Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam" do nghiên cứu sinh Dương Trường Giang thực hiện tại Bộ môn Máy Xây dựng, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (năm 2011), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phạm Quang Dũng và PGS. Trần Nhất Dũng. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật máy và thiết bị Xây dựng (mã số: 62.01).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cần trục tháp là thiết bị nâng chuyển trọng yếu trong thi công xây lắp các công trình có chiều cao lớn. Tại Việt Nam, sự phát triển nhanh chóng của các khu đô thị, văn phòng và chung cư cao tầng dẫn đến nhu cầu sử dụng cần trục tháp tăng cao. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chuyên sâu về thiết kế và chế tạo cần trục tháp trong nước còn hạn chế. Phần lớn các thiết bị sản xuất trong nước đều dựa trên mẫu thiết kế có sẵn của nước ngoài và chỉ gia công phần kết cấu thép.

Về mặt tiêu chuẩn, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4244-2005 là văn bản kỹ thuật quy định các yêu cầu chung cho thiết kế, chế tạo và kiểm định thiết bị nâng. Dù cơ bản tương thích với các tiêu chuẩn quốc tế như FEM và ISO, TCVN 4244-2005 chỉ thiết lập các ràng buộc tính toán chung mà không đề ra phương pháp luận cụ thể để triển khai bài toán tính toán kết cấu thép cần trục tháp cũng như phương pháp xác định các thông số hợp lý. Kết cấu thép cần trục tháp là hệ dàn không gian phức tạp gồm hàng nghìn phần tử, có kích thước và khối lượng lớn nhưng độ cứng tương đối nhỏ, chịu tác động của nhiều tổ hợp tải trọng phức tạp trong trạng thái làm việc và không làm việc. Chi phí cho phần kết cấu thép chiếm tỷ trọng từ 40% đến 73% (hoặc lên tới 72% - 92% theo một số nghiên cứu) tổng giá thành thiết bị. Do đó, việc xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp nhằm giảm khối lượng vật liệu, nâng cao chất lượng thiết kế và chủ động trong sản xuất là một đòi hỏi cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu thiết lập cơ sở lý thuyết cho bài toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp.
  2. Xây dựng bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo điều kiện ràng buộc của tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 4244-2005); xây dựng chương trình tính toán chuyên dụng (CraneVN) nhằm hoàn thiện phương pháp luận nghiên cứu, phục vụ trực tiếp cho thiết kế mới và xác định các thông số hợp lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu thép cần trục tháp loại đầu tháp quay (tháp không quay), cần nằm ngang, thay đổi tầm với bằng xe con cáp kéo, đứng cố định trên móng hoặc neo vào công trình.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các thông số kỹ thuật và hình học của dòng cần trục tháp thông dụng phục vụ xây dựng dân dụng tại Việt Nam (mô men tải từ $700\text{ kNm}$ đến $1500\text{ kNm}$, tầm với lớn nhất $R_{\max} = 40 \div 60\text{ m}$, tải trọng nâng lớn nhất $Q_{\max} = 2,5 \div 10\text{ tấn}$, chiều cao nâng $H_{\max} = 60 \div 120\text{ m}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Lịch sử chế tạo cần trục tháp hiện đại ghi nhận các sản phẩm đầu tiên xuất hiện từ sau năm 1850 của các hãng như Bechem and Keetman (1898) hay Ludwig Stuckenholz. Đến nay, các tập đoàn lớn như Liebherr, Potain, Manitowoc, Sumitomo đã chế tạo cần trục tháp theo các tiêu chuẩn FEM, ISO. Tuy nhiên, các bí quyết tính toán và phương pháp xác định thông số hợp lý thường không được các hãng công bố.

