Phân tích động lực học công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió

FRAME_W2_2012: Chương trình tính toán động lực công trình biển cố định hệ thanh phẳng trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió theo mô hình kết cấu và nền làm việc đồng th

Nguyễn Văn Chình

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH

TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2013

Nguyễn Văn Chình

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH

TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ

Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn

Mã số: 62.44.21.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Thái Chung

2 GS.TS Hoàng Xuân Lượng

Hà Nội - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Văn Chình, 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

Tác giả

Nguyễn Văn Chình

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Cơ học vật rắn, Khoa Cơ khí, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật quân sự đã tạo mọi

điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS.TSKH.NGND Đμo Huy Bích - Đại học Quốc gia Hμ Nội, GS.TSKH Nguyễn Đông Anh - Viện Cơ học Việt Nam, GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm - Viện Cơ học Việt Nam, PGS.TSKH Đỗ Sơn - Viện Cơ học Việt Nam, GS.TS Nguyễn Mạnh Yên - Đại học Xây dựng Hμ Nội, PGS.TS Đμo Như Mai - Viện Cơ học Việt Nam đã cung cấp cho tác giả nhiều tμi liệu quý hiếm, các kiến thức khoa học hiện đại vμ nhiều lời khuyên bổ ích, có giá trị

Cuối cùng, tác giả xin bμy tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân trong gia đình đã thông cảm, động viên vμ chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian lμm luận án

Tác giả

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Mục lục…… iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vii

Danh mục các bảng x

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xii

MỞ ĐẦU… 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan về san hô và nền san hô 6

1.2 Tổng quan về công trình biển và tải trọng tác dụng lên công trình biển 8

1.2.1 Tổng quan về công trình biển 8

1.2.2 Tổng quan về tải trọng tác dụng lên công trình biển 12

1.2.2.1 Tải trọng sóng biển 12

1.2.2.2 Tải trọng gió 15

1.3 Tổng quan về tính toán công trình biển 17

1.4 Các kết quả nghiên cứu đạt được từ các công trình đã công bố 23

1.5 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 24

1.6 Các kết luận rút ra từ tổng quan 24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ …… 25

2.1 Đặt vấn đề 25

2.2 Giới thiệu bài toán và các giả thiết 26

2.3 Cơ sở phương pháp PTHH phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của sóng và gió, quan niệm kết cấu và nền không tương tác 27

2.3.1 Các hệ thức biểu diễn mối tương quan trong PTHH 28

2.3.2 Xây dựng véc tơ tải trọng phần tử do sóng và gió gây ra 30

2.3.2.1 Véc tơ tải trọng do sóng biển tác dụng lên phần tử thanh 30

2.3.2.2 Véc tơ tải trọng do gió tác dụng lên phần tử thanh 34

2.3.3 Phương trình chuyển động của phần tử trong hệ toạ độ cục bộ 36

2.3.4 Phương trình chuyển động của phần tử trong hệ toạ độ tổng thể 36

2.3.5 Ghép nối các ma trận phần tử vào ma trận chung của toàn hệ 37

2.3.6 Phương trình chuyển động của toàn hệ 37

2.4 Thuật toán giải phương trình chuyển động của hệ 39

2.5 Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình 44

2.5.1 Chương trình tính 44

2.5.2 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình 45

2.6 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG, GIÓ VÀ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN SAN HÔ…… 48

3.1 Đặt vấn đề 48

3.2 Giới thiệu bài toán và các giả thiết 49

3.3 Cơ sở phương pháp PTHH phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với nền san hô 51

3.3.1 Các hệ thức đối với phần tử thuộc nền 51

3.3.1.1 Phần tử tứ giác biến dạng phẳng có bốn điểm nút 51

3.3.1.2 Phần tử tam giác biến dạng phẳng có ba điểm nút 53

3.3.1.3 Quan hệ biến dạng – chuyển vị 55

3.3.1.4 Ma trận độ cứng của phần tử 56

3.3.1.5 Ma trận khối lượng và ma trận cản nhớt phần tử 56

3.3.1.6 Véc tơ tải trọng nút 57

3.3.1.7 Véc tơ nội lực nút 57

3.3.2 Các hệ thức trong phần tử tiếp xúc 58

3.3.3 Phương trình chuyển động của toàn hệ 65

3.4 Thuật toán giải hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ 66

3.5 Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình 72

3.5.1 Chương trình tính 72

3.5.2 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình 72

3.6 Kết luận chương 3 74

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 75

4.1 Đặt vấn đề 75

4.2 Bài toán xuất phát 75

4.2.1 Bài toán 1: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió .75

4.2.2 Bài toán 2: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với nền san hô 81

4.3 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến phản ứng động của hệ 86

4.3.1 Ảnh hưởng của mô hình tính 86

4.3.2 Ảnh hưởng của tải trọng tác dụng 90

4.3.3 Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu 93

4.3.3.1 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc chính 93

4.3.2.2 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc phụ 97

4.3.4 Ảnh hưởng của kích thước cọc chính 101

4.3.4.1 Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc chính 101

4.3.4.2 Ảnh hưởng của chiều dày thành ống cọc chính 105

4.3.5 Ảnh hưởng của kích thước thanh giằng 109

4.3.5.1 Ảnh hưởng của đường kính ngoài thanh giằng 109

4.3.5.2 Ảnh hưởng của chiều dày thành ống thanh giằng 113

4.3.6 Ảnh hưởng của chiều sâu ngàm 117

4.3.7 Ảnh hưởng của nền san hô 120

4.3.7.1 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp nền trên cùng 120

4.3.7.2 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp nền thứ hai 122

4.3.8 Ảnh hưởng của chiều sâu cọc chính trong nền 124

4.4 Kết luận chương 4 127

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

PHỤ LỤC… 139

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục các ký hiệu

1.1 Các ký hiệu bằng chữ La tinh

aw Độ cao đỉnh sóng so với mực nước tĩnh,

awx, awy Gia tốc sóng theo phương ngang, phương đứng,

[B]e Ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị,

[B]se Ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị của PTTX, [C]e, [C] Ma trận cản phần tử, ma trận cản của kết cấu,

