phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian

2632T CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ THỜI GIAN32T .... Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phâ

trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” được hoàn thành ngoài sự

c ố gắng nỗ lực của bản thân tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy,

Cô, cơ quan, bạn bè và gia đình

Tác gi ả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: TS Trịnh

Qu ốc Công đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học

c ần thiết cho luận văn

Tác gi ả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác gi ả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này

Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè

Hà N ội, ngày 25 tháng 02 năm 2013

Tác gi ả luận văn

ĐỖ HỒNG HOÀNG

Học viên lớp: 18C11

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung

và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất

kỳ công trình khoa học nào

Tác giả

ĐỖ HỒNG HOÀNG

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY

ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT32T 15

2.2.1 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương32T 2032T

2.2.2 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp phổ phản ứng32T 2132T

2.2.3 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp lịch sử

thời gian.32T 2132T

2.3 Cơ sở lý thuyết xây dựng biểu đồ gia tốc nền nhân tạo32T 2432T

2.4 Kết luận chương.32T 2632T

CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ

THỜI GIAN32T 2732T

3.1 Lựa chọn mô hình và các trường hợp tính toán.32T 2732T

3.2 Tổng quan về công trình thủy điện Xím Vàng 232T 2732T

3.3 Xây dựng mô hình từ tính toán32T 3232T

3.4 Các thông số cơ bản của mô hình32T 3332T

3.5 Các lực tác dụng và tổ hợp lực32T 3432T

3.5.1 Xác định các tải trọng tĩnh32T 3432T

3.5.2 Tải trọng gây nên do động đất.32T 3532T

3.6 Kết quả tính toán32T 3832T

3.6.1 Kết quả tính toán trường hợp 1 (tổ hợp cơ bản)32T 3832T

3.6.2 Kết quả tính toán trường hợp 2a ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo phương pháp phổ phản ứng)32T 4232T

3.6.3 Kết quả tính toán trường hợp 2b ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo phương pháp lịch sử thời gian)32T 463.6.4 Bảng tổng hợp kết quả 52

4.2 Nội dung phương pháp phân tích ổn định chống trượt nhà máy thủy điện chịu

tải trọng động đất theo mô hình SDOF32T 5732T

4.3 Tải trọng và tổ hợp hợp tải trọng trong phân tích ổn định chống trượt nhà máy

thủy điện32T 5832T

4.4 Kết quả phân tích ổn định trượt cho nhá máy thủy điện Xím Vàng 2 bằng mô hình SODF.32T 60

32T

4.4.1 Số liệu tính toán32T 6032T

4.4 2 Trường hợp tính toán32T 6132T

4.4.3 Kết quả tính32T 6332T

4.5 Kết luận chương32T 6632T

KẾT LUẬN32T 6732T

1.32T 32TKết quả đạt được của luận văn32T 6732T

2.32T 32TVấn đề tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo32T 6732T

3.32T 32TPhương hướng nghiên cứu tiếp theo32T 6832T

TÀI LIỆU THAM KHẢO32T 69

Hình 2.2: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do32T 1932T

chịu tác động của động đất32T 1932T

Hình 3.1: Mô hình của sở đồ tính xây dựng trong Autocad32T 3232T

Hình 3.2: Chia lưới phần tử trong phần mềm Adina32T 3332T

Hình 3.3: Phổ phản ứng thiết kế tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 232T 3732T

Hình 3.4: Biểu đồ gia tốc nền tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 232T 3832T

Hình 3.5.Chuyển vị theo phương XX32T 3932T

Hình 3.6 Chuyển vị theo phương YY32T 4032T

Hình 3.7 Chuyển vị theo phương ZZ32T 4032T

Hình 3.8 Ứng suất StressXX32T 4132T

Hình 3.9 Ứng suất StressYY32T 4132T

Hình 3.10 Ứng suất stressZZ32T 4232T

Hình 3.11 Chuyển vị theo phương XX32T 4332T

Hình 3.12 Chuyển vị theo phương YY32T 4332T

Hình 3.13 Chuyển vị theo phương ZZ32T 4432T

Hình 3.14 Ứng xuất stress XX32T 4432T

Hình 3.15 Ứng xuất stress YY32T 4532T

Hình 3.16 Ứng xuất stress ZZ32T 4532T

Hình 3.17: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 2748932T 4632T

Bảng 3.2: Tổng hợp kết quả tính toán nhà máy chịu tải trọng động đất theo phương pháp phổ phản ứng (trường hợp 2a)32T 5332T

Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả tính toán nhà máy chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian (trường hợp 2b)32T 5332T

Bảng 4.1 Tổng hợp và phân tích tải trọng tính toán ổn định nhà máy thủy điện32T 59

