Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Tính toán dao động của trạm bơm Long Biên bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, luận văn Thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài “Tính toán dao động của trạm bơm Long Biên bằng phương pháp phần tử hữu hạn” tác giả đã hoàn thành luận văn với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là các thầy cô

giáo trong khoa Công trình, bộ môn Sức bền - Kết cấu.

Tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Thắng Bộ môn Sức bên - Kết cấu đã tận tình hướng dẫn, cung cấp nhiều tài liệu cũng như chỉ bảo tận tình cho tác giả nhiều vấn đề quý báu trong quá trình thực hiện luận văn này Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và gia đình

đã giúp đỡ, động viên khích lệ dé luận văn này được hoàn thành.

Quá trình làm luận văn là một thời gian tốt dé tác giả hệ thống lai các kiến thức mà mình đã học tập được tại trường và áp dụng những kiến thức mà mình đã học tập được vào thực tế sản xuất Thông qua luận văn tác giả cũng biết được nhiều hơn về việc nghiên cứu và trình bày một đề tài khoa học.

Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu làm luận văn cũng như trình độ còn hạnchế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và ton tại, tác giả rất mong nhậnđược sự đóng góp quý báu của các thầy, các cô và các nhà khoa học cũng như bạnbè đồng nghiệp Tác giả rất mong những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả pháttriển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn dé góp phan đưa kiến thức khoa học vào phục

BẢN CAM KET

Tôi xin cam kết đây là công tỉnh khoa học nghiên cứu của riêng cã nhân

‘Toi Kết quả nêu trong luận văn này là trung thực, cố nguồn gốc rõ rằng, không sao

chép từ công trình nghiên cứu khoa học nào khác.

Nếu nội dung luận văn không đúng với cam kết này, Tôi xin hoàn toàn chịu

trách nhiệm.

Hà Nội, tháng 11 năm 2012Tác giá

“Trần Quang Công

MỤC LỤC

MỠ DAU 1

Chương 1 TONG QUAN Vi

1.1 GIỚI THIỆU TRAM BOM [3] 31.1.1, Vị trí quan trọng của các trạm bom

1.1.2 Hiện trạng quy hoạch của các tram bơm.

1.1.3 Hiện trang công tình tram 7

1.2 CÁC HANG MỤC CUA TRAM BOM 8

13 MỘT SỐ HÌNH ANH VỀ TRAM BOM 9 Chương 2 CAC PHƯƠNG PHAP TINH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUAT

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG [8 9l [I0] 22

2.2.1 Khai niệm và phân loại dao động 222.2.2 Các phương pháp tinh toán dao động .

2.3 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHAN TỬ HỮU HAN (PTHH) 32

2.3.1 Khai niệm cơ bản [5], [10] 32

2.3.2 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn 3 24, GIỚI THIỆU PHAN MEM TÍNH TOÁN KET CAU SỬ DỤNG TRONG

LUẬN VAN [4] 36

2.4.1, Giới thiệu phin mém sử dung so 36 2.4.2 Mô hình hóa kết cầu sử dụng trong phần mềm 37 “Chương 3 AP DỤNG TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CHO TRAM BOM LONG BIÊN - HÀ NỘI " 3.1 GIỚI THIỆU TRAM BOM LONG BIEN - HÀ NOL 41

3.1.1 Đặc điểm khí hậu : : " Al3.1.2 Đặc điểm địa chất 4

3.2, SƠ DO TÍNH TOÁN DAO DONG TRAM BOM LONG BIEN - HÀ NỘI44

3.2.1, Sơ đồ tinh toán 443.2.2 Các thông số đầu vào của mô hình tinh toán 443.2.3, Các trường hop tính toán 4s

3⁄3 KET QUA TÍNH TOÁN DAO ĐỌNG TRAM BOM LONG BIEN -HÀ NỘI " : : " 46 3.3.1 TH tinh: Tải trong bản thân tắm + bốn máy bơm đặt tinh tải 46 3.3.2, THỊ: Trọng lượng ban thân tắm + máy bơm số 1 hoạt động 48 3.3.3 TH2: Trọng lượng ban thân tim + máy bơm số 2 hoạt động mĩ 3.34 THB: Trọng lượng bản thin tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 2 cing hoạt

3.38 THT: Trong lượng bản thân thm + mấy bơm số 1, máy bơm số 2 và may bơm

củng hoạt động cy)3.3.9 TH8: Trọng lượng bản thân + máy bơm số 1, máy bơm số 2 và máy bơm số 4 cùng hoạt động - - " 66 3.3.10, TH9: Trọng lượng bản thân tắm + cả bn máy bơm cũng hoại động 68 34 PHAN TÍCH VA NHẬN XÉT KET QUA TÍNH TOÁN T6 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 80 TÀI LIEU THAM KHAO 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Trạm bom tiều Bảo Khê ~TP Hưng Yên: nhìn từ phía bễ hút 9Hình 1-2: Tram bom tiêu Bảo Khê -TP Hưng Yên: nhìn từ phía b xa 0Hình 1-3: Tram bom tiêu Bảo Khê ~TP Hưng Yên: phía

Hình 1-1: Trạm bơm tiêu Bảo Khê —TP Hưng Yên: nhà trạm bom, "trong nhà máy 10

Hình 1-5: Trạm bơm Triều Dương — Tiên Lữ Tinh Hưng Yên: nhìn từ phía bể xa 11

Hình 1-6: Tram bơm Liên Nghĩa ~ Văn Giang ~Tinh Hưng Yên: phối cảnh nhà tram 12Hình 1-7: Tram bơm Kênh Vàng — Lương Tài ~Tính Bắc Ninh: nhìn từ phía bể xã 12

Hình 2-1: Các thành phin nội lực của tắm 1s

Hình 2-2: Mô hình phn tử tắm tử giác 4 nút 38

Hình 2-3: Hệ toa độ địa phương của phần tir tắm tứ giác " 38 Hình 2-4: Quy ức nội lực, lực doc trực vi lực cất 40 Hình 2-5: Quy ước nội lực mô men vs vs - 40

Hình 3-1: Sơ đồ tính toán dao động sin trạm bơm Long Biên “4

Hình 3-2: Biểu đổ mô men M11 — TH tĩnh 46

Hình 3-3: Biểu đồ mô men M2 - THỊ tinh 46

Hình 3-4: Biểu đồ lực cắt V13 ~ TH tinh 47 Hình 3-5: Biểu đồ lye cắt V23—TH tinh _ Hình 3-6: Biểu đổ chuyển vi U, ~ TH tn 48 Hình 3-7: Biểu đồ mô men M11 ~ THỊ sa con® Hình 3-8: Biểu để mô men M22 - THỊ 49

Hình 3-9; Biểu đỗ lực cắt V13 ~ THỊ 49

Hình 3-10: Biểu đồ lực cắt V23 ~ THỊ 50

Hình 3-11: Biểu đồ chuyển vị U, - THỊ 50

Hình 3-12: Biểu đỗ mô men M11 ~ THÊ, " coal Hình 3-13: Biểu dé mô men M22 ~ TH2 St

Biểu đồ môn men M11 - THả,

Biểu đồ môn men M22 ~ TH3

Biểu dé lực cit VI3 ~ THả,

Biểu đỏ lực cắt V23 - TH3

Biểu dé chuyển vị U, - TH3.

Biểu đồ môn men M11 ~ TH4.

