Lời cám ơn Lời đầu tiên tôi xin đợc gửi đến thầy PGS.TS. Phạm Quang DũngTrởng Bộ môn Máy Xây dựng, Khoa Cơ khí, Đại học Xây dựng và thầy PGS.TS. Trần Nhất Dũng Trung tâm Công trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã trực tiếp hớng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đợc luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và đồng nghiệp thuộc Bộ môn Máy xây dựng, Cơ Giới hoá xây dựng cùng các thầy giáo thuộc khoa Cơ khí Xây dựng Đại học Xây dựng đã giúp đỡ rất nhiều trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các nhà khoa học thuộc nhiều cơ quan và đơn vị nh:Trờng Đại học Xây dựng; Viện Cơ Giới hoá Nông nghiệp; Trờng Đại học Giao thông Vận tải; Học viện Kỹ thuật Quân sự; Bộ t lệnh Công binh; Viện Công nghệ Giao thông Vận tải, Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, Đại học Bách Khoa Hà Nội ... đã trực tiếp đọc và góp ý vào các nội dung của luận án. Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trờng Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí Xây dựng, Viện Khoa học và Công nghệ Cơ điện Xây dựng, phòng Thí nghiệm công trình đặc biệt thuộc Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ và đạt kết quả mong muốn. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình, vợ con, bố mẹ đã tạo mọi điều kiện và động viên tôi để hoàn thành luận án.iii Mục lục Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu dùng trong luận án vii Ký hiệu viết tắt dùng trong luận án x Danh mục các hình vẽ, ảnh trong luận án xi Danh mục các bảng dùng trong luận án xiii mở đầu.........................................................................................................................1 Chơng 1 tổng quan về vấn đề nghiên cứu................................7 1.1.Tổng quan về cần trục tháp xây dựng.....................................................7 1.2. Kết cấu thép cần trục tháp ...................................................................12 1.2.1. Phân tích đặc điểm kết cấu tháp và cần ................................................12 1.2.2. Phân nhóm thông số cơ bản kết cấu thép cần trục tháp.........................15 1.3.Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép cần trục tháp..................................20 1.4.Các sơ đồ tính và phơng pháp tính toán kết cấu thép cần trục tháp.21 1.4.1.Sơ đồ tính toán và tổ hợp tải trọng..........................................................22 1.4.2.Phơng pháp số trong tính toán kết cấu thép cần trục tháp và thiết bị nâng.......................................................................................................24 1.4.3. Các nghiên cứu về thiết kế tối u kết cấu thép cần trục tháp................25 1.5. Xác định mục tiêu và nội dung của luận án.........................................28 Kết luận chơng 1..........................................................................................29 Chơng 2 Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp........................................................32 2.1. Cơ sở tính toán xác định các thành phần tải trọng..............................32 2.2. Xây dựng các nhóm tải trọng và tổ hợp tải trọng................................37iv 2.2.1. Xây dựng các nhóm tải trọng ................................................................37 2.2.2. Các trờng hợp tải trọng tính toán thiết kế............................................38 2.2.3. Xây dựng các tổ hợp tải trọng khi không kể đến biến dạng lớn của kết cấu thép cần trục tháp......................................................................39 2.2.4. Xây dựng các tổ hợp tải trọng có kể đến biến dạng lớn của kết cấu thép cần trục tháp..................................................................................41 2.3. Tính toán kết cấu thép cần trục tháp theo phơng pháp phần tử hữu hạn................................................................................................44 2.3.1. Phần tử thanh không gian......................................................................44 2.3.2. Tính nội lực trong phần tử.....................................................................51 2.4. Cơ sở xác định các thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo lý thuyết tối u.....................................................................................53 2.4.1. Các dạng bài toán và phơng pháp cơ bản giải bài toán tối u kết cấu..................................................................................................53 2.4.2. Phân tích xác định các đặc điểm bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp..........................................................55 Kết luận chơng 2..........................................................................................57 Chơng 3 bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp.........................................59 3.1. Nghiên cứu thuật toán hoá quá trình tính toán kết cấu thép cần trục tháp...............................................................................................59 3.2. Xây dựng bài toán xác định các thông số hợp lý..................................62 3.2.1.Các thông số cho trớc và biến thiết