Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng và ổn định của trạm bơm chìm trên nền đất yếu theo mô hình bài toán phẳng

Các ph ng pháp tính toán hi n hành bao g m:.

L I C M N

Qua m t th i gian nghiên c u và th c hi n d i s giúp đ ch b o nhi t tình

c a giáo viên h ng d n và các th y cô giáo tác gi đã hoàn thành lu n v n t t nghi p v i đ tài:

“Nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng và n đ nh c a tr m b m chìm trên n n đ t y u theo mô hình bài toán ph ng”

Tác gi đ c bi t xin bày t lòng c m n t i th y giáo Giáo s , Ti n s Ph m

Ng c Khánh đã t n tình h ng d n, ch b o cho tác gi nhi u v n đ quý báu trong nghiên c u khoa h c nói chung c ng nh trong b n thân lu n v n này

Tác gi xin chân thành c m n các th y giáo, cô giáo trong khoa Công trình,

b môn S c b n - K t c u, phòng ào t o i h c và Sau đ i h c tr ng i h c Thu L i đã t o đi u ki n giúp đ tác gi v các tài li u, thông tin khoa h c k thu t và đóng góp nhi u ý ki n quý báu cho lu n v n

Cu i cùng tác gi xin g i l i c m n chân thành t i gia đình, ban lãnh đ o Công ty C ph n t v n xây d ng Nông nghi p và Phát tri n nông thôn n i tác gi công tác, các đ ng nghi p và b n bè đã đ ng viên, t o m i đi u ki n thu n l i đ tác

gi hoàn thành lu n v n

Tuy nhiên do th i gian nghiên c u c ng nh trình đ còn h n ch nên lu n

v n không th tránh kh i nh ng t n t i và thi u sót, tác gi r t mong nh n đ c m i

ý ki n đóng góp, trao đ i chân thành c a các th y cô và các quý v quan tâm Tác

gi r t mong nh ng v n đ còn t n t i s đ c tác gi phát tri n m c đ nghiên

c u sâu h n góp ph n đ a nh ng ki n th c khoa h c vào ph c v s n xu t

Hà N i, tháng 11 n m 2013

Tác gi

Nguy n Qu c Tr ng

L I CAM OAN Tên tôi là Nguy n Qu c Tr ng, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên

c u c a riêng tôi Nh ng n i dung và k t qu trình bày trong lu n v n là trung th c

