Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích bất ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm tìm hiểu PP PTHH cho phân tích ứng xử bất ổn định tấm trụ. Nghiên cứu cách sử dụng chương trình ANSYS để phân tích ứng xử bất ổn định tấm vỏ trụ. Phân tích ảnh hưởng tỉ lệ L/D đến tải tới hạn của silo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích bất ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN HÀ PHƢỚC CƢỜNG PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Long An - 2019
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN HÀ PHƢỚC CƢỜNG PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.580.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện Long An – 2019 ii
LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chƣơng trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy Cô khoa Kiến trúc Xây dựng, Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An trong quá trình học tập cũng nhƣ hoàn thành Luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS-TS Trƣơng Tích Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt Luận văn này. Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng khoá 4 đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Hà Phƣớc Cƣờng iii
BẢN CAM KẾT Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác nhƣ đã đƣợc ghi trong Luận văn, tôi xin cam kết rằng Luận văn này là do chính tôi thực hiện và Luận văn chỉ đƣợc nộp tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Hà Phƣớc Cƣờng iv
TÓM TẮT Bất ổn định là một bài toán cổ điển, nhƣng cho đến nay vẫn có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này. Ngƣời đầu tiên đặt nền móng cho việc tính toán bất ổn định kết cấu là Leonard Euler cách đây hơn 200 năm. Bắt đầu từ thập niên 30 của thế kỷ trƣớc, ngƣời đại diện cho Euler là S.P.Timoshenko đã tiến thêm một bƣớc dài trong lĩnh vực tính toán bất ổn định với việc cho ra đời cuốn sách Theory of Elastic Stability. Sau đó, với hàng loạt công trình tính toán liên quan tới tính toán bất ổn định của các nhà khoa học khác đã chứng tỏ bất ổn định là một đề tài rất có sức hút, vì nó có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Khi xảy ra mất ổn định dù chỉ của một thanh cũng dẫn tới sự sụp đổ của toàn bộ kết cấu. Tính chất phá hoại do mất ổn định là đột ngột và nguy hiểm. Vì vậy khi thiết kế cần đảm bảo ba điều kiện: điều kiện bền, điều kiện cứng và điều kiện ổn định. Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn. Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều loại vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản phẩm công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác. Do đó, kết cấu silo là giải pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam. Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong môi trƣờng tự nhiên phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác. Trong quá trình hoạt động, các tải trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và ma sát bề mặt trong của vách do các hạt sản phẩm gây ra. Ngoài ra, với những silo có chiều cao lớn, còn có thêm sự tác động của tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán bất ổn định kết cấu silo là bài toán rất quan trọng và cần những phân tích, tính toán chính xác trong quá trình thiết kế. v
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii BẢN CAM KẾT ................................................................................................................ iv GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ..........................................................................................................v MỤC LỤC ....................................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG........................................................................................................ viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xii Chƣơng 1. TỔNG QUAN..................................................................................................1 1.1. Tổng quan về Silo ......................................................................................................1 1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài ................................................................................6 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc .......................................................................................6 1.2.2. Nghiên cứu trong nƣớc .......................................................................................7 1.3. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................................8 1.4. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................8 1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................9 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ...........................................................................................9 1.7. Lợi ích của đề tài .....................................................................................................10 1.7.1. Lợi ích khoa học ................................................................................................10 1.7.2. Lợi ích thực tiễn ................................................................................................10 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................11 2.1. Giới thiệu bài toán bất ổn định ................................................................................11 2.1.1. Trạng thái ổn định của kết cấu ..........................................................................11 2.1.2. Trạng thái bất ổn định .......................................................................................12 2.2. Lý thuyết bất ổn định tấm........................................................................................14 2.2.1. Phƣơng pháp giải tích .......................................................................................14 2.2.2. Lý thuyết tấm cổ điển........................................................................................14 2.2.3. Phƣơng pháp năng lƣợng - Lý thuyết bất ổn định Ritz cho tấm có gân thẳng sử dụng hàm lƣợng giác ...................................................................................................18 2.3. Lý Thuyết Bền .........................................................................................................21 2.4. Phƣơng pháp quy đổi lực tác dụng lên silo .............................................................22 vi
2.4.1. Áp lực do vật liệu chứa tác dụng lên silo ..........................................................22 2.4.2. Tải gió tác dụng lên silo ....................................................................................24 2.5. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) .............................................................25 2.5.1. Trình tự giải bài toán tĩnh theo PP PTHH .........................................................26 2.5.2. Ví dụ phân tích dầm chịu uốn bằng PP PTHH .................................................27 2.5.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán bất ổn định ...................................29 2.5.4. Phân tích bất ổn định kết cấu bằng chƣơng trình ANSYS ................................30 2.6. Qui trình giải bài toán bất ổn định bằng chƣơng trình Ansys Workbench .............34 Chƣơng 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU SILO BẰNG ANSYS WORKBENCH ........35 3.1. Phân tích ứng xử kết cấu Silo ..................................................................................35 3.1.1. Kích thƣớc Silo .................................................................................................35 3.1.2. Thông số vật liệu Silo – vật liệu chứa ...............................................................36 3.1.3. Mô hình phần tử hữu hạn ..................................................................................36 3.1.4. Phân tích ứng xử Silo dƣới tác động tải trọng tĩnh ...........................................39 3.1.5. Phân tích ứng xử bất ổn định của Silo ..............................................................48 3.2. Phân tích ứng xử kết cấu Silo có cải tiến ................................................................51 3.2.1. Kết quả phân tích tĩnh .......................................................................................53 3.2.2. Kết quả phân tích bất ổn định ...........................................................................55 3.3. Đánh giá kết quả ....................................................................................................588 3.4. Kết luận .................................................................................................................599 3.5. Kiến nghị .................................................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 61 Tiếng Anh .......................................................................................................................62 PHỤ LỤC .....................................................................................................................633 vii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho .................................................1 Bảng 2.2.1. Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam...... 25 Bảng 2.2.2. Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình .....25 Bảng 3.1. Bảng thông số thiết kế Silo [5] .................................................................35 Bảng 3.2. Thông số vật liệu của thép CT3 TCVN [5] ..............................................36 Bảng 3.3. Thông số vật liệu chứa - Cám ..................................................................36 Bảng 3.4. Thông số lƣới mô hình Silo ......................................................................37 Bảng 3.5. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình ............................................48 Bảng 3.6. Thông số vật liệu và kích thƣớc gân tăng cứng ........................................51 Bảng 3.7. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình ............................................55 Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả giữa 2 mô hình .......................................................58 viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mô hình Silo vách trụ ..................................................................................3 Hình 1.2. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tông ..................................................4 Hình 1.3. Silo thép với vách trụ có gợn sóng ..............................................................5 Hình 1.4. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS .....................................6 Hình 2.1. Các dạng ổn định .......................................................................................11 Hình 2.2. Mô hình thanh chịu nén đúng tâm.............................................................12 Hình 2.3. Các trạng thái của thanh chịu kéo nén đúng tâm ......................................13 Hình 2.4. Sự nguy hiểm của hiện tƣợng bất ổn định của thanh trong kết cấu thực tế ............ 14 Hình 2.5. Mô hình bài toán tấm ................................................................................15 Hình 2.6. Điều kiện biên mô hình tấm khảo sát ........................................................15 Hình 2.7. Mô hình tấm khảo sát ................................................................................16 Hình 2.8. Điều kiện biên bài toán .............................................................................17 Hình 2.9. Sơ đồ áp lực tác dụng lên thành silo do vật liệu chứa gây ra ....................22 Hình 2.10. Sơ đồ áp lực tác dụng lên đáy phễu silo theo chuẩn EuroCode ..............24 Hình 2.11. Tính hệ số khí động theo mô hình ...........................................................25 Hình 2.12. Tính dầm chịu uốn bằng phƣơng pháp PTHH ........................................27 Hình 2.13. Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS ...........................................33 Hình 2.14. Lƣợt đồ phân tích bất ổn định kết cấu trong ANSYS WB......................34 Hình 3.1. Sơ đồ mô hình Silo [5] ..............................................................................35 Hình 3.2. Mô hình hình học Silo đƣợc import từ SolidWork vào ANSYS ..............37 Hình 3.3. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của Silo .........................................38 Hình 3.4. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của đỉnh Silo .................................38 Hình 3.5. Kết cấu Silo đang làm việc ngoài công trình ............................................39 ix
Hình 3.6. Mô hình điều kiện biên .............................................................................40 Hình 3.7. Khai báo gia tốc trọng trƣờng ...................................................................41 Hình 3.8. Áp lực do cám tác dụng lên silo ................................................................41 Hình 3.9. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên thân trụ silo.....................................42 Hình 3.10. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên đáy silo .........................................43 Hình 3.11 Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên thân silo ...........................................43 Hình 3.12. Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên đáy silo ...........................................44 Hình 3.13. Sơ đồ ứng suất tác dụng lên silo với tốc độ gió 160 km/h theo chuẩn Eurocode [5] ..............................................................................................................45 Hình 3.14. Áp lực gió tác dụng lên thân silo ............................................................46 Hình 3.15. Áp lực gió tác dụng lên đáy silo..............................................................46 Hình 3.16. Phân bố trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo .................47 Hình 3.17. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo ..............................................47 Hình 3.18. Dạng bất ổn định 1 (mode 1)...................................................................49 Hình 3.19. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)...................................................................49 Hình 3.20. Dạng bất ổn định 3 (mode 3)...................................................................50 Hình 3.21. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)...................................................................50 Hình 3.22. Dạng bất ổn định 5 (mode 5)...................................................................51 Hình 3.23. Mô hình Silo với 3 gân tăng cứng. ..........................................................52 Hình 3.24. Kích thƣớc gân ........................................................................................53 Hình 3.25. Đánh giá chất lƣợng lƣới qua chỉ số Skewnees ......................................53 Hình 3.26. Phân bố Trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo ...............54 Hình 3.27. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo ..............................................54 Hình 3.28. Dạng bất ổn định 1 (mode 1)...................................................................55 Hình 3.29. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)...................................................................56 x
