B GIO DC V O TO
B NễNG NGHIP V PTNT
TRNG I HC THU LI NGUYN TRUNG THNH
PHÂN TíCH ứng suất và biến dạng của trạm bơm
bằng phơng pháp phần tử hữu hạn Ơ
Chuyờn ngnh:
Xõy dng cụng trỡnh thu
Mó s:
60 - 58 - 40
Luận văn thạc sĩ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA
TRẠM BƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN
LuËn v¨n th¹c sÜ
Hà Nội, tháng 5 năm 2011 Nguyễn Trung Thành
.
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
1
MỞ ĐẦU
1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:
Trạm bơm được sử dụng với mục đích chính là cung cấp nước và tiêu
thoát nước nói chung. Đối với ngành nông nghiệp và hệ thống thủy nông thì
trạm bơm có vai trò là công trình đầu mối cung cấp nước cho hệ thống thủy
lợi để phục vụ công tác tưới, tiêu những diện tích trong lưu vực. Chính vì vậy
nó đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thủy lợi.
Tỉnh Bắc Ninh gồm hai hệ thống thuỷ nông là Bắc Đuống và Nam
Đuống. Các công trình đầu mối của hai hệ thống này đều được đầu tư xây
dựng từ những năm 60 của thế kỷ trước hiện nay nhiều công trình đã bị xuống
cấp không đáp ứng được yêu cầu cho nên việc đầu tư xây dựng các trạm bơm
để đảm bảo việc cung cấp nước tưới cho sản xuất nông nghiệp và tiêu úng
phục vụ dân sinh kinh tế trong mùa mưa bão. Chính vì vậy nhu cầu đầu tư xây
dựng các trạm bơm là rất lớn và cấp bách.
Khi đầu tư xây dựng trạm bơm chủ đầu tư cần phải có một khoản kinh
phí khá lớn. Do vậy ngoài việc xem xét vị trí đặt trạm bơm, nghiên cứu địa
chất, thuỷ văn, lưu vực tưới, tiêu thì yêu cầu an toàn về tính toán kết cấu, ổn
định của công trình trong quá trình vận hành sử dụng dưới tác dụng của các
hợp sử dụng phần mềm SAP2000 để giải các bài toán bản đáy trạm bơm khi
có kể đến sự tương tác với nền và cọc, từ đó so sánh với kết quả tính toán theo
quy phạm hiện hành giúp các chủ đầu tư lựa chọn phương án tối ưu khi đầu tư
xây dựng trạm bơm. Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẠM BƠM
1.1. HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG THỦY LỢI TỈNH BẮC NINH:
Bắc Ninh là một tỉnh thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ, nằm trong vùng
kinh tế trọng điểm, tam giác tăng trưởng kinh tế Hà Nội-Hải Phòng-Quảng
Ninh. Khu vực có mức tăng trưởng kinh tế cao, giao lưu kinh tế mạnh. Tính
đến năm 2011, Bắc Ninh có 8 đơn vị hành chính bao gồm thành phố Bắc Ninh
và 7 huyện thị xã: Yên Phong, Quế Võ, Tiên Du, Thuận Thành, Gia Bình,
Lương Tài và thị xã Từ Sơn, với 126 xã phường và thị trấn. Tổng diện đất tự
nhiên 82.271 ha trong đó đất nông nghiệp 43.679ha. Dân số là 1.035.951
người trong đó dân số làm nghề nông là 569.773 người chiếm khoảng 55%,
nên công tác thủy lợi chiếm một vị trí quan trọng trong sự nghiệp ổn định và
phát triển kinh tế xã hội của tỉnh.
Về mạng lưới sông ngòi, Bắc Ninh có hệ thống sông ngòi khá dầy đặc,
mật độ lưới sông cao, trung bình từ 1-1,2Km/Km
P
2
P và gần như bốn mặt đều có
sông là ranh giới với các tỉnh. Phía Bắc có sông Cầu là ranh giới với tỉnh Bắc
Giang. Phía Nam có sông Bùi là ranh giới với huyện Cẩm Giàng tỉnh Hải
Dương. Phía đông có sông Thái Bình là ranh giới với huyện Nam Sách tỉnh
Mất
trắng
(ha)
Diện tích
úng (ha)
1
2002
0
420
420
1013
6137
6557
2
2003
20
380
400
2206
7040
7440
3
2004
0
620
620
2206
7040
7660
4
5284
8
2009
0
0
2044
0
0
2044
9
2010
0
0
3429
3804
18725
22154
1.2. CÁC HẠNG MỤC CÔNG TRÌNH CỦA MỘT TRẠM BƠM:
1.2.1. Nhà trạm bơm:
- Nhà trạm dùng đặt máy bơm, động cơ, hệ thống tủ điều khiển, thiết bị
nâng hạ phục vụ công tác sửa chữa, vận hành.
1.2.2. Bể hút, bể xả:
- Bể xả trạm bơm: có dạng gắn liền với nhà trạm hoặc tách rời so với
nhà trạm.
- Bể hút trạm bơm: có dạng gắn liền với nhà trạm, nằm dưới nhà trạm
hoặc bên cạnh.
Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
5
7
1.3.3. Trạm bơm Hán Quảng đang được xây dựng
Hình 1.5: Nhìn từ phía bể hút
Hình 1.6: Nhìn từ phía bể xả
1.4. NHỮNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP VỀ NỀN MÓNG TRẠM BƠM
TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG VÀ SỬ DỤNG:
Các sự cố lún nền, gây gãy móng, sạt trượt nhà trạm :
Nguyên nhân sau đây gây ra.
- Đánh giá sai tình hình địa chất công trình
- Hầu hết các trạm bơm khi thiết kế không tính lún, khi xẩy ra lún mới
tính kiểm tra, hoặc chỉ tính lún của trạm bơm không tính lún của bể xả và gian
Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
8
phân phối điện là những bộ phận không xử lý nền, hoặc xử lý nền chỉ bằng
đệm cát nhất là các trạm bơm có địa chất rất xấu.
- Chưa tính đến ảnh hưởng của lớp đất đắp sau tường bên của bể xả hoặc
các công trình bên cạnh trạm bơm.
- Thiết kế biện pháp xử lý nền không đảm bảo chất lượng.
- Không xử lý bằng cùng một biện pháp tương xứng hoặc do sự cố kết
của phần đất tiếp xúc với bộ phận công trình làm phát sinh lực nén tác động
vào công trình.
- Tính toán chiều dài gia cố nền bằng cọc không chính xác, đóng cọc
chưa đạt độ chối cần thiết.
Với sự hạn chế về thời gian trong luận văn này tác giả xin đi sâu vào
nghiên cứu tính toán ứng suất và biến dạng của bản đáy trạm bơm khi có kể
đến sự tương tác với nền và cọc.
à
55
m
h
v
ah
≤≤
. Với tấm mỏng chịu uốn ta xét tấm với vật liệu còn làm
việc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính, trên cơ sở sử dụng một số giả thiết
như sau:
1 - Đoạn thẳng vuông góc với mặt trung bình trước và sau khi biến dạng,
vẫn thẳng và vuông góc với mặt đàn hồi của tấm. Đây là giả thuyết đoạn
thẳng của Kirchoff. Với giả thuyết này, các lớp mỏng của tấm được coi như
không trượt lên nhau khi biến dạng.
2 - Khi bị uốn, mặt trung bình chỉ cong đi chứ không co giãn và những
điểm ở mặt trung bình không có chuyển vị trong mặt phẳng tấm mà chỉ có độ
võng w.
3 - Các lớp mỏng song song với mặt trung bình không tác dụng lẫn nhau
theo phương vuông góc với mặt trung bình nên có thể bỏ qua ứng suất pháp
z
σ
.
Từ những giả thiết trên, chúng ta có những nhận xét sau:
- Tấm được coi như gồm các lớp mỏng làm việc trong các trạng thái ứng
suất phẳng, trên mặt phẳng tấm chỉ tồn tại các ứng suất
, à ,
x y xy
v
σσ τ
còn
` Hình 2.1. Các thành phần nội lực của tấm
Các giá trị nội lực, ứng suất đều có thể tính thông qua độ võng của mặt
trung bình W(x,y).
Vì thế năng biến dạng đàn hồi của tấm do lực cắt gây nên rất nhỏ so với
mô men, có thể bỏ qua. Thế năng biến dạng đàn hồi tích lũy trong tấm chỉ do
tác dụng của mô men uốn và mô men xoắn.
