. Trường hợp 1: Tổ hợp cơ bản
TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG BÀI TOÁN KHÔNG GIAN
KHÔNG GIAN
8.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN :
Hiện nay đập bê tông được xây dựng và sư dụng phổ biến. Đập bê tông là công trình đầu mối quan trọng nhất trong cụm công trình đầu mối. Chính vì vậy ổn định của đập bê tông có ý nghĩa quyết định, trong đó yếu tố ứng suất phát sinh trong đập là một vấn đề quan trong cần tính toán phân tích để biết tình hình phân bố ứng suất trong đập dưới tác dụng của ngoại lực và ảnh hưởng của các nhân tố khác nhaư biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phân giai đoạn thi công thân đập …
Tính toán ứng suất trong thân đập bê tông nhằm xác định các đăc trưng phân bố ứng suất trong thân đập, trị số phương chiều và tình hình phân bố ứng suất. Trên cơ sở các số liệu tính toán được, kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, phân vùng đập dùng các loại bê tông khác nhau, xác định cấu tạo từng bộ phận thích hợp với từng điều kiện chịu lực của chúng để tiết kiệm vật liệu, từ đó giảm được gia thành xây dựng công trình mà vẫn đáp ứng tính kỹ thuật.
Ứng suất xuất hiện trong đập bê tông không được vượt quá ứng suất cho phép của vật liệu , đặc biệt là ứng suất kéo trên biên thượng lưu.
Tính toán phân tích ứng suất phải tính toán cho các trường hợp khác nhau, nhằm xác định sự biến đổi của ứng suất và những bất lợi do sự thay đổi ứng với các trường hợp đó. Từ đó phân vùng vật liệu bố trí cốt thép, chọn các hình thức cấu tạo, hình thức bảo vệ…Đảm bảo cho trong mọi điều kiện thì công trình luôn làm việc ổn định.
8.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Có nhiều phương pháp tính toán như phương pháp giải tích tính theo sức bền vật liệu, phương pháp lý thuyết đàn hồi, phương pháp số theo phần tử hữu hạn…
- Phương pháp sức bền vật liệu đơn giản cho kết quả đủ tin cậy trong các bài toán thiết kế đập bê tông trọng lực có cấu tạo mặt cắt cũng như nền không phức tạp.
- Phương pháp lý thuyết đàn hồi: xem đập như một môi trường kiên tục, đồng nhất đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu theo định luật húc. Phương pháp này giải quyết những vấn đề đặc biệt như ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt …
- Phương pháp phần tử hữu hạn: Phương pháp PTHH là một phương pháp số hay còn gọi là phương pháp rời rạc hóa. Phương pháp PTHH cũng thuộc bài toán biến phân, nhưng nó khác các phương pháp biến phân cổ điển ở chỗ nó không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con thuộc miền xác định đó. Do đó phương pháp PTHH đặc biệt ưu điểm hơn các phương pháp khác khi bài toán mà miền xác định gồm nhiều miền con có những tính chất khác nhau, ví dụ như khi phân tích ứng suất trong thân đập, trong nền không đồng nhất hoặc bài toán phức tạp khác. Đây là phương pháp tính toán rất hiệu quả giải các bài toán cơ học vật rắn và cơ học môi trường liên tục nói chung. Hiện nay các phần mềm tính toán ứng suất , tính toán thấm, ổn định trượt…đều dựa trên phương pháp phàn tử hữu hạn, cho kết quả tính toán tương đối chính xác.
Ở đây em chọn phương pháp phần tử hữu hạn và sự dụng phần mềm ANSYS V.10 để tính toán ứng suất đập.
3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp PTHH ra đời vào cuối nhứng năm 50 nhưng rất ít được sử dụng vì công cụ toán học còn chưa phát triển. Vào cuối những năm 60, phương pháp PTHH đặc biệt phát triển nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và sử dụng rộng rãi của máy tính điện tử. Đến nay có thể nói rằng phương pháp PTHH được coi là phương pháp có hiệu quả nhất để giải các bài toán cơ học vật rắn nói riêng và các bài toán cơ học môi trường liên tục nói chung như các bài toán thủy khí lực học, bài toán về từ trường và điện trường.
Trình tự giải theo phương pháp này :
Chia miền tính toán thành các miền con gọi là các miền con. Các phần tử này liên kết với nhau bởi các điểm nút bao quanh, các phần tử này có thể ở dạng thanh, phần tử phẳng hay phần tử khối.
Mỗi phần tử ta giả thiết một dạng phân bố xác định như: chuyển vị, hàm ứng suất, cả chuyển vị lẫn ứng suất. Trong đó ẩn chọn làm biến số cho hàm xấp xỉ là một hàm đa thức đa nguyên được biểu diễn dưới dang ma trận. Thông thường giả thiết hàm đó là hàm chuyển vị.
Thiết lập bài toán từ phương trình cơ bản: Dựa trên các nguyên lý biến phân cơ bản, trên cơ sở của nguyên lý biến phân này xác định phương trình tuyến tính AX=B.
Sau khi tìm các ẩn, dựa vào các định lý cơ học sẽ tìm các thành phần khác của bài toán như: ứng suất, biến dạng…
Hiện nay có các phần mềm tính ứng suất biến dạng chuyển vị… như SAP, ANSYS, PLASIX, SIGMA… đều sử dụng phương pháp phàn tử hữu hạn, kết quả tương đối chính xác.
8.3 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN :8.3.1 Sơ đồ tính toán : 8.3.1 Sơ đồ tính toán :
Sử dụng mô hình đập dâng và đập tràn của công trình thủy điện Sông Miện đã được thiết kế. Có xét đến nước chảy trong đường ống vào nhà máy thủy điện.
. Cao trình đáy : 435 m
. Cao trình đỉnh : 471,5 m
. Cao trình bùn cát : 450 m
. Cao trình ngưỡng tràn: 465 m
Để đơn giản trong tính toán ta cho toàn bộ đập làm cùng một mac bê tông M200. Chỉ riêng phân đoạn đập ở tuyến năng lượng, đường ống áp lực và nhà máy thủy điện làm bằng bê tông M250. Và phần nền đập cũng xem như đồng chất.
8.3.2 Trường hợp tính toán:
Việc tính toán ứng suất thân đập được tiến hành theo các trường hợp sau : Trường hợp 1: Tổ hợp thi công. đập đã thi công xong thượng và hạ lưu
ko có nước
Trường hợp 2: Tổ hợp lực cơ bản – MNTL là MNDBT ; MNHL tương
ứng với trường hợp vận hành bình thường, thiết thị chống thấm, thiết bị thoát nước hoạt động bình thường
Trường hợp 3: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNLTK ; MNHL tương
ứng, thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường Trường hợp 4: Tổ hợp lực đặc biệt -MNTL là MNLKT ;MNHL tương
ứng, thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường
Trường hợp 5: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNDBT, MNHL tương
ứng vận hành bình thường, thiết bị tiển thoát nước, thiết bị chống thấm làm việc không bình thường
Trường hợp 6: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNDBT, MNHL tương
Về nguyên tắc ta phải tính toán cho tất cả các trường hợp để đảm bảo an toàn cho công trình trong mọi trường hợp làm việc, trong tất cả các quá trình xây dựng và vận hành. Nhưng do trong phạm vi đồ án, thời gian có hạn và được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn nên em chỉ tính toán ứng suất cho trường hợp tổ hợp lực cơ bản.
Ta tính toán cho trường hợp tổ hợp cơ bản. Mực nước thượng lưu là mực nước dâng bình thường, các thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
MNTL = MNDBT = 465 m MNHL = 441,8 m
Cao tình bùn cát: Zbc=450 m
Tải trọng tác dụng vào công trình bao gồm: Áp lực nước thượng lưu, áp lực bùn cát, áp lực thấm và áp lực đẩy ngược dưới đáy công trình, áp lực nước hạ lưu, áp lực sóng như đã tính toán ở trên phần tính toán ổn định đập.
8.4 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN.
Sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán ứng suất trong thân đập và nền. AN SYS là một hệ thống tính toán đa năng, trong hệ thống này, bài toán cơ kỷ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
8.4.1 Lịch sự ra đời và phát triển của ANSYS
ANSYS được lập từ năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson, hệ thống tính toán Swanson, tịa hợp chủng quóc Hoa Kỳ. Từ đó AN SYS lan rộng ra các nước khác trên thế giới , qua nhiều phiên bản với những đặc tính sau :
Phiên bản 2.x :TĨnh học động lực học, nhiệt động học, dòng điện
Phiên bản 3.x :mở rộng dần các khả năng củ , hình thành các modulle hình học, thư viện phần tử
…Các phiên bản ngày càng không ngừng cải tiến và tạo ra nhiều chức năng tiên tiến Và bây giờ đã có an sys phiên bản 11.0 với nhiều tính năng tiên tiến sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, trong công nghiệp và các ngành khoa học khác.
8.4.2 Các tính năng nổi bật của ansys.
. Khả năng đồ họa mạnh mẽ ( có thể sự dụng như một chương trình CAD, hoặc sự hộ trợ gián tiếp từ CAD rất hữu ích ) giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh, chính xác. Có khả năng truyền dẫn những mô hình CAD của cấu trúc, thành phần hay hệ thống. Mô hình tình toán là mô hình 3D gần giống như mô hình thực tế nên kết quả tương đối chính xác.
. Giải rất nhiều bài toán : this toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện , điện tử, …
. Thư viện phần tử rất lớn, có thêm phần tử sinh ra và chết. dùng để loại bỏ phần tử hay thêm phần tử hoặc thay đổi độ cúng trong mô hình khi tính toán
. Đa dạng về tải trọng : tập trung phân bố, nhiệt vận tốc góc
. Phần tử xứ lý kết quả cao cấp, cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu
. Có thể dùng như một ngôn ngữ lập trình
. Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như : trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởg của trường điện từ..
. Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm ….
8.5 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 10.0 8.5.1 Mô hình hóa bài toán : 8.5.1 Mô hình hóa bài toán :
Ta tính toán mô hình đập là mô hình đập thủy điện Sông Miện đã thiết kế trong đồ án. Khu vực nền chịu ảnh hưởng của ứng suất có thể được xác định như sau : xem ứng suất từ đập ảnh hưởng đến nền trong giới hạn sâu 50 m so với mặt cắt ngang đáy đập, và mép thượng lưu của nền cách mép thượng lưu đập 50 m, mép hạ lưu của nền cách mép chân hạ lưu 50m, hai bên vai đập chỉ xét đến phạm vi 100m như hình vẽ 9-5.
8.5.2 Chọn kiểu phần tử, loại vật liệu và gán chúng cho các bộ phận - Kiểu phần tử: chọ kiểu phần tư solid92 và kiể phần tử solid45 - Kiểu phần tử: chọ kiểu phần tư solid92 và kiể phần tử solid45
solid 92
10 nót
- Vật liệu của các bộ phận như bảng sau đây:Vật liệu Môdun dàn