Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình Thủy: Phân tích chỉnh thể kết cấu tường chắn dạng tấm làm việc cùng với nền và cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CÁM ƠNMOOT Luận văn thạc si kỹ thuật chuyên ngành Xây dung Công trình thủy với dé tai: “Phân tích chỉnh thé kết cấu Tường chan dạng tắm làm việc cùng với nền và cọc bằng phương pháp

LỜI CÁM ƠN

MOOT

Luận văn thạc si kỹ thuật chuyên ngành Xây dung Công trình thủy với dé tai:

“Phân tích chỉnh thé kết cấu Tường chan dạng tắm làm việc cùng với nền và cọc bằng phương pháp Phần tử hữu hạn” là một đóng góp nhỏ cho khoa học kỹ

thuật

Luận văn được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của Khoa sau Đại học,

các Thầy Cô giáo thuộc Bộ môn Sức bền kết cấu - Trường Dai học Thuy lợi cùng các bạn bè, đồng nghiệp trong và ngoài trường, Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó để Tác giả hoàn thành tốt nhiệm vụ nghiên cứu của mình.

Đặc biệt, Tác giả luận văn xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo: TS Lý Trường Thành đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp các thông tin khoa học kỹ thuật cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn này.

Cuối cùng, Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, đã quan tâm, động viên, giúp đỡ về tinh thần cũng như vật chất và sự khích lệ Tác giả để Luận

văn sớm được hoàn thành.

Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như trình độ chuyên môn nên Luận văn không thê tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến chỉ bảo của các Thay, các Cô, các bạn đồng nghiệp dé những nội dung đề cập trong Luận văn được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, thang TÌ năm 2011

Tác giả

Trân Thanh Tùng

MỤC LỤC

MO ĐẦU - 52-51 S1 E1 1121121121121121121121111.1111 11111111 11 1 1 1 1 1121212121111 rrey 1

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE TINH HÌNH XÂY DUNG VA TÍNH TOÁN TƯỜNG

CHAN DAT iveescescsssessesssessesssessessecssessecsuessecsscsvessesssessessessuessessecssessecssesseesees 4

1.1 CẤU TAO VA UNG DUNG MOT SO KET CẤU TƯỜNG CHAN THƯỜNG

CN - c2 T1 1121211211 2121121112111111111111 1111111 011112111511111 1111111111111 re 6

1.3 TINH TOÁN THIET KE TƯỜNG CHAN DANG TAM THEO QUI PHẠM 13

1.4 KET LUẬN CHƯNG 1 voceeccccccscccsscsscsscsesessessesessecstsessesersessesesscarsnssesansesensesseeaees 21

CHUONG 2 TONG QUAN VE PHUONG PHAP PHAN TU HUU HAN

VA PHAN MEM SAP2000 scssssssessesssessesssessessvessessecssessessvessessessseaseeaes 23

2.2 GIỚI THIEU VE PHAN MEM SỬ DUNG TRONG LUẬN VĂN, PHAN MEM

SAP2000 o ccescsssessesssessecssessecsusssessecsucssecsvcssesssssussssssecsuessesssssuessecsusssesssesseesecsseaseeaes 30

2.2.1 Hệ thống đơn vị (Unit Sytem) - SAP2000 wo eeccecceeccecessesssessessessesseessessesssesseeaee 31

2.2.5 Chức năng vẽ các phan tử thanh và phần tử vỏ :-¿s¿©z+++cszze- 34

2.2.6 Chọn đối tượng dé thực hiện các lệnh tiếp theo (xóa, gán, sao chép, nhân bản, di

CHUYEN, ) cesssecsesssecsesssessessusssecsussusssecsusssscsessusssecsusssstsessusssecsusesessessueesecseceseeses 34

2.2.7 Xoá một số bộ phan của kết cấu đã vẽ hoặc khôi phục bộ phận vừa xoá 35

2.2.9 Chức năng chia phan tử tắm lớn thành nhiều phần tử nhỏ . 35

2.2.11 Chức năng di chuyển nútt - ¿- ¿5£ 5£ SE +E£EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrrree 36

2.2.14 Gán các đặc trưng hình học và vật liệu vào các phần tử của kết cấu 37

2.2.16 Định nghĩa trường hop tải tTỌnE - - + 5 1 1H HH ri, 37

2.2.17 Gan tải trọng vào kết cấu ¿- 2¿©2+¿2++2Ekt2EE2EEE221221 2112112112112 ee 38 2.2.18 Tổ hợp tải trong (Load Combinations) ccsscsssessssssessessesssessesssessesssessesseesseeses 40 2.2.19 Sắp xếp lại mã nút và mã phan tử (Change Labels) . - ¿©5252 40 2.2.20 Kiểm tra số liệu "00 4I 2.2.21 Phân tích kết cấu đã mô hình hoá -c: ©55cccc22vvvrtExxrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 4I

2.2.23 Hiền thị nội lực hoặc ứng suất của các thành phần kết cấu - 42 CHUONG 3 PHAN TÍCH CHINH THE KET CAU TƯỜNG CHAN DẠNG TAM

LAM VIEC CUNG VOI NEN VA COC BANG PHUONG PHAP

PHAN TỬ HỮU HAN, DUNG PHAN MEM SAP 2000 - 44 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYET MO PHONG BAI TOÁN KET CẤU TƯỜNG CHAN

3.2.1 Mô hình nền đàn hồi tuyến tinh wo essessessessessessessessessessessesseseseeseees 51 3.2.2 Mô hình nền biến dạng đàn hồi cục bộ - mô hình nền Winkler 52 3.2.3 Mô hình nền biến dạng đàn hồi tổng quát -¿ 2¿5¿22+222x+2zx2zxszsez 54

3.2.4 Mô hình hỗn hợpp -¿- 2 ©+z++++E+++EEE+EEEEEEE2EE2E12711271271211 21121 EEerrxe 55

3.4 MO HÌNH COC woieescessssssessessssssessessvcssesscssessessvessesevsssessessessuessesssessesscssesseesesseesees 59 CHƯƠNG 4 CHUONG TRÌNH TÍNH TOÁN VA CAC Vi DỤ BANG SỐ 61

4.1 TINH TOÁN NOI LUC MOMEN UON THEO HƯỚNG DỌC, HƯỚNG

4.1.4 Tính toán ổn định - 2 ¿5£ £+E£+E£EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrreg 65 4.1.5 Tính toán nội lực mômen uốn theo hướng dọc bản mặt và bản day tuong 65

NGANG TƯỜNG CHAN 1

42.1 Cách tin từng phần hệ 6 42.2 Cách tink toda hệ 69

4.2.3 Két qua tinh toán B

CHUONG 5 KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ 89 5.1, NHUNG KET QUA ĐÃ BAT ĐƯỢC TRONG LUẬN VAN 89 5.2 NHỮNG DIEM CON TON TẠI 90

53 MỘT SO KIÊN NGHỊ 91

“TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ

“Hình 1-1: Sơ đồ cấu tạo tường chẩn đắt 6Hình 1-2: Phân loại theo mặt đất sau tường 7Hin 1-3: Phân loại theo nguyên ắc lim việc của trờng #

“Hình I-4: Phân loại theo độ nghiêng của lưng tường, 9

Hinh 1-5: Phân loại theo cách thi công tưởng ò s cv cà se EO

"Hình 1-6: Câu tạo trông chin đắt iẫu bản chẳng "

Hình 1-7: Mặt cắt đại diện tường chẩn AZ

Hinh 1-8: Sơ đồ tinh toàn én định tng chin 15

Hình 1-9: Sơ do tink toán kiểm tra ứng suất nên 18

Hinh 1-10: Sơ đồ tính toán nội lực bản mặt tường chắn : ¬- lD

“Hình I-11: Sơ đồ tin toán nội lực bản đây tưởng chin 20Hinh 2-1: Sơ dé giải bài toán kết câu theo phương pháp PTHH