Biểu dé môn men M22 - TH4.Biểu đ lực cắt V13 — THA,

Biểu đồ lực cắt V23 - THA.

Biểu dé chuyển vị U, ~ THA.Biểu đồ môn men MI I - TH.Biểu đồ môn men M22 - TH.

Biểu đồ lực

Biểu dé lực cắt V23 - THš,VI3 - TH.

Biểu đồ chuyển vị Uy ~ TH,Biểu đồ môn men M11 ~ TH6.Biểu đỗ môn men M22 _ TH6.

ft VI3 ~ TH6 Biểu đồ lực

Biểu dé lực cắt V23 - THS.Biểu dé chuyển vị U, - TH6.

Biểu dé môn men M11 ~ THT.

Biểu đồ môn men M22 ~ THỨ.

Biểu đồ môn men M11 ~ TH8.

Biểu dé môn men M22 ~ THE.Biểu đ lực cắt V13 — THE,

Biểu đồ lực cắt V23 ~ THB.

Biểu dé chuyển vị U, ~ THẺ.Biểu đồ môn men M11 ~ THO.Biểu dé môn men M22 ~ THỜ.

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 3-1: Nhiệt độ không khí trạm Láng (°C).

Bảng 3-2: Đặc trưng độ Ẩm tương đối trên khu vực theo số liệu thống kế của

tram khí tượng đại iễu trên khu vực (%)Bảng 3-3: Lượng mưa tại trạm Lắng (mm),

Bảng 3-4: Tốc độ gid ở Lắng (m/s)

Bảng 3.5: Bảng tổng hợp kết qua mô men

Bảng 36: Bảng tổng hop kết quả lụ cắt, ứng suất và chuyển vị

Bảng 3-7: Bảng tổng hợp kết qua chuyỂn vị của các điểm đặt máy bom

Bảng 3-8: Bảng tổng hợp kết quả dang dao động riêng của sin đặt máy bơm.

Bảng 39: Bảng tổng hợp kết qua nội lực của điểm đặt may bơm số 1 Bảng 3-10: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt mây bơm số 2 Bang 3-11; Bảng tong hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 3 Bảng 3-12: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt may bơm số 4

Bảng 3-13: Bảng tổng hợp kết quả phân ích hiện tượng cộng hưởng

MỞ DAU

1 Surin thiết của việc nghiên cứu

‘Vigt Nam là một nước nông nghiệp mà thuỷ lợi đồng vi trồ quan trọng hàng

đầu, Bén mươi năm qua kể từ năm 1960, ngành thay lợi đã xây dựng được rit nhiều tram bơm, cơ bản khép kin khu vực tưới đồng bằng Bắc bộ giải quyết tiêu tng ở

một số vùng trọng điểm.

‘Tram bơm được sử dụng với mục đích chính là cung cấp nước và tiêu thoátnước nói chung; đổi với ngành nông nghiệp và hệ thống thủy nông thi trạm bơm có.

vai trò là công nh đầu mối cung cắp nước cho hệ thông thủy lợi đ phục vụ công

tác tưới iêu của những diện tích trong lưu vực Chỉ tinh riêng 17 tinh, thành phố

khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Bắc khu bốn cũ xây dựng được 39 hệ thống công trình thuỷ lợi lớn: 120 hệ thống vừa và nhỏ; 3677 tram bơm với 10322 miy bơm các loại từ 540m /h đến 32000m`/h sản xuất từ nhiều nước: Liên Xô (c Hunggari

Rumany; Triều Tiên: Pháp và một khối lượng khả lớn bơm Việt Nam tự sản xu

Ngoài ra, còn cổ hàng nghìn máy bơm nhỏ hoạt động ở khắp nơi trong nước trong

đồ công suất thiết kế cho tưới là 230.000 KW, cho tiêu 300,000KW (báo cáo công

tác thuỷ lợi 6/99 của Cục quản lý nước và công trình thuỷ lợi).

Hiện nay trong quá trình sử dụng máy bơm và trạm bơm nhiều dé tài nghiên cửu đã được thực hiện, cải én hoàn thiện chế tạo bơm, thiết kế xây dựng tram

bơm Nhiều công nghệ mới đã được áp dụng, ngày cảng tạo cho ngành những loại

my bơm thích hợp hơn, hiệu suit cao hơn, kết cấu công trinh và hệ thống hợp lý hơn Do sự phát triển hết sức nhanh chóng làm nay sinh hing loạt vin đề về chế tạo

bom, quản lý, vận hành bảo dưỡng may bơm, kỹ thuật điều hình trạm bơm Mặt

khác khi đầu tư xây dựng tram bơm thì chủ đầu tư cin phải đầu tư một khoản kinh

phi khá lớn do vậy ngoài việc xem xét vị tri đặt trạm bơm, nghiên cứu địa chất thay

văn lưu vực tưới tiêu thì các yêu cầu về tinh toán kết cấu, ôn định công trình trạng

thai ứng suất biến dang và dao động của trạm bơm trong quá trình vận hành sử dụng.

dưới tác dụng của các loại tải trọng (lai trọng động, tai trọng tĩnh ) phải thỏa mãn.

điều kiện ban, cứng và ôn định đồng thời đảm bảo tính hi quả kinh tẾ cao là rất

cần thiết

“Tuy nhiên hiện nay việc thết kể tram bơm của các đơn vị tư vấn thiết kế hẳu như không xét đến bài toán dao động của trạm bơm Mặt khác trong quá trình van

hành nếu không tính toán sự vận hành hợp lý của các máy có thé xây ra trường hợp

tin số dao động kích thích của các máy bơm vận hành trùng với tần số dao động,

riêng của nhà trạm Nếu bai tin số dao động này tring nhau thi hiện tượng cộng hưởng sẽ xay ra và gây hư hỏng nghiêm trọng đến máy bơm va nhà tram.

Đổi với tram bơm căn cứ vào kết cầu móng nhà trạm có thể chia thành hai

loại: nhà tram mồng rồi (là loại cỏ móng tách rời khung) va nhà trạm móng liền (là

loại có móng máy và khung nhà liền một khối) Trong khuôn khổ luận văn, trạm.

bơm tác giả áp dụng tinh toán thuộc dạng nhà trạm móng rời và tác giả chỉ thực.hiện tính toán phần móng rời này; coi phần móng đặt máy bơm như một tắm chịuuốn chữ nhậting hướng.

Do vậy dé ti: “Tinh toán dao động của trạm bơm Long Biên bằng

phương pháp phan tử hữu hạn” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao nhằm giúp.

các nhà tư vấn thiết kế, quản lý vận hành sử dụng lựa chọn giải pháp phi hợp khi đầu tư xây dựng cũng như quản lý vận hình trạm bơm sao cho trạm bơm vừa đảm, bảo vận bành én định vừa đem lại hiệu quả kinh té cao là việc lâm hết site quan

trọng và cấp thiết

2 lũng yêu cầu đặt ra

‘Tinh toán tram bơm chịu tác dụng của ải trong động từ đó để xuất cách bổ

trí, vận hành máy bơm hợp lý và tối ưu hơn.3 quyết

inh toán, phân tích trạng thai ứng suất biển dang và dao động của trạm.

ding vẫn đề cần g

bơm khi chịu tác dụng của tải trọng động.

- Lựa chọn được phương án tối ưu nhất khi vận hành trạm bơm.

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE TRAM BOM TẠI VIỆT NAM.

