Ứng suất chảy thép; r: Bán kính trung bình tháp (tính đến mép ngồi tháp) t: Chiều dày vỏ tháp; C: Hệ số kể đến ảnh hưởng lỗ cửa, phụ thuộc vào độ cửa; r’: Bán kính trung bình tháp tính đến tâm vỏ trụ; C1: Hệ số giảm yếu, tùy thuộc vào độ cửa, phụ thuộc vào tỉ suất chịu lực tháp A, B: Hệ số phụ thuộc góc mở β lỗ cửa, lấy theo bảng sau: Bảng Hệ số góc mở cửa Góc mở β A B 20 ≤ β < 30 1,15 - 0,01β 2,1x10-3 30 < β ≤ 60 1,0 – 0,05β (1,8 +0,01β) 10-3 Kết bình luận 3.1 Mơ mơ hình tháp phong điện Đặc trưng hình học tháp phong điện: σxE: ứng suất thiết kế dọc trục; σxE,N: ứng suất thành phần ứng suất σx,Ed xuất phát từ lực nén dọc trục; σxE,M: ứng suất thành phần ứng suất σx,Ed xuất phát từ lực uốn tháp 2.3 Tổng quát hóa kiểm tra ổn định tháp theo tiêu chuẩn Nhật So sánh ứng suất thiết kế σx,Rk với ứng suất cục mép cửa thu khả chịu lực tháp Từ khả chịu lực tháp, tiến hành kiểm tra ổn định cục tháp theo tiêu chuẩn Nhật [3] với công thức sau: (2.12) (2.15) Bảng Đặc trưng hình học tháp Chiều cao (m) Độ dày vỏ t rung bình (m) Bán kính trung bình (m) 35 0,011 1,93 42 0,0175 1,675 77 0,025 3,15 Sử dụng phần mềm Abaqus 6.10, ta mơ làm việc mơ hình tháp phong điện với chiều cao 35m, 42m, 77m với tỉ lệ bề rộng chiều cao lỗ cửa h/b = 2,5; h/b = 3; h/b = 3,5; h/b = Giả sử tác dụng tải trọng ngang, đỉnh tháp chuyển vị ngang 1,5m ứng với tháp cao 35m; 42m, chuyển vị 3m ứng với tháp 77m ,72  r   F  E  1,  0, 377         F  1,   t   ,72      rF  2, 567       tE      1,   0, 267 F  0, F   2,190       (2.13)      0,72 0, 72   r E   0, 377  E    2, 567        t F F    0, 72  r  E    2, 567    c  cr , e   1, when   t   2, 25  F     r  t     1/ r   16 t  1  0,901 1  exp   c  cr , e  0, E       (2.14)    Hình Mơ hình ban đầu chuyển vị tháp 3.2 Khả chịu lực Tải trọng thiết kế Bảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 Mơ hình 35m 42m 77m Ptk (kN) 2056 2024 4027 Khả chịu lực bé (tương ứng với mơ hình lỗ cửa có tỉ lệ lớn b/h = 4) mơ Hình 35m, 42m, 77m Bảng Bảng Khả chịu lực Mô hình 35m 42m 77m Ptk (kN) 2894 2887 5246 3.3 Kiểm tra ổn định 3.3.1 Mơ hình tháp 35m Ứng suất thiết kế tính tốn theo tiêu chuẩn Eurocode [1] ta được:σx,Rd =254 Mpa Ứng suất sử dụng làm giá trị tham chiếu biểu đồ ứng suất - chuyển vị sau: 600 σ (MPa) Bảng Tải trọng thiết kế 87 500 400 P (kN) 3500 3000 300 2500 σ1(h/b=2,5) σ2(h/b=3) σ3(h/b=3,5) σ4(h/b=4) σx,Rd 200 2000 100 1500 P1(h/b=2,5) P2(h/b=3) P3(h/b=3,5) P4(h/b=4) Ptk 1000 500 0 0.5 0 1.5 Δ (m) Hình Biểu đồ quan hệ ứng suất - chuyển vị tháp 35m Δ (m) 1.5 P (kN) Bảng Chuyển vị tương ứng tỉ lệ lỗ cửa Mô hình h/b = 2,5 Δ (m) 0,19 2500 h/b = 0,17 2000 h/b = 3,5 0,15 h/b = 0,16 P1(h/b=2,5) P2(h/b=3) P3(h/b=3,5) P4(h/b=4) Ptk 