kế..................................................62 3.2.2.Các điều kiện ràng buộc và hàm mục tiêu .............................................66 3.2.3.Xác định các thông số hợp lý theo nguyên lý R.Bellman.......................70 3.3. Bài toán xác định tiết diện hợp lý..........................................................71 3.3.1.Phơng pháp giải bài toán......................................................................71 3.3.2.Xác định điều kiện biên..........................................................................75v 3.4. Bài toán xác định các kích thớc hợp lý...............................................76 3.4.1. Phơng pháp giải bài toán.....................................................................76 3.4.2. Xác định điều kiện biên........................................................................81 3.5. Chơng trình CraneVN.........................................................................82 3.5.1.Giới thiệu chơng trình..........................................................................82 3.5.2.Tổ chức cơ sở dữ liệu chơng trình tính.................................................85 3.6. Bài toán xác định các vị trí tải trọng nguy hiểm trên cần...................86 Kết luận chơng 3.........................................................................................91 Chơng 4 nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm bằng số....................................................................................93 4.1. Nghiên cứu thực nghiệm........................................................................94 4.1.1. Đối tợng thực nghiệm và các thiết bị thực nghiệm..............................94 4.1.2. Các bớc tổ chức thực nghiệm........................... ...................................95 4.1.2.1. Lựa chọn thông số đo, vị trí và trạng thái cần trục.............................95 4.1.2.2. Công tác chuẩn bị...............................................................................96 4.1.2.3. Trình tự thực hiện...............................................................................98 4.1.3. Phơng pháp xử lý số liệu.....................................................................99 4.1.3.1.Xây dựng bài toán thực nghiệm lý thuyết............................................99 4.1.3.2.Xử lý kết quả đo thực nghiệm............................................................101 4.1.4.So sánh, đánh giá kết quả ....................................................................103 4.2. Thử nghiệm bằng số xác định thông số hợp lý ..................................105 4.2.1.Lựa chọn dữ liệu phát sinh ban đầu......................................................105 4.2.2.Xác định các tiết diện hợp lý................................................................108 4.2.3.Xác định kích thớc hình học hợp lý....................................................111 Kết luận chơng 4........................................................................................116 Kết luận và kiến nghị.......................................................................117 Danh mục các công trình đã công bố.....................................120 Tài liệu tham khảo.............................................................................121vi Các phụ lục................................................................................................... Phụ lục 1: Dữ liệu phát sinh ban đầu thiết kế kết cấu thép cần trục tháp. Phụ lục 2: Triển khai thuật toán tính toán kết cấu thép cần trục tháp. Phụ lục 3: Phần tử thanh không gian. Phụ lục 4: Số liệu tính toán vị trí tải trọng trên cần. Phụ lục 5: Nội lực tính theo giá trị tải trọng thực nghiệm. Phụ lục 6: Mã chơng trình CraneVN.vii Danh mục các ký hiệu dùng trong luận án Ký hiệu Diễn giải Đơn vị tính A0 Khối lợng bộ phận kết cấu có tham số cố định Tấn a Bội suất pa lăng cáp ath Kích thớc mặt cắt ngang tháp m a cg Chiều rộng đáy cần m B Ma trận quan hệ biến dạng, chuyển vị D Miền xác định {dm} Véc tơ chuyển vị tại nút trong hệ toạ độ cục bộ {d} Véc tơ chuyển vị tại nút trong hệ toạ độ tổng quát E Mô đun đàn hồi của vật liệu daNcm2 f Hàm mục tiêu {f}T Các thông số về nội lực tại nút Gn Trọng lợng cơ cấu nâng KN Gk Trọng lợng tời kéo xe con thay đổi tầm với KN Gcb Trọng lợng cabin KN Gđ Trọng lợng đối trọng KN Gl Trọng lợng lồng lắp dựng KN G xc Trọng lợng xe con KN g Hàm ràng buộc H Chiều cao nâng m h cg Chiều cao cần m hth Chiều dài đốt biên tháp m i, j, p, q Dãy số tự nhiên làm chỉ số k Số vị trí tải trọng trên cần khi thử tải km Ma trận độ cứng trong hệ toạ độ cục bộ k Ma trận độ cứng trong hệ toạ độ tổng quát K n.SLi Tải trọng động khi nâng KN l0 Chiều dài phần tử thứ i0 trong nhóm thanh mm l s Chiều dài phần tử thứ s trong các phần tử kết cấu mm l cg Chiều dài đốt biên cần m L c Chiều dài cần m L đ Chiều dài cần mang đối trọng m L bui, Dbui Kích thớc bao nhóm tiết diện thứ i mm M tt Mô men tải KNm M(X) Kỳ vọng toán m q Khối lợng bộ phận quay Tấn m 1 Số tổ hợp tải trọng không xét tới biến dạng lớn của kết cấu thép cần trục thápviii m 2 Số tổ hợp tải trọng xét tới biến dạng lớn của kết cấu thép cần trục tháp m Số vòng lặp giới hạn kích thớc bao tiết diện mTD Số vòng lặp