Nghiên Cứu Mô Hình Tính Toán Kết Cấu Dẫn Nước Dạng Giàn Ống Bằng Thép.pdf

i LỜI CAM ĐOAN Họ tên học viên ĐỖ VĂN CHIẾN Lớp cao học 23C11 Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy Tên đề tài luận văn “Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép”[.]

LỜI CAM ĐOAN

Họ tên học viên: DO VAN CHIEN

Chuyén nganh: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy

Tên đề tài luận văn:

Nghiên cứu mô hình tính toán kết câu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép” Tác giả xin cam đoan đề tài luận văn hoàn toàn do tác giả làm, những kết quả nghiên cứu tính toán trung thực Trong quá trình làm luận văn tác giả có tham khảo các tài

liệu liên quan nhăm khang định thêm sự tin cậy và tính chính xác của đề tài Tác giả

không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tác giả xin chịu trách nhiệm trước Khoa và Nhà trường

Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2017

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Chiến

LỜI CÁM ƠN

Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu mô hình tính toán kết cầu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đây đủ các

yêu cầu trong đề cương được phê duyệt

Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thây giáo Trường Đại học

Thuỷ Lợi, các công ty tư vấn và đồng nghiệp, tác giả đã hoàn thành luận văn này

Tác giả chân thành biết ơn PGS TS Vũ Hoàng Hung - Trưởng bộ môn Kết Cấu Công

Trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành

luận văn

Tác giả chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo đã tận tụy giảng dạy tác giả trong

suốt quá trình học Đại học và Cao học tại Trường Đại học Thuỷ Lợi

Tuy đã có những cố găng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tôn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thây cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp Tac gia rat mong muốn những vấn để còn tôn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phân ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất

Xin chân thành cam on!

Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2017

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Chiến

MỤC LỤC

MỤC LỤC c1 1n T1 151211111111 1011121111111 11111111 11g ti iii DANH MUC CAC HINH ANH 000 ccccccccecccscscscscscsescecececevscevecevevevevecvevevevceseseeeeeeeen Vv DANH MUC CAC BANG BIBU .-.- 1 1 1111 1111 E151511151111151111111E tri ix MO DAU cecvcccssccssssecsssesssssessssessssecssressssecssssesssissssssasessastssssessssesssiutsssesssessssiessseesseven 1

CHUONG 1: TONG QUAN VE KET CAU DAN NƯỚC DẠNG ÔNG 2

1.1 Khai quat vé két cau dan nu ccccccccccececcccesceesesesescecesesessssseeseseresveveveeeeen 2

INR IS án ái 1 = ố ằ 2 1.1.2 Hình dạng thân mảng - 22 221211111111111 11111111111 11 11 1 52x82 se 2

1.1.3 Kết cấu trụ đỡ - 1c nh t1 1111011101011 0 1111111111111 1 tru 3

1.1.4 Kết cầu dẫn nước dạng Ống thép + + + St S x3 111311 E1 11111111 EE7111151 11x 1Ee 6

1.2 Kết luận Chương Ì ¿+ Sc t1 1111511 EE15111111111 1111111111111 1110111111 HH 10 CHUONG 2: TOI UU KET CAU THEP BANG PHAN MEM SAP2000 11 2.1 Phan mém SAP2000 oes ccccececscscscscecscsescscsvecsessevsvevssessveseseseseseseseseeseee I1 2.1.1 Khái quát về phần mềm SAP2000 ¿2 SE E313 EEEEEEEESE 111571211 tee I1 2.1.2 Một số điểm cân chú ý khi sử dụng phân mêm SAP2000 phân tích trạng thái

ứng suât và biên dạng kêt câu dân nước ¿2 2232223233333 Ese2 II 2.1.3 Các bước tính toán băng SAP2000 c c C11111 1811181111 Hit 15

2.2 Tinh toan t6i UU cecc cece cscscscecscscecsescseevssevssevstesesissvsesesisesseseseeeseeen 16 2.2.1 Dinh nghia tOi Wu oo cc ccccccceccsescscececesesesvscevececeecsvsceveseveveevsvicesveveresereeveveven 16 2.2.2 Các tiêu Chi t6i UU ieee ccc ccc cs cscscscscecsescscevssetssevsvevssssvsesessessseseeeseeee 17

2.2.3 Quy trinh dé dat Oi UU occ cc cccccesesescscecececesesescevsceveseetsvscevevvenenerteveseren 17 2.3 Nghiên cứu kết cầu dẫn nước dạng giàn ống thép 5222 c2cxcxrx sex: 24 2.3.1 Tải trọng tác dụng lên kết cầu dẫn nước dạng giàn ống thép - 24 2.3.2 Phương pháp tính toán kết câu dẫn nước dạng ống thép - ccsz sec: 25 2.3.3 Những vân đề cần nghiên cứu .- + + Ss S13 11111 7111111111111 tr Hưyn 25

2.4 Tính toán tối ưu kết câu thép bằng SAP2000 ¿221 1E S211 EEEEEEEsEekreh 26 2.4.1 Phương pháp thiết kế tối ưu kết câu trong SA.P2000 - ¿2 2 2 sex se: 26

2.4.2 Các bước tính toán tối ưu các kết cầu cơ bản dầm, khung - 55: 28

2.5 Kết luận Chương 2 + s11 E 1111111111 E11 E1 E111 E 111111 H 56 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU DÂN NƯỚC DẠNG GIÀN ÔNG THÉP QUA SÔNG KỶ CÙNG — LẠNG SƠN c1 1211121112111 trree 57

3.1 G01 thi€u công trình + c c1 1101110101011 10 111v v xxx va 57

3.2 _ Lựa chọn các hình thức kết câu dẫn nước + +2 se 1 S21 S313 1151 3E sex c2 57

3.2.1 Phương án ống thép liên ỤC - ¿+ + 1 12311111 1 1 1111111111111 E11x11Ekkrki 57 3.2.2 Phương án kết câu dẫn nước bê tông cốt thép thường ¿ scsccsss¿ 58 3.2.3 Phương án ống thép được đỡ băng giàn thép - ¿5-2 5c Sn text Eerekrxekd 58 3.2.4 Để xuất phương án nghiên cỨU - ¿s2 E3S3EEEEE+EEE2E1111 17115111 EEEEkktkd 59 3.3 Tính toán tối ưu và phân tích kết cầu vận chuyển nước dạng giàn Ống bằng thép ông tròn băng phân mêm SŠAP2000 -L c2 22221212221 22 11 1111111111111 1 111g nhe 60 3.3.1 Phương án 1: Dùng 2 ống thép - Kết câu dẫn nước băng thép ống tròn kết hợp

3.3.2 Phương án 2: Dùng 1 ống thép - Kết câu dẫn nước băng thép ống tròn kết hợp

3.4 So sánh và nhận xét 2 phương án trên - 2c 222222 2222232E22EEEExxxsxss2 87

3.5 Kết luận Chương 3 c1 1111111151 E111511111 1 11111111111 1E HE HH gi 87

KET LUAN VA KIEN NGHI oo cccceccscssssssssssssesseseesecscescesecsceseesceneseeseteateenseneeeeete 88 TAI LIEU THAM KHAO ceccescessessssseesesseeseeseseesesenessecseceecenseesuessessessnssnsaeeseeees 89

DANH MỤC CÁC HÌNH ÁNH

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt đọc kết cầu dẫn nước thông thường ¿+ +x+sszcz sec 2 Hình 1.2 Các mặt cắt ngang thân máng - ¿+ 2 St S E3 1E EEEEEEE SE SE EEEEEE1E1 511111 cet 2 Hình 1.3 Kết cấu kết câu dẫn nước băng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép 3

Hình 1.4 Sơ đồ bồ trí trụ đỡ kiểu công xôn Kép -:- + + Ss c3 t1 1 EEE ke rrren 3

Hình 1.5 Kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép sử dụng sơ đồ đầm đỡ kiểu công xôn kép 4 Hình 1.6 Gối đỡ kết câu dẫn nước kiểu vòm (a) và kiểm vòm treo (b) -: 4 Hình 1.7 Hình ảnh kết câu dẫn nước dạng vòm + + 22s S k2 EEEEEEEESErkExrkret 4

