Luận án Nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam

cho 2 t 4a. 1 x    , nhiệt độ tại mỗi điểm nút mn tại thời điểm k+1 được tính bằng công thức: mn,k 1 m 1,n,k m 1,n,k m,n 1,k m.n 1,k r 1 T (T T T T ) T 4           (2.19) Ở đây: Tmn,k+1 là nhiệt độ ở nút lưới ô vuông mn tại thời điểm k+1; Tm-1,n,k, Tm+1,n,k, Tm,n-1,k, Tm.n+1,k là nhiệt độ ở các nút phải và trái, trên và dưới của điểm tính toán ở thời điểm k. Phương pháp sai phân hữu hạn có nhược điểm là các vật có hình dạng hình học và điều kiện biên phức tạp tính toán gặp nhiều khó khăn.  Phương pháp mô hình Phương pháp mô hình thường là mô hình điện hoặc mô hình thủy lực. Các quá trình đó cũng được biểu diễn bởi phương trình Laplace. Trong các mô hình tương tự thủy lực, vai trò nhiệt kháng của các lớp bê tông được thay bằng sức kháng thủy lực nối giữa các ống dẫn và dung tích ống dẫn. Phương pháp tương tự điện trong trường hợp này là nhiệt kháng và nhiệt dung của các lớp bê tông được thay bằng điện trở và điện dung tạo thành mạng điện, có thể thiết lập được mô hình cho bài toán một chiều, hai chiều, ba chiều. 33 Phương pháp mô hình cho kết quả trực quan, tuy nhiên việc thực hiện tương tự mô hình gặp nhiều khó khăn và tốn kém, thường sử dụng để kiểm chứng mô hình toán.  Phương pháp phần tử hữu hạn Đây là phương pháp hiện đại đang được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán của cơ học môi trường liên tục với những vật thể có hình dạng hình học bất kỳ, điều kiện biên và chịu tải phức tạp. Sự ra đời và phát triển của phương pháp này liên hệ chặt chẽ với sự phát triển của máy tính điện tử. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt bằng phương pháp PTHH sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3. 2.6.1.4. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhiệt Ngày nay các nghiên cứu về nhiệt trong BTKL và những cơ sở lý thuyết của bài toán nhiệt đã tương đối hoàn chỉnh. Các phương trình cơ bản để tính trường nhiệt độ và trường ứng suất trong BTKL hầu hết xuất phát như nhau. Nhưng việc giải bài toán nhiệt trong BTKL khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn, kết quả của bài toán phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Với đặc điểm của bài toán như vậy, thì việc chọn Phương pháp PTHH để giải bài toán nhiệt sẽ đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Khi dùng phương pháp PTHH để giải bài toán nhiệt trong BTKL có thể dễ dàng giải quyết hai bài toán: - Tìm sự phân bố nhiệt độ trong khối bê tông (trường nhiệt độ) theo không gian và thời gian. - Tìm sự phân bố ứng suất nhiệt (trường ứng suất nhiệt) trong khối bê tông dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Đây là cơ sở cho việc nghiên cứu biện pháp giảm ứng suất nhiệt BTĐL trong các công trình đập thủy lợi thủy điện ở Việt Nam. 2.6.2. Cơ sở tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.6.2.1. Các giả thiết Để giải bài toán nhiệt trong thực tế công trình bằng phương pháp PTHH, ngoài các điều kiện ban đầu, điều kiện biên của bài toán nhiệt nói chung, cần đưa vào một số giả thiết cơ bản sau: 34 - Với các đặc trưng truyền nhiệt của bê tông như: hệ số dẫn nhiệt (), nhiệt dung riêng (C) không thay đổi theo tuổi bê tông. - Đập BTĐL thuộc loại BTKL, nhiệt lượng tỏa ra trong khối bê tông theo cả 3 phương. Tuy nhiên do chiều dài đập tương đối lớn so với mặt cắt ngang nên nhiệt lượng tỏa ra theo phương dọc trục đập bị kiềm chế và chủ yếu tỏa ra bên ngoài theo phương mặt cắt ngang đập. Vì vậy nhiệt lượng tỏa ra từ trong khối bê tông ra môi trường xung quanh theo hai phương trong mặt phẳng cắt ngang đập, nên các nghiên cứu chỉ thực hiện cho bài toán phẳng [26][3]. 