giới hạn biến kích thớc hình học N ip kmax Lực kéo lớn nhất trong các nhóm thanh xét trong tổ hợp tải trọng không kể tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp KN N iq kmax Lực kéo lớn nhất trong các nhóm thanh xét trong tổ hợp tải trọng xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp. KN N iq Nmax Lực nén lớn nhất trong các nhóm thanh xét trong tổ hợp tải trọng xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp. KN N ip Nmax Lực nén lớn nhất trong các nhóm thanh xét trong tổ hợp tải trọng không kể tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp KN N ith Lực tới hạn theo điều kiện ổn định của nhóm thanh thứ i KN N ip kmax Lực kéo lớn nhất trong các nhóm thanh xét trong tổ hợp tải trọng không kể tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp KN n s Số lợng phần tử trong một nhóm tiết diện n t Số nhóm tiết diện thanh trong kết cấu thép n gđ Số giai đoạn tính n Số vị trí tải trọng của Qi trên cần tính toán trong trạng thái làm việc n đc Hệ số điều chỉnh áp lực gió trong trạng thái không làm việc n q Vận tốc quay vph {p}T Các tải trọng nút Qi Tải trọng nâng tại tầm với Ri Tấn {Qm} Véc tơ tải trọng nút của phần tử {Q} Véc tơ tải trọng nút của phần tử trong hệ toạ độ chung q áp lực gío cho phép Nm2 {P} Véc tơ tải kết cấu R i Tầm với tại vị trí thứ i trên cần m {r} Véc tơ chuyển vị nút của toàn kết cấu STDi Diện tích tiết diện nhóm thanh thứ i mm2 SV Nhóm tải trọng biến đổi SG Tải trọng do trọng lợng bản thân kết cấu KN SLi Tải trọng nâng định mức KN SH Các tải trọng tác động theo phơng ngang KN S wmax Tải trọng do gió trong trạng thái không làm việc KN S w Tải trọng do gió trong trạng thái làm việc KN SH TT Lực quán tính tiếp tuyến KNix S Hi LT Lực ly tâm khi quay KN S w SS Tải trọng gió khi thổi song song với cần trong trạng thái làm việc KN S w VG Tải trọng gió khi thổi vuông góc với cần trong trạng thái làm việc KN {Sm} Véc tơ nội lực phần tử T Ma trận chuyển V n Vận tốc nâng mph V tv Vận tốc thay đổi tầm với mph v i Sai số d Xc Biến kích thớc hình học mm ?X Véc tơ biến thiết kế Xd Biến tiết diện ngang mm ?Y Véc tơ thông số cho trớc Zi (Xi) Hàm mục tiêu giai đoạn tính thứ i Ji Mô men quán tính tiết diện nhóm thanh thứ i mm4 ?c Hệ số tổ hợp tải trọng đợc chọn theo chế độ làm việc của thiết bị nâng ? Hệ số an toàn trong các trờng hợp tải trọng di Chiều dày nhóm tiết diện thứ i mm ? Khối lợng riêng của vật liệu Tấnm3 d?d ? Chiều dầy tiết diện theo điều kiện ổn định mm d?b Chiều dầy tiết diện theo điều kiện bền mm à Hệ số chiều dài tính toán schi Giới hạn chảy của vật liệu nhóm tiết diện thứ i Nmm2 s ứng suất cho phép Nmm2 s ớc lợng độ lệch bình quân phơng ? Độ mảnh cho phép àe0 Giá trị ten xơ biến dạng đo ?Dbui,?Lbui Số gia biến tiết diện mm ?ath Số gia biến kích thớc mặt cắt ngang tháp mm ?h th Số gia biến chiều dài đốt biến tháp mm ?a cg Số gia biến chiều rộng đáy cần mm ?h cg Số gia biến chiều cao cần mm ? l cg Số gia biến chiều dài đốt biên cần mm ?Ri Tầm với tăng thêm do biến dạng lớn khi làm việc m , ? 2,1 Khoảng đáng tinx Ký hiệu viết tắt dùng trong luận án Chữ viết tắt Diễn giải Ghi chú CĐLV Chế độ làm việc theo phân nhóm thiết bị nâng DIN Tiêu chuẩn Cộng hoà liên bang Đức FEM Tiêu chuẩn hiệp hội thiết bị nâng Châu Âu GOST Tiêu chuẩn Cộng hoà liên bang Nga LD Lắp dựng ISO Tổ chức tiêu chuẩn thế giới KHCN Khoa học công nghệ KCT Kết cấu thép KQ Kết quả PTHH Phần tử hữu hạn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam NCKH Nghiên cứu khoa học TS Thông số JIS Tiêu chuẩn Nhật Bảnxi Danh mục các hình vẽ, ảnh trong luận án Trang Hình 1.1: Cần trục tháp do hãng Bechem and Keetman chế tạo năm 1898.......7 Hình 1.2: Các dạng kết cấu cần trục tháp xây dựng..........................................8 Hình 1.3: Sơ đồ biểu diễn các thông số cơ bản của cần trục tháp...................10 Hình 1.4: Mặt cắt ngang thân tháp..................................................................13 Hình 1.5: Các loại tháp theo cách lắp dựng.....................................................13 Hình 1.6: Các dạng cần của cần trục tháp.......................................................14 Hình 1.7: Cấu tạo mặt cắt ngang cần chịu uốn................................................14 Hình 1.8: Các thông số hình học, kiểu dạng kết cấu thép cần trục tháp loại đầu quay cần nằm ngang đứng cố định............................................16 Hinh 1.9: Sơ đồ tính kết cấu thép cần trục tháp khi quy đổi về các thanh tơng đơng......................................................................................22 Hình 2.1: Đờng đặc tính tải trọng..................................................................33 Hình 2.2: Sơ đồ trạng thái tính toán kết cấu thép cần trục tháp loại đầu quay đứng cố định.....................................................................................40 Hình 2.3: Biến dạng lớn của kết cấu thép cần trục tháp..................................42 Hình 2.4: Phần tử thanh 3 chiều......................................................................45 Hình 2.5:Tính các hệ số độ cứng của phần tử thanh không gian.....................46 Hình 3.1: Đặc tính kỹ thuật cần trục tháp........................................................59 