Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Thiết kế tối ưu cửa van thép phẳng nhịp lớn

được tiền hành như sau ~ Xây dựng mô hình tính toán và phân th nội lực - Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, xác định tỷ số giữa ứng h toán và cường độ tính toán của vật liệu thép làm cấu kiện kết

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các thông tin tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ đề tài nào trước đây.

Hà Nội, tháng 7 năm 2016

Tác giả Luận văn

Đàm Duy Hưng

LỜI CÁM ƠN

Với sự giúp đỡ nhiệt tỉnh, hiệu quả của Khoa công trình trường Đại học Thuỷ lợi, Chỉ

cue thủy lợi Thai Nguyên, cùng các thiy cô giáo, bạn bẻ, đồng nghiệp, đến nay Luậnvăn Thạc sỉ kỹ thuật chuyên ngành Xây đựng công trình thủy với đề tài: " Thiết kế tối

ru cửa van thép phẳng nhịp lớn” đã được hoàn thành.

“Tác giả xin chân thành cảm ơn sự truyền đạt kiến thức và chỉ bảo ân cần của các thay

cỗ giáo, cũng như sự giúp đỡ tạo điều kiện của lãnh đạo Chỉ cục thủy gi Thái Nguyên

cho tie giả tong quá tình học tập, nghién cứu vừa qua

én TS Vũ Hoàng Hưng, người đã

"Đặc biệt tác giá xin được tô lòng biết ơn sâu sắc

trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tinh cho tác giả trong quá trình thực hiện luận van

này

“Tác giả cũng xin chân thành cảm on những sự giúp đỡ động viên cổ vũ của cơ quan,

gia định, bạn bẻ và đồng nghiệp trong quá trình học tập va thực hiện luận văn.

Với thời gian và trình độ côn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiểu sót Tác giá rit mong nhận được sự chỉ bảo và đồng góp ý kién của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.

Ha Nội, thắng 7 năm 2016 Tác giả Luận văn

Đầm Duy Hưng,

1.3 Một số nguyên tắc vi bố tí cấu tạo 5

1.3.1 Dim chính 5 13.2 Bổ tr din ngang 6

13.4 Trị biên 7

7 7 8 8 8

1.3.5 Giản chịu trong lượng

1.3.6 Bánh xe chịu lực.

1.3.7 Bánh xe bên

1.3.8 Vật chắn nước

1.3.9 Các lưu y khi thiết kế cửa van phẳng nhịp lớn

1.4 Phương pháp tính toán nội lực ° 1.4.1 Tải trọng tác dụng lên cửa van 9 1.4.2 Phân tí h nội lục kết cầu van phẳng 9 1.5 Những vin đề cin nghiên cứu, " 1.3.1 Nội dung nghiên cứu " 1.5.2 Phương pháp nghiền cứu "

1.6 Kết luận chương Ì "'CHƯƠNG 2 TOL ƯU HOA KET CAU THÉP 22.1 Khái quát i ưu hóa " i2.1.1 Bai toán tối ưu về rong lượng và phương pháp giải 12

2.1.2 Bài toán tối ưu kết Ệ thanh trong giai đoạn đản hồi 14

3.13 Bài toán tối ua kết cầu hệ thanh trong giai đoạn chây déo 1s2.2 Thiết kế tối uu kết cầu thép bằng phần mén SAP2000 is2.2.1 Các bài toán trong thiết kế kết cầu thép 182.2.2 Bài toán thiết kế tối ưu 20

2.23 Các ví dụ tính toán 21

2.3, Kết luận chương 2 4CHUONG 3, THIẾT KẾ TÔI UU CUA VAN THÉP NHỊP LỚN CÔNG TRÌNHCONG KENH HÀNG - TP HO CHÍ MINH 45

3.1 Giới thiệu công tình 45 3.11 Vi tri dia lý công trình cổng Kênh Hãng 45 3.1.2 Địa hình, dia mạo v tr công trình cổng Kênh Hang 45 3.2 Quy mô công trình 45 3.2.1 Mục tiêu cia dự ẩn 45 3.2.2 Nhiệm vụ công tỉnh 45

3.3 Kết cầu cia van 46

3.3.1 Đặc điểm 46

3.3.2 Lựa chon hình thức kết cầu cửa van 463.3.3 Kết cầu cửa van 47

3⁄4 Tải trong tính toán và trường hợp tinh toán 49

3.4.1 Tải trong tác dụng lên cửa van 49 3.42 Các trường hop tinh toán 49

3.5 Phin tích noi lực kết cầu van phẳng theo bai toán không gian 49

3.5.1, Mô ta kết cấu 49

3.5.2 Mô hình hóa kết cấu SI

3.5.3 Kiểm tra khả năng chịu lực của cửa van ứng với tit điện chon sơ bộ 5l

35.4, Thiết kế tối aru cửa van sẽ

3.55 Chọn phương én cuỗi cũng 65

3.6 Kết luận chương 3 m7

‘TAI LIỆU THAM KHẢO T4

DANH MỤC BANG BIÊUBảng 2.1 ~ Hệ số img suất img với tiết điện phân tích

Bảng 22 ~ Hệ số sử dụng vật liệu ứng với các tết điện thiết kế

Bảng 2.3 ~ Trọng lượng của khung img với 2 phương án chọn tiết điện khung

Bảng 2.4 - Hệ số sử dụng vật liệu ứng với ti

Bảng 2.5 —HỊ tt diện thiết kế

Bang 2.6 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế

Bảng 27 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế

điện chọn sơ bộ

số Ứng suất ứng

Bảng 3.1 — Hệ số ứng suất dầm phụ dọc

Bảng 3.2 — HỆ số ứng suất các thanh giản đứng D1

Bảng 3.3 — Hệ số ứng suất các thanh giản đứng D2.

Bảng 3.4— Hệ số ứng suất giản chính trên

Bing 3.8 — Hệ số ứng suất của giản đứng giữa D1

của giản đứng giữa D2

“của giản chính Bảng 3.11 — Hệ số ứng suất giản chính dưới.

Bảng 3.12 Chuyển vị của cửa van do tổ hợp tải trọng THỊ

Bảng 3.13 Trọng lượng bản thân của cửa van.

Bảng

3.14-Bảng 3.1

Chuyển vị của cửa van do tổ hợp tải trọng THỊ

Hệ số ứng suất của giàn chính dưới.

Bảng 3.16 ~ Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính dưới.

Bảng 3.17 = Hệ số ứng suất của dim phụ dọc.

Bảng 3.18 ~ Hệ số ứng suất của giàn chính trên

Bang 3,19 ~ LIệ số ứng suất của giản chính dưới

Bang 3.20 — lệ s ứng suất của giản đứng DI

Bảng 3.21 ~ Hệ số ứng suất của giản đứng D2

Bảng 3.22 ~ Chuyển vị ở giữ: nhịp van

Bảng 3.23 ~ Hệ số ứng suất của dim phụ doc.

Bảng 3.24 — Hệ số ứng su cca giản chính dưới

ARR

67

68 68

70 70 7 7

DANH MỤC HÌNH ANH

Hình 1.1 - Cửa van phẳng

Hình 1.2 ~ Cửa van phẳng sông Ems ~ Đức

Hình 13 ~ + cầu giản chính có thanh cánh cong một chiều

Hình 1.4 — Kết cầu giàn chính có thanh cánh hạ cong hai chiều

Hình 1.5 — Vị ti dim chính

Hình 1.6 — Vị trí bánh xe,

finh 1.7 ~ Vật chắn nước bằng cao su.

1.8 — Sơ đồ áp lực nước lên cửa van

Hình 2.1 ~ Tuyến tính hóa him AC)

Hình 2 ~ Sơ đồ tình toán giản phẳng;

Hình 2.3 ~ Đường quan hệ giữa trong lượng và mémen déo

2.4— Sơ dé cơ edu phá hủy deo

2.5 ~ Xác định nghiệm t

Hình 2.6 ~ Sơ dé tinh toán dầm

Hình 2.7 ~ Mô hình hóa dim

2.-8~ AUTOI là nhôm các

Hình 2.9 - Gái chọn tự động cho dim

Hình 2.10 ~ Lệnh hiển thị kết quả thiết kế dim

finh 2.11 ~ Hiển thị tiết điện thiết ké cho dằm

2.12 - Hệ số ứng suất của dim ứng với tiết điện phân tích

2.13 ~ Gain tiết diện thiết kế vào dim.

