Tính toán kết cấu tháp truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn (tt)

--- NGUYỄN VĂN TUẤN TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016... Do vậy

-

NGUYỄN VĂN TUẤN

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2016

-

NGUYỄN VĂN TUẤN KHÓA: 2014 – 2016

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN

DỤNG & CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ HỮU THANH

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN TUẤN KHÓA: 2014 – 2016

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN

DỤNG & CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ HỮU THANH

XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

Hà Nội 2016

LỜI CÁM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc về sự giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích thường xuyên của các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc

Hà Nội, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Khoa Đào tạo sau đại học trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân thành cảm ơn Tiến sĩ Lê Hữu Thanh đã tâm huyết, tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy, cô trong Hội đồng chấm luận văn

đã tham gia đóng góp ý kiến quý báu cho bản luận văn

Tôi xin trân thành cảm các bạn đồng nghiệp, gia đình, đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2016

Học viên

NGUYỄN VĂN TUẤN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoanLuận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGUYỄN VĂN TUẤN

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng, biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

 Tính cấp thiết của đề tài 1

 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

 Phạm vi nghiên cứu 3

 Phương pháp nghiên cứu 3

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

 Cấu trúc luận văn của đề tài 3

NỘI DUNG 5

CHƯƠNG 1: KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH 5

1.1 Tổng quan về kết cấu tháp truyền hình 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phân loại kết cấu tháp 6

1.1.3 Cấu tạo tháp thép 9

1.2 Tải trọng tác dụng 10

1.2.1 Tĩnh tải 10

1.2.2 Hoạt tải 11

1.2.3 Tải trọng gió 11

1.2.4 Tải trọng động đất và các loại tải trọng khác 11

1.3 Tổ hợp tải trọng 12

1.4 Tính toán nội lực 12

1.4.1 Phương pháp giải tích 13

1.4.2 Phương pháp số 15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH 19

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu 19

2.1.1 Khái niệm và các bước thực hiện 19

2.1.2 Các phương trình cơ bản 22

2.2 Tính toán kết cấu tháp bằng phương pháp PTHH 27

2.2.1 Phần tử thanh chịu kéo (nén) 27

2.2.2 Phần tử thanh trong dàn phẳng 30

2.2.3 Phần tử thanh dàn không gian: 35

2.3 Chương trình tinh toán kết cấu tháp thép truyền hình 37

2.3.1 Lập trình chương trình tính bằng ngôn ngữ Fortran 39

2.3.2 Thiết lập xử lý file dữ liệu đầu vào cho chương trình tính trên GID 50 2.3.3 Thiết lập xử lý giao diện Pre-process của chương trình bằng GID 58

2.3.4 Thiết lập xử lý giao diện Post-process của chương trình bằng GID 62 CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 64

3.1 Ví dụ tính toán 1 64

3.2 Ví dụ tính toán 2 73

3.2.1 Số liệu tính toán 73

3.2.2 Kết quả tính toán 75

3.3 Phân tích đánh giá kết quả tính toán 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Fortran Formula Translating System – Ngôn ngữ

lập trình sử dụng cho phương pháp số

2 GUI Graphical User Interface – Giao diện người

dùng đồ họa

3 GID Phần mềm xử lý dao diện đồ họa

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Số liệu bảng,

Trang

Bảng 3.4 Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của thanh dàn 75

Bảng 3.7 Kết quả phản lực liên kết tại chân cột 77 Bảng 3.8 So sánh kết quả lực dọc trong thanh của dàn 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số liệu

Hình 1.2 Tháp dạng tự đứng có đường biên gẫy khúc 8 Hình 1.3 Tháp dạng tự đứng có đường biên dạng Parabol 8 Hình 1.4 Cấu tạo chân tháp (loại 3 chân) và mặt cắt ngang tháp 9

Hình 1.6 Giải bài toán theo phương pháp PTHH 17

Hình 2.2 Thanh chịu kéo (nén) trong dàn phẳng 31 Hình 2.3 Chuyển trục tọa độ của phần tử thanh dàn phẳng 33

Hình 2.5 Cấu trúc chương trình tính toán kết cấu 38 Hình 2.6 Sơ đồ khối của chương trình tính toán 41

Hình 2.9 Sơ đồ khối của chương trình tính toán 44

Hình 2.11 Thẻ gán điều kiện biên liên kết tại nút 61

Hình 3.3 Gán liên kết, ràng buộc liên kết (a) và tải trọng trong

Hình 3.4 Liên kết và ràng buộc liên kết của hệ kết cấu 67 Hình 3.5 Tải trọng tác dụng được gán lên hệ kết cấu 67 Hình 3.6 Số nút và phần tử trong hệ kết cấu sau chia lại phần tử 68