2.6.2.2. Xác định trường nhiệt độ (1) Chọn dạng phần tử Đối với bài toán phẳng sử dụng phần tử tứ giác có bốn điểm nút ký hiệu là i, j, k, l (hình 2.5a) hoặc tam giác có ba điểm nút khi phần tử tứ giác suy biến có hai điểm nút trùng nhau i, j, k (l  k), xem hình 2.5b. (a) Phần tử tứ giác (b) Phần tử tam giác Hình 2.5. Phần tử phẳng sử dụng trong tính toán nhiệt (2) Chọn dạng hàm xấp xỉ trường nhiệt độ trong phạm vi phần tử Giả thiết trong phạm vi phần tử nhiệt độ là hàm bậc nhất của tọa độ. T = a1+ a2x+ a3y (2.20) hoặc viết ở dạng ma trận   a.PT (2.21) O Y X i j k,l O Y X i j l k 35 trong đó:   ]yx1[P    T321 ]aaa[a  Ví dụ xét một phần tử tam giác như hình 3.1a, gọi Ti, Tj và Tk là nhiệt độ tại các điểm nút. Thay tọa độ của các nút i, j, k vào (2.20) được: Ti = a1+ a2xi+ a3yi Tj = a1+ a2xj+ a3yj (2.22) Tk = a1+ a2xk+ a3yk hoặc viết ở dạng ma trận       e T C . a (2.23) trong đó:   i je k T T T T          ,   i i j j k k 1 x y C 1 x y 1 x y          , Từ (2.23) rút ra       -1 e a C . T (2.24) Thay (2.24) vào (2.21) được nhiệt độ tại một điểm bất kỳ trong phần tử           -1 e e T P . C . T N . T  (2.25) với       1 N P . C   (3) Thiết lập phương trình xác định nhiệt độ nút Về mặt toán học đã chứng minh rằng hàm xấp xỉ (2.25) là nghiệm phải tìm nếu trị số của nó cho giá trị cực tiểu của phiếm hàm: 36 2 3 22 2 x y v S2 2 w f 3 D S s 1 T T T 1 q C T dxdy T.q .dS (T T ) .dS 2 x y t 2                                            (2.26) Thay (2.25) vào (2.26) và thực hiện điều kiện giá trị cực tiểu của phiếm hàm i χ 0 T    (2.27) với i i ii j k T N N N T T T x x x x            i i T N T x x           i i T N T    ji k i j k TT T T N N N t t t t           thu được       3 T K T K P 0 t         (2.28) trong đó:  K ,  3K là các ma trận hệ số.  P là véc tơ tải trọng. (2.28) là hệ phương trình để xác định nhiệt độ nút Ti tại thời điểm t. 2.6.2.3. Xác định trường ứng suất (1) Các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi Trong luận án này giới hạn chỉ xét bài toán biến dạng phẳng của lý thuyết đàn hồi. Lúc này biến dạng theo phương z được coi bằng 0. Giả thiết này được áp dụng cho các kết cấu có kích thước theo một phương (phương z) khá nhỏ so với kích thước của hai phương kia (phương x, y). Với bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi các phương trình được viết ở dạng: a. Phương trình cân bằng: 37 0      X yx yxx  0      Y yx yxy  hoặc ở dạng ma trận      0Xσ.  (2.29) trong đó:   xy yx          0 0 ,   xy y x      ,   Y X X  b. Phương trình hình học: x u x    , y v y    y u x v xy       hoặc ở dạng ma trận      u.ε T (2.30) trong đó:   xy y 0 0 x T          ,   xy y x γ ε ε ε  ,   v u u  c. Phương trình vật lý: α.T E μ.σ E σ ε yx x  , α.T E μ.σ E σ ε x y y  G xy xy    38 hoặc ở dạng ma trận        ε E . σ α.T H  (2.31) trong đó:   1 μ 0 E E μ 1 E 0 E E 1 0 0 G    ,   0 1 1 H , )1(2 E G   Từ (2.31) suy ra công thức tính ứng suất từ biến dạng         1 σ E .( ε α.T. H )    hoặc        )Hα.T.ε.