để tự động chọn cho dim

Hình 2.14 ~ Hệ số ứng suất của dim ứng với tiết diện thiết kế

Hình 2.15 ~ Sơ đồ tính toán khung.

Hình 2.16 ~ Sơ đồ tinh toán khung với các tết diện dim, cột chon sơ bộ

St diện để chọn tr động cho dim

sit in rng chon cho cột AUTOI-Cva AUTOR.

1g số ứng suất ứng vớ tiết diện phân ích

Hình 2.23 ~ Lệnh hiển thi tiết điện thiết kể

a ết điện phân tích va tiết diện thiết kế

Hình 2.25 ~ Gan tiết diện thiết kế vào khung 3

Mình 2.26 ~ Hệ số ứng suất ứng với tết điện thiết kế 3Hình 2.27 ~ Hiển thi tiết diện chọn cuối cùng 33Hình 2.28 ~ Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện thiết kế 34

9 — Phan lực khung ứng với phương án thiết kế tối ưu 34

Hinh 2.30 ~ Phan lực khung ứng với phương án tiết diện chọn 34 Hình 2.31 - Sơ đồ tính toán gin phẳng 3s Hình 2.32 - Mô hình tính toán giàn 36 Hình 2.33 - Hệ số sử dụng vật liệu của các thanh giản 7 Hình 2.34 - Danh sich thép ống vuông AUTO-CT chọn tự động cho cảnh thượng và thép ống trön AUTO-CH chọn tự động cho cảnh hạ 3

Hình 235 - Danh sich thép dng chọn tự động cho thanh bung giữa AUTO-BG và

thanh bụng ở đầu AUTO-BD 39 Hình 2.36 - Sơ đồ tiết điện phn tích của các thanh gin 39

Hình 2.37 - Hệ số sử dụng vật liệu trên cơ sở tt diện phân tích 39

Hình 2.38 Sơ đồ sia các hanh giản 40

2.39 - Hệ số sử dụng vậLliệu ứng với tiết diện thiết kế 40

Hình 2.40 — Gan liên kết khớp vào hai dau các phan tử thanh 4l

th 2.41 — Mô hình giản có các phần tử thanh nối khớp 41 Hình 2.42 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 4i Hình 2.43 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 4“Hình 2.44 ~ Các phần tử có hệ số ứng suất k > 0,95 2

Hình 2.45 - Danh sich thép dng vuông AUTO-CT chon tự động cho cánh thugmg 43

Hình 2.46 - Hệ số ứng suất ứng với tiết điệ tide kế 4

Hình 3.1 ~ Kết cầu cửa van 4 Hình 3.2 ~ Mặt cắt ngang cửa van 48

h 33 ~ Giản thép ông tron 50

3.4 Giản đứng DI, D2 50 Hình 3.5 ~ Cửa van đã được mô hình hoa 50

Hình 3.6 ~ Tiết diện Precast U và ông tròn SI3.7 ~ Hg số ứng suất của số phn từ dim phụ dọc 33

"Hình 3.8 — Hệ số ứng suất các thanh giàn đứng ứng bởi tiết diện thiết kế DI 54

"Hình 3.9 — Hệ số ứng suất các thanh giàn đứng ứng bới tiết diện thiết kế D2 sẽ

Hình 3,10 ~ Sơ đồ giản chính trên, các ma thanh giản và hệ số ứng suất các thanh giản

Hình 3.15 Danh sách các dim phụ dọc AUTO 6 để chọn tự động 6 Hình 3.16 ~ Danh sich thép ống AUTO2C, AUTOAC, AUTOID, AUTO2D,

AUTO3D 61 inh 3.17 ~ Ma phan tử và mã ễt diện dim phụ dọc 6

Hình 3 18 ~ Auto Section của dim phụ đứng 66

Hình 3.19 ~ Auto Section của giàn chính 66 Hình 3.20- Auto Section của giản đớng 66 Hình 3.21 ~ Chuyển vị giữa nhịp van 6

MỞ DAU

L Tinh cấp thiết của đề tài:

“Cửa van nhịp lớn (của van phẳng nhịp lớn hoặc cửa van cung nhịp lớn) thường được

“dùng làm cửa van trong các công trình ngăn sông hoặc cổng ngăn triều có khẩu độ lớn, chịu chênh lệch cột nước không lớn

Cita van nhịp lớn có chiều đài nhịp B gap nhiêu lần chiều cao H nên thường dùng loại

van hai giần chính

Khi thết kế hệ giàn cửa van chúng ta cin xác định kích thước cần thiết của tiết điện

bk &i, sao cho thỏa mẫn

các phân u đã cho ứng với một hệ tải trọng đi kiện

cường độ, điều kiện độ cứng và sử dụng vật liệu ít nhất, đây a bai toán thiết kế tối ưu

'Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết vẻ tối ưu kết cầu và kết hợp sử dụng phin mém SAP2000 phân

tích trang thai ứng suất và biển dang của cửa van.

= Nắm được ý thuyết về lý thuyếttối ưu hỏa kết cầu

- Sử dụng tốt phin mềm SAP2000 phân ích kết cấu cửa van theo bài toán không gian,

~ Thiết kế tối ưu hệ giàn trong cửa van nhịp lớn bằng phin mém SAP2000

Ap dung tính toin cho một công trình cụ thể ở khu vực TP Hỗ Chí Minh

'CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE CỬA VAN NHỊP LON

it về cửa van phiing/4]

Cửa van là một bộ phận của công tình thuỷ lợi dùng để khống chế mực nước

và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời ky khai thác khác nhau Cửavan thường được đóng mở bằng tời hoặc xy lanh thủy lực

“Của van phẳng cổ nhiệm vụ chắn nước phía thượng lưu, không cho nước di qua cống

tự do để lấy lưu lượng theo thiết kế: lấy nước tưới, cắp nước sinh hoạt, phát „thoát

lũ, gan triều Của van phẳng còn có thể tháo các vật dưới đây như tháo bún cát

ita van phẳng nhịp lớn có mặt chịu ap lực nước dang mặt phẳng hoặc mặt cong,

thường là mặt cong một chiều dạng trụ đứng, khi đóng mở cửa van chuyển động thẳng

trong mặt phẳng khe van, nên được gọi là cửa van phẳng, nó côn có tên gọi khác à cửa

van kéo thẳng, Cửa van phẳng nhịp lớn thường được dùng làm cửa van trong các côngtrình ngăn sông hoặc cổng ngăn triều cổ khẩu độ lớn Cửa van nhịp lớn có chiều đãinhịp B gắp nhiều lin chiều cao H nên thường ding loại van hai giản chính (Hình 1.2)

Hình 1.2 ~ Cửa van phẳng sông Ems ~ Đức 1.1.2 Phạm viáp dụng

“Tắt cả các loại cửa van Của van là kết cấu động để đồng mở các công tình thủy vàđiều chính lưu lượng nước chảy qua

“Các thiết bị vận hành cửa van.

“Thiết bị nang vận chuyển dùng để vận hành các kết cầu động lúc khai thác chúng cũng

như để ip rip các thiết bị cơ khí và năng lượng: các loại công trực, cầu tr, xe treo một ray.

Phin cố định - bộ phận kết cấu thép chôn trong thân công trình để định hướng dichuyển của cửa van và lưới chắn rác, truyền áp lực từ bộ phận gối đỡ cửa van lên côngtrình; tạo ra bản mặt phẳng dưới vật chin nước, bảo vệ các mép va bề mặt bê tông khỏi

bị phí hông

Các thiết bị cơ khí phải đảm bảo độ tin cậy của công trình thủy công với mọi điều kiện

Khai thác, tuân thủ tắt cả các quy chuẩn kỹ thuật an toàn.

Dé chọn kiểu thiết bị cơ khí trước hết cin phải tinh toán để điều kiện an toàn và độ bencủa kết cấu Đó là yêu cầu bắt buộc chung với mọi công trình Sự phá hoại của công.trình thủy gây ra thiệt hoi rất lớn, Vi vậy thiết bị cơ khí công trình thủy gây ra thiệt hạitất lớn Vì vậy thiết bị cơ khí công trình thủy yêu cầu có độ chính xác cao trong chế.tạo và lắp rip Nêu coi kh khăn trong chế to kết cấu thép công nghiệp là 100% thikhó khăn chế tạo thiết bị cơ khí công trình thủy là 300%.

