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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM TRẦN MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SÓNG BIỂN ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU TẤM NỔI VLFS LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số ngành: 60580208 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - TRẦN MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SÓNG BIỂN ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU TẤM NỔI VLFS LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số ngành: 60580208 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017 iii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM ngày tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: C T h T ứ Ch ủ P h P h Ủ v Ủ y Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN MINH PHƯƠNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp MSHV: 1541870012 I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học kết cấu VLFS II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Thiết lập mơ hình cho kết cấu vùng chất lỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần tử biên Phát triển thuật tốn chương trình giải hệ phương trình tương tác Kiểm tra độ tin cậy chương trình tính cách so sánh kết phân tích luận văn với kết nghiên cứu tác giả khác Tiến hành thực vấn đề phân tích khảo sát đại lượng khác đến ứng xử động lực học kết cấu nổi, từ rút kết luận III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …/ /… IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : …/…/… V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI Tp HCM, ngày tháng năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp nằm hệ thống luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả tự nghiên cứu, biết cách giải vấn đề cụ thể đặt thực tế xây dựng… Đó trách nhiệm niềm tự hào học viên cao học Để hoàn thành luận văn này, cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ nhiều từ tập thể cá nhân Tôi xin ghi nhận tỏ lòng biết ơn tới tập thể cá nhân dành cho giúp đỡ q báu Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Lương Văn Hải Thầy đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài, góp ý cho nhiều cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Công Nghệ TP.HCM truyền dạy kiến thức quý giá cho tơi, kiến thức khơng thể thiếu đường nghiên cứu khoa học nghiệp sau Tôi xin gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Xuân Vũ giúp đỡ tơi nhiều q trình thực luận văn Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô dẫn thêm để bổ sung kiến thức hồn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn Tp HCM, ngày … Tháng… năm 2017 Trần Minh Phương TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Với gia tăng dân số mở rộng q trình thị hóa, quốc gia có đường bờ biển dài hay đảo quốc triển khai dự án lấn biển Để giải nhu cầu chỗ cho người dân phát triển hạ tầng đô thị Tuy nhiên, giải pháp phù hợp cho vùng nước không sâu (độ sâu 20m) Đối với vùng nước sâu đáy biển đất yếu, giải pháp đòi hỏi lượng chi phí khổng lồ nhiều khó khăn mặt kỹ thuật, chí khơng thể thực Bên cạnh đó, dự án lấn biển làm ảnh hưởng tiêu cực môi trường quốc gia, hệ sinh thái ngầm đường bờ biển với nước láng giềng Để giải vấn đề nêu trên, nhà nghiên cứu kỹ sư đề nghị giải pháp thay hiệu hơn, xây dựng hệ thống kết cấu siêu rộng(VLFS - Very Large Floating Structures) Hiện kết cấu đại quốc gia giới tiến hành xây dựng, điển nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam có nghiên cứu vấn đề trên, tập trung nghiên cứu khảo sát phân tích kết cấu có kích thước nhỏ, luận văn thực với mục đích tập trung phân tích khảo sát ứng xử động lực học kết cấu có kích thước lớn chịu ảnh hưởng sóng biển tải trọng Tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho phương pháp phần tử biên (BEM) cho chất lỏng, nhằm để phân tích khảo sát chuyển vị kết cấu thay đổi hướng sóng, chiều dài bước sóng, độ sâu biển, chiều rộng bề dày Các kết nghiên cứu luận văn hy vọng tài liệu tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công bảo dưỡng hệ thống kết cấu sau ABSTRACT With the increase in population and process are broadening urbanized, countries have long shoreline or country reversions deployed projects To address the demand for housing for people as well as urban infrastructure development However, this solution is only suitable for not too deep waters (depths less than 20m) For deep water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical difficulties, even impossible Besides, the reclamation project as negative for the country's environment, groundwater ecosystems, and coastline with its neighbors To solve the above problems, the researchers and engineers have proposed an alternative solution more efficient, which is to build a system of floating structures ultra-wide (VLFS - Very Large Floating Structures) Modern plate structures have been developed by countries around the world, such as Japan, South Korea, China, USA, France, England, and Italy… In Vietnam, there is research on the above problem, but it is only focused on investigating and analyzing small-size structures that are not in line with reality, therefore the thesis was conducted with