Tiến Sĩ Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu xác định các thông số hợp lý của kết cấu thép cần trục tháp theo tiêu chuẩn Việt Nam


MỤC LỤC
Trang phụ bìa Trang
Lời cam đoan i
Lời cám ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiêu dùng trong luận án vii
Ký hiệu viết tắt dùng trong luận án X
Danh mục các hình vẽ, ảnh trong luận án xi
Danh mục các bảng dùng trong luận án xiii
MÒ ĐẦU 1
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN cúu 7
1.1. Tổng quan về cần trục tháp xây dựng 7
1.2. Kết cấu thép cần trục tháp 12
1.2.1. Phân tích đặc điểm kết cấu tháp và cần 12
1.2.2. Phân nhóm thông số cơ bản kết cấu thép cần trục tháp 15
1.3. Tiẽu chuẩn tính toán kết cấu thép cần trục tháp 20
1.4. Các sơ đó tính và phương pháp tính toán kết cấu thép cần trục tháp.21
1.4.1 .Sơ đồ tính toán và tổ hợp tải trọng 22
1.4.2. Phương pháp số trong tính toán kết cấu thép cần trục tháp và thiết bị
nâng 24
1.4.3. Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu kết cấu thép cần trục tháp 25
1.5. Xác định mục tiêu và nội dung của luận án 28
Kết luận chương 1 29
Chương 2 - NGHIÊN CÚƯ cơ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỢP LÝ KẾT CẤU THÉP CẦN TRỤC THÁP 32
2.1. Cơ sở tính toán xác định các thành phần tải trọng 32
2.2. Xây dựng các nhóm tải trọng và tổ hợp tải trọng 37
2.2.1. Xây dựng các nhóm tải trọng 37
2.2.2. Các trường hợp tải trọng tính toán thiết kế. 38
2.2.3. Xây dựne các tổ hợp tải trọng khi không kể đến biến dạng lớn của
kết cấu thép cần trục tháp 39
2.2.4. Xây dựne các tổ hợp tải trọng có kể đến biến dạng lớn cùa kết cấu
thép cần trục tháp 41
2.3. Tính toán kết cấu thép cần trục tháp theo phương pháp phần tử
hữu hạn 44
2.3.1. Phần tử thanh khồng gian 44
2.3.2. Tính nội lực trong phần từ 51
2.4. Cơ sở xác định các thóng số hợp lý kết cấu thép cần trục tháp theo
lỷ thuyết tối ưu 53
2.4.1. Các dạng bài toán và phương pháp cơ bản giải bài toán tối ưu
kết cấu 53
2.4.2. Phân tích xác định các đặc điểm bài toán xác định các thông số hợp
lý của kết cấu thép cần trục tháp 55
Kết luận chương 2 57
Chương 3 - BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG số HỢP LÝ CỦA
KẾT CẤU THÉP CẤN TRụC THÁP 59
3.1. Nghiên cứu thuật toán hoá quá trình tính toán kết cấu thép cần
trục tháp 59
3.2. Xâv dựng bài toán xác định các thòng số hợp lý 62
3.2.1. Các thông số cho trước và biến thiết kế. 62
3.2.2. Các điều kiện ràng buộc và hàm mục tiêu 66
3.2.3. XÉC định các thông số hợp lý theo nguyên lý R.Bellman 70
3.3. Bài toán xác định tiết diện hợp lý 71
3.3.1. Phươne pháp giải bài toán 71
3.3.2. Xác định điều kiên biên 75
3.4. Bài toán xác định các kích thước hợp lý 76
3.4.1. Phươne pháp giải bài toán 76
3.4.2. Xác định điẻu kiện biên 81
3.5. Chương trình CraneVN 82
3.5.1. Giới thiêu chươne trình 82
3.5.2. TỔ chức cơ sở dữ liệu chương trình tính 85
