Tài liệu Tính toán kết cấu tháp truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ----------------------------------- NGUYỄN VĂN TUẤN TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ----------------------------------- NGUYỄN VĂN TUẤN KHÓA: 2014 – 2016 TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HỮU THANH Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI ----------------------------------NGUYỄN VĂN TUẤN KHÓA: 2014 – 2016 TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ HỮU THANH XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN Hà Nội 2016 LỜI CÁM ƠN Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc về sự giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích thường xuyên của các thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của Khoa Đào tạo sau đại học trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân thành cảm ơn Tiến sĩ Lê Hữu Thanh đã tâm huyết, tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy, cô trong Hội đồng chấm luận văn đã tham gia đóng góp ý kiến quý báu cho bản luận văn. Tôi xin trân thành cảm các bạn đồng nghiệp, gia đình, đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2016 Học viên NGUYỄN VĂN TUẤN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoanLuận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN NGUYỄN VĂN TUẤN MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng, biểu Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1  Tính cấp thiết của đề tài ................................................................. 1  Mục đích nghiên cứu của đề tài ..................................................... 2  Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 3  Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................... 3  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài....................................... 3  Cấu trúc luận văn của đề tài .......................................................... 3 NỘI DUNG ................................................................................................... 5 CHƢƠNG 1: KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH ...................................... 5 1.1. Tổng quan về kết cấu tháp truyền hình. ....................................... 5 1.1.1. Khái niệm ......................................................................................... 5 1.1.2 Phân loại kết cấu tháp ....................................................................... 6 1.1.3 Cấu tạo tháp thép .............................................................................. 9 1.2. Tải trọng tác dụng ........................................................................ 10 1.2.1 Tĩnh tải ........................................................................................... 10 1.2.2 Hoạt tải ........................................................................................... 11 1.2.3 Tải trọng gió ................................................................................... 11 1.2.4 Tải trọng động đất và các loại tải trọng khác .................................. 11 1.3. Tổ hợp tải trọng ............................................................................ 12 1.4. Tính toán nội lực........................................................................... 12 1.4.1 Phương pháp giải tích ..................................................................... 13 1.4.2 Phương pháp số .............................................................................. 15 CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP PTHH ............................................................................ 19 2.1. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu ............. 19 2.1.1 Khái niệm và các bước thực hiện .................................................... 19 2.1.2 Các phương trình cơ bản................................................................. 22 2.2. Tính toán kết cấu tháp bằng phƣơng pháp PTHH ..................... 27 2.2.1 Phần tử thanh chịu kéo (nén) .......................................................... 27 2.2.2 Phần tử thanh trong dàn phẳng. ...................................................... 30 2.2.3 Phần tử thanh dàn không gian:........................................................ 35 2.3. Chƣơng trình tinh toán kết cấu tháp thép truyền hình .............. 37 2.3.1 Lập trình chương trình tính bằng ngôn ngữ Fortran ........................ 39 2.3.2 Thiết lập xử lý file dữ liệu đầu vào cho chương trình tính trên GID 50 2.3.3 Thiết lập xử lý giao diện Pre-process của chương trình bằng GID .. 58 2.3.4 Thiết lập xử lý giao diện Post-process của chương trình bằng GID 62 CHƢƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................ 64 3.1. Ví dụ tính toán 1 ........................................................................... 64 3.2. Ví dụ tính toán 2 ........................................................................... 73 3.2.1 Số liệu tính toán.............................................................................. 73 3.2.2 Kết quả tính toán ............................................................................ 75 3.3. Phân tích đánh giá kết quả tính toán........................................... 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên đầy đủ STT Chữ viết tắt 1 Fortran 2 GUI 3 GID Phần mềm xử lý dao diện đồ họa 4 PTHH Phần tử hữu hạn Formula Translating System – Ngôn ngữ lập trình sử dụng cho phương pháp số Graphical User Interface – Giao diện người dùng đồ họa DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU Số liệu bảng, biểu Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Bảng 3.4. Bảng 3.5. Bảng 3.6. Bảng 3.7. Bảng 3.8. Tên bảng, biểu Số liệu tính toán Bảng so sánh kết quả nội lực Tọa độ nút của phần tử Đặc trưng hình học mặt cắt ngang của thanh dàn Thông số đầu vào vật liệu Kết quả chuyển vị tại nút Kết quả phản lực liên kết tại chân cột So sánh kết quả lực dọc trong thanh của dàn Trang 65 72 74 75 75 76 77 78 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số liệu hình Tên hình Trang Hình 1.1. Tháp dạng dây co [16] 7 Hình 1.2. Tháp dạng tự đứng có đường biên gẫy khúc 8 Hình 1.3. Tháp dạng tự đứng có đường biên dạng Parabol 8 Hình 1.4. Cấu tạo chân tháp (loại 3 chân) và mặt cắt ngang tháp 9 Hình 1.5. Cấu tạo đốt thân tháp 10 Hình 1.6. Giải bài toán theo phương pháp PTHH 17 Hình 2.1. Thanh chịu kéo nén đúng tâm 28 Hình 2.2. Thanh chịu kéo (nén) trong dàn phẳng 31 Hình 2.3. Chuyển trục tọa độ của phần tử thanh dàn phẳng 33 Hình 2.4. Thanh dàn không gian 35 Hình 2.5. Cấu trúc chương trình tính toán kết cấu 38 Hình 2.6. Sơ đồ khối của chương trình tính toán 41 Hình 2.7. Cấu trúc Mesh module 42 Hình 2.8. Cấu trúc của Marcro module 43 Hình 2.9. Sơ đồ khối của chương trình tính toán 44 Hình 2.10. Thẻ nhập thông số vật liệu 60 Hình 2.11. Thẻ gán điều kiện biên liên kết tại nút 61 Hình 2.12. Thẻ gán tải trọng tại nút 62 Hình 3.1. Ví dụ tính toán 1 65 Hình 3.2. Mô hình kết cấu tạo ra trong GID 66 Hình 3.3. Gán liên kết, ràng buộc liên kết (a) và tải trọng trong thanh (b) 66 Hình 3.4. Liên kết và ràng buộc liên kết của hệ kết cấu 67 Hình 3.5. Tải trọng tác dụng được gán lên hệ kết cấu 67 Hình 3.6. Số nút và phần tử trong hệ kết cấu sau chia lại phần tử 68 Số liệu hình Tên hình Trang Hình 3.7. Thông báo số phần tử và nút sau khi mesh 69 Hình 3.8. Biểu diễn kết quả chuyển vị bằng Contour 71 Hình 3.9. Sơ đồ biến dạng của hệ kết cấu 72 Hình 3.10. Kết cấu tháp truyền hình 73 Hình 3.11. Mô hình tính toán kết cấu tháp truyền hình 76 Hình 3.12. Điều kiện biên gán tại nút của kết cấu tháp 77 1 MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài Việt nam trong những năm gần đây, lĩnh vực viễn thông và truyền hình đã và đang phát triển mạnh mẽ với những con số thống kê đầy ấn tượng[14]. Trên suốt chiều dài lãnh thổ Việt Nam, sóng truyền hình và viễn thông đã bao phủ tới tận các làng xã, thôn xóm. Do vậy, việc tiếp cận thông tin của người dân đã được cải thiện, đời sống vật chất và tinh thần do đó được nâng cao. Nhân tố quan trọng giúp ngành truyền hình phát triển và đạt được thành quả như đã nêu phải kể tới vai trò quan trọng và không thể thiếu của tháp truyền sóng (tín hiệu) gọi chung là tháp truyền hình.Đây là kết cấu có chiều cao lớn được lắp đặt các thiết bị thu phát sóng bên trên. Chiều cao và kết cấu của tháp quyết định độ rộng phủ sóng của tín hiệu truyền hình khi hoạt động. Tại Việt Nam, kết cấu tháp thường được chế tạo bằng vật liệu kim loại (chủ yếu là thép) với dạng kết cấu điển hình là dàn không gian 3 chiều. Trong đó, các thanh dàn được chế tạo từ các thép góc hoặc ống, liên kết với nhau tại nút bằng mối nối hàn hoặc bu lông. Trong tính toán, các thanh được xem như chịu tác dụng của lực kéo hoặc nén dọc theo trục thanh. Tháp có thể được thiết kế với hình dáng không thay đổi hoặc thu nhỏ dần theo chiều cao của tháp. Theo cách liên kết với móng, kết cấu tháp được chia làm hai loại: (1) Loại tự đứng, là tháp có tiết diện thay đổi theo chiều cao, được liên kết với móng thông qua các chân tháp (3 hoặc 4 chân), tháp có thể tự đứng mà không cần các dây neo nối với móng. Thông thường loại tháp này có chiều cao lớn, dùng cho các tram thu phát tín hiệu có công suất lớn. (2) Tháp neo, dùng cho các tram thu phát tín hiệu có công suất nhỏ, tháp có các dây neo bố trí dọc theo chiều cao để cố định và chịu các tải trọng ngang. 2 Trong tính toán, kết cấu tháp thép đã được đưa vào giảng dạy từ rất sớm trong các trường đại học ở nước ta[2],[3]. Trong các tài liệu này, kết cấu tháp (trụ) thép cũng như tính toán các cấu cơ bản của tháp (trụ) đã được giới thiệu. Tuy nhiên, hiện nay do sự phát triển của máy tính, các phương pháp tính cũng như yêu cầu về công nghệ trong lĩnh vực thông tin truyền hình, kết cấu tháp cần được tính toán tối ưu hơn, thiết kế cao hơn, thi công nhanh chóng hơn, thẩm mỹ hơn và ngày càng cao hơn trong chiều cao thiết kế. Mặt khác, trong những năm gần đây, do tác động sự biến đổi khí hậu mà ảnh hưởng rõ rệt nhất của nó là sự không lường trước được sức ảnh hưởng và vùng ảnh hưởng của các cơn bão đổ bộ vào Miền Bắc nước ta. Trong một vài năm gần đây, một số tháp truyền hình được xây mới đã bị sụp đổ dưới tác động của gió bão, ví dụ như: tháp truyền hình Nam Định cao 180 m bị đổ do bão năm 2010, tháp truyền hình xã Quảng Long, H. Hải Hà, Quảng Ninh, cao 35 m đổ do bão năm 2014.Đặc biệt trong số một số công trình được thiết kế và nhập cấu kiện từ nước ngoài. Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp tính cũng như đề xuất quy trình các bước thực hiện trong tính toán nội lực tháp thép truyền hình là thiết thực và cần thiết trong bài toán thiết kế tháp truyền hình hiện nay. Trên cơ sở đó, đề tài “Tính toán tháp truyền hình bằng phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH)” được lựa chọn làđề tài nghiên cứu của luận văn này.  Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu: + Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 3 + Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực của tháp truyền hình.  Phạm vi nghiên cứu Đề tài được thực hiện để nghiên cứu cho kết cấu tháp thép dạng tự đứng có cấu tạo không gian với tiết diện mặt cắt ngang thay đổi thay đổi theo chiều cao dùng cho ngành truyền hình.  Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong đó xây dựng bài toán tính toán nội lực của tháp trên cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH. Bài toán này là cơ sở để xây dựng chương trình tính bằng phần mềm lập trình sử dụng ngôn ngữ Fortran kết hợp phần mềm GID - được sử dụng để thiết lập dao diện của chương trình. Kết quả tính toán bằng chương trình thiết lập trong luận văn được so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm đã phát triển thành công và ứng dụng phổ biến hiện nay.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài được lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay trong phát triển, tính toán và thiết kế kết cấu tháp thép dùng trong lĩnh vực truyền hình. Đồng thời, kết quả của đề tài cũng được sử dụng cho mục đích công việc học tập giảng dạy của tác giả sau khi hoàn thành khóa học.  Cấu trúc luận văn của đề tài Đề tài sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH để xây dựng bài toán tính nội lực của kết cấu tháp thép truyền hình. Phần mềm Fortran được sử dụng để viết chương trình tính sử dụng cho luận văn. Giao diện của chương trình (xử lý số liệu đầu vào và kết quả của bài toán) được 4 thiết lập dựa trên nền tảng của phần mềm GID. Do vậy, cấu trúc của luận văn được tác giả chia thành các chương chính sau: Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài. Nội dung: Chƣơng 1: Kết cấu tháp truyền hình. Chƣơng 2: Tính toán kết cấu tháp truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Chƣơng 3: Ví dụ tính toán. THÔNG BÁO Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội. Email: [email protected] TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1) Kết luận Đề tài nghiên cứu tính toán nội lực tháp truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Đề tài kết hợp lập trình giao diện GID và ngôn lập trình Fortran để phát triển một chương trình tính toán nội lực cho tháp truyền hình bằng thép. Trong đó GID được sử dụng để viết giao diện của bài toán, Fortran phát triển chương trình tính. Với nội dung đã trình bày luận văn đã được thực hiện với mục tiêu đạt được như sau: 1) Thiết lập được bài toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 2) Sử dụng kết hợp phần mềm GID và Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực của tháp truyền hình. 3) Kết quả tính toán của phần mềm thiết lập từ luận văn có kết quả chính xác với kết quả tính toán được từ các phần mềm thương mại khác Với kết quả đạt được, chương trình tính toán của luận văn có thể được áp dụng trong tính toán nội lực tháp thép phục vụ công tác học tập và nghiên cứu cũng như thiết kế của tác giả. 2) Kiến nghị Trong thực tế tháp truyền hình chịu tác động đáng kể của các tác nhân động như: gió động, ..Do vậy, chương trình cần được nghiên cứu phát triển thêm cho bài toán động (tải trọng động, dao động tự do). Do kết cấu được chế tạo bằng thép, do vậy ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự làm việc của hệ kết cấu là rất lớn. Do vậy, cần phải phát triển, kể thêm loại tải trọng này vào chương trình tính toán mà luận văn đã phát triển. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bộ môn kết cấu thép, khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà nội: "Bài giảng thép đặc biệt - Kết cấu thép trụ", 2014. 2. Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết và lập trình, Tập 1, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000. 3. Nguyễn Quốc Bảo và Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết và lập trình, Tập 2, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2000. 4. Phạm Văn Hội, Nguyễn QuangViên, Phạm Văn Tư và Lưu Văn Tường, Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. 5. Trịnh Tự Lực, Bài giảng "Phương pháp số", Khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà Nội. 6. Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong và Mai Đức Đài, Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu, Hồ Chí Minh: Nhà XB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. 7. TCVN 2737: 1995 "Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế"., Nhà xuất bản Xây dựng. 8. Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 5575:2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội, 2012. 9. TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất, Hà Nội: Nhà Xuất bản Xây dựng, 2012. 10. Chu Quốc Thắng, Phương pháp phần tử hữu hạn, Hà Nội: Nhà XB Khoa học và Kỹ thuật, 1997. 11. Lều Thọ Trình, Cơ học kết cấu - Tập 2: Hệ siêu tĩnh, Hà Nội: Nhà XB Khoa học kỹ thuật, 2006. Tiếng Anh 12. F. Hartmann and C. Katz, Structural Analysis with Finite Element, Berlin: Springer, 2007. 13. Mark. S. Gockenbach, Understanding and Implementing the Finite Element Method, Philadelphia : Society for Industrial and Applied Mathematics Philadelphia , 2006. Website 14."Bộ Thông tin và Truyền Thông," [Online]. Available: http://mic.gov.vn. 15."Bộ Xây dựng - Trang thông tin KHCN," 03 2016. [Online]. Available: http://www.xaydung.gov.vn/. 16. Golddeed Development Ltd [Online]. Available: http://www.goldeed.com