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Đất nước ta nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất tương đối mạnh Theo Viện Vật Lý Địa Cầu, đất nước ta có bốn vùng động đất chính Vùng động đất

thứ nhất là miền núi tây bắc bao gồm các tỉnh Sơn La, Lai Châu với cường độ động đất M=6.8, Vùng thứ hai đồng bằng châu thổ sông Hồng với cường độ động đất

M = 6.2, Vùng động đất thứ ba là vùng miền núi Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với cường độ động đất M= 6.0, vùng động đất cuối cùng là vùng phía nam của đất nước ta với cường độ động đất M= 5.5

Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nên nhu cầu điện năng ngày càng tăng Điều đó đã đặt ra nhiều cấp thiết về năng lượng cho đất nước Chính vì vậy mà các công trình trạm thủy điện được xây dựng trên ngày một nhiều Nhà máy thủy điện là một kết cấu hình khối lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong Toàn bộ nhà máy nói chung và từng phần nói riêng

phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh

và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa Nhà máy thủy điện phân chia thành hai phần: phần trên nước và phần dưới nước, phần dưới nước chiếm khoảng 70% bê tông nhà máy

Hiện nay khi phân tích ổn định và độ bền nhà máy chịu tải trọng động đất thường sử dụng phương pháp mô phỏng tĩnh, có một số công ty thiết kế dùng phương pháp phổ phản ứng Tuy nhiên phương pháp mô phỏng tĩnh cũng như phương pháp phổ phản ứng không phản ánh được sự ứng xử của kết cấu trong suốt

thời gian xảy ra động đất Phương pháp lịch sử thời gian ( Response history analysis ) sử dụng biểu đồ gia tốc nền u (t )để tính toán nội lực, ứng suất, chuyển vị của kết

cấu tại mọi thời điểm của một trận động đất Phương pháp này đã phản ánh được quá trình làm việc của kết cấu trong một trận động đất cụ thể

Chính vì các yếu tố phân tích trên nên việc phân tích bền và ổn định của nhà máy thủy điện chịu tác dụng của lực động đất theo phương pháp lịch sử thời gian là

rất cần thiêt Học viên chọn đề tài: “Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” sẽ góp một phần

vào công nghệ thiết kế, phân tích kết cấu và ổn định nhà máy thủy điện chịu tải

trọng động đất, từ đó lựa chọn được kích thước kết cấu hợp lý cho nhà máy thủy điện đảm bảo nhà máy làm việc an toàn với mọi tổ hợp tải trọng trong thực tế vận hành

2 Mục đích của đề tài:

Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình toán trong phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tác dụng của tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử

thời gian

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Điều tra, thống kê và tổng hợp các tài liệu đã nghiên cứu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phân tích kết cấu công trình chịu tải trọng động đất,

- Ứng dụng phương pháp lịch sử thời gian phân tích động học kết cấu nhà máy thủy điện chịu tác dụng của lực động đất

- Xây dựng biểu đồ gia tốc nền tại vị trí công trình theo tiêu chuẩn xây dựng

Việt Nam TCXDVN 375-2006; Thiết kế công trình chịu động đất

- Xây dựng mộ hình 3-D nhà máy thủy điện chịu các tải trọng tĩnh và tại

trọng động đất bằng phần mềm Phần tử hữu hạn có các module phân tích động theo phương pháp lịch sử thời gian

- Xây dựng cơ sở lý thuyết, lập phần mềm phân tích ổn định nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất

- Phân tích, đánh giá kết quả

4 Kết quả dự kiến đạt được:

- Biểu đồ gia tốc nền tại vị trí xây dựng nhà máy thủy điện

- Trạng thái ứng suất biến dạng tại các điểm của nhà máy thủy điện theo

thời gian của trận động đất

- Xác định tần số dao động riêng, hình dáng dao động của nhà máy thủy điện theo các dạng dao động

- Quan hệ giữa hệ số an toàn chống trượt với thời gian của trận động đất, từ

đó tìm ra hệ số an toàn nhỏ nhất KR min R

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT 1.1 Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam

Việt Nam có 2360 con sông với chiều dài từ 10km trở lên, trong đó có 9 hệ

thống sông có diện tích lưu vực trên 10.000km2, có mười hệ thống sông suối lớn có

tiềm năng phát triển thủy điện Tổng kết các nghiên cứu về quy hoạch thủy điện ở

nước ta cho thấy tổng trữ năng lý thuyết của các con sông được đánh giá đạt 300 tỷ

Kwh/năm, công suất đánh giá được đánh giá khoảng 34.647MW Trữ năng kinh tế -

kỹ thuật được đánh giá khoảng 80-84 tỷ Kwh/năm, công suất lắp máy được đánh

Số công trình

Tổng công suất (MW)

