Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cung có xét đến hiệu ứng p delta

Lêi c¶m ¬n Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian được tạo bởi các thanh, khi độ mảnh các thanh lớn lực dọc làm tăng thêm nội lực trong thanh, hiện tượng này được gọi là hiệ

Trang 1

PHẠM VŨ LÂM

PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CỬA

VAN HÌNH CUNG CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG P-DELTA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh – 2014

Trang 2

PHẠM VŨ LÂM

PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CỬA

VAN HÌNH CUNG CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG P-DELTA

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60580202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Hoàng Hưng

TP Hồ Chí Minh – 2014

Trang 3

Lêi c¶m ¬n Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian được tạo bởi các thanh, khi độ mảnh các thanh lớn lực dọc làm tăng thêm nội lực trong thanh, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng P- Delta, để chính xác thêm khả năng chịu lực của cửa van, cần xét tới hiệu ứng này trong tính toán nội lực van là

xu hướng hiện nay trong tính toán các kết cấu thép Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cung có xét đến hiệu ứng P-DELTA là kết quả nghiên cứu một cách nghiêm túc trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Vũ Hoàng Hưng

Trưởng bộ môn kết cấu công trình, người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tận tình tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại Học Thủy lợi, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, CS2 – Trường ĐH Thủy lợi đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu trong những năm học tập tại trường

Xin chân thành cảm ơn Công ty Tư vấn và Chuyển Giao công nghệ trường Đại Học Thủy lợi – Chi nhánh Miền Nam, Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng các công trình thủy lợi thuộc Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Đắk Nông – Nơi tác giả đang công tác, các bạn đồng nghiệp và Gia đình đã động viên, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Trang 4

B¶n cam kÕtTôi tên là Phạm Vũ Lâm, sinh ngày 20/02/1983, học viên cao học Lớp cao học 20C-CS2-Trường Đại học Thủy lợi, chuyên ngành Xây dựng Công trình

thủy Khóa 2012-2014 Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật “Phân

tích trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cung có xét đến

hiệu ứng P-Delta” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên

cứu được tổng hợp, phân tích và không sao chép

Học viên

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của Đề tài 1

2 Mục đích của Đề tài: 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 2

4 Kết quả dự kiến đạt được: 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Khái quát về cửa van hình cung 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Phân loại 3

1.1.3 Nguyên tắc và bố trí cấu tạo cửa van hình cung 5

1.1.4 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay 6

1.1.5 Phạm vi ứng dụng 7

1.2 Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van 8

1.2.1 Cấu tạo chung của kết cấu cửa van 8

1.2.2 Chọn sơ bộ hình thức, vị trí của khung chính 9

1.2.3 Sơ bộ chọn hình thức, vị trí của giàn ngang 10

1.2.4 Bố trí ô dầm 10

1.2.5 Chọn hình thức và cấu tạo giàn chịu trọng lượng 11

1.2.6 Hình thức, cấu tạo của trụ biên và giàn nối 12

1.3 Tính toán kết cấu cửa van cung 13

1.3.1 Tính toán kết cấu theo hệ phẳng 13

1.3.2 Tính toán kết cấu theo bài toán không gian 14

1.4 Vấn đề nghiên cứu của Luận văn 15

CHƯƠNG 2: HIỆU ỨNG P-DELTA 17

2.1 Hiệu ứng P-Delta 17

2.1.1 Khái niệm chung về hiệu ứng P-Delta 17

2.1.2 Tình hình nghiên cứu kết cấu thép có xét đến hiệu ứng P-Delta 18

2.2 Khái quát về phần mềm SAP2000 phân tích kết cấu hệ thanh có xét đến hiệu ứng P - Delta 19

2.2.1 Giới thiệu phần mềm SAP2000 19

2.2.2 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng SAP2000 20

2.2.3 Các bước tính toán kết cấu hệ thanh có xét đến hiệu ứng P-Delta 20

2.2.4 Phân tích kết cấu hệ thanh có xét đến hiệu ứng P-Delta 24

2.3 Kết luận Chương 2 30

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG P-DELTA ĐẾN NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CỬA VAN 31 3.1 Mở đầu 31

3.2 Xác định nội lực khung chính van cung theo hệ phẳng 31

3.2.1 Tải trọng tác dụng lên khung chính 32

Trang 6

3.2.2 Tính toán nội lực khung chính theo hệ phẳng 34

3.3 Ví dụ bằng số 39

3.3.1 Số liệu tính toán 39

3.3.2 Tính nội lực khung chính van cung theo hệ phẳng bằng phương pháp chuyển vị 40

3.3.3 Kiểm tra nội lực khung chính van cung theo phương pháp phần tử hữu hạn 45

3.3.4 Kiểm tra về cường độ và độ cứng của dầm chính 46

3.3.5 Kiểm tra ổn định của chân khung chính 46

3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta tới từng loại khung chính 47 3.4.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta đối với khung có chiều cao dầm chính thay đổi 47

3.4.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta đối với khung có nhịp dầm chính thay đổi 48

3.4.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta đối với khung có chiều dài chân khung chính thay đổi 50

3.4.4 Ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta đối với khung có tải trọng áp lực nước thay đổi 51

3.5 Kết luận chương 3 53

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỬA VAN HÌNH CUNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI ĐẮK RỒ 54

4.1 Giới thiệu công trình 54

4.1.1 Quy mô công trình 54

4.1.2 Cửa van cung 55

4.1.3 Số liệu tính toán 56

4.1.4 Trường hợp tính toán kiểm tra 57

4.1.5 Tải trọng tính toán 58

4.2 Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian bằng phần mềm SAP2000 58

4.2.1 Mô tả kết cấu cửa van cung 58

4.2.2 Mô hình hóa kết cấu cửa van cung 60

4.2.3 Các trường hợp tính toán 61

4.2.4 Tổng hợp kết quả so sánh ứng suất, nội lực không/có xét hiệu ứng P-Delta 85

4.3 Kết luận chương 4 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

Trang 7

HÌNH VẼ

Hình 1 Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên 1

Hình 2 Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng thẳng 2

Hình 1.1 Cửa van hình cung trên đập tràn 3

Hình 1.2 Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu 4

Hình 1.3 Cấu tạo cửa van cung 5

Hình 1.4 Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung 6

Hình 1.5 Các hình thức khung chính 6

Hình 1.6 Các hình thức khe van 7

Hình 1.7 Hiệu ứng P-Delta 15

Hình 1.8 Mối nối dầm – càng van bằng bu lông và sơ đồ biến dạng 16

Hình 2.1 Biểu đồ mô men của dầm công xôn 17

Hình 2.2 Kết cấu giàn trong cửa van phẳng nhịp lớn 18

Hình 2.3 Kết cấu giàn trong cửa van cung nhịp lớn 19

Hình 2.4 Định nghĩa tên tải trọng 21

Hình 2.5 Hộp hội thoại Define Load Case 21

Hình 2.6 Hộp hội thoại Analysis Case Data-Nonlinear Static 22

Hình 2.7 Hộp hội thoại Load Case Data-Nonlinear Static 22

Hình 2.8 Hộp hội thoại Define Load Case 23

Hình 2.9 Hộp hội thoại Load Case Data –Linear Static 23

Hình 2.10 Sơ đồ tính toán khung 24

Hình 2.11 Định nghĩa tải trọng 26

Hình 2.12 Biểu đồ chuyển vị không/có xét hiệu ứng P-Delta 28

Hình 2.13 Biểu đồ mômen uốn M3 không/có xét hiệu ứng P-Delta 29

Hình 3.1 Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới 32

Hình 3.2 Sơ đồ tính toán lực tác dụng lên khung chính 32

Hình 3.3 Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu 33

Hình 3.4 Sơ đồ tính toán và biểu đồ lực dọc 34

Hình 3.5 Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chân khớp 35

Trang 8

Hình 3.6 Sơ đồ tính toán, biểu đồ mômen uốn khung hình thang chân ngàm

36

Hình 3.7 Sơ đồ kết cấu van 40

Hình 3.8 Sơ đồ lực tác dụng lên khung chính 41

Hình 3.9 Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn M 43

Hình 3.10 Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khi có chuyển vị ngang