Các công trình nghiên cứu đã công bố về tính toán và tối ưu hóa kết cấu thép cần trục tháp tập trung vào hai hướng chính:

  1. Xác định tải trọng hợp lý tác dụng vào kết cấu: Các nghiên cứu của các tác giả Liên bang Nga khảo sát việc xác định khối lượng đối trọng, bố trí vị trí các cơ cấu, số nhánh cáp chống uốn thân tháp.
  2. Xác định các thông số hợp lý của hệ kết cấu:
    • Về sơ đồ tính: Simic, Myjailovic (2009) và các tác giả khác sử dụng sơ đồ thanh tương đương quy đổi độ cứng để tính toán tối ưu tiết diện ngang (dạng tam giác, hình thang) của cần hoặc thân tháp chịu nén. A.I. Spivakovski và các cộng sự phân tích dàn không gian thành các dàn phẳng để tính toán. Erol Zeren (1998) áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cho hệ thanh không gian dựa trên mô hình cần trục 120 HC của hãng Liebherr nhưng mới xét một trường hợp tải tĩnh riêng biệt. Lanfeng Yu sử dụng chương trình máy tính phân tích độ cứng của kết cấu và so sánh với giải tích đơn giản. Xinli (1990) nghiên cứu tối ưu tiết diện các phần tử của cần dàn.
    • Về phương pháp tối ưu: Các thuật toán di truyền (GA), mô phỏng luyện thép (SA), tiến hóa vi phân (DE) đã được áp dụng trong một số bài toán kết cấu. Tại Việt Nam, một số đề tài nghiên cứu tối ưu dầm cầu trục tiết diện hộp (sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp hoặc tiến hóa vi phân), hoặc khảo sát bước đầu về kết cấu thép cần trục tháp tại Bộ môn Máy Xây dựng - Đại học Xây dựng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu tối ưu hóa đã công bố đều đặt bài toán trong trạng thái tách rời riêng rẽ từng bộ phận (chỉ xét riêng thân tháp hoặc cần), quy đổi về thanh tương đương hoặc dàn phẳng, xem nội lực là thông số đầu vào cố định và chưa xét đến sự biến đổi của tải trọng nâng di động theo đường đặc tính tải trọng cũng như các tổ hợp tải trọng không gian phức tạp. Điều này khiến kết quả tính toán khó áp dụng trực tiếp vào thiết kế kỹ thuật thực tế.

Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách: xây dựng mô hình bài toán xác định thông số hợp lý xét trên tổng thể hệ dàn không gian 3 chiều của toàn bộ cần trục tháp, tích hợp đầy đủ các tổ hợp tải trọng và tải trọng di động theo TCVN 4244-2005, ứng dụng nguyên lý quy hoạch động R. Bellman để phân rã và giải bài toán tối ưu đa biến phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH): Sử dụng phần tử thanh không gian 3 chiều (mỗi nút có 6 bậc tự do: 3 chuyển vị thẳng và 3 chuyển vị xoay) để mô tả chính xác ứng xử cơ học của toàn bộ hệ kết cấu tháp, cần, đỉnh tháp, cần đối trọng và thanh neo.
  • Lý thuyết tối ưu hóa kết cấu và nguyên lý R. Bellman: Xây dựng bài toán tối ưu với hàm mục tiêu là tổng khối lượng kết cấu thép. Bài toán được phân chia thành các giai đoạn tối ưu tuần tự:
    • Giai đoạn I: Xác định tiết diện thanh hợp lý (biến rời rạc theo quy cách thép tiêu chuẩn) thỏa mãn điều kiện bền và ổn định dưới nội lực nguy hiểm.
    • Giai đoạn II: Xác định các kích thước hình học hợp lý của tháp và cần (biến liên tục) thỏa mãn các điều kiện biên và biến dạng.
  • Hệ thống tiêu chuẩn tính toán: TCVN 4244-2005 (Quy phạm an toàn thiết bị nâng), kết hợp tham chiếu các tiêu chuẩn FEM 1.001, ISO 8686, DIN 15018, TCXD 2737-2005, TCXD 338-2005.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Tổng hợp đặc điểm làm việc, phân loại kết cấu và thiết lập mô hình tính toán.
  • Phương pháp thống kê: Khảo sát, thu thập và phân tích số liệu của trên 60 cần trục tháp đang hoạt động tại Việt Nam để xác định khoảng biến thiên của các thông số hình học và chế độ tải trọng.
  • Phương pháp số và thuật toán hóa: Lập trình phần mềm chuyên dụng CraneVN bằng ngôn ngữ máy tính để tự động hóa quá trình phát sinh lưới kết cấu, tổ hợp tải trọng, tính toán nội lực theo PTHH và tìm kiếm thông số hợp lý.
  • Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc ứng suất và chuyển vị trên kết cấu thực tế bằng thiết bị cảm biến ten-xơ điện trở và dụng cụ đo chuyên dụng, xử lý số liệu bằng phương pháp thống kê toán học để kiểm chứng mô hình lý thuyết.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực tế

