Tính toán van cung chịu tác động của động đất theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ - Vũ Hoàng Hưng

Nội dung text: Tính toán van cung chịu tác động của động đất theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ - Vũ Hoàng Hưng

1. TÍNH TOÁN VAN CUNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ Vũ Hoàng Hưng, Vũ Thành Hải Bộ môn Kết cấu công trình, Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Tài liệu “Thiết kế cửa van hình cung trong đập tràn - Kỹ thuật và thiết kế, EM 1110-2-2702” của Hoa Kỳ quy định khi tính toán van cung chịu tác động của động đất, áp lực thủy động do động đất sinh ra được tính theo công thức Westergaard và áp lực thủy động này được thay thế bằng khối lượng nước tương đương gắn vào bản mặt cửa van và cùng chuyển động với kết cấu van trong khi động đất. Hiện nay phần mềm SAP2000 có thể đáp ứng được yêu cầu tính toán này. Thông qua một ví dụ cụ thể để minh chứng việc áp dụng tiêu chuẩn EM 1110-2-2702 tính toán van cung chịu tác động của động đất là công việc có thể thực hiện một cách dễ dàng. 1. Đặt vấn đề trục không giao nhau, điều này cần phải được Dự thảo “Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cửa xem xét khi mô hình hóa kết cấu van; van cung bằng thép công trình chống ngập Thứ ba, về tải trọng tác dụng vào cửa van: Thành phố Hồ Chí Minh” được biên soạn Ngoài các lực khác, EM yêu cầu xét tới lực chủ yếu dựa vào tài liệu “Thiết kế cửa van ma sát trượt của vật chắn nước bên và ở gối hình cung trong đập tràn - Kỹ thuật và thiết bản lề khi tính toán nội lực và biến dạng của kế” của Hoa Kỳ (Design of Spillway Tainter kết cấu van trong quá trình đóng mở, cũng Gates - Engineering and Design, EM 1110-2- như tính toán lực kéo van. Do lực ma sát ở gối 2702, 2000) do trong tiêu chuẩn có nhiều nội bản lề lại phụ thuộc vào phản lực gối, nên cần dung mới và tiên tiến so với tiêu chuẩn thiết tiến hành giải lặp. Điều này chưa đề cập tới kế van cung của các nước khác trên mấy trong nhiều tiêu chuẩn thiết kế van cung của phương diện sau: nhiều nước; Thứ nhất, về phương pháp tính toán: EM Thứ tư, về xác định lực kéo van: EM tính đã sử dụng phương pháp tính toán theo trạng toán lực kéo van bằng cách mô hình hóa van thái giới hạn để tính bộ phận động của kết cấu theo bài toán không gian, ở đây mômen cản van cung và phương pháp tính toán theo ứng do áp lực nước, do trọng lượng bản thân van suất cho phép đối với gối bản lề, các chi tiết và mômen cản do lực ma sát bên là đã biết, cơ khí và thiết bị đóng mở, tương tự như quy chỉ có mômen cản do lực ma sát ở gối bản lề định trong tiêu chuẩn thiết kế cửa van trong là chưa được xác định, cần tiến hành giải lặp; công trình thủy lợi của Nga, là phương pháp Thứ năm,về tác động của động đất: EM đề tính toán quen thuộc đã được sử dụng ở nước nghị áp lực thủy động do động đất sinh ra ta trong các cơ sở đào tạo, cũng như trong các được tính theo công thức Westergaard và tác cơ quan tư vấn thiết kế; động của động đất E được xác định dựa trên Thứ hai, về mô hình tính toán: EM yêu cầu hiệu ứng quán tính thủy động của nước, tính toán van cung theo bài toán không gian chuyển động cùng với kết cấu van khi động để phản ánh đúng trạng thái làm việc thực tế đất. của cửa van. Khi mô hình hóa bản mặt, dầm Vì những lý do trên mà tiêu chuẩn này đã ngang và đứng liên kết với bản mặt có đường được các tác giả chọn làm tài liệu tham khảo 200