Hình 3.2: Ví dụ tác động tải trọng do nhóm QRi trong thuật toán...................60 Hình 3.3: Phát sinh các tổ hợp tải trọng theo thuật toán.................................62 Hình 3.4: Các dạng mặt cắt tiết diện thanh trên kết cấu thép cần trục tháp....64 Hình 3.5: Kích thớc hình học kết cấu thép cần trục tháp...............................65 Hình 3.6: Thuật toán xác định tiết diện hợp lý trong giai đoạn thứ i..............73 Hình 3.7: Mô tả phơng pháp xác định các kích thớc hình học hợp lý.........76 Hình 3.8: Sơ đồ khối chung của thuật toán xác định kích thớc hình học hợp lý.......................................................................................................77xii Hình 3.9: Sơ đồ khối thủ tục xác định kích thớc hợp lý với biến acg.............78 Hình3.10:Sơ đồ tính toán kết cấu thép cần trục tháp trong chơng trình tính.82 Hình 3.11: Giao diện chơng trình CraneVN.................................................83 Hình 3.12:Sơ đồ khối tổng quát của chơng trình tính....................................84 Hình 3.13: Dạng đờng đặc tính tải trọng khảo sát.........................................87 Hình 3.14: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu tháp dới tác dụng tải trọng Qi......................................................................................... 87 Hình 3.15: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu cần dới tác dụng của tải trọng Qi..................................................................................... 88 Hình 3.16: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu đỉnh tháp dới tác dụng của tải trọng Qi......................................................................88 Hình 3.17: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu neo cần dới tác dụng của tải trọng Qi .....................................................................89 Hình 3.18: Các vị trí tải trọng trên cần cho đờng đặc tính tải trọng không liên tục............................................................................................90 Hình 4.1: Cần trục tháp VICOX CTM80 trên công trình INDOORGAME Mỹ Đình (1 2009)..........................................................................93 Hình 4.2: Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm........................................................94 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí ten xơ điện trở và điểm đo chuyển vị kết cấu thép cần trục tháp....................................................................................96 Hình 4.4: Sơ đồ nhận tín hiệu đo và cách đấu nối ten xơ................................97 Hình 4.5: Gia tải trong các lần đo...................................................................98 Hình 4.6: Xác nhận số liệu các lần đo.............................................................98 Hình 4.7: Các thông số hợp lý khi thanh bụng bố trí dạng 1.........................112 Hình 4.8: Các thông số hợp lý khi thanh bụng bố trí dạng 2 ........................113 Hình 4.9: Các thông số hợp lý khi thanh bụng bố trí dạng 3.........................113 Hình 4.10: Các thông số hợp lý khi thanh bụng bố trí dạng 4.......................114 Hình 4.11: Các thông số hợp lý khi thanh bụng bố trí dạng 5.......................114xiii Danh mục các bảng dùng trong luận án Trang Bảng1.1:Thông số kỹ thuật các cần trục tháp thông dụng cho xây dựng dân dụng trên thế giới.............................................................................10 Bảng1.2:Thông số kỹ thuật các cần trục tháp thông dụng cho xây dựng dân dụng ở Việt Nam..............................................................................11 Bảng1.3a: Đặc tính kỹ thuật một số cần trục tháp thờng gặp trong xây dựng dân dụng ở Việt Nam...............................................................11 Bảng1.3b: Đặc điểm cấu tạo một số cần trục tháp thờng gặp trong xây dựng dân dụng ở Việt Nam...............................................................11 Bảng 1.4: Phân nhóm thép cho chế tạo kết cấu thép cần trục tháp .................18 Bảng 1.5: Phân nhóm thông số kết cấu thép cần trục tháp..............................19 Bảng 2.1:Hệ số tải trọng động Kn theo vận tốc nâng vn...................................33 Bảng 2.2:áp lực gío thiết kế trong trạng thái không làm việc.........................36 Bảng 2.3:Thống kê các nhóm tải trọng cơ bản trong một sơ đồ tính...............37 Bảng 2.4: Hệ số ?c theo chế độ làm việc (CĐLV) cần trục tháp......................38 Bảng 3.1: Nhóm tải trọng trong thuật toán......................................................61 Bảng 3.2: Kết quả khảo sát các thông số hình học..........................................63 Bảng 3.3: Quan hệ các kích thớc hình học kết cấu thép cần trục tháp xây dựng loại đầu quay cần nằm ngang..................................................64 Bảng 3.4: Biến thiết kế là kích thớc tháp và cần............................................65 Bảng 3.5: Hệ số an toàn trong các trờng hợp tải trọng..................................67 Bảng 3.6: Các vị trí tải trọng cho các mục đích thiết kế..................................89 Bảng 4.1:Trạng thái của cần trục và tải trọng thực