và ch a đ c ai công b trong b t k công trình nghiên c u nào

Hà N i, tháng 11 n m 2013

Tác gi

Nguy n Qu c Tr ng

M C L C

M U 1

CH NG I: T NG QUAN 3

1.1 T ng quan v tr m b m 3

1.2 S phát tri n c a tr m b m chìm trên th gi i và trong n c 5

1.2.1 S phát tri n c a tr m b m chìm trên th gi i 5

1.2.2 S phát tri n c a tr m b m chìm trong n c 9

1.3 Nh ng v n đ th ng g p ph i khi thi t k tr m b m chìm 12

1.3.1 i v i công trình th y công 12

1.3.2 i v i máy b m và các thi t b đi n 13

1.4 M t s u, nh c đi m c a các lo i tr m b m 14

1.4.1 Các tr m b m truy n th ng 14

1.4.2 Các tr m b m chìm 15

1.5 M t s hình nh tr m b m đã và đang đ c xây d ng 16

1.5.1 Các tr m b m truy n th ng 16

1.5.2 Các tr m b m chìm 18

CH NG II : CÁC PH NG PHÁP NGHIÊN C U TR NG THÁI NG SU T – BI N D NG VÀ N NH C A TR M B M CHÌM TRÊN N N T Y U 21

2.1 i u ki n làm vi c c a công trình trên n n đ t y u 21

1.2.1 N n đ t y u và phân lo i n n đ t y u 21

1.2.2 c đi m làm vi c c a công trình bê tông trên n n đ t 22

1.2.3 M t s ph ng pháp x lý công trình khi g p n n đ t y u 23

2.2 Các ph ng pháp nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng và n đ nh 25

2.2.1 Các ph ng pháp nghiên c u 25

2.2.2 Ph ng pháp ph n t h u h n 26

2.3 Phân tích ng su t – bi n d ng c a công trình b ng ph ng pháp ph n t h u h n 28

2.3.1 C s lý thuy t [9] 28

2.3.4 Gi i thi u ph n m m SAP2000 34

2.4 Phân tích n đ nh c a công trình b ng ph ng pháp ph n t h u h n 37

2.4.1 C s lý thuy t 37

2.4.3 Gi i thi u ph n m m Plaxis 40

CH NG III: NG D NG NGHIÊN C U TÍNH TOÁN TR NG THÁI NG SU T – BI N D NG VÀ N NH C A TR M B M CHÌM TRÊN N N T Y U 44

3.1 Gi i thi u chung v công trình tr m b m ào Xá, huy n Phú Xuyên, thành ph Hà N i 44

3.1.1 M c tiêu đ u t c a d án 44

3.1.2 Quy mô và nhi m v c a d án 44

3.1.3 Các ch tiêu và thông s k thu t ch y u 44

3.1.4 c đi m đ a hình vùng d án 46

3.1.5 c đi m đ a ch t vùng d án 47

3.2 S d ng ph n m m SAP2000 đ tính toán tr ng thái ng su t – bi n d ng c a tr m b m ào Xá trên n n đ t y u 49

3.2.1 Tính toán tr ng thái ng su t - bi n d ng theo ph ng d c nhà tr m 49

3.2.2 Tính toán tr ng thái ng su t - bi n d ng theo ph ng ngang nhà tr m 56

3.2.3 T ng h p k t qu tính toán 63

3.2.4 Phân tích và nh n xét k t qu tính toán 63

3.3 S d ng ph n m m Plaxis đ tính toán n đ nh c a tr m b m ào Xá trên n n đ t y u 65

3.3.1 Gi i quy t bài toán 65

3.3.2 Phân tích và nh n xét k t qu tính toán 76

K T LU N VÀ KI N NGH 77

1 K t lu n 77

2 Ki n ngh 77

TÀI LI U THAM KH O 78

DANH M C HÌNH V

Hình 1.1: S đ b trí h th ng các công trình tr m b m 4

Hình 1.2: Máy b m chìm ki u gi ng sâu nhi u t ng cánh 7

Hình 1.3: Máy b m ly t m chìm tr c đ ng 7

Hình 1.4: Máy b m h n l u (dòng chéo) chìm tr c đ ng 7

Hình 1.5: Máy b m h ng tr c 7

chìm tr c đ ng 7

Hình 1.6: Hình nh tr m b m Hán Qu ng 16

Hình 1.7: Máy đ c l p đ t t i tr m b m Hán Qu ng 16

Hình 1.8: Hình nh tr m b m Tân Chi 2 17

Hình 1.9: Máy đ c l p đ t t i tr m Tân Chi 2 17

Hình 1.10: Hình nh tr m b m chìm Halle – c 18

Hình 1.11: Hình nh l p đ t máy b m c a tr m b m chìm Halle – c 18

Hình 1.12: Hình nh tr m b m Ph ng Châu – Ch ng M 19

Hình 1.13: Hình nh khoang đ t máy b m chìm c a tr m b m Ph ng Châu 19

Hình 1.14: Hình nh ph i c nh tr m b m H D c – Ch ng M 20

Hình 1.15: B n v c t d c thi t k tr m b m H D c – Ch ng M 20

Hình 2.1: Hình th c móng công trình trên n n đ t 22

Hình 2.2: S đ m t n đ nh công trình bê tông ch u t i tr ng ph c t p 23

Hình 2.3: Ph ng pháp x lý v móng 24

Hình 2.4: Ph ng pháp x lý v n n 24

Hình 2.5: Ph ng pháp x lý v n n b ng móng c c 25

Hình 2.12: S đ gi i bài toán k t c u theo ph ng pháp PTHH [14] 33

Hình 2.13: S đ các b c gi i bài toán k t c u b ng ph n m m SAP 2000 [7] 36

Hình 2.14: Quan h ∑MSft ∼ chuy n v 39

Hình 2.15: Ba cách ki m tra c ch phá ho i theo ph n m m Plaxis 39

Hình 2.16: Bi u th hình h c v (ϕ, c) thí nghi m và (ϕm, cm) huy đ ng 40

Hình 3.1: B n v thi t k c t d c nhà tr m 49

Hình 3.2: M t c t tính toán (TH1) 49

Hình 3.3: S đ tính toán ng su t - bi n d ng 50

Hình 3.4: Chuy n v c a nhà tr m TH1, U1 = 1,48cm, U3=-7,64cm 50

Hình 3.5: Bi u đ ng su t S11=-0,76.103 T/m2 50

Hình 3.6: Bi u đ ng su t S22=-0,99.103 T/m2 51

Hình 3.7: Bi u đ ng su t S12=-0,29.103 T/m2 51

Hình 3.8: Bi u đ ng su t Smax=0,71.103 T/m2 51

Hình 3.9: Bi u đ ng su t Smin=-1,32.103 T/m2 52

Hình 3.10: Bi u đ ng su t SVM=1,16.103 T/m2 52

Hình 3.11: M t c t tính toán (TH2) 52

Hình 3.12: Chuy n v c a nhà tr m TH2, U1 = 0,78cm, U3=-7,47cm 53

Hình 3.13: Bi u đ ng su t S11=-1,00.103 T/m2 53

Hình 3.14: Bi u đ ng su t S22 =-1,35.103 T/m2 53

Hình 3.15: Bi u đ ng su t S12 =-0,33.103 T/m2 54

Hình 3.16: Bi u đ ng su t Smax =0,95.103 T/m2 54

Hình 3.17: Bi u đ ng su t Smin =-1,50.103 T/m2 54

Hình 3.18: Bi u đ ng su t SVM =1,35.103 T/m2 55

Hình 3.19: B n v thi t k c t ngang nhà tr m 56

Hình 3.20: M t c t tính toán (TH1) 56

Hình 3.21: S đ tính toán ng su t - bi n d ng 57

Hình 3.22: Chuy n v c a nhà tr m TH1,U1 = 0,06cm, U3=-3,18cm 57

Hình 3.23: Bi u đ ng su t S11=0,78.103 T/m2 57

Hình 3.24: Bi u đ ng su t S22 =1,67.103 T/m2 58

Hình 3.25: Bi u đ ng su t S12 =1,87.103 T/m2 58

Hình 3.26: Bi u đ ng su t Smax=2,58.103 T/m2 58

Hình 3.27: Bi u đ ng su t Smin=-3,60.103 T/m2 59

Hình 3.28: Bi u đ ng su t SVM=4,25.103 T/m2 59

Hình 3.29: M t c t tính toán (TH2) 59

Hình 3.30: S đ tính toán ng su t - bi n d ng 60

Hình 3.31: Chuy n v c a nhà tr m TH2, U1 = 0,001cm, U3=-2,88cm 60

Hình 3.32: Bi u đ ng su t S11=1,02.103 T/m2 61

Hình 3.33: Bi u đ ng su t S22=2,01.103 T/m2 61

Hình 3.34: Bi u đ ng su t S12=2,84.103 T/m2 61

Hình 3.35: Bi u đ ng su t Smax=3,35.103 T/m2 62

Hình 3.36: Bi u đ ng su t Smin=-5,42.103 T/m2 62

Hình 3.37: Bi u đ ng su t SVM=6,45.103 T/m2 62

Hình 3.38: S đ tính toán b ng ph n m m Plaxis V8.2 66

Hình 3.39: Chia l i chia ph n t 67

Hình 3.40: Khai báo m c n c ng m 67

Hình 3.41: Tính toán h s an toàn cho công trình 68

Hình 3.42: H s an toàn c a Tr m b m sau khi thi công xong là K =1,388 68

Hình 3.43: Hình d ng c a cung tr t v i h s an toàn K= 1,388 69

Hình 3.44: Chuy n v c a nhà tr m theo ph ng ngang Ux max = 0,02687 ( m) 69

Hình 3.45: Chuy n v c a nhà tr m theo ph ng đ ng Uy max = 0,07835 ( m) 70

Hình 3.46: Chuy n v th ng đ ng c a b n đáy nhà tr m Uy max = 0,0463 (m) 70

Hình 3.47: Chuy n v ngang t ng ch n đ t c a nhà tr m Ux max = 0,0265 m 71

Hình 3.48: S đ tính toán b ng ph n m m Plaxis V8.2 71

Hình 3.49: Chia l i chia ph n t 72

Hình 3.50: Khai báo m c n c 72

Hình 3.51: Tính toán h s an toàn cho công trình 73

Hình 3.52: H s an toàn c a tr m b m khi làm vi c v i MNTK, K= 1,653 73

Hình 3.53: Hình d ng c a cung tr t v i h s an toàn K= 1,653 74

Hình 3.54: Chuy n v c a nhà tr m theo ph ng ngang Ux max = 0,017 ( m) 74

Hình 3.55: Chuy n v c a nhà tr m theo ph ng đ ng Uy max = 0,04714 ( m) 75

Hình 3.56: Chuy n v th ng đ ng c a b n đáy nhà tr m Uy max = 0,018 (m) 75

Hình 3.57: Chuy n v ngang t ng ch n đ t c a nhà tr m Ux max = 0,011 m 76

DANH M C B NG BI U

B ng 2.1: M t s ch tiêu phân lo i n n đ t m m y u 22

B ng 3.1: B ng phân b di n tích theo cao đ huy n Phú Xuyên 46

B ng 3.2: Tr trung bình các ch tiêu c lý c a các l p đ t (17 ch tiêu) 48

B ng 3.3: B ng t ng h p k t qu các giá tr ng su t 63

M U

1 Tính c p thi t c a đ tài

Trong đ nh h ng phát tri n ngành thu l i đ n n m 2020 đã nêu rõ “Phát tri n thu l i t i tiêu, c p n c ph c v chuy n d ch c c u kinh t , th c hi n công nghi p hóa, hi n đ i hóa nông nghi p - nông thôn và phát tri n các ngành kinh

t xã h i ” Vì v y cùng v i s phát tri n c a nhân lo i, công cu c công nghi p hóa, hi n đ i hóa n n nông nghi p c a n c ta ngày càng đ c quan tâm và phát tri n Các lo i công trình th y l i đã đ c xây d ng ngày càng nhi u v i m c đ t

gi n đ n đ n ph c t p

Ngày nay đ xây d ng đ c nh ng công trình thu l i có quy mô l n chúng ta

c n nghiên c u đ y đ các y u t nh h ng đ n s b n v ng và n đ nh c a công trình đ có nh ng c s lý lu n v ng ch c, t đó giúp cho con ng i thi t k , xây

d ng đ c nh ng công trình an toàn, hi u qu

Ngoài ra, song song v i m c tiêu đ m b o an toàn và hi u qu thì v n đ th m

m c a công trình th y l i c ng ngày càng đ c quan tâm nhi u h n đ c bi t là các công trình đ u m i nh h đ p, th y đi n, tr m b m, c u c ng, vùng đ ng

b ng sông H ng thì công trình đ u m i tr m b m t i, tiêu ngày càng phát tri n

m nh, nhi u công trình đ c xây d ng v i quy mô l n và v n đ th m m c a công trình đang d n đ c quan tâm, chính vì v y mà các công trình nh tr m b m chìm

