Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi vlfs

Hiện nay các kết cấu tấm nổi rất hiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng, điển hình như các nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam cũng đ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Trang 3

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM ngày tháng năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

Trang 4

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN MINH PHƯƠNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

MSHV: 1541870012

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần tử biên

2 Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác

3 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân tích của luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác

4 Tiến hành thực hiện các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …/ /…

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : …/…/…

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Lương Văn Hải Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Công Nghệ TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp HCM, ngày … Tháng… năm 2017

Trần Minh Phương

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia có đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển Để giải quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m) Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể thực hiện được Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng Để giải quyết các vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng(VLFS - Very Large Floating Structures) Hiện nay các kết cấu tấm nổi rất hiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng, điển hình như các nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam cũng đã

có nghiên cứu về vấn đề trên, nhưng chỉ tập trung nghiên cứu khảo sát và phân tích những kết cấu có kích thước nhỏ, cho nên luận văn đã được thực hiện với mục đích

là tập trung phân tích khảo sát ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi có kích thước lớn chịu ảnh hưởng của sóng biển và tải trọng Tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho tấm và phương pháp phần tử biên (BEM) cho chất lỏng, nhằm để phân tích khảo sát chuyển vị của kết cấu tấm khi thay đổi các hướng sóng, chiều dài bước sóng, độ sâu của biển, chiều rộng của tấm và bề dày của tấm Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công và bảo dưỡng hệ thống kết cấu tấm nổi sau này

Trang 7

ABSTRACT

With the increase in population and process are broadening urbanized, countries have long shoreline or country reversions deployed projects To address the demand for housing for people as well as urban infrastructure development However, this solution is only suitable for not too deep waters (depths less than 20m) For deep water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical difficulties, even impossible Besides, the reclamation project as negative for the country's environment, groundwater ecosystems, and coastline with its neighbors

To solve the above problems, the researchers and engineers have proposed an alternative solution more efficient, which is to build a system of floating structures ultra-wide (VLFS - Very Large Floating Structures) Modern plate structures have been developed by countries around the world, such as Japan, South Korea, China, USA, France, England, and Italy… In Vietnam, there is research on the above problem, but it is only focused on investigating and analyzing small-size structures that are not in line with reality, therefore the thesis was conducted with the aim of concentrating on analyzing the dynamical behavior of floating structure of large size, influenced by waves and load The author used the method of Finite Element Method (FEM) for the plate and method Boundary Element Method (BEM) for fluids, in order to analyze the survey of structural displacements panels to change the direction of the wavelength steps waves, sea depth, width and thickness of the

sheet of plate The results of the study in the hopeful thesis may be one of the useful

references to facilitate the design, construction, and maintenance of the later plate structure

Trang 8

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Lương Văn Hải

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

Trần Minh Phương

Trang 9

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết cấu nổi 4

1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 6

1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước 6

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.6 Cấu trúc luận văn 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng 9

2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số 10

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn 11

2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính 13

2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm 14

2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng 17

2.7 Áp lực chất lỏng 19

2.8 Giải phương trình tương tác 19

2.9 Lưu đồ tính toán 20

Trang 10

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ 21

3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của Endo và Yago (1999) [6] 23

