Phân tích bất ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN

HÀ PHƢỚC CƢỜNG

PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO
VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Long An - 2019


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN

HÀ PHƢỚC CƢỜNG

PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO
VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.580.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

Long An – 2019
ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của
học viên tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của
học viên, hoàn thành chƣơng trình luận văn khơng thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp
đỡ của tập thể Thầy Cô khoa Kiến trúc Xây dựng, Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp
Long An trong q trình học tập cũng nhƣ hồn thành Luận văn cao học này.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS-TS Trƣơng Tích
Thiện cùng tập thể các thầy cơ, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hƣớng dẫn, truyền đạt
kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt Luận văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học
Xây dựng khố 4 đã hỗ trợ tơi trong q trình học tập và thực hiện Luận văn.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Hà Phƣớc Cƣờng

iii


BẢN CAM KẾT
Ngoài những kết quả tham khảo từ những cơng trình khác nhƣ đã đƣợc ghi trong
Luận văn, tơi xin cam kết rằng Luận văn này là do chính tôi thực hiện và Luận văn chỉ
đƣợc nộp tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là hoàn
toàn trung thực và chƣa từng đƣợc sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thơng tin
trích dẫn trong Luận văn đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Hà Phƣớc Cƣờng

iv


TĨM TẮT
Bất ổn định là một bài tốn cổ điển, nhƣng cho đến nay vẫn có rất nhiều cơng trình
nghiên cứu liên quan đến vấn đề này. Ngƣời đầu tiên đặt nền móng cho việc tính tốn bất
ổn định kết cấu là Leonard Euler cách đây hơn 200 năm. Bắt đầu từ thập niên 30 của thế
kỷ trƣớc, ngƣời đại diện cho Euler là S.P.Timoshenko đã tiến thêm một bƣớc dài trong
lĩnh vực tính tốn bất ổn định với việc cho ra đời cuốn sách Theory of Elastic Stability.
Sau đó, với hàng loạt cơng trình tính tốn liên quan tới tính tốn bất ổn định của các nhà
khoa học khác đã chứng tỏ bất ổn định là một đề tài rất có sức hút, vì nó có ý nghĩa thực
tiễn rất quan trọng. Khi xảy ra mất ổn định dù chỉ của một thanh cũng dẫn tới sự sụp đổ
của tồn bộ kết cấu. Tính chất phá hoại do mất ổn định là đột ngột và nguy hiểm. Vì vậy
khi thiết kế cần đảm bảo ba điều kiện: điều kiện bền, điều kiện cứng và điều kiện ổn định.
Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm
dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn. Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều loại
vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản phẩm
công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác. Do đó, kết cấu silo là
giải pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam.
Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên
cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong mơi trƣờng tự nhiên
phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng
cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác. Trong quá trình hoạt động, các tải
trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và ma sát bề mặt trong của vách do các hạt
sản phẩm gây ra. Ngoài ra, với những silo có chiều cao lớn, cịn có thêm sự tác động của
tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán

bất ổn định kết cấu silo là bài toán rất quan trọng và cần những phân tích, tính tốn chính
xác trong q trình thiết kế.

v


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii
BẢN CAM KẾT ................................................................................................................ iv
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ..........................................................................................................v
MỤC LỤC ....................................................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG........................................................................................................ viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN..................................................................................................1
1.1. Tổng quan về Silo ......................................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài ................................................................................6
1.2.1. Nghiên cứu ngồi nƣớc .......................................................................................6
1.2.2. Nghiên cứu trong nƣớc .......................................................................................7
1.3. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................................8
1.4. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................8
1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................9
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ...........................................................................................9
1.7. Lợi ích của đề tài .....................................................................................................10
1.7.1. Lợi ích khoa học ................................................................................................10
1.7.2. Lợi ích thực tiễn ................................................................................................10
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................11
2.1. Giới thiệu bài toán bất ổn định ................................................................................11
2.1.1. Trạng thái ổn định của kết cấu ..........................................................................11
2.1.2. Trạng thái bất ổn định .......................................................................................12

