Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án "Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều" là nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong điều kiện làm việc hai chiều; nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi hình thức kết cấu thanh bụng xiên của dàn chính đến độ bền và độ cứng của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi cửa van làm việc ở trạng thái đóng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CÔNG TRÌNH KIỂM SOÁT NƯỚC VÙNG TRIỀU Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Vũ Hoàng Hưng Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Hà Văn Khối Phản biện 1: GS. TS. Nguyễn Văn Lệ - Hội Kết cấu Xây dựng Phản biện 2: GS. TS. Trương Đình Dụ - Hội Thủy lợi Việt Nam Phản biện 3: PGS. TS. Võ Thanh Lương – Học viện Kỹ thuật Quân sự Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 8 giờ 30 phút ngày 06 tháng 7 năm 2023 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một trong những loại hình cửa van đáp ứng tốt các yêu cầu KSN vùng triều là cửa van kéo đứng nhịp lớn. Đối với loại cửa van này, khi làm việc giống như cửa van phẳng kéo đứng thông thường nhưng hình thức kết cấu rất đa dạng để đáp ứng yêu cầu nhịp lớn. Lúc này cửa van không chỉ làm việc như thiết bị cơ khí thủy công mà còn làm việc như một công trình kết cấu thép không gian nhịp lớn. Vì vậy khi tính toán thiết kế cần phải có sự kết hợp hài hòa giữa các yêu cầu về cơ khí và kết cấu hoặc độ bền và độ cứng. Những năm gần đây cửa van kéo đứng nhịp lớn đã được áp dụng khá phổ biến. Tuy nhiên hình thức kết cấu hệ dàn vẫn theo hình thức kết cấu truyền thống đã được sử dụng trong công trình sông Ems của Đức. Để khẳng định sự thành công cùa loại hình kết cấu này cần phải qua thực tiễn và chứng minh bằng cơ sở khoa học về các vấn đề có liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu cửa van như lựa chọn hình thức kết cấu, tối ưu hóa kết cấu, độ bền, độ cứng và tuổi thọ của cửa van trong điều kiện cụ thể vùng triều với tính đặc thù địa phương khác so với các cửa van tương tự trên thế giới. Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van kéo đứng nhịp lớn cho vùng ven biển sẽ đóng góp vào hệ thống lý luận khoa học chuyên ngành cũng như cung cấp cho các nhà thiết kế những công cụ cần thiết để có thể tính toán cho các công trình có điều kiện tương tự. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong điều kiện làm việc hai chiều. Nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi hình thức kết cấu thanh bụng xiên của dàn chính đến độ bền và độ cứng của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi cửa van làm việc ở trạng thái đóng. 1
Nghiên cứu ứng xử của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi chịu tác dụng của tải trọng động đất có xét đến tác dụng tương hỗ của khối nước trước và sau cửa van đang ở trạng thái đóng. Nghiên cứu tuổi thọ mỏi của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi chịu tác dụng của dao động mực nước trước và sau cửa van. 3. Đối tượng và phạm vi và nội dung nghiên cứu Kết cấu chịu lực dạng dàn vòm ống thép không gian của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong công trình kiểm soát nước vùng triều đã, đang và sẽ được xây dựng tại Việt Nam. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu tiên tiến có độ tin cậy cao, cụ thể: - Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu liên quan. - Phương pháp điều tra khảo sát thực địa. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết. - Phương pháp mô phỏng số. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Làm rõ ảnh hưởng của hình thức dàn đến độ cứng của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi làm việc hai chiều. Thay đổi hình thức kết cấu dàn chịu lực của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đáp ứng yêu cầu về độ cứng khi làm việc hai chiều. 