Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CƠNG TRÌNH KIỂM SỐT NƯỚC VÙNG TRIỀU Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 9580202 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Thủy Lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Vũ Hoàng Hưng Người hướng dẫn khoa học 2: GS TS Hà Văn Khối Phản biện 1: GS TS Nguyễn Văn Lệ - Hội Kết cấu Xây dựng Phản biện 2: GS TS Trương Đình Dụ - Hội Thủy lợi Việt Nam Phản biện 3: PGS TS Võ Thanh Lương – Học viện Kỹ thuật Quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 30 phút ngày 06 tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Một loại hình cửa van đáp ứng tốt yêu cầu KSN vùng triều cửa van kéo đứng nhịp lớn Đối với loại cửa van này, làm việc giống cửa van phẳng kéo đứng thơng thường hình thức kết cấu đa dạng để đáp ứng yêu cầu nhịp lớn Lúc cửa van không làm việc thiết bị khí thủy cơng mà cịn làm việc cơng trình kết cấu thép khơng gian nhịp lớn Vì tính tốn thiết kế cần phải có kết hợp hài hịa u cầu khí kết cấu độ bền độ cứng Những năm gần cửa van kéo đứng nhịp lớn áp dụng phổ biến Tuy nhiên hình thức kết cấu hệ dàn theo hình thức kết cấu truyền thống sử dụng cơng trình sơng Ems Đức Để khẳng định thành công cùa loại hình kết cấu cần phải qua thực tiễn chứng minh sở khoa học vấn đề có liên quan đến tính tốn thiết kế kết cấu cửa van lựa chọn hình thức kết cấu, tối ưu hóa kết cấu, độ bền, độ cứng tuổi thọ cửa van điều kiện cụ thể vùng triều với tính đặc thù địa phương khác so với cửa van tương tự giới Chính lẽ đó, việc nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van kéo đứng nhịp lớn cho vùng ven biển đóng góp vào hệ thống lý luận khoa học chuyên ngành cung cấp cho nhà thiết kế công cụ cần thiết để tính tốn cho cơng trình có điều kiện tương tự Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn điều kiện làm việc hai chiều Nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi hình thức kết cấu bụng xiên dàn đến độ bền độ cứng cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cửa van làm việc trạng thái đóng Nghiên cứu ứng xử kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn chịu tác dụng tải trọng động đất có xét đến tác dụng tương hỗ khối nước trước sau cửa van trạng thái đóng Nghiên cứu tuổi thọ mỏi cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn chịu tác dụng dao động mực nước trước sau cửa van Đối tượng phạm vi nội dung nghiên cứu Kết cấu chịu lực dạng dàn vịm ống thép khơng gian cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cơng trình kiểm soát nước vùng triều đã, xây dựng Việt Nam Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp phương pháp nghiên cứu tiên tiến có độ tin cậy cao, cụ thể: - Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu liên quan - Phương pháp điều tra khảo sát thực địa - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp mô số Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Làm rõ ảnh hưởng hình thức dàn đến độ cứng cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm việc hai chiều Thay đổi hình thức kết cấu dàn chịu lực cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đáp ứng yêu cầu độ cứng làm việc hai chiều Cấu trúc Luận án Luận án phần Mở đầu Kết kuận, 86 tài liệu tham khảo, 04 tài liệu tác giả công bố 04 Phụ lục, nội dung Luận án trình bày 04 Chương bao gồm 141 trang, 118 hình vẽ 39 bảng biểu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN 1.1 Tổng quan cửa van nhịp lớn 1.1.1 Khái niệm cửa van nhịp lớn Cửa van nhịp lớn cửa van có kích thước bề rộng chắn nước B lớn nhiều lần chiều cao H thường dùng làm cửa van cơng trình đập ngăn sơng cống ngăn triều có mặt cắt ngang lớn Cho đến Việt Nam chưa có quy định hay định nghĩa cụ thể cửa van nhịp lớn Vì luận án đưa tiêu chí với cửa van có bề rộng 30 m coi cửa van nhịp lớn 1.1.3 Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn sử dụng Việt Nam chủ yếu theo hình thức