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 xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc giúp đỡ dẫn hữu ích thường xuyên thầy cô giáo Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, giúp đỡ tạo điều kiện Khoa Đào tạo sau đại học trình học tập hoàn thành luận văn Tôi xin trân thành cảm ơn Tiến sĩ Lê Hữu Thanh tâm huyết, tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn đưa nhiều ý kiến quý báu tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu động viên suốt trình thực luận văn Tôi xin trân thành cảm ơn thầy, cô Hội đồng chấm luận văn tham gia đóng góp ý kiến quý báu cho luận văn Tôi xin trân thành cảm bạn đồng nghiệp, gia đình, giúp đỡ, động viên trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên NGUYỄN VĂN TUẤN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoanLuận văn thạc sỹ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN NGUYỄN VĂN TUẤN MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng, biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết đề tài  Mục đích nghiên cứu đề tài  Phạm vi nghiên cứu  Phƣơng pháp nghiên cứu  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài  Cấu trúc luận văn đề tài NỘI DUNG CHƢƠNG 1: KẾT CẤU THÁP TRUYỀN HÌNH 1.1 Tổng quan kết cấu tháp truyền hình 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại kết cấu tháp 1.1.3 Cấu tạo tháp thép 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 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 tính toán kết cấu 19 2.1.1 Khái niệm bước thực 19 2.1.2 Các phương trình 22 2.2 Tính toán kết cấu tháp phƣơng pháp PTHH 27 2.2.1 Phần tử chịu kéo (nén) 27 2.2.2 Phần tử dàn phẳng 30 2.2.3 Phần tử 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 ngôn ngữ Fortran 39 2.3.2 Thiết lập xử lý file liệu đầu vào cho chương trình tính GID 50 2.3.3 Thiết lập xử lý giao diện Pre-process chương trình GID 58 2.3.4 Thiết lập xử lý giao diện Post-process chương trình GID 62 CHƢƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 64 3.1 Ví dụ tính toán 64 3.2 Ví dụ tính toán 73 3.2.1 Số liệu tính toán 73 3.2.2 Kết tính toán 75 3.3 Phân tích đánh giá kết 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 Fortran GUI GID Phần mềm xử lý dao diện đồ họa 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 nội lực Tọa độ nút phần tử Đặc trưng hình học mặt cắt ngang dàn Thông số đầu vào vật liệu Kết chuyển vị nút Kết phản lực liên kết chân cột So sánh kết lực dọc 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] Hình 1.2 Tháp dạng tự đứng có đường biên gẫy khúc Hình 1.3 Tháp dạng tự đứng có đường biên dạng Parabol Hình 1.4 Cấu tạo chân tháp (loại chân) mặt cắt ngang tháp Hình 1.5 Cấu tạo đốt thân tháp 10 Hình 1.6 Giải toán theo phương pháp PTHH 17 Hình 2.1 Thanh chịu kéo nén tâm 28 Hình 2.2 Thanh chịu kéo (nén) dàn phẳng 31 Hình 2.3 Chuyển trục tọa độ phần tử 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 chương trình tính toán 41 Hình 2.7 Cấu trúc Mesh module 42 Hình 2.8 Cấu trúc Marcro module 43 Hình 2.9 Sơ đồ khối 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 nút 61 Hình 2.12 Thẻ gán tải trọng nút 62 Hình 3.1 Ví dụ tính toán 65 Hình 3.2 Mô hình kết cấu tạo GID 66 Hình 3.3 Gán liên kết, ràng buộc liên kết (a) tải trọng (b) 66 Hình 3.4 Liên kết ràng buộc liên kết hệ kết cấu 67 Hình 3.5 Tải trọng tác dụng gán lên hệ kết cấu 67 Hình 3.6 Số nút phần tử hệ kết cấu sau chia lại phần tử 68 Số liệu hình Tên hình Trang Hình 3.7 Thông báo số phần tử nút sau mesh 69 Hình 3.8 Biểu diễn kết chuyển vị Contour 71 Hình 3.9 Sơ đồ biến dạng 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 nút kết cấu tháp 77 MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết đề tài Việt nam năm gần đây, lĩnh vực viễn thông truyền hình phát triển mạnh mẽ với số thống kê đầy ấn tượng[14] Trên suốt chiều dài lãnh thổ Việt Nam, sóng truyền hình viễn thông bao phủ tới tận làng xã, thôn xóm Do vậy, việc tiếp cận thông tin người dân cải thiện, đời sống vật chất tinh thần nâng cao Nhân tố quan trọng giúp ngành truyền hình phát triển đạt thành nêu phải kể tới vai trò quan trọng thiếu tháp truyền sóng (tín hiệu) gọi chung tháp truyền hình.