đã ra đ i Tuy nhiên vi c nghiên c u v tr m b m chìm còn khá ít d n đ n g p nhi u khó kh n khi thi t k , xây d ng công trình

tài: “Nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng và n đ nh c a tr m

b m chìm trên n n đ t y u theo mô hình bài toán ph ng” có ý ngh a khoa h c và

th c ti n trong chi n l c phát tri n ngành th y l i và thúc đ y quá trình công nghi p hóa, hi n đ i hóa n n nông nghi p n c nhà

2 M c đích c a đ tài

Nghiên c u v tr ng thái ng su t - bi n d ng và n đ nh c a tr m b m chìm trên n n đ t y u

3 Cách ti p c n và ph ng pháp nghiên c u

Ti p c n thông qua các t ch c, cá nhân khoa h c hay các ph ng ti n thông tin đ i chúng đ n m đ c t ng quan v tr m b m chìm và các ph ng pháp tính toán T đó nh n th y nh ng u đi m c a tr m b m chìm và nh ng h n ch trong

vi c tìm ph ng pháp tính toán, các ph ng pháp tính hi n nay còn t ng đ i đ n

gi n Các b ph n thi t k th ng thiên l n nên gây lãng phí v m t kinh t Vì

v y v i đ tài “Nguyên c u tr ng thái ng su t - bi n d ng và n đ nh c a tr m b m chìm trên n n đ t y u theo mô hình bài toán ph ng” tác gi s gi i quy t đ c các

nh c đi m v a nêu trên

Thu th p, phân tích đánh giá các tài li u liên quan, các quy ph m h ng d n tính toán t đó đ a ra ph ng pháp nghiên c u tính toán tr ng thái ng su t - bi n

d ng và n đ nh c a tr m b m chìm

Ph ng pháp nghiên c u lý thuy t k t h p v i đúc rút kinh nghi m th c t ,

d a trên ch d n tính toán c a các quy trình quy ph m, s d ng mô hình toán và các

CH NG I

T NG QUAN 1.1 T ng quan v tr m b m

Ngay t th i c x a, do đi u ki n s n xu t và đ i s ng đòi h i, con ng i đã

bi t dùng nh ng công c thô s nh co ng quay, xe đ p n c v.v đ đ a n c lên các th a ru ng có đ cao chênh l ch Nh ng công c này v n chuy n ch t l ng

d i áp su t khí quy n Sau đó ng i ta đã bi t dùng nh ng pitông đ n gi n nh

ng th t làm b ng tre g đ chuy n n c d i áp su t d .Các máy b m thô s

đ c phát tri n, lúc b y gi b m rôto chi m u th trong các lo i b m

V lý lu n, đ n th k XVIII có th k đ n nh ng c ng hi n vô cùng l n lao

c a nhà khoa h c le, ng i đã đ xu t nh ng v n đ lý lu n có liên quan đ n máy

th y l c và Zucôpsky trong lý lu n v c h c ch t l ng K t đó vi c nghiên c u

và ch t o máy b m m i có c s v ng ch c Th i k này máy h i n c ra đ i t ng thêm kh n ng kéo máy b m u th k XX các đ ng c có s vòng quay nhanh ra

đ i thì máy b m li tâm càng đ c ph bi n r ng rãi và có hi u su t cao, n ng l c

b m l n

Ngày nay máy b m đ c dùng r t r ng rãi trong đ i s ng và các ngành kinh

t qu c dân Trong công nghi p, máy b m đ c dùng đ cung c p n c cho các lò cao, h m m , nhà máy b m d u trong công nghi p khai thác d u m Trong k ngh ch t o máy bay, trong nhà máy đi n nguyên t đ u dùng máy b m Trong

nông nghi p, máy b m dùng đ b m n c t i và tiêu úng Trong đ i s ng máy

b m dùng c p n c s ch cho nhu c u n u ng c a con ng i, gia súc

Hi n nay đã cho ra đ i nh ng máy b m r t hi n đ i, có kh n ng b m hàng

v n m3 ch t l ng trong m t gi và công su t đ ng c tiêu th t i hàng nghìn kW Nga đã ch t o đ c nh ng máy b m có l u l ng Q = 40 m3/s, công su t đ ng c

N = 14.300 kW và có d án ch t o đ ng c đi n kéo máy b m v i công su t N = 200.000 kW Các b ph n và công d ng c a t ng b ph n tr m b m đ c di n t

nh hình 1.1

Hình 1.1: S đ b trí h th ng các công trình tr m b m

- Công trình c a l y n c 1, l y n c t ngu n (l y t sông, h , kênh d n );

- Công trình d n n c 2, có nhi m v đ a n c t c a l y n c v b t p trung n c tr c nhà máy b m Công trình d n n c có th là kênh d n, đ ng ng

d n ho c xi phông Trên công trình d n có th có b l ng cát 3, n u có lu n ch ng

th a đáng;

- B t p trung n c 4 n m tr c nhà máy b m, nó có nhi m v n i ti p

đ ng d n v i công trình nh n n c (B hút) c a nhà máy sao cho thu n dòng;

- Công trình nh n n c 9 (B hút) l y n c t b t p trung và cung c p n c cho ng hút ho c ng t ch y vào máy b m;

- Nhà máy b m 5, đây là n i đ t các t máy b m và các thi t b ph c đi n;

- ng ng áp l c ( ng đ y) 6, đ a n c t máy b m lên công trình tháo 7;

- Công trình tháo 7 (B x ) nh n n c t ng đ y, làm n đ nh m c n c, phân ph i n c cho kênh d n 8 ho c công trình nh n n c

1.2 S phát tri n c a tr m b m chìm trên th gi i và trong n c

1.2.1 S phát tri n c a tr m b m chìm trên th gi i

Ngành công nghi p ch t o máy b m trên th gi i đã đ t đ c nhi u thành

t u trong nghiên c u lý thuy t c b n, thi t k ch t o và áp d ng vào s n xu t kho ng 1500 lo i máy b m Máy b m chìm đã đ c nghiên c u sâu và đ t đ n trình đ cao v c s lý thuy t tính toán, thi t k , ch t o, đ t bi t là các b m chìm

ph c v nông nghi p và thoát n c th i

Hi n nay, các máy b m cánh d n tr c đ t ngang th ng làm vi c v i chi u cao hút đ a hình HSđh ≤ (5-7)m, đ i v i b m cánh d n tr c đ ng c ng b h n ch chi u dài c a tr c Trong th c t , các m c n c sông su i thay đ i r t l n ∆H > 5m

và nhanh đ t ng t gây nhi u khó kh n cho vi c v n hành s d ng khai thác thi t b

ã có m t s bi n pháp k thu t gi i quy t tình tr ng trên: Dùng tr m b m n i (thuy n, phao ), tr m b m di đ ng trên đ ng ray, máy b m phun tia nh m tránh cho s úng ng p đ ng c đi n Tuy nhiên, các bi n pháp đó đem l i hi u qu ch a cao b i k t c u thi t b và công trình ph c t p, khó đi u khi n theo nguyên lý t

đ ng, do v y không ch đ ng trong v n hành khai thác Máy b m chìm đã kh c

ph c t t các nh c đi m trên

các n c công nghi p phát tri n, máy b m chìm đã đ c chú ý đ u t , nghiên c u, ch t o và s n xu t áp d ng vào ph c v nông nghi p, công nghi p, xây

d ng, giao thông t nh ng n m 1940-1950 Các tr m b m chìm đã đ t ch t l ng cao v i các thông s k thu t khác nhau và công su t N = 0,1 - 5.000W, c t áp H= 1,0 -500m, l u l ng Q = 1,0 - 30.000m3/h Th c t đang s d ng r ng rãi các máy

b m chìm l p v i các đ ng c chìm ki u khô, ki u n a t và ki u t Các đ ng c

đi n chìm phân thành đ ng c đi n chìm lo i m t pha hay lo i ba pha ki u l ng sóc

và qu n dây Ph bi n nh t là các máy b m chìm ki u gi ng sâu tr c đ ng hay tr c ngang m t t ng hay nhi u t ng cánh ph c v cho c p n c trong công nghi p, nông nghi p, sinh ho t đ i s ng dân sinh Các máy b m chìm tr c đ ng ki u ly tâm, ki u

h n l u (dòng chéo) hay b m h ng tr c chìm đ c nghiên c u, thi t k , ch t o và

áp d ng r ng rãi trong nông nghi p và các m c đích khác H u nh các hãng s n

xu t b m có uy tín c a các n c công nghi p phát tri n đ u quan tâm nghiên c u và phát tri n máy b m chìm các lo i Các hãng n i ti ng v i các s n ph m máy b m chìm - đ ng c đi n chìm nh : Flygt (Th y i n), ABS, Mona ( c), Ômega (Tây Ban Nha), Kubota, EBARA, Hitachi (Nh t), (Nga), Huyndai (Hàn

Qu c), các hãng b m c a Pháp, Hungary, Anh (hình 1.1 và hình 1.4)

Hungary có nhi u hãng chuyên ngành chú ý nghiên c u thi t k và ch t o máy b m v i ch t l ng đ t tiêu chu n qu c t và có uy tín cao, đ c bi t đ i v i ngành th y l i Vi t Nam Hàng ch c máy b m tr c đ ng lo i CsV1.000 (N= 250- 320KW, Q= 8000 - 16000 m3/h) đã đ c l p t i 9 tr m b m ph c v t i tiêu

Vi t Nam t nh ng n m 1960 - 1970, đ n nay, v n ho t đ ng khá hi u qu Hãng EXTREN c a Hungary đã cung c p các máy b m nêu trên và đã nghiên c u, thi t

k , ch t o nhi u máy b m chìm các lo i công su t đ t ch t l ng cao, đã xu t kh u sang nhi u n c trên th gi i

Hãng ABS c a C ng hòa liên bang c đ c thành l p t cu i th k 19 và

b t đ u ch t o máy b m chìm t nh ng n m 1950 ABS có doanh thu hàng n m nhi u t đô la do cung c p s l ng l n máy b m chìm cho h n 100 n c trên th

đ u tiên t n m 1948 n nay, hãng đã có hàng tr m ki u máy b m chìm v i các

c công su t (đ t t i Nmax = 10.000KW), các thông s và tính n ng k thu t khác nhau Hãng đã xu t kh u t i 110 n c trên th gi i v i doanh thu hàng n m hàng t

đô la Tuy v y giá thành máy b m chìm v n m c cao

Nhi u hãng trên th gi i đã đ u t nghiên c u sâu v nâng cao tu i th , đ

b n, kh n ng làm vi c theo nguyên lý t đ ng hóa c a thi t b c ng nh nâng cao

ly tâm, dòng chéo và h ng tr c (k c tr c ngang và tr c đ ng) v i c u t o g i đ

ch u l c, h th ng làm kín c gi i, bôi tr n và làm mát Lý thuy t tính toán đang

đ c hoàn thi n và phát tri n Nói chung lý thuy t tính toán ph n d n dòng máy

b m chìm không có gì quá khác bi t so v i tính toán d n dòng các b m cánh d n thông th ng Tuy nhiên, do đ c đi m đ t chìm trong môi tr ng ch t l ng (có th

là n c s ch, ch t l ng th i, hóa ch t, n c bùn cát v i nhi t đ khác nhau) hay trong đi u ki n th c t khác nhau nh b m t các gi ng khoan sâu vài tr m mét (b m gi ng sâu), b m n c ph c v làm mát các nhà máy đi n nguyên t , b m chìm ph c v cho công tác khai thác d u khí s đòi h i các ph ng pháp tính toán

Các n c ASEAN và Châu Á đã có nhi u liên doanh, liên k t v i các Hãng

b m l n trên th gi i trong nghiên c u, thi t k và ch t o các ki u b m chìm v i các lo i công su t khác nhau và đ t k t qu t t Rút kinh nghi m các n c công nghi p phát tri n, các n c ASEAN và Châu Á c ng s d ng r t r ng rãi các máy

b m chìm, đ u t cho nghiên c u, thi t k và ch t o các lo i b m chìm ph c v

n i tiêu và su t kh u đ t hi u qu cao Nguyên nhân d n đ n tình hình trên là do tính u vi t c a tr m b m chìm: công trình tr m đ n gi n, r t phù h p v i các vùng

có s thay đ i m c n c nhi u, nhanh, đ t ng t và đ c bi t là không gây ti ng n

Ngoài ra, b m chìm cho phép s d ng v i m c đ t đ ng hóa cao r t thu n l i khi

l c l ng lao đ ng ít

1.2.2 S phát tri n c a tr m b m chìm trong n c

Cho đ n nay, máy b m chìm s d ng Vi t Nam ph c v t i tiêu trong nông nghi p còn quá ít (ch a quá 100 t máy các lo i) v i công su t N = 10-320KW Nguyên nhân chính d n đ n tình tr ng trên là do giá thành các b m chìm quá cao trong khi giá tr s n ph m nông nghi p th p, ngu n v n ngân sách Nhà

n c l i h n ch Ngoài ra, b n thân các nhà qu n lý, nh ng ng i khai thác máy

b m và tr m b m ch a đ c chu n b đ y đ ki n th c cho vi c ti p nh n lo i máy

b m này nh m đ t hi u qu cao B Nông nghi p và Phát tri n nông thôn đã b t đ u chú ý nh p các b m chìm ki u ly tâm, dòng chéo và h ng tr c m t c p công su t

l n Nmax = 320KW, l u l ng l n Qmax = 16.000 m3/h ph c v t i tiêu trong nông nghi p t các n c: Th y i n, c, n , Hàn Qu c, Sau m t s n m đ a vào s d ng trong th c t , có th rút ra m t s k t lu n v máy b m chìm: các máy

b m chìn làm vi c t t, n đ nh; công trình tr m r t đ n gi n, đ c bi t phù h p và

hi u qu đ i v i vùng sông h có s thay đ i m c n c nhi u và nhanh đ t ng t Kinh nghi m c ng ch rõ ch t l ng máy c a m i n c có khác nhau