3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16] 24

3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển 34

3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu 36

3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm 44

3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm 47

3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu 52

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

4.1 Kết luận 59

4.2 Kiến nghị 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 63

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 75

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS 1

Hình 1.2 Hệ thống kết cấu nổi 3

Hình 1.3 Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka 3

Hình 1.4 Minh họa tính trường uốn tấm VLFS 4

Hình 2.1 Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn 9

Hình 2.2 Mô hình tấm dày [18] 11

Hình 2.3 Mô hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14] 13

Hình 2.4 Lưu đồ tính toán 20

Hình 3.1 Mô hình tấm VLFS 22

Hình 3.2 Mặt bằng sân bay (1999) [6] 23

Hình 3.3 So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6] 24

Hình 3.4 So sánh kết quả với Gao Ruiping (2012) [16] 26

Hình 3.5 Hướng sóng có góc   0 28

Hình 3.13 Các trường hợp biên độ dao động của sóng tới 34

Hình 3.14 Sự thay đổi độ sâu của biển 35

Hình 3.15 Ảnh hưởng các bước sóng lên kết cấu tấm ở độ sâuH 20m 37

Hình 3.16 Chuyển vị kết cấu với các bước sóng khác nhau ở độ sâu 20 H  m 38

Trang 12

Hình 3.17 Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

58 5

H  . m 39

Hình 3.18 Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu 100 H  m 40

Hình 3.21 Đồ thị các trường hợp chuyển vị ở độ sâu khác nhau 44

Hình 3.22 Bề dày của kết cấu tấm hs  2 m 45

Hình 3.23 Bề dày của kết cấu tấm hs  2.5 m 45

Hình 3.24 Bề dày của kết cấu tấm hs 3 m 46

Hình 3.25 Bề dày của kết cấu tấm hs  3.5 m 46

Hình 3.26 Bề dày của kết cấu tấm hs  4 m 47

Hình 3.27 Bề rộng của kết cấu tấm nổi B30m 49

Hình 3.32 Đồ thị các trường hợp chuyển vị với bề rộng B thay đổi 52

Hình 3.33 Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 1 53

Hình 3.37 Đồ thị tổng hợp biên độ dao động cả 4 Trường hợp 58

Trang 13

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số tấm VLFS 21

Bảng 3.2 Các trường hợp sóng tới 33

Bảng 3.3 Các bước sóng ảnh hưởng lên tấm ở độ sâu 20m 36

Bảng 3.4 Biên độ dao động cực đại ở khác bước sóng khác nhau và độ sâu của biển khác nhau 43

Bảng 3.5 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi 51

Bảng 3.6 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với  0.3và B L/ 54

Bảng 3.9 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại ở cả 4 Trường hợp 57

Trang 14

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Q9 Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) BEM Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method) VLFS Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

L Chiều dài tấm theo phương x

B Chiều rộng tấm theo phương y

E Module đàn hồi của vật liệu

G Module chống cắt đàn hồi của vật liệu

 Hệ số poisson của vật liệu

 Trọng lượng riêng của vật liệu tấm

Trang 16

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia có đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển Để giải quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m) Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể thực hiện được

Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng Để giải quyết vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (Hình 1.1) (VLFS - Very Large Floating Structures)

Hình 1.1 Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS (http://www.naoe.eng.osaka-u.ac.jp/kashi/research/airport-e.html)

Trang 17

Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội so với giải pháp truyền thống như sau:

 Ứng dụng tốt cho vùng nước sâu (vì xây dựng VLFS không chịu ảnh hưởng đáng kể của đáy biển và độ sâu vùng nước)

 Thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường

 Thời gian thi công nhanh (vì các module nhỏ được chế tạo sẵn tại xưởng và sau đó được đi chuyển đến công trường để lắp ráp), dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ (vì chúng được tạo các mô module nhỏ)

 Không bị ảnh hưởng của động đất (vì ảnh hưởng của động đất dần bị triệt tiêu bởi môi trường biển)

 Tận dụng được lực đẩy nổi của biển Không chịu ảnh hưởng của hiện tượng

ấm lên toàn cầu (các nhà khoa học dự đoán mực nước biển sẽ dâng cao thêm

khoảng 1 m vào năm 2100)

VLFS có thể chia thành hai loại: kiểu pontoon (kiểu phao) hoặc kiểu nửa chìm (semi-submersible) Kiểu cũ có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa VLFS thường có cấu trúc kiểu nửa chìm (được dằn bằng hệ thống các khoang két có thể xả vào hoặc bơm nước biển ra) để giảm thiểu ảnh hưởng của sóng biển Cấu trúc nửa chìm thường được sử dụng cho mục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác Chúng được cố định bởi các cột kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệ thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két) Trái lại, kiểu pontoon (kiểu phao) đơn thuần phải nổi trên mặt biển, là một cấu trúc rất linh hoạt so với các kiểu cấu trúc ngoài khơi Như vậy, việc phân tích VLFS chính là phân tích hiện tượng thủy động học của kết cấu tấm nổi cùng với chuyển động của tấm Phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác động của sóng biển và miền chất lỏng đã trở thành các vấn đề lớn đang được nỗ lực nghiên cứu