nghiệm.............................95 Bảng 4.2a:Kết quả tính ứng suất và chuyển vị bằng chơng trình CraneVN khi bỏ qua tác dụng tải trọng gió..................................................100 Bảng 4.2b:Kết quả tính ứng suất và chuyển vị bằng chơng trình CraneVN khi vận tốc gió 3ms .....................................................................101xiv Bảng 4.3: Kết quả đo ten xơ biến dạng và chuyển vị.....................................102 Bảng 4.4: Giá trị ứng suất từ thực nghiệm.....................................................103 Bảng 4.5: Sai số tơng đối (%) giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm khi vận tốc gió 3ms............................................................................103 Bảng 4.6: Giá trị phát sinh kết cấu tháp với các dạng tiết diện thanh khác nhau...............................................................................................105 Bảng 4.7: Khối lợng và ứng suất trong kết cấu thép cần trục tháp VICOX CTM80 tính toán khi đứng tự do...................................................106 Bảng 4.8: Khối lợng và ứng suất trong kết cấu thép cần trục tháp VICOX CTM80 tính toán khi neo vào kết cấu công trình..........................107 Bảng 4.9: Giá trị phát sinh kích thớc tháp và cần.......................................108 Bảng 4.10:So sánh tổng khối lợng KCT cần trục tháp trớc và sau khi tính................................................................................................108 Bảng 4.11: Kết quả tính toán tiết diện hợp lý trờng hợp cần trục tháp đứng tự do.....................................................................................109 Bảng 4.12: Kết quả tính toán tiết diện hợp lý trờng hợp cần trục tháp neo vào kết cấu công trình............................................................110 Bảng 4.13: Kết quả khảo sát cho các dạng tiết diện khác nhau của tháp.......111 Bảng 4.14: So sánh khối lợng và thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp trong các dạng bố trí thanh bụng tháp.................................1151 Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Cần trục tháp là một loại thiết bị xây dựng quan trọng trong vận chuyển lên cao, đặc biệt trong thi công các công trình có chiều cao lớn. Trên thế giới cần trục tháp đã đợc nghiên cứu và chế tạo bởi nhiều hãng sản xuất nổi tiếng ở các quốc gia khác nhau nh: Liebherr, Sumitomo, Manitowoc, Potain...., chúng đợc chế tạo với nhiều kiểu dạng và thông số kỹ thuật khác nhau theo các tiêu chuẩn tiên tiến nh FEM, ISO. Sản phẩm của các hãng này tơng đối hoàn thiện, tuy nhiên các nghiên cứu xác định các thông số hợp lý thờng không đợc công bố. ở Việt Nam cùng với sự phát triển các văn phòng và chung c cao tầng nên nhu cầu sử dụng cần trục tháp là rất lớn. Tuy nhiên việc nghiên cứu đi sâu cha nhiều. Các cần trục tháp chế tạo hiện nay đợc thiết kế theo mẫu hoặc sử dụng thiết kế của nớc ngoài và chủ yếu gia công chế tạo kết cấu thép. Hiện nay tiêu chuẩn TCVN 4244 2005 là duy nhất cho thiết kế, chế tạo, kiểm định thiết bị nâng ở Việt Nam. Tiêu chuẩn này về cơ bản phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến FEM, ISO. Tuy nhiên tiêu chuẩn TCVN42442005 chỉ có các ràng buộc về tính toán thiết kế chung cho thiết bị nâng, không đề ra phơng pháp triển khai bài toán cho cần trục tháp và phơng pháp xác định các thông số hợp lý. Vì lí do trên mà cần thiết phải nghiên cứu thiết kế hợp lý cần trục tháp mà trớc mắt là bộ phận phù hợp với khả năng gia công chế tạo là kết cấu thép trên cơ sở tiêu chuẩn thiết kế hiện nay ở Việt Nam. Nghiên cứu này nhằm chủ động trong tính toán thiết kế, giảm giá thành sản phẩm. Kết cấu thép cần trục tháp là một kết cấu dàn không gian phức tạp dạng tháp cần với hàng ngàn phần tử, có kích thớc và khối lợng rất lớn nhng độ cứng lại nhỏ. Chi phí cho chế tạo phần kết cấu thép chiếm một phần khá2 lớn trong giá thành sản phẩm. Kết cấu thép cần trục tháp trong trạng thái làm việc cũng nh không làm việc chịu tác dụng của rất nhiều loại tải trọng và có tổ hợp tải trọng phức tạp đòi hỏi phải tính toán rất nhiều lần mới có thể kết luận đợc khả năng làm việc của kết cấu. Vì vậy việc tính toán kết cấu thép cần trục tháp là rất phức tạp, tốn nhiều công sức và thời gian. Trong giai đoạn gần đây việc tính toán nội lực kết cấu bằng phơng pháp PTHH với sự trợ giúp của máy tính điện tử cho phép chúng ta giải đợc bài toán lớn, phức tạp một cách nhanh chóng và cũng nhờ máy tính điện tử mà ta có thể giải các bài toán theo những lý thuyết mà trớc kia khó thực hiện đợc. Do đó nghiên cứu phơng pháp xác định các thông số hợp lý bằng ứng dụng tin học với các phơng pháp phân tích kết cấu hiện đại là xu hớng phát triển tất yếu trong giai đoạn hiện nay. Trong lĩnh vực thiết kế kết cấu thép của các thiết bị nâng thì ở Việt Nam cha có nhiều nghiên cứu đã công bố về vấn đề thiết kế tối u, chỉ có một số đề tài, ví dụ nh nghiên cứu tối u kết cấu thép cần trục dạng cầu, một số nghiên cứu bớc đầu về tính toán kết cấu thép cần trục tháp (thực hiện bởi Bộ môn Máy Xây dựng Trờng Đại Học Xây dựng). Việc nghiên cứu nhằm có đợc kết cấu cần trục tháp hợp lý đã đợc nhiều nhà khoa học trên thế giới công bố, nhng nhìn chung theo