3.6. Bài toán xác định các vị trí tài trọng nguy hiếm trén cán 86
Kết luận chương 3 91
Chương 4 - NGHIÊN cúu THỤC NGHIỆM VÀ THỬNGHIỆM
BẰNG SỐ ’ 93
4.1. Nghiên cứu thực nghiệm 94
4.1.1. Đối tượng thực nghiệm và các thiết bị thực nghiêm 94
4.1.2. Các bước iổ chức thực nghiệm 95
4.1.2.1. Lựa chọn thông số đo, vị trí và trạng Ihái cần trục 95
4.1.2.2. Còng tác chuẩn bị 96
4.1.2.3. Trình tự thực hiện 98
4.1.3. Phương pháp xử lý số liệu 99
4.1.3.1 .Xây dựng bài toán thực nghiệm lý thuyết 99
4.1.3.2. XÙ lý kết quà đo Ihực nghiệm 101
4.1.4.So sánh, đánh giá kết quà 103
4.2. Thử nghiệm bằng số xác định thòng số hợp lý 105
4.2.1. Lựa chọn dữ liệu phái sinh ban đấu 105
4.2.2. Xác định các tiết diện hợp lý 108
4.2.3. Xác định kích thước hình học hợp lý 111
Kết luận chương 4 116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Bố 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO 121
CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Dừ liộu phát sinh ban đầu thiết kế kết cấu thcp cần trục tháp.
Phụ lục 2: Triển khai thuật toán tính toán kết cấu thcp cần trục tháp.
Phụ lục 3: Phần tử thanh không gian.
Phụ lục 4: Số liệu tính toán vị trí tải trọng trôn cần.
Phụ lục 5: Nội lực tính theo eiá trị tải trọng thực nghiệm.
Phụ lục 6: Mã chương trình CraneVN.



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của để tài
Cần trục tháp là một loại thiết bị xây dựng quan trọng trong vận chuyển lôn cao, đặc biệt trong thi còng các công trinh có chiều cao lớn. Trên thế giới cần trục tháp đã được nghiôn cứu và chế tạo bởi nhiẻu hãng sản xuất nổi tiếng
ở các quốc gia khác nhau như: Liebherr, Sumitomo, Manitowoc, Potain
chúng được chế tạo với nhiéu kiểu dạng và thông số kỹ thuật khác nhau theo các tiôu chuẩn tiôn tiến như FEM, ISO. Sản phẩm của các hăng này tương đối hoàn thiộn, tuy nhiôn các nghicn cứu xác định các thông số hợp lý thường không được công bố.
Ờ Việt Nam cùng với sự phát triển các vãn phòng và chung cư cao tầng nôn nhu cầu sử dụng cần trục tháp là rất lớn. Tuy nhiôn việc nghiên cứu đi sâu chưa nhiều. Các cần trục tháp chế tạo hiện nay được thiết kế theo mầu hoặc sử dụng thiết kế của nước ngoài và chủ yếu gia công chế tạo kết cấu thcp. Hiộn nay tiêu chuẩn TCVN 4244- 2005 là duy nhất cho thiết kế, chế tạo, kiểm định thiết bị nâng ở Việt Nam. Ticu chuẩn này về cơ bản phù hợp với các tiôu chuẩn tiên tiến FEM, ISO. Tuy nhiên ticu chuẩn TCVN4244-2005 chỉ có các ràng buộc về tính toán thiết kế chung cho thiết bị nâng, không đẻ ra phương pháp triổn khai bài toán cho cần trục tháp và phương pháp xác định các thông số hợp lý. Vì lí do trên mà cần thiết phải nghiôn cứu thiết kế hợp lý cần trục tháp mà trước mắt là bộ phận phù hợp với khả năng gia công chế tạo là kết cấu thcp trôn cơ sở ticu chuẩn thiết kế hiện nay ở Viột Nam. Nghiôn cứu này nhằm chủ động trong tính toán thiết kế, giảm giá thành sản phẩm.