Nh ng n m qua c ng th y rõ nhi u v n đ t n t i đ i v i ngành ch t o máy

b m B m chìm công su t l n, l u l ng l n ph c v nông nghi p và thoát n c

th i còn quá m i m đ i v i Vi t Nam, k c cán b k thu t chuyên nghành máy

th y khí đ n cán b qu n lý, l p đ t và s d ng hay công nhân v n hành, s a

ch a, H u nh ch a có tài li u k thu t nào v b m chìm chính th c đ c công

b và ph bi n m t cách bài b n có tính pháp quy, m c dù s l ng và ch ng lo i máy b m chìm đ c nh p kh u và s d ng Vi t Nam là r t đáng k (hàng ngàn t máy các lo i) Nhi u công ty khai thác n c ng m ch y u ch quan tâm đ n tính toán l a ch n các b m gi ng sâu và nh p kh u máy c a n c ngoài

B Nông nghi p và phát tri n nông thôn đã giao cho T ng công ty c đi n nông nhi p và th y l i nghiên c u và ch u trách nhi m l p đ t h u h t các t máy

b m chìm có công su t l n (Nmax=320 KW, Qmax = 16.000 m3

/h) do B nh p kh u

c a n c ngoài ph c v t i tiêu trong nông nghi p T ng công ty đã hoàn thành t t nhi m v nghiên c u tài li u v b m chìm, đ ng c chìm và các thi t b đi u khi n kèm theo; đã nghiên c u các quy trình công ngh l p đ t máy b m chìm c l n và

tr c ti p ti n hành l p đ t b m chìm đ t k t qu t t T ng công ty c ng nghiên c u, thi t k , ch t o các ph tùng nh m b o d ng, s a ch a, thay th các chi ti t b m chìm nh p ngo i b h h ng nh m đ m b o cho t t c các máy b m ho t đ ng bình

th ng không c n s can thi o c a chuyên gia n c ngoài

Hi n nay, trong nông nghi p đang s d ng các máy b m h ng tr c, ly tâm và dòng chéo ki u tr c ngang, tr c đ ng và tr c đ t nghiêng v i các thông s công su t

đ ng c đi n r t ph bi n (N = 0,15 - 650KW, s vòng quay n = 300 - 2900v/phút)

Máy b m chìm c a các n c trên th gi i đã ph h u nh đ y đ các tr s công su t đ ng c đi n đã nêu c a Vi t Nam và các tr s công su t khác và l n

h n Nh m ph c v cho công tác nghiên c u, thi t k , ch t o máy b m chìm ph c

v t i tiêu nông nghi p c ng nh các ngành khác chúng ta ph i nghiên c u theo gam đ ng c trên v i các gam b m đ c tr ng nh t

V i các máy b m chìm và đ ng c chìm đ c thi t k và ch t o trong n c

ch c ch n s h giá thành s n ph m t máy và cho phép ch đ ng cung c p thi t b ,

ph tùng thay th ây là gi i pháp t i u nh t đ áp d ng r ng rãi các máy b m chìm vào s n xu t ph c v nông nghi p c ng nh các ngành kinh t khác Ngoài ra, đây c ng là bi n pháp c n thi t phát huy n i l c Vi t nam, góp ph n làm gi m kinh phí nh p kh u, t ng ngo i t xu t kh u, nhanh chóng hòa nh p vàp AFTA trong th i gian t i, đ c bi t là tham gia vào vi c th c hi n các D án xây l p các tr m b m chìm th o ngu n v n c a Ngân hàng th gi i WB2, ADB và ODA

V a qua, Trung tâm nghiên c u, t v n c đi n và xây d ng (REMECO) thu c T ng công ty C đi n xây d ng Nông nghi p và Th y l i (AGRIMECO) đã

đ c B Khoa h c và Công ngh giao cho th c hi n 02 đ tài nghiên c u khoa h c

c p Nhà n c theo Ngh đ nh th v i n c ngoài v "H p tác nghiên c u ch t o máy b m chìm công su t l n ph c v t i tiêu trong nông nghi p" (n m 2001-2002) và "H p tác nghiên c u ch t o đ ng c đi n chìm N = 37 KW l p v i máy

b m chìm cho nông nghi p" (n m 2003-2004), 02 d án s n xu t th nghi m c p Nhà n c v thi t k , ch t o các máy b m chìm ki u ly tâm, h n l u và h ng tr c

k c ch t o đ ng c đi n chìm công su t N ≤ 75 KW c ng nh thi t k , xây d ng các tr m l p máy b m chìm Hàng lo t máy b m chìm đã đ c ch t o và áp d ng vào s n xu t đ t k t qu t t

Trung tâm đã ch t o máy b m chìm ki u h n l u ký hi u AGREX 285/4 (N

= 37 KW, H = 10m, Q = 1000 m3/h, n = 1.450 vòng/phút) Máy b m chìm AGREX 285/4 đã đ c l p áp d ng thành công vào s n xu t (tr m b m Se ình, huy n L p

Th ch, tnh V nh Phúc và tr m b m C ng Bún, t nh B c Giang)

Máy b m chìm ki u h n l u HLC 1100 - 12 (N = 55 KW, n = 980 v/ph, H = 12m, Q = 1100 m3/ph) do Trung tâm thi t k và ch t o đ c l p v i đ ng c đi n chìm tr c đ ng áp d ng cho tr m b m C ng Bún (B c Giang) làm vi c t t, đ t hi u

qu cao

Máy b m chìm h ng tr c HTC 4000 - 5 (N = 75 KW, n = 730 v/ph, H = 5m, Q = 4.000 m3/ph) do Trung tâm nghiên c u, thi t k và t ch c ch t o đã đ c

l p thay th cho máy b m h ng tr c tr c đ ng HT 4000 - 5 tr m b m Qu (Ý Yên, Nam nh) Máy ho t đ ng n đ nh ph c v t i tiêu r t hi u qu , đ c

ng i s d ng đánh giá cao

Các máy b m chìm ki u ly tâm LTC 470 - 16 l p v i đ ng c chìm 1KC37/6 N=37 KW, n = 980 v/ph) do T ng công ty thi t k và ch t o (c đ ng c chìm và máy b m chìm) đã làm vi c t t và đang đ c áp d ng r ng rãi vào th c t s n xu t

Hi n nay, Trung tâm REMECO đang cho ra đ i nhi u lo i máy b m chìm và

k t h p v i Công ty ch t o đi n c Hà N i, Công ty đi n c Vi t Nam - Hungary

ch t o s l ng l n các đ ng c đi n chìm công su t N = 10 - 75 KW ph c v t i tiêu trong nông nghi p