  • Dữ liệu thông số kỹ thuật cần trục tháp trong nước và quốc tế từ tài liệu của các hãng Liebherr, Potain, Grucomedil, Raimondi, QTZ, KB.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cần trục tháp VICOX-CTM80 lắp đặt tại công trình Sân vận động Trong nhà (Indoor Games) Mỹ Đình, Hà Nội (tháng 01/2009).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Giới thiệu tổng quát về bối cảnh nghiên cứu, tính cấp thiết của đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học - thực tiễn của luận án.

Chương 1 - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề lý thuyết và thực tiễn liên quan đến cần trục tháp xây dựng, phân tích cấu tạo và phân nhóm thông số kết cấu thép.

1. Thống kê thông số kỹ thuật cần trục tháp: Tác giả tổng hợp các thông số kỹ thuật của cần trục tháp trên thế giới và tại Việt Nam:

Thông số Trên thế giới (Bảng 1.1) Tại Việt Nam (Bảng 1.2)
Tầm với lớn nhất $R_{\max}$ (m) $40 \div 70$ $40 \div 60$
Tải trọng nâng lớn nhất $Q_{\max}$ (tấn) $2 \div 12$ $2,5 \div 10$
Chiều cao nâng $H_{\max}$ (m) $30 \div 180$ $60 \div 120$
Mô men tải lớn nhất $M_t$ (kNm) $500 \div 2500$ $700 \div 1500$

Khảo sát đặc tính kỹ thuật 10 loại cần trục tháp thông dụng tại Việt Nam (Bảng 1.3a và 1.3b) gồm: Liebherr 256HC, Wolff 5220SL6, FMGru 1760TCK, TC5616, BPR GT118, Potain MC80, Raimondi MR45HC, MC4505, QTZ5013, KB504. Kết quả cho thấy dạng kết cấu phổ biến nhất là thân tháp tiết diện vuông 4 mặt không đổi ghép đốt từ phía trên, cần nằm ngang tiết diện tam giác thay đổi tầm với bằng xe con.

2. Phân nhóm thông số kết cấu thép: Luận án phân chia thông số kết cấu thép cần trục tháp thành 4 nhóm chính (Bảng 1.5):

  • Nhóm 1 (Kiểu dạng kết cấu): Dạng tháp 4 mặt hình vuông, cần tam giác; 5 dạng bố trí thanh bụng (tam giác song song, tam giác quy tụ tại nút, tam giác cùng mặt phẳng, hình quả trám, hình chữ thập).
  • Nhóm 2 (Kích thước hình học): Kích thước mặt cắt thân tháp ($a_{th} \times a_{th}$), chiều dài đốt tháp ($h_{th}$), chiều rộng đáy cần ($b_{cd}$), chiều cao cần ($h_{cd}$), chiều dài đốt cần ($l_c$), chiều cao đỉnh tháp ($h_{dt}$), chiều dài cần đối trọng ($L_{dt}$), diện tích và kích thước tiết diện thanh.
  • Nhóm 3 (Vật liệu chế tạo): Phân chia thép thành 3 nhóm theo độ bền (Bảng 1.4): thép thường (C38/23, C44/29 mác Bct3, SS400, S275), thép cường độ cao (C46/33, C52/40, C60/45 mác 09Mn2, 16Mn, Q345C, ST52), thép cường độ rất cao (C70/60, C85/75 mác Welten 600, SM540).
  • Nhóm 4 (Động học và tải trọng): Tải trọng nâng, tốc độ nâng, tốc độ quay, tốc độ đổi tầm với, các hệ số tải trọng động.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  4 NHÓM THÔNG SỐ KẾT CẤU THÉP CẦN TRỤC THÁP             |
+--------------------+--------------------+-------------------------------+
| Nhóm 1: Kiểu dạng  | Nhóm 2: Kích thước | Nhóm 3: Vật liệu | Nhóm 4:    |
| (Dàn không gian,   | hình học (Khổ tháp | (Thép thường,    | Động học & |
| tháp vuông, cần TG,| $a_{th}$, cần $b_{cd}, h_{cd}$, | cường độ cao,    | tải trọng  |
| 5 hệ thanh bụng)   | tiết diện thanh)   | rất cao)         | (Q, v, M)  |
+--------------------+--------------------+-------------------------------+

Chương 2 - Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp

Chương 2 trình bày phương pháp xác định các thành phần tải trọng, xây dựng các tổ hợp tải trọng và thiết lập mô hình tính toán PTHH.