cửa van sơng Ems Đức có kết cấu Hình 1.4 Hình 1.4 Kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Kết cấu cửa van phẳng kéo đứng gồm có phận: (1) Bản mặt; (2) Dầm phụ dọc; (3) Dầm đứng tiết diện chữ T; (4) Hai dàn đặt phía đối diện; (5) Dàn chịu trọng lượng; (6) Dầm biên tiết diện chữ I ghép Cửa van di chuyển hình thức trượt khe van nhờ xi lanh (7) hai đầu Tải trọng chủ yếu tác dụng lên cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn áp lực nước tĩnh từ hai phía (Hình 1.5) trọng lượng thân van, ngồi cịn có áp lực sóng, áp lực thủy động, áp lực gió, lực đóng mở, động đất…Tùy trường hợp cụ thể để xem xét đến tải trọng Hình 1.5 Sơ đồ áp lực nước tĩnh lên cửa van phẳng Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có khả chịu lực lớn nhờ hệ dàn ống thép, có khả làm việc hai chiều, chịu chênh lệch áp lực nước từ hai phía, đóng mở kể có chênh lệch mực nước Chính lẽ đó, luận án lựa chọn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm đối tượng nghiên cứu cho cơng trình KSN vùng triều có ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.2 Tổng quan nghiên cứu có liên quan đến tính tốn kết cấu cửa van Luận án giới hạn nghiên cứu phạm vi làm việc kết cấu thép Vì vấn đề tổng quan liên quan đến tính tốn kết cấu thép cửa van 1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu cửa van Các nghiên cứu phương pháp tính tốn tối ưu điển Nguyễn Trọng Hà (2014), Phạm Hồng Anh (2016), Phạm Văn Hưng, Đoàn Văn Duẩn (2017), T.V Hung, S.E Kim (2018), Lê Hoài Nam (2020), Adil Baykasoğlu, Cengiz Baykasoğlu (2021), MahdiAzizi, Uwe Aickelin (2022) Nghiên cứu tối ưu dàn phẳng có Wang Zhang (2002), Lluis Gil, Antoni Andreu (2001) Đối với nghiên cứu cụ thể dàn không gian nhịp đơn hai mặt phẳng dàn gần có Alemseged Gebrehiwot Weldeyesus (2020) Việc tối ưu xét riêng cho kết cấu dàn theo hình dạng tối ưu có nghiên cứu gần Lựa chọn phương pháp tính tốn đơn giản, hiệu cho tối ưu trọng lượng dàn dựa điều kiện ràng buộc ứng suất dàn, điều kiện chuyển vị tổng thể ứng dụng phần mềm thông dụng vấn đề cần đặt luận án 1.2.2 Dao động kết cấu cửa van Các nghiên cứu đặc tính dao động cửa van tác động dòng chảy đáy cửa van điển hình có Kolkman (1980), Georg Gưbel (2019), Seong Haeng Lee (2014) Nghiên cứu mô tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van dựa phần mềm phân tích PTHH thơng dụng có Xue Huifang nnk (2012), YAN Genhua nnk (2020), Jijian Lian (2020) Đối với tương tác kết cấu cửa van phẳng kéo đứng khối nước trước sau cửa van khơng có nhiều nghiên cứu, gần nghiên cứu Khúc Hồng Vân (2018) Đa số nghiên cứu thực phần mềm phân tích PTHH thông dụng ANSYS, điều cho thấy khả ưu việt phần mềm việc mô tương tác động lực học khối nước – kết cấu Luận án đặt vấn đề cần phải tính tốn dao động cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn chịu tác động gia tốc động đất theo thời gian có xem xét đến tương tác khối nước trước sau cửa trường hợp nghiên cứu điển hình 1.2.3 Phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van Một số nghiên cứu phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van Shi Zhezhu (2008), Feng Hui Dong (2017), Mattheus Lucassen (2019), Jian Zhang (2013), Aswathi Dev.K.K (2015), Akhil V Raj (2016) Việc tính tốn độ bền mỏi mối nối thực phần mềm ANSYS với thay đổi hình dạng kích thước mối nối dễ dàng Các nghiên cứu đề xuất sử dụng mơ hình phần tử dầm để xem xét tổng thể kết cấu dàn, sau sử dụng mơ hình xây dựng phần tử vỏ với điều kiện biên lấy từ mơ hình tổng thể để xem xét chi tiết vị trí mối nối dàn Phương pháp đảm bảo độ xác vị trí cần thiết tiết kiệm tài ngun máy tính thời gian tính tốn Đây sở để áp dụng cho việc lựa chọn cấu tạo liên kết chân dàn tính tốn độ bền mỏi cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đề xuất làm đối tượng nghiên cứu luận án 1.3 Những vấn đề đặt hướng nghiên cứu Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có