Hình 1.§ Kết cấu gối đỡ S1 1 E111 111111111111 111110111111 111101111112 1tr 5

Hình 1.10 Ông thép đặt trực tiếp lên trụ ¿- s2 E12121E11111 1111112111212 211 rte 6 Hình 1.11 Ông thép được gia cường bằng các sườn đọc vả ngang ¿sec 7

Hình 1.12 Ông thép là một bộ phận của giàn chịu lực - c2 7

Hình 1.13 Ông thép được đặt trên mồ trụ cầu giao thông ¿+ cv 8 Hình 1.14 Ông thép được đặt trên bản mặt cầu bê tông cốt thép -. - -cccsc 8 Hinh 1.15 Ông thép được đặt trên giàn bê tông cốt thép ¿+ 2+2 cv 8

Hinh 1.16 Két cau gian dO 60g ooo cceccccseccsesescececesescsvscevecevessevsceseveseeesssvevevevenren 9

Hinh 1.17 Đường ống dẫn nước số 2 sông Đà sử dụng kết cầu giàn thép đỡ Ống 9 Hình 2.1 Tuyến tính hóa hàm A (Ï) - ¿5c tt 3E EE E13 EE SE EEEEEE SE EHgưên 20

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán giàn phắng - - cà SE E11 1112511 1E151E1111111 1E g tư 21

Hình 2.3 Đường quan hệ giữa trọng lượng và mômen đẻo - ‹ + sss: 22

Hình 2.4 Sơ đồ cơ câu phá hủy đẻo - 5 1t x3 E3 E111 11111 5211151111121 118tr 23 Hình 2.5 Xác định nghiệm tôi ưu băng đồ thị - 5 SE 1S 1 2111121112121121 1e, 24

Hình 2.8 AUTOI là nhóm các số hiệu tiết điện để tự động chọn cho đầm 32 Hình 2.9 Gán các tiết điện chọn tự động cho dầm 1T n2 H1 TH TS are 32

Hình 2.10 Lệnh hiển thị kết quả thiết kế đầm -.- St SE E+EEEEE2EEEEEEcErkskreei 33

Hình 2.11 Hiển thị tiết diện thiết kế cho đâm -5-522222S+222222E2EvzEvsrvzkeg 33

Hình 2.12 Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết điện phân tích s5: 33

Hình 2.14 Hệ số ứng suất của đầm ứng với tiết điện thiết kễ ¿2-2 se sec: 34

Hình 2.15 Sơ đô tính toán khung - + + SE SE E31 SE2511E5EE1E1112511 21 111 1E11E1Eg 35

Hình 2.16 Sơ đồ tính toán khung với các tiết điện đầm, cột chọn sơ bộ 36

Hình 2.17 Lệnh hiển thị hệ số ứng suất .- +1 +E+3EEEEEEEE E211 EEEEEEEEE SE Errre 36

Hình 2.18 Hệ số ứng suất Ứng với các tiết điện chọn sơ bộ - S2 s22: 37

Hình 2.19 Xuất hệ số ứng suất L1 111 1E 5 E111111111111 18111110111 tra 37 Hình 2.20 Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k > -c-cccsse¿ 38 Hình 2.21 Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1 sec: 39

Hình 2.22 Chọn nhóm các tiết điện tự động chọn cho đầm AUTO1-D và AUTO2-D 41

Hình 2.23 Chọn nhóm các tiết điện tự động chọn cho cột AƯTOI-C và AUTO2-C 4I

Hình 2.24 Hệ số ứng suất ứng với tiết điện phân tích 5 + +cszzxzx++z£zrsre2 42 Hình 2.25 Lệnh hiển thị tiết điện thiết kÉ ¿2 1S E SE SE SE EEEEEEEEEEEggrgrưg 43 Hình 2.26 Hiền thị tiết diện phân tích và tiết diện thiết kế -¿ eee sr 43 Hình 2.27 Gán tiết diện thiết kế vào khung + 2S S SE EE E211 EEEEEEEEESEEErrre 44 Hình 2.28 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế - ¿+ SE tre 44

Hình 2.29 Hiền thị tiết điện chọn cuối CÙNE QQ Q0 HH HH na 45

Hình 2.30 Hệ số ứng suất ứng với các tiết điện thiết kê eee 46 Hình 2.31 Sơ đô tính toán giàn phẳng S1 1132311157 111112111 12EEE1111 1111 yEg 47

Hình 2.32 Mô hình tính toản giàn - - 2222222121111 111 1111111111111 1 1111111111135 49

Hình 2.33 Hệ số sử dụng vật liệu của các thanh giàn - s5 - 555cc 25555552 49 Hình 2.34 Danh sách thép ống vuông AUTO-CT chọn tự động cho cảnh thượng và thép ông tròn AƯTO-CH chọn tự động cho cánh hạ cee eee eeeeeeeeeeeeeeees 51

Hinh 2.35 Danh sach thep ống chọn tự động cho thanh bụng giữa AUTO-BG và thanh bụng ở đâu AƯTO-BI 02200010 11111111 1111111111111 1 1111 1E KTS vu 51

Hình 2.37 Hệ số sử dụng vật liệu trên cơ sở tiết điện phân tích - 52

Hinh 2.38 So d6 tiét dién thiét ké cua cac thanh ian cece eceeeseeeeeeeseeseeeeeees 52 Hình 2.39 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết điện thiết kế - 2 + +s+2£s£szt2 53 Hình 2.40 Gán liên kết khớp vào hai đâu các phần tử thanh ccccscsse: 54 Hình 2.41 Mô hình giàn có các phần tử thanh nối khớp ¿+ + szcxsxz+z£zzsre2 54

Hình 2.42 Hệ số ứng suất ứng với tiết điện phân tích 2 + +scszcx+x++z£zrsre2 55

Hình 2.43 Hệ số ứng suất ứng với tiết điện thiết kế - ¿+ SE rrre 55

Hình 3.1 Kết cầu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp . 5+ csEsEcxzx++ztersrez 58 Hình 3.2 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước ¿5c SE té Etrregrre 58

Hình 3.3 Kết cầu dẫn nước bê tông cốt thép nhịp đơn đài 18 [m] +: 58

Hình 3.4 Mặt băng cánh hạ giàn và ống dẫn nước ¿+ + St +31EE#ESEEErksxskreeo 59

Hình 3.5 Giàn đỡ Ống thép 1 x31 SE 111111111 E1711111111111511 1110101011111 HH 59 Hình 3.6 Phương án 1 ống thép (nhịp giàn thứ 1) cece ccccceeeseecseeveceseseseseeeeeeeen 60 Hình 3.7 Phương án 2 ống thép (nhịp giàn thứ ]) ¿5s c2 x+EcE‡E£E£EvEzrekskree 60

Hình 3.§ Kết câu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp ¿ 5 stress 61

Hinh 3.9 Két cau nhip tht Lo.c.c cc cccccceccceccecccesesescscececececcseevevevevecesesvsceveveveveseseevevenen 61

Hinh 3.10 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước 21 1 1 1115221212111 Eee, 61

Hình 3.11 Sơ đồ ALN tác dụng lên kết cấu dẫn nước nhịp thứ l - s5: 62 Hình 3.12 Mặt cắt A-A và sơ đồ áp lực gió ngang . - c St EErrney in: 62 Hình 3.13 Biểu đồ lực dọc P toàn nhịp - + + s z1 3313 EEEEEEEE E111 kg ưyn 65

Hình 3.14 Biểu đồ mô men uốn M3 toàn nhịp .- + + + E2 E‡E+E+E2EE£EEEeEzxskskree 66

Hình 3.15 Hệ số sử dung vat liéu nhip tht 1 oo ccceceeesceecesesesescseeseseeseeseseeeeeeeen 66

Hình 3.16 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cảnh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 69

Hình 3.17 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng tại nhịp thứ l - 70 Hình 3.18 Tiết điện tối ưu cho thanh cánh thượng . 7: 2+2 122 EEEcErxsxre 70