(Dσ  (2.32) với     1 D E   , được gọi là ma trận đàn hồi của vật liệu. (2) Xác định trường ứng suất nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn a. Chọn dạng phần tử: Sử dụng phần tử tứ giác có bốn điểm nút (i, j, k, l) hoặc phần tử suy biến từ phần tử tứ giác gồm có ba điểm nút là ba đỉnh phần tử ký hiệu là i, j, k (lk) (hình 2.6). Hình 2.6. Phần tử và chuyển vị nút của phần tử tứ giác và tam giác b. Chọn dạng hàm xấp xỉ trường chuyển vị trong phạm vi phần tử: O X Y i j k ui vi uj vj uk vk ui vi uj vj ul ul O X Y i j l uk vk k 39 Giả thiết trong phạm vi phần tử chuyển vị là hàm bậc nhất của tọa độ. u = a1+ a2x+ a3y (2.33) v = a4+ a5x+ a6y hoặc viết ở dạng ma trận     a.Pu  (2.34) trong đó:         v u u          yx1000 000yx1 P    T621 a.,,.........a,aa  Gọi ui, vi, uj, vj, uk, vk là các thành phần chuyển vị ngang và đứng tại các nút i, j, k của phần tử tam giác. Thay tọa độ các nút vào (2.33) được: ui = a1+ a2xi+ a3yi vi = a4+ a5xi+ a6yi uj = a1+ a2xj+ a3yj vj = a4+ a5xj+ a6yj uk = a1+ a2xk+ a3yk vk = a4+ a5xk+ a6yk hoặc viết ở dạng ma trận     a.CΔ e  (2.35) trong đó:   Tkkjjiie v,u,v,u,v,uΔ  40                        kk kk jj jj ii ii yx1000 000yx1 yx1000 000yx1 yx1000 000yx1 C Từ (2.35) rút ra      eΔ.Ca 1  (2.36) Thay (2.36) vào (2.34) được          eΔ.NΔ.C.Pu e 1   (2.37) c. Thiết lập phương trình xác định chuyển vị nút: Về mặt toán học đã chứng minh được rằng hàm xấp xỉ (2.37) là nghiệm phải tìm nếu trị của nó cho giá trị cực tiểu của phiếm hàm:            .dS)p.u.dVX.u.dV. 2 1 ( T S T V T V n 1e n 1e e    σεΠΠ (2.38) trong đó:   là véctơ biến dạng;   là véctơ ứng suất;  u là véctơ chuyển vị;  X là véctơ lực thể tích,    TYX,X  ;  p là véctơ lực bề mặt,    Tyx P,Pp  , với Px, Py là các thành phần của lực bề mặt theo các phương x, y. Thay (2.37) vào (2.31) được             T e e ε . N . Δ B . Δ   (2.39) 41 với       T B . N  Thay (2.39) vào (2.32) được           e σ D .( B . α.T. H )   (2.40) Thay (2.37), (2.39), (2.40) vào (2.38) và thực hiện điều kiện giá trị cực tiểu của phiếm hàm  0   iu được hệ phương trình     FΔ.K  (2.41) trong đó:         n T e 1 V K B . D . B .dV    (2.42) được gọi là ma trận độ cứng của phần tử        321 FFFF  (2.43) là véc tơ tải trọng nút trong đó:      .dVX.NF n 1e V T 1    (2.44) là véctơ tải trọng nút ứng với lực thể tích      .dSP.NF n 1e S T 2    (2.45) là véctơ tải trọng nút ứng với lực bề mặt         n T 3 e 1 V F B . D . .T. H .dV    (2.46) là véctơ tải trọng nút ứng với sự thay đổi của nhiệt độ nút. 42 Trong (2.46) T là biến thiên của nhiệt độ trung bình trong phạm vi phần tử được xác định bằng công thức 3 TTT T kji   với Ti, Tj, Tk là biến thiên nhiệt độ tại các nút. Thay chuyển vị nút của phần tử vào (2.40) xác định được ứng suất của từng phần tử. Hiện nay có rất nhiều phần mềm thương mại ứng dụng phương pháp PTHH trong tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt như ANSYS, SAP2000, ABAQUS Để nghiên cứu biện pháp giảm ứng suất nhiệt trong đập BTĐL, luận án đã sử dụng công cụ phần mềm ANSYS kết hợp ngôn ngữ lập trình tham số. 2.7. Kết luận Chương 2 Nhiệt và ứng suất nhiệt đối với BTKL đã có những nghiên cứu và phát triển lâu dài. Tuy nhiên đối với BTĐL làm đập trọng lực mới được nghiên cứu trong mấy chục năm trở lại đây khi công nghệ BTĐL phát triển mạnh mẽ. Cùng với đó là những tồn tại phát sinh trong quá trình thi công đó là sự phát triển và hình thành vết nứt do ứng suất nhiệt. Hiểu được cơ chế hình thành và phát triển nhiệt trong đập BTĐL sẽ khống chế được nứt do