"Để giảm trọng lượng và giả thành thiết bị cơ khí công trình thủy, đơn giản hóa va rútngắn công tác lắp ráp, nâng cao chất lượng khai thác và dễ dàng vận hành nên có các gii pháp sau

Ap dung các kết cấu của mới và cơ giới héa công tác đổ bê tng phần cổ định chènkhe van để không có về nối làm cho lưới chắn rác sử dụng tốt hơn, sử dụng các dimmốc tự động, thay cơ cấu xích ning bởi cơ cấu nông thủy lực, đường ống din nướcbằng thép lim việc đồng thời với bê tông.

‘Tang cường sự lặp lại của các phân tổ tạo ra các thiết bị cơ khí, điển hình hóa và tiêuchuẩn hóa các nút và các chi tiết dẫn đến điển hình hóa kết cấu

Xét sự làm việc đồng thời của bản mặt thép với các phân tổ kết edu chịu lực và tí

đến sự làm việc không gian của cửa van

Áp dung vật liệu mới

Sit đụng phương pháp mới nhất của thi sông như hin kết cấu bằng cúc phương pháp

công nghệ cao (hin tự động, bin tự động, trong môi trường khí bảo vệ, sợi kim loại có

thuốc bảo vệ, bulong cường độ cao )

CChé tạo các loi cửa van quá khổ thành các bốc không gian lớn phù hợp với sự pháttriển của thiết bị nâng hiện tại Loại cửa van nhiều đoạn có ưu điểm lớn, kích thước

của mỗi đoạn cin chọn phù hợp với kích thước va chạm tối da theo quy định vận chuyển của ngành đướng sắt

Ap dung các biốc có quy cách và trọng lượng lớn để lip rip được đơn giản, giễm bớtkhối lượng hàn lắp rip dẫn đến giảm khó khăn trong công ti lắp rip và cubi cũng làgiảm gid thành xây dựng

12 Phân loại

Kết cấu giản

1.2.1 Giần chính có thanh cánh thượng lưu, hạ lưu có dang cong và

h cửa van phẳng nhịp lớn thường dùng hiện nay có các loại sau đây:

im trong

cùng một mặt phẳng

Giàn chính có thanh cánh thượng lưu, hạ lưu có dạng cong va nằm trong cùng một mặt.

phẳng, kết cầu bản mặt có dạng cong và được đỡ tre tip bởi thanh cánh thượng giản

chính như ở hình 1.3

aed “Thanh cánh thượng

“Thanh bụng “Thành cánh hạ

Hình 1.3 ~ Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều

1.2.2 Giản chính có kết cẫu bản mặt dụng phẳng kết hep làm thanh cảnh thượng:

ưu, còn thanh cánh hạ lưu có dang cong một chiều hoặc hai chiều

Gian chính có kết cấu bán mặt dạng phẳng kết hợp làm thanh cánh thượng lưu, còn

Kết cấu có thanh cánh hạthanh cảnh hạ lưu có dang cong một chiều hoặc hai chỉ

sin chính đưới cong lên phía trên như ở hình 14, do hiệu ứng vòm nên thanh cánh hạ

giần chịu nến do trong lượng bản thân văn, do độ giảm được lực đạc rong thanh cánh

ha giản chính đưới khi chịu đồng thời áp lực nước và trong lượng bản thân van.

Ban mặt Dim phụ doc

‘Thanh cánh hạ cong hai chiều Tình 1.4 Kết ấu giản chính có thanh cánh hạ cong hai chiều

1.3 Một số nguyên ắc và b6 trí edu tạo

“Của van hai dim chính được sử dung rộng rãi hơn cả vi kết cấu đơn giản, có độ chínhxác truyễn áp lực nước lên phần gỗi ta, lại dễ chế tạo và lắp rip, Cửa van trên mặt

lính Cửa van nhiều dimthường sử dung loại hai dim chính ít khi dùng ba dim

chính ding chủ yêu để đông ỗ dưới sâu cũng như trong trường hợp phải hạn chế chiềucao lớn nhất của dim chính theo điều kiện kích thước tại chỗ đặt van,

Điều kiện bổ tri dim chính ở cửa van bánh xe là sự phân bé đều áp lực nước lên cácdam chính Theo điều kiện nảy các dim chính có được tiết điện như nhau, Ở cửa vanhai dân chính, e: chính đặt cách đều hợp lực của áp lực nước Khoảng cách giữahai dầm chính trong cửa van trượt hai dim chính có thé lấy lớn hơn nhằm đảm bảođiều kiện ôn định của kết cấu nhịp cửa van lên các kết cấu gối đỡ Vậy tăng cường

khoảng cách giữa các dim chính sẽ làm giảm độ dài phần công xôn cửa van, làm ting

độ cứng cả phần này nhưng sẽ ảnh hưởng đến dòng chảy khi mỡ van dễ gây rung động

Dé dim bảo độ cứng ngang của cửa van Bố tri giàn ngang tuân theo điều kiện:

= Các giàn ngang cách đều nhau.

~ Giản ngang nằm trong phạm vi dim chính không thay đổi tết điện

- Sổ giản ngang nên chon lẻ để các kết cấu như dầm chính, giàn chịu tong lượng cổ dang đối xứng.

1.3.3 Bồ tí dim doc phụ

Dim phụ đọc han chat vào bản mặt và tựa lên các giản ngang có thé tính như dim don,

ỗi tựa là hai giàn ngang và đỡ tải tong của bản mặt truyỄn đến Dim phụ được bổ trísong song với dim chính, cảng xuống sâu dim cing diy vì áp lực nước tăng Tiết điệndầm phụ chọn loại chữ C đặt úp để tránh đọng nước

13.4 Trụ biên

Trụ biên ở hai đầu cửa van, chịu lực từ dim chính, dim phụ, và lực đóng mở van Trụ.biến gin với bánh xe truyén lực lên trụ in Các thiết bị tro, chốt giữ và móc treo

cũng được nỗi với trụ biên.

Tiết điện trụ biên của cửa van thường có dang chữ I hoặc dim hai bản bụng Để dongiản cầu tạo, chiều cao trụ biên thường chon bằng chiễu cao đầu dim chính,

1.3.5 Giàn chịu trọng lượng

Dan chịu trong lượng đùng để chịu tải trọng bản thân của van khi kéo cửa lên Tải trọng G của toàn bộ cửa van được phân lên mặt phẳng trước ( bản mặt) lâm mặt phẳng

sau bản cánh miễn chịu kéo của dầm chính ) Đây là dần song song có thanh cách bạcủa dim chính và cảnh hạ của giản ngang và hai gối tựa là ai trụ đỡ bên ( cột biên),cẩn phải bé trí thêm hệ thanh bụng đứng và thanh bụng xiên

1.36 Bánh xe chịu lực

"Để đồng mở của van cin bé tí cơ edu di chuyển cửa van bằng thanh trượt hoặc bánh

xe chịu lực Bánh xe chịu lực có thể được bổ trí ở mặt sau trụ biên hoặc ở giữa hai bảnbụng của tru biên Bổ tri bánh xe chịu lực nằm ở bản bụng của trụ biên để làm giảm

bề rộng khe van (Hình 1.6)

1) Bánh xe chịu lực; 2) Bánh xe bên; 3) Bánh xe ngược hướng.

1.37 Bánh xe bên

"Để khống chế cửa van không bị dao động theo phương ngang và diy về phía trước,người ta thường bổ tí các bình xe bên và bính xe ngược Dễ giám chin động nênding bánh xe bọc cao su Đôi khi người ta kết hợp sử đụng bánh xe chịu lực đồng thỏi

làm bánh xe ngược.

