Chuyên đề thực tập tốt nghiệp: Tính toán ứng suất trong đập bê tông bài toán không gian

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ TâmCHƯƠNG 9 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG BÀI TOÁN KHÔNG GIAN 9.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN : Hiện nay đập bê tông được x

Trang 1

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

CHƯƠNG 9

CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG BÀI TOÁN KHÔNG GIAN 9.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN :

Hiện nay đập bê tông được xây dựng và sư dụng phổ biến Đập bê tông làcông 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 nhaưbiến 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 đậpdùng các loại bê tông khác nhau, xác định cấu tạo từng bộ phận thích hợp với từngđiều kiện chịu lực của chúng để tiết kiệm vật liệu, từ đó giảm được gia thành xây dựngcông trình mà vẫn đáp ứng tính kỹ thuật

Ứng suất xuất hiện trong đập bê tông không được vượt quá ứng suất cho phépcủa 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 cáctrường 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 ổnđịnh

9.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Có nhiều phương pháp tính toán như phương pháp giải tích tính theo sức bềnvật liệu, phương pháp lý thuyết đàn hồi, phương pháp số theo phần tử hữu hạn…

Trang 2

- Phương pháp phần tử hữu hạn: Phương pháp PTHH là một phương pháp sốhay còn gọi là phương pháp rời rạc hóa Phương pháp PTHH cũng thuộc bài toán biếnphân, 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 miềnxác định đó Do đó phương pháp PTHH đặc biệt ưu điểm hơn các phương pháp kháckhi 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 toánphức tạp khác Đây là phương pháp tính toán rất hiệu quả giải các bài toán cơ học vậtrắn và cơ học môi trường liên tục nói chung Hiện nay các phần mềm tính toán ứngsuất , tính toán thấm, ổn định trượt…đều dựa trên phương pháp phàn tử hữu hạn, chokết quả tính toán tương đối chính xác

Ở đây em chọn phương pháp phần tử hữu hạn và sự dụng phần mềm ANSYSV.10 để tính toán ứng suất đập

9.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn.

Phương pháp PTHH ra đời vào cuối nhứng năm 50 nhưng rất ít được sử dụng vìcông cụ toán học còn chưa phát triển Vào cuối những năm 60, phương pháp PTHHđặc biệt phát triển nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và sử dụng rộng rãi của máy tínhđiện tử Đến nay có thể nói rằng phương pháp PTHH được coi là phương pháp có hiệuquả nhất để giải các bài toán cơ học vật rắn nói riêng và các bài toán cơ học môitrường liên tục nói chung như các bài toán thủy khí lực học, bài toán về từ trường vàđiện trường

Trình tự giải theo phương pháp này :

 Chia miền tính toán thành các miền con gọi là các miền con Các phần tửnày 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, hàmứng suất, cả chuyển vị lẫn ứng suất Trong đó ẩn chọn làm biến số cho hàm xấp xỉ làmột hàm đa thức đa nguyên được biểu diễn dưới dang ma trận Thông thường giả thiếthàm 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 tínhAX=B

Trang 3

 Giải bài toán tuyến tính để tìm các ẩn

 Sau khi tìm các ẩn, dựa vào các định lý cơ học sẽ tìm các thành phần kháccủa bài toán như: ứng suất, biến dạng…

Hiện nay có các phần mềm tính ứng suất biến dạng chuyển vị… như SAP,

AN SYS, PLASIX, SIGMA… đều sử dụng phương pháp phàn tử hữu hạn, kết quảtương đối chính xác

9.3.2 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 bịthoát nước hoạt động bình thường

 Trường hợp 3: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNLTK ; MNHL tương

Trang 4

 Trường hợp 6: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNDBT, MNHL tương

ứng, có động đất

Về nguyên tắc ta phải tính toán cho tất cả các trường hợp để đảm bảo an toàncho công trình trong mọi trường hợp làm việc, trong tất cả các quá trình xây dựng vàvận hành Nhưng do trong phạm vi đồ án, thời gian có hạn và được sự đồng ý của thầygiáo 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 nướcdâng bình thường, các thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường

MNTL = MNDBT = 465 mMNHL = 441,8 m

Cao tình bùn cát: Zbc=450 mTải trọng tác dụng vào công trình bao gồm: Áp lực nước thượng lưu, áp lực bùncát, áp lực thấm và áp lực đẩy ngược dưới đáy công trình, áp lực nước hạ lưu, áp lựcsóng như đã tính toán ở trên phần tính toán ổn định đập

9.4 GI ỚI 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 kỷthuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

9.4.1 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 năngtiên tiến Và bây giờ đã có an sys phiên bản 11.0 với nhiều tính năng tiên tiến sửdụng rộng rãi trong nghiên cứu, trong công nghiệp và các ngành khoa học khác

9.4.2 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

Trang 5

hệ thống Mô hình tình toán là mô hình 3D gần giống như mô hình thực tế nên kết quảtương 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 bỏphần 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

9.5.1 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 : xemứng suất từ đập ảnh hưởng đến nền trong giới hạn sâu 50 m so với mặt cắt ngang đáyđập, và mép thượng lưu của nền cách mép thượng lưu đập 50 m, mép hạ lưu của nềncách mép chân hạ lưu 50m, hai bên vai đập chỉ xét đến phạm vi 100m như hình vẽ 9-5

Trang 6

Hình 9-5: Mô hình tính toán

9.5.2 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

Hệ sốPoison 

KN/m3

RkKN/m2

RnKN/m2

9.5.3 Chia lưới cho các khối để tạo các nút và các phần tử.

Mô hình đã chia lưới:

Trang 7

Hình 9-7 : Mô hình phần tử

9.5.4 Gán tải trọng lên các mặt

Các tải trọng là tải trọng phân bố nên ta phải khai báo hàm áp lực, đọc hàm.

Sau đó gán tải trọng tương ứng lên các mặt

Đặt các điều kiện biên.

Xem các mặt biên của nền không chuyển vị thẳng theo chiều vuông góc vớivới mặt đó Riêng mặt đáy coi như ngàm cứng

9.5.5 Tính toán và hiện thị kết quả.

9.5.5.1 Kết quả bài toán phẳng mặt cắt giữa đập.

Hình 9- 8 : Chuyển vị theo phương x:

Trang 8

Hình 9- 9 : Chuyển vị theo phương y:

Hình 9-10 : Ứng suất theo phương x:

Trang 9

Hình 9-11 : Ứng suất theo phương y:

Trang 10

9.5.5.2Kết quả tính toán bài toán không gian ba chiều tại mặt cắt giữa đập.

Hình 9- : Chuyển vị theo phương x:

Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z(phương đứng):

Trang 11

Hình 9- : Ứng suất theo phương x:

Hình 9- : Ứng suất theo phương z(phương đứng):

Trang 12

9.5.5.3 Kết quả tổng thể tính toán ứng suất cho toàn đập bài toán 3D.

Hình 9- : Chuyển vị theo phương y phương dọc đập:

Trang 13

Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương đứng):

Trang 14

Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp.

Trang 15

Hình 9- : Ứng suất theo phương y:

Trang 16

Hình 9 - : Ứng suất chính S1

Trang 17

Hình 9 - : Ứng suất chính S3

9.8.5.5 Kết quả tính toán ở mặt cắt dọc đập.

Trang 18

Hình 9- : Chuyển vị theo phương y:

Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương đứng):

Trang 19

Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp.

Trang 20

Hình 9- : Ứng suất theo phương y:

Hình 9- : Ứng suất theo phương Z:

Trang 21

9.5.6 Phân tích kết quả tính toán:

9.8.6.1 So sánh kết quả giữa bài toán 2D và bài toán 3D:

Bảng 9- : Kết quả ứng suất – chuyển vị bài toán 2D và bài toán 3D:

Trang 22

khoa học và công nghệ đặc biệt là các phần mềm tính toán như hiện nay thì khi thiết

kế công trình người kỹ sư cần tính toán thêm bài toán không gian để so sánh tìm ra được kết quả tính toán tối ưu đưa vào thiết kế công trình an toàn ổn định và tiết kiệm hơn.

9.8.6.2 Ứng suất theo phương đứng theo bài toán 3D:

9.8.6.3 Ứng suất theo phương ngang theo bài toán 3D.

9.8.6.4 Ứng suất theo phương dọc trục đập theo bài toán 3D

9.8.6.5 Ứng suất quanh lổ khoét hành lang thoát nước:

Từ kết quả ứng suất của mặt cắt ngang đập (hình 9- ) , kết quả ứng suất củamặt cắt dọc đập qua hành lang khoan phụt ( hình 9- ) ta có kết luận chung là tại các lổkhoét thường có ứng suất cục bộ, ứng suất tập trung lớn dễ xuất hiện các vết nứt tại đó.Tại các vị trí đó ứng suất kéo của bê tông không đủ chịu lực phải bố trí cốt thép đểkhông xuất hiện vết nứt gây mất an toàn cho công trình

Tại hành lang khoan phụt, tiếp giáp giữa lổ khoét và thượng lưu đâp thường lànơi dễ mất ổn định nhất, tại đó xuất hiện các vết nứt làm bề rộng của dáy đập giảm đimột khoảng từ mép trong lổ khoét đến mặt thượng lưu đập Lúc này bề rộng thực tếchịu lực của đập bị giảm nhỏ, dây chính là điều kiện cho vết nứt tại mặt tiếp giáp gữađập và nền phất triển Vết nứt càng phát triển thìbeef rộng chịu lực càng nhỏ, tới mộtlúc nào đó B<Bgh , thì đập sự bị mất ổn định trượt

9.8.6.6 Ứng dụng kết quả tính toán.

Trang 23

KẾT LUẬN

Sau 14 tuần làm đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình củacác thầy cố giáo, đặc biệt là của thầy giáo Th.S Hồ Sỹ Tâm, cùng với sự nổ lực củabản thân, em đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình với đề tài: “Thiết kế đầu mốithủy điện Sông Miên , Tỉnh Hà Giang- Phương án”

Thời gian làm đồ án là khoảng thời gian rất có ích và hiệu quả Trong thời giannày, em đã có điều kiện để hệ thống, sâu chuỗi, tổng hợp lại những kiến thức đã đượccác thầy cô truyền dạy, giúp em biết cách áp dụng lý thuyết vào thực tế thiết kế mộtcông trình thủy lợi cụ thể, có cái nhìn bao quát, làm quen với công việc của một người

kỹ sư trong tương lai

Dù bản thân em đã nổ lực cố gắng hết mình nhưng với một khối lượng côngviệc tính toán tương đối lớn, do điều kiện thời gian, trình độ bản thân còn hạn chế,kinh nghiệm thực tế còn chưa có nên trong đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót

Em kính mong nhận được sự chỉ bảo , hướng dẫn giúp đỡ của các thầy cô giáo

để giúp cho đồ án của em được hoàn chỉnh hơn từ đó có thể hoàn thiện và cũng cố,nâng cao, kiến thức chuyên môn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trường Đại Học ThủyLợi, các thầy cô giáo bộ môn Thủy Công và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến

Trang 24

Dương Đình Hóa

Định dạng
Số trang	24
Dung lượng	1,57 MB