“Hình 32: Sơ đỗ giải bài oán kết cấu bằng phần mém S4P2000 31Hinh 3-1: a) So đỒ tải tong tính tn lên vỏ gdp adHin 3-2: Các thành phần nội lực của tắm 6Hình š-3:Các thành phần ội lực 31

Hin 3-4: Mé hình nên Winkler ss ese "¬

Hin 3-5: Mé hình nén hai hệ số Pasternak 56

Hình 3-6: Mô hình cọc ma sát 5D

Hin 4-1 Cấu tao tường chẳn dt kiẫu bản chẳng, 2

Hình 4-2: Kết cầu tường 5 khoang 0

"Hình 4-4: Biẫu đỒ momen uén trường hợp trởng Š khoang 63Hình 4-3: Biểu dé momen uốn trường hợp tường 4 khoang chia không đều 64'

“Hình 4-6: Sơ đổ áp lực 66

Hành 4-7: Sơ đồ chia bang tính toán 7

“Hình 4-8: Big đồ mômen uỗn băng 4 bản mặt trồng Š khoang chia dé -.67Hình 4-9: Biéw đồ momen udn bang 12 bản mặt tường 5 khoang cha đầu 68

Biéu đỗ momen uốn bang 4 bản mặt trờng 4 khoang chia không de

Biển đồ mômen uấn bing 12 bản mặt rồng 4 khoang chia không đều.Biéu đồ mômen uốn bang 4 bản đáy tường 4 khoang chia không đều Biển đồ mômen uấn bing 4 bản mặt trởng 3 khoang chia déu

Biểu đồ mômen uấn bang 12 bản mặt tường Š khoang chia đều

Biểu dé mômen uốn băng 4 bản mặt tường 5 khoang chia déu

Tiểu đồ mômen uấn bang 12 bản mặt trồng Š khoang chia

Biéu đỗ momen uốn bang 4 bản mặt trờng 5 khoang chia déu

Biéw đồ momen uấn bing 12 bản mặt trồng Š khoang chia

Biéu đồ momen uốn bằng 4 bản mặt tường 4 khoang chia không đều.Biểu đồ momen uấn bing 13 bản mặt trồng 4 khoang chia Không déBiểu đồ mômen uấn bang 4 bản mặt trừng 4 khoang chia không đềuBiéu dé momen uốn băng 12 bản mặt tường 4 khoang chia không đêu.Biểu đồ mômen uấn bing 4 bản mặt trồng 4 khoang chia không đầuBiển đồ momen uấn bằng 12 bản mặt trồng 4 Khoang chia Không đềuSordi không gian tường 5 khoang,

Sor đồ mômen uẫn hướng doc bản mặt tường M22(T.m).

Sor dd mômen uén hưởng ngang bản mat tường MI1(T.m)

Sơ dd mâmen uồn hưởng đọc bản đúy ning MU 1(Œ.m)

Sơ đồ mômen uén hưởng ngang bản đáy tường M22(T.m)

Sơ đồ mômen uốn hưởng đọc bản trồng M23(T.m)

Sơ dé momen uồn hướng ngang bản tường MỸ I,T.m)

Sơ đỗ momen uén hưởng doc bản diy MI1(T.m)

Sơ đỀ nômen uồn hướng ngang bản diy M22(T.m)

Ser dd momen uén hướng đọc bản mặt trờng M22/(T.m)

So dé momen uốn hưởng ngang bản mặt tường MĨ1(T.m)

Sơ đồ momen uén hướng doc bản đúy tường MI 1ƒ)

So dé mômen udn hướng ngang bản diy tường M22(T.m)

70

Sơ đồ momen udn hướng doc bản mặt trờng M22(T.).

Sơ đồ mémen uỗn hướng ngang bản mặt tường M1 I(T.m)

tưởng MLI(T-m).

Sơ dd mâmen uồn hướng đọc bản diy

Sơ đồ mômen uốn hướng ngang bán đáy tường M22(T.m)

Sơ đỗ mômen uồn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)

Ser dé mômen uỗn hướng ngang bản mặt tường MII.)

Sơ đỗ mômen tồn hướng dọc bản đấy tưởng MI 1T)

Sơ đồ mômen udn hướng ngang bản diy tường M22(T.n)

Sơ dé mémen uốn hướng dọc bản mặt tường M22(T.m)

Sơ đồ momen uỗn hưởng ngang bản mat tường MI1(T.m)

Sơ đồ mômen uốn hướng dọc bản diy tường MI I(T.m)

Sơ đỗ momen uồn hướng ngung bản đủy tường M22/T.m)

Sơ đồ không gian tường 4 khoang chia không đều

Sơ đồ không gian tưởng 5 khoang chia đều có kể đến tải trọng bên

0 8 81

83 83 84

84

85

85

86 87

87

MO ĐÀU

1 TINH CAP THIET CUA DE TÀI

Ngày nay, do nhủ cầu phát triển kinh tế xã hội, các công trình xây dựng đã vàdang xuất hiện với một tốc độ nhanh chóng Nhiệm vụ quan trong trước mắt của cácchuyên gia về xây đựng là tìm tòi, ứng dụng các phương pháp tính toán và thiết kế

công trình hoàn thiện hơn, tết kiệm hơn, từ đồ năng cao khả năng chịu lực, độ tin cây cũng như hiệu qua của công trình.

'Các kết cẩu trong công trình thuỷ lợi như tường chắn dat thường nằm trên nền.đất tự nhiên Tính dễ biến dang của nền mà hệ quả của nó là độ lún không duthường gây ra các ứng suất bỗ sung trong kết cấu xây dựng nằm trên nền đất Độ.lớn của các ứng suất này phụ thuộc vào đặc điểm của kết cầu công trình

Mặt khác độ cứng của công trình trên nền cũng ảnh hưởng rit lớn đến sự phân

bổ ứng suất tại mặt tiếp xúc giữa công trình và nễn, nó xác định khả năng tự cân đối

449 lún của công trình Công trình có độ cứng cảng lớn cảng đảm bao độ lún được

phân bổ đều, ngược lại độ cúng công trình cảng nhỏ cảng đễ dẫn đến sự lún không,

cđầu và biển dang của công trình càng tăng lên.

‘Vi vậy, trong quá trình thiét kế, việc tính đến sự làm việc đồng thời giữa nền vàcông trinh nằm trên nỗ là võ cùng cần thiết Nghiên cứu sự làm việc của tắm trên

nền là một bài toán kết cấu tắt hay gặp trong thực tế, Tắm làm việc trên nền được sử

dạng rộng rãi trong các công trình như tắm mặt đường, đường sin bay, trồng chintrong công tình thủy li Tính tắm trên nền dan hồi và cọc là một bãi toán tiếpxúc phức tạp néu xét từ góc độ của lý thuyết đản hôi tuy nhiên, trong thời đại ngày

nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc giải bài toán kết cấu

bằng phương pháp số đã trở nên dễ dàng Mé hình nền thường được sử dụng trong

tính toán là mô inh có một hoặc hai hệ s n Các phần mém thương mại tinh

toán kết cấu của nước ngoài đã giải quyết được bài toán nay bằng phương pháp

phần tử hữu hạn, tuy nhiên chúng lại có giá thành khá cao so với khả năng tải chính

của nhiều cơ quan thiết kế trong nước, Ở nước ta, tinh toán tắm trên nễn có hai hệ

xố cũng đã được một số tác giả giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn nhưng kết

