Tính toán thiết kế vận thăng treo cho hầm thủy điện Nậm Chiến - Sơn La

1. Mục đích
Tính toán khả năng chịu tải của vận thăng VPV200 theo thiết kế có sẵn khi lắp đến độ sâu 200m. Nếu vận thăng theo thiết kế không đạt khả năng chịu tải thì đưa ra mô hình thiết kế mới phù hợp và đủ khả năng chịu tải.
Phần mềm tính toán: Sap2000 V.11; SolidWorks 2004; Visual Nastran 4D.
2. Mô hình tính toán vận thăng
2.1. Các bản vẽ thiết kế (ko up)
2.2. Mô hình tính toán vận thăng theo bản vẽ thiết kế
• Kết cấu tổng thể kết cấu vận thăng khi lắp đặt độ sâu 200m
- Kết cấu khung vận thăng sẽ được lắp treo từ mặt đất xuống độ sâu ~200m, giằng vào vách đá, có 4 đốt khung nhô lên mặt đất.
- Mỗi tầng của vận thăng cao 1,508m (theo bản vẽ thiết kế), được xếp chồng lần lượt lên nhau qua 4 chân trụ, 4 chân này được ngàm với nhau bởi các bulong M24x150.
- Toàn bộ kết cấu khung sẽ được giằng vào vách đá với khoảng cách mỗi vị trí giằng là 4.524m, mỗi vị trí sẽ có 2 giằng đối xứng vào kết cấu khung (theo bản vẽ thiết kế), 4 tầng trên mặt đất sẽ được giằng cứng vào hệ thống kết cấu khung trên mặt đất.
- Chiều sâu lắp đặt tính toán là ~200m với 128 tầng + 4 tầng trên mặt đất.
- Số lượng giằng vào vách đá: 2 x 44 = 88 giằng.
• Các đặc tính về tiết diện thanh và vật liệu được dùng
- 4 trụ chính: 76x4.5 (P76x4.5), vật liệu: C20.
- Hệ thống giằng ngang: L75x50x6, vật liệu: CT3.
- Hệ thống giằng chéo: 27x1.5 (P27x1.5), vật liệu: CT3.
- Hệ thống khung lắp vào kết cấu để giằng: hộp vuông 50x50x3.8 (GIANG50x50x3.8), vật liệu: CT3.
- Thanh răng, vật liệu: C20.
- Bulong M24x150 (giằng 4 chân của 2 tầng vận thăng treo lên nhau).
- Bulong M18-TR bắt thanh răng vào khung.

• Mô hình tính toán kết cấu 3D
- Mô hình khung

Hình 2.1 – Mô hình tính toán khung vận thăng 3D.
- Mô hình giằng (2 bên đối xứng)

Hình 2.2 – Mô hình tính toán giằng 3D.
Ghi chú: Các mô hình được dựng hoàn toàn theo các bản vẽ thiết kế do bên A cung cấp.

2.3. Mô hình tính tải do tải trọng bản thân của lồng tác dụng lên vận thăng



Hình 2.3 – Mô hình tính toán khung lồng 3D.
- Mỗi lồng theo bản vẽ thiết kế có kích thước là 2.6 x 0.8 x 1.6 (m).
- Tải trọng tổng thể = tải trọng bản thân + tải trọng vận chuyển + tải trọng động cơ
= 0.65 tấn + 0.35 tấn + 0.5 tấn = 1.5 tấn.
- Chọn hệ số an toàn tải trọng tĩnh trên lồng là 1.4 ta có lực tập trung lên lồng là 2.1 tấn phân bố đều trên sàn lồng.
- Hình 2.3 là kết quả tính tải trọng tác dụng của lồng lên khung vận thăng, ta sẽ lấy các tải trọng tác dụng này là lực động đầu vào cho phần tính kết cấu khung vận thăng dưới đây.


3. Tính toán vận thăng theo bản vẽ thiết kế
Phần này sẽ kiểm tra khả năng chịu tải của hệ khung – giằng vận thăng theo bản vẽ thiết kế khi chịu lồng tải trọng 1.5 tấn. Nếu không đạt độ bền cho phép thì sẽ phân tích đưa ra phương án thay đổi phù hợp sao cho kết cấu chịu được tải trọng yêu cầu và đạt độ bền cho phép.
• Để tiện việc phân tích trạng thái chịu tải và đưa ra phương án thay đổi nếu kết cấu khung không đạt độ bền cho phép, ta sẽ thực hiện tính toán theo 2 cách như sau:
- Tính toán hệ khung vận thăng và hệ giằng vào vách đá độc lập: thực hiện tính hệ khung với giả thiết hệ giằng đã thỏa mãn độ ngàm vào khung (tại các vị trí trong thiết kế), kiểm tra khả độ bền, sau đó lấy các phản lực tại các ngàm có giằng đưa vào tính toán hệ giằng, việc tính toán 2 hệ này là độc lập và được thực hiện tuần tự.
- Tính toán hệ khung – giằng kết hợp: mô hình tính toán sẽ là hệ giằng giằng hệ khung vào vách đá, trường hợp này có sự tương tác giữa 2 hệ và nó sẽ mô tả trạng thái làm việc của vận thăng một cách chính xác hơn.
• Các trường hợp tính toán và kết quả đưa ra:
- Tính toán với 3 trường hợp đặt tải (lồng): tải ở độ sâu lớn nhất (200m); tải ở độ sâu trung bình (100m); tải ở độ sâu nhỏ nhất (~2m).
- Mỗi trường hợp sẽ trích ra 2 bảng kết quả: bảng thứ nhất là bảng PMM 20 phần tử có tỷ số PMM lớn nhất, bảng thứ 2 là bảng phản lực liên kết của 5 điểm giằng có phản lực lớn nhất, kết quả tính phản lực này sẽ được dùng để tính hệ thống giằng vào vách đá.
• Các ký hiệu:
+ DEAD: tải trọng bản thân
+ p – mass: tải trọng dolồng tác dụng lên vận thăng.
• Các tổ hợp tải trong tính toán thiết kế:
+ UDSTL1 = 1.5 DEAD;
+ UDSTL2 = 1.4 DEAD + 1.7 p–mass;
• Chuẩn thiết kế theo Sap2000 đối với các kết cấu thép: AISC-LRFD99:
- Tỷ số ứng suất cho phép: 0.95.
- Hệ số tải trọng bản thân cao nhất: 1.5.
- Hệ số tải trọng lồng cao nhất: 1.7.
• Các đặc tính cơ học của thép CT3:
- Giới hạn chảy: 225 MPa
- Độ bền kéo: 373 MPa
• Khả năng chịu tải của Bulong M24x150 (do bên A cung cấp)
- Giới hạn chảy: 846 MPa
- Độ bền kéo: 931 MPa
• Khả năng chịu tải của Bulong M18x150 (do bên A cung cấp)
- Giới hạn chảy: 622 MPa
- Độ bền kéo: 633 MPa
• Khả năng chịu tải của Bulong M30x220 (do bên A cung cấp)
- Giới hạn chảy: 415 MPa
- Độ bền kéo: 731 MPa

3.1. Tính toán hệ khung đốt vận thăng
3.1.1. Lồng ở vị trí thấp nhất (sâu 190m)

• Nhận xét: tỷ số PMM lớn nhất là tại thanh L75x50x6 là 0.897 < 0.95 đạt độ bền làm việc.

3.1.2. Lồng ở vị trí sâu 100m

• Nhận xét: tỷ số PMM lớn nhất là tại thanh L75x50x6 là 0.556 < 0.95 đạt độ bền làm việc.

3.1.3. Lồng ở vị trí cao nhất (sâu ~2m)
• Nhận xét: tỷ số PMM lớn nhất là tại thanh L75x50x6 là 0.382 < 0.95 đạt độ bền làm việc.
• Kết luận: Hệ khung đốt vận thăng khi đảm bảo độ ngàm vào vách đá thì làm việc đạt độ bền cho phép khi chịu tải 1.5 tấn. Trường hợp tải ở độ sâu lớn nhất (200m) thì kết cấu chịu tải lớn nhất và phản lực ở ngàm cũng lớn nhất. Ta sẽ lấy các phản lực này làm đầu vào cho tính toán hệ giằng dưới đây.

3.2. Tính toán hệ giằng vào vách đá
Với kết quả tính hệ khung vận thăng ở trên, ta thấy trường hợp tính toán 1 (lồng ở vị trí sâu nhất) thì khung chịu tải lớn nhất và phản lực tác dụng lên hệ giằng vào vách trong trường hợp này là lớn nhất, đặt các phản lực đó vào hệ giằng vách đá ta có kết quả tính như sau:


Hình 3.1 – Kết quả tính toán hệ giằng.