Hình 3.30. Dạng bất ổn định 3 (mode 3)...................................................................56 Hình 3.31. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)...................................................................57 Hình 3.32. Dạng bất ổn định 5 (mode 5)...................................................................57 xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên đầy đủ Ý nghĩa PP PTHH Phƣơng pháp phần tử hữu hạn EC Tiêu chuẩn Eurocode TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam E Module đàn hồi I Mô men quán tính fy Cƣờng độ tính toán thép theo giới hạn chảy của vật liệu G Mô đun trƣợt u, v, w Các hàm chuyển vị x, y, z Tọa độ điểm W0 Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng k Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió thay đổi theo độ cao c Hệ số khí động Lực tác dụng lên vách silo theo phƣơng tiếp tuyến Áp lực theo phƣơng ngang Cb Hệ số khuếch đại lực tại đáy silo Hệ số ma sát trên vách đứng xii
1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về Silo Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn [1]. Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều loại vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản phẩm công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác. Kết cấu Silo có ƣu điểm là có thể xây dựng theo chiều cao nên ít tốn kém mặt bằng nhƣng vẫn đảm bảo khả năng chứa đƣợc khối lƣợng lớn sản phẩm. Bên cạnh đó, với kết cấu silo, ngƣời ta dễ dàng trang bị các hệ thống kiểm định chất lƣợng sản phẩm đầu vào, thiết bị làm sạch và sấy khô, nhờ vậy có thể bảo quản chất lƣợng sản phẩm trong thời gian dài hơn so với cách bảo quản bằng nhà kho thông thƣờng. Do đó, kết cấu silo là giải pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam. Ở Đồng bằng sông Cửu Long cũng đã có một số các cụm silo vào thập niên 70 của thế kỷ trƣớc nhƣ ở Cao Lãnh (48.000 tấn), Trà Nóc (10.000 tấn), Bình Chánh (12.000 tấn) nhƣng vì kỹ thuật lạc hậu, thiết bị không đồng bộ nên không đƣợc sử dụng đúng công năng hoặc bỏ trống [2]. Silo có nhiều ƣu điểm trong lƣu trữ sản phẩm khi so sánh với cách lƣu trữ bằng nhà kho (bảng 1) [3] Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho SỬ DỤNG SILO SỬ DỤNG NHÀ KHO - Xây dựng Silo không cần diện tích đất - Xây dựng nhà kho phải cần có diện tích so với lƣợng lƣu trử. Tiết kiệm diện tích đất lớn. Chiếm rất nhiều đất đai. đất. - Sức chứa 10m2/Tấn. - Silo chứa khoảng 2m2 / Tấn. - Phát sinh về diện tích đất khi muốn mở - Không phát sinh về diện tích đất khi rộng lƣợng lƣu trữ. muốn tăng lƣợng chứa của silo. - Thời gian bảo quản nông sản loại hạt - Thời gian lƣu trử sản phẩm ngắn, khó GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
2 của silo dài và nhiều và bảo đảm đƣợc bản quản cho sản phẩm tốt đến khi xuất chất lƣợng không giảm. kho. - Thời gian lƣu khoảng 3 năm. - Thời gian lƣu trữ trong kho là khoảng 1 năm phải xuất kho. - Silo có hệ thống bảo quản sẵn, để ngăn - Lƣu trữ trong kho sẽ bị côn trùng và vi chăn sự phá hoại của côn trùng, vi khuẩn phá hoại là đều không tránh khỏi, khuẩn (mọt, mối, ẩm mốc…). Sự thất sự thiệt hại đó nằm trong khoảng 2 – thoát là không có. 6% lƣợng sản phẩm trong kho. - Thời gian nhập và xuất hàng ra nhanh, - Thời gian nhập và xuất hàng phải nói là có thể vận chuyển trực tiếp tới bến tàu, rất lâu, bất tiện. Do cần nhiều nhân công tiết kiệm thời gian hoàn thành hợp đồng và sức ngƣời. mua bán. - Silo có hệ thống máy đo và điều chỉnh - Do nhiệt độ và độ ẩm luôn thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm bên trong Silo. Do mùa, nên các hạt lƣu trữ trong kho vậy, không làm thay đổi hoạt tính trong không đƣợc giữ trạng thái ổn định, nhƣ các hạt nông sản, luôn giữ đƣợc chất vậy rất khó để bảo quản tính năng và tƣơi của hạt. Rất thuận tiện việc bảo chất lƣợng của hạt theo thời gian. quản. - Silo không cần thêm một hệ thống quản - Phải cần một hệ thống quản lý kho, kế lý nào nữa. toán kiểm kê. - Tỉ lệ nhân công là 1:10 giảm chí phí - Tỉ lệ nhân công 10:1 tăng chi phí nhân nhân công. công, cấp quản lý… - Silo dựa vào một hệ thống xuất hàng và - Kho thì sự thất thoát khi vận chuyển do nguyên tắc của nó nên sự thất thoát đổ tháo và kể cả con ngƣời quản lý nó. trong vận chuyển là không có. - Việc lƣu trữ trong kho, có rất nhiều - Theo nhƣ tham khảo ở trên việc đầu tƣ nhƣợc điểm, tăng thời gian lấy lại vốn Silo sẽ tiết kiệm thời gian hơn và sinh cho nhà đầu tƣ. lời hơn cho các nhà đầu tƣ. GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
3 Hình 1.1. Mô hình Silo vách trụ Về mặt cấu tạo và hình dáng, silo thƣờng có dạng vách thẳng và vách trụ. Với các Silo vách trụ, vách trụ có gợn sóng thƣờng đƣợc sử dụng hơn vách trụ phẳng do nó có độ cứng theo phƣơng đứng tốt hơn. GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
4 Hình 1.2. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tông Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong môi trƣờng tự nhiên phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác. GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
5 Hình 1.3. Silo thép với vách trụ có gợn sóng Trong quá trình hoạt động, các tải trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và ma sát bề mặt trong của vách do các hạt sản phẩm gây ra. Ngoài ra, với những silo có chiều cao lớn, còn có thêm sự tác động của tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán bất ổn định kết cấu silo là bài toán rất quan trọng và cần những phân tích, Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) [3] (Finite Element Method - FEM) đƣợc phát triển bởi Alexander Hrennikoff (1941) và Richard Courant (1942). Cơ sở của phƣơng pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử). Các phần tử này đƣợc liên kết với nhau tại các điểm nút chung. Trong phạm vi mỗi phần tử đại lƣợng cần tìm đƣợc lấy xấp sỉ trong dạng một hàm đơn giản đƣợc gọi là hàm xấp xỉ (Approximation function) và các hàm xấp xỉ này đƣợc biểu diễn qua các giá trị của hàm tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này đƣợc gọi là bậc tự do của phần tử đƣợc xem là ẩn số cần tìm của bài toán. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là phƣơng pháp số phổ biến và có độ chính xác cao khi đƣợc dùng để phân tích kết cấu, đặc biệt là các bài toán bất ổn định kết cấu. Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật máy tính đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng các chƣơng trình tính toán mạnh mẽ nhƣ ANSYS hay GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
