Chuyên đề thực tập tốt nghiệp: Tính toán ứng suất trong đập bê tông bài toán không gian

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm CHƯƠNG CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG BÀI TOÁN KHÔNG GIAN 9.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN : Hiện đập bê tông xây dựng sư dụng phổ biến Đập bê tông công trình đầu mối quan trọng cụm công trình đầu mối Chính ổn định đập bê tông có ý nghĩa định, yếu tố ứng suất phát sinh đập vấn đề quan cần tính toán phân tích để biết tình hình phân bố ứng suất đập tác dụng ngoại lực ảnh hưởng nhân tố khác nhaư biến dạng nền, thay đổi nhiệt độ, phân giai đoạn thi công thân đập … Tính toán ứng suất thân đập bê tông nhằm xác định đăc trưng phân bố ứng suất thân đập, trị số phương chiều tình hình phân bố ứng suất Trên sở số liệu tính toán được, kiểm tra khả chịu lực vật liệu, phân vùng đập dùng loại bê tông khác nhau, xác định cấu tạo phận thích hợp với điều kiện chịu lực chúng để tiết kiệm vật liệu, từ giảm gia thành xây dựng công trình mà đáp ứng tính kỹ thuật Ứng suất xuất đập bê tông không vượt ứng suất cho phép vật liệu , đặc biệt ứng suất kéo biên thượng lưu Tính toán phân tích ứng suất phải tính toán cho trường hợp khác nhau, nhằm xác định biến đổi ứng suất bất lợi thay đổi ứng với trường hợp Từ phân vùng vật liệu bố trí cốt thép, chọn hình thức cấu tạo, hình thức bảo vệ…Đảm bảo cho điều kiện công trình làm việc ổn định 9.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Có nhiều phương pháp tính toán phương pháp giải tích tính theo sức bền vật liệu, phương pháp lý thuyết đàn hồi, phương pháp số theo phần tử hữu hạn… - Phương pháp sức bền vật liệu đơn giản cho kết đủ tin cậy toán thiết kế đập bê tông trọng lực có cấu tạo mặt cắt không phức tạp - Phương pháp lý thuyết đàn hồi: xem đập môi trường kiên tục, đồng đẳng hướng, ứng suất biến dạng phạm vi đàn hồi vật liệu theo định luật húc Phương pháp giải vấn đề đặc biệt ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt … Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm - Phương pháp phần tử hữu hạn: Phương pháp PTHH phương pháp số hay gọi phương pháp rời rạc hóa Phương pháp PTHH thuộc toán biến phân, khác phương pháp biến phân cổ điển chỗ không tìm dạng xấp xỉ hàm cần tìm toàn miền xác định mà miền thuộc miền xác định Do phương pháp PTHH đặc biệt ưu điểm phương pháp khác toán mà miền xác định gồm nhiều miền có tính chất khác nhau, ví dụ phân tích ứng suất thân đập, không đồng toán phức tạp khác Đây phương pháp tính toán hiệu giải toán học vật rắn học môi trường liên tục nói chung Hiện phần mềm tính toán ứng suất , tính toán thấm, ổn định trượt…đều dựa phương pháp phàn tử hữu hạn, cho kết tính toán tương đối xác Ở em chọn phương pháp phần tử hữu hạn dụng phần mềm ANSYS V.10 để tính toán ứng suất đập 9.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp PTHH đời vào cuối nhứng năm 50 sử dụng công cụ toán học chưa phát triển Vào cuối năm 60, phương pháp PTHH đặc biệt phát triển nhờ vào phát triển nhanh chóng sử dụng rộng rãi máy tính điện tử Đến nói phương pháp PTHH coi phương pháp có hiệu để giải toán học vật rắn nói riêng toán học môi trường liên tục nói chung toán thủy khí lực học, toán từ trường điện trường Trình tự giải theo phương pháp :  Chia miền tính toán thành miền gọi miền Các phần tử liên kết với điểm nút bao quanh, phần tử dạng thanh, phần tử phẳng hay phần tử khối  Mỗi phần tử ta giả thiết dạng phân bố xác định như: chuyển vị, hàm ứng suất, chuyển vị lẫn ứng suất Trong ẩn chọn làm biến số cho hàm xấp xỉ hàm đa thức đa nguyên biểu diễn dang ma trận Thông thường giả thiết hàm hàm chuyển vị  Thiết lập toán từ phương trình bản: Dựa nguyên lý biến phân bản, sở nguyên lý biến phân xác định phương trình tuyến tính AX=B Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp  Giải toán tuyến tính để tìm ẩn Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm  Sau tìm ẩn, dựa vào định lý học tìm thành phần khác toán như: ứng suất, biến dạng… Hiện có phần mềm tính ứng suất biến dạng chuyển vị… SAP, AN SYS, PLASIX, SIGMA… sử dụng phương pháp phàn tử hữu hạn, kết tương đối xác 9.3 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN : 9.3.1 Sơ đồ tính toán : Sử dụng mô hình đập dâng đập tràn công trình thủy điện Sông Miện thiết kế Có xét đến nước chảy đường ống vào nhà máy thủy điện Cao trình đáy : 435 m Cao trình đỉnh : 471,5 m Cao trình bùn cát : 450 m Cao trình ngưỡng tràn: 465 m Để đơn giản tính toán ta cho toàn đập làm mac bê tông M200 Chỉ riêng phân đoạn đập tuyến lượng, đường ống áp lực nhà máy thủy điện làm bê tông M250 Và phần đập xem đồng chất 9.3.2 Trường hợp tính toán: Việc tính toán ứng suất thân đập tiến hành theo trường hợp sau :  Trường hợp 1: Tổ hợp thi công đập thi công xong thượng hạ lưu ko có nước  Trường hợp 2: Tổ hợp lực – MNTL MNDBT ; MNHL tương ứng với trường hợp vận hành bình thường, thiết thị chống thấm, thiết bị thoát nước hoạt động bình thường  Trường hợp 3: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL MNLTK ; MNHL tương ứng, thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường  Trường hợp 4: Tổ hợp lực đặc biệt -MNTL MNLKT ;MNHL tương ứng, thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường  Trường hợp 5: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL MNDBT, MNHL tương ứng vận hành bình thường, thiết bị tiển thoát nước, thiết bị chống thấm làm việc không bình thường Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm  Trường hợp 6: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL MNDBT, MNHL tương ứng, có động đất Về nguyên tắc ta phải tính toán cho tất trường hợp để đảm bảo an toàn cho công trình trường hợp làm việc, tất trình xây dựng vận hành Nhưng phạm vi đồ án, thời gian có hạn đồng ý thầy giáo hướng dẫn nên em tính toán ứng suất cho trường hợp tổ hợp lực Ta tính toán cho trường hợp tổ hợp Mực nước thượng lưu mực nước dâng bình thường, thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường MNTL = MNDBT = 465 m MNHL = 441,8 m Cao tình bùn cát: Zbc=450 m Tải trọng tác dụng vào công trình bao gồm: Áp lực nước thượng lưu, áp lực bùn cát, áp lực thấm áp lực đẩy ngược đáy công trình, áp lực nước hạ lưu, áp lực sóng tính toán phần tính toán ổn định đập 9.4 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN Sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán ứng suất thân đập AN SYS hệ thống tính toán đa năng, hệ thống này, toán kỷ thuật giải phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc 9.4.1 Lịch đời phát triển ANSYS ANSYS lập từ năm 1970 nhóm nghiên cứu Dr.John Swanson, hệ thống tính toán Swanson, tịa hợp chủng quóc Hoa Kỳ Từ AN SYS lan rộng nước khác giới , qua nhiều phiên với đặc tính sau : Phiên 2.x :TĨnh học động lực học, nhiệt động học, dòng điện Phiên 3.x :mở rộng dần khả củ , hình thành modulle hình học, thư viện phần tử …Các phiên ngày không ngừng cải tiến tạo nhiều chức tiên tiến Và có an sys phiên 11.0 với nhiều tính tiên tiến sử dụng rộng rãi nghiên cứu, công nghiệp ngành khoa học khác 9.4.2 Các tính bật ansys Khả đồ họa mạnh mẽ ( dụng chương trình CAD, hộ trợ gián tiếp từ CAD hữu ích ) giúp cho việc mô hình cấu trúc nhanh, xác Có khả truyền dẫn mô hình CAD cấu trúc, thành phần hay Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm hệ thống Mô hình tình toán mô hình 3D gần giống mô hình thực tế nên kết tương đối xác Giải nhiều toán : this toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện , điện tử, … Thư viện phần tử lớn, có thêm phần tử sinh chết dùng để loại bỏ phần tử hay thêm phần tử thay đổi độ cúng mô hình tính toán Đa dạng tải trọng : tập trung phân bố, nhiệt vận tốc góc Phần tử xứ lý kết cao cấp, cho phép vẽ đồ thị, tính toán tối ưu Có thể dùng ngôn ngữ lập trình Có khả nghiên cứu đáp ứng vật lý : trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởg trường điện từ Giảm chi phí sản xuất tính toán thử nghiệm … 9.5 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 10.0 9.5.1 Mô hình hóa toán : Ta tính toán mô hình đập mô hình đập thủy điện Sông Miện thiết kế đồ án Khu vực chịu ảnh hưởng ứng suất xác định sau : xem ứng suất từ đập ảnh hưởng đến giới hạn sâu 50 m so với mặt cắt ngang đáy đập, mép thượng lưu cách mép thượng lưu đập 50 m, mép hạ lưu cách mép chân hạ lưu 50m, hai bên vai đập xét đến phạm vi 100m hình vẽ 95 Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9-5: Mô hình tính toán 9.5.2 Chọn kiểu phần tử, loại vật liệu gán chúng cho phận - Kiểu phần tử: chọ kiểu phần tư solid92 kiể phần tử solid45 solid 92 10 nót - Vật liệu phận bảng sau đây: Vật liệu Môdun dàn Hệ số  Rk Rn hồi Poison  KN/m3 KN/m2 KN/m2 Ex(KN/m2) Bê tông M200 24000000 0.23 2.45 1150 9000 Bê tông M250 26500000 0.24 2.5 1300 11000 Nền dá 9000000 0.285 2.1 9.5.3 Chia lưới cho khối để tạo nút phần tử Mô hình chia lưới: Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9-7 : Mô hình phần tử 9.5.4 Gán tải trọng lên mặt Các tải trọng tải trọng phân bố nên ta phải khai báo hàm áp lực, đọc hàm Sau gán tải trọng tương ứng lên mặt Đặt điều kiện biên Xem mặt biên không chuyển vị thẳng theo chiều vuông góc với với mặt Riêng mặt đáy coi ngàm cứng 9.5.5 Tính toán thị kết 9.5.5.1 Kết toán phẳng mặt cắt đập Hình 9- : Chuyển vị theo phương x: Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị theo phương y: Sv: Dương Đình Hóa Hình 9-10 : Ứng suất theo phương x: Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9-11 : Ứng suất theo phương y: Sv: Dương Đình Hóa Trang Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm 9.5.5.2Kết tính toán toán không gian ba chiều mặt cắt đập Hình 9- : Chuyển vị theo phương x: Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z(phương đứng): Sv: Dương Đình Hóa Trang 10 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 9- : Ứng suất theo phương x: Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Ứng suất theo phương z(phương đứng): Sv: Dương Đình Hóa Trang 11 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm 9.5.5.3 Kết tổng thể tính toán ứng suất cho toàn đập toán 3D Hình 9- : Chuyển vị theo phương x: Hình 9- : Chuyển vị theo phương y phương dọc đập: Sv: Dương Đình Hóa Trang 12 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương đứng): Sv: Dương Đình Hóa Trang 13 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp Sv: Dương Đình Hóa Hình 9- : Ứng suất theo phương x: Trang 14 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Ứng suất theo phương y: Sv: Dương Đình Hóa Hình 9- : Ứng suất theo phương Z: Trang 15 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình - : Ứng suất S1 Sv: Dương Đình Hóa Trang 16 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình - : Ứng suất S3 9.8.5.5 Kết tính toán mặt cắt dọc đập Hình 9- : Chuyển vị theo phương x: Sv: Dương Đình Hóa Trang 17 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 9- : Chuyển vị theo phương y: Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương đứng): Sv: Dương Đình Hóa Trang 18 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp Hình 9- : Ứng suất theo phương x: Sv: Dương Đình Hóa Trang 19 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Ứng suất theo phương y: Sv: Dương Đình Hóa Hình 9- : Ứng suất theo phương Z: Trang 20 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm 9.5.6 Phân tích kết tính toán: 9.8.6.1 So sánh kết toán 2D toán 3D: Bảng 9- : Kết ứng suất – chuyển vị toán 2D toán 3D: Bài toán 2D Bài toán 3D Thông số tính toán Ứng suất max phương X (kN/m2) Ứng suất max phương Y (kN/m2) Chuyển vị max phương X Chuyển vị max phương Y (phương đứng) Nén kéo Nén kéo 1727 170 1028 410.658 2243 10.158 1381 573.54 0.682e-3 0.443e-3 5,09e-3 1.88e-3 Nhận xét: Từ kết thể bảng - , cho ta thấy kết tính toán giũa toán phẳng toán không gian lớn kết tính toán toán không gian thường lớn so với kết toản phẳng Vì vậy, với phát triển Sv: Dương Đình Hóa Trang 21 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm khoa học công nghệ đặc biệt phần mềm tính toán thiết kế công trình người kỹ sư cần tính toán thêm toán không gian để so sánh tìm kết tính toán tối ưu đưa vào thiết kế công trình an toàn ổn định tiết kiệm 9.8.6.2 Ứng suất theo phương đứng theo toán 3D: 9.8.6.3 Ứng suất theo phương ngang theo toán 3D 9.8.6.4 Ứng suất theo phương dọc trục đập theo toán 3D 9.8.6.5 Ứng suất quanh lổ khoét hành lang thoát nước: Từ kết ứng suất mặt cắt ngang đập (hình 9- ) , kết ứng suất mặt cắt dọc đập qua hành lang khoan ( hình 9- ) ta có kết luận chung lổ khoét thường có ứng suất cục bộ, ứng suất tập trung lớn dễ xuất vết nứt Tại vị trí ứng suất kéo bê tông không đủ chịu lực phải bố trí cốt thép để không xuất vết nứt gây an toàn cho công trình Tại hành lang khoan phụt, tiếp giáp lổ khoét thượng lưu đâp thường nơi dễ ổn định nhất, xuất vết nứt làm bề rộng dáy đập giảm khoảng từ mép lổ khoét đến mặt thượng lưu đập Lúc bề rộng thực tế chịu lực đập bị giảm nhỏ, dây điều kiện cho vết nứt mặt tiếp giáp gữa đập phất triển Vết nứt phát triển thìbeef rộng chịu lực nhỏ, tới lúc B[...]... quả tính toán giũa bài toán phẳng và bài toán không gian là rất lớn và kết quả tính toán của bài toán không gian thường lớn hơn so với kết quả bài toản phẳng Vì vậy, với sự phát triển Sv: Dương Đình Hóa Trang 21 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm khoa học và công nghệ đặc biệt là các phần mềm tính toán như hiện nay thì khi thiết kế công trình người kỹ sư cần tính toán thêm bài toán. .. không gian để so sánh tìm ra được kết quả tính toán tối ưu đưa vào thiết kế công trình an toàn ổn định và tiết kiệm hơn 9.8.6.2 Ứng suất theo phương ứng theo bài toán 3D: 9.8.6.3 Ứng suất theo phương ngang theo bài toán 3D 9.8.6.4 Ứng suất theo phương dọc trục đập theo bài toán 3D 9.8.6.5 Ứng suất quanh lổ khoét hành lang thoát nước: Từ kết quả ứng suất của mặt cắt ngang đập (hình 9- ) , kết quả ứng. .. tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm 9.5.6 Phân tích kết quả tính toán: 9.8.6.1 So sánh kết quả giữa bài toán 2D và bài toán 3D: Bảng 9- : Kết quả ứng suất – chuyển vị bài toán 2D và bài toán 3D: Bài toán 2D Bài toán 3D Thông số tính toán Ứng suất max phương X (kN/m2) Ứng suất max phương Y (kN/m2) Chuyển vị max phương X Chuyển vị max phương Y (phương ứng) Nén kéo Nén kéo 1727 170 1028 410.658 2243 10.158...Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 9- : Ứng suất theo phương x: Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Ứng suất theo phương z(phương ứng) : Sv: Dương Đình Hóa Trang 11 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm 9.5.5.3 Kết quả tổng thể tính toán ứng suất cho toàn đập bài toán 3D Hình 9- : Chuyển vị theo phương x: Hình 9- : Chuyển vị theo phương y phương dọc đập: Sv: Dương Đình Hóa... Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương ứng) : Sv: Dương Đình Hóa Trang 13 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp Sv: Dương Đình Hóa Hình 9- : Ứng suất theo phương x: Trang 14 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Ứng suất theo phương y: Sv: Dương Đình Hóa Hình 9- : Ứng suất theo... suất theo phương Z: Trang 15 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9 - : Ứng suất chính S1 Sv: Dương Đình Hóa Trang 16 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9 - : Ứng suất chính S3 9.8.5.5 Kết quả tính toán ở mặt cắt dọc đập Hình 9- : Chuyển vị theo phương x: Sv: Dương Đình Hóa Trang 17 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 9- : Chuyển vị theo phương... theo phương Z( phương ứng) : Sv: Dương Đình Hóa Trang 18 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp Hình 9- : Ứng suất theo phương x: Sv: Dương Đình Hóa Trang 19 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm Hình 9- : Ứng suất theo phương y: Sv: Dương Đình Hóa Hình 9- : Ứng suất theo phương Z: Trang 20 Lớp 45c3 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ... Từ kết quả ứng suất của mặt cắt ngang đập (hình 9- ) , kết quả ứng suất của mặt cắt dọc đập qua hành lang khoan phụt ( hình 9- ) ta có kết luận chung là tại các lổ khoét thường có ứng suất cục bộ, ứng suất tập trung lớn dễ xuất hiện các vết nứt tại đó Tại các vị trí đó ứng suất kéo của bê tông không đủ chịu lực phải bố trí cốt thép để không xuất hiện vết nứt gây mất an toàn cho công trình Tại hành lang... dáy đập giảm đi một khoảng từ mép trong lổ khoét đến mặt thượng lưu đập Lúc này bề rộng thực tế chịu lực của đập bị giảm nhỏ, dây chính là điều kiện cho vết nứt tại mặt tiếp giáp gữa đập và nền phất triển Vết nứt càng phát triển thìbeef rộng chịu lực càng nhỏ, tới một lúc nào đó B