[D] Ma trận quan hệ ứng suất – biến dạng,

[Dse] Ma trận quan hệ ứng suất – biến dạng PTTX,

L Chiều dài phần tử thanh dầm,

[M]e Ma trận khối lượng phần tử,

[N]e Ma trận các hàm dạng của phần tử,

{Pg} Véctơ tải trọng phần tử do lực khối,

{pn} Véc tơ tải trọng sóng phân bố trên một đơn vị chiều dài thanh,

Uwin Tốc độ gió,

uw, vw Vận tốc sóng theo phương ngang, phương đứng,

Unx Cường độ vận tốc sóng theo phương ngang,

Uny Cường độ vận tốc sóng theo phương đứng,

{u} Véctơ chuyển vị tại một điểm thuộc phần tử,

{u}e Véctơ chuyển vị nút của phần tử,

u, v Chuyển vị kết cấu theo phương ngang và đứng,

u, v  Vận tốc chuyển vị kết cấu theo phương ngang, phương đứng,

{δ} Véctơ chuyển vị nút phần tử tiếp xúc,

ωi, ωj Các tần số dao động riêng,

ξi, ξj Các tỷ số cản,

ωw Tần số sóng,

ηw Độ cao mặt sóng biển so với mực nước tĩnh,

ρair Khối lượng riêng của không khí,

{εse} Véctơ biến dạng phần tử tiếp xúc,

εD Độ chính xác yêu cầu theo chuyển vị,

εF Độ chính xác yêu cầu theo lực,

τgh Ứng suất trượt giới hạn,

ψ Góc hợp bởi UGwin( )t và pháp tuyến của mặt chắn gió

FRAME_W2_2012: Chương trình tính toán động lực công trình biển cố định hệ thanh phẳng trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió theo mô hình kết cấu và nền làm việc đồng thời

DANH MỤC CÁC BẢNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ …… 25

Bảng 2.1 Tóm tắt thuật toán tích phân trực tiếp Newmark giải bài toán 43

Bảng 2.2 So sánh tần số riêng, kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính 45

Bảng 2.3 So sánh kết quả kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính 47

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG, GIÓ VÀ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN SAN HÔ 48

Bảng 3.1 Đặc trưng vật liệu của phần tử tiếp xúc 62

Bảng 3.2 So sánh kết quả kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính 73

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 73

Bảng 4.1 Giá trị lớn nhất chuyển vị, gia tốc tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ (mô hình không tương tác) 81

Bảng 4.2 Đặc trưng vật liệu các lớp nền san hô 82

Bảng 4.3 Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ (mô hình tương tác) 86

Bảng 4.4 Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ (mô hình không tương tác và tương tác) 89

Bảng 4.5 Biến thiên giá trị lớn nhất về chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ theo chiều cao sóng Hw (mô hình KTT và TT) 92

Bảng 4.6 Biến thiên giá trị Umaxx , Umaxy , Umaxx tại đỉnh giàn và Mmaxz tại chân cọc chính, cọc phụ theo mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính 93

Bảng 4.7 Biến thiên giá trị max

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

Hình 1.1 Giàn khoan “Dầu Khí Hải Dương 981” trên Biển Đông .9

Hình 1.2 Toàn cảnh giàn khoan Hai – bơ – nia 10

Hình 1.3 Chân đế giàn khoan Hải Thạch được kéo trượt xuống sà lan 11

Hình 1.4 Nhà giàn DKI ở thềm lục địa phía Đông Nam Việt Nam 11

Hình 1.5 Mô tả bề mặt sóng biển .13

Hình 1.6 Phổ độ cao mặt sóng của Pieson-Moskowitz 14

Hình 1.7 Lực sóng tác dụng lên cột trụ thẳng đứng .15

Hình 1.8 Mô hình thay thế nền bằng các lò xo Kelvin [70] 20

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ …… 25

Hình 2.1 Mô hình bài toán (không tương tác) 26

Hình 2.2 Phần tử thanh 2 nút với hệ trục tọa độ cục bộ 27

Hình 2.3 Mô hình phần tử thanh chịu tác dụng của tải trọng sóng biển 30

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán của phương pháp Newmark 44

Hình 2.5 Mô hình bài toán so sánh kết quả tính [57] 46

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG, GIÓ VÀ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN SAN HÔ…… 48

Hình 3.1 Mô hình bài toán công trình biển chịu tác dụng của tải trọng sóng, gió 49

Hình 3.2 Thứ tự nút của phần tử, hệ tọa độ tổng thể, hệ tọa độ cục bộ của phần tử tứ giác bốn điểm nút 52

Hình 3.3 Thứ tự nút của phần tử, hệ tọa độ tổng thể, hệ tọa độ cục bộ của phần tử tam giác ba điểm nút .53

Hình 3.4 Sơ đồ phần tử tiếp xúc [54] .58

Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tương tác động lực học giữa kết cấu giàn phẳng và nền san hô 71 Hình 3.6 Mô hình bài toán so sánh kết quả tính [73] 73

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 75

Hình 4.1 Mô hình của bài toán (mô hình không tương tác) 76 Hình 4.2 Giản đồ vận tốc gió (1) ( )

win

U t với U(1)max =46,35m / s [37] 77 Hình 4.3 Mô hình PTHH của bài toán (mô hình không tương tác) 77 Hình 4.4 Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình không tương tác) .78 Hình 4.5 Đáp ứng chuyển vị đứng Uy tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình không tương tác) 79 Hình 4.6 Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U tại đỉnh giàn theo thời gian x(mô hình không tương tác) 79 Hình 4.7 Đáp ứng gia tốc chuyển vị đứng U tại đỉnh giàn theo thời gian y(mô hình không tương tác) 80 Hình 4.8 Đáp ứng mô men uốn tại chân cọc chính và chân cọc phụ theo thời gian (mô hình không tương tác) 80 Hình 4.9 Mô hình bài toán (mô hình tương tác) 82 Hình 4.10 Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình tương tác) 83 Hình 4.11 Đáp ứng chuyển vị đứng Uy tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình tương tác) 84 Hình 4.12 Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U tại đỉnh giàn theo thời xgian (mô hình tương tác) 84