6. Cấu trúc của Luận án Luận án ngoài phần Mở đầu và Kết kuận, 86 tài liệu tham khảo, 04 tài liệu tác giả đã công bố và 04 Phụ lục, nội dung chính của Luận án được trình bày trong 04 Chương bao gồm 141 trang, 118 hình vẽ và 39 bảng biểu. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN 1.1. Tổng quan về cửa van nhịp lớn 1.1.1. Khái niệm cửa van nhịp lớn Cửa van nhịp lớn là cửa van có kích thước bề rộng chắn nước B lớn hơn nhiều lần chiều cao H và thường dùng làm cửa van trong các công trình đập ngăn sông hoặc cống ngăn triều có mặt cắt ngang lớn. Cho đến nay ở Việt Nam chưa có quy định hay định nghĩa cụ thể thế nào là cửa van nhịp lớn. Vì vậy luận án đưa ra tiêu chí với cửa van có bề rộng trên 30 m sẽ được coi là cửa van nhịp lớn. 1.1.3. Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn được sử dụng ở Việt Nam hiện nay chủ yếu theo hình thức cửa van sông Ems của Đức có kết cấu như Hình 1.4. Hình 1.4. Kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Kết cấu cơ bản của cửa van phẳng kéo đứng gồm có các bộ phận: (1) Bản mặt; (2) Dầm phụ dọc; (3) Dầm đứng tiết diện chữ T; (4) Hai dàn chính đặt phía đối diện; (5) Dàn chịu trọng lượng; (6) Dầm biên tiết diện chữ I ghép. Cửa van di chuyển bằng hình thức trượt trong khe van nhờ xi lanh (7) ở hai đầu. Tải trọng chủ yếu tác dụng lên cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn là áp lực nước tĩnh từ hai phía (Hình 1.5) và trọng lượng bản thân van, ngoài ra còn có áp lực sóng, áp lực thủy động, áp lực gió, lực đóng mở, động đất…Tùy từng trường hợp cụ thể để xem xét đến các tải trọng này. 3
Hình 1.5 Sơ đồ áp lực nước tĩnh lên cửa van phẳng Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có khả năng chịu lực lớn nhờ hệ dàn ống thép, có khả năng làm việc hai chiều, chịu sự chênh lệch áp lực nước từ hai phía, đóng mở kể cả khi có sự chênh lệch mực nước. Chính vì lẽ đó, luận án lựa chọn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn làm đối tượng nghiên cứu cho công trình KSN vùng triều sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 1.2. Tổng quan các nghiên cứu có liên quan đến tính toán kết cấu cửa van Luận án giới hạn nghiên cứu chỉ trong phạm vi làm việc của kết cấu thép. Vì vậy những vấn đề tổng quan chỉ liên quan đến tính toán kết cấu thép cửa van. 1.2.1. Tối ưu hóa kết cấu cửa van Các nghiên cứu về phương pháp tính toán tối ưu điển hình như Nguyễn Trọng Hà (2014), Phạm Hoàng Anh (2016), Phạm Văn Hưng, Đoàn Văn Duẩn (2017), T.V. Hung, S.E. Kim (2018), Lê Hoài Nam (2020), Adil Baykasoğlu, Cengiz Baykasoğlu (2021), MahdiAzizi, Uwe Aickelin (2022). Nghiên cứu tối ưu dàn phẳng có Wang và Zhang (2002), Lluis Gil, Antoni Andreu (2001). Đối với nghiên cứu cụ thể về dàn không gian nhịp đơn hai mặt phẳng dàn gần đây có Alemseged Gebrehiwot Weldeyesus (2020). Việc tối ưu chỉ được xét riêng cho kết cấu dàn và theo hình dạng tối ưu đã có trong các nghiên cứu gần đây. Lựa chọn phương pháp tính toán đơn giản, hiệu quả cho tối ưu trọng lượng dàn dựa trên điều kiện ràng buộc về ứng suất thanh dàn, điều kiện về chuyển vị tổng thể và ứng dụng trong phần mềm thông dụng là vấn đề cần đặt ra đối với luận án. 4
1.2.2. Dao động kết cấu cửa van Các nghiên cứu về đặc tính dao động của cửa van do tác động của dòng chảy dưới đáy cửa van điển hình có Kolkman (1980), Georg Göbel (2019), Seong Haeng Lee (2014). Nghiên cứu mô phỏng tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van dựa trên các phần mềm phân tích PTHH thông dụng có Xue Huifang và nnk (2012), YAN Genhua và nnk (2020), Jijian Lian (2020). Đối với tương tác kết cấu cửa van phẳng kéo đứng và khối nước trước và sau cửa van không có nhiều nghiên cứu, gần đây nhất là nghiên cứu của Khúc Hồng Vân (2018). Đa số các nghiên cứu đều thực hiện trên phần mềm phân tích PTHH thông dụng ANSYS, điều này cho thấy khả năng ưu việt của phần mềm trong việc mô phỏng tương