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

Bài viết này trình bày các phương pháp tính toán lặp để lựa chọn tiết diện hợp lý nhất của công trình dạng tháp tự đứng bằng thép mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực, chuyển vị theo yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 cho kÕt cÊu d¹ng th¸p thÐp tù ®øng ThS. D−¬ng Thanh Quúnh ViÖn X©y dùng C«ng tr×nh BiÓn - §HXD Tãm t¾t Sö dông ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n lÆp ®Ó lùa chän tiÕt diÖn hîp lý nhÊt cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng thÐp mµ vÉn ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chÞu lùc, chuyÓn vÞ... theo yªu cÇu cña tiªu chuÈn thiÕt kÕ. Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n cã thÓ ¸p dông vµo thiÕt kÕ c«ng tr×nh vµ minh ho¹ qu¸ tr×nh thiÕt kÕ trong gi¶ng d¹y. Më ®Çu C¸c c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng thÐp ®−îc sö dông kh¸ nhiÒu trong c¸c c«ng tr×nh phôc vô cho d©n dông, c«ng nghiÖp vµ c«ng tr×nh biÓn nh− th¸p anten, th¸p n−íc, cét ®iÖn, trô ®ì, khèi ch©n ®Õ cña c«ng tr×nh biÓn. ViÖc lùa chän kÝch th−íc hîp lý cã liªn quan mËt thiÕt ®Õn bµi to¸n kinh tÕ kü thuËt cña c«ng tr×nh. Tuy nhiªn, viÖc gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy gÆp mét sè khã kh¨n sau: - Sè l−îng c¸c thanh lín nªn khèi l−îng tÝnh to¸n lín - Chu kú cña dao ®éng riªng thay ®æi khi tiÕt diÖn thay ®æi - T¶i träng thay ®æi ®¸ng kÓ khi tiÕt diÖn thay ®æi - KÕt cÊu cã ®é nh¹y t−¬ng ®èi cao nªn thay ®æi tiÕt diÖn cña 1 thanh sÏ ¶nh h−ëng ®Õn néi lùc nhiÒu thanh kh¸c Mét trong nh÷ng biÖn ph¸p kh¾c phôc c¸c khã kh¨n trªn lµ sö dông ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n lÆp vµ tù ®éng lùa chän tiÕt diÖn b»ng c¸ch lËp ch−¬ng tr×nh tù ®éng lùa chän s¬ bé tiÕt diÖn cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng thÐp ®Ó c«ng tr×nh cã träng l−îng nhá nhÊt. MÆt kh¸c, th«ng qua ch−¬ng tr×nh nµy gióp cho kü s− thiÕt kÕ lËp ®−îc s¬ ®å h×nh häc hîp lý nhÊt cho c«ng tr×nh vµ minh ho¹ trùc quan cho sinh viªn chuyªn ngµnh c«ng tr×nh biÓn. Bµi b¸o nµy gi¶i quyÕt c¸c khã kh¨n trªn b»ng c¸ch sö dông ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n lÆp ®Ó lùa chän tiÕt diÖn hîp lý nhÊt cña c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng b»ng thÐp mµ vÉn ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chÞu lùc, chuyÓn vÞ... theo yªu cÇu cña tiªu chuÈn thiÕt kÕ. Tõ kÕt qu¶ tÝnh to¸n cã thÓ ¸p dông vµo thiÕt kÕ c«ng tr×nh vµ minh ho¹ qu¸ tr×nh thiÕt kÕ trong gi¶ng d¹y. 1. Lùa chän tiÕt diÖn hîp lý 1.1. TÝnh to¸n dao ®éng riªng, néi lùc vµ t¶i träng Trong thiÕt kÕ c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng, khi ®U cã s¬ ®å h×nh häc, kÝch th−íc tiÕt diÖn, viÖc x¸c ®Þnh tÇn sè dao ®éng riªng rÊt cÇn thiÕt, tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc t¶i träng ®éng, x¸c ®Þnh ®−îc ¶nh h−ëng ®éng cña t¶i träng t¸c dông lªn kÕt cÊu. §Ó ®¬n gi¶n trong tÝnh to¸n vµ phï hîp víi møc ®é chÝnh x¸c cña thiÕt kÕ s¬ bé, sö dông ph−¬ng ph¸p khung t−¬ng ®−¬ng ®Ó x¸c ®Þnh chu kú vµ d¹ng dao ®éng riªng cña kÕt cÊu, c¸c b−íc tÝnh to¸n tãm t¾t nh− sau: - LËp ma trËn ®é cøng K theo ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n - Quy khèi l−îng tËp trung cña kÕt cÊu vÒ c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng, thiÕt lËp ®−îc ma trËn M. C¸c ®iÓm nµy ®−îc ®Æt t¹i c¸c vÞ trÝ cÇn x¸c ®Þnh chuyÓn vÞ vµ sè l−îng c¸c ®iÓm lín h¬n 1,3 lÇn sè d¹ng dao ®éng cÇn t×m. Víi c«ng tr×nh d¹ng th¸p tù ®øng, sè ®iÓm ®Æc tr−ng cÇn tõ 3 ®Õn 5 ®èi víi th¸p anten; tõ 10 ®Õn 15 ®èi víi ch©n ®Õ c«ng tr×nh biÓn - LÇn l−ît ®Æt c¸c lùc ®¬n vÞ cã ph−¬ng trïng víi d¹ng dao ®éng tréi cña kÕt cÊu (theo ph−¬ng ngang) vµo c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng (c¸c lùc nµy ®éc lËp) thiÕt lËp ®−îc ma trËn t¶i träng P0. T−¬ng øng víi c¸c lùc ®¬n vÞ x¸c ®Þnh ®−îc chuyÓn vÞ t¹i c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng theo ph−¬ng tr×nh Ku = P* vµ lËp ®−îc ma trËn ®é mÒm D:  δ11 δ12 ... δ1n  δ δ 22 ... δ 2 n  D =  21 (1)  ...    δ n1 δn 2 ... δ nn  víi δÞj lµ chuyÓn vÞ cña ®iÓm ®Æc tr−ng j do lùc ®Æt t¹i nót i g©y ra - NghÞch ®¶o ma trËn D ®−îc ma trËn K* - X¸c ®Þnh tÇn sè dao ®éng riªng theo ph−¬ng ph¸p chång mode: det |K – ω2M| = 0 (2) - X¸c ®Þnh c¸c d¹ng dao ®éng riªng Φ b»ng c¸ch gi¶i lÇn l−ît c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh t−¬ng øng víi tÇn sè dao ®éng riªng:  (k11 − λ j m1 )φ1 j + k12φ2 j + ... + k1nφnj = 0 k φ + (k − λ m )φ + ... + k φ = 0  21 1 j 22 j 2 2j 2 n nj  (3)  .......... .......... .......... .......... .......... ......... kn1φ1 j + kn 2φ2 j + ... + (knn − λ j mn )φnj = 0 víi λi = ωi2 Tõ chu kú dao ®éng riªng, x¸c ®Þnh ®−îc t¶i träng giã ®éng (cho c¸c c«ng tr×nh d¹ng anten) theo tiªu chuÈn TCVN 2737-95 hoÆc hÖ sè ¶nh h−ëng ®éng (cho ch©n ®Õ c«ng tr×nh biÓn). Sau khi cã c¸c t¶i träng giã hoÆc t¶i träng sãng, cïng víi c¸c t¶i träng c«ng nghÖ thiÕt lËp ®−îc ma trËn t¶i träng cña hÖ thùc P. X¸c ®Þnh chuyÓn vÞ t¹i c¸c nót cña hÖ thùc b»ng ph−¬ng tr×nh: Ku = P (4) Tõ chuyÓn vÞ dÔ dµng x¸c ®Þnh néi lùc cña c¸c thanh. 1. 2. C¸c yªu cÇu khi lùa chän tiÕt diÖn hîp lý Môc tiªu cña viÖc lùa chän tiÕt diÖn hîp lý lµ träng l−îng cña toµn bé c«ng tr×nh lµ nhá nhÊt t−¬ng ®−¬ng víi diÖn tÝch tiÕt diÖn A cña c¸c thanh lµ nhá nhÊt. Tuy nhiªn vÉn ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu sau: - Chu kú dao ®éng riªng cña c«ng tr×nh ph¶i n»m trong giíi h¹n cho phÐp, T < [T] - ChuyÓn vÞ cña ®iÓm khèng chÕ n»m trong giíi h¹n cho phÐp  - §é m¶nh cña thanh nhá h¬n ®é m¶nh cho phÐp, λ < [λ] - øng suÊt trong thanh nhá h¬n øng suÊt cho phÐp, σ < [σ] - TiÕt diÖn n»m trong b¶ng tiÕt diÖ ...