44

Hình 3.11 Kết quả tính toán nội lực khung chính bằng phần mềm SAP2000 45

Hình 4.1 Kết cấu van cung 57

Hình 4.2 Vị trí dầm chính và dầm phụ dọc 59

Hình 4.3 Định vị dầm chính và dầm phụ dọc 60

Hình 4.4 Mô hình kết cấu van cung trong SAP2000 61

Hình 4.5 Hình chiếu cạnh van cung trong SAP2000 61

Hình 4.6 Chuyển vị tổng thể cửa van ứng với TH1 64

Hình 4.7 Chuyển vị khung chính dưới của cửa van ứng với TH1 64

Hình 4.8 Chuyển vị khung chính trên của cửa van ứng với TH1 65

Hình 4.9 Biểu đồ mômen uốn M22 khung chính dưới ứng với TH2 65

Hình 4.10 Biểu đồ mômen uốn M33 chân khung chính dưới ứng với TH2 66

Hình 4.11 Biểu đồ lực dọc trong khung chính ứng với TH2 66

Hình 4.12 Phổ màu ứng suất SmaxTop của bản mặt trong TH2 67

Hình 4.13 Phổ màu ứng suất SmaxBot của bản mặt trong TH2 67

Hình 4.14 Gán lực ma sát vào mô hình kết cấu van cung 68

Hình 4.15 Phổ màu ứng suất Smax của bản mặt ứng với TH3 70

Hình 4.18 Biểu đồ mômen uốn M22 khung chính trên ứng với TH3 71

Hình 4.20 Biểu đồ lực dọc trong khung ứng với TH3 72

Trang 9

Hình 4.21 Chuyển vị tổng thể cửa van ứng với TH1 73

Hình 4.22 Chuyển vị khung chính dưới của cửa van ứng với TH1 73

Hình 4.23 Chuyển vị khung chính trên của cửa van ứng với TH1 74

Hình 4.39 Biểu đồ lực dọc khung chính ứng với TH3 82

Hình 4.43 Biểu đồ lực dọc khung chính ứng với TH3 84

Trang 10

BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Kích thước tiết diện dầm và cột 24

Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả so sánh nội lực không/có xét hiệu ứng P-Delta 29

Bảng 3.1 Kết quả tính toán nội lực M3 tại các mặt cắt điển hình khi không/có xét hiệu ứng P-Delta khi chiều cao dầm thay đổi 48

Bảng 3.2 Kết quả tính toán nội lực M3 tại các mặt cắt điển hình khi không/có xét hiệu ứng P-Delta khi nhịp dầm thay đổi 49

Bảng 3.3 Kết quả tính toán nội lực M3 tại các mặt cắt điển hình khi không/có xét hiệu ứng P-Delta khi chiều dài chân khung thay đổi 50

Bảng 3.4 Kết quả tính toán nội lực M3 tại các mặt cắt điển hình khi không/có xét hiệu ứng P-Delta khi tải trọng thay đổi 52

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của hồ chứa Đăk Rồ 54

Bảng 4.2 Giá trị góc α và góc θ 60

Bảng 4.3 Phản lực gối bản lề 62

Bảng 4.4 Phản lực gối tựa 63

Bảng 4.5 Tính lực ma sát vật chắn nước bên 68

Bảng 4.6 Tính toán lực ma sát FT và lực kéo van 69

Bảng 4.7 Kết quả so sánh về độ lớn nội lực dầm chính dưới ứng với TH2 không/có xét hiệu ứng P-Delta 85

Trang 11

MỞ ĐẦU

Cửa van là một bộ phận quan trọng của công trình thuỷ lợi, bố trí tại các

lỗ tháo nước của đập, cống, để khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ khai thác khác nhau Cửa van có thể di động được nhờ sức kéo từ các thiết bị đóng mở hoặc nhờ sức nước Khi cửa van chuyển động, nó tựa lên các bộ phận cố định gắn chặt vào mố trụ hoặc ngưỡng của công trình tháo

Cửa van hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng cung trụ tròn

và được nối với hai càng, khi đóng mở cửa van quay xung quanh một trục quay cố định nằm ngang Cửa van hình cung lớn thường được dùng làm cửa

xả lũ ở đập tràn, hình dạng không gian của kết cấu cửa van cung càng xiên và càng thẳng cho ở hình 1 và hình 2

Hình 1 Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên

Cửa van hình cung có ưu điểm là khai thác ổn định, đóng mở nhanh và dễ dàng, điều tiết lưu lượng khá tốt, trụ pin có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông Tuy nhiên trụ pin phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van Áp lực nước tác dụng tập trung lên trụ pin (qua càng van) làm cho ứng suất phát sinh trong trụ pin và việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp hơn, nhất

Trang 12

là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng

Hình 2 Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng thẳng

Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian được tạo bởi các thanh chủ yếu chịu nén, khi độ mảnh các thanh lớn lực dọc làm tăng thêm nội lực trong thanh, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng P- Delta Để chính xác thêm khả năng chịu lực của cửa van, cần xét tới hiệu ứng này trong tính toán nội lực van là xu hướng hiện nay trong tính toán các kết cấu thép

sự làm việc của các bộ phận cửa van

hợp sử dụng phần mềm phân tích kết cấu SAP2000

- Chỉ ra sự ảnh hưởng của việc xem xét hiệu ứng P-Delta đến cường độ

và ổn định của các bộ phận kết cấu cửa van

- Đưa ra khuyến cáo về phạm vi ảnh hưởng đối với từng loại khung chính khác nhau

- Áp dụng tính toán cho cửa van cung công trình thủy lợi Đắk Rồ, xã Đắk Đrô, huyện Krông Nô, tỉnh Đăk Nông

Dàn chịu trọng lượng

Trang 13

Hình 1.1 Cửa van hình cung trên đập tràn

1.1.2 Phân loại

1.1.2.1 Theo vị trí ngập nước

Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu, cửa van trên mặt là cửa van có đỉnh cao hơn mực nước thượng lưu (hình 1.2a), khi đóng đỉnh van nhô hẳn lên khỏi mặt nước Loại cửa van này thường thấy ở đập tràn, cống lộ thiên; cửa van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu, khi đóng cửa ngập sâu trong nước và chịu áp lực nước lớn Theo cách truyền lực phân ra cửa van truyền lực cho mố trụ và cửa van truyền lực cho ngưỡng đáy (hình 1.2b)