Kết cấu thcp cần trục tháp là một kết cấu dàn không gian phức tạp dạng tháp - cần với hàng ngàn phần tử, có kích thước và khối lượng rất lớn nhưng độ cứng lại nhỏ. Chi phí cho chế tạo phần kết cấu thcp chiếm một phần khá
lớn trong giá thành sản phẩm. Kết cấu thcp cẩn trục tháp trong trạnẹ thái làm việc cũnẹ như không làm việc chịu tác dụng của rất nhiều loại tải trọnẹ và có tổ hợp tải trọng phức tạp đòi hỏi phải tính toán rất nhiéu lần mới có thể kết luận được khả năng làm việc của kết cấu. Vì vậy việc tính toán kết cấu thcp cần trục tháp là rất phức tạp, tốn nhiều cỏnẹ sức và thời ẹian.
Trong giai đoạn ẹần đây việc tính toán nội lực kết cấu bầnẹ phươnẹ pháp PTHH với sự trợ giúp của máy tính điộn tử cho phcp chúng ta giải được bài toán lớn, phức tạp một cách nhanh chóng và cũnẹ nhờ máy tính điộn tử mà ta có the giải các bài toán theo nhữnẹ lý thuyết mà trước kia khó thực hiện được. Do đó nẹhiôn cứu phương pháp xác định các thónẹ số hợp lý bằng ứng dụnẹ tin học với các phương pháp phán tích kết cấu hiộn đại là xu hướnẹ phát triển tất yếu trong ẹiai đoạn hiện nay.
Trong lĩnh vực thiết kế kết cấu thcp của các thiết bị nâng thì ở Việt Nam chưa có nhiều nghicn cứu đã cỏnẹ bố về vấn đề thiết kế tối ưu, chỉ có một số đc tài, ví dụ như nghicn cứu tối ưu kết cấu thcp cần trục dạng cầu, một số nghicn cứu bước đầu về tính toán kết cấu thcp cần trục tháp (thực hiện bởi Bộ mòn Máy Xây dựnẹ - Trường Đại Học Xây dựng). Viộc nẹhicn cứu nhầm có được kết cấu cần trục tháp hợp lý đã được nhiều nhà khoa học trên thế ẹiới cóng bố, nhưng nhìn chung theo hai hướng cơ bản là xác định tải trọng hợp lý tác dụng vào kết cấu và xác định các thónẹ số hợp lý hệ kết cấu thcp cẩn trục tháp.
Do tính chất kết cấu, đặc điểm chịu tải trọng nôn thiết kế tối ưu kết cấu thcp cẩn trục tháp là một vấn đé phức tạp với khối lượng tính toán lón, do đó các nghicn cứu về tối ưu đã cỏnẹ bố được biết chỉ đặt bài toán trong trườnẹ hợp tách rời ricng rẽ, sử dụnẹ sơ đồ thanh tương đương để tính toán hoặc xác định tiết diện ngang trong bài toán sơ bộ của một bộ phận kết cấu (nội lực kết
cấu là thòng số đầu vào hoặc tải trọng coi là cố định). Điều này dần đến kết quả nghicn cứu rất khó sử dụng trực tiếp được vào bài toán thiết kế kỹ thuật.
Qua nghicn cứu những thành tựu đã đạt được trong lĩnh vực tính toán kết cấu thcp cần trục tháp trôn thế giới và đặc điểm Việt Nam, đô tài “Nghiên cífu xác định các thông số hợp lý của kết câu thép cần trục tháp theo tiéu chuẩn Việt Nam” là cấp thiết hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghicn cứu xây dựng cơ sở tính toán và phương pháp luận xác định các thông số hợp lý của kết cấu thcp cần trục tháp trôn cơ sở ứng dụng sáng tạo các thành tựu và phương tiện tính toán hiện đại nhầm giải quyết những ycu cầu thiết thực của khoa học - còng nghệ và thực tiẻn. Các nghicn cứu này góp phần nâng cao chất lượng thiết kế, hạ giá thành sản phẩm, chủ động thiết kế chế tạo kết cấu thcp cần trục tháp và các thiết bị nâng khác ở Viột Nam hiện nay.
