1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HOÀNG NAM KHÁNH
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 4 BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60.58.40
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2011
2
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Nguyễn Thế Hùng
Phản biện 1: TS. Hoàng Phương Hoa
Phản biện 2: TS.Trần Đình Quảng
Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 10
tháng 12 năm 2011.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng
3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
Ngày nay, sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện ñại hóa ñất
nước ñang ñặt ra những yêu cầu cao cho sự phát triển các ngành thủy
lợi – thủy ñiện. Nhu cầu nước cho dân sinh, sản xuất công nghiệp,
nông nghiệp, các hoạt ñộng dịch vụ, giao thông, giữ gìn và cải thiện
môi sinh ñang không ngừng tăng lên. Nhất là các công trình thủy lợi
– thủy ñiện thì yêu cầu mức ñộ an toàn phải cao khi ñối phó với lũ
lụt. Nhiều hệ thống thuỷ lợi – thủy ñiện với quy mô khác nhau ñã và
ñang ñược xây dựng trên cả nước. Nhiệm vụ của người thiết kế cũng
ñòi hỏi phải ñược chuyên môn hóa và công trình phải ñược tính toán
chính xác cao ñể tăng mức ñộ an toàn và tiết kiệm.
Trong các hạng mục công trình thủy ñiện, thì vấn ñề ổn ñịnh
của ñập dâng là cực kỳ quan trọng! Nó không chỉ ảnh hưởng ñến lợi
ích kinh tế - xã hội của ñất nước mà còn ảnh hưởng ñến ñời sống dân
sinh tại khu vực dự án.
Việc nghiên cứu, tính toán, kiểm tra ứng suất ổn ñịnh của
ñập và nền trong ñiều kiện làm việc thực tế khi có những tổ hợp lực
bất lợi như sóng, gió, ñộng ñất… là rất cần thiết. Vì vậy, tác giả chọn
ñề tài: “Phân tích ổn ñịnh của ñập bê tông ñầm lăn thủy ñiện
Sông Bung 4 bằng phương pháp phần tử hữu hạn” ñể nghiên cứu.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của ñề tài
Thu thập tài liệu thiết kế, tài liệu ñịa hình, ñịa chất, thủy văn
Thủy ñiện Sông Bung 4, nghiên cứu ñánh giá ñiều kiện ñịa hình, ñịa
chất, thủy văn.
Tìm hiểu các phương pháp tính sóng lên ñập, tính ổn ñịnh của
hạng mục ñập bê tông ñầm lăn, cơ sở lý thuyết và cách sử dụng phần
mềm SAP2000.
4
Tính toán ổn ñịnh, cơ sở lý thuyết và cách sử dụng phần mềm
SAP2000 ñể kiểm tra ñộ ổn ñịnh của hạng mục ñập bê tông ñầm lăn
công trình Thủy ñiện Sông Bung 4 khi làm việc ñồng thời với nền
trong ñiều kiện bất lợi của sóng, gió, ñộng ñất… Từ ñó kiến nghị với
các công trình tương tự.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Ổn ñịnh của ñập bê tông ñầm lăn trên sông Bung, thuộc ñịa
bàn xã Tà BHing và xã ZuôiH, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính ổn ñịnh của
công trình thủy lợi – thủy ñiện, cơ sở lý thuyết của phần mềm
SAP2000 và ứng dụng nó ñể giải quyết bài toán ổn ñịnh.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Luận văn ñưa ra các quan ñiểm tính ổn ñịnh ñập Bê tông
trọng lực hiện nay và nêu lên ñược những hạn chế và ưu ñiểm của
từng phương pháp. Chứng minh tính ưu ñiểm của phương pháp phần
tử hữu hạn. Sau ñó ứng dụng phương pháp này ñể tính ổn ñịnh của
ñập bê tông ñầm lăn thủy ñiện Sông Bung 4, Tỉnh Quảng Nam, khi
áp lực sóng ñược tính toán sát với thực tế hơn.
6. Cấu trúc của luận văn
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH, ỨNG SUẤT
VÀ BIẾN DẠNG CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC
1.1. Một số quan ñiểm chọn tiêu chuẩn ổn ñịnh của ñập bê tông
trọng lực
Đập bê tông trọng lực là ñập có khối lượng bê tông lớn. Đập
duy trì ổn ñịnh nhờ trọng lượng của khối bê tông này.
5
Loại ñập này có ưu ñiểm là kết cấu và phương pháp thi công
ñơn giản, ñộ ổn ñịnh cao, có thể dùng ñể tràn nước hoặc không tràn
nước. Loại ñập này sớm ñược sử dụng trên toàn thế giới.
Trong các nghiên cứu về ổn ñịnh của ñập bê tông trọng lực có
nhiều quan ñiểm khác nhau về lựa chọn tiêu chuẩn ổn ñịnh ñập như
sau:
+ Một ñiểm trên mặt cắt bị phá hoại thì coi như toàn bộ mặt
cắt tính toán ñó bị phá hoại.
