Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phương pháp kết hợp giữa phần tử biên và phần tử hữu hạn trong phân tích tấm nổi trực hướng chịu tải trọng di động

Cho đến nay nhiều phương phápsố đã được phát triển để phân tích VLFS trong môi trường sóng biển, trong luận vănnày sẽ sử dụng phương pháp kết hợp giữa phan tử biên BEM và phương pháp pha

NGUYEN PHUONG KIEU

PHƯƠNG PHAP KET HỢP GIỮA PHAN TU BIEN VA PHAN

TU HỮU HAN TRONG PHAN TÍCH TAM NOI TRUC

HUONG CHIU TAI TRONG DI DONG

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cong Trinh Dan dung Và Công nghiệp

Mã số ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, năm 2018

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc:Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LUONG VAN HAI

2 PGS TS Ngô Hữu Cường - Thuky

3 TS Nguyễn Hong An - — Ủy viên (Phản biện 1)4 PGS TS Nguyễn Trọng Phước - — Ủy viên (Phản biện 2)5 PGS TS Nguyễn Văn Hiếu - Uy vién

CHU TICH HOI DONG TRUONG KHOA

KY THUAT XAY DUNG

NHIEM VỤ LUẬN VAN THAC SĨ

Ho và tên học viên: NGUYÊN PHƯỢNG KIỂU MSHV: 1570647

Ngày, thang, năm sinh: 03/12/1993 Nơi sinh: Bạc Liêu

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Dân Dụng va CôngNghiệp Mãsố: 60580208I TEN DE TÀI: PHƯƠNG PHÁP KET HỢP GIỮA PHAN TU BIEN VAPHAN TU HỮU HAN TRONG PHAN TÍCH TÂM NOI TRUC HUONGCHIU TAI TRONG DI DONG

Il NHIEM VU VÀ NOI DUNG1 Trinh bay cơ sở ly thuyết tam trực hướng, chất long lý tưởng, phương pháp phan

tử hữu han và phương pháp phan tử biên2 Phát triển thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa tam và chat lỏng trong

miền thời gian và xây dựng chương trình Matlab mô phỏng ứng xử của hệ

tam-nước

3 Kiểm chứng chương trình và thực hiện các bài toán khảo sát để đánh giá ảnh

hưởng của tính trực hướng lên các đại lượng động lực học đặc trưng của hệ.

4 Đưa ra kết luận và kiến nghị từ kết quả nghiên cứu số.Ill NGAY GIAO NHIEM VU : 04/09/2017Iv NGAY HOÀN THÀNH NHIEM VU : 08/01/2018V HO VÀ TEN CÁN BO HUONG DAN: PGS TS LUONG VAN HAI

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

CÁN BO HƯỚNG DAN BAN QUAN LÝ CHUYEN NGANH

(Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

Lương Văn Hải

TRUONG KHOA KY THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LOI CAM ON

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dung và công nghiệp năm trong hệ thôngbài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biếtcách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng v.v Đó là tráchnhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Đề hoàn thành luận văn này, ngoài sự cô gang và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhậnđược sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơntới 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 vàThay TS Trần Minh Thi Các thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên dé hình thành nên ý tưởngcủa dé tai, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng dan trong những van dénghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thay Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Dai họcBách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là nhữngkiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi

Xin trân trọng cảm ơn.

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2018

NGUYEN PHƯỢNG KIỂU

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đại dương bao phủ 70% Trái Dat là nơi làm giảm nhu cầu cấp bách vé van dé đất đaiven biển Gần 50% thế giới công nghiệp hóa hiện nay sống trong vòng 1 km bờ biến,nhu cau về tài nguyên đất và không gian đang bat đầu tiến tới một giai đoạn quantrọng khi dân số thế giới tiếp tục tăng với tốc độ đáng báo động Cần có một sự pháttriển bền vững và thân thiện với môi trường Một trong những sáng kiến thân thiệnvới môi trường xuất hiện trong thời gian gần đây là khái niệm về các công trình nồisiêu lớn (VLFS) - một công nghệ cho phép tạo ra các vùng đất nhân tạo từ biển màkhông phá hủy môi trường biển, không làm 6 nhiễm nguồn nước ven biến và khôngthay đôi dòng chảy thủy triều và dòng chảy tự nhiên Cho đến nay nhiều phương phápsố đã được phát triển để phân tích VLFS trong môi trường sóng biển, trong luận vănnày sẽ sử dụng phương pháp kết hợp giữa phan tử biên (BEM) và phương pháp phantử hữu hạn (FEM) dé phân tích kết cau nỗi trực hướng chịu tải trọng di động để giảiquyết bài toán kết cau nôi siêu lớn Chương 1 là phan giới thiệu tong quan về kết cầunối siêu lớn, lich sự phát triển, những ưu điểm và ứng dụng của kết cau nỗi siêu lớntrong thực tế, mục tiêu và hướng nghiên cứu của dé tài Trong chương 2 trình bày môhình của kết cấu nổi và chất long cùng với những điều kiện biên thiết lập trong quátrình tính toán, trình bay cơ sở lý thuyết tam trực hướng, chất long lý tưởng, phươngpháp phan tử hữu han và phương pháp phan tử biên sử dụng trong quá trình tính toán.Chương 3 sử dụng thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa tâm và chất lỏngtrong miễn thời gian và xây dựng chương trình Matlab mô phỏng ứng xử của hệ tam-nước, tiễn hành phân tích tam nỗi với các giá trị độ cứng uốn 2 phương thay đối cùngvoi sự thay đôi lần lượt của van tốc, khối lượng của tải trọng di động, chiều dày tắmvà chiều rộng của tam Từ kết qua của chương 3, nhận xét và kiến nghị được trìnhbay trong chương 4 va cuối cùng là danh mục những tải liệu tham khảo đã sử dụng

trong luận văn.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn củaThay 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 minh.

