PHẦN IV: CHUYÊN ĐỀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT … filekiện biên phức tạp, giải được cả bài toán phẳng và bài toán không gian, các bài toán

Chuyên đề kỹ thuật 1 Phân tích ứng suất đập dâng

Nguyễn Thái Hương

PHẦN IV: CHUYÊN ĐỀ KỸ THUẬT

PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT ĐẬP KHÔNG TRÀN



1.1) Mục đích của phân tích ứng suất

Tính toán ứng suất trong đập bê tông trọng lực nhằm xác định trị số, phương,

chiều và tình hình phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và ảnh hưởng

của các nhân tố khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phân giai đoạn

thi công thân đập… Trên cơ sở các số liệu tính toán được ta tiến hành kiểm tra khả

năng chịu lực của vật liệu, phân vùng đập để định các số liệu của bê tông khác nhau,

phù hợp với điều kiện chịu lực của từng vùng, bố trí, cấu tạo các bộ phận công trình

thích ứng với các điều kiện làm việc của chúng.

1.2) Các phương pháp phân tích ứng suất

Hiện nay trong tính toán thiết kế đập bê tông để phân tích ứng suất người ta

thường sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp sức bền vật liệu: Phương pháp này đơn giản, cho kết quả tin cậy

trong bài toán thiết kế đập bê tông có cấu tạo mặt cắt cũng như nền không phức tạp.

- Phương pháp lý luận đàn hồi: Phương pháp này xem thân đập là một môi

trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi

của vật liệu theo định luật Húc. Nói chung với những đập cao các giả thiết đó cơ bản

phù hợp với tình hình thực tế. Phương pháp này có thể giải quyết các vấn đề đặc biệt

như ứng suất tập trung, ứng suất nhiệt mà bài toán sức bền vật liệu không thể giải

quyết được.

- Phương pháp phần tử hữu hạn: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn có thể

phân tích một cách gần đúng trạng thái ứng suất của đập bê tông kể cả các đập có điều

kiện biên phức tạp, giải được cả bài toán phẳng và bài toán không gian, các bài toán có

xét đến trạng thái làm việc đồng thời của môi trường đập và nền.

Trong đồ án này em sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất

đập không tràn.

1.3) Phương pháp phần tử hữu hạn

Sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của máy tính điện tử đã làm thay đổi sâu sắc

cách xem xét và sử dụng các phương pháp tính toán kết cấu. Với công cụ máy tính

điện tử người ta có thể chọn các thuật toán tổng quát, soạn thảo các chương trình mang

tính tự động hóa cao, áp dụng cho một lớp các bài toán có chung tính chất chủ yếu.

Một trong những phương pháp số sử dụng máy tính điện tử trong tính toán kết cấu

hiện nay là phương pháp phần tử hữu hạn.

Trong phương pháp phần tử hữu hạn, vật thể liên tục được thay thế bằng một số

hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản, có kích thước càng nhỏ càng tốt

nhưng hữu hạn. Chúng được nối với nhau ở một số điểm quy định gọi là nút. Các phần

tử này vẫn giữ nguyên vật thể liên tục trong phạm vi mỗi nút nhưng do có hình dạng



đơn giản và kích thước bé nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở quy

luật về sự phân bố chuyển vị và nội lực.

Các đặc trưng cơ bản của mỗi phần tử được xác định và mô tả dưới dạng các ma

trận độ cứng của phần tử. Các ma trận này dùng để ghép các phần lại thành một mô

hình rời rạc hóa của kết cấu thực dưới dạng ma trận cứng của cả kết cấu.

Các tác động ngoài gây ra nội lực và chuyển vị của kết cấu được quy về các ứng

lực tại các nút và được mô tả trong ma trận tải trọng nút. Các ẩn số cần tìm là các

chuyển vị (hoặc nội lực) tại các nút được xác định trong ma trận chuyển vị nút (hoặc

ma trận nội lực nút). Các ma trận độ cứng, ma trận tải trọng và ma trận chuyển vị nút

được liên kết với nhau trong phương trình cân bằng theo quy luật tuyến tính hay phi

tuyến tùy theo ứng xử của kết cấu và các tác động lên kết cấu. Như vậy, thuật toán

phần tử hữu hạn được dựa trên sự nghiên cứu và xác lập các ma trận cơ bản cùng với

quy luật liên hệ giữa các ma trận để phản ánh gần đúng các ứng xử thực tế của kết cấu

và các tác động lên kết cấu.

Hệ phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn có dạng như sau:

[ ] { } { }K . F∆ =

Trong đó:

- [K]: là ma trận độ cứng của toàn kết cấu.

- {∆}: véc tơ chuyển vị nút của toàn kết cấu.

- {F}: véc tơ ngoại lực nút.