tác động lực học khối nước – kết cấu. Luận án đặt ra vấn đề cần phải tính toán dao động cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn chịu tác động của gia tốc động đất theo thời gian có xem xét đến tương tác khối nước trước và sau cửa đối với trường hợp nghiên cứu điển hình. 1.2.3. Phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van Một số nghiên cứu về phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van như của Shi Zhezhu (2008), Feng Hui Dong (2017), Mattheus Lucassen (2019), Jian Zhang (2013), Aswathi Dev.K.K (2015), Akhil V Raj (2016). Việc tính toán độ bền mỏi của mối nối có thể thực hiện trên phần mềm ANSYS với sự thay đổi hình dạng và kích thước mối nối khá dễ dàng. Các nghiên cứu đều đề xuất sử dụng mô hình phần tử dầm để xem xét tổng thể kết cấu dàn, sau đó sử dụng mô hình con được xây dựng bằng phần tử vỏ với điều kiện biên được lấy từ mô hình tổng thể để xem xét chi tiết tại các vị trí mối nối dàn. Phương pháp này đảm bảo độ chính xác tại những vị trí cần thiết nhưng tiết kiệm tài nguyên máy tính và thời gian tính toán. Đây là cơ sở để áp dụng cho việc lựa chọn cấu tạo của liên kết chân dàn và tính toán độ bền mỏi của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn được đề xuất làm đối tượng nghiên cứu trong luận án. 5
1.3. Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có hình dạng kết cấu hai dàn chính với một vòm cong và thường có hệ số dự trữ độ bền khá lớn làm cho trọng lượng cửa van lớn so với yêu cầu chịu lực. Vì vậy việc nghiên cứu tối ưu hình thức kết cấu và kích thước mặt cắt ngang thanh dàn được đặt ra đối với luận án. Các thanh dàn sau khi tối ưu có độ mảnh lớn, rất mẫn cảm với tải trọng động kể cả với gia tốc nhỏ nên luận án xem xét ảnh hưởng của gia tốc động đất đến rung động cửa van khi có sự tương tác của khối nước trước và sau cửa van cho một công trình điển hình khu vực nghiên cứu. Ngoài ra vấn đề phá hoại mỏi của kết cấu thép cửa van hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu. Đây cũng là một vấn đề được đặt ra đối với luận án khi tính toán cho một công trình điển hình khu vực nghiên cứu. 1.4. Kết luận chương 1 Hình thức kết cấu hệ dàn chịu lực của cửa van này đã thực sự tối ưu hay chưa vẫn là bài toán chưa có lời giải hoặc chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức với quy mô cửa van ngày càng lớn như hiện nay. Các nghiên cứu có liên quan đến cửa van kéo đứng nhịp lớn tập trung chủ yếu vào tối ưu hình dạng kết cấu cửa van, rung động cửa van dưới tác dụng của tải trọng động, tương tác khối nước và kết cấu cửa van, mỏi kết cấu cửa van khi chịu tác dụng của tải trọng mang tính chất chu kỳ… Đây đều là những vấn đề mới đối với cửa van phẳng kéo đứng trong điều kiện đặc thù của Việt Nam. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỬA VAN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 2.2. Tối ưu hóa kết cấu 2.2.1. Khái quát về tối ưu hóa kết cấu Trong thiết kế thực tế ngoài bài toán kiểm tra chúng ta còn gặp bài toán xác định hình dạng kết cấu và kích thước cần thiết của tiết diện các phân tố kết cấu hợp lý ứng với một hệ tải trọng đã biết sao cho thỏa mãn điều kiện cường độ, điều kiện 6
độ cứng, điều kiện ổn định và sử dụng vật liệu ít nhất, đây là bài toán tối ưu hóa kết cấu về mặt trọng lượng. Hàm mục tiêu thường biểu thị các đại lượng cần cực tiểu hóa như trọng lượng, thể tích, giá thành… của kết cấu. Các điều kiện ràng buộc dưới dạng đẳng thức thường là các điều kiện cân bằng, các điều kiện biến dạng liên tục. Các điều kiện ràng buộc dưới dạng bất đẳng thức thường là các điều kiện về độ bền, độ cứng, các điều kiện về chảy dẻo v.v. Dạng hàm mục tiêu và dạng điều kiện ràng buộc thay đổi tùy theo kết cấu và phương pháp giải. Do đó bài toán tối ưu và phương pháp giải có những đặc điểm khác nhau khi dùng phương pháp tính khác nhau như phương pháp lực, phương pháp chuyển vị