Hình 3.19 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nỗi giữa 2 thanh cánh

Hình 3.24 Biểu đồ chuyển vị do THÌ - + sẻ SE 1311111 8E EEE511111 E11 8E tư 74

Hình 3.25 Kết cầu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp ¿ ¿+ xsx£*E‡EcEzxrxseree: 75

Hình 3.26 Kết cầu nhịp thứ nhất - ¿+ S11 xS3EEEEEEE SE EEEE E251 EE151E111 11 8.1111 Đ 75 Hình 3.27 Mặt băng giàn nối 2 thanh cánh thượng nhịp thứ nhắt - s5: 75 Hình 3.28 Sơ đồ ALN tác dụng lên kết cấu dẫn nước nhịp thứ 1 :-s-: 76

Hình 3.29 Mặt cắt ngang thân kết cầu dẫn nước 2t 1t 1115221212111 Ee 76 Hình 3.30 Kết cầu giàn gối và sơ đồ áp lực gió ngang +5 s server: 77

Hình 3.31 Biểu đồ lực dọc P nhịp số Ì ¿2 2S SE S311 EEEE E111 2 1kg in 80 Hình 3.32 Biểu đồ giá trị lực dọc P lớn nhất nhịp sỐ l ¿2222222 22 £cec: 80 Hình 3.33 Biểu đồ mô men uốn M3 nhịp số Ì - - + + + SE E+E E2 EEEEEcErkskreeo 81 Hình 3.34 Biểu đồ giá trị mô men uốn M3 lớn nhất nhịp số 1 - 2 s55: 81 Hình 3.35 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D1400x10 [mm] nhịp số 1 82

Hình 3.36 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8§ [mm] nhịp số I 82 Hình 3.37 Hệ số sử dụng vật liệu thanh D200x8 [mm] nhịp số 1 - +: 83

Hình 3.38 Biểu đồ chuyền vị nhịp giàn thứ Ì - 5-2 E3 ‡E+x2E£EEEEEEEErkzxrerrrrre 85 Hình 3.39 Biểu đồ chuyền vị nhịp giàn thứ 2 2-2 SE 3E E211 EEEEEEEEEztrrrrre 85 Hình 3.40 Biểu đồ chuyền vị nhịp giàn thứ 3 - 5-2 SE 3E E211 EEEEEEEEEerrrrrrre 86

DANH MUC CAC BANG BIEU

Bảng 2.1 Hệ số ứng suất ứng với tiết dién phan tich .0.0cccccceeeeceseseseeeseseseeeeeee 38 Bảng 2.2 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với các tiết diện thiết kÉ - scxsxszc: 45 Bảng 2.3 Phản lực khung ứng với phương án thiết kế tối ưu - 2 xxx sec: 46

Bảng 2.4 Phản lực khung ứng với phương án tiết điện chọn ¿ 2 2 scxsx se: 46 Bảng 2.5 Trọng lượng của khung ứng với 2 phương án chọn tiết điện khung 46

Bảng 2.6 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết điện chọn sơ bộ -. s2 ssc se: 49

Bảng 2.7 Hệ số ứng suất ứng với tiết điện thiết kế ¿+ 2S v2 ESEv re srry: 53

Bảng 2.8 Hệ số ứng suất ứng với tiết điện thiết KẾ . ¿52 tt S31 2EEEEErEsxekree 56

Bang 3.1 Trọng lượng ban than két cau dan nu6c 0 c.ccccecccccseseseseseseeveceseseseseseseeees 63 Bang 3.2 Tổng áp lực nước tác dụng lên máng .- ¿2-2 2S t3 v SE EEEEEEcErkskreeo 63 Bảng 3.3 Tổng áp lực gió ngang tác đụng lên máng ¿+ se xxx E2EvEcrrksrre: 64

Bảng 3.4 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 67

Bảng 3.5 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] tại nhịp số 1 67

Bảng 3.6 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cảnh hạ

D200x8 [mm] tại nhịp SỐ Ì . - 5 5c 2c 2222222122323 2333 3155815151515 se 68

Bảng 3.7 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 69 Bảng 3.8 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng tại nhịp thứ Ì - 70 Bảng 3.9 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cảnh hạ

Bảng 3.10 Chuyén vi tai gitta nhip 1 va nhip 20.0.0 cece ccceeceseseseseseeceseseseseseeeeeen 74

Bang 3.11 Trong luong ban than mang cece ccccccccccecccceeceeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 77 Bảng 3.12 Tổng áp lực nước tác dụng lên kết cấu dẫn nước - ¿xxx sec: 78 Bảng 3.13 Tổng áp lực gió ngang tác dụng lên máng ¿ ¿+ xxx re: 79

Bảng 3.14 Hệ s6 str dung vat liéu thanh canh ha D1400x10 [mm] nhip số Ì 82

Bang 3.15 Hé s6 str dung vat liéu thanh canh thuong D300x8 [mm] nhip sé 1 83

Bảng 3.16 Hệ số sử dụng vật liệu thanh D200x8§ [mm] nhịp số 1 - 84

Bang 3.17 Chuyén vị lớn nhất tại giữa nhịp l và nhịp 2 -.- 5 s22 86

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Kết cấu dẫn nước là công trình thường gặp trong công trình thủy lợi, thủy điện dùng để dẫn nước khi vượt qua các địa hình như thung lũng, sông, suối Khi cần vượt qua các nhịp quá lớn, kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới thép ứng suất trước không đáp ứng được hoặc xem xét thay thế xi phông, nhất là khi không có yêu câu kết hợp giao thông, thì kết câu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn là kết cấu cần được xem xét và có ý nghĩa lớn trong thực tiễn

Trong luận văn này tác giả chọn kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép dùng để chuyền nước, các thanh còn lại cũng băng thép ống tạo thành kết câu dạng giàn ống có

thể vượt qua được các nhịp lớn Đường kính thanh cánh hạ được chọn theo yêu cầu

vận chuyển nước, các thanh còn lại được thiết kế theo lý thuyết tính toán tối ưu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống băng thép ống trong đó sử dụng chức năng thiết kế tối ưu kết cầu thép trong phần mềm SAP2000 để chọn kích thước các thanh giàn thỏa mãn về yêu câu trọng lượng nhỏ nhất: cường độ và độ cứng được tối ưu nhất

3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế tối ưu kết câu thép dạng giàn ống nhịp lớn

trong phan mém SAP2000 trên cơ sở mô hình tính toán băng phương pháp phân tử

hữu hạn

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Xây dựng được mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ông bằng thép nhịp lớn

theo lý thuyết tính toán tối ưu có thể giảm được mồ trụ, giảm được vốn đầu tư xây

dựng công trình và áp dụng tính toán cho một công trình cụ thé.

CHUONG 1: TONG QUAN VE KET CAU DAN NUOC DANG ÔNG

1.1 Khái quát về kết cầu dẫn nước I.I.L Khải quát chung

Kết cấu dẫn nước là kết cấu thường gặp trong công trình thủy lợi, thủy điện Trong những trường hợp kênh dẫn phải vượt qua thung lũng, sông suối có thể đùng phương án kết cầu dẫn nước để đảm bảo việc dẫn nước trong kênh [4] Với câu máng bê tông

cốt thép thông thường nhịp cầu máng dạng dầm đơn chỉ vào khoảng từ 10 [m] đến 15

[m] khi sử dụng thêm kết cầu ứng suất trước thì nhịp kết câu dẫn nước có thể tăng lên nói chung không quá 30 [m] Để giảm được số lượng các gối đỡ, đặc biệt có hiệu quả

khi câu máng cân vượt qua các khe vách núi sâu, hiểm trở không bố trí được các mô

giữa, cần nghiên cứu sử dụng kết cấu cầu máng dạng giàn ống băng thép nhịp lớn

Hinh 1.1 So dé mat cat đọc kết cầu dẫn nước thông thường

1 Cửa vào; 2 Mô bên; 3 Thân kêt câu; 4 Gôi đỡ; 5 Khe co giãn; 6 Cửa ra; 7 Kênh

1.1.2 Hình dạng thân máng

Thân máng làm nhiệm vụ chuyển nước, mặt cắt ngang dạng chữ nhật, bán nguyệt, parabol, chữ U hoặc hình tròn Vật liệu được dùng để xây dựng máng có thể là gỗ, gạch đá xây, bê tông cốt thép, xi măng lưới thép hoặc thép Tiết điện máng phải đủ để

chuyển nước, độ nhám nhỏ tránh tốn thất cột nước, vật liệu thân máng phải bên và ít

thâm nước

Chọn hình thức mặt cắt ngang thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm

thân máng, hình thức kết câu trụ đỡ, đoạn nôi tiêp cửa vào và cửa ra

d)

