Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho đường hầm thủy điện nậm toóng, lào cai

Tính cấp thiết củađềtài

Theo báo cáo năm 2011 của viện Năng lượng - Bộ công thương thì năm 2011, ở Việt Nam chúng ta thủy điện cung cấp gần 40% điện năng, gần 50% công suất cho toàn hệ thống với tổng công suất khoảng 27 nghìn MW; phần còn lại là nhiệt điện than – khí – dầu và năng lượng tái tạo Đến quý III/2012, thủy điện vừa và nhỏ (N30MW) đã phát lên lưới điện quốc gia khoảng 190 nhà máy với tổng công suất khoảng 1500 MW; còn 49 nhà máy thủy điện lớn với tổng công suất 11.600 MW là nguồn điện chủ đạo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia (tổng công suất thủy điện hơn

Nước ta cú diện tớch tự nhiờn 329.200 km2, nhưng ắ lónh thổ là rừng và đồi nỳi, với tổng cộng 2.360 sông suối có chiều dài từ 10km trở lên (trong đó có nhiều sông lớn bắt nguồn từ nước ngoài, nên diện tích hứng nước lớn hơn nhiều diện tích lãnh thổ của nước ta), vì vậy trữ năng lý thuyết đạt tới khoảng 310 tỷ KWh/năm (trong đó trữ năng kinh tế kỹ thuật có thể đạt tới 90 tỷ KWh/năm, tổng công suất lắp máy thủy điện đạt tới khoảng 25 nghìn MW, chưa kể thủy điện tíchnăng).

Như vậy, hiện nay công suất thủy điện trong hệ thống điện quốc gia mới chỉ phát huy khoảng 50% so với tiềm năng Nếu chỉ xét thủy điện vừa và nhỏ thì công suất hiện hữu mới chỉ đạt được khoảng 20%, còn lại 80% trong thời gian tới cần được phát huy hiệuquả.

Hiện nay đã xây dựng được một số lớn nhà máy thủy điện Theo kế hoạch Thủy điện đến 2020 số công trình nhà máy thủy điện sẽ được tăng lên đáng kể Khai thác nguồn thủy điện là dạng năng lượng sạch, tái tạo và có hiệu quả kinh tế tổng hợp, thân thiện với môi trường và phù hợp với một nước giàu tiềm năng thủy điện như ở nướcta.

Việc sử dụng đường hầm áp lực tạo chênh lệch cột nước cho các nhà máy thủy điện ở nước ta là khá phổ biến, điển hình có thể kể như: Thủy điện Hòa Bình (1920MW) có đường hầm dẫn nước đường kính D=8m; Thủy điện Nậm Chiến (200MW) có đường hầm áp lực dài 10km; Thủy điện Huội Quảng (520MW) có đường hầm dài hơn 4km; Thủy điện Yaly (720MW) có đường hầm dài hơn 7km, D=7m…

Trên thế giới tính đến thập kỷ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy thủy điện Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kỳ đó trên 170km [4]. Ở nước ta các công trình thủy điện nhỏ thường được xây dựng ở miền núi có địa hình vùng tuyến hẹp và dốc, địa chất nền là đá gốc nên có nhiều thuận lợi và hợp lý khi bố trí đường hầm dẫn nước trên tuyến năng lượng tạo cột nước áp lực cao cho nhà máy Việc sử dụng đường hầm áp lực có những ưu điểm hơn so với phương án dẫn nước bằng kênh hở như: diện tích chiếm đất mặt ít, vận hành ổn định, chiều dài tuyến ngắn, tạo đường dẫn có áp nên chế độ chảy ổn định tuy nhiên việc lựa chọn kết cấu mặt cắt hầm cũng như phương án gia cố đường hầm có vai trò quan trọng đối với sự làm việc ổn định, khả năng chịu áp lực nước và áp lực đất đá cũng như giảm tổn thất thủy lực mang lại lợi ích lớn cho nhà máy có vai trò rất quantrọng. Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây đã xây dựng một số đường hầm thủy công có quy mô từ nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước tưới thuộc trạm bơm NghiXuân (Hà Tĩnh) dài 160m; B x H = 1,8 x 2,2m; đường hầm Truông Khấp (NghệAn) có L = 550 m; D=2,9m Hiện tại hàng loạt công trình thủy lợi, thủy điện đang thiết kế và xây dựng có đường hầm thủy công, như đường hầm dẫn dòng công trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) có L = 908m; D = 9m; đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Nậm Chiến (Sơn La) có L = 11.129 m; D = 3,8mv.v