3. Đỏi tượng nghiên cứu
Đối tượng nghicn cứu của luận án là kết cấu thcp cần trục tháp loại đầu quay, là loại cần trục tháp thòng dụng nhất hiện nay trong xây dựng nhà cao tầng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các mục đích đặt ra, luận án sử dụng các phương pháp nghicn cứu sau:
- Phương pháp phân tích tổng hợp đô xây dựng các mục ticu, nhiệm vụ và mô hình tính toán của luận án. Phương pháp thống kô từ các cần trục tháp đã chế tạo để xác định miền các thống số.
- Phương pháp toán học đế xây dựng bài toán xác định thông số hợp lý.
- Phươnẹ pháp số trong tính toán kết cấu cũng như giải bài toán xác định thông số hợp lý.
- Phương pháp thực nghiệm để đánh giá và kiểm chứng kết quả tính.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiền của đề tàỉ luận án
- Bài toán xác định các thòng số hợp lý của kết cấu thcp cẩn trục tháp sử dụng phương pháp PTHH và xét tổng the toàn bộ cần trục theo mó hình không gian gần với kết cấu thực, đáp ứng ycu cầu tính toán với những tổ hợp tải trọng phức tạp, nên kết quả nhận được của bài toán là tin cậy và chính xác, phục vụ trực tiếp được cho thiết kế kỹ thuật.
- Áp dụng một cách sáng tạo tư tườna nguyên lý R.Bcllman để giải bài toán có điều kiện tính toán phức tạp là xác định các thông số hợp lý của kết cấu thcp cần trục tháp, phù hợp với đicu kiện thực tế.
- Luận án xây dựng bài toán dưới dạng tổng quát và thiết lập chương trình tính toán chuycn dụng, không những có the xác định trực tiếp các thòng số họp lý theo phương pháp luận nghicn 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 phương pháp thực nghiệm trcn các Máy xây dựng khác nhau.
6. Bỏ cục của Luận án: Luận án được bố cục theo các nội dung sau Mở dầu
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Trình bày các kiến giải chung về cần trục tháp, kết cấu thcp cần trục tháp và giới thiệu các các công trình nghicn cứu đă đạt được trong lĩnh vực tính toán thiết kế và thiết kế hợp lý kết cấu thcp cần trục tháp. Thông qua việc



TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyẽn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2003), Phương pháp phần tử hữu
hạn - lý thuyết và lập trình (tập 1, tập 2), Nhà xuất bản Khoa học và Ky thuật Hẩ Nội.
2. Vũ Licm Chính , Phạm Quang Dũng, Trương Quốc Thành (2002), Cơ
sở thiết kế Máy Xây dựng, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
3. Vũ Liêm Chính, Phạm Quang Dũng, Đỗ Xuân Đinh, Trương Quốc
Thành . (2006), Nghiên cứu thiết kể chế tạo cần trục tlìáp, Báo cáo tổng kết đẻ tài NCKH mã số RDN 14 - 01, Bộ Xây dựng.
4. Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng, Dương Trường Giang (2006),
Phấn mém chuyên dụng tính toán kết cấu thép cần trục tháp,Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc vé Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, Hội cơ học và trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
5. Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng, Dương Trường Giang (2005),
Nghiên cứu thuật toán và lập trình máy tính tính ĩoán kết cấu thép cầu trục hai dâm dạng hộp, Báo cáo đẻ tài nghiôn cứu khoa học cấp bộ, Ma số: B- 2005-34-75.
6. Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng, Dương Trường Giang (2009),
Nghiên cửu phương pháp tính và thuật toán để xây dựng chương trình máy tính chuyên dụng tính toán kết cấu thép cần trục tháp trong xây diũig dân dụng,Báo cáo đề tài nghiôn cứu khoa học cấp bộ trọng điểm, Mă số: B2007-03-28TĐ.