«qua để ứng dụng thực tế còn hạn chế do chúng chưa thỏn mãn được các bãi toán cóđiều kiện biên phức tạp Gần đây đã xuất hiện một số công trình nghiên cứu giải bàitoán này bằng phương pháp phần từ hữu hạn Trong khuôn khổ luận văn này, tác

giá đề cập đến việc tính toán Tường chấn đắt được xem như tắm trên nền din hồi và

cọc theo các mô hình nén khác nhau bằng phương pháp phin tử hữu han và ứng

dung để tinh toán một công trình thực té cụ thể,

2 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CUA ĐÈ TÀI

Nghiên cứu xác định trang thái ứng xuất, biển dạng của tường chin dạng tắmkhi có kể đến có sự tương tác với nén và cọc

Trong khuôn khổ của luận văn mục tiêu đặt ra được giới hạn cụ thé trong những nội dung sau

`VỀ mặt kết edu, xem xét bài toán tường chin đắt như tắm đặt trên nn và trên

Về mặt chuyển vi, chỉ giới hạn nghiên cứu bài toán chuyển vị nhỏ Điều kiện

này đặt ra chỉ nhằm đảm bảo chat che về mặt lý thuyết

Về vật liệu của kết cấu, chỉ đề cập đến dạng mô phòng vật liệu của kết cầu là

liên tục, đồng chất, đẳng hướng và dan hồi tuyển tinh;

Về nền chi xét dạng: Ban hồi tuyến tính

in chỉ

Trường hợp nén được xử lý bing cọc trong nghiên tập đến cọc ma

sát, trong đồ sức khing lún của cọc bao gm hai phần: Ma sit đọc theo thân cọc và

sức chống ở đầu mỗi cọc

`VỀ mặt ứng xữ của tắm, thiết lập phương trnh cơ bản và thuật ton để phân ích

chuyển vị và nội lục của tim trong điều kiện tim làm việc ở dạng chỉnh thể (toàn

Khối) cổ xết đến tương tác của tắm với cọc và trong 46 vật liệu kết cấu, vật liệu

nền và cọc được bảy ở trên.

"Như vậy có thé thấy: Phương pháp phần tir hữu hạn (PTHH) có t bài toán,

ở dang tổng thể, không cần qué nhiễu gi th nên việc nghiên cứu bài toán bằng phương pháp PTHH không chỉ có ý nghĩa khoa học mã còn mang lại hiệu quả kinh

và kỹ thuật

3 CÁCH TIẾP CAN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU

Nghiên cứu lý thuyết và sử dụng phương pháp tính toán hiện đại - phương phápphần từ hữu hạn kết hợp sử dụng phẫn mềm cho bãi ton đặt ra tường chấn dạng

tím

+ Lựa chọn sơ đồ tính, thiết lập các phương trình cơ bản;

- Lập thuật tin giải

~ Ap dụng cho công trình cụ thể

CHƯƠNG I

TONG QUAN VE TINH HÌNH XÂY DỰNG VÀ TÍNH TOÁN.

TƯỜNG CHAN DAT

Tường chin đất trên Đèo Hải Van

1.1 CẤU TẠO VÀ UNG DỤNG MOT SỐ KET CẤU TỊ

THUONG GAP

1.11 Cấu tạo:

“Tưởng chắn dat là công trình giữ cho mái đắp hoặc đào khỏi bị sụp đỏ, nó được

sử dung rộng rãi rong xây dựng công nghiệp, din dung, đường bộ, đường sit và thủy lợi, ngoài ra còn dùng trong công tác him mỏ và công sự.

Mặt tường quay về phía đất dip gọi là lưng tưởng, còn mặt quay về phía ngược

lại được gọi là ngục tường (hình 1-1), Những đặc trưng bình học cơ bản của tưởng

chắn (bình 1-1) là: Chiểu cao tường hy, bề rộng định tường bạ, bề rộng đáy tường b,

và góc nghiêng ø là độ nghiêng giữa lưng tường với đường thing đúng

TIM

==

Tình 1-1: Sơ dé cấu tao tường chin đất

Đối với móng tường thi các đặc trưng hình học là: Chiễu cao mồng hạ và bề

rộng diy móng b Chiều cao của cả tường bằng h Những đường nằm ngang có hình.

chiếu trên mặt thẳng đứng là các điểm 0;, Bạ, 0 và B được gọi là: mép dưới của

lưng tường, mép dưới của ngục trờng, mép đưới phía trước của móng và mép dưới

phía sau của móng,

Cần phân biệt các dang sau dây của mặt đất tự do sau tường chấn (hình 1-2}Mat nằm ngang (hình 1-2a), mái dốc (nghiêng lên) (hình 1-2b), mái hạ thấp (hình 1-

2c), nữa mái đốc (hình 1-24), mái gẫy khúc (bình 1-2e), không theo một hình dạng

nào (hình 1-2g).

= * aS oar Tà

C6 thé phân lại tường chin theo nhiễu cách khác nhau:

~ Theo tác dụng: Khó có thé phân chia rõ rang, bởi vì hiện nay trong các công

nhiều hình thức khá trình xây dựng, tường chin được sử dụng rit nhiều và dus

nhau Tuy nhiên vẫn có thể phân chia tường chin ra loại tường git! mái dip và loại

tường ngăn mái dao,

= Theo tỉnh chất kim việc: cần phân biệt loại tường chắn độc lập va trờng chin

có liên quan đến các công trình tiếp giáp Ngoài ra cn phân biệt tường chắn không.chịu ấp lực nước và tưởng chin thủy công

~ Theo chiều cao: Tường chắn chia ra: loại thấp - có chiều cao đưới 10m, loi

trung bình - cổ chiều cao từ 10 đến 20 m và loi cao cổ chiều cao lớn hơn 20m Vi

du tường chin đất cao nhất xây dựng ở nhà máy thủy điện V.L.Lenin trên sông Von

~ Ga có chiều cao lớn hơn 40m

= Theo vật liệu: Tường chin có thé Lim bằng bê tông cét thp, bê ông, bê tổng

đá hdc, đá xây, gạch xây hay kim loại.

= Theo nguyên tic làm việc: Có thể chỉa theo các loại sau:

» Bị

TỶ" ee

* see

g #

Hinh 1-3: Phân loại theo nguyễn tắc làm việc của tường:

+ Tường trong lực: Độ ôn định được bảo đảm chỉnh là do trọng lượng bản thin

và vậliệu (bê tông, đá xây hay gạch xây) chủ yếu chịu ứng suất nén hình 1-3a)

+ Tường nữa trong lực: Độ ôn định được bảo đảm không những chỉ nhờ trọng

lượng bản thân mà còn do trọng lượng của khối dit nằm trên bản đây Loại tườngmày thường là những kết cấu bê tông cốt thép, trong đó lực kéo do cốt thép chịu

(hình 1-3b).

+ Tường có những cấu kiện mỏng: Loại tường này câu tạo bằng nhiều tắm bêtông cốtthép đúc iền nhau Sự ôn định của loại tường này được bảo đảm căn bản là

do trọng lượng của khối đắt nền trên bản đáy và chỉ một phần nhỏ là do trọng lượng

‘ban thân (hình 1-3c).

+ Thường mỏng: sự én dinh được đảm bio nhờ tường được chôn chặt xuống nén

(hình 1-3đ) Để giảm bớt chiều sâu nằm trong đất và để tăng độ cứng của tường,

"người tathường ding đây néo.