Đây kết cấu có chiều cao lớn lắp đặt thiết bị thu phát sóng bên Chiều cao kết cấu tháp định độ rộng phủ sóng tín hiệu truyền hình hoạt động Tại Việt Nam, kết cấu tháp thường chế tạo vật liệu kim loại (chủ yếu thép) với dạng kết cấu điển hình dàn không gian chiều Trong đó, dàn chế tạo từ thép góc ống, liên kết với nút mối nối hàn bu lông Trong tính toán, xem chịu tác dụng lực kéo nén dọc theo trục Tháp thiết kế với hình dáng không thay đổi thu nhỏ dần theo chiều cao tháp Theo cách liên kết với móng, kết cấu tháp chia làm hai loại: (1) Loại tự đứng, tháp có tiết diện thay đổi theo chiều cao, liên kết với móng thông qua chân tháp (3 chân), tháp tự đứng mà không cần dây neo nối với móng Thông thường loại tháp có chiều cao lớn, dùng cho tram thu phát tín hiệu có công suất lớn (2) Tháp neo, dùng cho tram thu phát tín hiệu có công suất nhỏ, tháp có dây neo bố trí dọc theo chiều cao để cố định chịu tải trọng ngang 2 Trong tính toán, kết cấu tháp thép đưa vào giảng dạy từ sớm trường đại học nước ta[2],[3] Trong tài liệu này, kết cấu tháp (trụ) thép tính toán cấu tháp (trụ) giới thiệu Tuy nhiên, phát triển máy tính, phương pháp tính yêu cầu công nghệ lĩnh vực thông tin truyền hình, kết cấu tháp cần tính toán tối ưu hơn, thiết kế cao hơn, thi công nhanh chóng hơn, thẩm mỹ ngày cao chiều cao thiết kế Mặt khác, năm gần đây, tác động biến đổi khí hậu mà ảnh hưởng rõ rệt không lường trước sức ảnh hưởng vùng ảnh hưởng bão đổ vào Miền Bắc nước ta Trong vài năm gần đây, số tháp truyền hình xây bị sụp đổ tác động gió bão, ví dụ như: tháp truyền hình Nam Định cao 180 m bị đổ bão năm 2010, tháp truyền hình xã Quảng Long, H Hải Hà, Quảng Ninh, cao 35 m đổ bão năm 2014.Đặc biệt số số công trình thiết kế nhập cấu kiện từ nước Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính đề xuất quy trình bước thực tính toán nội lực tháp thép truyền hình thiết thực cần thiết toán thiết kế tháp truyền hình Trên sở đó, đề tài “Tính toán tháp truyền hình phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH)” lựa chọn làđề tài nghiên cứu luận văn  Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu thực với mục tiêu: + Thiết lập toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình phương pháp phần tử hữu hạn 3 + Sử dụng kết hợp phần mềm GID Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực tháp truyền hình  Phạm vi nghiên cứu Đề tài thực 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 xây dựng toán tính toán nội lực tháp sở lý thuyết phương pháp PTHH Bài toán sở để xây dựng chương trình tính phần mềm lập trình sử dụng ngôn ngữ Fortran kết hợp phần mềm GID - sử dụng để thiết lập dao diện chương trình Kết tính toán chương trình thiết lập luận văn so sánh với kết tính toán phần mềm phát triển thành công ứng dụng phổ biến  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển, tính toán thiết kế kết cấu tháp thép dùng lĩnh vực truyền hình Đồng thời, kết đề tài sử dụng cho mục đích công việc học tập giảng dạy tác giả sau hoàn thành khóa học  Cấu trúc luận văn đề tài Đề tài sử dụng lý thuyết tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH để xây dựng toán tính nội lực kết cấu tháp thép truyền hình