Các biểu thức cơ bản của kết cấu tấm chịu uốn:
Các biểu thức của định luật Hooke trong bài toán ứng suất phẳng có dạng:
)
1
(
x xy
E
ε σ µσ
= −1
()
y yx
E
ε σ µσ
= −
(2.1)
Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
11
2(1 )
2(1 )
xy xy
E
τγ
µ
=
+
Trong đó:
µ
- hệ số poisson;
E - mô đun đàn hồi của tấm đẳng hướng.
Mặt khác từ các giả thuyết Kirchoff, theo lý thuyết đàn hồi ta có:
2
2
w
x
z
x
ε
∂
= −
∂
2
2
w
y
z
y
xy
∂
∂
∂
∂
∂
∂∂
= -z
2
x
y
xy
χ
χ
χ
=
2
w
xy
∂
∂∂
- độ xoắn của mặt trung bình.
Thay các biểu thức biến dạng vào ứng suất ta được:
22
22 2
22
22 2
ww
()
1
ww
()
1
x
y
Ez
xy
E
yx
σµ
µ
σµ
µ
∂∂
−
2
1
00
01
01
µ
µ
µ
2
2
2
2
2
w
w
w
2
x
−
2
1
00
01
01
µ
µ
µ
2
x
y
xy
χ
χ
χ
yx
R=
/2
/2
h
xy
h
zdz
τ
−
∫
Q
R
x
R=
/2
/2
h
xz
h
dz
τ
−
∫
; QR
y
R=
/2
/2
M
R
y
R= - D(
2
2
w
y
µ
∂
∂
+
µ
2
2
w
x
∂
∂
)
M
R
xy
R= MR
yx
R= - D(1 -
µ
)
2
w
Trong đó:
D: độ cứng chống uốn của tấm
D =
3
2
12(1 )
Eh
µ
−
(2.8)
Viết lại dưới dạng ma trận ta được:
{M}=
xy
y
x
M
M
M
=
2
2
2
2
w
w
w
2
x
y
xy
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−
∂∂
−
2
1
00
01
01
)1(12
2
3
µ
µ
µ
µ
Eh
(2.10)
Ngoài ra, với tấm chịu uốn liên hệ giữa góc xoay và độ võng được biểu diễn
bằng công thức sau:
x
w
x
∂
∂
=
θ
y
w
y
∂
∂
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
14
Π
=
22 2
2 2 22 2
2 2 22
00
w w ww w
2 2(1 ) ( , )wdxdy
ab
dxdy p x y
x y x y xy
µµ
∂ ∂ ∂∂ ∂
+ + +− −
∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂
∫∫
(2.13)
Có thể biểu diễn véc tơ biến dạng và véc tơ ứng suất của tấm thông qua
độ cong và nội lực của mặt trung bình như sau:
{
ε
∂∂
= -
2
x
y
xy
χ
χ
χ
; {
σ
}={M}=
xy
w∇
=
22
22
xy
∂∂
+
∂∂
22
22
ww
xy
∂∂
+
∂∂
=
4
4
w
x
∂
∂
+2
4
Tải trọng tác dụng lên kết cấu vỏ gấp thông thường là tải trọng trực tiếp
có phương nằm ngang trong mặt phẳng của vỏ hay vuông góc với mặt phẳng
của vỏ, hoặc có thể phân về tải trọng có phương nằm trong mặt phẳng của vỏ
và tải trọng có phương vuông góc với mặt phẳng của vỏ (hình 2.2).
Hình 2.2
Tùy thuộc vào kích thước của vỏ và vào hình thức tác dụng của tải trọng,
vỏ gấp được chia làm 3 loại:
+Vỏ gấp không mô men: Khi tỷ số giữa bề rộng b và chiều dài l của vỏ
rất nhỏ, tải trọng tác dụng có phương nằm ngang trong mặt phẳng vỏ và liên
kết ở hai biên là liên kết khớp
+Vỏ gấp nửa mô men: Khi tỷ số
l
b
≤
3
1
tải trọng tác dụng bất kỳ, liên kết
ở biên là liên kết cứng hoặc khớp.
Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
16
+Vỏ gấp mô men toàn phần: Khi tỷ số
l
b
≈ 1 tải trọng tác dụng bất kỳ,
liên kết ở biên bất kỳ.