hình dạng kết cấu hai dàn với vịm cong thường có hệ số dự trữ độ bền lớn làm cho trọng lượng cửa van lớn so với yêu cầu chịu lực Vì việc nghiên cứu tối ưu hình thức kết cấu kích thước mặt cắt ngang dàn đặt luận án Các dàn sau tối ưu có độ mảnh lớn, mẫn cảm với tải trọng động kể với gia tốc nhỏ nên luận án xem xét ảnh hưởng gia tốc động đất đến rung động cửa van có tương tác khối nước trước sau cửa van cho cơng trình điển hình khu vực nghiên cứu Ngồi vấn đề phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van chưa có nhiều nghiên cứu Đây vấn đề đặt luận án tính tốn cho cơng trình điển hình khu vực nghiên cứu 1.4 Kết luận chương Hình thức kết cấu hệ dàn chịu lực cửa van thực tối ưu hay chưa toán chưa có lời giải chưa đầu tư nghiên cứu mức với quy mô cửa van ngày lớn Các nghiên cứu có liên quan đến cửa van kéo đứng nhịp lớn tập trung chủ yếu vào tối ưu hình dạng kết cấu cửa van, rung động cửa van tác dụng tải trọng động, tương tác khối nước kết cấu cửa van, mỏi kết cấu cửa van chịu tác dụng tải trọng mang tính chất chu kỳ… Đây vấn đề cửa van phẳng kéo đứng điều kiện đặc thù Việt Nam CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN KẾT CẤU CỬA VAN BẰNG MƠ PHỎNG SỐ 2.2 Tối ưu hóa kết cấu 2.2.1 Khái quát tối ưu hóa kết cấu Trong thiết kế thực tế ngồi tốn kiểm tra cịn gặp tốn xác định hình dạng kết cấu kích thước cần thiết tiết diện phân tố kết cấu hợp lý ứng với hệ tải trọng biết cho thỏa mãn điều kiện cường độ, điều kiện độ cứng, điều kiện ổn định sử dụng vật liệu nhất, tốn tối ưu hóa kết cấu mặt trọng lượng Hàm mục tiêu thường biểu thị đại lượng cần cực tiểu hóa trọng lượng, thể tích, giá thành… kết cấu Các điều kiện ràng buộc dạng đẳng thức thường điều kiện cân bằng, điều kiện biến dạng liên tục Các điều kiện ràng buộc dạng bất đẳng thức thường điều kiện độ bền, độ cứng, điều kiện chảy dẻo v.v Dạng hàm mục tiêu dạng điều kiện ràng buộc thay đổi tùy theo kết cấu phương pháp giải Do tốn tối ưu phương pháp giải có đặc điểm khác dùng phương pháp tính khác phương pháp lực, phương pháp chuyển vị hay phương pháp PTHH 2.2.2 Cơng thức tốn tối ưu hóa kết cấu Công thức vấn đề tối ưu hóa kết cấu bao gồm hàm mục tiêu cần tối ưu thường chịu ràng buộc đẳng thức /hoặc bất đẳng thức Các hàm số mục tiêu ràng buộc ẩn điều kiện biến thiết kế thiết lập cho tối ưu Công thức chung viết sau: f(x) (2-1) gi(x) 0, ∀ i = 1, … , m; với điều kiện hj(x) = 0, ∀ j = 1, … , p; x Rn biến thiết kế; f(x) hàm mục tiêu; g(x) Rm ràng buộc bất đẳng thức; h(x) Rp ràng buộc đẳng thức 2.2.3 Vấn đề tính tốn tối ưu dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có kết cấu khơng gian phức tạp làm việc đồng thời với khối mặt, nên việc tính tốn theo phương pháp quy đổi đơn giản đặc trưng hình học tiết diện khơng đảm bảo độ xác Vì cần dựa vào kết tính tốn nội lực ứng suất dàn từ mơ hình PTHH khơng gian kết cấu cửa van để tiến hành tính tốn giải lặp xác định hình dạng kích thước tối ưu theo điều kiện ràng buộc ứng suất với hàm mục tiêu trọng lượng nhỏ Hiện phần mềm phân tích PTHH thơng dụng ANSYS có mơ đun tính tốn tối ưu hình dạng kích thước kết cấu hệ 2.3 Động lực học kết cấu 2.3.1 Khái quát động lực học kết cấu Động lực học kết cấu nghiên cứu tính tốn kết cấu chịu tải trọng động nhằm xác định nội lực tải trọng động, chuyển vị động, vận tốc động, gia tốc động, tần số dao động riêng kết cấu để tránh tượng cộng hưởng tìm biện pháp giảm rung động Phương trình chuyển động hệ kết cấu là: [𝑀]𝑢̈ (𝑡) + [𝐶]𝑢̇ (𝑡) + [𝐾]𝑢(𝑡) = 𝑝(𝑡) (2-7) đó: [M], [C], [K] ma trận khối lượng, ma trận cản ma trận độ cứng; 𝑢̈ (𝑡), 𝑢̇ (𝑡), 𝑢(𝑡) véc tơ gia tốc, véc tơ vận tốc véc tơ chuyển vị; p véc tơ ngoại lực Hiện có hai phương pháp giải phương trình chuyển động: phương pháp tích phân trực tiếp bước phương pháp xếp chồng dao động 2.3.2 Phương pháp tích phân trực tiếp giải toán động lực học kết cấu Ý tưởng phương pháp rời rạc miền thời gian Véc tơ trạng