Thiết kế tối ưu cửa van thép phẳng nhịp lớn

Khi thiết kế hệ giàn cửa van chúng ta cần xác định kích thước cần thiết của tiết diện các phân tố kết cấu đã cho ứng với một hệ tải trọng đã biết, sao cho thỏa mãn điều kiện cường độ, đi

M ỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN 2

1.1 Khái niệm 2

1.1.1 Khái quát về cửa van phẳng 2

1.1.2 Phạm vi áp dụng 3

1.2 Phân loại 4

1.2.1 Giàn chính có thanh cánh thượng lưu, hạ lưu có dạng cong và nằm trong cùng một mặt phẳng 4

1.2.2 Giàn chính có kết cấu bản mặt dạng phẳng kết hợp làm thanh cánh thượng lưu, còn thanh cánh hạ lưu có dạng cong một chiều hoặc hai chiều 5

1.3 Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo 5

1.3.1 Dầm chính 5

1.3.2 Bố trí dàn ngang 6

1.3.3 Bố trí dầm dọc phụ 7

1.3.4 Trụ biên 7

1.3.5 Giàn chịu trọng lượng 7

1.3.6 Bánh xe chịu lực 7

1.3.7 Bánh xe bên 8

1.3.8 Vật chắn nước 8

1.3.9 Các lưu ý khi thiết kế cửa van phẳng nhịp lớn 8

1.4 Phương pháp tính toán nội lực 9

1.4.1 Tải trọng tác dụng lên cửa van 9

1.4.2 Phân tích nội lực kết cấu van phẳng 9

1.5 Những vấn đề cần nghiên cứu 11

1.5.1 Nội dung nghiên cứu 11

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 11

1.6 Kết luận chương 1 11

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU THÉP 12

2.1 Khái quát tối ưu hóa về kết cấu 12

2.1.1 Bài toán tối ưu về trọng lượng và phương pháp giải 12

2.1.2 Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi 14

2.1.3 Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo 15

2.2 Thiết kế tối ưu kết cấu thép bằng phần mền SAP2000 18

2.2.1 Các bài toán trong thiết kế kết cấu thép 18

2.2.2 Bài toán thiết kế tối ưu 20

2.2.3 Các ví dụ tính toán 21

2.3 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TỐI ƯU CỬA VAN THÉP NHỊP LỚN CÔNG TRÌNH CỐNG KÊNH HÀNG – TP HỒ CHÍ MINH 45

3.1 Giới thiệu công trình 45

3.1.1 Vị trí địa lý công trình cống Kênh Hàng 45

3.1.2 Địa hình, địa mạo vị trí công trình cống Kênh Hàng 45

3.2 Quy mô công trình 45

3.2.1 Mục tiêu của dự án 45

3.2.2 Nhiệm vụ công trình 45

3.3 Kết cấu cửa van 46

3.3.1 Đặc điểm 46

3.3.2 Lựa chọn hình thức kết cấu cửa van 46

3.3.3 Kết cấu cửa van 47

3.4 Tải trọng tính toán và trường hợp tính toán 49

3.4.1 Tải trọng tác dụng lên cửa van 49

3.4.2 Các trường hợp tính toán 49

3.5 Phân tích nội lực kết cấu van phẳng theo bài toán không gian 49

3.5.1 Mô tả kết cấu 49

3.5.2 Mô hình hóa kết cấu 51

3.5.3 Kiểm tra khả năng chịu lực của cửa van ứng với tiết diện chọn sơ bộ 51

3.5.4 Thiết kế tối ưu cửa van 58

3.5.5 Chọn phương án cuối cùng 65

3.6 Kết luận chương 3 71

KÉT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 27

Bảng 2.2 – Hệ số sử dụng vật liệu ứng với các tiết diện thiết kế 33

Bảng 2.3 – Trọng lượng của khung ứng với 2 phương án chọn tiết diện khung 34

Bảng 2.4 - Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết diện chọn sơ bộ 37

Bảng 2.5 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 40

Bảng 2.6 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 42

Bảng 2.7 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 43

Bảng 3.1 – Hệ số ứng suất dầm phụ dọc 53

Bảng 3.2 – Hệ số ứng suất các thanh giàn đứng D1 54

Bảng 3.3 – Hệ số ứng suất các thanh giàn đứng D2 55

Bảng 3.4 – Hệ số ứng suất giàn chính trên 56

Bảng 3.5 – Hệ số ứng suất giàn chính dưới 56

Bảng 3.6 – Chuyển vị giữa nhịp vam 57

Bảng 3.7 - Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc 61

Bảng 3.8 – Hệ số ứng suất của giàn đứng giữa D1 62

Bảng 3.9 – Hệ số ứng suất của giàn đứng giữa D2 62

Bảng 3.10 – Hệ số ứng suất của giàn chính trên 63

Bảng 3.11 – Hệ số ứng suất giàn chính dưới 63

Bảng 3.12 Chuyển vị của cửa van do tổ hợp tải trọng TH1 64

Bảng 3.13 Trọng lượng bản thân của cửa van 64

Bảng 3.14 - Chuyển vị của cửa van do tổ hợp tải trọng TH1 64

Bảng 3.15 - Hệ số ứng suất của giàn chính dưới 65

Bảng 3.16 – Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính dưới 67

Bảng 3.17 – Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc 68

Bảng 3.18 – Hệ số ứng suất của giàn chính trên 68

Bảng 3.19 – Hệ số ứng suất của giàn chính dưới 69

Bảng 3.20 – Hệ số ứng suất của giàn đứng D1 69

Bảng 3.21 – Hệ số ứng suất của giàn đứng D2 70

Bảng 3.22 – Chuyển vị ở giữa nhịp van 70

Bảng 3.23 – Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc 71

Bảng 3.24 – Hệ số ứng suất của giàn chính dưới 71

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 - Cửa van phẳng 2

Hình 1.2 – Cửa van phẳng sông Ems – Đức 3

Hình 1.3 – Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều 5

Hình 1.4 – Kết cấu giàn chính có thanh cánh hạ cong hai chiều 5

Hình 1.5 – Vị trí dầm chính 6

Hình 1.6 – Vị trí bánh xe 7

Hình 1.7 – Vật chắn nước bằng cao su 8

Hình 1.8 – Sơ đồ áp lực nước lên cửa van 9

Hình 2.1 – Tuyến tính hóa hàm A(I) 14

Hình 2.2 – Sơ đồ tính toán giàn phẳng 15

Hình 2.3 – Đường quan hệ giữa trọng lượng và mômen dẻo 16

Hình 2.4 – Sơ đồ cơ cấu phá hủy dẻo 17

Hình 2.5 – Xác định nghiệm tối ưu bằng đồ thị 17

Hình 2.6 – Sơ đồ tính toán dầm 22

Hình 2.7 – Mô hình hóa dầm 22

Hình 2.8 – AUTO1 là nhóm các số hiệu tiết diện để tự động chọn cho dầm 23

Hình 2.9 – Gán các tiết diện chọn tự động cho dầm 23

Hình 2.10 – Lệnh hiển thị kết quả thiết kế dầm 24

Hình 2.11 – Hiển thị tiết diện thiết kế cho dầm 24

Hình 2.12 – Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện phân tích 24

Hình 2.13 – Gán tiết diện thiết kế vào dầm 25

Hình 2.14 – Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện thiết kế 25

Hình 2.15 – Sơ đồ tính toán khung 25

Hình 2.16 – Sơ đồ tính toán khung với các tiết diện dầm, cột chọn sơ bộ 26

Hình 2.17 – Lệnh hiển thị hệ số ứng suất 26

Hình 2.18 – Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện chọn sơ bộ 27

Hình 2.19 – Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1 28

Hình 2.20 – AUTO1-D là nhóm các tiết diện để chọn tự động cho dầm 29

Hình 2.21 – Chọn nhóm các tiết diện tự động chọn cho cột AUTO1-C và AUTO2-C 30

Hình 2.22 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 31

Hình 2.25 – Gán tiết diện thiết kế vào khung 32

Hình 2.26 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 33

Hình 2.27 – Hiển thi tiết diện chọn cuối cùng 33

Hình 2.28 – Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện thiết kế 34

Hình 2.29 – Phản lực khung ứng với phương án thiết kế tối ưu 34

Hình 2.30 – Phản lực khung ứng với phương án tiết diện chọn 34

Hình 2.31 - Sơ đồ tính toán giàn phẳng 35

Hình 2.32 - Mô hình tính toán giàn 36

Hình 2.33 - Hệ số sử dụng vật liệu của các thanh giàn 37

Hình 2.34 - Danh sách thép ống vuông AUTO-CT chọn tự động cho cánh thượng và thép ống tròn AUTO-CH chọn tự động cho cánh hạ 38