2. chính để biên soạn dự thảo “Tiêu chuẩn kỹ chuyên dụng, trong đó phần mềm SAP2000 từ thuật thiết kế cửa van cung bằng thép công Version 10 trở lên có thể đáp ứng được các trình chống ngập Thành phố Hồ Chí Minh”. yêu cầu tính toán đã nêu trong tiêu chuẩn. Việc áp dụng tiêu chuẩn này trong thiết kế cửa Trong phạm vi bài báo này, các tác giả chỉ đề van cung bằng thép thực hiện không mấy khó cập đến vấn đề tính toán cửa van cung bằng khăn nhờ các phần mềm tính toán kết cấu thép chịu tác động của động đất. 2. Số liệu tính toán 2.1. Bố trí tổng thể Hình 1 - Bố trí tổng thể van cung trên đập tràn Hình 2 - Hình chiếu cạnh van cung - Cao trình đáy van: + 100.00m bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm, phần công - Cao trình MNDBT: + 113.50m xôn của dầm chính dài 2.5m, chiều cao dầm - Cửa van đóng, đáy van hai đầu tựa vào trụ pin. đoạn công xôn biến đổi tuyến tính, tiết diện 2.2. Cửa van đầu công xôn có kích thước h=600mm, 8 2 - Vật liệu thép CT38 có E=2.1×10 kN/m ; bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm =0.3; =78kN/m3 - Công xôn dầm chính dài 2.5m, các dầm - Nhịp tải trọng Lt=15m, khoảng cách giữa đứng ở giữa cách nhau 2.5m hai gối bản lề Lo=13.8m - Chân khung chính tiết diện chữ I có - Bán kính bản mặt van R=16m, chiều dày h=600mm, bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm. bản mặt 20mm 2.3. Tải trọng - Dầm phụ ngang tiết diện chữ [No30: - Động đất cấp 8 có gia tốc cơ sở lớn nhất h=30cm, bc=10cm, tc=1.1cm, tb=0.65cm, các ac=0.2g dầm phụ ngang đặt úp và có bản bụng theo - Áp lực thủy động do động đất được xác phương bán kính của bản mặt định theo công thức Westergaard: - Dầm đứng trong nhịp van tiết diện chữ T 7 p  a Hy cánh phía hạ lưu, có chiều cao thay đổi, tại 8 w c đỉnh và đáy bằng chiều cao dầm phụ ngang, trong đó: p - Áp lực thủy động ngang ở tại vị trí dầm chính bằng chiều cao dầm chính, khoảng cách y(m) dưới mặt nước, kN/m2 3 bản bụng bằng thép bản dày 20mm, bản cánh w = 10kN/m - Trọng lượng riêng của nước rộng 300mm, dày 30mm H =13.5m - Chiều sâu cửa cột nước tới - Dầm đứng hai đầu van dùng tiết diện chữ ngưỡng cống [có h=600mm, bc=300mm, tc=20mm, - Phổ phản ứng thiết kế được cung cấp cho tb=10mm, không thay đổi theo chiều cao, đặt ở bảng 1 và hình 3. quay vào phía trong nhịp - Dầm chính tiết diện chữ I có h=1400mm, 201
3. Bảng 1- Hàm phổ phản ứng thiết kế Chu kì 0 0.1 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Gia tốc 0.072 0.16 0.16 0.1111 0.0858 0.0701 0.0595 0.0518 Chu kì 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Gia tốc 0.0459 0.0413 0.0376 0.0369 0.0363 0.0357 0.0350 0.0344 Chu kì 3.2 3.4 3.6 3.8 4 5 6 Gia tốc 0.0337 0.0331 0.0325 0.0118 0.0312 0.0280 0.0248 Hình 3 - Đường cong phổ phản ứng thiết kế 3. Mô hình hóa kết cấu van Bản mặt và dầm đứng giữa được mô hình hóa bằng phần tử Shell, dầm đứng hai đầu, dầm phụ ngang và các bộ phận còn lại được mô hình hóa bằng phần tử Frame. Mô hình phần tử hữu hạn cửa van cung cho ở hình 4. 4. Áp lực nước tăng thêm do động đất Để phù hợp với hệ tọa độ OXYZ có gốc tại đáy van đã dùng trong SAP2000 để mô hình hóa kết cấu van, ta chuyển công thức Westergaard tính áp lực thủy động do động đất dưới dạng sau: Hình 4 - Mô hình phần tử hữu hạn kết cấu van 7 7 diện tích A chịu áp lực thủy động sẽ được p  a H(H y)  a Hz i 8w c 8 w c thay thế bằng một khối lượng nước tương Lực động đất bao gồm lực quán tính của đương gắn vào phần tử đó và cùng chuyển các khối lượng cửa van và lực thủy động do động với kết cấu van khi chịu tác động của động đất tác dụng lên kết cấu van. Đối với động đất, khối lượng này được xác định theo trường hợp tải trọng 1, kết cấu van ngập trong công thức sau: nước, thì lực thủy động tác dụng lên cửa van 7 ' m  Hz A C A được xác định dựa trên hiệu ứng quán tính w8 w i i i i thủy động của nước, chuyển động cùng với trong đó: ’w là khối lượng riêng của nước kết cấu van. Vậy với một phần tử bản mặt có 202
4. Hình 5 - Khối lượng áp lực thủy động tương đương gán vào bản mặt 5. Khối lượng nước tương đương kết quả. Khối lượng nước tương đương gắn vào Tính toán chuyển vị ứng với tổ hợp lực: mỗi phần tử diện tích bản mặt giả thiết phân TH7’=H3+DEAD E bố đều có cường độ lấy tại tâm phần tử đó, giá và tính nội lực ứng với tổ hợp lực: trị Ci cho ở bảng 2. TH7=1.2H3+1.2DEAD 1.0E Bảng 2 - Khối lượng nước tương đương - Chuyển vị: Phổ mầu chuyển vị ngang UX theo phương dòng chảy với tổ hợp lực TH7’ H(m) 13.5 C =m /A TT i w i được thể hiện trên hình 6. Giá trị chuyển vị Nút Z (m) Z (m) C i ci i lớn nhất U1=0.031968m tại nút 41. 1 20 0 0.35 11.66 - Ứng suất bản mặt: Phổ mầu ứng suất S11 2 19 0.69 1.04 11.35 cho ở hình 7, ứng suất S11Top có giá trị lớn 3 18 1.39 1.75 11.02 2 4 17 2.11 2.50 10.67 nhất 75000.91kN/m ở phần tử 68, còn 2 5 16 2.88 3.27 10.29 65430.21kN/m là ứng suất trung bình tại nút 6 15 3.65 4.05 9.89 58, được định vị trên hình 7. 7 14 4.44 4.84 9.46 - Nội lực dầm phụ ngang: Dầm phụ ngang 8 13 5.24 5.64 9.01 số 19 có giá trị mômen uốn M3 lớn nhất - 9 12 6.04 6.45 8.54 105.74kNm và biểu đồ lực cắt V2 tương ứng, 10 11 6.85 7.26 8.03 được biểu diễn ở hình 8. 11 10 7.66 8.07 7.49 - Ứng suất dầm đứng: Phổ mầu ứng suất 12 9 8.48 8.98 6.84 S11 cho ở hình 9, dầm đứng giữa chịu lực lớn 13 8 9.48 9.96 6.05 nhất trong các dầm đứng, ứng suất S11 có giá 14 7 10.44 10.93 5.16 trị lớn nhất 131033.49kN/m2 ở phần tử 632, 15 6 11.41 11.89 4.09 được định vị ở hình 9. 16 5 12.36 12.83 2.63 Biểu đồ nội lực trong dầm đứng biên được 17 4 13.30 biểu diễn ở hình 10, mômen uốn, lực cắt và 6. Chạy chương trình và khai thác kết quả lực dọc có giá trị lớn tại vị trí các dầm chính Sau khi gán áp lực nước và khối lượng M3=-658.10kNm, V2=512.90 kN, P=- nước tương đương vào các phần tử của bản 1394.33kN ở phần tử 3. mặt, gán liên kết đơn thẳng đứng tại hai điểm - Nội lực dầm chính: Dầm chính dưới chịu tựa ở đáy van và liên kết khớp có một trục lực lớn hơn dầm chính trên, từ hình 11 cho quay nằm ngang tại gối bản lề, nhập phổ phản thấy mômen lớn nhất ở giữa nhịp ứng thiết kế. Chạy chương trình và hiển thị 203
5. M3=3564.29kNm và lực cắt lớn nhất tại chân chính dưới chịu lưc dọc đồng thời chịu van V2=2724.79kN ở phần tử 273. mômen uốn P=-6276.19kN, M2=39.49kNm, - Chuyển vị và nội lực khung chính: M3=-85.6853kNm ở phần tử 58 (xem hình 13 Khung chính dưới chịu lực lớn hơn khung và hình 14). Giá trị nội lực của một số phần tử trên, chuyển vị lớn nhất tại giữa dầm trong khung chính dưới ứng với TH7 cho ở U1=0.0209m cho ở hình 12. Chân khung hình 15. Hình 6 - Phổ chuyển vị UX (TH7’) Hình 7 - Phổ ứng suất S11 của bản mặt van (TH7) \ Hình 8 - Biểu đồ mômen uốn và lực cắt của dầm phụ ngang số 19 (TH7) Hình 9 - Phổ ứng suất S11 của các dầm đứng Hình 10 - Biểu đồ mômen uốn, lực cắt giữa (TH7) và lực dọc của dầm đứng biên (TH7) Hình 11 - Biểu đồ mômen và lực cắt của dầm chính dưới (TH7) 204
6. Hình 12 - Sơ đồ chuyển vị của khung Hình 13 - Biểu đồ mômen uốn M3 trong chính (TH7’) khung chính dưới (TH7) Hình 14 - Biểu đồ lưc cắt V2 và lực dọc P của khung chính dưới (TH7) Hình 15 - Giá trị nội lực của một số phần tử trong khung chính dưới (TH7) 7. Kết luận van khi chịu tác động của động đất. Kết quả Thông qua một ví dụ tính toán cụ thể có thể tính toán thể hiện rõ sự tăng thêm chuyển vị thấy rằng, phần mềm SAP2000 đáp ứng được và nội lực trong các bộ phận kết cấu cửa van yêu cầu tính toán van cung chịu tác động của khi có động đất. Do đó việc tính toán cửa van động đất theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ. Áp lực có xét đến động đất đối với các công trình lớn nước tăng thêm do động đất được thay thế ở Đồng bằng sông Cửu Long là rất cần thiết bằng khối lượng tương đương gắn vào bản không nên bỏ qua. mặt cửa van và cùng chuyển động với kết cấu 205
7. Tài liệu tham khảo: 1. “Thiết kế cửa van hình cung trong đập tràn - Kỹ thuật và thiết kế” (Design of Spillway Tainter Gates - Engineering and Design, EM 1110-2-2701, 2000). 2. “Phân tích động lịch sử - thời gian kết cấu bê tông thủy công” (Time-History Dynamic Analysis of Concrete Hydraulic Structures, EM 1110-2-6051, 2003). Abstract: APPLICATION OF THE UNITED STATES’ DESIGNING STANDARD TO DESIGN A RADIAL GATES UNDER EARTHQUAKE LOADING: AN EXAMPLE BY SAP2000 Vu Hoang Hung, Vu Thanh Hai “Design of Spillway Tainter Gates - Engineering and Design, EM 1110-2-2702” of the United States defines that in designing a radial gate under earthquake loading the hydrodynamic pressure, which is caused by earthquake, should be computed by the Westergaard formula and it is seen as an equivalent mass of water cemented on the surface of radial gate and move along with radial gate structure. In present, application of SAP 2000 is a very effective method to solve this problem. This paper presents a real example to prove the above statement. 206