Trang 14

Hình 1.2 Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu

1.1.2.2 Theo sử dụng khai thác

Cửa van được phân thành cửa van công tác, cửa van sửa chữa, cửa van sự

cố, cửa van sửa chữa – sự cố và cửa van thi công

a Cửa van công tác là tất cả các loại cửa van đóng trên đập tràn, cửa van tháo nước qua lỗ đập, cửa lấy nước vào nhà máy thủy điện, âu thuyền Đó là loại cửa van thường xuyên làm việc khi khai thác sử dụng công trình và dùng

để giữ mực nước thượng lưu

b Cửa van sửa chữa là cửa van được sử dụng để đóng có thời hạn các lỗ tháo nước của công trình để sửa chữa cửa van công tác hoặc một bộ phận nào

đó của công trình Vận hành cửa van sửa chữa được thực hiện trong nước tĩnh Số cửa van sửa chữa trên đập và nhà máy thủy điện thường ít hơn số lượng cửa van công tác Các cửa van này thông thường chứa trong hầm van riêng và khi cần thì vận chuyển đến địa điểm lắp đặt bằng cần trục

c Cửa van sự cố là cửa van được sử dụng để đóng tạm thời các lỗ của công trình thủy công và cả trong trường hợp sự cố cửa van công tác hoặc đường ống Cửa van sự cố phải đóng được trong dòng chảy; trong đa số các trường hợp thực hiện nâng cửa van sau khi mực nước ở cả hai phía của cửa van được cân bằng

d Cửa van sự cố - sửa chữa thực hiện chức năng xử lý sự cố và sửa chữa, được đặt trước cửa van công tác của các công trình tràn nước và tháo nước (số lượng các bộ cửa van sự cố - sửa chữa di chuyển được ít hơn nhiều so với số cửa van công tác) Lỗ tháo nước dưới sâu cần phải được trang bị bằng các cửa van sự cố - sửa chữa đặc biệt Cửa van sự cố và cửa van sửa chữa dùng cho

Trang 15

đường ống dẫn nước đặt hở phải đặt trước lối vào hoặc ở đoạn đầu của chúng Các cửa van này phải đảm bảo đóng nhanh và đóng tự động đường dẫn nước

e Cửa van thi công: Được sử dụng để đóng lỗ tháo nước trong giai đoạn thi công Ở các nhà máy thủy điện có số lượng lớn tổ máy lần lượt khởi động, khi đó sự xây dựng được tiến hành sau khi đưa vào khai thác một phần trạm

tổ hợp, các cửa van công tác cũng như là cửa van sửa chữa được sử dụng như cửa van thi công

f Cửa van vùng triều: Có nhiệm vụ ngăn triều (ngăn nước mặn), giữ ngọt (có lúc lại phải tháo lũ khi nước trong đồng lớn) và giao thông thủy Hình dạng cửa van rất đa dạng, thường có nhịp lớn, chịu chênh lệch áp lực nước không quá lớn Yêu cầu đối với cửa van là độ tin cậy phải cao, có mỹ thuật, hài hòa với cảnh quan vùng xây dựng, thời gian đóng mở cửa van phải đủ nhanh Kết cấu cửa van không gây bất lợi cho việc xây dựng kết cấu thủy công cũng như đảm bảo giao thông thủy và công tác bảo dưỡng, sửa chữa cửa van dễ dàng

1.1.3 Nguyên tắc và bố trí cấu tạo cửa van hình cung

Cửa van hình cung bao gồm: Bản chắn nước trên hệ thống dầm, càng đỡ

và khớp quay Hệ thống dầm sau bản mặt được bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau để tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu

Trang 16

1.1.4 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay

Phần lớn cửa van cung dùng bản mặt hình cung tròn có tâm trùng với tâm quay như ở hình 1.4a, trong các sông có lượng phù sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thì tâm quay có thể đặt thấp hơn tâm bản mặt như hình 1.4b Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sát do phù sa tác dụng lên bản mặt, giảm được lực kéo của máy đóng mở khi nâng van

Hình 1.4 Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung

Cửa van cung thường dùng nhất hiện nay là cửa van hai dầm chính chịu tải trọng bằng nhau, bản mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với tâm quay của cửa van

Khung chính được chia thành các loại sau:

- Chân thẳng và cứng (hình 1.5a)

- Chân thẳng và mảnh (hình 1.5b)

- Chân xiên và mảnh (hình 1.5c)

Hình 1.5 Các hình thức khung chính Cửa van chân cứng có lực xô ngang lớn, làm giảm được mômen uốn trong dầm, nhưng mômen uốn trong càng lại lớn, đồng thời khi cửa van

Trang 17

chuyển động có lực ma sát ở mặt bên của gối bản lề Cửa van chân mảnh được dùng phổ biến nhất, trong trường hợp này độ cứng của chân nhỏ hơn độ cứng của dầm, vì vậy ảnh hưởng của lực đẩy ngang nhỏ có thể bỏ qua

Không dùng cửa van hình cung làm cửa van sửa chữa, cửa van sự cố và cửa van thi công vì gối tựa của cửa van cung là cố định Cửa van cung có thể

bố trí trong khe van hoặc ở mặt ngoài của trụ pin như hình 1.6a và hình 1.6b

Hình 1.6 Các hình thức khe vanCửa van hình cung được dùng rộng rãi trong công trình thủy lợi vì nó có nhiều ưu điểm:

- Có thể dùng trên đập tràn với mặt cắt bất kỳ mà không cần mở rộng đỉnh đập

- Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũng tốt hơn van phẳng

- Cửa van được liên kết với gối bản lề cố định nên chuyển động của cửa van được xác định và hầu như tránh được khả năng bị mắc kẹt do vênh

Trang 18

- Trọng lượng van cung nhỏ hơn các loại khác

- Lực kéo của máy đóng mở nhỏ khi dùng tời có dây kéo đặt trước bản mặt, có thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước không đi qua trục quay

để giảm lực đóng mở

- Có thể nhấc van ở một bên, do đó kích thước kết cấu của thiết bị đóng

mở có thể nhỏ

Van cung cũng có một số nhược điểm sau:

- Phải có mố và đường biên dài

- Khi cống có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nếu yêu cầu gối bản lề không ngâm trong nước thì càng van phải rất dài

- Thời gian đóng mở lâu hơn cửa van phẳng

1.2.1 Cấu tạo chung của kết cấu cửa van

Cấu tạo cửa van cung phải bảo đảm các yêu cầu khai thác, giá thành hạ

và phải dễ chế tạo, lắp ghép, kiểm tra, sửa chữa

Phần lớn cửa van cung dùng loại hai khung chính Khi nhịp từ 12m đến 16m dầm của khung chính dùng loại tiết diện đặc, còn khi nhịp lớn dùng loại giàn có thanh bụng xiên hoặc tam giác Chân khung thường dùng tiết diện đặc Dầm đứng ở giữa thường dùng loại rỗng, còn dầm đứng hai đầu dùng loại đặc

Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van phải bảo đảm dòng chảy dưới đáy van không va vào dầm chính dưới Nếu vì một nguyên nhân nào đó không thể đưa dầm chính dưới lên phía trên, thì kết cấu của dầm chính tốt nhất là dùng loại rỗng (giàn) Khi dùng dầm đặc thì bản bụng của dầm cần phải khoét lỗ, diện tích của lỗ không được nhỏ hơn 20% tổng diện tích bản bụng dầm chính Loại cửa van có dầm chính bố trí thấp thường gặp trong cống có khẩu độ lớn

Trang 19

1.2.2 Chọn sơ bộ hình thức, vị trí của khung chính

Khung chính là bộ phận quan trọng trong cửa van hình cung, có tác dụng chuyền toàn bộ áp lực nước, trọng lượng bản thân và trọng lượng lớp nước tràn qua van (nếu có) lên gối bản lề Khung chính gồm có dầm chính và chân khung

Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt, số lượng khung chính thường chọn từ một đến ba chiếc Tuyệt đại đa số các cửa van thường dùng hiện nay là loại có hai khung chính chịu tải trọng bằng nhau Chiều cao của khung chính lấy bằng bán kính của bản mặt, bán kính R của bản mặt phụ thuộc vào chiều cao ho và bề rộng Lo của cống, thường chọn

R = (1,2 ÷ 1,5)ho. Ngoài ra cần phải chọn tỷ số R/Lo càng lớn khi nhịp càng nhỏ

Vị trí tâm quay của cửa van thường đặt ở trên mực nước hạ lưu lớn nhất

và mực nước tràn qua đỉnh đập không va vào trục quay

Các khung chính thường được bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng bằng nhau, nếu cửa van có hai khung chính thì chúng phải cách đều hợp lực của áp lực thủy tĩnh

Khi xác định vị trí của khung chính cần xét tới yêu cầu về thủy lực (dòng chảy không va vào dầm chính dưới), về cấu tạo (bảo đảm cửa van có đủ độ cứng) và về thi công (tiện cho việc phân đoạn)

Khung chính thường dùng chân thẳng và mảnh, có dầm chính đặc hoặc rỗng (giàn) Dùng khung chân mảnh có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực xô ngang khi xác định kích thước tường biên hay trụ pin của công trình, bỏ qua lực ma sát trong gối bản lề do lực xô ngang sinh ra

Cấu tạo dầm khung chính phụ thuộc vào kích thước của cửa van (chiều cao và chiều rộng), loại van (trên mặt hoặc dưới sâu), chế độ khai thác, điều kiện lắp ghép, chuyên chở và vật liệu dùng để chế tạo

Đối với cửa van dưới sâu, khi tải trọng trên một mét dài lớn, mà nhịp lại nhỏ thì dùng dầm bụng đặc vì lực cắt lớn hơn rất nhiều so với mômen uốn Đối với cửa van trên mặt, tải trọng tác dụng lên một mét dài không lớn, do đó lực cắt nhỏ Khi nhịp van lớn (20 ÷ 30m) thường dùng dầm chính rỗng (giàn)

Trang 20

kinh tế hơn, vì nếu dùng dầm đặc thì không thể lợi dụng hết khả năng làm việc của bản bụng dầm

Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van đôi khi có ảnh hưởng quyết định đến việc chọn hình thức dầm chính Khi cửa van có dầm chính dưới thấp, để tránh hiện tượng chân không dưới dầm chính, dầm chính thường chọn loại giàn

1.2.3 Sơ bộ chọn hình thức, vị trí của giàn ngang

Cũng tương tự như trong cửa van phẳng, giàn đứng hay còn gọi là giàn ngang là một bộ phận rất quan trọng của kết cấu cửa van hình cung Giàn đứng có tác dụng đỡ áp lực nước từ ô dầm và chuyền lên dầm của khung chính, phân đều tải trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên không nằm trong mặt phẳng của khung chính

Giàn đứng được tạo bởi thanh đứng của ô dầm, thanh đứng của giàn chính và thanh đứng của giàn chịu trọng lượng

Tùy theo kích thước của cửa van và hình dáng mặt cắt ngang mà chọn giàn đứng cho thích hợp

Đối với cửa van chân xiên có nhịp Lo ≤ 12m, chiều cao cột nước H ≤ 4,5m và cửa van chân thẳng có Lo ≤ 7m, H ≤ 3,5m, dùng giàn đứng đặc là hợp lý hơn cả

Kích thước hình học của giàn đứng phụ thuộc vào chiều cao cửa van, bán kính và vị trí của tâm bản mặt, phụ thuộc vào chiều cao của dầm chính

Khi dầm của khung chính là loại rỗng (giàn) thì vị trí của giàn đứng phụ thuộc vào hệ thanh bụng (thanh bụng xiên hoặc tam giác) Giàn đứng có thể

bố trí trong mặt phẳng của các thanh đứng của giàn chính có thanh bụng xiên hay nằm trong mặt phẳng đi qua các mắt giàn của giàn chính có thanh bụng hình tam giác Trong cửa van có chân xiên nhất thiết phải bố trí giàn đứng trong mặt phẳng liên kết của chân van Giàn đứng thường bố trí một giàn ở giữa, hai giàn ở vị trí liên kết của càng van và hai giàn nữa ở hai đầu van

Trang 21

Khi khoảng cách giữa hai dầm chính lớn, bố trí dọc là hợp lý nhất Dầm phụ được đặt liên tục trên cánh thượng của giàn đứng dọc theo toàn chiều dài van và làm giảm chiều cao giàn đứng Cho phép dùng hàn tự động và bán tự động Nếu dầm phụ được đặt bằng mặt với giàn đứng, tức là dầm phụ bị cắt đứt bởi giàn đứng, thì đầu các thanh cần được nối chắc với giàn đứng

Khi van có cột nước nhỏ, thì ô dầm bố trí đứng là hợp lý vì khoảng cách giữa các dầm chính nhỏ Cách bố trí hỗn hợp do cấu tạo phức tạp nên ít dùng Dầm phụ đứng và dầm phụ ngang cần chọn cùng chiều cao để có thể đặt bản nối ở phía dưới

Các phân tố ô dầm thường dùng thép định hình

Để tiện cho chế tạo và bảo dưỡng, hiện nay nhiều cửa van cung có xu hướng không dùng dầm phụ dọc, chỉ dùng dầm phụ đứng đặt dầy và hàn vào bản mặt tạo thành mảng ô bản mặt Sau đó liên kết cánh hạ dầm phụ đứng của mảng ô bản mặt này với cánh thượng dầm chính (dùng nhiều dầm chính và không bố trí cùng chiều cao với bản mặt)

1.2.5 Chọn hình thức và cấu tạo giàn chịu trọng lượng

Giàn chịu trọng lượng được bố trí ở thượng lưu và hạ lưu của dầm chính Nếu dầm chính được hàn chặt vào bản mặt thì không cần đặt giàn chịu trọng lượng ở thượng lưu vì chính bản mặt và cánh của dầm chính trên và dưới tạo thành một dầm có tác dụng như giàn chịu trọng lượng

Với cửa van có dầm chính không lớn thì không cần đặt giàn chịu trọng lượng, lúc này trọng lượng cửa van do bản mặt chịu và truyền tải trọng lên giàn gối (càng) hay trụ biên Khi chiều cao của dầm chính lớn (khoảng ≥ 1m) thì cần thiết phải đặt giàn chịu trọng lượng

