Phân tích tương tác động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của sóng nổ

t nh toán động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động theo quan điểm tương tác đầy đủ giữa các thành phần trong hệ nền đất, kết cấu bể chứa và chất lỏng.. - Trên cơ s

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lương Sĩ Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các thầy giáo GS.TSKH Nguyễn Văn Hợi và PGS.TS Vũ Ngọc Quang đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đề xuất nhiều ý tưởng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu này Tác giả luôn trân trọng sự động viên, khuyến khích và những kiến thức khoa học cũng như chuyên môn mà các Thầy đã chia sẻ cho tác giả trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực khoa học và củng cố lòng yêu nghề

Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ môn Xây dựng Nhà và công trình công nghiệp, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự

và Trung tâm Tư vấn khảo sát thiết kế công trình Quốc phòng - BTL Công binh đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp, những nhận xét hết sức quý báu, chân tình của các thầy giáo, các nhà khoa học giúp tác giả hoàn thành được bản luận án của mình

Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, động viên và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án

Tác giả

Lương Sĩ Hoàng

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Các dạng bể chứa chất lỏng thường gặp trong thực tế xây dựng ở Việt Nam và trên thế giới 5

1 Các mô hình và phương pháp t nh bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động 11

1.2.1 Các mô hình tính kết cấu bể chứa chất lỏng theo quan điểm làm việc độc lập 11

1.2.2 Các mô hình tính kết cấu bể chứa theo quan điểm tương tác 12

1.2 .1 Tương tác kết cấu bể chứa với chất lỏng 12

1 Tương tác kết cấu bể chứa với nền đất 16

1.2.3 Các mô hình tính bể chứa có kể đến sóng trên bề mặt chất lỏng 19

1.3 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG : THIẾT LẬP CÁC PHƯƠNG TRÌNH TỔNG QUÁT ĐỂ PHÂN TÍCH TƯƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC BỂ CHỨA CHẤT LỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 23

1 Các phương trình cơ bản của thủy động lực học 23

2.1.1 Khái niệm và phân loại chất lỏng 23

1 Các phương trình thủy động lực học 24

2.1.2.1 Chất lỏng nhớt, nén được và đẳng nhiệt 24

1 Các trường hợp đặc biệt 26

2.2 Khái niệm về các hệ tương tác và bài toán tương tác kết cấu - chất lỏng 28

2.3 Đặt bài toán và các giả thiết t nh toán bể chứa chất lỏng 30

Thiết lập các phương trình PTHH tổng quát để phân tích tương tác động lực học kết cấu bể chứa chất lỏng 33

1 Các phương trình PTHH tổng quát đối với miền chất lỏng 33

Các phương trình PTHH tổng quát đối với miền kết cấu 42

2.4.3 Hệ phương trình PTHH tổng quát để phân tích tương tác động lực học kết

cấu bể chứa chất lỏng 47

5 Phương pháp giải bài toán động tương tác kết cấu bể chứa - chất lỏng 49

5.1 Dao động tự do không cản 50

5 Dao động cưỡng bức 50

2.6 Kết luận chương 54

CHƯƠNG 3: TÍNH BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẶT NỔI TRÊN MẶT ĐẤT CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG NỔ 55

3.1 Sơ đồ rời rạc hóa phần tử hữu hạn 55

3.2 Thiết lập các ma trận PTHH đối với miền kết cấu 56

3.2.1 Phần tử thanh phẳng 56

3.2.2 Phần tử tấm phẳng tam giác 59

3.3 Thiết lập các ma trận PTHH đối với miền chất lỏng 63

3.3.1 Phần tử tấm phẳng tam giác 63

3.3.2 Phần tử tấm phẳng chữ nhật 66

3.4 Thiết lập các ma trận PTHH trên miền tiếp xúc kết cấu - chất lỏng 68

3.4.1 Phần tử thanh của miền kết cấu tiếp xúc phần tử phẳng của miền chất lỏng 68

3.4.2 Phần tử phẳng miền kết cấu tiếp xúc phần tử phẳng của miền chất lỏng 69

3.5 Chuyển đổi các ma trận của PTHH dạng thanh phẳng từ hệ tọa độ cục bộ sang hệ tọa độ chung 72

3.6 Phương trình chuyển động của toàn hệ kết cấu – chất lỏng 73

3.7 Tải trọng động do sóng nổ tác dụng lên kết cấu bể chứa đặt nổi trên mặt đ ất 74

3.7.1 Siêu áp sóng xung kích do nổ trong không khí 75

3.7.2 Tải trọng động tác dụng lên kết cấu do sóng xung kích gây ra 77

3.8 Lập trình tính toán 78

3.9 Tính toán số 79

3.10 Kết luận chương 3 93

CHƯƠNG : TÍNH BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẶT NGẦM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG NỔ 95

1 Phương trình chuyển động của hệ kết cấu bể chứa – chất lỏng – nền đất theo phương pháp PTHH 95

1.1 Đặt bài toán và các giả thiết tính toán 95

1 Sơ đồ rời rạc hóa phần tử hữu hạn 96

1.3 Phương trình chuyển động của hệ nền đất - kết cấu bể chứa - chất lỏng theo phương pháp PTHH và phương pháp gi ải 97

4.2 Tải trọng nổ tác dụng lên bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trường đất đá 100

4.2.1 Khi nổ xẩy ra trên không hoặc trên mặt đất 101

4.2.2 Tải trọng do nổ trong đất 103

4.3 Lập trình tính toán 105

4.4 Tính toán số 106

4.5 Kết luận chương 114

KẾT LUẬN CHUNG 116

I Những kết quả chính của luận án 116

II Các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của luận án 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

a Gia tốc chuyển động của phần tử chất lỏng

A Diện tích của tiết diện phần tử

[ ]B e Ma trận biến dạng - chuyển vị của phần tử

E Mô đun đàn hồi (mô đun Young) của vật liệu

f(t) Hàm thời gian của tải trọng động

g Gia tốc trọng trường

I Mô men quán tính tiết diện phần tử

K Mô đun thể tích của chất lỏng

[ ]K Ma trận độ cứng của hệ

[ ] ,[ ]K e m K e xy Ma trận độ cứng của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ cục bộ, hệ tọa

độ chung

[ ] ,[ ]K e m K e xy Ma trận tiếp xúc “tựa độ cứng” của phần tử chất lỏng tiếp xúc kết

cấu trong hệ tọa độ cục bộ, hệ tọa độ chung [ ]K Ma trận “tựa độ cứng” của miền chất lỏng