Trang 18

Hình 1.2 Hệ thống kết cấu nổi (https://www.researchgate.net/figure/226306180_fig2_Fig-4-Components-of-a-

pontoon-type-VLFS)

Hình 1.3 Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka (http://www.mssa.org.my/site/index.php?option=com_content&view=article&id

=172&Itemid=228 & http://db.flexibilni-architektura.cz/o/35)

Ngày nay, các quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng đều mong muốn mở rộng khai thác các tiềm năng khổng lồ của đại dương Do đó, việc nghiên cứu hệ thống kết cấu nổi là việc làm hết sức cấp thiết và quan trọng cần giải quyết

Trang 19

1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết

cấu nổi

Kích thước điển hình cho kết cấu nổi siêu rộng (VLFS) thường khoảng 5kmdài, và

1km rộng và chỉ có vài mét theo chiều sâu Cho nên VLFS có kích thước theo phương ngang lớn hơn chiều dày rất nhiều, dẫn đến VLFS rất dễ uốn so với kết cấu ngoài khơi khác Điều này được minh họa trong Hình 1.4 Dẫn đến sự biến dạng đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tâm cứng Vì vậy, tương tác giữa chất lỏng và kết cấu hay còn gọi là hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử động lực học

Hình 1.4 Minh họa tính trường uốn tấm VLFS

Và cho đến nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử hydroelastic của nhiều loại VLFS trong môi trường sóng biển Từ bước phân tích đơn giản nhất là thực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùng chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với

mô hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương

Về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép Chúng được khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do Chuyển động theo phương ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng Đồng thời, khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt

Trang 20

nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong một chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua

Trong quá trình phân tích, nước biển xung quanh được mô hình chất lỏng lý tưởng không xoáy, không nén và không nhớt và rộng vô hạn Áp lực động lực học của nước tác dụng lên mặt ngoài của kết cấu bao gồm áp lực tĩnh do sự thay đổi độ sâu của phần chìm trong nước và áp lực động lực học của sóng Áp lực tĩnh tỷ lệ với

độ võng thẳng đứng được mô hình là lò xo đẩy nổi Áp lực động lực học gây ra do sóng trở thành lực quán tính bằng “khối lượng nước kèm theo và lực cản tổng quát

do quá trình tạo sóng” Bài toán động lực học chất lỏng được xem xét là bài toán sóng biển với điều kiện vùng chất lỏng có độ sâu hữu hạn và phương ngang vô hạn Chất lỏng được giả thuyết là “chất lỏng lý tưởng” Sau đó, các phương trình ràng buộc được chuyển thành các phương trình Laplace và điều kiện biển Phương pháp

để giải quyết bài toán tương tác giữa kết cấu và sóng biển được chia thành hai trường hợp Trường hợp đơn giản, kết cấu có kích thước nhỏ không gây ra sóng phản hồi vì vậy kết quả hàm thế sóng biển cho mặt tự do sẽ được sử dụng để tính toán áp lực động tác dụng vào kết cấu Phương pháp này được ứng dụng phổ biến tính toán các giàn khoan nổi, tàu thủy

Trường hợp phức tạp hơn, những kết cấu có kích thước lớn sẽ tỏ ra ngang bướng trước tác động của sóng biển, sóng phản hồi từ kết cấu trở thành đại lượng đáng kể Bài toán này được gọi là bài toán tương tác kép (coupled problem) Để giải quyết bài toán tương tác kép, người ta sử dụng phương pháp “miền tần số” và “miền thời gian” Đa số các phân tích đều sử dụng phương pháp miền tần số vì tính toán đơn giản hơn Phương pháp này cũng chia thành hai phương pháp: trực tiếp và tọa độ suy rộng trong phương pháp trực tiếp, phương trình dao động của hệ được giải trực tiếp bằng các phương pháp số Tuy nhiên, các ma trận phương trình có kích cỡ lớn

và những ma trận hằng số hết sức phức tạp Điều này là do chiều dài sóng biển nhỏ hơn nhiều so với chiều dài kết cấu Dẫn đến, kết cấu phải được chia nhỏ với một lượng lớn phần tử hữu hạn kéo theo thời gian tính toán sẽ rất lớn Mặt khác, phân tích theo phương pháp tọa độ suy rộng bằng cách phân tách riêng lẻ việc phân tích động lực học chất lỏng và kết cấu giúp giảm kích thước của ma trận của phương