Kết câu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép có khả năng chịu lực tốt,

thỏa mãn yêu cầu đồng thời về chịu lực và câu tạo cũng như tối ưu về mặt trọng lượng

Nếu kết câu dẫn nước dài có thể đặt trên gối đỡ theo hình thức dầm liên tục hoặc đầm

công xôn kép Loại có đầm công xôn kép (Hình 1.4) khi chọn chiều dài của nhịp L và chiêu đài của đầu thừa a theo quan hệ L = 2,7a thì giá trị mômen âm và đương lớn nhất xảy ra trong đầm sẽ băng nhau, tiện cho bồ trí cốt thép

Hình 1.4 Sơ đồ bồ trí trụ đỡ kiểu công xôn kép

Kết cầu dẫn nước dựa vào gối đỡ theo nhiều hình thức, tuỳ theo tình hình cụ thể mà lựa chọn Có thể chỉ kê hai đầu vào bờ theo hình thức gối tự do Máng có thể đặt

trực tiếp trên gối đỡ (Hình 1.6a) hoặc trên hệ thống đầm dọc (Hình 1.6b) Trường hợp kết câu dẫn nước vượt qua lòng sông sâu và không rộng, nước chảy lại khá xiết, nếu hai bờ tốt, vẫn có thể dùng hình thức dầm liên tục và các gối đỡ tựa trên một vòng vòm

(Hình 1.6a) Trường hợp địa chất hai bên bờ yếu dùng hình thức vòm treo (Hình 1.ób)

để giảm lực truyền cho hai bờ Lúc đó thành máng chịu kéo theo phương đứng.

Gối đỡ thân máng gôm có gối đỡ ở bên (mồ bên) và gối đỡ ở giữa (trụ giữa) Mồ bên thường dùng kiểu trọng lực (Hình 1.8), còn trụ giữa khi chiêu cao trụ không lớn cũng hay dùng kiểu trọng lực, khi chiều cao của trụ lớn thường dùng kiểu khung hoặc kiểu hỗn hợp

1 M6 bién kiêu trọng lực; 2 Cửa vào; 3 Thân mang; 4 Phan dat dap; 5 Thiét bi thoat nước; 6 Mặt đât tự nhiên; 7 Trụ giữa

Trụ giữa kiểu trọng lực có thể băng gạch xây, băng đá xây hoặc bê tông, thường dùng

có các trụ có chiều cao dưới 10 [m] trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực

thường rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải lớn (Hình 1.9a) Trụ đỡ kiểu

khung có hai loại: khung đơn và khung kép, khung đơn thường dùng cho các trụ cao dưới 15 [m]| (Hình 1.9b), còn trụ kép thường dùng khi các trụ có chiều cao từ 15 [m]

đến 20 [m]| (Hình 1.9c) Móng của m6 va tru co thé dat truc tiép lên nền tự nhiên, khi nên yêu có thê đặt trên nên cọc

a —\ —

NXỬ_——Z = Z——— — NY a \ / | | ZZDN ] lo —

1.1.4 Kết cấu dẫn nước dạng ống thép 1.1.4.1 Khải quát chung

Kết cấu dẫn nước băng thép ống thường dùng dé dẫn chất khí hay chất lỏng có áp, trong trường hợp dẫn nước có áp này dùng giàn liên tục có chiều dài nhịp băng khoảng cách trung tâm giữa hai trụ cầu Mặt cắt ngang kết cấu dẫn nước chọn 2 ống dẫn nước

hoặc 1 ống dẫn nước thỏa mãn điều kiện lưu lượng Thanh cảnh hạ của giàn, cánh

thượng và các thanh bụng giàn cũng dùng thép ống có đường kính chọn sao cho trọng

lượng của giàn là nhỏ nhât, đông thời thỏa mãn yêu câu vê chịu lực và câu tạo

Kết câu dẫn nước dạng ống thép tròn có ưu điểm là bảo đảm tốt các yêu câu thủy lực nên tổn thất cột nước qua công trình khá nhỏ Việc xây dựng, quản lý tương đối dễ dàng, thuận lợi hơn nữa khi thi công kết câu dẫn nước ống thép tương đối nhanh và thấm mỹ Ngoài ra kết câu dẫn nước ống thép có thể gác trên các mồ hoặc trụ câu giao thông hoặc đặt trực tiếp trên mặt cầu giao thông mà không ảnh hưởng đến kết câu

chung hoặc làm mồ và trụ kích thước không lớn khi vượt địa hình hiểm trở

1.1.4.2 Các hình thức kết cấu dẫn nước dang ống thép

Khi nhịp ông thép không lớn có thể đặt trực tiếp ông thép lên mồ trụ (Hình 1.10), bản

thân ống thép làm việc như kết cầu dầm liên tục tiết diện tròn

Đề tăng cường khả năng chịu lực của ống thép, bên ngoài ông thép có thể hàn thêm các sườn gia cường đọc và ngang (Hình 1.11) Ngoài ra có thể coi ống thép là một bộ phận của giàn đề kéo dài nhịp của ống thép (Hình 1.12)

ae Sẽ

Hình I.12 Ông thép là một bộ phận của giàn chịu lực

Khi có yêu cầu về giao thông nên kết hợp trên mồ trụ cầu để giảm chi phí đầu tư xây dựng công trình (Hình 1.13) Ngoài ra có thể đặt trực tiếp lên bản mặt cầu bê tông cốt

thép (Hình 1.14) hoặc giàn bê tông cốt thép (Hình 1.15).

= 5 Ề = —

đặt trên mồ trụ câu giao thông

inh 1.15 Ong thép duoc dat trén gian bé tông cốt thép

Khi ống thép vượt qua nhịp đặc biệt lớn và đường kính ống thép lớn không nên cho ống thép tham gia chịu lực, nên tách riêng kết cầu giàn để đỡ ống thép (Hình 1.16 và Hình 1.17).

Hình 1.17 Đường ống dẫn nước số 2 sông Đà sử dụng kết câu giàn thép đỡ ống

1.2 Kết luận Chương 1

1 Vân đề tông hợp, lợi dụng nguồn nước là một bài toán tổng hợp cho các nhà quản

lý, thiết kế, xây dựng thủy lợi - thủy điện Trong đó hệ thông kênh và công trình trên

kênh đóng vai trò quan trọng như huyết mạch trong các hệ thống thủy lợi Việc tính

toán thiết kế, xây dựng kênh và công trình trên kênh phụ thuộc vào điều kiện địa hình,

3 Các công trình thủy lợi lớn nhỏ ở nước ta hâu hết đều có sử dụng kết câu dẫn nước,

việc sử dụng kết câu dẫn nước đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

4 Có nhiều loại kết câu dẫn nước đã được nghiên cứu và sử dụng trong thực tẾ: theo

vật liệu sử đụng có kết cầu dẫn nước bằng gỗ; kết cầu dẫn nước bằng gạch; kết cầu dẫn nước băng đá xây: kết câu dẫn nước bê tông cốt thép; kết câu dẫn nước xi măng lưới thép vỏ mỏng: kết cầu dẫn nước giàn ống băng thép Theo hình thức kết câu có sơ dé kết câu giàn thép, kết cầu dan nước có mặt cắt hình tròn, kết cấu dẫn nước có thanh cánh thượng, thanh cánh hạ và thanh bụng tạo thành giàn thép