hay phương pháp PTHH. 2.2.2. Công thức cơ bản của bài toán tối ưu hóa kết cấu Công thức cơ bản của vấn đề tối ưu hóa kết cấu bao gồm một hàm mục tiêu cần được tối ưu và thường chịu ràng buộc đẳng thức và /hoặc bất đẳng thức. Các hàm số mục tiêu và ràng buộc là ẩn hoặc hiện trong các điều kiện của các biến thiết kế được thiết lập cho tối ưu. Công thức chung được viết như sau: min f(x) (2-1) với điều kiện gi(x)  0, ∀ i = 1, … , m; hj(x) = 0, ∀ j = 1, … , p; trong đó x  Rn là các biến thiết kế; f(x) là hàm mục tiêu; g(x)  Rm là các ràng buộc bất đẳng thức; h(x)  Rp là các ràng buộc đẳng thức. 2.2.3. Vấn đề tính toán tối ưu dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Dàn thép trong cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có kết cấu không gian phức tạp làm việc đồng thời với khối mặt, nên việc tính toán theo phương pháp quy đổi đơn giản đặc trưng hình học của tiết diện thanh không đảm bảo độ chính xác. Vì vậy cần dựa vào kết quả tính toán nội lực và ứng suất trong các thanh dàn từ mô hình PTHH không gian kết cấu cửa van để tiến hành tính toán giải lặp xác định hình dạng và kích thước tối ưu theo điều kiện ràng buộc về ứng suất với hàm 7
mục tiêu trọng lượng nhỏ nhất. Hiện nay phần mềm phân tích PTHH thông dụng ANSYS có mô đun tính toán tối ưu hình dạng và kích thước kết cấu hệ thanh. 2.3. Động lực học kết cấu 2.3.1. Khái quát về động lực học kết cấu Động lực học kết cấu nghiên cứu tính toán kết cấu chịu tải trọng động nhằm xác định nội lực do tải trọng động, chuyển vị động, vận tốc động, gia tốc động, tần số dao động riêng của kết cấu để tránh hiện tượng cộng hưởng và tìm biện pháp giảm rung động. Phương trình chuyển động của hệ kết cấu là: [𝑀]𝑢̈ (𝑡) + [𝐶]𝑢̇ (𝑡) + [𝐾]𝑢(𝑡) = 𝑝(𝑡) (2-7) trong đó: [M], [C], [K] lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng; 𝑢̈ (𝑡), 𝑢̇ (𝑡), 𝑢(𝑡) lần lượt là véc tơ gia tốc, véc tơ vận tốc và véc tơ chuyển vị; p là véc tơ ngoại lực. Hiện nay có hai phương pháp giải phương trình chuyển động: phương pháp tích phân trực tiếp từng bước và phương pháp xếp chồng dao động. 2.3.2. Phương pháp tích phân trực tiếp giải bài toán động lực học kết cấu Ý tưởng cơ bản của phương pháp là rời rạc miền thời gian. Véc tơ trạng thái được đưa ra chính là kết quả hưởng ứng động của hệ thống kết cấu. Phương pháp tích phân trực tiếp thường phân thành phương pháp giải hiện (explicit) hoặc phương pháp giải ẩn (implicit). Phương pháp giải ẩn cơ bản có phương pháp Newmark và Willson. 2.3.3. Vấn đề tính toán động lực học kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Do cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn là kết cấu không gian phức tạp có vô số bậc tự do nên việc xác định gia tốc, vận tốc và chuyển vị tại mọi vị trí trên cửa van theo thời gian chỉ có thể thực hiện thông qua mô hình PTHH không gian ba chiều giải trên máy tính. Phần mềm phân tích PTHH thông dụng ANSYS có khả năng mô phỏng khá tốt kết cấu không gian ba chiều là tập hợp của nhiều loại phần tử khác nhau. Việc giải phương trình vi phân chuyển động tại các bước thời gian trong phần mềm được thực hiện theo phương pháp Newmark mở rộng. 8
2.4. Tương tác khối nước – kết cấu 2.4.1. Khái quát về tương tác khối nước – kết cấu Khi kết cấu làm việc ở trong nước, dao động của kết cấu làm thay đổi áp lực khối nước, thay đổi áp lực của khối nước lại ảnh hưởng đến dao động của kết cấu hay còn gọi là tác dụng tương hỗ giữa khối nước và kết cấu. Phương trình khống chế dao động tự do của hệ thống tương tác có thể xác định từ phương trình Lagrange loại II,  và ’ lần lượt là véc tơ chuyển vị nút và véc tơ vận tốc nút của kết cấu tổng thể, f là chuyển vị kết cấu tại mặt tiếp xúc khối nước và kết cấu, p là véc tơ áp lực thủy động, nếu T và U biểu thị động năng và thế năng của kết cấu. Lấy T và U thay vào phương trình Lagrange loại II thu được: M" K '  p (2-31) Công thức (2-31) chính