Điện lượng (GWh)

Trước năm 1945 chỉ có các trạm thủy điện nhỏ do Pháp xây dựng phục vụ nhu cầu khai khoáng và nghỉ dưỡng Trong giai đoạn 1945-1975 nước ta đã xây

dựng thủy điện Thác Bà với công suất lắp máy là 108MW, thủy điện Đa Nhim với công suất 160MW Giai đoạn từ năm 1975 đến nay chúng ta đã xây dựng hàng loạt các trạm thủy điện lớn như: thủy điện Hòa Bình công suất 1920MW, thủy điện Trị

An công suất 400MW, thủy điện Vĩnh Sơn công suất 66MW, thủy điện Thác Mơ công suất 150MW, thủy điện Yaly công suất 720MW, thủy điện Trị An công suất 400MW, thủy điện Sê San 3 công suất 260MW, thủy điện Tuyên Quang công suất 342MW, thủy điện Sơn La công suất 2400MW, thủy điện Bản Vẽ công suất 320MW, thủy điện Sê San 4 công suất 360MW…

Bảng 1.2: Công suất các nguồn điện phân bố năm 1982 và 1992

Các công trình thủy điện đưa vào vận hành có vai trò to lớn trong sản xuất điện năng, phòng chống lũ, cấp nước…phục vụ phát triển kinh tế - xã hội Năm

2010 có khoảng 50 nhà máy thủy điện đưa vào vận hành và đến năm 2020 có đến

80 nhà máy thủy điện lớn và vừa được đưa vào vận hành trong hệ thống điện

Các nhà máy thủy điện được xây dựng hầu hết ở vùng núi, nơi kinh tế-xã hội phát triển còn chậm Việc xây dựng các công trình thủy điện còn thúc đẩy sự phát triển kinh tế- xã hội của các khu vực này

Về mặt kinh tế, tỷ lệ thủy điện cao trong hệ thống đã đem lại giá thành điện năng hạ xuống đáng kể Về mặt kỹ thuật, thủy điện đã tăng cường chất lượng điện trong hệ thống, vận hành linh hoạt

1.2 Tổng quan về nhà máy thủy điện

Nhà máy thủy điện là công trình thủy công trong đó bố trí các thiết bị động

lực (turbin, máy phát điện) và các hệ thống thiết bị phụ trợ khác phục vụ cho sự làm

việc bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các

hộ dùng điện Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của công trình thủy điện Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn của các thiết bị và thuận lợi trong vận hành

Nhà máy thủy điện được chia thành ba loại cơ bản:

- Nhà máy thủy điện ngang đập: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác

thủy năng kiểu đập với cột nước không quá 35-40m Bản thân nhà máy là một thành

phần công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng Cửa lấy nước cũng

là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy

- Nhà máy thủy điện sau đập: được bố trí ngay sau đập dâng nước Khi cột nước cao hơn 30-45m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là

một thành phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy công suất lớn Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì cửa lấy nước và đường ống dẫn nước turbin được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống

dẫn nước turbin được bố trí trên phía hạ lưu của đập

- Nhà máy thủy điện đường dẫn: trong sơ đồ khai thác thủy năng kiểu đường

dẫn hoặc kết hợp , nhà máy thủy điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối

Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy Trong trường hợp công trình dẫn nước là không

áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực, trong trường hợp công trình dẫn nước là đường hầm có áp thì cửa lấy nước bố trí ở đầu đường hầm và là

một công trình độc lập Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thủy điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí nhà máy thủy điện kiểu ngang đập

Về công suất, nhà máy thủy điện chia làm nhiều loại theo công suất lắp máy, cách phân loại này chỉ tương đối và cụ thể với tiêu chuẩn của từng quốc gia Ở Việt Nam cấp công trình được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 185-2002

- Nhà máy thủy điện lớn: NR lm R≥ 1000MW

- Nhà máy thủy điện vừa: 15MW ≤ NR lm R≤ 1000MW

- Nhà máy thủy điện nhỏ: NR lm R≤ 15MW

Theo cột nước, nhà máy thủy điện phân theo ba loại tùy thuộc cột nước công tác lớn nhất:

- Nhà máy thủy điện cột nước cao: HR max R > 400m

- Nhà máy thủy điện cột nước trung bình: 50m ≤ HR max R≤ 400m

- Nhà máy thủy điện cột nước thấp: HR max R≤ 50m

Cột nước công tác HR max R có liên quan đến loại turbin bố trí trong nhà máy Ở TTĐ cột nước cao bố trí turbin tâm trục với tỷ tốc bé và khi cột nước HR max R >500m

sử dụng turbin gáo Ở TTĐ cột nước trung bình thường bố trí các loại turbin tâm

trục với các tỷ tốc từ lớn đến bé và cột nước thấp thường bố trí turbin cánh quay

hoặc turbin cánh quạt và cũng có thể bố trí các turbin tâm trục tỷ tốc lớn hoặc turbin cánh chéo

Hình thức lắp máy cũng có ảnh hưởng lớn đến kết cấu nhà mày thủy điện:

với turbin phản kích công suất lớn thường bố trí trục đứng Bố trí như vậy nhà máy

sẽ gọn hơn nhưng chiều sâu móng nhà máy sẽ lớn Với TTĐ ngang đập cột nước

thấp HR max R <20m có thể sử dụng turbin cánh quay kiểu capxul trục ngang, ống hút

thẳng Với nhà máy thủy điện sử dụng turbin tâm trục công suất nhỏ cho thấy tốt

nhất là sử dụng hình thức lắp máy trục ngang vì khi đó việc lắp đặt và sửa chữa turbin và máy phát không phụ thuộc lẫn nhau nhưng kích thước mặt bằng nhà máy đòi hỏi lớn hơn so với trục đứng Đối với TTĐ sử dụng turbin gáo, hình thức lắp

máy có thể trục đứng hoặc trục ngang không phụ thuộc vào công suất tổ máy mà

phụ thuộc vào số lượng vòi phun và các yếu tố kết cấu các công trình cụ thể

Kết cấu nhà máy thủy điện được chia làm hai phần: phần dưới nước (khối bê tông phía dưới) bố trí turbin, buồng xoắn, ống hút, các hệ thống thiết bị phụ Phần trên nước bao gồm gian máy và gian lắp ráp – sửa chữa, gian máy bố trí máy phát điện, thùng dầu áp lực và tủ điều tốc turbin

Kết cấy 17Tphần dưới nước của nhà máy thủy điện gồm buồng xoắn, ống hút, bệ máy phát, đường ống Turbin Với nhà máy thủy điện ngang đập phần dưới nước ngoài buồng xoắn, ống hút, bệ máy còn có cửa lấy nước dẫn nước trực tiếp vào

buồng xoắn Với nhà máy thủy điện lắp Tuabin xung kích gáo, phần dưới nước chủ

yếu là kênh xả dẫn nứơc ra hạ lưu

17T

Dọc theo chiều dài nhà máy (vuông góc với chiều dòng chảy) phần dưới nước

gồm nhiều khối tuabin giống nhau và ngoài cùng là sàn lắp ráp Tùy điều kiện địa

chất nền và chiều dài nhà máy, toàn bộ nhà máy có thể là một khối liền hoặc cách nhau bằng những khe lún cắt ngang nhà máy thành từng khối Trong mỗi khối gồm

từ một hoặc một số tổ máy, riêng phần sàn lắp máy do chịu tải trọng khác nên thường được tách riêng khỏi các khối tuabin

17T

Ở tầng tuabin thường bố trí các hệ thống thiết bị phụ gồm: hệ thống thiết bị cung cấp dầu mỡ, hệ thống thiết bị cung cấp nước kỹ thuật, hệ thống thiết bị tháo nước sửa chữa tổ máy, hệ thống tiêu nước rò rỉ nhà máy.v.v Ngoài ra còn bố trí các kho chứa và một số phòng phụ, máy tiếp lực và cơ cấu điều chỉnh

17T

Dưới sàn lắp ráp bố trí các xưởng, kho, máy bơm, giếng tập trung nước

1.3 Tổng quan về động đất

1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất

Động đất hay địa chấn là sự rung động mạnh mẽ của vỏ quả đất dưới dạng các dao động đàn hồi Động đất có nhiều nguyên nhân: nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh

- Nội sinh: liên quan đến vận động phun trào núi lửa, do sập đổ trần các hang động ngầm, do sự cọ xát của các mảng thạch quyển đại dương đang bị hút

chìm xuống dưới một mảng khác, do hoạt động đứt gãy địa chấn bên trong các mảng lục địa

- Ngoại sinh: do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất đá với

khối lượng lớn

- Nhân sinh: do các vụ thử hạt nhân ngầm dưới đất, các hoạt động xây dựng hồ

chứa làm mất cân bằng trọng lực môi trường, do bơm hút nước ngầm khí đốt gây sụp đổ ngầm dưới đất

Động đất ở Việt Nam thuộc kiểu do hoạt động của đứt gãy tạo ra, đều có chấn tiêu ( tâm phát sinh động đất) nông, thường ít sâu quá 20km Nước ta không có núi lửa đang hoạt động, nằm rất xa các đới hút chìm và đới dồn mảng nên không có kiểu động đất liên quan đến cấu trúc này như ở Nhật Bản, Philipin, Inđônêxia, hay vùng núi Himalaya