5 Tùy theo điều kiện và yêu cầu của từng công trình cụ thể, chúng ta sử dụng loại kết

cầu dẫn nước cho phù hợp để đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật

CHUONG 2: TOI UU KET CẤU THEP BANG PHAN MEM SAP2000 2.1 Phan mém SAP2000

2.1.1 Khái quat vé phan mém SAP2000

Phần mềm tinh toan két cau SAP2000 (Structural Analysis Program) duoc phat triển boi céng ty CSI (Computer and Structures, Inc) cua Hoa Ky và nổi tiếng trên phạm vi toàn cầu Đây là phần mềm mạnh phân tích và thiết kế kết cấu trên cơ sở phương pháp phân tử hữu hạn theo mô hình chuyển vị Trải qua hơn 30 năm kiểm nghiệm phân tích kết cấu thực tế và không ngừng đổi mới cho phù hợp với sự phát triển của phương

pháp phân tử hữu hạn, hiện nay đã phát triển đến phiên bản SAP2000 v19

2.1.2 Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mêm SAP2000 phân tích trạng thái

ứng suất và biên dạng kêt câu dân nước 2.1.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phân tử hữu hạn là phương pháp đang được áp dụng phô biến hiện nay, vì phương pháp này rất thuận tiện cho áp dụng máy tính điện tử, cho phép tính toán kết câu với những sơ đô tính toán phức tạp, phản ánh tương đối đây đủ tình hình làm việc của kết

câu thực; cho phép tự động hóa tính chất kết cấu tiết kiệm được nhiều lao động và

thời gian [3]

Các mô hình trong phương pháp phân tử hữu hạn:

- Mô hình tương thích: Ứng với mô hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân bồ của chuyền vị trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange

- Mô hình cân băng: Ứng với mô hình này người ta biểu điễn gần đúng dang phân bố của ứng suất hay nội lực trong phân tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castiglino

- Mô hình hỗn hợp: Ứng với mô hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị và ứng suất trong phân tử Hệ phương trình cơ bản của bải toán sử dụng mô hình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner-Hellinger

2.1.2.2 Phương trình cơ bản của phần tử hữu hạn

Phương trình cơ bản của phương pháp phân tử hữu hạn với mô hình tương thích được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phan Lagrange khi co chuyén vị khả đĩ cho phép (phù hợp với liên kết của hệ), nếu vật thể ở trạng thái cân băng và thỏa mãn các điều kiện biên thì thế năng toàn phần của hệ đạt giá trị dừng:

Trong bài toán tĩnh, biểu thức thế năng toàn phân của phần tử có đạng:

H, = 3Í [Jf II nIi uê(p,),6) (2-2)

Trong đó:

Ge, Ee - Vec(ơ ứng suất và vectơ biến dạng:

Ve, Se - thể tích của phần tử và diện tích đặt tải trọng bề mat:

(pb)e, (Ps)e - Vecto lực khối và vectơ tải trọng bề mặt

Với vật liệu đàn hôi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:

Từ nguyên lý thế năng toàn phân ta viết được:

Do bién phan 8A 1a tuy y, nén tir (2 5) cé phuong trinh can bang cua phan tir nhu sau:

[[[, / D8,^,»- [[[, NT (p,).dv— ff, NT (peas) =0 (2-6)

hoặc viết dưới dang:

Trong đó:

A; - vectơ chuyền vị nút của phân tử;

K¿z, Fe - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ tọa độ địa

phương, được xác định theo công thức sau:

Viết công thức (2.7) cho toàn kết cầu ta được:

Trong đó:

A - vectơ chuyên vị nút của kết cấu;

K, F - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ tọa độ tong

thể, được xác định theo công thức sau:

vị trong ma trân độ cứng và vectơ tải trọng nút của kêt câu nhờ ma trận định vị

L¿ và được ký hiệu lần lượt là K" và F~

Ma trận độ cứng K: và vectơ tải trọng nút F: của phần tử trong hệ tọa độ tổng

thể được xác định từ ma trận độ cứng K và vectơ tải trọng nút F, của phần tử

trong hệ tọa độ địa phương nhờ ma trận biến đổi tọa độ Te như sau:

2.1.2.3 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phương pháp phân tử hữu hạn

Đề tính toán một kết câu đàn hỏi tuyến tính theo phương pháp phần tử hữu hạn tương

ứng với mô hình chuyển vị, ta thực hiện theo trình tự sau: 1 Chọn loại và dạng hình học của phần tử hữu hạn;

2 Rời rạc hóa kết câu thành một lưới các phần tử hữu hạn, mức độ thưa mau phụ

thuộc vào yêu cầu quy định về độ chính xác của kết quả tính toán Lập véc tơ chuyền vị nút của toàn kết câu rời rạc hóa £A} (véc tơ chuyên vị);

3 Giả thiết hàm chuyền vị cho phân tử đã chọn đề tính toán;

4 Lập ma trận độ cứng của các phần tử dưới dạng các công thức để có thể tính ma trận độ cứng của từng phân tử;

5 Tập hợp các ma trận độ cứng thành ma trận độ cứng của toàn kêt câu rời rạc hóa

phù hợp chặt chẽ với véc tơ chuyển vị nút về thứ tự, thành phân và kích thước;

6 Xác định véc tơ tải tương đương (lực nút) của kết câu rời rạc hóa băng các tập hợp các véc tơ tải của từng phần tử Véc tơ tải này tương ứng với véc tơ chuyển vị nút về thứ tự và thành phân;

7 Dùng điêu kiện biên của kêt câu đê khử tính suy biên của ma trận độ cứng của kêt câu đã lập ở bước 5Š;

§ Giải hệ phương trình: [K] * {A} = ƒF} để tìm véc tơ chuyển vị nút của kết câu rời

rạc hóa;

9 Xác định nội lực, ứng suất của từng phân tử;

10 Vẽ các biểu đô biểu diễn kết quả

Việc giải bài toán kết cầu theo phương pháp phân tử hữu hạn có thể thực hiện trên máy

tính thông qua các phần mềm thông dụng như SAP2000, ANSYS, ABAQUS,

h Đặt tên file bài toán

¡ Chạy chương trình và hiển thị kết quả tính toán

2.2 Tinh toán tối ưu 2.2.1 Định nghĩa tối tu 22.11 Đặt vấn đề

Trong những năm gân đây, vấn đề thiết kế tối ưu hóa kết câu của các công trình thủy có vai trò và ý nghĩa quan trọng, nhăm mục đích xác định kích thước hợp lý của kết cấu trên cơ sở đảm bảo đủ bên với trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng chỉ phí vật liệu là thấp nhất, không chỉ cho phép giảm giá thành sản phẩm mà còn ảnh hưởng tốt đến các tính năng của công trình Trong thực tế, kết cấu thường được tính dựa theo các yêu cầu trong các Quy phạm, tuy nhiên các công thức Quy phạm, mặc dù xây dựng trên cơ sở

lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, nhưng không thể phản ánh hết các điều kiện nơi kết

cau hoạt động nên tính theo phương pháp này thường phải chấp nhận tốn kém vật liệu và tăng trọng lượng kết cấu vì bản thân kết cấu chưa ở dạng hợp lý nhất Vì thế bài toán thiết kế tối ưu kết câu nói chung và kết cầu thép nói riêng mang tính cấp thiết 2.2.1.2 Định nghĩa tôi wu

Tối ưu được định nghĩa là quá trình tìm kiếm hàm mục tiêu lớn nhất hoặc nhỏ nhất

mong muốn trong khi vẫn đáp ứng được các điều kiện ràng buộc ban đâu Trong mọi giai đoạn của xây dựng, thiết kế và bảo trì các hệ thống kỹ thuật, các kỹ sư phải đưa ra quyết định công nghệ và quản lý nhất định Mục tiêu cuối cùng của tất cả các quyết