1.1 GIỚI THIEU TRAM BOM [3]

1.1.1 Vị trí quan trong của các trạm bom

Bơm nước phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp được xây dụng và phát triển

6 Việt Nam từ những năm 60 của thể kỳ trước và chủ yếu tập trung da số ở hai vũng Đồng bằng bắc bộ và Bắc khu bốn cũ Những trạm bơm này hiện nay vẫn đang

được sử dụng và phát huy tác dụng.

16 tính và thành phố thuộc đồng bing Bắc bộ và Bắc khu 4 cũ là những tỉnh

trong điểm về sản xuất nông nghiệp của miễn Bắc nước ta, nhưng lạ có dia hình phúc tạp và khí hậu khắc nghiệt, thường xuyên sing hạn, rất khổ khẩn cho sin xuất

Vi vậy ở đây công tác thuỷ lợi đã đặc biệt được chú ý trong đỏ các trạm bơm điện.thực sự được quan âm và là biện pháp công trình chủ yếu rong việc tưới tiêu nước

cho cây trồng Nhiều tỉnh gần như 100% dùng bơm dé tạo nguồn va đưa nước vào thuỷ nông Bắc Nam Hà năng lực thiết kế tới là 63.000

mặt ruộng: ví dụ: hệ U

ha, trong dé tưới bằng động lực (bơm) là 58.288 ha (ty lệ tưới bằng máy bơm là92,5 4); hệ thống thuỷ nông Bắc Dudng năng lực thiết kế tưới là 50.348 ha và toàn

"bộ 50.348 ha được tưới bằng máy bơm (tỷ lệ tưới bằng máy bơm là 100%)

Sản xuất nông nghiệp phát triển, số trạm bơm, máy bơm được xây dựng và

cđưa vào sử dụng hàng năm đều ting lên:

~ Trước năm 1965 có 194 tram bơm bao gồm 642 máy các loại.

= Từ năm 1966 đến 1975 xây đựng và đưa vio sử dụng 507 tram gm 1880 may.

~ Tử năm 1976 đến 1985 xây dựng và đưa vào sử dung 712 tram gồm 2755 máy.

1990 xây dụng và đưa vào sử dụng 764 trạm gm 2156 muy

~ Tử năm 1991 đến 1999 xây dựng và đưa vào sử dụng 2787 tram gồm $872 máy.

Cho tới nay, tổng số máy bơm của các tỉnh Đỏng bằng sông Hồng và Bắc

khu 4 cũ13.305 máy, chưa kể những máy bom di động và những tram bơm nhỏdo dan tự làm, sử dụng trong phạm vi hợp tác xã.

Các máy bom hiện đang sử dung rit đa dang về chủng loại, về hình thức kết

(rục đứng, trục ngang, trục xiên ) và về công suất thiết kế: hẳu hết những bom lớn có cầu tạo phúc tạp và có trang bị kỹ thuật tương đối hoàn chỉnh nhập của nước ngoài và sản xuất trong nước đều tập trung ở đây.

Hiệu quả của các công tình thuỷ lợi và của các trạm bơm điện nó riêng đối với sản xuất nông nghiệp ở Đồng bằng bắc bộ và Bắc khu 4 cũ à vô cùng to lớn

Ving bắc Nam Hà (nay thuộc hai tính Hà Nam và Nam Định) trước kia do thường xuyên bị ng hạn nên diện tích gieo cấy vụ chiếm xuân chi có khoảng 38.000 ha và năng xuất bình quân chỉ đạt 18 ta/ha Vụ mùa gieo cấy 21.000 ha,

năng xuất đạt 16 tach; tổng sin lượng cả năm bình quân là 104.000 tắn

Sau khi xây dựng va đưa vào hoạt động 6 tram bơm điện lớn: Cổ Dam, Cốc

“Thành, Vinh Trị, Hữu Bị, Nhâm Trim, Như Trác đã đưa diện tích gieo

chiêm xuân lên 45.000 ha, năng xuất đạt 35 ta/ha và điện ích gieo trồng vụ mùa lên

44.000 ha, năng xuất là 23 tara: đưa tổng sản lượng từ 104,000 tấn lên 250.000

tin, chưa kế tên 10.000 ha cây vụ đông hằng năm,

Hệ thống thuỷ nông sông Nhuệ thuộc địa phận của các tỉnh: Hà Nội, Hà‘Nam, có trên 300 trạm bơm điện, bao gồm khoảng 1.600 may bơm các loại, cùng

với các công trình tự chay đảm bảo tuổi, én định cho 81.000 ha đắt canh tác trong hệ thống và tiêu (bing động lục) là 67.273 ha, rên tổng số diện ích phải teu là

107.530 ha

Hg thống trạm bom tiêu ứng ở Đẳng bằng sông Hồng cùng với các biện pháp công tình khác đã làm cho sản xuất vụ mùa ở đây tương dối ổn định trong điều

kiện thời tiết bình thường.

Qua thực tế vận hành các công tình thuỷ lợi phục vụ sản xuất nông nghiệp

cho thấy các tram bơm điện là loại bình công tinh thích hợp cho Đồng bing sông

Hồng và các tinh thuộc Bắc khu 4 cũ Trạm bơm diện còn có vị tr đặc bit quan

trong trong việc chuyển cơ bản vụ mia sang vụ hé-thu ở những vùng tring và thấp.

1.1.2, Hiện trạng quy hoạch của các trạm bom

“Trước năm 1954 toàn miễn Bắc chi có một trạm bơm Phù Sa do người Pháp,

đầu tu đưa vào sử dụng từ năm 1932 Toàn trạm có 3 máy bơm ly tâm nhãn hiệu

LIMAX, lưu lượng thiết kế cho một máy là 10.800 m’/h để tưới cho khoảng 10.000

ha thuộc địa bản tỉnh Sơn Tây.

Sau năm 1954 khi miễn Bắc được hoàn toàn giải phóng, nhiều công trình

thuỷ lợi lớn, vừa và nhỏ được đồng thời nghiễn cứu, quy hoạch và xây dựng đưavào sử dụng nhanh chồng đáp ứng nhu cầu tưới, én phục vụ sản xuất nông nghiệp

ở các tinh Đẳng bằng, Trung du và Bắc khu 4

‘Thai kỳ đầu và trong thời gian chiến tranh thực sự chúng ta côn có hạn chế vẻ nhiều mặt như: nguồn năng lượng, trình độ chế tạo máy và sản xuất phy tùng là những yêu tổ quan trọng để xây dựng và phát triển trạm bơm, cho nên chất lượng

mắy và phụ tùng sản xuất trong nước còn chưa tt, việc tuyển chọn kiễu máy, loạimấy, địa điểm xây dưng trạm còn có những khía cạnh chưa được thoi đồng: có

không ít tam bơm phải đặt rất nhiễu máy bơm nhỏ, chỉ vì chưa có máy bơm công

xuất lớn

Vi dục tram bơm Cổng Bún (Bắc Giang) xây dựng năm 1978 phải dat 82

máy 1000 mnt; trạm bơm Tân Chỉ xây dựng năm 1974 đặt 67 máy 1000 mh trạm

bơm Sông Chanh (Nam Định), Đặng Xã (Bắc Ninh) xây dựng năm 1985 có đến 34

máy bơm 4000m1

Máy bơm nhãn hiệu 12LTX-40 (900m*/h) có cột nước bơm thiết kế là 9m do.

nhà mấy chế tạo bơm Hải Dương sản xuất đã nhất loạt phải sử dung cho các tram bơm nội đồng vùng thấp có cột nước bơm yêu cầu chỉ (3 + 4)m như ở Thái Binh,

Hải Hậu, Bình Lục, Vụ Bản (Nam Dinh) Vì vậy hiệu sttrạm bơm chỉ đạt dưới

60% gây ra King phí rat lớn về năng lượng.

