Đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng gió theo TCVN 2737

Việc tính toán, nhận xét, đánh giá tải trọng gió tác động lên loại công trình này như thế nào là hợp lý và khả năng ứng xử của một kết cấu tháp phong điện như thế nào khi chịu tải trọng

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình

Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH TUẤN

Phản biện 1: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 2: TS HOÀNG TUẤN NGHĨA

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07

tháng 07 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài: Đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 và ASCE7-10

2 Tính cấp thiết của đề tài:

Phát triển năng lượng bền vững là mối quan tâm hàng đầu hiện nay của các quốc gia trên thế giới nhằm đảm bảo nguồn cung ứng điện lâu dài và giảm thiểu các tác động đến môi trường Cho đến nay, đã có nhiều dự án năng lượng gió đã và đang triển khai ở Việt Nam

Cùng với sự phát triển của công nghệ, quy mô công suất của mỗi turbine gió được nâng lên đồng nghĩa với chiều cao công trình Phong điện ngày một vươn cao

Việc tính toán, nhận xét, đánh giá tải trọng gió tác động lên loại công trình này như thế nào là hợp lý và khả năng ứng xử của một kết cấu tháp phong điện như thế nào khi chịu tải trọng gió thay đổi theo chiều cao, đang là một vấn đề cần được quan tâm và tìm hiểu Từ thực

tế đó, trong khuôn khổ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, học viên lựa chọn đề tài “Đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 và ASCE7-10” với mong muốn có được những kiến thức sát thực hơn về sự tác động của tải trọng gió lên hệ kết cấu này

3 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác động lên công trình Phong điện, cụ thể tải trọng gió tác động lên các bộ phận turbine và kết cấu tháp công trình Phong điện

Tính toán, xét đến gió ngang và thành phần dao động của áp lực gió thay đổi theo chiều cao

Đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng gió theo các tiêu chuẩn nêu trên

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Công trình Phong điện trên bờ chịu tải trọng gió thay đổi theo chiều cao

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán tải trọng gió tác động lên công trình Phong điện theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995

và tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-10 Đánh giá ứng xử của kết cấu tháp phong điện bằng thép, hình dạng ống có đường kính và chiều dày thay đổi theo chiều cao chịu tải trọng gió

5 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu như sau:

- Thu thập các số liệu, tài liệu điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

- Thu thập các số liệu, thông số thiết bị tuabin gió của nhà sản xuất

- Xác định tải trọng tác động lên công trình Phong điện Tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình Phong điện

- Xây dựng mô hình để phân tích

- Phân tích và đánh giá ứng xử của kết cấu tháp phong điện với sự hỗ trợ từ phần mềm tính toán kết cấu như SAP2000

Dựa vào kết quả nghiên cứu, phân tích, so sánh các vấn đề tồn tại trong tính toán để có đề xuất hợp lý

6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Cơ sở khoa học: các tài liệu thiết kế cấu kiện tháp Phong điện hiện này chủ yếu sử dụng các tài liệu nước ngoài song có sự khác nhau về vị trí địa lí, điều kiện tự nhiên… Do đó, cần nghiên cứu cụ thể để áp dụng cách tính toán tải trọng gió tác dụng lên các công trình tương tự dạng tháp trụ theo tiêu chuẩn Việt Nam Tuy nhiên, việc chỉ tính theo tiêu chuẩn Việt Nam sẽ không kiểm chứng được

kết quả Từ đó, áp dụng tính toán tải trọng gió tác dụng lên loại công trình này theo hai tiêu chuẩn ASCE 7-10 và TCVN 2737:1995

để có nhận xét kết quả tính toán và đánh giá ứng xử của kết cấu tháp

Cơ sở thực tiễn: Mang lại nhiều hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong ngành xây dựng hiện nay vì phân tích ứng xử kết cấu tháp Phong điện dựa trên các tài liệu khác nhau để tìm ra giải pháp kết cấu tối ưu Nghiên cứu là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp sau, đánh giá so sánh với các nước khác, tìm ra các phương pháp xác định tải trọng lên dạng kết cấu tháp Phong điện ở Việt Nam

7 Nội dung của luận văn:

Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về gió, hệ kết cấu công trình phong điện và các tiêu chuẩn TCVN và ASCE

Chương 2 Công trình Phong điện chịu tải trọng gió

Chương 3 Tính toán và đánh giá ứng xử của tháp phong điện chịu tải trọng gió

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIÓ, HỆ KẾT CẤU CÔNG TRÌNH PHONG ĐIỆN VÀ CÁC TIÊU CHUẨN TCVN VÀ ASCE

1.1 Tổng quan về Phong điện

1.1.1 Phân loại trang trại gió

1.1.2 Phân loại turbine gió

1.1.3 Phân loại các loại tháp

1.2 Tổng quan về gió, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ASCE

Chương 2 sẽ nghiên cứu về lý thuyết tính toán tải trọng gió tác động lên kết cấu công trình Phong điện theo tiêu chuẩn Việt Nam 2737:1995 và ASCE 7-10