+ Tường trong lục, trồng nửa trụng lực và tuing cỏ cầu hiện ming có thé xếpvào loại tròng trong lực dé phân biệt với tường mỏng

= Theo độ nghiêng của lưng trồng: Tay theo độ nghiêng của lưng tường có thể

chia tường chin dat thành loại tường dốc (hình 1-4a, b); Tưởng thoải (hình 1-4c) vàtường nằm ngằm (hình 1-44) Đẳng thời tưởng dốc có thể cỏ mái nghiềng thuận

(hình 1-4a) hoặc mái nghiêng nghịch (hình 1-4b),

“Hình 1-4: Phân loại theo độ nghiêng của lưng tường

~ Theo cách thi công: Tưởng chắn đất được chia thành tường liễn khối vàtường Lip ghép Tường chắn bằng bê tông cốt thép dé liền ig lắp ghép Tường ig bê tông cốt thép, 1g iskhối có dạng chữ L thôn;

của trạm thủy điện với công trình đất và bản bờ: chúng được diing trong các công,

trình đầu mối thủy lợi trên sông, làm một số bộ phận của những công trình giaothông vận ti êu thuyén) hoặc ding trong hệ thống dẫn nước thuộc trạm thủy điệnmắng nước, bể king; Ngoài ra tường chin còn được ding trong các công tinh thủylợi ở biển, làm một số bộ phận của những công nh bảo vệ bến và kệ

1.1.3 Két cấu tường chin được nghiên cứu trong luận văn.

"Tường chắn đất kiểu bản chống là kết cấu tường được ding khả phổ biển trong.các công tình thấy lợi, giao thông vận ti, xây dụng Tường chin kiễu bản chốngđược thiết kể với các chiều cao từ ám đến 6m đặt trên nền đất, đá có bể mặt đắt đắpsau tường nằm ngang hoặc gây khúc chịu ti trọng của xe may thi công hoặc các taitrọng xuất hiện trong thồi gian khai thác

Hình dạng hợp lý và kinh tế của tường chắn bê tông cốt thép liên khối là tườngchin đất kiểu bản chẳng Cầu trúc mặt cắt ngang tường bao gồm hai tim bê tông cốt

thép (bản mat và bản đầy) liên kết với nhau thành một khối dạng chữ L, ngoài racdọc theo chiều đài của tường ta bổ trí những bản chồng để tăng cường độ cứng cho

toàn kết cấu

Chiều rộng bản đáy xác định chủ yếu từ điều kiện ôn định chống trượt theo đểmóng, tuy vậy có trường hợp cần khắc phục tinh trạng áp lực để móng lên đất nềnrất không đều người ta phải kéo dai tim đáy về phía trước bản mặt Chiều dai đoạncông xon này tùy thuộc vào áp lực lên tường chắn và ứng suất cho phép của đắt nén,

‘Tuy vậy khi áp dụng vào điều ki cụ thể từng công trình và vị trí xây dựng cần

phải có sự linh hoạt sáng tạo, đồng thời phải bổ xung một số chỉ tiết cần thiết về mặt

tạo.

Tường chin đắt kiểu bản chống gém ba phần được đổ

ly và bản chẳng thình L6)

Hin 1-6: Cấu tạo trờng chin đắt hig bản chẳng

1.2 TINH HÌNH PHÁT TRIEN TƯỜNG CHAN

“Trong các công trình xây dung, đặc biệt là trong ngành giao thông và thủy,

lợi, hang mục tường chắn là một hạng mục có vị trí quan trong, Nó đóng góp nhiều

tác dụng trong nhiệm vụ công trình và góp vai tr quan trong trong việc an toàn én

định của công trình.

Trong các công trình xây dựng giao thông và thủy lợi, tường chắn là khối

tường chống đỡ mái đất, chịu áp lực của đất, nước và các tải trọng khác như xe cộ,

cầu công tác Tường chắn được sử dụng để khắc phục những hạn chế về phạm vi

địa hình thi công, điện tích chiếm dụng đất, giảm khối lượng đất đá bê tôn„ vật liệu

xây dựng mà vẫn đảm bao được sự ổn định của kết cầu, chồng được sự mắt ổn định

sut trượt của công trình.

Trong xây dựng thường sử dụng các kiểu: Tường chắn trọng lực bằng bêtng cốt thép hoặc để xây, tưởng chắn kiễu neo bằng bê tông cốt thép, tường chắnkiểu trồng né, tường chắn kiểu bản sườn Hiện nay tường chắn kiểu bản sườn

đang được sử dung rộng rãi đối với các công trình giao thông và thủy lợi.

tu đi n của kết cầu tưởng chin có dang bản sườn là giảm được khối lượng

và giá thành công trình, áp dụng được đối với các công trình có chiều cao lớn kếtsấu phức tạp và độ ổn định của kết cấu yêu cầu cao, đảm bảo được các yêu cầu về

chất lượng va kỹ thuật

ất nhiều vào các yếu tổkhác nhau như: Phương pháp tính ton, yéut địa chất của nền mồng, điều kiện lâmviệc thực tế của tường, điều kiện cung cấp ngu, sn vật liệu, giải pháp thi công,

Hi hết các công tình thủy lợi như Bip, Ch, tưởng

chắn: Tường chắn đầu đập, tường chắn đầu công, tường chắn gia có bảo vệ kênh

mương và các hạng mục công trình khác Các công trình có qui mô nhỏ và don

giản, kết chu trờng chấn thường sử dung là tường chin trong lực với kết cấu vật

liệu như đá xây hoặc bê tổng Với các công tinh có qui mô lớn, chiều cao tường

lớn, làm việc với nhiều digu kiện bất lợi thường sử dụng các kết cấu tưởng chắndạng bản sườn nhằm làm tăng tính ôn định, giảm khối lượng xây lắp, giảm kinh phiđầu tư xây đựng công tình

Việc nghiên cứu, tính toán tưởng chắn dạng bản sườn đã thu hút sự quan tâm

rit lớn của nhiều nhà khoa học trong nước và trên thé giới Ở nước ta việc nghiễn cứusắc kết su tường chắn có dạng bản sườn đã được quan tâm từ những năm 1950, các

kết quả nghiên cứu đã được áp dụng ở hàng loạt các công tình xây dựng và đã phát huy tác dụng tốt vỀ mặt én định, an toàn và giảm kinh phí xây dựng công trình.

Ngày nay, với sự phát triển của ngành xây dựng, với sự trợ giúp của các phương tiện tính toán thiết kế và thi công hiện dai Việc áp dung các kết cầu tường

chin có kết cầu hợp lý là một phần việc quan trong trong việc xây dụng các công

trình cơ sở hạ tang phục vụ công cuộc xây dựng đất nước Tuy nhiên, việc tính toán.

sắc kết cầu tưởng chắn đặc bigt là dang bản sườn vẫn là một vẫn đề giành được sự

quan tâm của nhiều nha nghiên cứu, của các cán bộ thiết kế công trình Việc tinh

oán lựa chọn thiết kể phủ hợp kết ấu tưởng chắn dạng bản sườn vẫn là một chuyên

48 phúc tạp đối với những người làm công ti tư vin, thiết ké xây dựng công trình

“Trong thực tế cách tính toán các kết cấu của tưởng chắn vẫn thiên về an toàn, đơn

giản hỏa trường hợp tính toin chưa tiếp cận được sắt với thực tế lam việc của kết

cấu Chính vì những lý do nêu trên, nội dung đề tải luận văn muốn đóng góp bỗxung thêm những lý thuyết và phương phấp mới ví toán các kết cấu

tường chắn trong các công trình thủy lợi

13 TÍNH TOÁN THIẾT KE TƯỜNG CHAN DẠNG TAM THEO QUI

PHAM.

“Trong công tác thiết kế tường chắn của các công trình thủy lợi, các công việc.sẵn giải quyết của người thiết kế như sau:

Định ra các kích thước cơ bản của tưởng tủy thuộc vào qui mô của từng công

trình cụ thể Các kích thước cơ bản của tường chin ra là: Chiễu cao tường, chiều

dây tường, bé rộng bản đây twig, khoảng cách giữa các tường sườn

Hình 1-7: Mặt cắt đại diện tràng chắn

“Từ các kích thước của tường chắn được định ra, kiểm tra tính toán ồn định vàtinh ton kết cầu của tường chắn, Nội dung inh toán i

+ Tỉnh toán ổn định lật

+ Tinh toán dn định trượt.

+ Kiểm tr ổn định ứng suất nén mồng tường,

+ Tính toán kết cắu tường: Mục dich của tính toán là xác định nội lực trong.

sắc bộ phận kết cấu của tường như bản đấy tường, bản mặt tường và tưởng sườn.

"Từ đồ bổ trí các cốt thép chịu lực cho ác kết cầu của tường

“Trong các nội dung tính toán trên, thường cắt một băng tường có chiều dài

1m để tính toán.

1.3.1 Tinh toán dn định teins

- Phương pháp tính: Cit một băng tường có chiều dai Im dễ tính toán, đ ra

các trường hợp áp dụng tính toán, kiểm tra (Tường chắn thường nguy hiểm về mat

ấn định khi vữa thi công xong)

Trong d6: ø: Cường độ áp lực dt (Tim)

vượt tải, với dp lực ngang thường n y: Dung trọng của đất dip, thường tính theo dung trọng tự

nhiên bảo hòa (thưởng là trường hợp thi công xong gặp mưa).

69: Góc nội ma sắt đắt đắp, Khi tinh áp lực đt, néu trong phạm vi tường có xe máy hoạt động th phải tính ải

trong miy qui đổi thành chiều cao cột dip Trường hợp này phải biết xe máy thuộcloại gì để tính được áp lực do tải trọng của xe máy gây ra, Trong tinh toán thết kể

ấp lực này được tinh theo công thức:

P

ah

Trong dé: P: Là tải trong do xe máy gây ra

‘ub: Khoảng cách giữa 2 trục của bánh xe theo phương doc và

ngang (các chỉ tiêu này tra theo bảng với tải trọng cụ thể của mỗi loại xe máy) Tir{ip lực của xe máy tính được này biến đổi thành chigu cao cột đắt sau lưng tường,

hat

1%

Trong đó: yy: Là dung trọng của đất dip

Nhu vậy chiều cao cột đất đắp tỉnh toán bây giờ không phải là h ma bằng

H=h + hy, trường hợp này áp lục đắt có dạng hình thang.

Hinh 1-8: Sơ đồ tinh tân ấn định trông chin

“Trường hợp hạ lưu tưởng có tai trọng tương tự thi cũng tinh toản như vậy.

Các chủ ý trong tinh tin áp lực đắt

+ Nếu dat dip sau lưng tường là dat dính thì phải tính toán áp lực đất theo.

đất dịnh (được qui định cu thể trong qui phạm tính toán tường chin di)

+ Tính trong lượng thường phân thinh các lục theo cầu tạo mặt ắt có hệ số a= 1.05,

+ Tinh trong lượng đất có n= 1,

~ Tinh trọng lượng ban thân của tưởng: Thường chia nhỏ mặt cắt của tường.

thành các phần tường có mặt cắt don gián để tỉnh điện tích và trọng tâm như hình

tam giác, hình vuông, hình chữ nhật, hình thang Từ đó diện tích của các mặt chia

nhỏ, theo đỏ ta tinh được trong lượng của dig tich mặt cắt bằng cách nhân th tích

tường với trọng lượng riêng của vật liêu làm tung

1.3.1.2 Lập bảng tinh oán én định tường chắn

~ Kiểm tra ôn định về trượt của tường chắn:

CCéng thie tinh toán kiểm tra hệ số ổn định về trượt của tưởng thường được sử dụng tính toán là

Trong 46: Ky: Là hệ số én định trượt của tường

P: Tổng các lực thẳng đứng.

Q Tổng các lực nằm ngang

£ Hệ số ma sắt giữa bản đầy tường và nền.

(0,6 - 0,7) nếu nền là đá.

f là đất(20 (9 góc ma sắt trong của dit)

- Kiểm tra ôn định v8 ật của tường:

Tường chin là loại tường có ác dung chống lại xu tác dụng lục của khối dt

đã đắp sau lưng tường Do vậy tưởng thường có xu thể bit lợi về lật thường là về

phía bản mặt của tường Trong tính toán thiết kể, vị trí có bắt lợi ôn định lật là điểm

cuối của chân khay sau (điểm A trong hình 1-8) Do vậy trong tính toán thường lấy

mô men của tit cả các lực với điểm A Tổng hợp các mô men bit lợi (mô men gay

gt) thường là các mô men do các lực tác dụng như đất đá dip sau lưng tường, xe

tmấy trên lưng tường, áp lực nước, áp lực ngang do động đất Các mô men có lợi (mồ men chống lã thường là các mô men do ác Ive: Trọng lượng bản thin tưởng,

thành phần thẳng đứng cia lục tác dụng

Hệ số kiểm tra én định về lật được tinh:

cằm

C6 hệsố kiểm ra Ky và Kị, so sinh với các hệ số qui phạm đối với p thiết

kế của từng công trình Các hệ số này thưởng có giá trị từ 1,05% 1,25 tùy theo

tig trường hợp tinh toán cụ thé

Sau khi tinh toán và so sánh nếu hệ số Ky và Ki, nhỏ hơn hoặc gần bằng hệ

số [Kr] [K; ]thì cần phải có sự đi

toàn về trượt, lật của công trình Thông thường có thể tăng chiều day tường, tăng

du chỉnh lại các kết cầu của tường để đảm bảo an

cột đất dip phía bản mat tường hoặc gia tải phía bản mặt bằng cách đỏ bê tông hoặc.xây di, kéo dãi chiều đãi bản đầy:

1.3.2 Kim tra khá năng chịu tải cia nền = ứng suất nền

Sau khi định ra các kết cấu của tưởng và tỉnh toán kiểm tra thỏa mãn điều

kiện ổn định vé lật và trượt của tường Một công việc bắt buộc trong tính toán thiết

kế thông thường là kiểm tra sức chịu ti của nỀn mỏng đưới chân tưởng, tìm được

biểu đỗ ứng suắt của nén khi tường lâm việc rong trường hợp bất lợi Từ đó vớimỗi loại đất nền của từng công trình, người thiết kế sẽ điều chỉnh kết cầu tường hop

lý để cho a

độ làm việc an toàn của tường chắn và nền

đảm bảo không bị phá hãy khỉ tưởng âm việc ừ đổ đảm bảo chế

1.3.2.1 Tỉnh ton khả năng chịu tải của nằm R=

Trong đó:

R: Lat trọng tính toán tác dụng lên mặt nền ứng với trường hợp bit lợi nhất

©: Tải tong giới bạn (cục hạn) cũa nén mông tường,

132.2 Ứng suấtnềm

“Trong tinh tin thiết kế tưởng ch „ để đảm bao an toàn cho tưởng thường

phải xác định biểu đồ ứng suất nén móng tưởng, cần tránh cho nền không bị phá

hủy bởi giá tỉ ứng suất kéo đối với nền đắt hoặc cho phép kéo đối với nén đá nhưng

phải thỏa man giá ti

“Giá trị ứng suất nền: am ma

Trong dé: F là diễn tích đấy móng

B là chigu rộng đầy mồng,

© = — Eo: là độ lệch tâm của tải trọng tác dụng

Hình 1-9: Sơ đồ tink toán kiém tra ứng suất nên

1.3.3 Tính toán nội lực và bồ trí cốt thép

Sau khi đã hoàn thiện được việc xác định kích thước và kiểm tra độ ổn định.của tưởng chấn Công việc tiếp theo của người thiết kế là tìm ra được nội lực trongbản thân tưởng, tử đó có sơ đỏ bổ

“Tùy thuộc vào việc bổ ti khoảng cách giữa cúc tường sườn, chiỄu cao bản

mặt tường, chiều dày của ban đáy tường ma chon sơ đồ tính toán kết cau phù hợp.

tốt thép chịu lực trong thân tường

1.33.1 Tinh toán nội lự trong bản mặt tường.

tính toán cụ thé mà dé ra

“Trong tính toần thiết k thông thường, ty theo sơ

các bài toán tính toán như sau:

+ Với tỷ lệ ho > 2 khi tính toán bản mặt tưởng, bãi toán tinh toán ở đây coi là

dim liên tục có các gồi twa à các trờng sườn, phương tính toán kết cầu là phươngdọc theo chiễu dài tưởng (Trong dé h, b là chiều cao tường chin và Khoảng cảch

giữa 2 tường sườn)

~ Với tỷ lệ h/b < 2 khi tinh toán bản mặt tường, bài toán tính toán lúc này coi là

ban ké 3 cạnh, một cạnh tự do Phương tinh toán kết cấu là phương dọc theo chiều

cao tường chắn.