Số liệu

Hình 3.7 Thông báo số phần tử và nút sau khi mesh 69 Hình 3.8 Biểu diễn kết quả chuyển vị bằng Contour 71

Hình 3.11 Mô hình tính toán kết cấu tháp truyền hình 76 Hình 3.12 Điều kiện biên gán tại nút của kết cấu tháp 77

MỞ ĐẦU

 Tính cấp thiết của đề tài

Việt nam trong những năm gần đây, lĩnh vực viễn thông và truyền hình

đã và đang phát triển mạnh mẽ với những con số thống kê đầy ấn tượng[14] Trên suốt chiều dài lãnh thổ Việt Nam, sóng truyền hình và viễn thông đã bao phủ tới tận các làng xã, thôn xóm Do vậy, việc tiếp cận thông tin của người dân đã được cải thiện, đời sống vật chất và tinh thần do đó được nâng cao Nhân tố quan trọng giúp ngành truyền hình phát triển và đạt được thành quả như đã nêu phải kể tới vai trò quan trọng và không thể thiếu của tháp truyền sóng (tín hiệu) gọi chung là tháp truyền hình.Đây là kết cấu có chiều cao lớn được lắp đặt các thiết bị thu phát sóng bên trên Chiều cao và kết cấu của tháp quyết định độ rộng phủ sóng của tín hiệu truyền hình khi hoạt động Tại Việt Nam, kết cấu tháp thường được chế tạo bằng vật liệu kim loại (chủ yếu là thép) với dạng kết cấu điển hình là dàn không gian 3 chiều Trong

đó, các thanh dàn được chế tạo từ các thép góc hoặc ống, liên kết với nhau tại nút bằng mối nối hàn hoặc bu lông Trong tính toán, các thanh được xem như chịu tác dụng của lực kéo hoặc nén dọc theo trục thanh Tháp có thể được thiết kế với hình dáng không thay đổi hoặc thu nhỏ dần theo chiều cao của tháp

Theo cách liên kết với móng, kết cấu tháp được chia làm hai loại: (1) Loại tự đứng, là tháp có tiết diện thay đổi theo chiều cao, được liên kết với móng thông qua các chân tháp (3 hoặc 4 chân), tháp có thể tự đứng mà không cần các dây neo nối với móng Thông thường loại tháp này có chiều cao lớn, dùng cho các tram thu phát tín hiệu có công suất lớn (2) Tháp neo, dùng cho các tram thu phát tín hiệu có công suất nhỏ, tháp có các dây neo bố trí dọc

Trong tính toán, kết cấu tháp thép đã được đưa vào giảng dạy từ rất sớm trong các trường đại học ở nước ta[2],[3] Trong các tài liệu này, kết cấu tháp (trụ) thép cũng như tính toán các cấu cơ bản của tháp (trụ) đã được giới thiệu Tuy nhiên, hiện nay do sự phát triển của máy tính, các phương pháp tính cũng như yêu cầu về công nghệ trong lĩnh vực thông tin truyền hình, kết cấu tháp cần được tính toán tối ưu hơn, thiết kế cao hơn, thi công nhanh chóng hơn, thẩm mỹ hơn và ngày càng cao hơn trong chiều cao thiết kế

Mặt khác, trong những năm gần đây, do tác động sự biến đổi khí hậu mà ảnh hưởng rõ rệt nhất của nó là sự không lường trước được sức ảnh hưởng và vùng ảnh hưởng của các cơn bão đổ bộ vào Miền Bắc nước ta Trong một vài năm gần đây, một số tháp truyền hình được xây mới đã bị sụp đổ dưới tác động của gió bão, ví dụ như: tháp truyền hình Nam Định cao 180 m bị đổ do bão năm 2010, tháp truyền hình xã Quảng Long, H Hải Hà, Quảng Ninh, cao

35 m đổ do bão năm 2014.Đặc biệt trong số một số công trình được thiết kế

và nhập cấu kiện từ nước ngoài

Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp tính cũng như đề xuất quy trình các bước thực hiện trong tính toán nội lực tháp thép truyền hình là thiết thực và cần thiết trong bài toán thiết kế tháp truyền hình hiện nay Trên cơ sở đó, đề tài “Tính toán tháp truyền hình bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH)” được lựa chọn làđề tài nghiên cứu của luận văn này

 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu:

+ Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn

+ Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực của tháp truyền hình

 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài được thực hiện để nghiên cứu cho kết cấu tháp thép dạng tự đứng

có cấu tạo không gian với tiết diện mặt cắt ngang thay đổi thay đổi theo chiều cao dùng cho ngành truyền hình