nhiệt. Để giải bài toán nhiệt hiện nay có nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Đối với đập trọng lực BTĐL là một kết cấu phức tạp, chịu điều kiện ban đầu và điều kiện biên thay đổi. Phương pháp PTHH sẽ là một lựa chọn tối ưu để giải bài toán nhiệt không ổn định theo thời gian của đập trọng lực BTĐL. Phương pháp này có thể dễ dàng thực hiện trên máy tính điện tử với sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng như SAP2000, ANSYS, ABAQUS Trong Chương tiếp theo sẽ trình bày cơ sở của phương pháp PTHH trong tính toán nhiệt và ứng dụng trên phần mềm ANSYS. 43 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG ĐẬP BTĐL THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHẦN MỀM ANSYS 3.1. Đặt vấn đề Hiện nay phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật do phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác. Ngoài ra phương pháp này cũng đã được tích hợp trong nhiều phần mềm tính toán chuyên dụng chạy trên máy tính điện tử để hỗ trợ người sử dụng giải các bài toán có điều kiện ban đầu và điều kiện biên phức tạp với hàng vạn hàng triệu phương trình không thể thực hiện bằng tay. Có thể nói việc giải bài toán đã “có máy tính lo”, tuy nhiên việc nắm vững cơ sở lý thuyết của phương pháp để kiểm soát “điều kiện đầu vào” và “sản phẩm đầu ra” thì việc ứng dụng phần mềm mới mang lại hiệu quả. Cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH để giải bài toán nhiệt có thể tham khảo trong nhiều giáo trình, tài liệu của Việt Nam cũng như của nước ngoài đã được trình bày trong Chương 2. Trong Chương này sẽ trình bày tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL bằng phần mềm ANSYS với sự điều chỉnh nhiệt thủy hóa của vật liệu kết dính để làm công cụ cho việc nghiên cứu giải pháp giảm ứng suất nhiệt đập BTĐL ở Việt Nam. 3.2. Tính toán nhiệt thủy hóa của vật liệu chất kết dính BTĐL Như Chương 2 đã trình trình bày nguồn phát sinh nhiệt trong BTĐL là do nhiệt thủy hóa của XM trong quá trình đông cứng. Đối với XM sản xuất tại Việt Nam có tính chất đặc thù của từng vùng do phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương và công nghệ sản xuất. Vì vậy thành phần khoáng và nhiệt thủy hóa của khoáng vật đối với từng loại XM cũng khác nhau. Thông qua kết quả thí nghiệm xác định thành phần khoáng của một số loại XM thường dùng trong công trình thủy lợi thủy điện tại Việt Nam của Viện vật liệu xây dựng và tính toán thành phần khoáng quy đổi (xem Phụ lục A) được kết quả cho ở bảng 3.1 [33]. Đập BTĐL có khối tích lớn, lượng dùng XM cũng lớn, thường sử dụng nguồn XM sản xuất tại địa phương do đó khi sử dụng loại XM khác nhau có thể ảnh hưởng đến quá trình nhiệt thủy hóa của BTĐL. 44 Bảng 3.1. Thành phần khoáng và nhiệt thủy hóa của một số loại XM phổ biến tại VN Loại XM Thành phần khoáng (%) và nhiệt thủy hóa (J/g) C3S C2S C3A C4AF Hà Tiên 52,78 18,48 10 8 286 37 102 27 Bút Sơn 46,27 30,24 15 7,39 257 64 153 25 Nghi Sơn 34,95 39,39 7,61 9 197 87 78 30 Holcim 65,27 7,65 6,69 10,61 355 9 69 36 Điện biên 59,90 18,33 7 10,67 304 42 71 36 Xuân Thành 51,57 25,84 6,97 8,72 292 49 71 29 Tam Điệp 50,43 27,56 7,64 10,18 266 61 78 34 Quán Triều 48,21 27,61 7,10 11,16 259 59 72 38 Công Thanh 62,92 16,18 6,14 9,45 319 34 63 32 La Hiên 41,84 29,29 7,98 10,67 256 53 81 36 Tân Quang 61,29 14,25 8,05 9,45 321 28 82 32 Quang Sơn 81,70 0,26 7,37 10,67 420 3 75 36 45 Đối với vật