[M ] Ma trận “khối lƣợng kết hợp” của các PTHH tiếp xúc kết cấu –

chất lỏng [Mq ,[] M ] Các ma trận “tựa khối lƣợng” của miền chất lỏng

 R b m Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử do trọng lƣợng bản thân gây

ra trong hệ toạ độ cục bộ của phần tử

 R s m Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử do tải trọng phân bố gây ra

trong hệ toạ độ cục bộ của phần tử

S Diện tích bề mặt của phần tử phía trong của khối chất lỏng

{ }U m Véc tơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ

{ }U xy Véc tơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ toạ độ chung

{ } ,{ }U m U m Véc tơ vận tốc, gia tốc nút của phần tử trong hệ toạ độ cục bộ

{ },{U t U tt} Véc tơ chuyển vị nút của hệ tại thời điểm t và t+t

{ },{U t U tt} Véc tơ vận tốc nút của hệ tại thời điểm t và t+t

{ },{U t U tt} Véc tơ gia tốc nút của hệ tại thời điểm t và t+t

v Thành phần vận tốc của chất lỏng theo phương pháp tuyến

 Chuyển vị xoay của nút quanh trục z

ACI American Concrete Institute

NZS New Zealand Standard

AWWA American Water Works Association

GSDMA Gujarat State Disaster Management Authority

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tóm tắt các bước t nh theo phương pháp của Newmark 53

Bảng 3.1 Các tần số dao động riêng của hệ kết cấu – chất lỏng………81

Bảng 3.2 Các tần số dao động riêng của hệ kết cấu – chất lỏng 82

Bảng 3.3 Chuyển vị ngang lớn nhất tại nút 182 84

Bảng 3.4 Áp lực chất lỏng pmax tại nút 19 92

Bảng 3.5 Áp lực chất lỏng pmax tại nút 111 92

Bảng 1 Các tham số của nền đất………111

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình vẽ, đồ thị chương 1

Hình 1.1 Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Vân Phong 6

Hình 1.2 Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Khu vực 3 6

Hình 1.3 Các kho dự trữ xăng dầu trên thế giới 6

Hình 1.4 Dạng bể ngầm điển hình trong công trình Quốc phòng 7

Hình 1.5 Bể chứa ngầm vỏ thép và bê tông đã được xây dựng trên thế giới 8

Hình 1.6 Một số dạng hư hỏng của bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của động đất 10

Hình 1.7 Mô hình tính bể chứa nổi của Housner 13

Hình 1.8 Một số dạng bể chứa ngầm được nghiên cứu bởi hiệp hội Kiến trúc sư Nhật Bản 18

Hình 1.9 Mô hình tính cho kết cấu bể chứa ngầm của hiệp hội Kiến trúc sư Nhật bản 18

Hình vẽ, đồ thị chương 2 Hình 1 Tương tác chất lỏng - kết cấu 29

Hình Tương tác kết cấu - kết cấu 29

Hình 2.3 Mô hình khảo sát của hệ kết cấu bể chứa - chất lỏng 30

Hình 2.4 Sơ đồ rời rạc hóa PTHH đối với miền chất lỏng 33

Hình vẽ, đồ thị chương 3 Hình 3.1 Mô hình khảo sát bể chứa chất lỏng đặt nổi 55

Hình 3.2 Mô hình rời rạc hóa PTHH đối với hệ kết cấu bể chứa - chất lỏng 56 Hình 3.3 Phần tử hữu hạn dạng thanh phẳng 56

Hình 3.4 Phần tử tam giác phẳng 59

Hình 3.5 Sơ đồ tải trọng phân bố trên bề mặt phần tử 62

Hình 3.6 Phần tử tấm phẳng tam giác thuộc miền chất lỏng 63

Hình 3.7 Phần tử tấm phẳng tam giác có biên trùng với bề mặt tự do của chất lỏng 65

Hình 3.8 Phần tử tấm phẳng chữ nhật thuộc miền chất lỏng 66

Hình 3.9 Phần tử tấm phẳng chữ nhật có biên trùng với bề mặt tự do của khối chất lỏng 67

Hình 3.1 Mô hình phần tử thanh miền kết cấu tiếp xúc với

các phần tử phẳng miền chất lỏng 68

Hình 3.11 Mô hình phần tử phẳng miền kết cấu tiếp xúc với các phần tử phẳng miền chất lỏng 70

Hình 3.12 Sự thay đổi áp lực của sóng xung kích trong không khí 75

Hình 3.13 Sơ đồ vị trí từ tâm nổ đến điểm khảo sát 76

Hình 3 14 Hệ kết cấu – chất lỏng theo [62] 80

Hình 3.15 Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ kết cấu – chất lỏng 80

Hình 3.16 Phổ tần số và 3 dạng DĐR đầu tiên của hệ kết cấu - chất lỏng, tương ứng với trường hợp không có dầm 81

Hình 3.17 Phổ tần số và 3 dạng DĐR đầu tiên của hệ kết cấu - chất lỏng, tương ứng với trường hợp có dầm 82

Hình 3.18 Sơ đồ hệ kết cấu bể chứa – chất lỏng chịu tải trọng sóng nổ 82

Hình 3.19 Mô hình rời rạc hóa PTHH hệ kết cấu – chất lỏng 84

Hình 3 Đồ thị quan hệ giữa cao trình mức nước trong bể chứa và chuyển vị ngang cực đại tại đỉnh tường kết cấu 85

Hình 3 1 Đồ thị chuyển vị ngang theo thời gian tại đỉnh tường kết cấu bể (nút 182) 85

Hình 3 Đồ thị áp lực theo thời gian tại nút 57 thuộc miền chất lỏng 86

Hình 3.23 Biểu đồ chuyển vị của kết cấu bể chứa tại thời điểm t=0,36s 86

Hình 3 Trường áp lực trong miền chất lỏng (MPa) tại thời điểm t=0,36s 87 Hình 3 5 Sơ đồ hệ kết cấu bể chứa - chất lỏng chịu tải trọng sóng nổ 87

Hình 3.26 Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ kết cấu – chất lỏng 88

Hình 3 7 Đồ thị chuyển vị ngang theo thời gian tại nút 72 88

Hình 3 8 Đồ thị mômen uốn theo thời gian tại nút 25 (thuộc phần tử 49) 89

Hình 3 9 Đồ thị lực cắt theo thời gian tại tại nút 25 (thuộc phần tử 49) 89

Hình 3.3 Trường áp lực trong miền chất lỏng tại thời điểm t=0,24s 90

Hình 3.31 Biểu đồ áp lực miền chất lỏng lên thành bể tại thời điểm t=0,24s 90 Hình 3.32 Mô hình rời rạc hóa PTHH hệ kết cấu – chất lỏng 91

Hình 3.33 Đồ thị áp lực theo thời gian tại nút 19 92

Hình 3.3 Đồ thị áp lực theo thời gian tại nút 111 93

Hình vẽ, đồ thị chương 4

Hình 4.1 Mô hình khảo sát bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong nền đất 96