1. Xác định các thành phần tải trọng theo TCVN 4244-2005:

  • Tải trọng bản thân kết cấu ($S_{bt}$): Tính toán cho các phần tử kết cấu thép, bản mã, mối nối (nhân hệ số vượt tải $1,05 \div 1,1$).
  • Tải trọng nâng định mức ($S_{ndm}$): $$S_{ndm} = Q_r + 9,81 \cdot m_{xc}$$ Trong đó $Q_r$ là tải trọng nâng tại tầm với $R_i$ theo đường đặc tính tải trọng (xét đường đặc tính 2 bậc: $Q = Q_{\max}$ khi $R_{\min} \le R \le R_{a2}$; $Q = M_t / R$ khi $R_{a2} < R \le R_{\max}$); $m_{xc}$ là khối lượng xe con.
  • Tải trọng động khi nâng ($K_d S_{ndm}$): Hệ số động lực học $K_d$ xác định theo vận tốc nâng $v_n$ (Bảng 2.1: $v_n \le 0,3\text{ m/s} \Rightarrow K_d = 0,15$; $v_n = 0,8\text{ m/s} \Rightarrow K_d = 0,25$; $v_n \ge 1,5\text{ m/s} \Rightarrow K_d = 0,30$).
  • Lực căng cáp nâng: Quy đổi tác dụng lên kết cấu dạng ngoại lực xấp xỉ bằng $Q/a$ ($a$ là bội suất pa lăng).
  • Tải trọng ngang do lực quán tính ($S_{ng}$): Gồm lực quán tính tiếp tuyến $S_{ng}^{tt}$ khi mở máy/phanh cơ cấu quay ($S_{ng}^{tt} = \varepsilon_q \cdot r \cdot m_i$) và lực ly tâm $S_{ng}^{lt}$.
  • Tải trọng gió: Gió trong trạng thái làm việc ($S_{gw}$) và gió trong trạng thái không làm việc ($S_{gnw}$).

2. Tổ hợp tải trọng và mô hình PTHH:

  • Thiết lập các trường hợp tải trọng: làm việc không gió, làm việc có gió lớn nhất, trạng thái bão không làm việc, trạng thái thử tải tĩnh ($1,25 Q_r$).
  • Thiết lập sơ đồ phần tử thanh không gian 3 chiều: Xây dựng ma trận độ cứng phần tử $[K^e]$ và ma trận độ cứng tổng thể $[K]$, véc tơ tải trọng nút ${P}$, giải hệ phương trình ${P} = [K]{U}$ để tìm véc tơ chuyển vị ${U}$ và nội lực phần tử ${S}$.
  • Phân tích bài toán khi xét tới biến dạng lớn (tính toán phi tuyến hình học, độ võng của đầu cần làm tăng tầm với $\Delta R$, mô men uốn thứ cấp trên thân tháp).

3. Cơ sở bài toán tối ưu: Phát biểu bài toán tối ưu tổng quát với hàm mục tiêu là tổng khối lượng kết cấu thép $W(X) \to \min$, biến thiết kế $X = {X_h, X_t}$ (kích thước hình học $X_h$ và kích thước tiết diện $X_t$), hệ ràng buộc về độ bền ứng suất $[\sigma]$, độ mảnh giới hạn $[\lambda]$, điều kiện ổn định cục bộ và ổn định tổng thể, điều kiện chuyển vị đầu cần $[f]$.

Chương 3 - Bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp

Chương này tập trung thuật toán hóa quá trình tính toán và giải bài toán tối ưu bằng phương pháp phân giai đoạn theo nguyên lý R. Bellman.

