Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép công tŕnh thủy lợi thủy điện

LỜI CAM ĐOAN Học viên Hoàng Văn Đoan Học viên: Lớp 25C11 Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học thực hướng dẫn PGS.TS Vũ Hoàng Hưng Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn tài liệu hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Hoàng Văn Đoan i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội, dạy bảo, giúp đỡ tận tình thầy cô giáo Trường Đại học Thủy lợi, giúp đỡ tận tình bạn bè lớp với nỗ lực phấn đấu thân tác giả hoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, chun ngành Kỹ thuật xây dựng Cơng trình thủy với đề tài: “Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép cơng trình thủy lợi thủy điện” Để có thành này, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Hồng Hưng tận tình hướng dẫn, bảo cung cấp thông tin khoa học cần thiết thời gian tác giả thực luận văn Bên cạnh đó, tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến giúp đỡ nhiệt tình thầy cô giáo môn Trường Đại học Thủy lợi giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả suốt trình thực luận văn Do lực thân nhiều hạn chế, chắn luận văn không tránh thiếu xót Tác giả kính mong nhận đóng góp ý kiến, bảo thầy giáo, bạn đọc để luận văn hoàn thiện Hà Nội, tháng năm 2019 ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến đạt được: CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU 1.1 Tổng quan cửa van 1.1.1 Cửa van phẳng 1.1.2 Cửa van cung 1.1.3 Cửa van quạt 1.1.4 Cửa sập (cửa van clape) 1.1.5 Cửa van tự lật 1.1.6 Cửa van tự động vùng triều 1.1.7 Cửa van chữ nhân 1.1.8 Cửa van cổng (Visor gate) 1.1.9 Cửa van viên phân 10 1.1.10 Cửa van phao 11 1.1.11 Cửa van phao chữ nhân 12 1.1.12 Cửa van kéo thẳng (cửa van lift gate) 14 1.1.13 Cửa van kiểu ống lăn 16 1.1.14 Cửa van nồi 17 1.1.15 Cửa van trụ xoay hai chiều 18 1.2 Phương pháp thiết kế truyền thống tồn 19 1.2.1 Phương pháp ứng suất cho phép 19 1.2.2 Phương pháp tính theo hệ số an tồn 20 1.2.3 Phương pháp trạng thái giới hạn 21 iii 1.3 Phương pháp phân tích độ tin cậy đánh giá an tồn kết cấu 23 1.3.1 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ I 23 1.3.2 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ II 23 1.3.3 Thiết kế ngẫu nhiên cấp độ III 24 1.4 Những kết nghiên cứu ngồi nước phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van 24 1.4.1 Các nghiên cứu giới 24 1.4.2 Các nghiên cứu Việt Nam 29 Kết luận Chương 34 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU 35 2.1 Biến ngẫu nhiên hàm số phân bố 35 2.1.1 Phân bố xác suất đại lượng ngẫu nhiên rời rạc 35 2.1.2 Các đại lượng ngẫu nhiên liên tục 35 2.1.3 Các số đặc trưng quan trọng 36 2.2 Phân bố xác xuất thường dùng phân tích độ tin cậy kết cấu 36 2.2.1 Phân phối đoạn [a,b] 36 2.2.2 Phân phối chuẩn 37 2.2.3 Một số phân phối khác 37 2.3 Một vài khái niệm phân tích độ tin cậy kết cấu 37 2.3.1 Khái niệm rủi ro 37 2.3.2 Khái niệm độ tin cậy 38 2.3.3 Khái niệm chế cố 38 2.4 Phương pháp tính tốn độ tin cậy kết cấu 40 2.4.1 Cơ sở toán học phương pháp ngẫu nhiên 40 2.4.2 Phân tích độ tin cậy chế cố theo Cấp độ II phương pháp FORM 43 2.4.3 Phân tích độ tin cậy chế cố theo tốn Cấp độ III- Mơ ngẫu nhiên Monte-Carlo 47 2.5 Phân tích độ tin cậy hệ thống 50 2.5.1 Khái niệm Hệ thống 50 