tóm tắt luận án nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn việt nam

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học xây dựng






Dơng trờng giang







Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý
của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu
chuẩn việt nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Máy và Thiết bị Xây dựng
Mã số: 62.52.10.01



Tóm tắt Luận án tiến sỹ kỹ thuật

Hà Nội - Năm 2011

Công trình đợc hoàn thành tại Trờng Đại học Xây dựng


Cán bộ hớng dẫn khoa học 1:
PGS.TS. Phạm Quang Dũng - Trờng Đại học Xây dựng
Cán bộ hớng dẫn khoa học 2:
PGS.TS. Trần Nhất Dũng- Học viện Kỹ thuật Quân sự



Phản biện 1:


Phản biện 2:

Phản biện 3:




Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án cấp trờng họp tại
Trờng Đại học Xây dựng
vào hồi giờ ngày tháng năm








Có thể tìm hiểu luận án tại th viện Quốc Gia và Th viện Trờng Đại học
Xây dựng.


1

Mở đầu
Cần trục tháp là một loại thiết bị xây dựng quan trọng trong việc vận chuyển lên
cao, đặc biệt trong thi công các công trình có chiều cao lớn. Trong cấu tạo chung cần
trục tháp thì kết cấu thép là một bộ phận lớn và quan trọng. Việc tính toán kết cấu thép
cần trục tháp là phức tạp nên các nghiên cứu về xác định các thông số hợp lý đã công bố
đợc biết mới chỉ dừng lại ở một một số bài toán riêng rẽ nh: tải trọng tính toán là cha
đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn, tách riêng các bộ phận kết cấu để tính toán, dùng sơ đồ
tính quy đổi Các hạn chế trên chủ yếu là do cha áp dụng phơng pháp giải bài toán

xác định các thông số hợp lý phù hợp và một công cụ tính toán đủ mạnh.
Cần trục tháp do các hãng sản xuất nổi tiếng đều thiết kế theo các tiêu chuẩn tiên
tiến nh FEM, ISO, tuy nhiên phơng pháp xác định các thông số hợp lý của các hãng
rất ít đợc công bố.
ở
Việt Nam mặc dù có nhu cầu rất lớn nhng việc đi sâu nghiên cứu
cha nhiều.Về tiêu chuẩn chỉ có TCVN 4244- 2005 là duy nhất cho thiết kế, chế tạo,
kiểm định thiết bị nâng và về cơ bản phù hợp với các tiêu chuẩn tiên tiến phổ biến trên
thế giới nh FEM, ISO. Do đó đề tài
N
ghiên cứu xác định các thông số hợp lý của kết
cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam
là cần thiết hiện nay.
Mục đích nghiên cứu:
Xây dựng cơ sở tính toán và phơng pháp luận xác định các
thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp trên cơ sở ứng dụng sáng tạo các thành tựu
và phơng tiện tính toán hiện đại, nhằm giải quyết những yêu cầu thiết thực của khoa
học - công nghệ và thực tiễn. Các nghiên cứu này góp phần nâng cao chất lợng thiết kế,
hạ giá thành sản phẩm, chủ động thiết kế chế tạo kết cấu thép cần trục tháp và các thiết
bị nâng khác ở Việt Nam hiện nay.

Đối tợng nghiên cứu:
Kết cấu thép cần trục tháp loại đầu quay.
Phơng pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
ý
nghĩa khoa học và thực tiễn:
- Bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp sử dụng
phơng pháp PTHH và xét tổng thể toàn bộ cần trục theo mô hình không gian gần với
kết cấu thực với những tổ hợp tải trọng phức tạp, nên kết quả nhận đợc của bài toán là

tin cậy và chính xác, đáp ứng trực tiếp cho thiết kế kỹ thuật.
-
á
p dụng một cách sáng tạo t tởng nguyên lý R.Bellman để giải bài toán có điều
kiện tính toán phức tạp là xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp,
phù hợp với điều kiện thực tế.

2


- Luận án xây dựng bài toán dới dạng tổng quát và thiết lập chơng trình tính toán
chuyên dụng, không những có thể xác định trực tiếp các thông số hợp lý theo phơng
pháp luận nghiên cứu, mà còn là cơ sở để khảo sát nhiều bài toán khác nhau, đáp ứng
nhu cầu cấp thiết của thực tế sản xuất.
- Quá trình thực nghiệm với thiết bị đo hiện đại và qui trình thực nghiệm hợp lý là
cơ sở để xây dựng phơng pháp thực nghiệm trên các Máy xây dựng khác nhau.
Bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chơng với
127 trang thuyết minh và 6 phụ lục ( 55 trang).

Chơng 1
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
1.1. Tổng quan về cần trục tháp xây dựng
Cần trục tháp đợc sử dụng rộng rãi
trong xây dựng, đặc biệt là xây dựng công
trình có độ cao lớn là do có nhiều u điểm so
với cần trục khác: có khoảng không gian
phục vụ rộng, dễ tháo lắp và vận chuyển từ
công trờng này tới công trờng khác, có thể
lắp đặt trực tiếp cạnh công trình hoặc trên

công trình
Cần trục tháp xây dựng cấu tạo cơ bản
gồm phần kết cấu thép và các cơ cấu vận chuyển vật nâng trong không gian. Kết cấu
thép bao gồm cần, tháp, cần công xôn là các bộ phận có khối lợng lớn và do đó chiếm
tỉ trọng đáng kể trong tổng giá thành toàn bộ cần trục. Cần trục tháp có nhiều loại khác
nhau, tuy nhiên qua thống kê thực tế ở Việt Nam cần trục tháp với đầu tháp quay, tháp
không quay, cần nằm ngang, thay đổi tầm với bằng xe con cáp kéo (hình 1.2d) là phổ
biến nhất hiện nay trong xây dựng các công trình có chiều cao lớn. Các thông số kỹ thuật
cần trục ở Việt Nam phổ biến có tầm với
R
từ 40 m tới 60 m; tải trọng nâng lớn nhất
Q
từ
2,5 tới 10 tấn; mô men tải
M
tt
từ 700KNm tới 1500KNm.
1.2. Kết cấu thép cần trục tháp
1.2.1. Phân tích đặc điểm kết cấu tháp và cần


Hình 1.2d: Loại cần trục tháp phổ
thông ở Việt Nam hiện nay.

3

Kết cấu thép cần trục tháp thờng đợc chế tạo dạng dàn không gian, cấu tạo bởi
thép hình gồm hữu hạn nhóm thiết diện thanh. Các bộ phận cơ bản của kết cấu thép cần
trục tháp đợc chế tạo dạng mô đun có tính lắp lẫn, nhằm giảm chi tiết cấu tạo, phù hợp
với việc lắp đặt vận chuyển. Điều này làm cho các kích thớc mặt cắt ngang của tháp và

cần ít thay đổi trong toàn bộ chiều dài.

1.2.2. Phân nhóm thông số cơ bản kết cấu thép cần trục tháp
Các thông số kết cấu thép cần trục tháp gồm 4 nhóm cơ bản gồm: kiểu dạng, kích
thớc hình học, thông số vật liệu, thông số động học. Trong đó nhóm thông số kích
thớc hình học là nhóm thông số quan trọng đối với kết cấu thép cần trục tháp với rất
nhiều thông số khác nhau theo loại cần trục tháp, đặc biệt các thông số hình học của tháp
và cần quyết định đến khả năng chịu tải của cần trục cũng nh trọng lợng toàn bộ cần
trục.
1.3. Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép cần trục tháp
Hiện nay ở Việt Nam chỉ có TCVN 4244-2005 là duy nhất có các qui định chung
cho thiết kế, chế tạo, kiểm định các thiết bị nâng nói chung. Tuy nhiên khi áp dụng cho
cần trục tháp cần phải triển khai nhiều bài toán kỹ s khác nhau. Tiêu chuẩn TCVN4244-
2005 mới chỉ đa ra ràng buộc chung cho phơng pháp thiết kế thông thờng mà cha
đa ra phơng pháp thiết kế hợp lý, cơ sở xác định nội lực là phơng pháp PTHH.
1.4. Các sơ đồ tính và phơng pháp tính toán kết cấu thép cần trục tháp
1.4.1. Sơ đồ tính toán và tổ hợp tải trọng
Sơ đồ tính hệ thanh không gian là sơ đồ cho phép mô tả kết cấu cần trục tháp sát với
kết cấu thực tế nhất, với lực theo phơng bất kỳ. Kết quả nhận đợc từ sơ đồ phản ánh
đúng sự làm việc thực tế của kết cấu, tuy nhiên tính toán nội lực là phức tạp.
Kết hợp các qui định chung và đặc điểm làm việc cần trục tháp cho số lợng tổ hợp
tải trọng trong tính toán kết cấu thép cần trục tháp là rất lớn, bởi vậy không thể thiết kế
hợp lý đợc nếu không tự động hoá đợc quá trình tính toán.
1.4.2. Phơng pháp số trong tính toán kết cấu thép cần trục tháp và thiết bị nâng
1.4.3. Các nghiên cứu về tối u kết cấu thép cần trục tháp
Các nghiên cứu đã công bố đợc biết về tối u kết cấu thép cần trục tháp đều coi
tham số đầu vào tính toán là nội lực, ứng suất cho phép
[

]

, hàm mục tiêu là khối
lợng kết cấu, không xem xét bài toán tải trọng di động thay đổi theo tầm với, cha xem
xét bài toán tổng thể kết cấu hoặc dùng sơ đồ tính qui đổi thanh tơng đơng tính toán.