Tóm l i, máy b m chìm là thi t b c đi n thu c lo i công ngh cao đã đ c

s d ng v i s l ng không nh và đang có nhu c u r t l n đ i v i nhi u ngành,

đ c bi t đ i v i nông nghi p và thoát n c th i Tuy nhiên, có th kh ng đ nh r ng,

v l nh v c máy b m chìm, Vi t Nam đã b t t h u khá xa so v i các n c trong khu v c (Singapor, Thái Lan, Malayxia, Indônêxia) v hi u bi t chuyên sâu trong lý thuy t tính toán thi t k , công ngh ch t o, quy trình công ngh v l p đ t, v n hành khai thác qu n lý và s a ch a máy b m chìm, các ki n th c v k t c u các lo i máy b m chìm và các ki u công trình tr m l p đ t máy b m chìm, có quá ít các tài

li u thông tin, các tài li u k thu t; ch a quan tâm đ y đ đ n công tác b i d ng đào t o chuyên ngành v b m và tr m l p b m chìm đ i v i các cán b k thu t,

- Nh ng nguyên nhân gây ra:

+ i u tra, thu th p thi u tài li u v th y v n công trình

+ Tính toán sai ch đ th y l c dòng ch y

+ Thiên nhiên di n bi n ngày càng ph c t p không theo quy lu t, lu ng l ch

d n n c thay đ i theo th i gian

1.3.1.2 S c do n n móng công trình

Nh ng nguyên nhân gây ra:

- Khi thi t k các tr m b m không tính lún, khi x y ra lún m i tính ki m tra

ho c ch tính lún c a tr m b m không tính lún c a b hút, b x Gian t đi n, gian

đi u hành là nh ng b ph n không x lý n n ho c x lý n n ch b ng đ m cát nh t

là các tr m b m có đ a ch t r t x u không x lý n n tri t đ

- Ch a tính đ n nh h ng c a l p đ t đ p sau t ng bên c a b x

- Không x lý b ng cùng m t bi n pháp t ng x ng ho c do s c k t c a ph n đ t

ti p xúc v i b ph n công trình làm phát sinh l c nén tác đ ng vào công trình

- Thi t k bi n pháp tiêu n c h móng không thích h p

- Thi công bi n pháp tiêu n c h móng không t t, làm h ng s c k t c a đ t

tr c b m và các thi t b đóng c t đi n Các thi t b và chi ti t máy đ c thay th không đ ng b , s n xu t trong n c d n đ n th ng xuyên có các s c v các chi

ti t ho t đ ng nh bánh xe công tác, g i đ , tr c b m, cánh h ng gây ra hi n

t ng g m rú máy và đ r gi a các chi ti t l n T i các tr c, n c b rò r l n, khe h gi a vành mòn và bánh xe công tác l n do đó hi u su t máy b m gi m r t nhi u M t khác, đ ng c đi n do s d ng quá lâu d n đ n ch t cách đi n giòn, b ,

d gãy nên d n đ n tình tr ng hay x y ra s c v đi n và hi u su t đ ng c th p Các đ ng c đi n th ng xuyên b cháy các cu n dây do h th ng t đi u khi n b o

- H th ng đo l ng và b o v hi n t i đ c thi t k và l p đ t t r t lâu, đã c

và l c h u Các thi t b h u h t không an toàn v đi n, các s li u đo l ng không chính xác và không còn s d ng đ c n a

- Tính n ng b o v c a h th ng kém, không an toàn cho thi t b và con ng i trong quá trình làm vi c và thao tác

- H th ng t đi u khi n: Các thi t b đã c , c ng k nh, không an toàn v đi n

+ c bi t, không gian ki n trúc khu đ u m i ch t h p, xây d ng tr m

b m m i đ s bên c nh tr m b m c và gi ng nhau v ki n trúc là không phù h p c nh quan;

1.4.2 Các tr m b m chìm

- u đi m:

+ Thi t b c đi n có tính n ng u vi t: đ b n cao, đ an toàn cao nh các thi t b b o v nh ch ng đ o pha, m t pha, l ch pha, ch ng rò r , quá nhi t, quá t i, c m bi n đ m;

- Tr m b m Tân Chi 2: Thu c huy n Tiên Du, t nh B c Ninh hoàn thành vào

n m 1999 t ngu n v n tài tr c a Nh t B n Tr m b m g m 4 t máy b m h n l u

tr c đ ng ký hi u 1350VZM do T p đoàn EBARA s n xu t L u l ng m i t máy

là 14.400 m3/h, c t n c b m 7,3m, t c đ vòng quay 245v/p, đ ng c công su t 400kw ây là tr m b m tiêu l n nh t c a t nh B c Ninh

Hình 1.8: Hình nh tr m b m Tân Chi 2

Hình 1.9 : Máy đ c l p đ t t i tr m Tân Chi 2

1.5.2 Các tr m b m chìm

tr c đ ng ký hi u Amacan P 800-540/155 6UAG1 do T p đoàn AMACAN c a

c s n xu t L u l ng m i t máy là 5.000 m3/h, c t n c b m 7,0m, đ ng c công su t 155kw

Hình 1.10: Hình nh tr m b m chìm Halle – c

Hình 1.11: Hình nh l p đ t máy b m c a tr m b m chìm Halle – c

- Tr m b m tiêu Ph ng Châu – Hà N i: Thu c huy n Ch ng M , thành ph

Hà N i hoàn thành vào n m 2012 Tr m b m g m 4 t máy b m chìm tr c đ ng do

T p đoàn Flygt Th y i n s n xu t L u l ng m i t máy là 2.700 m3/h, c t n c

b m 10,0m, t c đ vòng quay 730v/p, đ ng c công su t 110kw

- Tr m b m H D c – Hà N i: Thu c huy n Ch ng M , thành ph Hà N i công trình đang đ c đ u t xây d ng Tr m b m g m 4 t máy b m chìm tr c

CH NG II CÁC PH NG PHÁP NGHIÊN C U TR NG THÁI NG SU T – BI N D NG

VÀ N NH C A TR M B M CHÌM TRÊN N N T Y U

2.1 i u ki n làm vi c c a công trình trên n n đ t y u

1.2.1 N n đ t y u và phân lo i n n đ t y u

N n đ t là đ t y u n u tr ng thái t nhiên, đ m c a chúng g n b ng ho c cao h n gi i h n ch y, h s r ng l n, l c dính theo thí nghi m c t nhanh không thoát n c t 0,15 daN/cm2

tr xu ng, góc n i ma sát t 00 ÷100

ho c l c dính t

k t qu c t cánh hi n tr ng Su ≤ 0,25 daN/cm2

Theo s c kháng c t không thoát

n c, su, và tr s tiêu chu n N nh sau:

- t r t y u: Su ≤ 12,5 kPa ho c N ≤ 2

- t y u: Su ≤ 255 kPa ho c N ≤ 4

Các lo i n n đ t y u th ng g p:

- t sét m m: g m các lo i đ t sét ho c á sét t ng đ i ch t, tr ng thái bão hòa n c, có c ng đ th p

- Bùn: Các lo i đ t t o thành trong môi tr ng n c, thành ph n h t r t m n (≤200 µm) tr ng thái luôn lo n c, h s r ng r t l n, r t y u v m t ch u l c

