Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép

Tính cấp thiết của Đề tài Kết cấu dẫn nước là công trình thường gặp trong công trình thủy lợi, thủy điện dùng để dẫn nước khi vượt qua các địa hình như thung lũng, sông, suối… Khi cần v

LỜI CAM ĐOAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy

Tên đề tài luận văn:

“Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép”

Tác giả xin cam đoan đề tài luận văn hoàn toàn do tác giả làm, những kết quả nghiên cứu tính toán trung thực Trong quá trình làm luận văn tác giả có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính chính xác của đề tài Tác giả không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tác giả xin chịu trách nhiệm trước Khoa và Nhà trường

Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2017

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Chiến

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt

Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo Trường Đại học Thuỷ Lợi, các công ty tư vấn và đồng nghiệp, tác giả đã hoàn thành luận văn này Tác giả chân thành biết ơn PGS TS Vũ Hoàng Hưng - Trưởng bộ môn Kết Cấu Công Trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học Đại học và Cao học tại Trường Đại học Thuỷ Lợi

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2017

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Chiến

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẪN NƯỚC DẠNG ỐNG 2

1.1 Khái quát về kết cấu dẫn nước 2

1.1.1 Khái quát chung 2

1.1.2 Hình dạng thân máng 2

1.1.3 Kết cấu trụ đỡ 3

1.1.4 Kết cấu dẫn nước dạng ống thép 6

1.2 Kết luận Chương 1 10

CHƯƠNG 2: TỐI ƯU KẾT CẤU THÉP BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 11

2.1 Phần mềm SAP2000 11

2.1.1 Khái quát về phần mềm SAP2000 11

2.1.2 Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng kết cấu dẫn nước 11

2.1.3 Các bước tính toán bằng SAP2000 15

2.2 Tính toán tối ưu 16

2.2.1 Định nghĩa tối ưu 16

2.2.2 Các tiêu chí tối ưu 17

2.2.3 Quy trình để đạt tối ưu 17

2.3 Nghiên cứu kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép 24

2.3.1 Tải trọng tác dụng lên kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép 24

2.3.2 Phương pháp tính toán kết cấu dẫn nước dạng ống thép 25

2.3.3 Những vấn đề cần nghiên cứu 25

2.4 Tính toán tối ưu kết cấu thép bằng SAP2000 26

2.4.1 Phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu trong SAP2000 26

2.4.2 Các bước tính toán tối ưu các kết cấu cơ bản dầm, khung 28

2.5 Kết luận Chương 2 56

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU DẪN NƯỚC DẠNG GIÀN ỐNG THÉP QUA SÔNG KỲ CÙNG – LẠNG SƠN 57

3.1 Giới thiệu công trình 57

3.2 Lựa chọn các hình thức kết cấu dẫn nước 57

3.2.1 Phương án ống thép liên tục 57

3.2.2 Phương án kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép thường 58

3.2.3 Phương án ống thép được đỡ bằng giàn thép 58

3.2.4 Đề xuất phương án nghiên cứu 59

3.3 Tính toán tối ưu và phân tích kết cấu vận chuyển nước dạng giàn ống bằng thép ống tròn bằng phần mềm SAP2000 60

3.3.1 Phương án 1: Dùng 2 ống thép - Kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép 60

3.3.2 Phương án 2: Dùng 1 ống thép - Kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép 75

3.4 So sánh và nhận xét 2 phương án trên 87

3.5 Kết luận Chương 3 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt dọc kết cấu dẫn nước thông thường 2

Hình 1.2 Các mặt cắt ngang thân máng 2

Hình 1.3 Kết cấu kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép 3

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí trụ đỡ kiểu công xôn kép 3

Hình 1.5 Kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép sử dụng sơ đồ dầm đỡ kiểu công xôn kép 4 Hình 1.6 Gối đỡ kết cấu dẫn nước kiểu vòm (a) và kiểm vòm treo (b) 4

Hình 1.7 Hình ảnh kết cấu dẫn nước dạng vòm 4

Hình 1.8 Kết cấu gối đỡ 5

Hình 1.9 Các kiểu trụ đỡ 5

Hình 1.10 Ống thép đặt trực tiếp lên trụ 6

Hình 1.11 Ống thép được gia cường bằng các sườn dọc và ngang 7

Hình 1.12 Ống thép là một bộ phận của giàn chịu lực 7

Hình 1.13 Ống thép được đặt trên mố trụ cầu giao thông 8

Hình 1.14 Ống thép được đặt trên bản mặt cầu bê tông cốt thép 8

Hình 1.15 Ống thép được đặt trên giàn bê tông cốt thép 8

Hình 1.16 Kết cấu giàn đỡ ống 9

Hình 1.17 Đường ống dẫn nước số 2 sông Đà sử dụng kết cấu giàn thép đỡ ống 9

Hình 2.1 Tuyến tính hóa hàm A(I) 20

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán giàn phẳng 21

Hình 2.3 Đường quan hệ giữa trọng lượng và mômen dẻo 22

Hình 2.4 Sơ đồ cơ cấu phá hủy dẻo 23

Hình 2.5 Xác định nghiệm tối ưu bằng đồ thị 24

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán dầm 31

Hình 2.7 Mô hình hóa dầm 31

Hình 2.8 AUTO1 là nhóm các số hiệu tiết diện để tự động chọn cho dầm 32

Hình 2.9 Gán các tiết diện cho ̣n tự động cho dầm 32

Hình 2.10 Lệnh hiển thị kết quả thiết kế dầm 33

Hình 2.11 Hiển thị tiết diện thiết kế cho dầm 33

Hình 2.12 Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện phân tích 33

Hình 2.13 Gán tiết diện thiết kế vào dầm 34

Hình 2.14 Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện thiết kế 34

Hình 2.15 Sơ đồ tính toán khung 35

Hình 2.16 Sơ đồ tính toán khung với các tiết diện dầm, cột chọn sơ bộ 36

Hình 2.17 Lệnh hiển thị hệ số ứng suất 36

Hình 2.18 Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện chọn sơ bộ 37

Hình 2.19 Xuất hệ số ứng suất 37

Hình 2.20 Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1 38

Hình 2.21 Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1 39

Hình 2.22 Chọn nhóm các tiết diện tự động chọn cho dầm AUTO1-D và AUTO2-D 41 Hình 2.23 Chọn nhóm các tiết diện tự động chọn cho cột AUTO1-C và AUTO2-C 41

Hình 2.24 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 42

Hình 2.25 Lệnh hiển thị tiết diện thiết kế 43

Hình 2.26 Hiển thị tiết diện phân tích và tiết diện thiết kế 43

Hình 2.27 Gán tiết diện thiết kế vào khung 44

Hình 2.28 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 44

Hình 2.29 Hiển thị tiết diện chọn cuối cùng 45

Hình 2.30 Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện thiết kế 46

Hình 2.31 Sơ đồ tính toán giàn phẳng 47

Hình 2.32 Mô hình tính toán giàn 49

Hình 2.33 Hệ số sử dụng vật liệu của các thanh giàn 49

Hình 2.34 Danh sách thép ống vuông AUTO-CT chọn tự động cho cánh thượng và thép ống tròn AUTO-CH chọn tự động cho cánh hạ 51