- Chấn tiêu ở độ sâu 300-700Km gọi là chấn tiêu sâu, chấn tiêu trung bình 300Km, chấn tiêu bình thường <60Km, chấn tiêu nông <15Km Chấn tiêu sâu nhất đo được là 720Km ở Florida (Mỹ) Động đất có sức tàn phá lớn

60-nhất là động đất chấn tiêu nông, toàn bộ năng lượng được giải phóng là 75% năng lượng đàn hồi tích lũy

thời là số liệu để suy ra các thông số quan trọng trong thiết kế kháng chấn

c) Thang động đất và cấp động đất

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thang động đất, nhưng phổ biến nhất vẫn

là các thang đo cơ bản sau:

Thang Richter: đo độ lớn hay mức năng lượng mà động đất phát ra, được tính bằng Magnitude (M) Một Magnitude bằng một độ Richter

Cường độ động đất được đặc trưng bởi trị số gia tốc địa chấn a, mô tả động đất hiện tượng động đất thông qua chuyển vị, gia tốc, vận tốc của mặt đất khi động đất đi qua, xác định theo cấp động đất đại diện là các thang: MMI ( 12 cấp), MSK (

12 cấp), JMA (8 cấp)

Theo thang quốc tế MSK con người không thể nhận biết chấn động cấp 1-2, cấp 3-4 sẽ gây rung động nhẹ và cấp 6-7 làm chao đảo mặt đất, chấn động cấp 7 trở lên sẽ gây thiệt hại lớn

Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất

1.0 1.00 1.67 2.33 3.00 3.67

4.33 5.00 5.67 6.33 7.00 7.00

d) Gia t ốc cực đại

Gia tốc cực đại của một trận động đất là gia tốc lớn nhất của chuyển động nền đất trong trận động đất đó Gia tốc cực đại là đại lượng rất quan trọng, được dùng trong

tất cả các tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay

Xác định chính xác gia tốc cực đại ở một điểm nào đó là điều không dễ dàng

vì thiếu biểu đồ gia tốc động đất mạnh và vì tính đa dạng của dao động địa chấn Vì

vậy người ta thường sử dụng các băng ghi gia tốc dao động nền đất đã có để thiết

lập mối tương quan thống kê giữa các gia tốc cực đại trung bình và các đặc trưng khác của động đất

Bảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất

đất M=6.8, Vùng thứ hai đồng bằng châu thố sông Hồng với cường độ động đất M

= 6.2, Vùng động đất thư ba là vùng miền núi Đông Bắc bao gồm các tỉnh Bắc Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Lạng Sơn với cường độ động đất M= 6.0, Vùng động đất cuối cùng là vùng phía nam của đất nước ta với cường độ động đất M= 5.5 ( Xem biểu đồ phần vùng động đất)

1.4 Kết luận chương

- Trong chương 1 tác giả đã khái quát được tình hình xây dựng các công trình

thủy điện ở Việt Nam, cho thấy việc thiết kế và thi công ngày càng được hoàn thiện hơn, số lượng nhà máy và quy mô công trình ngày càng nhiều

- Thấy được ưu nhược điểm và các vấn đề cần quan tâm nghiên cứu khi xây

dựng nhà máy thủy điện đó là: nhà máy thủy điện là một kết cấu hình khối

lớn, hình dạng khá phức tạp với nhiều khoảng trống bên trong Toàn bộ nhà máy nói chung và từng phần nói riêng phải đảm bảo đủ ổn định và đủ độ bền dưới tác động của mọi tổ hợp tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa

- Tổng quan nguyên nhân gây ra động đất, các khái niệm về động đất

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 2.1 Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy dưới tác dụng của lực động đất

Khi tính toán phản ứng động ta không thể mô hình hóa tất cả các hệ kết cấu dưới

dạng hệ có một số bậc dao động tự do Đại đa số các hệ kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng thường có mô hình tính toán gồm một số bậc tự do lớn hơn

một Đó là các hệ kết cấu mà khối lượng của chúng có thể tập trung về một số bộ

phận nào đó sao cho sự làm việc thực của chúng về cơ bản không bị ảnh hưởng Nhưng hệ như vậy có tên gọi là hệ có khối lượng tập trung, hoặc hệ có khối lượng

rời rạc, hoặc thông dụng hơn, hệ có nhiều bậc tự do

Để xây dựng phương trình chuyển động của hệ kết cấu người ta có thể dùng phương pháp lực (phương pháp ma trận độ mềm) hoặc phương pháp chuyển vị (phương pháp ma trận độ cứng) Trong luận văn này tác giả giới thiệu phương pháp chuyển vị để thiết lập phương trình chuyển động cho hệ kết cấu