Trang 21

trình cần giải Trong cách giải này, các nhà nghiên cứu đã chấp nhận sử dụng những hàm khác nhau được đưa ra từ việc phân tích dao động riêng của kết cấu

1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm nổi ta có thể kể đến Maeda (1995) [2] ảnh hưởng của thủy triều đến kết cấu nổi kiểu phao ngoài khơi Kashiwagi (1998) [3], Lin (1998) [4] sử dụng hàm B-spline tính toán ứng xử hydroelastic của sóng Utsunomiya (1998) [5] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tấm nổi gần giống với VLFS Endo và Yago (1999) [6] phân tích thời gian ảnh hưởng đến kết cấu tấm nổi có kích thước lớn khi chịu tải trọng tập trung di động Eatock và Okushu (2000) [7] đã sử dụng hàm Green để phân tích động lực học của dầm nổi và tấm nổi có biên tựa tự do Wang, Xiang, Utsunomiya và Watanabe (2001) [8] đã nghiên cứu phản ứng và đánh giá các kết quả ứng suất trong các tấm dao động với biên tựa tự do Watanabe và Utsunomiya (2004) [9] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tác dụng của tải xung Jin và Xing (2007) [10] đã trình bài kết quả số ứng xử đàn hồi của dầm nổi chịu tác động hạ cánh của hệ “khối lượng-lò xo-cản nhớt” Liuchao và Hua (2007) [11] phát triển phương pháp miền thời gian để phân tích ứng xử Hydroelastic đặc trưng tấm chịu tải di động Gupta, Khanna (2009) [12] phân tích dao động tự do của tấm hình chữ nhật trên nền đàn nhớt với sự thay đổi chiều dày của tấm Liu-chao Qiu (2009) [13] mô hình hóa và mô phỏng các phản ứng của dầm nổi trong điều kiện vùng nước sâu dưới tác dụng của tải di động Wang và Tay (2010) [14], (2011) [15] phân tích phản ứng Hydroelastic kết cấu dạng phao có kích thước lớn Gao Ruiping (2012) [16] trình bài ứng xử Hydroelastic của tấm có kích thước lớn

1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các công trình nghiên cứu trong nước rất ít hầu như tất cả kết quả số đã đạt được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Điển hình như Nhi (2014) [18] phân tích động lực học tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di động sử dụng phần tử 2-D chuyển động Mới nhất đây thì có Vũ (2016) [19] phân

Trang 22

tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng đồng thời sóng biển và tải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử chuyển động, đã sử dụng phương pháp BEM-MEM nghiên cứu trên đã tiến hành khảo sát ứng xử của kết cấu nổi khi thay đổi vận tốc và độ lớn tải trọng

Tất cả các nghiên cứu trên đều được sử dụng rời rạc hóa các phần tử tấm, để sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm để tập trung nghiên cứu ứng xử tấm trên nền đàn hồi, hay mô hình dầm nổi thì không đúng với thực tế Do đó Luận văn này

đã tập trung nghiên cứu thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phần tử biên (BEM) trong vấn đề” Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS” góp phần đưa ra kết quả chính xác nhất so với thực tế, và rút ra nhận xét về ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu ảnh hưởng các hướng sóng, bước sóng của sóng biển dưới sự thay đổi của độ sâu của biển, chiều rộng, chiều dày của tấm nổi

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm phát triển và ứng dụng phương pháp phần tử biên

và phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu nổi VLFS (Very Large Floating Structures) chịu ảnh hưởng của sóng biển Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong Luận văn này bao gồm:

 Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần tử biên

 Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác

 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân tích của Luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác

 Thực hiện một số các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau, đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận

Trang 23

1.6 Cấu trúc luận văn

Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan chung về kết cấu tấm nổi VLFS và tình hình nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Trình bài các cơ sở lý thuyết về tấm Mindlin và chất lỏng, và phương pháp phần tử biên cho chất lỏng và mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm

Chương 3: Trìnhbài các kết quả phân tích và khảo sát được tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình động của bài toán

Chương 4: Đưa ramột số kết luận quan trọng đã đạt được trong luận văn và kiến nghị phát triển đề tài trong tương lai

Phụ lục và một số đoạn mã lập trình Matlab để tính toán trong chương 3

Trang 24

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng

Mô hình VLFS có dạng hình chữ nhật với các cạnh là L và B Kết cấu nổi có dạng

như chiếc hộp với chiều cao không đổi là h, và d phần chìm trong nước biển, được thể hiện như trong Hình 2.1 Đáy biển được giả thuyết phẳng nằm tại độ sâu là H Kết cấu chịu tác dụng của sóng tới với chu kỳ sóng là T và chiều cao của sóng là 2A, và sóng tới tác dụng tới kết cấu nổi với một góc là 𝜃 đối với trục x

Hình 2.1 Hìnhvẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn

Trong quá trình phân tích hydroelastic, kết cấu được mô phỏng như một tấm

đồng nhất và cứng Hệ số đàn hồi E và hệ số poisson tỷ lệ với độ cứng của tấm nổi,

và được điều chỉnh để phù hợp với tần số tự nhiên và tần số dao động của kết cấu thật Tấm nổi được giả thuyết là hoàn toàn phẳng và các cạnh tựa tự do Vật liệu của tấm là đẳng hướng hoặc trực hướng và tuân theo định luật Hooke Đối với việc phân tích hydroelastic, hầu hết các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa bằng cách sử dụng lý thuyết tấm mỏng cổ điển, nhưng gần đây việc sử dụng các lý thuyết tấm dày

x,u

Trang 25

Mindlin nhận được sự phổ biến nhất do khả năng cung cấp các kết quả và dự đoán chính xác hơn và các tác động mặt cắt ngang khi biến dạng và quán tính quay Không giống như các lý thuyết tấm mỏng cổ điển, các phương trình chuyển động được mô tả chỉ thông qua chuyển vị đứng w x y t( , , ) là biến, sự chuyển động của tấm

dày Mindlin được biểu diễn thông qua góc quay quanh trục x là y( , , )x y t và trục y

là x( , , )x y t Trong khi phân tích, các tấm được giả định là không chuyển động

trong mặt phẳng Oxy và chỉ chuyển vị theo phương thẳng đứng (tức là hướng z)

Nước được giả định là một chất lỏng đồng nhất và không nhớt, không nén, không xoáy và dòng chảy có thế Dựa trên những giả thuyết trên, chất lỏng chuyển động có thể được đại diện bởi một thế vận tốc là  Chuyển động của chất lỏng được giả thuyết là nhỏ, để xây dựng phương trình chuyển động cho chất lỏng, dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính

Sự tương tác của nước biển và kết cấu được thể hiện qua điều kiện vận tốc của tấm trùng với vận tốc của mặt nước tiếp xúc với tấm, tức là không có khoảng hở giữa tấm và mặt nước

2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số

Xem xét trạng thái chuyển động ổn định điều hòa với tần số vòng  của tấm, vì vậy biến chuyển vị và góc xoay của tấm có thể tách rời thành các biến thời gian và không gian như sau:

W x, y,t

Re w x , y e L

Trang 26

trong đó w x , y , xx , y ,yx , y , là các đại lượng của tấm dày Mindlin, lần

lượt là chuyển vị, góc xoay quanh trục y và trục x  x , y , là thế vận tốc không thứ nguyên của nước Re là hàm lấy giá trị thực của số phức

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn

Tấm dày Reissner-Mindlin (Hình 2.2) với x là góc xoay của tấm quay quanh trục

y, y là góc xoay của tấm quay quanh trục x: u,v,w là chuyển vị của tấm theo phương x,y,z Theo mô hình Reissner-Mindlin các đoạn thẳng vuông góc với mặt

trung bình vẫn thẳng trong quá trình biến dạng nhưng không còn vuông góc với mặt trung gian nữa và các góc vuông này bị thay đổi một lượng đúng bằng biến dạng trượt trung bình gây ra bởi lực cắt Như vậy góc xoay tổng cộng của mặt cắt gồm hai phần, phần thứ nhất do độ võng của tấm khi các pháp tuyến vẫn còn vuông góc với mặt trung bình, phần thứ hai là do biến dạng trượt trung bình gây ra