Đây là phương trình cân bằng lực tại toàn bộ các nút của hệ. Sau khi xét điều kiện

biên (nút có chuyển vị hoặc không chuyển vị đã biết trước) thì hệ này hoàn toàn có thể

giải được. Kết quả giải hệ phương trình trên cho ta chuyển vị của toàn kết cấu ở hệ tọa

độ chung, từ đó sẽ tìm ra chuyển vị nút của mỗi phần tử trong hệ tọa độ riêng của phần

tử, sau đó sẽ xác định được nội lực, ứng suất, biến dạng của điểm bất kỳ trong phần tử.

1.4) Ứng dụng phần mềm ANSYS để giải bài toán kết cấu

Hiện nay việc sử dụng các phần mềm trên máy vi tính để giải các bài toán kết

cấu rất phổ biến. Có rất nhiều phần mềm có thể giải quyết bài toán kết cấu đặt ra ở trên

như ANSYS, Sap 2000, Abaqus, ADINA… Trong đồ án này em chọn phần mềm

ANSYS version 12 để tính toán ứng suất của đập không tràn.

ANSYS là một phần mềm đa năng có thể dùng để giải các bài toán trong nhiều

lĩnh vực khác nhau như kết cấu, thủy lực, nhiệt, điện, điện tử, đặc biệt là các bài toán

tương tác giữa các môi trường khác nhau, tương tác giữa các hệ vật lý… Từ khi ra đời

năm 1970, phần mềm ANSYS không ngừng được cải tiến nâng cao, công năng ngày

càng lớn mạnh, hiện tại đã phát triển đến phiên bản 15.0. Hiện nay có hơn 70% các



trường Đại học và Viện nghiên cứu trên thế giới sử dụng phần mềm ANSYS trong

giảng dạy và nghiên cứu. ANSYS đã trở thành phần mềm có tốc độ tăng trưởng nhanh

nhất trên phạm vi toàn thế giới.

Có ba phương thức chính giải bài toán kết cấu bằng phần mềm ANSYS đó là

phương thức giao diện đồ họa – người dùng (GUI – Graphical User Interface), phương

thức dùng lệnh (Command), phương thức ngôn ngữ lập trình tham số hóa (APDL –

ANSYS Parametric Design Language), người sử dụng có thể dùng phối hợp cả ba

phương thức này. Ngoài ra có thể dựa trên APDL xây dựng chương trình phân tích

chuyên dụng dưới dạng file macro.

Trình tự giải bài toán kết cấu công trình bằng phần mềm ANSYS gồm 14 bước

cơ bản được phân thành 3 nhóm chính như sau:

(1) Xử lý số liệu

- Đặt tên bài toán

- Giới hạn phạm vi phân tích

- Định nghĩa loại hình phần tử và lựa chọn các thông số

- Định nghĩa hằng số thực

- Định nghĩa thuộc tính vật liệu

- Xây dựng mô hình hình học

- Chia lưới phần tử

- Gán tải trọng và điều kiện biên

(2) Tính toán

- Lựa chọn loại hình tính toán

- Thiết lập các yêu cầu tính toán

- Tính toán các vấn đề có liên quan

(3) Xử lý kết quả

- Đọc lấy dữ liệu từ trong kết quả tính toán

- Hiện thị các loại biểu đồ, bảng biểu (nếu có) đối với kết quả tính toán

- Phân tích kết quả

1.5) Mô hình và kết quả bài toán

1.5.1) Mô hình bài toán

Tính toán ứng suất thân đập trong trường hợp bài toán phẳng nghĩa là khảo sát

một đoạn đập có chiều dài đơn vị, bỏ qua tác dụng của các lực có phương song song

với trục đập.



Hình 1.1- Các cao trình và kích thước cơ bản của bài toán.

1.5.2) Điều kiện biên của bài toán

Việc xác định điều kiện biên của bài toán đóng một vai trò vô cùng quan trọng,

nó quyết định đến độ chính xác của bài toán. Trong bài toán này, ta chỉ tính toán cho

mặt cắt đập có chiều dài đơn vị là 1m nên đây là bài toán biến dạng phẳng. Đối với bài

toán tính ứng suất thân đập có kể tới nền thì độ sâu nền được lấy bằng chiều cao H của

thân đập, bề rộng nền lấy sang 2 bên thân đập được lấy bằng bề rộng đáy đập B. Điều

kiện biên của bài toán như sau:

- Do bài toán là biến dạng phẳng nên mặt cắt đập chỉ có thể biến dạng trong mặt phẳng

vuông góc với trục đập mà không thể biến dạng theo phương trục đập. Vì vậy, các

điểm ở đáy nền được hạn chế chuyển vị theo phương đứng (gán liên kết chống đứng).

- Các điểm biên 2 bên của nền được hạn chế chuyển vị theo phương ngang (gán liên

kết chống ngang).

1.5.3) Trường hợp tính toán

Thực tế để phân tích ứng suất thân đập ta cần phải tính toán với nhiều tổ hợp tải

trọng khác nhau. Nhưng trong phạm vi đồ án này em tính cho 1 tổ hợp tải trọng:

MNTL ứng với MNLTK = +410.32m, MNHL = +325.95m, các thiết bị chống thấm và

tiêu nước làm việc bình thường.