Hình 4.2 Mô hình rời rạc hóa PTHH hệ nền đất- kết cấu bể chứa- chất lỏng 97 Hình 3 Các điều kiện biên trên biên của miền tính toán 99

Hình K ch thước sơ bộ của miền tính toán theo [16] .100

Hình 5 Đồ thị f(t) khi n =1 .103

Hình 6 Sơ đồ tính toán của bể chứa thành mỏng đặt ngầm trong đất 106

Hình 4.7 Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ nền đất - kết cấu bể - chất lỏng 107

Hình 8 Sơ đồ rời rạc hóa PTHH phóng đại tách ra từ mô hình tổng thể 107

Hình 9 Đồ thị chuyển vị ngang theo thời gian tại vị tr đỉnh tường kết cấu bể chứa (nút 669) 108

Hình 1 Đồ thị mô men theo thời gian tại vị tr chân tường 109

Hình 11 Đồ thị lực cắt theo thời gian tại vị tr chân tường 109

Hình 1 Đồ thị ứng suất chính yytheo thời gian tại vị tr dưới chân tường bên trái bể chứa 110

Hình 13 Sơ đồ tính toán của bể chứa thành dày đặt ngầm trong đất 111

Hình 4.14 Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ nền đất – kết cấu bể chứa – chất lỏng 112

Hình 15 Đồ thị chuyển vị đứng (uy) theo thời gian tại nút 409 112

Hình 16 Đồ thị chuyển vị đứng (uy) theo thời gian tại nút 676 113

Hình 17 Đồ thị ứng suất chínhyytheo thời gian (thuộc phần tử 997) 113

Hình 18 Đồ thị chuyển vị đứng (uy) theo thời gian tại nút 676 và nút 314 114

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, kết cấu bể chứa chất lỏng có thể tìm thấy dưới dạng các bể chứa nước phục vụ cho sinh hoạt, cứu hỏa, làm mát nhà máy điện hạt nhân hay các bể chứa nhiên liệu lỏng (xăng dầu, ga hóa lỏng…) Các bể chứa nói trên có vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội Các bể chứa này càng có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực Quốc phòng, đặc biệt đối với các vùng biển, đảo xa bờ (như quần đảo Trường sa, vùng biển DK1) để chứa nước ngọt và xăng dầu, phục

vụ cho sinh hoạt, sẵn sàng chiến đấu và chiến đấu của quân đội

Trong quá trình khai thác và sử dụng các bể chứa thường phải chịu tác dụng của các loại tải trọng động như động đất, nổ Nếu các bể chứa xảy ra sự

cố hư hỏng do các loại tải trọng này thì sẽ gây ra các hậu quả khôn lường về

cả tài sản và tính mạng con người Vì vậy, việc thiết kế xây dựng các công trình đặc thù như bể chứa chất lỏng chịu các tác dụng đặc biệt (động đất, nổ) với độ chính xác và an toàn cao đã lôi cuốn sự quan tâm của các nhà khoa học

Cho đến nay, các công trình nghiên cứu về các phương pháp t nh toán, thiết kế các bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động chủ yếu tập trung đối với tải trọng động đất, còn đối với tải trọng nổ đang t được đề cập tới Vì vậy, trong

luận án này đề tài nghiên cứu được chọn theo hướng “Tính toán động lực

học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của sóng nổ”

Mục đích nghiên cứu của luận án

- Xây dựng phương pháp, các phương trình và thuật toán tổng quát (chung cho các hệ làm việc theo mô hình không gian và mô hình phẳng) để

t nh toán động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động theo quan điểm tương tác đầy đủ giữa các thành phần trong hệ (nền đất, kết cấu bể chứa và chất lỏng)

- Trên cơ sở phương pháp, các phương trình và thuật toán tổng quát, thiết lập các phương trình, thuật toán cụ thể và các phần mềm tính toán tương ứng để phân tích động lực học các bể chứa chất lỏng đặt nổi và đặt ngầm chịu tác dụng của tải trọng sóng nổ làm việc theo mô hình mô hình biến dạng phẳng

- Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình tính và các tham số t nh toán đến trạng thái chịu lực của kết cấu bể chứa chịu tác dụng của sóng nổ

Nội dung và phạm vi nghiên cứu

- Tính bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất và đặt ngầm trong môi trường đất đá (nền đất)

- Mô hình biến dạng của vật liệu kết cấu bể chứa, chất lỏng và nền đất: đàn hồi tuyến tính

- Khi xây dựng các phương trình và thuật toán tổng quát để phân tích động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động theo quan điểm tương tác, mô hình làm việc của hệ nền đất - kết cấu bể chứa - chất lỏng

sẽ sử dụng mô hình không gian (chung cho cả các hệ làm việc theo mô hình không gian và mô hình phẳng), còn khi thiết lập các phương trình và thuật toán cụ thể, các phần mềm t nh toán tương ứng và nghiên cứu bằng số để phù hợp với khối lượng của luận án chỉ sử dụng mô hình bài toán phẳng

- Tải trọng: tải trọng động do sóng nổ gây ra

Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các phương pháp số tiên tiến (phương pháp phần tử hữu hạn,

phương pháp t ch phân số Newmark…) kết hợp với thử nghiệm số trên máy tính

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm có: phần mở đầu, chương, phần kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục

Phần mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, mục đ ch,

nội dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của luận án

Chương 1: Tổng quan

Tổng quan các dạng kết cấu bể chứa chất lỏng thường gặp trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, trong xây dựng công trình Quốc phòng, các phương pháp t nh toán kết cấu bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động, từ đó lựa chọn mục đ ch, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án

Chương 2: Thiết lập các phương trình tổng quát để phân tích

tương tác động lực học bể chứa chất lỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Dẫn ra các phương trình cơ bản của thủy động lực học, thiết lập các phương trình chuyển động để phân t ch động lực học kết cấu bể chứa chất lỏng theo quan điểm tương tác dưới dạng giải tích, trên cơ sở đó xây dựng các phương trình thuật toán tổng quát (chung cho các hệ làm việc theo mô hình không gian và mô hình phẳng) để giải bài toán đặt ra theo phương pháp phần

tử hữu hạn

Nội dung chương đã được công bố trong công trình số 1, 2 của tác giả

Chương 3: Tính bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất chịu tác

dụng của tải trọng sóng nổ

Trên cơ sở phương pháp, các phương trình và thuật toán tổng quát, thiết

lập các phương trình, thuật toán cụ thể và phần mềm t nh toán tương ứng để phân t ch động lực học các bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất chịu tác dụng của tải trọng sóng nổ trong không khí theo mô hình mô hình bài toán biến dạng phẳng