định đó hoặc là để tối thiểu các hiệu quả của kết cấu, đạt giá trị lớn nhất lợi ích mong

muốn Đề đạt một trong những mục tiêu nảy trong bất kỳ tình huống nảo có thể được

thê hiện như là một hàm toán học của một sô biên thiết kê

Tôi ưu cũng có thê được định nghĩa như là quá trình tìm kiêm các điêu kiện cung câp

cho các giá trị tôi đa hoặc tôi thiêu của một hàm mục tiêu

Như vậy: Tối ưu là tìm giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất của một hàm n biến ƒ[Xi,X›, X;) với n là một sô nguyên dương

Bài toán: Tìm giá trị nhỏ nhât của hàm f{x); x là véc tơ n biên = ( XỊ, Xa, , Xa ) VỚI

điêu kiện:

- f{x) là hàm mục tiêu cân tìm giá tri min;

- ø(x) là bất đẳng thức ràng buộc;

- h(x) là đăng thức ràng buộc;

Tối tu hóa kết cấu: Là đưa ra một kết câu tốt nhất nhăm cải thiện va nâng cao tính

năng làm việc của kết cấu đó khi nó chịu tác dụng của tải trọng, ứng suất và các điều kiện khác Kỹ thuật tối ưu hóa là đóng vai trò quan trọng trong các thiết kế kết câu;

mục đích của nó là tìm ra các thiết kế tốt nhất đảm bảo độ tin cậy cao nhất Tối ưu hóa

kết cầu cũng giải quyết bài toán của tôi ưu

2.2.2 Các tiêu chí ti wu

- Tối ưu về trọng lượng

- Tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi

- Tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo

2.2.3 Quy trình để đạt toi wu

2.2.3.1 Quy trình tối ưu về trọng lượng

Trong thiết kế thực tế ngoài bài toán kiểm tra chúng ta còn gặp bài toán xác định kích

thước cần thiết của tiết điện các phần tử kết câu đã cho ứng với một hệ tải trọng đã biệt, sao cho thỏa mãn điêu kiện cường độ, điêu kiện độ cứng và sử dụng vật liệu ít

nhất, đây là bài toán thiết kế tối ưu kết cầu về mặt trọng lượng

Hàm mục tiêu và các ràng buộc: Trong tính toán tối ưu kết câu hàm mục tiêu thường

biểu thị các đại lượng cần cực tiểu hóa như trọng lượng, thể tích, gia thanh, cua két

cầu Các điều kiện ràng buộc đưới dạng đăng thức thường là các điều kiện cân băng,

các điều kiện biến dạng liên tục Các điều kiện ràng buộc dưới dạng bat dang thức thường là các điêu kiện vê độ bên, độ cứng, các điêu kiện vệ chảy dẻo v.v

Dạng hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc thay đổi tùy theo kết cấu và phương pháp

giải Do đó bài toán tối ưu và phương pháp giải có những đặc điểm khác nhau khi

dùng phương pháp tính khác nhau như phương pháp lực hay phương pháp chuyền vị

Trong thực tế đề tiện cho việc chế tạo và giảm giá thành, kết câu thường được phân

thành nhiêu nhóm câu kiện Các câu kiện trong môi nhóm có tiệt diện như nhau và môi

cầu kiện là hình lăng trụ đều Giả sử một kết câu được chia thành G nhóm, một nhóm

bất kỳ kí hiệu là ø, gọi tổng chiều dài của các cầu kiện trong nhóm là Lạ và diện tích

tiết điện là A; Vậy:

+ là trọng lượng riêng của vật liệu trong nhóm g

Giá vật liệu kết câu:

G

g=l

Trong đó:

C; là giá vật liệu trên một đơn vị trọng lượng:

Hàm C trong công thức (2-17) là hàm mục tiêu về giá cả

Nếu giá vật liệu không thay đổi trong các nhóm thì T trong công thức (2-16) là hàm mục tiêu vệ trọng lượng

Nếu kết cấu được chế tạo bang một loại vật liệu thì V trong công thức (2-15) là hàm mục tiêu về thê tích

Trong các hàm mục tiêu ở trên có biên là diện tích tiết diện A;, nhưng trong các điêu

kiện ràng buộc vê độ bên và độ cứng có biên khác nhau như mômen quán tính của tiệt

điện I;, mômen chông uôn W; Nêu bài toán tôi ưu gôm nhiêu biên, ta cân tìm cách

đưa về ít biến để việc tính toán được đơn giản hơn Chăng hạn khi chỉ dùng một biến

As ta sẽ quy đối các biến I„ và W¿ thành biến A, Nếu chỉ dùng một biến I, ta quy đổi

các biến A„ và W¿ thành Iạ

Nhìn vào các bảng đặc trưng hình học của tiết điện ta không thể phát hiện quy luật về mối quan hệ giữa chúng Song lấy lôgarit các đại lượng đó, ta sẽ phát hiện ra một quy luật giữa chúng như sau:

A=0,559* J”

Trong đó:

Với dầm tiết điện chữ I phố thông có n= 2/3 va m = 1/2

Đối với hệ khung: (2-18) thay vào các biểu thức (2-15), (2-16) và (2-17) ta có:

G

A=0,559 LI,"

g=l G

Phương trình (2-20b) có thể biểu diễn gần đúng qua hệ thức tuyến tính sau:

đều là tuyến tính, đây là bài toán quy hoạch tuyến tính Đề tìm lời giải của bài toán này

thường dùng nhất là phương pháp đơn hình của bài toán quy hoạch tuyến tính Nếu bài toán chỉ có hai biến thì nghiệm của bài toán có thé tim bang phương pháp biểu diễn

hình học

2.2.3.2 Quy trình tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hôi

Nội lực và chuyển vị kết câu hệ thanh có thể xác định băng phương pháp lực hoặc

phương pháp chuyển vị, trình tự giải bài toán tối ưu kết câu hệ thanh trong giai đoạn đàn hỏi thông qua ví dụ sau:

Thiết kế tối ưu giàn tĩnh định có kích thước và chịu tải trọng (Hình 2.2); các thanh (1), (2) (3) có cùng diện tích A¡, thanh (4) có diện tích Aa Vật liệu thép CT3 có cường độ chịu kéo tính toán và chịu nén tính toán R = 16 [kN/cmŸ] Tải trọng Pị = 2 [kN] và P›= 4 [kN]

Ham muc tiéu:

2 3

V=DA,L, =A, OL, +A,L, = 750 * Ai+ 400 * A2 (2-21)

Giàn đã cho là giàn tĩnh định nên nội lực trong các thanh không phụ thuộc vào diện

tích tiết điện các thanh giàn, từ phương pháp tách nút, ta có nội lực các thanh như sau:

Ni= 8,333 [KN]

N2= -1,667 [KN]

N3= 6,667 [KN] Na= -5,333 [KN]

Từ điêu kiện ràng buộc về độ bên ta có diện tích tiệt diện cân thiệt của các thanh giàn

chịu kéo, chịu nén như sau:

Ai= 8,333/16 = 0,522 [cm”]

Az= 1,667/16 = 0,104 [cm”]

A3= 6,667/16 = 0,417 [cm?] Aa= 5,333/16 = 0,333 [cm]

Vì các thanh (1), (2) và (3) thuộc nhóm tiết điện A¡, còn thanh (4) thuộc nhóm tiết diện

Aa nên ta lấy Ai > 0,522 [cm”] và Aa > 0,333 [cm”]

21

Vimin khi Ay = 0,522 [em] và A›= 0,333 [cm?]