1.3.8 Vật chắn nước

Hình 1.7 ~ Vật chắn nước bả

\Vat chin nước sử dụng vt liệu bằng cao su hình chữ P b tr theo chủ vi cổng

1.3.9 Các leu ý khả thất kế cửu van phẳng nhịp lớn

“Cấu tạo kết cầu van phẳng nhịp lớn cần lưu ý một số vind như sau:

1g Cao su

Cita van nhịp lớn có chiều dai nhịp B gấp nhiễu lần chiều cao H nên thường dùng loại

“cửa van hai giàn chính, tày theo bản mặt là mặt phẳng hay mặt cong mi cánh thượng

giàn chính có thể là thanh thing hay thanh cong, còn thanh cảnh hạ cổ thể chọn làthanh cong một chiều hay hai chiều

6 dầm được tạo bởi các dm phụ đúng và dọc, có ác dụng đỡ bản mặt và truyền tảitrọng lên giản đứng, tùy theo kích thước van có thé chỉ ủng dim phụ đứng hay dimphụ dọc Dim phụ doc hay dm phụ đứng hiện nay hay dùng dạng thanh mông mặt cất:hình thang đặt về phía thượng lưu, úp vào bản mặt và hàn vào bản mặt, nên có độ cứngtương đối lớn, phía hạ lưu bản mặt phẳng, đễ duy tu bao dưỡng, dé son que

Giàn đứng đỡ tải trọng tử ô dầm va truyền tải trọng nay lên giàn chính.

Gian chính chịu toàn bộ áp lực nước tác dụng vào cửa van và truyền áp lực này lên trụbiển, nhiều cửa van phẳng nhịp lớn da tin dụng độ cứng theo phương dọc của ô dimnên đã không bổ trí thanh cánh thượng lưu giàn chính

“Trụ biên chịu ti trong từ giản chính và giản chịu trọng lượng truyễn tới và truyễn các

tải trọng tác dụng vào của van lên bộ phận cổ định của công trình va để đăng di chuyển cửa van trong quá trình khai thác, Đối với van phẳng nhịp lớn hiện nay thường

dùng gối đỡ kiểu trượt bằng chat dẻo tổng hợp vừa làm gỗi tựa trượt vừa kết hợp lim

vật chắn nước, nên giảm được bề rộng khe van,

1-4 Phương pháp tính toán nội lực

LAL Tải trong tác dạng lên cửa van

Tải trong chủ yêu tác dụng lên cửa van phẳng là áp lực nước và trọng lượng bản thân

Áp lực thủy tinh tác dụng lên cửa van phẳng trên mật được biểu thị như hình 18

MAmL

zM ở, rH,

Hình 1.8 ~ Sơ đồ áp lực nước lên cửa van

“Các ký hiệu trong hình 1.8 là

7 - Trọng lượng riêng của nước

.H,- Chiều cao cột nước thượng lưu

H,-Chié ao cột nước hạ lưu

“Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van trên mặt có nhịp tai trọng 1,

web) KN/m

1.42 Phân ích nội lực kết cầu van phẳng

Hải trạng thi làm việc của của van phẳng edn được xem xết khi phân tích nội lục và

chuyển vi van

~ Cửa van nằm trên ngưỡng (cửa van đồng)

~ Cửa van bắt đầu rồi khỏi ngưỡng (cửa van mổ)

1.4.2.1 Cita van nằm trên ngưỡng

Sau khi mô hình hóa van bằng phần mén SAP2000 và gắn áp lực nước, lực đẩy nỗi

ngoài các liên kết đơn tựa ngang tại mặttrong trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng tÌ

trượt giữa của van với trụ pin còn cần đặt các gỗi tựa đúng lên kết đầy của văn vớingưỡng, trong cửa van lớn khi các trụ pin là các kết cấu độc lập thì liên kết đứng ở haiđầu tựa vào để trụ pin Trong trường hợp van đóng hay mở trọng lượng bản thân cửa

van G bằng tổng phân lực theo phương thing đứng 23 của các gỗi tựa đo trong

lượng bản thin van(DEAD) sinh ra

G

1.4.2.2 Cửa vam bắt đầu đời khỏi ngưỡng

Sơ đồ liên kết cửa van bit đầu dồi khỏi ngưỡng ( cửa van mớ), ngoài các gối tựa đơnnằm ngang đặt ại mặt tựa cửa van và trụ pin, còn 2 gỗi tựa đơn thing đứng đặt theo

phương của xy anh thủy lực

Ngoài áp lực nước, lực đấy nỗi và trọng lượng ban thân van, cửa van còn chịu ấp hue

ma sit F, của gối tựa trượt hai đầu van với mặt trượt ở trụ pin, gi tr lực ma sắt bằngtích số của hệ số ma sắt và ấp lực ta, Lực hút 7, do chân Không xuất hiện ở mặt tiếp

giáp giữa vật chin nước dưới và ngưỡng khi van bắt đầu dồi khỏi ngưỡng, gi trị lực

hút bing tích số cia áp lực chân không P= 60K /m’ và chiễu diy vật chấn nước dy,

“Cổ thể bo qua lực hút khi chiều dầy vật chin nước nhỏ Lực đẩy nỗi bằng trong lượngthể tích nước cửa van chiếm chỗ

Phan lực liên kết T ti ha gôi tựa đơn theo phương cia xy lanh thủy lực, chính là lựckéo cần thiết của mỗi xy lanh thủy lực khi mở van, lực kéo này có thé nhân với hệ sốtải trong cho trong tiêu chuẩn thiết kế

Vị tr của xy lanh thủy lực kéo van trong cửa van phẳng tốt nhất là đặt trong mặt phẳngthẳng đứng đi qua trọng tâm van, để không sinh ra áp lực phụ ngang ở gối đỡ động vào.

hai thành rãnh van do phương của xy lanh thủy lực không đi qua trọng lâm van

1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu

15.1 Nội dung nghiên ctu

- Th kế tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn dan hồi và giai đoạn déo

~ Thiết kế tối ưu kết cấu thép bằng phin mém SAP2000.

— Thi kế ái

ưu cia van thếp nhịp lớn

- Ứng đụng vào công trình thực tế và đưa ra kiến nghị trong thiết kế ối ưu kết cấu cửa

khi thiết kế của van phẳng thường lấy kết cầu của các công trình tương tự nên trong

lượng cửa van thường lớn hơn so với yêu cầu chịu lực thực tẾ của cửa van Cửa van

nhịp lớn có trong lượng lớn nên việc tối ưu trọng lượng cửa van là cần thiết,

CHƯƠNG 2 TÓI ƯU HÓA KET CAU THÉP.

2.1 Khái quát tối wu hóa về kết edulS]

2.1.1 Bài toán tối ưu về trong lượng và phương pháp gi,

“rong thiết kế thie té ngoài bài toán kiểm tra chúng ta còn gặp bài toán xác định kíchthước cần thiết của tiết điện các phân tổ kết edu đã cho ứng với một hệ tải trọng đãbiết, sao cho thỏa min điều kiện cường độ, điều kiện độ cứng va sử dụng vật liệu itnhất, đây là bài toán thiết kế tối ru kết sầu vỀ mặt trọng lượng

~ Him mye tiêu và các rằng buộc: Trong tính toán tối ưu kết cầu him mye tiêu thường

bigu thị các đại lượng cần cực tiêu hóa như trọng lượng, thé tích, giá thành của kếtsấu Các điều kiện ring buộc dưới dang ding thức thường là ác điều kiện cân bing,

đi

các điều kiện biến dang liên tục Ci u kiện ning buộc dưới dạng bat đảng thức.

thường a các điều kiện về độ bên, độ cứng, các điều kiện về chiy déo v.v

Dang him mục tiêu và dang điều kiện ring buộc thay đổi tủy theo kết cấu và phương

pháp giải Do đó bài toán tối uu và phương pháp giải cô những đặc điểm khác nhau khi cdùng phương pháp tính khác nhau như phương pháp lực hay phương pháp chuyển vi.

“Trong thực tễ để tiện cho chế ạo và giảm giá thành, kết cầu thường được phân

thành nhiều nhóm cấu kiện Các cấu kiện trong mỗi nhóm có tiết diện như nhau và mỗicấu kiện là hình lăng trụ đều Giả sử một kết cấu được chia thành G nhóm, một nhóm

bắt ky kí hiệu lg, gọi tổng chiều dai của các cầu kiện trong nhóm là L, và điện tích

tiết diện là Ay Vậy:

Thể ích kết cầu

ni en

“Trọng lượng

T<ŠyLA, @2)

trong đó +, là trọng lượng riêng của vật liệu trong nhóm ø.

