(Luận Văn Thạc Sĩ) Thiết Kế Tối Ưu Cửa Van Cung Bằng Phần Mềm Sap2000.Pdf

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình

trường Đại học thuỷ lợi, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình,

đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Thiết kế tối ưu cửa van cung bằng

phần mềm SAP2000” đã được hoàn thành.

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân

đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố.

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành Hải

người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện

luận văn này.

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những

thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.

Hà Nội, 12 tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

VŨ HẢI AN

LỜI CAM ĐOAN

Tên tác giả: Vũ Hải An

Học viên cao học CH19C12

Người hướng dẫn: PGS.TS.Vũ Thành Hải

Tên đề tài Luận văn:“Thiết kế tối ưu cửa van cung bằng phần mềm SAP2000"

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là

trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Các thông tin

trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2015

TÁC GIẢ

VŨ HẢI AN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài: ................................................................................... 1

2. Mục đích của đè tài: .......................................................................................... 1

3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................... 1

4. Kết quả nghiên cứu dự kiến đạt được ............................................................... 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG ................................. 2

1.1. Khái quát về cửa van hình cung ................................................................... 2

1.1.1. Khái niệm và phân loại ............................................................................. 2

1.1.2. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo ......................................................... 4

1.1.3. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay ................................................ 7

1.1.4. Phạm vi ứng dụng ..................................................................................... 8

1.2. Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van .................... 10

1.2.1. Cấu tạo chung của kết cấu cửa van ........................................................ 10

1.2.2. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của cửa van

cung ................................................................................................................... 10

1.3. Tính toán kết cấu cửa van cung ................................................................. 16

1.3.1. Tính toán cửa van cung theo hệ phẳng ................................................... 16

1.3.2. Phân tích cửa van theo bài toán không gian .......................................... 24

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU THÉP HỆ THANH BẰNG

PHẦN MỀM SAP2000 ........................................................................................... 32

2.1. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn ........................................... 31

2.1.1. Khái niệm về thiết kế tối ưu kết cấu ........................................................ 32

2.1.2. Hàm mục tiêu và các ràng buộc ............................................................. 32

2.1.3. Phương pháp giải: .................................................................................. 35

2.1.4. Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi ...................... 35

2.1.5. Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo. ................... 38

2.2. Khái quát về phần mềm SAP2000

2.2.1. Khái quát về phần mềm SAP2000 .......................................................... 41

2.2.2. Một vài điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng

thái ứng suất và biến dạng cửa van. ................................................................. 42

2.2.3. Các bước tính toán kết cấu cửa van bằng SAP2000 .............................. 47

2.3. Thiết kế tối ưu kết cấu bằng SAP2000 ...................................................... 48

2.3.1. Phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu trong SAP2000 ............................. 48

2.3.2. Các bước tính toán tối ưu các kết cấu cơ bản dầm khung. .................... 48

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TỐI ƯU CỬA VAN CUNG TRONG CÔNG TRÌNH

HỒ CHỨA NƯỚC CỬA TIỂU TP.HỒ CHÍ MINH ........................................... 58

3.1. Giới thiệu công trình ................................................................................... 58

3.1.1. Quy mô công trình .................................................................................. 58

3.1.2. Cửa van cung .......................................................................................... 58

3.1.3. Số liệu tính toán và các trường hợp nghiên cứu: ................................... 59

3.2. Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian bằng phần mềm

SAP2000 ............................................................................................................... 59

3.2.1. Mô tả kết cấu cửa van ............................................................................. 59

3.2.2. Mô hình hóa kết cấu cửa van cung bằng phần mềm SAP2000 .............. 62

3.2.3. Định nghĩa tiết diện tự động trong thiết kế tối ưu .................................. 66

3.2.4. Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian ............................ 69

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3. 1 – Giá trị góc α và góc θ ............................................................................ 64

Bảng 3. 2 - Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc ............................................................ 70

Bảng 3. 3 -Hệ số ứng suất của giàn đứng thứ hai ..................................................... 71