2.2. Lý thuyết bất ổn định tấm........................................................................................14
2.2.1. Phƣơng pháp giải tích .......................................................................................14
2.2.2. Lý thuyết tấm cổ điển........................................................................................14
2.2.3. Phƣơng pháp năng lƣợng - Lý thuyết bất ổn định Ritz cho tấm có gân thẳng sử
dụng hàm lƣợng giác ...................................................................................................18
2.3. Lý Thuyết Bền .........................................................................................................21
2.4. Phƣơng pháp quy đổi lực tác dụng lên silo .............................................................22
vi


2.4.1. Áp lực do vật liệu chứa tác dụng lên silo ..........................................................22
2.4.2. Tải gió tác dụng lên silo ....................................................................................24
2.5. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) .............................................................25
2.5.1. Trình tự giải bài tốn tĩnh theo PP PTHH .........................................................26
2.5.2. Ví dụ phân tích dầm chịu uốn bằng PP PTHH .................................................27
2.5.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán bất ổn định ...................................29
2.5.4. Phân tích bất ổn định kết cấu bằng chƣơng trình ANSYS ................................30
2.6. Qui trình giải bài tốn bất ổn định bằng chƣơng trình Ansys Workbench .............34
Chƣơng 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU SILO BẰNG ANSYS WORKBENCH ........35
3.1. Phân tích ứng xử kết cấu Silo ..................................................................................35
3.1.1. Kích thƣớc Silo .................................................................................................35
3.1.2. Thông số vật liệu Silo – vật liệu chứa ...............................................................36
3.1.3. Mơ hình phần tử hữu hạn ..................................................................................36
3.1.4. Phân tích ứng xử Silo dƣới tác động tải trọng tĩnh ...........................................39
3.1.5. Phân tích ứng xử bất ổn định của Silo ..............................................................48
3.2. Phân tích ứng xử kết cấu Silo có cải tiến ................................................................51
3.2.1. Kết quả phân tích tĩnh .......................................................................................53
3.2.2. Kết quả phân tích bất ổn định ...........................................................................55
3.3. Đánh giá kết quả ....................................................................................................588
3.4. Kết luận .................................................................................................................599

3.5. Kiến nghị .................................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 61
Tiếng Anh .......................................................................................................................62
PHỤ LỤC

.....................................................................................................................633

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho .................................................1
Bảng 2.2.1. Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam...... 25
Bảng 2.2.2. Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình .....25
Bảng 3.1. Bảng thơng số thiết kế Silo [5] .................................................................35
Bảng 3.2. Thông số vật liệu của thép CT3 TCVN [5] ..............................................36
Bảng 3.3. Thông số vật liệu chứa - Cám ..................................................................36
Bảng 3.4. Thơng số lƣới mơ hình Silo ......................................................................37
Bảng 3.5. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mơ hình ............................................48
Bảng 3.6. Thơng số vật liệu và kích thƣớc gân tăng cứng ........................................51
Bảng 3.7. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình ............................................55
Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả giữa 2 mơ hình .......................................................58

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mơ hình Silo vách trụ ..................................................................................3
Hình 1.2. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tơng ..................................................4
Hình 1.3. Silo thép với vách trụ có gợn sóng ..............................................................5

Hình 1.4. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS .....................................6
Hình 2.1. Các dạng ổn định .......................................................................................11
Hình 2.2. Mơ hình thanh chịu nén đúng tâm.............................................................12
Hình 2.3. Các trạng thái của thanh chịu kéo nén đúng tâm ......................................13
Hình 2.4. Sự nguy hiểm của hiện tƣợng bất ổn định của thanh trong kết cấu thực tế ............ 14
Hình 2.5. Mơ hình bài tốn tấm ................................................................................15
Hình 2.6. Điều kiện biên mơ hình tấm khảo sát ........................................................15
Hình 2.7. Mơ hình tấm khảo sát ................................................................................16
Hình 2.8. Điều kiện biên bài tốn .............................................................................17
Hình 2.9. Sơ đồ áp lực tác dụng lên thành silo do vật liệu chứa gây ra ....................22
Hình 2.10. Sơ đồ áp lực tác dụng lên đáy phễu silo theo chuẩn EuroCode ..............24
Hình 2.11. Tính hệ số khí động theo mơ hình ...........................................................25
Hình 2.12. Tính dầm chịu uốn bằng phƣơng pháp PTHH ........................................27
Hình 2.13. Mơ hình phần tử SHELL181 trong ANSYS ...........................................33
Hình 2.14. Lƣợt đồ phân tích bất ổn định kết cấu trong ANSYS WB......................34
Hình 3.1. Sơ đồ mơ hình Silo [5] ..............................................................................35
Hình 3.2. Mơ hình hình học Silo đƣợc import từ SolidWork vào ANSYS ..............37
Hình 3.3. Chỉ số Skewnees của mơ hình PTHH của Silo .........................................38
Hình 3.4. Chỉ số Skewnees của mơ hình PTHH của đỉnh Silo .................................38
Hình 3.5. Kết cấu Silo đang làm việc ngồi cơng trình ............................................39
ix