là phương trình dao động của kết cấu đàn hồi không cản có xét đến tương tác khối nước – kết cấu. 2.4.2. Vấn đề tính toán tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Phần mềm phân tích PTHH thông dụng ANSYS có khả năng mô phỏng khá tốt tương tác động lực học khối nước – kết cấu với các điều kiện biên phức tạp. 2.5. Phá hoại mỏi kết cấu 2.5.1. Khái quát về phá hoại mỏi kết cấu Mỏi là cả một quá trình suy thoái dần khả năng làm việc của vật liệu và cấu kiện kết cấu. Quá trình phá hoại mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt vi mô) sinh ra từ vùng cục bộ kết cấu chịu ứng suất tương đối lớn. Khi số chu trình làm việc của cấu kiện kết cấu tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, cấu kiện kết cấu ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra đứt gãy dẫn đến phá hoại kết cấu. 2.5.2. Tập trung ứng suất Các vị trí trên kết cấu có sự đột biến về hình hoặc vật liệu sẽ là các vùng tập trung ứng suất. Trường ứng suất cục bộ tại vị trí tập trung ứng suất thường lớn hơn nhiều ứng suất danh nghĩa ở xa vùng tập trung ứng suất. Vết nứt mỏi thường xuất hiện gần vị trí tập trung ứng suất. Các vùng tập trung ứng suất xuất hiện vết 9
nứt mỏi thường được gọi là đối tượng khởi tạo vết nứt. Đối tượng khởi tạo vết nứt thường là các lỗ, mối hàn hoặc vùng thay đổi vật liệu. Bản thân vết nứt mỏi cũng là vùng tập trung ứng suất vì xung quanh vết nứt cũng tồn tại trường ứng suất tập trung rất lớn. 2.5.3. Lan truyền vết nứt Nếu chi tiết kết cấu chịu tải trọng theo chu kỳ, các vết nứt rất nhỏ hoặc vết nứt vi mô sẽ xuất hiện ở khởi tạo vết nứt. Các vết nứt vi mô có thể liên kết với nhau tạo thành vết nứt mỏi được gọi là vết nứt ban đầu. Ban đầu và phát triển của vết nứt mỏi dưới tác dụng của tải trọng lặp được gọi là lan truyền vết nứt mỏi. 2.5.4. Vấn đề tính toán phá hoại mỏi của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Phần mềm phân tích PTHH thông dụng ANSYS có mô đun tính toán riêng biệt cho vấn đề phá hoại mỏi. 2.6. Công cụ sử dụng trong nghiên cứu 2.6.2. Phần tử sử dụng trong mô hình Để đơn giản hóa nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác, cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn được xây dựng theo mô hình phần tử hữu hạn 3-D từ các phần tử dầm BEAM188 và phần tử vỏ SHELLl63. Đối với khối nước tương tác với kết cấu cửa van sử dụng phần tử khối chất lỏng FLUID30. 2.6.3. Kỹ thuật tính toán tối ưu Kỹ thuật thiết kế tối ưu dựa trên phân tích phần tử hữu hạn chính là tìm phương án thiết kế tối ưu dưới điều kiện thỏa mãn yêu cầu thiết kế. Tối ưu thiết kế của quá trình phân tích phần tử hữu hạn dựa trên tham số bao gồm các yêu cầu cơ bản sau: (1) Biến thiết kế (DVs); (2) Biến trạng thái (SVs); (3) Hàm mục tiêu (Objective Function). Khi xuất kết quả ứng suất tại các phần tử được chỉ định và trọng lượng của kết cấu tương ứng với các tham số biến, tiến hành đánh giá biến trạng thái là ứng suất phần tử có thỏa mãn yêu cầu hay không, nếu không thỏa mãn tiến hành điều chỉnh tham số biến thiết kế và tính toán lại cho đến khi thỏa mãn yêu cầu và hàm mục tiêu là trọng lượng kết cấu có giá trị nhỏ nhất. 10
Hình 2.15 Sơ đồ khối quá trình tính toán tối ưu trong phần mềm ANSYS 2.6.4. Kỹ thuật tính toán động lực học kết cấu Các vấn đề động lực học như đặc tính dao động kết cấu, hiệu ứng tải trọng thay đổi theo thời gian, tải trọng kích động theo chu kỳ... đều có thể được giải quyết một cách đầy đủ và tin cậy bằng phần mềm ANSYS. 2.6.5. Kỹ thuật tính toán tương tác khối nước - kết cấu Phần mềm ANSYS có khả năng mô phỏng rất tốt tương tác giữa khối nước - kết cấu (FSI) với các điều kiện biên khác nhau. Dựa trên mô hình tổng thể khối nước và kết cấu, tiến hành gán FSI cho mặt tiếp giáp giữa hai môi trường. Khi khối nước dao động sẽ tương tác với kết cấu theo các dạng dao động. 2.6.6. Kỹ thuật tính toán phá hoại mỏi kết cấu thép Trong phần mềm ANSYS có mô đun riêng biệt để tính toán phá hoại mỏi kết cấu khi chịu tác dụng của tải trọng lặp lại trong thời gian dài như phương pháp tuổi biến dạng (Strain Life) và phương pháp tuổi ứng suất (Stress Life). 11