Các trạm bơm lại được xây dựng qua nhiều giai đoạn như trong chiến tranh, trong thời kỳ còn khó khăn vỀ kinh tẾ cũng làm tăng thêm yêu tổ chip vá, thiếu đồng bộ đối với iệc xây dựng các trạm bom,

Đến may, 16 tỉnh và thành phố thuộc Đồng bằng sông Hồng và Bắc khu 4 cũ

đã có 4964 trạm bơm điền, bao gồm 13.305 may bơm các loi

Qua quá tình điều tr cho thấy quả tình phát triển mạnh về sin xuất nông nghiệp củng với sự xuống cấp của hau hết các trạm bơm sử dụng từ những năm 1985 trở về trước làm cho năng lục hiện ti của các tram bơm không dip ứng đầy đủ lượng nước tưới, tiêu theo yêu cầu,

Một số vàng bơm chẳng ủng còn chưa cân đối được giữa khả năng của tram

bơm với lượng nước trong lưu vực cin tiêu dẫn đến chỉ phi nhiễu mà hiệu quả bom

bị hạn chế

Một số tram bơm tiêu ven sông có nhiều lý do khác nhau đã để cao tình đặt máy, cao trình bể xa thấp làm ảnh hưởng đến khả năng tiêu trong giai đoạn nước.

sông cao (báo động IID).

VỀ việc phát triển nhiễu tram bơm nội đồng không theo quy hoạch chung

cũng là vẫn đề cin quan tâm.

“Trong những năm gần đây nhất là từ khi thực hiện cơ chế sản xuất theo hộ.

gia đình, bơm nội đồng phát triển quá nhiều cả về hình thức cố định lẫn hình thức.

tam thời trong các hệ thống thuỷ nông chủ yếu là ở cuối kênh và ở những ving cao

cục bộ.

Vi du: ở khu vue thuộc hai tỉnh Ha Nam và Nam Định trong tổng số 1.124

máy bơm loại 1000 m°h có tới 782 máy bơm của hợp tắc xã, trong đồ số lớn là do

xã tự xây dựng; ở các tinh khác cũng có tỉnh hình tương tự.

Phát sinh nhiều trạm bơm nhỏ nội đồng có nhiều lý do khác nhau; tuy có mặt

tích cực là đáp ứng được nhu cầu sin xuất (xét về mặt tưới, tiêu nước) nhưng đồng thời cũng gây nên sự lãng phí lớn về năng lượng cũng như thiết bj vật tư tiền vấn gây nên sự mắt cân bằng giữa năng lực tưới tiêu quá lớn ở nội đồng với khả năng lấy nước hoặc tiêu nước có hạn của đầu mới, làm cho hiệu quả của hệ thẳng bơm

giảm thấp và chimg mục nào đó đã làm rối loạn khoanh vùng khu tưới, làm quy

hoạch hệ thống bị đảo lộn, diện tích tưới, khu vục tiêu do đó nhiễu khi bị chẳng

chếo.

"Tuy nhiên, những trạm bơm nhỏ nội đồng ngoài quy hoạch sẽ được giảm din

cùng với việc sửa chữa, phục bồi lại năng lực tưới, iêu của các tram bơm; với việc

nạo vết đâm bảo mặt cất và cao trình đáy thiết kế của kênh dẫn, sửa chữa kịp thời các công trình điều tiết trên kênh và tiếp tục làm các quy hoạch bước sau đẻ mở.

rong diện tích được tưới, khả năng tiêu trong khu vực,1.1.3 Hiện trạng công trình trạm.

Sau khi thực hiện

điện điểm nỗ bật cần qua tâm là nhiễu công trình bị nứt, đột thắm và in

ng việc điều ra khảo sit về mặt công trình các tram bơm

Các công trình xây dựng từ những năm 60 đều có hiện tượng bị Kin về phía bể xả, độ lún nhỏ (Sem) và không đều nhau như các tram bơm Cổ Đam, Cốc Thành,

Nhâm Tràng, Như Trac Trạm bom La Khê (Hà Tây) bị lún nhiều nhưng đã ổn.đình

Hiện tượng lún dang xdy ra nặng né ở một số tram bơm mới xây dựng như

Gia Viễn, Vân Dinh Tại trạm bơm Gia Viễn mức chênh giữa nhà máy với gion

sửa chữa đến 0,5m làm gẫy toàn bộ các ống xả và ray cầu trục Nhiễu trạm bơm cũ.

và mới xây dựng, bê tông bị bong, rỗ, hé cốt thép, có hiện tượng cốt thép bị ăn mon, tường nứt, trần dip gây th

Hiền Lương, Quy Độ, Bạch Tuyết, Ngoại Độ, Qué, Văn Giang,

và đột ngay trong khu vực nhà máy như các trạm bơm

‘Tram bơm Hồng Vân và một số trạm khác phần công tình nhà trạm khô,

sạch và côn khí tốt,

Phin do thim, phin do bạc chắn nước không được kín, nên hẳu hết các tram bơm lắp máy 8000mh đều có ting him bị ngập nước, diễu này rit trở ngại cho

việc kiểm tra, theo ddi máy trong vận hành.

Một số trạm bơm cũ nhà trạm kết cầu.wu hình hộp kích thước gian may quáchật hẹp, mái lợp ngói hoặc tắm lợp không có thông gió Mùa hẻ, nhiệt độ trongnhà trạm lên đến 40*:42*C như hằu hết các tạm bom quy mồ nhỏ loại 1000m)'h

và các trạm bom lắp máy trục đứng nhập của Liên xô (et) nhãn hiệu 20TIpB-60 có

ở hệ thống Nam-Hưng-Nghỉ (Nghệ An).

Có thể do việc tính toán thuỷ lục chưa phủ hợp, rên kế cấu bể hút kể hình

chữ *V* của một số trạm bơm có quy mô lớn ở tinh Hải Dương đã gây ra thiểu nước bơm ở hai đầu nhà máy, các mây ở đây khỉ bơm bị rng mạnh do có nhiều bọt

khí trong bánh xe công tác.

Các tram bom: Gia Viễn, Như Trác do tỉnh toán hệ thống chin rắc chưa

phù hợp thực tế (rác rat nhiều), nên thường rác lắp đầy cửa hút, mức nước chênh.

giữa trước và sau lưới chắn rác Ten tới trên đưới Im, các my bơm làm việc bị rungmạnh do hiện tượng xâm thực cục bộ, làm giảm đáng kể tui thọ của máy

Một số trạm bơm trục đứng, khi làm việc máy bị rung còn có thể do nguyên.

nhân: kh ti công buồng hút đã vô tinh đặt chp hướng dng không đúng tâm củatổ máy

1⁄2 CÁC HẠNG MỤC CUA TRAM BOM

1.2.1 Nhà tram bom

Nhà tram bơm dùng d& đặt máy bơm, động cơ, hệ thống tủ điều khiển và các

thiết bị nâng hạ phục vụ công tác sửa chữa vận hành máy móc.