Hình 4.13 Đáp ứng gia tốc chuyển vị đứng U tại đỉnh giàn theo thời gian y(mô hình tương tác) 85 Hình 4.14 Đáp ứng mômen uốn Mz tại chân cọc chính và chân cọc phụ theo thời gian (không tương tác) .85 Hình 4.15 Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình tương tác và không tương tác) 87 Hình 4.16 Đáp ứng chuyển vị đứng Uy tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình tương tác và không tương tác) 87 Hình 4.17 Đáp ứng mômen uốn Mz tại chân cọc chính theo thời gian (mô hình tương tác và không tương tác) 88 Hình 4.18 Đáp ứng mômen uốn Mz tại chân cọc phụ theo thời gian (mô hình tương tác và không tương tác) 88 Hình 4.19 Đáp ứng chuyển vị ngang tại đỉnh giàn theo thời gian ( (1) ( )

x

U tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 94 Hình 4.23 Quan hệ giữa chuyển vị đứng max

y

U tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 94 Hình 4.24 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) .95

Hình 4.25 Quan hệ giữa mômen uốn max

x

đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ (mô hình tương tác và không tương tác).98 Hình 4.28 Quan hệ giữa chuyển vị đứng max

y

U tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ (mô hình tương tác và không tương tác) 98 Hình 4.29 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ (mô hình tương tác và không tương tác) 99 Hình 4.30 Quan hệ giữa mômen uốn max

z

M tại chân cọc chính và mô đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ (mô hình tương tác và không tương tác) .99 Hình 4.31 Quan hệ giữa mômen uốn Mmaxz tại chân cọc phụ và mô đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ (mô hình tương tác và không tương tác) .100 Hình 4.32 Quan hệ giữa chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và đường kính ngoài Dch của cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 102 Hình 4.33 Quan hệ giữa chuyển vị đứng Umaxy tại đỉnh giàn và đường kính ngoài Dch của cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) .102 Hình 4.34 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và đường kính ngoài Dch của cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 103 Hình 4.35 Quan hệ giữa mômen uốn Mmaxz tại chân cọc chính và đường kính ngoài Dch của cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 103 Hình 4.36 Quan hệ giữa mômen uốn max

z

ngoài Dch của cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 104

Hình 4.37 Quan hệ giữa chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và chiều dày

tch của thành ống cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) .106 Hình 4.38 Quan hệ giữa chuyển vị đứng max

y

U tại đỉnh giàn và chiều dày

tch của thành ống cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) .106 Hình 4.39 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang max

M tại chân cọc chính và chiều dày

tch của thành ống cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) 107 Hình 4.41 Quan hệ giữa mômen uốn max

z

M tại chân cọc phụ và chiều dày tchcủa thành ống cọc chính (mô hình tương tác và không tương tác) .108 Hình 4.42 Quan hệ giữa chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và đường kính ngoài Dth của thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) 110 Hình 4.43 Quan hệ giữa chuyển vị đứng Umaxy tại đỉnh giàn và đường kính ngoài Dth của thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) 110 Hình 4.44 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang max

x

U tại đỉnh giàn và đường kính ngoài Dth của thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) .111 Hình 4.45 Quan hệ giữa mômen uốn Mmaxz tại chân cọc chính và đường kính ngoài Dth của thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) 111 Hình 4.46 Quan hệ giữa mômen uốn max

z

ngoài Dth của thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) 112 Hình 4.47 Quan hệ giữa chuyển vị ngang Umaxx tại đỉnh giàn và chiều dày

tth của ống thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) .114 Hình 4.48 Quan hệ giữa chuyển vị đứng max

y

U tại đỉnh giàn và chiều dày tth của ống thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) .114

Hình 4.49 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang max

z

M tại chân cọc phụ và chiều dày tthcủa ống thanh giằng (mô hình tương tác và không tương tác) .116 Hình 4.52 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất max

x

chiều sâu ngàm (mô hình không tương tác) .117 Hình 4.53 Quan hệ giữa chuyển vị đứng lớn nhất Umaxy tại đỉnh giàn và chiều sâu ngàm (mô hình không tương tác) .118 Hình 4.54 Quan hệ giữa gia tốc chuyển vị ngang lớn nhất max

x

U tại đỉnh giàn và chiều sâu ngàm (mô hình không tương tác) 118

z

M tại mặt cắt chân cọc chính và chiều sâu ngàm (mô hình không tương tác) 119 Hình 4.56 Quan hệ giữa mômen uốn lớn nhất max

z

M tại mặt cắt chân cọc phụ

và chiều sâu ngàm (mô hình không tương tác) 119 Hình 4.57 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất Umaxx tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Ef1 của lớp nền thứ nhất (mô hình tương tác) 121 Hình 4.58 Quan hệ giữa mô men uốn lớn nhất max

z

M tại chân cọc chính và mô đun đàn hồi Ef1 của lớp nền thứ nhất (mô hình tương tác) 121 Hình 4.59 Quan hệ giữa mô men uốn lớn nhất Mmaxz tại chân cọc phụ và mô đun đàn hồi Ef1 của lớp nền thứ nhất (mô hình tương tác) 122 Hình 4.60 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất max

x

U tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi Ef2 của lớp nền thứ hai (mô hình tương tác) 123

Hình 4.61 Quan hệ giữa mô men uốn lớn nhất max

z

M tại chân cọc chính và mô đun đàn hồi Ef2 của lớp nền thứ hai (mô hình tương tác) 123 Hình 4.62 Quan hệ giữa mô men uốn lớn nhất max

z

M tại chân cọc phụ và mô đun đàn hồi Ef2 của lớp nền thứ hai (mô hình tương tác) 124 Hình 4.63 Quan hệ giữa chuyển vị ngang lớn nhất max

x

U tại đỉnh giàn và chiều sâu H1 của cọc chính (mô hình tương tác) 125 Hình 4.64 Quan hệ giữa mô men uốn lớn nhất max

z

M tại chân cọc chính và chiều sâu H1 của cọc chính (mô hình tương tác) 125 Hình 4.65 Quan hệ giữa mô men uốn lớn nhất max

z

M tại chân cọc phụ và chiều sâu H1 của cọc chính (mô hình tương tác) 126

MỞ ĐẦU

Việt Nam là quốc gia biển, tiềm năng biển của Việt Nam vô cùng to lớn, bờ biển từ Bắc vào Nam với chiều dài 3260km, ngoài khơi là hai quần đảo Trường Sa và Hoàng Sa rộng lớn gồm nhiều đảo lớn, nhỏ Đây là những vị trí có tầm chiến lược quan trọng trong việc bảo vệ biên cương của

Tổ quốc và khai thác tài nguyên, góp phần vào việc giữ vững nền an ninh quốc phòng và công cuộc phát triển, xây dựng đất nước Nhận thức rõ tầm quan trọng này, Đảng và Nhà nước ta đã có những quyết sách đúng đắn nhằm xây dựng các đảo thuộc quần đảo Trường Sa và vùng biển lân cận (nhà giàn, DKI, ) trở thành những căn cứ quân sự, kinh tế vững mạnh có

đủ khả năng đáp ứng tốt nhiệm vụ trước mắt và lâu dài Thực tế cho thấy

để đáp ứng được yêu cầu nhiệm vụ này, ngoài việc xây dựng lực lượng con người, vũ khí trang bị, điều tất yếu cần phải xây dựng, khôi phục cơ sở hạ tầng, công trình biển, đảo vững chắc

Nghiên cứu tương tác giữa kết cấu và nền san hô nói chung, cũng như tương tác giữa kết cấu hệ thanh với nền san hô nói riêng là một trong những vấn đề đã và đang được nhiều nhà khoa học trong nước cũng như nước ngoài quan tâm Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán, thiết kế, thi công các công trình xây dựng ngoài khơi Các tài liệu, số liệu khảo sát, thí nghiệm về vật liệu san hô và nền san hô liên quan đến thiết kế, xây dựng còn rất hạn chế, kèm theo các mô hình tính, phương pháp tính còn chưa phù hợp với thực tế nên việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế các công trình trên nền san hô gặp không ít khó khăn Với các kết quả nghiên cứu đạt được đến nay, có thể khẳng định rằng: đặc điểm nổi bật của nền san hô là loại vật liệu dòn, liên kết một chiều (chỉ chịu nén, không chịu kéo), tuỳ theo trạng thái chịu lực, có thể xảy ra hiện tượng tách, trượt tương đối tại bề mặt tiếp xúc giữa công trình và nền khi hệ làm việc

Điều này dẫn đến các phương trình ứng xử cơ học của bài toán có tính phi tuyến, làm cho việc giải các bài toán dạng này là khó và phức tạp, đặc biệt bài toán tương tác động lực học giữa công trình và nền san hô

Công trình biển cố định dạng móng cọc được dùng rộng rãi ngoài khơi, đây là một hệ cơ học phức tạp gồm kết cấu đàn hồi đặt trong môi trường chất lỏng chịu tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các tác động khác của môi trường Ở Việt Nam đến nay đã đạt được thành quả to lớn trong nghiên cứu, thiết kế và thi công các công trình nhà giàn DKI của Quốc phòng, các giàn khoan dầu khí Tuy nhiên do nhiều yếu tố phức tạp, như tính chất cơ lý của vật liệu nền san hô, tính chất của tải trọng tác dụng, vấn đề tối ưu kết cấu, v.v cho nên thực tế qua sử dụng các công trình còn bộc lộ một số nhược điểm, đặc biệt có những công trình bị đổ, gây ra nhiều thiệt hại to lớn cả về kinh tế, quốc phòng và tính mạng con người Do đó, nghiên cứu sự tương tác giữa kết cấu công trình biển dạng móng cọc và nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng biển và gió, làm cơ sở cho việc thiết kế, khai thác, xác định nguyên nhân hư hỏng và biện pháp phòng tránh là công việc cần thiết, có vai trò quan trọng hiện nay Vì vậy đề tài

“Phân tích động lực học công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió” mà luận án đặt ra cho đến nay vẫn là

vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:

- Nghiên cứu tổng quan về san hô và sự tương tác giữa công trình và nền, làm cơ sở giải quyết bài toán tương tác giữa công trình và nền san hô

- Nghiên cứu xây dựng mô hình, phương pháp giải bài toán tương tác giữa công trình biển cố định hệ thanh phẳng (mô phỏng nhà giàn DKI) và nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng và gió

- Thiết lập thuật toán và chương trình tính phân tích hai lớp bài toán với hai mô hình tính khác nhau: mô hình kết cấu và nền không tương tác (quan niệm thay thế nền bằng ngàm cứng) và mô hình kết cấu và nền có tương tác (kết cấu và nền làm việc đồng thời) chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió

- Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố về tải trọng, hình học, vật liệu, điều kiện liên kết đến phản ứng động của hệ dưới tác dụng của tải trọng sóng và gió

Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu:

Kết cấu công trình biển cố định hệ thanh trên nền san hô (mô phỏng công trình DKI) chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió

Phạm vi nghiên cứu:

- Về kết cấu: Công trình biển cố định hệ thanh phẳng (mô phỏng công trình DKI)

- Về nền: Nền san hô khu vực quần đảo Trường Sa

- Về tải trọng: Tải trọng sóng biển được xác định theo lý thuyết sóng

tuyến tính Airy và công thức Morison, tải trọng gió là hàm của thời gian

Mục tiêu nghiên cứu:

Phân tích động lực học công trình biển hệ thanh trên nền san hô theo hai mô hình tính (mô hình kết cấu và nền san hô không tương tác và mô hình kết cấu và nền san hô tương tác)

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu bằng lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH Giải hệ phương trình động lực học tuyến tính bằng phương pháp tích phân trực tiếp Newmark và hệ phương trình động lực học phi tuyến bằng tích phân trực tiếp Newmark kết hợp với phương pháp lặp Newton – Raphson Lập trình tính toán trong môi trường Matlab

Cấu trúc của luận án:

Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu tham khảo, với 138 trang thuyết minh, trong đó có 20 bảng, 84 hình vẽ, đồ thị, 73 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài luận án và bố cục luận án Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Trình bày tổng quan về san hô và nền san hô, đưa ra các đặc tính của nền san hô phục vụ xây dựng mô hình tính toán tương tác giữa kết cấu và nền Phân tích về công trình biển, tải trọng tác dụng lên công trình biển, tính toán công trình biển thông qua các nghiên cứu trong nước và nước ngoài Từ đó rút ra những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn mục tiêu, nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác

dụng của tải trọng sóng và gió

Xây dựng mô hình bài toán, thiết lập thuật toán và chương trình, nhằm nghiên cứu phản ứng động của kết cấu công trình biển cố định hệ thanh phẳng chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió theo mô hình không tương tác (thay thế nền bằng ngàm cứng)

Chương 3: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác

dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với nền san hô

Xây dựng mô hình bài toán, thiết lập thuật toán và chương trình nhằm nghiên cứu phản ứng động của kết cấu công trình biển hệ thanh phẳng trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình tương tác (kết cấu và nền làm việc đồng thời)

Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến phản ứng

động của công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió

Trên cơ sở thuật toán và chương trình tính đã lập trong chương 2 và chương 3, tiến hành giải nhiều bài toán với các thông số thay đổi, khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố về hình học, vật liệu, điều kiện liên kết, nền san hô đến phản ứng động của hệ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về san hô và nền san hô

Nghiên cứu san hô về mặt thiết kế và xây dựng công trình là một lĩnh vực kỹ thuật rất phức tạp, cho tới nay còn có ít số liệu và tác phẩm được công bố Ở trong nước, trong công trình nghiên cứu [25], tác giả Nguyễn Hoa Thịnh và các cộng sự đã bước đầu thu được một số kết quả quí về đặc điểm phân bố, địa chất công trình và tính chất cơ lý của san hô và nền san

hô tại một số đảo thuộc quần đảo Trường Sa Đây là một trong những tài liệu quan trọng, bước đầu cho thấy bức tranh tổng thể về san hô tại quần đảo Trường Sa, làm cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế các công trình trên nền san hô sau này Trong [25], bài toán tương tác giữa công trình và nền san hô cũng bước đầu được đề cập, nhưng với mô hình tính còn đơn giản, chưa có đủ số liệu về tính chất cơ, lý của san hô và nền san

hô phục vụ cho việc tính toán, do đó chưa phản ánh sát thực sự làm việc của hệ thực, vì vậy ý nghĩa thực tiễn chưa cao

Tiếp tục hướng nghiên cứu này, tác giả Hoàng Xuân Lượng và các cộng sự [10], [11], [13], [14] đã kết hợp khảo sát thực địa, nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, đã thu được một số kết quả sâu hơn, phong phú hơn

về tính chất cơ lý của vật liệu san hô, đặc trưng động lực học của nền san

hô, cho thấy khá rõ nét về đặc điểm địa chất công trình và nền san hô các đảo thuộc quần đảo Trường Sa Các công trình đã công bố là những nghiên cứu có tính hệ thống từ cách tiếp cận lý thuyết đến thực nghiệm, thu được

bộ số liệu phong phú về chỉ tiêu cơ, lý của san hô và nền san hô phục vụ thiết kế các công trình biển đảo

Ở nước ngoài, trong công trình nghiên cứu của mình, các tác giả Jeyasuria P và Lewis J.C [30] bằng thực nghiệm đã xác định được một số chỉ tiêu cơ lý của cốt san hô sừng, như độ bền kéo, mô đun đàn hồi, mô đun đàn hồi trượt của các trục san hô sừng Nghiên cứu về rạn san hô và phân

bố san hô tại một số đảo nhỏ và vịnh của Mỹ đã được Bernhard M Riegl, Richard E Dodge [36] thực hiện, song các kết quả chỉ mang tính công bố tổng quan, thiếu số liệu cụ thể và đặc biệt chưa đề cập đến tính chất cơ lý của san hô phục vụ xây dựng công trình

Sử dụng phương pháp địa vật lý, tác giả Richard B Aronson [60] đã trình bày một số nghiên cứu về rạn san hô và vật liệu san hô các vịnh và đảo nổi thuộc Mỹ Trong công trình này nghiên cứu sự phát triển của các rạn san hô sống và bước đầu đề cập đến phương pháp khoan lấy mẫu và nghiên cứu tính chất cơ lý của san hô tại các đảo nổi

Từ các tài liệu công bố nói trên cho thấy:

- Nền san hô là nền phân lớp, trong mỗi lớp nền vật liệu được giả thiết

là đồng chất, đẳng hướng San hô là vật liệu dòn, quan hệ ứng suất – biến dạng gần như tuyến tính, liên kết giữa nền san hô và kết cấu có tính chất một chiều (nền san hô chỉ chịu nén, không chịu kéo), dưới tác dụng của tải trọng

có thể xuất hiện sự tách hoặc trượt cục bộ giữa kết cấu và nền

- Mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu san hô biến thiên từ 0,19×104kG/cm2 đến 3,79×104kG/cm2, hệ số Poisson biến thiên từ 0,14 đến 0,47, khối lượng riêng biến thiên từ 2,3×103kg/m3 đến 2,8×103kg/m3 Hệ số

ma sát giữa vật liệu san hô và bê tông biến thiên từ 0,39 đến 0,45, giữa san

hô và thép biến thiên từ 0,29 đến 0,36 [10], [11]

1.2 Tổng quan về công trình biển và tải trọng tác dụng lên công trình biển

1.2.1 Tổng quan về công trình biển

Tuỳ theo vị trí, tính chất làm việc, mục đích sử dụng và vật liệu chế tạo, có thể phân ra các loại công trình biển sau: Theo vị trí của công trình

so với bờ, người ta phân ra ba loại là: công trình biển ven bờ (kè bờ biển, cảng biển, ), công trình biển ngoài khơi (giàn khoan dầu khí, nhà giàn DKI và công trình biển ngoài hải đảo (kè chống xói lở đảo, bến cập tàu, cập xuồng, các công trình trên đảo, )

Theo tính chất cố định của công trình, công trình biển được phân ra hai loại là công trình biển cố định – loại công trình được xây dựng cố định tại một vị trí trong suốt thời gian sử dụng (giàn khoan dầu khí, trạm nghiên cứu khí tượng thuỷ hải văn trên biển, nhà giàn DKI, ) và công trình biển

di động – loại công trình không cố định một cách thường xuyên tại một vị trí (giàn khoan di động, tàu khoan, )

Căn cứ vào loại vật liệu làm công trình, người ta phân ra bốn loại là: công trình biển bằng thép, công trình biển bằng bê tông, công trình biển bằng bê tông cốt thép và công trình biển bằng vật liệu tổng hợp

Trên Thế giới, do phát triển giao thương hàng hải và khai thác tài nguyên trên thềm lục địa, công trình biển được nghiên cứu, phát triển sớm

và đã đạt nhiều thành tựu đáng kể, đặc biệt là các công trình biển phục vụ khai thác dầu khí, quan trắc khí tượng thuỷ hải văn Năm 1947 xuất hiện giàn khoan thép đầu tiên ở độ sâu 6m trên Vịnh Mexich thuộc Mêxicô, năm 1949 các giàn khoan khác đã lần lượt xuất hiện tại nhiều nước, đạt đến

độ sâu 15m nước Năm 1950 xuất hiện giàn khoan đạt độ sâu 30m nước, thì đến năm 1960 độ sâu này tăng đến 60m nước và chỉ trong vòng 10 năm

tiếp theo, năm 1970 đã xây dựng giàn khoan đặt ở độ sâu 300m nước, đạt

kỷ lục quan trọng trong các công trình biển nói chung và ngành khai thác dầu khí nói riêng tính đến nay và ghi một mốc quan trọng trong kỹ thuật tính toán, thiết kế và thi công các loại công trình này Hiện nay đã có một

số giàn khoan khổng lồ như giàn khoan Bull Kenkle của Mêxicô đặt tại độ sâu 420m nước, nặng 56.000 tấn và giàn khoan di động Hải Dương 981 (Hình 1.1) của Trung quốc chế tạo và đưa vào sử dụng tại Biển Đông, nặng hơn 30.000 tấn, giàn khoan có thể hoạt động ở độ sâu 3000m nước và khoan sâu hơn 10.000m

Hình 1.1 Giàn khoan “Dầu Khí Hải Dương 981” trên Biển Đông

Hai-Bơ-Nia của Canada (Hình 1.2) được xem là giàn khoan lớn nhất thế giới bao gồm phần nổi nặng 37.000 tấn, nằm trên kết cấu móng trọng lực (GBS) 600.000 tấn cùng với 450 nghìn tấn đá ba-lat để cố định cấu trúc này Giàn khoan này trụ vững giữa môi trường rất khắc nghiệt, thường xuyên có sóng lớn, sương mù, băng giá, bão tố, do đó người ta phải "cột chặt" nó trên một GBS cắm sâu xuống đáy biển 80m, chiều cao của giàn khoan lên tới 224m

Hình 1.2 Toàn cảnh giàn khoan Hai – bơ – nia

Tại Việt Nam, với đặc thù là một quốc gia biển, các công trình biển là một trong những lĩnh vực được quan tâm hàng đầu, nhưng so với Thế giới còn nhiều hạn chế Do nhu cầu và trình độ phát triển của đất nước, các công trình biển ở Việt Nam được chú ý nghiên cứu bắt đầu từ những năm

1980, đặc biệt là trong khoảng 15 năm gần đây

Công trình kè chống xói lở các đảo san hô xa bờ và các đảo gần bờ là một trong nhiều minh chứng Các công trình giàn khoan dầu khí phục vụ kinh tế quốc dân, công trình DKI phục vụ an ninh quốc phòng và nhiều công trình ven bờ cũng chứng tỏ sự quyết tâm thực hiện chiến lược biển của Đảng, Nhà nước và sự phát triển kỹ thuật ngày càng mạnh trong lĩnh vực này Tại Cảng Vietsovpetro Vũng Tàu, sáng 2-5-2012, xí nghiệp Xây lắp Khảo sát và Sửa chữa Vietsovpetro đã tiến hành hạ thủy thành công chân đế giàn khoan nước sâu Hải Thạch xuống xà lan bằng phương pháp kéo trượt (Hình 1.3) Đây được đánh giá là chân đế giàn khoan hiện đại nhất Việt Nam tính đến thời điểm này, với chiều dài tổng cộng 140m, trọng lượng 7.500 tấn, hạ đặt ở độ sâu 131m nước

Hình 1.3 Chân đế giàn khoan Hải Thạch được kéo trượt xuống sà lan

Đối với các công trình nhà giàn phục vụ an ninh quốc phòng hầu hết được xây dựng trên các đảo chìm, góp phần làm nhiệm vụ trấn giữ vùng biển của Tổ quốc Kết cấu nhà giàn loại này theo kiểu chân đế móng cọc, gồm phần móng cọc, phần sàn công tác và phần thượng tầng (Hình 1.4)

Hình 1.4 Nhà giàn DKI ở thềm lục địa phía Đông Nam Việt Nam

1.2.2 Tổng quan về tải trọng tác dụng lên công trình biển

Công trình biển chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng và chịu ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên khắc nghiệt Trong các loại tải trọng tác dụng lên công trình biển, sóng biển và gió là hai loại tải trọng nguy hiểm

mà công trình thường xuyên chịu đựng và chúng cũng là loại tải trọng nổi trội hơn cả Trong phạm vi nghiên cứu của luận án tác giả chỉ trình bày những nội dung cơ bản của hai loại tải trọng sóng và gió phục vụ cho việc giải quyết bài toán đặt ra của luận án ở các chương tiếp theo

1.2.2.1 Tải trọng sóng biển:

Sóng biển do gió tạo nên, dưới tác dụng của gió, tạo ra ma sát giữa không khí và nước và do tác dụng của trọng lực, các phần tử nước sẽ chuyển động tạo thành sóng Nhìn chung sóng biển là sóng ngẫu nhiên, trong điều kiện lý tưởng nào đó thì người ta có thể xem sóng biển là sóng điều hòa Tải trọng sóng biển tác dụng lên công trình là rất lớn, do vậy nghiên cứu đầy đủ

về sóng biển là nhiệm vụ quan trọng Có nhiều nghiên cứu về tải trọng sóng biển tác dụng lên công trình, phổ biến là các lý thuyết sóng tiền định và ngẫu nhiên Đối với quan niệm sóng tiền định, thường sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính như sóng Airy hoặc lý thuyết sóng phi tuyến như sóng Stockes, tải trọng sóng biển được xác định theo công thức Morison

biển nên hiện nay vẫn được sử dụng

Trên hình 1.5 mô tả chuyển động của một sóng biển điều hòa dạng

hình sin, với các thông số sóng biển gồm: aw - độ cao đỉnh sóng so với mực

nước tĩnh, Hw = 2aw - chiều cao sóng, Lw - chiều dài bước sóng, Tw - chu

kỳ sóng, dw - chiều sâu đáy biển so với mực nước tĩnh, kw = 2π/Lw - số

sóng, ωw = 2π/Tw - tần số sóng, Cw = Lw/Tw - tốc độ truyền sóng, ηw - độ

cao mặt sóng so với mực nước tĩnh

b, Sóng ngẫu nhiên:

Trên thực tế, sóng được gây ra chủ yếu bởi gió, ở giai đoạn đầu các

sóng có biên độ bé và bước sóng ngắn Khi gió tiếp tục thổi, các sóng này

sẽ lớn dần, đồng thời tiếp tục gây ra các sóng bé khác Các sóng này kết

hợp với các sóng lớn đã có làm cho biên dạng sóng không còn điều hòa Tổ

hợp của nhiều sóng với các biên độ sóng khác nhau tạo thành một quá trình

ngẫu nhiên Có thể xem sóng biển ngẫu nhiên như tổ hợp của vô số sóng

tuyến tính với các biên độ an, tần số ωn, các số sóng kn khác nhau [7] và với

các pha ban đầu αn phân bố đều trong đoạn [0; 2π], độ cao mặt sóng

Quá trình ngẫu nhiên của độ cao mặt sóng ηw( )x, t so với mực nước

tĩnh thường được giả thiết là quá trình ngẫu nhiên qui tâm, có phân bố

chuẩn, dừng và ergodic Để đặc trưng cho sóng biển ngẫu nhiên người ta sử

dụng phổ sóng, các phổ sóng nhận được trên cơ sở quan trắc sóng trong

thời gian dài Các phổ sóng thông dụng là phổ Pierson-Mostkowitz và phổ

JONSWAP

Phổ sóng Pierson-Mostkowitz (phổ P-M) được đưa ra từ năm 1964,

xây dựng cho trạng thái sóng biển đã phát triển hoàn toàn Phổ P-M được

xem là phù hợp với vùng biển Việt Nam [7], có dạng:

c, Tải trọng sóng tác dụng lên công trình biển hệ thanh:

Trên hình 1.7 là mô hình tải trọng sóng biển tác dụng lên thanh hình trụ thẳng đứng có đường kính D [7], [9], [20] Đối với các phần tử kết cấu dạng thanh có đường kính nhỏ so với chiều dài sóng (D/L < 0,2) có thể bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ sóng, tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử thanh được tính theo công thức Morison

1.2.2.2 Tải trọng gió:

Tải trọng gió thường chiếm khoảng từ 5% đến 10% tổng hợp lực do môi trường tác dụng lên công trình biển [7], [48], [53], [62] Tuy nhiên tần suất xuất hiện của gió là lớn, nên ảnh hưởng không nhỏ đến công trình, đặc biệt là độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc của công trình Việc tính toán tải trọng gió tác dụng lên công trình biển là rất phức tạp do kết cấu công trình

gồm nhiều bộ phận khác nhau như cột, mái, sàn công tác, tháp giàn khoan,

cần cẩu, …, chúng chịu tác động của gió theo nhiều cách khác nhau Bên

cạnh đó, bản chất tác dụng của gió là một trường quá trình ngẫu nhiên, tần

số gió thay đổi một cách ngẫu nhiên theo cả chiều của hướng gió thổi và

chiều thẳng góc với hướng gió thổi

Áp lực gió tác động lên công trình biển là đại lượng phụ thuộc vào

nhiều yếu tố, trong đó mật độ không khí, diện tích bề mặt công trình mà

gió tác động và vận tốc gió là các đại lượng ảnh hưởng nhiều nhất Trong

trường hợp tổng quát, gọi ψ là góc hợp bởi phương vận tốc gió và pháp

tuyến bề mặt kết cấu chịu tác động, áp lực gió pwin(t) tác động lên diện tích

A của công trình được xác định theo biểu thức [37], [44], [48], [58]:

Trường hợp véctơ vận tốc gió UGwin( )t trùng với véctơ pháp tuyến bề

mặt kết cấu, công thức xác định áp lực gió (1.4) trở thành:

Trong (1.4), (1.5), nếu vận tốc gió không đổi U(t) = U0 = const, thì có

thể xem kết cấu chịu tác dụng của xung lực tức thời, có giá trị

bài toán hệ thanh trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng gió, với vận

tốc gió là đại lượng phụ thuộc thời gian

1.3 Tổng quan về tính toán công trình biển

Cùng với sự phát triển chung của Thế giới và nhu cầu thực tế đặt ra, đối với nước ta từ những năm 1980 trở lại đây, việc nghiên cứu về công trình biển đã được quan tâm và thực hiện một cách hệ thống Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và thi công các công trình biển đã được các cơ quan, tổ chức, các tập thể nhà khoa học trong nước thực hiện trên nhiều phương diện, từ các nghiên cứu về điều kiện làm việc của công trình, đặc điểm sử dụng, cho đến các nghiên cứu tổng thể kết cấu với các dạng tải trọng tác dụng, từng bước hoàn thiện tính toán sát hơn với điều kiện làm việc thực của công trình Trong [5], [6], [15], [16], [17] các tác giả Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung và các cộng sự đã có những nghiên cứu về tương tác giữa kết cấu công trình dạng cọc, tấm, vỏ, ống dẫn và nền san hô, trong đó đã sử dụng “phần tử tiếp xúc” để mô tả tính liên kết một chiều của nền Trong các công trình này, các tác giả giải quyết bài toán theo mô hình kết cấu và nền làm việc đồng thời, trên cơ sở phương pháp PTHH Các kết quả nghiên cứu bước đầu góp phần vào sự phát triển về phương pháp tính trong nghiên cứu tương tác giữa kết cấu công trình và nền san hô Tác giả Nguyễn Tiến Khiêm và các cộng sự [9] đã dày công nghiên cứu và đưa ra các cơ sở khoa học cho việc xây dựng và khai thác công trình biển di động trên vùng biển Việt Nam Tác giả Phạm Khắc Hùng và các cộng sự [8] đã nghiên cứu, đưa ra được những đánh giá có ý nghĩa khoa học, thực tiễn quý báu về điều kiện kỹ thuật môi trường biển và nền móng công trình, từ đó xác định được những luận chứng kinh tế, kỹ thuật nhằm giúp ích trong việc xây dựng các công trình biển vùng nước sâu tại Việt Nam Tác giả Lê Anh Tuấn [23] đã nghiên cứu và tính toán hệ thanh không gian tương tác với tải trọng sóng biển ngẫu nhiên, trong đó tải trọng sóng biển được coi là quá trình ngẫu nhiên dừng, chuẩn và được mô tả bởi hàm mật độ phổ, sử dụng