Vmin= 750 * Ai + 400 * A2= 750 * 0,522 + 400 * 0,333 = 524,7 [cm’] 2.2.3.3 Quy trình tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy đẻo

Các giả thiết cơ bản:

Kết cầu gồm các thanh mặt căt đều (lăng trụ)

Bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc và lực cắt tới mômen đẻo của các thanh

Hệ thức giữa trọng lượng một đơn vị chiêu dài thanh và mômen dẻo của nó được biêu

diễn ở hình 2.3 qua biểu thức sau:

a, b la cac hang so

Nếu dùng biểu thức tuyến tính (2-25) thì trọng lượng bản thân của kết câu có thể xác định bằng công thức đơn giản sau đây:

22

Trong đó:

L là chiều đài thanh

Số hạng >aL là hăng số với kết cấu đã cho, vậy G là nhỏ nhất khi >bM pL cực tiểu, số

hạng này được ký hiệu là x:

x = Xb *Mp* L va dugc gọi là hàm mục tiêu (2-27) Bài toán trọng lượng tôi ưu đưa vê xét cực tiêu hàm mục tiêu được xác định theo công

thức (2-27) với các ràng buộc về cường độ Phương pháp giải và ví dụ minh họa

Xét một dầm liên tục 2 nhịp có kích thước và chịu tải trọng (Hình 2.4) Nhịp trái có

mômen dẻo là tị và nhịp phải có mômen dẻo là la

Theo công thức (2-27) ta có hàm mục tiêu của bài toán như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ cơ câu phá hủy dẻo

Xác định mômen dẻo pW va ta của dầm liên tục hai nhịp để hàm mục tiêu cực tiểu

Phương trình cân bằng:

() 1,5M: - 0,5M: = 60

(Il) - M2 + 2M3= 45

Điêu kiện ràng buộc:

Hình chiếu của đỉnh B lên đường thăng 3: - 3p2 = 0 gần gốc tọa độ nhất, vậy tọa độ của đỉnh B là nghiệm của bài toán:

wi = 35 [KNm]| và ba = 1Š [kNm]|

2.3 Nghiên cứu kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép

2.3.1 Tải trọng tác dụng lên kết cầu dẫn nước dạng giàn Ống thép Tải trọng tác dụng lên kết câu dẫn nước gôm có:

- Trọng lượng bản thân kết câu dẫn nước - Áp lực nước (có áp)

- Áp lực gió ở độ cao Z (m) so với mốc chuẩn xác định theo công thức:

2.3.2 Phương pháp tính toán kết cấu dẫn nước dạng ống thép

Đối với kết câu dẫn nước nhỏ có đường kính thân máng dưới 1,2 [m] hoặc khi thiết kế sơ bộ có thể đùng phương pháp “Lý thuyết dầm” để phân tích nội lực thân máng Nội dung của phương pháp này là thay bài toán tính không gian băng hai bài toán phẳng riêng biệt theo phương dọc và theo phương ngang kết cấu dẫn nước Theo lý thuyết tính toán này thì theo phương dọc thân máng được tính như bài toán dầm, theo phương ngang kết cấu dẫn nước được tính như một hệ phăng (khung phẳng) có bề rộng bằng

một đơn vị được cắt ra từ thân máng, chịu tất cả các tải trọng tác dụng lên đoạn máng

đó và được cân băng nhờ các lực tương hỗ của các phân máng ở hai bên

Tùy theo vị trí các khớp nối và mố đỡ kết cấu dẫn nước, sơ đồ tính toán thân máng

theo phương dọc có thể là một đầm đơn, dầm liên tục, đầm một nhịp có một hoặc hai đầu thừa Nếu ống thép là một bộ phận của giàn chịu lực thì được tính toán theo hệ

giàn phăng

Khi kết câu ống thép lớn và có yêu cầu cao cần tính toán kết cấu giàn ống thép theo bài toán không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn đề xác định kích thước hợp lý của các thanh giàn và vị trí nối giữa các thanh

2.3.3 Những vấn đề cần nghiên cứu

Xây dựng mô hình tính toán kết câu dan nước dạng giàn ống nhịp lớn theo bài toán

thiết kế tối ưu

Trên cơ sở mô hình tính toán kết câu dẫn nước băng thép Ống tròn kết hợp làm giàn thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn và dùng chức năng thiết kế tối ưu kết câu thép trong phần mềm SAP2000 để chọn kích thước các thanh giàn còn lại sao cho trọng lượng kết cầu giàn là nhỏ nhất nhưng vẫn phải thỏa mãn yêu câu về cường độ và độ cứng Tìm hiểu lý thuyết tính toán kết cấu dẫn nước thường dùng hiện nay Lý

thuyết thiết kế tối ưu kết cầu thép và sử dụng chức năng thiết kế tối ưu kết cấu thép

trong phần mềm SAP2000 Áp dụng tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống vào công trình thực tế

2.4 _ Tính toán tối ưu kết cầu thép bằng SAP2000 2.4.1 Phương pháp thiết kế tỗi ru kết cau trong SAP2000

Tính toán kết câu thép hệ thanh theo các Tiêu chuẩn thiết kế trong phần mềm SAP2000 thuong gap hai bai toan co ban sau:

Bài toản kiêm tra: Kiêm tra vê cường độ kêt cầu hệ thanh với các sô liệu đã biệt (kích

thước hình học của kết câu, tải trọng, vật liệu ) được tiến hành như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán và phân tích nội lực kết cấu

- Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, xác định tỷ số giữa ứng suất tính toán và cường độ tính toán của vật liệu thép làm câu kiện kết câu gọi là hệ số sự dụng vật liệu hay hệ số ứng

suát nêu tỷ số này lớn hơn 0,95 thì kết cầu không thỏa mãn điều kiện về cường độ

- Cho hiển thị các phân tô không đủ khả năng chịu lực

Bài toán thiết kế: Xác định mặt cắt ngang của các phần tử thanh của kết cấu sao cho tỷ

số giữa ứng suất tính toán và cường độ tính toán của vật liệu thép làm kết câu xấp xỉ băng và nhỏ hơn 1 để cho kết cầu thỏa mãn điều kiện về cường độ, đồng thời tận dụng

hêt khả năng làm việc của vật liệu, được tiên hành như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán, chọn hình dạng tiết điện các phần tử thanh, giả thiết sơ

bộ kích thước tiết diện của các nhóm phân tử thanh AUTOI, AUTO2, .và gán vào

các phần tử thanh Chương trình tự chọn một số hiệu tiết diện cho mỗi phần tố kết câu hệ thanh, thường là tiết diện trung bình trong nhóm phần tử thanh AUTOI, AUTO2 va

được gọi là tiết diện phán tích Sau đó cho chạy chương trình phân tích nội lực kết câu hệ thanh

- Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, chương trình tự động chọn một số hiệu trong nhóm tiết diện đó trên cơ sở nội lực ứng với tiết điện phân tích, xác định tỷ số giữa ứng suất tính toán

và khả năng chịu lực của vật liệu của phần tử thanh thích hợp nhất, được gọi là #ế điện

thiết kế Với các thanh có tỷ số này quá nhỏ so với 1, cần chọn thêm một số số hiệu nhỏ

hơn, còn với các thanh có tỷ số này lớn hơn so với Ì, cần chọn thêm một số số hiệu lớn

hơn trong AUTOI, AUTO2, ; để chương trình chọn lại số hiệu thích hợp, trong bước phân tích sau

- Nếu không có phần tử nào có hệ số Ứng suất lớn hơn 1, cập nhật tiết điện thiết kế vào hệ thanh, cho chương trình chạy lại và hién thị lại tỷ SỐ SỬ dụng vật liệu của tất cả các

phân tử thanh, nếu hệ số này xấp xỉ băng hoặc nhỏ hơn 1, ta kết thúc bài toán thiết kế

tối ưu hệ thanh Chú thích:

1) Phân biệt Tiết điện phân tích và Tiết điện thiết kế:

Các Tiết điện phân tích chỉ được hiển thị khi nhân chuột vào View > Set Display

Options > Chon Sections trong cOt Frames > OK

Dé hién thi Tiét dién thiét ké nhan Design > Xuất hiện bảng Display Design Info >

Xuất hiện bang Design Steel Design Results > Chon © Design Sections trong Design Input > OK

2) Phan tich lai kết cấu với các phán tử đã cập nhát tiết diện thiết kế

Sự thay đôi đặc trưng tiết điện của các phần tử trong bước tính hệ số Sử dụng vật liệu, chỉ làm thay đôi cục bộ ở pha tính toản ứng suất Nói cách khác, việc chọn các đặc

trưng tiết diện chỉ ảnh hưởng tới giá trị ứng suất mà không làm thay đổi nội lực trong

các phân tử nhận được khi phân tích với sự thay đổi như vậy Sự phân bồ lại nội lực

của các phần tử do sự thay đổi độ cứng có ảnh hưởng khi cho chạy lại chương trình