Tùy theo kích thước của cửa van mà dùng loại có thanh bụng hoặc loại không có thanh bụng Với cửa van có nhịp lớn hay cột nước lớn phải dùng loại có thanh bụng Tùy theo chiều dài của các khoảng mắt của dầm chính mà dùng thanh bụng xiên hoặc nửa xiên Trong những cửa van nhịp nhỏ, chịu cột nước lớn, dầm chính chịu tải trọng khá lớn, nên làm dầm có bản cánh rộng, trong trường hợp này có thể dùng giàn chịu trọng lượng không thanh xiên, ở

vị trí giao giữa các thanh đứng và thanh cánh của giàn này cần đặt bản mắt rộng

Trang 22

1.2.6 Hình thức, cấu tạo của trụ biên và giàn nối

Trụ biên được bố trí ở hai đầu cửa van, dùng để gắn bánh xe bên, vật chắn nước, cũng như các chi tiết khác Trụ biên được đặt theo toàn bộ chiều cao của tiết diện ngang của cửa van Mặt cắt ngang của trụ biên thường dùng tiết diện chữ I hoặc hình hộp

Giàn gối (càng van) được tạo bởi các nhánh của chân khung chính, nó có tác dụng liên kết các chân khung chính, chuyển áp lực nước tác dụng lên cửa van vào bộ phận cố định

Nếu dùng khung chính kiểu công xôn, thì trụ biên và giàn gối là hai bộ phận đặt tách rời nhau Đối với cửa van có giàn gối đặt sát đầu van, trụ biên

và giàn gối cùng nằm trong một mặt phẳng thì có thể kết hợp thành một cấu kiện

Với cửa van nhỏ, giàn gối có thể dùng loại không thanh xiên, còn đối với cửa van có nhịp trung bình và lớn thì cần phải có thanh xiên

Thanh cánh giàn gối được làm bằng thép chữ I hay thép chữ C khi cửa van có nhịp nhỏ và trung bình, dùng tiết diện chữ I hoặc chữ C ghép bằng thép góc và thép bản khi van có nhịp lớn, hoặc nhịp trung bình nhưng có cột nước cao Trong những cửa van nhỏ hệ thanh bụng của giàn gối có thể hàn trực tiếp vào cánh cửa của giàn gối, còn đối với cửa van trung bình và lớn thì nhất thiết phải đặt bản mắt

Giàn nối được liên kết với kết cấu nhịp van bằng cách nối thanh cánh của giàn gối với bản mắt ở đầu giàn chính, bản mắt này phải có độ cứng lớn và nằm trong mặt phẳng của giàn chính Nếu giàn gối nghiêng, thì cuối thanh cánh của giàn gối đặt một bản thép và hàn chặt vào cánh của dầm chính Chỉ trong trường hợp cửa van nhỏ mới liên kết giữa giàn gối và kết cấu nhịp van bằng bulông

Một đầu của giàn gối được liên kết với bộ phận động của gối bản lề bằng bulông, thông qua bản đế Để tăng độ cứng của bản đế và tăng chiều dài đường hàn liên kết giữa giàn nối vào bản đế, cần đặt thêm các sườn gia cố Chiều dày bản đế chọn từ 12 đến 40mm

Sơ đồ hình học của giàn gối có dạng tam giác (giao điểm của đường trục thanh cánh giàn trùng với tâm cung của bản mặt) hoặc hình thang (giao điểm

Trang 23

nhất, toàn giàn là một tam giác bất biến hình, các thanh bụng chỉ có tác dụng làm giảm chiều dài tự do và làm tăng ổn định của thanh cánh, nên cố gắng sử dụng sơ đồ này Nhưng trong cửa van lớn và chịu tải trọng lớn, kích thước của gối bản lề lớn, đường trục của thanh cánh giàn giàn gối không thể hướng vào tâm bản mặt được, do đó phải dùng giàn hình thang, trong trường hợp này các thanh bụng chịu lực dọc

1.3.1 Tính toán kết cấu theo hệ phẳng

Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian và chịu lực khá phức tạp, khi phân tích nội lực để đơn giản có thể đưa về các hệ phẳng riêng biệt Nội lực của các phân tố nằm trên giao tuyến của hai hệ phẳng lấy bằng tổng nội lực trong hai hệ phẳng đó Cách tính này tuy không phản ánh được hoàn toàn trạng thái chịu lực thực tế của cửa van, nhưng thường dùng vì khá đơn giản, có thể dùng để tính toán cửa van có kích thước trung bình và nhỏ Khi cửa van có kích thước lớn và chịu cột nước cao cần tính theo hệ không gian

Khung chính (bao gồm dầm chính và chân khung) là bộ phận chịu lực chủ yếu của cửa van hình cung, chịu toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa van thông qua gối bản lề chuyền lên bộ phận cố định của công trình Việc tính toán kiểm tra về cường độ, về ổn định và về độ cứng của khung chính thường được tính toán theo hệ phẳng

Nội dung của phương pháp tính toán theo hệ phẳng: Phương pháp tính toán theo hệ phẳng, kết cấu van được phân chia thành các hệ phẳng riêng biệt

để tính dưới tác dụng của áp lực nước và trọng lượng bản thân van Nội lực trong các hệ phẳng được xác định bằng các công thức giải tích, nội lực trong các thanh tại vị trí giao nhau giữa hai hệ phẳng bằng tổng nội lực của hai hệ phẳng đó

Trình tự tính toán khung chính theo phương pháp tính toán truyền thống này được tiến hành như sau:

- Xác định tổng áp lực nước tác dụng lên 1m dài cửa van và phương của tổng áp lực này so với đường nằm ngang theo công thức giải tích

Trang 24

- Phân tổng áp lực này lên các dầm chính theo phương pháp đồ giải, trường hợp cửa van có hai khung chính, để hai dầm chính chịu áp lực nước bằng nhau thì phương của hai khung chính phải cách đều phương của tổng áp lực nước

- Sơ đồ tính toán khung là đường trục các thanh, sơ đồ tính là khung chữ nhật dầm ngang có công xôn khi càng van thuộc loại mảnh và thẳng hoặc là khung hình thang dầm ngang có công xôn khi càng van thuộc loại mảnh và xiên Chân khung gán liên kết ngàm khi gối quay là gối bản lề có một trục quay hoặc gối quay là gối nón cụt Chân khung gán liên kết khớp khi gối quay

là gối bản lề có hai trục quay Chiều cao tính toán h của khung lấy bằng khoảng cách thẳng đứng từ tâm gối quay từ đường trọng tâm tiết diện tính toán của dầm chính Tiết diện tính toán của dầm chính có xét tới một phần bản mặt cùng tham gia chịu lực

- Nội lực của khung chính được xác định theo các công thức, được thiết lập từ phương pháp chuyển vị Chuyển vị thẳng đứng tại giữa nhịp dầm bằng tổng chuyển vị của dầm do lực ngang và mô men uốn hai đầu dầm

- Xác định trọng lượng bản thân van theo các công thức kinh nghiệm, nội lực do trọng lượng bản thân chỉ được xét tới khi tính toán càng van

Kiểm tra cường độ và độ cứng của dầm theo cấu kiện chịu uốn với nội lực chỉ do áp lực nước sinh ra và ổn định của chân khung theo cấu kiện chịu nén lệch tâm với nội lực bằng tổng nội lực do áp lực nước và trọng lượng bản thân van sinh ra