Hình 2.2 Mô hình tấm dày [18]

Phương trình động lực học sóng biển trên mặt thoáng tại z0:

Trang 27

p gw t

với w là chuyển vị theo phương đứng của kết cấu

Phương trình chuyển động có xét áp lực sóng biển của tấm dày Mindlin được đưa ra như sau:

y x

v



 là hệ số

module cắt (hay momen đàn hồi trượt), v là hệ số poisson, 𝛾 trọng lượng riêng

vật liệu của tấm và  là hệ số điều chỉnh cắt, 2 5

6

  Các cạnh của tấm tự do cho nên momen uốn, xoắn và lực cắt ngang phải bị triệt tiêu ở cạnh, từ đó dẫn đến các phương trình điều kiện biên tại các cạnh của tấm như bên dưới:

Trang 28

Mô hình kết cấu và chất lỏng (Hình 2.3) với  là sóng tới, S là biên mặt thoáng F

chất lỏng, S HB là biên mặt đáy kết cấu tấm nổi, S là biên độ sâu của đáy biển, H B

là độ sâu đáy biển, S là biên chiều dài của mặt thoáng chất lỏng ở vô cực

Hình 2.3 Mô hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14]

Hàm thế sóng điều hòa tuyến tính I cho vùng chất lỏng có độ sâu không đổi

và đạo hàm theo phương pháp tuyến q của mặt thoáng và đáy biển được viết dưới

dạng, với ký hiệu “I” đại diện cho vùng sóng tới (sóng biển), z được lấy từ mặt nước trung bình (yên tĩnh)

Trang 29

 

I

cosh[ k z h ] gA

2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm

Độ võng, góc xoay và các biến phân của nó được biểu diễn bởi đa thức xấp xỉ với

hệ số là giá trị tại các nút như bên dưới

Trang 30

trong đó w: là độ võng của tấm; x: góc xoay theo trục y; y: góc xoay theo trục

x Và N được chọn là hàm dạng cho phần tử tấm Từ đó, vector nghiệm d và biến

phân của nó tại mỗi nút có dạng như bên dưới

Trang 31

 

3 2

v v

Trang 32

2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng

Để mô phỏng vùng chất lỏng bằng phương pháp phần tử biên (BEM-Boundary Element Method), trong phần này hàm free-surface Green được sử dụng Hàm Green này áp dụng rất hiệu quả cho ảnh hưởng của mặt tần số và điều kiện nhiễu xạ [14]

Nhằm mục đích định nghĩa, hàm free-surface Green là hàm thỏa mãn phương trình Laplace chủ đạo và các phương trình điều kiện biên trên các mặt biên của vùng chất lỏng như bên dưới

Trang 33

vị tại nút

Trang 34

2.7 Áp lực chất lỏng

Biến phân tải trọng động lực học sóng biển tác động lên đáy của kết cấu được biểu diễn dưới thông qua biến phân của chuyển vị và đạo hàm hàm thế lưu tốc theo thời gian:

2.8 Giải phương trình tương tác

Phương trình (2.44) có thể được viết lại dưới dạng như sau:

với K là ma trận cứng tổng hợp bao gồm ma trận cứng uốn, cắt và đẩy nổi, M là ma

trận khối lượng Để giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng ta thay giá trị biên độ (2.49) vào (2.48), ta tính toán giá trị hàm thế trên mỗi panel của đáy kết cấu Sau đó, biên của các mode dao động được tính như sau:

Trang 35

2.9 Lưu đồ tính toán

Bắt đầu

Dữ liệu đầu vào

Kích thước tấm: L,B,h Đặc tính tấm: E,v Thông số Biển: T,H,θ

khối lượng sử dụng phương pháp 9 nút phần

tử của tấm dày mindlin cho phương trình tách

nút

Chia Nhỏ Nút

kết cấu tấm nổi sử dụng phương pháp chia 9 nút.

Phần chất lỏng

Phương trình của chất

lỏng

xát định phương trình điều kiện biên và chuỗi hàm Bessel.