thái đưa kết hưởng ứng động hệ thống kết cấu Phương pháp tích phân trực tiếp thường phân thành phương pháp giải (explicit) phương pháp giải ẩn (implicit) Phương pháp giải ẩn có phương pháp Newmark Willson 2.3.3 Vấn đề tính tốn động lực học kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Do cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn kết cấu khơng gian phức tạp có vơ số bậc tự nên việc xác định gia tốc, vận tốc chuyển vị vị trí cửa van theo thời gian thực thơng qua mơ hình PTHH khơng gian ba chiều giải máy tính Phần mềm phân tích PTHH thơng dụng ANSYS có khả mô tốt kết cấu không gian ba chiều tập hợp nhiều loại phần tử khác Việc giải phương trình vi phân chuyển động bước thời gian phần mềm thực theo phương pháp Newmark mở rộng Hình 2.15 Sơ đồ khối q trình tính tốn tối ưu phần mềm ANSYS 2.6.4 Kỹ thuật tính tốn động lực học kết cấu Các vấn đề động lực học đặc tính dao động kết cấu, hiệu ứng tải trọng thay đổi theo thời gian, tải trọng kích động theo chu kỳ giải cách đầy đủ tin cậy phần mềm ANSYS 2.6.5 Kỹ thuật tính tốn tương tác khối nước - kết cấu Phần mềm ANSYS có khả mơ tốt tương tác khối nước - kết cấu (FSI) với điều kiện biên khác Dựa mơ hình tổng thể khối nước kết cấu, tiến hành gán FSI cho mặt tiếp giáp hai môi trường Khi khối nước dao động tương tác với kết cấu theo dạng dao động 2.6.6 Kỹ thuật tính tốn phá hoại mỏi kết cấu thép Trong phần mềm ANSYS có mơ đun riêng biệt để tính tốn phá hoại mỏi kết cấu chịu tác dụng tải trọng lặp lại thời gian dài phương pháp tuổi biến dạng (Strain Life) phương pháp tuổi ứng suất (Stress Life) 11 2.7 Kết luận Chương Luận án dựa vào kết tính tốn nội lực ứng suất dàn từ mơ hình PTHH khơng gian kết cấu cửa van để tiến hành tính tốn giải lặp xác định hình dạng kích thước tối ưu theo điều kiện ràng buộc ứng suất với hàm mục tiêu trọng lượng cửa van nhỏ Cửa van chịu tác dụng tương hỗ khối nước từ hai phía khác với kết cấu cửa van tràn chịu áp lực nước từ phía Vì cần thiết phải xem xét ảnh hưởng tương tác khối nước trước sau cửa van đến đặc tính dao động cửa van tác dụng tải trọng động Dựa vào độ lớn tập trung ứng suất vị trí khởi tạo vết nứt (vị trí giao cấu kiện dàn) đường cong S-N vật liệu để dự báo tuổi mỏi mối nối từ đánh giá tổng thể kết cấu cửa van CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THAY ĐỔI HÌNH THỨC VÀ TÍNH TỐN TỐI ƯU KẾT CẤU DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN 3.2 Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 3.2.1 Đề xuất cải tiến hình thức kết cấu dàn Luận án đề xuất thay đổi hình thức bố trí hệ bụng dàn cách sử dụng cong ngược đỡ mặt thay xiên mặt phẳng dàn Hình 3.4 để giảm chênh lệch độ cứng dàn theo hai chiều Hình 3.4 Hình thức dàn cửa van phẳng kéo đứng đề xuất cải tiến 12 Cơ sở để đưa hình thức sau: Khi có chênh lệch mực nước biển lớn phía sơng (Hình 3.5 a), cánh hạ (1) chịu kéo, cánh thượng (2) chịu nén ngược lại có chênh lệch mực nước sơng lớn phía biển (Hình 3.5 b), cánh hạ (1) chịu nén, cánh thượng (2) chịu kéo phát huy tác dụng vòm chủ yếu chịu lực dọc Ngồi thay đổi hình thức dàn, độ mảnh chịu nén giảm giảm chiều dài tính tốn chịu nén, số lượng mối nối dàn tăng lên cấu tạo đơn giản giảm số lượng liên kết mối nối Hình 3.5 Nguyên tắc chịu lực mặt phẳng dàn làm việc hai chiều 3.2.2 Xây dựng chương trình tính tốn kết cấu cửa van Tiến hành xây dựng chương trình tính tốn cửa van theo mơ hình truyền thống mơ hình đề xuất có tên gọi LIFTGATE.MAC LIFTGATE_OP.MAC Chương trình chạy phần mềm ANSYS Mechanical V16 Do giới hạn nghiên cứu luận án phạm trù kết cấu thép nên mơ hình cửa van xây dựng điều kiện cửa van làm việc bình thường ngăn nước hay cửa van đóng, xi lanh khơng làm việc Điều kiện biên mơ hình ngồi liên kết đơn tựa ngang mặt trượt, cịn có gối tựa đứng liên kết đáy cửa van với ngưỡng hai đầu cửa Để đảm bảo đủ liên kết mơ 13 hình khơng gian ba chiều, đặt thêm liên kết theo phương