4

Kết quả các nghiên cứu này chỉ dừng lại cho công việc thiết kế sơ bộ ban đầu. Các hạn
chế trên chủ yếu là do cha áp dụng đợc phơng pháp giải bài toán thiết kế hợp lý phù
hợp với đặc điểm cần trục tháp với một công cụ tính toán đủ mạnh.
1.5. Xác định mục tiêu và nội dung của luận án
Mục tiêu của luận án:
Thiết lập các cơ sở lý thuyết, xây dựng bài toán xác định các thông số hợp lý, xây
dựng chơng trình chuyên dụng tính toán phục vụ cho thiết kế hợp lý. Đây là cơ sở khoa
học để xác định các thông số hợp lý cho kết cấu thép cần trục tháp, góp phần nâng cao
chất lợng thiết kế, hạ giá thành sản phẩm, chủ động thiết kế chế tạo kết cấu thép cần
trục tháp và các thiết bị nâng khác ở Việt Nam hiện nay.

Nội dung của luận án:


Nghiên cứu tổng quan về kết cấu thép cần trục tháp, tính toán kết cấu thép cần trục
tháp. Từ đó giới hạn đối tợng nghiên cứu, vấn đề tồn tại, hớng giải quyết bài toán.


Nghiên cứu các cơ sở thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp: cơ sở tính toán tải
trọng và phối hợp tải trọng, phơng pháp PTHH tính toán nội lực, cơ sở xác định
thông số hợp lý theo lý thuyết tối u.


Nghiên cứu bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo

hàm mục tiêu là khối lợng kết cấu, điều kiện ràng buộc theo TCVN4244-2005: xây
dựng phơng pháp tính, thiết lập thuật toán tính toán, xây dựng chơng trình chuyên
dụng tính toán kết cấu thép cần trục tháp, bài toán xác định vị trí tải trọng nguy hiểm
trên cần.


Nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm bằng số bài toán xác định các thông số hợp lý
của kết cấu thép cần trục tháp.

Kết luận chơng 1
Qua nghiên cứu tổng quan về cần trục tháp, kết cấu thép cần trục tháp và phơng
pháp tính toán có thể rút ra một số nhận xét và kết luận chủ yếu sau:
- Cần trục tháp là loại cần trục phổ biến trong xây dựng cơ bản, nhất là trong xây
dựng dân dụng. Cần trục tháp loại đầu quay với tháp không quay, cần nằm ngang là loại
cần trục tháp phổ biến hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển ở Việt Nam, đây là đối
tợng nghiên cứu của luận án.
- Trong cấu tạo cần trục tháp thì kết cấu thép là bộ phận có khối lợng lớn, có ý
nghĩa quan trọng trong tổng giá thành cần trục. Kết cấu dàn không gian là kết cấu phổ

5

biến cho kết cấu thép cần trục tháp, trong đó tháp có mặt cắt ngang hình vuông không
thay đổi theo độ cao, cần dạng tam giác là dạng kết cấu điển hình phổ biến.
-
ở
Việt Nam hiện nay cũng có nhiều tiêu chuẩn áp dụng cho thiết bị nâng, tuy
nhiên hiện nay TCVN4244-2005 là tiêu chuẩn duy nhất có các qui định chung cho thiết
kế chế tạo và kiểm định. Tiêu chuẩn TCVN4244-2005 chỉ đa ra các qui định chung cho
tính toán thiết kế mà cha đa ra phơng pháp xác định các thông số hợp lý, cơ sở xác
định nội lực là phơng pháp PTHH.

- Có nhiều sơ đồ tính toán kết cấu thép cần trục tháp khác nhau đợc sử dụng cho
tính toán, song các phơng pháp nghiên cứu tính toán tối u kết cấu thép cần trục tháp
đợc biết mới chỉ dừng ở tính toán bằng giải tích cho các sơ đồ qui đổi thanh tơng
đơng, dàn phẳng hoặc sơ đồ dàn không gian với tải trọng là riêng rẽ cố định. Vì vậy các
kết quả đạt đợc có độ chính xác không cao.
- Kết cấu thép cần trục tháp chịu tác dụng nhiều loại tải trọng, trong nhiều trạng
thái tính toán khác nhau, thời gian phân tích kết cấu lớn nên tính toán là phức tạp, cần
phải có sự trợ giúp của máy tính điện tử. Có nhiều chơng trình tính toán khác nhau liên
quan đến thiết kế kết cấu thép thiết bị nâng nói chung và kết cấu thép cần trục tháp nói
riêng tuy nhiên hoặc chơng trình không công bố phơng pháp thiết kế tối u hoặc
không phải là chơng trình tính toán chuyên dụng cho kết cấu thép cần trục tháp. Vì vậy
chỉ có tự nghiên cứu phát triển mới chủ động trong tính toán thiết kế, phát triển các lý
thuyết tính toán.
- Các nghiên cứu đã công bố về thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp hoặc mới
chỉ đặt bài toán trong trờng hợp riêng rẽ và tách rời các bộ phận kết cấu hay nội lực là
tham số đầu vào mà không phải là đặc tính kỹ thuật cần trục, hoặc cha xét đến bài toán
tải trọng di động và biến đổi theo đờng đặc tính tải trọng và vì vậy cha có các nghiên
cứu tính toán hợp lý theo quan điểm tổng thể kết cấu thép cần trục tháp.Trong hầu hết
các nghiên cứu đều lấy khối lợng kết cấu là hàm mục tiêu trong bài toán thiết kế tối u.
- Các thông số của kết cấu thép cần trục tháp là nhiều, phụ thuộc vào đặc điểm làm
việc và nhiều yếu tố khác nhau. Luận án chọn các thông số hình học của tháp và cần là
đối tợng nghiên cứu, đây là thông số còn nhiều nghiên cứu bỏ ngỏ. Các nhóm tiết diện
giả thiết chia thành hữu hạn các nhóm thanh cơ bản. Thông số kích thớc hình học cơ
bản của tháp nh kích thớc khổ tháp
(a
th
x a
th
), chiều dài đốt biên tháp
(h

th

) và chiều

6

rộng đáy cần
(a
cg
),
chiều cao cần (
h
cg
), chiều dài đốt biên cần
(l
cg
)
coi không đổi trên suốt
chiều dài.
Chơng 2
Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế
hợp lý kết cấu thép cần trục tháp
2.1. Cơ sở tính toán xác định các thành phần tải trọng
Các thành phần tải trọng tác động vào kết cấu thép cần trục tháp bao gồm: tải trọng
do trọng lợng bản thân kết cấu
S
G
; tải trọng nâng định mức
S
Li

;
tải trọng động khi nâng
K
n.
S
Li
; các tải trọng tác động theo phơng ngang
S
H
;
tải trọng do gió trong trạng thái làm
việc
S
w

và trạng

thái không làm việc
S
wmax
.
Các thành phần tải trọng này xác định theo
qui định chung của TCVN4244-2005 và triển khai theo đặc điểm cần trục tháp, nó là cơ
sở thiết lập nhóm tải trọng cho các tổ hợp tải trọng tính toán.
2.2. Xây dựng nhóm tải trọng và tổ hợp tải trọng
2.2.1. Xây dựng các nhóm tải trọng
Tải trọng nâng
Q
i
thay đổi theo tầm với