Tir các kết quả tính toán nội lực mã bổ tí cốt thép theo các kết quả tính toán Cốt

thép chịu lực được bổ trí theo phương chịu lực chính là phương ngang tường, còn

phương doc tường là cốt thép cầu to đối với trường hop tỷ số b/h >2 Trường hợpngược lại, tỷ số hb < 2 thi cốt thép chịu lực được bổ trí theo phương chiều caotường còn theo phương chiễu đài của tường chấn là cốt thép cầu to

Sơ đồ tinh toán nội lực bản mặt tường theo phương dọc là sơ đồ dim liên tục

nhiều nhịp chị ti trong là lực phân bổ, độnh J-10)

Trong sơ dồ tính toán, khoảng cách giữa các nhịp là khoảng cách giữa hai tưởngsườn Lực phân bố đều q được tính toán là tổng hợp toàn bộ các lực sau lưng tường.bao gằm dp lực dit, nước, tải trong xe cô (néu c6) Trong tinh toán thông thường,thường cắt một băng ở sắt chân tường có bé rộng Im để tính toán

Tir sơ đồ tính toán, tra bảng nội lực với kết sấu dim nhiễu nhịp theo các côngthức: M=Kql?

Q=p.qil (với các hệ số K, p tra bảng được lập sẵn).

Có sơ đồ nội lực như trường hợp tin toán, từ đó nh được sơ đồ bổ tí cất thép

trong bản mặt tường

1.3.32 Tính ton nội lự trong bản đầy tường.

Lực tác dụng lên bản đáy tường bao gồm:

+ Phin lực nén

- Tai trong tác dung lên tim đáy bao gdm tải trong bản thân, trọng lượng đt và

tải trọng ngoài (neu có).

+ Ban diy phía rước: Được tinh toán như một dim công xôn bị ngim tại vị tí bản mặt tưởng và chịu tải trọng phân bổ bình thang

+ Ban diy phía sau: Căn cit vào biểu đỗ phân bổ áp lực, chia bản đáy phía sau

thành các đoạn và dùng tải trọng bình quân ở mỗi đoạn để tính toán Trong mỗi

đoạn cũng cắt một băng rộng Im theo chiễu dài tường và có sơ đổ tinh toán à dimliên tục nhiều nhịp như bản mặt Trong tinh ton thiết kế thông thường, thường bỏ

«qua ảnh hưởng ngầm của bản đáy với các bàn chẳng và bản mặt

Mat cắt ngang bản đáy

Tải trọng phía trên tác

E——————— | tung lên bản đáy

Biểu đổ phản lực nên

Tình 1-11: Sơ đồ tnh toắn nội lực bản đây trồng chấn

“Từ biểu đồ tổng hợp ngoại lự tác dụng lên bản đây di với các đoạn mặt cất

‘ban day tường, sơ đồ tính toán là dim siêu tĩnh nhiều nhịp Tính được giá trị nội lực

với các mặt cắt, từ đồ có kết quả bổ trí cốt thép cho bản đáy,

1.3.3.3 Tính toán nội lực cho sườn chống

Tỉnh ton sườn chống như một cdu kiện chịu nền lệch tâm tết điện chữ T kích

thước thay đổi dẫn theo chiều cao (hoặc tính toán gin đúng như dim công xôn

tiết điện chữ T ngim tại vỉ trí bản diy), Cúc lực tác dụng lên bản chống bao gdmtrong lượng bản thân, áp lực đất phía trên bản chống, bản diy và áp lực ngang

của đất tác dụng lên bản chống và bản mặt tường trong phạm vi tinh toán.

14 KET LUẬN CHƯƠNG 1

“rong tính toán thiết kể thông thường còn các tổ tại như sau:

- Việc cắt một đoạn tường (thường là Imết chiều dài tường) để tính toán chưa

phản ánh thực tế làm việc của tường, chưa xét đến sự ảnh hưởng tương hỗ tác dụng

của các phần tử liễn kẻ.

~ Trong tính toán tách rời tường, bản đáy, sườn nên chưa kế đến sự làm việc

dng thời của các bộ phận trong tường chắn.

- Khi tinh toán thường tách rời phin tường chắn va phn nền, chưa đề cập đến

su ác dụng tương tá lẫn nhau của nén vã tưởng trong cũng mot tính toán, Với cách

tinh như vậy chỉ phủ hợp khi nền rét mềm va bản đáy trờng rắt cứng

~ Coi các tinh toán là bài toán phẳng, trong thực tế Lim việc có rất nhiễu lực tác

đụng, tương tác là không gian Do vậy kết quả tinh tn chưa phản ánh được ứng xử thực của kết cầu

- Chính vi vậy, việ tính toán thông thường có thé chưa tgp cận được với cácđiều kiện làm việc thự tế của tường chắn Công việc tỉnh toán còn mang nhi tinhchất định tinh, khối lượng công kénh nên hạn chế không tính toán so sánh được.nhiễu phương dn khác nhan

* Trên cơ sở các nhận xét trên bài toán cơ bản đặt ra cho luận văn là: Tính toán

đồng thời tường chin kim việc vớ nền Trong đó các bộ phận của tường chắn như.

thành, đ

chat chẽ với nền đồng nhất một hệ sé

Trên co sở bài toán cơ bản đó mở rộng cho các bài toán: Nén nhiề lớp, ồn hai

„ sườn được mô tả như tắm không gin (vô gấp), bản đáy được tiếp xúc

hệ số, nền được gia cô cọc,

CHƯƠNG 2.

TONG QUAN VE PHƯƠNG PHAP PHAN TU HỮU HAN

VA PHAN MEM SAP2000

3.1 PHƯƠNG PHÁP PHAN TỬ HỮU HAN

Phương pháp phan tir hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rồi rac kiểu vật lý

ra đời vào cuối những năm 50 của thế ky trước nhưng rit ít được sử dụng vì công cụ

toán còn chưa phát triển Tuy nhiên đến cuối những năm 60, phương pháp này phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự phát triển nhanh và sử dụng rộng rãi của máy tính điện

tử, Đến nay có thể nói ring, phương pháp PTHM được coi là cách có hiệu quả nhất

448 giải các bai toán cơ học vật rắn biến dang nói riêng và cơ học môi trường liên tục nói chung.