dọc cửa mặt phẳng đối xứng chiều dài cửa (trong thực tế bánh xe bên) 3.2.3 Kết tính tốn kết cấu cửa van Để có sở so sánh kết tính tốn hai mơ hình truyền thống đề xuất, liệu đầu vào lấy tương đồng (1) Kết tính tốn theo mơ hình truyền thống: Tổng trọng lượng cửa van theo mơ hình truyền thống 197,155 (2) Kết tính tốn theo mơ hình đề xuất: Kết tính tốn trọng lượng thân cửa van theo mơ hình đề xuất với tổng trọng lượng cửa van 187,873 3.2.4 Tổng hợp kết tính tốn nhận xét Kết cho thấy chuyển vị theo phương dòng chảy hai mơ hình xấp xỉ hay độ cứng cửa van gần không thay đổi, trọng lượng giảm gần 10 4,73% tổng trọng lượng cửa van 13,59% tổng trọng lượng dàn Lực dọc cánh hạ cửa van ngăn triều hai mơ hình xấp xỉ nhau, nhiên với mơ hình đề xuất lực nén cánh hạ cửa van giữ giảm 10,77% điều chứng tỏ hiệu cong ngược chiều chịu kéo hỗ trợ cho cánh hạ chịu nén Với kết cho thấy tính khả thi mơ hình đề xuất cửa van làm việc hai chiều Bảng 3.7 So sánh kết tính tốn theo hai mơ hình Mơ hình Truyền thống Đề xuất Chênh lệch Truyền thống Đề xuất Chênh lệch Tổ hợp 1 2 Chuyển vị theo phương Z (mm) 16,10 16,34 +1,49% -11,39 -11,46 +0,61% Lực dọc cánh hạ (kN) 1957 1938 -0,97% -1291 -1152 -10,77% G (tấn) 197,16 187,87 4,73% 197,16 187,83 4,73% 3.3 Nghiên cứu lựa chọn kích thước dàn hợp lý Xem xét ảnh hưởng tham số kích thước kết cấu dàn như: Chiều cao dàn chính: B1 (các kích thước B2, B3, B4 theo kích thước B1) 14 Khoảng cách hai dàn chính: H1 (H2, H3, H4 theo kích thước H1) Vị trí cánh thượng so với cánh hạ: X1 (các kích thước X2, X3 theo X1) Kích thước dàn coi hợp lý trọng lượng thân nhỏ đảm bảo điều kiện độ bền độ cứng Hình 3.17 Các tham số kích thước dàn 3.3.1 Ảnh hưởng chiều cao dàn đến nội lực chuyển vị dàn Khi chiều cao dàn tăng lên, chuyển vị cửa van theo phương dòng chảy giảm phù hợp với quy luật, chuyển vị giảm nhanh chiều cao dàn nhỏ chậm dần chiều cao dàn lớn (khoảng từ 5,5 m trở đi) Lực dọc cánh hạ tương tự Đối với cánh thượng dàn dưới, hai tổ hợp chịu lực kéo giảm dần chiều cao dàn tăng lên Đối với cánh thượng dàn chịu nén khơng có quy luật Theo điều kiện độ cứng, chuyển vị tương đối cửa van theo phương dịng chảy (phương Z) khơng vượt chuyển vị tương đối cho phép Theo điều kiện độ bền, với chiều cao dàn thỏa mãn điều kiện độ bền 3.3.2 Ảnh hưởng khoảng cách hai cánh hạ dàn đến nội lực chuyển vị dàn Khi khoảng cách hai cánh hạ dàn tăng lên, chuyển vị cửa van theo phương dịng chảy tăng khơng tuyến tính Lực dọc cánh hạ giảm không đáng kể Đối với cánh thượng dàn dưới, hai tổ hợp chịu lực kéo giảm dần khoảng cách hai cánh hạ dàn 15 tăng lên Đối với cánh thượng dàn trên, hai tổ hợp chịu nén giảm dần khoảng cách hai cánh hạ dàn tăng lên 3.3.3 Ảnh hưởng độ cong cánh thượng dàn đến nội lực chuyển vị dàn Khi độ cong cánh thượng giảm, chuyển vị cửa van theo phương dòng chảy tăng; lực dọc kéo cánh hạ giảm ứng với tổ hợp mực nước 1, lực dọc nén cánh hạ tăng ứng với tổ hợp Điều cho thấy độ cong cánh thượng lớn có lợi chuyển vị lực dọc cánh hạ Đối với cánh thượng, hai tổ hợp độ cong giảm nội lực tăng lên Vì bố trí cánh thượng dàn nên bố trí độ cong tối đa hay đỉnh cánh thượng gần mặt tốt có lợi chuyển vị nội lực cánh hạ cánh thượng dàn 3.3.4 Lựa chọn góc nghiêng hai dàn Từ biểu đồ quan hệ chuyển vị theo phương đứng khoảng cách hai đầu dàn cho thấy chuyển vị nhỏ ứng với trường hợp H1 = 3,5m; Đối với lực dọc cánh hạ dàn nhỏ khoảng cách hai đầu dàn H1 = 2,8 m; Đối với lực dọc cánh hạ dàn nhỏ khoảng cách hai đầu dàn H1 = 3,3 m Tổng hợp điều kiện nêu trên, kiến nghị phạm vi hợp lý khoảng cách hai đầu dàn nằm khoảng từ 2,0 m đến 4,0 m tương ứng với góc nghiêng mặt phẳng dàn từ 12,5o đến 2,5o so với phương nằm ngang 3.4 Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt cắt ngang dàn 3.4.1 Phương án tính tốn tối ưu Tiến hành tính tốn với phương án nhóm thanh: Phương án gồm nhóm thanh: cánh hạ (DK01), nối đứng (DK02), đứng + cánh thượng + dàn ngang (DK03), chéo (DK04) Phương án gồm nhóm thanh: cánh hạ (DK01), nối đứng (DK02), đứng + cánh thượng (DK03), chéo (DK04), dàn ngang (DK05) 16 Phương án gồm nhóm thanh: cánh hạ (DK01), nối đứng (DK02), đứng (DK03), chéo (DK04), dàn ngang (DK05), cánh thượng (DK06) Hình 3.42 Các nhóm dàn 3.4.2 Kết tính tốn tối ưu kích thước mặt cắt phương án Để cửa van đáp ứng hai trường hợp làm việc phù hợp với quy cách chế tạo thép ống, dựa vào kết tính tốn tối ưu ứng với phương án nhóm thanh, luận án đề xuất kích thước mặt cắt dàn cho Bảng 3.18 Bảng 3.18 Kích thước mặt cắt dàn đề xuất theo phương án Tham số DKO1 (m) DKO2 (m) DKO3 (m) DKO4 (m) DKO5 (m) DKO6 (m) TO1 (m) TO2 (m) TO3 (m) TO4 (m) TO5 (m) TO6 (m) WT (tấn) % tối ưu Ban đầu 0,762 0,457 0,457 0,457 Phương án Cơ Cơ 0,588 0,500 0,345 0,312 0,322 0,397 0,278 0,398 Phương án Cơ Cơ 0,501 0,500 0,315 0,300 0,301 0,300 0,202 0,200 0,396 0,383 0,020 0,014 0,014 0,014 0,018 0,012 0,013 0,013 0,019 0,012 0,013 0,014 0,014 0,012 0,012 0,011 0,014 0,014 0,012 0,012 0,010 0,013 68,368 45,522 33,4 47,371 30,7 32,067 53,1 31,458 53,9 Phương án Cơ Cơ 0,500 0,500 0,300 0,300 0,300 0,313 0,219 0,200 0,338 0,400 0,480 0,395 0,0140 0,0140 0,0124 0,0120 0,0123 0,0120 0,0120 0,0114 0,0139 0,0140 0,0139 0,0139 26,961 26,632 60,6 61,0 Đề xuất 0,500 0,300 0,400 0,250 0,400 0,500 0,016 0,014 0,014 0,012 0,014 0,016 39,038 42,9 Hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn theo mơ hình đề xuất phân làm nhóm: Thanh cánh hạ (DKO1) + Thanh cánh thượng (DKO6): D50016; Thanh 17 nối đứng (DKO2): D30016; Thanh bụng đứng (DKO3) + Thanh dàn ngang (DKO5): D40014; Thanh chéo đầu dàn (DKO4): D25012 3.5 Kết luận Chương Để phát huy tối đa hiệu dàn theo hai chiều làm việc, luận án đề xuất thay đổi hình thức dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có sử dụng kết hợp cong ngược đỡ mặt để tăng độ cứng dàn theo hai chiều chịu lực Với mơ hình đề xuất, độ cứng cửa van gần không thay đổi, nhiên trọng lượng giảm gần 10 4,73% tổng trọng lượng cửa van 13,59% tổng trọng lượng dàn Lực dọc cánh hạ cửa van ngăn triều hai trường hợp xấp xỉ nhau, nhiên với mơ hình đề xuất lực nén cánh hạ cửa van giữ giảm 10,77% điều chứng tỏ hiệu cong ngược chiều chịu kéo hỗ trợ cho cánh hạ chịu nén Khả ổn định cánh hạ chịu nén giảm Sau tính tốn tối ưu, trọng lượng phần kết cấu dàn giảm 42,9% so với truyền thống Mặc dù hệ số dự trữ độ bền độ cứng cửa van lớn, yêu cầu mặt cấu tạo đảm bảo trọng tâm không gần mặt nên giảm nhỏ kích thước mặt cắt CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG CHO CƠNG TRÌNH CỐNG NGUYỄN TẤN THÀNH 4.1 Giới thiệu cơng trình Cơng trình gồm cống lộ thiên BTCT M300 có chiều rộng thông nước B = 40 m, cửa cống ngưỡng -5,50 m, cao trình đỉnh trụ pin +3,00 m Cửa van cống kiểu cửa phẳng thép S355JR vận hành xi lanh thủy lực kéo đứng, cao trình đỉnh cửa +2,50 m Luận án kiến nghị sử dụng cửa van phẳng kéo đứng đề xuất Chương cho cống Nguyễn Tấn Thành với kích thước 40 m 4.2 Thông số dùng thiết kế Vật liệu thép S355JR; chất lỏng có khối lượng riêng = 1.000 kg/m3; vận tốc sóng âm nước v = 1.400 m/s; hệ số ma sát hai loại vật liệu f = Cột 18 nước tính tốn hai tổ hợp tính đến đáy cửa van cho Bảng 4.3 Băng gia tốc động đất khoảng thời gian 10 s vị trí cơng trình Đỉnh gia tốc 0,166 m/s2 thời điểm 2,04 s; đáy gia tốc – 0,256 m/s2 thời điểm 1,99 s Bảng 4.3 Các tổ hợp cột nước tính tốn đến đáy cửa van TT Tổ hợp Cơ (Ngăn mặn) Cơ (Giữ ngọt) Cột nước TL (m) 7,52 4,06 Cột nước HL (m) 5,40 6,25 Chênh lệch (m) 2,12 2,19 4.3 Lựa chọn kết cấu cửa van Sơ kích thước ban đầu cửa van Hình 4.3 Kích thước tính tốn kiểm tra tối ưu chương trình LIFTGATE_OP.MAC thiết lập Dầm đứng thép chữ T ghép, cánh có kích thước 300×20 mm, bụng có kích thước 728×16 mm Dầm phụ dọc thép mỏng dập nguội hình thang có đáy lớn 385 mm, đáy nhỏ 210 mm, chiều cao 350 mm, chiều dầy 12 mm, đặt úp vào