Giá vật liệu kết cầu:

c= Lert, @3)

trong đó C, là giá vật liệu trên một dom vị trọng lượng,

- Him C trong công thức (2.3) là him mục tiêu về

~ Nếu giá vậtliệu không thay đổi trong các nhỏm thì T rong công thức (22) là hàm mục tiêu v8 trong lượng

- Nếu kết ấu được chế tạo bằng một loại vật liệu thi V trong công thức (2.1) là hàm

mục iêu về th ích

“Trong các him mục tiêu ở trên có biển là diện ích tt điện Ay, nhưng trong các điềukiện rằng buộc về độ ban và độ cũng có biến khác nhau như mômen quần tinh của ttđiện lạ mômen chống uốn W„ Néu bài toán tối ưu gồm nhiễu biễn, tein tim cách

dưa về it biển để việc tỉnh toán được đơn giản hơn Chẳng han khi chỉ ding một biển

Agta sẽ quy đổi các biến 1, và W, thành biến A, Nếu chỉ đùng một biến 1, ta quy đổi

các biến A, và W, thành I,

Nhìn vào các bang đặc trưng hình học của tiết diện ta không thể phát hiện quy luật về mỗi quan hệ giữa chúng Song lấy lögarit các đại lượng đỏ, ta sé phát hiện ra một quy luật giữa chúng như sau;

A 787"

trong đồ với dim tit diện chữ phổ thông có n=2/3 và m=1/2

Đối với hệ khung dùng hệ thức (2.4) thay vào các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3), ta có:

A=0,559Ẻ 1,1!

cản os)

c~nssŠcy

Nếu chon I, làm biển, rõ rang hàm mục tiêu (2.5) là him phi tuyé | côn chọn Ay làm

biển, các hàm mục tiêu (2.1), (22) và (2.3) cô dạng tuyển tính, nhưng các rằng buộc lại ở thành phi tuyển, vì từ hệ thức (2.4) ta có,

W=01,51A”2 123.247 (26a)

Nếu chon I kim biển thi him mục tiêu (25) và điều kiện rùng buộc đều có dang phituyển, vì:

Hình 2.1 ~ Tuyển tinh hóa hàm A(I)

~ Phương pháp gii: Khi hàm mục tiều và các điều kiện rằng buộc đều có dang phi

tuyến, diy là bai toin quy hoạch phi tuyển Côn néu him mục tiêu và các rằng buộcđều là tuyển tỉnh, đây la bài toán quy hoạch tuyén tính ĐỂ tim lời giải của bai tin 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 bai toán có thé tim bằng phương pháp biểu diễn

hình học.

2.1.2 Bài toán tối un kết cấu hệ thanh trong giai đoạn dn hồi

Nội lực và chuyển vị kết cấu hệ thanh có thể xác định bằng phương pháp lực hoặc

¢ thanh trong giai đoạn

phương pháp chuyển vi, trình tự giải bài toán tối ưu ki

dan hồi thông qua vi dụ dưới đây:

“Thiết kế tối ưu giản tinh định có kích thước và chịu tả trọng như ở hình 2.2, các thanh(1), 2), (3) cô cũng diện tích Ay, thanh (4) có diện tích As Vật liệu thép CT3 cócường độ chịu kéo tính toán và chịu nén tinh toán R=16KN/cwẺ, Tải trọng P,=2kN và

=IN

Ham mục tiêu:

'50A,+400A;

SAL, =A DL, +Ay

Hình 2.2 ~ Sơ đồ tính toán giản phẳng

Ring buộc về độ bền

Gian đã cho là giản tĩnh định nên nội lực trong c c thánh Không phụ thuộc vio diện tích tiết điện các thanh giản, từ phương pháp tách nit, nội lực các thanh như sau: Ny=8,333KN, Np=-1,667KN, Ny=6,667KN, Nụ=-5,335kN

“Từ điều kiện rằng buộc về độ ben ta cổ diện tích tiết diện cần thiết của cúc thanh ginchịu kéo, chịu nén như sau: A,=8.333/16=0522em”, A;=l,667/16=0,104m”,As=6.667/16 =(.417mmẺ, A¿=5.333/16=0.333mmÌ

Vì các thanh (1), (2) và (3) thuộc nhóm tiết điện A), còn thanh (4) thuộc nhóm tiếtđiện As, nên ta lấy A,>0522em” và As>0333m), vậy Vụ, khỉ AL

Az=0,333cm”

2cm” và

'V„¡;= T50A ¡+400A;= 750x0,522+400x0,333=524,7cmÌ,

2.13 Bài toán tối uu Két cấu hộ thanh trong giai đoạn chiy đền

Cúc giả it cơ pin

- Kết ấu gm các thanh mặt ct đều (ang tr)

~ Bỏ qua ảnh hưởng của lực đọc và lục cắt tới momen déo của các thanh

thúc giữa trong lượng một đơn vi chiễu dài thanh và mômen déo của nó được

biểu diễn ở hình 2.3 qua biểu thức sau:

a=

Hình 2.3 ~ Đường quan hệ giữa trọng lượng vả mémen dẻo.

‘Voi mặt cắt chữ I, ta có công thức gin

gee’ an

~ Phương trình (2.7) có thé biểu diễn gin đúng qua hệ thức tuyến tính sau đây:

g=a+bM,, Ø8)

trong đó a, b là các hằng số

ấu dùng biểu thức tuyển tinh (2.8) thì trong lượng bản thân của kết cấu cổ thể xác

dinh bằng công thức đơn giản sau đây:

G= Yeh = Sal + BoM pL as)

trong đó L là chiều đài thanh.

Số hạng SaL là hing số với kết cầu đã cho, vậy G la nhỏ nhất khi 36M pL cực tiễu, số

hạng này được ky hiệu là x

=YbMiI, G10)

và được gọi là hàm mu tiêu

Bai toán trọng lượng tôi ưu đưa về xét cực tiểu ham mục tiêu được xác định theo công

thức (2.10) với các ring 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 như ở hình 2.4 Nhịp ri

có mômen déo là ị và nhịp phải có mômen déo là Hạ

“Theo công thức (2.10) ta có him mục tigu của bài ton như sau:

X= 3h) +3;

" 5) - Binh ứng với lòi giải tối va

° 15 Eồ 45 ao 75 go 105 lần cs

Hình 2.5 ~ Xác định nghiệm tối ưu bằng đồ thi

- Hình chiễu của định B lên đường thẳng 33 = 3u; ốc toa độ nhất, vậy toa độ

“của đính B là nghiệm của bài toán:

Hy =35KNm và ts = 5i

2.2 Thiết kế tí aru kết cầu thép bằng phần mền SAP2000

2.2.1 Các bài toán trong thiết k kết cấu thép

Tính toản kết cẩu thép hệ thanh theo các Tiêu chuẩn thiết kể tong phần mềm

SAP2000 thường gặp hai bài toán cơ bản sau:

Bai toán kiểm tra: Kiểm tra về cường độ kết cấu hệ thanh với các số liệu đã biết (kích

thước hình học của kí tải trong, vt liga.) được tiền hành như sau

~ Xây dựng mô hình tính toán và phân th nội lực

- Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, xác định tỷ số giữa ứng h toán và cường độ tính

toán của vật liệu thép làm cấu kiện kết ed được gọi là hệ sổ sử dụng vật liệu hay hệ

xổ ứng suất, nu tỷ số này lớn hơn 1 thì kết sấu không thỏa mãn di

độ,

a kiện về cường,

~ Cho hiển thị các phân tổ không đủ khả năng chịu lực,

Bai tán ác định mặt cắt ngang của cắc phần tử thanh của kết cấu sao cho

tỷ số giữa ứng suất tinh toán và cường độ tính toán của vật liệu thép làm kết cầu xắp xỉing và nhỏ hơn 1 dé cho kết cấu thỏa mãn điều kiện về cường độ, đồng thời tân dụng

hết khả năng làm việc của vật liệu, được tiến hành như sau

~ Xây dựng mô hình tính toán, chọn hình dạng tiết diện các phần tir thanh, giả thiết sơ

bộ kích thước tt điện của các nhóm phần tử thanh AUTOI, AUTOR, và gin vàocác phần tử thanh, Chương trình tự chọn một số hiệu tiết diện cho mỗi phần tổ kết cầu

hệ thanh, thưởng là ig điện trung binh trong nhỏm phần từ thánh AUTOI, AUTO2 vàđược gọi là de điện phân tích Sau đó cho chạy chương trình phân tích nội lực kết cầu

hệ

- Chọn Tiêu chuẩn thiết

anh,

| chương trình tự chọn một số hiệu trong nhóm tiết diện đó

trên cơ sở nội lực ứng với tiết diện phân tích, xác định tỷ số giữa ứng suất tinh toán vàKhả năng chịu lục của vật liệu của phin tử thanh thích hợp nhất, được gọi là đit điệmthiết kễ, Với các thanh có ty số này quá nhỏ so với 1, edn chọn thêm một số s6 hiệu nhỏhơn, côn với các thanh cổ tỷ số này lớn hơn so với 1, cần chọn thêm một số s hiệ lớn

hơn trong AUTOI, AUTO2, , để chương trình chọn lại

phân tích sau.