"Với wu điểm nỗi bật là dễ dàng lập chương trình để giải bằng máy tinh, phương

pháp PTHH tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hoá tính toán hàng loạt kết cầu

với những kích thước, hình dang, mô hình vật liệu và điều kiện biên khác nhau

Phương pháp PTHH cũng thuộc loại bài toán biến phải ong nó khác với các

cách biển phân cổ điển như: phương pháp Ritz, phương pháp Galerkin ở chỗ nókhông tim dang him xắp xỉ của him cin tim trong toin miỄn xác định mã chỉ trong

từng miỄn con thuộc miễn xác định đó Điều này đặc biệt thuận lợi đổi với những

bài toán mà miễn xác định gồm nhiều miễn con cỏ những đạc tỉnh cơ lý khác nhau

“Trình tự giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

(1) Chia miễn tính toán thành nhiều mién nhỏ gọi là các phần tử Các phần tử

này được nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút, Các điểm nút này có th làđình các phần tử, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên mặt (cạnh) củaphần từ

(2) Trong phạm vi của mỗi phan tử, ta giả thiết một dang phân bố xác định nào

đó của hàm ci ìm, có thể đó là

+ Hàm chuyển vị (mô hình tương thích)

+ Hàm ứng suất (mô hình cân bing)

++ Cả hàm chuyển vị và hàm ứng suất (mô hình hỗn hợp)

“Thông thường giả thiết các hàm nảy là những đa thức nguyên mà các hệ số của4a thức được gọi là ác thông số, Trong phương pháp PTHH, các thông số này đượcbiểu diễn qua các trị số của him và có thé là cả các trị số của các đạo ham của nó tại

các điểm nút của phần tử,

Tay theo ý nghĩa của hàm xắp xi mà trong các bài toán kết edu ta thường chia ra

làm ba loại mô hình:

4 Mé hình tương thích: Ứng với mô h này ta biểu diễn gần đúng dang phân

bố của chuyển vị trong phẩn tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô.hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biển phân Lagrange

b M6 hình cân bằng: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gin đúng dạng phân bổ

ứng suất hoặc nội lực trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bai toán sử dụng

mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biển phân Castigliano

.e Mô hình hỗn hợp: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gin đúng dang phân bổ.của cả chuyển vị lẫn ứng suất trong phần tử Ta coi chuyển vị và ứng suất là hai yếu

tổ độc lập riêng biệt Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô hình này

được thiết lip trên cơ sở nguyên lý biển phân Reissner - Hellinger

Dang của đa thức được chọn như thể nào đó để bai toán hội tụ, có nghĩa là đa

thức cần phải chọn như thé nào đó để khi ting số phin từ lên khả lớn thì kết quả

tính toán sẽ tiệm cận với kết quả chính xác.

Him xp xi phải chọn như thế nào đó để đảm bảo được một số yêu cầu nhấtđịnh, trước tiên là phải thod mãn các phương trình cơ bản của lý thuyết din hồi

Nhung để thoả man một cách chặt che tắt cả các yêu cầu thi sẽ có nhiều phức tạp trong việc chọn mô hình và lập thuật toán giải Do đó trong thực tẾ người ta phải

giảm bớt một số yêu cầu não đó nhưng vẫn đảm bảo nghiệm đạt được độ chính xác

vê cầu

“rong ba mô hình rên thì mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi hơn cả,

‘con hai mô hình sau chi sử dụng có hiệu qua trong một số bài toán nhất định.

(3) Thiết lập hệ phương trình cơ bản của bai toán: Để thiết lập hệ phương tinh

cơ bản của bài toán giái bằng phương pháp phan tử hữu hạn ta dựa vào các nguyên

lý biển phân Từ các nguyên lý biến phân ta rút ra được hệ phương trình đại số

tuyến tinh dạng:

(4) Giải hệ phương tình (2-1) sẽ tim được cúc him ấn cia toin miễn xét (các giá trị hàm hoặc các đạo hàm của nó) tại các điểm nút

(5) Dựa vào các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi sẽ xác định được các

dai lượng cần tim khác, chẳng hạn trường ứng suất, trường biển dang

Như trên đã nêu, mô hình tương thích hiện nay đang được áp dụng rộng rãi

tính toán nội lực công trình.

là các bước giải bài toán theo mô hình tương thích

+ Bước 1

Chia miễn tính toán thành các phần tử

+ Bước 2

Chọn ấn số là các chuyển vị nút của các phần tử Giả thiết tai một điểm nào đồ

trong phần tử e cố chuyển vị được biểu điễn bằng him fix), ta xắp xi hàm này

1g da thức nguyên:

Ma 632) Tương đó:

Mc: là ma trận hầm toa độ của phần ire

a4: Vee tơ thông số chuyển vị nút của phần tire

fv tơ chuyển vÌ

Goi U, là vớt tơ chuyển vị nút của phần tử, ta có

U,=(U) G3)

Vi hàm (2-2) thoả mãn cho mọi điểm trong phân tử nên cũng thoả mãn cho các

điểm nút của nó Thay toa độ x,y của M, trong (2.2) bằng tog độ nút của phan tử ta

được

FAG (2-4)

Trong đó

Acs là ma trận toạ độ nút của phần tử

“Từ (3-4) giải ra ta được, ace Ac" Us 25)

Đặt (2-5) vào (2-2) được:

f=M, Ac! Us 2-6)

Đặt No=M, Ac? (2-7)

N gọi là ma trận him dang của phần tử

'Với cách đặt trên thì (2-6) được viết lại như sau.

f=N.U, 28)

+ Bước 3

Liê fuéc tơ chuyển vị nt eda phn va chuyén vj nút cia toàn kếGiả sử số chuyển vi nút của phần từ à nạ, còn của toàn kết cấu là n và véc tơ

chuyển vị nút của toàn kết cầu là A, thi rõ ring là các thành phẫn của véc tơ chuyển

vị nút của phần tử phải nằm trong các thành phần của véc tơ chuyển vị nút của toàn.

kết cấu Nói cách khác, ta cổ thể biểu diễn mỗi quan hệ nay bằng một biểu thức toán

học như sau

Us SLA G9) Trong đó

L, là ma trận định vị của các phần tử e có kích thước nạxn, nó cho ta hình ảnhcách sip xếp các thành phan của U, vào trong A

+ Bước 4

Mối liên hệ giữa biến dang và chuyên vi

Gọi e là véc tơ biển dạng thì ta có mỗi liên hệ giữa biển dang và chuyển vị như

1, là ma trận đạo hàm cia ma trận him dạng, ta viết lại biểu thức e„

s.=BUU, @13)

(2-13) iu điễn mỗi quan hệ giữa biển dạng ca phần tứ với các chuyên vị nút

+ Bước 5

Mi liên hệ giữa ứng suit và chuyén vị

Goi 6, là véc tơ ứng suất của phản tử, theo định luật Hooke ta có

o.= De eu) Trang đó

Dili ma trận các hằng số din hi

Đặt 2-13) vào 2-14) ta được

6 =DB.& es)

(2-14) là biểu thức liên hệ giữa ứng suất và chuyên v nt của phần từ

+ Bước 6

“Thiết lập phương trình cơ bản của phương pháp phin từ hữu han

u thé năng, vật thể V cân bằng dưới

‘Theo nguyên lý cự ti c dụng của các lực.

thể sich P và lực bỀ mặt q trên bỀ mặt S, khi đồ thể năng toàn phn của kế cầu cổ

dạng

xe [[för em llfU nư [4s 2-16)

“Chia miền V tính toán thành n phần tử, mỗi phần tử có thể tích

mặt là S gọi thể năng toàn phần của phần tử là me

[fie "at, - [[[U n4, - [[U"4.45,

(2-13) và (2-15) vào (2-16) ta được.