Các đường hầm thường được được gia cố bằng nhiều hình thức khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa chất: phun vữa, bọc lót thép, đổ bê tông cốt thép… Đối với đường hầm thủy công khi vận hành trong môi trường tiếp xúc với nước xảy ra nhiều trạng thái ứng suất - biến dạng khác nhau, do đó có thể xảy ra mất ổn định trong quá trình vận hành nếu như không có biện pháp gia cố Để đường hầm thủy công được đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành cần có lớp lót cho đường hầm Mục đích của tính toán lớp lót đường hầm thủy công là xác định nội lực và phân bố ứng suất trong lớp lót, từ đó tiến hành kiểm tra điều kiện bền và bố trí cốt thép Bài toán xác định nội lực và ứng suất trong lớp lót có thể giải bằng nhiều phương pháp khác nhau Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, các phương pháp số được sử dụng nhiều trong tính toán kết cấu Một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp phần tử hữu hạn Vì vậy, nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử hữu hạn có tính khoa học và thực tiễn, để giải quyết cấp thiết một vấn đề xây dựng đường hầm thủy công nói riêng cũng như các công trình thủy lợi, thủy điện nóichung.

Nhà máy Thủy điện Nậm Toóng thuộc huyện Sa Pa - tỉnh Lào Cai có đường hầm dẫn nước khoảng 4500m, cột nước lớn nhất hơn 418,4m, lưu lượng thiết kế

Qtt,2m3/s, công suất lắp máy 30MW, điện lượng bình quân năm151,27.10 6 kwh Có kết cấu đường hầm tương đối phức tạp, Đề tài “Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công bằng phương pháp phần tử hữu hạn – Áp dụng cho đường hầm thủy điện Nậm Toóng ,Tỉnh Lào Cai” có ý nghĩa kinh tế và khoa học.

Mục đíchyêucầu

Dựa trên các tài liệu thu thập được về các thông số kỹ thuật của nhà máy Thủy điện Nậm Toóng (cột nước, lưu lượng, công suất, thiết bị ) và các tài liệu về địa hình, địa chất (kết quả khoan thăm dò địa chất, báo cáo địa chất công trình ) yêu cầu luận văn cần đạt được như sau:

- Tổng quan về đường hầm thủy công, các phương pháp tính toán đường hầm.

- Nghiênc ứ u t r ạ n g t h á i ứ n g s u ấ t - b i ế n d ạ n g c ủ a đ ư ờ n g h ầ m t h ủ y đ i ệ n N ậ m Toóng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn thông qua phần mềm SAP2000.

- Phân tích, đánh giá, so sánh kết quả nhận được với hồ sơ thiết kế.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiêncứu.

- Từthựctế:Khivậnhànhđườnghầmxuấthiệnnhiềutrạngtháiứngsuất- biến dạng khác nhau.

- Tiếp cận từ các điều kiện kỹ thuật: Công trình phải đảm bảo điều kiện bền, ổnđịnh.

- Kế thừa các nghiên cứu trước đó đãcó.

- Phương pháp thu thập tàiliệu.

- Liệt kê các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủycông.

- Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán đườnghầm.

- Phân tích, nhận xét kết quả đạtđược.

4 Những kết quả đạt được của luậnvăn

- Tổng quan về xây dựng đường hầm thủycông.

- Tổng quan các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủycông.

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện Nậm Toóng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với phương án thiết kế.

Chương 1: Tổng quan về xây dựng đường hầm thủy công

1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở ViệtNam.

1.2 Điều kiện làm việc của đường hầm thủycông.

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luậnvăn.

Chương 2: Các phương pháp tính toán kết cấu đường hầm thủy công 2.1 Phương pháp giảitích.

Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn

3.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữuhạn.

3.2 Giới thiệu phần mềm áp dụng tính toán trong luận văn: Sap2000.

Chương 4: Áp dụng tính toán đường hầm thủy điện Nậm Toóng 4.1.Giới thiệu côngtrình.

4.2.Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, sơ đồtính.