Phương trình tích phân cận

biến đổi phương trình nước vào phương trình tích phân cận bằng cách sử dụng lý thuyết tích phân Green loại 2.

Phương trình kết cấu tấm nổi tuyến tính

ta thay các giá trị biên độ phương trình kết cấu

đã chia nhỏ và thay thế nó vào phương trình chất lỏng để tính toán giá trị hàm thế trên mỗi

panel của đáy kết cấu

Giải quyết được cho tấm

Trang 36

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ

Trong chương này trình bày các kết quả phân tích khảo sát được thực hiện nhằm tiến đến mục tiêu chính như sau:

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi của hướng sóng

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ bề dày của tấm

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

Ngoại trừ được ghi rõ cụ thể trong từng bài toán khảo sát, các thông số tính toán được sử dụng trong toàn bộ các phân tích nêu trong Luận văn này được trình bày trong Bảng 3.1 sau đây

Bảng 3.1 Thông số tấm VLFS

Thông số hình học, vật liệu Giá trị,Đơn vị

Phần nước chiếm chổ VLFS 0.5 m

Độ cứng uốn tương đương 4.78x108 kN/m2

Khối lượng riêng tương đương 256.25 kg/m3

0 15 30 45 90, , , ,

Trang 37

phần tử có kích thước là (6x6)m, theo phương x và y tương ứng như Hình 3.1 trên,

sử dụng phần tử tham chiếu 9 nút (phụ lục) cho việc mô hình hóa các tấm nổi để khảo sát

Các bài toán được thực hiện trong Luận văn này bao gồm:

 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của Endo

và Yago (1999) [6]

 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với

sự thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16]

 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển

 Phân tích khảo sát ứng xử của tấm chịu ảnh hưởng của sóng biển

độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm

 Bài toán 5: khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm

bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

Trang 38

3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của

Endo và Yago (1999) [6]

Mô hình thí nghiệm VLFS MF-300 tại biển của viện nghiên cứu kỹ thuật Float, năm 1995-1998 MF-300 là pon-toon có dạng tấm chữ nhật với kích thước như sau: Chiều dài của tấm L300m, chiều rộng B60m, chiều dày h2m, và

Mega-4 biên tựa tự do, có Modul đàn hồi Young E  11 9GPa . , khối lượng riêng tương đương p 256 25kg/m. 3, hệ số Poisson   0 13 . , và sóng tới với bước sóng là

30m, chu kỳ sóng 4.4s, chiều cao sóng là 1m, ứng với biên độ 1m Theo Hisayoshi

Endo, “điều kiện sóng này đại diện cho điều kiển biển mà mô hình MF-300 sẽ gặp vài lần trong một năm Trong quá trình tính toán, bước thời gian được thiết lập là 32

Tw / ” Mô hình MF-300 được sử dụng cho mô hình sân bay nhỏ được thể hiện trong Hình 3.2

Hình 3.2 Mặt bằng sân bay (1999) [6]

 Thẩm tra chương trình mô phỏng:

Ta xét ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi cho kết quả của chương trình code matlab, có chuyển vị theo phương đứng trong cùng một điều kiện với bước sóng là 0.4, 0.6, 1.0 Ứng với bước sóng /L=0.4, 0.6, 1.0 thì ta dường như nhận thấy rằng biên độ dao động của code chương trình rất gần trùng với kết quả thí nghiệm MF-300 của Endo và Yago (1999) [6], điều này chứng tỏa rằng code

Trang 39

chương trình xác thực cho kết quả rất đáng tin cậy được thể hiện trong Hình 3.3 sau đây

Hình 3.3 So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6]

3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự

thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16]

Xét bài bài toán kết cấu tấm nổi của Gao Ruiping có các thông số hình học và vật liệu như sau: Chiều dài của tấm L  300 m, chiều rộng của tấm B  60 m, chiều dày 2

h m, và 4 biên tựa tự do, có Modul đàn hồi Young E  11 9GPa . , khối lượng

để tiến hành khảo sát và kết quả được so sánh trong Hình 3.4

Trang 40

Gao Ruiping (2012) [16] Luận văn

a) 0

b)45

c) 60

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	4,72 MB