Đặt (2-8),

_ ihe "BE DBA, ~ ƒ INT PA, — jer NTdS,

" em

Gọi ta ma tn công phần từ

If! par, + vans, 19)

Goi là vée tot của phn từ

Thế năng toàn phần của toàn kết cấu sẽ là

K=X 2K, làma trận cứng củatoàn kết cấu

“Thuật toán tổng quát qué trình tht lap và giải bài toán két edu theo phương,pháp PTHH được 1bay trên hình

(4), xậtliệu, ải trong

"Xác định nội lực, ung suất theo

“các quan hệ đã biết M=M+I

Hình 2-1: Sơ dé giải bài toán kết cầu theo phương pháp PTHH

22 GIỚI THIỆU VE PH

PHAN MEM SAP2000

.N MEM SỬ DUNG TRONG LUẬN VAN,

Phin mềm SAP2000 là một trong s các phin mềm ứng dụng thuật toán của

phương pháp PTHH hiện dang được sử dụng khá rộng rãi trong việc tính toán kết

cấu công trình, Đây cũng là phần mém chính sẽ được sử dung trong luận văn để tính

toán nội lực cho các kết cầu

Các bước giải bai toán kết cầu bằng phần mm SAP2000 như sau

- Phân chia các phương án ải trọng

= Nhập dữ liệu vio máy

- Biểu didn kết qu tỉnh toán bằng hình vẽ

“Sơ đỗ giải bai oán kết cấu bằng phần mềm SAP2000 được thể hiện trên hình 2.2

Bước |

“Xác định các yêu tổ đầu vào

Bước 2 Nhập dữ liệu gồm:

= Dữ liệu điều khiến

= Dữ liệu về nút

~_ Dữ liệu về phẩn từ

= Dữ liệu vé ải rọng

Bước 3 Giải và kiểm tra kết quả tính toán

Bước 4

Biểu didn kết quả bằng đồ thịHinh 3-2: Sơ đỒ giải bài toán kết cầu bằng phần mém SAP2000

2.2.1 Hệ thắng don vj Unit Sytem) - SAP2000

Hệ thống đơn vi cho phép người sử dụng chon một trong số hệ đơn vi thường

sp danh sách các hệ đơn vị nằm ở cửa số nhỏ bên phải phía dưới của màn hình

“Trong cùng một bai toán cho phép chon nhiều hệ đơn vi ở mỗi bước tỉnh toán khác

nhau, song kết quả của bài toán sẽ có hệ đơn vị tương ứng với hệ đơn vị được chọn.

ban đầu và cũng có thé đổi kết quả tinh này sang hệ đơn vị khác

2.2.2 Hệ thẳng tog độ (Coordinate Systems)

~ Hệ toa độ chung (Global Coordinate Systems): Hệ toa độ chung (hệ toa độ.

kết cầu hay hộ toạ độ tổng thé) thường dùng là hệ tog độ thuận vuông góc được ký

hiệu là XY:

phía trên min hình Chigu của trọng lượng bản thân có chiều mặc định ngược với

đương mặc định của trục Z hướng thẳng đứng từ phía dưới lên

chiều của trục Z trong hệ toạ độ chung.

- Hệ toa độ phụ trợ (Set Coordinate Systems): SAP2000 cho phép đưa thêm.

vào một hoặc nhiều hệ tog độ phụ trợ giúp cho quá trình mô hình hoá một bộ phận

nảo đó của kết cấu được thuận lợi hơn Hệ toa độ phụ trợ cũng thường dùng là hệ

tog độ thuận vuông góc được định vị trong hệ toa độ chung, vì thể nó có thể ding

thay hệ tog độ chung, nên cũng được ký hiệu là XYZ Chiều mặc định của trục Z

trong hệ tog độ phụ trợ cũng thẳng đứng và hướng từ dưới lên trên được quy ước là đương Cần lưu ý điều nay trong ba toán có xét tới tác dụng của trọng lượng ban

thân của kết cầu

Để tạo hệ toa độ phụ tợ ta dùng menu Options:

Options > Set Coordonate System > Add System

sẽ xuất hiện hộp hội thoại, chọn hệ toa độ vuông góc (Cartesian), ta có hệ toa đội phy trợ thuận vuông góc có tên (System Name) mặc định lis CSYSI, nhập các số liêu từ bản phim về số khoảng cách lưới (umber of Grid Spaces) the các phương XYZ và độ lớn các bước tới (Grid Spacing) theo các phương X,Y,Z, nhấn nút

lệ toa độ mới, dich

chuyên (Translatians) theo X,Y Z và gốc xoay của hệ to9 độ phụ trợ quanh các trục

Z, X", Y" tính bằng độ so với hệ tog độ chung (Global), OK,OK,OK.

- Hệ ton đồ địa phương (Local Coordinate System): Mỗi thành phần của kết cầuAdvanced sẽ xuất hiện hộp hội thoại để khai báo về vị trí

(út, phần tự, liên kết hay rằng buộc.) đều được gắn với một hệ toạ độ địa phương

tự Nd HE tọa độ địa phương dùng để định nghĩa các đặc rưng hình họ

định ải trong tác dụng lên phần tử và xuắtra các kết quả nội lục Các hệ tog độ địaphương cũng là hệ toạ độ vuông góc thuận có các trục được ký hiệu là 1, 2 và 3 Khi

hiển thị ở chế độ chon miu mặc định, SAP2000 quy định trục 1 màu đỏ, trục 2 màutrắng, trục 3 màu xanh da trời.

Với phần từ thanh, trục 1 của phần ừ luôn luôn đọc heo thánh và có chiều dươnghướng từ nút i (nút được chỉ định trước) đến nút j, còn trục 2 và 3 nằm trong mặtphẳng quản tỉnh chỉnh của mặt cắt ngang của thanh và tạo thành hệ toa độ thuận Khisẵn thay đổi góc của toa độ địa phương cho phần tứ, ta chon một phần tử hay mộtnhóm phẩn tử cần thay đổi, rồi từ menu Assign: Assign > Frame > Local AxesNhip góc xoay tinh bằng độ (Angle in Degree), néu cần thay dBi true | từ nút}tới nút ¡ của phần tử thanh (Frame), ta nháy chuột vào [*] Reverse Start and End

Connectivity

Với phần tử tắm và mang là hình tam giác có 3 nút, jsjs hoặc tứ giác có 4 nit jy

Jia js ju có hệ toạ độ địa phương là hệ toa độ thuận vuông góc có các trục tọa độ được.

ký hiệu là 1, 2 và 3, trục 1 màu đỏ, trục 2 mau trắng, trực 3 mẫu xanh dã tồi Với

phân từ tam giác thi trục 1 đi qua trung điểm của các cạnh j;j và jaj; và có chiều.

theo thứ tự nút joj „ trục Ï và 2 nằm trong mặt trung bình, trục 3 là pháp tuyền của

mặt trung bình tạo thành hệ toa độ thuận ĐỂ ign khai báo tải trọng phân bổ và biểu

diễn nội lực của các phin tứ, nhiễu khi ta cn thay đổi hướng của các trục cục bộ của

phần tử Khi cằn đổi hướng các trục, tử menu Assign: Assign > Shell > Local Axes

Nhin chuột vio [*] Reverse direction of normal để thay đỗi chiều trục 3, hoặc

muốn thay đổi hướng trục 2 ta nhập góc xoay quanh true 3 (Angle in Degrees) theo

quy tắc ban tay phải từ 1 đến 2 là đương (+)

2.2.4 Chon cửu số man hình (Windows)

Sau khi thực hiện một chức năng nào đó, chẳng hạn chúc năng vẽ hệ lưới, màn hình sẽ được chia mặc định thành hai cửa số màn hình, cửa số bên trái cho hình không gian (3D) và đang làm việc, của số bên phải là cho hình phẳng (2D)

lượng cửa số lớn nhất là 4 và có thể tuỳ chọn từ 1 đến 4 Muốn thay đổi số cửa số

màn hình thì từ menu Options:

Options > Windows > One/Two/Three/Four