1. Thuật toán phân giai đoạn xác định thông số hợp lý:

  • Giai đoạn I (Tối ưu tiết diện $X_t$): Với một bộ kích thước hình học $X_h$ cố định, chương trình quét tự động các vị trí xe con trên cần để tìm tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất ($N_{\max}, M_{\max}$) cho từng nhóm thanh. Bài toán lựa chọn quy cách tiết diện rời rạc trong danh mục thép tiêu chuẩn sao cho diện tích mặt cắt $F_i$ nhỏ nhất mà vẫn thỏa mãn: $$\sigma = \frac{N}{F} \le [\sigma]; \quad \sigma_{ud} = \frac{N}{\varphi F} \le [\sigma]; \quad \lambda = \frac{\mu l}{i} \le [\lambda]$$
  • Giai đoạn II (Tối ưu kích thước hình học $X_h$): Thay đổi các biến kích thước hình học liên tục gồm: cạnh tháp $a_{th}$, chiều dài đốt tháp $h_{th}$, chiều rộng đáy cần $b_{cd}$, chiều cao cần $h_{cd}$, chiều dài đốt cần $l_c$ với các bước gia số $\Delta a_{th}, \Delta h_{th}, \Delta b_{cd}, \Delta h_{cd}, \Delta l_c$. Tại mỗi bước, lặp lại Giai đoạn I để tính lại khối lượng $W(X_h)$. Điểm có $W_{\min}$ trong miền khảo sát chính là bộ thông số hình học hợp lý.

2. Phát triển phần mềm chuyên dụng CraneVN: Luận án đã lập trình và đóng gói phần mềm CraneVN với các module chức năng:

  • Module nhập dữ liệu đặc tính kỹ thuật (tầm với, tải trọng, chiều cao nâng, vận tốc các cơ cấu).
  • Module tự động phát sinh sơ đồ nút, phần tử không gian cho toàn bộ kết cấu cần trục tháp.
  • Module tự động tính toán các thành phần tải trọng và phát sinh tổ hợp tải trọng nguy hiểm theo vị trí xe con di động trên cần.
  • Module giải hệ phương trình PTHH hệ thanh không gian.
  • Module tối ưu hóa tiết diện và kích thước hình học theo thuật toán Bellman phân giai đoạn.

Chương 4 - Nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm bằng số

1. Nghiên cứu thực nghiệm:

  • Đối tượng: Cần trục tháp VICOX-CTM80 (sản xuất tại Việt Nam, sức nâng 6 tấn, tầm với 50 m) lắp đặt tại công trình Sân vận động Trong nhà Mỹ Đình (tháng 01/2009).
  • Phương pháp đo: Bố trí các điểm dán cảm biến ten-xơ điện trở tại các vị trí thanh chịu lực xung yếu trên thân tháp, đỉnh tháp, thanh biên cần và thanh neo. Đo chuyển vị tại các vị trí quan trọng bằng thiết bị trắc đạc.
  • Các trạng thái thử nghiệm: Thử tải tĩnh tại các tầm với khác nhau ($R = 12,5\text{ m}; 25\text{ m}; 37,5\text{ m}; 50\text{ m}$) tương ứng với tải trọng danh định và quá tải 125%; khảo sát trong điều kiện không có gió và có gió vận tốc $v_g \approx 3\text{ m/s}$.
  • Đánh giá kết quả: Sai số tương đối giữa kết quả tính toán lý thuyết bằng phần mềm CraneVN và kết quả đo thực nghiệm ten-xơ dao động trong khoảng $5% \div 12%$. Điều này khẳng định độ tin cậy của mô hình phần tử hữu hạn không gian và thuật toán tính toán của luận án.

2. Thử nghiệm bằng số xác định thông số hợp lý: Chương trình CraneVN được áp dụng để khảo sát và tối ưu hóa kết cấu thép cho cần trục tháp VICOX-CTM80 trong hai trường hợp: đứng tự do và neo vào công trình.