mặt phía thượng lưu Trụ biên thép chữ I ghép, cánh có kích thước 450×60 mm, bụng có kích thước 870×30 mm Thanh cánh thượng + Thanh cánh hạ: D50016; Thanh nối đứng: D30016; Thanh bụng đứng + Thanh dàn ngang: D40014; Thanh chéo đầu dàn: D25012 Hình 4.3 Kết cấu cửa van cơng trình cống Nguyễn Tấn Thành 19 4.4 Xây dựng mơ hình tính tốn Sử dụng chương trình tính tốn LIFTGATE_OP.MAC thiết lập Chương để xây dựng mơ hình PTHH kết cấu cửa van Trong tính tốn bỏ qua hiệu ứng sóng bề mặt, áp suất bề mặt tự 0, hệ số cản đáy khối nước Tổng trọng lượng cửa van 157,562 4.5 Tính tốn độ bền độ cứng kết cấu thép cửa van 4.5.1 Cửa van chịu tác dụng tổ hợp tải trọng Kết tính tốn cho thấy cửa van đảm bảo điều kiện độ cứng độ bền chịu tác dụng tổ hợp Kết tính tốn chuyển vị ứng suất theo mơ hình tương tác tĩnh lực học khối nước – kết cấu (FSI) phù hợp với kết tính tốn theo mơ hình PTHH thơng thường với áp lực thủy tĩnh gán vào mô hình cửa van có giá trị áp lực p = n.h (kN/m2) với chênh lệch không đáng kể Kết khẳng định độ tin cậy mơ hình FSI để tính tốn tương tác động lực học phần sau 4.5.2 Cửa van chịu tác dụng tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất Kết tính tốn cho thấy cửa van đảm bảo điều kiện độ cứng độ bền chịu tác dụng tổ hợp đặc biệt có động đất Kết tính tốn chuyển vị ứng suất theo mơ hình tương tác tĩnh lực học khối nước – kết cấu (FSI) nhỏ so với kết tính tốn theo mơ hình PTHH thơng thường với áp lực thủy tĩnh gán vào mơ hình cửa van có giá trị áp lực p = n.h (kN/m2) 4.5.3 So sánh kết tính tốn tĩnh động theo mơ hình FSI Kết tính tốn chuyển vị ứng suất dàn chịu tác dụng tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất, chuyển vị ứng suất dao động quanh vị trí cân tĩnh với biên độ nhỏ gia tốc động đất nhỏ thường bỏ qua tính tốn Kết nhằm chứng minh khả tính tốn Chương trình LIFTGATE_OP.MAC cho cửa van có hình dạng kết cấu tương tự chịu tác dụng gia tốc động đất lớn khơng thể bỏ qua tính tốn đặc biệt tính tốn cho cơng trình KSN vùng triều miền Bắc miền Trung Việt Nam 20 4.6 Kiểm tra khả phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van 4.6.1 Khả phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van Đối với kết cấu thép, việc xem xét độ bền tác dụng tĩnh tải cần xem xét độ bền mỏi tải trọng gây ứng suất biến đổi lặp lặp lại theo thời gian Các yếu tố cần xem xét tính tốn độ bền mỏi đặc tính chu trình ứng suất ứng suất cực đại, ứng suất cực tiểu, ứng suất trung bình, ứng suất biên độ, hệ số bất đối xứng chu trình số lượng chu trình ứng suất tác động lên kết cấu Trong tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cửa van khơng nêu u cầu phân tích tính tốn độ bền mỏi Tuy nhiên cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm việc hai chiều có thay đổi trạng thái ứng suất mang tính chất chu kỳ nên bị phá hoại mỏi Hơn nữa, chưa có cơng trình nghiên cứu vấn đề cho cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn nên vấn đề đề cập Đối với cơng trình KSN vùng triều, chu kỳ thay đổi trạng thái làm việc cửa van khoảng 365 lần/năm Thông thường tuổi đời cửa van vào khoảng 50 năm tổng số chu kỳ thay đổi 365 lần × 50 năm = 18.250 lần Đây đầu vào cho việc tính tốn mỏi cửa van 4.6.2 Vị trí kiểm tra phá hoại mỏi Hai vị trí cần xem xét cho việc kiểm tra phá hoại mỏi vị trí chân dàn Hình 4.22 nội lực cánh hạ dàn lớn thay đổi trạng thái theo chiều chịu lực Hai vị trí có kết cấu giống vị trí chân dàn có nội lực lớn vị trí chân dàn trên, nên tính tốn mỏi xem xét cho vị trí chân dàn (vị trí 2) 21 Hình 4.22 Vị trí xem xét đến phá hoại mỏi Tính tốn thực mơ hình kết cấu chân dàn 3D với điều kiện biên lấy từ mơ hình tổng thể Tiến hành xây dựng mơ hình mối nối cánh hạ dàn dưới, dầm biên, dầm đứng dầm phụ dọc Hình 4.24 thể mơ hình điều kiện biên mơ hình Hình 4.24 Mơ hình điều kiện biên mơ hình 4.6.3 Kết tính tốn kiểm tra phá hoại mỏi Tính tốn mỏi thực cánh hạ dàn chịu lực dọc