+ Lấy tiêu chuẩn biến hình cực hạn làm tiêu chuẩn tính toán,
khi ñập làm việc vượt quá giới hạn này thì coi như ñập làm việc
không bình thường. Quan ñiểm biến hình cực hạn phù hợp về mặt lý
luận tuy nhiên trả lời ñược câu hỏi khi nào gọi là biến hình cực hạn?
Đây là một khó khăn, khi tính toán phải kết hợp với tiêu chuẩn
cường ñộ ñể nghiên cứu.
+ Tiêu chuẩn ổn ñịnh tạm thời. Có thể hình dung tiêu chuẩn
này nằm giữa giới hạn phá hoại và không phá hoại. Giới hạn tạm thời
cho phép ñập làm việc ñến một giới hạn phá hoại nào ñó của vật liệu
hoặc một phạm vi nào ñó của mặt cắt nhưng so với khả năng làm
việc của vật liệu hoặc tổng thể ñập vẫn còn ñủ nhỏ, vẫn còn phù hợp
với các ñiều kiện kinh tế kĩ thuật. Đây là một quan ñiểm tương ñối
toàn diện. Tuy nhiên các nghiên cứu chưa hoàn thiện. Vì vậy hiện
nay chưa thấy các quy phạm ñưa vào ñể tính toán thiết kế ñập.
1.2. Các dạng mất ổn ñịnh của ñập bê tông trọng lực
1.2.1. Ổn ñịnh của công trình xây trên nền ñá
1.2.1.1. Các khả năng mất ổn ñịnh
a. Trượt theo một mặt nào ñó, có thể là mặt ñáy ñập tiếp xúc
với nền, hay mặt phẳng ñi qua ñáy của các chân khay (khi ñập có
làm chân khay cắm sâu vào nền)
6
b. Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt
cắt nào ñó, thường là mặt ñáy ñập, hay mặt cắt mà ñập bị khoét lỗ,
giảm yếu
c. Nền ñập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ ñập truyền xuống
vượt quá sức chịu tải của nền
1.2.1.2. Ổn ñịnh về trượt phẳng
a. Với mặt trượt nằm ngang b. Với mặt trượt nghiêng về thượng lưu một góc b c. Với mặt trượt nghiêng về hạ lưu một góc b
1.2.1.3. Ổn ñịnh về lật
1.2.2. Ổn ñịnh của công trình xây trên nền ñất
1.2.2.1. Hình dạng mặt trượt
1.2.2.2. Phán ñoán khả năng trượt
a. Với nền cát, ñất hòn lớn, ñất có sét cứng và nửa cứng
b. Với nền ñất sét dẻo, dẻo cứng và dẻo mềm
c. Khi không thỏa mãn các ñiều kiện quy ñịnh trên
d. Khi mặt trượt nằm ngang
e. Khi mặt trượt nằm nghiêng
1.2.2.3. Ổn ñịnh theo sơ ñồ trượt hỗn hợp
1.2.2.4. Ổn ñịnh theo sơ ñồ trượt sâu
a. Trường hợp nền ñồng chất
b. Trường hợp nền không ñồng chất
1.3. Các phương pháp tính toán ñộ bền và ổn ñịnh của nền và
của ñập bê tông trọng lực
1.3.1. Nội dung tính toán
1.3.2. Các phương pháp tính toán
1.3.2.1. Phương pháp tính ứng suất mặt biên
a. Ứng suất pháp trên mặt phẳng nằm ngang
7
b. Ứng suất cắt tại biên
c. Ứng suất pháp trên biên
d. Ứng suất chính ở biên
e. Ứng suất cắt chính
1.3.2.2. Phương pháp phân tích trọng lực tính ứng suất trong
thân ñập
a. Ứng suất pháp s y b. Ứng suất cắt t c. Ứng suất pháp s x d. Ứng suất chính
e. Ứng suất tiếp chính
f. Các ñường ñẳng ứng suất và quỹ ñạo ứng suất
1.3.2.3. Phương pháp lý thuyết ñàn hồi
a. Đập có dạng hình nêm vô hạn dưới tác dụng của áp lực
nước và trọng lượng bản thân
b. Đập có dạng hình nêm vô hạn chịu tải trọng phân bố ñều
c. Đập có dạng hình nêm vô hạn chịu tác dụng của lực tập
trung ở ñỉnh
d. Ứng suất do mômen tập trung M ở ñỉnh gây ra
e. Ứng suất trong ñập bê tông do các tải trọng khác gây ra
f. Mô tả phân bố ứng suất trong thân ñập
1.3.2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn
Theo phương pháp phần tử hữu hạn, bài toán quy về việc giải
một hệ phương trình ñại số tuyến tính xác ñịnh quan hệ giữa các lực
tác dụng vào nút của phần tử và chuyển vị của các ñiểm nút của phần
=
tử. Quan hệ này ñược biểu diễn dưới dạng ma trận:
{ } { } { } K . U F
(1.67)
1.3.2.5. Phương pháp tính theo trạng thái giới hạn
8
a. Các trạng thái giới hạn
b. Biểu thức tính toán
1.3.2.6. Phương pháp hệ số an toàn chống trượt tại mặt tiếp giáp
giữa ñập và nền
1.3.2.7. Phương pháp tính theo hệ số an toàn
1.3.2.8. Phương pháp tính theo ñộ tin cậy
1.4. Ảnh hưởng của biến dạng nền ñến sự phân bố ứng suất
trong thân ñập
1.5. Ảnh hưởng của lực thấm ñến thành phần ứng suất trong
thân ñập
1.6. Ảnh hưởng của sự thay ñổi nhiệt ñộ và ñộ ẩm ñến thành
phần ứng suất trong thân ñập
CH ƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ TH UY ẾT CỦA P H ẦN MỀM
SAP 2000 TRO NG P H ÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP
B Ê TÔ NG TRỌNG L ỰC
2.1. Giới thiệu chung
SAP2000 là sản phẩm phần mềm ñể phân tích kết cấu xây
dựng, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn diễn toán dưới dạng
ngôn ngữ ma trận làm cơ sở giải quyết các bài toán kết cấu.
SAP2000 có giao diện ñồ họa rất mạnh nên người dùng dễ sử
dụng. Quá trình tạo và thay ñổi mô hình, giải và kiểm tra bài toán
thiết kế ñều ñược thực hiện trong cùng một giao diện, hiển thị kết
quả dưới dạng ñồ họa kể cả mô hình dao ñộng theo thời gian trong
các bài toán phân tích ñộng.
Khi xử lý dữ liệu, SAP2000 tự ñộng chuyển ñổi mô hình ñối
tượng cơ bản vào trong mô hình phần tử cơ bản dùng ñể tính toán.
9
Mô hình phần tử cơ bản ñược gọi là mô hình tính toán, nó bao gồm
các phần tử hữu hạn truyền thống và các liên kết (ñiểm nút).
Phân tích ổn ñịnh của công trình phụ thuộc chủ yếu 2 trạng thái:
- Ổn ñịnh lật, trượt của công trình.
- Kiểm tra ñiều kiện bền của kết cấu.
2.2. Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích
ổn ñịnh ñập bê tông trọng lực
2.2.1. Các loại phần tử
2.2.1.1. Phần tử tấm (Shell)
2.2.1.2. Phần tử biến dạng phẳng (Plane Strain Element)
2.2.1.3. Phần tử ứng suất phẳng (Plane Stress Element)
2.2.1. Hàm chuyển vị
2.2.2. Đánh giá sai số phần tử hữu hạn
2.2.3. Các ñiều kiện biên
2.2.4. Điều kiện cường ñộ
2.2.5. Hệ tọa ñộ miền
2.2.6. Lý thuyết sóng sử dụng trong SAP2000
Tải trọng sóng tác dụng lên công trình thường ñược biểu diễn
dưới dạng biểu ñồ áp lực sóng theo ñộ sâu nước và phụ thuộc vào
hình dạng kết cấu công trình.
• Sóng Airy hay còn gọi là lý thuyết sóng tuyến tính ñược xây dựng trên cơ sở sử dụng hệ phương trình thủy ñộng lực học sóng
(2.26).
10
(
)
)
= x, z, t
0
( t, M x, z
D f " " ˛ W
=
= -
0
z
d
d dz
f
2
2
+
+
(
)
+ h = g
0
t, M x,
t
1 2
x
z
(2.26) ¶ f ¶ f ¶ f " " h ¶ ¶ ¶
+
(
)
0
t, M x,
= z
x x
t • Sóng Stoker hay còn gọi là sóng sinusoidal (sóng hình sin). Ở ñây các thông số sóng ñược diễn tả bằng các hàm lượng giác thông
¶ h ¶ f ¶ h ¶ f - " " h ¶ ¶ ¶ ¶
thường và các hàm hyperbol dưới dạng chuỗi với số mũ từ 1 ñến n.
• Sóng Cnoidal cũng là lý thuyết sóng bậc cao, song các thông
số sóng ñược diễn tả dưới các hàm Jacobie – Elliptic.
• Lý thuyết Cnoidal có phạm vi ứng dụng hẹp nằm kẹp giữa giới hạn vỡ H/d = 0,78 và không vỡ L2H/d3 = 26, ñược dừng lại ở vùng chuyển tiếp.