= Kênh din: ding để din nước tối bung hút của trạm bơm,

= Kênh xả: dùng để din nước từ bể xa tối lưu vực cần tới hoặc ra sôngtiêu, kênh tiêu.

1.24 Nhà quản lý

Gồm hệ thống các nhà, công trình phụ trợ phục vụ sinh hoạt cho nhữngngười quản lý, điều hành và vận hành trạm bơm.

1.2.5 Đường đây điện cao thé và hạ thé

Dùng để cấp điện cho nhả trạm bơm, dùng cho chiếu sáng va sinh hoạt của cắn bộ, công nhân viên điều hành vận hành tram bơm.

Hinh 1-3: Tram bom tiêu Bảo Khê TP Hưng Yên: phía bên trong nhà may

Hình I-4: Tram bơm tiêu Bảo Khê ~TP Hưng Yên: nhà trạm bom

Hình 1-5: Tram bom Tri Dương — Tin Lữ -Tih Hưng Yên: nữ từ phú bxã

“Hình 1-6: Tram bơm Liên Nghĩa ~ Văn Giang — Tỉnh Hưng Yên: phối cảnh nhà trạm

Hinh 1-7: Tạm bom Kinh Vàng ~ Lương Tài~Tĩnh Bắc Ninh: nhin tie phiaBé số

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

TRANG THÁI UNG SUÁT - BIEN DẠNG VÀ DAO DONG

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI UNG SUÁT - BIỂN

DANG [S|

[71-“Có rit nhiều phương pháp tính ứng suất biển dang cho công trình, trong đó

có thé kể đến một số phương pháp như sau:

Phương pháp giả tích: là tim nghiệm giả tích thỏa mãn các phương trình vi

phân tại mọi điểm trong công trình và thỏa mãn các điều kiện biên trên bề mặt, như

phương php Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết din hồi

~ Phương pháp số: là xác định gần đúng giá trị ri rạc của các him ẩn tại

điểm bên trong và trên biên của vật thể xét, như phương pháp Phin tir hữu hạn,

phương pháp sai phân hữu hạn.

Ngoài ra còn có các phương pháp thực nghiệm cũng giúp ta tìm được ứng

suất biến dạng, dựa vào mô hình tương thích

Mỗi phương pháp đều có tính ưu nhược điểm Việc lựa chọn phương pháp

nio là dựa vào yêu cầu, tinh chất, mức độ của bai toán đặt ra2.1.1, Các phương pháp giải tích

-31-1I Phương pháp sức bén vật liệu

~ Vi điểm: Dây là phương pháp tính toán cơ bản, giúp ta tính toắn ứng suất

biến dạng đơn giản, để ding Tinh được các giá tị oy 6, to ti các điểm dang xé,

từ đồ xác định được ứng suất chính và phương chỉnh tại mọi điểm khác nhau

Thường được sử dụng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đối với công trình.

cắp I IV,

= Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số khá lớn, không phản ánh đúng

trạng thái ty đang công trình Nguyên nhân là do khi tinh theo Sức bén

vật liệu ta coi công trinh như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo

nén đồng thời; giả thiết sự phân bổ ứng suất pháp ơ, trên mặt phẳng nằm ngang là

đường thing, tr số tại biên được xác định theo công thức nén lệch tâm Mặt khác,

không thể giải quyết được các bài toán phức tạp như có

‘rung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dj hướng, không xét được trong giai

đoạn thi công

2.1.1.2 Phương pháp tinh theo lý thuyết đần hỗi

= Uu điểm: Giải quyết được những vin để như ứng suất tập trung, ứng suất

tại lỗ khoct, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết được Tinh toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ ding, độ chính sắc cao Có thể nội

giải theo lý thuyết đản hồi chính là lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân,

chúng vừa thoả man điều kiện liên tục của biến dạng vừa thỏa mãn điều kiện biên = Nhược điểm: Phương pháp lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với những trường hợp tii trong phức tạp như áp lực thắm vả đây nỗi, áp lực bùn cát,

đồng đất, ảnh hưởng của nén, nền dị bướng Kết quả tính toán chưa sắt với thụ tế

lâm việc của vật ali không đồng chit, dị hướng Không xét được ảnh hưởng biển

dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gẫy, nền có tính dj hướng, không tính được trong

giai đoạn thi công, ảnh hưởng động dat,

Do trong khuôn khổ luận văn coi phần ming đặt máy bơm nhur một tắm chịu uốn chữ nhật đẳng hướng nên tác giả tập trang di sau hơn vào các phương.

trình cơ ban cũu bài ton tính ton tắm chịu ub,

"Nếu gọi h là chiều diy của thm, a là kích thước bé của tắm và Wray là độ

võng lớn nhất của tắm thì theo định nghĩa tắm được coi là mỏng khi $< và

Wmax <1

hVéi tắm mỏng chịu uốn, ta xét tắm với vật liệu côn lâm việc trong giai

đoạn đàn hỏi tuyến tính trên cơ sở sử dụng một số gid thuyết như sau:

~ Đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình tước và sau khi biển dang vẫn

thing và vuông góc với mặt đản hồi của tắm Đây là giả thuyết đoạn thẳng của Kirchoff: Với giả thuyết này, các lớp mỏng của tim được coi như không trượt lên

nhau khi biển dạng.

~ Khi bị tốn mặt trung bình chỉ cong di chứ khong co giãn và những điểm ởi

mặt trung bình Không có chuyỂn vị trong mặt phẳng tim mã chỉ có độ võng W.

Các lớp mỏng song song với mặt trung bình không tac dụng lẫn nhau theo

phương vuông góc với mặt trung bình nên có thể bỏ qua ứng suất pháp o,,

Từ những giả thiết trên, ta có những nhận xét sau:

+ Tắm được coi như gdm những lớp mang làm vige trong cá tang thải ứng

suất phẳng, trên mặt phẳng tắm chỉ tôn tại các ứng sub 6, 6, sợ côn 6, ty=0

+ Biển dang trong mặt phẳng tắm tỷ lệ bậc nhất với tọa độ z.

+ Chuyễn vị (heo phương z tại những điểm rên đoạn thing vuông gốc vớimặt trung bình là không đổi theo chiễn đây của tim và bằng độ võng của mặt trưngbình

“Thay cho ứng suất phân bổ rên toàn bộ b dy h, ta dùng hợp của nó đặt gi mặt trung bình là nội lực Nội lục của tắm gồm : lực cắt (Q và Q,), mô men uốn

(M, và M,) và mô men xoắn (May và Myx) được thé hiện như bình vẽ 2-1

z YRo

“Hình 2-1: Cúc thành phn nội lực của tắm

Các giá tị nội lực, ứng suất đều có th tinh thông qua độ võng của mặt trangbình Wix.y).