6 ABAQUS – các chƣơng trình đƣợc xây dựng dựa trên nền tản PP PTHH - để phân tích ứng xử các kết cấu phức tạp nhƣ kết cấu silo tính toán chính xác trong quá trình thiết kế. Hình 1.4. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS 1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc Kết cấu silo đã đƣợc phát triển từ thế kỷ 19, đƣợc sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp tại các nƣớc phát triển. Do vậy, kết cấu này thu hút đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Một số nghiên cứu trong những năm gần đây: - Adam J. Sadowski và J. Michael Rotter (2010) [7] đã sử dụng PP PTHH thông qua chƣơng trình ABAQUS để phân tích bất ổn định cho silo dƣới tác động của dòng chảy của sản phẩm đƣợc lƣu trữ trong silo. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng tiêu chuẩn Eurocode EN 1991-4 để tính toán tải GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
7 trọng do sản phẩm trong silo tác động lên thành silo. Các kết quả phân tích bất ổn định của nghiên cứu rất phù hợp với các hiện tƣợng ngoài thực tế. - Dhanya Rajendran (2014) [8] cùng các cộng sự đã thực hiện đã thực hiện so sánh khả năng chịu tải trọng ngang của silo đƣợc xây từ bê tông cốt thép và silo thép. Từ kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả này kết luận silo bê tông cốt thép có nhiều ƣu điểm hơn so với silo thép. - Tawanda Mushiri (2014) [9] và các cộng sự đã sử dụng PP PTHH để phân tích cho kết cấu silo 5.000 tấn chịu tải trọng đơn điệu (monotonic loads), silo này đƣợc thiết kế để chứa sản phẩm khai thác từ quặng mỏ. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đạt đƣợc mục tiêu là phân tích đƣợc lực và áp suất do quặng tác dụng lên silo, nhƣng chƣa đạt đƣợc mục tiêu phân tích bất ổn định cho silo… - Yu Xie (2015) [10] đã thực hiện Luận văn thạc sĩ về vấn đề ứng xử của kết cấu silo, trong đó có ứng xử bất ổn định. Trong nghiên cứu này, tác giả tiến hành thực nghiệm với một vài mô hình và so sánh với kết quả tính toán từ chƣơng trình PTHH. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phù hợp cao giữa PP PTHH và thực nghiệm. 1.2.2. Nghiên cứu trong nƣớc Trong thời gian gần đây, kết cấu silo với nhiều tính năng lƣu trữ nổi trội so với các nhà kho thông thƣờng đã thu hút đƣợc sự chú ý của nhiều công ty sản xuất, của các nhà khoa học trong nƣớc. Một số công bố trong nƣớc gần đây có liên quan đến kết cấu silo: - Nguyễn Tƣờng Long (2010) cùng các cộng sự [4] đã nghiên cứu xây dựng chƣơng trình tính toán silo dùng ANSYS APDL và VISUAL BASIC. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mối liên kết giữa Visual Basic và ANSYS APDL để tính toán và thiết kế silo dạng tròn và dạng vuông. - Nguyễn Văn Cƣơng và Nguyễn Hoài Tân (2014) [5] nghiên cứu tính toán thiết kế silo tồn trữ cám viên với năng suất 500 tấn. Mục tiêu của nghiên cứu GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng
8 này là kiểm tra bền cho kết cấu đã thiết kế và tính toán thông gió bên trong silo. - Ngô Quang Hƣng (2016) [6] đã thực hiện nghiên cứu tính toán kết cấu bản tròn bê tông cốt thép (thƣờng áp dụng cho silo) theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012. Thực tế cho thấy rằng trong quá trình sử dụng silo, có nhiều vấn đề cần đƣợc quan tâm nghiên cứu nhƣ độ biến dạng của silo, khả năng thông thoáng gió trong silo, kết cấu thành silo… và những nghiên cứu gần đây tại Việt Nam cũng chủ yếu tập trung vào các vấn đề này mà chƣa có nhiều công bố về vấn đề ổn định kết cấu silo. 1.3. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam nằm trong nhóm những nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới. Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tổng sản lƣợng lúa thu hoạch năm 2016 là 43,6 triệu tấn, tuy nhiên khối lƣợng gạo xuất khẩu chỉ đạt 4,88 triệu tấn. Trong khi đó, hệ thống lƣu trữ còn thiếu và lạc hậu về kỹ thuật nên gây nhiều khó khăn trong việc lƣu trữ. Trong bối cảnh này, các kết cấu lƣu trữ silo là giải pháp tối ƣu. Do đó, vấn đề nghiên cứu, phân tích ứng xử của silo để thiết kế và sản xuất silo phù hợp với hoàn cảnh địa lý của Việt Nam là cấp bách. Tại nƣớc ta, tuy có nhiều nghiên cứu về ứng xử bất ổn định tấm mỏng, tấm nhiều lớp [7-10], nhƣng chủ yếu các nghiên cứu này tập trung phân tích các bài toán mang tính lý thuyết. Có rất ít những nghiên cứu về ổn định các kết cấu thực tế nhƣ silo đƣợc công bố trong những năm qua. Do đó, trong Luận văn này, tác giả chọn Đề tài “Phân tích bất ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện. 1.4. Mục tiêu nghiên cứu Luận văn này đƣợc thực hiện nhằm đáp ứng các mục tiêu sau: - Mục tiêu 1: Tìm hiểu tổng quan kết cấu silo vách trụ, bao gồm: GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng