Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng

Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng Nguyễn Hữu Cường Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Cơ học vật thể rắn; Mã số: 60 44 21 Người hướng dẫn: TS. Đào Như Mai Năm bảo vệ: 2007 Abstract: Giới thiệu lịch sử phát triển, đặc điểm, cấu tạo và chế độ hoạt động của giàn tự nâng (GTN). Trình bày phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) và quy trình tính toán kết cấu bằng PPPTHH. Xây dựng phần tử dầm cải biên có ảnh hưởng của lực dọc trục. Giới thiệu mô hình nền ứng xử tuyến tính có ảnh hưởng của cặp tương tác giữa chuyển vị ngang và chuyển vị xoay của đế móng. Áp dụng PPPTHH phân tích một số ví dụ khung phẳng và khung không gian, sử dụng thuật toán tích phân trực tiếp Newmark. Trình bày cơ sở phân tích GTN, các hiệu ứng động lực và các đặc trưng động lực học của kết cấu. Thiết lập sơ đồ khối chương trình phân tích kết cấu và quy trình tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình bằng công thức Morison. Sử dụng các mô hình phần tử đã được xây dựng để tiến hành phân tích một GTN cụ thể. So sánh các kết quả đạt được khi sử dụng các trường hợp khác nhau của mô hình nền và mô hình phần tử dầm cột có ảnh hưởng đến lực dọc trục tác động lên công trình. Keywords: Cơ học; Cơ học vật thể rắn; Giàn tự nâng; Phần tử hữu hạn cải biên Content MỞ ĐẦU Giàn tự nâng là dạng công trình có nhiều tính năng và công dụng: trong thăm dò khai thác dầu khí biển, phục vụ xây dựng công trình biển, trong dịch vụ kỹ thuật trên biển. Giàn tự nâng về bản chất là một tổ hợp thiết bị lắp đặt trên một sàn công tác. Sàn công tác này có hai trạng thái: khi di chuyển nó là phao nổi, khi công tác nó được nâng lên trên các chân đế và làm việc như các giàn cố định. Do đặc tính linh động khi di chuyển như các phương tiện nổi và ổn định tốt khi làm việc dưới tác động của tải trọng môi trường (sóng, gió, dòng chảy…) như công trình biển cố định, giàn tự nâng ngày nay được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình biển. Tại Việt Nam một số giàn tự nâng đã và đang được sử dụng phục vụ cho công tác thăm dò dầu khí biển (các giàn Cửu Long và Tam Đảo) và phục vụ xây dựng công trình biển (có một số giàn cỡ nhỏ do các đơn vị trong nước thiết kế chế tạo). Với tầm quan trọng trong nền công nghiệp khai thác xa bờ, ngày nay thiết kế, chế tạo các giàn khoan di động đã trở thành một ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Việc nghiên cứu, phân tích các ứng xử động lực học của giàn dưới tác động của các tải trọng môi trường đóng một vai trò thiết yếu quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu các rủi ro. Với kết cấu giàn tự nâng làm việc trong vùng biển sâu khi tiến hành phân tích động lực học việc sử dụng mô hình khung giằng đưa đến các mô hình lớn với nhiều bậc tự do và do đó tính toán trở nên rất phức tạp khi tính tải trọng sóng cũng như khi tiến hành phân tích. Do vậy các nhà tính toán thường đưa chân đế về mô hình các phần tử dầm cột tương đương [10, 12, 14], cách mô phỏng này cho ta ưu thế số bậc tự do của bài toán không lớn nên rất phù hợp khi tiến hành phân tích động cũng như khi xem xét tác động ngẫu nhiên của tải trọng sóng lên công trình [11, 15]. Khi đưa chân đế về mô hình dầm-cột hiệu ứng Euler là đáng kể khi tiến hành phân tích ứng xử động của kết cấu. Các tác giả Cassidy M.J., Taylor R.E., Houlsby G.T, Williams M. S., Thompson R.S. G [11,15,16] đã dùng mô hình phần tử dầm – cột phi tuyến trong tính toán giàn tự nâng. Liên kết giữa các chân giàn với đáy biển là bài toán khó, được đặt ra hàng đầu. Vì phần lớn tính ổn định của thân giàn được cung cấp bởi các chân đế mà sự vững chắc của các chân đế phụ thuộc rất lớn vào liên kết của chúng với đáy biển. Để đơn giản trong tính toán, trước đây các tác giả thường dùng các mô hình liên kết khớp và các mô hình lò xo tuyến tính với các thành phần độ cứng độc lập theo ba phương trực giao. Tuy nhiên, ngày nay khi làm việc ở các vùng nước sâu hơn và chịu ảnh hưởng của môi trường khắc nghiệt hơn, các mô hình liên kết trên trở nên không phù hợp và không mô tả một cách sát thực liên kết giữa chân đế và nền. Với những lí do như vậy luận văn này đặt ra một số nhiệm vụ sau đây:  Xây dựng mô hình phần tử dầm cải biên có kể đến ảnh hưởng của lực dọc trục - thiết lập các ma trận phần tử  Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô tả tương tác của đế móng với nền đất với giả thiết nền đáy biển có ứng xử đàn hồi tuyến tính có kể đến tương quan giữa xoay và chuyển vị ngang  Xây dựng các mô dun tính toán các ma trận phần tử hữu hạn cải biên đã xây dựng ở trên, để ghép nối vào các chương trình tính toán phân tích giàn tự nâng. Luận văn gồm 3 chương:  Chương 1: Giới thiệu về giàn tự nâng.  