Dưới tác động của ngoại lực động FR k R(t) các khối lượng mR k R của hệ kết cấu sẽ có các chuyển vị ngang xR k(t) R (k=1,2, ,k,…,n) Trên cơ sở của nguyên lý d’Alembert, các chuyển vị này được xác định từ phương trình cân bằng động sau tại mỗi khối lượng mR k R:

FR Q.k R(t) – Lực quán tính tác động lên khối lượng mR k R;

FR C.k R(t) – Lực cản tác động lên khối lượng mR k R;

FR H.k R(t) – Lực đàn hồi tác động lên khối lượng mR k R;

2.1.1 Xác định lực đàn hồi tuyến tính

Để xác định lực đàn hồi FR H.k R(t) tác động lên khối lượng mR k R ta giả thiết rằng tất

cả các bậc tự do của hệ kết cấu đều bị chốt lại (hình 2.1.b), sau đó lần lượt cho mỗi

bậc tự do một chuyển vị cưỡng bức x1(t), x2(t), … xk(t)… xn(t) Trong điều kiện

này tại mỗi bậc tự do sẽ phát sinh ra lực đàn hồi Bằng cách tháo chốt lần lượt các

bậc tự do và bắt chúng phải chịu chuyển vị cưỡng bức đúng bằng chuyển vị ngang

của hệ cho ở hình 2.1.a ta sẽ được các lực đàn hồi sau tại mỗi bậc tự do:

rR k,j R là hệ số độ cứng hoặc phản lực đơn vị sinh ra khi chất tải liên tục

hệ kết cấu với các chuyển vị bằng đơn vị (hình 2.1.c)

2.1 2 Xác định lực cản

Để xác định lực cản FR C.k R(t) tác động lên khối lượng mR k R, như phần trên đã trình bày, ta xem lực cản trong trường hợp này là lực cản nhớt tỷ lệ thuận với tốc độ chuyển động của hệ kết cấu Do đó, tương tự như cách xác định lực đàn hồi FR H,k R(t) ,

ta xem mỗi hệ số cản bất kỳ cR jk R biểu diễn lực xuất hiện theo hướng bậc tự do j khi

khối lượng mR k R có tốc độ chuyển vị bằng đơn vị trong khi các khối lượng khác có

tốc độ bằng không (bị chốt lại), có nghĩa là xk =1,xj =0(j≠k)

Hình 2.1: Mô hình tính toán c ủa hệ kết cấu có nhiều bậc tự do

Trong trường hợp này lực cản được xác định theo công thức sau:

Ma trận khối lượng (2.6)

Ma hệ số cản Damping (2.7)

Vectơ vận tốc (2.10)

Vectơ ngoại lực (2.12)

2.1.3 Xác định lực quán tính

Lực quán tính tỷ lệ thuận với gia tốc

Lực quán tính tác động lên khối lượng mR k R được xác định từ phương trình sau:

x tk( )

- gia tốc tại nút k tại thời điểm t

2.1.4 Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất

Tương tự như trường hợp hệ kết cấu có nhiều bậc tự do chịu tải trọng động bất kỳ, mô hình tính toán của của cơ hệ chịu tác động động đất được thể hiện

ở hình 2.2 Dưới tác động của địa chấn, móng của công trình được xem là tuyệt đối

cứng chịu một chuyển vị cưỡng bức theo phương ngang xR 0 R(t) Như vậy tại bất kỳ

thời điểm nào của chuyển động, mỗi khối lượng của hệ kết cấu sẽ thực hiện một chuyển động tịnh tiến sang ngang xR 0 R(t) và một chuyển động ngang tương đối x(t) Chuyển động tuyệt đối của hệ kết cấu sẽ bằng: x0(t)+x(t)

Hình 2.2: Mô hình tính toán c ủa hệ kết cấu có nhiều bậc tự do

Áp dụng nguyên lý d’Alembert ta được phương trình cân bằng động theo hướng

Hoặc dưới dạng ma trận:

[ ]M { }x +[ ]C { }x +[ ]K { }x ={F t( ) }

2.2 Các p hương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất

2.2.1 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là phương pháp mà trong đó lực quán tính do động đất sinh ra tác động lên công trình theo phương ngang được thay

thế bằng tĩnh lực ngang tương đương Phần lớn các công trình xây dựng thông thường khi thiết kế kháng chấn đều sử dụng phương pháp này để tính toán Trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, lực ngang do động đất sinh ra tác động ở chân công trình được giả thiết bằng hệ số địa chấn Cs và trọng lượng toàn bộ công trình

