Tính toán lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu dạng tháp thép tự đứng

tÝnh to¸n lùa chän tiÕt diÖn hîp lý<br /> cho kÕt cÊu d¹ng th¸p thÐp tù ®øng<br /> <br /> ThS. D−¬ng Thanh Quúnh<br /> ViÖn X©y dùng C«ng tr×nh BiÓn - §HXD<br /> <br /> Tãm t¾t<br /> Sö dông ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n lÆp ®Ó lùa chän tiÕt diÖn hîp lý nhÊt<br /> cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng thÐp mµ vÉn ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chÞu<br /> lùc, chuyÓn vÞ... theo yªu cÇu cña tiªu chuÈn thiÕt kÕ. Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n cã<br /> thÓ ¸p dông vµo thiÕt kÕ c«ng tr×nh vµ minh ho¹ qu¸ tr×nh thiÕt kÕ trong gi¶ng<br /> d¹y.<br /> <br /> Më ®Çu<br /> C¸c c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng thÐp ®−îc sö dông kh¸ nhiÒu<br /> trong c¸c c«ng tr×nh phôc vô cho d©n dông, c«ng nghiÖp vµ c«ng tr×nh biÓn<br /> nh− th¸p anten, th¸p n−íc, cét ®iÖn, trô ®ì, khèi ch©n ®Õ cña c«ng tr×nh biÓn.<br /> ViÖc lùa chän kÝch th−íc hîp lý cã liªn quan mËt thiÕt ®Õn bµi to¸n kinh tÕ<br /> kü thuËt cña c«ng tr×nh. Tuy nhiªn, viÖc gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy gÆp mét sè<br /> khã kh¨n sau:<br /> - Sè l−îng c¸c thanh lín nªn khèi l−îng tÝnh to¸n lín<br /> - Chu kú cña dao ®éng riªng thay ®æi khi tiÕt diÖn thay ®æi<br /> - T¶i träng thay ®æi ®¸ng kÓ khi tiÕt diÖn thay ®æi<br /> - KÕt cÊu cã ®é nh¹y t−¬ng ®èi cao nªn thay ®æi tiÕt diÖn cña 1 thanh<br /> sÏ ¶nh h−ëng ®Õn néi lùc nhiÒu thanh kh¸c<br /> Mét trong nh÷ng biÖn ph¸p kh¾c phôc c¸c khã kh¨n trªn lµ sö dông<br /> ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n lÆp vµ tù ®éng lùa chän tiÕt diÖn b»ng c¸ch lËp ch−¬ng<br /> tr×nh tù ®éng lùa chän s¬ bé tiÕt diÖn cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng<br /> thÐp ®Ó c«ng tr×nh cã träng l−îng nhá nhÊt. MÆt kh¸c, th«ng qua ch−¬ng<br /> tr×nh nµy gióp cho kü s− thiÕt kÕ lËp ®−îc s¬ ®å h×nh häc hîp lý nhÊt cho<br /> c«ng tr×nh vµ minh ho¹ trùc quan cho sinh viªn chuyªn ngµnh c«ng tr×nh<br /> biÓn.<br /> Bµi b¸o nµy gi¶i quyÕt c¸c khã kh¨n trªn b»ng c¸ch sö dông ph−¬ng<br /> ph¸p tÝnh to¸n lÆp ®Ó lùa chän tiÕt diÖn hîp lý nhÊt cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p<br /> tù ®øng b»ng thÐp mµ vÉn ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chÞu lùc, chuyÓn vÞ... theo yªu<br /> cÇu cña tiªu chuÈn thiÕt kÕ. Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n cã thÓ ¸p dông vµo thiÕt kÕ<br /> c«ng tr×nh vµ minh ho¹ qu¸ tr×nh thiÕt kÕ trong gi¶ng d¹y.<br /> <br /> 1. Lùa chän tiÕt diÖn hîp lý<br /> 1.1. TÝnh to¸n dao ®éng riªng, néi lùc vµ t¶i träng<br /> Trong thiÕt kÕ c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng, khi ®U cã s¬ ®å h×nh häc,<br /> kÝch th−íc tiÕt diÖn, viÖc x¸c ®Þnh tÇn sè dao ®éng riªng rÊt cÇn thiÕt, tõ ®ã<br /> x¸c ®Þnh ®−îc t¶i träng ®éng, x¸c ®Þnh ®−îc ¶nh h−ëng ®éng cña t¶i träng<br /> t¸c dông lªn kÕt cÊu. §Ó ®¬n gi¶n trong tÝnh to¸n vµ phï hîp víi møc ®é<br /> chÝnh x¸c cña thiÕt kÕ s¬ bé, sö dông ph−¬ng ph¸p khung t−¬ng ®−¬ng ®Ó<br /> x¸c ®Þnh chu kú vµ d¹ng dao ®éng riªng cña kÕt cÊu, c¸c b−íc tÝnh to¸n tãm<br /> t¾t nh− sau:<br /> - LËp ma trËn ®é cøng K theo ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n<br /> - Quy khèi l−îng tËp trung cña kÕt cÊu vÒ c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng, thiÕt<br /> lËp ®−îc ma trËn M. C¸c ®iÓm nµy ®−îc ®Æt t¹i c¸c vÞ trÝ cÇn x¸c<br /> ®Þnh chuyÓn vÞ vµ sè l−îng c¸c ®iÓm lín h¬n 1,3 lÇn sè d¹ng dao<br /> ®éng cÇn t×m. Víi c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng, sè ®iÓm ®Æc tr−ng<br /> cÇn tõ 3 ®Õn 5 ®èi víi th¸p anten; tõ 10 ®Õn 15 ®èi víi ch©n ®Õ c«ng<br /> tr×nh biÓn<br /> - LÇn l−ît ®Æt c¸c lùc ®¬n vÞ cã ph−¬ng trïng víi d¹ng dao ®éng tréi<br /> cña kÕt cÊu (theo ph−¬ng ngang) vµo c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng (c¸c lùc<br /> nµy ®éc lËp) thiÕt lËp ®−îc ma trËn t¶i träng P0. T−¬ng øng víi c¸c<br /> lùc ®¬n vÞ x¸c ®Þnh ®−îc chuyÓn vÞ t¹i c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng theo<br /> ph−¬ng tr×nh Ku = P* vµ lËp ®−îc ma trËn ®é mÒm D:<br />  δ11 δ12 ... δ1n <br /> δ δ 22 ... δ 2 n <br /> D =  21 (1)<br />  ... <br />  <br /> δ n1 δn 2 ... δ nn <br /> víi δÞj lµ chuyÓn vÞ cña ®iÓm ®Æc tr−ng j do lùc ®Æt t¹i nót i g©y ra<br /> - NghÞch ®¶o ma trËn D ®−îc ma trËn K*<br /> - X¸c ®Þnh tÇn sè dao ®éng riªng theo ph−¬ng ph¸p chång mode:<br /> det |K – ω2M| = 0 (2)<br /> - X¸c ®Þnh c¸c d¹ng dao ®éng riªng Φ b»ng c¸ch gi¶i lÇn l−ît c¸c hÖ<br /> ph−¬ng tr×nh t−¬ng øng víi tÇn sè dao ®éng riªng:<br />  (k11 − λ j m1 )φ1 j + k12φ2 j + ... + k1nφnj = 0<br /> k φ + (k − λ m )φ + ... + k φ = 0<br />  21 1 j 22 j 2 2j 2 n nj<br />  (3)<br />  .......... .......... .......... .......... .......... .........<br /> kn1φ1 j + kn 2φ2 j + ... + (knn − λ j mn )φnj = 0<br /> víi λi = ωi2<br /> Tõ chu kú dao ®éng riªng, x¸c ®Þnh ®−îc t¶i träng giã ®éng (cho c¸c<br /> c«ng tr×nh d¹ng anten) theo tiªu chuÈn TCVN 2737-95 hoÆc hÖ sè ¶nh h−ëng<br /> ®éng (cho ch©n ®Õ c«ng tr×nh biÓn). Sau khi cã c¸c t¶i träng giã hoÆc t¶i<br /> träng sãng, cïng víi c¸c t¶i träng c«ng nghÖ thiÕt lËp ®−îc ma trËn t¶i träng<br /> cña hÖ thùc P. X¸c ®Þnh chuyÓn vÞ t¹i c¸c nót cña hÖ thùc b»ng ph−¬ng tr×nh:<br /> Ku = P (4)<br /> Tõ chuyÓn vÞ dÔ dµng x¸c ®Þnh néi lùc cña c¸c thanh.<br /> <br /> 1. 2. C¸c yªu cÇu khi lùa chän tiÕt diÖn hîp lý<br /> Môc tiªu cña viÖc lùa chän tiÕt diÖn hîp lý lµ träng l−îng cña toµn bé<br /> c«ng tr×nh lµ nhá nhÊt t−¬ng ®−¬ng víi diÖn tÝch tiÕt diÖn A cña c¸c thanh lµ<br /> nhá nhÊt. Tuy nhiªn vÉn ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu sau:<br /> - Chu kú dao ®éng riªng cña c«ng tr×nh ph¶i n»m trong giíi h¹n cho<br /> phÐp, T < [T]<br /> - ChuyÓn vÞ cña ®iÓm khèng chÕ n»m trong giíi h¹n cho phÐp<br />  - §é m¶nh cña thanh nhá h¬n ®é m¶nh cho phÐp, λ < [λ]<br /> - øng suÊt trong thanh nhá h¬n øng suÊt cho phÐp, σ < [σ]<br /> - TiÕt diÖn n»m trong b¶ng tiÕt diÖn cho s½n<br /> <br /> 1. 3. ThuËt to¸n lùa chän tiÕt diÖn hîp lý<br /> ThuËt to¸n lùa chän tiÕt diÖn hîp lý dùa trªn nguyªn lý tÝnh to¸n lÆp vµ<br /> lùa chän l¹i tiÕt diÖn c¸c thanh sau mçi b−íc tÝnh. Cho tr−íc s¬ ®å h×nh häc<br /> cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng víi to¹ ®é nót, quan hÖ gi÷a phÇn tö vµ nót<br /> x¸c ®Þnh, víi c¸c t¶i träng th−îng tÇng, t¶i träng c«ng nghÖ..., chia nhãm c¸c<br /> lo¹i thanh theo tÝnh chÊt chÞu lùc t−¬ng ®−¬ng nh− nhãm thanh chÝnh, thanh<br /> gi»ng chÐo, thanh gi»ng ngang vµ t−¬ng øng víi ®ã lµ nhãm tiÕt diÖn cÇn lùa<br /> chän hîp lý. B−íc ®Çu tiªn lµ g¸n cho c¸c nhãm thanh víi tiÕt diÖn lín nhÊt<br /> trong b¶ng tiÕt diÖn mÉu, ®iÒu nµy lµm cho c¸c thanh trong s¬ ®å lu«n lu«n<br /> ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chÞu lùc, cÊu t¹o nh−ng cã träng l−îng tæng thÓ lín nhÊt.<br /> TiÕn hµnh x¸c ®Þnh dao ®éng riªng, t¶i träng giã ®éng hoÆc t¶i träng<br /> sãng, x¸c ®Þnh néi lùc vµ kiÓm tra hÖ sè sö dông vËt liÖu trong c¸c thanh. Tõ<br /> ®ã cã thÓ ®iÒu chØnh tiÕt diÖn cña nhãm thanh sao cho hÖ sè sö dông vËt liÖu<br /> tiÕn tíi lín nhÊt vµ lÆp l¹i tÝnh to¸n tõ viÖc x¸c ®Þnh ma trËn ®é cøng. Qu¸<br /> tr×nh nµy chØ dõng khi viÖc xÐt ®iÒu kiÖn dõng ®−îc tho¶ mUn.<br /> Qu¸ tr×nh lÆp ®−îc diÔn t¶ theo s¬ ®å thuËt to¸n sau:<br /> B¾t ®Çu<br /> <br /> <br /> S¬ ®å h×nh häc, t¶i träng c«ng nghÖ<br /> <br /> <br /> G¸n tiÕt diÖn ban ®Çu<br /> <br /> <br /> <br /> X¸c ®Þnh ma trËn K, M<br /> <br /> <br /> Thay ®æi TÝnh dao ®éng riªng<br /> tiÕt diÖn<br /> <br /> TÝnh t¶i träng giã ®éng, t¶i träng sãng<br /> <br /> <br /> TÝnh chuyÓn vÞ, néi lùc, hÖ sè sö dông vËt liÖu<br /> <br /> <br /> Sai KiÓm tra ®iÒu kiÖn<br /> dõng qu¸ tr×nh lÆp<br /> <br /> §óng<br /> KÕt thóc<br /> 1. 4. Lùa chän l¹i tiÕt diÖn<br /> Sau khi x¸c ®Þnh ®−îc hÖ sè sö dông vËt liÖu lín nhÊt cña nhãm thanh,<br /> tiÕn hµnh so s¸nh víi hÖ sè sö dông vËt liÖu theo cho phÐp, cã hai tr−êng hîp<br /> x¶y ra:<br /> - Nhãm thanh cã hÖ sè sö dông vËt liÖu nhá h¬n hÖ sè cho phÐp cã<br /> nghÜa lµ thanh thõa kh¶ n¨ng chÞu lùc, cÇn ph¶i gi¶m tiÕt diÖn nªn lùa<br /> chän tiÕt diÖn liÒn kÒ nhá h¬n víi tiÕt diÖn ®ang sö dông trong b¶ng<br /> tiÕt diÖn mÉu. Tuy nhiªn, tr−íc khi g¸n tiÕt diÖn míi cho nhãm thanh<br /> cÇn ph¶i kiÓm tra c¸c ®iÒu kiÖn vÒ ®é m¶nh, yªu cÇu cÊu t¹o tèi thiÓu.<br /> - Nhãm thanh cã hÖ sè sö dông vËt liÖu lín h¬n hÖ sè cho phÐp cã<br /> nghÜa lµ thanh kh«ng ®ñ kh¶ n¨ng chÞu lùc, cÇn ph¶i t¨ng tiÕt diÖn nªn<br /> lùa chän tiÕt diÖn liÒn kÒ lín h¬n víi tiÕt diÖn sö dông trong b¶ng tiÕt<br /> diÖn mÉu.<br /> ViÖc lùa chän l¹i tiÕt diÖn ®−îc biÓu diÔn trªn s¬ ®å thuËt to¸n:<br /> <br /> ChuyÓn vÞ, øng suÊt, hÖ sè sö dông vËt liÖu<br /> <br /> <br /> <br /> KiÓm tra chuyÓn vÞ Kh«ng tho¶ m%n<br /> nót khèng chÕ<br /> <br /> Tho¶ m%n<br /> Nhá h¬n hÖ sè Lín h¬n hÖ sè<br /> cho phÐp So s¸nh hÖ sè cho phÐp<br /> sö dông vËt liÖu víi<br /> hÖ sè cho phÐp<br /> <br /> <br /> Gi¶m tiÕt diÖn T¨ng tiÕt diÖn<br /> (tiÕt diÖn nhá h¬n liÒn kÒ) (tiÕt diÖn lín h¬n liÒn kÒ)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> KiÓm tra ®iÒu kiÖn dõng lÆp<br /> <br /> <br /> <br /> 1.5. §iÒu kiÖn dõng qu¸ tr×nh lÆp<br /> Khi thay ®æi tiÕt diÖn, hÖ kÕt cÊu cã c¸c thay ®æi:<br /> - T¶i träng giã hoÆc sãng thay ®æi<br /> - Träng l−îng b¶n th©n ®æi<br /> - Néi lùc ®−îc ph©n phèi l¹i theo ®é cøng cña c¸c phÇn tö<br /> §èi víi c«ng tr×nh cã ®é nhËy kÕt cÊu thÊp, nghÜa lµ néi lùc c¸c thanh<br /> Ýt ¶nh h−ëng khi thay ®æi tiÕt diÖn th× qu¸ tr×nh lÆp dõng ®−îc khi hÖ sè sö<br /> dông cña c¸c nhãm thanh gÇn s¸t víi hÖ sè cho phÐp. Nh−ng ®èi víi c«ng<br /> tr×nh cã ®é nhËy cao, khi thay ®æi tiÕt diÖn mét thanh hoÆc mét nhãm thanh<br /> sÏ lµm thay ®æi néi lùc ®¸ng kÓ c¸c thanh l©n cËn, thËm chÝ c¸c thanh ë vÞ trÝ<br /> xa h¬n dÉn ®Õn hÖ sè sö dông vËt liÖu cña nhãm thanh kh«ng æn ®Þnh (hÖ sè<br /> sö dông vËt liÖu cña b−íc tr−íc nhá h¬n hÖ sè yªu cÇu nh−ng ®Õn b−íc sau<br /> l¹i lín h¬n mÆc dï kh«ng thay ®æi tiÕt diÖn). §Ó qu¸ tr×nh lÆp dõng l¹i, sö<br /> dông thuËt to¸n quay lui, l−u tr÷ l¹i kÕt qu¶ c¸c b−íc tÝnh to¸n, sau mçi b−íc<br /> tÝnh sÏ so s¸nh kÕt qu¶ víi c¸c b−íc tr−íc vµ t×m ra träng l−îng toµn bé c«ng<br /> tr×nh lµ nhá nhÊt.<br /> <br /> 2. VÝ dô tÝnh to¸n<br /> 2.1. Sè liÖu ban ®Çu<br /> §Ó minh ho¹ cho qu¸ tr×nh trªn, tiÕn hµnh tÝnh to¸n vµ lùa chän tiÕt<br /> diÖn hîp lý cho ch©n ®Õ c«ng tr×nh biÓn cè ®Þnh b»ng thÐp d¹ng DK ë ®é s©u<br /> n−íc 32,9 m, chiÒu cao sãng H=18,4m víi c¸c kÝch th−íc h×nh häc nh− h×nh<br /> vÏ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> C¸c thanh ®−îc chia thµnh 4 nhãm:<br /> - Nhãm 1: c¸c thanh èng chÝnh<br /> - Nhãm 2: c¸c thanh ngang<br /> - Nhãm 3: c¸c thanh xiªn<br /> - Nhãm 4: c¸c thanh trong diafrac<br /> <br /> C¸c tiÕt diÖn ®−îc lùa chän trong b¶ng sau:<br /> <br /> STT TiÕt diÖn STT TiÕt diÖn STT TiÕt diÖn<br /> 1 Φ812,8x25,0 4 Φ711,0x18,6 7 Φ482,6x15,6<br /> 2 Φ812,8x23,2 5 Φ620,0x20,6 8 Φ355,8x15,6<br /> 3 Φ711,0x20,6 6 Φ620,0x15,6<br /> 2. 2. KÕt qu¶ tÝnh to¸n<br /> KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®−îc tãm t¾t trong b¶ng:<br /> <br /> B−íc TiÕt diÖn lùa chän Tæng träng<br /> tÝnh Nhãm 1 Nhãm 2 Nhãm 3 Nhãm 4 l−îng (T)<br /> 1 Φ812,8x25,0 Φ812,8x25,0 Φ812,8x25,0 Φ812,8x25,0 290,59<br /> 2 Φ812,8x23,2 Φ812,8x23,2 Φ812,8x23,2 Φ812,8x23,2 278,28<br /> 3 Φ812,8x23,2 Φ711,0x20,6 Φ711,0x20,6 Φ711,0x20,6 223,63<br /> 4 Φ812,8x23,2 Φ711,0x18,6 Φ711,0x18,6 Φ711,0x18,6 208,33<br /> 5 Φ812,8x23,2 Φ620,0x20,6 Φ620,0x20,6 Φ620,0x20,6 202,28<br /> 6 Φ812,8x23,2 Φ620,0x15,6 Φ620,0x20,6 Φ620,0x15,6 187,71<br /> 7 Φ812,8x23,2 Φ482,6x15,6 Φ620,0x20,6 Φ482,6x15,6 177,01<br /> 8 Φ812,8x23,2 Φ482,6x15,6 Φ620,0x20,6 Φ355,8x15,6 172,90<br /> <br /> Sau 8 b−íc lÆp, tiÕt diÖn cña c¸c thanh ®−îc lùa chän phï hîp víi t¶i<br /> träng t¸c dông, kh¶ n¨ng chÞu lùc vµ tæng träng l−îng cña khèi ch©n ®Õ gi¶m<br /> dÇn.<br /> <br /> 3. KÕt luËn<br /> Sö dông c¸c b−íc lÆp trong viÖc tÝnh to¸n tÝnh to¸n lùa chän tiÕt diÖn<br /> hîp lý cho kÕt cÊu d¹ng th¸p thÐp tù ®øng ®U lùa chän tiÕt diÖn cña c¸c nhãm<br /> thanh cña hÖ kÕt cÊu ®Ó ®¹t ®−îc môc tiªu hÖ cã träng l−îng nhá nhÊt mµ vÉn<br /> ®¶m b¶o c¸c tiªu chÝ ®Ò ra nh−: ®é m¶nh, chuyÓn vÞ, øng suÊt. Tuy nhiªn,<br /> viÖc lµm nµy cßn tån t¹i mét sè h¹n chÕ sau:<br /> - Khèi l−îng tÝnh to¸n lín, mçi b−íc lÆp ®Òu ph¶i thiÕt lËp l¹i ma<br /> trËn ®é cøng, ma trËn khèi l−îng, tÝnh l¹i dao ®éng riªng...<br /> - Lùa chän tuÇn tù c¸c thanh trong b¶ng tiÕt diÖn mÉu<br /> - ViÖc lùa chän l¹i tiÕt diÖn cña c¸c nhãm thanh thÝch hîp ®iÒu kiÖn<br /> øng suÊt trong thanh nhá h¬n øng suÊt cho phÐp nh−ng cßn h¹n chÕ<br /> khi theo ®iÒu kiÖn chuyÓn vÞ, ®iÒu kiÖn h¹n chÕ tÇn sè dao ®éng<br /> riªng.<br /> - Ch−a tù lùa chän kÝch th−íc h×nh häc hîp lý t−¬ng øng víi t¶i träng<br /> c«ng nghÖ<br /> Tõ c¸c kÕt qu¶ ®U ®¹t ®−îc cã thÓ ¸p dông ®Ó tÝnh to¸n, lùa chän s¬ bé<br /> kÝch th−íc cña khèi ch©n ®Õ c«ng tr×nh biÓn khi ®−a thªm khèi l−îng n−íc<br /> kÌm, hµ b¸m, t¶i träng sãng, dßng ch¶y trong gi¶ng d¹y vµ h−íng dÉn ®å ¸n<br /> m«n häc ë tr−êng ®¹i häc.<br /> <br /> Tµi liÖu tham kh¶o<br /> <br /> [1] NguyÔn ThÞ TÜnh CÊu tróc d÷ liÖu vµ gi¶i thuËt. Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc S−<br /> ph¹m. Hµ Néi. N¨m 2004.<br /> [2] TCVN-338:2005 KÕt cÊu thÐp – Tiªu chuÈn thiÕt kÕ.<br />