R
i
và đợc xác định theo đờng đặc tính tải
trọng, do vậy việc xác định nội lực với tải trọng biến đổi là khó khăn. Mặt khác tải trọng
Q
i
cũng liên quan tới nhiều thành phần tải thay đổi, bởi vậy khi tính toán các nhóm tải
trọng đợc chia làm hữu hạn nhiều vị trí tải trọng trên cần là hợp lý
.
Với
n
vị trí tải trọng
cần tính toán trong trạng thái làm việc và
k
vị trí khi thử tải, các nhóm tải trọng cơ bản
trong một sơ đồ tính đợc phân tích thống kê tổng số là (5n+k+5) nhóm tải. Đây là cơ sở
triển khai các bài toán khác nhau cho thiết kế.
2.2.2. Trờng hợp tải trọng tính toán thiết kế
Trờng hợp tải trọng I xem xét khi cần trục tháp làm việc không có gió. Các thành
phần tải trọng đợc viết dới dạng tập hợp:

c
[
S
G
+S
Li
(1+K
n
)+S

H
]

(2.7)

Trờng hợp tải trọng II xem xét
c
ần trục tháp làm việc với áp lực gió thiết kế. Các
thành phần tải trọng đợc viết dới dạng tập hợp:


c
[
S
G
+S
Li
(1+K
n
)+S
H
]
+ S
w

(2.8)
Trờng hợp tải trọng III khi cần trục tháp chịu tải trọng bất thờng nh sau:
- Cần trục tháp không làm việc, chịu tác dụng của gió lớn nhất trong trạng thái
không làm việc:
S

G
+S
wmax
, với
S
wmax
thổi dọc theo cần và theo chiều bất lợi.
- Cần trục tháp trong trạng thái thử tải gồm
S
G
+ S
Lj
.

2.2.3. Xây dựng các tổ hợp tải trọng khi không kể đến biến dạng lớn kết cấu thép cần trục
tháp

7

Từ các nhóm tải trọng cơ bản, tính toán số lợng các tổ hợp tải theo 3 trờng hợp tải
trọng ta có số tổ hợp tải trọng cho 1 sơ đồ tính là
(3n+k+1
).
2.2.4. Xây dựng tổ hợp tải trọng khi có kể đến biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp
Trờng hợp tải trọng I đợc viết dới dạng tập hợp:

S
G
+S
H

TT
+

I

[
S
Li
(1+K
n
)+S
Hi
LT
];
i = 1
ữ
n
(2.10)
Trong trờng hợp tải trọng II: phân tích theo phơng của tải trọng gió khi làm việc
Gió thổi song song với cần:
S
G
+S
H
TT
+

II

[

S
Li
(1+K
n
) + S
Hi
LT
+ S
w
ss
]
; i=1
ữ
n
(2.11)

Gió thổi vuông góc với cần:

S
G
+S
H
TT
+ S
w
VG
+

II

[
S
Li
(1+K
n
) + S
Hi
LT
]
; i=1
ữ
n
(2.12)

Trờng hợp tải trọng III:
S
V
và
S
G
tác động vào kết cấu gây biến dạng ngợc hớng
trong trờng hợp thử tải:
S
G
+

III

S
LJ

;
j = 1
ữ
k

(2.13)
Tác động của tải trọng không biến đổi
S
G
và tải trọng biến đổi
S
V
cho biến dạng cùng
hớng xảy ra cho tổ hợp tải trọng trong trạng thái không làm việc thuộc trờng hợp tải
trọng III:
(1+0,1r)S
G
+ 1,1S
wmax

(2.17)
2.3. Tính toán kết cấu thép cần trục tháp theo phơng pháp PTHH

Nội lực trong kết cấu thép cần trục tháp tính theo phơng pháp PTHH và sử dụng
PTHH hệ thanh không gian mô tả kết cấu. Vì tải trọng ở đây là tải tĩnh nên phơng pháp
PTHH đợc trình bày là bài toán tĩnh cho phần tử thanh ba chiều bao gồm xây dựng ma
trận độ cứng phần tử [
k
], ma trận chuyển [
T].

với hệ phơng trình cân bằng toàn kết
cấu.
[K]{r}={P}
(2.38)
Với hệ thanh, thuật toán cho chơng trình tính cần đa ra nội lực (hoặc ứng suất)
tại các nút của phần tử theo các mục đích thiết kế khác nhau.
Các thành phần nội lực tại mỗi nút tơng ứng với các thành phần chuyển vị nút
trong hệ toạ độ phần tử bao gồm:
IF
x
lực thẳng tác dụng theo phơng x
m
- lực dọc N;
IF
y
lực thẳng tác dụng theo phơng y
m
- lực cắt Q
y
;
IF
z
lực thẳng tác dụng theo phơng z
m
- lực cắt Q
z
;
IM
x
Mô men quay quanh trục x

m
- Mô men xoắn M
x
;

IM
y
Mô men quay quanh trục y
m
- Mô men uốn M
y
;
IM
z
Mô men quay quanh trục z
m
- Mô men uốn M
z
.

8

2.4. Cơ sở xác định các thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo lý thuyết tối
u
Trong mục này trình bày các phơng pháp giải và các dạng bài toán tối u kết
cấu. Qua phân tích xác định các đặc điểm cho bài toán xác định các thông số hợp lý của
kết cấu thép cần trục tháp nhận thấy rằng cần phải có phơng pháp hợp lý nhằm làm bớt
sự phức tạp khi tính toán. Lý thuyết quy hoạch động theo nguyên lý R.Bellman phù hợp
với đặc điểm kể trên.
Kết luận chơng 2

Nội dung chơng đã nghiên cứu các cơ sở phục vụ tính toán thiết kế hợp lý kết cấu
thép cần trục tháp, qua đó có thể rút ra một số kết luận chủ yếu sau:
- Bài toán tính toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục tháp dới tác dụng tải trọng
động thay đổi là bài toán phức tạp. Do vậy thờng sử dụng phơng pháp tải trọng thay
thế trên nguyên tắc thay tác động động lực học bằng lực tĩnh có hiệu ứng tơng đơng.
Các hệ số tải động cũng đã đợc qui định trong tiêu chuẩn đã đợc nghiên cứu và khảo
nghiệm thực tế để phục vụ cho tính toán thiết kế. Luận án sử dụng hệ số tải trọng động
qui định này cho tính toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp.
- Việc tính toán nội lực dới tác dụng của tải trọng nâng
Q
i
thay đổi theo tầm với
R
i

là vấn đề khó khăn và phức tạp, thay vào đó tính toán tải trọng
Q
i

theo đờng đặc tính
tải trọng tính cho
n
vị trí trên cần trong trạng thái làm việc và
k
vị trí khi thử tải là hợp lý
và sẽ cho độ chính xác chấp nhận đợc. Luận án sẽ thực hiện tính toán với các nhóm tải
trọng ứng với tải trọng
Q
i
đợc phân nhóm theo các vị trí tơng thích. Tổng số nhóm tải

trọng gồm (
5n+k+5)
nhóm.
- Các tải trọng và tổ hợp tải trọng cho bài toán thiết kế hợp lý kết cấu thép cần trục
tháp đã đợc thiết lập dới dạng tổng quát. Kết quả nghiên cứu trong chơng này chỉ ra
rằng cần phải tính 2
(3n+k+1)
tổ hợp tải trọng trong 1 sơ đồ tính. Trong thực hành tính
toán số lợng tổ hợp tải trọng không thể quá lớn mà vẫn phải đáp ứng đợc mục đích
thiết kế, do vậy cần xác định các vị trí tải trọng trên cần cho hợp lý. Các phân tích trên là
cơ sở để triển khai các bài toán cho kỹ s thiết kế và là cơ sở bài toán xác định hợp lý
các thông số kết cấu thép cần trục tháp nêu trong chơng 3.
- Kết cấu thép cần trục tháp đợc mô tả bởi hệ thanh không gian, tính toán kết cấu
theo phơng pháp PTHH. Các nội dung phơng pháp PTHH trong chơng này sẽ đợc
áp dụng để xây dựng chơng trình chuyên dụng tính toán kết cấu thép cần trục tháp
trong chơng 3.

9

- Có nhiều lý thuyết tối u khác nhau đợc áp dụng cho tính toán kết cấu hệ dàn,
trong đó chủ yếu sử dụng phơng pháp số. Bài toán xác định hợp lý các thông số kết cấu
thép cần trục tháp sẽ đợc tiến hành thông qua việc vận dụng theo mô hình bài toán tối
u sẽ đợc trình bày cụ thể trong chơng 3
.

Chơng 3
bài toán xác định các thông số
hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp
3.1. Nghiên cứu thuật toán hoá quá trình tính toán kết cấu thép cần trục tháp
Thuật toán tính toán kết cấu thép cần trục tháp nhằm tự động hoá quá trình tính

toán. Các cấu trúc của thuật toán xây dựng gồm: các thông số cho trớc; tự sinh các bộ
phận kết cấu và sơ đồ tính; tính toán và phát sinh tải trọng, tổ hợp tải trọng, tính toán nội
lực, phân tích số liệu Thuật toán triển khai cho phụ lục 2 và công trình công bố số 4
.
Bảng 3.1
: Nhóm tải trọng trong thuật toán.
Ký hiệu
thuật toán
Giải thích
Các nhóm tải không phụ thuộc vào vị trí tải trọng nâng Q
i

S
G
Trọng lợng bản thân kết cấu và các bộ phận đặt trên nó
WSL
Gió thổi vào kết cấu máy phơng song song với cần ở trạng thái làm việc
WVL
Gió thổi vào kết cấu máy phơng vuông góc với cần ở trạng thái làm việc
WKLV
Gió thổi song song với cần ở trạng thái không làm việc
TĐ
Tải trọng động khi quay của cần và các bộ phận đặt trên đó
Các nhóm tải phụ thuộc vào vị trí tải trọng nâng Q
i

QR
i

i = 1

ữ
n
Tải trọng do vật nâng tại tầm với
R
i

QRT
J
j = 1
ữ
k
Tải trọng do vật nâng tại tầm với khi thử tải
R
j

WQSR
i

i = 1
ữ
n
Gió thổi vào vật nâng tại tầm với
R
i

phơng song song với cần
WQVR
i
i = 1
ữ

n
Gió thổi vào vật nâng tại tầm với
R
i

phơng vuông góc với cần
TĐR
i
i = 1
ữ
n
Tải trọng động khi quay của vật nâng tại tầm với
R
i

LTR
i
i = 1
ữ
n
Tải trọng do lực ly tâm khi quay của vật nâng tại tầm với
R
i


3.2.2. Các điều kiện ràng buộc và hàm mục tiêu
a. Các ràng buộc về cơ học

10

Hàm ràng buộc trong trờng hợp tổng quát cần thoả mãn điều kiện tính toán số tổ
hợp tải trọng tính toán khi không xét tới biến dạng lớn
m
1

bằng số tổ hợp tải trọng khi xét
tới biến dạng lớn kết cấu thép
m
2
là (
3n+ k+1).
Số nhóm tiết diện là
n
t
.

- Các tổ hợp tải trọng không xét tới biến dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp;


i
TD
K
ip
S
N
max

[

]

i
=


chi
; i = 1
ữ
n
t
; p = 1
ữ
m
1
. (3.15)
N
ip
Nmax




th
i
N
; i =1
ữ
n
t
; p = 1
ữ

m
1
.
(3.16)
- Các tổ hợp tải trọng kể tới biến dạng lớn lớn kết cấu thép cần trục tháp;

i
TD
K
iq
S
N
max


[

]
i
=

chi
; i = 1
ữ
n
t
; q = 1
ữ
m
2

.

(3.17)

S
TDi
=X (L
bui
,D
bui
,

i
); N
ip
Kmax

= f(X

); N
iq
Kmax

= f (X

)
. (3.18)

N
iq

Nmax


N
ith
; i= 1
ữ
n
t
q = 1
ữ
m
2
. (3.19)

N
ip
Nmax

= f(X

); N
iq
Nmax

= f (X

) .
(3.20)
Do

J
i
là hàm của biến thiết kế
J
i
= f(X

),
nên
N
ith
= f(X


,X
c
).
b. Các ràng buộc về hình học
Miền ràng buộc biến tiết diện phần tử:








<

][
),(
),(
21
21
maxmin


buiuibui
bububui
i
DDDD
LLDL

i = 1
ữ
n
t

(3.23)
Miền ràng buộc biến kích thớc hình học tháp và
cần:
minX
c

X
c

maxX
c
(3.24)
Giá trị
minX
c
, maxX
c
là kích thớc giới hạn bởi
điều kiện biên bài toán.
c. Hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu
f(X)
là khối lợng toàn bộ kết
cấu với.
min f(X) =


s
k
s
s
TD
lS
p
.
1

=
( 3.25)

Khối lợng một nhóm thanh trên kết cấu tháp phụ
thuộc 4 biến
(a
th
, h
th
,
L
bui

hoặc
D
bui
,

i
),
với cần là
5 biến
(L
bui

hoặc
D
bui
,

i
,

a
cg
, h
cg
, l
cg
).

3.2.3. Xác định các thông số hợp lý theo nguyên lý Bellman
Từ (3.12) hàm mục tiêu đợc viết dới dạng nh sau.
Hình 3.2: Kích thớc hình học
kết cấu thép cần trục tháp.


11

f(X) =A
0
+Z
n
(X
n
) +Z
n-1
(X
n-1
)+ +Z
1
(X
1

)
(3.26)
Theo nguyên lý R.Bellman với các điều kiện ràng buộc đã nêu trên ta có:
Giai đoạn 1 tìm
X
1
: f
1
*
= min [A
0
+ z
1
(X
1
)]
(3.27)
Giai đoạn 2 tìm
X
2
:
f
2
*
= min [ z
2
(X
2
) + f
1

*
]
(3.29)
Tơng tự tính toán trong giai đoạn thứ
i
:
f
i
*
= min
{
}
*]f )(X Z
1-iii
+
(3.30)
Ta tìm đợc đầy đủ nghiệm tối u
(X
1
*
, X
2
*
, X
n
*
)
sau

khi

xét
n
gđ
giai đoạn từ kết cấu cần
tới tháp.

Hình 3.3
: Mô tả phơng pháp giải bài toán xác định
tiết diện hợp lý của một giai đoạn tính.
3.3. Bài toán xác định tiết diện hợp lý
3.3.1. Phơng pháp giải
Khi đó hàm mục tiêu theo công thức (3.26) đợc viết lại cho bài toán nh sau.
f
BT1
= A
0
+ Z
n
TD

(X

n
) + Z
n-1
TD

(X

n-1
) + + Z
1
TD
(X

1
)
(3.31)
Việc giải bài toán đầu tiên bằng cách phân nhóm tiết diện bao gồm các nhóm tiết
diện cố định có khối lợng
A
0

và các nhóm tiết diện là các tham số động là các biến thiết
kế cần tìm theo các bộ phận kết cấu. Các nhóm tiết diện là các biến thiết kế gồm
n
t
nhóm
thanh cho từng bộ phận kết cấu riêng biệt theo từng đoạn cần và tháp. Mỗi một nhóm tiết
diện đặt ra cần phải tìm 2 biến là chiều dầy tiết diện

i
và kích thớc bao
L
bui
hoặc
D
bui
.

Do vậy số giai đoạn tính toán
n
gđ
chính là số nhóm tiết diện
n
t
, hàm mục tiêu từng giai
Phát sinh các thông số

- Đặc tính kỹ thuật
-
Các thông số cho trớc khác

Biến thiên kích thớc
ti
ế
t diện L
ui
, D
ui

Tính chiều dày
i
theo các điều kiện bền, ổn
định và độ mảnh, thoả mãn (m
1
+

m
2

) tổ hợp
tải trọng theo TCVN
Điều kiện biên
của bài

toán

Giá trị tiết diện hợp

lý

Đạ
t

Cha đạt


12

đoạn tính là khối lợng của các nhóm tiết diện theo giai đoạn xét.
3.3.2. Xác định điều kiện biên
Từ miền ràng buộc hình học của các biến tiết diện ta tìm giá trị hợp lý trong miền
D

với điều kiện biên xác định nh sau.
-

Giá trị chiều dầy

min

i




max
với


min
=

3mm
theo yêu cầu công nghệ, giá trị

max

xác định theo điều kiện bền và ổn định, độ mảnh tối thiểu của thuật toán.
-

Miền xác định
D
cuả các kích thớc bao tiết diện
L
bui

hoặc
D
bui
là rời rạc phụ thuộc
danh mục thép hình lựa chọn theo tiêu chuẩn hoặc thị trờng hiện có.

-

Giá trị
min L
bui
hoặc
min D
bui
gán trực tiếp theo thuật toán.

min L
bui


L
bui

max L
bui
hoặc min D
bui


D

bui i

max D
bui

Số vòng lặp
[m
TD
]

cho phép xác định theo số gia biến thiên

L
bui
,

D
bui
từ miền giá
trị kích thớc của thép hình theo tiêu chuẩn. Với

L
bui

lấy là
(
5; 10;15)mm;

D
bui

lấy là
(3; 6)mm.












3.4. Bài toán xác định các kích thớc hợp lý
3.4.1. Phơng pháp giải
Các thông số là các kích thớc cần và tháp đợc coi là không đổi trên suốt chiều dài.
Do đó hàm mục tiêu tính toán theo công thức (3.26) có thể đợc viết lại phân làm 2 giai
đoạn cho hai bộ phận kết cấu chính.
f
BT2

=
A
0
+
Z
T
(X
c2

) + Z
C
(X
c1
)
(3.34)
Z
T
(X
c1
) -
Khối lợng kết cấu của cần phụ thuộc biến thiết kế
X
c1
;

Thông số cho trớc: đặc tính kỹ thuật cần
trục, khối lợng cơ cấu, thông số vật liệu
Thông số phát sinh ban đầu
- Các tiết diện: L
ui0,
D
ui0

- Kích thớc tháp, cần: a
cg0
, h
cg0
, l
cg0

, a
th0
, h
th0
;
Số vòng lặp, số gia

Biến thiên kích thớc
cần hoặc tháp (a
cgi
, h
cgi
,
l
cgi
, a
thi
, h
thi
)


Bài toán xác định
tiết
diện hợp lý

Điều kiện
biên bài toán

Thông số hình học hợp lý

Đạt

Khôn
g đạt



Hình 3.7
: Mô tả phơng pháp xác định các kích thớc hình học hợp lý của
một giai đoạn tính.


13

Z
T
(X
c2
) -
Khối lợng kết cấu của tháp phụ thuộc biến thiết kế
X
c2.
.

Quá trình tính toán bắt đầu với các thông số trên cần và sau đó là tháp, trong đó mỗi
một giá trị biến thiên của biến kích thớc hình học lặp lại quá trình tính toán bài toán 1
xác định tiết diện hợp lý trong giai đoạn xét. Nhờ vậy mà trong từng giai đoạn tính kết
cấu thép cần trục tháp đảm bảo đợc các điều kiện ràng buộc về cơ học và hình học.

3.4.2. Xác định điều kiện biên
- Các giá trị biên dới
min X
c

(
mina
cg
, min h
cg,
minl
cg
, min a
th
, min h
th
) và
biên trên
max X
c
(max a
th
, max h
th
, max a
cg
, max h
cg
, max l

cg
) của các ràng buộc kích thớc hình
học xác định theo kết quả thống kê từ cần trục thực tế. Kích thớc bao của tháp, cần thoả
mãn điều kiện vận chuyển


max X
c
(max a
th
, max a
cg
, max h
cg

) <
28000(mm)
- Số vòng lặp giới hạn
[m]
xác định theo giá trị biên trên
max X
c
,
biên dới
min X
c

và số gia biến thiên

X

c
(

a
cg
,

a
th
,

h
th
,

h
cg
.

l
cg
);
Số gia

X
c
(

a
cg

,

a
th
,

h
th
,

h
cg
.

l
cg
)

dựa vào kết quả khảo sát chọn

a
th

là (50;100)mm; các số gia còn lại (5; 10; 20)mm.
3.5. Chơng trình tính CraneVN
3.5.1. Giới thiệu chơng trình
Các bài toán xác định các thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp đợc lồng ghép
vào một chơng trình duy nhất mang tên
CraneVN
với sự kế thừa từ công trình công bố

số 4 [đã có xác nhận của đồng tác giả]. Đây là chơng trình tính kết cấu cần trục tháp
theo mô hình không gian và có khả năng là một sản phẩm thơng mại. Chơng trình
đợc xây dựng cho mục đích xử lý bài toán thiết kế hợp lý và bài toán kiểm tra đánh giá
kết cấu chuyên dụng. Các thành phần tải trọng và tổ hợp tải trọng đợc xác định theo
TCVN4244-2005 và các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam.
CraneVN
đợc lập trình
bởi ngôn ngữ C
++
chạy trong môi trờng WINDOWS trên cơ sở các thuật toán của lý
thuyết phần tử hữu hạn.
3.5.2.Tổ chức cơ sở dữ liệu chơng trình tính
Chơng trình đợc thiết kế theo dạng MODULE hoá nghĩa là đợc xây dựng trên cơ
sở liên kết từ nhiều FILE và mỗi FILE chứa một số hàm sử dụng cho một mục đích cụ
thể nào đó: MODULE nhập số liệu; MODULE tự sinh số liệu; MODULE chuẩn bị số liệu
tính; MODULE phần tử;MODULE SkyMat; MODULE Tính; MODULE tối u;
MODULE kết quả.


14

Hình 3.10
: Sơ đồ tính toán kết cấu thép cần trục tháp trong chơng trình tính
3.6. Bài toán xác định các vị trí tải trọng nguy hiểm trên cần
Xác định vị trí tải trọng nguy hiểm trên cần cho mục đích thiết kế các bộ phận của
kết cấu thép cần trục tháp khác nhau, kết quả thử nghiệm nhằm đa ra các chỉ dẫn cho
kỹ s thiết kế. Dựa trên kết quả thử nghiệm bằng số cho phép làm giảm khối lợng tính
khi xác định các thông số hợp lý trong các bài toán tơng lai. Thử nghiệm bằng số kết
cấu thép cần trục tháp có mô men tải M
tt
là 830KNm, dới tác dụng tải trọng do vật nâng
Phát sinh các tổ hợp tải trọng cơ bản xét đến biến dạng

lớn kết cấu thép cần trục tháp và tính nội lực
Phát sinh xác định sơ đồ, trạng thái tính toán của cần trục

Xác định các vị trí tải trọng trên .

Tính các tải trọng theo trạng thái cần trục

Phát sinh các tổ hợp tải trọng cơ bản không kể đến biến
dạng lớn kết cấu thép cần trục tháp và tính nội lực theo

PTHH

-
Đặc tính kỹ thuật cần trục

-
Th
ông
số cho trớc

Chọn thông số xuất phát ban đầu X
0

Thiết kế hợp lý
không?

Khụng

Cú

Các bài toán xác định các thông số hợp lý

Kết thúc

Bài toán
kiểm tra
kết cấu

15

Q
i
tại n = 12,18,25 vị trí và theo 2 dạng đờng đặc tính tải trọng: đờng đặc tính tải trọng
không liên tục (hình 3.12a) và đờng đặc tính tải trọng liên tục (3.12b). Kết quả lực dọc
lớn nhất trong các phần tử của bộ phận kết cấu theo các đồ thị nh sau:












Hình 3.15
: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu cần dới tác dụng tải
Q

i
.
a)Đờng đặc tính tải trọng không liên tục; b) Đờng đặc tính tải trọng liên tục.






Hình 3.16
: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu đỉnh tháp
dới tác dụng tải
Q
i
.
a)Đờng đặc tính tải trọng không liên tục; b) Đờng đặc tính tải trọng liên tục.







Hình 3.17
: Nội lực lớn nhất của phần tử trong kết cấu neo cần
dới tác dụng tải
Q
i
.
a)

Đờng đặc tính tải trọng không liên tục; b) Đờng đặc tính tải trọng liên tục.


a)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60
Ri(m)
Lực dọc (KN)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50 60
Ri(m)
Lự c dọ c (KN)
b)

0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50 60
Ri(m)
Lực dọc (KN)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50 60
Ri(m)
Lực dọc (KN)
a)

b)

0
50
100

150
200
250
0 10 20 30 40 50 60
Ri (m)
Lực dọc (KN)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 10 20 30 40 50 60
Ri(m)
Lực dọc (KN)
a)

b)

a)

b)

Hình 3.14
: Nội lực lớn nhất
của phần tử trong kết cấu
tháp dới tác dụng tải

Q
i
.
a)

Đờng đặc tính tải trọng
không liên tục; b) Đờng
đặc tính tải trọng liên tục
.


16







Bảng 3.18:
Các vị trí tải trọng trên cần
cho đờng đặc tính tải trọng không
liên tục.



Bảng 3.6:
Các vị trí tải trọng trên cần cho các mục đích thiết kế.
(đờng đặc tính tải trọng không liên tục)
Tầm với

Vị trí tải trên cần và mô men tải
M
tt

Mục đích cho thiết kế
R1
Tầm với nhỏ nhất
R
1
= R
min
,
M
1
= R
1
.(Q
max
+G
xc
)
Cần, chốt chân cần
R2
Vị trí giữa chốt chân cần và vị trí neo cần
thứ nhất,
M
2
= R
2

.(Q
2
+G
xc
)

Cần
R3
Vị tri trên cần có mô men tải là lớn nhất
M
3
= R
3
.(Q
max
+ G
xc
)

Tháp, cần
R4
Vị tri neo cần thứ nhất,
M
4
= R
4
.(Q
4
+G
xc

)
Cần, neo cần, đầu tháp,
chốt neo cần
R5
Vị trí giữa neo cần thứ nhất và thứ hai,
M
5
= R
5
.(Q
5
+G
xc
)

Cần, đỉnh tháp
R6
Vị trí neo cần thứ hai,
M
6
= R
6
.(Q
6
+G
xc
)
Cần, neo cần, đầu tháp,
chốt neo cần
R7

Tầm với lớn nhất
R
7
= R
max
,

M
7
= R
7
.(Q
min
+G
xc
)
Cần, tháp
Trên cơ sở số liệu tính toán rút ra các nhận xét sau:
- Các số liệu tính toán cho đờng đặc tính tải trọng không liên tục chỉ ra rằng chỉ cần
tính toán ở 7 vị trí tải trọng khác nhau cũng đảm bảo đợc các yêu cầu cần thiết khi thiết
kế kết cấu thép cần trục tháp. Với loại cần trục tháp có 1 thanh neo cần, xác định đợc 5
vị trí tính toán cần thiết.
- Đờng đặc tính tải trọng không liên tục hợp lý hơn đờng đặc tính tải trọng liên tục.
- Tơng tự nh trên phân tích các số liệu chỉ ra rằng trong thực hành chỉ cần tính toán
tại 6 vị trí tải trọng trên cần (không có tại vị trí R
a
) khi cần trục làm việc với đờng đặc
tính tải trọng không liên tục.

17

- Trạng thái thử tải chỉ cần tính tại 2 vị trí trên cần cho từng dạng đờng đặc tính tải
trọng: đờng đặc tính tải trọng không liên tục xác định tại R
a
và R
min
; đờng đặc tính tải
trọng liên tục xác định tại R
min
và R
max
.

Kết luận chơng 3
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu chơng 2, nội dung chơng 3 đã xây dựng thành
công bài toán xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo điều kiện
ràng buộc của TCVN với mục tiêu là khối lợng kết cấu nhỏ nhất. Chơng trình chuyên
dụng tính toán kết cấu thép cần trục tháp mang tên CraneVN đã đợc xây dựng nhằm
hoàn thiện phơng pháp luận nghiên cứu, chơng trình phục vụ cho thiết kế mới và tính
toán xác định các thông số hợp lý. Các nghiên cứu này

góp phần nâng cao chất lợng
thiết kế, hạ giá thành sản phẩm, chủ động thiết kế chế tạo kết cấu thép cần trục tháp và
các thiết bị nâng khác ở Việt Nam hiện nay.

Những đóng góp mới của chơng là sự phát
triển có cơ sở khoa học và ứng dụng sáng tạo các thành tựu và phơng tiện tính toán hiện
đại nhằm giải quyết những yêu cầu thiết thực của khoa học - công nghệ. Các kết quả
nghiên cứu chơng 3 cũng rút ra các kết luận sau:
- Từ kết quả thống kê các cần trục phổ thông trong thực tế nhận thấy các kích thớc

tháp
(a
th
, h
th
)
và cần
(a
cg
, h
cg
, l
cg
)
đã đợc thiết kế phụ thuộc chủ yếu vào chiều cao nâng
khi đứng tự do
H
và tầm với
R
. Kết quả thống kê kết hợp với công thức kinh nghiệm
không những chỉ ra miền giá trị thông số phát sinh ban đầu
X
0
và điều kiện biên bài toán
mà còn phục vụ cho thiết kế sơ bộ của kỹ s.
- Với công cụ tính toán xây dựng đợc ngoài việc tự động hoá tính toán xác định các
thông số hình học hợp lý kết cấu thép cần trục tháp à
(a
th
, h

th
, a
cg
, h
cg
, l
cg
)
theo phơng
pháp luận đã xây dựng, chơng trình CraneVn còn cho phép khảo sát nhiều bài toán phát
sinh trong thực tế nh bố trí điểm neo giằng, khảo sát cơ tính vật liệu
[công trình công
bố số 7].

- Kết quả thử nghiệm bằng số các vị trí tải trọng
Q
i
trên cần theo tầm với
r
i
cho thấy
chỉ cần tính toán tại một số vị trí nhất định cũng đảm bảo các yêu cầu khác nhau khi tính
toán thiết kế, số vị trí này phụ thuộc vào dạng đờng đặc tính tải trọng. Với đờng đặc
tính tải trọng không liên tục trong trạng thái làm việc tính tại 7 vị trí, đờng đặc tính tải
trọng liên tục tại 6 vị trí; trong trạng thái thử tải tại 2 vị trí. Với các vị trí tải trọng nguy
hiểm trên cần xác định đợc, ngoài việc chỉ dẫn cho kỹ s thiết kế còn làm giảm thời

18

Hình 4.3

: Sơ đồ bố trí ten xơ điện trở
và điểm đo chuyển vị.

gian tính đối với bài toán xác định các thông số hợp lý. Khi so sánh hai đờng đặc tính
tải trọng phổ thông thì xét trên cả phơng diện sử dụng và thiết kế kết cấu thép thì đờng
đặc tính tải trọng không liên tục hợp lý hơn đờng đặc tính tải trọng liên tục.
Nội dung của chơng đã đợc công bố trong các công trình nghiên cứu số 1 và một
phần trong công trình nghiên cứu số 5, số 6. Việc kiểm chứng độ tin cậy phơng pháp
tính và công cụ thực hiện thông qua số liệu thực nghiệm sẽ đợc trình bày mục 4.1
chơng 4. Còn thử nghiệm số cho bài toán xác định các thông số hợp lý nhằm đa ra các
kết luận khoa học và khả năng ứng dụng trong thực tế sẽ đợc trình bày ở mục 4.2
chơng 4.


Chơng 4
Nghiên cứu thực nghiệm
và thử nghiệm bằng số
Mục đích nghiên cứu nhằm

để sử dụng kết quả từ thực nghiệm kiểm chứng, đánh
giá độ tin cậy của phơng pháp tính và thuật toán, chơng trình tính. Thông số để đánh
giá, so sánh là ứng suất và chuyển vị của kết cấu thép cần trục tháp (mục 4.1).
Thử nghiệm bằng số để xác định các thông số là tiết diện hợp lý và các kích thớc
hình học hợp lý trong thiết kế kết cấu thép cần trục tháp (mục 4.2). Kết quả thử nghiệm
số sẽ minh chứng ý nghĩa khoa học và thực tiễn bài toán, cũng nh đa ra các nhận xét
và kết luận cho việc thiết kế kết cấu thép cần trục tháp trong tơng lai.

4.1. Nghiên cứu thực nghiệm
4.1.1.Đối tợng thực nghiệm và các thiết
bị thực nghiệm

- Đối tợng thực nghiệm là cần trục
tháp VICOX - CTM 80 lắp đặt tại công
trờng phục vụ thi công công trình
INDOORGAME - Mỹ Đình.


- Máy đo biến dạng tĩnh TDS303
của hãng TML (Nhật Bản); ten xơ điện
trở hãng TML loại ZFLA- 6; dây dẫn
sử dụng loại có điện trở trên một mét
là 0,12

; máy toàn đạc điện tử GPT-

19

3000N của hãng Topcon - Nhật Bản có khả năng đo không gơng với khoảng cách xa
250m , thấu kính với độ phóng đại 30; lực kế có thớc đo lớn nhất 10 tấn, thiết bị đo gió
của cần trục thực nghiệm, palăng xích kéo tay, đồng hồ bấm giây, cáp thép.
4.1.2. Các bớc tổ chức thực nghiệm

4.1.2.1. Lựa chọn thông số đo, vị trí và trạng thái cần trục
Các thông số đợc đo: ứng suất tại tiết diện tháp và chuyển vị đầu cần, đầu cần công
xôn của kết cấu thép cần trục tháp.
Bảng 4.1
:Trạng thái cần trục và tải trọng thực nghiệm.
Ký hiệu

Vị trí cần so với tháp
Tải trọng

Q
,
Tấn
Tầm với
R
, m
A
01

Dọc theo cạnh tháp 6 12
A
02
Dọc theo cạnh tháp 1,4 48
B
01

Dọc theo đờng chéo tháp 6 12
B
02

Dọc theo đờng chéo tháp 1,4 48
4.1.2.2. Công tác chuẩn bị
4.1.2.3. Trình tự thực hiện
4.1.3. Phơng pháp xử lý số liệu
4.1.3.1. Xây dựng bài toán thực nghiệm lý thuyết
- Khai báo các tải trọng thực nghiệm
Q
i

tại các tầm với theo trạng thái cần trục và thiết

lập tổ hợp tải trọng
TN0
(do trọng lợng bản thân kết cấu),
TN
(gồm trọng lợng bản
thân kết cấu + tải thực nghiệm). Tính toán các giá trị nội lực tại nút đo tenxơ biến dạng
trên sơ đồ tính cho từng tổ hợp tải trọng
TN0
và
TN.


N = N
TN
- N
TN0
; M = M
TN
- M
TN0
(4.1)
- ứ
ng suất tại các điểm đo phải xác định theo công thức sau.

0
Z
J
M
S
N

x
x
TD
x
=

;
0
Z
J
M
S
N
y
y
TD
y
=

(4.2)
- Tính toán các giá trị chuyển vị ngang

Ri
tại các tổ hợp tải trọng
TN
. Thiết lập các tổ
hợp tải trọng CV dùng để tính toán chuyển vị trong các trạng thái
A
01
, B

01
ứng với
Q= 6
tấn
, trạng thái
A
02
, B
02
ứng với
Q= 1,4 tấn
, tầm với

tơng ứng là
R
Ti
:
R
Ti
= R
i




Ri
(4.3)

Các kết quả tính toán theo giá trị tải trọng thực nghiệm bằng chơng trình
CraneV

N
cho bảng 4.2 và phụ lục 5.
Bảng 4.2b
: Kết quả tính ứng suất và chuyển vị bằng chơng trình
CraneVN
khi tốc độ
gió 3m/s.

20

Giá trị ứng suất tại các điểm đo (daN/cm
2
)
(S
TD
=52cm
2
, J =1476cm
4
, Z
0
= 4cm)
Chuyển vị
(mm)
Trạng
thái
cần trục

Tải
Q

(tấn)
Tầm
với R
T

(m)
Tầm
với R
(m)
D 1x D1y D2x D2y D3x D3y D4x D4y P1 P2
A
01

6 11,71 12 435 433 -518 -518 -530 -530 433 432 -634 152
A
02

1,4 47,7 48 472 472 -464 -467 -485 -488 470 470 -597 136
B
01

6 11,7 12 -22 -23 814 814 -30 -20 -736 -739 -717 161
B
02

1,4 47,69 48 -21 -30 842 842 -24 -24 -701 -715 -660 153
Ghi chú
: ứng suất: dấu (-) ứng suất nén; dấu (+) ứng suất kéo. Chuyển vị: dấu (-) ngợc chiều oz, dấu (+) cùng chiều oz.
Bảng 4.3
: Kết quả đo ten xơ biến dạng và chuyển vị.

Giá trị tại các điểm đo,
à

Chuyển vị
(mm)

Trạng
thái
cần
trục

Tải Q
(tấn)

Tầm
với R
(m)

D1x D1y D2x D2y D3x D3y D4x D4y P1 P2
A
01

6 12 169 160 -193 -276 -232 -236 238 172 -711 154
A
02

1,4 48 213 195 -185 -251 -274 -264 227 212 -740 144
B
01

6 12 -9 -20 -377 -383 -19 -10 337 387 -690 147
B
02

1,4 48 -11 -16 -378 -385 -10 -11 351 328 -842 132
Ghi chú: Giá trị ten xơ biến dạng: dấu (-) thanh chịu nén; dấu (+) thanh chịu kéo.
Chuyển vị : dấu (-) chuyển vị ngợc chiều oz; dấu (+) chuyển vị cùng chiều oz.
Bảng 4.4
: Giá trị ứng suất từ thực nghiệm.
Giá trị ứng suất tại các điểm đo (daN/cm
2
)

Trạng
thái cần
trục

Tải Q
(tấn)

Tầm với
R (m)

D1x D1y D2x D2y D3x D3y D4x D4y
A
01

6 12 355 336 -406 -580 -488 -495 499 361
A
02

1,4 48 448 410 -389 -528 -575 -554 477 445
B
01

6 12 -19 -41(*) -792 -804 -39 -20 708 813
B
02

1,4 48 -24 -33 -794 -808 -22 -23 738 688
Ghi chú: dấu (-) ứng suất nén; dấu (+) ứng suất kéo; (*) giá trị ứng suất không phù hợp.
Bảng 4.5
: Sai số tơng đối (%) giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm khi vận
tốc gió 3m/s.

Sai số tơng đối tại các điểm đo ứng suất (%) Chuyển
vị,(%)
Trạng
thái
cần
trục
Tải
Q

(tấn)

Tầm
với
R
T

(m)
Tầm
với
R

(m)
D1x D1y D2x D2y D3x D3y D4x D4y P1 P2
A
01

6 11,7 12 +18 +22 +21 -13 +8 +6,5 -15 +16 -11 -1,5
A
02

1,4 47,7 48 +5 +13 +16 -13 -18 -13 +1,5 +5 -19 -5,5
B
01

6 11,7 12 +14 * +3 +1 -23 0 +4 -9 -4 -8,6
B
02

1,4 47,7 48 +13 -9 +6 +4 +7,5 +3 +5 +4 -22 -13,7
Ghi chú
:
dấu (-) khi giá trị tính bằng chơng trình nhỏ hơn giá trị thực nghiệm; dấu (+) giá trị tính bằng chơng trình lớn hơn giá trị thực
nghiệm,

(*) giá trị không phù hợp.

4.1.3.2. Xử lý kết quả đo thực nghiệm

Kết quả quá trình gia công kết quả đo từ số liệu thực nghiệm thể hiện bảng 4.3 và
bảng 4.4.
4.1.4. So sánh, đánh giá kết quả
So sánh kết quả tính toán lý thuyết bằng chơng trình CraneVN và thực nghiệm sai
lệch lớn nhất là 22%, sai lệch tơng đối trung bình đại số các điểm đo với ứng suất là
9,1%, với chuyển vị là 11% (bảng 4.5). Tơng tự nh khi bỏ qua tải trọng gió các sai

21

lệch tính này là phù hợp và các giá trị ứng suất, chuyển vị đo thực tế của kết cấu thép
cần trục tháp đảm bảo nhỏ hơn ứng suất tính toán theo các điều kiện bền và ổn định của
tiêu chuẩn (bảng 5.5 của phụ lục 5). Nguyên nhân gây sai số là nhiều song chủ yếu là do
sơ đồ, tải trọng tính toán lý thuyết và cần trục thực tế có sự sai khác:

Cần trục tháp là
một kết cấu có kích thớc lớn, quá trình thực nghiệm đợc tiến hành tại công trờng, tải
trọng do gió là ngẫu nhiên, nên hớng gió thay đổi có tác động đến kết quả đo đạc và
ngoài ra là sự biến động của nhiệt độ trong ngày. Do khe hở của thiết bị tựa quay, khe hở
chốt cần và neo cần nên chuyển vị từ kết quả tính toán lý thuyết nhỏ hơn đo đạc thực tế.
Ngoài ra là các sai số khi chế tạo và lắp đặt.
4.2. Thử nghiệm bằng số xác định các thông số hợp lý
4.2.1. Lựa chọn dữ liệu phát sinh ban đầu
Thử nghiêm bằng số tiến hành cho cần trục VICOX - CTM 80, cần trục đợc thiết
kế với mô men tải M
tt
là 830KNm. Cần trục đợc chia làm 20 nhóm tiết diện trên kết cấu
cần, tháp, đỉnh tháp, cần mang đối trọng, trong đó các tiết diện là các biến thiết kế mô tả
kết cấu tháp và cần (tham số động).