 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong đó xây dựng bài toán tính toán nội lực của tháp trên cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH Bài toán này là cơ sở để xây dựng chương trình tính bằng phần mềm lập trình

sử dụng ngôn ngữ Fortran kết hợp phần mềm GID - được sử dụng để thiết lập dao diện của chương trình

Kết quả tính toán bằng chương trình thiết lập trong luận văn được so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm đã phát triển thành công và ứng dụng phổ biến hiện nay

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay trong phát triển, tính toán và thiết kế kết cấu tháp thép dùng trong lĩnh vực truyền hình Đồng thời, kết quả của đề tài cũng được sử dụng cho mục đích công việc học tập giảng dạy của tác giả sau khi hoàn thành khóa học

 Cấu trúc luận văn của đề tài

Đề tài sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH để xây dựng bài toán tính nội lực của kết cấu tháp thép truyền hình Phần mềm Fortran được sử dụng để viết chương trình tính sử dụng cho luận văn Giao diện của chương trình (xử lý số liệu đầu vào và kết quả của bài toán) được

thiết lập dựa trên nền tảng của phần mềm GID Do vậy, cấu trúc của luận văn được tác giả chia thành các chương chính sau:

Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên cứu

của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Nội dung:

Chương 1: Kết cấu tháp truyền hình

Chương 2: Tính toán kết cấu tháp truyền hình bằng phương pháp phần

tử hữu hạn

Chương 3: Ví dụ tính toán

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện

– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

Email: digilib.hau@gmail.com

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1) Kết luận

Đề tài nghiên cứu tính toán nội lực tháp truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn Đề tài kết hợp lập trình giao diện GID và ngôn lập trình Fortran để phát triển một chương trình tính toán nội lực cho tháp truyền hình bằng thép Trong đó GID được sử dụng để viết giao diện của bài toán, Fortran phát triển chương trình tính Với nội dung đã trình bày luận văn đã được thực hiện với mục tiêu đạt được như sau:

1) Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2) Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực của tháp truyền hình

3) Kết quả tính toán của phần mềm thiết lập từ luận văn có kết quả chính xác với kết quả tính toán được từ các phần mềm thương mại khác

Với kết quả đạt được, chương trình tính toán của luận văn có thể được

áp dụng trong tính toán nội lực tháp thép phục vụ công tác học tập và nghiên cứu cũng như thiết kế của tác giả

2) Kiến nghị

Trong thực tế tháp truyền hình chịu tác động đáng kể của các tác nhân động như: gió động, Do vậy, chương trình cần được nghiên cứu phát triển thêm cho bài toán động (tải trọng động, dao động tự do)

Do kết cấu được chế tạo bằng thép, do vậy ảnh hưởng của nhiệt độ tới

sự làm việc của hệ kết cấu là rất lớn Do vậy, cần phải phát triển, kể thêm loại

tải trọng này vào chương trình tính toán mà luận văn đã phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Bộ môn kết cấu thép, khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà nội: "Bài giảng thép đặc biệt - Kết cấu thép trụ", 2014

2 Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết và lập trình, Tập 1, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000

3 Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết và lập trình, Tập 2, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000

4 Phạm Văn Hội, Nguyễn QuangViên, Phạm Văn Tư và Lưu Văn Tường, Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật,

2006

5 Trịnh Tự Lực, Bài giảng "Phương pháp số", Khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc

Hà Nội

6 Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong và Mai Đức Đài, Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu, Hồ Chí Minh: Nhà XB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003

7 TCVN 2737: 1995 "Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế"., Nhà xuất bản Xây dựng

8 Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 5575:2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội, 2012

9 TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất, Hà Nội: Nhà Xuất bản Xây dựng, 2012

10 Chu Quốc Thắng, Phương pháp phần tử hữu hạn, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 1997

11 Lều Thọ Trình, Cơ học kết cấu - Tập 2: Hệ siêu tĩnh, Hà Nội: Nhà XB Khoa học kỹ thuật, 2006

Tiếng Anh

12 F Hartmann and C Katz, Structural Analysis with Finite Element, Berlin: Springer, 2007

13 Mark S Gockenbach, Understanding and Implementing the Finite

Element Method, Philadelphia : Society for Industrial and Applied

Mathematics Philadelphia , 2006

Website

14."Bộ Thông tin và Truyền Thông," [Online] Available: http://mic.gov.vn 15."Bộ Xây dựng - Trang thông tin KHCN," 03 2016 [Online] Available:

http://www.xaydung.gov.vn/

16 Golddeed Development Ltd [Online] Available: http://www.goldeed.com