Phân tích động lực học kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió theo mô hình bài toán không gian (TT)

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Lê Hoàng Anh PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ THEO MÔ HÌNH BÀI TO

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Lê Hoàng Anh

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN

HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ THEO MÔ HÌNH

BÀI TOÁN KHÔNG GIAN

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 62.52.01.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2016

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thái Chung

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm

Phản biện 2: PGS.TS Trần Văn Liên

Phản biện 3: PGS.TS Bùi Đức Chính

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 1756 /QĐ-HV, ngày 24 tháng 5 năm 2016 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi

… giờ … ngày … tháng … năm 2016

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

- Thư viện Quốc gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Việt Nam có vùng biển rộng lớn với diện tích thuộc chủ quyền, quyền chủ quyền, quyền tài phán khoảng 1.000.000 km², có chiều dài đường bờ biển khoảng 3.260km Trên hệ thống đảo ven bờ, ngoài khơi như hai quần đảoTrường Sa, Hoàng Sa và rất nhiều các đảo lớn, nhỏ cùng các bãi cạn san hô đã xây dựng nhiều công trình phòng thủ khẳng định và bảo vệ chủ quyền biển nước ta

Ngày nay, với sự tranh chấp chủ quyền, đặc biệt chủ quyền biển đảo đang là vấn đề hết sức phức tạp đòi hỏi chúng ta phải có những giải pháp xây dựng, gia cố các công trình trong vùng lãnh hải của mình, trong đó công trình móng cọc hệ thanh như nhà giàn DKI, giàn khoan dầu khí là các công trình điển hình 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 thềm lục địa trở thành những căn cứ quân sự, kinh tế vững chắc, có đủ khả năng đáp ứng tốt nhiệm vụ kinh tế, chính trị trước mắt và lâu dài

Do đó, nghiên cứu, phân tích động lực học của kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió, sử dụng mô hình không gian, hệ kết cấu - nền san hô làm việc đồng thời là vấn đề đến nay vẫn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:

- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về nền san hô, tải trọng tác dụng,

cơ sở xây dựng mô hình phân tích động lực học kết cấu công trình biển

hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình bài toán không gian, kết cấu - nền san hô

- Sử dụng PP PTHH để xây dựng thuật toán và chương trình tính,

khảo sát số, phân tích động lực học công trình, ảnh hưởng của một số yếu tố đến đáp ứng động của hệ kết cấu - nền

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các bộ số liệu đáp ứng động của

các hệ kết cấu - nền đồng thời làm cơ sở đánh giá mức độ phù hợp của phương pháp nghiên cứu

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

- Về kết cấu: Kết cấu công trình biển cố định hệ thanh không gian,

cố định trên nền san hô (mô tả các công trình nhà giàn DKI) chịu tải

trọng sóng biển và gió

- 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 Airy, lý thuyết sóng Stoke và tải trọng gió là hàm của thời gian

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án:

Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở phương pháp PTHH, lập trình tính toán, khảo sát hệ; đồng thời nghiên cứu thực nghiệm kết cấu công trình biển bằng mô hình ngoài thực địa và mô hình trong bể tạo sóng

5 Câu trúc luận án:

Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

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

dụng của tải trọng sóng biển và gió

Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động

của công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió

Chương 4: Nghiên cứu phản ứng động của kết cấu hệ thanh mô

phỏng công trình biển bằng thực nghiệm

Kết luận chung: Các kết quả chính; đóng góp mới của luận án và

các kiến nghị nội dung cần tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trình bày các kết quả nghiên cứu trong nước và ngoài nước về đặc điểm địa chất công trình và chỉ tiêu kỹ thuật của san hô và nền san hô; nghiên cứu tổng quan về công trình biển, tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển và tính toán công trình biển

Trên cở sở kết quả nghiên cứu từ những các công trình nghiên cứu

đã công bố, các vấn đề cần tiếp tục nghiên và phát triển, tác giả luận án rút ra kết luận:

- Nền san hô phân lớp, mỗi lớp là vật liệu đồng nhất đẳng hướng, có tính dòn, chỉ chịu nén, không chịu kéo, tính chất cơ lý vật liệu mỗi lớp nền là khác nhau, quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu tuyến tính

- Công trình biển chịu điều kiện môi trường và tải trọng tác dụng phức tạp như: sóng biển, gió, lực thủy tĩnh, dòng chảy, động đất, tĩnh tải v.v, trong đó tải trọng sóng biển và gió thường được sử dụng tính toán

- Việc tính toán kết cấu công trình biển hệ thanh, sử dụng mô hình bài toán không gian, kết cấu và nền tương tác (cả lý thuyết và thực nghiệm) đến nay chỉ mới có một số rất ít công bố; cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ 2.1 Đặt vấn đề:

Thiết lập thuật toán PTHH, xây dựng chương trình tính phân tích động lực học hệ kết cấu – nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình bài toán không gian, kết cấu và nền làm việc đồng thời

2.2 Giới thiệu bài toán và các giả thiết

- Sử dụng phương pháp PTHH để phân tích bài toán, xét hệ gồm công trình biển hệ thanh và miền nghiên cứu làm việc đồng thời, chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió (Hình 2.3)

Hình 2.3 Hình chiếu đứng của mô hình bài toán

Sử dụng phần tử thanh (3D) mô hình hóa công trình; phần tử khối 3D mô hình hóa các lớp nền và khối gia tải; phần tử tiếp xúc 3D mô hình hóa lớp tiếp xúc giữa bề mặt cọc với nền

2.3 Thiết lập các phương trình cơ bản của bài toán

2.3.1 Các quan hệ đối với phần tử thanh thuộc công trình

2.3.1.4 Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ 2.3.1.5 Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể

2.3.2 Các quan hệ đối với phần tử thuộc các lớp nền san hô

2.3.2.1 Các phương trình cơ bản của phần tử

2.3.2.2 Phương trình mô tả dao động của phần tử

2.3.3 Quan hệ đối với phần tử thuộc lớp tiếp xúc giữa thanh và nền san hô

a, Phương pháp tuyến b, Phương tiếp tuyến

Hình 2.7 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong PTTX

a) Hình không gian b) Hình chiếu bằng

Hình 2.8 Mô hình PTHH khu vực xung quanh cọc

2.3.4 Tải trọng sóng và gió tác dụng lên công trình

2.3.4.1 Tải trọng sóng tác dụng lên phần tử thanh:

Sử dụng lý thuyết sóng Stoke bậc 2 [33], [73], [75]

2.3.4.2 Tải trọng gió tác dụng lên công trình:

Áp lực gió lên kết cấu được xác định theo theo [49], [63]

2.4 Xây dựng phương trình mô tả dao động của hệ

2.4.1 Tập hợp ma trận và véc tơ toàn hệ

Thực hiện theo chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014

2.4.2 Phương trình mô tả dao động của hệ

Phương trình dao động phi tuyến có dạng:

2.6 Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình

Chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014 được viết bằng ngôn ngữ

lập trình Matlab và kiểm tra độ tin cậy:

Bài toán so sánh 01: Phân tích bài toán dao động riêng của kết cấu

như công trình nghiên cứu của các tác giả Mohamed Nour El-Din, Jinkoo Kim [59(2014)] Kết quả so sánh 4 tần số riêng đầu tiên như sau:

Mohamed Nour Din, Jinkoo Kim [59]

El-3DFRAME_CO RAL_2014

Bài toán so sánh 02: Phân tích bài toán kết cấu công trình biển hệ

thanh trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, với các số liệu kết cấu, nền và tải trọng như trong công trình của tác giả Nguyễn Văn Chình [7]

Bảng 2.4 So sánh giá trị lớn nhất của các đại lượng tính

Nguyễn Văn Chình (mô hình phẳng)

3DFRAME_CORAL_2014 (mô hình không gian)

ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ 3.1 Đặt vấn đề : Khảo sát một số thông số đến sự làm việc của công

trình DKI (có cọc phụ và khối gia tải)

3.2 Bài toán xuất phát: mô hình bài toán như trên hình 3.1 (hoặc 2.3)

Thông số kết cấu: Các kích thước H2 = 20,1m, H3 = 20,5m, H4 = 4m, h1=1,5m, h2= 3,2m, h3 = 2,7m, h4 = 8,9m, h5 = 2,7m, B0 = 12m, B1 = 26m, B2 = 35m, góc nghiêng của cọc chính β = 80, tổng diện tích phần chắn gió quy đổi của sàn công tác là 12m2 Cọc chính có đường kính ngoài Dch=1,35m, chiều dày thành ống tch = 3,8cm; cọc phụ có đường kính ngoài Dph = 1,44m, chiều dày thành ống tph = 3,8cm; thanh xiên và thanh ngang có đường kính ngoài Dth = 0,711m, chiều dày thành ống tth

= 2,54cm Vật liệu giàn bằng thép, có E = 2,1×1011N/m2, ν = 0,3, ρ = 7850kg/m3, chiều sâu cọc trong nền san hô H1 = 20m [32]

Thông số tải trọng: sóng biển có chiều cao Hw = 16,56m, độ sâu nước dw = 20m, ρw = 1050kg/m3, chu kỳ sóng Tw = 7,83s, hệ số lực cản

CD = 0,75, hệ số quán tính C1 = 2,0, hệ số áp lực gió Cp = 1, ρair = 1,225kg/m3.Tổng tải trọng của sàn công tác, thượng tầng và vật dụng trên sàn công tác quy đổi là P = 600 tấn Giản đồ vận tốc gió (1) ( )

win

U t như trên hình 3.2 [38]

tần số riêng đầu tiên (Hz): f1 = 3,421, f2 = 3,550, f3 =4,738, f4 = 4,964, f5

= 5,029, f6 = 5,544, f7 = 5,640, f8 = 5,772, f9 = 5,872, f10 = 5,906

thông qua việc sử dụng chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014

Bảng 3.2 Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và

mô men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ

Chuyển vị

[cm]

Vận tốc [m/s]

bảng 3.2 là trong giới hạn cho phép mà con người hoạt động bình thường Mômen uốn chân cọc phụ khá lớn, khẳng định tác dụng chịu lực của cọc phụ trong kết cấu

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15

20 25 30 35 40 45 50

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động của hệ

3.3.1 Ảnh hưởng của mô hình tính

Khảo sát phản ứng động của hệ trên mô hình không tương tác và mô hình tương tác

mô men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ (mô hình TT và KTT)

Nhận xét:Khi tính theo mô hình không tương tác sẽ thiên về an toàn

theo điều kiện bền, còn tính theo mô hình có tương tác sẽ thiên về an toàn theo điều kiện cứng Khi tính toán, thiết kế các công trình biển trên nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng và gió, cần phải quan tâm thêm đến điều kiện sử dụng công trình, do đó nên tính theo mô hình làm việc đồng thời của kết cấu và nền vì đây là mô hình tính phản ánh đầy

đủ, sát thực sự làm việc của hệ

3.3.2 Ảnh hưởng của dạng kết cấu

Khảo sát 03 bài toán khác nhau tương ứng với 03 dạng kết cấu: bài toán cơ bản khi hệ giàn có cọc phụ và có khối bê tông gia tải (CCPCGT); hệ giàn có cọc phụ nhưng không có khối gia tải (CCPKGT);

hệ giàn không có cọc phụ và không có khối gia tải (KCPKGT)

Bảng 3.4.Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn

và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ tương ứng các dạng mô hình

0 20 40 60 80 100 -3

-2 -1 0 1 2

0 20 40 60 80 100 -4

-3 -2 -1 0 1 2

Dạng mô

hình

Chuyển vị [cm]

Vận tốc [m/s]

tải là sự lựa chọn hợp lý đảm bảo công trình làm việc tốt

3.3.3 Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu

3.3.3.1 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc chính:

Khảo sát các bài toán với mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính thay đổi từ 2,1×1010N/m2 đến 2,1×1011N/m2

Bảng 3.5 Biến thiên giá trị Umaxx , Umaxx , max

0 20 40 60 80 100 -6

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Nhận xét: Khi Ech tăng, chuyển vị lớn nhất ở đỉnh giàn giảm và mô men uốn lớn nhất tại mặt cắt chân cọc chính tăng, cả 2 sự biến thiên này thay đổi một cách phi tuyến Trong bài toán đã xét, có thể lựa chọnvới

mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính trong khoảng 1,344.1011N/cm2đến 2,1.1011N/cm2, cho thiết kế là hợp lý

3.3.3.2 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc phụ:

Khảo sát các bài toán với mô đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ thay đổi từ 2,1×1010N/m2 đến 2,1×1011N/m2

Bảng 3.6 Biến thiên giá trị max

x

U [m/s] 0,393 0,378 0,369 0,362 0,355 0,353 max

x

U  [m/s2] 2,817 2,704 2,653 2,521 2,438 2,395 max

Hình 3.27 Đáp ứng Mmaxym/c chân cọc phụ và Eph

3.3.4 Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc chính

Khảo sát các bài toán với đường kính ngoài cọc chính Dch thay đổi

từ 0,72m đến 1,50m (chiều dày thành ống cọc chính không đổi)

Mm/c chân cọc chính và Dch

Hình 3.32.Đáp ứng Mmaxym/c chân cọc phụ và Dch

Bảng 3.7 Biến thiên giá trị Umaxx , Umaxx , Umaxx tại đỉnh giàn và Mmaxy

tại chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dch cọc chính

phụ 3,530.106 3,528.106 3,522.106 3,517.106 3,504.106 3,475.106

Nhận xét: Khi đường kính ngoài Dch của cọc chính tăng lên thì mô men uốn tại chân cọc chính tăng lên nhưng chuyển vị tại đỉnh dàn giảm đáng kể Trong bài toán đã xét, lựa chọn đường kính ngoài Dch của cọc chính trong khoảng 1,03m đến 1,50m là hợp lý

3.3.5 Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc phụ

Khảo sát các bài toán với đường kính ngoài cọc phụ Dph thay đổi từ 0,72m đến 1,44m (chiều dày thành ống cọc phụ không đổi)

Hình 3.37.Đáp ứng Mmaxym/c chân cọc phụ và Dph

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8x 10

3.48 3.5 3.52 3.54 3.56 3.58x 10

1 1.5 2 2.5 3 3.5x 10

Bảng 3.8 Biến thiên giá trị Umaxx , Umaxx , Umaxx tại đỉnh giàn và Mmaxy tại

chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dph cọc phụ

phụ 1,870.106 2,352.106 2,436.106 2,859.106 3,216.106 3,504.106

Nhận xét: Khi đường kính ngoài Dph của cọc phụ tăng lên thì mô men uốn tại chân cọc chính giảm và chuyển vị tại đỉnh dàn giảm Lựa chọn đường kính ngoài Dph của cọc phụ từ 1,03m đến 1,44m là hợp lý

3.3.6 Ảnh hưởng của lớp nền san hô

Khảo sát hệ kết cấu và nền san hô với mô đun đàn hồi Ef2 của lớp nền thứ 2 thay đổi từ 1,0×108N/m2 đến 25,0×108N/m2

Nhận xét: Mô đun đàn hồi của lớp nền thứ hai Ef2 ảnh hưởng đến mô men uốn tại chân cọc chính, chân cọc phụ và chuyển vị ngang tại đỉnh giàn Khi Ef2 tăng từ 1,0×108N/m2 đến 25,0×108N/m2, chuyển vị ngang tại đỉnh giàn giảm, mô men uốn tại chân cọc chính, chân cọc phụ tăng

3.3.7 Ảnh hưởng của tải trọng

3.3.7.1 Ảnh hưởng của giản đồ vận tốc gió:

Khảo sát bài toán trong các trường hợp giản đồ vận tốc gió thay đổi

so với bài toán cơ bản 25%, 50%, 75% và 125%

Bảng 3.10 Biến thiên giá trị Umaxx , Umaxx , Umaxx tại đỉnh giàn và Mmaxy

tại chân cọc chính, cọc phụ khi thay đổi giản đồ vận tốc gió

phụ 2,271.106 2,644.106 3,074.106 3,504.106 4,075.106

Nhận xét: Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo

phương ngang tại đỉnh giàn và mô men uốn lớn nhất xuất hiện tại chân cọc chính, chân cọc phụ chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tải trọng gió; sự phụ thuộc này theo tỷ lệ thuận và gần đúng theo quy luật tuyến tính

3.3.7.2 Ảnh hưởng của phương tải trọng gió:

Khảo sát so sánh kết quả bài toán cơ bản(ψ = 0o) với trường hợp tải gió tác dụng xiên góc 45o với mặt bên của khối thượng tầng (ψ = 45o)

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5x 10

2.5 3 3.5 4 4.5