Bảng 3. 4- Hệ số ứng suất của giàn biên và càng van ............................................... 72

Bảng 3. 5- Hệ số ứng suất của giàn chính trên ......................................................... 72

Bảng 3. 6- Hệ số ứng suất của giàn chính dưới ........................................................ 73

Bảng 3. 7– Chuyển vị giữa nhịp của giàn chính trên và dưới ................................... 73

Bảng 3. 8– Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính dưới và trên ...................................... 75

Bảng 3. 9– Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính trên và dưới (A) ................................ 76

Bảng 3. 10- Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc (A) .................................................... 76

Bảng 3. 11- Hệ số ứng suất của giàn đứng thứ 2 (A) ................................................ 76

Bảng 3. 12- Hệ số ứng suất của giàn biên và càng van (A) ...................................... 77

Bảng 3. 13- Hệ số ứng suất của giàn chính dưới (A) ................................................ 77

Bảng 3. 14– Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính trên và dưới (B) .............................. 77

Bảng 3. 15- Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc (B) .................................................... 77

Bảng 3. 16- Hệ số ứng suất của giàn đứng thứ 2 (B) ................................................ 78

Bảng 3. 17- Hệ số ứng suất của giàn biên và càng van (B) ...................................... 78

Bảng 3. 18- Hệ số ứng suất của giàn chính dưới (B) ................................................ 78

Bảng 3. 19– Trọng lượng bản thân van ..................................................................... 80

Bảng 3.20– Lực kéo van ........................................................................................... 80

Bảng 3.21– Trọng lượng bản thân cửa van khi chưa thiết kế tối ưu ......................... 80

Bảng 3.22– Nội lực thanh cánh hạ giàn chính trên ................................................... 82

Bảng 3.23– Nội lực thanh cánh hạ giàn chính dưới .................................................. 83

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên ........................... 2

Hình 1. 2- Cửa van trên mặt ........................................................................................ 3

Hình 1. 3- Cửa van dưới sâu ....................................................................................... 3

Hình 1. 4- Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung ............................................................... 4

Hình 1. 5- Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề ....................... 5

Hình 1. 6- Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt ...................................................... 6

Hình 1. 7- Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung ................................. 7

Hình 1. 8- Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung .............................. 7

Hình 1. 9- Các loại hình thức khung chính ................................................................. 8

Hình 1. 10- Các hình thức khe van ............................................................................ 9

Hình 1. 11- Sơ đồ vị trí khung chính ........................................................................ 11

Hình 1. 12- Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sít ................................ 14

Hình 1. 13- Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới ....................... 17

Hình 1. 14- Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu .............. 18

Hình 1. 15- Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chân khớp ................... 20

Hình 1. 16- Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chính chân ngàm .......... 21

Hình 1. 17- Sơ đồ tính toán nội lực càng van .......................................................... 23

Hình 1. 18- Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van ............................................. 23

Hình 1. 19- Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng ........................... 25

Hình 1. 20- Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực .............. 26

Hình 1. 21- Điều kiện biên khi nâng bằng tời dây kéo tiếp tuyến với bản mặt ........ 26

Hình 1. 22- Điều kiện biên khi nâng bằng tời phương dây kéo không tiếp tuyến với

bản mặt ............................................................................................................... 26

Hình 1. 23- Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở ...................... 27

Hình 2. 1:Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và mômen quán tính .................. 34

Hình 2. 2 Sơ đồ tính toán .......................................................................................... 35

Hình 2. 3 Biểu đồ quan hệ xác định giá trị tối ưu của bài toán ................................. 38

Hình 2. 4 Biểu đồ quan hệ giữa trọng lượng một đơn vị chiều dài thanh và mômen

dẻo ...................................................................................................................... 38

Hình 2. 5: Mô hình dầm ............................................................................................ 39

Hình 2. 6 Biểu đồ xác định nghiệm tối ưu ................................................................ 41

Hình 2. 7- Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanh ......................................................... 43

Hình 2. 8- Trục tọa độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanh ........................................... 43

Hình 2. 9- Hệ toạ độ cục bộ của phần tử vỏ .............................................................. 44