Mặt khác do thé năng biển dạng đàn hồi của tắm do lực cắt gây nên rt nhỏ so với md men có thể bỏ qua, Thể năng bién dạng đàn hồi tích lũy trong tắm chi do

tác dung của mô men un và mô men xoắn

Các biểu thúc cơ bản của kết cấu tắm chịu uốn như sau

Các biểu thức của định luật Hooke trong bài oán ứng suất phẳng có dạng

E là mô dun đản hồi của tắm đẳng hướng

Mit khác từ các giả thuyết Kirchoff theo ý thuyết din hi ta có:

[Noi tye ca tắm trên mặt trùng bình được biéw diễn qua các biễu thức sau:

My= foie My=My= [rz£

= fends = Le 27)

“Thay các biểu thức tính ứng suất (2.5) vào biểu thức tính nội lực (2.7) và lấy tích phân theo chiều diy của tắm ta được:

“Thể năng của phi từ tắm chịu vỗ có dang như sau:

11-3 fier totar —f ols.) 2.3)

Thay giá tri của {6}, lơ], từ (24) và (2.6) vào (2.13) và lấy íphân theo

chiều dy tắm ta có thể biểu diễn thé năng phần tử tắm thông qua độ võng mat trung

bình như sau:

* Ff not G114)

Ũ ow

` + +

Có thể biểu điễn véc tơ biến dang và vée tơ ứng suất của tắm thông qua độ

cong và nội lực của mặt cắt trung bình như sau:

Dk z, t=[plel 2.15)

Khi thay giá tị của fe}, fo} tr (2.18) vào biểu thức thé năng phn từ tắm

chịu uốn (2.13) ta cũng nhận được (2.15)

Phương trình để giải bài toán tắm là phương trình vi phân cân bing Sophie

Germain ~ Lagrange.

ÔN jaw) _p

42 ow) le 2.16)

war ar) D e8

Giải phương tình (2.16) ta sẽ nhận được lời giải tổng quất củ tắm chịu uốn.

Lời giải này chỉ có thể la lời giải bài toán cụ thể khi nó thỏa mãn các điều kiện biêncủa bài oán,

2.1.2 Các phương pháp thực nghiệm31.21 Phương phip thi nghiện mổ hin

Dra vào m6 hình tương ty, kết hợp với các phương tỉnh toán học, phương

pháp thí nghiệm mô hình cho ta độ chính xác cao Nhưng phương pháp này thường được tiến hành với những công tinh lớn, mức độ rit quan trong, đồi hỏi phải có

thời gian dai, đặc biệt là chỉ phí cho thi nghiệm mô hình rit cao Do đó phươngpháp này it được sử dụng, trừ những công trình đặcquan trọng.

2.1.2.2 Phương pháp thi nghiệm quang đàn hỏi

“Cổ tinh trực quan cao, nô có thể cho biết toàn bộ tỉnh hình phân bổ ứng suất

trong công trình và nén Giải quyết được sự phân bổ ứng suất của của các kết cấu

phức tap, các bai toán phân ch ứng suit ba chiều, ứng suất do trọng lượng bản

Phải sử dung thiết bị máy quang đàn hdi, vật liệu thí nghiệm đặc biệt Vật quan trọng sẽ phần ảnh trực tgp kết quả thí ng sm, phải (hỏa mãn: trong

suốt, đồng chất đẳng hướng: có độ nhạy quang học cao, có thể bình thành biểu đồ rõ

ing Do đó kết qua tính toán không phản ảnh hết tính chất của nền đá, không giảiquyết được bài toán dị hướng

2.13 Phương pháp số

31-31 Phương php sai phân hữu han

Phương pháp này tương đổi đơn giản nhưng không thuận lợi trong việc lập trình Khối lượng tính toán lớn, chưa phản ánh được sự làm việc của nền và vt liệu

Phương pháp sai phân hữu hạn không giái được các bài toán có điều kiện biên phúc

tạp Dộ chính xác còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước mắt lưới, mắt lướicảng diy độ chính xác cảng cao Không phân tích được bai toán dj hướng và ronggiai đoạn thi công công trình thường chỉ áp đụng được với các công trình nhỏ, dom

sin, thì mới cho kết quả trơng đối chính xác,

2.13.2 Phương pháp phần tử hữu han

~ Ưu điểm: Đây là một phương pháp tông quát và hữu hiệu cho lời giải số.nhiều lớp bài toin kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả để tim dang gin đúng

của một him chưa biết trong miễn xác định của nó, Từ việc phân tích trạng thai ứng suất biển dang trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dưng dân dung, giao thông

«én các bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chit lỏng,

thủy din hồi, khí din hồi, điệ từ trường Phương pháp này đã giải được bài toán có

xét đến ảnh hưởng biển dạng, tinh dj hưởng của nền, xét đến nền có lớp xen kẹp,

đứt gẫy và giải được bai toán có điều kiện biên phức tạp Phản ánh đúng thực tế sự

lim việc của vật liệu la không đồng nhất, không ding hướng Phân tích được trạng

thái ứng suất biển dạng quanh lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt mà các phương pháp như Sie bên vật liệu, Lý thuyết dn hồi không giải quyết được Cơ

sở của phương pháp là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng một mô hình bao gỗm

một số hữu hạn phần tứ riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở một số hữu hạn điểm nút, gỉ các điểm nút tồn ti các lực hoặc các dai lượng đặc trưng khác tủy theo bài toén Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn thông qua các trị số tại

các điểm nút của phần ti.

“Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, việc giải quyết các bài toán có khối

lượng lớn, kết cầu phúc tạp được giải qué vàcho kết qu có độchính xác cao.

phân cổ điển ở chỗ nó không tim dang him xắp xi xác định ma chỉ trong từng miễn con trong mié xác định của nó, Điều này rất thuận lợi khi giải bài toán mà miền xác định gồm.

nhiều miền con có những đặc tính khác nhau.

~ Nhược dim: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thé thực hiện bằng thủ thực tế đưa về kết cấu có tính toán sao cho.

công, mặt khác phải phân tích

hợp lý và cho kết quả đồng, sit với thực tế nhất.

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG [8], [9], [10]

2.2.1 Khái niệm và phân loại dao động3.2.1.1 Khải niệm

Các bài toán đầu tiên về dao động trong inh vực cơ kết cầu xuất hiện từ nữa

đầu thé ky 19, tuy nhiên sau thời kỳ đó các bài toán tĩnh vẫn thu hút được sự quan

¡ toán động Cho đến những năm 30

inh mới được coi như một phần riêng biệttâm của các nhà nghiên cứu hơn so với các

của thể ky 20, môn động lực học côi

trong lĩnh vực cơ kết cầu

Bài toán don giản đầu tiên về động lực học công trình là nghiên cứu cách

tinh dao động cho sơ đồ kết cầu dim, tiếp đỏ là các loại kết cấu hệ thanh phúc tạp

hơn như dan, vim, khung, dm liên tye Trong thực tế ta thường phải giải quyết các bài toán về dao động công trình khi thiết kế, xây dựng các công trình như nhà máy

thủy điện, tram bơm chịu tác dụng của tả trọng động (tua bin, máy phát

Khi tính toán một hệ ta phải tính trên sơ đồ tính toán Muốn đưa sơ đồ thực về sơ đồ tính toán ta phải đơn giản hóa một số điều kiện trong mức độ gần đúng cho phép.

Dao động của trạm bơm có thé chia lâm 2 loại là dao động tự do và dao động

cường bức

- Dao động tự do là dao động không chịu tác dụng của ngoại lục biển đổi

theo thời gian Lực này gọi là lực kích thích.

~ Dao động cưỡng bức là dao động dưới tác dụng của lực kích thích,2.2.1.2 Phin loại dao động

Do tải trọng tác dụng có tính chất khác nhau đồng thời cấu tạo của kết cấu

inh thức khá

cũng có a nhau nên dao động của công trình cũng có thể cónhiều dạng khác nhau,

‘Tay theo cách quan niệm ta có thé phân loi dao động theo nhiều cách khác

nhau như sau

a, Theo dang biểu đồ dao động gém:

= Dao động hình sin,

= Dao động phức tap có chu kỷ:

= Dao động có lực cản

= Dao động tăng dần.