2.7. Kết luận Chương 2 Luận án dựa vào kết quả tính toán nội lực và ứng suất trong các thanh dàn từ mô hình PTHH không gian kết cấu cửa van để tiến hành tính toán giải lặp xác định hình dạng và kích thước tối ưu theo điều kiện ràng buộc về ứng suất với hàm mục tiêu trọng lượng cửa van nhỏ nhất. Cửa van chịu tác dụng tương hỗ của khối nước từ hai phía khác với các kết cấu cửa van tràn chịu áp lực nước từ một phía. Vì vậy cần thiết phải xem xét ảnh hưởng của tương tác khối nước trước và sau cửa van đến đặc tính dao động của cửa van dưới tác dụng của tải trọng động. Dựa vào độ lớn của tập trung ứng suất tại vị trí khởi tạo vết nứt (vị trí giao giữa các cấu kiện thanh dàn) và đường cong S-N của vật liệu để dự báo tuổi mỏi của mối nối từ đó đánh giá tổng thể kết cấu cửa van. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THAY ĐỔI HÌNH THỨC VÀ TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN 3.2. Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 3.2.1. Đề xuất cải tiến hình thức kết cấu dàn Luận án đề xuất thay đổi hình thức bố trí hệ thanh bụng dàn chính bằng cách sử dụng thanh cong ngược đỡ bản mặt thay thế các thanh xiên trong mặt phẳng dàn như Hình 3.4 để giảm sự chênh lệch độ cứng của dàn theo cả hai chiều. Hình 3.4 Hình thức dàn chính cửa van phẳng kéo đứng được đề xuất cải tiến 12
Cơ sở để đưa ra hình thức này như sau: Khi có sự chênh lệch mực nước biển lớn hơn phía sông (Hình 3.5 a), thanh cánh hạ (1) chịu kéo, thanh cánh thượng (2) chịu nén và ngược lại khi có sự chênh lệch mực nước sông lớn hơn phía biển (Hình 3.5 b), thanh cánh hạ (1) chịu nén, thanh cánh thượng (2) chịu kéo sẽ phát huy được tác dụng của vòm khi các thanh chủ yếu chịu lực dọc. Ngoài ra khi thay đổi hình thức dàn, độ mảnh của thanh chịu nén giảm do giảm chiều dài tính toán của thanh chịu nén, số lượng mối nối dàn tăng lên nhưng cấu tạo đơn giản hơn do giảm số lượng thanh liên kết tại mối nối. Hình 3.5 Nguyên tắc chịu lực của mặt phẳng dàn làm việc hai chiều 3.2.2. Xây dựng chương trình tính toán kết cấu cửa van Tiến hành xây dựng chương trình tính toán cửa van theo mô hình truyền thống và mô hình đề xuất có tên gọi lần lượt là LIFTGATE.MAC và LIFTGATE_OP.MAC. Chương trình được chạy trên phần mềm ANSYS Mechanical V16. Do giới hạn nghiên cứu của luận án chỉ trong phạm trù về kết cấu thép nên mô hình cửa van được xây dựng trong điều kiện cửa van đang làm việc bình thường ngăn nước hay cửa van đang đóng, xi lanh không làm việc. Điều kiện biên của mô hình ngoài các liên kết đơn tựa ngang tại mặt trượt, còn có các gối tựa đứng liên kết đáy cửa van với ngưỡng tại hai đầu cửa. Để đảm bảo đủ liên kết đối với mô 13
hình không gian ba chiều, đặt thêm liên kết theo phương dọc cửa trên mặt phẳng đối xứng tại giữa chiều dài cửa (trong thực tế là các bánh xe bên). 3.2.3. Kết quả tính toán kết cấu cửa van Để có cơ sở so sánh kết quả tính toán của hai mô hình truyền thống và đề xuất, các dữ liệu đầu vào được lấy tương đồng. (1) Kết quả tính toán theo mô hình truyền thống: Tổng trọng lượng cửa van theo mô hình truyền thống là 197,155 tấn. (2) Kết quả tính toán theo mô hình đề xuất: Kết quả tính toán trọng lượng bản thân của cửa van theo mô hình đề xuất với tổng trọng lượng cửa van là 187,873 tấn. 3.2.4. Tổng hợp kết quả tính toán và nhận xét Kết quả cho thấy chuyển vị theo phương dòng chảy của hai mô hình xấp xỉ nhau hay độ cứng cửa van gần như không thay đổi, nhưng trọng lượng giảm gần 10 tấn bằng 4,73% trên tổng trọng lượng cửa van và bằng 13,59% trên tổng trọng lượng dàn. Lực dọc trong thanh cánh hạ khi cửa van ngăn triều trong hai mô hình xấp xỉ nhau, tuy nhiên với mô hình đề xuất