tổ hợp N = 2.659,41 kN tổ hợp N = -2.210,48 kN với chu trình lặp lại 18.250 lần giả thiết có 100 lần chịu tải trọng bất thường với hệ số vượt tải 1,4 Với chu trình giả thiết, mối nối liên kết dàn không bị phá hoại mỏi 22 4.7 Kết luận Chương Cửa van đảm bảo điều kiện độ cứng độ bền chịu tác dụng tổ hợp Kết khẳng định độ tin cậy mơ hình FSI Cửa van đảm bảo điều kiện độ cứng độ bền chịu tác dụng tổ hợp đặc biệt với gia tốc động đất giả thiết phù hợp với vùng nghiên cứu Luận án tiến hành tính tốn cho mối nối chân dàn với kết khơng bị phá hoại mỏi chu trình lặp lại tải trọng 18.250 lần Mối nối coi vị trí mẫn cảm phá hoại mỏi cửa van Tuy nhiên để khẳng định an tồn cửa van có xét đến độ bền mỏi, cần thiết phải tính tốn đầy đủ cho mối nối dàn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những kết đạt (1) Đề xuất thay đổi hình thức bụng dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn (2) Xây dựng chương trình tính tốn cửa van theo mơ hình truyền thống mơ hình đề xuất có tên gọi LIFTGATE.MAC LTGATE_OP.MAC (3) Khẳng định tính khả thi việc thay đổi hình thức kết cấu dàn (4) Khảo sát ảnh hưởng tham số kích thước dàn đến chuyển vị nội lực kết cấu tính tốn tối ưu mặt cắt ngang dàn (5) Ứng dụng mô hình cửa van đề xuất cho cơng trình Nguyễn Tấn Thành Những đóng góp Luận án (1) Đề xuất hình thức kết cấu hệ dàn cho cửa van thép phẳng kéo đứng nhịp lớn đáp ứng đầy đủ yêu cầu độ bền độ cứng có trọng lượng nhỏ so với cửa van thường dùng có điều kiện làm việc tương tự (2) Xây dựng chương trình phân tích kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có xét đến tương tác khối nước trước sau cửa van với thông số đầu 23 vào nhập thông qua cửa sổ giao diện người dùng Các thông số đầu kích thước hình học mặt cắt ngang dàn; trọng tâm trọng lượng cửa van, chuyển vị nội lực phận kết cấu cửa van sau q trình tính tốn tốn tối ưu Dựa chương trình khảo sát ảnh hưởng tham số kích thước kết cấu dàn chiều cao dàn chính, khoảng cách hai dàn chính, độ cong cánh thượng đến nội lực chuyển vị dàn từ làm sở cho việc lựa chọn hình thức kết cấu dàn hợp lý Những tồn hướng phát triển (1) Luận án chưa đề cập đến yếu tố gia cơng, chế tạo yếu tố khí thủy cơng mơ hình đề xuất, dừng lại phạm vi làm việc kết cấu thép (2) Khi lựa chọn mặt cắt dàn hợp lý xem xét đến trường hợp làm việc thường xuyên cửa van, cửa van trạng thái tĩnh nằm ngưỡng với hai tổ hợp mực nước tính tốn thiết kế ngăn mặn giữ (cửa van trạng thái đóng) (3) Luận án kiểm tra phá hoại mỏi vị trí chân dàn nội lực cánh hạ dàn lớn thay đổi trạng thái theo chiều chịu lực (4) Kết tính toán tuổi phá hoại mỏi cửa van giới hạn phạm vi cửa van đóng Kiến nghị Luận án dừng lại yếu tố kỹ thuật phạm vi làm việc kết cấu thép, chưa đề cập đến yếu tố gia cơng, chế tạo yếu tố khí thủy cơng mơ hình đề xuất Mặt khác luận án cần phải xem xét đến tính ngẫu nhiên động lực học dịng chảy đáy cửa van sóng mặt tính tốn độ bền mỏi kết cấu cửa van, luận án xem xét đến thay đổi mực nước trước sau cửa van Để khẳng định kết luận trên, cửa van cần kiểm nghiệm qua thực tiễn / 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Trần Xn Hải, Vũ Hồng Hưng “Nghiên cứu đặc tính dao động kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có xét đến tương tác khối nước trước sau cửa van,” Tạp chí Kết cấu Cơng nghệ xây dựng, Số 35, pp 59-67, năm 2022 Trần Xuân Hải, Vũ Hồng Hưng “Nghiên cứu tính tốn độ bền mỏi kết cấu thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn,” Tạp chí KHKT Thủy lợi & Mơi trường, số 78, pp 72-77, tháng 03 năm 2022 Vũ Hoàng Hưng, Trần Đình Hịa, Đỗ Xn Cường, Văn Thế Dũng, Trần Xn Hải, “Thảo luận số vấn đề kết cấu thép cửa van độ lớn Đồng sông Cửu Long,” Tạp chí Xây Dựng, pp 66-71, 2021 Trần Xuân Hải, Vũ Hoàng Hưng “Nghiên cứu tối ưu kết cấu hệ dàn ống thép cửa van phẳng kéo đứng làm việc hai chiều,” Tạp chí KHKT Thủy lợi & Môi trường, số 70, pp 103-110, tháng năm 2020