- MNTL= MNDBT MNHLmin
CHƯƠNG 7 CHUYấN ĐỀ KỸ THUẬT – PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT THÂN ĐẬP
ỨNG SUẤT THÂN ĐẬP
Đ7.1 MỤC ĐÍCH CỦA VIỆC PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP Bấ TễNG 7.1.1. Tỡnh hỡnh xõy dựng đập bờ tụng trọng lực ở nước ta hiện nay
Trờn thế giới, đập bờ tụng trọng lực ra đời rất sớm và được dựng khỏ phổ biến vỡ loại đập này cú ưu điểm là kết cấu đơn giản, độ ổn định cao cú thể dựng để tràn nước. Cho đến nay trỡnh độ tớnh toỏn thiết kế đập cũng như thi cụng đó phỏt triển đến trỡnh độ cao và tớch lỹ nhiều kinh nghiệm phong phỳ. Cụng trỡnh đập trọng lực cao đó được xõy dựng ở nhiều nước như đập Đahuụxơ (Thuỵ Sỹ) cao 254m, đập Paođơ (Mỹ) cao 225m, đập Pakhơla (Ấn Độ) cao 207m…Ở nước ta núi chung và nước bạn Lào núi riờng, cựng với sự phỏt triển của đất nước, ngành xõy dựng cũng phỏt triển một cỏch nhanh chúng. Nhiều cụng trỡnh lớn được xõy dựng trờn đất nước nhằm đỏp ứng cuộc sống của con người.
Cỏc đập được xõy dựng ở nước ta chủ yếu la đập đất. Trong một số năm gần đõy xu thế xõy dựng đập bờ tụng đó và đang phỏt triển. Đập Tõn Giang thuộc tỉnh Ninh Thuận cao 39,5m cú thể được xem là đập bờ tụng trọng lực đầu tiờn do ngành Thuỷ lợi nước ta tự thiết kế va thi cụng hoàn thành vào năm 2001. Với sự phỏt triển của khoa học kỹ thuật, lý luận tớnh toỏn đập ngày càng phỏt triển và hoàn thiện, kớch thước và hỡnh dạng ngày càng hợp lý.
7.1.2. Mụch đớch của việc phõn tớch ứng suất đập bờ tụng
Tớnh toỏn ứng suất trong thõn đập bờ tụng nhằm xỏc định trị số, phương chiều và tỡnh hỡnh phõn bố cỏc ứng suất dưới tỏc dụng của ngoại lực và ảnh hưởng của cỏc nhõn tố khỏc như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phõn giai đoạn thi cụng trong thõn đập…để kiểm tra điều kiện bền trong cỏc trường hợp làm việc khỏc nhau của đập. Cụ thể:
*Tớnh toỏn cỏc ứng suất chớnh lớn nhất và nhỏ nhất ở biờn đập để kiểm tra cỏc điều kiện bền trờn biờn (thường ứng dụng trong thiết kế sơ bộ).
*Xỏc định trạng thỏi ứng suất trong thõn đập:
+ Xỏc định giỏ trị ứng suất tại cỏc điểm khỏc nhau trong thõn đập.
+ Vẽ đường đẳng ứng suất chớnh để tiến hành phõn vựng sử dụng vật liệu cho thớch hợp.
+ Vẽ cỏc đường quỹ đạo ứng suất chớnh, từ đú cú thể bố trớ cỏc mặt khe thi cụng, cỏc đường ống đặt trong thõn đập.
* Tớnh toỏn cỏc loại ứng suất tập trung cục bộ xuất hiện quan cỏc đường hầm, lỗ khoột trong thõn đập và tớnh toỏn bố trớ cốt thộp chịu lực cho riờng khu vực này. Trong nội dung chuyờn đề này em xin trỡnh bày vấn đề:
Phõn tớch ứng suất mặt cắt đập tràn, xột cụ thể cho đập Xờkaman 1. Đ7.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT 7.2.1. Cỏc phương phỏp phõn tớch ứng suất
Hiện nay trong tớnh toỏn thiết kế và nghiờn cứu đập bờ tụng người ta thờng sử dụng 3 phương phỏp:
+ Phương phỏp sức bền vật liệu: Phương phỏp này đơn giản, cho kết quả đỏng tin cậy trong cỏc bài toỏn thiết kế đập bờ tụng cú cấu tạo mặt cắt cũng như nền khụng phức tạp. + Phương phỏp lý luận đàn hồi: Phương phỏp này xem thõn đập là một mụi trường liờn tục, đồng nhất, đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu tuõn định luật Huc. Núi chung với những đập cao cỏc giả thiết đú cơ bản phự hợp với tỡnh hỡnh thực tế. Phương phỏp này cú thể giải quyết cỏc vấn đề đặc biệt như ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt…mà phương phỏp sức bền vật liệu khụng giải quyết được. + Phương phỏp phần tử hữu hạn: Ứng dụng phương phỏp phần tử hữu hạn cú thể phõn tớch một cỏch gần đỳng trạng thỏi ứng suất của đập bờtụng kể cả cỏc đập cú điều kiện phức tạp, giải được cả bài toỏn phẳng và bài toỏn khụng gian, cỏc bài toỏn cú xột đến trạng thỏi làm việc đồng thời của mụi trường vật liệu làm đập và nền.
7.2.2. Phương phỏp phần tử hữu hạn
Sự phỏt triển và ỏp dụng rộng rói mỏy tớnh điện tử đó làm thay đổi sõu sắc cỏch xem xột và sử dụng cỏc phương phỏp tớnh toỏn kết cấu. Với cụng cụ mỏy tớnh điện tử người ta cú thể chọn thuật toỏn tổng quỏt, soạn thảo cỏc chương trỡnh mang tớnh tự động hoỏ cao, ỏp dụng cho 1 lớp rộng cỏc bài toỏn cú chung một tớnh chất chủ yếu. Một trong những phương phỏp số sử dụng mỏy tớnh điện tử trong tớnh toỏn kết cấu hiện nay là phương phỏp phần tử hữu hạn.
Trong phương phỏp phần tử hữu hạn, vật thể liờn tục được thay thế bằng một số hữu hạn cỏc phần tử rời rạc cú hỡnh dạng đơn giản, cú kớch thước càng nhỏ càng tốt nhưng hữu hạn. Chỳng được nối với nhau ở một số điểm quy định gọi là nỳt. Cỏc phần tử này
và kớch thước bộ nờn cho phộp nghiờn cứu dễ dàng hơn dựa trờn cơ sở quy luật về sự phõn bố chuyển vị và nội lực.
Cỏc đặc trưng cơ bản của mỗi phần tử được xỏc định và mụ tả dưới dạng cỏc ma trận độ cứng của phần tử. Cỏc ma trận này dựng để ghộp cỏc phần lại thành một mụ hỡnh rời rạc hoỏ của kết cấu thực dưới dạng ma trận cứng của cả kết cấu.
Cỏc tỏc động ngoài gõy ra nội lực và chuyển vị của kết cấu được quy về cỏc ứng lực tại cỏc nỳt và được mụ tả trong ma trận tải trọng nỳt.
Cỏc ẩn số cần tỡm là cỏc chuyển vị (hoặc nội lực) tại cỏc nỳt được xỏc định trong ma trận chuyển vị nỳt (hoặc ma trận nội lực nỳt).
Cỏc ma trận độ cứng, ma trận tải trọng và ma trận chuyển vị nỳt được liờn kết với nhau trong phương trỡnh cõn bằng theo quy luật tuyến tớnh tuỳ theo ứng xử thực tế của kết cấu và cỏc tỏc động lờn kết cấu.
Như vậy, thuật toỏn phần tử hữu hạn dựa trờn sự nghiờn cứu và xỏc lập cỏc ma trận cơ bản cựng với quy luật liờn hệ giữa cỏc ma trận để phản ỏnh gần đỳng cỏc ứng xử thực tế của kết cấu và cỏc tỏc động lờn kết cấu.
Mụ hỡnh bài toỏn của phương phỏp phần tử hữu hạn là hệ phương trỡnh đại số tuyến tớnh hoặc phi tuyến tớnh tuỳ theo mức độ nghiờn cứu của kết cấu. Điều kiện tồn tại nghiệm của hệ phương trỡnh này được mụ tả qua cỏc điều kiện nghiờn cứu của kết cấu thường được gọi là điều kiện biờn của bài toỏn.
