Chuyên đề thực tập tốt nghiệp: Tính toán ứng suất trong đập bê tông bài toán không gian

Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
CHƯƠNG 9
CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT TRONG ĐẬP BÊ TÔNG BÀI TOÁN KHÔNG GIAN
9.1 MỤC ĐÍCH TÍNH TOÁN :
Hiện nay đập bê tông được xây dựng và sư dụng phổ biến. Đập bê tông là
công trình đầu mối quan trọng nhất trong cụm công trình đầu mối. Chính vì vậy ổn
định của đập bê tông có ý nghĩa quyết định, trong đó yếu tố ứng suất phát sinh trong
đập là một vấn đề quan trong cần tính toán phân tích để biết tình hình phân bố ứng
suất trong đập dưới tác dụng của ngoại lực và ảnh hưởng của các nhân tố khác nhaư
biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, sự phân giai đoạn thi công thân đập …
Tính toán ứng suất trong thân đập bê tông nhằm xác định các đăc trưng phân
bố ứng suất trong thân đập, trị số phương chiều và tình hình phân bố ứng suất. Trên cơ
sở các số liệu tính toán được, kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu, phân vùng đập
dùng các loại bê tông khác nhau, xác định cấu tạo từng bộ phận thích hợp với từng
điều kiện chịu lực của chúng để tiết kiệm vật liệu, từ đó giảm được gia thành xây dựng
công trình mà vẫn đáp ứng tính kỹ thuật.
Ứng suất xuất hiện trong đập bê tông không được vượt quá ứng suất cho phép
của vật liệu , đặc biệt là ứng suất kéo trên biên thượng lưu.
Tính toán phân tích ứng suất phải tính toán cho các trường hợp khác nhau,
nhằm xác định sự biến đổi của ứng suất và những bất lợi do sự thay đổi ứng với các
trường hợp đó. Từ đó phân vùng vật liệu bố trí cốt thép, chọn các hình thức cấu tạo,
hình thức bảo vệ…Đảm bảo cho trong mọi điều kiện thì công trình luôn làm việc ổn
định.
9.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Có nhiều phương pháp tính toán như phương pháp giải tích tính theo sức bền
vật liệu, phương pháp lý thuyết đàn hồi, phương pháp số theo phần tử hữu hạn…
- Phương pháp sức bền vật liệu đơn giản cho kết quả đủ tin cậy trong các bài

toán thiết kế đập bê tông trọng lực có cấu tạo mặt cắt cũng như nền không phức tạp.
- Phương pháp lý thuyết đàn hồi: xem đập như một môi trường kiên tục, đồng
nhất đẳng hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu theo định
luật húc. Phương pháp này giải quyết những vấn đề đặc biệt như ứng suất tập trung,
ứng suất nhiệt …
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 1

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
- Phương pháp phần tử hữu hạn: Phương pháp PTHH là một phương pháp số
hay còn gọi là phương pháp rời rạc hóa. Phương pháp PTHH cũng thuộc bài toán biến
phân, nhưng nó khác các phương pháp biến phân cổ điển ở chỗ nó không tìm dạng xấp
xỉ của hàm cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con thuộc miền
xác định đó. Do đó phương pháp PTHH đặc biệt ưu điểm hơn các phương pháp khác
khi bài toán mà miền xác định gồm nhiều miền con có những tính chất khác nhau, ví
dụ như khi phân tích ứng suất trong thân đập, trong nền không đồng nhất hoặc bài toán
phức tạp khác. Đây là phương pháp tính toán rất hiệu quả giải các bài toán cơ học vật
rắn và cơ học môi trường liên tục nói chung. Hiện nay các phần mềm tính toán ứng
suất , tính toán thấm, ổn định trượt…đều dựa trên phương pháp phàn tử hữu hạn, cho
kết quả tính toán tương đối chính xác.
Ở đây em chọn phương pháp phần tử hữu hạn và sự dụng phần mềm ANSYS
V.10 để tính toán ứng suất đập.
9.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp PTHH ra đời vào cuối nhứng năm 50 nhưng rất ít được sử dụng vì
công cụ toán học còn chưa phát triển. Vào cuối những năm 60, phương pháp PTHH

đặc biệt phát triển nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và sử dụng rộng rãi của máy tính
điện tử. Đến nay có thể nói rằng phương pháp PTHH được coi là phương pháp có hiệu
quả nhất để giải các bài toán cơ học vật rắn nói riêng và các bài toán cơ học môi
trường liên tục nói chung như các bài toán thủy khí lực học, bài toán về từ trường và
điện trường.
Trình tự giải theo phương pháp này :
 Chia miền tính toán thành các miền con gọi là các miền con. Các phần tử
này liên kết với nhau bởi các điểm nút bao quanh, các phần tử này có thể ở dạng thanh,
phần tử phẳng hay phần tử khối.
 Mỗi phần tử ta giả thiết một dạng phân bố xác định như: chuyển vị, hàm
ứng suất, cả chuyển vị lẫn ứng suất. Trong đó ẩn chọn làm biến số cho hàm xấp xỉ là
một hàm đa thức đa nguyên được biểu diễn dưới dang ma trận. Thông thường giả thiết
hàm đó là hàm chuyển vị.
 Thiết lập bài toán từ phương trình cơ bản: Dựa trên các nguyên lý biến phân
cơ bản, trên cơ sở của nguyên lý biến phân này xác định phương trình tuyến tính
AX=B.
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 2

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
 Giải bài toán tuyến tính để tìm các ẩn.

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

 Sau khi tìm các ẩn, dựa vào các định lý cơ học sẽ tìm các thành phần khác
của bài toán như: ứng suất, biến dạng…

Hiện nay có các phần mềm tính ứng suất biến dạng chuyển vị… như SAP,
AN SYS, PLASIX, SIGMA… đều sử dụng phương pháp phàn tử hữu hạn, kết quả
tương đối chính xác.
9.3 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN :
9.3.1 Sơ đồ tính toán :
Sử dụng mô hình đập dâng và đập tràn của công trình thủy điện Sông Miện đã
được thiết kế. Có xét đến nước chảy trong đường ống vào nhà máy thủy điện.
.

Cao trình đáy : 435 m

.

Cao trình đỉnh : 471,5 m

.

Cao trình bùn cát : 450 m

.

Cao trình ngưỡng tràn: 465 m

Để đơn giản trong tính toán ta cho toàn bộ đập làm cùng một mac bê tông
M200. Chỉ riêng phân đoạn đập ở tuyến năng lượng, đường ống áp lực và nhà máy
thủy điện làm bằng bê tông M250. Và phần nền đập cũng xem như đồng chất.
9.3.2 Trường hợp tính toán:
Việc tính toán ứng suất thân đập được tiến hành theo các trường hợp sau :
 Trường hợp 1: Tổ hợp thi công. đập đã thi công xong thượng và hạ lưu ko
có nước

 Trường hợp 2: Tổ hợp lực cơ bản – MNTL là MNDBT ; MNHL tương
ứng với trường hợp vận hành bình thường, thiết thị chống thấm, thiết bị
thoát nước hoạt động bình thường
 Trường hợp 3: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNLTK ; MNHL tương
ứng, thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường
 Trường hợp 4: Tổ hợp lực đặc biệt -MNTL là MNLKT ;MNHL tương
ứng, thiết bị chống thấm, thoát nước làm việc bình thường
 Trường hợp 5: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNDBT, MNHL tương
ứng vận hành bình thường, thiết bị tiển thoát nước, thiết bị chống thấm
làm việc không bình thường
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 3

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
 Trường hợp 6: Tổ hợp lực đặc biệt – MNTL là MNDBT, MNHL tương
ứng, có động đất
Về nguyên tắc ta phải tính toán cho tất cả các trường hợp để đảm bảo an toàn
cho công trình trong mọi trường hợp làm việc, trong tất cả các quá trình xây dựng và
vận hành. Nhưng do trong phạm vi đồ án, thời gian có hạn và được sự đồng ý của thầy
giáo hướng dẫn nên em chỉ tính toán ứng suất cho trường hợp tổ hợp lực cơ bản.
Ta tính toán cho trường hợp tổ hợp cơ bản. Mực nước thượng lưu là mực nước
dâng bình thường, các thiết bị chống thấm thiết bị thoát nước làm việc bình thường.
MNTL = MNDBT = 465 m
MNHL = 441,8 m
Cao tình bùn cát: Zbc=450 m

Tải trọng tác dụng vào công trình bao gồm: Áp lực nước thượng lưu, áp lực bùn
cát, áp lực thấm và áp lực đẩy ngược dưới đáy công trình, áp lực nước hạ lưu, áp lực
sóng như đã tính toán ở trên phần tính toán ổn định đập.
9.4 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM DÙNG ĐỂ TÍNH TOÁN.
Sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán ứng suất trong thân đập và nền.
AN SYS là một hệ thống tính toán đa năng, trong hệ thống này, bài toán cơ kỷ
thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc.
9.4.1 Lịch sự ra đời và phát triển của ANSYS
ANSYS được lập từ năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Dr.John Swanson, hệ
thống tính toán Swanson, tịa hợp chủng quóc Hoa Kỳ. Từ đó AN SYS lan rộng ra các
nước khác trên thế giới , qua nhiều phiên bản với những đặc tính sau :
Phiên bản 2.x :TĨnh học động lực học, nhiệt động học, dòng điện
Phiên bản 3.x :mở rộng dần các khả năng củ , hình thành các modulle hình học,
thư viện phần tử
…Các phiên bản ngày càng không ngừng cải tiến và tạo ra nhiều chức năng
tiên tiến

Và bây giờ đã có an sys phiên bản 11.0 với nhiều tính năng tiên tiến sử

dụng rộng rãi trong nghiên cứu, trong công nghiệp và các ngành khoa học khác.
9.4.2 Các tính năng nổi bật của ansys.
. Khả năng đồ họa mạnh mẽ ( có thể sự dụng như một chương trình CAD, hoặc
sự hộ trợ gián tiếp từ CAD rất hữu ích ) giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh,
chính xác. Có khả năng truyền dẫn những mô hình CAD của cấu trúc, thành phần hay
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 4

Lớp 45c3

Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
hệ thống. Mô hình tình toán là mô hình 3D gần giống như mô hình thực tế nên kết quả
tương đối chính xác.
. Giải rất nhiều bài toán : this toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện , điện
tử, …
. Thư viện phần tử rất lớn, có thêm phần tử sinh ra và chết. dùng để loại bỏ
phần tử hay thêm phần tử hoặc thay đổi độ cúng trong mô hình khi tính toán
. Đa dạng về tải trọng : tập trung phân bố, nhiệt vận tốc góc
. Phần tử xứ lý kết quả cao cấp, cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu
. Có thể dùng như một ngôn ngữ lập trình
. Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như : trường ứng suất, trường
nhiệt độ, ảnh hưởg của trường điện từ..
. Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm ….
9.5 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 10.0
9.5.1 Mô hình hóa bài toán :
Ta tính toán mô hình đập là mô hình đập thủy điện Sông Miện đã thiết kế trong
đồ án. Khu vực nền chịu ảnh hưởng của ứng suất có thể được xác định như sau : xem
ứng suất từ đập ảnh hưởng đến nền trong giới hạn sâu 50 m so với mặt cắt ngang đáy
đập, và mép thượng lưu của nền cách mép thượng lưu đập 50 m, mép hạ lưu của nền
cách mép chân hạ lưu 50m, hai bên vai đập chỉ xét đến phạm vi 100m như hình vẽ 95.

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 5

Lớp 45c3

Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9-5: Mô hình tính toán
9.5.2 Chọn kiểu phần tử, loại vật liệu và gán chúng cho các bộ phận
- Kiểu phần tử: chọ kiểu phần tư solid92 và kiể phần tử solid45

solid 92
10 nót
- Vật liệu của các bộ phận như bảng sau đây:
Vật liệu

Môdun dàn

Hệ số



Rk

Rn

hồi

Poison 

KN/m3

KN/m2

KN/m2

Ex(KN/m2)
Bê tông M200

24000000

0.23

2.45

1150

9000

Bê tông M250

26500000

0.24

2.5

1300

11000

Nền dá

9000000

0.285

2.1

9.5.3 Chia lưới cho các khối để tạo các nút và các phần tử.
Mô hình đã chia lưới:
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 6

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9-7 : Mô hình phần tử

9.5.4 Gán tải trọng lên các mặt
Các tải trọng là tải trọng phân bố nên ta phải khai báo hàm áp lực, đọc hàm.
Sau đó gán tải trọng tương ứng lên các mặt.
Đặt các điều kiện biên.
Xem các mặt biên của nền không chuyển vị thẳng theo chiều vuông góc với
với mặt đó. Riêng mặt đáy coi như ngàm cứng.
9.5.5 Tính toán và hiện thị kết quả.
9.5.5.1 Kết quả bài toán phẳng mặt cắt giữa đập.
Hình 9- 8 : Chuyển vị theo phương x:

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 7

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- 9 : Chuyển vị theo phương y:

Sv: Dương Đình Hóa

Hình 9-10 : Ứng suất theo phương x:
Trang 8

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9-11 : Ứng suất theo phương y:

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 9

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
9.5.5.2Kết quả tính toán bài toán không gian ba chiều tại mặt cắt giữa đập.
Hình 9- : Chuyển vị theo phương x:

Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z(phương đứng):

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 10

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 9- : Ứng suất theo phương x:

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- : Ứng suất theo phương z(phương đứng):

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 11

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

9.5.5.3 Kết quả tổng thể tính toán ứng suất cho toàn đập bài toán 3D.
Hình 9- : Chuyển vị theo phương x:

Hình 9- : Chuyển vị theo phương y phương dọc đập:

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 12

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương đứng):

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 13

Lớp 45c3

Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp.

Sv: Dương Đình Hóa

Hình 9- : Ứng suất theo phương x:
Trang 14

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- : Ứng suất theo phương y:

Sv: Dương Đình Hóa

Hình 9- : Ứng suất theo phương Z:
Trang 15

Lớp 45c3

Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9 - : Ứng suất chính S1

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 16

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
Hình 9 - : Ứng suất chính S3

9.8.5.5 Kết quả tính toán ở mặt cắt dọc đập.
Hình 9- : Chuyển vị theo phương x:

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 17

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 9- : Chuyển vị theo phương y:

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- : Chuyển vị theo phương Z( phương đứng):

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 18

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
Hình 9- : Chuyển vị tổng hợp.

Hình 9- : Ứng suất theo phương x:

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 19

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

Hình 9- : Ứng suất theo phương y:

Sv: Dương Đình Hóa

Hình 9- : Ứng suất theo phương Z:
Trang 20

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

9.5.6 Phân tích kết quả tính toán:
9.8.6.1 So sánh kết quả giữa bài toán 2D và bài toán 3D:
Bảng 9- : Kết quả ứng suất – chuyển vị bài toán 2D và bài toán 3D:
Bài toán 2D

Bài toán 3D

Thông số tính toán
Ứng suất max phương X
(kN/m2)
Ứng suất max phương Y
(kN/m2)
Chuyển vị max phương X
Chuyển vị max phương Y
(phương đứng)

Nén

kéo

Nén

kéo

1727

170

1028

410.658

2243

10.158

1381

573.54

0.682e-3

0.443e-3

5,09e-3

1.88e-3

Nhận xét: Từ kết quả thể hiện ở bảng 9 - , cho ta thấy kết quả tính toán giũa
bài toán phẳng và bài toán không gian là rất lớn và kết quả tính toán của bài toán
không gian thường lớn hơn so với kết quả bài toản phẳng. Vì vậy, với sự phát triển
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 21