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2018

NGUYEN PHƯỢNG KIỂU

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ -¿-©- +52 SE E2 1215111215151 11111, iLOI CAM ON wivecccscecccsccscscsscsescsscscscsscscscsscscssscsssvsscsvsvsacsssscacsvsssacsvsecacsssecstessvsneasanees iiTOM TAT LUẬN VAN THAC SỈĨ - 5-56 E121 SE E5 1E11111211151121151E E1 te iiiLOL CAM DOAN uoieccccccccccsscscscsesscscssesescsscsescsscscscsscstscsscsesssscstssscstsnsscstsnsasenseaeseees iv

MỤC LUC ceccececcccsccccccscsscscsssscscsscscscsscscscsscscsesscssssscsvsssscsvsscacsvsssacsvsesstsssesscsvsvsssasenees V

DANH MỤC CÁC HINH VỈ - :- SE 1 E2 121511111515 111111511 0101111111111 10 viDANH MỤC CAC BANG BIÊU - 5-22 S2 SE E2 SE E5 1211115211115 11 111.1 ke, viiMỘT SO KY HIỆU VIET TẮTT - 5-5-5256 E2 SEEESEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEELrrkrkee viiiCHƯƠNG 1 TONG QUAN - - ScSsS E1 S15151 515151515151 515111 11111511111 rkd |

1.I GiGi thiệu - - 5G SE 2S E3 1E 11 1511111115 111111 1111111101111 11 y0 |

1.1.1 Lịch sử phát triÊn - c3 E1 E119 5E ST nggngccckở |1.1.2 Ưu điỂm 5< 1 E3 15E1111111111111 1115111115111 1111 te 31.2 Ứng dụng - G1111 1151311111101 11H11 g0 Treo 41.3 Tổng quan nghiên cứu va sự cần thiết tiễn hành nghiên cứu 61.3.1 Lý thuyết HydroelastiC - - - - kkk SE SE SE SE gcưcưctc ng cưevekở 6

1.3.2 Các phương pháp phân tÍch - 21111111 EExsssesssssss 81.4 Mục tiêu va hướng nghiÊn CỨU 5-5 111111111 EEESSSEsssssssssse 10LAD Mục tiêu 2c CS CS T3 1E 11111211 111111 0111111111111 1T ke 101.4.2 Hướng nghiÊn CỨU -Ă 2223221311111 11111111 11v ng 32 10

1.5 Cấu trúc luận văn ¿ - <6 k+EEE E1 1 151112151511 11111 1111111111110 10CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊT ¿2-5252 SE+E£EE£E‡ESEEEEEEEEEEEEEErkrkrkrrered 112.1 Mô hình cau trúc chất lỏng va các điều kiện biên 5 5 5s: 112.1.1 Mô hình cấu trúc chat lỏng «<< xxx +k+k£E£E£EeEeEeEerererees 112.1.2 Điều kiện biên -¿- 5-56 Ss E323 1E 1 1112151111511 11 11151111 xe 122.2 Lý thuyết tâm trực hướng - «sex EEEEE5E E111 132.3 Phương pháp phan tử hữu hạn áp dụng cho tam trực hướng 152.4 Phương pháp phần tử biên - «+ SE EEEEEESESEEEEkEsrrererers 17

2.5 Lưu đồ thuật tod eseesseesseessseesneesneesneesesesseesncesnccsncesneesncensceuseenseeneeneeenes 22CHƯƠNG 3 VI DỤ SỐ c2 HH Hee 23

3.1 Bài toán 1: Kiếm chứng chương trình phân tích hydroelastic của tamđăng hướng so với kết quả của tác giả IsmailL - - - + +cscsxsesesrererees 243.2 Kiểm chứng chương trình Matlab trong phân tích tam nồi trực hướng 25

3.2.1 Bài toán 2: Phân tích ứng xử của tâm trực hướng khi chịu tác

dung cla tai trong tinh ÔÔ 3 25

3.2.2 Bài toán 3: Phân tích dao động tự do của tắm trực hướng 283.3 Bài toán 4: Phân tích ứng xử động của tâm trực hướng với các giá trị độ

cứng uốn theo 2 phương thay đổi ứng với sự thay đổi của vận tốc Y 323.3.1 Khảo sát chuyền vị lớn nhất của tam nỗi khi thay đối vận tốc của

cứng uốn theo 2 phương thay đôi ứng với sự thay đổi tải trọng tác dụng1" 433.5 Bài toán 6: Phân tích ứng xử động của tâm trực hướng với các giá trị độ

cứng uốn theo 2 phương thay đổi ứng với sự thay đổi chiều day tam hy

ẮẲaŸẢŸỶŸÝÝ 463.6 Bài toán 7: Phân tích ứng xử động của tâm trực hướng với các giá trị độ

cứng uốn theo 2 phương thay đổi ứng với sự thay đôi kích thước tam

CHƯƠNG 4 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 5-55: 5cccccccrsrxerrrsrrrerree 534.1 Kết luận - L tt n tt S119 1119118181 1113 11 1118131111111 1811111115115 Ee ri 53

Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 1.Hinh 2.Hinh 2.Hinh 2.Hinh 3.Hinh 3.Hinh 4.Hinh 4.Hinh 4.Hinh 4.Hinh 4.Hinh 4.

Hinh 4.

Hinh 4.