liệu CKD trong BTĐL ngoài thành phần XM còn có một lượng nhất định PGK tro bay hoặc Puzơlan thiên nhiên nên nhiệt thủy hóa của BTĐL khác bê tông thông thường. Theo nghiên cứu của tác giả Lưu Thụ Hoa [18] đề xuất mô hình toán của nhiệt thủy hóa vật liệu kết dính (3.1) trong BTĐL như dưới đây: Q = c.kF.Qt (J/g) (3.1) trong đó: c – hệ số điều chỉnh; c = 0,008 kF – hệ số ảnh hưởng của hàm lượng PGK đến nhiệt thủy hóa vật liệu kết dính: kF = -1,89.F + 238,07 F – tỉ lệ khối lượng PGK trên tổng khối lượng chất kết dính (%); Qt – phương trình cơ bản của nhiệt thủy hóa vật liệu kết dính: Qt = 36,75ln(t) + 101,15 (J/g) R 2 = 0,9899 (3.2) t – thời gian (ngày). Công thức (3.2) được xác định dựa trên phương pháp quy nạp từ các loại XM sử dụng phổ biến tại Trung Quốc vì vậy có thể không phù hợp khi sử dụng XM được sản xuất tại Việt Nam. Nếu coi nhiệt thủy hóa vật liệu kết dính được tính toán từ công thức (3.2) là giá trị chuẩn (giá trị bằng 1), kết quả so sánh giá trị nhiệt thủy hóa của một số loại XM phổ biến tại Việt Nam (bảng 3.1) với công thức (3.2) cho thấy có sự chênh lệch (xem hình 3.1). Vì vậy luận án đã điều chỉnh phương trình cơ bản nhiệt thủy hóa BTĐL theo thời gian (công thức 3.2) với hệ số kC được tuyến tính hóa từ các giá trị chênh lệch của các loại XM để xét đến ảnh hưởng của thành phần gây nhiệt thủy hóa chủ yếu C3A + C3S đến ứng suất nhiệt đập BTĐL: F t CQ c.k .(Q .k ) (3.3) trong đó: 46 kC – hệ số xét đến ảnh hưởng của hàm lượng khoáng C3A + C3S trong XM đến nhiệt thủy hóa vật liệu CKD: kC = 0,0073.CX + 0,4842 R 2 = 0,9893 CX – tổng hàm lượng khoáng C3A+C3S có trong xi măng (%). Hình 3.1. Hệ số ảnh hưởng của hàm lượng C3A + C3S đến nhiệt thủy hóa của XM Công thức sẽ được kiểm chứng sau khi so sánh kết quả tính toán bằng phần mềm ANSYS và kết quả quan trắc thực tế công trình. 3.3. Tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL trong quá trình thi công bằng ngôn ngữ lập trình tham số (APDL) trong ANSYS 3.3.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS Trong khoảng 40 năm gần đây, công cụ máy tính đã phát triển mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, cùng với phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng hoàn thiện đã xuất hiện nhiều phần mềm tính toán kết cấu chuyên ngành được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Trên thế giới phần mềm ANSYS đã trở thành một phần mềm thương mại chủ yếu và đã được ứng dụng rộng rãi để phân tích mô phỏng trong ngành xây dựng như: kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép nhà cao tầng, cầu dầm, đập lớn, đường hầm và các công trình ngầm. Thông qua đó có thể phân tích toàn 47 diện khả năng chịu lực, biến dạng, tính ổn định, dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và động với các điều kiện biên phức tạp. Phần mềm ANSYS là phần mềm đa năng có thể dùng để giải các bài toán trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kết cấu, thủy lực, nhiệt, điện, điện tử, đặc biệt là các bài toán tương tác giữa các môi trường khác nhau, tương tác giữa các hệ vật lý, Từ khi ra đời năm 1970, phần mềm ANSYS không ngừng được cải tiến nâng cao, công năng và phạm vi sử dụng ngày càng lớn mạnh, hiện nay đã phát triển đến phiên bản 16.2. Phần mềm ANSYS được phổ biến ở Việt Nam khoảng hơn 10 năm trở lại đây nhưng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, trong phân tích tính toán công trình xây dựng chưa được sử dụng nhiều. Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện thì vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong phân tích tính toán. Với thế mạnh có thể phân tích được tất cả các loại kết cấu giàn, dầm và khung, kết cấu vỏ mỏng, kết cấu khối và kết cấu hỗn hợp. Phần mềm ANSYS tỏ ra rất có hiệu quả trong phân tích đập bê tông trọng lực và đập vòm, phân tích đập chịu tác động của động đất, phân tích ứng suất nhiệt trong đập bê tông, phân tích kết cấu đường hầm, cống ngầm, phân tích ổn định mái dốc, phân tích thấm ổn định đập đất, phân tích ứng suất biến dạng cửa van, phân tích ứng suất và biến dạng cầu máng vỏ mỏng xi măng lưới thép, hay các vấn đề về bê tông cốt thép thường và bê tông cốt thép ứng suất trước [21]. 3.3.2. Giải bài toán bằng phần mềm ANSYS Có 3 phương thức chính giải bài toán kết cấu bằng ANSYS đó là: Phương thức giao diện đồ họa–người dùng (GUI). Phương thức dùng lệnh (Command). Phương thức ngôn ngữ lập trình tham số (APDL). Người sử dụng có thể dùng phối hợp cả 3 phương thức này, ngoài ra có thể dựa trên APDL xây dựng chương trình phân tích chuyên dụng dưới dạng file macro. 48 3.3.3. Công năng phân tích nhiệt bằng phần mềm ANSYS Phần mềm ANSYS có nhiều mô đun trong đó ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Thermal đều có công năng phân tích nhiệt. Phân tích nhiệt trong ANSYS dựa trên phương trình cân bằng nhiệt của nguyên lý bảo toàn năng lượng, dùng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán nhiệt độ tại các điểm nút, đồng thời đưa ra tham số vật lý nhiệt khác. ANSYS có thể phân tích trạng thái truyền nhiệt không ổn định tức là nguồn nội nhiệt và trường nhiệt độ của hệ thống thay đổi theo thời gian với 3 loại phương thức trao đổi nhiệt: truyền dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt. ANSYS có kho phần tử phân tích nhiệt bao gồm khoảng 40 loại, trong đó thuần tuý phân tích nhiệt có 14 loại, với bài toán hai chiều sử dụng loại hình phần tử PLANE55 (phần tử tứ giác 4 điểm nút hoặc phần tử tam giác) hoặc phần tử PLANE77 (phần tử tứ giác 8 điểm nút hoặc phần tử tam giác). ANSYS cho phép tiến hành phân tích tương tác nhiều môi trường như trường nhiệt với trường ứng suất. Sau khi tiến hành phân tích nhiệt chuyển sang tính toán ứng suất với điều kiện tương đương về phần tử và điểm nút. Nhiệt độ điểm nút chính là tải trọng nút trong tính toán kết cấu. Hình 3.2 thể hiện cặp phần tử nhiệt PLANE55 và phần tử kết cấu PLANE182 sử dụng cho phân tích nhiệt - ứng suất đập BTĐL. Hình 3.2. Phần tử sử dụng cho phân tích nhiệt - ứng suất (PLANE55 – PLANE182) 49 3.3.4. Cơ sở xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL Đập BTĐL được thi công theo từng lớp, các lớp đổ được giãn cách nhau nên trong quá trình phát triển nhiệt bề mặt mỗi lớp đổ có điều kiện biên thay đổi, trước khi đổ lớp phía trên, bề mặt phía trên lớp đổ chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ của môi trường, sau khi đổ lớp trên, bề mặt lớp chịu ràng buộc của phát triển nhiệt độ lớp phía trên và dưới nó. Quá trình lặp được thực hiện đến lớp cuối cùng, hình 3.3. TD: Thời gian đổ lớp bê tông thứ I; TN: Thời gian nghỉ giữa các lớp đổ; NLOP: Tổng số lớp đổ; BT-MT: Trao đổi nhiệt giữa bê tông với không khí; BT-BT: Trao đổi nhiệt giữa bê tông cũ và bê tông mới Hình 3. 3. Điều kiện biên nhiệt Trong nghiên cứu của tác giả Lê Quốc Toàn [36] đã xây dựng chương trình tính nhiệt và ứng suất nhiệt cho đập BTĐL có xét đến sự thay đổi chiều dày lớp đổ, thời gian đổ đến sự phát triển nhiệt trong thân đập. Tuy nhiên điều kiện biên về nhiệt vẫn được coi là hằng số vì vậy khó phản ánh được ảnh hưởng của điều kiện vùng miền đến trạng thái nhiệt và ứng suất nhiệt trong thân đập BTĐL. Vì vậy để xem xét ảnh hưởng của điều kiện môi trường và nguồn cung ứng vật liệu XM, cần thiết phải xây dựng bài toán có xét đến điều kiện biên nhiệt thay đổi theo thời gian, ảnh hưởng của thành phần khoáng XM đến nhiệt thủy hóa BTĐL mới có thể xem xét đến tính đặc thù vùng miền. TN I=NLOP I=NLOP-1 Nhiệt thủy hóa BT-MT BT-BT I=NLOP-1 TD BT-BT 50 3.3.5. Sơ đồ khối tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL Hình 3.4. Sơ đồ khối tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTĐL 3.3.6. Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập BTTL 3.3.6.1. Mô tả kết cấu đập Xây dựng bài toán với mặt cắt ngang đập trọng lực BTĐL đơn giản có chiều cao H (m), mặt thượng lưu thẳng đứng như hình 3.5. Bề rộng đáy đập BD (m), bề rộng đỉnh đập BDD (m), chiều cao cổ đập HD (m), bề rộng chân đập thượng lưu BC (m) và chiều cao chân đập thượng lưu HC (m). Đập được đặt trên nền đàn hồi với phạm vi BẮT ĐẦU Nhập: Số lớp đổ NLOP, thời gian đổ bê tông TD, thời gian nghỉ giữa các đợt đổ TN I = I + 1 KẾT THÚC K = K + 1 HE=f(((I-K+1)*TD+(I-K)*TN)) L = L + 1 HE=f(((I-L+1)*TD+(I-L+1)*TN)) I  NLOP K  I L  I Yes No Yes No No Yes Biên nhiệt thay đổi theo thời gian và nhiệt thủy hóa XM 51 nền tính toán về phía thượng lưu TLN (m), về phía hạ lưu HLN (m) và về phía dưới DSN (m) đủ lớn để đảm bảo đập làm việc như trên nền bán không gian vô hạn. Hình 3.5. Mặt cắt ngang đập trọng lực BTĐL 3.3.6.2. Mô hình hóa kết cấu đập BTĐL Mô hình hóa kết cấu đập và nền với mặt cắt cho ở hình 3.5 theo bài toán biến dạng phẳng sử dụng phần tử tính toán nhiệt PLANE55. Sau khi tiến hành phân tích nhiệt chuyển sang mô hình phân tích ứng suất – biến dạng của kết cấu với mạng lưới phần tử PLANE182. 3.3.6.3. Xây dựng bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt trong đập trọng lực BTĐL Kế thừa và phát triển chương trình tính toán nhiệt và ứng suất nhiệt của tác giả Lê Quốc Toàn, dùng ngôn ngữ lập trình tham số APDL (ANSYS Parametric Design Language) thay đổi các điều kiện biên và nhiệt thủy hóa vật liệu CKD theo sơ đồ khối hình 3.4, để giải bài toán kết cấu đập có kích thước tùy ý với điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm thay đổi theo thời gian), điều kiện vật liệu (XM, PGK) và điều kiện thi công (chiều dày lớp đổ, thời gian giữa các đợt đổ) tương ứng phù hợp với điều kiện 52 Việt Nam. Với phương thức này sẽ đáp ứng được yêu cầu tính toán hàng loạt bài toán không gặp khó khăn nào. Bài toán tính nhiệt và ứng suất nhiệt đập trọng lực BTĐL có các phần chính dưới đây. !********************************************************************* /FILNAME,DAPBTDL /TITLE, PHAN TICH NHIET-UNG SUAT DAP BE TONG DAM LAN !TINH NHIET /PREP7 ET,1,PLANE55 FINISH /SOLU ANTYPE,TRANS HE00=0.008*(-1.89*F+238.07)*(36.75*log(T)+101.15)* (0.0073*CX+0.4842) SOLVE FINISH !TINH UNG SUAT NHIET KEYW,PR_STRUC,1 /PREP7 ETCHG,TTS /SOL LDREAD,TEMP, , ,TL, ,'DAPBTDL','rst',' ' SOLVE FINISH !********************************************************************* 3.4. Kiểm nghiệm tính toán nhiệt cho đập BTĐL Sơn La 3.4.1.