iệu thích hợp, trong bước

~ Nếu không có phần tử nảo có hệ số ứng suất lớn hơn 1, cập nhật tiết điện thi vào

hệ thanh, cho chương trình chạy lại và hiển thị lại tỷ s sử dụng vật liệu của tất cả các

phần tử thanh, nếu hệ số này xắp xỉ bằng hoặc nhỏ hơn 1, kết thúc bài toán thiết kế

trụ hệ thánh

Chú thích:

- Tide diện phân tích và tết điện thiết kế:

(Can phân biệt tiết điện phân ích va tết diện thiết kể Các tiết diện phân tích chỉ được

hiển thị khi nhắn chuột vào View > Set Display Options > Chọn Sections trong cột

Frames > OK ĐỂ hiễn thị tiết điện thiết kế nhắn Design > Xuất hiện bing DisplayDesign Info > Xuất hiện bảng Design Steel Design Results > Chon © Design

Sections trong Design Input > OK.

~ Phan tích lại kết cấu với các phan tứ đã cập nhật tiết điện thiết kế:

Sự thay đổi đặc trưng tiết điện của các phần tử trong bước tinh hệ số sử dụng vật liệt

chỉ làm thay đổi cục bộ ở pha tinh toán ứng sult, Nói cách khác, vige chọn các đặc

trưng tiết điện chỉ ảnh hướng tới giá trị ứng suất ma không làm thay đổi nội lực trongcác phần tử nhậ cược khi phân tích với sự thay đổi như vậy, Sự phân bổ lại nội lực

của các phn từ do sự thay đổi độ cứng có ảnh hưởng khi cho chạy lại chương tinh

‘Cn hoàn thi lại mô phân tích, phân tích lại mô hình vả t lại kết cầu,

được tiễn hành như sau:

~ Mé khóa chương trình > Tir menu Design > Display Design Info, > Xuất hiện bing

Design Steel Design Results > Chọn ® Design Sections trong Design Input > OK.

~ Tir menu Design > Chon Run, ngay lập tức chương trình bắt đầu tiên hành phân tíchMội cửa số nhỏ phía trên được mỡ ra trong đó hiển thị các thông báo về phân tích Các

ết quả sẽ khác kết qua phân tích ban đầu, vì chúng ta đã cập nhật thay đổi đặc trưng

OK để đồng cửa số nhỏ này,

- Từ menu Design > Nhắn Start Design/Check of Structures Thiết ké lạ k

tiết dig thiết kế và hin thị bệ số ứng suất mới, Hiệu quả của vig thay thé này là tiếtđiện phân tích tối ưu và chuyển vỀ khâu tự động tỉnh hệ số sử dụng vật liệu V thểviệc chọn menu này là bước cuối cùng chúng ta cần làm,

Các ví dụ ở dưới như sau: Chương tình phân ích nội lục với tết diện phân tích, trên cơ sở nội lực tim 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 cấu kiện Chương trinh chưa tự động nhập tt điện thiết kế vào kết cấu để phân

tich lại nội lực, người sử dụng chương trình cin nhập tiết diện thiết kế và cho chươngtrình chạy lại như đã nói ở trên Chúng ta có thể thấy sự khác nhau chút it sau khi chochương trình chạy lại với tiết diện thiết kế và hiển thị lại hệ số ứng su.

2.2.2 Bài toán thất kế tốt wu

Cita van là kết cấu phúc tạp không gian siêu nh bậc cao, khi đủ diễu kiện vật liệuthuận lợi sẽ phát huy đầy đủ khả năng làm việc giảm vật liệu, tiết kiệm khối lượng

sông tình

‘Van đề đầu tiên trong thiết kế tối ưu cửa van là phải thiết lập được mô hình hình học

"Đây là phương pháp mô phỏng công trinh thực té bằng mô hình toán học Trong đỏ sắc đại lượng đặc trưng hình học để miu tả hình khối cửa van

Hàm mục tiêu thường sử dụng trong thiết kế tối ưu hình cửa van chủ yếu có hai loại:

kinh tẾ và an toàn Mục tiêu kinh tế trong thiết kế tối ưu cửa van là cửa van có khối

lượng boặc giả thành công trình nhỏ nhất Mục tiêu an toàn cửa van là tương ứng một

khi lượng cửa van nhất định thì độ an toàn là lớn nhất Hiện nay him mục tiêu thườngđằng nhất là kinh tế Điễu kiện rằng buộc thông thường bao gồm: rằng buộc hình học,

rằng buộc ứng suất Trước khí yêu cẩu tối wu cửa van hành sing lọc vai di kiện rang buộc và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu Hiện nay phần mén SAP2000 đã

ccung cắp phương án thiết ké tối ưu

~ Thiết kế tối ưu một mục tiêu về trọng lượng: Trong quả tình tối ưu, chúng không

ngừng thay đổi về tiết diện các thanh Hàm số mục tiêu là tiêu chí đánh giá ưu vànhược điểm của các phương án thiết kế khác nhau, thông thưởng là giá thành của cửa

van và được biểu thị đưới đây:

C@)=cM()

“Trong đó: M(x) là khối lượng thép cửa van; ¢ là đơn giá của thép cửa van

“Thông thưởng giá thành của cửa van chủ yếu phụ thuộc vào ki lượng thép, vì vậy có

yy khối lượng thép làm him số mục tiêu

Điều kiện ring buộc bao cằm: ring buộc vé hình học, ring buộc về ứng chúng bắt buộc phải thỏa man các quy định của tiêu chuẩn thiết kế của cửa van.Xem xét đến

êu cầu thi công và bé trí các bộ phận kết cấu, có khi vẫn cần xem xét một vải yêu cầu

dc biệt rên công trình

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

sông và yêu cầu v8 cầu tạo

+ Rang buộc về ứng suất; Đối với ứng suit các thanh của cửa van, ứng suất đưới tác

‘dung của áp lực nước, trọng lượng bản thân thi thỏa mãn.

ơ<095

lều kiện:

~ Thiết kế tối ưu hai mục tiêu vỀ kinh tế và an toàn:

++ Mô hình kinh t nhất

Ly khối lượng của của van hoặc giá hành làm him số mục tiêu

Khối lượng của cửa van M(x)=> giá trị cục tid

Hàm số ring buộc gjx)<I

Hes

+ Mô hình an toàn nhất:

Í~m(số điều kiện rằng buộc)

an toàn nhỏ nhất kạu,(x)=k,

Lấy hệ số an toàn nhỏ nhất kị„„(x) làm ham số mục tiêu;

1g số an toàn nhỏ nhất kạ„,(x) => giá trị cực đại

Hàm số ring buộc g,05)<1,j=1~m(số điều kiện ring buộc)

Trọng lượng của cửa van M(x)<Mu Đối với của van lấy ứng suất làm điều kiệnkhống chế, công thức có thể đơn giản hóa như sau:

Ứng suất lớn nhất o => giá trị cực tiểu

Hàm số rằng buộc g\(x)S1, j ~m(số điều kiện ràng bude)

Khối lượng của van M(S)<Mo

2.2.3 Các ví dụ tính toán

Ví dụ 1 Thiết kế tối wu đầm liên tục:

“Thiết kế tối wu dim liên tục hai nhịp tiết diện chữ I như ở hình 2.6 Vật liệu thép

ASTM A992F,50, chịu tải trọng tập trung tại giữa nhịp dim có LL=4SkN Nhịp thứnhất đài 6m, nhịp thứ hai dai 8m, Thiết kế dim theo Tiêu chuẩn AISC LRFD93 của

Hoa Ky.