Chương 2: Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn.  Chương 3: Phân tích giàn tự nâng. References Tiếng Việt 1. Đào Như Mai (2005), Luận án tiến sỹ khoa học, “Độ nhạy cảm của các đặc trưng động lực học kết cấu và ứng dụng trong chẩn đoán kỹ thuật công trình” 2. Đào Như Mai (2003), Chuyên đề tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình. 3. Nguyễn Tiến Khiêm (2002), Cơ sở Động lực học công trình, Giáo trình dùng cho học viên cao học, ngành Cơ học ứng dụng. 4. Ngô Hương Nhu (2001), Phương pháp phần tử hữu hạn trong cơ học vật rắn biến dạng, Giáo trình dùng cho học viên cao học, ngành Cơ học ứng dụng, TTHTBD&ĐT Cơ học, ĐHQGHN. 5. Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp phần tử hữu hạn, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Tiếng anh [6] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2005), “Analysis of Jack-up units using modified finite element models”, the 5 th Asian symposium on applied electromagnetics and mechanic, pp 507-515, Thai Nguyen 2005 [7] Dao Nhu Mai, Nguyen Huu Cuong (2006), “Aplasticity model for beharvior of Spud-Can footings under Combined loading and application to a Jack-up Unit” Hội nghị khoa học toàn quốc, Cơ học vật rắn biến rạng lần thứ 8, pp 522-530. [8] Dao Nhu Mai, Tranh Thanh Hai, Nguyen Huu Cuong, Nguyen Van Quang (2007), “Non- Linear Analysis of Jack-Up Platform Using Strain Hardening Plasticity Model for Spudcan Footings” international conference on meterial theory and nonlinear dynamics, september 24-26/2007 [9] Dao Nhu Mai, Tranh Thanh Hai, Nguyen Huu Cuong (2007), “Large deformation approachs in nonlinear dynamic analysis of Juck-up units” international conference on meterial theory and nonlinear dynamics, september 24-26/2007. [10] Martin CM. (1994), “Physical and numerical modelling of offshore foundations under combined loads” . D Phil thesis. University of Oxford, Department of Engineering Science, 1994. [11] Reardon MJ. (1986) Review of the geotechnical aspects of jack- up unit operations. Gnd Engng 1986;19(7):21±6. [12] Bell RW (1991) The analysis of offshore foundations subjected to combined loading. M.Sc. Thesis. University of Oxford, Department of Engineering Science, 1991. [13] SNAME. (1993) Guidelines for the site specific assessment of mobile jack-up units. Society of Naval Architects and Marine Engineers, New Jersey [14] Stokes GG. On the theory of oscillatory waves. Trans Camb Philos Soc 1847;8:441±55. [15] Skjelbreia L, Hendrickson J. (1960) “fifth order gravity wave theory” In Proc 7 th Coastal Eng Conf. The Hague, p. 184±96. [16] Cassidy M.J and Houlsby .G.T (1999), “on the modelling of foundations for Jack-up Unit on sand” Offshore technology conference. [17] Ghali, A. and Neville, A. M. (1972) Structural Analysis [18] Martin C.M. and Houbly (1991), “structural analysis with realistic modelling of spudcan behaviour” offshore technology conference, Texas, 3-6 may 1999. [19] William M.S, Thomson R.S.G and Houbly G.T(1998), “nonlinear dynamic analysis of offshore jack-up units”, computers and structure 69, pp 171-180. . Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng Nguyễn Hữu Cường Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Cơ học vật thể rắn; Mã số: 60 44 21 Người. Keywords: Cơ học; Cơ học vật thể rắn; Giàn tự nâng; Phần tử hữu hạn cải biên Content MỞ ĐẦU Giàn tự nâng là dạng công trình có nhiều tính năng và công dụng: trong thăm dò khai thác dầu khí. các ma trận phần tử hữu hạn cải biên đã xây dựng ở trên, để ghép nối vào các chương trình tính toán phân tích giàn tự nâng. Luận văn gồm 3 chương:  Chương 1: Giới thiệu về giàn tự nâng.  Chương