- Cát ch y: G m các lo i cát m n, k t c u r i r c, có th b nén ch t ho c pha loãng đáng k Lo i này khi ch u t i tr ng đ ng thì chuy n sang tr ng thái ch y g i

là cát ch y

- t bazan: ây c ng là đ t y u v i đ c đi m đ r ng l n, dung tr ng khô

bé, kh n ng th m n c cao, d b lún s p

t sét y u là m t trong nh ng đ i t ng nghiên c u và x lý r t ph c t p, đòi h i công tác kh o sát, đi u tra, nghiên c u, phân tích và tính toán r t công phu

t sét y u nói chung là lo i đ t có kh n ng ch u t i nh (áp d ng cho đ t

có c ng đ kháng nén quy c d i 0,50 daN/cm2

), có tính nén lún l n, h s

r ng l n (e >1), có môdun bi n d ng th p (E0 < 50 daN/cm2 ), và có s c kháng c t

nh Khi xây d ng công trình trên n n đ t y u mà thi u các bi n pháp x lý thích đáng và h p lý thì s phát sinh bi n d ng th m chí gây h h ng công trình B ng 2.1 trình bày m t s ch tiêu phân lo i đ t m m y u

H s r ng

t nhiên

H s co ngót (Mpa-1)

bão hòa (%)

Góc n i ma sát (0) (ch u

c t nhanh)

t sét > 40 > 1,2 > 0,5 > 95 < 5

t á sét > 30 > 0,95 > 0,3 > 95 < 5

1.2.2 c đi m làm vi c c a công trình bê tông trên n n đ t

Công trình bê tông th y công là lo i công trình có t i tr ng b n thân và t i

tr ng ngang l n, làm vi c trong môi tr ng n c, b i th n n th ng bão hòa và đi u

ki n làm vi c không thoát n c Móng công trình bê tông có th đ t tr c ti p trên n n

đ t ho c ngàm sâu vào n n Khi ch u t i tr ng ph c t p, t i tr ng công trình truy n

xu ng n n v t quá s c ch u t i c a n n, n n s b phá ho i ho c x y ra các hi n

t ng tr t ph ng, sâu ho c tr t h n h p; đi u đó d n đ n s phá ho i v k t c u và công trình b phá ho i hoàn toàn

Móng đ t tr c ti p trên n n Móng nông trên n n

Móng sâu ngàm vào n n Móng sâu ngàm vào n n

nh t ng chi u sâu h p đáy nh h th ng c c

Hình 2.1: Hình th c móng công trình trên n n đ t

Hình 2.2: S đ m t n đ nh công trình bê tông ch u t i tr ng ph c t p

- Làm t ng c ng đ cho k t c u công trình: M c đích đ đ s c ch u các ng

l c sinh ra do lún l ch và lún không đ u Ph ng pháp dùng các đai bê tông c t thép

đ t ng kh n ng ch u ng su t kéo khi ch u u n, đ ng th i có th gia c t i các v trí

d đoán xu t hi n ng su t c c b l n

 Các bi n pháp x lý v móng

- u tiên ph i k đ n ph ng pháp thay đ i chi u sâu chôn móng, s d ng

ph ng pháp này có th gi i quy t v m t lún và kh n ng ch u t i c a n n Khi chi u sâu chôn móng t ng thì s c ch u t i c a n n t ng Tr ng h p n n đ t y u có chi u dày thay đ i nhi u, đ gi m chênh lún có th đ t móng nhi u cao trình khác nhau

Ph ng pháp thay đ i kích th c móng có tác d ng thay đ i tr c ti p áp l c tác d ng lên m t n n do đó c i thi n đ c đi u ki n ch u t i c ng nh đi u ki n

bi n d ng c a n n

Thay đ i đ sâu chôn móng Thay đ i kích th c móng

Hình 2.3: Ph ng pháp x lý v móng

- V i các l p đ t y u có đ dày không l n (t t nh t v i l p đ t y u < 3m)

tr ng thái bão hòa n c ng i ta s d ng đ m cát (đào b toàn b l p đ t y u và thay

b ng cát h t trung, h t thô đ m ch t) đ c i t o n n m cát đóng vai trò nh m t l p

ch u t i ti p thu t i tr ng công trình và truy n t i tr ng đó xu ng các l p đ t bên d i

S đ b trí đ m cát S đ b trí c c cát

Hình 2.4 : Ph ng pháp x lý v n n

- Khi g p tr ng h p n n y u nh ng có đ m nh (G < 0,7) có th s d ng

ph ng pháp đ m ch t l p m t đ làm t ng c ng đ ch ng c t c a đ t và làm gi m tính nén lún L p đ t m t sau khi đ c đ m ch t có tác d ng nh m t t ng đ m đ t, không nh ng u đi m nh ph ng pháp đ m cát mà còn có u đi m là t n d ng đ c

n n đ t thiên nhiên đ đ t móng, gi m kh i l ng đ t đào đ p

- Ph ng pháp s d ng c c bê tông c t thép: M c đích c a ph ng pháp s

d ng kh n ng ch u t i cao c a các t ng đ t d i sâu và l c ma sát gi a c c và n n móng đ gi n đ nh cho công trình

V i u đi m có l ch s phát tri n lâu đ i, phù h p v i nhi u lo i đ a hình đ a

ch t ph ng án s d ng móng c c đ c s d ng ph bi n r ng rãi v i h u h t các

lo i công trình nói chung và công trình th y l i nói riêng

Móng c c đài th p Móng c c đài cao

Hình 2.5 : Ph ng pháp x lý v n n b ng móng c c

2.2 Các ph ng pháp nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng và n đ nh

2.2.1 Các ph ng pháp nghiên c u

Có r t nhi u ph ng pháp nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng và n

đ nh c a công trình trên n n đ t M i ph ng pháp đ u có nh ng u nh c đi m riêng Vi c áp d ng là d a vào yêu c u, tính ch t, m c đ c a bài toán đ t ra

Các ph ng pháp tính toán hi n hành bao g m:

+ Ph ng pháp gi i tích

+ Ph ng pháp s

+ Ph ng pháp th c nghi m

Do n i dung c a đ tài là nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng và n

đ nh c a công trình theo mô hình bài toán ph ng, mà theo trào l u hi n nay bài toán

đ c xây d ng theo ph ng pháp ph n t h u h n (m t trong nh ng ph ng pháp

c a ph ng pháp s ) và đã có nhi u ph n m m u vi t ng d ng đ gi i quy t bài toán này nên tác gi xin trình bày n i dung c a ph ng pháp ph n t h u h n

2.2.2 Ph ng pháp ph n t h u h n

2.2.2.1 N i dung ph ng pháp ph n t h u h n [9]

Ph ng pháp ph n t h u h n ra đ i vào cu i nh ng n m 1950 nh ng r t ít

đ c s d ng vì công c toán h c còn ch a phát tri n Vào cu i nh ng n m 1960,

ph ng pháp này đ c bi t phát tri n nh vào s phát tri n nhanh chóng và d d ng

r ng rãi c a máy tính đi n t n nay có th nói r ng ph ng pháp ph n t h u

h n đ c coi là ph ng pháp có hi u qu nh t đ gi i các bài toán c h c v t r n nói riêng và các bài toán c h c môi tr ng liên t c nói chung nh các bài toán th y khí l c h c, bài toán v t tr ng và đi n tr ng