Q Lực ngang này có tên gọi là lực cắt đáy hoặc lực cắt ở chân công trình, được phân bố trở lại trên toàn bộ chiều cao công trình tại các bị trí có khối lượng tập trung, thương là cao trình các bản sàn Hệ số địa chấn Cs phụ thuộc vào nhiều yếu

tố khác nhau, gồm các yếu tố chính như sau:

- Vùng hoạt động động đất;

- Điều kiện nền đất tại địa điểm xây dựng;

- Tầm quan trọng của công trình;

- Hệ số làm việc của kết cấu;

- Giải pháp kết cấu;

- Phổ thiết kế động đất;

- Khối lượng của công trình,

Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương không áp dụng được cho các công trình có hình dạng không đều đặn, hoặc có sự phân bố khối lượng và độ cứng không đều trong mặt bằng cũng như trên chiều cao Bên cạnh đó phương pháp này còn có

hạn chế là không cung cấp được các thông tin về sự làm việc của công trình trong

thời gian động đất để cho phép thiết kế được các công trình vừa hiệu quả vừa an toàn

2.2.2 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp phổ

phản ứng

Phương pháp phổ phản ứng được gọi với tên đầy đủ là phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động và được xem là phương pháp tham chiếu để xác định các hệ quả của tác động động đất Phương pháp này dùng để phân tích các kết

cấu không thỏa mãn các điều kiện áp dụng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương, với mô hình tính toán là các mô hình tính toán dùng cho phương pháp tĩnh

lực ngang tương đương

2.2.3 Ph ân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp lịch sử

2.2.4 N ội dung thuật toán Newmark

Phương trình chuyển động của cơ hệ dưới tác dụng của lực động đất của hệ nhiều bậc tự do

( ) ( )

t u m t p ku u c u

m + + = = − g (2.16)

Trong đó:

m: ma trận khối lượng của hệ kết cấu

k: ma trận độ cứng của cơ hệ c: ma trận hệ số cản của cơ hệ u: vector chuyển vị nút của cơ hệ

t

u g : giá trị gia tốc nền tại thời điểm tính toán t

Việc giải phương trình vi phân trên theo phương pháp giải tích thông thường

là không thể thực hiện được đặc biệt là đối với hệ có nhiều bậc tự do và chịu lực tác

dụng của lực động đất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Do đó phương trình trên

chỉ có thể được giải bằng phương pháp gần đúng (Phương pháp số) Hiện nay, tồn

tại một số phương pháp giải phương trình trên tuỳ thuộc vào cách lấy sai phân các

biến Trong luận văn này tác giả giới thiệu phương pháp Newmark

.

) ( )

2

Các hệ sốγ ,β xác định giá trị thay đổi của gia tốc trong bước thời gian ∆t và

được xác định đảm bảo độ chính xác cũng như tính ổn định của phương pháp

Thông thường chọn: γ = 2

1

1 6

1, + , + + i i

u

từ các giá trị tương ứng đã biết ở bước thứ i Tuy nhiên để

tìm ra lời giải của hệ phương trình này ta cần dùng phương pháp giải lặp vi biến 1

+

i u

xuất hiện ở vế phải của phương trình ( 2.17 ) và ( 2.18)

Đối với hệ tuyến tính, ta có thể biến đổi công thức Newmark để tìm ra lời

giải mà không cần sử dụng phương pháp lặp Trình tự làm như sau:

Đặt u i u i u i u i u i u i u i u i u i

1

1

2

) ( 2

) ( )

i

t

u t u

2

2

1 1

) (

1

ββ

i

t u

.

γβ

γ

(2.25) Thay (2.24 ) và (2.25) vào (2.21) sau khi rút gọn ta được

c t k

^

) (

1

∆

+

∆ +

=

ββ

γ

i i

i

t p

1 1

βγ

∆ hoàn toàn được xác định

Từ phương trình (2.18) giải ra được các giá trị ∆ ui

và từ phương trình ( 2.24) và (2.25) lần lượt giải ra được u i

, , + +

u

2.3 Cơ sở lý thuyết xây dựng biểu đồ gia tốc nền nhân tạo

Theo phương pháp lịch sử thời gian thì dữ liệu đầu vào phải có biểu gia tốc

nền theo thời gian Nhưng trong TCXDVN 375-2006 “Thiết kế công trình chịu động đất”, chỉ cho được biểu đồ phổ phản ứng thiết kế theo từng vị trí xây dựng công trình

Theo TCXDVN 375-2006 thì có thể sử dụng biểu đồ gia tốc nhân tạo từ phổ thiết kế cụ thể được quy đinh trong mục “ 3.2.3.1.3 Giản đồ gia tốc nhân tạo”

Phương pháp xây dựng biểu đồ gia tốc nền

Nghiệm của phương trình phản ứng của hệ kết cấu được xác định theo phương trình (2.7) như sau:

Biểu thức (2.8) biểu thị chuyển vị tương đối của hệ kết cấu một bậc tự do, có

khối lượng m khi nền của hệ kết cấu chuyển động với gia tốc tốc x t0( )

Đạo hàm liên tục biểu thức này ta sẽ được tốc độ tương đối:

Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị và các tung độ của nó

biểu thị biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng ( chuyển vị tương đối, tốc độ tương đối, gia tốc tuyệt đối) của hệ kết cấu theo chu kỳ dao động tự nhiên của nó và độc lập với lịch sử chuyển động của hệ kếu cấu theo thời gian Đối với một trận động đất đang xét, phụ thuộc vào chu kỳ riêng và phần

cản tới hạn, giá trị lớn nhất của các biểu thức trên được gọi là giả - phổ phản ứng (Spd; Spv; Spa) Để đơn giản giả - phổ phản ứng được gọi tắt thành phổ phản ứng

Do đó biến thiên hỗn loại của hàm x t0( )

nên người ta chứng minh được rằng phổ tốc độ tương đối có thể viết như sau:

Vì vậy, giữa các phổ phản ứng tồn tại mối quan hệ sau:

giữa đường phổ phản ứng và gia tốc nền, và được viết thành phần mềm có tên là: Simqke_Gr

2.4 Kết luận chương

Trên cơ sở lý thuyết trong phân tích động tác giả đã nêu được cách thức xây

dựng phương trình động lực học cơ bản trong bái toán cơ học và xác định các lực thành phần Làm rõ hơn cách xây dựng biểu đồ gia tốc nền nhân tạo từ phổ phản ứng theo TCXDVN 375-2006 “Thiết kế công trình chịu động đất” từ đó làm dữ

liệu đầu vào giải các bài toán động đất, tác giả đã nêu được các phương pháp giải bài toán phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất và đã trình bày thuật toán Newmark để phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất bằng phương pháp lịch sử

thời gian để làm cơ sở cho việc phân tích kết cấu nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 3: LẬP BÀI TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHỊU TÁC DỤNG CỦA LỰC ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP

LỊCH SỬ THỜI GIAN 3.1 Lựa chọn mô hình và các trường hợp tính toán

Mô hình tính toán tác giả lựa chọn mô hình tính toán 3D cho phần dưới nước nhà máy thủy điện Cụ thể tác giả lựa chọn tính toán cho phần dưới nước nhà máy

thủy điện của công trình thủy điện Xím Vàng 2 – Sơn La Trong luận văn tác giả phân tích kết cấu cho nhà máy thủy điện Xim Vàng 2 cho hai trường hợp tải trọng

Trường hợp 1 Tổ hợp tải trong cơ bản

Trường hợp 2 Tổ hợp đặc biệt khi có xét đến lực động đất Trường hợp này tác giả tích toán theo hai phương pháp để so sánh:

a Phương pháp phổ phản ứng

b Phương pháp lịch sử thời gian

3.2 Tổng quan về công trình thủy điện Xím Vàng 2

Xím Vàng là nhánh sông cấp I bờ trái sông Đà, bắt nguồn từ vùng núi có độ cao trên 2000 m nằm ở huyện Bắc Yên, tỉnh Sơn La Dòng chính Xím Vàng chảy theo hướng Đông Bắc – Tây Nam đổ ra sông Đà ở cao độ khoảng 140 m thuộc xã Chim Vàn, huyện Bắc Yên, tỉnh Sơn La

Lưu vực Xím Vàng tiếp giáp về phía Bắc với lưu vực sông Ngòi Thia, phía Tây giáp với lưu vực suối Nậm Chim, phía Đông giáp với lưu vực suối nhỏ của sông Đà và đổ vào sông Đà ở phía Nam

Công trình thủy điện Xím Vàng 2 dự kiến được xây dựng trên suối Xím Vàng thuộc xã Xím Vàng, huyện Bắc Yên, tỉnh Sơn La Tuyến công trình nằm cách

thị trấn Phù Yên khoảng 34 km về phía Đông, cách thị trấn Phiềng Ban khoảng 16km về phía Đông Nam

Tọa độ vị trí công trình: 104019’50” kinh độ Đông

21019’10” vĩ độ Bắc

B ẢNG CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA CÔNG TRÌNH

Khởi công + Công tác đào hở

Lấp sông + Công tác BT + đào ngầm

VIII Chỉ tiêu kinh tế

Giá điện mùa mưa/mùa khô UScent/Kwh 1082

IX Chỉ tiêu tài chính (vốn tự có của Chủ

đầu tư chiếm 30%, còn lại vốn vay

ngân hàng trong nước với lãi suất

12%/năm Giá bán điện 6,0 Cent/kWh)