Hình 2.35 Danh sách thép ống chọn tự động cho thanh bụng giữa AUTO-BG và thanh bụng ở đầu AUTO-BD 51

Hình 2.36 Sơ đồ tiết diện phân tích của các thanh giàn 52

Hình 2.37 Hệ số sử dụng vật liệu trên cơ sở tiết diện phân tích 52

Hình 2.38 Sơ đồ tiết diện thiết kế của các thanh giàn 52

Hình 2.39 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết diện thiết kế 53

Hình 2.40 Gán liên kết khớp vào hai đầu các phần tử thanh 54

Hình 2.41 Mô hình giàn có các phần tử thanh nối khớp 54

Hình 2.42 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 55

Hình 2.43 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 55

Hình 3.1 Kết cấu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp 58

Hình 3.2 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước 58

Hình 3.3 Kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép nhịp đơn dài 18 [m] 58

Hình 3.4 Mặt bằng cánh hạ giàn và ống dẫn nước 59

Hình 3.5 Giàn đỡ ống thép 59

Hình 3.6 Phương án 1 ống thép (nhịp giàn thứ 1) 60

Hình 3.7 Phương án 2 ống thép (nhịp giàn thứ 1) 60

Hình 3.8 Kết cấu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp 61

Hình 3.9 Kết cấu nhịp thứ 1 61

Hình 3.10 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước 61

Hình 3.11 Sơ đồ ALN tác dụng lên kết cấu dẫn nước nhịp thứ 1 62

Hình 3.12 Mặt cắt A-A và sơ đồ áp lực gió ngang 62

Hình 3.13 Biểu đổ lực dọc P toàn nhịp 65

Hình 3.14 Biểu đồ mô men uốn M3 toàn nhịp 66

Hình 3.15 Hệ số sử dụng vật liệu nhịp thứ 1 66

Hình 3.16 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 69

Hình 3.17 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng tại nhịp thứ 1 70

Hình 3.18 Tiết diện tối ưu cho thanh cánh thượng 70

Hình 3.19 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ tại nhịp thứ 1 71

Hình 3.20 Tiết diện tối ưu cho thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ tại nhịp số 1 72

Hình 3.21 Tiết diện tối ưu cho các thanh giàn cho nhịp thứ 1 73

Hình 3.22 Tiết diện tối ưu cho các thanh giàn cho nhịp thứ 2 73

Hình 3.23 Tiết diện tối ưu cho các thanh giàn cho nhịp thứ 3 73

Hình 3.24 Biểu đồ chuyển vị do TH1 74

Hình 3.25 Kết cấu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp 75

Hình 3.26 Kết cấu nhịp thứ nhất 75

Hình 3.27 Mặt bằng giàn nối 2 thanh cánh thượng nhịp thứ nhất 75

Hình 3.28 Sơ đồ ALN tác dụng lên kết cấu dẫn nước nhịp thứ 1 76

Hình 3.29 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước 76

Hình 3.30 Kết cấu giàn gối và sơ đồ áp lực gió ngang 77

Hình 3.31 Biểu đồ lực dọc P nhịp số 1 80

Hình 3.32 Biểu đồ giá trị lực dọc P lớn nhất nhịp số 1 80

Hình 3.33 Biểu đổ mô men uốn M3 nhịp số 1 81

Hình 3.34 Biểu đổ giá trị mô men uốn M3 lớn nhất nhịp số 1 81

Hình 3.35 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D1400x10 [mm] nhịp số 1 82

Hình 3.36 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] nhịp số 1 82

Hình 3.37 Hệ số sử dụng vật liệu thanh D200x8 [mm] nhịp số 1 83

Hình 3.38 Biểu đồ chuyển vị nhịp giàn thứ 1 85

Hình 3.39 Biểu đồ chuyển vị nhịp giàn thứ 2 85

Hình 3.40 Biểu đồ chuyển vị nhịp giàn thứ 3 86

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích 38

Bảng 2.2 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với các tiết diện thiết kế 45

Bảng 2.3 Phản lực khung ứng với phương án thiết kế tối ưu 46

Bảng 2.4 Phản lực khung ứng với phương án tiết diện chọn 46

Bảng 2.5 Trọng lượng của khung ứng với 2 phương án chọn tiết diện khung 46

Bảng 2.6 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết diện chọn sơ bộ 49

Bảng 2.7 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 53

Bảng 2.8 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế 56

Bảng 3.1 Trọng lượng bản thân kết cấu dẫn nước 63

Bảng 3.2 Tổng áp lực nước tác dụng lên máng 63

Bảng 3.3 Tổng áp lực gió ngang tác dụng lên máng 64

Bảng 3.4 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 67

Bảng 3.5 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] tại nhịp số 1 67

Bảng 3.6 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ D200x8 [mm] tại nhịp số 1 68

Bảng 3.7 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 69

Bảng 3.8 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng tại nhịp thứ 1 70

Bảng 3.9 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ tại nhịp thứ 1 71

Bảng 3.10 Chuyển vị tại giữa nhịp 1 và nhịp 2 74

Bảng 3.11 Trọng lượng bản thân máng 77

Bảng 3.12 Tổng áp lực nước tác dụng lên kết cấu dẫn nước 78

Bảng 3.13 Tổng áp lực gió ngang tác dụng lên máng 79

Bảng 3.14 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1400x10 [mm] nhịp số 1 82

Bảng 3.15 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] nhịp số 1 83

Bảng 3.16 Hệ số sử dụng vật liệu thanh D200x8 [mm] nhịp số 1 84

Bảng 3.17 Chuyển vị lớn nhất tại giữa nhịp 1 và nhịp 2 86

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Kết cấu dẫn nước là công trình thường gặp trong công trình thủy lợi, thủy điện dùng để dẫn nước khi vượt qua các địa hình như thung lũng, sông, suối… Khi cần vượt qua các nhịp quá lớn, kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới thép ứng suất trước không đáp ứng được hoặc xem xét thay thế xi phông, nhất là khi không có yêu cầu kết hợp giao thông, thì kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn là kết cấu cần được xem xét và có ý nghĩa lớn trong thực tiễn