R quanh trục z thường được
bỏ qua, phần vì vỏ không chịu tác dụng của mô men xoắn ngoại lực nằm
trong mặt phẳng của tấm vỏ, phần vì mỗi tấm phẳng là thành phần của vỏ có
độ cứng chống xoắn khá lớn xung quanh trục z. Do vậy, trường hợp các tấm
của vỏ được cấu tạo vuông góc với nhau thì dọc theo giao tuyến của các tấm
sẽ không có góc xoay.
Tương tự tại điểm bất kỳ của tấm vỏ các thành phần nội lực sau (hình
2.6):
- Lực dọc N
R
x
R , NR
y
R và lực cắt NR
xy
R dọc theo các phương x, y nằm trong mặt
phẳng vỏ.
- Mô men uốn M
R
x
R , MR
y
R và mô men xoắn MR
xy
R nằm trong các mặt phẳng
có pháp tuyến x,y.
Hình 2.6: Các thành phần nội lực
Có thể thấy các thành phần chuyển vị và nội lực này là tổ hợp bởi các
thành phần chuyển vị và nội lực của dầm tường và tấm chịu uốn.
cấu trên. Trong luận văn giới hạn nghiên cứu phân tích ứng suất và biến dạng
của bản đáy trạm bơm bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên tác giả chỉ
trình bầy những phương trình của vỏ gấp liên quan đến việc thiết lập thuật
toán giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là phương trình hình học
(cho liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị) và phương trình vật lý (cho liên hệ
giữa ứng suất và biến dạng).
U*Với dầm tường:U Ta có phương trình liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị
ở điểm bất kỳ của tấm (phương trình hình học) biểu diễn ở dạng ma trận:
ε
=
∂
P
T
P
δ
(2.16)
Trong đó:
∂
P
T
P =
xy
y
x
γ
ε
ε
được gọi là vectơ biến dạng với
ε
R
x
R ,
ε
R
y
R là biến dạng dài
tỷ đối theo phương x, y và
γ
R
xy
R là biến dạng góc tỷ đối trong mặt phẳng xy.
Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành XD công trình thủy
19
δ =
−
2
1
00
01
01
µ
µ
µ
là ma trận các hằng số đàn hồi trong bài
toán ứng suất phẳng với E là mô đun đàn hồi và
µ
là hệ số Poisson của vật
liệu.
σ =
=
∂∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−
yx
w
∂∂
∂
∂
∂
∂
∂
yx
y
x
2
2
2
2
Liên hệ giữa ứng suất và biến dạng ở điểm bất kỳ của tấm chịu uốn cũng
được biểu diễn ở dạng tương tự như ở dầm tường, song với tấm chịu uốn
thông thường người ta dựa vào quan hệ giữa ứng suất và nội lực, giữa biến
dạng và độ cong để thiết lập quan hệ giữa nội lực và độ cong của tấm. Quan
−
2
1
00
01
01
µ
µ
µ
là ma trận đàn hồi của tấm đẳng hướng
với t là chiều dầy của tấm, E là môđun đàn hồi và
µ
là hệ số Poisson của vật
liệu.
M=
xy
y
x
M
R = kw (2.20)
Trong đó:
k- hằng số phụ thuộc vào đặc trưng cơ học của vật liệu nền xác định
bằng thí nghiệm bàn nén.
w-độ lún của lò so hay độ võng của móng tại điểm xét.
Mô hình nền Win – cơ – le được minh họa trên hình 2.7 Hình 2.7
Những kết quả tính toán và thí nghiệm kiểm chứng cho thấy mô hình nền
Win-cơ-le mô phỏng khá gần ứng xử của nền trong phạm vi đặt móng, nếu
xác định được hệ số nền K đúng đắn. So với mô hình nền nửa không gian
biến dạng đàn hồi tuyến tính mô hình nền Win-cơ-le tạo điều kiện đơn giản
cho việc thiết lập thuật toán giải bằng tay cũng như lập chương trình giải trên
máy. Tuy vậy, nhược điểm của mô hình Win-cơ- le là đã bỏ qua ma sát giữa
các cột đất nên đã không tính đến ảnh hưởng của lực đặt tại vị trí một lò so
đến biến dạng của các lò so lân cận. Do vậy, mô hình Win-cơ-le không thể
Học viên: Nguyễn Trung Thành Lớp: Cao học 17C2
Copyright: Tài liệu đại học ©