lực nén trong thanh cánh hạ khi cửa van giữ ngọt giảm 10,77% điều đó chứng tỏ hiệu quả của thanh cong ngược chiều chịu kéo hỗ trợ cho thanh cánh hạ chịu nén. Với kết quả này cho thấy tính khả thi của mô hình đề xuất khi cửa van làm việc hai chiều. Bảng 3.7 So sánh kết quả tính toán theo hai mô hình Chuyển vị theo Lực dọc thanh cánh Mô hình Tổ hợp G (tấn) phương Z (mm) hạ (kN) Truyền thống 1 16,10 1957 197,16 Đề xuất 1 16,34 1938 187,87 Chênh lệch +1,49% -0,97% 4,73% Truyền thống 2 -11,39 -1291 197,16 Đề xuất 2 -11,46 -1152 187,83 Chênh lệch +0,61% -10,77% 4,73% 3.3. Nghiên cứu lựa chọn kích thước dàn hợp lý Xem xét ảnh hưởng của các tham số kích thước kết cấu dàn như: Chiều cao dàn chính: B1 (các kích thước B2, B3, B4 theo kích thước B1). 14
Khoảng cách giữa hai dàn chính: H1 (H2, H3, H4 theo kích thước H1) Vị trí thanh cánh thượng so với thanh cánh hạ: X1 (các kích thước X2, X3 theo X1). Kích thước dàn được coi là hợp lý khi trọng lượng bản thân nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo điều kiện về độ bền và độ cứng. Hình 3.17 Các tham số kích thước dàn 3.3.1. Ảnh hưởng của chiều cao dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn Khi chiều cao dàn chính tăng lên, chuyển vị cửa van theo phương dòng chảy giảm là phù hợp với quy luật, chuyển vị giảm nhanh khi chiều cao dàn nhỏ và chậm dần khi chiều cao dàn lớn (khoảng từ 5,5 m trở đi). Lực dọc trong thanh cánh hạ cũng tương tự. Đối với thanh cánh thượng của dàn dưới, trong cả hai tổ hợp đều chịu lực kéo và giảm dần khi chiều cao dàn tăng lên. Đối với thanh cánh thượng của dàn trên đều chịu nén và không có quy luật. Theo điều kiện về độ cứng, chuyển vị tương đối của cửa van theo phương dòng chảy (phương Z) không được vượt quá chuyển vị tương đối cho phép. Theo điều kiện về độ bền, với mọi chiều cao dàn chính đều thỏa mãn điều kiện về độ bền. 3.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn Khi khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính tăng lên, chuyển vị cửa van theo phương dòng chảy tăng nhưng không tuyến tính. Lực dọc trong thanh cánh hạ giảm nhưng không đáng kể. Đối với thanh cánh thượng dàn dưới, trong cả hai tổ hợp đều chịu lực kéo và giảm dần khi khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính 15
tăng lên. Đối với thanh cánh thượng dàn trên, trong cả hai tổ hợp đều chịu nén và giảm dần khi khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính tăng lên. 3.3.3. Ảnh hưởng của độ cong thanh cánh thượng dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn Khi độ cong của thanh cánh thượng giảm, chuyển vị cửa van theo phương dòng chảy tăng; lực dọc kéo trong thanh cánh hạ giảm ứng với tổ hợp mực nước 1, lực dọc nén trong thanh cánh hạ tăng ứng với tổ hợp 2. Điều này cho thấy độ cong của thanh cánh thượng lớn có lợi đối với chuyển vị và lực dọc trong thanh cánh hạ. Đối với thanh cánh thượng, trong cả hai tổ hợp khi độ cong giảm thì nội lực tăng lên. Vì vậy khi bố trí thanh cánh thượng trong dàn chính nên bố trí độ cong tối đa hay đỉnh thanh cánh thượng càng gần bản mặt càng tốt sẽ có lợi về chuyển vị và nội lực trong thanh cánh hạ và thanh cánh thượng của dàn chính. 3.3.4. Lựa chọn góc nghiêng hai dàn chính Từ các biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị theo phương đứng và khoảng cách giữa hai đầu dàn cho thấy chuyển vị nhỏ nhất ứng với trường hợp H1 = 3,5m; Đối với lực dọc trong thanh cánh hạ dàn trên nhỏ nhất khi khoảng cách giữa hai đầu dàn H1 = 2,8 m; Đối với lực dọc trong thanh cánh hạ dàn dưới nhỏ nhất khi khoảng cách giữa hai đầu dàn H1 = 3,3 m. Tổng hợp các điều kiện nêu trên, kiến nghị phạm vi hợp lý của khoảng cách hai đầu dàn nằm trong khoảng từ 2,0 m đến 4,0 m tương ứng với góc nghiêng của mặt phẳng dàn từ 12,5o đến 2,5o so với phương nằm ngang. 3.4. Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt cắt ngang thanh dàn 3.4.1. Phương án tính toán tối ưu Tiến hành tính toán với 3 phương án nhóm thanh: Phương án 1 gồm 4 nhóm thanh: thanh cánh hạ (DK01), thanh nối đứng (DK02), thanh đứng + thanh cánh thượng + thanh dàn ngang (DK03), thanh chéo (DK04). Phương án 2 gồm 5 nhóm thanh: thanh cánh hạ (DK01), thanh nối đứng (DK02), thanh đứng + thanh cánh thượng (DK03), thanh chéo (DK04), thanh dàn ngang (DK05). 16