4.2.2. Xác định các tiết diện hợp lý
- Xác định tiết diện hợp lý với cùng dạng profin theo nhóm thanh cần trục thực tế, so
sánh với cần trục thực tế đã chế tạo theo bảng 4.10.

-

Tính toán cho các dạng tiết diện nhóm thanh khác nhau của tháp, kết quả tiết diện hợp
lý của thép ống khối lợng nhẹ nhất và giảm đợc 23,35%.
Bảng 4.10
: So sánh tổng khối lợng kết cấu thép cần trục tháp trớc và sau khi tính.
Trạng thái cần trục Cần trục ViCOX
đã chế tạo (tấn)
Kết quả với tiết
diện hợp lý (tấn)

% khối lợng
giảm
Khi cần trục đứng tự do 22,68 18,40 18,87
Khi neo vào kết cấu công
trình
32,405 25,287 21,19
4.2.2. Xác định kích thớc hình học hợp lý
Xác định kích thớc hình học hợp lý cho các dạng bố trí thanh bụng khác nhau. Các
thông số hợp lý xác định theo từng dạng bố trí thanh bụng: Dạng 1- dạng tam giác với
các thanh bụng song song là dạng cần trục ViCOX thiết kế; Dạng 2- dạng tam giác với
các thanh bụng gặp nhau tại một nút; Dạng 3- dạng tam giác với các thanh bụng gặp
nhau cùng mặt phẳng; Dạng 4- dạng bố trí hình quả trám; Dạng 5- dạng chữ thập. Mỗi

22

dạng tính toán các thông số hợp lý theo hàm mục tiêu là khối lợng kết cấu theo 5 thông
số cho cần (
a
cg
, h
cg
, l
cg
) và tháp (
a
th
, h
th
)
.
Bảng 4.14
: So sánh khối lợng và thông số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp
trong các dạng bố trí thanh bụng tháp.
Dạng 1 Dạng 2 Dạng 3 Dạng 4 Dạng 5
Bài toán 1(tấn) 18,4 18,15 18,17 16,77 16,7
Bài toán 2(tấn) 15,35 15,33 15,33 15,14 15,13
% giảm bài toán 1 so với cần trục thực tế 18,87 19,97 19,88 26,05 23,36
% giảm bài toán 2 so với cần trục thực tế 32,31 32,41 32,41 33,25 33,29
Kích thớc tháp a
th
(m) 1,66 1,66 1,51 2,01 2,01
Chiều dài đốt biên tháp h
th
(m) 1,256 1,256 1,256 1,116 1,116
Chiều cao cần h

cg
(m) 1,126 1,126 1,126 1,136 1,136
Chiều rộng cần a
cg
(m) 1,175 1,175 1,175 1,175 1,175
Chiều dài đốt biên cần l
cg
(m) 1,314 1,314 1.314 1,314 1,314
Bài toán 1: xác định tiết diện hợp lý; Bài toán 2: xác định kích thớc hình học hợp lý.
Phân tích các kết quả tính toán thu đợc các nhận xét cơ bản sau cho thiết kế kết cấu
thép cần trục tháp:
- Trong 3 dạng bố trí thanh bụng đầu tiên các thông số hợp lý đều cho kết quả tính
toán khối lợng tơng đơng nhau: so với khối lợng của cần trục VICOX- CTM 80 thực
tế giảm đợc 32,31% tới 32,41%, so với kết quả tính bài toán 1 xác định tiết hợp lý trung
bình giảm 16,3%.
- Dạng bố trí thanh bụng 1 và dạng 2 có đợc các thông số hình học hợp lý là nh
nhau: chiều cao cần
h
cg
= 1,126m; c
hiều rộng đáy cần
a
cg
= 1,175m;
chiều dài một đốt
trên biên cần
l
cg
= 1,314m;
kích thớc tháp

a
th
= 1,660m;
chiều dài một đốt trên biên
tháp
h
th
= 1,256m.

- Dạng bố trí thanh bụng 3 kết quả tính toán cho kích thớc tháp hợp lý gọn nhỏ hơn
dạng 1 và dạng 2 cho
a
th
= 1,510m,
nó

có đợc đặc điểm cấu tạo trung hoà hai dạng trên
nên

hợp lý hơn.
- Các dạng bố trí thanh bụng 4 và dạng 5 cho khối lợng kết cấu nhỏ hơn cả 3 dạng
trên. Các thông số hình học hợp lý tính toán đợc đối với kết cấu cần thay đổi không
nhiều:
h
th
= 1,136m; a
cg
= 1,175m; l
cg
= 1,314m

. Cả hai dạng này cho thông số kích
thớc tháp
a
th

và chiều dài đốt biến tháp
h
th

là nh nhau
: a
th
= 2,01m; h
th
= 1,116m.
Kích
thớc tháp tăng 17,4% so với dạng bố trí thanh bụng 1 và 2, tăng 23,8% so với dạng bố
trí thanh bụng 3.
Kết luận chơng 4

23

Nội dung chơng 4 đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và thử nghiệm bằng số
các bài toán xác định thông số hợp lý, từ kết quả nghiên cứu này rút ra các kết luận sau:
- Phơng pháp và qui trình thực nghiệm đã xây dựng là phù hợp đối với kết cấu thép
cần trục tháp. So sánh ứng suất và chuyển vị tại các điểm đo theo thực nghiệm và tính
toán lý thuyết xét khi vận tốc gió là 3m/s có sai lệch lớn nhất 22% tại 2/32 điểm đo ứng
suất, sai lệch tơng đối trung bình đại số các điểm đo với ứng suất là 9,1%, với chuyển
vị là 11%. Kết quả này là chấp nhận đợc trong điều kiện thc nghiệm tại hiện trờng
với các yếu tố khách quan khi thực nghiệm. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm khẳng

định tính đúng đắn và độ tin cậy phơng pháp tính cũng nh công cụ thực hiện.
- Kết quả thử nghiệm bằng số cho thấy bài toán xác định hợp lý các thông số kết cấu
thép cần trục tháp là phù hợp và khả thi với điều kiện tính toán thực tế. Phơng pháp xác
định các thông số hợp lý đã xây dựng đáp ứng đợc các đặc điểm tính toán kết cấu thép
cần trục tháp nh: khối lợng tính lớn, điều kiện ràng buộc khắt khe, nhiều thông số thiết
kế.
Các nội dung của chơng đợc công bố trong các công trình nghiên cứu số 3 và một
phần trong công trình số 5, số 7.

kết luận và kiến nghị
Các nội dung nghiên cứu của luận án đợc trình bày trong 4 chơng đã đạt đợc các
mục đích nghiên cứu đề ra. Từ các thông số cho trớc là đặc tính kỹ thuật cần trục, khối
lợng các cơ cấu đã xây dựng thành công bài toán để xác định các thông số hợp lý của
tháp và cần mà mục tiêu là khối lợng kết cấu nhỏ nhất, đáp ứng yêu cầu tính toán theo
tiêu chuẩn Việt Nam
.
Những đóng góp mới của luận án là sự phát triển có cơ sở khoa
học và ứng dụng sáng tạo các thành tựu và phơng tiện tính toán hiện đại nhằm giải
quyết những yêu cầu thiết thực của khoa học - công nghệ. Các kết quả đạt đợc của luận
án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn với các đóng góp mới và đề xuất cụ thể:
1.

Đã sử dụng phơng pháp PTHH, xét bài toán tổng thể cần - tháp trong trạng thái
không gian và chịu những tổ hợp tải trọng phức tạp, nên kết quả nhận đợc của bài
toán xác định các thông số hợp lý là tin cậy và chính xác, đáp ứng đợc trực tiếp
cho thiết kế kết cấu thép cần trục tháp.