2.5.2 Các hệ thống liên kết 50 iv 2.5.3 Phân tích hệ thống 52 2.6 Xây dựng tốn phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép 55 2.6.1 Phân tích độ tin cậy kết cấu cửa van thép 55 2.6.2 Các bước phân tích độ tin cậy cho cửa van thép 55 2.6.3 Phân tích thống kê số liệu 57 2.6.4 Mô tả kết cấu cửa van thiết lập sơ đồ cố 58 2.6.5 Phân tích chế cố xảy 59 2.6.6 Thiết lập hàm độ tin cậy chế cố cho cửa van thép 60 Kết luận chương 65 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CHO CỬA VAN THÉP HÌNH CUNG TRÀN XẢ LŨ 66 3.1 Khái quát cửa van cung 66 3.1.1 Định nghĩa phân loại 66 3.1.2 Hình thức cửa van thường dùng 67 3.1.3 Phạm vi sử dụng 68 3.2 Xác định độ tin cậy đánh giá an tồn kết cấu cửa van hình cung thủy điện Huổi Vang 70 3.2.1 Mô tả cửa van thủy điện Huổi Vang 70 3.2.2 Cơ chế cố biến dạng 72 3.2.3 Cơ chế cố cường độ 74 3.2.4 Cơ chế cố ổn định 78 3.2.5 Tổng hợp xác suất cố cửa van thép 81 3.3 Tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 85 3.3.1 Các thông số 85 3.3.2 Chỉ tiêu lý vật liệu 85 3.3.3 Trường hợp tính tốn 86 3.3.4 Xây dựng mô hình 86 3.3.5 Kết tính tốn 87 3.3.6 Xác định độ tin cậy cửa van cung thủy điện Huối Vang theo phương pháp phần tử hữu hạn 90 3.3.7 Tổng hợp xác suất cố cửa van thép tính theo phương pháp phần tử hữu hạn 98 v 3.4 So sánh kết tính tốn hai phương pháp 100 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 PHỤ LỤC TÍNH TỐN 108 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình - 1: Cửa van phẳng Hình - 2: Cửa van cung Hình - 3: Cửa van cung nhịp lớn Hình - 4: Cửa van quạt Hình - 5: Cửa van Đập Đáy Hình - 6: Cửa van tràn hồ Cấm Sơn Hình - 7: Cửa van clape Hình - 8: Vị trí cửa van đáy Hình - 9: Sơ họa hình thức kết cấu cửa van tự lật ứng dụng thực tế Hình - 10: Cửa van phẳng tự động trục đứng Hình - 11: Cửa van chữ nhân Hình - 12: Cửa van chữ nhân hình cung Hình - 13: Cửa van chữ nhân hình cung cơng trình chống lũ Chung Lâu (T.Quốc) Hình - 14: Cửa van cổng Hình - 15: Kết cấu van cổng 10 Hình - 16: Cửa van cổng sông Tam Xoa 10 Hình - 17: Cửa van cổng sông Kizu-gawa 10 Hình - 18: Cửa van trạng thái mở đóng 11 Hình - 19: Cửa van ngăn sông Thames Anh 11 Hình - 20: Cửa van ngăn sông Ems Đức 11 Hình - 21: Cửa van thùng 12 Hình - 22: Cửa van cơng trình phịng lũ Tân Sạp 12 Hình - 23: Bố trí tổng thể cơng trình 13 Hình - 24: Mặt cắt ngang kết cấu cửa van 13 Hình - 25: Kết cấu giàn có cánh hạ cong hai chiều 14 Hình - 26: Cửa van cơng trình sơng Ems – Đức 15 Hình - 27: Cửa van cống Bào Chấu - Cà Mau 15 Hình - 28: Kết cấu giàn có cánh cong chiều 15 Hình - 29: Cửa van cơng trình Hartel 15 Hình - 30: Cửa van cơng trình Táo Nga 15 Hình - 31: Kết cấu giàn có cánh cong chiều 16 Hình - 32: Cửa van kiểu ống lăn 16 Hình - 33: Cửa van kiểu ống lăn giới 16 Hình - 34: Cửa van kiểu ống lăn số 25 thượng nguồn sơng Mississippi 17 vi Hình - 35: Cửa van nồi 17 Hình - 36: Một loại cửa van nồi Thái Bình 17 Hình - 37: Mơ hình cơng trình sau hồn thành (www.hefei.gov.cn) 18 Hình - 38: Cấu tạo cửa van trụ xoay hai chiều 19 Hình - 1: Phân bố xác suất hàm Z [7] 38 Hình - 2: Định nghĩa biên cố [7] 39 Hình - 3: Quan hệ giữ hàm tải trọng S hàm sức chịu tải R [7] 40 Hình - 4: Miền tính tốn tích phân hàm f R,S(R.S) [7] 41 Hình - 5: Đường đẳng mật độ xác suất hàm kết hợp fR(X1)fS(X2) Vùng bôi đen thể vùng cố X1