Sau khi giải hệ phương trỡnh tỡm được cỏc ẩn số, ta cú thể tiếp tục xỏc định được cỏc trường ứng suất, biến dạng của kết cấu theo quy luật đó nghiờn cứu trong cơ học. Hệ phương trỡnh cơ bản của phương phỏp phần tử hữu hạn cú dạng như sau:
[ ]K .{ } { }∆ = F (7-1 Trong đú:
- [K]: Ma trận cứng của toàn kết cấu.
- {∆}: Vộc tơ chuyển vị nỳt của toàn kết cấu. - {F}: Vộc tơ ngoại lực.
Phương trỡnh (7-1) là phương trỡnh cõn bằng lực tại toàn bộ cỏc nỳt của hệ. Sau khi xột điều kiện biờn (nỳt cú chuyển vị hoặc khụng chuyển vị đó biết trước) thỡ hệ này hoàn toàn cú thể giải được. Kết quả giải hệ phương trỡnh trờn cho ta chuyển vị nỳt của toàn kết cấu ở hệ toạ độ chung, từ đú tỡm được chuyển vị nỳt của mỗi phần tử trong hệ toạ độ riờng của phần tử, sau đú sẽ xỏc định được nội lực, ứng suất, biến dạng của điểm bất kỡ trong phần tử.
Đ7.3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SAP2000 ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN KẾT CẤU7.3.1. Giới thiệu về phần mềm 7.3.1. Giới thiệu về phần mềm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cỏc chương trỡnh phõn tớch kết cấu trờn mỏy tớnh theo thuật toỏn phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng rộng rói. Nhiều chương trỡnh đó trở thành sản phẩm phần mềm thương mại được sử chuyển giao cụng nghệ trờn phạm vi quốc tế. Và trong đú, phần mền SAP là một trong những phần mềm được sử dụng rộng rói hơn cả để phõn tớch kết cấu cụng trỡnh. Bộ phần mềm SAP được bắt đầu từ cỏc kết quả nghiờn cứu phương phỏp số, phương phỏp phần tử hữu hạn trong tớnh toỏn cơ học của giỏo sư Edward L.Wilson (Univ.of Califocnia at Berkeley, USA). Thửa ban đầu chỳng chỉ là cỏc chương trỡnh đơn lẻ với mục đớch hầu như chỉ phục vụ nghiờn cứu là chớnh.
Phiờn bản đầu tiờn của chương trỡnh được mang tờn SAP (Structural Anlysis Program) ra đời năm 1970, và sau đú lần lượt xuất hiện: SAP3, SAP4, SAP80 được nõng cấp và hoàn thiện vào cuối những năm 80, nú là mốc đỏnh dấu sự xuất hiện phần mềm thương mại tớnh toỏn kết cấu (Structural Engineering Anlysis) cú tớnh thương mại đầu tiờn của họ chương trỡnh SAP, phần mềm này được phỏt triển bởi cụng ty Computer and Structure Inc (CSI). Vào năm 1992, CSI cho ra đời phiờn bản tiếp theo là SAP90, cho đến nay nú vẫn được sử dụng rộng rói.
SAP2000 là một bước đột phỏ của họ phần mềm SAP, theo hóng CSI tuyờn bố SAP2000 là cụng nghệ ngày nay cho tương lai (Technology today for future). SAP2000 đó tớch hợp cỏc chưng năng phõn tớch kết cấu bằng phần tử hữu hạn và tớnh năng thiết kế kết cấu là một. Ngoài khả năng phõn tớch được bài toỏn thường gặp của kết cấu cụng trỡnh, SAP2000 đó bổ sung cỏc loại phõn tử mẫu và tớnh năng phõn tớch kết cấu phi tuyến. Giao diện của nú với người dựng trở nờn thõn thiện hơn rất nhiều do chương trỡnh được thiết kế làm việc hoàn toàn trờn mụi trường Windows. Toàn bộ quỏ trỡnh từ xõy dựng mụ hỡnh kết cấu va biểu diễn kết quả đều cú giao diện đồ hoạ trực quan. Thư viện kết cấu cung cấp một số dạng kết cấu thụng dụng nhất từ đõy cũng cú thể dễ dàng sửa đổi cú thể cú được kết cấu theo ý muốn. Trong nội dung phần chuyờn đề này em dựng SAP2000 version 10 để tớnh toỏn.