= Dao động rồi loạn

b Theo tính chất của nguyên nhân gây ra dao động gồm:

Dao động tự do (hay dao động riêng) là dao động sinh ra bởi lực kích động

đột ngột hoặc bắt kỳ rồi bỏ tức thời

= Dao động cường bức là dao động sinh ra bởi các ngoại lục tắc động theo

một quy luật nào 46 không phụ thuộc vào chuyển động và tổn ti tong suốt quá

trình dao động Các lục động này có thé à lự thay đổi theo chu kỳ hoặc không theo

chủ kỳ, có th là lực thay đổi đột ngột

- Tự dao động hay con gọi là dao động tự kích thích là loại dao động xuất

hiện bởi các lực do bản thân chuyển động gây ra và tắt đi khi ngừng chuyển động.

- Dao động ngẫu nhiên là loại dao động xuất hiện do các nguyên nhân bên

ngoài tác động có tinh chất ngẫu nhién.

e Theo sự tồn tại hay không tồn tại các lực cân gm:

Dao động có lực cản là dao động bị mắt một số năng lượng do ảnh hưởngcân của môi trường dao động, do ma sắt của các liên kết, do ma sắt nội bộ

đ Theo số bậc tự do của hệ gồm:

“Theo cách phân loại này người ta chia các hệ thành ba loại: hệ có một bậc tự

do, hệ có một số bậc tự do, hệ có vô số bộc tự do,

e Theo loại biển dạng khi dao động gồm:

ao động ngang khi dao động này gây chuyển vị dọc theo trục của kết cầu,

E_ Theo dang của phương tinh vi phân mô tả dao động gồm

Dao động tuyển tính khi phương trình vi phân mô tả dao động là tuyển tính,

dao động phi tuyén khi phương tình vĩ phân mô ta dao động là phi tuyễn 1g Theo khả năng thay đổi của các thông số của hệ gồm:

Các thông số là các đại lượng liên quan đến việc biểu diễn dao động của hệ,có thé là độ cứng Nếu các thông số của hệ không đổi trong quá trình chuyển động

thi dao động được gọi là dao động không có thông số Nếu các thông số của hệ thay

đổi theo thời gian với một quy luật nào đó thì dao động được gọi là dao động cóthông số, Bai toán én định của kết cấu dưới tác đụng của tải trọng cũng thuộc loạibài toán dao động có thông sé.

2.2.1.3 Khái niệm về các phương pháp tính dao động công trình

Trong dao động công trình có hai phương pháp tính cơ bản là phương pháptình và phương pháp năng lượng

a, Phường pháp tĩnh

Phương pháp này đựa trên cơ sở những nguyên tắc cân bằng của nh lực học

trong đó chỉ bổ sung thêm các lực quấn tính vit theo nguyên lý Dalambe Như vậy

các phường trình cân bằng tinh sẽ trở thành các phương nh cân bằng động Đôi

với hệ phẳng, các phương trình cân bằng động có dang:

Đổi với bài toán không gian, ta có thể thiết lập các điều kiện cân bằng theo nguyên tắc trơng tự như trên, nhưng khi đồ sẽ cỏ 6 phương tinh cân bằng động

b Phương pháp năng lượng.

Phương pháp năng lượng được xây dụng trên cơ sở ấp dụng định luật bảo

toàn năng lượng: tổng thể năng và động năng của hệ trong quả trình dao động là

Bậc tự do của hệ din hỗi là số hông số độ để sắc định vị tí

của tht cả các khối lượng trên hệ đó Ta có thể xác định số bậc tự do bằng tổng số các liên kếtổi hiểu đặt thêm vào hệ tạ vị tí các khối lượng để sao cho tắt cả các khối lượng đỏ trở thành bắt động,

2.2.2 Các phương pháp tính toán dao động.

Khi tinh toán dao động, ta quan tâm chủ yếu tới bai đại lượng là tin số daođộng riêng và hệ số động của hệ.

Có hai nhóm phương pháp tinh dao động: phương pháp giải tích và cácphương pháp gần đúng.

2.2.21 Phương pháp giải tích

“Theo lý thuyết động lực học công trình phương trình vi phân của dao động

ngang tổng quát của hệ có n bậc tự do, cản nhớt tuyến tính, dưới dạng ma trận như

13); LO} š Ly), lần lượt là véc tơ chuyển vị, véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc chuyển động của hệ, mã các phẳn tử của nỗ lần lượt là chuyển vị, vận tốc và gia tốc chuyển động của các khỗi lượng

P(t) là véc to ngoại lực động, có các phần tử là các ngoại lực động tác dung

tại các khối lượng Đối ới tram bơm P(Q là lực kích thích của máy bơm có giá trịnhư sau

P(t) = P,sin(n) (2.20)trong đó:

P, là biên độ lực ly tâm.

n là số vòng quay của động cơ mây bơm trong vòng một phút

(2.19) là phương trình vi phân bậc hai tuyển tinh chuẩn có vé phải là một

ham điều hòa Nghiệm tổng quát của (2.19) bằng nghiệm tổng quát của phương trình vi phân thuần nhất kỹ hiệu là yu(9 cộng với một nghiệm riêng ký hiệu là y(t

Y() = yolt) + y¡() (2.21)

trong dé

nghiệm tổng quát yo(t) tương ứng với trường hợp hệ dao động tự do.Dưới đấy ta sẽ đi tim ya(t) và yi)

4 Dao động tự do của hệ có n bậc tự do

Đối với hệ nhiều bậc tự do, khi nghiên cứu dao động tự do ta quan tâm chủ yu tối trường hop giả thiết không có lự căn.

Phương tinh vi phân dao động tự do lúc này có dang đơn giảm vin} leo} = 10) (2.22)

Giả thiết dao động tự do à điều hòa nên phương trình dao động tự do không

lực cân của khối lượng thứ k có dạng:

y(t) = ssin(ot +2) (2.23)

và gia tốc có dang:

x.Á)==øÈ4, sin(ø +A) 2.24)trong đó

‘Ac biên độ dao động của khối lượng thứ k

© và À lần lượt là tin số và góc lệch pha của dao động.

‘Thay (2.23) và (2.24) vào (2.22) rồi khai triển với (k = 1, 2, n) và đặt

sin(ott3) lâm thừa số chung, ta được:

((w][ø*4}+|£]-49kka(a + 2)= f0} (225)

Do phải tổn tại dao động sin(ot!2) #0 nên:

(}¿l-[vkrt4)=(KE-fv}a=l) 2.26) trong đó

{A} = 4A), Aa, Aa}” là véc tơ cột chứa các biên độ dao động của các khối

lượng thứ nhất, thứ bai thứ n và được gọi là vée tơ biên độ dao động tự do của

hệ Do phải tồn tại dao động, nghĩa là {A} # {0} Từ đó suy ra định thức:

(2.27) là phương trình bậc n đối với 0°, Do [K] và [M] là các ma trận đối

xứng và xác định đương, nên giải (2.27) ta sẽ xác định được n nghiệm thực và

dương: 7, oy, «02s cũng có nghĩa là ta có n tin số dao động riêng với qui ước

ký hiệu tị < to; < < to, ; (các giá trị âm của phép khai căn không có ý nghĩa vật lýnên bỏ di), Phương trình (2.27) được gọi là phương trình tin số (hay còn gọi là

phương trình thé ky) Tần số riêng bé nhất so; được gọi là tin số cơ bản và có vai trỏ