Hình 2.35 - Danh sách thép ống chọn tự động cho thanh bụng giữa AUTO-BG và thanh bụng ở đầu AUTO-BD 39

Hình 2.36 - Sơ đồ tiết diện phân tích của các thanh giàn 39

Hình 2.37 - Hệ số sử dụng vật liệu trên cơ sở tiết diện phân tích 39

Hình 2.38 - Sơ đồ tiết diện thiết kế của các thanh giàn 40

Hình 2.39 - Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết diện thiết kế 40

Hình 2.40 – Gán liên kết khớp vào hai đầu các phần tử thanh 41

Hình 2.41 – Mô hình giàn có các phần tử thanh nối khớp 41

Hình 2.42 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 41

Hình 2.43 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 42

Hình 2.44 – Các phần tử có hệ số ứng suất k > 0,95 42

Hình 2.45 - Danh sách thép ống vuông AUTO-CT chọn tự động cho cánh thượng 43

Hình 2.46 - Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 43

Hình 3.1 – Kết cấu cửa van 47

Hình 3.2 – Mặt cắt ngang cửa van 48

Hình 3.3 – Giàn thép ống tròn 50

Hình 3.4 – Giàn đứng D1, D2 50

Hình 3.5 – Cửa van đã được mô hình hóa 50

Hình 3.6 – Tiết diện Precast U và ống tròn 51

Hình 3.7 – Hệ số ứng suất của số phần tử dầm phụ dọc 53

Hình 3.8 – Hệ số ứng suất các thanh giàn đứng ứng bới tiết diện thiết kế D1 54

Hình 3.9 – Hệ số ứng suất các thanh giàn đứng ứng bới tiết diện thiết kế D2 55

Hình 3.10 – Sơ đồ giàn chính trên, các mã thanh giàn và hệ số ứng suất các thanh giàn

56

Hình 3.11 – Sơ đồ giàn chính dưới, các mã thanh giàn và hệ số ứng suất các thanh giàn 56

Hình 3.12 – Chuyển vị của cửa van khi bị đóng 57

Hình 3.13 – Phổ mầu ứng suất S22 do TH1 58

Hình 3.14 – Phổ mầu ứng suất S22 của phần tử 20 58

Hình 3.15 Danh sách các dầm phụ dọc AUTO 6 để chọn tự động 60

Hình 3.16 – Danh sách thép ống AUTO2C, AUTO4C, AUTO1D, AUTO2D, AUTO3D 61

Hình 3.17 – Mã phần tử và mã tiết diện dầm phụ dọc 62

Hình 3 18 – Auto Section của dầm phụ đứng 66

Hình 3.19 – Auto Section của giàn chính 66

Hình 3.20– Auto Section của giàn đứng 66

Hình 3.21 – Chuyển vị giữa nhịp van 67

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài:

Cửa van nhịp lớn (cửa van phẳng nhịp lớn hoặc cửa van cung nhịp lớn) thường được dùng làm cửa van trong các công trình ngăn sông hoặc cống ngăn triều có khẩu độ lớn, chịu chênh lệch cột nước không lớn

Cửa van nhịp lớn có chiều dài nhịp B gấp nhiều lần chiều cao H nên thường dùng loại van hai giàn chính

Khi thiết kế hệ giàn cửa van chúng ta cần xác định kích thước cần thiết của tiết diện các phân tố kết cấu đã cho ứng với một hệ tải trọng đã biết, sao cho thỏa mãn điều kiện cường độ, điều kiện độ cứng và sử dụng vật liệu ít nhất, đây là bài toán thiết kế tối ưu kết cấu về mặt trọng lượng

Đối với cửa van nhịp lớn việc giảm trọng lượng kết cấu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

II Mục đích của đề tài:

Thiết kế tối ưu hệ giàn trong cửa van phẳng nhịp lớn thỏa mãn điều kiện cường độ, điều kiện độ cứng và sử dụng vật liệu ít nhất

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết về tối ưu kết cấu và kết hợp sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van

IV Kết quả dự kiến đạt được:

- Nắm được lý thuyết về lý thuyết tối ưu hóa kết cấu

- Sử dụng tốt phần mềm SAP2000 phân tích kết cấu cửa van theo bài toán không gian

- Thiết kế tối ưu hệ giàn trong cửa van nhịp lớn bằng phần mềm SAP2000

- Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể ở khu vực TP Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN

1.1 Khái niệm

1.1.1 Khái quát về cửa van phẳng[4]

Cửa van là một bộ phận của công trình thuỷ lợi, dùng để khống chế mực nước

và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ khai thác khác nhau Cửa van thường được đóng mở bằng tời hoặc xy lanh thủy lực

Cửa van phẳng có nhiệm vụ chắn nước phía thượng lưu, không cho nước đi qua cống

tự do để lấy lưu lượng theo thiết kế: lấy nước tưới, cấp nước sinh hoạt, phát điện, thoát

lũ, gạn triều Cửa van phẳng còn có thể tháo các vật dưới đáy như tháo bùn cát

Hình 1.1 - Cửa van phẳng Cửa van phẳng nhịp lớn có mặt chịu áp lực nước dạng mặt phẳng hoặc mặt cong,

thường là mặt cong một chiều dạng trụ đứng, khi đóng mở cửa van chuyển động thẳng trong mặt phẳng khe van, nên được gọi là cửa van phẳng, nó còn có tên gọi khác là cửa van kéo thẳng Cửa van phẳng nhịp lớn thường được dùng làm cửa van trong các công trình ngăn sông hoặc cống ngăn triều có khẩu độ lớn Cửa van nhịp lớn có chiều dài

Hình 1.2 – Cửa van phẳng sông Ems – Đức

1.1.2 Phạm vi áp dụng

Tất cả các loại cửa van Cửa van là kết cấu động để đóng mở các công trình thủy và điều chỉnh lưu lượng nước chảy qua

Các thiết bị vận hành cửa van

Thiết bị nâng vận chuyển dùng để vận hành các kết cấu động lúc khai thác chúng cũng như để lắp ráp các thiết bị cơ khí và năng lượng; các loại cổng trục, cẩu trục, xe treo một ray

Phần cố định – bộ phận kết cấu thép chôn trong thân công trình để định hướng di chuyển của cửa van và lưới chắn rác, truyền áp lực từ bộ phận gối đỡ cửa van lên công trình; tạo ra bản mặt phẳng dưới vật chắn nước, bảo vệ các mép và bề mặt bê tông khỏi

Để giảm trọng lượng và giá thành thiết bị cơ khí công trình thủy, đơn giản hóa và rút ngắn công tác lắp ráp, nâng cao chất lượng khai thác và dễ dàng vận hành nên có các giải pháp sau:

Áp dụng các kết cấu cửa mới và cơ giới hóa công tác đổ bê tông phần cố định chèn khe van để không có vế nối làm cho lưới chắn rác sử dụng tốt hơn, sử dụng các dầm móc tự động, thay cơ cấu xích nâng bởi cơ cấu nâng thủy lực, đường ống dẫn nước bằng thép làm việc đồng thời với bê tông…

Tăng cường sự lặp lại của các phân tố tạo ra các thiết bị cơ khí, điển hình hóa và tiêu chuẩn hóa các nút và các chi tiết dẫn đến điển hình hóa kết cấu

Xét sự làm việc đồng thời của bản mặt thép với các phân tố kết cấu chịu lực và tính đến sự làm việc không gian của cửa van

Áp dụng vật liệu mới

Sử dụng phương pháp mới nhất của thi công như hàn kết cấu bằng các phương pháp công nghệ cao (hàn tự động, bán tự động, trong môi trường khí bảo vệ, sợi kim loại có thuốc bảo vệ, bulong cường độ cao….)