1.5.4) Các loại tải trọng tác dụng

- Trọng lượng bản thân đập.

- Áp lực nước thượng lưu tác dụng vào đập.

- Áp lực đẩy nổi tác dụng lên đáy đập.

- Áp lực sóng.

- Áp lực bùn cát tác dụng vào đập(Zbc = 325,54m).

- Trọng lượng của nước đè lên thượng lưu nền.

- Trọng lượng của khối bùn cát đè lên thượng lưu nền.

- Áp lực nước hạ lưu.

- Áp lực thấm tác dụng lên đáy đập.

Các chỉ tiêu cơ lý của nền và bê tông được cho trong bảng sau:

Loại vật liệu γ (T/m3) E(T/m2) µ Rk(T/m2) Rn(T/m2)

Bêtông M150 2,4 2,1.106 0,2 85 900

Nền đá IIA 2,65 1,2.106 0,22 100 1100

Bêtông M300 160 1300

Bêtông M250 130 1100

Bêtông M200 115 950

1.5.5) Kết quả tính toán

Tiến hành các bước tính toán trong phần mềm ANSYS, ta được kết quả hình ảnh phổ

màu của các thành phần ứng suất như phụ lục 8.

Giá trị của các thành phần ứng suất chính (S1,S3) và ứng suất theo phương X, Y (SX,

SY) tại mặt tiếp giáp giữa đập với nền (A-B) và mặt cắt giảm yếu (C-D) được thể hiện

ở các biểu đồ sau:



Hình 1.2- Biểu đồ Ư/S chính S1, S3 tại mặt tiếp giáp giữa đập và nền A-B (đ.v T/m2).

Hình 1.3- Biểu đồ Ư/S theo phương X, Y tại mặt tiếp giáp giữa đập và nền (đ.v T/m2).



Hình 1.4- Biểu đồ Ư/S chính S1, S3 tại mặt giảm yếu C-D (đ.v T/m2).

Hình 1.5- Biểu đồ Ư/S theo phương X, Y tại mặt cắt giảm yếu C-D (đ.v T/m2).

Nhận xét:

Từ kết quả tính toán ta thấy, ứng suất kéo nén lớn nhất xuất hiện tại vùng tiếp

giáp giữa đập và nền. Cụ thể, chân đập phía thượng lưu (điểm A) xuất hiện ứng suất

kéo lớn nhất, chân đập phía hạ lưu (điểm B) xuất hiện ứng suất nén lớn nhất. Trị số thể

hiện ở bảng sau:



Điểm Giá trị ƯS chính Giá trị ƯS theo phương X,Y

S1(T/m2) S3(T/m2) SX(T/m2) SY(T/m2)

A 592.246 30.755 382.99 240.01

B -72.082 -576.79 -445.83 -203.04

Các giá trị ứng suất kéo tại điểm A có sự nhảy vọt, vượt quá giới hạn chịu kéo

của vật liệu, vùng ứng suất này không mở rộng về phía đập và nền. Điều này cũng có

thể giải thích là do xuất hiện ứng suất cục bộ và tăng đột ngột tại điểm chân đập (điểm

kỳ dị). Để có kết quả chính xác hơn cần tiến hành thí nghiệm để có được các thông số

đầu vào, chọn mô hình vật liệu và tiến hành những phân tích phi tuyến để mô phỏng

đúng sự làm việc của vật liệu hơn. Các gía trị ứng suất nén nằm trong giới hạn cho

phép của vật liệu. Trong đồ án này vì lý do thời gian nên em mới chỉ dừng lại ở phân

tích tuyến tính.

Ứng suất xung quanh các hành lang rất phức tạp, tại các khu vực đó vừa xuất

hiện ứng suất kéo tập trung, vừa xuất hiện ứng suất nén tập trung.

Tại khu vực chân đập thượng lưu và hạ lưu, vị trí các hành lang xuất hiện ứng

suất kéo gây mất ổn định cục bộ và có thể làm nứt bê tông. Do vậy tại những vị trí đó

ta bố trí thêm cốt thép để tăng khả năng chịu kéo cho bê tông.



PHỤ LỤC 8

Hình 1.6- Mô hình PTHH bài toán phân tích ứng suất thân đập có kể nền.

Hình 1.7- Phổ ứng suất chính S1 của đập và nền (đơn vị T/m2).



Hình 1.8- Phổ ứng suất chính theo phương 3 (S3) của đập và nền (đơn vị T/m2).

Hình 1.9- Phổ ứng suất theo phương ngang X (SX) của đập và nền (đơn vị T/m2).



Hình 1.10- Phổ ứng suất theo phương đứng Y (SY) của đập và nền (Đơn vị T/m2).

Hình 1.11- Phổ chuyển vị tổng của đập và nền (Đơn vị m).

Documents

PHẦN IV: CHUYÊN ĐỀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT … filekiện biên phức tạp, giải được cả bài toán phẳng và bài toán không gian, các bài toán