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

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Phân tích kết cấu, ổn định của nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo phương pháp lịch sử thời gian” được hoàn thành ngoài sự cố 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 giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: TS. Trịnh Quốc Công đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn. Tác giả 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 giả 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 Nội, ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tác giả luận văn ĐỖ HỒNG HOÀNG LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: 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 MỤC LỤC 32TLỜI CẢM ƠN32T 1 32TLỜI CAM ĐOAN32T 2 32TMỤC LỤC32T 3 32TBẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ32T 6 32TBẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU32T 8 32TMỞ ĐẦU32T 1 32T1. Tính cấp thiết của đề tài:32T 1 32T2. Mục đích của đề tài:32T 2 32T3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:32T 2 32T4. Kết quả dự kiến đạt được:32T 2 32TCHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH XÂY DỰNG THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT32T 4 32T1.1. Hiện trạng và kế hoạch phát điện thủy điện ở Việt Nam32T 4 32T1.2. Tổng quan về nhà máy thủy điện32T 6 32T1.3. Tổng quan về động đất32T 8 32T1.3.1 Nguyên nhân gây ra động đất32T 8 32T1.3.2. Một số khái niệm về động đất32T 9 32T1.4. Kết luận chương.32T 14 32TCHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 32T 15 32T2.1. Phương trình vi phân mô tả chuyển vị của nhà máy dưới tác dụng của lực động đất 32T 15 32T2.1.1. Xác định lực đàn hồi tuyến tính32T 15 32T2.1.2. Xác định lực cản32T 16 32T2.1.3. Xác định lực quán tính32T 18 32T2.1.4. Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất.32T 18 32T2.2. Các phương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất32T 20 32T2.2.1 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương 32T 20 32T2.2.2 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp phổ phản ứng 32T 21 32T2.2.3 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp lịch sử thời gian. 32T 21 32T2.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng biểu đồ gia tốc nền nhân tạo32T 24 32T2.4. Kết luận chương.32T 26 32TCHƯƠNG 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 32T 27 32T3.1. Lựa chọn mô hình và các trường hợp tính toán.32T 27 32T3.2. Tổng quan về công trình thủy điện Xím Vàng 232T 27 32T3.3. Xây dựng mô hình từ tính toán32T 32 32T3.4. Các thông số cơ bản của mô hình32T 33 32T3.5. Các lực tác dụng và tổ hợp lực32T 34 32T3.5.1. Xác định các tải trọng tĩnh32T 34 32T3.5.2. Tải trọng gây nên do động đất.32T 35 32T3.6. Kết quả tính toán32T 38 32T3.6.1. Kết quả tính toán trường hợp 1 (tổ hợp cơ bản)32T 38 32T3.6.2. Kết quả tính toán trường hợp 2a ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo phương pháp phổ phản ứng) 32T 42 32T3.6.3. Kết quả tính toán trường hợp 2b ( Nhà máy chịu tải trọng động đất tính theo phương pháp lịch sử thời gian) 32T 46 32T3.6.4. Bảng tổng hợp kết quả32T 52 32TCHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 32T 55 32TTHEO PHƯƠNG PHÁP LỊCH SỬ THỜI GIAN32T 55 32T4.1.Tổng quan về phân tích ổn định chống trượt nhà máy thủy điện32T 55 32T4.2. Nội dung phương pháp phân tích ổn định chống trượt nhà máy thủy điện chịu tải trọng động đất theo mô hình SDOF 32T 57 32T4.3. Tải trọng và tổ hợp hợp tải trọng trong phân tích ổn định chống trượt nhà máy thủy điện 32T 58 32T4.4. Kết quả phân tích ổn định trượt cho nhá máy thủy điện Xím Vàng 2 bằng mô hình SODF. 32T 60 32T4.4.1. Số liệu tính toán32T 60 32T4.4. 2 . Trường hợp tính toán32T 61 32T4.4.3 Kết quả tính32T 63 32T4.5 Kết luận chương32T 66 32TKẾT LUẬN32T 67 32T1.32T 32TKết quả đạt được của luận văn32T 67 32T2.32T 32TVấn đề tồn tại và phương hướng nghiên cứu tiếp theo32T 67 32T3.32T 32TPhương hướng nghiên cứu tiếp theo32T 68 32TTÀI LIỆU THAM KHẢO32T 69 BẢNG KÊ DANH MỤC HÌNH VẼ 32THình 2.1: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do32T 16 32THình 2.2: Mô hình tính toán của hệ kết cấu có nhiều bậc tự do32T 19 32Tchịu tác động của động đất32T 19 32THình 3.1: Mô hình của sở đồ tính xây dựng trong Autocad32T 32 32THình 3.2: Chia lưới phần tử trong phần mềm Adina32T 33 32THình 3.3: Phổ phản ứng thiết kế tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 232T 37 32THình 3.4: Biểu đồ gia tốc nền tại ví trị công trình thủy điện Xím Vàng 232T 38 32THình 3.5.Chuyển vị theo phương XX32T 39 32THình 3.6 Chuyển vị theo phương YY32T 40 32THình 3.7 Chuyển vị theo phương ZZ32T 40 32THình 3.8 Ứng suất StressXX32T 41 32THình 3.9 Ứng suất StressYY32T 41 32THình 3.10 Ứng suất stressZZ32T 42 32THình 3.11. Chuyển vị theo phương XX32T 43 32THình 3.12. Chuyển vị theo phương YY32T 43 32THình 3.13. Chuyển vị theo phương ZZ32T 44 32THình 3.14. Ứng xuất stress XX32T 44 32THình 3.15. Ứng xuất stress YY32T 45 32THình 3.16 Ứng xuất stress ZZ32T 45 32THình 3.17: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 2748932T 46 32Ttrên sàn nhà máy32T 46 32THình 3.18: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 2748932T 47 32Ttrên sàn nhà máy32T 47 32THình 3.19: Biểu đồ biến thiên ứng suất StressR XX R tại node 2748932T 47 32Ttrên sàn nhà máy32T 47 32THình 3.20: : Biểu đồ biến thiên ứng suất StressR YY R tại node 2748932T 48 32Ttrên sàn nhà máy32T 48 32THình 3.21: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 1996632T 48 32Ttrên tường thượng lưu32T 48 32THình 3.22: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 1996632T 49 32Ttrên tường thượng lưu32T 49 32THình 3.23: Biểu đồ biến thiên ứng suất StressR YY R tại node 19966 trên32T 49 32Ttường thượng lưu32T 49 32THình 3.24: Biểu đồ biến thiên ứng suất StressR ZZ R tại node 1996632T 50 32Ttrên tường thượng lưu32T 50 32THình 3.25: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương X tại node 2247832T 50 32Ttrên tường hạ lưu32T 50 32THình 3.26: Biểu đồ biến thiên chuyển vị theo phương Z tại node 2247832T 51 32Ttrên tường hạ lưu32T 51 32THình 3.27: Biểu đồ biến thiên ứng suất stressR YY R tại node 2247832T 51 32Ttrên tường hạ lưu32T 51 32THình 3.28: Biểu đồ biến thiên ứng suất stressR ZZ R tại node 2247832T 52 32Ttrên tường hạ lưu32T 52 32THình 4.1: Các mt trượt tính toán cho sơ đồ trượt phng32T 55 32TABCD, ABCDEF, ABCDE32T 55 32TTrêng hîp tÝnh to¸n32T 61 32THình 4.2. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 832T 62 32THình 4.3. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 932T 62 32THình 4.4. Biểu đồ gia tốc nền tương ứng động đất cấp 1032T 63 32THình 4.5. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 832T 64 32THình 4.6. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 932T 64 32THình 4.7. Biểu đồ hệ số an toàn ổn định chống trươt với động đất cấp 1032T 65 32THình 4.8. Chuyển vị trượt của nhà máy chịu tải trong động đất cấp 1032T 66 BẢNG KÊ DANH MỤC BẢNG BIỂU 32TBảng 1.1: Tiềm năng thủy điện Việt Nam32T 4 32TBảng 1.2: Công suất các nguồn điện phân bố năm 1982 và 199232T 5 32TBảng 1.3: Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất32T 10 32TBảng 1.4: Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất32T 11 32TBảng 3.1: Tổng hợp kết quả tính toán nhà máy chịu tổ hợp tải trọng cơ bản (Trường hợp 1) 32T 52 32TBảng 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 53 32TBảng 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 53 32TBảng 4.1. Tổng hợp và phân tích tải trọng tính toán ổn định nhà máy thủy điện32T 59 1 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 đt 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 )(tu 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 2 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 [...]... 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. .. 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 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trong động đất bằng phương pháp lịch sử thời gian Phương pháp tính toán theo lịch sử thời gian cho... trong các chương tiếp theo 27 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 –... trận:  x [ M ]{} + [C ]{ x} + [ K ]{ x} = {F ( t )} 2.2 Các phương 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... là phương pháp tích phân từng bước một Trong luận văn này tác giả sử dụng thuật toán Newmark cho phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất theo lịch sử thời gian 2.2.4 Nội dung thuật toán Newmark Phương trình chuyển động của cơ hệ dưới tác dụng của lực động đất của hệ nhiều bậc tự do 22 m u + c u + ku = p (t ) = −m u g (t ) (2.16) Trong đó: m: ma trận khối lượng của hệ kết cấu k: ma trận độ cứng của. .. cho phép xác định được toàn bộ quá trình phản ứng của hệ kết cấu dưới tác động của tải trọng Có hai cách tính toán: Áp dụng kỹ thuật phân tích dạng chính hoặc tích phân trực tiếp từ phương trình chuyển động Trong cả hai cách trên, lịch sử thời gian tác động của tải trọng lên hệ kết cấu được chia thành các bước rất nhỏ Trong mỗi bước thời gian, hệ phương trình vi phân được thay bằng hệ phương trình... 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. .. 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... 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 15... lm ≤ 1000MW R R - Nhà máy thủy điện nhỏ: N lm ≤ 15MW R R 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: H max > 400m R R - Nhà máy thủy điện cột nước trung bình: 50m ≤ H max ≤ 400m R R - Nhà máy thủy điện cột nước thấp: H max ≤ 50m R R Cột nước công tác H max có liên quan đến loại turbin bố trí trong nhà máy Ở R R TTĐ cột nước . 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, . 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 2 rất cần thiêt. Học viên chọn đề tài: Phân tích kết cấu, ổn định của. Dao động của hệ kết cấu chịu tác động của động đất. 32T 18 32T2.2. Các phương pháp phân tích kết cấu chịu tải trọng động đất3 2T 20 32T2.2.1 Phân tích kết cấu NMTĐ chịu tải trọng động đất bằng phương