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
khoa học và công nghệ đặc biệt là các phần mềm tính toán như hiện nay thì khi thiết
kế công trình người kỹ sư cần tính toán thêm bài toán không gian để so sánh tìm ra
được kết quả tính toán tối ưu đưa vào thiết kế công trình an toàn ổn định và tiết kiệm
hơn.
9.8.6.2 Ứng suất theo phương đứng theo bài toán 3D:

9.8.6.3 Ứng suất theo phương ngang theo bài toán 3D.

9.8.6.4 Ứng suất theo phương dọc trục đập theo bài toán 3D

9.8.6.5 Ứng suất quanh lổ khoét hành lang thoát nước:
Từ kết quả ứng suất của mặt cắt ngang đập (hình 9- ) , kết quả ứng suất của
mặt cắt dọc đập qua hành lang khoan phụt ( hình 9- ) ta có kết luận chung là tại các lổ
khoét thường có ứng suất cục bộ, ứng suất tập trung lớn dễ xuất hiện các vết nứt tại đó.
Tại các vị trí đó ứng suất kéo của bê tông không đủ chịu lực phải bố trí cốt thép để
không xuất hiện vết nứt gây mất an toàn cho công trình.

Tại hành lang khoan phụt, tiếp giáp giữa lổ khoét và thượng lưu đâp thường là
nơi dễ mất ổn định nhất, tại đó xuất hiện các vết nứt làm bề rộng của dáy đập giảm đi
một khoảng từ mép trong lổ khoét đến mặt thượng lưu đập. Lúc này bề rộng thực tế
chịu lực của đập bị giảm nhỏ, dây chính là điều kiện cho vết nứt tại mặt tiếp giáp gữa
đập và nền phất triển. Vết nứt càng phát triển thìbeef rộng chịu lực càng nhỏ, tới một
lúc nào đó B
9.8.6.6 Ứng dụng kết quả tính toán.

Sv: Dương Đình Hóa

Trang 22

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm

KẾT LUẬN
Sau 14 tuần làm đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của
các thầy cố giáo, đặc biệt là của thầy giáo Th.S Hồ Sỹ Tâm, cùng với sự nổ lực của
bản thân, em đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình với đề tài: “Thiết kế đầu mối
thủy điện Sông Miên , Tỉnh Hà Giang- Phương án”
Thời gian làm đồ án là khoảng thời gian rất có ích và hiệu quả. Trong thời gian
này, em đã có điều kiện để hệ thống, sâu chuỗi, tổng hợp lại những kiến thức đã được
các thầy cô truyền dạy, giúp em biết cách áp dụng lý thuyết vào thực tế thiết kế một
công trình thủy lợi cụ thể, có cái nhìn bao quát, làm quen với công việc của một người
kỹ sư trong tương lai.

Dù bản thân em đã nổ lực cố gắng hết mình nhưng với một khối lượng công
việc tính toán tương đối lớn, do điều kiện thời gian, trình độ bản thân còn hạn chế,
kinh nghiệm thực tế còn chưa có nên trong đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Em kính mong nhận được sự chỉ bảo , hướng dẫn giúp đỡ của các thầy cô giáo
để giúp cho đồ án của em được hoàn chỉnh hơn từ đó có thể hoàn thiện và cũng cố,
nâng cao, kiến thức chuyên môn .
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trường Đại Học Thủy
Lợi, các thầy cô giáo bộ môn Thủy Công và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
thầy giáo Hồ Sỹ Tâm. đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em hoàn
thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2008
Sinh viên thực hiện
Sv: Dương Đình Hóa

Trang 23

Lớp 45c3


Báo cáo thực tập tốt nghiệp

Sv: Dương Đình Hóa

Gvhd: Ths.Hồ Sỹ Tâm
Dương Đình Hóa

Trang 24

Lớp 45c3