Tính toán và tối ưu cấu tháp trụ 100m

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa KHOA HỌC ỨNG DỤNG và Bộ môn CƠ KỸ THUẬT đã tạo điều kiện để em thực hiện đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tường Long là thầy hướng dẫn đã giúp đỡ em thực hiện luận văn của mình hoàn chỉnh và đúng theo yêu cầu đề ra. Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ trong suốt quá trình quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Sinh viên thực hiện Vũ Xuân Thịnh CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1.1. Giới thiệu một số công trình cao tầng trên thế giới • Tháp Harbor & Tower: cao 1km có khoảng 200 tầng với 150 thang máy. Phải mất khoảng 10 năm để hoàn thành, vào khoảng năm 2020. iii Hình 1.1 Tháp Harbor & Tower • Tháp Burj Dubai: với chiều cao hơn 800m có thể được nhìn thấy cách chân tháp 10 dặm (khoảng 15km) Dubai Tower khởi công vào năm 2004, với tổng vốn đầu tư 4 tỷ USD. Thiết kế cho tòa tháp là công ty kiến trúc đến từ Chicago Skidmore. Để giúp tòa nhà tránh nắng nóng sa mạc, trung bình mỗi tiếng sẽ có khoảng 10.000 tấn dung dịch làm mát lan tỏa khắp các tầng. Người ta đã phải dùng 230.000m 3 bê tông cho toàn bộ kết cấu tháp. iii Hình 1.2 Tháp Burj Dubai • Tháp Đài Bắc 101: cao 509m có 101 tầng và 5 tầng hầm. Tháp được thiết kế để chịu động đất và những cơn bão siêu mạnh mỗi thế kỷ chỉ có 1 lần. Rất đồ sộ với trọng lượng 700000 tấn. Ở tầng 92 treo 1 đồng hồ thép nặng 730 tấn. iii Hình 1.3 Tháp Đài Bắc 101 • Hình ảnh một số tòa tháp khác: Hình 1.4 Tháp đôi Petronas iii Hình 1.5 Tháp Sears Hình 1.6 Tháp Eiffel iii Hình 1.7 Tháp Milad Hình 1.8 So sánh chiều cao các tháp 1.1.2. Đặt vấn đề iii Hiện nay, yêu cầu phát triển kinh tế đòi hỏi phải xây dựng các công trình lớn và nhẹ, trong đó thường dùng các thanh chịu nén có chiều dài lớn dễ bị mất ổn định. Do đó, việc nghiên cứu ổn định công trình là cần thiết và có ý nghĩa thực tế. Do xã hội ngày càng phát triển, nên nhu cầu phải xây dựng các kết cấu cao tầng nhằm để giải quyết vấn đề về diện tích đất sử dụng. Nhưng trong quá trình xây dựng các kết cấu cao tầng thì ta cần phải giải quyết rất nhiều vấn đề về: • Lựa chọn hệ kết cấu sao cho đủ điều kiện bền vững để chịu được tất cả các loại tải trọng và tác động thiên nhiên (tải trọng đặc biệt). • Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu: - Các loại tải trọng gồm: tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió, lực động đất, lực trọng trường. - Độ bền và ổn định của hệ kết cấu. - Độ cứng và độ chuyển dịch ngang tòa nhà trong giới hạn cho phép. - Tiêu chuẩn nhân văn là con người sinh sống vẫn cảm giác dễ chịu ngay khi nhà bị dao động do lực thiên nhiên tác động. - Các yếu tố môi trường: nhiệt độ, co ngót - Phòng chống cháy nổ. - Độ lún lệch và lún đều của móng. - Tác động tương hỗ giữa độ cứng kết cấu trên mặt đất và nền móng dưới mặt đất. Do các yêu cầu đặt ra cần phải được đáp ứng nên ta chọn loại kết cấu tháp trụ có đường kính không thay đổi nhằm để tiết kiệm diện tích sử dụng đất sử dụng mặt khác để cho kết cấu tháp bền vững. Vì vậy, việc xác định đường kính của tháp có một vai trò rất quan trọng trong việc tính toán và tối ưu kết cấu tháp. 1.1.3. Mục đích đề tài iii Xác định đường kính của tháp dựa vào lý thuyết ổn định công trình. Từ đó ta bắt đầu tính tối ưu để đưa ra kết cấu tối ưu nhất và dùng phần mềm ANSYS để tính toán và đưa ra các kết quả cần thiết. 1.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS ANSYS là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải. Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn. Trong bài toán kết cấu, phần mềm ANSYS được dùng để giải các bài toán tìm trường ứng suất - biến dạng, trường nhiệt cho các kết cấu, giải các bài toán dạng tĩnh, dao động, cộng hưởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán được giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D, 3D, giải các bài toán với các vật liệu đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt… Trước hết, cần chọn được kiểu phần tử, phù hợp với bài toán cần giải. ANSYS cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử, tương ứng với một dạng bài toán. Khi chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, ANSYS yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc tính toán còn tùy thuộc vào vật liệu. Mỗi bài toán cần đưa ra mô hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu, cần nhập đủ các thông số vật lý của vật liệu. ANSYS là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực. Vì vậy cần đưa vào mô hình hình học đúng. ANSYS cho phép xây dựng các mô hình hình học 2D và 3D, với các kích thước thực, hình dáng được giản đơn hóa hoặc mô hình như vật thật. ANSYS có khả năng mô phỏng theo mô hình hình học với các điểm, đường, diện tích, và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử. Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán. ANSYS là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, ANSYS cho phép chia lưới phần tử iii do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới. Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt. Nhưng việc chia nhỏ phần tử phụ thuộc năng lực từng phần mềm và khả năng của máy tính. Nếu sử dụng phiên bản công nghiệp, số nút và phần tử có thể đến con số hàng trăm ngàn; phiên bản Đại học, đến chục ngàn; phiên bản sinh viên đến hàng ngàn. Để giải được các bài toán lớn có độ chính xác cao, cần máy tính có cấu hình mạnh, hay một mạng máy tính có khả năng hỗ trợ nhau. Để giải một bài toán bằng phần mềm ANSYS, cần đưa vào các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc và các ngoại lực hoặc nội lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ) được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học. Sau khi xác lập các điều kiện bài toán, để giải chúng, ANSYS cho phép chọn các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài toán. ANSYS cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo dõi bước tính, ANSYS cho biểu đồ quan hệ các bước lặp và độ hội tụ. Các kết quả tính toán được ghi lưu vào các file dữ liệu. Việc xuất các dữ liệu được tính toán và lưu trữ, ANSYS có hệ hậu xử lý rất mạnh, cho phép xuất dữ liệu dưới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trường ứng suất và biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dưới dạng bảng số. CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học. Tư tưởng của phương pháp là chia vật thể ra thành iii Hình 2.1 Phần tử đường Hình 2.2 Phần tử mặt một tập hợp hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng. Trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất được xác định trong từng miền con. Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn. Dạng phần tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối. Các phần tử được nối kết với nhau qua các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến n (n là số nút của phần tử). Các bước giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn: • Chia vật liệu ra thành nhiều phần tử sao cho tính chất vật lý của mỗi phần tử không thay đổi. • Nếu vật liệu có biên dạng phức tạp, ta có thể chia các phần tử ở gần biên sao cho thật nhuyễn. Nếu làm như vậy, ta có thể dùng các phần tử đơn giản thay vì dùng các phần tử phức tạp. • Tìm phiếm hàm. • Tìm điều kiện biên. • Dùng các hàm số tạo hình để tìm ra các ma trận cứng của các phần tử. • Kết nối những phần tử với nhau qua các nút, ta sẽ có hệ thống phương trình cho cấu trúc. • Giải hệ thống phương trình để xác định các ẩn số là chuyển vị. • Suy ra độ biến dạng và ứng suất. • Kết quả sẽ thỏa các điều kiện biên, các điều kiện vật lý. Các phần tử thường có dạng hình học đơn giản. a. Vật liệu có dạng đường (lines): b. Vật liệu có dạng mặt (areas): c. Vật liệu có dạng thể tích (volumes): iii [...]