1500 1000 500 3.3.2 Mơ hình tháp 42m Ứng suất thiết kế tính tốn theo tiêu chuẩn Eurocode [1] ta được: σx,Rd = 340 Mpa Ứng suất sử dụng làm giá trị tham chiếu biểu đồ ứng suất - chuyển vị sau: 0 0.5 Δ (m) 1.5 450 Hình Biểu đồ tải trọng chuyển vị tháp 42m 400 350 P(kN) 7000 6000 σ (MPa) 3000 Chuyển vị thu cách nội suy từ biểu đồ σ-Δ (Hình 5) tương ứng với ứng suất thiết kế σx,Rd = 254 Mpa sau: Hình Biểu đồ tải trọng chuyển vị tháp 35m 3500 0.5 300 250 5000 200 4000 σ1(h/b=2,5) σ2(h/b=3) σ3(h/b=3,5) σ4(h/b=4) σx,Rd 150 P1(h/b=2,5) 3000 100 P2(h/b=3) 50 P3(h/b=3,5) 2000 P4(h/b=4) 1000 0 Ptk 0.5 1.5 Δ (m) Hình Biểu đồ quan hệ ứng suất – chuyển vị tháp 42m 0 Δ (m) Hình Biểu đồ tải trọng chuyển vị tháp 77m Như vậy, ba mơ hình đảm bảo khả chịu lực Chuyển vị thu cách nội suy từ biểu đồ σ-Δ (Hình 6) tương ứng với ứng suất thiết kế σx,Rd = 340 Mpa sau: 88 Nguyễn Dương Khánh Tâm, Lê Anh Tuấn Bảng Chuyển vị tương ứng tỉ lệ lỗ cửa h/b = 2,5 Δ (m) 0,52 h/b = 0,46 h/b = 3,5 0,43 h/b = 0,44 σ (MPa) Hình Biểu đồ quan hệ ứng suất - chuyển vị tháp 77m Chuyển vị thu cách nội suy từ biểu đồ σ-Δ (Hình 7) tương ứng với ứng suất thiết kế σx,Rd = 301 Mpa sau: Bảng Chuyển vị tương ứng tỉ lệ lỗ cửa Δ (m) 0,93 h/b = 0,85 h/b = 3,5 0,9 h/b = 0,86 0,913 0,883 0,919 0,905 0,810 0,815 0,968 0,864 0,851 0,835 0,924 0,870 1.2 3.3.3 Mơ hình tháp 77m Ứng suất thiết kế tính tốn theo tiêu chuẩn Eurocode [1] ta được: σx,Rd = 301Mpa Ứng suất sử dụng làm giá trị tham chiếu biểu đồ ứng suất - chuyển vị sau: 400 350 300 250 200 σ1(h/b=2,5) 150 σ2(h/b=3) 100 σ3(h/b=3,5) σ4(h/b=4) 50 σx,Rd 0 Δ (m) Mơ hình h/b = 2,5 3.5 Từ Bảng 4-7 cho ta biểu đồ quan hệ tỉ suất chịu lực tháp với tỉ lệ độ cửa Tỉ suất chịu lực % Mơ hình 0.8 0.6 35m 0.4 42m 77m 0.2 Trung binh 2.5 3.5 h/b Hình Đường tỉ suất chịu lực trung bình Từ đồ thị trên, ta thiết lập phương trình đường trung bình: C1  0,1005  h / b   0, 7393  h / b   2, 2198 C1: Hệ số giảm yếu, dùng để xác định hệ số C công thức (2.15) Kiểm tra ổn định Công thức kiểm tra ổn định: c b C  c f cr  [3] Bảng 12 Ứng suất cục tháp 35m h/b Như ba mơ hình, tỉ lệ lỗ cửa h/b>3 cho kết chuyển vị giới hạn đỉnh tháp thấp so với trường hợp h/b≤3 3.4 Tổng quát hóa kiểm tra ổn định tháp theo tiêu chuẩn Nhật Thiết lập phương trình đường trung bình tỉ suất chịu lực mơ hình tháp dựa khả chịu lực tương ứng với tỉ lệ lỗ cửa Bảng 10 Khả chịu lực 2,5 3,5 C1 0,905 0,864 0,870 C 0,749 0.678 0.647 0,651 cfcr (Mpa) 407 407 407 407 σ(Mpa) 254 254 254 254 Kiểm tra 0,83 0,92 0,96 0,96 Bảng 13 Ứng suất cục tháp 42m h/b 2,5 3,5 C1 0,905 0,864 0,870 C 0,810 0,733 0,701 0,705 cfcr(Mpa) 513 513 513 513 P(kN) σ(Mpa) 340 340 340 340 35m 42m 77m Kiểm tra 0,82 0,90 0,95 0,94 2.5 954 1699 4371 871 1500 4017 h/b 3.5 773 1385 4232 811 1418 4040 h/b Bảng 11 Tỉ suất chịu lực Bảng 14 Ứng suất cục tháp 77m 2.5 3.5 C1 0,905 0,864 0,870 C 0,860 0,778 0,743 0,748 cfcr(Mpa) 460 460 460 460 h/b 35m 42m 77m Trung bình σ(Mpa) 301 301 301 301 2.5 1 1 Kiểm tra 0,76 0,84 0,88 0,87 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 0.75 0 0.5 100 25 4.92 0.0 σ(Chưa gia cường) 100 Δ (m)1.5 Hình 10 Ứng suất - chuyển vị Kết luận Khả chịu lực ổn định cục (có xét đến biến dạng dẻo thép) tháp phụ thuộc vào tỉ lệ mở lỗ cửa chân tháp Bài báo nhằm tái khẳng định nên chọn tỉ lệ chiều cao bề rộng lỗ cửa nên nhỏ thiết kế tháp phong điện Đồng thời qua đó, đề xuất cách xác định hệ số ảnh hưởng lỗ cửa C chân tháp tính tốn ổn định, biện pháp gia cường mép cửa tỉ lệ h/b >3 σ(Gia cường) σ(Chưa gia cường) σx,Rd Δ (m) 1.75 0.60 0.30 0.60 0.30 0.0 12 0.0 25 200 σ(Gia cường) 200 Hình b/h = 1/3,5 400 300 300 1.75 4.92 3.60 3.00 400 12 0.75 500 0.0 3.23 2.62 500 600 R0 σ (MPa) 600 R0 pháp tăng cường chiều dày (t = 25mm) mép xung quanh lỗ cửa tiến hành khảo sát cho tháp cao 35m với tỉ lệ lỗ cửa h/b = 3,5 h/b = Từ biểu đồ Ứng suất - chuyển vị (Hình 10, 12) nhận thấy ứng suất cục quanh mép cửa giảm đáng kể sau tiến hành gia cường quanh mép cửa σ (MPa) Như vậy, trường hợp ứng suất cục chân tháp mô hình với tỉ lệ cửa đảm bảo điều kiện kiểm tra nhỏ 3.5 Bình luận Muốn tăng khả ổn định cục mô hình tháp phong điện với tỉ lệ lỗ cửa b/h > 3, nên tiến hành gia cường mép quanh lỗ cửa, tác giả kiến nghị biện 89 Hình 11 b/h = 1/4 0.5 1.5 Hình 12 Ứng suất - chuyển vị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-6: Strength and Stability of Shell Structures [2] John Corbett Nicholson - Design of wind turbine tower and foundation systems: ptimization approach - University of Iowa [3] Yotsuya l-chome, Shinjuku-ku(2010) - Guidelines for Design of Wind Turbine Support Structures and Foundations – Tokyo, Japan [4] Phạm Huy Chính, Tính tốn thiết kế kết cấu thép, NXB Xây dựng, 2011 (BBT nhận bài: 15/12/2015, phản biện xong: 28/03/2016) ... xuất phát từ lực uốn tháp 2.3 Tổng quát hóa kiểm tra ổn định tháp theo tiêu chuẩn Nhật So sánh ứng suất thiết kế σx,Rk với ứng suất cục mép cửa thu khả chịu lực tháp Từ khả chịu lực tháp, tiến... thép) tháp phụ thuộc vào tỉ lệ mở lỗ cửa chân tháp Bài báo nhằm tái khẳng định nên chọn tỉ lệ chiều cao bề rộng lỗ cửa nên nhỏ thiết kế tháp phong điện Đồng thời qua đó, đề xuất cách xác định. .. hạn đỉnh tháp thấp so với trường hợp h/b≤3 3.4 Tổng quát hóa kiểm tra ổn định tháp theo tiêu chuẩn Nhật Thiết lập phương trình đường trung bình tỉ suất chịu lực mơ hình tháp dựa khả chịu lực tương