- Dim được mô hình hóa tử kết cầu mẫu.

~ Định nghĩa và gần tải trong LL (Live Load)45kN vào giữa hai nhịp dim như ở hình

SECTIONS PRO > Xuất hiện bảng CA Program File \ Computers and > Chọn

-A992Fy50 trong cửa số nhỏ Material > Nhẫn chuột vào mai én dưới bằng này để cuỗndanh ích các số hiệu thế lên vi chọn W8xI10 > An Shit > Tiếp te kéo danh sich lên

và chọn W835 > OK.

- Các iết diện mới nhập vào được cộng với các it diện đã có trước trong danh sich của bằng Frame Properties

- Nhắn nút Add New Property > Xuất hiện bảng Add Frame Section Property > Nhẫn

chuột vào Auto Select List SJ > Xuất hiện bảng Auto Select Sections như ở hình

2.8 > Chip nhận Auto Section Name: AUTO] > Trong hình 4.8 dùng phim Shift chon

số hiệu thếp từ W810 đến W8%35 ở cửa số tái > Nhắn Add > Chuyển các số hiệu

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

Hình 2.8 ~ AUTOI là nhóm các số hiệu it diện để tự động chon cho dim

“Chọn và gin các phần từ dim > Assign > Frame > Frame Sections > Xuất hiện bảngFrame Properties > Chọn AUTOI > OK, ta có sơ dé dim đã gan tiết diện phân tíchW&x21 (AUTON) là tiết diện trung bình trong nhóm Auto Sections do chương trìnhchon, như ở hình 2.9, Chương trình phân ích nội lục với tết diện này và được gọi làtiết điện phân tích

MĐ21 (40101) x21 (8H01)

AX œ l4)

Tình 2.9 ~ Gan các tiết điện chọn tự động cho dim

“Cho chạy chương tỉnh bằng cách nhẫn chuột vào nit Run Analysis trên thanh công cụ

chính Nhắn OK để đồng cửa số này.

Thiết kế tối ww dm: Chọn tiêu chuẳn thiết kế > Nhẫn menu Design > Steel FrameDesign > View/Review Preferences > Start Design/Check of Structures > Thiết kếdim từ menu Design > Display Design Info > Xuất hiện bing Display Steel Design

Results (AISC-LRFD93) như ở hình 2.10.

Nếu chon ® Design Input: Design Sections > OK > Xuất hiện sơ đồ tiết diện thiết kế

cho ở hình 2.11.

chọn ® Design Output: P-M Ratio Colors & Values > OK > Xuất hiện biểu đồ tỷ

số nội lực và khả năng chịu lực của các phin tir dim bằng mẫu sắc và bằng giá trị như

ở hình 2.12 Tỷ số này còn được gọi là hệ ứng suất hay là hệ số sử dụng vật liệu

Display Steel Des

Hình 2.12 — Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện phân tích.

“Trên cơ sở biểu đồ nội lực ứng với tiết diện phân tich WSx21 như ở hình 2.9, chương

trình tự động chọn tiết diện thiết kế

thị ở hình 2.11 và hi

"Để xác định hệ số ứng sui

h hợp trong số các tiết diện trong Auto Sections được hi 5 ứng suất tương ứng cho ở hình 2.12

(tỷ số giữa ứng suất và cường độ tính toán của thép làm

cấu kiện) của dim ứng với tiết diện thiết kế được thực hiện như sau:

~ Mỡ khỏa chương trình > OK.

~ Nhắn menu Design > Steel Frame Design > Display Design Info > Xuất hiện bảng

Display Steel Design Results > Chon ® Design Sections trong Design Input > Xuất

hiện lại sơ đồ dim 2 nhịp với các ti

213

diện thiết kế đã được gn vào dm như ở hình

- Cho chạy lại chương trình, chạy chức năng thiết kế kết edu thép và hiển thị hệ số ứngsuất tương ứng như ở hình 2.14, Do độ cứng của dim thay đổi, nội lực dầm thay đổitheo và hộ số ứng suất cũng thay đôi nhưng không dáng kể

Hình 2.11 hiển thị tết điện thiết kế cho dim sau khi đã chạy chương trình ứng với nội

sơ đồ bao giờ cũng kèm theo hệ

lực được tính toán theo tiết diện phân tích, nên tron

số ứng suất được thể hiện bằng mia, Còn trong hình 2.13 him thi tiết diện thiết kếđược gần vào dim khi chương trình chưa chạy nên dim không có mẫu.

lạ 22 - Thiết kế tối ưu khung thép

“Thiết kế tối wu khung thép 2 ting 2 nhịp có kích thước và chịu tải trọng như hình 2.15,

theo Tiêu chuẫn thiết kế ATSC-LRFD93 của Hoa Kỳ,

Hình 2.15 ~ Sơ đỗ tinh toán khung

Khung thép 2 ting 2 nhịp cho ở hình 2.15, kích thước tt diện chọn sơ bộ ban đầu cia

sắc phần từ cột bằng thép hình W 14x82, của dim bing thép hình WI2x64 Chiểu cao

của ting là H—4.0m, chiều đài của nhịp khung là L=7.5m,

Vật liệu của dim và cột bằng thép ASTM À992F,50

Ba trường hợp tải trọng sau đây được xem xét để phân tích là DL, LL và QX, trong đó.

DL và LL là tĩnh tải và hoạt tải, QX là tải trọng động đất

Các

Ting] DL=10kNim LL=L2kNim

h tai và hoạt ải tác dụng lên nhịp dim như sau

Ting 2 SkNim — LL=03kN/m

Tài trong động đất tĩnh tương đương tác dụng tại sản các tang theo phương ngang X có

OX =250kN,

Thiết lễ tối wu khung thập

Sau khi xây dựng xong mô hình tính toán như ở hình 2.16 với tên file là Vi du 2-2, cho

chạy chương trình và kiém tra ứng suất theo Tiêu chuẩn AISC-LRFD9S như sau

Hình 2.16 - Sơ đồ tính toán khung với các tiết diện dam, cột chọn sơ bộ.

Từ menu Dsign > Steel Frame Design > View/Review Preferences > Xuất hiền bảng

Steel Frame Preferences for AISC/LRFD93 (XemKiểm tra Tiêu chun chọn) > OK >

Design > Start Design/Check of Structures > Design > Display Design info > Xuất

hiện bảng Display Stos! Design Results (AISC-LRFD93) như ở hình 2.17 > Chon “

Design Output: P-M Ratio Colors & Values > OK > Xuất hiện sơ đỏ khung cho ty số giữa nội lực và khả năng chịu lực của các phần tử khung bằng mẫu sắc va bằng giá tị như ở hình 2.18

Display Steel Design Results (AISC-LRFD.