4.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện NậmToóng

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Các kết quả đạt được của Luậnvăn.

2 Một số vấn đề tồntại.

Tài liệu tham khảoPhụ lục tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦM THỦY CÔNG

1.1 Tìnhhình xây dựng đường hầm thủy công tại ViệtNam

Từ lâu, trước Công Nguyên ở Babilon, Ai Cập, Hy Lạp , La Mã các công trình ngầm đã được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau: khai khoáng, cấp nước, giao thông, lăng mộ, nhà thờ Một số công trình còn được giữ nguyên cho đến ngày nay Công trình ngầm được coi là lâu đời nhất trên thế giới là đường hầm xuyên qua sông Eupharate ở thành phố Babilon được xây dựng vào khoảng năm

2150 trước Công Nguyên Vào những năm 700 trước công nguyên một đường hầm dẫn nước đã được xây dựng ở đảo Samosaite - Hy Lạp Hầu hết các đường hầm cổ xưa được xây dựng trên nền đá cứng, có dạng vòm như các hang động tự nhiên, không cần vỏ chống đỡ Thi công bằng công cụ thô sơ như xà beng, chòong và phương pháp nhiệt đơn giản: đốt nóng gương hầm, sau đó làm lạnh hầm bằng nước Vào cuối thời Trung Cổ phương pháp thi công đã được tiến bộ hơn bằng khoan tay và thuốc nổ Việc phát minh ra thuốc nổ Dinamite (1866) cùng với việc áp dụng máy khoan đập xoay đã tạo nên bước ngoặt cho xây dựng công trình ngầm cũng như xây dựng các đường hầm thủy công Vật liệu vỏ hầm chủ yếu là đá hộc vữa vôi hoặc vữa xi măng Mãi đến những năm 70 của thế kỉ

20 bê tông mới trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trìnhngầm.

Trên thế giới tính đến thập kỉ 70 những nhà máy thủy điện có đường hầm dẫn nước có thể kể đến hàng nghìn, chỉ tính riêng Liên Xô đã xây dựng hơn 30 nhà máy thủy điện Tổng chiều dài các đường hầm thủy công đã xây dựng ở Liên Xô tính đến thời kì đó trên 170km. Ở Việt Nam đường hầm thủy công được ứng dụng rộng rãi trong các công trình thủy điện, thủy lợi Đường hầm thủy công sử dụng trong trường hợp địa hình thay đổi nhiều, địa chất thuận lợi cho việc đào hầm Căn cứ vào chế độ thủy lực bêntrongđườnghầmmàchúngcóthểphânthànhhailoạicơbản:đườnghầm dẫn nước không áp và đường hầm dẫn nước có áp Đường hầm không áp được ứng dụng trong các trường hợp khi mực nước trong chúng ít thay đổi.

Khi lựa chọn tuyến đường hầm phải căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công Về măt kinh tế, yêu cầu tuyến đường hầm phải ngắn nhất. Trong thực tế, do điều kiện địa hình, địa chất và điều kiện thi công, tuyến đường hầm có thể có dạng gãy khúc, các đoạn nối với nhau được lượn cong với bán kính không nhỏ hơn 5 lần chiều rộng tiết diện của chúng và góc ngoặt không vượt quá 60 o Tuyến đường hầm dẫn nước thủy điện có thể dài tới hàng chục ki- lô-mét.

Hình dạng tiết diện đường hầm phụ thuộc vào chế độ thủy lực trong nó điều kiện địa hình, địa chất và chế độ thủy công. Đường hầm dẫn nước không áp: có nhiều tiết diện khác nhau tùy theo điều kiện địa chất mà tuyến đi qua Đường hầm dẫn nước có tỷ lệ chiều cao h và chiều rộng b khoảng h:b =1:1,5, nếu mực nước trong đường hầm dao động nhiều thì tỷ số này có thể lấy lớn, kích thước của nó phải đảm bảo chế độ chảy không áp trong mọi điều kiện kể cả các chế độ chuyển tiếp của trạm thủy điện Khi đường hầm xuyên qua vùng địa chất là đá rắn chắc có thể sử dụng tiết diện hình chữ nhật đáy bằng, trần vòm Khi địa chất không rắn chắc lắm, áp lực đất theo phương đứng không lớn và không có áp lực hông của đất lên vỏ hầm thì có thể sử dụng tiết diện với trần là nửa hình tròn.v.v