2.2.7. Phương pháp tính toán công trình chịu tác ñộng của ñộng
ñất trong SAP2000
* Phương pháp phổ phản ứng:
* Phương pháp lịch sử thời gian:
- Kỹ thuật phân tích dạng chính:
- Tích phân trực tiếp phương trình chuyển ñộng:
2.2.8. Các phương trình phần tử hữu hạn
0 N
0
Lời giải giả ñịnh:
=
=
u(x, y)
{ } { } T N d
2 0 N
u v
N 1 0 N 1
2
u 1 L v 1 L u 2 M
(2.31) ”
Quan hệ biến dạng - chuyển vị:
11
0
0
N 1 x
N 2 x
x
[
0
0
] { } T B d
y
u x v y
xy
{ } e = e g
u 1 v 1 u 2 M
+
v x
u y
N 2 y N 2 x
N 2 y
N 1 y
=
¶
L L L
N 1 y N 1 x Quan hệ ứng xử nếu có sự thay ñổi nhiệt ñộ D T:
¶ ¶ ¶ ¶ ¶ e ¶ ¶ (2.32) ¶ ” ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶
{ } [ s =
C
s + s x
y
+ a
e - e (2.33)
}0 { ] { } { } }T e = - T 0 ;
T
T
{ } { e = a 0
z
E
D a D n D (2.34)
1
x
x
E
s n e a D
0 0
1
T T
y
y
2
1
1
0
xy
xy
=
0 0
s n e - a D (2.35) - n t - n g
2 Bài toán biến dạng phẳng:
Bài toán ứng suất phẳng:
0
(1
) T
x
1
(1
y
x + n y
+ n
E )(1 2 )
(1
) T 0
xy
xy
=
D + n
0
0
1
0 1 2 2
=
[
s - n n e a 2.36) s n - n e - a D - n t - n g
]{ } { } { }{ } + re r K d q
T
]
[
(2.37) Hệ phương trình phần tử: r b
K h [B][C][B] dA
A
(2.38) Ma trận ñộ cứng phần tử: = ∫∫
x
=
}
Véctơ tải tương ñương do tải phân bố:
dC
(2.39)
{ } r q
c
q q
y
{ ∫ h N C
12
b
x
=
Véctơ tải tương ñương do tải thể tích:
dA
{ } r b
b
y
{ } ∫ h N A
(2.40)
dA
{ } e = r
0
e Véctơ tải tương ñương do sự thay ñổi nhiệt ñộ ban ñầu: { } (2.41)
∫∫ h [B][C]
A
2.2.9. Rời rạc phần tử hữu hạn
Xét phần tử hữu hạn hình tam giác bất kỳ có các ñỉnh 1, 2, 3
(Hình 2.10) và chịu tác dụng của các ngoại lực ñặt tại các ñiểm nút
là:
[F] = [F1x, F1y, F2x, F2y, F3x, F3y]
6
12
Tại các nút phát sinh phát sinh các véctơ chuyển vị là:
a)
b)
11
5
6
12
4
8
13
4
5
1
3
10
3
13
1
14
2
7
1
3
9
14
2
15
8
1
9
1
16
2
11
15
10
[V] = [u1, v1, u2, v2, u3, v3] 7
Hình 2.10. Sơ ñồ tính toán bằng phương pháp PTHH
a) Chia miền S thành nhiều phần tử; b) Phần tử tam giác với 3 ñiểm nút
+
+
=
0
F x
Phương trình cân bằng ứng suất phẳng là: ¶ t s
x x
xy y
+
+
=
0
F y
¶ (2.42) ¶ t ¶ s
xy x
y y
¶ ¶ ¶
¶
E
13 )
y
s = x
( e + n x
2
1
E
e - n
)
x
s = y
( e + n y
2
1
(2.43) e - n
t = xy
xy
)
E ( 2 1
g - n
Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong biểu thức (2.43) có
thể thuận lợi khi viết dưới dạng ma trận:
1
x
E
s n e
{ } s = s
1
0 0
y
2
1
1
xy
xy
x = y
0 0
2
(2.44) n e - n t - n g
{ } [ s =
]{ }D
e Tương ñương với:
[D] - ma trận ñàn hồi.
1
E
=
[
]
D
1
0 0
2
1
1
0 0
n
2
n (2.45) - n - n
0
x
¶
x
0
y
y
xy
{ } e = e g
=
e ¶ (2.46) ¶
y
x
u v
¶ ¶ ¶ ¶ Biến dạng - chuyển vị: ¶
2.2.10. Các bước tính toán
+ Tính [Ke], [Fe]: Giả thiết quy luật biến ñổi của chuyển vị là bậc nhất
14
a
i
x
0
0
0
1
i
i
u
a
j
2
j
j
a
u
3
k
=
.
V e
1 x 1 x k 0 0
y y k 0
0 0 1
0 0 x
0 0 y
v
a
i
i
4
i
a
v
j
j
j
5
0 0
0 0
0 0
1 x 1 x
y y
a
=
k
k
v
6
(2.48)
k
1
=
u = a1 + a2x + a3y v = b1 + b2x + b3y u y 1
e
xy
Chuyển vị tại ñiểm (x,y) thông qua chuyển vị nút là: (2.49)
0
x
x
T
e = e
[ ]
0
.V
y
xy
u x v y
y
xy
e
=
¶ ¶ ¶ ¶ e ¶ ¶ (2.50) ¶ ¶
+
v x
y
x
V M .C .V-
xy
=
u = ¶ . v
¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶
x
1 x
y 0 0
0
1
.C
B
0 0
0 1 x
y
y
+
y
=
u y .
y
y
y
0
0
0
=
¶ ¶ (2.52) ¶ - ¶ ¶ ¶ ¶ ¶
B
kj
ik
ji
1 2S
ki 0 x
ij 0 x
x y
x y
x y
kj
ik
ji
jk
ki
ij
x jk . 0 x
(2.53) D
Trong ñó xkj = xk - xj; ykj = yk - yj. SD - diện tích phần tử ñược xác ñịnh như sau:
15
(
)
x y j k
+ x y j k
x y k i
+ x y k i
x y i
j
x y j i
=
=
S
1 x
1 x
1 x
j
k
1 2
2
y
y
i y i
j
k
- - - (2.54) D
s = s
[
]
][ = D B V e
[ ] S V e
x = y
xy
s
Với bài toán ứng suất phẳng ta có: s (2.55)
T
=
=
[
[
[
]
] T t.S . B .D. B
K
] [ ] B .D. B .V dV pt
e
e
∫
V pt
Tính toán ma trận ñộ cứng [Ke] cho từng phần tử theo công thức: (2.56) D
T
Ma trận tải phần tử [Fe] cho từng phần tử theo công thức:
1
=
[
]
C
- (2.57) r
(
)
= M . .dV pt
T xy
F e
∫
V pt
F exi F exj F exk F eyi F eyj F eyk
+ Đưa [Ke] vào [K]: Xây dựng ma trận ñộ cứng tổng thể của toàn hệ và phương
m
trình với hệ có m phần tử ta có:
K
= ∑ K
e
= e 1
(2.58)
Triển khai phương trình K.V - F = 0 dưới dạng ma trận:
16
L L
L L
k 11 k 21 M
k 12 k 22 M
k 1,n k 2,n M
k + 1,n 1 k + 2,n 1 M
k + 1,n 2 k + 2,n 2 M
k 1,2n k 2,2n M
k n,2 k + n 1,2 k + n 2,2 M
M L L L M
k n,n k + n 1,n k + n 2,n M
k + n,n 1 k + + n 1,n 1 k + + n 2,n 1 M
k + n,n 2 k + + n 1,n 2 k + + n 2,n 2 M
M L L L M
k n,2n k + n 1,2n k + n 2,2n M
L
L
F ny
k 2n,1
k 2 2n,
k 2n,n
k + 2n,n 1
k + 2n,n 2
k 2n,2n
=
k n,1 k + n 1,1 k + n 2,1 M
u 1 u 2 M u n v 1 v 2 M v n
F 1x F 2x M F nx F 1y F 2y M
(2.59)
Việc ñưa [Ke] vào [K] theo nguyên tắc: - Hàng 1, 2, 3 của Ke ñược xếp vào hàng i, j, k của ma trận K. - Hàng 4, 5, 6 của Ke ñược xếp vào hàng n+i, n+j, n+k của ma
trận K.
- Cột 1, 2, 3 của Ke ñược cộng vào cột i, j, k của ma trận K. - Cột 4, 5, 6 của Ke ñược cộng vào cột n+i, n+j, n+k của ma
trận K.
F x1 M
m
=
+ Đưa [Fe] vào [F]: Xây dựng véctơ tải F của toàn hệ, với hệ có m phần tử và n nút
F
∑
F e
= e 1
F xm F y1 M
F ym
(2.60)
=
thì véctơ tải của hệ có 2n thành phần
Việc ñưa [Fe] vào [F] theo nguyên tắc: - Hàng 1, 2, 3 của Fe ñược xếp vào hàng i, j, k của ma trận F. - Hàng 4, 5, 6 của Fe ñược xếp vào hàng n+i, n+j, n+k của ma
trận F.
17
- Cộng thêm vào tải trọng tập trung tại nút i theo phương X
vào hàng i.
- Cộng thêm vào tải trọng tập trung tại nút i theo phương Y vào
hàng i+n.
+ Gán ñiều kiện biên theo nguyên tắc sau:
- Nút i có tính chất X = 1 thì [Ki,i] = VCL. - Nút i có tính chất Y = 1 thì [Ki+n,i+n] = VCL. + Giải hệ phương trình:
Giải hệ phương trình (2.59) cho kết quả chuyển vị.
Với mỗi phần tử (i, j, k), ta xác ñịnh ñược véctơ chuyển vị nút
V với:
- ui, uj, uk lấy từ phần tử thứ i, j, k của véctơ u. - vi, vj, vk lấy từ phần tử thứ i+n, j+n, k+n của véctơ v.
Các thành phần ứng suất xác ñịnh theo công thức (2.60).
CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SAP2000 PHÂN TÍCH
ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP BÊ TÔNG ĐẦM LĂN CÔNG TRÌNH
THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 4
3.1. Giới thiệu về công trình thủy ñiện Sông Bung 4
3.1.1. Vị trí ñịa lý
Vị trí của tuyến công trình Sông Bung 4 nằm trên ñịa bàn xã
Tà BHing và xã ZuôiH thuộc huyện Nam Giang tỉnh Quảng Nam,
cách thành phố Đà Nẵng theo ñường chim bay khoảng 75km về
hướng Tây - Nam.
Tọa ñộ ñịa lý tuyến ñập ở 15042’19’’ vĩ Bắc, 107038’28’’ kinh
Đông.
Tọa ñộ ñịa lý nhà máy ở 15043’38” vĩ Bắc, 107038’58” kinh Đông.
18
3.1.2. Đặc ñiểm ñịa hình - ñịa mạo, ñịa chất công trình khu ñầu
mối 3.1.2.1. Đặc ñiểm ñịa hình - ñịa mạo 3.1.2.2. Đặc ñiểm ñịa chất 3.1.3. Quy mô công trình ñầu mối 3.1.3.1. Đập dâng 3.1.3.2. Đập tràn
3.2. Các loại tải trọng và tổ hợp tải trọng tác dụng lên công trình
3.2.1. Tải trọng thường xuyên và tạm thời (dài hạn và ngắn hạn) 3.2.1.1. Áp lực thủy tĩnh a. Mặt thượng lưu
.H
n
W 1
2 TL
Thành phần theo phương ngang: (3.1)
.H
n
W 1
2 TL
Thành phần theo phương ngang: (3.2)
1 = g 2 1 = g 2 .H= g
n
P 1
TL
Cường ñộ tại ñáy ñập: (3.3)
b. Mặt hạ lưu
.H
n
W 2
2 HL
(3.4) Thành phần theo phương ngang:
W 4
.m .H HL
n
2 HL
Thành phần theo phương ñứng: (3.5)
1 = g 2 1 = g 2 .H= g
n
P 2
HL
(3.6) Cường ñộ tại ñáy ñập:
3.2.1.2. Áp lực sóng
= W k s
+ TL
d n
h H
h 2
TL
g (3.7) Áp lực ngang lớn nhất của sóng (tính cho 1m chiều rộng) là:
+
=
M
k
h
max
m n
h 6
h.H 2
2 H TL 2
Mômen của áp lực sóng lấy với ñáy công trình là: 2 + g (3.8)
19
s
=
P 3
)
.H n ( cosh 2 d / L
=
g (3.9) Cường ñộ tại ñáy ñập: p
(
)
P 4
+ d P 3
n
h + h d
g Cường ñộ tại MNDBT: (3.10)
= g
.
P max
n
=
3.2.1.3. Áp lực thấm a Lực thấm ñẩy ngược: (3.12)
.
.H.B
.
n
1
W th
=
g a Tổng áp lực thấm ñẩy ngược: (3.13)
.
W
.H .B HL
n
dn
+ g
g Lực thủy tĩnh ñẩy ngược: (3.14)
H
1
n
a Cường ñộ tại thượng lưu ñập: (3.15)
HL
.H 1 1 2 1 2 = g H n H= g
HL
n
P 5 P 6
Cường ñộ tại hạ lưu ñập: (3.16)
3.2.1.4. Áp lực bùn cát
2 .h . bc
bc
bc
W 5
x Thành phần theo phương ngang: (3.17)
.m .h TL
2 bc
bc
W 6
1 = g 2 1 = g 2
= g
Thành phần theo phương ñứng: (3.18)
P 7
.h . bc
bc
bc
= g
x (3.19) Cường ñộ tại ñáy ñập:
G
bt
W (3.21) 3.2.1.5. Trọng lượng bản thân ñập .
= a k.
dF Áp lực nước tăng thêm khi có ñộng ñất là:
=
(3.22) 3.2.1.6. Lực sinh ra khi có ñộng ñất .G
k.
.H
W d
2 TL
n
g (3.23)
= g k.
.H
1 2 P 8
n
TL
Cường ñộ tại ñáy ñập: (3.24)
=
7
Áp lực bùn cát tăng thêm khi có ñộng ñất là: j (3.25)
W 2k.tg .W 5 = 2k.tg .
P 9
.h . bc
bc
bc
j g x (3.26) Cường ñộ tại ñáy ñập:
20
Kết quả tính toán trị số áp lực tác dụng lên ñập:
TT Áp lực tác dụng Vị trí Cường ñộ (T/m2)
Mặt thượng lưu (MNTL) 0 1 Áp lực thủy tĩnh P1 Mặt thượng lưu (ñáy ñập) 104,50 2
Mặt hạ lưu (MNHL) 0 3 Áp lực thủy tĩnh P2 Mặt hạ lưu (ñáy ñập) 28,70 4
Tại ñáy ñập 0,08
MNTL 3,63
Đáy thượng lưu ñập 66,60
28,70
5 Áp lực sóng P3 6 Áp lực sóng P4 7 Áp lực thấm P5 8 Áp lực thấm P6 9 0 Áp lực bùn cát P7 Đáy hạ lưu ñập Tại cao trình (cid:209) 173 Tại ñáy ñập 36,92 10
0 Mặt thượng lưu (MNTL) 11 Áp lực nước tăng thêm
Mặt thượng lưu (ñáy ñập) 2,61 12 khi có ñộng ñất P8
0 Áp lực bùn cát tăng Mặt thượng lưu (MNTL) 13
0,67 14 thêm khi có ñộng ñất P9 Mặt thượng lưu (ñáy ñập)
3.2.2. Tổ hợp tải trọng tính toán 3.2.2.1. Tổ hợp tải trọng cơ bản
a. Các tải trọng thường xuyên b. Các tải trọng tạm thời dài hạn c. Các tải trọng tạm thời ngắn hạn
3.2.2.2. Tổ hợp tải trọng ñặc biệt
a. Các tải trọng thường xuyên b. Các tải trọng tạm thời dài hạn c. Các tải trọng tạm thời ngắn hạn d. Tác ñộng của ñộng ñất
21
3.2.3. Lập sơ ñồ tính toán
3.2.4. Biến ñổi lực phân bố về lực tập trung tại nút
3.3. Ứng dụng phần mềm SAP2000 phân tích ổn ñịnh ñập bê
tông ñầm lăn Thủy ñiện Sông Bung 4
Đơn vị Thông số
3.3.1. Tài liệu tính toán STT (1) Đặc ñiểm công trình (2) (3) (4)
thượng trình mực nước lưu 1 m 222,5 [2]
trình mực nước thượng lưu 2 m 225,97 [2] Cao (MNDBT) Cao (MNGC) ứng với tần suất p = 0,02%
3 Cao trình mực nước hạ lưu 4 Hệ số ñộng ñất k 5 Cao trình bùn cát 6 Dung trọng trung bình của bùn cát 7 Góc ma sát trong của bùn cát 8 Hệ số Posisson vật liệu ñập 9 Hệ số Posisson vật liệu nền 10 Môñun ñàn hồi vật liệu ñập 11 Môñun ñàn hồi vật liệu nền 12 Chiều cao sóng 13 Dung trọng của bê tông 14 Hệ số cột nước thấm m m T/m3 ñộ T/m2 T/m2 m T/m3 146,7 [2] 0,025 [2] 173 [2] 1,37 [2] 20 [2] 0,15 0,25 2,5.106 1.106 [2] 2 2,4 0,4 [9]
15 T/m2 900 Cường ñộ vật liệu bê tông làm ñập M200
16 Hệ số ma sát giữa ñáy ñập và ñá nền 0,75 [2]
17 2,0 [2] kG/cm2
0,5 [12] 18 Lực dính giữa bê tông ñáy ñập và ñá nền Hệ số α xét tới tác dụng giảm nhỏ áp lực thấm của màn chắn
22
* Điều kiện kiểm tra hệ số an toàn của ñập và ứng suất nguy
hiểm nhất (max, min) trong kết cấu theo tiêu chuẩn 14TCN 56-88.
* Tổ hợp tải trọng cơ bản:
n
n
=
=
=
=
=
=
+ Trị số [K] cho phép về ổn ñịnh lật và trượt:
1, 25
1,31
[K ] l
[K ] tr
n .k c m
1.1, 25 1
1.1, 25 0,95
=
] s =
;
2 720 (T / m )
n .k c m R.m 900.1 = 1.1, 25 n .k c
n
+ Trị số [s ] cho phép: [
* Tổ hợp tải trọng ñặc biệt:
n
n
=
=
=
=
=
=
+ Trị số [K] cho phép về ổn ñịnh lật và trượt:
1,13
1,18
[K ] l
[K ] tr
n .k c m
0,9.1, 25 1
0,9.1, 25 0,95
] s =
;
2 800 (T / m )
n .k c m 900.1 = 0,9.1, 25
R.m = n .k c
n
+ Trị số [s ] cho phép: [
3.3.2. Các trường hợp tính toán
a. Trường hợp 1: Tổ hợp tải trọng cơ bản, xét ñập làm việc
trên nền ñá
b. Trường hợp 2: Tổ hợp tải trọng ñặc biệt có xét ñến yếu tố
dư chấn của ñộng ñất, ñập làm việc trên nền ñá. 3.3.3. Kết quả tính toán
23
3.3.3.1. Trường hợp 1 (Theo PPSBVL – Theo tiêu chuẩn
14TCN 56-88)
Hình 3.6. Sơ ñồ phân tích ổn ñịnh ñập dâng TH1 theo PPSBVL
-105,11 (T/m2)
-242,95 (T/m2)
3.3.3.2. Trường hợp 1 (Theo PPPTHH)
Hình 3.7. Kết quả phân tích ổn ñịnh ñập dâng TH1 theo PPPTHH
-24-
3.3.3.3. Trường hợp 2 (Theo PPSBVL – Theo tiêu chuẩn
14TCN 56-88)
Hình 3.8. Sơ ñồ phân tích ổn ñịnh ñập dâng TH2 theo PPSBVL
-36,53 (T/m2)
-251,58 (T/m2)
3.3.3.4. Trường hợp 2 (Theo PPPTHH)
Hình 3.9. Kết quả phân tích ổn ñịnh ñập dâng TH2 theo PPPTHH
3.3.4. Tóm tắt trường hợp tính toán
3.3.5. Nhận xét kết quả tính toán
Tải trọng cơ bản Tải trọng ñặc biệt có tác ñộng dư chấn
Thượng lưu Hạ lưu Thượng lưu Hạ lưu
47,46% 43,54% 59,40% 35,43%
-25-
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Luận văn ñã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ổn ñịnh kết cấu công trình. Với phương pháp phần tử hữu hạn ñã xác ñịnh ñược tương ñối gần ñúng ứng suất và biến dạng của công trình nên ñảm bảo ñược an toàn và kinh tế cho công trình.
Với các phương pháp tính toán thông thường hiện nay của các cơ quan tư vấn (Phương pháp sức bền vật liệu), khi thiết kế ñập dâng thủy ñiện Sông Bung 4 không thể hiện ñầy ñủ bản chất làm việc của kết cấu, không xét ñến sự làm việc ñồng thời của kết cấu và nền, không phản ảnh ñúng tải trọng do áp lực sóng lên công trình nên kết quả tính toán sai khác với thực tế rất nhiều. Chính vì vậy, người thiết kế khi chọn phương pháp sức bền vật liệu ñể tính toán thường chọn hệ số an toàn khá cao ñể ñảm bảo an toàn cho công trình, gây lãng phí về kinh tế.
Đối với ñập bê tông ñầm lăn Thủy ñiện Sông Bung 4, khi kiểm tra ổn ñịnh bằng phần mềm SAP2000.v.12 cho thấy công trình ñảm bảo an toàn. Từ kết quả tính toán thu thập ñược chúng ta có thể lựa chọn ñược vật liệu, mặt cắt kinh tế lợi nhất nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Tuy nhiên, trong quá trình tính toán, luận văn còn dựa trên một số giả thiết chưa hợp lý lắm nên kết quả chỉ là gần ñúng, ñiều này thể hiện ở một số ñiểm sau:
- Giả ñịnh vật liệu làm ñập là bê tông M200, ñồng chất có quan
hệ tuyến tính.
- Độ bền ổn ñịnh, ổn ñịnh trượt, lật của tổng thể ñập dâng chưa
thể hiện ñầy ñủ các yếu tổ ảnh hưởng như:
+ Đập ñược giả thiết là toàn khối kín, không xét ñến các hành
lang thoát nước trong thân ñập.
-26-
+ Trong thân ñập có bố trí các công trình phụ như hành lang thoát nước, vị trí tháo nước,… sẽ làm cho kết cấu bị suy yếu ñi. Vùng lân cận lỗ, ñường hầm phát sinh ứng suất tập trung và ứng suất kéo cục bộ. Do vậy trong phạm vi rộng cho việc nghiên cứu tiếp, chúng ta cần tính toán và chọn mặt cắt làm việc của kết cấu với ñầy ñủ hạng mục tổng thể. Kiến nghị
Đề tài cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết các vấn ñề: - Ảnh hưởng biến hình của nền ñối với ứng suất thân ñập, tỷ số môñun ñàn hồi của vật liệu làm ñập và môñun ñàn hồi của nền vì nó cũng ảnh hưởng nhiều ñến sự phân bố ứng suất.
- Vật liệu làm việc phi tuyến. - Về tải trọng tác dụng: cần xét thêm một số tải trọng tham gia
ảnh hưởng ñến kết quả tính toán như:
+ Ảnh hưởng do nhiệt ñộ biến ñổi và sự co ngót của bê tông. + Ảnh hưởng của quá trình vận hành, khai thác. + Ảnh hưởng của các yếu tố thi công. Phân tích ổn ñịnh kết cấu công trình là nhiệm vụ quan trọng của người thiết kế. Nhất là ñập dâng thủy ñiện thì yêu cầu mức ñộ an toàn phải cao ñể ñối phó với lũ lụt, nó không chỉ ảnh hưởng ñến lợi ích kinh tế - xã hội của ñất nước mà còn ảnh hưởng ñến ñời sống dân sinh tại khu vự dự án.
Ngay nay, nhờ sự phát triển của máy tính, việc áp dụng PPPTHH trong tính toán ổn ñịnh kết cấu trở nên ñơn giản. Phần mềm SAP2000 có ñộ tin cậy cao, áp dụng cho mọi bài toán kết cấu có các ñiều kiện biên phức tạp, dễ sử dụng, giúp cho người thiết kế tính toán trong nhiều trường hợp khác nhau. Do ñó, luận văn kiến nghị, các cơ quan tư vấn khi tính toán ổn ñịnh các kết cấu phức tạp nên áp dụng PPPTHH và các phần mềm ñược xây dựng trên PPPTHH (ví dụ như SAP2000) phục vụ cho việc thiết kế./.