Dạng kết cấu / Thông số Trước tối ưu Sau tối ưu Mức giảm
Tổng khối lượng KCT (tấn) 28,45 24,62 Giảm ~13,4%
Khổ thân tháp $a_{th} \times a_{th}$ (m) $1,6 \times 1,6$ $1,45 \times 1,45$ Tối ưu hóa kích thước
Chiều dài đốt tháp $h_{th}$ (m) 2,5 2,8 Tăng nhẹ chiều dài đốt
Chiều rộng đáy cần $b_{cd}$ (m) 1,2 1,05 Tinh gọn mặt cắt
Chiều cao mặt cắt cần $h_{cd}$ (m) 1,4 1,30 Giảm chiều cao

Chương trình cũng tiến hành khảo sát so sánh 5 dạng bố trí thanh bụng thân tháp. Kết quả chỉ ra dạng thanh bụng tam giác có thanh ngang và dạng quả trám cho hiệu quả chịu lực và tối ưu khối lượng tốt nhất trong điều kiện chế tạo tại Việt Nam.

Kết luận và kiến nghị

Tổng hợp toàn bộ các kết quả đạt được về mặt lý thuyết, phương pháp tính, phần mềm công cụ và kiểm chứng thực nghiệm; kiến nghị các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý thuyết và khoa học

  1. Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp luận và mô hình toán học giải bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp trên mô hình không gian tổng thể, giải quyết được bài toán tải trọng di động thay đổi theo đường đặc tính tải trọng dưới tác động của các tổ hợp tải trọng phức tạp theo TCVN 4244-2005.
  2. Ứng dụng sáng tạo nguyên lý quy hoạch động R. Bellman để phân chia bài toán tối ưu phi tuyến đa biến phức tạp thành 2 giai đoạn tuần tự (tối ưu hóa biến rời rạc tiết diện thanh và tối ưu hóa biến liên tục kích thước hình học), giúp giảm đáng kể khối lượng tính toán và đảm bảo tính hội tụ của bài toán.
  3. Xác lập quy trình phân tích và đánh giá ứng xử chịu lực của kết cấu tháp - cần có xét đến ảnh hưởng của biến dạng lớn (phi tuyến hình học) và tải trọng ngang do gió, lực quán tính khi quay.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Phát triển thành công phần mềm chuyên dụng CraneVN, cho phép tự động hóa hoàn toàn từ khâu phát sinh mô hình kết cấu, tổ hợp tải trọng, phân tích nội lực PTHH đến xuất kết quả thông số hình học và tiết diện hợp lý.
  2. Cung cấp bộ số liệu thông số hình học và tiết diện hợp lý cho các dòng cần trục tháp xây dựng phổ biến tại Việt Nam (mô men tải $700 \div 1500\text{ kNm}$), giúp giảm từ $10% \div 15%$ tổng khối lượng thép chế tạo so với các thiết kế sao chép truyền thống mà vẫn đảm bảo đầy đủ các chỉ tiêu an toàn kỹ thuật.
  3. Xây dựng quy trình đo đạc thực nghiệm ứng suất bằng ten-xơ điện trở trên cần trục tháp thực tế tại công trường, tạo tiền đề phương pháp luận cho việc thử nghiệm, kiểm định các loại máy xây dựng khác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đối tượng khảo sát của luận án mới tập trung chủ yếu vào loại cần trục tháp đầu tháp quay, cần nằm ngang đứng cố định hoặc neo vào công trình; chưa mở rộng cho loại cần trục tháp có tháp quay hoặc cần nâng hạ.
  • Nghiên cứu giả thiết kích thước mặt cắt ngang của thân tháp và cần là không đổi trên suốt chiều dài từng phân đoạn kết cấu để phù hợp với tính công nghệ chế tạo mô-đun lắp lẫn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng bài toán xác định thông số hợp lý cho các loại cần trục tháp có kết cấu cần nâng hạ, cần trục tháp tự dựng và cần trục di chuyển trên ray.
  • Nghiên cứu sâu hơn về động lực học phi tuyến trong quá trình thay đổi đột ngột vận tốc của các cơ cấu nâng và cơ cấu quay khi làm việc trong điều kiện gió giật.
  • Tích hợp thêm các bài toán tối ưu hóa chi phí gia công, công nghệ chế tạo và chi phí vận chuyển, lắp dựng vào hàm mục tiêu tổng quát của bài toán thiết kế cần trục tháp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực cơ khí xây dựng và thiết bị nâng chuyển:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật máy xây dựng, Cơ khí công trình: Tham khảo phương pháp luận ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn không gian và lý thuyết tối ưu hóa kết cấu máy.
  • Kỹ sư thiết kế tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp chế tạo cơ khí xây dựng: Ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán và chương trình CraneVN để tính toán thiết kế mới hoặc cải tiến các dòng cần trục tháp phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam theo TCVN 4244-2005.
  • Cơ quan kiểm định và quản lý an toàn kỹ thuật: Sử dụng cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phục vụ công tác kiểm tra, thẩm định an toàn chịu lực của các thiết bị cần trục tháp đang lưu hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Hàm mục tiêu và các biến thiết kế trong bài toán tối ưu của luận án được xác định như thế nào?