Phương án 3 gồm 6 nhóm thanh: thanh cánh hạ (DK01), thanh nối đứng (DK02), thanh đứng (DK03), thanh chéo (DK04), thanh dàn ngang (DK05), thanh cánh thượng (DK06). Hình 3.42 Các nhóm thanh dàn 3.4.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước mặt cắt đối với các phương án Để cửa van đáp ứng được trong cả hai trường hợp làm việc và phù hợp với quy cách chế tạo thép ống, dựa vào kết quả tính toán tối ưu ứng với các phương án nhóm thanh, luận án đề xuất kích thước mặt cắt thanh dàn cho ở Bảng 3.18. Bảng 3.18 Kích thước mặt cắt thanh dàn đề xuất theo các phương án Ban Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Tham số Đề xuất đầu Cơ bản 1 Cơ bản 2 Cơ bản 1 Cơ bản 2 Cơ bản 1 Cơ bản 2 DKO1 (m) 0,762 0,588 0,500 0,501 0,500 0,500 0,500 0,500 DKO2 (m) 0,457 0,345 0,312 0,315 0,300 0,300 0,300 0,300 DKO3 (m) 0,457 0,322 0,397 0,301 0,300 0,300 0,313 0,400 DKO4 (m) 0,457 0,278 0,398 0,202 0,200 0,219 0,200 0,250 DKO5 (m) 0,396 0,383 0,338 0,400 0,400 DKO6 (m) 0,480 0,395 0,500 TO1 (m) 0,020 0,018 0,019 0,014 0,014 0,0140 0,0140 0,016 TO2 (m) 0,014 0,012 0,012 0,012 0,012 0,0124 0,0120 0,014 TO3 (m) 0,014 0,013 0,013 0,012 0,012 0,0123 0,0120 0,014 TO4 (m) 0,014 0,013 0,014 0,011 0,010 0,0120 0,0114 0,012 TO5 (m) 0,014 0,013 0,0139 0,0140 0,014 TO6 (m) 0,0139 0,0139 0,016 WT (tấn) 68,368 45,522 47,371 32,067 31,458 26,961 26,632 39,038 % tối ưu 33,4 30,7 53,1 53,9 60,6 61,0 42,9 Hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn theo mô hình đề xuất được phân làm 4 nhóm: Thanh cánh hạ (DKO1) + Thanh cánh thượng (DKO6): D50016; Thanh 17
nối đứng (DKO2): D30016; Thanh bụng đứng (DKO3) + Thanh dàn ngang (DKO5): D40014; Thanh chéo đầu dàn (DKO4): D25012. 3.5. Kết luận Chương 3 Để phát huy tối đa hiệu quả của dàn theo cả hai chiều làm việc, luận án đề xuất thay đổi hình thức dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn có sử dụng kết hợp thanh cong ngược đỡ bản mặt để tăng độ cứng của dàn theo cả hai chiều chịu lực. Với mô hình đề xuất, độ cứng cửa van gần như không thay đổi, tuy nhiên trọng lượng giảm gần 10 tấn bằng 4,73% trên tổng trọng lượng cửa van và bằng 13,59% trên tổng trọng lượng dàn. Lực dọc trong thanh cánh hạ khi cửa van ngăn triều trong hai trường hợp xấp xỉ nhau, tuy nhiên với mô hình đề xuất lực nén trong thanh cánh hạ khi cửa van giữ ngọt giảm 10,77% điều đó chứng tỏ hiệu quả của thanh cong ngược chiều chịu kéo hỗ trợ cho thanh cánh hạ chịu nén. Khả năng mất ổn định của thanh cánh hạ khi chịu nén giảm. Sau khi tính toán tối ưu, trọng lượng phần kết cấu dàn giảm được 42,9% so với truyền thống. Mặc dù hệ số dự trữ độ bền và độ cứng của cửa van còn khá lớn, nhưng do yêu cầu về mặt cấu tạo và đảm bảo trọng tâm không quá gần bản mặt nên không thể giảm nhỏ hơn kích thước mặt cắt. CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG CHO CÔNG TRÌNH CỐNG NGUYỄN TẤN THÀNH 4.1. Giới thiệu công trình Công trình gồm một cống lộ thiên BTCT M300 có chiều rộng thông nước B = 40 m, cửa cống ngưỡng -5,50 m, cao trình đỉnh trụ pin +3,00 m. Cửa van cống kiểu cửa phẳng bằng thép S355JR vận hành bằng xi lanh thủy lực kéo đứng, cao trình đỉnh cửa +2,50 m. Luận án kiến nghị sử dụng cửa van phẳng kéo đứng được đề xuất ở trong Chương 3 cho cống Nguyễn Tấn Thành với kích thước 40  8 m. 4.2. Thông số cơ bản dùng trong thiết kế Vật liệu thép S355JR; chất lỏng có khối lượng riêng  = 1.000 kg/m3; vận tốc sóng âm thanh trong nước v = 1.400 m/s; hệ số ma sát giữa hai loại vật liệu f = 0. Cột 18