phương pháp mô phỏng số Monter Carlo với các hàm giả ngẫu nhiên đầu vào, xử lý các thể hiện của kết quả đầu ra tương ứng để mô tả phản ứng động của hệ Trong [23] tác giả đã khảo sát hai lớp bài toán: có xét đến và không xét đến tương tác giữa tải trọng sóng biển và hệ thanh, qua đó thu được các kết quả phản ánh phản ứng động ngẫu nhiên của hệ Tuy nhiên

mô hình tính chưa xét đến tương tác giữa kết cấu và nền (giả thiết kết cấu được ngàm cứng với nền) Gần đây, Lê Tân [21] đã tập trung nghiên cứu bài toán tương tác giữa kết cấu công trình đường ống trong nền san hô dưới tác dụng đồng thời của của áp lực trong và tải trọng sóng xung kích do nổ gây ra trên bề mặt nền Cũng theo hướng này, Nguyễn Tất Ngân [19] đã đi sâu nghiên cứu, giải quyết vấn đề tổng quát hơn của bài toán tương tác giữa kết cấu công trình và nền san hô dưới tác dụng đồng thời của các tổ hợp tải trọng: lực thuỷ tĩnh và sóng xung kích, lực thuỷ tĩnh và tải trọng động đất

Mô hình tính được tác giả sử dụng là mô hình biến dạng phẳng với kết cấu dạng hộp rỗng, song nội dung nghiên cứu có thể phát triển tính toán đối với các kết cấu công trình có mặt cắt bất kỳ Trong [19] và [21], các tác giả đã

sử dụng “phần tử tiếp xúc” 4 điểm nút, mô tả thành công tính liên kết một chiều của nền cho bài toán biến dạng phẳng Nghiên cứu ảnh hưởng của sóng phủ lên các kết cấu giàn khoan, Đào Như Mai [18] đã sử dụng các lý thuyết sóng Airy, sóng Stocke bậc 5, sóng Tromans và lý thuyết hàm dòng

để tính toán tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu, với mô hình thay thế nền bằng hệ lò xo: thẳng đứng, ngang và xoay tại các điểm rời rạc, tác giả đã tính toán tác động của sóng phủ đến phản ứng động của giàn khoan Các tác giả Nguyễn Đông Anh, Ngô Hồng Huệ, Vũ Đức Thanh, Đặng Ngọc Anh, Đào Bắc Sơn [1] nghiên cứu tổng quan về tương tác cọc – nền san hô – sóng nổ, kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo, ứng dụng tốt cho các công trình móng cọc trên các đảo san hô xa bờ Tìm hiểu nguyên nhân và

nghiên cứu giảm dao động cho kết cấu công trình biển DKI được nhóm các tác giả Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đông Anh, Phạm Ngọc Nam, Hoàng Xuân Lượng, Đỗ Sơn [26] thực hiện, trong đó đã kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm giảm dao động cho công trình DKI bằng thiết bị tiêu tán năng lượng dạng con lắc – lò xo Trong công trình này, để tính toán lý thuyết, công trình DKI được mô hình hoá bởi hệ thanh không gian, thay thế nền bằng lò xo đàn hồi theo phương thẳng đứng và phần chân kết cấu được ngàm chặt theo phương ngang

Kenji Kawano ở đại học Kagoshima, Nhật bản [53] đã nghiên cứu công trình biển ngoài khơi dạng hệ thanh phẳng chịu tác dụng của tải trọng sóng biển ngẫu nhiên, tải trọng được cho dưới dạng hàm mật độ phổ của chiều cao mặt sóng, công trình biển được xem liên kết ngàm cứng với đáy biển Tác giả đã sử dụng phương pháp PTHH và thuật toán lặp Newton Rapshon để giải bài toán động lực học phi tuyến Năm 2010, Po-Yen Chang, Hsien Hua Lee, Guo-Wei Tseng và Pei-Yin Chung [57] đã sử dụng phương pháp PTHH giải bài toán kết cấu giàn phẳng, chịu tải trọng sóng biển, trong đó liên kết giữa kết cấu và nền được xem là ngàm cứng, tính chất tương tác giữa công trình và nền san hô không được xem xét đến Nhóm tác giả Jamaloddin Noorzaei, Samsul Imran Bahrom, Mohammad Saleh Jaafar, Waleed Abdul Malik Thanoon và Shahrin Mohammad trường đại học Putra, Malaysia [47] đã nghiên cứu tải trọng sóng biển tác dụng lên công trình theo lý thuyết sóng tuyến tính Airy và sóng Stoke bậc 5, tải trọng sóng biển được xác định theo công thức Morison Ứng dụng các lý thuyết sóng này, các tác giả đã sử dụng phương pháp PTHH tính toán kết cấu với mô hình thanh dạng hình trụ tròn, liên kết cứng với đáy biển và chịu tác dụng của tải trọng sóng biển, qua đó so sánh kết quả phản ứng động của trường hợp tính toán theo hai lý thuyết sóng Airy và sóng Stocke

Các tác giả WangTeng, Huajun Li, Kuithua Wang và cộng sự ở trường cao đẳng công trình, Đại học biển, Trung Quốc [70] đã nghiên cứu các đặc trưng dao động của kết cấu công trình biển kiểu Jacket dạng hệ thanh không gian khi có kể đến liên kết giữa kết cấu công trình và nền, trong đó nền được thay thế bởi hệ các lò xo Kelvin (Hình 1.8)

Hình 1.8 Mô hình thay thế nền bằng các lò xo Kelvin [70]

Theo đó tải trọng sóng biển được cho dưới dạng hàm mật độ phổ của chiều cao mặt sóng, tải trọng tác dụng lên phần tử thanh được xác định theo công thức Morison Các tác giả đã sử dụng phương pháp giải tích, phương pháp tuyến tính hóa thống kê để tuyến tính hóa các yếu tố phi tuyến trong công thức Morison Đối với phần kết cấu trong nền, các tác giả

đã thay thế nền bằng các liên kết đàn hồi và cản nhớt theo mô hình nền Kelvin, các thông số được xác định thông qua đặc trưng cơ lý của nền Kết quả đã thu được các đáp ứng của hệ trong miền tần số và khảo sát ảnh hưởng của nền đến phản ứng động của hệ Đây là công trình nghiên cứu có bước tiến mới về mô hình tính, tuy nhiên với việc thay thế nền bằng các liên kết đàn hồi và cản nhớt chỉ phản ánh cục bộ tương tác giữa kết cấu và