Hình 1.1 Đường hầm không áp đặt ở đầu tuyến năng lượng Đường hầm dẫn nước có áp: về nguyên tắc thường có tiết diện hình tròn Vỏ của nó có khả năng chịu áp lực tốt từ các phía, về thủy lực nó có nhiều ưu điểm hơn so với các dạng tiết diện khác Ngoài ra, khi sử dụng tiết diện tròn, khối lượng công tác đào và bêtông vỏ hầm cũng ít hơn so với các tiết diện khác Đối với đường hầm có áp có chiều dài lớn, kích thước tiết diện và vị trí đường hầm cần phải chọn sao cho áp suất bên trong nó không nhỏ hơn 0,02Mpa Kích thước tối thiểu của đường hầm phải đảm bảo điều kiện an toàn thi công b≥ 1,8m.

Hình 1.2 Đường hầm áp lực dẫn vào nhà máy thủy điện Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây đã xây dựng một số đường hầm thủy công có quy mô nhỏ đến vừa như: đường hầm dẫn nước thuộc trạm bơm Nghi Xuân (Hà Tĩnh) dài 160m, BxH=1,8x2,2m; đường hầm Truông Khấp (Nghệ An) có LU0m, D = 2,9m Hiện tại có nhiều công trình thủy lợi, thủy điện đang thiết kế và xây dựng đường hầm thủy công như:

Dự án Nhà máy thủy điện Nậm Toóng được xây dựng tại Huyện Sa Pa, tỉnh Lào Cai Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng:hầm ngang từ Cửa nhận nước đến Nhà máy dài 4.968 m Tiết diện hầm BxH = 3x3,5 m trong đó chiều cao tường 2 m, chiều cao vòm 1,5 m, bán kính vòm R = 1,5 m.

Hình 1.3 Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Nậm Toóng

Dự án Nhà máy thủy điện A Lin B1 được xây dựng tại huyện Phong Điền và A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện A Lin B1 có chiều dài 4.500m tiết diện hầm, BxH = 4,1 m x 4,7 m trong đó chiều cao tường 2,65 m, chiều cao vòm 2,05 m, bán kính vòm R 2,05m.

Hình 1.4 Hình ảnh đường hầm nhà máy Thủy điện A Lin - Huế

Dự án nhà máy thủy điện sông Tranh 2 được xây dựng trên sông Tranh, thuộc bậc thang hệ thống Sông Vu Gia – Thu Bồn nằm trên địa bàn huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam.Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Sông Tranh 2 có chiều dài 1.700m tiết diện hầm, BxH = 6,8 m x 9,9m.

Hình 1.5 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Tranh 2

Dự án thủy điện Sông Bung 2 được xây dựng tại Huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam Hầm ngang dẫn dòng dài 389,9m Tiết diện hầm BxH = 14 m x 14,8 m trong đó chiều cao tường 7,8 m, bán kính vòm R = 7 m.

Hình 1.6 Hình ảnh đường hầm nhà máy thủy điện Sông Bung 2

Dự án nhà máy thủy điện Huội Quảng được xây dựng tại huyện Mường La, tỉnh Sơn La Đường hầm dẫn nước nhà máy thủy điện Huội Quảng có chiều dài 4.000m, tiết diện hầmBxH = 9 m x 9,9 m.

Hình 1.7 Hình ảnh nhà máy thủy điện Huội Quảng

Ngoài ra còn nhiều công trình khác sử dụng đường hầm thủy công.

1.2 Điều kiện làm việc của đường hầm thủycông

Hiện nay chưa có một định nghĩa chính thức về đường hầm Nhìn chung, đường hầm là loại công trình dưới mặt đất có chiều dài ít nhất là gấp đôi chiều rộng, kín ở hai bên sườn và mở an toàn ở hai đầu Tùy theo chức năng, đường hầm có thể được phân thành các loại chính là: đường hầm giao thông, đường hầm thủy công và đường hầm công nghiệp - dân dụng. Đường hầm giao thông gồm đường hầm dành cho người đi bộ và đường hầm trên các tuyến giao thông để vượt các chướng ngại vật như rừng núi, sông hồ, các khu dân cư, khu công nghiệp và cáccông trình đặc biệt khác Một loại hình độc đáo của đường hầm giao thông là đường xe điện ngầm, được xây dựng tại hầu hết các thành phố lớn trên thế giới như Luân Đôn, Paris, Berlin, Matxcơva, Đây là một loại hình vận tải công cộng có rất nhiều ưu điểm như: không tốn diện tích trên mặt đất, ít gây ô nhiễm cả về khí thải và tiếng ồn, hiệu quả và an toàn cao.

Các đường hầm dân dụng và công nghiệp được xây dựng ở vùng núi hoặc trong các thành phố để khai thác khoáng sản, làm kho chứa vật liệu, vũ khí Trong các thành phố lớn, đường hầm được xây dựng để đặt các hệ thống cáp điện lực hoặc cáp thông tin, tạo thuận lợi cho việc quản lý, khai thác và bảo dưỡng. Đường hầm thủy công là loại công trình dẫn tháo nước được xây dựng ngầm dưới đất, thường xuyên là đục xuyên qua núi đá Đường hầm thủy công có đặc điểm chung của các công trình ngầm là chịu tác dụng của áp lực đất đá, nước ngầm từ phía ngoài và chịu tác dụng của nước từ bên trong Điều khác biệt trong điều kiện làm việc của đường hầm thủy công so với các loại đường hầm khác là nó làm việc trong môi trường tiếp xúc với nước từ bên trong nên nó sẽ chịu tác tác động lý - hóa của nước Chính vì thế khi nghiên cứu về đường hầm thủy công ngoài các điều kiện chung ra thì phải đặc biệt xem xét đến điều kiện làm việc trong môi trường nước để đảm bảo tính ổn định của đườnghầm.

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luậnvăn

Những kết quả đạt được củaluậnvăn

- Tổng quan về xây dựng đường hầm thủycông.

- Tổng quan các phương pháp tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủycông.

- Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy thủy điện NậmToóng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với phương án thiết kế.

Bố cục củaluậnvăn

Chương 1: Tổng quan về xây dựng đường hầm thủy công

1.1 Tình hình xây dựng đường hầm thủy công ở ViệtNam.

1.2 Điều kiện làm việc của đường hầm thủycông.

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luậnvăn.

Chương 2: Các phương pháp tính toán kết cấu đường hầm thủy công 2.1 Phương pháp giảitích.

Chương 3: Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn

3.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữuhạn.

3.2 Giới thiệu phần mềm áp dụng tính toán trong luận văn: Sap2000.

Chương 4: Áp dụng tính toán đường hầm thủy điện Nậm Toóng 4.1.Giới thiệu côngtrình.

4.2.Các thông số tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng, sơ đồtính.

4.3 Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điện NậmToóng

TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG HẦMTHỦYCÔNG

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤUĐƯỜNG HẦMTHỦYCÔNG

LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬHỮUHẠN

Nguyên tắc và trình tự giải bài toán kết cấu đường hầm theo phương pháp phầntử hữuhạn.[1]

Miền xác định được chia thành các phần tử Trong giới hạn của sơ đồ tính toán có thể bao gồm các dạng phần tử khác nhau Ví dụ như sơ đồ tính toán cho đường hầm và khối đá bao quanh (hình 3.1a) được chia thành các phần tử phẳng hình tứ giác và tam giác (hình 3.1b) Số lượng và dạng phần tử sử dụng được xác định bởi mục đích tính toán và yêu cầu độ chính xác của kết quả, cũng như khả năng có thể - dung lượng bộ nhớ, năng lực của hệ thống tính toán, các tham số của chương trình máy tính sẽ được sử dụng cho tính toán Cần chú ý là việc chia miền xét thành các phần tử chỉ là biện pháp tính toán mà thường thì không mang ý nghĩa vật lýnào.

Hình 3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn a) Mặt cắt đường hầm trong môi trường đá không đồngnhất b) Sơ đồ lưới phầntử

3.1.2 Lựa chọn các hàm nộisuy:

Trong giai đoạn này cần xác định các nút của sơ đồ tính toán và cho các hàm xác định sự phân bố các biến chưa biết trong giới hạn của phân tố Thường các hàm nội suy được cho dưới dạng đa thức bởi vì việc lấy đạo hàm và tích phân các hàm đa thức là tương đối dễ dạng Bậc của đa thức được chọn phụ thuộc vào số lượng nút trong phần tử và yêu cầu đặt ra đối với quy luật phân bố của các biến số trên toàn phần tử.

3.1.3 Xácđịnh tính chất của các phầntử

Sau khi đề xuất mô hình phần tử hữu hạn của đối tượng xét, có thể sử dụng một trong các nguyên tắc nêu trên để xác định biểu thức mô tả mỗi phần tử Các biểu thức này được viết dưới dạng ma trận.

3.1.4 Lắpráp hệ các phần tử Để thực hiện tính toán cần phải tập hơp các phần tử riêng rẽ vào một hệ duy nhất. Nói cách khác, các biểu thức mà trận xác định tính chất của hệ các phần tử cần phại tạo lập quan hệ chung xác định tính chất của hệ các phần tử Các biểu thức ma trận cho hệ các phần tử có cùng một dạng như là một phần tử riêng rẽ, nhưng có bậc cao hơn, bởi vì nó chứa các sộ hạng cho tất cả các nút của sơ đồ tính Ở phương pháp PTHH, các biểu thức như vậy là ma trận của hệ phương trình có số ẩn bằng số nút nhân với số biến được xác định ở mỗi nút (số bậc tự do của nút trong bài toán cơ học kết cấu) Nguyên tắc tập hợp dựa trên yếu tố là ở một nút nối liền một số phần tử thì giá trị của ẩn số là duy nhất với tất cả các phần tử quy về nút này Trước khi giải hệ phương trình, người ta đưa vào đó những thay đổi tương ứng với các điều kiện đã cho.

Trong kết quả tập hợp, ta nhận được hệ phương trình có số ẩn số lớn; sau khi giải hệ ta sẽ có các trị số tại nút của ẩn số Hệ phương trình có thể là tuyến tính hay phi tuyến tùy thuộc vào dạng của bài toán.

Sau khi giải hệ phương trình có thể thực hiện các tính toán bổ sung để nhận được các thông số phụ thuộc vào các biến số chính Trong tính toán công trình, các biến số chính là trị số chuyển vị của các nút dưới tác dụng của tải trọng Ứng suất ở các phần tử có thể được xác định từ trị số các chuyển vị nút đãbiết.

Trong thực tế tính toán công trình bằng phương pháp PTHH, trình tự tính toán có thể khác chút ít Công cụ tính toán chính là chương trình máy tính.

Xác định ma trận độ cứng của phầntử vỏ

 m  m   m  trong đó: K, d và F tương ứng là ma trận độ cứng, véctơ chuyển vị nút và véctơ lực nút Các ma trận và các véctơ trên bao gồm hai phần, một là từ phần tử tấm chịu uốn và hai là từ phần tử tấm chịu kéo (nén) Các chỉ số dưới b và m chỉ các biến dạng uốn và biến dạng màng (kéo, nén) của phần tử vỏ.

Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tửhữuhạn

Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:

Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt ), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiệnbiên);

Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi phần tử;

Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K và véctơ lực nút F chung cho cả hệ (ghép nối phần tử);

Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thểF;

Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác định nghiệm của hệ là véctơ chuyển vị chung;

Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên nhiệt độ, v.v.) ;

Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng theo yêu cầu.

Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình 3.2); Đọc dữ liệu đầu vào

Các thông số cơ học của vật liệu

Các thông số hình học của kết cấu Các thông số điều khiển lưới

Thông tin ghép nối các phần tử Điều kiện biên

Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực Áp đặt điều kiện biên (Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)

(Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể )

Tính toán các đại lượng khác (Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v)

In các kết quả mong muốn

Vẽ các biểu đồ, đồ thị

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán bằng PP PTHH

Giới thiệu phầnmềmSAP2000

Ngày nay, các chương trình phân tích nội lực và thiết kế kết cấu đã có những bước tiến vượt bậc và rất phong phú về số lượng, rất mạnh trong quá trình tính toán chẳng hạn như: phần mềm ANSYS, STAAD Pro, SAP2000, ETABS, SAMCEF, STRAND, PLAXIS đã có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề trong thiết kế xây dựng Trong đó SAP2000 là phần mềm được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi do có nhiều tính năng ưu việt hơn các phần mềm khác.

Chương trình có xuất xứ từ một đề tài nghiên cứu khoa học của giáo sư Edward

L Wilson, trường đại học tổng hợp Berkeley bang California, về phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trên máy tính điện tử Năm 1970, giáo sư cùng các cộng sự chính thức cho ra đời phiên bản đầu tiên của SAP Trong những năm tiếp theo, những nghiên cứu và phát triển sâu hơn về phương pháp phần tử hữu hạn và các phương pháp tính toán số đã tạo điều kiện cho các phiên bản tiếp theo của SAP ra đời: SOLIDSAP, SAP3, SAP IV, SAP80, SAP90 Cho đến nay bộ SAP2000 đã được công bố và được đón nhận, với nhiều công cụ mạnh, là chương trình chạy hoàn toàn trên môi trường Windows Bộ SAP2000 có nhiều phiên bản khác nhau, V14 là phiên bản mới với nhiều cải tiến thuận lợi cho người sửdụng.

Tóm tắt các đặc điểm chính SAP2000 có khả năng tính toán mạnh, hỗ trợ nhiều loại kết cấu làm việc ở nhiều trạng thái khác nhau chịu tác động của nhiều loại tải trọng Có thể áp dụng SAP2000 để giải các kết cấu với cấu tạo khác nhau như: hệ thanh, hệ tấm vỏ, kết cấu đặc Các kết cấu có thể làm việc ở các trạng thái đặc biệt như: trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục, biến dạng lớn Về vật liệu có thể mô tả vật liệu đẳng hướng, trực hướng, dị hướng hay vật liệu với các tính chất phi tuyến Về mặt tải trọng tác dụng, SAP2000 hỗ trợ rất tốt với sự đa dạng về thể loại đó là: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, ứng suất trước ; tải trọng cầu với nhiều loại xe tiêu chuẩn, xe do người dùng tựđ ị n h nghĩa tác dụng trên nhiều làn phức tạp phù hợp với nhiều quy trình đặc biệt là quy trình AASHTO; tải trọng động với nhiều dạng có phương pháp tính toán tiên tiến như: tải trọng thay đổi theo thời gian, phổ phảnứng

Kết quả tính toán của chương trình đầy đủ và tin cậy Có thể xuất kết quả ra màn hình độ hoạ, văn bản hay máy in, hơn nữa có thể xuất kết quả dạng tập tin cho các chương trình thiết kế sau tính toán So với phiên bản trước, SAP2000 đã hoàn thiện và tích hợp phần thiết kế mặt cắt thép và bê tông cốt thép vào chương trình chính giúp việc sử dụng được thuận tiện, nhờ đó kết quả tính toán kết cấu sẽ được sử dụng ngay trong phần thiết kế mặtcắt.

Tóm lại, SAP2000 là một công cụ mạnh, có độ tin cậy cao và có thể sử dụng trong hầu hết các bài toán tính toán kết cấu Chương trình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với các thuật toán xử lý số làm nền tảng Việc hiểu và sử dụng tốt chương trình không những trang bị cho người sử dụng một công cụ hữu hiệu trong học tập, nghiên cứu và công tác mà còn giúp người dùng hiểu được các khái niệm cơ bản, phương pháp tính từ đó dễ dàng tiếp cận các phần mềm tính toán kết cấu khác Phiên Bản SAP2000 V14 từ các môi trường mô hình hóa đồ họa tới các tùy chọn phân tích và thiết kế đa dạng, SAP2000 đã chứng minh là một chương trình kết cấu tổng quát với tiêu chí thực hành được tích hợp nhiều nhất, hiệu quả nhất trên thị trường hiện nay Giao diện trực quan cho phép tạo các mô hình kết cấu nhanh và trực quan mà không cần phải học lâu.Các mô hình phức tạp có thể được tạo ra và chia lưới với các Mẫu rất mạnh được cài sắn vào giao diện Các kĩ thuật phân tích cao cấp cho phép phân tích từng bước Biến dạng lớn, Nhiều dạng P-Delta, phân tích vector riêng và trị riêng, phân tích cáp, phân tích cấu kiện chỉ chịu kéo hoặc nén, phân tích ổnđịnh, phân tích tải trọng nổ, phân tích phi tuyến nhanh cho các bộ cản, bộ cô lập nền, hỗ trợ phân tích chảy dẻo, Phương pháp năng lượng đối với kiếm soát độ lệch tầng và phân tích theo phân đoạn xâydựng.