hai hớng cơ bản là xác định tải trọng hợp lý tác dụng vào kết cấu và xác định các thông số hợp lý hệ kết cấu thép cần trục tháp. Do tính chất kết cấu, đặc điểm chịu tải trọng nên thiết kế tối u kết cấu thép cần trục tháp là một vấn đề phức tạp với khối lợng tính toán lớn, do đó các nghiên cứu về tối u đã công bố đợc biết chỉ đặt bài toán trong trờng hợp tách rời riêng rẽ, sử dụng sơ đồ thanh tơng đơng để tính toán hoặc xác định tiết diện ngang trong bài toán sơ bộ của một bộ phận kết cấu (nội lực kết3 cấu là thông số đầu vào hoặc tải trọng coi là cố định). Điều này dẫn đến kết quả nghiên cứu rất khó sử dụng trực tiếp đợc vào bài toán thiết kế kỹ thuật. Qua nghiên cứu những thành tựu đã đạt đợc trong lĩnh vực tính toán kết cấu thép cần trục tháp trên thế giới và đặc điểm Việt Nam, đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam” là cấp thiết hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng cơ sở tính toán và phơng pháp luận xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp trên cơ sở ứng dụng sáng tạo các thành tựu và phơng tiện tính toán hiện đại nhằm giải quyết những yêu cầu thiết thực của khoa học công nghệ và thực tiễn. Các nghiên cứu này góp phần nâng cao chất lợng thiết kế, hạ giá thành sản phẩm, chủ động thiết kế chế tạo kết cấu thép cần trục tháp và các thiết bị nâng khác ở Việt Nam hiện nay. 3. Đối tợng nghiên cứu Đối tợng nghiên cứu của luận án là kết cấu thép cần trục tháp loại đầu quay, là loại cần trục tháp thông dụng nhất hiện nay trong xây dựng nhà cao tầng. 4. Phơng pháp nghiên cứu Để đạt đợc các mục đích đặt ra, luận án sử dụng các phơng pháp nghiên cứu sau: Phơng pháp phân tích tổng hợp để xây dựng các mục tiêu, nhiệm vụ và mô hình tính toán của luận án. Phơng pháp thống kê từ các cần trục tháp đã chế tạo để xác định miền các thông số. Phơng pháp toán học để xây dựng bài toán xác định thông số hợp lý.4 Phơng pháp số trong tính toán kết cấu cũng nh giải bài toán xác định thông số hợp lý. Phơng pháp thực nghiệm để đánh giá và kiểm chứng kết quả tính. 5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án Bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp sử dụng phơng pháp PTHH và xét tổng thể toàn bộ cần trục theo mô hình không gian gần với kết cấu thực, đáp ứng yêu cầu tính toán với những tổ hợp tải trọng phức tạp, nên kết quả nhận đợc của bài toán là tin cậy và chính xác, phục vụ trực tiếp đợc cho thiết kế kỹ thuật. áp dụng một cách sáng tạo t tởng nguyên lý R.Bellman để giải bài toán có điều kiện tính toán phức tạp là xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp, phù hợp với điều kiện thực tế. Luận án xây dựng bài toán dới dạng tổng quát và thiết lập chơng trình tính toán chuyên dụng, không những có thể xác định trực tiếp các thông số hợp lý theo phơng pháp luận nghiên cứu, mà còn là cơ sở để khảo sát nhiều bài toán khác nhau, đáp ứng nhu cầu cấp thiết của thực tế sản xuất. Quá trình thực nghiệm với thiết bị đo hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý là cơ sở để xây dựng phơng pháp thực nghiệm trên các Máy xây dựng khác nhau. 6. Bố cục của Luận án: Luận án đợc bố cục theo các nội dung sau Mở dầu Chơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Trình bày các kiến giải chung về cần trục tháp, kết cấu thép cần trục tháp và giới thiệu các các công trình nghiên cứu đã đạt đợc trong lĩnh vực tính toán thiết kế và thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp. Thông qua việc5 phân tích các u, khuyết điểm, xu hớng nghiên cứu để nêu lên tính cấp thiết của đề tài, hình thành các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Chơng 2: Nghiên cứu các cơ sở tính toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp Trình bày phơng pháp tính toán kết cấu thép cần trục tháp theo đặc điểm riêng của kết cấu và đợc nghiên cứu dới dạng tổng quát hoá theo ràng buộc của TCVN42442005, cho phép triển khai các bài toán khác nhau cho kỹ s thiết kế. Trong chơng này cũng trình bày phơng pháp PTHH, các cơ sở và đặc điểm bài toán xác định các thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo lý thuyết tối u. Các nội dung trình bày của chơng 2 làm cơ sở nghiên cứu phục vụ bài toán xác định các thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp trong chơng 3. Chơng 3: Bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp Nội dung chơng nghiên cứu thuật toán hoá quá trình tính toán và bài toán xác định các thông số hợp lý theo mô hình một bài toán tối u, từ đó xây dựng chơng trình chuyên dụng cho thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp. Kết quả của chơng không những xây dựng đợc một phơng pháp luận nghiên cứu mà từ phơng pháp luận này còn tạo ra một công cụ chuyên dụng cho thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp. Chơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm bằng số Nội dung chơng sử dụng kết quả nghiên cứu của các chơng 2 và 3 tính toán so sánh với kết quả thực nghiệm và tiến hành thử nghiệm bằng số các bài toán thiết kế hợp lý. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng phơng pháp tính, thuật toán và công cụ tính toán, đối tợng thực nghiệm là cần trục tháp thực tế do Việt Nam thiết kế chế tạo hiện đã đa vào khai thác sử dụng và khẳng định độ tin cậy. Còn việc thử nghiệm bằng số chứng minh ý nghĩa khoa học và thực tiễn bài toán xác định các thông số hợp lý, cũng nh để đa6 ra các nhận xét và kết luận cho việc thiết kế kết cấu thép cần trục tháp trong tơng lai. Kết luận và kiến nghị: trình bày các kết luận chính, các đóng góp mới của luận án và hớng nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo và các phụ lục: kể các tài liệu tham khảo, nêu các công trình khoa học đã công bố liên quan, kết quả thử nghiệm bằng số, triển khai thuật toán tính toán kết cấu thép cần trục tháp, chơng trình chính của luận án. Đề tài luận án đợc thực hiện tại Bộ môn Máy Xây dựng, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trờng Đại học Xây dựng.7 H ình 1.1: Cần trục tháp do hãng Bechem and Keetman chế tạo năm 1898 79. Chơng 1 tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1. Tổng quan về cần trục tháp xây dựng Cần trục nói chung, cần trục tháp nói riêng là thiết bị phổ biến phục vụ vận chuyển, xếp dỡ hàng hoá, vật liệu, lắp ráp cấu kiện trong xây dựng cũng nh nhiều lĩnh vực khác của nền kinh tế quốc dân. Những cần trục tháp hiện đại đầu tiên xuất hiện từ sau năm 1850 đợc nhiều nhà sản xuất nh “Bechem and Keetman”, “Ludwig Stuckenholz” 79 chế tạo và theo thời gian cần trục tháp luôn đợc nghiên cứu hoàn thiện cả về việc ứng dụng phơng pháp tính toán thiết kế tiên tiến lẫn kết cấu. Sở dĩ cần trục tháp đợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng, đặc biệt là xây dựng công trình có độ cao lớn là do có nhiều u điểm so với cần trục khác: có khoảng không gian phục vụ rộng, dễ tháo lắp và vận chuyển từ công trờng này tới công trờng khác, có thể lắp đặt trực tiếp cạnh công trình hoặc trên công trình... ở Việt Nam hiện nay cùng với sự phát triển nhanh chóng các khu chung c cao tầng, các văn phòng cao ốc nên nhu cầu sử dụng cần trục tháp rất lớn.
Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học xây dùng - Dơng trờng giang Nghiên cứu xác định thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn việt nam Luận án tiến sỹ kỹ thuật Hà Nội - 2011 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học xây dựng - Dơng trờng giang Nghiên cứu xác định thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn việt nam Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thiết bị Xây dựng Mà số: 62.52.10.01 Ln ¸n tiÕn sü kü tht Ng−êi h−íng dÉn khoa học: PGS.TS Phạm Quang Dũng PGS.TS Trần Nhất Dũng Hà Nội - 2011 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoạn công trình nghiên cứu Các số liệu, kết luận án trung thực cha đợc công bố công trình khác Ngời cam đoan Dơng Trờng Giang ii Lời cám ơn Lời xin đợc gửi đến thầy PGS.TS Phạm Quang DũngTrởng Bộ môn Máy Xây dựng, Khoa Cơ khí, Đại học Xây dựng thầy PGS.TS Trần Nhất Dũng - Trung tâm Công trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân đà trực tiếp hớng dẫn, tạo điều kiện tốt để hoàn thành đợc luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo đồng nghiệp thuộc Bộ môn Máy xây dựng, Cơ Giới hoá xây dựng thầy giáo thuộc khoa Cơ khí Xây dựng - Đại học Xây dựng đà giúp đỡ nhiều suốt trình làm luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, nhà khoa học thuộc nhiều quan đơn vị nh:Trờng Đại học Xây dựng; Viện Cơ Giới hoá Nông nghiệp; Trờng Đại học Giao thông Vận tải; Học viện Kỹ thuật Quân sự; Bộ t lệnh Công binh; Viện Công nghệ Giao thông Vận tải, Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, Đại học Bách Khoa Hà Nội đà trực tiếp đọc góp ý vào nội dung luận án Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trờng Đại học Xây dựng, Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơ khí Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Cơ điện Xây dựng, phòng Thí nghiệm công trình đặc biệt thuộc Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng đà tạo điều kiện thuận lợi giúp hoàn thành nhiệm vụ đạt kết mong muốn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới thành viên gia đình, vợ con, bố mẹ đà tạo điều kiện động viên để hoàn thành luận án iii Mục lục Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiƯu dïng ln ¸n vii Ký hiƯu viÕt tắt dùng luận án x Danh mục hình vẽ, ảnh luận án xi Danh mục bảng dùng luận án xiii mở đầu .1 Chơng - tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.Tổng quan cần trục tháp xây dựng 1.2 Kết cấu thép cần trục tháp 12 1.2.1 Ph©n tÝch đặc điểm kết cấu tháp cần 12 1.2.2 Phân nhóm thông số kết cấu thép cần trục tháp .15 1.3.Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép cần trục tháp 20 1.4.Các sơ đồ tính phơng pháp tính toán kết cấu thép cần trục tháp.21 1.4.1.Sơ đồ tính toán tổ hợp tải trọng 22 1.4.2.Phơng pháp số tính toán kết cấu thép cần trục tháp thiết bị nâng .24 1.4.3 Các nghiên cứu vỊ thiÕt kÕ tèi −u kÕt cÊu thÐp cÇn trơc tháp 25 1.5 Xác định mục tiêu nội dung cđa ln ¸n .28 KÕt luËn ch−¬ng 29 Chơng - Nghiên cứu sở tính toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp 32 2.1 Cơ sở tính toán xác định thành phần tải trọng 32 2.2 Xây dựng nhóm tải trọng tổ hợp tải trọng 37 iv 2.2.1 Xây dựng nhóm tải träng 37 2.2.2 Các trờng hợp tải trọng tính toán thiết kế 38 2.2.3 Xây dựng tổ hợp tải trọng không kể đến biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp 39 2.2.4 X©y dùng tổ hợp tải trọng có kể đến biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp 41 2.3 Tính toán kết cấu thép cần trục tháp theo phơng pháp phần tử hữu hạn 44 2.3.1 PhÇn tư kh«ng gian 44 2.3.2 TÝnh néi lùc phÇn tư 51 2.4 C¬ sở xác định thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo lý thuyết tối u 53 2.4.1 Các dạng toán phơng pháp giải toán tối u kết cấu 53 2.4.2 Phân tích xác định đặc điểm toán xác định thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp 55 KÕt luËn ch−¬ng 57 Ch−¬ng - toán xác định thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp .59 3.1 Nghiên cứu thuật toán hoá trình tính toán kết cấu thép cần trục tháp .59 3.2 Xây dựng toán xác định thông số hợp lý 62 3.2.1.Các thông số cho tr−íc vµ biÕn thiÕt kÕ 62 3.2.2.Các điều kiện ràng buộc hàm mục tiêu .66 3.2.3.Xác định thông số hợp lý theo nguyên lý R.Bellman .70 3.3 Bài toán xác định tiết diện hợp lý 71 3.3.1.Ph−¬ng pháp giải toán 71 3.3.2.Xác định điều kiện biên 75 v 3.4 Bài toán xác định kích thớc hợp lý .76 3.4.1 Phơng pháp giải to¸n 76 3.4.2 Xác định điều kiện biên 81 3.5 Chơng trình CraneVN .82 3.5.1.Giíi thiƯu chơng trình 82 3.5.2.Tổ chức sở liệu chơng trình tính .85 3.6 Bài toán xác định vị trí tải trọng nguy hiểm cần 86 Kết luận chơng .91 Ch−¬ng - nghiên cứu thực nghiệm thử nghiệm sè 93 4.1 Nghiªn cøu thùc nghiƯm 94 4.1.1 Đối tợng thực nghiệm thiết bị thực nghiệm 94 4.1.2 C¸c b−íc tỉ chøc thùc nghiƯm 95 4.1.2.1 Lùa chän thông số đo, vị trí trạng thái cần trục 95 4.1.2.2 Công tác chuẩn bị .96 4.1.2.3 Tr×nh tù thùc hiƯn .98 4.1.3 Phơng pháp xử lý số liÖu 99 4.1.3.1.Xây dựng toán thực nghiệm lý thuyết 99 4.1.3.2.Xử lý kết đo thực nghiÖm 101 4.1.4.So sánh, đánh giá kết 103 4.2 Thư nghiƯm b»ng sè x¸c định thông số hợp lý 105 4.2.1.Lựa chọn liệu phát sinh ban đầu 105 4.2.2.Xác định tiết diện hỵp lý 108 4.2.3.Xác định kích thớc hình học hợp lý 111 KÕt luËn ch−¬ng 116 Kết luận kiến nghị .117 Danh mục công trình đà công bố 120 Tài liệu tham kh¶o 121 vi C¸c phơ lơc Phô lôc 1: Dữ liệu phát sinh ban đầu thiết kế kết cấu thép cần trục tháp Phụ lục 2: Triển khai thuật toán tính toán kết cấu thép cần trục tháp Phụ lục 3: Phần tử không gian Phụ lục 4: Số liệu tính toán vị trí tải trọng cần Phụ lục 5: Nội lực tính theo giá trị tải trọng thực nghiệm Phụ lục 6: Mà chơng trình CraneVN vii Danh mơc c¸c ký hiƯu dïng ln ¸n Ký hiƯu A0 a ath acg [B] D {dm} {d} E f {f}T Gn Gk Gcb G® Gl Gxc g H hcg hth i, j, p, q k [km] [k] Kn.SLi l0 ls lcg Lc L® Lbui, Dbui Mtt M(X) mq m1 Diễn giải Khối lợng phận kết cấu có tham số cố định Bội suất pa lăng cáp Kích thớc mặt cắt ngang tháp Chiều rộng đáy cần Ma trận quan hệ biến dạng, chuyển vị Miền xác định Véc tơ chuyển vị nút hệ toạ độ cục Véc tơ chuyển vị nút hệ toạ độ tổng quát Mô đun đàn hồi vật liệu Hàm mục tiêu Các thông số nội lực nút Trọng lợng cấu nâng Trọng lợng tời kéo xe thay đổi tầm với Trọng lợng cabin Trọng lợng đối trọng Trọng lợng lồng lắp dựng Trọng lợng xe Hàm ràng buộc Chiều cao nâng Chiều cao cần Chiều dài đốt biên tháp DÃy số tự nhiên làm số Số vị trí tải trọng cần thử tải Ma trận độ cứng hệ toạ độ cục Ma trận độ cứng hệ toạ độ tổng quát Tải trọng động nâng Chiều dài phần tử thứ i0 nhóm Chiều dài phần tử thứ s phần tử kết cấu Chiều dài đốt biên cần Chiều dài cần Chiều dài cần mang đối trọng Kích thớc bao nhóm tiết diện thứ i Mô men tải Kỳ vọng toán Khối lợng phận quay Số tổ hợp tải trọng không xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Đơn vị tính Tấn m m daN/cm2 KN KN KN KN KN KN m m m KN mm mm m m m mm KNm TÊn viii m2 [m] [mTD] Nipkmax Niqkmax NiqNmax NipNmax Nith Nipkmax ns nt ng® n n®c nq {p}T Qi {Qm} {Q} q {P} Ri {r} STDi SV SG SLi SH Swmax Sw SHTT Số tổ hợp tải trọng xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Số vòng lặp giới hạn kích thớc bao tiết diện Số vòng lặp giới hạn biến kích thớc hình học Lực kéo lớn nhóm xét tổ hợp tải trọng không kể tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Lực kéo lớn nhóm xét tổ hợp tải trọng xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Lực nÐn lín nhÊt c¸c nhãm xÐt tỉ hợp tải trọng xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Lực nén lớn nhóm xét tổ hợp tải trọng không kể tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Lực tới hạn theo điều kiện ổn định nhóm thø i Lùc kÐo lín nhÊt c¸c nhãm xét tổ hợp tải trọng không kể tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp Số lợng phần tử nhóm tiết diện Số nhóm tiết diện kết cấu thép Số giai đoạn tính Số vị trí tải trọng Qi cần tính toán trạng thái làm việc Hệ số điều chỉnh áp lực gió trạng thái không làm việc Vận tốc quay Các tải trọng nút Tải trọng nâng tầm với Ri Véc tơ tải trọng nút phần tử Véc tơ tải trọng nút phần tử hệ toạ độ chung áp lực gío cho phép Véc tơ tải kết cấu Tầm với vị trí thứ i cần Véc tơ chuyển vị nút toµn kÕt cÊu DiƯn tÝch tiÕt diƯn nhãm thø i Nhóm tải trọng biến đổi Tải trọng trọng lợng thân kết cấu Tải trọng nâng định mức Các tải trọng tác động theo phơng ngang Tải trọng gió trạng thái không làm việc Tải trọng gió trạng thái làm việc Lực quán tính tiÕp tuyÕn KN KN KN KN KN KN v/ph TÊn N/m2 m mm2 KN KN KN KN KN KN