Sử dụng chương trình đã lập tiến hành tính toán bằng số đối với kết cấu

bể chứa dạng thành mỏng và thành dày, nghiên cứu ảnh hưởng của sóng trên

bề mặt tự do miền chất lỏng đến kết quả tính toán

Nội dung chương 3 đã được công bố trong công trình số 2, 4 của tác giả

Chương 4: Tính bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trường đất

đá chịu tác dụng của tải trọng sóng nổ

Trên cơ sở phương pháp, các phương trình và thuật toán tổng quát, thiết lập các phương trình, thuật toán cụ thể và phần mềm t nh toán tương ứng để phân t ch động lực học các bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trường đất

đá (nền đất) chịu tác dụng của sóng nén trong đất do nổ trong không khí và trong đất theo mô hình bài toán biến dạng phẳng

Sử dụng chương trình đã lập tiến hành nghiên cứu bằng số đối với các dạng kết cấu bể chứa thành mỏng và thành dày đặt ngầm trong nền đất

Nội dung chương đã được công bố trong công trình số 3, 5 của tác giả

Phần kết luận nêu lên các kết quả chính của luận án và các vấn đề cần

nghiên cứu tiếp theo

Phần phụ lục giới thiệu văn bản mã nguồn của các chương trình đã lập

trong luận án

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Các dạng bể chứa chất lỏng thường gặp trong thực tế xây dựng ở Việt Nam và trên thế giới

Bể chứa chất lỏng có thể được làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, như bê tông cốt thép (BTCT), thép, composite…, trong đó loại vật liệu thường được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao là thép (hợp kim thép)

và bê tông cốt thép (do có độ bền cao, chống thấm tốt, ổn định, dễ chế tạo, dễ sản xuất…) Có thể phân loại bể chứa chất lỏng theo chức năng sử dụng (bể chứa nước, bể chứa nhiên liệu…); theo hình dạng, k ch thước (bể hình trụ tròn, bể hình chữ nhật…); theo vị trí xây dựng so với mặt đất (bể nổi, bể nửa chìm nửa nổi và bể ngầm) Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng đối với từng loại

bể, có các yêu cầu cấu tạo, chống thấm, chống ăn mòn ở những mức độ khác nhau Các yêu cầu cụ thể đối với thiết kế và thi công cho từng loại bể chứa cũng thường khác nhau ở mỗi nước Bể hình trụ và bể chữ nhật là 2 loại bể chứa thông dụng dùng để chứa nước hoặc nhiên liệu Việc lựa chọn hình dáng, k ch thước bể phụ thuộc vào tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, điều kiện và địa điểm xây dựng kể cả kích thước và khối lượng thiết bị khai thác [2,14]

Trên hình vẽ 1.1 và hình 1 là một vài hình ảnh về bể chứa chất lỏng đặt nổi đã xây dựng ở Việt Nam

Cho đến thời điểm hiện nay, mỗi quốc gia đều cần có các trạm kho với quy mô lớn dùng để bố trí các bể chứa nhiên liệu phục vụ cho quá trình phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo an ninh năng lượng Trên hình 1.3 là một trong những Tổng kho dự trữ xăng dầu của Mỹ và Trung Quốc

Hình 1.1 Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Vân Phong

Hình 1.2 Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Khu vực 3

a Kho dự trữ xăng dầu của Mỹ b Kho trự trữ xăng dầu của Trung Quốc

Hình 1.3 Các kho dự trữ xăng dầu trên thế giới

Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã xây dựng nhiều bể chứa nước đặt ngầm bằng bê tông cốt thép toàn khối phục vụ cho sinh hoạt và phòng cháy chữa cháy, loại có dung t ch lớn có thể đạt 1 ÷2000m3

Bể có dung t ch dưới 1 m3

thường là bể chữ nhật đặt ngầm (hoặc nửa nổi nửa chìm) và dùng vật liệu bê tông cốt thép thông thường [2,14]

Trong lĩnh vực Quốc phòng có nhiều hệ thống công trình ngầm dùng để

ẩn nấp và cất giữ vũ kh trang bị, kỹ thuật, trong đó không thể thiếu được các hạng mục là các loại bể chứa nhiên liệu, nước sinh hoạt đặt nổi và đặt ngầm trong đất, đặc biệt là các bể chứa trên các vùng biển đảo xa bờ như quần đảo Trường sa, vùng biển DK1 phục vụ cho sinh hoạt và chiến đấu của quân đội

Ngoài ra, để bảo đảm phương án cơ động, di chuyển sẵn sàng chiến đấu cho các loại phương tiện vũ kh , trang bị hạng nặng (như máy bay, tàu ngầm, tên lửa phòng không, tên lửa bờ…) ngành Hậu cần quân đội cần phải xây dựng hệ thống kho, bể chứa dự trữ nhiên liệu xăng, dầu với quy mô lớn

Hình 1.4 Dạng bể ngầm điển hình trong công trình Quốc phòng

Trên hình 1.4 là các dạng bể chứa ngầm điển hình (chứa nhiên liệu hay nước sinh hoạt) đã và đang được xây dựng trong lĩnh vực Quốc phòng phục

vụ cho Sở chỉ huy và Khu căn cứ các cấp Việc xác định hình dạng, kích thước, khả năng chịu lực của kết cấu bể chứa được dựa trên cấp độ cần bảo vệ của nó Nhìn chung, kết cấu bể chứa xây dựng trong công trình Quốc phòng

thường có chiều dày tương đối lớn để chống lại các dạng tải trọng động do nổ hay các tác dụng trực tiếp của bom đạn gây ra [17]

Các nước phát triển trên thế giới đã xây dựng nhiều bể chứa chất lỏng

có khối t ch lớn dùng để dự trữ nhiên liệu phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất và kinh doanh…Hình dạng, vật liệu dùng để xây dựng bể chứa cũng rất phong phú Tuy nhiên nhờ t nh bền vững, khả năng chống xâm thực và ăn mòn của

bê tông nên bể chứa nhiên liệu lỏng bằng bê tông cốt thép đã được sử dụng phổ biến và tồn tại từ nhiều thập kỷ qua Có nhiều bể chứa ngầm bằng bê tông cốt thép đã được xây dựng từ những năm 19 cho đến nay vẫn còn sử dụng bình thường như khu dầu kh Baku ở Cộng hòa Adecbaizan được xây dựng năm 1912, hay các bể chứa dầu trên đường ống hữu nghị thời kỳ Liên Xô tới các nước Đông âu…[14]

a Bể chứa dạng trụ tròn nằm ngang

bằng thép, đặt ngầm

b Bể chứa dạng hộp chữ nhật bằng BTCT, đặt nửa nổi nửa chìm Hình 1.5 Bể chứa ngầm vỏ thép và bê tông đã được xây dựng trên thế giới Các bể chứa chất lỏng đặt ngầm có tác dụng chống cháy, chống tự bốc cháy nhiên liệu Ngoài ra nó là loại bể tiết kiệm được diện t ch kho bãi, mạng lưới đường ống kỹ thuật và dễ dàng nạp nhiên liệu bằng phương pháp tự chảy