CHƯƠNG 2 CÔNG TRÌNH PHONG ĐIỆN CHỊU

TẢI TRỌNG GIÓ

2.1 Tải trọng thiết kế và phân tích kết cấu

2.1.1 Các loại tải trọng tác dụng lên công trình Phong điện trên

đất liền

2.1.2 Phân tích kết cấu

2.2 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

2.2.1 Gió

2.2.2 Bão và áp thấp nhiệt đới

2.3 Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình theo TCVN

2737:1995

2.3.1 Vận tốc gió cơ bản

2.3.2 Phân chia dạng địa hình

2.3.3 Thành phần lực dọc hướng gió

2.3.4 Thành phần lực ngang của hướng gió

2.3.5 Tổ hợp nội lực của tải trọng gió (gió tĩnh + gió động)

2.4 Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình theo ASCE 7-10

2.4.1 Vận tốc gió cở sở

2.4.2 Dạng đón gió của công trình

2.4.3 Tác động của địa hình

2.4.4 Thành phần lực dọc hướng gió

2.4.5 Thành phần lực ngang của hướng gió

2.5 So sánh giữa các tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và ASCE 7-10

2.5.1 Dạng địa hình

Bảng 2.18 So sánh phân loại địa hình theo 3 tiêu chuẩn

Dạng địa hình

A

Là địa hình trống trải, không có

hoặc có ít vật cản cao quá 1.5m

(bờ biển thoáng, mặt sông, hồ

lớn, đồng muối, cánh đồng

không có cây cao )

B

Độ nhám bề mặt thuộc loại B - Trong vùng đô thị và các khu ngoại thành, các khu rừng hoặc địa hình khác với nhiều vật cản cách rời nhau

mà khoảng cách có kích thước bằng chiều cao vật cản hoặc lớn hơn

2.5.2 Vận tốc gió cơ sở

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995 quy định: Vận tốc gió

cở sở V0 là vận tốc trung bình trong khoảng thời gian 3 giây bị vượt 1 lần trong vòng 20 năm (không phụ thuộc vào loại công trình), ở độ cao

10 m so với mốc chuẩn, tương ứng với địa hình dạng B là địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m (vùng ngoại ô, ít nhà, thị trấn, làng mạc, rừng thưa, vùng trồng cây thưa )

Tiêu chuẩn Mỹ ASCE 7-10 quy định: Vận tốc gió cở sở là vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 3 giây, ở độ cao 10 m so với mốc chuẩn, tương ứng địa hình dạng C Chu kỳ lặp của ASCE 7-10 phụ thuộc vào cấp công trình Chu kỳ lặp là 300 năm với công trình cấp I,

700 năm với công trình cấp II và 1700 năm với công trình cấp III, IV (quy định về dạng địa hình chuẩn C và các cấp công trình tuân thủ theo quy định trong [4])

Có thể nhận thấy các thông số xác định vận tốc gió để làm cở sở xác định áp lực gió tác dụng lên công trình của tiêu chuẩn Việt Nam so với tiêu chuẩn của Hoa kỳ đều đo vận tốc gió cơ sở tại chiều cao tham chiếu là 10m Tuy nhiên, có sự khác biệt về thời gian trung bình để đo vận tốc gió Theo TCVN và ASCE lấy thời gian 3 giây Chu kỳ lặp theo tiêu chuẩn Hoa kỳ là 300, 700 và 1700 năm, trong khi đó tiêu chuẩn Việt Nam lấy chu kỳ lặp là 20 năm Dẫn đến sự khác nhau về giá trị vận tốc gió trung bình

Để quy đổi vận tốc gió sang các chu kỳ lặp 300 năm, 700 năm và

1700 năm có thể áp dụng công thức của Peterka và Shahid [4]:

VT/V50 = 0,36+0,1ln (12T) (2.67) Trong đó:

VT là vận tốc gió có chu kỳ lặp T năm;

V là vận tốc gió có chu kỳ lặp 50 năm

Chuyển đổi chu kỳ lặp: Quy đổi vận tốc gió với chu kỳ lặp 20 năm sang vận tốc gió với chu kỳ lặp trong 50 năm được được xác định theo Bảng 2.23