Chế tạo các loại cửa van quá khổ thành các blốc không gian lớn phù hợp với sự phát triển của thiết bị nâng hiện tại Loại cửa van nhiều đoạn có ưu điểm lớn, kích thước của mỗi đoạn cần chọn phù hợp với kích thước va chạm tối đa theo quy định vận chuyển của ngành đướng sắt

Áp dụng các blốc có quy cách và trọng lượng lớn để lắp ráp được đơn giản, giảm bớt khối lượng hàn lắp ráp dẫn đến giảm khó khăn trong công tác lắp ráp và cuối cùng là giảm giá thành xây dựng

1.2 Phân loại

Kết cấu giàn chính cửa van phẳng nhịp lớn thường dùng hiện nay có các loại sau đây:

1.2.1 Giàn chính có thanh cánh thượng lưu, hạ lưu có dạng cong và nằm trong cùng một mặt phẳng

Giàn chính có thanh cánh thượng lưu, hạ lưu có dạng cong và nằm trong cùng một mặt phẳng, kết cấu bản mặt có dạng cong và được đỡ trực tiếp bởi thanh cánh thượng giàn

Hình 1.3 – Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều

1.2.2 Giàn chính có kết cấu bản mặt dạng phẳng kết hợp làm thanh cánh thượng lưu, còn thanh cánh hạ lưu có dạng cong một chiều hoặc hai chiều

Giàn chính có kết cấu bản mặt dạng phẳng kết hợp làm thanh cánh thượng lưu, còn thanh cánh hạ lưu có dạng cong một chiều hoặc hai chiều Kết cấu có thanh cánh hạ giàn chính dưới cong lên phía trên như ở hình 1.4, do hiệu ứng vòm nên thanh cánh hạ giàn chịu nén do trong lượng bản thân van, do đó giảm được lực dọc trong thanh cánh

hạ giàn chính dưới khi chịu đồng thời áp lực nước và trọng lượng bản thân van

Hình 1.4 – Kết cấu giàn chính có thanh cánh hạ cong hai chiều

1.3 Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo

1.3.1 Dầm chính

Số lượng và kết cấu dầm chính phụ thuộc vào kích thước lỗ tháo nước mà cửa van đóng (quan hệ giữa chiều rộng và chiều cao), loại lỗ (lỗ trên mặt hay lỗ dưới sâu) và nhiệm vụ của cửa van (cửa van chính hay cửa van sửa chữa)

Cửa van hai dầm chính được sử dụng rộng rãi hơn cả vì kết cấu đơn giản, có độ chính xác truyền áp lực nước lên phần gối tựa, lại dễ chế tạo và lắp ráp Cửa van trên mặt thường sử dụng loại hai dầm chính ít khi dùng ba dầm chính Cửa van nhiều dầm chính dùng chủ yếu để đóng lỗ dưới sâu cũng như trong trường hợp phải hạn chế chiều cao lớn nhất của dầm chính theo điều kiện kich thước tại chỗ đặt van

Điều kiện bố trí dầm chính ở cửa van bánh xe là sự phân bố đều áp lực nước lên các dầm chính Theo điều kiện này các dầm chính có được tiết diện như nhau Ở cửa van hai dàn chính, các dầm chính đặt cách đều hợp lực của áp lực nước Khoảng cách giữa hai dầm chính trong cửa van trượt hai dầm chính có thể lấy lớn hơn nhằm đảm bảo điều kiện ổn định của kết cấu nhịp cửa van lên các kết cấu gối đỡ Vậy tăng cường khoảng cách giữa các dầm chính sẽ làm giảm độ dài phần công xôn cửa van, làm tăng

độ cứng cả phần này nhưng sẽ ảnh hưởng đến dòng chảy khi mở van dễ gây rung động cửa van

Để đảm bảo độ cứng ngang của cửa van Bố trí giàn ngang tuân theo điều kiện:

- Các giàn ngang cách đều nhau

- Giàn ngang nằm trong phạm vi dầm chính không thay đổi tiết diện

1.3.3 Bố trí dầm dọc phụ

Dầm phụ dọc hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các giàn ngang có thể tính như dầm đơn, gối tựa là hai giàn ngang và đỡ tải trọng của bản mặt truyền đến Dầm phụ được bố trí song song với dầm chính, càng xuống sâu dầm càng dầy vì áp lực nước tăng Tiết diện dầm phụ chọn loại chữ C đặt úp để tránh đọng nước

1.3.4 Trụ biên

Trụ biên ở hai đầu cửa van, chịu lực từ dầm chính, dầm phụ, và lực đóng mở van Trụ biên gắn với bánh xe truyền lực lên trụ pin Các thiết bị treo, chốt giữ và móc treo

cũng được nối với trụ biên

Tiết diện trụ biên của cửa van thường có dạng chữ I hoặc dầm hai bản bụng Để đơn giản cấu tạo, chiều cao trụ biên thường chọn bằng chiều cao đầu dầm chính

1.3.5 Giàn chịu trọng lượng

Dàn chịu trọng lượng dùng để chịu tải trọng bản thân cửa van khi kéo cửa lên Tải trọng G của toàn bộ cửa van được phân lên mặt phẳng trước ( bản mặt) làm mặt phẳng sau( bản cánh miền chịu kéo của dầm chính ) Đây là dàn song song có thanh cách hạ của dầm chính và cánh hạ của giàn ngang và hai gối tựa là hai trụ đỡ bên ( cột biên), cần phải bố trí thêm hệ thanh bụng đứng và thanh bụng xiên

1.3.6 Bánh xe chịu lực

Để đóng mở cửa van cần bố trí cơ cấu di chuyển cửa van bằng thanh trượt hoặc bánh

xe chịu lực Bánh xe chịu lực có thể được bố trí ở mặt sau trụ biên hoặc ở giữa hai bản bụng của trụ biên Bố trí bánh xe chịu lực nằm ở bản bụng của trụ biên để làm giảm

bề rộng khe van (Hình 1.6)

Hình 1.6 – Vị trí bánh xe 1) Bánh xe chịu lực; 2) Bánh xe bên; 3) Bánh xe ngược hướng

1.3.7 Bánh xe bên

Để khống chế cửa van không bị dao động theo phương ngang và đẩy về phía trước, người ta thường bố trí các bánh xe bên và bánh xe ngược Để giảm chấn động nên dùng bánh xe bọc cao su Đôi khi người ta kết hợp sử dụng bánh xe chịu lực đồng thời làm bánh xe ngược

1.3.8 Vật chắn nước

Hình 1.7 – Vật chắn nước bằng cao su Vật chắn nước sử dụng vật liệu bằng cao su hình chữ P bố trí theo chu vi cống

1.3.9 Các lưu ý khi thiết kế cửa van phẳng nhịp lớn

Cấu tạo kết cấu van phẳng nhịp lớn cần lưu ý một số vấn đề như sau:

Cửa van nhịp lớn có chiều dài nhịp B gấp nhiều lần chiều cao H nên thường dùng loại cửa van hai giàn chính, tùy theo bản mặt là mặt phẳng hay mặt cong mà cánh thượng giàn chính có thể là thanh thẳng hay thanh cong, còn thanh cánh hạ có thể chọn là thanh cong một chiều hay hai chiều

Ô dầm được tạo bởi các dầm phụ đứng và dọc, có tác dụng đỡ bản mặt và truyền tải trọng lên giàn đứng, tùy theo kích thước van có thể chỉ ùng dầm phụ đứng hay dầm phụ dọc Dầm phụ dọc hay dầm phụ đứng hiện nay hay dùng dạng thanh mỏng mặt cắt hình thang đặt về phía thượng lưu, úp vào bản mặt và hàn vào bản mặt, nên có độ cứng tương đối lớn, phía hạ lưu bản mặt phẳng, dễ duy tu bảo dưỡng, dễ sơn quét

Giàn đứng đỡ tải trọng từ ô dầm và truyền tải trọng này lên giàn chính

Giàn chính chịu toàn bộ áp lực nước tác dụng vào cửa van và truyền áp lực này lên trụ biên, nhiều cửa van phẳng nhịp lớn đã tận dụng độ cứng theo phương dọc của ô dầm

tải trọng tác dụng vào cửa van lên bộ phận cố định của công trình và để dễ dàng di chuyển cửa van trong quá trình khai thác Đối với van phẳng nhịp lớn hiện nay thường dùng gối đỡ kiểu trượt bằng chất dẻo tổng hợp vừa làm gối tựa trượt vừa kết hợp làm vật chắn nước, nên giảm được bề rộng khe van

1.4 Phương pháp tính toán nội lực

1.4.1 Tải trọng tác dụng lên cửa van

Tải trọng chủ yếu tác dụng lên cửa van phẳng là áp lực nước và trọng lượng bản thân

Áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van phẳng trên mặt được biểu thị như hình 1.8

γ - Trọng lượng riêng của nước

H t- Chiều cao cột nước thượng lưu

H h- Chiều cao cột nước hạ lưu

Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van trên mặt có nhịp tải trọng L t:

1.4.2 Phân tích nội lực kết cấu van phẳng

Hai trạng thái làm việc của cửa van phẳng cần được xem xét khi phân tích nội lực và chuyển vị van:

- Cửa van nằm trên ngưỡng (cửa van đóng)

- Cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng (cửa van mở)

1.4.2.1 C ửa van nằm trên ngưỡng

Sau khi mô hình hóa van bằng phần mền SAP2000 và gán áp lực nước, lực đẩy nổi trong trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng thì ngoài các liên kết đơn tựa ngang tại mặt trượt giữa cửa van với trụ pin còn cần đặt các gối tựa đứng liên kết đáy cửa van với ngưỡng, trong cửa van lớn khi các trụ pin là các kết cấu độc lập thì liên kết đứng ở hai đầu tựa vào đế trụ pin Trong trường hợp van đóng hay mở trọng lượng bản thân cửa van G bằng tổng phản lực theo phương thẳng đứng ∑F3 của các gối tựa do trọng

lượng bản thân van(DEAD) sinh ra:

3

G= ∑F

1.4.2.2 Cửa van bắt đầu dời khỏi ngưỡng

Sơ đồ liên kết cửa van bắt đầu dời khỏi ngưỡng ( cửa van mở), ngoài các gối tựa đơn nằm ngang đặt tại mặt tựa cửa van và trụ pin, còn 2 gối tựa đơn thẳng đứng đặt theo phương của xy lanh thủy lực

Ngoài áp lực nước, lực đẩy nổi và trọng lượng bản thân van, cửa van còn chịu áp lưc

ma sát F x của gối tựa trượt hai đầu van với mặt trượt ở trụ pin, giá trị lực ma sát bằng tích số của hệ số ma sát và áp lực tựa Lực hút P h do chân không xuất hiện ở mặt tiếp giáp giữa vật chắn nước dưới và ngưỡng khi van bắt đầu dời khỏi ngưỡng, giá trị lực hút bằng tích số của áp lực chân không 2

60 /

h

P = kN m và chiều dày vật chắn nước đáy

Có thể bỏ qua lực hút khi chiều dầy vật chắn nước nhỏ Lực đẩy nổi bằng trọng lượng thể tích nước cửa van chiếm chỗ

Phản lực liên kết T tại hai gôi tựa đơn theo phương của xy lanh thủy lực, chính là lực kéo cần thiết của mỗi xy lanh thủy lực khi mở van, lực kéo này có thể nhân với hệ số tải trọng cho trong tiêu chuẩn thiết kế

Vị trí của xy lanh thủy lực kéo van trong cửa van phẳng tốt nhất là đặt trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua trọng tâm van, để không sinh ra áp lực phụ ngang ở gối đỡ động vào hai thành rãnh van do phương của xy lanh thủy lực không đi qua trọng tâm van

1.5 Nh ững vấn đề cần nghiên cứu

1.5.1 Nội dung nghiên cứu

- Thiết kế tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo

- Thiết kế tối ưu kết cấu thép bằng phần mềm SAP2000

- Thiết kế tối ưu cửa van thép nhịp lớn

- Ứng dụng vào công trình thực tế và đưa ra kiến nghị trong thiết kế tối ưu kết cấu cửa van

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô hình toán

1.6 Kết luận chương 1

Cửa van phẳng được sử dụng rộng rãi trong các công trình có yêu cầu nhịp lớn nhưng chênh lệch cột nước không cao Cửa van phẳng nhịp lớn thường có cấu tạo bản mặt phẳng được đỡ bằng hệ giàn ống thép phía sau cửa van Do có cấu tạo phức tạp nên khi thiết kế cửa van phẳng thường lấy kết cấu của các công trình tương tự nên trọng lượng cửa van thường lớn hơn so với yêu cầu chịu lực thực tế của cửa van Cửa van nhịp lớn có trọng lượng lớn nên việc tối ưu trọng lượng cửa van là cần thiết

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU THÉP

2.1 Khái quát tối ưu hóa về kết cấu[5]

2.1.1 Bài toán tối ưu về trọng lượng và phương pháp giải

Trong thiết kế thực tế ngoài bài toán kiểm tra chúng ta còn gặp bài toán xác định kích thước cần thiết của tiết diện các phân tố kết cấu đã cho ứng với một hệ tải trọng đã biết, sao cho thỏa mãn điều kiện cường độ, điều kiện độ cứng và sử dụng vật liệu ít nhất, đây là bài toán thiết kế tối ưu kết cấu về mặt trọng lượng

- Hàm mục tiêu và các ràng buộc: Trong tính toán tối ưu kết cấu hàm mục tiêu thường biểu thị các đại lượng cần cực tiểu hóa như trọng lượng, thể tích, giá thành,… của kết cấu Các điều kiện ràng buộc dưới dạng đẳng thức thường là các điều kiện cân bằng, các điều kiện biến dạng liên tục Các điều kiện ràng buộc dưới dạng bất đẳng thức thường là các điều kiện về độ bền, độ cứng, các điều kiện về chảy dẻo v.v

Dạng hàm mục tiêu và dạng điều kiện ràng buộc thay đổi tùy theo kết cấu và phương pháp giải Do đó bài toán tối ưu và phương pháp giải có những đặc điểm khác nhau khi dùng phương pháp tính khác nhau như phương pháp lực hay phương pháp chuyển vị Trong thực tế để tiện cho việc chế tạo và giảm giá thành, kết cấu thường được phân thành nhiều nhóm cấu kiện Các cấu kiện trong mỗi nhóm có tiết diện như nhau và mỗi cấu kiện là hình lăng trụ đều Giả sử một kết cấu được chia thành G nhóm, một nhóm bất kỳ kí hiệu là g, gọi tổng chiều dài của các cấu kiện trong nhóm là Lg và diện tích tiết diện là Ag Vậy:

trong đó γg là trọng lượng riêng của vật liệu trong nhóm g

Giá vật liệu kết cấu:

- Hàm C trong công thức (2.3) là hàm mục tiêu về giá cả

- Nếu giá vật liệu không thay đổi trong các nhóm thì T trong công thức (2.2) là hàm mục tiêu về trọng lượng

- Nếu kết cấu được chế tạo bằng một loại vật liệu thì V trong công thức (2.1) là hàm mục tiêu về thể tích

Trong các hàm mục tiêu ở trên có biến là diện tích tiết diện Ag, nhưng trong các điều kiện ràng buộc về độ bền và độ cứng có biến khác nhau như mômen quán tính của tiết diện Ig, mômen chống uốn Wg Nếu bài toán tối ưu gồm nhiều biến, ta cần tìm cách đưa về ít biến để việc tính toán được đơn giản hơn Chẳng hạn khi chỉ dùng một biến

Ag ta sẽ quy đổi các biến Ig và Wg thành biến Ag Nếu chỉ dùng một biến Ig ta quy đổi các biến Ag và Wg thành Ig

Nhìn vào các bảng đặc trưng hình học của tiết diện ta không thể phát hiện quy luật về mối quan hệ giữa chúng Song lấy lôgarit các đại lượng đó, ta sẽ phát hiện ra một quy luật giữa chúng như sau:

0, 78

0, 559

n m

A W

A I

=

= (2.4)

trong đó với dầm tiết diện chữ I phổ thông có n=2/3 và m=1/2

Đối với hệ khung dùng hệ thức (2.4) thay vào các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3), ta có:

Hình 2.1 – Tuyến tính hóa hàm A(I)

- Phương pháp giải: Khi hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc đều có dạng phi

tuyến, đây là bài toán quy hoạch phi tuyến Còn nếu hàm mục tiêu và các ràng buộc đều là tuyến tính, đây là bài toán quy hoạch tuyến tính Để tìm lời giải của bài toán này thường dùng nhất là phương pháp đơn hình của bài toán quy hoạch tuyến tính Nếu bài toán chỉ có hai biến thì nghiệm của bài toán có thể tìm bằng phương pháp biểu diễn hình học

2.1.2 Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi

Nội lực và chuyển vị kết cấu hệ thanh có thể xác định bằng phương pháp lực hoặc phương pháp chuyển vị, trình tự giải bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi thông qua ví dụ dưới đây:

Thiết kế tối ưu giàn tĩnh định có kích thước và chịu tải trọng như ở hình 2.2, các thanh (1), (2), (3) có cùng diện tích A1, thanh (4) có diện tích A2 Vật liệu thép CT3 có cường độ chịu kéo tính toán và chịu nén tính toán R=16kN/cm2 Tải trọng P1=2kN và

1 g

σ = ≤ (kN/cm2) Giàn đã cho là giàn tĩnh định nên nội lực trong các thanh không phụ thuộc vào diện tích tiết diện các thanh giàn, từ phương pháp tách nút, nội lực các thanh như sau:

Vmin= 750A1+400A2= 750×0,522+400×0,333=524,7cm3

2.1.3 Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo

Các giả thiết cơ bản

- Kết cấu gồm các thanh mặt cắt đều (lăng trụ)

- Bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc và lực cắt tới mômen dẻo của các thanh

- Hệ thức giữa trọng lượng một đơn vị chiều dài thanh và mômen dẻo của nó được biểu diễn ở hình 2.3 qua biểu thức sau:

n

p

g=cM

Hình 2.3 – Đường quan hệ giữa trọng lượng và mômen dẻo Với mặt cắt chữ I, ta có công thức gần đúng sau:

trong đó L là chiều dài thanh

Số hạng ΣaL là hằng số với kết cấu đã cho, vậy G là nhỏ nhất khi ΣbM PL cực tiểu, số hạng này được ký hiệu là x:

x = ΣbM PL (2.10)

và được gọi là hàm muc tiêu

Bài toán trọng lượng tối ưu đưa về xét cực tiểu hàm mục tiêu được xác định theo công thức (2.10) với các ràng buộc về cường độ

Phương pháp giải và ví dụ minh họa

Xét một dầm liên tục 2 nhịp có kích thước và chịu tải trọng như ở hình 2.4 Nhịp trái

có mômen dẻo là µ1 và nhịp phải có mômen dẻo là µ2

Theo công thức (2.10) ta có hàm mục tiêu của bài toán như sau:

x= 3µ1 + 3µ2

Hình 2.4 – Sơ đồ cơ cấu phá hủy dẻo Xác định mômen dẻo µ1 và µ2 của dầm liên tục hai nhịp để hàm mục tiêu cực tiểu

- Tìm nghiệm bằng phương pháp hình học được biểu diễn trên hình 2.5

Hình 2.5 – Xác định nghiệm tối ưu bằng đồ thị

- Hình chiếu của đỉnh B lên đường thẳng 3µ1 - 3µ2 = 0 gần gốc tọa độ nhất, vậy tọa độ của đỉnh B là nghiệm của bài toán:

µ1 =35kNm và µ2 = 15kNm

2.2 Thiết kế tối ưu kết cấu thép bằng phần mền SAP2000

2.2.1 Các bài toán trong thiết kế kết cấu thép

Tính toán kết cấu thép hệ thanh theo các Tiêu chuẩn thiết kế trong phần mềm SAP2000 thường gặp hai bài toán cơ bản sau:

Bài toán kiểm tra: Kiểm tra về cường độ kết cấu hệ thanh với các số liệu đã biết (kích

thước hình học của kết cấu, tải trọng, vật liệu, ) được tiến hành như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán và phân tích nội lực kết cấu

- Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, xác định tỷ số giữa ứng suất tính toán và cường độ tính

toán của vật liệu thép làm cấu kiện kết cấu được gọi là hệ số sử dụng vật liệu hay hệ

số ứng suất, nếu tỷ số này lớn hơn 1 thì kết cấu không thỏa mãn điều kiện về cường

độ

- Cho hiển thị các phân tố không đủ khả năng chịu lực

Bài toán thiết kế: Xác định mặt cắt ngang của các phần tử thanh của kết cấu sao cho

tỷ số giữa ứng suất tính toán và cường độ tính toán của vật liệu thép làm kết cấu xấp xỉ bằng và nhỏ hơn 1 để cho kết cấu thỏa mãn điều kiện về cường độ, đồng thời tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu, được tiến hành như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán, chọn hình dạng tiết diện các phần tử thanh, giả thiết sơ

bộ kích thước tiết diện của các nhóm phần tử thanh AUTO1, AUTO2, …và gán vào các phần tử thanh Chương trình tự chọn một số hiệu tiết diện cho mỗi phần tố kết cấu

hệ thanh, thường là tiết diện trung bình trong nhóm phần tử thanh AUTO1, AUTO2 và

được gọi là tiết diện phân tích Sau đó cho chạy chương trình phân tích nội lực kết cấu

hơn trong AUTO1, AUTO2, … , để chương trình chọn lại số hiệu thích hợp, trong bước phân tích sau

- Nếu không có phần tử nào có hệ số ứng suất lớn hơn 1, cập nhật tiết diện thiết kế vào

hệ thanh, cho chương trình chạy lại và hiển thị lại tỷ số sử dụng vật liệu của tất cả các phần tử thanh, nếu hệ số này xấp xỉ bằng hoặc nhỏ hơn 1, kết thúc bài toán thiết kế tối

ưu hệ thanh

Chú thích:

- Tiết diện phân tích và tiết diện thiết kế:

Cần phân biệt tiết diện phân tích và tiết diện thiết kế Các tiết diện phân tích chỉ được

hiển thị khi nhấn chuột vào View > Set Display Options > Chọn Sections trong cột

Frames > OK Để hiển thị tiết diện thiết kế nhấn Design > Xuất hiện bảng Display Design Info…> Xuất hiện bảng Design Steel Design Results > Chọn  Design Sections trong Design Input > OK

- Phân tích lại kết cấu với các phân tử đã cập nhật tiết diện thiết kế

Sự thay đổi đặc trưng tiết diện của các phần tử trong bước tính hệ số sử dụng vật liệu, chỉ làm thay đổi cục bộ ở pha tính toán ứng suất Nói cách khác, việc chọn các đặc trưng tiết diện chỉ ảnh hưởng tới giá trị ứng suất mà không làm thay đổi nội lực trong các phần tử nhận được khi phân tích với sự thay đổi như vậy Sự phân bố lại nội lực của các phần tử do sự thay đổi độ cứng có ảnh hưởng khi cho chạy lại chương trình

Cần hoàn thiện lại mô hình phân tích, phân tích lại mô hình và thiết kế lại kết cấu, được tiến hành như sau:

- Mở khóa chương trình > Từ menu Design > Display Design Info…> Xuất hiện bảng Design Steel Design Results > Chọn  Design Sections trong Design Input > OK

- Từ menu Design > Chọn Run, ngay lập tức chương trình bắt đầu tiến hành phân tích Một cửa sổ nhỏ phía trên được mở ra trong đó hiển thị các thông báo về phân tích Các kết quả sẽ khác kết quả phân tích ban đầu, vì chúng ta đã cập nhật thay đổi đặc trưng tiết diện ở bước thiết kế > Nhấn OK để đóng cửa sổ nhỏ này

- Từ menu Design > Nhấn Start Design/Check of Structures Thiết kế lại kết cấu với tiết diện thiết kế và hiển thị hệ số ứng suất mới Hiệu quả của việc thay thế này là tiết diện phân tích tối ưu và chuyển về khâu tự động tính hệ số sử dụng vật liệu Vì thế việc chọn menu này là bước cuối cùng chúng ta cần làm

Các ví dụ ở dưới như sau: Chương trình phân tích nội lực với tiết diện diện phân tích, trên cơ sở nội lực tìm được này, chương trình tự động chọn tiết diện thiết kế để thỏa mãn điều kiện cường độ thông qua tỷ số giữa ứng suất và cường độ tính toán của vật liệu cấu kiện Chương trình chưa tự động nhập tiết diện thiết kế vào kết cấu để phân tích lại nội lực, người sử dụng chương trình cần nhập tiết diện thiết kế và cho chương trình chạy lại như đã nói ở trên Chúng ta có thể thấy sự khác nhau chút ít sau khi cho chương trình chạy lại với tiết diện thiết kế và hiển thị lại hệ số ứng suất

2.2.2 Bài toán thiết kế tối ưu

Cửa van là kết cấu phức tạp không gian siêu tĩnh bậc cao, khi đủ điều kiện vật liệu thuận lợi sẽ phát huy đầy đủ khả năng làm việc giảm vật liệu, tiết kiệm khối lượng công trình

Vấn đề đầu tiên trong thiết kế tối ưu cửa van là phải thiết lập được mô hình hình học Đây là phương pháp mô phỏng công trình thực tế bằng mô hình toán học Trong đó các đại lượng đặc trưng hình học để miêu tả hình khối cửa van

Hàm mục tiêu thường sử dụng trong thiết kế tối ưu hình cửa van chủ yếu có hai loại: kinh tế và an toàn Mục tiêu kinh tế trong thiết kế tối ưu cửa van là cửa van có khối lượng hoặc giá thành công trình nhỏ nhất Mục tiêu an toàn cửa van là tương ứng một khối lượng cửa van nhất định thì độ an toàn là lớn nhất Hiện nay hàm mục tiêu thường dùng nhất là kinh tế Điều kiện rằng buộc thông thường bao gồm: ràng buộc hình học, ràng buộc ứng suất.Trước khi yêu cầu tối ưu cửa van cần tiến hành sàng lọc vài điều kiện ràng buộc và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu Hiện nay phần mền SAP2000 đã cung cấp phương án thiết kế tối ưu

- Thiết kế tối ưu một mục tiêu về trọng lượng: Trong quá trình tối ưu, chúng không

ngừng thay đổi về tiết diện các thanh Hàm số mục tiêu là tiêu chí đánh giá ưu và nhược điểm của các phương án thiết kế khác nhau, thông thường là giá thành của cửa van và được biểu thị dưới đây:

C(x)=c.M(x) Trong đó: M(x) là khối lượng thép cửa van; c là đơn giá của thép cửa van

Điều kiện ràng buộc bao gồm: ràng buộc về hình học, ràng buộc về ứng suất, chúng bắt buộc phải thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩn thiết kế của cửa van.Xem xét đến yêu cầu thi công và bố trí các bộ phận kết cấu, có khi vẫn cần xem xét một vài yêu cầu đặc biệt trên công trình

+ Ràng buộc về hình học: Tiết diện các thanh nhỏ nhất, đơn giản nhất để đơn giản thi công và yêu cầu về cấu tạo

+ Ràng buộc về ứng suất: Đối với ứng suất các thanh của cửa van, ứng suất dưới tác dụng của áp lực nước, trọng lượng bản thân thì thỏa mãn điều kiện:

σ < 0,95

- Thiết kế tối ưu hai mục tiêu về kinh tế và an toàn:

+ Mô hình kinh tế nhất:

Lấy khối lượng của cửa van hoặc giá thành làm hàm số mục tiêu

Khối lượng của cửa van M(x)=> giá trị cực tiểu

Hàm số ràng buộc gj(x)≤1, j=1~m(số điều kiện ràng buộc)

Hệ số an toàn nhò nhất kmin(x)=k0

+ Mô hình an toàn nhất:

Lấy hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) làm hàm số mục tiêu;

Hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) => giá trị cực đại

Hàm số ràng buộc gj(x)≤1, j=1~m(số điều kiện ràng buộc)

Trọng lượng của cửa van M(x)≤M0 Đối với cửa van lấy ứng suất làm điều kiện khống chế, công thức có thể đơn giản hóa như sau:

Ứng suất lớn nhất σ => giá trị cực tiểu

Hàm số ràng buộc gj(x)≤1, j=1~m(số điều kiện ràng buộc)

Khối lượng cửa van M(x)≤M0

2.2.3 Các ví dụ tính toán

Ví dụ 1 – Thiết kế tối ưu dầm liên tục:

Thiết kế tối ưu dầm liên tục hai nhịp tiết diện chữ I như ở hình 2.6 Vật liệu thép ASTM A992Fy50, chịu tải trọng tập trung tại giữa nhịp dầm có LL=45kN Nhịp thứ nhất dài 6m, nhịp thứ hai dài 8m Thiết kế dầm theo Tiêu chuẩn AISC LRFD93 của Hoa Kỳ

Hình 2.6 – Sơ đồ tính toán dầm

Mô hình hóa dầm:

- Chọn hệ đơn vị: kN, m

- Dầm được mô hình hóa từ kết cấu mẫu

- Định nghĩa và gán tải trọng LL (Live Load)=45kN vào giữa hai nhịp dầm như ở hình 2.7

Hình 2.7 – Mô hình hóa dầm

- Chọn tiết diện chữ I có số hiệu từ W8×10 đến W8×35 được thực hiện như sau: Nhấn menu Define > Section Properties > Nhấn Frames Sections > Xuất hiện bảng Frame Properties > Nhấn Import New Property > Xuất hiện bảng Import Frame Section Property > Nhấn I/Wide Frame > Xuất hiện bảng Section Property File > Chọn SECTIONS PRO > Xuất hiện bảng C:\ Program File \ Computers and > Chọn A992Fy50 trong cửa sổ nhỏ Material > Nhấn chuột vào mũi tên dưới bảng này để cuốn danh sách các số hiệu thép lên và chọn W8×10 > Ấn Shift > Tiếp tục kéo danh sách lên

Hình 2.8 – AUTO1 là nhóm các số hiệu tiết diện để tự động chọn cho dầm Chọn và gán các phần tử dầm > Assign > Frame > Frame Sections > Xuất hiện bảng Frame Properties > Chọn AUTO1 > OK, ta có sơ đồ dầm đã gán tiết diện phân tích W8×21 (AUTO1) là tiết diện trung bình trong nhóm Auto Sections do chương trình chọn, như ở hình 2.9 Chương trình phân tích nội lực với tiết diện này và được gọi là tiết diện phân tích

Hình 2.9 – Gán các tiết diện chọn tự động cho dầm Cho chạy chương trình bằng cách nhấn chuột vào nút Run Analysis trên thanh công cụ

chính Nhấn OK để đóng cửa sổ này

Thiết kế tối ưu dầm: Chọn tiêu chuẩn thiết kế > Nhấn menu Design > Steel Frame

Design > View/Review Preferences > Start Design/Check of Structures > Thiết kế dầm từ menu Design > Display Design Info > Xuất hiện bảng Display Steel Design Results (AISC-LRFD93) như ở hình 2.10

Nếu chọn  Design Input: Design Sections > OK > Xuất hiện sơ đồ tiết diện thiết kế cho ở hình 2.11

Nếu chọn  Design Output: P-M Ratio Colors & Values > OK > Xuất hiện biểu đồ tỷ

số nội lực và khả năng chịu lực của các phần tử dầm bằng mầu sắc và bằng giá trị như

ở hình 2.12 Tỷ số này còn được gọi là hệ ứng suất hay là hệ số sử dụng vật liệu

Hình 2.10 – Lệnh hiển thị kết quả thiết kế dầm

Hình 2.11 – Hiển thị tiết diện thiết kế cho dầm

Hình 2.12 – Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện phân tích

Trên cơ sở biểu đồ nội lực ứng với tiết diện phân tích W8×21 như ở hình 2.9, chương trình tự động chọn tiết diện thiết kế thích hợp trong số các tiết diện trong Auto Sections được hiển thị ở hình 2.11 và hệ số ứng suất tương ứng cho ở hình 2.12

Để xác định hệ số ứng suất (tỷ số giữa ứng suất và cường độ tính toán của thép làm cấu kiện) của dầm ứng với tiết diện thiết kế được thực hiện như sau:

- Mở khóa chương trình > OK

- Nhấn menu Design > Steel Frame Design > Display Design Info > Xuất hiện bảng Display Steel Design Results > Chọn  Design Sections trong Design Input > Xuất hiện lại sơ đồ dầm 2 nhịp với các tiết diện thiết kế đã được gán vào dầm như ở hình 2.13

- Cho chạy lại chương trình, chạy chức năng thiết kế kết cấu thép và hiển thị hệ số ứng

Hình 2.13 – Gán tiết diện thiết kế vào dầm

Hình 2.14 – Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện thiết kế Hình 2.11 hiển thị tiết diện thiết kế cho dầm sau khi đã chạy chương trình ứng với nội lực được tính toán theo tiết diện phân tích, nên trong sơ đồ bao giờ cũng kèm theo hệ

số ứng suất được thể hiện bằng mầu Còn trong hình 2.13 hiển thị tiết diện thiết kế được gán vào dầm khi chương trình chưa chạy nên dầm không có mầu

Ví dụ 2.2 - Thiết kế tối ưu khung thép

Thiết kế tối ưu khung thép 2 tầng 2 nhịp có kích thước và chịu tải trọng như hình 2.15, theo Tiêu chuẩn thiết kế AISC-LRFD93 của Hoa Kỳ

Hình 2.15 – Sơ đồ tính toán khung

Số liệu tính toán

Khung thép 2 tầng 2 nhịp cho ở hình 2.15, kích thước tiết diện chọn sơ bộ ban đầu của các phần tử cột bằng thép hình W14×82, của dầm bằng thép hình W12×64 Chiều cao của tầng là H=4,0m, chiều dài của nhịp khung là L=7,5m

Vật liệu của dầm và cột bằng thép ASTM A992Fy50

Ba trường hợp tải trọng sau đây được xem xét để phân tích là DL, LL và QX, trong đó

DL và LL là tĩnh tải và hoạt tải, QX là tải trọng động đất

Các tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên nhịp dầm như sau:

Tầng 1 DL=1,0kN/m LL=1,2kN/m

Tầng 2 DL=0,5kN/m LL= 0,3kN/m

Tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng tại sàn các tầng theo phương ngang X có

QX = 250kN

Thiết kế tối ưu khung thép

Sau khi xây dựng xong mô hình tính toán như ở hình 2.16 với tên file là Vi du 2-2, cho chạy chương trình và kiểm tra ứng suất theo Tiêu chuẩn AISC-LRFD93 như sau:

Hình 2.16 – Sơ đồ tính toán khung với các tiết diện dầm, cột chọn sơ bộ

Từ menu Dsign > Steel Frame Design > View/Review Preferences > Xuất hiên bảng Steel Frame Preferences for AISC/LRFD93 (Xem/Kiểm tra Tiêu chuẩn chọn) > OK > Design > Start Design/Check of Structures > Design > Display Design Info > Xuất hiện bảng Display Steel Design Results (AISC-LRFD93) như ở hình 2.17 > Chọn  Design Output: P-M Ratio Colors & Values > OK > Xuất hiện sơ đồ khung cho tỷ số giữa nội lực và khả năng chịu lực của các phần tử khung bằng mầu sắc và bằng giá trị như ở hình 2.18

Hình 2.17 – Lệnh hiển thị hệ số ứng suất

Hình 2.18 – Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện chọn sơ bộ Xuất hệ số ứng suất ứng với các tiết diện chọn sơ bộ của các phần tử khung từ menu Display > Show Tables > Xuất hiên bảng Choose Tables for Display > Chọn

Nhấn OK > Xuất hiện bảng 2.1 Table Steel Design 1- Summary Data – AISC- LRFD93 cho biết hệ số ứng suất của các phần tử khung

Bảng 2.1 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích

Từ hình 2.18 và bảng 2.1 cho thấy phần tử 3, 7 và 9 có hệ số ứng suất k>0,95, có thể hiển thị 3 phần tử này từ menu Design > Steel Frame Design > Verify All Member Passed > Xuất hiện thông báo có 3 phần tử không thỏa mãn điều kiện ứng suất cho ở hình 2.19a, nếu muốn chọn và hiển thị các phần tử này thì nhấn Yes > View > Show Selection Only > Ba phần tử nói trên đã được hiển thị như ở hình 2.19b, các phần tử có mầu đỏ kèm theo mã và hệ số ứng suất (hệ số sử dụng vật liệu)

Hình 2.19 – Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1

Từ hình 2.18 cho thấy cả 2 phần tử dầm tầng 1 đều mầu đỏ có ứng suất vượt qúa khả năng chịu lực của vật liệu, 2 phần tử dầm tầng 2 có hệ số ứng suất nhỏ hơn 1 Bốn phần tử dầm hiện có tiết diện là W12×65, nếu ta chọn các phần tử này có kích thước lớn hơn thì tỷ số ứng suất của các phần tử này sẽ nhỏ hơn 1 Chỉ có một phần tử cột tầng 1 ở giữa mầu đỏ có tỷ số ứng suất lớn hơn 1, các phần tử cột tâng 2 có tỷ số ứng suất nhỏ hơn 1 rất nhiều, hiên tại cột có số hiệu W14×82, cần chọn số hiệu nhỏ hơn Chúng ta sẽ chọn một số số hiệu tiết diện cho dầm và cho cột ở tầng 1 và 2 như sau:

- Dầm tầng 1 và 2 chọn số hiệu thép định hình từ W12×30 đến W12x96 với Auto Section ký hiệu là AUUTO1-D

- Cột tầng 1 chọn từ W14×68 đến W14×120 với Auto Section là AUUTO1-C

- Cột tầng 2 chọn từ W14×22 đến W14×48 với Auto Section là AUUTO2-C

Chương trình tự động chọn một trong các tiết diện này làm tiết diện phân tích cho dầm

và cột tầng 1 và tầng 2

Mở khóa chương trình bằng cách nhấn chuột vào Lock/Unlock ở menu chính, ngay lập tức chương trình thông báo nếu mở khóa thì các số liệu vừa tính toán sẽ bị xóa, nếu đồng ý nhấn OK

Nhấn menu Define > Section Properties > Nhấn Frames Sections > Xuất hiện bảng Frame Properties > Nhấn Import New Property > Xuất hiện bảng Import Frame Section Property > Nhấn I/Wide Frame > Xuất hiện bảng Section Property File > Chọn SECTIONS PRO > Xuất hiện bảng C:\ Program File \ Computers and > Chọn vật liệu A992Fy50 trong cứa sổ Material > Nhấn chuột vào mũi tên dưới bảng này để cuốn danh sách các số hiệu thép lên và chọn W12×30 > Ấn Shift > Tiếp tục kéo danh sách lên và chọn W12×96 cho dầm tầng 1 và 2 > OK

Các tiết diện mới nhập vào được cộng với các tiết diện đã có trước trong danh sách của bảng Frame Properties

Nhấn Add New Property > Xuất hiện bảng Add Frame Section Property > Nhấn chuột vào Auto Select List > Xuất hiện bảng Auto Select Section như ở hình 2.20 > Nhập Auto Section Name: AUTO1-D cho dầm tầng 1 và 2 > Trong hình 2.20 dùng phím Shift chọn số hiệu thép từ W12×30 đến W12×96 ở cửa số trái > Nhấn Add > Chuyển các số hiệu thép này sang Auto Sections ở cửa sổ phải > OK

Hình 2.20 – AUTO1-D là nhóm các tiết diện để chọn tự động cho dầm

Thực hiện tương tự với cột tầng 1 có Auto Section Name: AUTO1-C > Trong hình 4.21a ấn Shift chọn số hiệu từ W14×68 đến W14×120 ở cửa số trái > Add > Chuyển các số hiệu thép này sang Auto Sections ở cửa sổ phải > OK Thực hiện tương tự cho cột tầng 2 với Auto Section Name: AUTO2-C > Trong hình 2.21b chọn số hiệu thép từ W14×22 đến W14×48 ở cửa số trái > Add > Chuyển các số hiệu thép này sang Auto Sections ở cửa sổ phải > OK

Hình 2.21 – Chọn nhóm các tiết diện tự động chọn cho cột AUTO1-C và AUTO2-C Chọn và gán các phần tử dầm tầng 1 và 2 > Assign > Frame > Frame Sections > Xuất hiện bảng Frame Properties > Chọn AUTO1-D > OK Tiếp tục chọn các phần tử cột

tầng 1 > Assign > Frame > Frame Sections > Xuất hiện bảng Frame Properties > Chọn AUTO1-C > OK Tương tự chọn và gán AUTO2-C cho cột ở tầng 2 > OK

Sau khi gán Auto Section vào các thanh chương trình tự chọn tiết diện phân tích cho các thanh này, thường là tiết diện trung bình trong Auto Section đó Cho chạy chương trình bằng cách nhấn chuột vào nút Run Analysis trên thanh công cụ chính Nhấn OK

Hình 2.22 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích

Để xem tiết diện mới được chọn này nhấn chuột vào menu Design > Display Design Info…> Xuất hiện bảng Display Steel Design Result (AISC-LRFD93) như ở hình

2.23, trong hộp hội thoại này chọn Design Sections trong  Design Input > OK > Xuất hiện các tiết diện mới chọn như ở hình 2.24

Hình 2.23 – Lệnh hiển thi tiết diện thiết kế Trong hình 2.24 các số hiệu thép ghi ở bên trên các phần tử dầm hay bên trái các phần

tử cột là số hiệu thép phân tích có kèm theo chữ (AUTO), còn số hiệu ghi ở bên dưới các phần tử dầm hay bên phải các phần tử cột là số hiệu thép thiết kế

Hình 2.24 – Hiển thi tiết diện phân tích và tiết diện thiết kế

Phân tích lại kết cấu với các phần tử đã cập nhật tiết diện thiết kế

Để xác định hệ số ứng suất của các phần tử khung ứng với tiết diện thiết kế được thực hiện như sau:

- Mở khóa chương trình > OK

- Nhấn menu Design > Steel Frame Design > Display Design Info > Xuất hiện bảng Display Steel Design Results > Chọn  Design Sections trong Design Input > Xuất hiện lại sơ đồ khung 2 tầng 2 nhịp với các tiết diện thiết kế đã được gán vào khung như

ở hình 2.25

Hình 2.25 – Gán tiết diện thiết kế vào khung

- Cho chạy lại chương trình phân tích nội lực với các đặc trưng tiết diện thiết kế và hiển thị hệ số ứng suất tương ứng như ở hình 2.26 và bảng 2.3

- Do độ cứng của của các phần tử dầm và cột thay đổi, nội lực khung thay đổi theo và

hệ số ứng suất cũng thay đổi, nhưng không dáng kể Để tiện so sánh ta ghi kết quả tính toán với dầm tầng 2 nhịp trái có k=0,865(0,934) và nhịp phải có k=0,834(0,810), với dầm tầng 1 nhịp trái có k=0,853(0,982) và nhịp phải có k=0.928(0,977) Với tầng 2 cột trái có k=0,845(0,948), cột giữa có k=0,939(0,928), cột phải k=0,798(0,823), với tầng

1 cột trái có k=0,912(0,945), cột giữa có k=0,925(0,895), cột phải có k=0,911(0,936) trong đó chữ số trong ngoặc đơn ( ) ứng với tiết diện phân tích

Hình 2.26 – Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế Bảng 2.2 – Hệ số sử dụng vật liệu ứng với các tiết diện thiết kế

Để tiện cho việc cung cấp vật liệu, chế tạo và lắp ráp, ta chọn tiết diện các phần tử thanh tầng 1 cột W14×99, dầm W12×96, tầng 2 cột W14×48, dầm W12×45 và gán vào khung như ở hình 4.27, hệ số sử dụng vật liệu tương ứng cho ở hình 2.28

Hình 2.27 – Hiển thi tiết diện chọn cuối cùng

Hình 2.28 – Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện thiết kế Trong lượng của khung trong 2 trường hợp cho ở các hình 2.29, hình 2.30 và được tổng hợp trong bảng 2.3

Hình 2.29 – Phản lực khung ứng với phương án thiết kế tối ưu

Hình 2.30 – Phản lực khung ứng với phương án tiết diện chọn

Bảng 2.3 – Trọng lượng của khung ứng với 2 phương án chọn tiết diện khung

TT Phản lực gối tựa Tối ưu Chọn sơ bộ Phương án Cấu kiện Tối ưu Chọn sơ bộ Phương án

1 Gối trái 13,053 15,876 Cột tầng 1+2 0,881 0,675

2 Gối giữa 20,941 24,831 Dầm tầng 2 0,900 0,694