Hình 3.6. Mơ hình điều kiện biên .............................................................................40
Hình 3.7. Khai báo gia tốc trọng trƣờng ...................................................................41
Hình 3.8. Áp lực do cám tác dụng lên silo ................................................................41
Hình 3.9. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên thân trụ silo.....................................42
Hình 3.10. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên đáy silo .........................................43
Hình 3.11 Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên thân silo ...........................................43
Hình 3.12. Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên đáy silo ...........................................44

Hình 3.13. Sơ đồ ứng suất tác dụng lên silo với tốc độ gió 160 km/h theo chuẩn
Eurocode [5] ..............................................................................................................45
Hình 3.14. Áp lực gió tác dụng lên thân silo ............................................................46
Hình 3.15. Áp lực gió tác dụng lên đáy silo..............................................................46
Hình 3.16. Phân bố trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo .................47
Hình 3.17. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo ..............................................47
Hình 3.18. Dạng bất ổn định 1 (mode 1)...................................................................49
Hình 3.19. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)...................................................................49
Hình 3.20. Dạng bất ổn định 3 (mode 3)...................................................................50
Hình 3.21. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)...................................................................50
Hình 3.22. Dạng bất ổn định 5 (mode 5)...................................................................51
Hình 3.23. Mơ hình Silo với 3 gân tăng cứng. ..........................................................52
Hình 3.24. Kích thƣớc gân ........................................................................................53
Hình 3.25. Đánh giá chất lƣợng lƣới qua chỉ số Skewnees ......................................53
Hình 3.26. Phân bố Trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo ...............54
Hình 3.27. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo ..............................................54
Hình 3.28. Dạng bất ổn định 1 (mode 1)...................................................................55
Hình 3.29. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)...................................................................56
x


Hình 3.30. Dạng bất ổn định 3 (mode 3)...................................................................56
Hình 3.31. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)...................................................................57
Hình 3.32. Dạng bất ổn định 5 (mode 5)...................................................................57

xi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ

Ý nghĩa

PP PTHH

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn

EC

Tiêu chuẩn Eurocode

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

E

Module đàn hồi

I

Mơ men qn tính

fy

Cƣờng độ tính tốn thép theo giới hạn chảy của vật liệu

G

Mô đun trƣợt

u, v, w

Các hàm chuyển vị

x, y, z

Tọa độ điểm

W0

Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng

k

Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió thay đổi theo độ cao

c

Hệ số khí động
Lực tác dụng lên vách silo theo phƣơng tiếp tuyến
Áp lực theo phƣơng ngang

Cb

Hệ số khuếch đại lực tại đáy silo
Hệ số ma sát trên vách đứng

xii

1

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về Silo
Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm
dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn [1]. Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều
loại vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản
phẩm công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác.
Kết cấu Silo có ƣu điểm là có thể xây dựng theo chiều cao nên ít tốn kém mặt bằng
nhƣng vẫn đảm bảo khả năng chứa đƣợc khối lƣợng lớn sản phẩm. Bên cạnh đó, với kết
cấu silo, ngƣời ta dễ dàng trang bị các hệ thống kiểm định chất lƣợng sản phẩm đầu vào,
thiết bị làm sạch và sấy khô, nhờ vậy có thể bảo quản chất lƣợng sản phẩm trong thời
gian dài hơn so với cách bảo quản bằng nhà kho thơng thƣờng. Do đó, kết cấu silo là giải
pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam. Ở Đồng
bằng sông Cửu Long cũng đã có một số các cụm silo vào thập niên 70 của thế kỷ trƣớc
nhƣ ở Cao Lãnh (48.000 tấn), Trà Nóc (10.000 tấn), Bình Chánh (12.000 tấn) nhƣng vì
kỹ thuật lạc hậu, thiết bị khơng đồng bộ nên không đƣợc sử dụng đúng công năng hoặc
bỏ trống [2].
Silo có nhiều ƣu điểm trong lƣu trữ sản phẩm khi so sánh với cách lƣu trữ bằng nhà
kho (bảng 1) [3]
Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho
SỬ DỤNG SILO

SỬ DỤNG NHÀ KHO

Xây dựng Silo không cần diện tích đất so với lƣợng lƣu trử. Tiết kiệm diện tích
đất.
-

Xây dựng nhà kho phải cần có diện tích
đất lớn. Chiếm rất nhiều đất đai.

-

Silo chứa khoảng 2m2 / Tấn.

-

-

Khơng phát sinh về diện tích đất khi
muốn tăng lƣợng chứa của silo.

Phát sinh về diện tích đất khi muốn mở
rộng lƣợng lƣu trữ.

-

Thời gian bảo quản nông sản loại hạt -

Thời gian lƣu trử sản phẩm ngắn, khó

-

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

Sức chứa 10m2/Tấn.

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

2
của silo dài và nhiều và bảo đảm đƣợc
chất lƣợng không giảm.

bản quản cho sản phẩm tốt đến khi xuất
kho.

-

Thời gian lƣu khoảng 3 năm.

-

Thời gian lƣu trữ trong kho là khoảng 1
năm phải xuất kho.

-

Silo có hệ thống bảo quản sẵn, để ngăn chăn sự phá hoại của côn trùng, vi
khuẩn (mọt, mối, ẩm mốc…). Sự thất
thốt là khơng có.

Lƣu trữ trong kho sẽ bị cơn trùng và vi
khuẩn phá hoại là đều khơng tránh khỏi,
sự thiệt hại đó nằm trong khoảng 2 –
6% lƣợng sản phẩm trong kho.

-

Thời gian nhập và xuất hàng ra nhanh, - Thời gian nhập và xuất hàng phải nói là
có thể vận chuyển trực tiếp tới bến tàu,
rất lâu, bất tiện. Do cần nhiều nhân cơng
tiết kiệm thời gian hồn thành hợp đồng
và sức ngƣời.
mua bán.

-

Silo có hệ thống máy đo và điều chỉnh - Do nhiệt độ và độ ẩm luôn thay đổi theo
nhiệt độ và độ ẩm bên trong Silo. Do
mùa, nên các hạt lƣu trữ trong kho
vậy, không làm thay đổi hoạt tính trong
khơng đƣợc giữ trạng thái ổn định, nhƣ
các hạt nơng sản, ln giữ đƣợc chất
vậy rất khó để bảo quản tính năng và
tƣơi của hạt. Rất thuận tiện việc bảo
chất lƣợng của hạt theo thời gian.
quản.

-

Silo không cần thêm một hệ thống quản - Phải cần một hệ thống quản lý kho, kế
lý nào nữa.
toán kiểm kê.
Tỉ lệ nhân cơng là 1:10 giảm chí phí - Tỉ lệ nhân cơng 10:1 tăng chi phí nhân
nhân cơng.
cơng, cấp quản lý…

-

-

Silo dựa vào một hệ thống xuất hàng và - Kho thì sự thất thốt khi vận chuyển do
ngun tắc của nó nên sự thất thốt
đổ tháo và kể cả con ngƣời quản lý nó.
trong vận chuyển là khơng có.
- Việc lƣu trữ trong kho, có rất nhiều
Theo nhƣ tham khảo ở trên việc đầu tƣ
nhƣợc điểm, tăng thời gian lấy lại vốn
Silo sẽ tiết kiệm thời gian hơn và sinh
cho nhà đầu tƣ.
lời hơn cho các nhà đầu tƣ.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


3

Hình 1.1. Mơ hình Silo vách trụ
Về mặt cấu tạo và hình dáng, silo thƣờng có dạng vách thẳng và vách trụ. Với các
Silo vách trụ, vách trụ có gợn sóng thƣờng đƣợc sử dụng hơn vách trụ phẳng do nó có độ
cứng theo phƣơng đứng tốt hơn.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

4

Hình 1.2. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tơng
Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên
cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong mơi trƣờng tự nhiên
phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng
cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


5

Hình 1.3. Silo thép với vách trụ có gợn sóng
Trong q trình hoạt động, các tải trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và
ma sát bề mặt trong của vách do các hạt sản phẩm gây ra. Ngồi ra, với những silo có
chiều cao lớn, cịn có thêm sự tác động của tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao
chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán bất ổn định kết cấu silo là bài tốn rất quan
trọng và cần những phân tích, Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) [3] (Finite
Element Method - FEM) đƣợc phát triển bởi Alexander Hrennikoff (1941) và Richard
Courant (1942). Cơ sở của phƣơng pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài
tốn, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử). Các phần tử này đƣợc liên kết
với nhau tại các điểm nút chung. Trong phạm vi mỗi phần tử đại lƣợng cần tìm đƣợc lấy
xấp sỉ trong dạng một hàm đơn giản đƣợc gọi là hàm xấp xỉ (Approximation function) và
các hàm xấp xỉ này đƣợc biểu diễn qua các giá trị của hàm tại các điểm nút trên phần tử.
Các giá trị này đƣợc gọi là bậc tự do của phần tử đƣợc xem là ẩn số cần tìm của bài toán.

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là phƣơng pháp số phổ biến và có độ chính
xác cao khi đƣợc dùng để phân tích kết cấu, đặc biệt là các bài toán bất ổn định kết cấu.
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật máy tính đã tạo điều kiện
thuận lợi cho việc ứng dụng các chƣơng trình tính tốn mạnh mẽ nhƣ ANSYS hay
GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


6
ABAQUS – các chƣơng trình đƣợc xây dựng dựa trên nền tản PP PTHH - để phân tích
ứng xử các kết cấu phức tạp nhƣ kết cấu silo tính tốn chính xác trong q trình thiết kế.

Hình 1.4. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS
1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài
1.2.1. Nghiên cứu ngồi nƣớc
Kết cấu silo đã đƣợc phát triển từ thế kỷ 19, đƣợc sử dụng rất phổ biến trong lĩnh
vực nông nghiệp và công nghiệp tại các nƣớc phát triển. Do vậy, kết cấu này thu hút
đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Một số nghiên cứu trong những
năm gần đây:
- Adam J. Sadowski và J. Michael Rotter (2010) [7] đã sử dụng PP PTHH
thơng qua chƣơng trình ABAQUS để phân tích bất ổn định cho silo dƣới tác
động của dòng chảy của sản phẩm đƣợc lƣu trữ trong silo. Trong nghiên cứu
này, nhóm tác giả sử dụng tiêu chuẩn Eurocode EN 1991-4 để tính tốn tải
GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


7

trọng do sản phẩm trong silo tác động lên thành silo. Các kết quả phân tích
bất ổn định của nghiên cứu rất phù hợp với các hiện tƣợng ngoài thực tế.
- Dhanya Rajendran (2014) [8] cùng các cộng sự đã thực hiện đã thực hiện so
sánh khả năng chịu tải trọng ngang của silo đƣợc xây từ bê tông cốt thép và
silo thép. Từ kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả này kết luận silo bê tơng cốt
thép có nhiều ƣu điểm hơn so với silo thép.
- Tawanda Mushiri (2014) [9] và các cộng sự đã sử dụng PP PTHH để phân
tích cho kết cấu silo 5.000 tấn chịu tải trọng đơn điệu (monotonic loads), silo
này đƣợc thiết kế để chứa sản phẩm khai thác từ quặng mỏ. Trong nghiên
cứu này, nhóm tác giả đã đạt đƣợc mục tiêu là phân tích đƣợc lực và áp suất
do quặng tác dụng lên silo, nhƣng chƣa đạt đƣợc mục tiêu phân tích bất ổn
định cho silo…
- Yu Xie (2015) [10] đã thực hiện Luận văn thạc sĩ về vấn đề ứng xử của kết
cấu silo, trong đó có ứng xử bất ổn định. Trong nghiên cứu này, tác giả tiến
hành thực nghiệm với một vài mơ hình và so sánh với kết quả tính tốn từ
chƣơng trình PTHH. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phù hợp cao giữa PP
PTHH và thực nghiệm.
1.2.2. Nghiên cứu trong nƣớc
Trong thời gian gần đây, kết cấu silo với nhiều tính năng lƣu trữ nổi trội so với các
nhà kho thông thƣờng đã thu hút đƣợc sự chú ý của nhiều công ty sản xuất, của các nhà
khoa học trong nƣớc. Một số công bố trong nƣớc gần đây có liên quan đến kết cấu silo:
- Nguyễn Tƣờng Long (2010) cùng các cộng sự [4] đã nghiên cứu xây dựng
chƣơng trình tính tốn silo dùng ANSYS APDL và VISUAL BASIC. Trong
nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mối liên kết giữa Visual Basic và
ANSYS APDL để tính tốn và thiết kế silo dạng trịn và dạng vng.
- Nguyễn Văn Cƣơng và Nguyễn Hồi Tân (2014) [5] nghiên cứu tính tốn
thiết kế silo tồn trữ cám viên với năng suất 500 tấn. Mục tiêu của nghiên cứu
GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

8
này là kiểm tra bền cho kết cấu đã thiết kế và tính tốn thơng gió bên trong
silo.
- Ngơ Quang Hƣng (2016) [6] đã thực hiện nghiên cứu tính tốn kết cấu bản
trịn bê tơng cốt thép (thƣờng áp dụng cho silo) theo tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 5574:2012.
Thực tế cho thấy rằng trong q trình sử dụng silo, có nhiều vấn đề cần đƣợc quan
tâm nghiên cứu nhƣ độ biến dạng của silo, khả năng thơng thống gió trong silo, kết cấu
thành silo… và những nghiên cứu gần đây tại Việt Nam cũng chủ yếu tập trung vào các
vấn đề này mà chƣa có nhiều cơng bố về vấn đề ổn định kết cấu silo.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam nằm trong nhóm những nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới. Theo Bộ
Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tổng sản lƣợng lúa thu hoạch năm 2016 là 43,6
triệu tấn, tuy nhiên khối lƣợng gạo xuất khẩu chỉ đạt 4,88 triệu tấn. Trong khi đó, hệ
thống lƣu trữ còn thiếu và lạc hậu về kỹ thuật nên gây nhiều khó khăn trong việc lƣu trữ.
Trong bối cảnh này, các kết cấu lƣu trữ silo là giải pháp tối ƣu. Do đó, vấn đề nghiên
cứu, phân tích ứng xử của silo để thiết kế và sản xuất silo phù hợp với hoàn cảnh địa lý
của Việt Nam là cấp bách.
Tại nƣớc ta, tuy có nhiều nghiên cứu về ứng xử bất ổn định tấm mỏng, tấm nhiều
lớp [7-10], nhƣng chủ yếu các nghiên cứu này tập trung phân tích các bài tốn mang tính
lý thuyết. Có rất ít những nghiên cứu về ổn định các kết cấu thực tế nhƣ silo đƣợc công
bố trong những năm qua. Do đó, trong Luận văn này, tác giả chọn Đề tài “Phân tích bất
ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn” dƣới sự hƣớng dẫn của
PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện.
1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này đƣợc thực hiện nhằm đáp ứng các mục tiêu sau:
- Mục tiêu 1: Tìm hiểu tổng quan kết cấu silo vách trụ, bao gồm:
GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


9
 Cấu tạo của silo vách trụ.
 Các phƣơng pháp tính tốn áp lực do sản phẩm lƣu trữ tác động lên
vách trong silo.
 Phân tích lựa chọn kết cấu silo phù hợp với khu vực Đồng bằng sông
Cửu Long.
- Mục tiêu 2: Tìm hiểu PP PTHH cho phân tích ứng xử bất ổn định tấm trụ.
 Tìm hiểu các loại phần tử dùng để mơ hình cho kết cấu.
 Qui trình phân tích bài tốn bất ổn định kết cấu tấm bằng PP PTHH.
- Mục tiêu 3: Nghiên cứu cách sử dụng chƣơng trình ANSYS để phân tích ứng
xử bất ổn định tấm vỏ trụ.
- Mục tiêu 4: Phân tích ảnh hƣởng tỉ lệ L/D đến tải tới hạn của silo.
1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Kết cấu silo vách trụ.
- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung phân tích ứng xử bất ổn định của kết cấu
silo vách trụ dƣới tác động của tải trọng ngang.
1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp số đƣợc phát triển dựa vào các lý thuyết cơ học và liên tục đƣợc kiểm
chứng bởi các kết quả thí nghiệm. Tùy theo từng điều kiện chịu lực của kết cấu, các lý
thuyết tính tốn có thể phát huy đƣợc tính ƣu việt của mình một cách thích hợp. Ngoài ra,
ƣu điểm của phƣơng pháp số là tranh thủ đƣợc những tiến bộ khoa học của nhiều nghiên
cứu từ trƣớc tới nay. Những tri thức này liên tục đƣợc bổ sung, tích lũy trong các mơ hình
tính tốn.
Hiện nay, phƣơng pháp tính tốn số đang phát triển rất mạnh, đặt biệt là phƣơng
pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) với sự ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực,
đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế kết cấu thép. PP PTHH có thể dự đốn trƣớc tải tới hạn

cũng nhƣ các dạng bất ổn định của dầm, từ đó giúp q trình thiết kế đƣợc tới ƣu hơn.
GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


10
Do đó trong Luận văn này, tác giả sử dụng phƣơng pháp tính tốn số, cụ thể là
phƣơng pháp phân tử hữu hạn để phân tích bất ổn định cho kết cấu Silo vách trụ.
1.7. Lợi ích của Đề tài
1.7.1. Lợi ích khoa học
Việc áp dụng các phƣơng pháp số trong tính tốn để phân tích các ứng xử cơ học
của kết cấu là một trong những xu hƣớng đang đƣợc các nhà nghiên cứu cũng nhƣ các
nhà kỹ thuật rất quan tâm. Dựa trên các kết quả mô phỏng tính tốn, chúng ta có thêm cơ
sở khoa học để đánh giá tính hiệu quả và an tồn của thiết kế, cũng nhƣ đƣa ra đƣợc các
đề xuất cải tiến, tối ƣu hóa kết cấu.
1.7.2. Lợi ích thực tiễn
Việc tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu ứng xử bất ổn định của kết cấu là rất
tốn kém, đặc biệt là với kết cấu phức tạp nhƣ silo. Vì vậy, việc ứng dụng các phần mềm
tính tốn PTHH mạnh mẽ nhƣ: ANSYS, ABAQUS,.. để phân tích ứng xử bất ổn định của
silo có ý nghĩa thực tiễn đặc biệt quan trọng.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


11

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Giới thiệu bài toán bất ổn định
2.1.1. Trạng thái ổn định của kết cấu
Ổn định là tính chất kết cấu giữ nguyên đƣợc:
- Vị trí ban đầu của nó.
- Dạng cân bằng ban đầu trong trạng thái biến dạng tƣơng đƣơng với các tải
trọng tác dụng.
Ổn định là khả năng duy trì hình thức biến dạng ban đầu nếu bị nhiễu. Trong thực
tế, yếu tố nhiễu có thể đƣợc coi là sự sai lệch so với sơ đồ tính tốn ban đầu nhƣ độ cong,
sự nghiêng hoặc lệch tâm của lực tác dụng.
Ổn định có 3 dạng, có thể đƣợc minh họa bởi sự cân bằng của viên bi đặt trong mặt
cầu lõm, đặt trong mặt cầu lồi và đặt trên mặt phẳng.

Hình 2.1. Các dạng ổn định
Sau khi cho viên bi ra khỏi vị trí cân bằng ban đầu với một giá trị vô cùng bé, rồi
thả ra, ta nhận thấy:
- Trƣờng hợp thứ nhất: hịn bi dao động quanh vị trí ban đầu, rồi cuối cùng trở
về vị trí cũ. Nhƣ vậy, vị trí này là vị trí cân bằng ổn định. Khi hịn bi lệch

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


12
khỏi vị trí cân bằng ổn định, thế năng của nó tăng lên. Do đó, vị trí hịn bi ở
đáy lõm cầu tƣơng đƣơng thế năng cực tiểu.
- Trƣờng hợp thứ hai: hịn bi khơng quay trở về vị trí ban đầu mà tiếp tục lăn
xuống phía dƣới. Vị trí này là vị trí cân bằng khơng ổn định. Khi hịn bi lệch
khỏi vị trí này, thế năng của hịn bi giảm xuống. Do đó, vị trí cân bằng
khơng ổn định của hòn bi tƣơng ứng với thế năng của hòn bi là cực đại.

- Trƣờng hợp thứ ba: hòn bi khơng quay về vị trí ban đầu, nhƣng cũng khơng
chuyển động tiếp tục. Vị trí này gọi là vị trí cân bằng phiếm định. Trong
trƣờng hợp này, thế năng của viên bi là không đổi.
2.1.2. Trạng thái bất ổn định
Bất ổn định là ứng xử của một kết cấu hay một hệ kết cấu đột nhiên bị biến dạng và
lệch ra khỏi mặt phẳng đặt tải. Bất ổn định có thể xảy ra đối với mọi phần tử, có thể là
cột, dầm, khung, tấm…
Bất ổn định đƣợc chia làm nhiều dạng khác nhau: bất ổn định nén, bất ổn định uốn
(Flexural Buckling), bất ổn định xoắn (Torsional Buckling), bất ổn định uốn xoắn đồng
thời (Flexural_Torsional Buckling).
Mọi kết cấu đều chịu đƣợc lực và moment với một giá trị nhất định, vƣợt qua giá trị
đó thanh sẽ bị biến dạng và đƣợc coi là bất ổn định.
Xét một thanh thẳng, dài, mảnh, một đầu ngàm, một đầu chịu nén đúng tâm bởi lực
P nhƣ hình 2.2.

Hình 2.2. Mơ hình thanh chịu nén đúng tâm
GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng


13
Khi có tải trọng ngang (gió, khuyết tật vật liệu hay sự lệch tâm của lực P, …) tác
động vào thanh, thanh sẽ bị nhiễu động. Sự nhiễu động này đƣợc quy thành lực ngang R.
- Khi giá trị của lực P nhỏ, thanh đƣợc gọi là kéo nén đúng tâm. Khi xuất hiện
nhiễu động R thì thanh sẽ cong, tuy nhiên thanh sẽ thẳng trở lại nếu R mất
đi. Trạng thái này đƣợc gọi là trạng thái ổn định của thanh.
- Khi lực P đƣợc tăng dần: R xuất hiện sẽ làm thanh cong, tuy nhiên khi R
triệt tiêu thì thanh vẫn cong, khơng trở về trạng thái thẳng ban đầu. Trạng
thái này đƣợc gọi là trạng thái bất ổn định của thanh.

Hình 2.3. Các trạng thái của thanh chịu kéo nén đúng tâm
Tồn tại trạng thái trung gian (chuyển tiếp) giữa hai trạng thái ổn định và bất ổn
định: trạng thái tới hạn. Tải trọng tƣơng ứng gọi là tải trọng tới hạn Pth.
Khi xảy ra bất ổn định thì dù chỉ của một thanh trong hệ cũng dẫn tới sự sụp đổ của
tồn bộ kết cấu. Tính chất phá hoại do bất ổn định là đột ngột và nguy hiểm. Vì vậy, khi
thiết kế ngồi điều kiện bền thì thiết kế cần phải đảm bảo cả điều kiện ổn định.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng