PHÂN TÍCH PHI TUYẾN TRỤ THÉP TRUYỀN tải điện sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH dầm cột (tt)

KỸ THUẬT – CƠNG NGHỆ 14 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN TRỤ THÉP TRUYỀN TẢI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DẦM-CỘT ĐẶNG THỊ PHƯƠNG UN Cơng ty Tư Vấn Điện Miền Nam - uyendang119@gmail.com LÊ THANH CƯỜNG Trường Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh, lthanhcuong@yahoo.com NGƠ HỮU CƯỜNG Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh - nhcuong@hcmut.edu.vn (Ngày nhận: 9/9/2016; Ngày nhận lại: 11/11/16; Ngày duyệt đăng: 14/11/2016) TÓM TẮT Để phản ánh làm việc thực tế tháp trụ truyền tải điện, yêu cầu mô hình phân tích xem xét q trình sử dụng thiết kế phải xác định đánh giá rõ ràng Việc sử dụng phân tích phi tuyến phi đàn hồi trực tiếp giải nhược điểm phương pháp thiết kế dựa vào phân tích đàn hồi tuyến tính Thuận lợi lớn phương pháp thiết kế dựa vào phân tích trực tiếp tác động phi tuyến hình học vật liệu là: (i) khơng cần dùng hệ số chiều dài tính tốn tác động phi tuyến hình học tích hợp trực tiếp; (ii) kể đến tương tác chảy dẻo ổn định theo tăng tải; (iii) cung cấp kết nội lực tồn kết cấu có kể đến phân phối lại nội lực trạng thái chịu lực thật hệ; (iv) dự đoán độ cứng hệ xác hơn; (v) hình dung ứng xử phi tuyến hệ, trình tự dạng phá hoại cấu kiện hệ kết cấu, khả chịu lực cực hạn hệ; (vi) áp dụng cách hợp lý phù hợp với tất loại kết cấu khung bao gồm khung khơng giằng, khung có giằng khung kết hợp Trong báo đưa vấn đề sau: sử dụng phương pháp dầm-cột dùng hàm ổn định có khớp dẻo hai đầu để mơ ứng xử phi tuyến cấu kiện trụ thép truyền tải điện, sau tìm hiểu thuật tốn giải phi tuyến để áp dụng phân tích hệ kết cấu chịu tĩnh tải Và xây dựng chương trình ứng dụng ngơn ngữ lập trình Fortran để phân tích phi tuyến hệ khung cứng, khung giằng, dàn trụ tháp thép truyền tải điện Sau kiểm chứng độ tin cậy chương trình phát triển kết nghiên cứu khác kết phân tích SAP2000 Áp dụng chương trình phát triển để thiết kế trực tiếp trụ tháp điện Từ khóa: Dầm-cột; Hàm ổn định; Phi tuyến; Trụ thép Non-linear analysis on steel transmission tower using beam-column method ABSTRACT For reflecting the actual working of the tower transmission, requirements about analysis model and review during processes used in the design must be determined and clearly assessed The non-elastic analysis will directly overcome the disadvantages of methods that were based on linear elastic analysis above-mentioned Main advantage of this method which based on direct analysis of nonlinear geometric effects and nonlinear materials is: (i) without using coefficient of computed length because nonlinear geometric effects are integrated directly; (ii) the interaction due to plastic flow and gradual instability as per increasing load is taken into account; (iii) to provide results of internal forces of the entire structure with consideration over the internal force redistribution as true status of the system; (iv) to predict the stiffness of the structures transmission tower with a more accuracy; (v) to figure out the nonlinear behavior of the system, order and modes of failure of structures and structural systems, as well as ultimate bearing capacity of the system; (vi) to apply suitably and reasonably all kind of frame structures including unbracing frame, bracing frame and mixed frames In this paper, following problems have been solved: Beam-column method using stability function with plastic hinged in both ends in order to describe the nonlinear behavior of structural steel transmission tower, then a nonlinear algorithm for analyzing the system subjected to static load was created A practicable Fortran program for analyzing nonlinear system rigid frame, bracing frames, steel frames and power supply towers was established After then, the reliability of the developed program has been evaluated and compared to that of SAP2000 results Finally, developed programs was used to design electricity transmission towers Keywords: Beam- Column; Stability function; Non-linear; Transmission steel tower TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 Đặt vấn đề Trong thực tiễn hầu hết tháp trụ thép truyền tải điện thiết kế dựa vào phân tích đàn hồi tác động phi tuyến hình học kể đến hệ số uốn dọc gần kiểm tra khả chịu lực cấu kiện Các công thức thiết kế có kể đến tác động phi tuyến hình học vật liệu kiểm tra độ bền cấu kiện riêng lẻ thể dạng đơn giản không tường minh Người thiết kế phải đảm bảo khả chịu lực riêng lẻ hệ đáp ứng yêu cầu cường độ theo quy định cơng thức tiêu chuẩn từ khả chịu lực toàn hệ kết cấu phụ thuộc vào khả chịu lực yếu Việc làm kể đến tương tác chịu lực cấu kiện phân bố lại nội lực hệ có suy giảm cường độ độ cứng tác động kết hợp chảy dẻo tác động lực dọc Phương pháp thiết kế dựa vào phân tích đàn hồi có ưu điểm bật cho phép dùng nguyên lý cộng tác dụng nội lực, cách đơn giản cho kỹ sư áp dụng thiên an toàn Tuy nhiên, ứng xử chảy dẻo, ổn định dần dần, dạng phá hoại, độ cứng cường độ cực hạn hệ kết cấu chưa cung cấp rõ ràng xác phương pháp Việc làm kể đến tương 15 tác chịu lực cấu kiện phân bố lại nội lực hệ, có suy giảm cường độ độ cứng dần dần, tác động kết hợp chảy dẻo tác động lực dọc Phương pháp thiết kế dựa vào phân tích đàn hồi cho phép dùng nguyên lý cộng tác dụng nội lực, cách đơn giản cho kỹ sư áp dụng thiên an toàn Tuy nhiên, ứng xử cường độ cực hạn hệ kết cấu chưa cung cấp rõ ràng phương pháp Trong báo tác giả áp dụng phương pháp phân tích nâng cao để nghiên cứu ứng xử cấu kiện riêng lẻ toàn hệ kết cấu, làm việc tương tự điều kiện thực để khắc phục nhược điểm phương pháp thiết kế dựa vào phân tích đàn hồi.Tác giả sử dụng hàm ổn định cho phần tử dầm-cột diễn tả phi tuyến hình học sử dụng phương pháp khớp dẻo để kể đến tác động phi tuyến vật liệu Cơ sở lý thuyết 2.1 Phần tử dầm-cột tác động phi tuyến hình học 2.1.1 Theo lời giải giải tích Xét phần tử dầm-cột chịu tác dụng lực hình sau Cắt so với đầu A đoạn x vng góc với mặt cắt ngang phần tử, xét cân mô men nội ngoại lực bên theo mặt phẳng sau: H nh Phần tử dầm-cột vị trí x mặt phẳng Hàm ổn định cho phần tử dầm-cột đề xuất Chen-Lui sau: A   I 0  e  P       EI  M A   sii sij  A  M  L     B  sij sii   B    (1) Trong đó, sii , s ij , s ji : hàm ổn định; E, I, A, L: mô đun đàn hồi, mô men quán tính, diện tích, chiều dài; P: lực dọc trục; M A , M B : mô men gia tăng hai đầu phần tử; e, A , B : chuyển vị dọc trục, góc xoay gia tăng hai đầu phần tử dầm-cột KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ 16 2.1.2 Hàm ổn định Phương trình hàm ổn định mơ tả tác động phi tuyến hình học lực dọc trục mô men hai đầu phần tử dầm-cột gây có dạng:    sin(  )   cos(  ) n n n n ifP 0    cos(   )    sin(   n n n)  s1n      n cosh(  n )   n sinh(  n ) ifP 0    2 cosh(  n )   n sinh( n ) (2)    n   n sin(  n )  ifP 0   2 cos(  n )   n sin(  n ) s2 n      n sinh(  n )   n ifP 0    2 cosh(  n )   n sinh( n ) (3) Với n  P  EI n L2 (4) 2.2 Phần tử dầm-cột tác dụng phi tuyến vật liệu 2.2.1 Phi tuyến vật liệu tác động ứng suất dư Khái niệm mô đun tiếp tuyến Hội đồng Nghiên cứu Cột CRC (Column Research Council) đề xuất để mô chảy dẻo dọc theo chiều dài phần tử tác dụng lực dọc trục diện ứng suất dư tiết diện trình chế tạo Để diễn tả suy giảm độ cứng, giá trị mô đun đàn hồi E thay mô đun tiếp tuyến Et theo trình lực gia tăng Et xác định dựa vào mô đun đàn hồi vật liệu E theo phương trình sau: Et = 1,0E P ≤ 0,5Py (5) P P E (1 ) P 0,5 Py Py Py (6) Et 4 kháng cắt tiếp tuyến Gt phần tử phương trình: Gt = 1,0G P ≤ 0,5Py (7) Gt 4 P P G (1 ) P 0,5 Py Py Py (8) 2.2.2 Phi tuyến vật liệu hình thành khớp dẻo Phương trình cân lực có hình thành khớp dẻo viết lại dạng sau:  Et A 0 0  P   L  M   kiiy kijy 0  yA    M   kijy kiiy 0 yB     0 kiiz kijz  M zA   M   0 kijz k jjz  zB    T   0 0     e     yA     yB      zA     zB   GJ      L  (9) Và tương tự cho thay đổi mô đun kiiy   Et I y s2 Et I y   A B s2  A  s1 (1 B )  ; kijy    L L s1   ; k jjy    s2 Et I y  B  s1 (1 A )    L s1       s2 s2 EI E I E I kiiz  t z  A  s1 (1 B )  ; kijz  t z  A B s2 ; k jjz  t z  B  s1 (1 A )      L L s1 L s1     ηA, ηB thông số vô hướng cho phép mơ q trình giảm độ cứng phi đàn hồi liên quan đến chảy dẻo mặt cắt ngang hai đầu A B η = 1: mặt cắt ngang đầu mút xét đàn hồi, η = 0: mặt cắt ngang đầu mút xét chảy dẻo hoàn toàn, TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM – SỐ 51 (6) 2016 0< η