Phân tích và thiết kế kết cấu một mẫu tàu câu vỏ gỗ, chương 14 ppt

Chương 14:
TÍNH TOÁN KIỂM TRA SỨC BỀN CỤC
BỘ CỦA MỘT SỐ KẾT CẤU CHÍNH
3.4.1 Khái quát về bài toán sức bền cục bộ:
K
ết cấu thân tàulà tổ hợp bao gồm nhiều loại kết cấu khác nhau
như thanh, dầm, các kết cấu dạng tấm, vỏ như ván đáy, ván mạn,
ván boong, sàn boong, các vách ngăn…Đa số các kết cấu này đều
tham gia vào việc đảm bảo sức bền chung tàu đồng thồìcn chịu tác
dụng của tải trọng ngang như áp lực nước, trọng lượng tải trọng và
các thi
ết bị…nên ngoàu biến dạng do uốn chung, kết cấu còn chịu
tác dụng do uốn cục bộ gây ra.
Mục đích cảu bài toán tính sức bền cục bộ là xác địnhgiá trị
ứng suất v
à biến dạng riêng xuất hiện trong các kết cấu thân tàu
khi u
ốn cục bộ và đảm bảo sao cho các biến dạng riêng của uốn
cục bộ không được gây ra các giá trị ứng suất lớn hơn giá trị ứng
suất cho phép, xác định phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm các ngoại
lực ngang tác dụng lên kết cấu thân tàu. Do đó bài toán tính sức
bền cục bộ thân tàu sẽ dẫn đến việc phân tích các kết cấu chủb yếu
như khung giàn đáy, khung giàn mạn, khung gi
àn boong, khung
ngang và các vách ngăn…tương ứng với các phương pháp tính sức
bền khác nhau, mô hình tính toán các kết cấu nói trên khi tính sức
bền cục bộ sẽ khác nhau, cụ thể như sau:
+ Theo phương pháp cổ điển:
mô hình toán học của các khung
giàn này thường l
à các dầm trực giao hoặc hệ khung phẳng, còn

điều kiện biên có trong mô hình toán học nói trên thường chủ yếu
là hai loại liên kết động học phổ biến là ngàm hoặc khớp. Trong
trường hợp cụ thể, phương pháp tín
h chuyển vị và dựa trên cơ sở
ước định về sự l
àm việc của các bộ phậnkết cấu có trong hệ đang
xét để tách kết cấu đang xét th
ành nhiều bài toán nhỏ cho phép có
thể tính tay đựơc.
+ Theo phương pháp hiện đại: khi tính sức bền cục bộ của các
kết cấu thân tàu theo phương pháp phần tử hữu hạn thường sử
dụng hai mô hình toán là mô hình mô hình hệ dầm trực giao và mô
hình h
ệ tấm có sườn gia cường, còn các điều kiện biên trong mô
hình là các liên k
ết động học là ngàm cứng, khớp xoay hoặc gối
tựa. Riêng kết cấu vỏ được mô hình hoá bằng tấm phẳng.
Việc ứng dụng máy tính để tính táon sức bến cục bộ của một số
kết cấu thân tàu theo các mô hình toán học của phương pháp phần
tử hữu hạn sẽ cho kết quả tính có độ chính xác cao hơn rất nhiều so
với các mô hìng tính theo phương pháp cổ điển.
Trong đề t
ài này tôi tiến hành kiểm tra sức bền cục bộ của kết
cấu thân tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
3.4.2 Tính sức bền cục bộ:
1) Mô hình tính của một số kết cấu chính:
+ Sống chính:
+ Đà ngang đáy:
2) Kiểm tra sức bền kết cấu bằng phần mềm SAP2000:
Để kiểm tra sức bền cục bộ kết cấu ta sử dụng phương pháp

phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm SAP2000 để tính với môhình
k
ết cấu và tải trọng như trên.
Giới thiệu phần mềm Phân tích và thiết kế kết cấu SAP2000.
SAP2000 là phần mềm Phân tích và thiết kế kết cấu, đã tích
h
ợp các chức năng phân tích kết cấu bằng phần tử hữu hạn và tính
năng thiết kế kết cấu thành một. Ngoài ra, khả năng phân tích được
bài toán thường gặp của kết cấu công trình, SAP2000 đã bổ sung
thêm các loại phần tử mẫu và tính năng phân tích kết cấu phi
tuyến.
SAP2000rất nhiều khả năng mạnh như:
+Các tính năng giao tiếp:
- Dễ dàng sử dụng, giao tiếp đồ hoạ trực tiếp trên các cửa sổ
màn hình.
- H
ỗ trợ công cụ mạnh tương tự như CAD để nhanh chóng xây
dựng mô hình kết cấu.
- Hỗ trợ các tiêu chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ và các nước khác.
- SAP2000 cung cấp nhiều tính năng mạnh để mô tả lớp các bài
toán k
ết cấu phổ biến trong thực tế kỹ thuật, chúng bao ngồm:
Cầu, đập chắn, bồn chứa… Các giao tiếp đồ hoạ dựa trên các
c
ửa sổ, cho phép nhanh chóng tạo ra các mô hình kết cấu từ
các mẫu thư viện có sẵn. Tất cả các việc chỉnh sửa, thay đổi,…
phân tích nội lực cũng như biểu diễn và thiết kế đều được thực
hiện bằng một cách giống nhau. Người dùng hoàn toàn có thể
thao tác trực tiếp trên các hình đồ hoạ hai, ba chiều (2D,3D).
+ Các khả năng tính toán:

- Phần tử gồm có: thanh, dầm (Frame/truss), tấm vỏ- màng
(Shell/Plate), ph
ần tử hai chiều- ứng suất phẳng biến dạng
phẳng, đối xứng trục (Plane/Asolid), phần tử khối (Solid)
cho tới phàn tử phi tuyến (NLlink).
- Vật liệu có thể là tuyến tính (Linear) đẳng hướng hoặc trực
hướng v
à phi tuyến.
- Các liên kết bao gồm: liên kết cứng, liên kết đàn hồi, liên kết
cục bộ khử bớt các thành phần nội lực.
- Đa hệ toạ độ: có thể dùng nhiều hệ toạ độ mô hình hoá từng
phần của kết cấu.
- nhiều cách thức ràng buộc các phần khác nhau của kết cấu.
- Tải trọng bao gồm các lực tập trung tại nút, áp lực lên phần
tử, ảnh hưởng của nhiệt độ; tải trọng phổ gia tốc, tải trọng
điều ho
à và tải trọng di động,…chúng có thể đặt tại các nút
hoặc phân bố đều, hình thang, tập trung và áp lực lên phần
tử.
- Khả năng giải các bài toán lớn không hạn chế số ẩn, giải
thuật ổn định và hiẹu suất cao.
- Các bài toán phân tích kết cấu bao gồm:
Phân tích tĩnh (Static analysis)
Tính tần số dao động riêng và các dạng dao động (modal
analysis)
Tính đáp ứng động lưc học (Response analysis) với tải
trọng ngoài
thay đổi theo thới gian hay phổ gia tốc (thường dùng cho
t
ải trọng

là động đất)
- Các phương án tải có thể kết hợp với nhau.
- Một kết cấu có thể có nhiều loại phần tử.
Trong quá trình tính toán của phần mềm thì chúng ta phải nhập
vào dữ liệu có liên quan đến vật liệu của kết cấu. Ở đây khi kiểm
tra sức bền kết cấu ta phải biết đến đặc trưng của vật liệu gỗ: Giá
trị môđun đàn hồivà hệ số Poisson của một số vật liệu thông dụng.
Bảng 3.12
Vật liệu Môđun đàn
hồi E
(kN/cm
2
)
h
ệ số
Poisson
Môđun đàn hồi
trượt G (kN/cm
2
)
Thếp cán 2.1 x 10
4
0.3

0.05
8.08 x 10
3
÷ (7.78 x
10
3

)
Hợp kim
nhôm
7.0 x 10
3
0.3 2.69 x 10
3
Đồng 1.0 x 10
4
0.32 3.79 x 10
3
Gỗ dọc thớ 1.0 x 10
3
0.48 3.38 x 10
2
Gỗ ngang
thớ
4.0 x 10
1
0.02 1.96 x 10
1
Gạch 7.0 x 10
2
0.25 2.80 x 10
2
Cao 0.7 0.5 2.33 x 10
-1
Dưới đây là kết quả tính toán các kết cấu chính của phần mềm
SAP2000.
+ Sống chính:

F R A M E E L E M E N T J O I N T F O R C E S
FORCES AND MOMENTS ACTING ON ELEMENTS, IN
GLOBAL COORDINATES
ELEM 1 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
1 .000000 -1.22E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
2.43E-31
2 .000000 1.23E-31 0.927002 .000000 0.058710
1.99E-31
ELEM 2 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
2 .000000 -1.23E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
1.99E-31
3 .000000 1.24E-31 0.927002 .000000 0.058710
1.55E-31
ELEM 3 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
3 .000000 -1.24E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
1.55E-31
4 .000000 1.03E-31 0.927002 .000000 0.058710
1.15E-31
ELEM 4 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
4 .000000 -1.03E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
1.15E-31
5 .000000 1.05E-31 0.927002 .000000 0.058710