Hàm mục tiêu được lựa chọn là tổng khối lượng kết cấu thép của toàn bộ cần trục tháp ($W(X) \to \min$). Biến thiết kế được chia làm 2 nhóm:

  • Biến kích thước hình học ($X_h$ - biến liên tục): Gồm kích thước mặt cắt thân tháp ($a_{th}$), chiều dài đốt tháp ($h_{th}$), chiều rộng đáy cần ($b_{cd}$), chiều cao cần ($h_{cd}$), chiều dài đốt cần ($l_c$).
  • Biến tiết diện thanh ($X_t$ - biến rời rạc): Diện tích và loại quy cách thép hình tiêu chuẩn (thép hộp, thép ống, thép góc) của từng nhóm thanh bụng, thanh biên tháp và cần.

2. Tại sao luận án lại chọn đối tượng nghiên cứu là cần trục tháp đầu tháp quay với cần nằm ngang?

Qua số liệu khảo sát trên 60 cần trục tháp thực tế tại Việt Nam, loại đầu tháp quay với cần nằm ngang chiếm đa số trong thi công nhà cao tầng. Loại cần trục này có ưu điểm vượt trội: khi thay đổi tầm với bằng xe con cáp kéo, chiều cao nâng không bị thay đổi, vật nâng ít bị lắc lư, tiêu hao năng lượng thấp và có khả năng neo vào công trình để nâng cao độ phục vụ lên tới trên 120 - 150 m.

3. Nguyên lý quy hoạch động R. Bellman được ứng dụng như thế nào trong luận án?

Do bài toán tối ưu kết cấu không gian có số lượng phần tử lớn và ràng buộc phi tuyến phức tạp, tác giả áp dụng nguyên lý Bellman để phân rã bài toán thành 2 giai đoạn:

  • Giai đoạn I: Tối ưu hóa cục bộ tiết diện thanh ($X_t$) trên cơ sở nội lực nguy hiểm nhất tương ứng với một bộ kích thước hình học $X_h$ cho trước.
  • Giai đoạn II: Tối ưu hóa kích thước hình học tổng thể ($X_h$) thông qua việc biến thiên các kích thước không gian và lặp lại Giai đoạn I để tìm điểm có tổng khối lượng nhỏ nhất.

4. Kết quả kiểm chứng thực nghiệm trên cần trục tháp VICOX-CTM80 cho thấy điều gì?

Quá trình đo đạc bằng cảm biến ten-xơ điện trở tại hiện trường công trình Sân vận động Trong nhà Mỹ Đình cho thấy sai số tương đối giữa ứng suất tính toán từ phần mềm CraneVN và ứng suất thực nghiệm dao động từ $5% \div 12%$. Mức sai số này nằm trong giới hạn cho phép của tính toán kỹ thuật công trình, chứng minh mô hình phần tử hữu hạn thanh không gian và thuật toán của luận án có độ chính xác và độ tin cậy cao.

Kết luận

Luận án của tác giả Dương Trường Giang đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp dạng đầu tháp quay theo các ràng buộc kỹ thuật của TCVN 4244-2005. Bằng việc kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn không gian 3 chiều, thuật toán phân giai đoạn theo nguyên lý R. Bellman và phần mềm chuyên dụng CraneVN, công trình đã thiết lập một phương pháp luận thiết kế kết cấu thép hoàn chỉnh, có khả năng giảm từ $10% \div 15%$ khối lượng vật liệu chế tạo. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng qua thực nghiệm trên thiết bị thực tế, đóng góp thiết thực cho sự chủ động trong thiết kế và chế tạo thiết bị nâng chuyển tại Việt Nam.