7. Phạm Quang Dùng, Dương Trường Giang (2006), Nglìién cứu xây diùìg
bài thí nglìiệm xác định khả năng kéo của Puly ma sát,Tuyển tập Hội nghị KHCN lần thứ 15, Trường Đại học Xây dựng.
8. Trần Nhất Dũng (2000), Tự động hoá tính toán kết cấu hệ khung có tính
đến sự rương tác động lực học với mói trường đàn hồi, Luận vãn tiến sỹ kỹ thuật, Học viện kỹ thuật Quán sự.
9. Trần Nhất Dũng, Phạm Quang Dũng, Dương Trường Giang (2010),
Thuật toán tối ưu trọng lượng kết cấu thép cần trục tháp,Tạp chí khoa học và kỹ thuật (số 138- 12/2010), Học viộn kỹ thuật quân sự.
10. Dươna Trường Giang, Phạm Quang Dũng,Trần Nhất Dũng (2009),
Tính toán kết cấu thép cân trục tháp xây dựng theo TCVN4244- 2005, Tuyển tập công trình khoa học hội nghị Cơ học toàn quốc, Viện KH- CN Viột nam và Viộn Cơ học.
11. Dương Trường Giang, Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng (2009),
Nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng kêĩ quà tính toán kêĩ cấu thép cán trục tháp theo phán mềm CraneVn,Tạp chí KHCN Xây dựng sỏ' 5, Trường đại học Xây dựng.
12. Dương Trường Giang, Phạm Quang Dũng, Trần Nhất Dũng (2010),
Nghiên cứu xây dựng mở hình bài toán tliiết kế tối ưu đê’ khảo sát xác đinh các thông số hợp lý kết cấu thép cẩn trục tháp, Báo cáo đé tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, Mã số: B2009-03-59.
13. Dương Trường Giang (2006), Nqhién cứu tính toán kết cấu thép cẩn
trục tháp với sự trợ íỊÌiip của máy tính, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật- Trường Đại học Xây dựng.
14. Dương Trường Giang (2008), Khảo sát một sỗ' thông số của kết cấu
thép cần trục tháp với ứntỊ suất và trọng lượng kết cấu, Báo cáo tồng kết đề tài NCKH cấp trường, mã sô' 47/2008KHXD.
15. Phạm Thượng Hàn, Nguyỗn Trọng Quế, Nguyỗn Văn Hoà (2007),A"ỹ
thuậì đo lường các đại lượng vật lý , Nhà xuất bản Giáo dục.
16. Nguyên Vãn Hùng, Phạm Quang Dũng, Nguyẻn Thị Mai (2001), Máy
Xây dựng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
17. Đặng Thế Hiển (chù biên) (1991), Máy xây dựng (tập 1 và tập 2), Nhà
xuất bản khoa học và kỹ Ihuậl Hà Nội.
18. Phạm Văn Hội (chù biên) (2004), Kết cấu thép cõng trình dán dụng và
cõng nghiệp , Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuậl Hà Nội.
19. Lô Xuân Huỳnh (2005), Tính toán kết cấu theo lý thuyết tối ưu, Nhà
xuất bản khoa học và kỹ Ihuậl Hà Nội.
20. Huỳnh Vãn Hoàng, Đào Trọng Thường (1975), Tính toán máy trục,
Nhà xuất bản khoa học và kỹ Ihuậl Hà Nội.
21. Đoàn Định Kiến (chù bicn) (2003), Kết cấu thép, Nhà xuất bàn Khoa
học và Kỹ thuậl Hà Nội.
22. Đoàn Định Kiến (2005), Ồn địnli kết cấu thép vá kết cấu thép nhẹ, Tủ
sách sau đại học,Trường Đại học Xây dựng.
23. Cao Minh Khang (2001), Nghiên cứu sự làm việc của tháp thép hệ
thanh không gian, Luận án tiến sỹ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng.
24. Lô Quang Minh, Nguyẻn Vãn Vượng (2001), Sức bền vật liệu lập (1,
lập 2), Nhà xuất bàn Giáo dục.