BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN HÀ PHƢỚC CƢỜNG PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Long An - 2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN HÀ PHƢỚC CƢỜNG PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. Trƣơng Tích Thiện Long An – 2019 ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chƣơng trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy Cô khoa Kiến trúc Xây dựng, Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An trong quá trình học tập cũng nhƣ hoàn thành Luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS-TS Trƣơng Tích Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt Luận văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng khoá 4 đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Hà Phƣớc Cƣờng iii BẢN CAM KẾT Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác nhƣ đã đƣợc ghi trong Luận văn, tôi xin cam kết rằng Luận văn này là do chính tôi thực hiện và Luận văn chỉ đƣợc nộp tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc.
HỌC VIÊN THỰC HIỆN Hà Phƣớc Cƣờng iv TÓM TẮT Bất ổn định là một bài toán cổ điển, nhƣng cho đến nay vẫn có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này. Ngƣời đầu tiên đặt nền móng cho việc tính toán bất ổn định kết cấu là Leonard Euler cách đây hơn 200 năm. Bắt đầu từ thập niên 30 của thế kỷ trƣớc, ngƣời đại diện cho Euler là S.Timoshenko đã tiến thêm một bƣớc dài trong lĩnh vực tính toán bất ổn định với việc cho ra đời cuốn sách Theory of Elastic Stability. Sau đó, với hàng loạt công trình tính toán liên quan tới tính toán bất ổn định của các nhà khoa học khác đã chứng tỏ bất ổn định là một đề tài rất có sức hút, vì nó có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng.
Khi xảy ra mất ổn định dù chỉ của một thanh cũng dẫn tới sự sụp đổ của toàn bộ kết cấu. Tính chất phá hoại do mất ổn định là đột ngột và nguy hiểm. Vì vậy khi thiết kế cần đảm bảo ba điều kiện: điều kiện bền, điều kiện cứng và điều kiện ổn định. Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn.
Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều loại vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản phẩm công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác. Do đó, kết cấu silo là giải pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam. Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong môi trƣờng tự nhiên phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác. Trong quá trình hoạt động, các tải trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và ma sát bề mặt trong của vách do các hạt sản phẩm gây ra.
Ngoài ra, với những silo có chiều cao lớn, còn có thêm sự tác động của tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán bất ổn định kết cấu silo là bài toán rất quan trọng và cần những phân tích, tính toán chính xác trong quá trình thiết kế. v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. iii BẢN CAM KẾT.
iv GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI. vi DANH MỤC BẢNG. viii DANH MỤC HÌNH ẢNH. ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.
xii Chƣơng 1. Tổng quan về Silo. Tình hình nghiên cứu của đề tài. Nghiên cứu ngoài nƣớc.
Nghiên cứu trong nƣớc. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Phƣơng pháp nghiên cứu. Lợi ích của đề tài. Lợi ích khoa học. Lợi ích thực tiễn.
Giới thiệu bài toán bất ổn định. Trạng thái ổn định của kết cấu. Trạng thái bất ổn định. Lý thuyết bất ổn định tấm.
Phƣơng pháp giải tích. Lý thuyết tấm cổ điển. Phƣơng pháp năng lƣợng - Lý thuyết bất ổn định Ritz cho tấm có gân thẳng sử dụng hàm lƣợng giác. Phƣơng pháp quy đổi lực tác dụng lên silo.
Áp lực do vật liệu chứa tác dụng lên silo. Tải gió tác dụng lên silo. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH). Trình tự giải bài toán tĩnh theo PP PTHH.
Ví dụ phân tích dầm chịu uốn bằng PP PTHH. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán bất ổn định. Phân tích bất ổn định kết cấu bằng chƣơng trình ANSYS. Qui trình giải bài toán bất ổn định bằng chƣơng trình Ansys Workbench.
PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU SILO BẰNG ANSYS WORKBENCH. Phân tích ứng xử kết cấu Silo. Kích thƣớc Silo. Thông số vật liệu Silo – vật liệu chứa.
Mô hình phần tử hữu hạn. Phân tích ứng xử Silo dƣới tác động tải trọng tĩnh. Phân tích ứng xử bất ổn định của Silo. Phân tích ứng xử kết cấu Silo có cải tiến.
Kết quả phân tích tĩnh. Kết quả phân tích bất ổn định. Đánh giá kết quả .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .633 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho.
Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam. Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình. Bảng thông số thiết kế Silo [5]. Thông số vật liệu của thép CT3 TCVN [5].
Thông số vật liệu chứa - Cám. Thông số lƣới mô hình Silo. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình. Thông số vật liệu và kích thƣớc gân tăng cứng.
Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình. Bảng so sánh kết quả giữa 2 mô hình .58 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Mô hình Silo vách trụ. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tông.
Silo thép với vách trụ có gợn sóng. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS. Các dạng ổn định. Mô hình thanh chịu nén đúng tâm.
Các trạng thái của thanh chịu kéo nén đúng tâm. Sự nguy hiểm của hiện tƣợng bất ổn định của thanh trong kết cấu thực tế. Mô hình bài toán tấm. Điều kiện biên mô hình tấm khảo sát.
Mô hình tấm khảo sát. Điều kiện biên bài toán. Sơ đồ áp lực tác dụng lên thành silo do vật liệu chứa gây ra. Sơ đồ áp lực tác dụng lên đáy phễu silo theo chuẩn EuroCode.
Tính hệ số khí động theo mô hình. Tính dầm chịu uốn bằng phƣơng pháp PTHH. Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS. Lƣợt đồ phân tích bất ổn định kết cấu trong ANSYS WB.
Sơ đồ mô hình Silo [5]. Mô hình hình học Silo đƣợc import từ SolidWork vào ANSYS. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của Silo. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của đỉnh Silo.
Kết cấu Silo đang làm việc ngoài công trình. Mô hình điều kiện biên. Khai báo gia tốc trọng trƣờng. Áp lực do cám tác dụng lên silo.
Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên thân trụ silo. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên đáy silo .11 Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên thân silo. Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên đáy silo. Sơ đồ ứng suất tác dụng lên silo với tốc độ gió 160 km/h theo chuẩn Eurocode [5].
Áp lực gió tác dụng lên thân silo. Áp lực gió tác dụng lên đáy silo. Phân bố trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo.
Dạng bất ổn định 1 (mode 1). Dạng bất ổn định 2 (mode 2). Dạng bất ổn định 3 (mode 3). Dạng bất ổn định 4 (mode 4).
Dạng bất ổn định 5 (mode 5). Mô hình Silo với 3 gân tăng cứng. Kích thƣớc gân. Đánh giá chất lƣợng lƣới qua chỉ số Skewnees.
Phân bố Trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo. Dạng bất ổn định 1 (mode 1). Dạng bất ổn định 2 (mode 2).
Dạng bất ổn định 3 (mode 3). Dạng bất ổn định 4 (mode 4). Dạng bất ổn định 5 (mode 5).57 xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên đầy đủ Ý nghĩa PP PTHH Phƣơng pháp phần tử hữu hạn EC Tiêu chuẩn Eurocode TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam E Module đàn hồi I Mô men quán tính fy Cƣờng độ tính toán thép theo giới hạn chảy của vật liệu G Mô đun trƣợt u, v, w Các hàm chuyển vị x, y, z Tọa độ điểm W0 Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng k Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió thay đổi theo độ cao c Hệ số khí động Lực tác dụng lên vách silo theo phƣơng tiếp tuyến Áp lực theo phƣơng ngang Cb Hệ số khuếch đại lực tại đáy silo Hệ số ma sát trên vách đứng xii 1 Chƣơng 1. Tổng quan về Silo Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn [1].