Bể chứa ngầm còn có khả năng giữ nhiệt độ ổn định của chất lỏng chứa trong

nó

Trong xây dựng công trình Quốc phòng, các bể chứa ngầm ngoài các

ưu điểm trên còn có tác dụng ngụy trang, cất giấu tốt và có khả năng chống lại các tác dụng phá hoại trực tiếp của bom đạn địch

Để đảm bảo t nh ổn định của kết cấu bể chứa (chủ yếu là khả năng chống lật), các bể chứa nổi thường phải có bộ phận neo giữ nó dưới dạng móng công trình (móng khối, móng cọc kết hợp với hệ thống neo, giằng) thường được gọi là các liên kết Bể chứa loại này còn được gọi là bể chứa có neo Đối với các bể chứa ngầm không nhất thiết có các liên kết này và còn được gọi là bể chứa không có neo

Đối với kết cấu bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của động đất, các nhà khoa học đã ghi lại các dạng hư hỏng điển hình dưới đây [18,58,63]

a Hiện tượng phình chân voi: bể chứa bị biến dạng phình ra tại vị trí chân tường bể (sát đáy, hình 1.6a);

b Hiện tượng xoắn hạt kim cương: vỏ bể chứa bị biến dạng xoắn co vào phía trong (hình 1.6b);

c Hiện tượng phá hỏng kết cấu đế móng cao: xảy ra đối với các bể nước đế cao (hình 1.6c);

d Hiện tượng phá hỏng hệ cột đỡ mái và tường bể: xảy ra với bể bê tông cốt thép khối tích lớn (hình 1.6d);

e Hiện tượng đứt neo bể: hiện tượng đứt các neo xung quanh bể chứa

và hư hỏng các đường ống kỹ thuật (chỉ xảy ra với các bể chứa có neo, hình 1.6e);

g Hiện tượng phá hỏng kết cấu mái, hệ đỡ mái (hình 1.6g)

a Hiện tượng phình chân voi b Hiện tượng xoắn hạt kim cương

1.2 Các mô hình và

ải rọ độ

Việc nghiên cứu các bài toán liên quan đến ứng xử của bể chứa chất lỏng dưới tác dụng của tải trọng thường bao gồm phép phân tích các thành phần của hệ thống: tải trọng tác động, kết cấu bể chứa, nền đất và chất lỏng, cùng với sự tương tác giữa chúng dọc theo biên [32] Do bản chất phức tạp của tác động tương hỗ giữa các thành phần trên, nên việc tìm lời giải tổng quát cho bài toán này là rất khó khăn Do đó cần căn cứ vào tính chất, đặc điểm của mỗi bài toán cụ thể để đưa ra quan điểm tính toán phù hợp Các công trình nghiên cứu đã được công bố thường có hai quan điểm tính chủ đạo sau đây:

- Quan điểm tính kết cấu bể chứa làm việc độc lập

- Quan điểm tính kết cấu bể chứa có kể đến sự tương tác giữa các miền kết cấu, chất lỏng và nền đất (quan điểm tương tác)

1.2.1 Các mô ì kế eo q đi m àm việ độ ậ

Theo mô hình này thì khi t nh toán kết cấu bể chứa, chất lỏng và nền đất sẽ được tách ra khỏi hệ kết cấu, còn tác dụng của các bộ phận này lên bể chứa sẽ được thay bằng các tham số không phụ thuộc vào các biến của kết cấu

bể chứa mà chỉ phụ thuộc vào các bộ phận đã tách ra

Để đơn giản, ta khảo sát bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất Hình ảnh đơn giản nhất của phương pháp trên là tác dụng của chất lỏng lên kết cấu trong trạng thái tĩnh được thay bằng áp lực thủy tĩnh

Khi hệ làm việc trong trạng thái động, để xác định ảnh hưởng của chất lỏng lên bể chứa thường giả thiết kết cấu bể chứa là tuyệt đối cứng, theo đó ảnh hưởng của phản lực trên sẽ dẫn tới một khối lượng nào đó của chất lỏng

kết hợp với khối lượng của kết cấu (gọi là “khối lượng kết hợp” [73]) Cách làm này thường thấy khi t nh kết cấu bể chứa chịu tác dụng của động đất [18, 27,40,47,66,68]

1.2.2 Các mô hình tính kết cấu bể chứa theo quan điểm tương tác

Theo quan điểm này để tìm nghiệm của bất kỳ bộ phận nào trong hệ kết cấu bể chứa – chất lỏng – nền đất không thể tiến hành giải độc lập đối với từng bộ phận của hệ vì biến của bộ phận này phụ thuộc vào biến của bộ phận kia nên phải giải đồng thời đối với toàn hệ

Mô hình tương tác theo nghĩa đầy đủ nhất là mô hình, theo đó khi t nh toán các miền kết cấu bể chứa, chất lỏng và nền đất được khảo sát như các không gian (vật thể) đàn hồi liên tục, các miền được mô tả bằng các mô hình vật lý và các biến khác nhau và được liên kết với nhau bởi các biến chung trên biên tiếp xúc giữa các miền này Giải hệ phương trình chứa các biến riêng và các biến chung đối với toàn hệ sẽ xác định được các ẩn số cần tìm của bài toán Để giải các bài toán theo mô hình tương tác đầy đủ này thường phải sử dụng các phương pháp số (phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), phương pháp phần tử biên (PTB), phương pháp sai phân, …) với sự trợ giúp của các phương tiện t nh toán hiện đại (máy tính)

1.2.2.1 Tương tác kết cấu bể chứa với chất lỏng

Công trình nghiên cứu động lực học bể chứa chất lỏng dưới dạng hình trụ hay hình chữ nhật đặt nổi (hình 1.7a), lần đầu tiên được Housner (1963) [30] đề cập đến, trong đó tác giả sử dụng mô hình bài toán phẳng, coi thành

bể là các thanh phẳng tuyệt đối cứng; một phần chất lỏng ở phía trên được

thay bằng khối lượng tập trung m c dao động với chu kỳ lớn (đặc trưng cho áp suất đối lưu gây ra bởi phần chất lỏng dập dềnh trong bể chứa) được liên kết

với thành bể ở độ cao h c bằng một lò xo có độ cứng hữu hạn K c; còn phần

khối lượng của chất lỏng còn lại ở dưới được thay bằng khối lượng tập trung

m i chuyển động cùng với thành bể với chu kỳ dao động nhỏ (đặc trưng cho áp suất xung gây ra bởi phần khối lượng chuyển động cùng với thành bể), được

liên kết với thành bể ở độ cao h i bằng lò xo có độ cứng K i (hình 1.7b) Liên kết giữa bể chứa và nền đất được thay bằng các liên kết đàn nhớt tập trung (hình 1.7b)