... tối ưu theo Pareto Bước 2: Xử lý, thu gọn tập tối ưu Pareto để nhận được nghiệm tối ưu 3.3 PHÂN LOẠI CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU Căn cứ vào biến thiết kế và hàm mục tiêu, bài toán tối ưu hóa kết cấu được chia làm bốn dạng 3.3.1 Bài toán tối ưu tiết diện ngang Bài toán tối ưu hóa tiết diện ngang có hàm mục tiêu là thể tích hoặc trọng lượng kết cấu với các ràng buộc về bền và chuyển vị Loại bài toán. .. bài toán điều khiển tối ưu: hàm dưới dấu tích phân chứa biến trạng thái, biến thời gian và biến điều khiển 3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU Cho đến nay, trên cơ sở lý luận cũng như ứng dụng tính toán có thế phân thành hai dòng phương pháp chính giải bài toán tối ưu hóa kết cấu: quy hoạch toán học và tiêu chuẩn tối ưu 3.4.1 Các phương pháp quy hoạch toán học Bài toán tối ưu. .. tọa độ nút trên đường biên của kết cấu Trường hợp tổng quát, biến thiết kế trong bài toán tối ưu hình dạng có thế chứa cả biến trong bài toán tối ưu tiết diện ngang 3.3.3 Bài toán tối ưu cấu trúc Nội dung của bài toán này là tìm quy luật phân bố tối ưu vật liệu hoặc các phần tử kết cấu bao gồm cả số lượng phần tử và vị trí các nút kể cả liên kết với đất Bài toán tối ưu cấu trúc phức tạp hơn nhiều nhưng... triển nhanh của kỹ thuật tính toán, máy tính điện tử tốc độ cao, các phần mềm phân tích kết cấu đa năng và chuyên dụng, tối ưu hóa kết cấu ngày càng được nhiều người quan tâm, ứng dụng để giải quyết các bài toán thực tế mà trước đây chưa có điều kiện thuận lợi để thực hiện Đề tài đề cập chủ yếu đến bài toán tối ưu hóa trọng lượng của kết cấu, một phần của vấn đề tối ưu hóa kết cấu theo nghĩa rộng Bên... một công cụ rất hiệu quả trong tối ưu hóa kết cấu, bao gồm tối ưu hóa kích thước hình dáng và cấu trúc Ở Việt Nam, trong lĩnh vực kết cấu xây dựng, GA bước đầu được các kỹ sư thiết kế quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng tính toán tối ưu kết cấu dàn không gian CHƯƠNG IV LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH Hiện nay, yêu cầu phát triển kinh tế đòi hỏi phải xây dựng các công trình lớn và nhẹ, trong đó thường dùng... hợp hai bài toán tối ưu hình dạng và cấu trúc để tìm phương án tốt nhất 3.3.4 Tối ưu tổng chi phí Trên thực tế việc đặt hàm mục tiêu là trọng lượng kết cấu hoặc giá thành kết cấu tính qua trọng lượng là chưa đủ Mục đích cuối cùng của thiết kế kết cấu là để sử dụng và trong quá trình sử dụng, chất lượng ban đầu của kết cấu sẽ giảm theo thời gian Vì vậy người ta mở rộng phạm vi xem xét kết cấu cả trong... chiều dài nhịp kết cấu Trong trường hợp giải bài toán tối ưu kết cấu theo mô hình thống kê, có xét đến tính chất ngẫu nhiên của các tham số, hệ (3.5) được viết dứới dạng xác suất 3.2.4 Bài toán tối ưu đa mục tiêu Trường hợp bài toán liên quan đến việc phân tích, lựa chọn quyết định hướng vào nhiều mục tiêu khác nhau, khi đó ta phải xét đồng thời nhiều mục tiêu Việc giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu... i = 1 ÷ m (3.6) Bài toán được mô tả như trên còn gọi là một quy hoạch Tùy theo dạng hàm mục tiêu, hệ ràng buộc, tính chất của biến mà ta có tên gọi riêng của bài toán Có thể nói phương pháp quy họach toán học là công cụ tổng quát, có hiệu lực để giải các bài toán tối ưu nói chung và tối ưu hóa kết cấu nói riêng Đặc điểm chung của phương pháp quy hoạch toán học là tìm nghiệm tối ưu trong miền thiết... Như vậy có thể thấy phương pháp tối ưu tiến hóa là đơn giản, dễ thực hiện với sự trợ giúp của máy tính Về bản chất, phương pháp này tương tự phương pháp tiêu chuẩn tối ưu - độ bền đều Với kết cấu hệ thanh, ví dụ kết cấu dàn, có thể sử dụng phương pháp này để giải bài toán tối ưu cấu trúc 3.4.4 Phương pháp ứng dụng thuật giải di truyền Bài toàn tối ưu được xem là bài toán tìm kiếm giải pháp tốt nhất... lại một bộ phận ưu tú” trong kết cấu gốc ban đầu Có thể sử dụng phương pháp lực hoặc chuyển vị để phân tích kết cấu trong quá trình tối ưu hóa dàn Kết cấu thu được có thể là tĩnh định hoặc siêu tĩnh Trường hợp kết cấu nhận được là không ổn định, ta phải điều chỉnh Có nhiều phương pháp giải bài toán tối ưu cấu trúc dàn, khó khăn chung là phải phân tích kết cấu nhiều lần, thời gian tính toán kéo dài Trường . định đường kính của tháp dựa vào lý thuyết ổn định công trình. Từ đó ta bắt đầu tính tối ưu để đưa ra kết cấu tối ưu nhất và dùng phần mềm ANSYS để tính toán và đưa ra các kết quả cần thiết. 1.2 đất sử dụng mặt khác để cho kết cấu tháp bền vững. Vì vậy, việc xác định đường kính của tháp có một vai trò rất quan trọng trong việc tính toán và tối ưu kết cấu tháp. 1.1.3. Mục đích đề tài iii Xác. THUYẾT TỐI ƯU KẾT CẤU Tối ưu hóa kết cấu là mục tiêu có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật mà những người thiết kế luôn mong muốn đạt được. Cùng với sự phát triển nhanh của kỹ thuật tính toán, máy tính