© penta [oo]

Mình 2.17 ~ Lệnh hiển thị hệ số ứng suất

Hình 2.18 ~ Hệ số ứng suất ứng với các it diện chon sơ bộ

“Xuất hệ số ứng suất ứng với các tiết diện chọn sơ bộ của các phần tử khung từ menuDisplay > Show Tables > Xuất hién bảng Choose Tables for Display > Chọn

DESIGN DATA (1 of 3 tables selected)

=H Steel Fane

Steal Sina Data

1 Table Steel Design Suma Osta AISCLAFDSS

in bảng 2.1 Table Steel Design 1- Summary Data

LRFD93 cho biết hệ số ứng suất của các phần tir khung

Bảng 2.1 ~ Hệ số ứng suất ứng với tiết điện phân tích

Nhắn OK > Xuất

TABLE: Steel Design 1 - Summary Data - AISCARFDS3 Frame [Destansect| Oestantype | Raws | RavoType | Combe | Location

Ter | Tet Tet | Uman| Tet | Te | m

3 [Vi [comma |titmaM| mm | oss | +

| Viees | caưm |oy09| mm | oon | +

hiện thông báo có 3 phần từ không thỏa mãn điều kiện ứng suất cho ở

chọn và hiển thị các phần từ này thì nhắn Yes > View > ShowSelection Only > Ba phin tử nói trên đ được hiễnthị như ở hình 2.190, các phần từ cỏmau đỏ kém theo mã và hệ số ứng suất (hệ số sử dụng vật liệu)

E=_1_>_IMình 2.19 ~ Hiển thị các phần tử có hệ số sử đụng vật liệu k >1

“Từ hình 2.18 cho thấy cả 2 phần từ dim ting 1 đều mẫu đỏ có ứng suất vượt qúa khảnăng chịu lực của vật liệu, 2 phần tử dim ting 2 có hệ số ứng suất nhỏ hơn 1 Bốnphần từ dim hiện có tit điện là W12*65, néu ta chọn các phần từ này có kích thướclớn hơn thì tỷ số ứng suất của các phần tử này sẽ nhỏ hơn 1 Chỉ có một phần tử cộttằng 1 ở giữa mẫu dé cổ tỷ số ứng suit lớn hơn 1, các phần tr cột ting 2 có tý số ứngsuắt nhỏ hơn 1 ắt nhiều, hiên tại cột có số hiệu W14x82, cin chọn số hiệu nhỏ hơn

“Chúng ta sẽ chọn một số số hiệu tiết diện cho dim vả cho cột ở tầng 1 vả 2 như sau:

mm ting 1 và 2 chọn số hiệu thép định hình từ W12x30 đến W12x96 với Auto

Section ký hiệu là AUUTOI-D.

- Cột ting | chọn từ W14%68 đến W14x 20 với Auto Section là AUUTOL-C

chọn từ WI4x22 đến W448 với Auto son là AUUTO2:

= Cội tả

CChuong tình tự động chọn một trong các tết diện này làm tết diện phân ch cho dim

và ct ting Iva ting 2

Mỡ khóa chương trình bằng cách nhắn chuột vào Lock/Unlock ở menu chính, ngay laptúc chương trình thông báo nếu mở khóa thi các số iệu vữa tính toán sẽ bị xóa, nếuđồng ý nhắn OK.

Nhắn menu Define > Section Properties > Nhẫn Frames Sections > Xuất hiện bảngFrame Properties > Nhắn Import New Property > Xuất hiện bảng Import Frame

Section Property > Nhắn l/Wide Frame > Xuất hiện bảng Section Property File >

Chon SECTIONS PRO > Xuất hiện bảng CÀ Program File \ Computers and > Chọnvật liệu A992F,50 trong cứa sé Material > Nhắn chuột vio mũi tên dưới bảng này để.cuốn danh sich cic số hiệu thép lên và chọn W120 > An Shift> Tiếp te kéo danh

sich kin và chọn W12⁄96 cho dim ting | và 2> OK

“Tương tự chọn các số hiệu thép hình từ W14%22 đến WI4x120 cho các phin tử cộttổng 1 vi 2> OK

Œ ốt diện mới nhập vào được cộng với cúc it diện đã cỏ trade trong danh sich của

bảng Frame Properties

Nhắn Add New Property > Xuất hiện bing Add Frame Section Property > Nhẫn chuộtvào Auto Select List Ol > Xuất hiện bảng Auto Select Section như ở hình 2.20 > Nhập,Auto Section Name: AUTOI-D cho dim ting 1 và 2 > Trong hình 2.20 dùng phimShift chọn số hiệu tiếp từ W230 dn W2296 ở của số tái > Nhẫn Add > Chuyêncác số hiệu thép này sang Auto Sections ở cửa số phải > OK.

Hình 220 ~ AUTOI-D là nhóm các tết diện để chọn tự động cho dim

“Thực hiện tương tự với et ting I có Auto Section Name: AUTOI-C > Trong hình

4.21a Ấn Shift chọn số hiệu từ WI4x68 đến W4x120 ở cửa số trải > Add > Chuyểncác số hiệu thép này sang Auto Sections ở cửa số phải > OK Thực hiện tương tự chosộttằng 2 với Auto Section Name: AUTO2-C > Trong hình 2.21b chon số hiệu thép từW14x22 đến W14x48 ở cửa số trái > Add > Chuyển các số hiệu thép nay sang Auto.Sections ở cia số phải > OK

Hình 2.21 ~ Chọn nhóm các tết điện tự động chọn cho cột AUTOL-C và AUTO2-CChọn và gin các phần tử dẫm ting 1 và 2 > Assign > Frame > Frame Sections > Xuất

hiện bảng Frame Properties > Chọn AUTOI-D > OK Tiếp tục chọn các phần tử cột

‘ting I > Assign > Frame > Frame Sections > Xuất hiện bảng Frame Properties > ChonAUTOL-C> OK Tương tự chọn và gin AUTO2-C cho cột ting 2 > OK

Sau khi gin Auto Section vào các thanh chương trình tự chọn tiết diện phân tích cho

sắc thanh này, thường là tiết điện rung bình trong Auto Section đó, Cho chạy chương

trình bằng cách nhắn chuột vio nút Run Analysistrên thanh công cụ chính Nhắn OK,

để đóng cửa số nay,

“Chương trình tính toán lại hệ số ứng suất > Nhắn menu Design > Start Design/Check

of Structures

"Để hiển thi số ứng suất từ menu Design > Display Design Info > Xuất hiện bảng

Display Stee! Design Results (AISC-LRFD93) > Chọn © Design Output: P-M Ratio

Colors & Values > OK > Xuất hiện sơ đô tỷ số ứng suất và cường độ tinh toán của vatliệu bằng mẫu sắc và bằng giá tr như ở hình 2.22 ứng với tiết diện phân tích

Hình 2.22 ~ Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích.

"ĐỂ xem tết điện mới được chọn này nhắn chuột vào menu Design > Display DesignInfo > Xuất hiện bảng Display Steel Design Result (AISC-LRFD93) như ở hình

2.23, trong hộp hội thoại này chon Design Sections trong ® Design Input > OK >

Xuất hiện các it dién mới chon như ở hình 2.24

Display Steel Design Results (AISC-LRFD.

"` - 1 =]

== _=i

Hình 2.23 ~ Lệnh hiển thi tiết diện kế

“Trong hình 2.24 các số hiệu thép ghỉ ở bên trên cúc phin tử dim hay bên trái các phần

tử cột là số hiệu thép phân tích có kẻm theo chữ (AUTO), còn số hiệu ghi ở bên dướisắc phần tử dim hay bên phải các phn từ cột là số hiệu thép thiết kể

A A Z

inh 2.24 ~Hign thi tiết diện phân ích v tết điện thiết kế

"Phân tích lại kết cấu với các phần tử đã cập nhật tết diện hide kế

"Để xác định hệ số ứng suất của các phần tử khung ứng với tiết điện thiết kế được thực

hiện như sau:

~ Mỡ khỏa chương trình > OK.

~ Nhắn menu Design > Steel Frame Design > Display Design Info > Xuất hiện bang

Display Steel Design Results > Chọn ® Design Sections trong Design Input > Xuất

hiện lại sơ đồ khung 2 ting 2 nhịp với các tết diện thiết kế đã được gn vào khung như.

ở hình 2.25.

L

Tg

Hình 2.25 ~ Gan tiết diện thiết thế vio khung

~ Cho chạy lại chương trình phân tích nội lực với các đặc trưng tiết điện thiết kế vàhiển thị hệ số ứng suất tương ứng như ở hình 2.26 và bảng 2.3

~ Do độ cứng của của các phần tử dim và cột thay đổi, nội lực khung thay đổi theo và

số ứng suất cũng thay đối, nhưng không đáng kể Để tiện so sánh taghỉ kết quả tính toán với dầm ting 2 nhịp tri có k-0,865(0,934) và nhịp phải ó K=0,834(0,810), với

fin ting 1 nhịp trái có k=0,853(0/982) và nhịp phải có k=0.928/0,977) Với ting 2 cột

L85(0.948),cật giữa có K-0.939(0, 928), cột phải k-0,798(0.823), với ng

1 cột trái có k0,912(0,945), cbt giữa có k=0.925(0 895, cột phái có K=0,9110,936) tái có

trong đó chữ số trong ngoặc đơn (.) ứng với tết diện phân ch