M t trong nh ng u đi m n i b t c a ph ng pháp ph n t h u h n là d dàng l p ch ng trình đ gi i trên máy tính, t o đi u ki n thu n l i cho vi c t đ ng hóa tính toán hàng lo t k t c u v i nh ng kích th c, hình d ng, mô hình v t li u

và đi u ki n biên khác nhau

Ph ng pháp ph n t h u h n c ng thu c lo i bài toán bi n phân, song nó khác v i các ph ng pháp bi n phân c đi n nh ph ng pháp Ritz, ph ng pháp Galerkin… ch nó không tìm d ng hàm x p x c a hàm c n tìm trong toàn mi n nghiên c u mà ch ch trong t ng mi n con thu c mi n nghiên c u đó i u này đ c

bi t thu n l i đ i v i nh ng bài toán mà mi n nghiên c u g m nhi u mi n con có

nh ng đ c tính c lý khác nhau, ví d nh bài toán phân tích ng su t trong đ p, trong n n không đ ng ch t, bài toán th m qua đ p v t li u đ a ph ng…

Trình t gi i bài toán b ng ph ng pháp ph n t h u h n:

Chia mi n tính toán thành nhi u các mi n con g i t t là các ph n t Các

ph n t này đ c n i v i nhau b i m t s h u h n các đi m nút Các đi m nút này

có th là đ nh các ph n t , c ng có th là m t s đi m đ c quy c trên m t (c nh)

c a ph n t Các ph n t th ng đ c s d ng là các ph n t d ng thanh, d ng

ph ng, d ng kh i

2 Trong ph m vi c a m i ph n t ta gi thi t m t d ng phân b xác đ nh nào

đó c a hàm c n tìm, có th là: Hàm chuy n v , hàm ng su t, c ng có th là c hàm chuy n v và c hàm ng su t

Thông th ng gi thi t các hàm này là nh ng đa th c nguyên mà các h s

c a đa th c này g i là các thông s Trong ph ng pháp ph n t h u h n, các thông

s này đ c bi u di n qua các tr s c a hàm và có th là c các tr s c a các đ o hàm c a nó t i các đi m nút c a ph n t

Tùy theo ý ngh a c a hàm x p x mà trong các bài toán k t c u ta th ng chia thành 3 lo i mô hình:

- Mô hình t ng thích: ng v i mô hình này ta bi u di n g n đúng d ng

ph n b c a chuy n v trong ph n t H ph ng trình c b n c a bài toán s d ng

mô hình d ng này đ c thi t l p trên c s nguyên lý bi n phân Lagrange

- Mô hình cân b ng: ng v i mô hình này ta bi u di n g n đúng d ng phân

b c a ng su t hay n i l c trong ph n t H ph ng trình c b n c a bài toán s

d ng mô hình này đ c thi t l p trên c s nguyên lý bi n phân Castigliano

- Mô hình h n h p: ng v i mô hình này ta bi u di n g n đúng d ng phân

b c a c chuy n v l n ng su t trong ph n t Ta coi chuy n v và ng su t là 2

y u t đ c l p riêng bi t H ph ng trình c b n c a bài toán s d ng mô hình này

đ c thi t l p trên c s nguyên lý bi n phân Reisner-Hellinger

Trong 3 mô hình trên thì mô hình t ng thích đ c s d ng r ng rãi h n c , còn 2 mô hình sau ch s d ng có hi u qu trong m t s bài toán nh t đ nh

3 Thi t l p h ph ng trình c b n c a bài toán:

thi t l p h ph ng trình c b n c a bài toán gi i b ng ph ng pháp ph n

t h u h n ta d a vào các nguyên lý bi n phân T các nguyên lý bi n phân ta rút ra

đ c h ph ng trình c b n c a bài toán d a trên thu t toán c a ph ng pháp ph n

t h u h n có d ng h ph ng trình đ a s tuy n tính: AX=B

4 Gi i h ph ng trình c b n: Gi i h ph ng trình c b n trên s tìm đ c các n s t i các đi m nút c a toàn mi n nghiên c u

tr ng nh lý thuy t truy n nhi t, c h c ch t l ng

+ Gi i đ c bài toán có xét đ n nh h ng bi n d ng ban đ u, tính d h ng

c a n n, xét đ n n n có xét t i các l p xen k p, đ t g y, các bài toán có đi u ki n biên ph c t p

Ph ng pháp ph n t h u h n thu c lo i bài toán bi n phân, song nó khác

v i các ph ng pháp bi n phân c đi n nh ph ng pháp Ritz, ph ng pháp Galerkin… ch nó không tìm d ng hàm x p x c a hàm c n tìm trong toàn mi n

xác đ nh mà ch trong t ng mi n con thu c mi n xác đ nh đó i u này đ c bi t thu n l i đ i v i nh ng bài toán mà mi n xác đ nh g m nhi u mi n con có nh ng

đ c tính khác nhau

Trình t gi i bài toán k t c u b ng ph ng pháp ph n t h u h n nh sau:

 B c 1: Chia mi n tính toán thành các ph n t nh

 B c 2: Ch n n s là các chuy n v nút c a ph n t

Gi thi t t i m t đi m nào đó trong ph n t e có chuy n v đ c bi u di n

b ng hàm f(x,y), ta x p x hàm này b ng đa th c nguyên:

v nút c a ph n t ph i n m trong các thành ph n c a véc t chuy n v nút c a toàn

k t c u Nói cách khác, ta có th bi u di n m i quan h này b ng m t bi u th c toán

trong đó: Le là ma tr n đ nh v c a các ph n t e có kích th c ndn, nó cho ta hình nh cách s p x p các thành ph n c a Ue vào trong ∆

Các ph n t Le ch nh n hai tr s là 0 và 1:

Lij=0 n u Uei ≠ ∆j

Lij=1 n u Uei = ∆j

Nh v y, s d ng ma tr n Le có th s p x p các thành ph n véc t chuy n v nút c a ph n t (chuy n v cá th ) vào véc t chuy n v nút c a toàn k t c u (chuy n v toàn th ) Nói cách khác là s d ng ma tr n đ nh v ta có th bi u di n véc t chuy n v nút cá th qua véc t chuy n v nút toàn th

Theo nguyên lý c c ti u th n ng, gi s v t th có th tích V cân b ng d i

tác d ng c a các l c th tích P và l c b m t q trên b m t S, khi đó th n ng toàn

T T

V

qdS U PdV U dV

σεπ

e e T e e

T e V

2

1

S

e T e T e V

e T e T e e

e T e T e V

e = U K U −U F

21

V i: T e e

e V

T e V

e

e e T e T ne

e

1 1

1π

=

=∑ - là ma tr n c ng c a toàn k t c u

e ne

e

T

e F L

gi i h ph ng trình trên thì m t yêu c u r t quan tr ng là ma tr n đ c ng

K không đ c suy bi n, ngh a là det(K) ≠ 0 đáp ng đ c yêu c u này khi gi i

ta có th x lý b ng đi u ki n biên V i bài toán tính toán k t c u, khi đã x lý đi u

ki n biên thì đi u ki n trên đ ng nhiên th a mãn