1.3.2 Tính toán kết cấu theo bài toán không gian

Khi phân tích nội lực và biến dạng cửa van hình cung theo hệ phẳng không phản ánh được tác dụng qua lại giữa các bộ phận với nhau, nên kết quả tính toán không phản ánh đúng trạng thái làm việc thực của cửa van Mặt khác khi phân tích van theo bài toán phẳng không xét được tác dụng đồng thời của nhiều loại tải trọng một lúc, ngay cả khi cửa van chỉ chịu áp lực nước

và trọng lượng bản thân Như trên đã trình bày khi phân tích nội lực khung chính do trọng lượng bản thân van, cũng như khi tính lực kéo cửa van, cần tính trọng lượng bản thân cũng như điểm đặt của nó theo công thức kinh nghiệm, nên kết quả tính toán có thể khác với giá trị thực Nếu phân tích van

Trang 25

cung theo bài toán không gian những vấn đề nêu trên sẽ được giải quyết không có khó khăn gì

Như phần trên đã trình bày, kết cấu cửa van hình cung loại dầm chính rỗng dạng giàn được tạo thành từ nhiều thanh thép hình có độ mảnh lớn đặc biệt là càng van khi chịu nén hoặc nén uốn sẽ xuất hiện hiệu ứng uốn dọc làm tăng nội lực trong thanh dẫn đến khả năng phá hoại kết cấu Đây được gọi là hiệu ứng P-Delta (xem hình 1.7) Từ trước đến nay khi tính toán kết cấu cửa van hình cung theo hệ phẳng và hệ không gian đều chưa xem xét đến hiệu ứng P-Delta, trong khi đó lý thuyết tính toán và phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 đều có khả năng giải quyết một cách dễ dàng

Hình 1.7 Hiệu ứng P-DeltaMặt khác trong kết cấu thép truyền thống liên kết giữa các thanh bằng bu lông hoặc hàn được coi là liên kết cứng, thực ra các liên kết này đều có độ mềm nhất định, do biến dạng của các phần tử của liên kết (tấm nối, bu lông,…), do biến dạng cục bộ (bản bụng, bản cánh của dầm và càng) của các phân tố được nối (dầm, càng), xem hình 1.8 Do đó các kết cấu này là kết cấu

có liên kết nửa cứng hay còn gọi là kết cấu có liên kết mềm Độ mềm của liên kết có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền, độ ổn định và độ cứng của kết cấu Để xét tới độ mềm của liên kết ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của cửa van, mô hình liên kết nửa cứng bằng hệ lò xo chuyển vị thẳng và chuyển vị xoay Tùy theo liên kết thực tế giữa càng van và dầm chính (hoặc thanh cánh hạ giàn chính) mà có thể chỉ xét một, hai hoặc cả ba thành phần biến dạng của liên kết (đối với bài toán khung phẳng) Nếu đã biết độ cứng của liên kết mềm theo

Trang 26

các phương thì có thể dễ dàng thực hiện mô hình hóa trong phần mềm phân tích kết cấu SAP2000

Hình 1.8 Mối nối dầm – càng van bằng bu lông và sơ đồ biến dạng

Từ hai vấn đề nêu trên, Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta đến khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu cửa van hình cung khi xét thêm độ mềm của liên kết Đây là nội dung xuyên suốt của Luận văn

Trang 27

CHƯƠNG 2: HIỆU ỨNG P-DELTA

2.1.1 Khái niệm chung về hiệu ứng P-Delta

Hiệu ứng P-Delta là hiệu ứng phi tuyến hình học của lực kéo và nén lớn sinh uốn ngang và cắt ngang Lực nén có xu hướng làm cho các phần tử của kết cấu mềm hơn khi uốn ngang và cắt ngang, còn lực kéo có xu hướng làm tăng độ cứng của phần tử cản trở lại biến dạng ngang

Khái niệm cơ bản về hiệu ứng P-Delta được thể hiện rõ qua ví dụ dầm công xôn dưới đây chịu lực dọc P và lực ngang H

Hình 2.1 Biểu đồ mô men của dầm công xôn

Từ hình 2.1 cho thấy nếu khảo sát sự cân bằng của dầm theo hình dạng hình học ban đầu (không biến dạng) thì biểu đồ mômen biến đổi tuyến tính, tại ngàm M = HL và tại đầu dầm M = 0 Nếu xét trạng thái cân bằng theo hình dạng biến dạng thì sẽ có thêm một mômen phụ sinh ra do lực P tác dụng tại đầu dầm có chuyển vị Δ, nên mômen này biến đổi dọc theo chiều dài dầm và phụ thuộc vào hình dạng độ võng của dầm

Vậy nếu dầm chịu kéo thì mômen ở ngàm giảm M = HL – PΔ, còn khi dầm chịu nén thì mômen ở ngàm tăng M = HL + PΔ, biểu đồ mômen trong

Biểu đồ mômen khi không xét tới hiệu ứng P-Delta

Biểu đồ mômen khi P là lực kéo

và có xét tới hiệu ứng P-Delta Biểu đồ mômen khi P là lực nén và có xét tới hiệu ứng P-Delta

Trang 28

trường hợp dầm chịu kéo và chịu nén có xét tới hiệu ứng P-Delta được cho ở hình 2.1

2.1.2 Tình hình nghiên cứu kết cấu thép có xét đến hiệu ứng P-Delta

Kết cấu thép thường là kết cấu hệ thanh có độ mảnh lớn nên vấn đề ổn định được đặc biệt quan tâm Đối với kết cấu khung nhà cao tầng, để đảm bảo

ổn định tổng thể của kết cấu thường làm các hệ giằng Vấn đề ổn định của hệ giằng khi chịu nén cũng được đặc biệt quan tâm Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng giá trị chuyển vị của thanh giằng chịu nén tăng lên 70% ~ 95%, giá trị lực dọc tăng gần 20% khi xét đến hiệu ứng P-Delta Hiệu ứng P-Delta có vai trò quan trọng trong kết cấu khung nhà cao tầng chịu tải trọng ngang như động đất và gió, vấn đề này được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn của Mỹ FEMA-350 và AISC Seismic Design Manual (2006), của Châu âu Eurocode3 Trong kết cấu thép công trình thủy lợi, cửa van chiếm một vị trí quan trọng, kết cấu cửa van phẳng nhịp lớn thường dùng loại van hai giàn chính có thanh cánh hạ lưu dạng cong 2 chiều như hình 2.2, kết cấu cửa van cung nhịp lớn cũng có hình thức giàn như hình 2.3 Tuy nhiên trong tính toán thiết kế hiện nay đều chưa đề cập đến vấn đề ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta

Hình 2.2 Kết cấu giàn trong cửa van phẳng nhịp lớn

Trang 29

Hình 2.3 Kết cấu giàn trong cửa van cung nhịp lớn

xét đến hiệu ứng P - Delta

2.2.1 Giới thiệu 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 thế giới 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 SAP 2000 V15

Phần mềm SAP 2000 có nhiều ưu điểm:

- Giao diện đồ họa thân thiện giúp mô hình hóa đơn giản và nhanh chóng

- Phần tử đa dạng: Thanh, neo, tấm, vỏ, khối

- Nhiều lựa chọn cho phân tích kết cấu như: Tuyến tính – tĩnh, tuyến tính – động, phi tuyến – động

- Nhiều kỹ thuật phân tích mới đã được đưa vào phần mềm như: Phân tích biến dạng lớp, hiệu ứng P-Delta, phân tích Pushover, phân tích Buckling,

- Khả năng tự động hóa thiết kế kết cấu bê tông, kết cấu thép theo tiêu chuẩn một số nước như Hoa Kỳ, Anh, Trung Quốc,

Trang 30

- Kết quả tính toán được định dạng chuẩn hoặc có thể thay đổi tùy ý

- Liên kết với phần mềm AutoCAD thông qua file *.DXF hoặc có thể Copy/Paste từ các bảng tính như Excel

2.2.2 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng SAP2000

a Chọn hệ đơn vị

b Mô hình hóa kết cấu từ thư viện kết cấu hay tự vẽ

c Định nghĩa vật liệu

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

2.2.3 Các bước tính toán kết cấu hệ thanh có xét đến hiệu ứng P-Delta

Xây dựng mô hình tính toán kết cấu có xét tới hiệu ứng P-Delta bằng phần mềm SAP2000 tương tự như khi xây dựng mô hình phân tích kết cấu chịu tải trọng tĩnh, chỉ có khác một chút về định nghĩa các trường hợp tải trọng, tổ hợp tải trọng và khai báo các tham số điều khiển phân tích P-Delta Các tải trọng tác dụng lên kết cấu hệ thanh được phân thành 2 nhóm tải trọng, tải trọng chủ yếu sinh lực nén và tải trọng chủ yếu sinh uốn trong các phần tử của khung, có Load Pattern Name lần lượt là V và H Chẳng hạn như khung giả sử tải trọng q có Load Pattern Name là V, còn tải trọng W có Load Pattern Name là H Các tải trọng q và W cần nhân với hệ số tải trọng trước khi tổ hợp tải trọng

Ví dụ với tổ hợp tải trọng TH1 = 1,1DEAD + 1,2q + 1,4W = 1,2(0,917DEAD + q) + 1,4W = V + H, trong đó V = 1,2(0,917DEAD + q) và

H = 1,4W được thực hiện như sau:

Define> Load Pattern> Xuất hiện bảng Define Load Pattern như ở hình 2.4> Nhập các Load Pattern với Load Pattern Name: V>Chọn Type: Live>Self Weight: 0,917, với Load Pattern Name: H>Nhập Type: Live > Self Weight Multiplier: 0>OK

Trang 31

Hình 2.4 Định nghĩa tên tải trọng Khai báo các tham số điều khiển để phân tích P-Delta được thực hiện theo trình tự sau: Từ menu Define > Load Cases > Xuất hiện hộp hội thoại Define Load Cases như ở hình 2.5> Nhấn chuột vào V (1) trong Load Name > Nhấn chuột vào Modify/Show Load Case (2) > Xuất hiện hộp hội thoại Load Case Data – Linear Static như ở hình 2.6

Hình 2.5 Hộp hội thoại Define Load Case

Từ hộp hội thoại Load Case Data-Linear Static (hình 2.6) > Chọn ʘ Nonline (3) trong Analysis Type > Xuất hiện bảng Load Case Data-Nonlinear Static như ở hình 2.7 > Chọn ʘ P-Delta (4) > Nhập 1,2 trong Scale Factor (5)

> Nhấn Modify (6) > Nhấn OK (7) để đóng hộp hội thoại này và trở lại hộp hội thoại Define Load Cases như ở hình 2.8

Trang 32

Hình 2.6 Hộp hội thoại Analysis Case Data-Nonlinear Static

Hình 2.7 Hộp hội thoại Load Case Data-Nonlinear Static

Trang 33

Hình 2.8 Hộp hội thoại Define Load Case Nhấn chuột vào H (8) trong Load Case Name > Click chuột vào Modify/Show Load Case (9) > Xuất hiện bảng Load Case Data-Nonlinear Static như ở hình 2.9 > Chọn ʘ Stiffness at End of Nonlinear Case (10) và kiểm tra xem V đã xuất hiện trong cửa sổ Stiffness at End of Nonlinear Case hay chưa Nhập 1,4 trong Scale Factor của Load Case Name H > Modify (12)

> Nhấp chuột vào OK (13) trong bảng Load Case Data –Linear Static > Xuất hiện lại bảng Define Load Cases > OK (14) để đóng nốt hộp hội thoại này

Hình 2.9 Hộp hội thoại Load Case Data –Linear Static

Trang 34

Việc khai báo các thông số điều khiển để phân tích P-Delta đã hoàn thành, cho chạy chương trình từ menu Analyze > Run Analysis > Run Now > khi chương trình chạy xong khai thác kết quả tính toán.

2.2.4 Phân tích kết cấu hệ thanh có xét đến hiệu ứng P-Delta

Dưới đây trình bày một ví dụ cụ thể phân tích kết cấu khung 2 tầng 1 nhịp (2T1N) có xét đến hiệu ứng P-Delta

Xác định chuyển vị và nội lực của khung hai tầng một nhịp có kích thước

và chịu tải trọng cho ở hình 2.10a trong trường hợp có xét hiệu ứng P-Delta với tổ hợp tải trọng sau:

TH1 = 1,1DEAD+1,2q + 1,2P + 1,4W1 + 1,4W2 + 1,4W3 = V + H trong đó: V = 1,1DEAD + 1,2 q + 1,2P = 1,2(0,917DEAD) + 1,2q + 1,2P

và H = 1,4W1 +1,4 W2 + 1,4W3

Dầm và cột tiết diện chữ I có hai trục đối xứng, có kích thước cho ở bảng 2.1 Vật liệu thép CT38 có E = 2,1×108

kN/m2, μ = 0,3, γ = 78kN/ m3 Bảng 2.1 Kích thước tiết diện dầm và cột

Trang 35

Section Name: DAM Material: CT38

Outside Height: 0.35 Top Flange Width: 0.15

Top Flange Thickness: 0.015 Web Thickness: 0.009

Bottom Plange Width: 0.15 Bottom Plange Thickness: 0.015 >OK Xuất hiện lại bảng Frame Properties > Xuất hiện bảng Add Copy of Properties > Ở cửa sổ nhỏ trên cùng chọn Steel > Nhấn vào tiết diện chữ I (I/Wide Flange) Xuất hiện lại bảng I/Wide Flange Section > Nhập số liệu tiết diện cột:

Section Name: COT Material: CT38

Outside Height: 0.3 Top Flange Width: 0.15

Top Flange Thickness: 0.0185 Web Thickness: 0.01

Bottom Plange Width: 0.1 Bottom Plange Thickness: 0.0185 >OK Xuất hiện lại bảng Frame Properties > OK

+ Gán tiết diện vào dầm và cột: Chọn đối tượng gán là các dầm > Assign

> Frames > Frames Section > Xuất hiện bảng Frames Property > Chọn DAM

> OK, Chọn đối tượng gán là các cột > Assign > Frames > Frames Section >

Trang 36

Xuất hiện bảng Frames Property > Chọn DAM > OK Tiết diện dầm và cột đã được gán vào khung được thể hiện trên hình 2.10b