3.4.1 Tính năng của phần mềm sử dụng SAP2000[3]

Giao tiếp đồ họa trực tiếp trên các cửa sổ màn hình từ lúc xây dựng mô hình kết cấu, thực hiện các phân tích và thiết kế đến khi biểu diễn kết quả tính toán trên các hình ảnh đồ họa hai chiều (2D) và ba chiều(3D).

Hệ thống lưới định vị và các công cụ vẽ hỗ trợ quá trình xây dựng mô hình kết cấu một cách nhanhchóng.

Có thể tạo nhanh các mô hình kết cấu từ thư viện các phần tử mẫu có sẵn củaSAP2000.

3.4.1.2 Khả năng phân tích và thiếtkế

Các loại phần tử: phần tử thanh, phần tử tấm vỏ - màng (Shell/Plate), phần tử ứng suất phẳng - biến dạng phẳng - đối xứng trục, phần tử ba chiều. Vật liệu: trong chương trình có thể phân tích với vật liệu đồng nhất tuyến tính đẳng hướng, tuyến tính trực hướng và vật liệu phituyến.

Liên kết giữa các phần tử: liên kết cứng, liên kết nửa cứng, liên kết cục bộ khử một số thành phần lực.

Liên kết giữa các phần tử với đất: các liên kết lý tưởng thông dụng trong ngành Xây dựng như liên kết ngàm, liên kết khớp (gối cố định), liên kết thanh (gối di động), liên kết đàn hồi và các liên kết hạn chế một số bậc tự do bất kỳ của nút liênkết.

Tải trọng tác dụng lên phần tử: tải trọng tập trung tại nút, tải trọng tập trung và phân bố trên phần tử, chuyển vị cưỡng bức gối tựa, thay đổi nhiệt độ,tải trọng phổ gia tốc, tải trọng điều hòa, tải trọng di động…

Khả năng giải bài toán: Giải được hầu hết các loại kết cấu ngành xây dựng, trong một bài toán có thể phân tích và thiết kế đồng thời nhiều loại phần tử khác nhau kết nối cùng chịulực.

Các dạng phân tích: Phân tích tĩnh (Static Analysis), phân tích dao động (Modal Analysis), phân tích đáp ứng động lực (Response Anlysis) với tải trọng thay đổi theo thời gian và phổ giatốc.

Tổ hợp các trường hợp tải trọng khác nhau cùng tác dụng lên kết cấu.

3.4.2 Cách tính toán kết cấu đường hầm vớiSAP2000

3.4.2.1 Thiết lập sơ đồ kếtcấu

- Xây dựng hệ lưới hoặc chọn thư việnmẫu

- Khai báo các đặc trưng hình học (tiết diện, chiềudày…)

- Gán tiết diện cho phầntử

- Khai báo liên kết nối đất

- Khai báo các trường hợp tảitrọng

- Gán tải trọng cho phần tử đối với từng trường hợp tải trọng: tải trọngbản thân, tải trọng nút, tải trọng tập trung, tải trọng phân bố đều, tải trọng phân bố không đều…

- Khai báo một số tham số cần thiết (tham số để tính, in, hoặc tham sốđộng)

- Thực hiện phân tích (chạy chươngtrình)

Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong đường hầm bằng phần mềmSAP2000 nhằm xác định trị số, phương, chiều và tình hình phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và ảnh hưởng của các nhân tố khác như biến dạng của vòm hầm, … Trên cơ sở các số liệu tính toán được ta tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu gia cố tạm hầm, xác định các số liệu của bê tông phù hợp với điều kiện chịu lực, thích ứng với các điều kiện làm việc của chúng.

Kết luậnchươngIII

Trong chương này tác giả đã trình bày được lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán đường hầm thủy công và phần mềm ứng dụng SAP200 qua đó xác định phương pháp áp dụng để tính toán kết cấu đường hầm dẫn nước vào nhà máy thủy điện Nậm Toóng – Lào Cai là phương pháp phần tử hữu hạn qua sử dụng phần mềmSAP2000.

ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐƯỜNG HẦM DỰ ÁN THỦY ĐIỆNNẬMTOÓNG

Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng đường hầm thủy công thủy điệnNậmToóng