Phần mềm Fortran sử dụng để viết chương trình tính sử dụng cho luận văn Giao diện chương trình (xử lý số liệu đầu vào kết toán) thiết lập dựa tảng phần mềm GID Do vậy, cấu trúc luận văn tác giả chia thành chương sau: Mở đầu: Trình bày lý lựa chọn, cần thiết phạm vi nghiên cứu đề tài ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài Nội dung: Chƣơng 1: Kết cấu tháp truyền hình Chƣơng 2: Tính toán kết cấu tháp truyền hình phương pháp phần tử hữu hạn Chƣơng 3: Ví dụ tính toán THÔNG BÁO Để xem phần văn 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: digilib.hau@gmail.com 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 phương pháp phần tử hữu hạn Đề tài kết hợp lập trình giao diện GID ngôn lập trình Fortran để phát triển chương trình tính toán nội lực cho tháp truyền hình thép Trong GID sử dụng để viết giao diện toán, Fortran phát triển chương trình tính Với nội dung trình bày luận văn thực với mục tiêu đạt sau: 1) Thiết lập toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình phương pháp phần tử hữu hạn 2) Sử dụng kết hợp phần mềm GID Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực tháp truyền hình 3) Kết tính toán phần mềm thiết lập từ luận văn có kết xác với kết tính toán từ phần mềm thương mại khác Với kết đạt được, chương trình tính toán luận văn áp dụng tính toán nội lực tháp thép phục vụ công tác học tập nghiên cứu thiết kế tác giả 2) Kiến nghị Trong thực tế tháp truyền hình chịu tác động đáng kể tác nhân động như: gió động, Do vậy, chương trình cần nghiên cứu phát triển thêm cho toán động (tải trọng động, dao động tự do) Do kết cấu chế tạo thép, ảnh hưởng nhiệt độ tới làm việc hệ kết cấu lớn Do vậy, cần phải phát triển, kể thêm loại tải trọng vào chương trình tính toán mà luận văn phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Bộ môn kết cấu thép, khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà nội: "Bài giảng thép đặc biệt - Kết cấu thép trụ", 2014 Nguyễn Quốc Bảo Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết lập trình, Tập 1, Hà Nội: Nhà XB Khoa học Kỹ thuật, 2000 Nguyễn Quốc Bảo Trần Nhất Dũng, Phương pháp phần tử hữu hạn - Lý thuyết lập trình, Tập 2, Hà Nội: Nhà XB Khoa học Kỹ thuật, 2000 Phạm Văn Hội, Nguyễn QuangViên, Phạm Văn Tư Lưu Văn Tường, Kết cấu thép - Cấu kiện bản, Hà Nội: Nhà XB Khoa học Kỹ thuật, 2006 Trịnh Tự Lực, Bài giảng "Phương pháp số", Khoa Xây dựng, ĐH Kiến trúc Hà Nội Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong Mai Đức Đài, Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán kết cấu, Hồ Chí Minh: Nhà XB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003 TCVN 2737: 1995 "Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế"., Nhà xuất Xây dựng Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCVN 5575:2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội, 2012 TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất, Hà Nội: Nhà Xuất Xây dựng, 2012 10 Chu Quốc Thắng, Phương pháp phần tử hữu hạn, Hà Nội: Nhà XB Khoa học 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 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 ... đồ biến dạng 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 nút kết cấu tháp 77 MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết... tài Nội dung: Chƣơng 1: Kết cấu tháp truyền hình Chƣơng 2: Tính toán kết cấu tháp truyền hình phương pháp phần tử hữu hạn Chƣơng 3: Ví dụ tính toán THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui... toán tính toán nội lực kết cấu tháp thép truyền hình phương pháp phần tử hữu hạn 2) Sử dụng kết hợp phần mềm GID Fortran để thiết lập, xây dựng chương trình tính nội lực tháp truyền hình 3) Kết