+ Gán liên kết ngàm tại chân cột: Chọn đối tượng gán là các chân cột, từ menu > Assign > Joint > Restraints > Xuất hiện bảng Joint Restraints > Nhấn chuột vào biểu tượng khớp cố định > OK

+ Định nghĩa tải trọng (Load Patterns): Load Pattern Name: V gồm có DEAD, tải trọng tập trung P, tải trọng phân bố đều q Load Pattern Name: H gồm có lực tập trung W1, W2 và W3 được thể hiện như hình vẽ 2.11

Hình 2.11 Định nghĩa tải trọng + Gán tải trọng phân bố đều: Chọn đối tượng là 2 dầm ngang > Assign > Frame Loads > Distributed > Xuất hiện bảng Frame Distributed Loads > Nhập tải trọng phân bố đều 15 theo phương Gravity với Load Case Name là

V > OK

+ Gán tải trọng tập trung thẳng đứng: Chọn đối tượng gán là 2 dầm ngang > Assign > Frame Loads > Point > Xuất hiện bảng Frame Point Loads

> Nhập tải trọng tập trung 50 theo phương Gravity với khoảng cách tương đối

so với đầu I của phần tử dầm là 0.25, 0.5, 0.75 với Load Case Name là V >

OK

+ Gán tải trọng tập trung nằm ngang tại nút: Chọn đối tượng gán là nút 2

> Assign > Joint Loads > Forces > Xuất hiện bảng Joint Forces > Nhập tải trọng tập trung 50 theo phương X với Load Case Name là H > OK Tiếp theo chọn đối tượng gán là nút 3 > Assign > Joint Loads > Forces > Xuất hiện bảng Joint Forces > Nhập tải trọng tập trung 100 theo phương X với Load Case Name là H > OK

Trang 37

+ Gán tải trọng tập trung nằm ngang tại thanh: Chọn đối tượng gán là thanh 2 > Assign > Frame Loads > Point > Xuất hiện bảng Frame Point Loads

> Nhập tải trọng tập trung 75 tại theo phương X với khoảng cách tương đối so với đầu I của phần tử dầm là 0.5 với Load Pattern Name là H > OK

+ Ta sẽ tính toán cho 2 bài toán để so sánh các kết quả:

* Bài toán 1: Phân tích kết cấu khung không xét đến hiệu ứng P-Delta

* Bài toán 2: Phân tích kết cấu khung có xét đến hiệu ứng P-Delta

(b) Bài toán 1: Phân tích kết cấu khung không xét đến hiệu ứng P-Delta

Ta đã xây dựng mô hình hóa như trên:

+ Trường hợp tải trọng: Define > Load Cases > Xuất hiện bảng Define Load Cases > Load Cases Name > Chọn V > Modify > Xuất hiện bảng Load Cases Data > Tại Loads Applied > Chọn V, Scale Factor: 1.2 > Add > OK Tương tự: Chọn H > Modify > Xuất hiện bảng Load Cases Data > Tại Loads Applied > Chọn H, Scale Factor: 1.4 > Add > OK

+ Tổ hợp tải trọng: Define > Load Combinations > Define Load Combination > Add New Combination > Xuất hiện bảng Load Combination Data > Nhập tổ hợp tải trọng TH1 = V + H > OK

+ Chạy chương trình: Từ menu Analyze > Run Analyze > Khi chạy chương trình

(c) Bài toán 2: Phân tích kết cấu khung có xét đến hiệu ứng P-Delta

Ta đã xây dựng mô hình hóa như trên:

+ Gán chức năng điều khiển P-Delta: Define > Load Cases > Xuất hiện bảng Define Load Cases > Load Cases Name > Chọn V > Modify > Xuất hiện bảng Load Cases Data – Linear Static > Từ hộp thoại Load Cases Data – Linear Static > Chọn ʘ Nonlinear trong Analysis Type > Xuất hiện bảng Load Cases Data-Nonlinear Static > Chọn ʘ P-Delta > Chọn V, Scale Factor: 1.2 > Modify > OK Tương tự: Chọn H > Modify > Xuất hiện bảng Load Cases Data-Nonlinear Static > Chọn ʘ Stiffness at End of Nonlinear Case và kiểm tra xem V đã xuất hiện trong cửa sổ Stiffness at End of Nonlinear Case hay chưa Tại Loads Applied > Chọn H, Scale Factor: 1.4 > Modify > OK Xuất hiện lại bảng Define Load Cases > OK Việc khai báo các thông số điều khiển P-Delta đã hoàn thành

Trang 38

+ Tổ hợp tải trọng: Define > Load Combinations > Define Load Combination > Add New Combination > Xuất hiện bảng Load Combination Data > Nhập tổ hợp tải trọng TH1 = V + H > OK

+ Chạy chương trình: Từ menu Analyze > Run Analyze > Khi chạy chương trình

(d) Khai thác kết quả tính toán và so sánh

+ Hiển thị chuyển vị: Display > Show Deformed Shape > Xuất hiện bảng Deformed Shape > Chọn trường hợp tải trọng TH1 > Chọn hệ số tỷ lệ thích hợp > OK, ta có biểu đồ chuyển vị như hình 2.12 Ta thấy chuyển vị ngang tại nút 6 khi không xét tới hiệu ứng P-Delta (hình 2.12a) U1 = 0,4328m và khi có xét tới hiệu ứng P-Delta (hình 2.12b) U1 = 0,4709m Vậy khi tính toán bài toán khung có xét tới hiệu ứng P-Delta thì chuyển vị tại vị trí đang xét sẽ lớn hơn khi không xét tới hiệu ứng P-Delta Cụ thể tại nút 6: ΔU = U2 – U1 = 0,4709 – 0,4328 = 0,0381m

(a) (b)

Hình 2.12 Biểu đồ chuyển vị không/có xét hiệu ứng P-Delta

+ Hiển thị biểu đồ mô men uốn: Display > Show Forces/Stresses > Xuất hiện bảng Member Force Diagram for Frames > Chọn TH1, chọn ʘ Moment 3-3, Chọn ʘ Show Values on Diagram, chọn Scale Factor tỷ lệ thích hợp >

OK Vậy khi tính toán bài toán khung có xét tới hiệu ứng P-Delta thì nội lực tại vị trí đang xét sẽ lớn hơn khi không xét tới hiệu ứng P-Delta Kết quả tính toán được cụ thể tại hình 2.13 và bảng 2.2

Trang 39

Hình 2.13 Biểu đồ mômen uốn M3 không/có xét hiệu ứng P-Delta

Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả so sánh nội lực không/có xét hiệu ứng P-Delta

Số TT

thanh

Chiều dài đoạn

M3 (Không P-Delta)

M3 (Có P-Delta) ∆M3

Trang 40

ổn định kết cấu Trong kết cấu thép khung nhà cao tầng và cầu giàn thép đều quan tâm đến hiệu ứng P-Delta Tuy nhiên trong kết cấu thép công trình thủy lợi đặc biệt là cửa van chưa được đề cập đến trong tính toán thiết kế Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 có thể xem xét một cách dễ dàng hiệu ứng P-Delta khi mô hình hóa tính toán kết cấu Vì vậy khi tính toán kết cấu cửa van hình cung nhịp lớn cần xem xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	1,75 MB