Hình 1.7 Mô hình t nh bể chứa nổi của Housner

a Mô hình xuất phát; b Mô hình tính

Mô hình này có hạn chế là không xét đến tính biến dạng của thành bể

và tấm đáy cũng như đã bỏ qua sự thay đổi của áp suất động tác dụng lên đáy

bể (đã sử dụng giá trị là hằng số với áp suất tĩnh) Tuy vậy đây cũng là mô hình được ứng dụng nhiều nhất trong việc khảo sát phản ứng động của chất lỏng trong các bể chứa từ trước đến nay Rất nhiều tiêu chuẩn của các nước trên thế giới đề xuất áp dụng mô hình này, có thể kể ra một số tiêu chuẩn như sau: ACI 350.3, 2001 (Mỹ) [19]; Eurocode 8, 2006 (Châu âu) [27]; NZS

3106, 1986 (New Zealand) [74]; AWWA D-110 & D-115 (Quy định riêng Hiệp hội công trình chứa nước Mỹ) [20]; IITK-GSDMA, 2007 (Ấn Độ) [77]…

Phát triển mô hình trên của Housner, các tác giả sau đó đã chia khối

lượng chất lỏng thành nhiều khối lượng tập trung m c và m i đặt ở các mức nước khác nhau, đồng thời coi thành bể là các thanh biến dạng đàn hồi [32, 68]

Kết quả nghiên cứu của Veletsos (1984) [68] đã cho thấy hai mô hình tính trên (mô hình bể chứa có thành cứng và biến dạng) không có sự khác biệt đáng kể Các mô hình đơn giản nói trên (sử dụng các liên kết tập trung, khối lượng tập trung) cho phép giải bài toán tương tác kết cấu bể chứa – chất lỏng bằng các phương pháp giải t ch, nhưng chưa phản ánh đầy đủ ứng xử động giữa chất lỏng và kết cấu bể chứa đàn hồi

Cùng với sự phát triển các phương pháp số và kỹ thuật máy tính, việc nghiên cứu sự tương tác giữa chất lỏng với kết cấu đàn hồi bằng các phương pháp số với mong muốn tìm được các kết quả ch nh xác hơn là chủ đề nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây Có thể thấy rằng các nghiên cứu này chủ yếu tập trung cho các bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất chịu tác dụng của chấn động do động đất gây ra [5,18,28,33,34,39,44, 54,55,61,64,71,78 ]

Ở đây các phương pháp số được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp PTHH và phương pháp PTB với việc sử dụng các nguyên lý biến phân của cơ học Kock và Olson (1991) [34] đã thiết lập công thức phần tử hữu hạn trên

cơ sở nguyên lý Hamilton Liu (1988) [39], sử dụng nguyên lý biến phân tổng quát đã giải các bài toán tương tác chất lỏng – kết cấu có t nh đến sóng trên bề mặt chất lỏng

Cùng với các nguyên lý biến phân, các phương pháp năng lượng cũng

đã được sử dụng để giải các bài toán Zeng (1992) [71], đã phát triển phương pháp liên hợp PTHH và phần tử biên kết hợp dựa trên nguyên lý năng lượng

Từ các kết quả nghiên cứu trên thấy rằng, phương pháp PTHH được áp dụng để giải các bài toán tương tác chất lỏng với kết cấu biến dạng là phương pháp hiệu quả và đang được ứng dựng rộng rãi trong lĩnh vực này [5,32,33, 44,64,70,72]

Các tác giả Huang (1988) [37], Vonestorff (1991) [70], đã sử phương pháp PTHH kết hợp với phương pháp PTB để khảo sát tương tác hệ chất lỏng – kết cấu Feng [43], đã phân t ch sự tương tác chất lỏng kết cấu cho bài toán

ba chiều phi tuyến S Mitra [46], đã phân t ch sự tương tác chất lỏng – kết cấu bằng việc sử dụng các phần tử hữu hạn phẳng cho cả kết cấu và miền lỏng Tezduyar (2004), sử dụng phương pháp PTHH, đã giải bài toán biên tiếp xúc chất lỏng – kết cấu, trong đó đi sâu vào phân t ch trên biên bề mặt tự do

và biên giữa hai chất lỏng G Sandberg (1992) cùng cộng sự [62] với việc sử dụng phương pháp PTHH đã tập trung nghiên cứu về sự ảnh hưởng của chất lỏng đến các dạng dao động riêng của hệ kết cấu tiếp xúc chất lỏng

Phát triển phương pháp phần tử hữu hạn cổ điển, tác giả Nguyễn Thời Trung cùng với nhóm nghiên cứu của mình [78], đã sử dụng “phần tử trơn”

để phân t ch dao động tự do của bể chứa chất lỏng với thành và đáy bể được coi là tuyệt đối cứng, phía trên của chất lỏng tiếp xúc với dầm đàn hồi Trong nghiên cứu này cả miền chất lỏng và dầm đàn hồi đều được rời rạc hóa bằng các phần tử tấm phẳng

Tác giả Lê Đình Hồng [15], đã nghiên cứu tác động tương hỗ giữa chất lỏng và thành bể dạng trụ tròn chịu tác dụng của động đất Trong nghiên cứu này sử dụng mô hình PTHH với sự hỗ trợ của phần mềm Ansys Kết quả tính toán cho thấy, tần số dao động cơ bản của riêng chất lỏng và của cả hệ thống ảnh hưởng đáng kể đến nội lực của kết cấu

Sử dụng thực nghiệm để đo đạc áp suất thủy động lên bể chứa và so

sánh kết quả với tiêu chuẩn Eurocode 8 đã được nhóm tác giả M Ormeno [57] thực hiện năm 1 Ứng suất đo được trên thành bể đã phần nào làm sáng tỏ các hiện tượng hư hỏng của vỏ bể chứa khi chịu động đất Manos (1989) [50] nghiên cứu ứng xử của một bể chứa hình trụ bằng kim loại chịu

k ch động theo phương ngang nhằm khảo sát tải trọng quán t nh theo phương ngang lên kết cấu bể

Trong các công trình nghiên cứu về sự tương tác của kết cấu – chất lỏng khi sử dụng phương pháp PTHH, có hai phương pháp chọn ẩn số nút đối với miền chất lỏng: phương pháp chọn thế vận tốc và phương pháp chọn áp suất Đại diện cho phương pháp thứ nhất là K.J Bath và các cộng sự [54,55], cho phương pháp thứ hai là O.C Zienkiewicz cùng các học trò [73] Phương pháp thứ nhất thường được ứng dụng cho các chất lỏng có chuyển vị bé, còn phương pháp thứ hai không hạn chế điều kiện trên nên có tính tổng quát hơn

1.2.2.2 Tương tác kết cấu bể chứa với nền đất

Kết cấu bể chứa chất lỏng là trường hợp riêng của kết cấu nói chung nên tương tác giữa kết cấu bể chứa chất lỏng – nền đất cũng tuân theo các quy luật tương tác kết cấu (nói chung) – nền đất

Đầu tiên ta khảo sát sự tương tác giữa kết cấu và nền đất theo các mô hình đơn giản nhất Ở đây, để t nh tới ảnh hưởng của nền đất lên kết cấu thường sử dụng mô hình tách kết cấu ra khỏi nền, đồng thời thay các tác động tương hỗ của nền bằng các phản lực liên kết đặt trên biên tiếp xúc kết cấu – nền đất, các liên kết này có các đặc trưng cơ học phụ thuộc vào ứng xử của môi trường đất đá (tuyến tính, phi tuyến), có thể là hai chiều hoặc một chiều [7,9,10,72] Khi sử dụng mô hình này thường thừa nhận giả thiết chuyển vị là liên tục trên bề mặt tiếp xúc kết cấu – nền đất Với giả thiết này cho phép biểu diễn phản lực nền qua chuyển vị của phần kết cấu tiếp xúc với nền Có thể sử

dụng các mô hình nền đơn giản như mô hình nền Winkler, mô hình nền hai hệ

số cho bài toán tĩnh, mô hình Winkler mở rộng, hay các mô hình phức tạp hơn như mô hình nền hai hệ số có kể đến lực quán tính của nền cho bài toán động

Mô hình này áp dụng phù hợp cho các bài toán có dạng kết cấu ít phức tạp (tấm, dầm) và dẫn đến việc t nh toán khá đơn giản [7]

Bài toán tương tác nền đất – kết cấu bể chứa – chất lỏng đã được đề cập bởi Fischer [44], Natsiavas (1988) [51], Shimizu [64],… Các nghiên cứu này chủ yếu đề cập đến các bể chứa nổi có móng đặt trên nền đàn hồi Các kết quả thu được phản ánh được sự tác động tương hỗ giữa tấm đáy bể và nền đất cũng như giải thích được hiện tượng nâng mép đáy của bể chứa

Trong [18] khẳng định, biến dạng của nền đất ảnh hưởng đáng kể đến

áp suất thủy động lên kết cấu bể chứa Trong công trình này cũng đã kiến nghị sử dụng một số mô hình tính cho bể chứa đặt ngầm

Nhóm tác giả của Samangany (2013) [65], đã thông qua phần mềm thương mại Abaqus khảo sát bài toán bể ngầm chịu tác dụng của chấn động

Ở đây đã khảo sát ảnh hưởng các điều kiện biên của miền nghiên cứu và các đặc trưng cơ lý của nền đất khác nhau đối với trạng thái chịu lực của kết cấu

Ishida (1988) [31], đã sử dụng mô hình hệ cơ học dưới dạng khối lượng – lò xo có bốn bậc tự do để phân tích phản ứng lắc của bể chứa chất lỏng

không neo bằng cách xét đển sự nhổ lật từng phần của tấm đáy kết cấu bể

chứa bằng phương pháp PTHH, trong đó để t nh độ võng của tấm đáy tác giả

đã giả thiết nó làm việc theo mô hình dầm đàn dẻo

R Livaoglu (2008) [40], đã thay ảnh hưởng của nền đất lên kết cấu bể

chứa bằng các liên kết biến dạng (bao gồm lò xo đàn hồi và bộ giảm chấn) đặt

trên biên tiếp xúc kết cấu bể chứa – nền đất, theo mô hình của Housner (1963)

để phân t ch động lực học bể chứa chất lỏng đặt trên nền đàn hồi

Hình 1.8 Một số dạng bể chứa ngầm được nghiên cứu

bởi hiệp hội Kiến trúc sư Nhật Bản

Hình 1.9 Mô hình t nh cho kết cấu bể chứa ngầm

của hiệp hội Kiến trúc sư Nhật bản Theo kiến nghị của hiệp hội Kiến trúc sư Nhật Bản [18], đối với các bể

chứa ngầm (mặt cắt ngang có dạng như hình 1.8), mô hình t nh toán được đơn

giản hóa như trên hình 1.9 Theo kiến nghị này, khi thiết kế bể chứa chịu tác

dụng của động đất phải kể đến ảnh hưởng của đất xung quanh và lực quán

tính của chất lỏng trong bể chứa Mô hình tính hệ kết cấu được thừa nhận là

mô hình phẳng, đồng thời tách ra khỏi nền và thay các ảnh hưởng của nền bằng các lò xo đàn hồi, còn áp lực nước trong bể lên kết cấu được thay thế bằng các lực tập trung Tuy vậy, đây chỉ là kiến nghị và trình tự các bước tính toán cụ thể chưa được đề cập

Phương pháp phân tích các loại kết cấu không phải bể chứa chất lỏng tương tác với nền đất đã có nhiều công trình nghiên cứu như [22,23,24, 42,45,76,…], trong số đó, gần nhất với dạng kết cấu bể chứa ngầm là các công trình ngầm chịu tác dụng của sóng nổ [7,8,9,13] Trong các công trình nghiên cứu này đã sử dụng các phương pháp PTHH để khảo sát trạng thái ứng suất, biến dạng của kết cấu và ảnh hưởng của các tham số môi trường cũng như t nh phi tuyến của vật liệu kết cấu hoặc môi trường đất đá đến trạng thái ứng suất, biến dạng của kết cấu

Các nghiên cứu thực nghiệm nhằm giải thích hiện tượng nâng tấm đáy khỏi nền được thực hiện bởi nhóm tác giả của M Ormeno (2012) [56] Kết quả tính toán với việc sử dụng hai mô hình đối với bể đặt trên nền cứng và nền đàn hồi với các k ch thước bể khác nhau, cho thấy không có sự khác nhau nhiều giữa hai mô hình nền nói trên, nhưng lại nhạy cảm với hệ số khuyếch đại gia tốc nền

1.2.3 Các mô hình tính bể chứa có kể đến sóng trên bề mặt chất lỏng

Sóng trên bề mặt chất lỏng trong bể chứa xuất hiện khi kết cấu dao động Trong một số trường hợp hiện tượng này cần được t nh đến khi tính toán và thiết kế bể chứa do nó có thể gây ra tải trọng cục bộ có giá trị lớn tác dụng lên mái và tường bể dẫn đến phá hỏng bể chứa

Hiện tượng trên lần đầu tiên được Housner [30] đề cập đến khi tính toán bể chứa hình trụ và bể chữ nhật với giả thiết kết cấu tuyệt đối cứng Ở đây, tác giả đã chia áp suất thuỷ động của chất lỏng chứa bên trong bể, thành

hai thành phần: áp suất xung gây ra bởi phần chất lỏng chuyển động cùng với thành bể và áp suất đối lưu gây ra bởi phần chất lỏng dập dềnh trong bể chứa Thành phần đối lưu được mô tả như dao động một bậc tự do Mô hình tính có

kể đến sóng bề mặt này của Housner đã được sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn thiết kế bể chứa chịu động đất [18,19,20,77]

Dựa trên mô hình của Housner, Malhotra (2006) [49], đã phân tích bài toán sóng tác động lên mái bể dạng hình nón và dạng vòm Kết quả tính toán

số cho thấy dưới k ch động ngang, áp lực của sóng bề mặt tác động lên mái bể dạng vòm nhỏ hơn mái bể hình nón

Nhóm tác giả của A.VakilaadSarabi (2012) [67], dựa trên lời giải giải tích, đã nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng của sóng bề mặt khi bể chứa chịu các k ch động trong thời gian dài

Koh et al (1998) [33], kết hợp phương pháp phần tử biên cho miền chất lỏng và phương pháp PTHH cho miền kết cấu đã phân t ch động lực học bể chứa chất lỏng hình chữ nhật có kể đến sóng bề mặt H Mirzabozorg (2012) [48], sử dụng phương pháp PTHH để mô phỏng sóng hai chiều trong bể chứa chữ nhật

Gần đây các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khảo sát bài toán sóng bề mặt

có biên độ lớn Do sóng này có tính phi tuyến nên ở đây các phương pháp số

là công cụ hiệu quả để giải bài toán trên

M.K Kim (2004) [35], đã kết hợp phương pháp phần tử biên và phương pháp PTHH để phân t ch động lực học bể chứa chất lỏng hình chữ nhật có kể đến tính phi tuyến sóng bề mặt Năm 198 , Nakayama và Washizu [52,53], đã giải bài toán trên đối với bể chứa chất lỏng theo mô hình hai chiều chịu tác động của động đất theo quy luật tuần hoàn Năm 1986, Ramaswamy [60] đã phân tích sóng phi tuyến của chất lỏng theo mô hình phẳng chịu kích

thích của động đất theo quy luật tắt dần hình sin

Bài toán tương tác chất lỏng – kết cấu có kể đến ảnh hưởng của sóng trên bề mặt tự do cũng được khảo sát bởi Zienkiewicz [73], ПОСТНОВ [81] với việc sử dụng phương pháp PTHH Ở đây, các tác giả sử dụng giả thiết trên bề mặt tự do có sóng trọng lực, biên độ nhỏ

Nghiên cứu thực nghiệm về sóng bề mặt trong bể chứa hình chữ nhật

và bể trụ tròn cũng đã được thực hiện bởi D Liu (2008) [38], V Calugaru (2009) [25], M.A Cruchaga (2013) [26], trong đó Cruchaga đã tiến hành thí nghiệm đối với bể chứa chữ nhật tuyệt đối cứng chịu k ch động ngang Tác giả đã so sánh hình ảnh thu được từ thực nghiệm với kết quả mô phỏng số thu được từ thực nghiệm

2 Các công trình nghiên cứu về các phương pháp t nh toán các bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động chủ yếu giành cho động đất, còn đối với tác dụng của tải trọng gây ra do sóng nổ còn t được quan tâm

3 Các công trình nghiên cứu, tính toán về bể chứa chất lỏng chủ yếu

tập trung vào các dạng bể chứa đặt nổi, còn đối với kết cấu bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trường đất đá rất t được đề cập đến

4 Các mô hình tính kết cấu bể chứa chất lỏng (đặt nổi, đặt ngầm) thường được sử dụng là mô hình tính kết cấu độc lập đối với các miền còn lại (chất lỏng, nền đất), hoặc tính kết cấu có kể đến sự tương tác với chất lỏng và nền đất nhưng với các mô hình tương tác đơn giản (thay chất lỏng bằng các khối lượng tập trung, thay tác dụng của chất lỏng và nền đất lên kết cấu bể chứa bằng các lò xo đàn hồi,…) chưa phản ánh đầy đủ sự làm việc thực của toàn hệ

Từ các nhận xét trên trong luận án chọn đề tài theo hướng “tính toán

động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của sóng nổ” với mục đ ch

nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu đã trình bày trong phần mở

đầu của luận án

2.1 Các phương trình cơ bản của thủy động lực học

Chất lỏng có thể chia thành hai loại: chất lỏng không nén được và chất lỏng nén được Chất lỏng không nén được là chất lỏng có mật độ khối không

đổi (ρ f =const), tức là mật độ (ρ f ) không phụ thuộc vào thời gian (t) và tọa độ không gian (x,y,z) Đối với chất lỏng như vậy, ảnh hưởng của nội lực gây nên

bởi các phần tử của chất lỏng chỉ làm thay đổi hình dạng mà không làm thay đổi thể tích của nó Ngược lại, chất lỏng có mật độ khối thay đổi theo thời gian và các tọa độ không gian được gọi là chất lỏng nén được Dưới tác dụng của nội lực, thể tích và hình dạng của chất lỏng này bị thay đổi

Ngoài ra, tính chất của chất lỏng làm cản trở đến chuyển động trượt của các phần tử gọi là ma sát nội, hay ma sát nhớt Trong tự nhiên bao giờ cũng gặp phải

những chất lỏng có ma sát nhớt (còn gọi là chất lỏng nhớt) Các chất lỏng khác

nhau có ma sát nhớt khác nhau, ngoài ra ma sát nhớt còn phụ thuộc vào nhiệt độ

Trong thủy động lực học thường bắt đầu khảo sát chuyển động của những chất lỏng với giả thiết là không có ma sát nhớt Những chất lỏng như

vậy gọi là chất lỏng lý tưởng Từ đó suy ra: những nội lực xuất hiện bên trong

chất lỏng lý tưởng không thể có các thành phần tiếp tuyến để cản trở chuyển động trượt của các phần tử, do đó những nội lực này phải luôn luôn có hướng pháp tuyến trong với bề mặt của chất lỏng, nghĩa là chúng được xem như những áp suất của chất lỏng

Quy luật chuyển động của chất lỏng được thể hiện qua các đại lượng đặc trưng cho sự chuyển động của mỗi phần tử chất lỏng, gọi là các tham số chuyển động, bao gồm:

- Áp suất thủy động, p:

- Vận tốc chuyển động, v:

- Gia tốc chuyển động, a:

p=p(x,y,z,t), v=v(x,y,z,t), a=a(x,y,z,t)= v x y z t( , , , ).