7.83E-32
ELEM 5 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
5 .000000 -1.05E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
7.83E-32
6 .000000 1.06E-31 0.927002 .000000 0.058710
4.10E-32
ELEM 6 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
6 .000000 -1.06E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
4.10E-32
7 .000000 8.50E-32 0.927002 .000000 0.058710
8.25E-33
ELEM 7 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
7 .000000 -8.50E-32 0.927002 .000000 -0.058710 -
8.25E-33
8 .000000 8.64E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
2.16E-32
ELEM 8 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
8 .000000 -8.64E-32 0.927002 .000000 -0.058710
2.16E-32
9 .000000 8.78E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
5.19E-32
ELEM 9 ==================

LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
9 .000000 -8.78E-32 0.927002 .000000 -0.058710
5.19E-32
10 .000000 8.91E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
8.28E-32
ELEM 10 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
10 .000000 -8.91E-32 0.927002 .000000 -0.058710
8.28E-32
11 .000000 9.05E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.14E-31
ELEM 11 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
11 .000000 -9.05E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.14E-31
12 .000000 6.05E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.41E-31
ELEM 12 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
12 .000000 -6.05E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.41E-31
13 .000000 3.04E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.57E-31
ELEM 13 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ

13 .000000 -3.04E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.57E-31
14 .000000 2.28E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.60E-31
ELEM 14 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
14 .000000 -2.28E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.60E-31
15 .000000 -7.18E-33 0.927002 .000000 0.058710 -
1.62E-31
ELEM 15 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
15 .000000 7.18E-33 0.927002 .000000 -0.058710
1.62E-31
16 .000000 -1.48E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.51E-31
ELEM 16 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
16 .000000 1.48E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.51E-31
17 .000000 -4.48E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.38E-31
ELEM 17 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
17 .000000 4.48E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.38E-31

18 .000000 -7.48E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
1.14E-31
ELEM 18 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
18 .000000 7.48E-32 0.927002 .000000 -0.058710
1.14E-31
19 .000000 -7.35E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
8.26E-32
ELEM 19 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
19 .000000 7.35E-32 0.927002 .000000 -0.058710
8.26E-32
20 .000000 -7.21E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
5.22E-32
ELEM 20 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
20 .000000 7.21E-32 0.927002 .000000 -0.058710
5.22E-32
21 .000000 -7.07E-32 0.927002 .000000 0.058710 -
2.23E-32
ELEM 21 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
21 .000000 7.07E-32 0.927002 .000000 -0.058710
2.23E-32
22 .000000 -6.94E-32 0.927002 .000000 0.058710
7.06E-33

ELEM 22 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
22 .000000 6.94E-32 0.927002 .000000 -0.058710 -
7.06E-33
23 .000000 -9.04E-32 0.927002 .000000 0.058710
4.10E-32
ELEM 23 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
23 .000000 9.04E-32 0.927002 .000000 -0.058710 -
4.10E-32
24 .000000 -8.91E-32 0.927002 .000000 0.058710
7.78E-32
ELEM 24 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
24 .000000 8.91E-32 0.927002 .000000 -0.058710 -
7.78E-32
25 .000000 -8.77E-32 0.927002 .000000 0.058710
1.14E-31
ELEM 25 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
25 .000000 8.77E-32 0.927002 .000000 -0.058710 -
1.14E-31
26 .000000 -1.09E-31 0.927002 .000000 0.058710
1.55E-31
ELEM 26 ==================
LOAD LOAD1

JOINT FX FY FZ MX MY MZ
26 .000000 1.09E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
1.55E-31
27 .000000 -1.07E-31 0.927002 .000000 0.058710
1.99E-31
ELEM 27 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
27 .000000 1.07E-31 0.927002 .000000 -0.058710 -
1.99E-31
28 .000000 -1.06E-31 0.927002 .000000 0.058710
2.42E-31
BIỂU ĐỒ CHUYỂN VỊ
BIỂU ĐỒ LỰC CẮT
BIỂU ĐỒ MÔMEN
+ Đà ngang đáy:
F R A M E E L E M E N T J O I N T F O R C E S
FORCES AND MOMENTS ACTING ON ELEMENTS, IN
GLOBAL COORDINATES
ELEM 1 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
1 .000000 1.12E-16 3.371753 .000000 .000000
1.40E-16
2 .000000 -1.12E-16 5.588907 .000000 2.050868
6.74E-17
ELEM 2 ==================
LOAD LOAD1
JOINT FX FY FZ MX MY MZ
2 .000000 1.17E-18 5.588907 .000000 -2.050868

2.16E-18
3 .000000 -1.17E-18 3.371753 .000000 .000000
2.34E-32
BI
ỂU ĐỒ CHUYỂN VỊ
BIỂU ĐỒ LỰC CẮT
BIỂU ĐỒ MÔMEN