«quan trọng trong tính toán kết cầu khi chị ti trọng động.

b Dao động cưỡng bức của hệ có nhiều bậc tự do không lực cán chị lực kích thích

điều hỏa P= Pabr

bl Biểu thức nội lục động và chuyển vi đông

Xét hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của các lực kích thích điều hòa cùng tần sổ, Trong thực Ế luôn tồn tai lực cân nên dù lực căn rắt nhỏ thì sau một khoảng thời

gian nào đó, dao động tự do cũng sẽ mắt đi Dao động của hệ lúc này hoàn toàn phy

thuộc lực ch thích điều hoa, nên nội lực, ứng suất, v.v cồng thay đổi điều hòa

hcùng chu kỳ với chu kỳ của lực kích thí

Khi hệ có n bậc tự đo sẽ có n tn số dao động riêng Khi một trong số các tin số riêng xắp xỉ bằng tn số lự kích thích sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng Thực tế, tần số lực kích thích thường nhỏ hơn nhiều so với tin số dao động riêng

(r << ø), nên cộng hưởng thường xy ra với co hoặc ø;, Bởi vậy, để nghiền cứu

công hưởng, ta thường quan tâm tới hai tần số nhỏ nhất này Các tin số riêng là

nghiệm của phương trình.

Để phục vụ bài toán kiểm tra và bài toán thiết kể, ta phải bí

nội lực động va chuyển vị động.

Khi dao động đã ôn định (phần dao động tự do đã

dụng của các lực sau

| hệ dao động do tác

* Các lực kích thích điều hòa P(t) = Pạsinr đặt tại các khối lượng.

+ Các lực quấn tinh biến đổi điều hòa cũng tin số với tin số của lực kíchthích đặt tại khối lượng:

Z/)=Zsin (12m) — G29)

Khi đó, đại lượng nghiên cứu S (có thể là nội lực, chuyển vị, phản lực, v.v )

tai tiết điện K nào đó trên hệ được tính theo nguyên lý cộng tie dung như sau: S,()= Su,(9*ŠaZ,(0%Š:2,0) + 2,0), (230)

Vi đao động đã én định nên các đại lượng nghiên cứu đều biển đổi điều hỏa theo cùng một tin số với tin số của lực kích thích, Do vậy, khi tải rong đạt biên độ

thì các đại lượng nghiên cứu cũng đạt biên độ, nghĩa là

Me Said, +SnZ, + Saad, (2.31)

trong đó:

5% « là tr số của S do biên độ lục động Py đặt tinh gây ra và được xác địnhbằng các phương pháp được trình bày trong giáo trình cơ học kết cầu.

„ 9).Âu là gi tị Sự do lực quần tinh Z, =1 đặt nh gây a (=

Z, là biên độ của lực quán tinh Z(t).

Như vậy, d8 xác định được S ta phải xác định được các biên độ lực quấntinh Z,

B2 Xúc định biên độ của các lực quân tính

Khi bộ qua lực cản, phương tỉnh chuyển động của khối lượng thứ theo

nguyên lý cộng tác dụng có dạng:

y()= ðZ/)+ð„Z:(t)+ + ð„Z,(t)+A„t)=0 432)

trong đó

‘Ao(t) là chuyên vị của khối lượng tii do các lục động P(t) gây rà

Sau khi dao động đã ổn định, cả y(t), Z(t), và A() đều biến đổi điều hoa

với tin số r của lực kích thích Nghĩa là:

sim và Ay

vl (2.33)

(2.34)trong đó:

‘A\]a biên độ chuyển vị động của khối lượng thứ ita dang tính.

A, là chuyển vị của khối lượng thứ ido biển độ Py của các lực động P(t) đặt

đuối Oly bo HB tổyZ, tA, |inrt=0 (2.38)

Vi sinrs 0 (do tổn tại dao động) nên từ (2.38) ta rút ra được hệ phương trìnhdùng để xác định biên độ của các lực quánh, khi hệ chịu tác dụng của các lực.

kích thích điều hỏa và không có lực cân như sau:

Z.*ổ,Z,+2.+802 x2, +Au =0 01,2, c,n) (239)trong đó ta đã ký hiệu

D G=1/2,.,n) — (240)

Giải (2.39) ta được biên độ của các lực quán tính Nếu kết quả tính ra đương, thì chiễu giá thiết ban đầu của lực là đúng Nếu kết quả tính ra âm, th egì

thiết là sai và phải đổi ngược lại Đặt các lực quần tính và các lực kích thích theo

u giá

đúng chiều và có trị số bằng biên độ của chúng ta sẽ xác định được đại lượng cin tim bằng Iythuyét tin học đã được nh bảy trong gio trình cơ học kết cầu

2.2.2.2 Phương pháp gần đúng (phương pháp sd)

Việc tính toán dao động cho các công trình xây dựng nói chung và các côngtrình thủy lợi nói riêng ngày càng trở nên phức tạp vi hình dạng kết cấu công trình

phong phú, nhiều loại vật liệu mới được áp dụng và yêu cầu về độ chính xác ngày.

cảng cao Chính vi vậy mà các phương pháp chính xác đã không thể đáp ứng được

các yêu cẩu trên nên phương pháp số (phương pháp rời rac hóa) đã ra đời Các phương pháp rời rae hóa bao gồm hai nhóm chính là phương pháp rời rạc hóa kiểu

toán học và phương pháp ri ree hóa kiêu vật lý

Phuong pháp sai phân hữu hạn là một phương pháp số cỗ điển ra đời từ rấtlâu, nhưng chỉ từ khi mấy tính điệ tử phát tiển thi phương pháp này mới được ấpdụng rộng rãi Day là một phương pháp rời rec hóa, song khác với phương pháp.

phần từ hữu han, phương pháp này à phương pháp ri rec kigu tin học, Nó không

thay đổi gi miễn tính toán mà chỉ phủ lên miền tính toán một lưới (có thể là lướihình vuông, chữ nhật, tam gi e tứ giác cong ) và nổ thay thé một hm xác địnhtrong một miền liên tục bằng một him lưới gồm một tập hợp rời rac hữu hạn cácđiểm, ở đó đạo him được thay thé bằng các tỷ sai phân, do đó bài toán biên của.

phương trinh vi phân được thay thé bởi một hệ phương tình đại số tuyển tỉnh

Phương pháp này một thời đã được ứng dụng rất rộng rãi, song nhược điểm

lớn nhất của nó là khi giải trên may tinh thì việc đưa số liệu vào khá công kd

với phương pháp phan tir hữu han), và đặc biệt rit khó khăn khi tính toán những bài.(so

toán ma miễn tính toán không thuằn nhất có nhiễu miễn con với những tính chat co lý khác nhau, nên đến nay né it được dùng hơn so với phương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên nó vẫn thuận lợi đối với một số bai toán như bai toán tính toán thay lực hay khi kết hợp với phương pháp phần từ hữu hạn trong việc gii các bài toán

không đùng (bài toán phụ thuộc thời gian)

Phương pháp phần tử hữu hạn thuộc một trong các phương pháp rời re vật lý Nếu như trong phương pháp sai phân hữu hạn ta chỉ thay các vi phân bing các ai phân thi trong phương pháp phần từ hữu bạn ta thay thể hệ thực (hệ liên tục)