DANH MUC CAC HINH VE

1 Các thành phan của hệ thong kết Cau nồi - ¿2s x+x+x+E£E+Eexeesese 3

2 Mega-Float tại vịnh Tokyo, Nhật Bản << sssesreses 4

3 Sân bay Quốc tế Tokyo, (Haneda) - - - + k+E+E+EsEeEeErevererereeeeed 44 Bến tàu nối (Valdez, A lasÌka), - - c3 S1 E919 5 5E SE cxcvcvgvggrvekg 55 Bến container nối di động - «+11 EE1E5E 1E Ererees 56 Căn cứ cứu hộ khan cấp ở vịnh Tokyo và vịnh Osaka 57 Bai dap truc thang nơi, Vancouver, Canada cccccccsccsssssesessesesesseseseeseseees 58 Can cứ lưu trữ dầu nối ở Shirashima, Japan - - - + ss+esEsrereree 69 Căn cứ lưu trữ dầu nổi ở Kamigoto, tinh Nagasaki , Japan 610 Phản ứng tồn phan của tam dưới tác dụng của tải trọng tĩnh 711 Sơ đồ phản ứng tồn phan của kết cầu nỗi ¿- - s+s+x+x+x+E+xeesese 71 Hệ cau trúc chất lỏng và hệ tọa độ, - cv ekrereeree 112 Kết cầu nổi siêu lớn VLFS ¿55c tt 133 Phan tử chữ nhật với 4 điểm nút ¿c:5c++cxcsrtsrrsrxerrrsrrrrrred l6

1 Hàm Green G(P, QO) ¬ 17

2 Miền khảo sát, mặt biên trịn và mặt biên nữa trịn S cà CED 181 Mơ hình một kết câu nổi VLES -5c:ccc+ctcrrsrirrsrrirrrrrrriee 232 Mơ hình tam nỗi kích thước 9,75 x I,Ữ/7 5-5 Sccsezxerxrrrerved 243 Kết quả chuyén vị của Ismail và luận văn 5-5656 sxsxsxsxcxd 254 Chuyển vi tại vi trí đặt lực ứng với các lưới chia phần {Ử 265 Chuyển vị tại vị trí đặt lực của tấm nổi với lưới chia phan tử 30x30 276 Tần số dao động tự nhiên của tắm nổi ở mode dao động thứ nhất với

sự thay đơi của module đàn hồii ¿26x k+E#E+E+EsEeEeEeverkrxreeeeed 287 So sánh tần số dao động tự nhiên của mode dao động thứ nhất với

phân mềm S.AP2000 (+ SE E33 1111811151511 152521 308 Tần số đao động tự nhiên của sáu mode dao động đầu tiên của tắm 31

Hinh 4.

Hinh 4.Hinh 4.Hinh 4.Hinh 4.

Hinh 4.

Hinh 4.Hinh 4.

9 Tân sô dao động tự nhiên của sáu mode dao động đâu tiên của tâm

với sự thay đối của module đản hồi - - +s+x+E£E+EeEsEsrerererees10 Mô hình tắm nỗi kích thước 60 x 60 10 -2-5- 52 52+c+£cecce11 Chuyến vị lớn nhất của kết câu nỗi khi vận tốc thay đồi 12 Vị trí tải trọng di động tại thời điểm ¢ = 2s - -csc5ccsc

13 Chuyên vị của tam nổi theo phương x ( y=b,/ 2) khi thay doi van

TOC r114 Số đỉnh sóng của kết cầu khi module đàn hồi thay đổi trường hợp

m.“ 18.15 Bán kính vùng lõm lớn nhất theo phương X - +5:

16 Chuyển vị của tam nổi theo phương y (x =L,/ 2) khi thay d6i van

TOC r1

17 Chuyén vi của tam nồi theo phương y (x =L,/ 2) khi vận tốc tai

trọng tác dụng thay đối trường hợp 0=, 71 18 Chuyến vị của tam theo thời gian khi vận tốc lực di chuyên thay đổi

19 Chuyển vị của tắm nổi theo phương x (y=Ù,/2) khi thay đổi giá

tri tai trọng

20 Chuyển vị của tắm nổi theo phương x (y=), /2) khi chiều dày

tam thay đổi

21 Chuyén vị của tấm nỗi theo phương x ( y=), / 2) khi chiéu day

23 Chuyên vi của tắm nỗi theo phương x (y=b,/2) khi thay đổi

chiêu rộng tâm

Bang 4.Bang 4.Bang 4.

Bang 4.

Bang 4.

Bang 4.

Bang 4.Bang 4

Bang 4

Bang 4

7.

DANH MUC CAC BANG BIEU

Thông số tâm ni ecccccccccsscsscscscscscsesesesecscscsssssvevevevscsesesesestsesecscsenenensChuyển vi tại vi trí đặt lực ứng với các lưới chia phan tỬ _ Sai số (%) chuyển vị của các trường hợp module đàn hồi so với kếtquả của SAP2000 khi lưới chia phần tử 30x 30 - - scs<s:

Tan số dao động tu nhiên của tắm nồi ở mode dao động thứ nhấtvới sự thay đối của module đản hồi - - +s+x+E£E+EeEsEsrererereesSai số (%) của tân số dao động tự nhiên ở mode dao động thứ nhấtso với phần mềm SAP2000., 5-5 + SE #EEEeEeEeEsrerreeeeTan số dao động tự nhiên cua sau mode dao động đầu tiên của tamvới sự thay đối của module đản hồi - - +s+x+E£E+EeEsEsrererereesSo sánh chuyền vị lớn nhất giữa các trường hop module đàn hồi