Chúng ta cần hoàn thiện lại mô hình phân tích, phân tích lại mô hình và thiết kế lại kết

câu, được tiên hành như sau:

- Mở khóa chương trình > Từ menu Design > Display Design In® > Xuất hiện bảng Design Steel Design Results > Chon © Design Sections trong Design Input > OK

- Từ menu Design > Chon Run, ngay lập tức chương trình bắt đầu tiến hành phân tích Một cửa số nhỏ phía trên được mở ra trong đó hiển thị các thông báo về phân tích Các kết quả sẽ khác kết quả phân tích ban đầu, vì kết cấu đã cập nhật thay đổi đặc trưng tiết

diện ở bước thiết kế > Nhân OK để đóng cửa số nhỏ này

- Từ menu Design > Nhân Start Design/Check of Structures Thiết kế lại kết cầu với

tiết điện thiết kế và hiền thị hệ số ứng suất mới Hiệu quả của việc thay thế này là tiết diện phân tích tối ưu và chuyển về khâu tự động tính hệ số sử dụng vật liệu Vì thế

việc chọn menu này là bước cuôi cùng chúng fa cân làm

Điều này có thể giải thích thêm sau đây với ví dụ minh hoa 6 dưới như sau: Chương

trình phân tích nội lực với tiết điện diện phân tích, trên cơ sở nội lực tìm được này,

chương trình tự động chọn tiết diện thiết kế để thỏa mãn điều kiện cường độ thông qua tỷ số giữa ứng suất và cường độ tính toán của vật liệu câu kiện Chương trình chưa tự

động nhập tiết điện thiết kế vào kết cấu để phân tích lại nội lực, người sử dụng chương

trình cân nhập tiết diện thiết kế và cho chương trình chạy lại như đã nói ở trên Chúng

ta có thê thay su khac nhau chut it sau khi cho chuong trinh chay lai voi tiết điện thiết

kế và hiển thị lại hệ số ứng suất

2.4.2 Các bước tính toán tôi ưu các kết cấu cơ bản dâm, khung

2.4.2.1 Bài toán thiết kế toi ưu

Kết cầu dẫn nước giàn thép là kết cầu phức tạp không gian siêu tĩnh bậc cao, khi đủ

điều kiện vật liệu thuận lợi sẽ phát huy đây đủ khả năng làm việc giảm vật liệu, tiết

kiệm khối lượng công trình

Vấn đề đầu tiên trong thiết kế tối ưu kết cấu dẫn nước giàn thép là phải thiết lập được

mô hình hình học Đây là phương pháp mô phỏng công trình thực tế bằng mô hình

toán học Trong đó các đại lượng đặc trưng hình học mô phỏng kết câu kết cấu dẫn

nước giàn thép

Hàm mục tiêu thường sử dụng trong thiết kế tối ưu hình kết câu dẫn nước giàn thép

chủ yếu có hai loại: kinh tế và an toàn Mục tiêu kinh tế trong thiết kế tối ưu kết cầu

dẫn nước giàn thép là khối lượng hoặc giá thành công trình thấp nhất Mục tiêu an toàn kết câu dẫn nước giàn thép là tương ứng một khối lượng kết cấu dẫn nước giàn thép

nhất định thì độ an toàn là cao nhất

Hiện nay hàm mục tiêu thường dùng nhất là kinh tế Điều kiện rằng buộc thông thường bao gồm: ràng buộc hình học, ràng buộc ứng suất Trước khi yêu câu tối ưu kết câu dẫn nước giàn thép cần tiến hành sàng lọc vài điều kiện ràng buộc và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu Hiện nay SAP2000 đã cung cấp phương án thiết kế tối ưu

Thiết kế tối ưu một mục tiêu về trọng lượng: Trong quá trình tối ưu, chúng không

ngừng thay đối về tiết điện các thanh Hàm số mục tiêu là tiêu chí đánh giá ưu và

nhược điểm của các phương án thiết kế khác nhau, thông thường là giá thành của kết

cầu dẫn nước giàn thép và được biểu thị dưới đây:

Trong đó:

M(v) là khối lượng thép kết cấu dẫn nước giàn thép; c là đơn giá của thép

Thông thường giá thành của kết câu dẫn nước giàn thép chủ yếu phụ thuộc vào khối

lượng thép, vì vậy có thê lây khối lượng thép làm hàm số mục tiêu

Điêu kiện ràng buộc bao gôm: ràng buộc vê hình học, ràng buộc về ứng suât, chúng

băt buộc phải thỏa mãn các quy định của tiêu chuân thiệt kê của kêt câu dân nước giàn thép Xem xét đên yêu câu thi công và bô trí các bộ phận kêt câu, có khi vân cân xem

xét một vài yêu câu đặc biệt trên công trình

- Rang buộc về hình học: Tiết diện các thanh nhỏ nhất, đơn giản nhất để đơn giản thi

công giàn và bô trí trụ đỡ

- Ràng buộc về ứng suât: Đôi với ứng suât các thanh của kêt câu dân nước giàn thép, ứng suất đưới tác dụng của áp lực nước, trọng lượng bản thân thì thỏa mãn điều kiện:

- Lấy hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) làm hàm số mục tiêu

- Hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) => gia tri cuc dai

- Hàm số ràng buộc gj(x) < 1, j = 1 ~m (số điều kiện ràng buộc)

- Trọng lượng của kết cầu dẫn nước giàn thép M(x) < Mu Đối với kết cấu dẫn nước giàn thép lấy ứng suất làm điều kiện khống chế, công thức có thể đơn giản hóa như

Sau

- Ứng suất lớn nhất ø => giá trị cực tiểu

- Hàm số ràng buộc gj(x) < 1; j = 1 ~m (số điều kiện ràng buộc)

- Khối lượng kết câu dẫn nước giàn thép M(x) < Mù

242.2 Các ví dụ tính toán Vi dụ 1 Thiết kế tối ưu dâm liên tục

Thiết kế tối ưu dầm liên tục hai nhịp tiết diện chữ I (Hình 2.6) Vật liệu thép ASTM

A992Fy50, chịu tải trọng tập trung tại giữa nhịp dầm co LL = 45 [kN] Nhịp thứ nhất

dài 6 [m], nhịp thứ hai đài § [m] Thiết kế đầm theo Tiêu chuân AISC 360-10 Design Provision LRFD cua Hoa Ky

^

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán đầm 1) Mô hình hóa dâm:

- Chọn hệ đơn vị: kN, m

- Dầm được mô hình hóa từ kết cấu mẫu

- Định nghĩa và gán tải trong LL (Live Load) = 45 [kN] gitra nhip 2 dam (Hinh 2.7)

Hình 2.7 Mô hình hóa dầm

- Chọn tiết diện chữ I có số hiệu từ W8x10 đến W8x35 được thực hiện như sau: Nhân

menu Define > Section Properties > Nhan Frames Sections > Xuat hién bang Frame Properties > Nhan Import New Property > Xuat hién bang Import Frame Section Property > Nhan I/Wide Frame > Xuat hiện bang Section Property File > Chon SECTIONS PRO > Xuất hién bang C:\ Program File \ Computers and > Chon A992Fy50 trong cửa số nhỏ Material > Nhân chuột vào mũi tên dưới bảng này để cuốn

danh sách các số hiệu thép lên và chọn W§x10 > An Shift > Tiếp tục kéo danh sách lên và chon W§x35 > OK Các tiết điện mới nhập vào được cộng với các tiết diện đã có

trước trong danh sach cua bang Frame Properties

- Nhân nut Add New Property > Xuất hiện bảng Add Frame Section Property > Nhan

chuột vao Auto Select List | > Xuat hién bang Auto Select Sections (Hinh 2.8) > Chấp nhận Auto Section Name: AUTOI > Trong hình 2.8 dùng phim Shift chon sé

hiệu thép từ W§x10 đến W8x35 ở cửa số trái > Nhấn Add > Chuyên các số hiệu thép

này sang Auto Sections ở cửa số phải như ở hình 2.8 > OK