Hình 2. 10- Quy ước dấu của lực dọc và mômen xoắn ............................................. 44

Hình 2. 11- Quy ước dấu của lực cắt và mômen uốn................................................ 45

Hình 2. 12- Quy ước dấu nội lực của vỏ ................................................................... 45

Hình 2. 13 - Mô hình hóa bản mặt và dầm đứng ...................................................... 46

Hình 2. 14- Quy ước về các điểm Insertion Points ................................................... 46

Hình 2. 15- Trình tự mô hình hóa dầm phụ dọc ....................................................... 47

Hình 2. 16- Mô hình hóa cửa van cung bằng phần mềm SAP2000 .......................... 47

Hình 3. 1– Mặt bằng và cắt dọc cống ngăn triều ...................................................... 58

Hình 3. 2- Bố trí tổng thể van cung và thiết bị đóng mở .......................................... 60

Hình 3. 3- Kết cấu giàn đứng và càng van cung ....................................................... 60

Hình 3. 4- Kết cấu giàn chính ................................................................................... 61

Hình 3. 5- Kết cấu giàn chịu trọng lượng bản thân van ............................................ 61

Hình 3. 6 – Vị trí và mặt cắt ngang dầm phụ dọc ..................................................... 62

Hình 3. 7– Vị trí mặt cắt ngang dầm phụ dọc ........................................................... 63

Hình 3. 8– Giàn đứng và càng van ............................................................................ 65

Hình 3. 9- Mô hình hóa kết cấu van cung ................................................................. 66

Hình 3. 10– Tiết diện chon tự động AUTO-FD của dầm phụ dọc ........................... 68

Hình 3. 11– Tiết diện chon tự động AUTO1-CH và AUTO1-TB của giàn chính ... 68

Hình 3. 12– Tiết diện chon tự động AUTO2-TB và AUTO2-CH của giàn đứng .... 69

Hình 3. 13– Tiết diện chon tự động AUTO3-CV của càng van ............................... 69

Hình 3. 14– Sơ đồ liên kết trong trường hợp cửa van nằm trên ngướng .................. 70

Hình 3. 15- Hệ số sử dụng vật liệu của giàn biên và gian đứng thứ hai ................... 71

Hình 3. 16- Mã phần tử thanh của ½ giàn chính trên phía trái ................................. 72

Hình 3. 17- Mã phần tử thanh của ½ giàn chính dưới phía trái ................................ 73

Hình 3. 18– Sơ đồ liên kết van rời khỏi ngưỡng và chuyển vị giữa nhịp van .......... 74

Hình 3. 19– Auto Section Name của dầm phụ đứng và giàn chính .......................... 76

Hình 3. 20– Lực kéo van của một xylanh thủy lực .................................................. 80

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài:

Cửa van là một bộ phận quan trọng của công trình thuỷ lợi - thủy điện, để

khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ

khai thác khác nhau. Các công trình thủy lợi thủy điện đều phải sử dụng kết cấu

này. Của van thường dùng nhất là cửa van phẳng và cửa van cung.

Cửa van thường được chế tạo bằng thép cường độ cao và phải sử dụng một

khối lượng thép lớn, để tiết kiệm thép và giảm chi phí đầu tư, cần chọn kích thước

các bộ phận của cửa van đảm bảo khả năng chịu lực đồng thời có khối lượng là nhỏ

nhất. Đây là bài toán tối ưu về mặt trọng lượng, đó là đối tượng và nội dung nghiên

cứu của luận văn này.

2. Mục đích của đè tài:

Chọn kích thước của các bộ phận chính của cửa van để trọng lượng cửa van

là nhỏ nhất, nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện cường độ và độ cứng, nhằm giảm chi phí

cho công trình.

3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và kết hợp sử dụng phần mềm phân tích tối ưu hóa kết

cấu bằng phần mềm SAP2000.

4. Kết quả nghiên cứu dự kiến đạt được

Sử dụng tốt phần mềm tính toán tôi ưu hóa kết cấu.

Áp dụng tính toán cho cửa van cung một công trình cụ thể.