.8 Chuyến vị lớn nhất của tam nổi theo phương x ( y=bs/ 2) khi thay

.9 Chuyển vị lớn nhất của tắm nồi theo phương y (x = LsÍ 2) khi thay

10 Chuyên vị lớn nhất của tam nồi theo phương x ( y=bs/ 2) khi thay

đối giá trị tải fFQIE, ch 1H11 g1 TT TT TT rreg

Bảng 4 11 Chuyến vị lớn nhất của tấm nổi theo phương x ( y=bs/ 2) khi

chiều day tấm thay GOi cc cccccccccscsccssssssesscscscscsesecscscscessssvevacevaveens

Bang 4 12 Chuyén vị lớn nhất của tam nỗi theo phương x ( y=bs/ 2) khi thay

đôi chiêu rộng tÂm - 21113111101 111111 11111118 1188222355551 keBảng 4 13 Chuyển vị lớn nhất của tam nỗi theo phương x ( y= 0) khi thay

đôi chiêu rộng tÂm - 21113111101 111111 11111118 1188222355551 ke

MOT SO KY HIEU VIET TAT

Chữ viết tắtFEM Phương pháp phan tử hữu han (Finite Element Method)BEM Phuong phap phan tir bién (Boundary Element Method)

Ma tran và véctơ

u Vécto chuyén vi tai một điểm bat ky cua kết cầu tắmd Véctơ chuyền vị nút của phần tử

y Ma trận biến dạng catM Ma trận khối lượng tong théK Ma trận độ cứng tong théC Ma trận can tổng thé

M, Ma trận khối lượngphân tửCỔ Ma trận cản phần tử

Ø Trọng lượng riêng của vật liệu tắmh Chiều day tam

AL Bé rộng vùng lõm của tam khi có lực tác dụng

CHƯƠNG 1.

TONG QUAN

Luận văn nay giới thiệu về những kết cau nổi siêu lớn (VLFS) được xây dựng ở vùngnước ven biển của các thành phố phát triển Những kết cau nổi này được xây dựngphân lớn là do tình trạng thiếu đất trầm trọng và chi phi đất tăng đột ngột trong thờigian gần đây Sau khi mô hình về những kết cau nồi siêu lớn (VLFS) được đưa ra vanêu bật những ưu điểm (trong một số điều kiện nhất định) so với việc mở rộng đấttruyền thông trong việc tạo không gian từ biến thì các kết cầu VLFS được sử dụngngày càng nhiều

1.1 Giới thiệu

1.1.1 Lich sử phát triểnTrong thé ky XX, thế giới đã gặp phải một vẫn dé mới: thiếu đất đai Bây giờ vào đầuthiên niên kỷ thứ ba, van dé này dang trở nên nghiêm trọng với sự tăng trưởng nhanhchóng của dân số Trái đất và sự phát triển tương ứng của công nghiệp và các khu đô

thị Các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Hà Lan và Bi có mật độ dan

số rất cao Nhiều nước khác ở châu Au và châu A đang tiễn gần đến mật độ tương tự.Nhiều quốc đảo phát triển và các quốc gia có bờ biển dài cần có đất đã giành mộtkhoảng thời gian khai thác đất từ biển nhăm tạo không gian mới Hà Lan, Nhật Bản,Singapore và các nước khác đã mở rộng diện tích của họ một cách đáng kế thông quacác công trình cải tạo đất Tuy nhiên, các công trình này có những hạn chế như tácđộng tiêu cực đến môi trường trên bờ biển của đất nước, các nước láng giéng và hệsinh thái biển, cũng như chi phí kinh tế rất lớn trong việc khai hoang đất từ vùng nướcsâu ven bờ Ngoài ra, việc cải tạo đất là một giải pháp hiệu quả chỉ đối với những

vùng nước nông có độ sâu không quá 20m.

Khi vùng biển quá sâu và đáy biển không đủ cứng, việc cải tạo đất không còn hiệuquả hoặc thậm chi là không thực hiện được Khi phải đối mặt với những điều kiện tựnhiên và những hậu quả về môi trường, các kết câu nồi siêu lớn (Very large floatingstructures - VLFS) được đánh giá là một giải pháp thay thế có hiệu quả cho nhữngvùng đất mở rộng từ biến.

Về cơ bản có 2 loại kết cấu nồi siêu lớn (VLFS) là: Semi-submersible và Pontoon.Các cau trúc nửa chìm nửa nổi (Semisubmersible) được giữ cho nổi trên mực nướcbiển bang cách sử dụng các cột dạng ống hoặc các cau trúc dan nhằm giảm thiểu tácđộng của sóng trong khi vẫn duy trì một lực nổi liên tục Do đó, chúng có thé làmgiảm dao động do sóng gây ra và thích hợp ở những vùng biến lớn với những đợtsóng lớn Những giàn khoan khai thác dầu khí và sản xuất dầu và khí đốt là những vídụ điển hình cho loại kết cau này

Ngược lại, cau trúc phao (Pontoon) năm trên mực nước biển như một tam khong 16trôi nổi trên mặt nước Cau trúc nổi dạng Pontoon thích hợp dé sử dụng trong cácvùng nước tĩnh lặng, thường năm trong vịnh hoặc đầm và gan bờ biển Các kết caunổi Pontoon siêu lớn được các kỹ sư Nhật gọi là những con Mega-Float Trong luậnvăn nay chỉ đề cập đến kết cau nỗi siêu lớn VLES loại Pontoon

Theo nguyên tac chung, VLFS (Pontoon-type) là kết cấu nổi có chiều dai lớn hơn60m Một hệ thông VLFS (Pontoon-type) bao gồm một:

Kết cấu phao nồi siêu lớnBộ phận neo dé giữ kết cầu không di chuyểnMột cầu nối hoặc đường nói dé đi vào bờDé chắn sóng (thường là cần thiết nếu chiều cao sóng là đáng kề - lớn hơn 4 m)

dé giảm lực sóng tác động lên kết câu nôi.

máy điện năng lượng mặt trời cho các mục đích quân sự, tạo ra không gian côngnghiệp, căn cứ cứu hộ, các cơ sở giải trí (như sòng bạc), công viên giải trí, các côngtrình ngoài khơi di động và thậm chí cả nơi ở Hiện nay, các khái niệm khác nhau đã

được đề xuất để xây dựng các thành phố nổi hoặc các khu liên hợp sinh sống không

`^

lo.

