Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp: Cao học 17C2
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn đề tài “Tính toán trạng
thái ứng suất – biến dạng của trạm bơm dạng không gian có kể đến động đất
bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn và giúp
đỡ tận tình, chu đáo của các nhà khoa học, các chuyên gia và đồng nghiệp.
Tác giả đặc biệt xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo Giáo sư, Tiến sĩ Phạm
Ngọc Khánh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tác giả nhiều vấn đề quý báu trong
nghiên cứu khoa học nói chung cũng như trong bản thân luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Công
trình, bộ môn Sức bền-Kết cấu, phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học trường Đại
học Thuỷ Lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về các tài liệu, thông tin khoa học kỹ
thuật và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn.
Do trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn
chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp, trao đổi chân thành. Tác giả
rất mong những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu
sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất.
Hà Nội, tháng 11 năm 2012
Nguyễn Văn Đạt

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp: Cao học 17C2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Mục đính nghiên cứu đề tài 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2.1.1. Phương pháp giải tích 31
2.1.2. Phương pháp số 32
2.2. Quá trình phát triển các phương pháp xác định tải trọng động đất 35
2.2.1. Các phương pháp tĩnh lực tương đương 36
2.2.2. Các phương pháp động lực học 38
2.2.3. Lựa chọn phương pháp xác định tải trọng động đất 42
2.3. Lựa chọn phương pháp tính toán cho luận văn 46
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA TRẠM BƠM
DẠNG KHÔNG GIAN CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
3.1. Những khái niệm cơ bản về phương pháp phần tử hữu hạn 47
3.1.1. Khái niệm 47
3.1.2. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn 47
3.1.3. Tính kết cấu theo mô hình tương thích 49
3.1.4. Tính toán ứng suất biến dạng có kể đến tải trọng động đất- Phương
pháp phân tích động 56
3.2. Giới thiệu về phần mềm SAP 2000 version 12.0.0 58
3.3. Phân tích và lựa chọn mô hình nền cho bài toán 60
3.3.1. Mô hình nền nửa không gian biến dạng tuyến tính 60
3.3.2. Mô hình nền Winkle 61
3.3.3. Mô hình nền hai hệ số Pasternack 62
3.4. Lập thuật toán tính trạm bơm làm việc đồng thời với nền bằng phương
pháp PTHH 63
3.4.1. Đường lối chung 63
3.4.2. Dạng phần tử và hàm xấp xỉ chuyển vị 64
3.4.3. Tính thế năng biến dạng toàn phần của vỏ gấp 67
3.4.4. Hệ phương trình tính chuyển vị nút 70
Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp: Cao học 17C2
3.4.5. Nội lực của vỏ 71

Trang: 18
Bảng 1.2
Bảng chuyển đổi tương đương giữa các thang động đất
Trang: 19
Bảng 1.3
Bảng chuyển đổi đỉnh gia tốc sang cấp động đất
Trang: 19
Bảng 1.4
Bảng phân vùng động đất ở Việt Nam
Trang: 20
Bảng 1.5
Một số trận động đất gây thiệt hại lớn trong lịch sử
Trang: 28
Bảng 3.1
Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đất nền dùng trong
tính toán
Trang: 75
Bảng 3.2
Bảng tính các lực tác dụng lên đáy móng trạm bơm
Trang: 82
Bảng 3.3
So sánh kết quả nội lực trong các trường hợp tính toán
chưa kể tới động đất
Trang: 102
Bảng 3.4
So sánh kết quả nội lực trong các trường hợp tính toán
có kể tới động đất
Trang: 102
Bảng 3.5
So sánh kết quả chuyển vị bản đáy nhà trạm trong các

Hình ảnh trạm bơm Hiền Lương
Trang: 14
Hình 1.9
Máy được lắp đặt tại trạm Hiền Lương
Trang: 15
Hình 1.10
Chấn tâm, chấn tiêu
Trang: 16
Hình 1.11
Biểu đồ gia tốc động đất được ghi lại theo thời gian
Trang: 17
Hình 1.12
Bản đồ đường đẳng chấn của trận động đất tại Điện Biên
ngày 1/11/1935
Trang: 21
Hình 1.13
Bản đồ đường đẳng chấn của trận động đất tại Phú Yên
ngày 2/4/1970 và 24/5/1972
Trang: 22
Hình 1.14
Bản đồ phân bố đứt gãy điạ chất lớn trên lãnh thổ Việt
Nam
Trang: 23
Hình 1.15
Bản đồ phân bố chấn tâm quan trắc trên lãnh thổ Việt
Nam
Trang: 24
Hình 1.16
Bản đồ phân vùng gia tốc nên cực đại trên lãnh thổ Việt
Nam

Cách thành lập phổ gia tốc của M.Bio
Trang: 41
Hình 3.1
Một dạng cầu máng có kết cấu vỏ gấp
Trang: 49
Hình 3.2
Mặt phẳng kết cấu dầm tường
Trang: 50
Hình 3.3
Mặt phẳng kết cấu tấm chịu uốn
Trang: 50
Hình 3.4
Thành phần chuyển vị của vỏ tại một điểm bất kỳ
Trang: 51
Hình 3.5
Trục tọa độ
Trang: 51
Hình 3.6
Nội lực tại một điểm bất kỳ của vỏ
Trang: 51
Hình 3.7
Sơ đồ giải bài toán kết cấu theo phương pháp PTHH
Trang: 55
Hình 3.8
Mô hình nền Win cơ le
Trang: 61
Hình 3.9
Mô hình nền hai hệ số Pasternak
Trang: 62
Hình 3.10

Kết quả chuyển vị trường hợp thi công xong - động đất
Trang: 87
Hình 3.21
Kết quả chuyển vị trường hợp vận hành - động đất
Trang: 87
Hình 3.22
Mô men M22 nhà trạm (TH thi công)
Trang: 88
Hình 3.23
Mô men M11 nhà trạm (TH thi công)
Trang: 88
Hình 3.24
Mô men M22 nhà trạm (TH thi công)
Trang: 88
Hình 3.25
Mô men M11 nhà trạm (TH vận hành)
Trang: 89
Hình 3.26
Mô men M22 nhà trạm (TH thi công xong - động đất)
Trang: 89
Hình 3.27
Mô men M11 nhà trạm (TH thi công xong - động đất)
Trang: 89
Hình 3.28
Mô men M11 nhà trạm (TH vận hành - động đất)
Trang: 90
Hình 3.29
Mô men M11 nhà trạm (TH vận hành - động đất)
Trang: 90
Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp: Cao học 17C2

Trang: 95
Hình 3.39
Mômen M11 Trụ biên (Trường hợp thi công)
Trang: 95
Hình 3.40
Mômen M22 Trụ biên (Trường hợp vận hành)
Trang: 95
Hình 3.41
Mômen M11 Trụ biên (Trường hợp vận hành)
Trang: 96
Hình 3.42
Mômen M22 Trụ biên (Trường hợp thi công xong -
động đất)
Trang: 96
Hình 3.43
Mômen M11 Trụ biên (Trường hợp thi công xong
động đất)
Trang: 96
Hình 3.44
Mômen M22 Trụ biên (Trường hợp vận hành - động
đất)
Trang: 97
Hình 3.45
Mômen M11 Trụ biên (Trường hợp vận hành - động
đất)
Trang: 97
Hình 3.46
Mômen M22 Trụ pin (Trường hợp thi công)
Trang: 97
Hình 3.47

Mômen M11 tại bản đáy, tường bên và trụ pin (TH
T.công – có động đất)
Trang: 100
Hình 3.56
Mômen M11 tại bản đáy, tường bên và trụ pin (TH
V.hành – chưa động đất)
Trang: 101
Hình 3.57
Mômen M11 tại bản đáy, tường bên và trụ pin (TH
V.hành – có động đất)
Trang: 101 Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
H thng công trnh trm bơm l t hp cc công trnh thy công v cc trang
thit b cơ đin nhm đm bo ly nưc t ngun nưc , vn chuyn v bơm nưc
đn nơi s dng hoc cn tiêu nưc th a ra nơi khc.
Trm bơm đưc xây dựng rt rộng rãi trên mọi miền đt nưc ta bởi tính linh
hot có th áp dng cho nhiều loi đa hình, dễ thao tác vn hành và bo dưỡng, sut
đu tư nhỏ hơn so vi vic xây dựng các công trình thy li quy mô ln…
Khác vi những kt cu trên mt đt chỉ có móng chu tác dng tương hỗ vi đt
nền, trm bơm làm vic trong điều kin đt bao bọc xung quanh. Đt va l môi trường
nền trm bơm tựa lên, va l môi trường áp lực ca ti trọng (Bn thân, nưc, my bơm,
thit b…) t trên mt đt truyền xung. Môi trường này bin dng nên các áp lực t đt

Khi nghiên cứu tính toán kt cu một công trnh thường chỉ tính toán cho tng
cu kin nhỏ và ti trọng tc động lên công trnh khi xét đn trường hp có ti trọng
động đt thì các ti trọng này chỉ đưc nhân vi các h s an ton “n” đ tính ton. Đ
gii quyt vn đề trên, trong phm vi nghiên cứu ca lun văn sẽ mô hình hoá c công
trình và các ti trọng tc động lên công trnh đưc sát vi thực t điều kin làm vic
ca công trình bng phương php phn t hữu hn nhm gii quyt các vn đề sau:
- Về ti trọng tc động: gm tt c các lực tc động lên công trnh đc bit lựa
chọn ti trọng động đt đ tính ti trọng động.
- Về m
t hình học: mô t tng th công trnh nên xem xét đưc tương tc giữa
các cu kin.
- Về ứng sut bin dng: phân tích ứng sut và bin dng cho tt c các cu kin
và tng th công trình.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trm bơm dng không gian dưi tác dng ca ti trọng động đt.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tng quan các nghiên cứu về động đt nói chung, xem xét đnh gi cc
phương php hin hành tính toán các ti trọng tc động lên công trình khi có ti trọng
động đt.
- S dng phương php lý thuyt và s dng phn mềm tính ton đ tin hành
gii cc phương trnh động học bng phương php s. Trong lun văn ny dùng
phương php PTHH, s dng phn mềm Sap 2000 Version 12.0.0 mô hình hoá không
gian c kt cu công trnh đ gii.

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
3
- Áp dng tính toán vào thực tiễn, đề xut một s gii pháp chng động đt cho
công trình.
5. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
- Nắm vững phương php tính ton ứng sut và bin dng ca trm bơm khi có

to my bơm mi có cơ sở vững chắc . Thời k ny my hơi nưc ra đời tăng thêm kh
năng kéo my bơm . Đu th kỷ XX cc động cơ có s vòng quay nhanh ra đời th my
bơm li tâm cng đưc ph bin rộng ri v có hiu sut cao , năng lực bơm ln .
Ngy nay my bơm đ ưc dùng rt rộng ri trong đời sng v cc ngnh kinh t
quc dân. Trong công nghip , my bơm đưc dùng đ cung cp nưc cho cc lò cao ,
hm mỏ, nhà máy bơm du trong công nghip khai thc du mỏ Trong k ngh ch
to máy bay, trong nh my đin nguyên t đều dùng my bơm . Trong nông nghip ,
my bơm dùng đ bơm nưc tưi v tiêu úng . Trong đời sng my bơm dùng cp nưc
sch cho nhu cu ăn ung ca con người , gia súc

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
5
Hin nay đ cho ra đời những my bơm rt hin đi , có kh năng bơm hng vn
m
P
3
P cht lỏng trong một giờ v công sut động cơ tiêu th ti hng nghn kW .  Nga đ
ch to đưc những my bơm có lưu lưng Q = 40 m
P
3
P/s, công sut động cơ N =
14.300 kW v có dự n ch to động cơ đin kéo my bơm vi công sut N = 200.000
kW. Các bộ phn và công dng ca tng bộ phn trm bơm đưc diễn t như hình 1.1.

Hình 1.1. Sơ đ b trí h thng cc công trnh trm bơm
- Công trnh ca ly nưc 1, ly nưc t ngun (ly t sông, h, kênh dn );
- Công trnh dn nưc 2, có nhim v đưa nưc t ca ly nưc về b tp trung
nưc trưc nh my bơm . Công trnh dn nưc có th l kênh dn , đường ng dn
hoc xi phông . Trên công trnh dn có th có b lắng ct 3, nu có lun chứng thỏa
đng;

không đng bộ công sut 300 ÷ 320KW lắp vi my bơm 10.000m
P
3
P/h, đưc điều
khin bán tự động như cc trm bơm: Nhâm Trng, Như Trc, Trnh Xá, Linh Cm,
Hiền Lương, Kim Đôi, Tân Chi.
1.2.1.3. Trạm bơm loại 3:
Bao gm các trm bơm dùng đin h th 380V, lắp vi bơm trc đứng lưu lưng
4.000 ÷ 8.000m
P
3
P/h, công sut động cơ 75 ÷ 200KW như cc trm bơm: Đan Hoi, La
Khê, Hng Vân, Ấp Bắc, Nam Hng, Văn Lâm, Văn Giang, Mai X, Kênh Vng, Vân
Đnh, Ngoi Độ.
1.2.1.4. Trạm bơm loại 4:
Bao gm các trm bơm dùng đin h th 380V, lắp vi my bơm có lưu lưng
1.000 ÷ 2.500mP
3
P/h, công sut động cơ 30 ÷ 60KW.
1.2.2. Cc loi trm bơm đ xây dng  tnh Bc Ninh.
Toàn tỉnh Bắc Ninh chia lm hai vùng tưi: Vùng tưi h thng thy nông Bắc
Đung v vùng tưi h thng thy nông Nam Đung.
1.2.2.1. Vùng tưới hệ thống thủy nông Bắc Đuống:
Vùng tưi h thng thy nông Bắc Đung chia lm hai khu tưi:

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
7
- Khu tưới lấy nước sông ngoài: ly nưc sông Đung, sông Cu, sông Cà L.
Khu tưi ly nưc trực tip gm 18 trm bơm do Công ty Thy nông Bắc Đung qun
lý (bao gm 3 trm bơm ly nưc sông Đung, 1 trm bơm ly nưc sông Cà L và 14

+ Trạm bơm Xuân Viên: Là trm bơm tưi tiêu kt hp, đưc xây dựng năm
1971. Công sut thit k là 10 x 1000 m
P
3
P/h, din tích tưi thit k là 973ha; din tích
tưi thực t là 197ha. Trm bơm đưc xây dựng năm 1971, phn đin kém, lc hu,
không an toàn, phn cơ my bơm mòn, hư hỏng ln, mỗi ln sa chữa rt tn kém.
Hiu qu công sut còn li khong 45-60%.

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
8
+ Trạm bơm Cầu Găng: Din tích tưi thit k là 450ha; din tích tưi thực t là
232ha. Trm bơm đưc xây dựng năm 1980, phn đin đóng cắt trực tip, bo v sơ si,
độ tin cy kém. Phn cơ hư hỏng nhiều, ng x kém, hiu sut còn li khong 50-60%.
+ Trạm bơm Thọ Đức: Trm bơm tưi xây dựng năm 1997, công sut thit k
là 3 x 1000 m
P
3
P/h. Din tích tưi thit k là 471ha; din tích tưi thực t là 338ha.
+ Trạm bơm Phùng Dị: Trm bơm tưi xây dựng năm 1983, công sut thit k
là 2 x 1000 m
P
3
P/h. Din tích tưi thit k là 410ha; din tích tưi thực t là 140ha.
+ Trạm bơm Sài Đồng: Trm bơm tưi xây dựng năm 1975, công sut thit k
là 2 x 1000 m
P
3
P/h. Din tích tưi thit k là 500ha; din tích tưi thực t là 318ha.
- Khu tưới lấy nước sông trục và kênh tiêu nội đồng: Toàn h thng có 25

P/h
vi din tích tưi thit k là 2.000ha, din tích tưi thực t là 987ha.
+ Trạm bơm Xuân Lai: Trm bơm tưi tiêu kt hp, công sut thit k là 8 x
1.000 m
P
3
P/h vi din tích tưi thit k là 2.450ha, din tích tưi thực t là 500ha.
- Khu tưới lấy nước từ nguồn sông Đuống: Có 2 trm bơm do công ty thy
nông Nam Đung qun lý (trm bơm Môn Qung, Song Giang) và 2 trm bơm do đa
phương qun lý (trm bơm Hữu Ái, C Thit). Din tích tưi thit k là 3.939ha, din
tích tưi thực t là 3.859ha.
+ Trạm bơm Môn Quảng: Trm bơm tưi, công sut thit k là 11 x 1.800 m
P
3
P/h
vi din tích tưi thit k là 3.000ha, din tích tưi thực t là 3.600ha.
+ Trạm bơm Song Giang: Trm bơm tưi, công sut thit k là 6 x 2.730 m
P
3
P/h
vi din tích tưi thit k là 750ha, din tích tưi thực t là 230ha.
1.3. CÁC HƯ HỎNG ĐÃ GẶP VÀ MỘT SỐ TỒN TẠI KHÁCH QUAN DO TRONG
THIẾT KẾ CHƯA TÍNH TỚI DO VẬY CẦN BỔ SUNG
1.3.1. Đối vi công trình thủy công.
1.3.1.1. Những sự cố hư hỏng do thiết kế:
- Ca ly nưc b bi thường gp ở trm bơm ly nưc ven sông Hng.
- Trm bơm đt xa sông ly nưc gây tn kém kinh phí đ no vét kênh.
- Ca ly nưc b treo (mực nưc BH quá thp).
- Trm bơm b xói lở, b ngp, b treo.
- Những nguyên nhân gây ra:

bơm nhiều ln đi tu sa chữa, thay th ti chỗ bánh xe công tác, các bc đỡ, trc bơm
và các thit b đóng cắt đin. Các thit b và chi tit my đưc thay th không đng bộ,
sn xut trong nưc dn đn thường xuyên có các sự c về các chi tit hot động như
bánh xe công tác, gi đỡ, trc bơm, cnh hưng gây ra hin tưng gm rú my v độ
rơ giữa các chi tit ln. Ti các  trc, nưc b rò rỉ ln, khe hở giữa vành mòn và bánh
xe công tác ln do đó hiu sut my bơm gim rt nhiều. Mt khc, động cơ đin do s
dng quá lâu dn đn cht cch đin giòn, bở, dễ gãy nên dn đn tình trng hay xy ra
sự c về đin và hiu sut động cơ thp. Cc động cơ đin thường xuyên b cháy các
cuộn dây do h thng t điều khin bo v không an toàn.
1.3.2.2. Hư hỏng về hệ thống điều khiển, điện:
- Thit b đóng cắt công ngh đ cũ v lc hu vì vy kh năng cắt dòng kém, độ
an toàn về đin không cao, kh năng bo v và cắt khi có sự c kém.
- Hiu sut s dng ca h thng thp.

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
11
- Hin nay, do các thit b cũ đ không còn đưc sn xut nữa nên không có thit
b đng bộ đ thay th khi xẩy ra hỏng hóc, sự c.
- H thng đo lường và bo v hin ti đưc thit k và lắp đt t rt lâu, đ cũ v
lc hu. Các thit b hu ht không an toàn về đin, các s liu đo lường không chính
xác và không còn s dng đưc nữa.
- Tính năng bo v ca h thng kém, không an toàn cho thit b v con người
trong quá trình làm vic và thao tác.
- H thng t điều khin: Các thit b đ cũ, cng kềnh, không an toàn về đin.
Người s dng khó giám sát và vn hành.
- H thng t đin: H thng t đin đưc thit k theo cc kích thưc ca các
thit b cũ không còn phù hp vi các thit b đin đời mi. T đin đưc thit k cng
kềnh không đm bo m quan và tin li cho người vn hành. Cn thay mi li toàn
bộ h thng t đin cho phù hp vi các tiêu chuẩn ca thit b đin đời mi.
1.4. MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRẠM BƠM ĐÃ XÂY DỰNG Ở BẮC NINH

* Trạm bơm Trịnh Xá: Thuộc th xã T Sơn, tỉnh Bắc Ninh đưc đi vo hot động và
những năm 1969. Trm bơm gm 8 t máy trc đứng có ký hiu KP1-87 lưu lưng
mỗi t máy là 11.000 m3/h, cột nưc bơm 6m, s dng động cơ đin 320kw đin áp
6KV. Đây l trm bơm tiêu do Triều Tiên sn xut theo kiu 04-87 ca Liên Xô. Hình 1.6: Hình nh trm bơm Trnh Xá

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
14 Hình 1.7: My đưc lắp đt ti trm Trnh Xá

* Trạm bơm Hiền Lương: Thuộc huyn Qu Võ, tỉnh Bắc Ninh đưc đi vo hot
động năm 1968. Trm bơm gm 9 t máy trc đứng có ký hiu KP1-87 lưu lưng mỗi
t máy là 11.000 m3/h, cột nưc bơm 6m, s dng động cơ đin 320kw đin áp 6KV.
Đây l trm bơm tiêu do Triều Tiên sn xut theo kiu 04-87 ca Liên Xô.

Hình 1.8: Hình nh trm bơm Hiền Lương

Học viên: Nguyễn Văn Đạt Lớp Cao học: 17C2
15 Hình 1.9: My đưc lắp đt ti trm Hiền Lương

1.5. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỘNG ĐẤT [12], [13], [18], [19]
1.5.1. Khái nim động đất và các thông số đo động đất
1.5.1.1. Khái niệm động đất:

đo đưc là 720Km ở Florida – M. Động đt có sức tàn phá ln nht l động đt có
chn tiêu nông, toàn bộ năng lưng đưc gii phóng l 75% năng lưng đn hi tích
lu. Động đt ở khu vực đng bng trũng Hà Nội có chn tiêu 15÷20Km, thuộc loi
động đt có chn tiêu nông ([1], [19]).

Hình 1.10: Chn tâm, chn tiêu