Trong luận văn này tác giả chọn kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép dùng để chuyển nước, các thanh còn lại cũng bằng thép ống tạo thành kết cấu dạng giàn ống có thể vượt qua được các nhịp lớn Đường kính thanh cánh hạ được chọn theo yêu cầu vận chuyển nước, các thanh còn lại được thiết kế theo lý thuyết tính toán tối ưu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép ống trong đó

sử dụng chức năng thiết kế tối ưu kết cấu thép trong phần mềm SAP2000 để chọn kích thước các thanh giàn thỏa mãn về yêu cầu trọng lượng nhỏ nhất; cường độ và độ cứng được tối ưu nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế tối ưu kết cấu thép dạng giàn ống nhịp lớn trong phần mềm SAP2000 trên cơ sở mô hình tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Xây dựng được mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn theo lý thuyết tính toán tối ưu có thể giảm được mố trụ, giảm được vốn đầu tư xây dựng công trình và áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẪN NƯỚC DẠNG ỐNG

1.1 Khái quát về kết cấu dẫn nước

1.1.1 Khái quát chung

Kết cấu dẫn nước là kết cấu thường gặp trong công trình thủy lợi, thủy điện Trong những trường hợp kênh dẫn phải vượt qua thung lũng, sông suối có thể dùng phương

án kết cấu dẫn nước để đảm bảo việc dẫn nước trong kênh [4] Với cầu máng bê tông cốt thép thông thường nhi ̣p cầu máng da ̣ng dầm đơn chı̉ vào khoảng từ 10 [m] đến 15 [m], khi sử dụng thêm kết cấu ứng suất trước thì nhịp kết cấu dẫn nước có thể tăng lên nói chung không quá 30 [m] Để giảm đươ ̣c số lươ ̣ng các gối đỡ, đă ̣c biê ̣t có hiê ̣u quả khi cầu máng cần vươ ̣t qua các khe vách núi sâu, hiểm trở không bố trı́ đươ ̣c các mố giữa, cần nghiên cứu sử dụng kết cấu cầu máng dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt dọc kết cấu dẫn nước thông thường

1 Cửa vào; 2 Mố bên; 3 Thân kết cấu; 4 Gối đỡ; 5 Khe co giãn; 6 Cửa ra; 7 Kênh

1.1.2 Hình dạng thân máng

Thân máng làm nhiệm vụ chuyển nước, mặt cắt ngang dạng chữ nhật, bán nguyệt, parabol, chữ U hoặc hình tròn Vật liệu được dùng để xây dựng máng có thể là gỗ, gạch đá xây, bê tông cốt thép, xi măng lưới thép hoặc thép Tiết diện máng phải đủ để chuyển nước, độ nhám nhỏ tránh tổn thất cột nước, vật liệu thân máng phải bền và ít thấm nước

Chọn hình thức mặt cắt ngang thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm thân máng, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào và cửa ra

Hình 1.2 Các mặt cắt ngang thân máng

a Hình chữ nhật; b Hình thang; c Hình chữ U; d Hình tròn

Kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép có khả năng chịu lực tốt, thỏa mãn yêu cầu đồng thời về chịu lực và cấu tạo cũng như tối ưu về mặt trọng lượng

Hình 1.3 Kết cấu kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép

1.1.3 Kết cấu trụ đỡ

Nếu kết cấu dẫn nước dài có thể đặt trên gối đỡ theo hình thức dầm liên tục hoặc dầm công xôn kép Loại có dầm công xôn kép (Hình 1.4) khi chọn chiều dài của nhịp L và chiều dài của đầu thừa a theo quan hệ L = 2,7a thì giá trị mômen âm và dương lớn nhất xảy ra trong dầm sẽ bằng nhau, tiện cho bố trí cốt thép

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí trụ đỡ kiểu công xôn kép Kết cấu dẫn nước dựa vào gối đỡ theo nhiều hình thức, tuỳ theo tình hình cụ thể mà lựa chọn Có thể chỉ kê hai đầu vào bờ theo hình thức gối tự do Máng có thể đặt trực tiếp trên gối đỡ (Hình 1.6a) hoặc trên hệ thống dầm dọc (Hình 1.6b) Trường hợp kết cấu dẫn nước vượt qua lòng sông sâu và không rộng, nước chảy lại khá xiết, nếu hai bờ tốt, vẫn có thể dùng hình thức dầm liên tục và các gối đỡ tựa trên một vòng vòm (Hình 1.6a) Trường hợp địa chất hai bên bờ yếu, dùng hình thức vòm treo (Hình 1.6b)

để giảm lực truyền cho hai bờ Lúc đó thành máng chịu kéo theo phương đứng

Hình 1.5 Kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép sử dụng sơ đồ dầm đỡ kiểu công xôn kép

Hình 1.6 Gối đỡ kết cấu dẫn nước kiểu vòm (a) và kiểm vòm treo (b)

Hình 1.7 Hình ảnh kết cấu dẫn nước dạng vòm

Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ ở bên (mố bên) và gối đỡ ở giữa (trụ giữa) Mố bên thường dùng kiểu trọng lực (Hình 1.8), còn trụ giữa khi chiều cao trụ không lớn cũng hay dùng kiểu trọng lực, khi chiều cao của trụ lớn thường dùng kiểu khung hoặc kiểu hỗn hợp

Hình 1.8 Kết cấu gối đỡ

1 Mố biên kiểu trọng lực; 2 Cửa vào; 3 Thân máng; 4 Phần đất đắp;

5 Thiết bị thoát nước; 6 Mặt đất tự nhiên; 7 Trụ giữa Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng

có các trụ có chiều cao dưới 10 [m], trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực thường rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải lớn (Hình 1.9a) Trụ đỡ kiểu khung có hai loại: khung đơn và khung kép, khung đơn thường dùng cho các trụ cao dưới 15 [m] (Hình 1.9b), còn trụ kép thường dùng khi các trụ có chiều cao từ 15 [m] đến 20 [m] (Hình 1.9c) Móng của mố và trụ có thể đặt trực tiếp lên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc

1.1.4 Kết cấu dẫn nước dạng ống thép

1.1.4.1 Khái quát chung

Kết cấu dẫn nước bằng thép ống thường dùng để dẫn chất khí hay chất lỏng có áp, trong trường hợp dẫn nước có áp này dùng giàn liên tục có chiều dài nhịp bằng khoảng cách trung tâm giữa hai trụ cầu Mặt cắt ngang kết cấu dẫn nước chọn 2 ống dẫn nước hoặc 1 ống dẫn nước thỏa mãn điều kiện lưu lượng Thanh cánh hạ của giàn, cánh thượng và các thanh bụng giàn cũng dùng thép ống có đường kính chọn sao cho trọng lượng của giàn là nhỏ nhất, đồng thời thỏa mãn yêu cầu về chịu lực và cấu tạo

Kết cấu dẫn nước dạng ống thép tròn có ưu điểm là bảo đảm tốt các yêu cầu thủy lực nên tổn thất cột nước qua công trình khá nhỏ Việc xây dựng, quản lý tương đối dễ dàng, thuận lợi hơn nữa khi thi công kết cấu dẫn nước ống thép tương đối nhanh và thẩm mỹ Ngoài ra kết cấu dẫn nước ống thép có thể gác trên các mố hoặc trụ cầu giao thông hoặc đặt trực tiếp trên mặt cầu giao thông mà không ảnh hưởng đến kết cấu chung hoặc làm mố và trụ kích thước không lớn khi vượt địa hình hiểm trở

1.1.4.2 Các hình thức kết cấu dẫn nước dạng ống thép

Khi nhịp ống thép không lớn có thể đặt trực tiếp ống thép lên mố trụ (Hình 1.10), bản thân ống thép làm việc như kết cầu dầm liên tục tiết diện tròn

Hình 1.10 Ống thép đặt trực tiếp lên trụ

Để tăng cường khả năng chịu lực của ống thép, bên ngoài ống thép có thể hàn thêm các sườn gia cường dọc và ngang (Hình 1.11) Ngoài ra có thể coi ống thép là một bộ phận của giàn để kéo dài nhịp của ống thép (Hình 1.12)

Hình 1.11 Ống thép được gia cường bằng các sườn dọc và ngang

Hình 1.12 Ống thép là một bộ phận của giàn chịu lực Khi có yêu cầu về giao thông nên kết hợp trên mố trụ cầu để giảm chi phí đầu tư xây dựng công trình (Hình 1.13) Ngoài ra có thể đặt trực tiếp lên bản mặt cầu bê tông cốt thép (Hình 1.14) hoặc giàn bê tông cốt thép (Hình 1.15)

Hình 1.13 Ống thép được đặt trên mố trụ cầu giao thông

Hình 1.14 Ống thép được đặt trên bản mặt cầu bê tông cốt thép

Hình 1.15 Ống thép được đặt trên giàn bê tông cốt thép Khi ống thép vượt qua nhịp đặc biệt lớn và đường kính ống thép lớn không nên cho ống thép tham gia chịu lực, nên tách riêng kết cấu giàn để đỡ ống thép (Hình 1.16 và Hình 1.17)

Hình 1.16 Kết cấu giàn đỡ ống

Hình 1.17 Đường ống dẫn nước số 2 sông Đà sử dụng kết cấu giàn thép đỡ ống

1.2 Kết luận Chương 1

1 Vấn đề tổng hợp, lợi dụng nguồn nước là một bài toán tổng hợp cho các nhà quản

lý, thiết kế, xây dựng thủy lợi - thủy điện Trong đó hệ thống kênh và công trình trên kênh đóng vai trò quan trọng như huyết mạch trong các hệ thống thủy lợi Việc tính toán thiết kế, xây dựng kênh và công trình trên kênh phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất

2 Với các vùng có điều kiện địa hình phức tạp như các tỉnh miền núi phía Bắc, các tỉnh Tây Nguyên hệ thống kênh thường đi qua các vùng có địa hình phức tạp như: sông, suối, thung lũng sâu và hẹp thì việc sử dụng kết cấu dẫn nước luôn là lựa chọn

số một của các nhà thiết kế vì các tính năng ưu việt của nó

3 Các công trình thủy lợi lớn nhỏ ở nước ta hầu hết đều có sử dụng kết cấu dẫn nước, việc sử dụng kết cấu dẫn nước đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

4 Có nhiều loại kết cấu dẫn nước đã được nghiên cứu và sử dụng trong thực tế: theo vật liệu sử dụng có kết cấu dẫn nước bằng gỗ; kết cấu dẫn nước bằng gạch; kết cấu dẫn nước bằng đá xây; kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép; kết cấu dẫn nước xi măng lưới thép vỏ mỏng; kết cấu dẫn nước giàn ống bằng thép Theo hình thức kết cấu có sơ đồ kết cấu giàn thép, kết cấu dẫn nước có mặt cắt hình tròn, kết cấu dẫn nước có thanh cánh thượng, thanh cánh hạ và thanh bụng tạo thành giàn thép

5 Tùy theo điều kiện và yêu cầu của từng công trình cụ thể, chúng ta sử dụng loại kết cấu dẫn nước cho phù hợp để đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật

CHƯƠNG 2: TỐI ƯU KẾT CẤU THÉP BẰNG PHẦN MỀM SAP2000

2.1 Phần mềm SAP2000

2.1.1 Khái quát về phần mềm SAP2000

Phần mềm tính toán kết cấu SAP2000 (Structural Analysis Program) được phát triển bởi công ty CSI (Computer and Structures, Inc) của Hoa Kỳ và nổi tiếng trên phạm vi toàn cầu Đây là phần mềm mạnh phân tích và thiết kế kết cấu trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn theo mô hình chuyển vị Trải qua hơn 30 năm kiểm nghiệm phân tích kết cấu thực tế và không ngừng đổi mới cho phù hợp với sự phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn, hiện nay đã phát triển đến phiên bản SAP2000 v19

2.1.2 Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái

ứng suất và biến dạng kết cấu dẫn nước

2.1.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phần tử hữu hạn là phương pháp đang được áp dụng phổ biến hiện nay, vì phương pháp này rất thuận tiện cho áp dụng máy tính điện tử, cho phép tính toán kết cấu với những sơ đồ tính toán phức tạp, phản ánh tương đối đầy đủ tình hình làm việc của kết cấu thực; cho phép tự động hóa tính chất kết cấu, tiết kiệm được nhiều lao động và thời gian [3]

Các mô hình trong phương pháp phần tử hữu hạn:

- Mô hình tương thích: Ứng với mô hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân

bố của chuyển vị trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange

- Mô hình cân bằng: Ứng với mô hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố của ứng suất hay nội lực trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử dụng

mô hình này được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castiglino

- Mô hình hỗn hợp: Ứng với mô hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị và ứng suất trong phần tử Hệ phương trình cơ bản của bài toán sử

dụng mô hình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner-Hellinger

2.1.2.2 Phương trình cơ bản của phần tử hữu hạn

Phương trình cơ bản của phương pháp phân tử hữu hạn với mô hình tương thích được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange khi có chuyển vị khả dĩ cho phép (phù hợp với liên kết của hệ), nếu vật thể ở trạng thái cân bằng và thỏa mãn các điều kiện biên thì thế năng toàn phần của hệ đạt giá trị dừng:

0)

b T e e

T e

e, e - vectơ ứng suất và vectơ biến dạng;

Ve, Se - thể tích của phần tử và diê ̣n tích đặt tải trọng bề mặt;

(pb)e, (ps)e - vectơ lực khối và vectơ tải trọng bề mặt

Với vật liệu đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:

e = D * e (2-3) Trong đó:

b T e e

T e

DB B

T e e

b T e e

e T e T

e - vectơ chuyển vị nút của phần tử;

Ke, Fe - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ tọa độ địa phương, được xác định theo công thức sau:

 - vectơ chuyển vị nút của kết cấu;

K, F - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ to ̣a độ tổng thể, được xác định theo công thức sau:

vị trong ma trân độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu nhờ ma trận định vị

Le và được ký hiệu lần lượt là KLe và FeL

Ma trận độ cứng Ke và vectơ tải trọng nút Fe của phần tử trong hệ to ̣a độ tổng thể được xác định từ ma trận độ cứng K e và vectơ tải trọng nút F ecủa phần tử trong hệ to ̣a độ địa phương nhờ ma trận biến đổi to ̣a độ Te như sau:

T e

e e e

T e

2.1.2.3 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Để tính toán một kết cấu đàn hồi tuyến tính theo phương pháp phần tử hữu hạn tương ứng với mô hình chuyển vị, ta thực hiện theo trình tự sau:

1 Chọn loại và dạng hình học của phần tử hữu hạn;

2 Rời rạc hóa kết cấu thành một lưới các phần tử hữu hạn, mức độ thưa mau phụ thuộc vào yêu cầu quy định về độ chính xác của kết quả tính toán Lập véc tơ chuyển

vị nút của toàn kết cấu rời rạc hóa {} (véc tơ chuyển vị);

3 Giả thiết hàm chuyển vị cho phần tử đã chọn để tính toán;

4 Lập ma trận độ cứng của các phần tử dưới dạng các công thức để có thể tính ma trận

độ cứng của từng phần tử;

5 Tập hợp các ma trận độ cứng thành ma trận độ cứng của toàn kết cấu rời rạc hóa phù hợp chặt chẽ với véc tơ chuyển vị nút về thứ tự, thành phần và kích thước;

6 Xác định véc tơ tải tương đương (lực nút) của kết cấu rời rạc hóa bằng các tập hợp các véc tơ tải của từng phần tử Véc tơ tải này tương ứng với véc tơ chuyển vị nút về thứ tự và thành phần;

7 Dùng điều kiện biên của kết cấu để khử tính suy biến của ma trận độ cứng của kết cấu đã lập ở bước 5;

8 Giải hệ phương trình: [K] * {} = {F} để tìm véc tơ chuyển vị nút của kết cấu rời rạc hóa;

9 Xác định nội lực, ứng suất của từng phần tử;

10 Vẽ các biểu đồ biểu diễn kết quả

Việc giải bài toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn có thể thực hiện trên máy tính thông qua các phần mềm thông dụng như SAP2000, ANSYS, ABAQUS,

d Định nghĩa đặc trưng hình học của phần tử kết cấu

e Định nghĩa tải trọng và tổ hợp tải trọng

f Gán đặc trưng hình học vào các phần tử kết cấu đã mô hình hóa

g Gán các trường hợp tải trọng vào kết cấu đã mô hình hóa

h Đặt tên file bài toán

i Chạy chương trình và hiển thị kết quả tính toán

2.2 Tính toán tối ưu

2.2.1 Định nghĩa tối ưu

2.2.1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, vấn đề thiết kế tối ưu hóa kết cấu của các công trình thủy

có vai trò và ý nghĩa quan trọng, nhằm mục đích xác định kích thước hợp lý của kết cấu trên cơ sở đảm bảo đủ bền với trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng chi phí vật liệu là thấp nhất, không chỉ cho phép giảm giá thành sản phẩm mà còn ảnh hưởng tốt đến các tính năng của công trình Trong thực tế, kết cấu thường được tính dựa theo các yêu cầu trong các Quy phạm, tuy nhiên các công thức Quy phạm, mặc dù xây dựng trên cơ sở

lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, nhưng không thể phản ánh hết các điều kiện nơi kết cấu hoạt động nên tính theo phương pháp này thường phải chấp nhận tốn kém vật liệu

và tăng trọng lượng kết cấu vì bản thân kết cấu chưa ở dạng hợp lý nhất Vì thế bài toán thiết kế tối ưu kết cấu nói chung và kết cấu thép nói riêng mang tính cấp thiết

2.2.1.2 Định nghĩa tối ưu

Tối ưu được định nghĩa là quá trình tìm kiếm hàm mục tiêu lớn nhất hoặc nhỏ nhất mong muốn trong khi vẫn đáp ứng được các điều kiện ràng buộc ban đầu Trong mọi giai đoạn của xây dựng, thiết kế và bảo trì các hệ thống kỹ thuật, các kỹ sư phải đưa ra quyết định công nghệ và quản lý nhất định Mục tiêu cuối cùng của tất cả các quyết định đó hoặc là để tối thiểu các hiệu quả của kết cấu, đạt giá trị lớn nhất lợi ích mong muốn Để đạt một trong những mục tiêu này trong bất kỳ tình huống nào có thể được thể hiện như là một hàm toán học của một số biến thiết kế

Tối ưu cũng có thể được định nghĩa như là quá trình tìm kiếm các điều kiện cung cấp cho các giá trị tối đa hoặc tối thiểu của một hàm mục tiêu

Như vậy: Tối ưu là tìm giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất của một hàm n biến f(x 1 ,x 2 , x n ) với n là một số nguyên dương

Bài toán: Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm f(x); x là véc tơ n biến = ( x1 , x2, , xn ) với điều kiện:

- f(x) là hàm mục tiêu cần tìm giá trị min;

- g(x) là bất đẳng thức ràng buộc;

- h(x) là đẳng thức ràng buộc;

Tối ưu hóa kết cấu: Là đưa ra một kết cấu tốt nhất nhằm cải thiện và nâng cao tính

năng làm việc của kết cấu đó khi nó chịu tác dụng của tải trọng, ứng suất và các điều kiện khác Kỹ thuật tối ưu hóa là đóng vai trò quan trọng trong các thiết kế kết cấu; mục đích của nó là tìm ra các thiết kế tốt nhất đảm bảo độ tin cậy cao nhất Tối ưu hóa kết cấu cũng giải quyết bài toán của tối ưu

2.2.2 Các tiêu chí tối ưu

- Tối ưu về trọng lượng

- Tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi

- Tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo

2.2.3 Quy trình để đạt tối ưu

2.2.3.1 Quy trình tối ưu về trọng lượng

Trong thiết kế thực tế ngoài bài toán kiểm tra chúng ta còn gặp bài toán xác định kích thước cần thiết của tiết diện các phần tử kết cấu đã cho ứng với một hệ tải trọng đã biết, sao cho thỏa mãn điều kiện cường độ, điều kiện độ cứng và sử dụng vật liệu ít nhất, đây là bài toán thiết kế tối ưu kết cấu về mặt trọng lượng

Hàm mục tiêu và các ràng buộc: Trong tính toán tối ưu kết cấu hàm mục tiêu thường biểu thị các đại lượng cần cực tiểu hóa như trọng lượng, thể tích, giá thành,… của kết cấu Các điều kiện ràng buộc dưới dạng đẳng thức thường là các điều kiện cân bằng, các điều kiện biến dạng liên tục Các điều kiện ràng buộc dưới dạng bất đẳng thức thường là các điều kiện về độ bền, độ cứng, các điều kiện về chảy dẻo v.v

Dạng hàm mục tiêu và điều kiện ràng buộc thay đổi tùy theo kết cấu và phương pháp giải Do đó bài toán tối ưu và phương pháp giải có những đặc điểm khác nhau khi dùng phương pháp tính khác nhau như phương pháp lực hay phương pháp chuyển vị Trong thực tế để tiện cho việc chế tạo và giảm giá thành, kết cấu thường được phân thành nhiều nhóm cấu kiện Các cấu kiện trong mỗi nhóm có tiết diện như nhau và mỗi

cấu kiện là hình lăng trụ đều Giả sử một kết cấu được chia thành G nhóm, một nhóm bất kỳ kí hiệu là g, gọi tổng chiều dài của các cấu kiện trong nhóm là Lg và diện tích tiết diện là Ag Vậy:

Thể tích kết cấu:

1

G

g g g

T  L A



Trong đó:

g là trọng lượng riêng của vật liệu trong nhóm g

Giá vật liệu kết cấu:

1

G

g g g g g

C C L A



Trong đó:

Cg là giá vật liệu trên một đơn vị trọng lượng;

Hàm C trong công thức (2-17) là hàm mục tiêu về giá cả

Nếu giá vật liệu không thay đổi trong các nhóm thì T trong công thức (2-16) là hàm mục tiêu về trọng lượng

Nếu kết cấu được chế tạo bằng một loại vật liệu thì V trong công thức (2-15) là hàm mục tiêu về thể tích

Trong các hàm mục tiêu ở trên có biến là diện tích tiết diện Ag, nhưng trong các điều kiện ràng buộc về độ bền và độ cứng có biến khác nhau như mômen quán tính của tiết diện Ig, mômen chống uốn Wg Nếu bài toán tối ưu gồm nhiều biến, ta cần tìm cách đưa về ít biến để việc tính toán được đơn giản hơn Chẳng hạn khi chỉ dùng một biến

Ag ta sẽ quy đổi các biến Ig và Wg thành biến Ag Nếu chỉ dùng một biến Ig ta quy đổi các biến Ag và Wg thành Ig

Nhìn vào các bảng đặc trưng hình học của tiết diện ta không thể phát hiện quy luật về mối quan hệ giữa chúng Song lấy lôgarit các đại lượng đó, ta sẽ phát hiện ra một quy luật giữa chúng như sau:

0,78*

0,559*

n m

Với dầm tiết diện chữ I phổ thông có n = 2/3 và m = 1/2

Đối với hệ khung: (2-18) thay vào các biểu thức (2-15), (2-16) và (2-17), ta có:

1/2

10,559

G

g g g

G

g g g g



1/2 1

0,559

G

g g g g g

3/ 2 2

Phương trình (2-20b) có thể biểu diễn gần đúng qua hệ thức tuyến tính sau:

Trong đó: a, b là các hằng số

Hình 2.1 Tuyến tính hóa hàm A(I)

Phương pháp giải: Khi hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc đều có dạng phi

tuyến, đây là bài toán quy hoạch phi tuyến Còn nếu hàm mục tiêu và các ràng buộc đều là tuyến tính, đây là bài toán quy hoạch tuyến tính Để tìm lời giải của bài toán này thường dùng nhất là phương pháp đơn hình của bài toán quy hoạch tuyến tính Nếu bài toán chỉ có hai biến thì nghiệm của bài toán có thể tìm bằng phương pháp biểu diễn hình học

2.2.3.2 Quy trình tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi

Nội lực và chuyển vị kết cấu hệ thanh có thể xác định bằng phương pháp lực hoặc phương pháp chuyển vị, trình tự giải bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi thông qua ví dụ sau:

Thiết kế tối ưu giàn tĩnh định có kích thước và chịu tải trọng (Hình 2.2); các thanh (1), (2), (3) có cùng diện tích A1, thanh (4) có diện tích A2 Vật liệu thép CT3 có cường độ chịu kéo tính toán và chịu nén tính toán R = 16 [kN/cm2] Tải trọng P1 = 2 [kN] và P2 =

4 [kN]

Hàm mục tiêu:

= 750 * A1 + 400 * A2 (2-21)

2 2 3

1 i i 1 g 2

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán giàn phẳng Ràng buộc về độ bền:

Vậy:

Vmin khi A1 = 0,522 [cm2] và A2 = 0,333 [cm2]

Vmin = 750 * A1 + 400 * A2= 750 * 0,522 + 400 * 0,333 = 524,7 [cm2]

2.2.3.3 Quy trình tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo

Các giả thiết cơ bản:

Kết cấu gồm các thanh mặt cắt đều (lăng trụ)

Bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc và lực cắt tới mômen dẻo của các thanh

Hệ thức giữa trọng lượng một đơn vị chiều dài thanh và mômen dẻo của nó được biểu diễn ở hình 2.3 qua biểu thức sau:

g = a + b * Mp (2-25) Trong đó:

a, b là các hằng số

Nếu dùng biểu thức tuyến tính (2-25) thì trọng lượng bản thân của kết cấu có thể xác định bằng công thức đơn giản sau đây:

G = gL = aL + bM PL (2-26)

Trong đó:

L là chiều dài thanh

Số hạng aL là hằng số với kết cấu đã cho, vậy G là nhỏ nhất khi bM PL cực tiểu, số hạng này được ký hiệu là x:

x = b *M P * L và được gọi là hàm mục tiêu (2-27) Bài toán trọng lượng tối ưu đưa về xét cực tiểu hàm mục tiêu được xác định theo công thức (2-27) với các ràng buộc về cường độ

Phương pháp giải và ví dụ minh họa

Xét một dầm liên tục 2 nhịp có kích thước và chịu tải trọng (Hình 2.4) Nhịp trái có mômen dẻo là 1 và nhịp phải có mômen dẻo là 2

Theo công thức (2-27) ta có hàm mục tiêu của bài toán như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ cơ cấu phá hủy dẻo Xác định mômen dẻo 1 và 2 của dầm liên tục hai nhịp để hàm mục tiêu cực tiểu Phương trình cân bằng:

(I) 1,5M1 - 0,5M2 = 60

(II) - M2 + 2M3 = 45

Điều kiện ràng buộc:

Tìm nghiệm bằng phương pháp hình học được biểu diễn trên hình 2.5

Hình 2.5 Xác định nghiệm tối ưu bằng đồ thị Hình chiếu của đỉnh B lên đường thẳng 31 - 32 = 0 gần gốc tọa độ nhất, vậy tọa độ của đỉnh B là nghiệm của bài toán:

1 = 35 [kNm] và 2 = 15 [kNm]

2.3 Nghiên cứu kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép

2.3.1 Tải trọng tác dụng lên kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép

Tải trọng tác dụng lên kết cấu dẫn nước gồm có:

- Trọng lượng bản thân kết cấu dẫn nước

- Áp lực nước (có áp)

- Áp lực gió ở độ cao Z (m) so với mốc chuẩn xác định theo công thức:

W = Wo * k * c [daN/cm2] (2-29) Trong đó:

Wo - áp lực gió cơ bản theo bản đồ phân vùng áp lực gió (TCVN 2737:2006);

k - hệ số xét tới áp lực gió thay đổi theo chiều cao;

c - hệ số khí động

Các tải trọng khác như động đất, tải trọng cẩu lắp khi thi công hoặc sửa chữa, lực va chạm của vật nổi, các lực này thì tùy từng trường hợp cụ thể mà xem xét

2.3.2 Phương pháp tính toán kết cấu dẫn nước dạng ống thép

Đối với kết cấu dẫn nước nhỏ có đường kính thân máng dưới 1,2 [m] hoặc khi thiết kế

sơ bộ có thể dùng phương pháp “Lý thuyết dầm” để phân tích nội lực thân máng Nội dung của phương pháp này là thay bài toán tính không gian bằng hai bài toán phẳng riêng biệt theo phương dọc và theo phương ngang kết cấu dẫn nước Theo lý thuyết tính toán này thì theo phương dọc thân máng được tính như bài toán dầm, theo phương ngang kết cấu dẫn nước được tính như một hệ phẳng (khung phẳng) có bề rộng bằng một đơn vị được cắt ra từ thân máng, chịu tất cả các tải trọng tác dụng lên đoạn máng

đó và được cân bằng nhờ các lực tương hỗ của các phần máng ở hai bên

Tùy theo vị trí các khớp nối và mố đỡ kết cấu dẫn nước, sơ đồ tính toán thân máng theo phương dọc có thể là một dầm đơn, dầm liên tục, dầm một nhịp có một hoặc hai đầu thừa Nếu ống thép là một bộ phận của giàn chịu lực thì được tính toán theo hệ giàn phẳng

Khi kết cấu ống thép lớn và có yêu cầu cao cần tính toán kết cấu giàn ống thép theo bài toán không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định kích thước hợp lý của các thanh giàn và vị trí nối giữa các thanh

2.3.3 Những vấn đề cần nghiên cứu

Xây dựng mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống nhịp lớn theo bài toán thiết kế tối ưu

Trên cơ sở mô hình tính toán kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn và dùng chức năng thiết kế tối ưu kết cấu thép trong phần mềm SAP2000 để chọn kích thước các thanh giàn còn lại sao cho trọng lượng kết cấu giàn là nhỏ nhất nhưng vẫn phải thỏa mãn yêu cầu về cường độ và

độ cứng Tìm hiểu lý thuyết tính toán kết cấu dẫn nước thường dùng hiện nay Lý thuyết thiết kế tối ưu kết cấu thép và sử dụng chức năng thiết kế tối ưu kết cấu thép trong phần mềm SAP2000 Áp dụng tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống vào công trình thực tế

2.4 Tính toán tối ưu kết cấu thép bằng SAP2000

2.4.1 Phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu trong SAP2000

Tính toán kết cấu thép hệ thanh theo các Tiêu chuẩn thiết kế trong phần mềm SAP2000 thường gặp hai bài toán cơ bản sau:

Bài toán kiểm tra: Kiểm tra về cường độ kết cấu hệ thanh với các số liệu đã biết (kích

thước hình học của kết cấu, tải trọng, vật liệu, ) được tiến hành như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán và phân tích nội lực kết cấu

- Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, xác định tỷ số giữa ứng suất tính toán và cường đô ̣ tı́nh

toán của vật liệu thép làm cấu kiê ̣n kết cấu go ̣i là hê ̣ số sử dụng vật liê ̣u hay hê ̣ số ứng suất; nếu tỷ số này lớn hơn 0,95 thì kết cấu không thỏa mãn điều kiện về cường độ

- Cho hiển thị các phân tố không đủ khả năng chịu lực

Bài toán thiết kế: Xác định mặt cắt ngang của các phần tử thanh của kết cấu sao cho tỷ

số giữa ứng suất tính toán và cường đô ̣ tı́nh toán của vật liệu thép làm kết cấu xấp xỉ bằng và nhỏ hơn 1 để cho kết cấu thỏa mãn điều kiện về cường độ, đồng thời tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu, được tiến hành như sau:

- Xây dựng mô hình tính toán, chọn hình dạng tiết diện các phần tử thanh, giả thiết sơ

bộ kích thước tiết diện của các nhóm phần tử thanh AUTO1, AUTO2, …và gán vào các phần tử thanh Chương trình tự chọn một số hiệu tiết diện cho mỗi phần tố kết cấu

hệ thanh, thường là tiết diện trung bình trong nhóm phần tử thanh AUTO1, AUTO2 và

được gọi là tiết diện phân tích Sau đó cho chạy chương trình phân tích nội lực kết cấu

hệ thanh

- Chọn Tiêu chuẩn thiết kế, chương trình tự động chọn một số hiệu trong nhóm tiết diện

đó trên cơ sở nội lực ứng với tiết diện phân tích, xác định tỷ số giữa ứng suất tính toán

và khả năng chịu lực của vật liệu của phần tử thanh thích hợp nhất, được gọi là tiết diện thiết kế Với các thanh có tỷ số này quá nhỏ so với 1, cần chọn thêm một số số hiệu nhỏ

hơn, còn với các thanh có tỷ số này lớn hơn so với 1, cần chọn thêm một số số hiệu lớn hơn trong AUTO1, AUTO2,…; để chương trình chọn lại số hiệu thích hợp, trong bước phân tích sau

- Nếu không có phần tử nào có hệ số ứng suất lớn hơn 1, cập nhật tiết diện thiết kế vào

hệ thanh, cho chương trình chạy lại và hiển thị lại tỷ số sử dụng vật liệu của tất cả các phần tử thanh, nếu hệ số này xấp xỉ bằng hoặc nhỏ hơn 1, ta kết thúc bài toán thiết kế tối ưu hệ thanh

Chú thích:

1) Phân biệt Tiết diện phân tích và Tiết diện thiết kế:

Các Tiết diện phân tích chỉ được hiển thị khi nhấn chuột vào View > Set Display

Options > Chọn Sections trong cột Frames > OK

Để hiển thị Tiết diện thiết kế nhấn Design > Xuất hiện bảng Display Design Info…>

Xuất hiện bảng Design Steel Design Results > Chọn  Design Sections trong Design Input > OK

2) Phân tích lại kết cấu với các phân tử đã cập nhật tiết diện thiết kế

Sự thay đổi đặc trưng tiết diện của các phần tử trong bước tính hệ số sử dụng vật liệu, chỉ làm thay đổi cục bộ ở pha tính toán ứng suất Nói cách khác, việc chọn các đặc trưng tiết diện chỉ ảnh hưởng tới giá trị ứng suất mà không làm thay đổi nội lực trong các phần tử nhận được khi phân tích với sự thay đổi như vậy Sự phân bố lại nội lực của các phần tử do sự thay đổi độ cứng có ảnh hưởng khi cho chạy lại chương trình

Chúng ta cần hoàn thiện lại mô hình phân tích, phân tích lại mô hình và thiết kế lại kết cấu, được tiến hành như sau:

- Mở khóa chương trình > Từ menu Design > Display Design Info…> Xuất hiện bảng Design Steel Design Results > Chọn  Design Sections trong Design Input > OK

- Từ menu Design > Chọn Run, ngay lập tức chương trình bắt đầu tiến hành phân tích Một cửa sổ nhỏ phía trên được mở ra trong đó hiển thị các thông báo về phân tích Các kết quả sẽ khác kết quả phân tích ban đầu, vì kết cấu đã cập nhật thay đổi đặc trưng tiết diện ở bước thiết kế > Nhấn OK để đóng cửa sổ nhỏ này

- Từ menu Design > Nhấn Start Design/Check of Structures Thiết kế lại kết cấu với tiết diện thiết kế và hiển thị hệ số ứng suất mới Hiệu quả của việc thay thế này là tiết diện phân tích tối ưu và chuyển về khâu tự động tính hệ số sử dụng vật liệu Vì thế việc chọn menu này là bước cuối cùng chúng ta cần làm

Điều này có thể giải thích thêm sau đây với ví dụ minh họa ở dưới như sau: Chương trình phân tích nội lực với tiết diện diện phân tích, trên cơ sở nội lực tìm được này, chương trình tự động chọn tiết diện thiết kế để thỏa mãn điều kiện cường độ thông qua

tỷ số giữa ứng suất và cường độ tính toán của vật liệu cấu kiện Chương trình chưa tự động nhập tiết diện thiết kế vào kết cấu để phân tích lại nội lực, người sử dụng chương trình cần nhập tiết diện thiết kế và cho chương trình chạy lại như đã nói ở trên Chúng

ta có thể thấy sự khác nhau chút ít sau khi cho chương trình chạy lại với tiết diện thiết

kế và hiển thị lại hệ số ứng suất

2.4.2 Các bước tính toán tối ưu các kết cấu cơ bản dầm, khung

2.4.2.1 Bài toán thiết kế tối ưu

Kết cấu dẫn nước giàn thép là kết cấu phức tạp không gian siêu tĩnh bậc cao, khi đủ điều kiện vật liệu thuận lợi sẽ phát huy đầy đủ khả năng làm việc giảm vật liệu, tiết kiệm khối lượng công trình

Vấn đề đầu tiên trong thiết kế tối ưu kết cấu dẫn nước giàn thép là phải thiết lập được

mô hình hình học Đây là phương pháp mô phỏng công trình thực tế bằng mô hình

toán học Trong đó các đại lượng đặc trưng hình học mô phỏng kết cấu kết cấu dẫn nước giàn thép

Hàm mục tiêu thường sử dụng trong thiết kế tối ưu hình kết cấu dẫn nước giàn thép chủ yếu có hai loại: kinh tế và an toàn Mục tiêu kinh tế trong thiết kế tối ưu kết cấu dẫn nước giàn thép là khối lượng hoặc giá thành công trình thấp nhất Mục tiêu an toàn kết cấu dẫn nước giàn thép là tương ứng một khối lượng kết cấu dẫn nước giàn thép nhất định thì độ an toàn là cao nhất

Hiện nay hàm mục tiêu thường dùng nhất là kinh tế Điều kiện rằng buộc thông thường bao gồm: ràng buộc hình học, ràng buộc ứng suất Trước khi yêu cầu tối ưu kết cấu dẫn nước giàn thép cần tiến hành sàng lọc vài điều kiện ràng buộc và lựa chọn phương

án thiết kế tối ưu Hiện nay SAP2000 đã cung cấp phương án thiết kế tối ưu

Thiết kế tối ưu một mục tiêu về trọng lượng: Trong quá trình tối ưu, chúng không ngừng thay đổi về tiết diện các thanh Hàm số mục tiêu là tiêu chí đánh giá ưu và nhược điểm của các phương án thiết kế khác nhau, thông thường là giá thành của kết cấu dẫn nước giàn thép và được biểu thị dưới đây:

Trong đó:

M(x) là khối lượng thép kết cấu dẫn nước giàn thép; c là đơn giá của thép Thông thường giá thành của kết cấu dẫn nước giàn thép chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng thép, vì vậy có thể lấy khối lượng thép làm hàm số mục tiêu

Điều kiện ràng buộc bao gồm: ràng buộc về hình học, ràng buộc về ứng suất, chúng bắt buộc phải thỏa mãn các quy định của tiêu chuẩn thiết kế của kết cấu dẫn nước giàn thép Xem xét đến yêu cầu thi công và bố trí các bộ phận kết cấu, có khi vẫn cần xem xét một vài yêu cầu đặc biệt trên công trình

- Ràng buộc về hình học: Tiết diện các thanh nhỏ nhất, đơn giản nhất để đơn giản thi công giàn và bố trí trụ đỡ

- Ràng buộc về ứng suất: Đối với ứng suất các thanh của kết cấu dẫn nước giàn thép, ứng suất dưới tác dụng của áp lực nước, trọng lượng bản thân thì thỏa mãn điều kiện:

k < 0,95

Thiết kế tối ưu hai mục tiêu về kinh tế và an toàn:

Mô hình kinh tế nhất:

- Lấy khối lượng của kết cấu dẫn nước giàn thép hoặc giá thành làm hàm số mục tiêu

- Khối lượng của kết cấu dẫn nước giàn thép M(x) => giá trị cực tiểu

- Hàm số ràng buộc gj(x) ≤ 1, j = 1 ~ m (số điều kiện ràng buộc)

- Hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) = k0

Mô hình an toàn nhất:

- Lấy hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) làm hàm số mục tiêu

- Hệ số an toàn nhỏ nhất kmin(x) => giá trị cực đại

- Hàm số ràng buộc gj(x) ≤ 1, j = 1 ~ m (số điều kiện ràng buộc)

- Trọng lượng của kết cấu dẫn nước giàn thép M(x) ≤ M0 Đối với kết cấu dẫn nước giàn thép lấy ứng suất làm điều kiện khống chế, công thức có thể đơn giản hóa như sau

- Ứng suất lớn nhất σ => giá trị cực tiểu

- Hàm số ràng buộc gj(x) ≤ 1; j = 1 ~ m (số điều kiện ràng buộc)

- Khối lượng kết cấu dẫn nước giàn thép M(x) ≤ M0

2.4.2.2 Các ví dụ tính toán

Ví dụ 1 Thiết kế tối ưu dầm liên tục

Thiết kế tối ưu dầm liên tục hai nhịp tiết diện chữ I (Hình 2.6) Vật liệu thép ASTM A992Fy50, chịu tải trọng tập trung tại giữa nhịp dầm có LL = 45 [kN] Nhịp thứ nhất