Hình 3.2 – Đồ thị kết quả tính ứng suất khi tính toán hệ giằng.
Kết quả tính trên cho thấy bulong M30 chịu ứng suất lớn nhất (vị trí màu đỏ) là 1.45x109Pa=1450MPa, trong khi ứng suất chảy cho phép của bulong M30 (theo kết quả kéo thử bên A cung cấp) là 415MPa<1450MPa, do đó kết cấu giằng không đạt độ bền cho phép.

• Kết luận:
- Khi hệ khung đảm bảo độ ngàm vào vách đá thì nó đạt độ bền cho phép.
- Hệ giằng không đảm bảo được độ ngàm theo yêu cầu.
Như vậy là hệ vận thăng theo thiết kế không đạt độ bền, ta sẽ phải tính toán phân tích nguyên nhân và đưa ra phương án thay đổi cho phù hợp và đạt yêu cầu.

3.3. Tính toán hệ khung – giằng kết hợp
Phần này sẽ thực hiện tính toán hệ khung – giằng kết hợp, với trường hợp tải ở độ sâu nhất.


Hình 3.3 – Mô hình tính toán hệ khung – giằng.


Hình 3.4 – Vị trí thanh TAI50x16 không đạt độ bền.

Như vậy phương án giằng như trên không đạt độ bền, các tai giằng 140x50x16 không đạt độ bền cho phép (hình 3.4).
• Nhận xét:
- Với các trường hợp tính toán hệ khung và hệ giằng độc lập ở phần 3 thì hệ khung đảm bảo độ bền khi các vị trí ngàm đảm bảo.
- Với trường hợp tính toán kết hợp hệ khung – giằng thì các tai giằng 140x50x16 không đạt độ bền cho phép, từ đó có thể thấy là hệ thanh giằng vào vách đá chưa đảm bảo được độ ngàm cho khung, cần phải thiết kết lại hệ giằng này.
• Đánh giá:
- Với trường hợp tính toán hệ giằng độc lập (3.2) ta thấy rằng bulong M30 là phần tử tập trung ứng suất lớn nhất (hay chịu lực nhiều nhất), cần phải tăng cứng cho bulong tăng chỉnh này.
- Tai giằng 140x50x16 không đạt độ bền cho phép, tỷ số PMM lớn nhất là 1.14 > 0.95 cho phép. Phân tích các lực thì thấy tai giằng lực uốn ngang (hay mô men) lớn nhất, do đó cần phải tăng thêm kích thước theo phương ngang.
Trên cơ sở các kết luận tính toán và phân tích đánh giá ở trên ta sẽ thực hiện phương án thay đổi thiết kế để được một mô hình tính toán mới sau đây.


4. Thay đổi theo phương án 1
Với những tính toán kết luận và phân tích ở trên, ở đây sẽ thay đổi các điểm sau của hệ giằng như sau:
- Thay bulong M30 thành bulong M24x250 có các đặc tính cơ học như sau:
Giới hạn chảy: 694 MPa
Độ bền kéo: 830 Mpa
- Thay đổi kích thước tai bắt tay giằng 140x50x16 (mm) thành 140x75x16 (mm).
- Các kết cấu còn lại giữ nguyên không thay đổi gì thêm.
4.1. Mô hình tính toán



Hình 4.1 – Mô hình tính toán hệ khung – giằng mới.




4.2. Kết quả tính thiết kế



Hình 4.2 – Vị trí các thanh chịu ứng suất lớn nhất.
• Nhận xét:
- Như vậy với mô hình tính thiết kế mới đã thay đổi như trên đạt độ bền làm việc cho phép, chỉ có thanh giằng L50x50x5 chịu tải lớn nhất là 0.8597 < 0.95 tỷ số thiết kế cho phép.

Ball-bearing 3D S8516 TIMKEN

This is a ball-bearing type S8516 of TIMKEN that I created by SolidWorks. The simulating problem will be performed by Nastran 4D soon.

Introducing about SolidWorks 2009 Premium

When you think about SolidWorks, what comes to mind? For most people, it’s our 3D mechanical CAD (MCAD) software. And while that may be what we’re known best for, that’s not all there is to SolidWorks. At SolidWorks we're dedicated to providing engineers, designers and other creative professionals with the tools they need to design the world’s greatest products. In addition to SolidWorks MCAD, we also offer a range of Simulation products to help you get your designs right before you send them out to production.
Our Product Data Management (PDM) software can keep your data organized, and version control ensures everyone in the office is working off the same page. We even offer 3DVIA Composer to keep your documentation in sync with design changes and keep costs down at the same time.

If you're thinking about making the switch to 3D, we know there are things to consider beyond product features. Talking to our customers, we've found a few questions that come up consistently, listed below. Click on the links to get answers to each question, plus hear what actual SolidWorks customers have to say.

Why should I consider SolidWorks now?
Companies everywhere–including your competitors–are moving to 3D. If you want to take your product design to the next level, get the most out of your team, and be the leader in your market, now is the time to start thinking about the ways SolidWorks® can help you succeed.

How easily can we make the transition?
We realize that moving from 2D to 3D involves more than just buying new software—it requires you and your employees to think differently about how you approach the design process.

How can we design better products using SolidWorks?
You think in three dimensions. Your products are three-dimensional. So doesn’t it make sense to design them in 3D?

How much return on investment will we see?
We understand that for most businesses moving to a new design platform is a major investment, and it’s important to understand how it will affect your bottom line. The good news is that moving to SolidWorks will likely start paying off sooner than later.

Who else is using SolidWorks?
Who’s using SolidWorks? Lots of people. In fact, over 800,000 of them. You’ll find SolidWorks products in use at Fortune 500 companies, single proprietorships, and everywhere in between.
Who will help us be successful with SolidWorks?

From helping you get up and running to making sure you stay successful, SolidWorks is committed to providing the tools and knowledge that will help your company design better products.

What's new in SolidWorks 2009
SolidWorks 2009 is up to 65% faster, which gives you more time to design better products – every day. With over 250 enhancements, great speed and groundbreaking performance, SolidWorks 2009 will change your sense of time. Here are just a few of the exciting new features.

Large Assembly Handling Improvements
SolidWorks 2009 performance has been improved for very large and complex assemblies. Commands with improved performance include: Window selection; copying, adding, saving, and deleting subassemblies; and adding and editing mates.

SpeedPak Technology
SpeedPak is a new technology that creates a simplified version of a complex assembly without losing references. The result is a significant performance enhancement for both large assemblies and drawings.

Simulation Advisor
A Simulation Advisor has been added to many of the model setup menus to provide expert advice at nearly every stage of the simulation. With an intuitive question-and-answer workflow, you are prompted to choose more efficient and accurate techniques that might not have been obvious at the start of the project.

Apply Filters and Sort BOM by Column
SolidWorks 2009 lets you apply filters to a BOM based on the variables displayed within the BOM itself. You can easily sort columns within a BOM by clicking on the column heading.

Sensors
Sensors monitor selected properties in parts and assemblies and alert you when values deviate from the user-specified limits. Sensor types include mass properties, measurement, interference, and SolidWorks Simulation data. The Sensor tool in SolidWorks Simulation allows you to set their design goals like allowable stress, displacement, or even part weight. The sensors will monitor results across multiple studies and alert you when any design goal has been violated.

IDF Import/Export and PADS ASCII Import
CircuitWorks can automatically build accurate SolidWorks assemblies of circuit boards and their components, showing outlines, keep-outs, regions, and annotations in the assembly if required. Since CircuitWorks is a bi-directional system, SolidWorks parts and assemblies can be exported in the IDF file format using CircuitWorks so they can be imported back into an ECAD system. You can then place the remaining electrical components and interconnecting traces.

Support for SolidWorks Drawing and Assembly BOM
SolidWorks Enterprise PDM now displays BOM tables that were created in SolidWorks assembly and drawing files. Edits made in the SolidWorks 2009 BOM table are automatically reflected in SolidWorks Enterprise PDM.

Pass/Fail Indicators for Bolt Connectors
SolidWorks 2009 allows you to understand if a bolt connector will withstand stress. If the stress in a Bolt Connector exceeds the bolt’s strength, the connector turns red and the forces are displayed to ease redesign of the fastener.

Electrical Component Library
The components that CircuitWorks builds can be replaced with more complex models, which SolidWorks 2009 will use in subsequent boards. The CircuitWorks Library allows you to define which part or assembly to use to represent a component.
===========================================================================================