1.1.2 UudiémNhững kết cấu nổi siêu lớn nay có lợi thé hơn các giải pháp khai hoang đất đai truyềnthống dé tạo không gian mới như sau:

Tiết kiệm chi phí hơn khi độ sâu nước lớn.Thân thiện với môi trường vi chúng không gây tốn hai cho hệ sinh thái biến,hoặc phá vỡ dòng chảy thủy triều

Dễ dàng và nhanh chóng xây dựng (các bộ phận có thể được sản xuất tại cácxưởng đóng tàu khác nhau và sau đó đưa vào khu vực lắp ráp) và do đó không gianbiến có thé được khai thác nhanh chóng

Có thé dé dang tháo dỡ (nếu không gian biến là cần thiết trong tương lai) hoặc

mở rộng.

Các cơ sở và công trình trên VLFS được bảo vệ khỏi những cú sốc của sóng địa

chân.

Vi trí của chúng đôi với mặt nước là không đôi và do đó tạo điêu kiện thuận lợi

cho tàu thuyền khi được sử dụng làm cầu cảng và bến.1.2 Ứng dụng

Sân bay

Trong thời gian gần day, chi phí đất ở các thành phố lớn đã tăng lên đáng kể và cácnha quy hoạch đô thị dang cân nhac khả năng sử dụng nước ven bién dé phát triển đôthị bao gồm cả việc có sân bay nổi Vì biển và vùng đất gần bờ thường bang phang,việc đồ bộ và cất cánh máy bay an toàn hơn Vẻ mặt này, Nhật Bản đã đạt được tiếnbộ lớn khi xây dựng một sân bay lớn trên biến Sân bay quốc tế Kansai ở Osaka làmột ví dụ về một sân bay được xây dựng trên biên (trên một hòn đảo được khai

hoang).

June 1,2000 ‘

Hinh 1 2 Mega-Float tai vinh Tokyo, Hình 1 3 Sân bay Quốc tế Tokyo,

Nhật Bản (Haneda)

Đường cao tốc nổi dau tiên là mô hình thử nghiệm Mega-Float dai 1 km được xây

dựng vào năm 1998 tại vịnh Tokyo (Hình 1 2).

Trong năm 2010, một nhà ga quốc tế chuyên dụng đã được khai trương tại sân baynoi Haneda cùng với việc hoàn thành đường bang thứ tư, cho phép các chuyến bay

đường dai trong những giờ ban đêm (Hình 1 3).

Bên tàu noi và bên container

Hình 1 4 Bến tàu nỗi (Valdez, Alaska) Hình 1 5 Bến container nổi di động

Can cứ cứu hộ khan capVi câu trúc nôi tách biệt với những trận động dat nên chung rat lý tưởng dé xây dựngcác căn cứ cứu hộ khân câp ở các quôc gia dê bị động đât Nhật Bản có một sô căn

cứ cứu hộ nồi như vậy ở Vịnh Tokyo, Vịnh Ise và Vịnh Osaka

Hình 1 6 Căn cứ cứu hộ khan cấp ở Hình 1 7 Bãi đáp trực thăng nổi,

vịnh Tokyo và vịnh Osaka Vancouver, Canada

Phương tiện lưu trữ nỗi

Shirashima, Japan Kamigoto, tinh Nagasaki , Japan

Can cứ lưu trữ dầu nỗi ở Shirashima, J apan với công suất 5,6 triệu kiloliters, kíchthước mỗi module: 397x82x25,l được xây dựng vào năm 1996 Căn cứ lưu trữdầu noi ở Kamigoto, tinh Nagasaki, Japan với công suất 4,4 triệu kiloliters, kíchthước mỗi module: 390x 97x 27,6m xây dựng năm 1988

1.3 Tổng quan nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu1.3.1 Ly thuyết Hydroelastic

Một kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) điển hình có kích thước ngang lớn từ vài trăm métđến vài kilomet mà độ day của VLFS chỉ vài mét Với tỉ số giữa chiều dày và kíchthước theo phương ngang nhỏ, VLFS ứng xử như một tâm dan hồi khi xét các phảnứng theo phương thăng đứng Nói cách khác, phản ứng VLFS theo chiều thăng đứngkhông thể chỉ xét bởi các chuyển động của một vật rắn cứng tuyệt đối Do đó, cầnphải tính toán độ uốn của một VLFS khi thiết kế

Mặt khác, nếu áp lực thay đôi chuyển động của kết cấu nỗi cũng bị ảnh hưởng Mốiquan hệ tương hỗ nay được gọi là sự tương tác của cau trúc chất lỏng Nếu chuyểnđộng của vật thé nỗi bao gôm các bién dạng dan hồi, tương tác kết cầu-chất lỏng đượcgọi là hydroelastic Với tỉ số giữa chiều dày và kích thước theo phương ngang nhỏ và

kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng của sóng biên, ứng xử của VLFS tác động

đáng kế đến áp lực chat lỏng xung quanh Do đó phân tích hydroelastic là cần thiếtdé đánh giá ứng xử của một VLFS.

Khác với những con tau và kết cau nổi ngoài khơi, kết cấu VLFS có ứng xửhydroelastic là chủ yếu Sự so sánh ứng xử này khi chịu tải trọng tập trung được minhhoa theo sơ đô trong Hình 1 10 như là một biện pháp hợp lý dé phân biệt VLFS vớicác tàu thuyén thông thường dưới dang ứng xử toan phan, một chiều dải đặc trưng làA, đã được dé xuất bởi Suzuki va Yoshida [1]

1ET 4

A, =2z| — (1.1)

kc

Tai trong tap trung Tại ũng tsp tungg R Chiéu dai dac trung

+4222!2!112 PRERR ESF =

Lực đây nỗi

Tàu thông thường VLFS

Hình 1 10 Phan ứng toàn phan của tấm dưới tác dụng của tải trọng tĩnh

Chuyên động chủ Chuyển động của vật

yêu của vật thê thê không cứng

Chiêu dài kết câu Ã

-Chiêu dài đặc trưng `

Sự đàn hôi VLFS | Đàn hôi

Chuyên động củavật thê cứng—=—¬— —E====-

> Cứng

>

1Chiêu dai kêt câuChiêu dài của sóng

Hình 1 11 Sơ đồ phản ứng toàn phần của kết cau nổiA, được phân tích từ mô hình dầm có mặt cắt không đôi trên nền đàn hồi; Z7 là độcứng uốn của dam và &, là hang số đàn hôi của lực hôi phục thủy tĩnh

A tương ứng với chiều dài vùng bị uốn cục bộ bởi tải trọng tập trung Hình 1 10.Điều này cho thấy răng ảnh hưởng của tải trọng tác dụng vào kết cấu và sự biến dạngđàn hôi được giới hạn trong vùng có độ dài 4

Theo đó nếu chiều dài của kết câu nhỏ hơn chiều dài đặc trưng thì ứng xử của kết cầulà chuyển động cứng tuyệt đối nếu nó lớn hơn chiều dài đặc trưng, như trong VLFSthì phản ứng là biến dạng dan hồi.

Cho đến nay nhiều mô hình số học đã được phát triển dé phân tích ứng xử hydroelasticcủa nhiều loại VLFS trong môi trường sóng biển Từ bước phân tích đơn giản nhất làthực hiện với mô hình kết câu một phương (mô hình dầm) và vùng chất long 2phương: cho đến việc phân tích một cách chỉ tiết chính xác hơn với mô hình kết cauvà vùng chất lỏng theo 3 phương

Về phan kết cau, kết câu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép Chúng đượckhảo sát như một tam đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do Chuyên động theo phươngngang của hệ thong kết cau là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng.Đồng thời khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt nước và kết cauthường 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.

Khi mô hình kết cau, những mô hình bên dưới đã ứng dụng để mô hình VLFS:Mô hình dam (T.I Khabakhpasheva, 2002 [2])

Mô hình tam mong (Masashi Kashiwagi, 2004 [3])Mô hình tam day Mindlin (Watanabe, 2000 [4])

Mô hình sandwich-grillage (Masahiko Fujikubo, 2001 [5])1.3.2 Các phương pháp phan tích

Nhiều bai báo về phân tích hydroelastic của VLFS đã được công bồ cho đến nay Cóthé được tìm thay trong các bài báo đánh giá của Kashiwagi [10], Watanabe va cộng

sự [11], Newman [12], Ohmatsu [13] và Suzuki va cộng sự [14] Một vài nghiên cứu

điển hình sử dụng BEM dé phân tích chuyên động của chất long đã được công bố nhưYasuzawa và cộng sự [15] thế vận tốc và các đạo hàm của nó được trình bày phương

trình tích phân biên Yago & Endo [16], Yasuzawa va cộng sự [17] và Hamamoto va

cộng sự [18] xác định sự phân bố áp suất nước bằng cách sử dung BEM Ohkusu &Namba [19] và Namba & Ohkusu [20] giới thiệu một phép tính gần đúng của hàmGreen Mamidipudi va Webster [21] đã tiến hành nghiên cứu về phân tích

hydroelastic của một sân bay nổi băng cách kết hợp phương pháp phan tử hữu hancho van dé tam và phương pháp ham Green cho van dé chất lỏng Wu và cộng sự [22]giải quyết van đề hydroelastic hai chiều (2-D) bang phương pháp phân tích sử dụngcác ham riêng Phan ứng trong thời gian ngắn của VLFS do máy bay hạ cánh va cất

cánh đã được phân tích bởi Kimand Webster [23], Watanabe va Utsunomiya [24], và

sau đó cho một tải di chuyển bởi Watanabe và cộng sự [25] Endo [26] và Kashiwagi

[27].

Có thé giải quyết van dé hydroelastic cua VLFS là sử dung những phương pháp sốgân đúng Trong phương pháp số gần đúng, có thể kết hợp một số các phương phápkhác nhau dé giải quyết phần kết cầu và phan chất lỏng Về nguyên tac, bat kỳ phươngpháp nào đã dé cập bên trên có thé được áp dụng dé giải quyết van dé dao động củatắm hoặc cấu trúc 3-D có thể được sử dụng để giải quyết phần kết cấu Trong cácphương pháp khác nhau, FEM có thể được coi là phương pháp có triển vọng nhất vìtính đa dụng của nó trong việc xử lý hình học phức tạp của kết cau thực Trong mộtsố trường hợp, toàn bộ VLFS có thé được mô hình như một tam nồi Ở giai đoạn thiếtkế sơ bộ, mô hình đơn giản này rất hiệu quả và thường được sử dụng trong quy trìnhthiết kế thực tế Để giải quyết phần chất lỏng, phương pháp được sử dụng ở đây làphương pháp phần tử biên

Trong giai đoạn đầu của thiết kế kết cầu VLFS, một mô hình tam đồng nhất đăng

hướng thường được sử dụng cho phân tích phan ứng hydroelastic Một mô hình cautrúc đơn giản như vậy có hiệu quả để xác định các tham số độ cứng toàn phần của kếtcau, đáp ứng các yêu cau thiết kế Tuy nhiên, để tính toán chính xác cần phải có mộtmô hình cấu trúc chỉ tiết hơn có thé giải thích được các ứng xử của từng bộ phận kếtcầu Trong luận văn sẽ sử dụng phương pháp kết hợp giữa phương pháp phan tử biên(BEM) và phương pháp phan tử hữu han (FEM) trong phân tích tam nổi trực hướng

chịu tải trọng di động đê giải bài toán tâm nôi.

1.4 Mục tiêu và hướng nghiền cứu1.41 Mục tiêu

Trong luận văn sẽ sử dụng phương pháp kết hợp giữa phần tử biên (BEM) và phươngpháp phan tử hữu han (FEM) trong phân tích động lực hoc tam nổi trực hướng chịutải trong di động để giải bài toán tam noi VLFS

1.4.2 Hướng nghiên cứu

Nước được giả định là không nhớt, không nén được và chuyển động không

XOÁY.

Theo lý thuyết thé năng tuyến tính, chuyển động của chất lỏng được mô tả bởiphương trình chủ đạo Laplace và các điều kiện biên được tuyến tính hóa Phươngtrình Laplace kết hợp với điều kiện biên được giải quyết bằng phương pháp BEMtrong đó hàm Green là nghiệm co bản của phương trình Laplace trong một miền chatlỏng vô hạn của không gian ba chiều

Sự chuyển động của kết cấu nỗi và miền chất lỏng xung quanh được kết hợpqua điều kiện của bề mặt tiếp xúc giữa VLES và chất lỏng

Kết cấu nỗi được lý tưởng hóa là một tắm trực hướng có các cạnh biên tự do.Cuối cùng, hệ phương trình kết hop của tải trọng di động, kết cau nổi và chấtlỏng xung quanh được giải quyết băng phương pháp số trong miễn thời gian

1.5 Cau trúc luận vănCấu trúc luận van bao gồm các phần như sau:

Chương 1 là phần tong quan giới thiệu về kết cấu nổi siêu lớn, lịch sự phát triểnvà những ưu điểm của kết cau này Những ứng dụng của kết cau nồi siêu lớn trongthực tế Mục tiêu và hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2 trình bày những cơ sở lý thuyết dé tính toán

Chương 3 trình bày mô hình nghiên cứu.

Chương 4 trình bày tiễn độ dự kiến của luận văn

10

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Mô hình cau trúc chat long và các điều kiện biên

2.1.1 Mô hình cau trúc chat longHệ chất lỏng và hệ tọa độ được trình bày trong Hình 2 1 Trục z hướng lên trên vàđáy biển được coi là phăng tai z=—h VLFS có chiều dài tối đa là 2z theo phươngx, chiều rộng tối đa là 2b theo phương y Vẫn dé hiện tại là xác định ứng xử của

VLFS dưới tác động của tải trọng di động.

Yd

mat tiép xúc giữa phan chim trong

tam va nước biên tướcH d

-h đáy biển

PPS FF ///7/7

Hình 2 1 Hệ cấu trúc chất lỏng và hệ tọa độTrong phân tích hydroelastie cho tam VLFS, có các giả thiết sau:

VLES được mô phỏng như một tam đàn hồi mỏng (có tính trực hướng) với các

cạnh tự do

Chất lỏng không nén, không nhớt và chuyên động không xoáy

11

Biên độ của sóng biển và chuyển động của VLFS đều nhỏ và chỉ có chuyểnđộng theo phương thăng đứng của cấu trúc được xem xét (nghĩa là hạn chế tam dichuyền theo chiêu ngang trong phân tích).

Mặt dưới của tâm tiếp với chất lỏng ở tất cả các vị trí vì vậy không có khoảng

cách giữa tâm và vùng chât lỏng bên dưới nó.

2.1.2 Điều kiện biênPhương trình Laplace cho chất lỏng lý tưởng:

2 2 2

=> Ẹ , + Ẹ , + Ẹ , =0Ox” Oy az (2.1)

oV7d=0

Diéu kién dong hoc o dayĐiều kiện biên ở đáy của miễn chat long cho biết thành phan pháp tuyến của vận tốcchat lỏng tại bat kỳ điểm nào trên bề mặt đáy đều bang 0 Điều kiện này là cần thiếtdé không có dòng chảy ở đáy biển hoặc không có 16 trống được hình thành bởi dòngchảy của chất lỏng ở phía dưới:

trong đó n đại diện cho pháp tuyến bên ngoài của miền chất lỏng.Diéu kiện động học tại mặt tiếp xúc của kết cấu và chat lỏngGiả thiết rang kết cau nỗi siêu lớn VLFS tiếp xúc với nước ở tat cả các điểm Vi vậy,không có khoảng giữa bề mặt tam va chất lỏng hay nói cách khác vận tốc của tam vàchất lỏng tại vị trí tiếp xúc luôn bằng nhau:

dp _ dw (2.3)dn at

trong đó w(x, „Z4 ) là sự chuyển vị theo phương thăng đứng của tam, ¢ là thời gian,

n là vector đơn vi chi từ miền chat lỏng vào trong tam nôi.Diéu kiện biên tại VÔ cực

12

Điều kiện này giả định rằng sự dao động trong chất lỏng không truyền đến vùng xacủa miễn trong khoảng thời gian được xét Điều kiện này đòi hỏi vận tốc của chấtlỏng phải băng 0 khi tiến ra xa:

2.2 Ly thuyết tam trực hướng

Hình 2 2 Kết cau nỗi siêu lớn VLFSTrong lý thuyết tam có độ võng nhỏ của Kirchhoff, số lượng hăng số đàn hồi độc lậplà E và v Nếu giả sử răng các phương chính trực giao trùng với trục tọa độ x và y

có nghĩa là cần 4 hăng số đàn hồi (E„ Đa Vya v,) đê miêu ta cho mỗi quan hệ giữa

ứng suât và biên dạng trực giao:

Ốy Cy Cy O* ũ

#, =——~_—Vy——;£,=———-V.—~;7=—— (2.5)

“ E, “Ey * BE, * E, Gytrong đó module cắt của vật liệu trực hướng là:

- JE E 7 E

Gay ® 2(I+ Fen) - mm °°)

Giải phương trình (2.5) ta được:

13

0, = Ivy, (£ + Vy£y)

E

_ yØy,= Iv, (2; + V„#y}

p Pạh

" 12(I-vw,)

E,hr

” 12(I-vw,)Độ cứng xoăn của tâm trực hướng:

2D, =(1-Jr.v,) {D.D, =(1- Vm) Dy

Đối với tam trực hướng có độ dày không đổi thi:

h

D, = Gy, 12

Phương trình vi phân cân bằng:

otw otw otw

Phan tử tam chữ nhật 4 nút: một phan tử chữ nhật 4 nút như hình Các thành phần

chuyển vị được tính toán là chuyển vị thang đứng w(x, y) và góc xoay 2 phương

/„ và Wy, vi vậy vecto nghiệm được biêu diên như sau:

Hàm chuyên vi của phan tử N voir rút được biêu diên qua hàm dang N và vectơ

dD, VD, ()

D= VD, D, 0 (2.26)l 0 0 Dy |

2.4 Phương pháp phan tử biênPhương pháp phan tử biên (BEM) có thé được xem như là một phương pháp số tổngquát để giải quyết phương trình tích phân biên Phương pháp này có một vài ưu điểm.Thứ nhất, sự rời rạc hóa chỉ giới hạn ở các biên của một miền, làm giảm đáng ké bậctự do của van đề và làm cho việc tao dữ liệu dé dàng hơn nhiều Thứ hai, BEM là phùhợp hon dé giải quyết các van dé liên quan đến một miền vô hạn vì sự rời rac hóa chỉđược yêu cầu trên ranh giới trong cho một số trường hợp Thứ ba, BEM cung cấp mộtcách tiếp cận thuận tiện dé giải quyết với các van đề liên quan đến một số loại điểmgián đoạn hoặc điểm ky di

2.4.1 Nghiệm cơ ban cua phương trình Laplace

Nghiệm của công thức Laplace được xác định trong một vùng vô han, cho một điểmnguồn của đơn vi lực, được gọi là nghiệm cơ bản hoặc vùng tự do của hàm Green chovan đề Đối với miền nước đồng nhất va đăng hướng, nghiệm cơ bản 3D phải có đốixứng hình cầu Về mặt toán học, nó có thé được định nghĩa như là một hàm vô hướng

G và thõa phương trình Laplace ở tất cả các điểm ngoại trừ điểm P (điểm nguồn)

G=—— (2.27)

17

Do thế vận tốc là một hàm số điều hòa, phương trình Laplace trong miền chất lỏngcó thé được rút ra như là phương trình tích phân biên bằng cách sử dụng phương trình

lR 6S 6E as 109- 0 (2.33)

Phương pháp giải tích đối với phương trình tích phân biên của phương trình (2.33)chỉ tồn tại đối với một số vấn đề rất đơn giản Đối với các vấn đề tổng quát hơn, mộtphương pháp số là cần thiết BEM, dựa trên một phương pháp rời rạc hóa, là mộtphương pháp để giải quyết phương trình tích phân biên Áp dụng BEM đòi hỏi haiphép tính xấp xỉ Thứ nhất là hình học, đó là sự chia nhỏ của đường biên § thành N,phan tử nhỏ S;(j=1, 2, , M„), như vậy:

2.4.2 Phương trình động lực học của kết cấuXem xét vấn đề động lực học của một hệ thống kết cấu Sử dụng phương pháp phầntử hữu hạn, phương trình cân bang dong luc hoc cua hé thong duoc viét bang ma tran

nhu sau:

Mw+Cw+ Kw = F(t) + P(t)và phương trình chuyén động của miễn chất lỏng:

H®,= sŒO

OnoP _ ow

On Ottrong do:

M— ma trận khối lượng tong thé, M=>M,K — ma trận độ cứng tong thé, K = DK eC — ma trận cản tổng thé, C = >.Œ,F — vecto tai tong thể, F = DF,

2 om

P —ap lực cua nước biên, P = — ¬

M, = [, pN!NdVK, =|, B’DBavC.= | uN’ NaV

trong do:

u là hệ số cảnø là lực khối và p là lực mặt

độ cứng K, ma trận

khối lượng M, ma trậncan C cho phan tử tam

BẮT ĐẦU

|

Dữ liệu đầu vàoThông sô tâm: L, B,hĐặt tính tam nỗi: E,vVùng chat lỏng: 7,H,đ

Ma trận L1, L2Là ma trận nội suy giá tri

chuyền vị tắm tại tâm panelvà ma trận chuyền đổi tảitrọng phân bố đều trên mỗi

panel thành lực tập trung tại

nút

Phan chất long

|

Hệ tọa độ và lướiBEM cho chât

|

Hệ phương trìnhchuyên động chât