Bảng 2.23 Hệ số chuyển đổi gió 3s từ chu kỳ 20 năm sang các chu kỳ

khác

Chu kỳ lặp (năm) 5 10 20 30 40 50 100

Hế số chuyển đổi áp lực gió 0,74 0,87 1 1,1 1,16 1,2 1,37

Hệ số chuyển đổi vận tốc gió 0,86 0,93 1,00 1,05 1,08 1,10 1,17

công thức xác định độc lập nhau Gió động chỉ phải kể đến khi tính toán với công trình trụ, tháp, ống khói, cột điện, thiết bị dạng cột, hành lang băng tải, các giàn giá lộ thiên , các nhà nhiều tầng cao trên 40m, các khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp có độ cao trên 36m, tỷ số độ cao trên nhịp lớn hơn 1,5

Theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 cũng chia tác động của gió thành hai thành phần tĩnh và động nhưng ảnh hưởng của thành phần động được xác định cùng với thành phần tĩnh bằng cách đưa vào công thức tính toán hệ số ảnh hưởng động phụ thuộc vào dạng địa hình và hệ số giật G (theo ASCE 7-10) Và theo tiêu chuẩn này luôn kể đến thành phần động vào trong tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình với mọi dạng công trình và bất kỳ chiều cao nào

Ngoài ra, đối với tháp phong điện có tiết diện tròn thay đổi, ngoài lực gió dọc và lực gió ngang với hướng gió còn cần chú ý độ lớn của tải trọng gió phụ thuộc vào hệ số Reynolds (hay số Strouhal) Sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao khi tiết diện thay đổi được đánh giá qua tần số dao động riêng và các tham số về hình học Quy trình để tính toán tải trọng gió thông qua thí dụ tính toán

sẽ được thể hiện ở chương 3

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA THÁP

PHONG ĐIỆN CHỊU TẢI TRỌNG GIÓ

Tính toán tải trọng gió dựa theo chế độ vận tốc gió vận hành

(Vop) và vận tốc gió tới hạn (vận tốc gió tới hạn Ve50, là khoảng thời gian lặp lại 50 năm)

Địa điểm lắp dựng turbine gió ở xã Phú Lạc, huyện Thuy Phong, tỉnh Bình Thuận, theo bảng E1 [2], phân vùng áp lực gió IIA

Tham chiếu mục 2.5.2, vận tốc gió cơ sở cho vùng IIA theo TCVN 2737: 1995 là 36,8 m/s, tương ứng theo ASCE 7-10, đối với công trình turbine gió thuộc công trình cấp II, chu kỳ lặp 700 năm, vận tốc gió cơ sở 51,2 m/s

Bảng 3.3 Vận tốc gió thiết kế

Stt Tiêu chuẩn tính

toán

Vận tốc gió vận hành (m/s)

Vận tốc gió cơ

sở (m/s)

3.2.3 Giả thiết tính toán

Bảng 3.4 Giả thiết sự làm việc của kết cấu

Turbine gió Hệ khung lưới

3.3 Xác định chu kỳ, tần số dao động của tháp Phong điện

3.3.1 Xác định chu kỳ, tần số dao động theo TCVN

Giá trị tần số dao động riêng được xác định theo công thức B.24 - TCVN 229:1999, áp dụng đối với công trình dạng ống khói hoặc các công trình tương tự có mặt cắt ngang hình vành khăn, có

kể đến ảnh hưởng biến dạng của nền, như sau:

√

√

√

√

√

√

3.3.2 Xác định chu kỳ, tần số dao động theo phần tử hữu hạn

Bảng 3.5 Chu kỳ và tần số của các dạng dao động riêng đầu tiên

3.4 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào tháp phong điện theo TCVN

3.4.1 Xác định lực gió dọc tác dụng lên kết cấu tháp

3.4.2 Xác định lực gió dọc tác dụng lên kết cấu cánh quạt

3.4.3 Xác định lực ngang của gió lên thân tháp và cánh quạt

3.5 Tính toán tải trọng gió tác dụng vào công trình theo tiêu chuẩn ASCE 7-10

3.5.1 Xác định lực gió tác dụng lên kết cấu tháp

3.5.2 Xác định lực gió tác dụng lên kết cấu cánh quạt ở trạng thái không vận hành

3.6 Xác định lực gió tác dụng lên kết cấu cánh quạt ở trạng thái gió vận hành

3.7 So sánh kết quả tính toán tải trọng gió

3.7.1 Lực gió tác dụng vào cánh quạt

Kết quả tính toán lực gió tác dụng vào cánh quạt theo trạng thái vận hành và trạng thái không vận hành như sau:

Bảng 3.10 Tổng hợp lực gió tác dụng lên cánh quạt

Kết quả lực gió tác dụng lên cánh quạt trong trường hợp không vận hành theo ASCE 7-10 lớn hơn tính theo TCVN 2737:1995 gấp 1,593 lần (860,07/539,89) Kết quả tính theo ASCE 7-10 cho giá trị lớn do vận tốc gió cơ sở tính theo ASCE 7-10, đối với công trình turbine gió là công trình cấp II có chu kỳ lặp 700 năm Để so sánh kết quả tính toán giữa 2 tiêu chuẩn, cần quy về cùng một chu lỳ lặp 50 năm Lúc này, tải trọng gió được nhân với

hệ số 0,6, kết quả sau khi điều chỉnh cho thấy lực gió tác dụng lên cánh quạt theo TCVN xấp xỉ tính theo ASCE, gấp 1,05 lần (539,89/516,04)

Lực gió lớn nhất tác động lên công trình phong điện trong trường hợp vận hành với vận tốc gió trong khoảng từ 4 đến 25m/s

sẽ nhỏ hơn trong trường hợp vận tốc gió tới hạn khi tính theo hai tiêu chuẩn Do đó ở phần phân tích ứng xử tháp phong điện chỉ xem xét tải trọng gió trong trường hợp không vận hành

Tổng lực gió dọc theo ASCE 7-10

1.W (kN)

1.W (kN)

0,6.W (kN)

Đoạn

tháp

Tổng lực gió dọc theo TCVN 2727:1995

Tổng lực gió dọc theo ASCE 7-10

1.W (kN)

1.W (kN)

0,6.W (kN)

Mômen đáy (kN.m)

Lực cắt đáy (kN)

Mômen đáy (kN.m)

Thứ nhất Không xét Không xét 1,72 162,99 Thứ hai Không xét Không xét 40,26 3824,8

Về lực dọc hướng gió: Kết quả lực cắt đáy theo ASCE 7-10 lớn hơn lực cắt đáy tính theo TCVN 2737:1995 gấp 1,97 lần (840,03/427,28) Kết quả tính theo ASCE 7-10 cho giá trị rất lớn do vận tốc gió cơ sở tính theo ASCE 7-10, đối với công trình turbine gió là công trình cấp II có chu kỳ lặp 700 năm Để so sánh kết quả tính toán giữa 2 tiêu chuẩn, cần quy về cùng một chu lỳ lặp 50 năm Lúc này, tải trọng gió được nhân với hệ số 0,6, kết quả sau khi điều

chỉnh cho thấy lực cắt đáy theo ASCE 7-10 lớn hơn lực cắt đáy tính theo TCVN 2737:1995 gấp 1,18 lần (504,02/427,28)

Về lực ngang hướng gió: giá trị vận tốc gió tới hạn gây xoáy được tính toán dựa theo TCVN 2737:1995 thuộc trong phạm vi gần tới hạn, chưa ảnh hưởng đến sự mất ổn định khí động của kết cấu thân tháp Lực ngang hướng gió tính theo ASCE 7-10 được tính cho cả hai dạng dao động thứ nhất và thứ hai

3.8 Đánh giá ứng xử của tháp phong điện theo 2 tiêu chuẩn

3.8.1 Chuyển vị lớn nhất của đỉnh tháp Phong điện theo TCVN 3.8.2 Chuyển vị lớn nhất của đỉnh tháp Phong điện theo ASCE 3.8.3 Moment thân tháp phong điện theo TCVN

3.8.4 Moment thân tháp phong điện theo ASCE

3.8.5 Ứng suất lớn nhất trên thân tháp Phong điện theo TCVN 3.8.6 Ứng suất lớn nhất trên thân tháp Phong điện theo ASCE 3.8.7 Tổng hợp kết quả dựa trên tính toán TCVN và ASCE

Bảng tổng hợp các chuyển vị lớn nhất ứng với tổ hợp tải trọng tương ứng

Bảng 3.13 Tổng hợp chuyển vị tại đỉnh tháp dựa trên TCVN và ASCE

Bảng tổng hợp các giá trị nội lực lớn nhất ứng với tổ hợp tải trọng tương ứng

Bảng 3.14 Tổng hợp phản lực chân tháp giữa TCVN và ASCE

Bảng 3.15 Tổng hợp ứng suất lớn nhất giữa TCVN và ASCE

TABLE: Stress Summary ASCE7-10 TCVN 2737:1995

S22 KN/m2 -157298.19 -139059.66

3.8.8 Đánh giá ứng xử của tháp phong điện

Sự phân tích ứng xử cấu kiện tháp bao gồm việc tính toán, đánh giá nội lực, các chuyển vị và góc xoay, các ứng suất thành phần và ứng suất chính tính theo hai tiêu chuẩn ASCE 7-10 và TCVN 2737:1995