the aim of concentrating on analyzing the dynamical behavior of floating structure of large size, influenced by waves and load The author used the method of Finite Element Method (FEM) for the plate and method Boundary Element Method (BEM) for fluids, in order to analyze the survey of structural displacements panels to change the direction of the wavelength steps waves, sea depth, width and thickness of the sheet of plate The results of the study in the hopeful thesis may be one of the useful references to facilitate the design, construction, and maintenance of the later plate structure LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng việc tơi thực hướng dẫn Thầy PGS.TS Lương Văn Hải Các kết Luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm công việc thực Tp HCM, ngày tháng năm 2017 Trần Minh Phương MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN .ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii ABSTRACT .iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT .xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tình hình nghiên cứu cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết cấu 1.3 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước 1.4 Các cơng trình nghiên cứu nước 1.5 Mục tiêu nghiên cứu 1.6 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình chất lỏng 2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số 10 2.3 Lý thuyết Mindlin chịu uốn 11 2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính 13 2.5 Mơ hình phần tử hữu hạn cho kết cấu 14 2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động chất lỏng 17 2.7 Áp lực chất lỏng 19 2.8 Giải phương trình tương tác 19 2.9 Lưu đồ tính tốn 20 vii CHƯƠNG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ 21 3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết tính tốn thí nghiệm Endo Yago (1999) [6] 23 3.2 Bài tốn 1: Phân tích khảo sát ứng xử chịu tác động với thay đổi hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16] 24 3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử chịu tác động với thay đổi độ sâu biển 34 3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử chịu tác động với thay đổi độ sâu biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng chiều dài kết cấu 36 3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử thay đổi bề dày 44 3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử thay đổi bề rộng 47 3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử chịu tác động với thay đổi bề rộng kết hợp với tỷ lệ bước sóng chiều dài kết cấu 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 4.1 Kết luận 59 4.2 Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 63 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 75 Quan hệ đạo hàm hàm dạng N i tọa độ tự nhiên O tọa độ tổng thể Oxy cho bởi:  Ni     Ni    x x    J 1    Ni    Ni     y   2 N x    2 N i   yx    Ni     x         Ni    y y (6) 2   Ni2  Ni  Ni    x  y    1  T   J J   N i  Ni2 N    y   (7) đó:     x x  1  J      y y J T (8)    x  y       x  y  (9) Định thức ma trận Jacobi dùng cơng thức tích phân chuyển đổi sau: 1  dxdy   detJdd   (10) Phương pháp tích phân biên  Bài tốn 2-D Phương trình Laplace   x, z   (11) Dạng tích phân lý thuyết Green chuyển đổi tích phân miền sang tích phân biên  vu  uv dV   V u  v v dS    n S   n   u vv      n S0  n  dS  (12) Miền khảo sát a) mặt biên tròn S  S0 ,   r , b) mặt biên đường tròn Hình S  S0 ,   r [3]  1 v  ln   r G  (13) d        u v v  dS   ln  G   1 G ln              n n  n  r  S0  r   n S0  G thỏa phương trình Laplace       ln  G  ln      r  n n   S0     1    d S      S0   r  n    S (14)   S 1 G     d r     1 S  dS   (15)     dS   S   đường tròn n  r   S0  r  n n  r      1 ln  G        r    n  S0    1    1  dS  2 r ln  2 r    n  r    r  r r ln   1    2 r ln   2 r   2 r r  r r   Lấy giới hạn r đến 0; limr 0  (16) S0 đường tròn       ln  dS           r  n  S0   ln   dS S0  semicircle n   r  (17)  boundaryline Đoạn biên trùng với biên S tiến bán kính tiến 0, xét phần đường tròn:       S   ln  ln   dS dS   S         r n n   ln  r   r     r r r  Lấy giới hạn r đến 0; limr 0     r ln  r  r       r    r r     x, z  v     x, z  , x  S     v S  (18)   r  Bài toán 3-D n n dS     2  x, z  , x  S , x   Phương trình Laplace   x, y, z   (19) Phương trình tích phân đường biên v  v dV    V S     v v dS    n n    v  S  n    v  (20) n  dS Hình Miền khảo sát a) mặt biên tròn S  S0 ,   r , b) mặt biên đường tròn S  S0 ,   r [3]   v  v   dS    n S n (21) v G 4 r   G          4 r n S   G  dS  (22) 4 r n      0 G thỏa phương trình Laplace       G G dS      r n  r n  S0      u            dS  n n  r 4 r      S0   (23)          dS dS  4 r n     n  4 r   0  S0  S S0 mặt cầu     dS    4 r   S  Sn0    r  2 r  dS   r   n  4 r n r  r0    (24)  n    Lấy giới hạn r đến 0; limr 0  r    n    S0 bán cầu      dS           S     4 r  n   semicircle  dS   S  n  4 r    (25)  boundaryline Đoạn biên trùng với biên S, xét phần bán cầu         dS  dS     n  4 r   r  n      S S 0 2 r r     2r n 2r Lấy giới hạn r đến 0; limr 0    r  2 n     (26)    ,xS    v 0   dS   v  n n S  , x  S , x   (27) Phần tử  Phần tử Line Xét tốn phương với miền lan tỏa có biên trơn tru lấy xấp xỉ hàm u(x) đơn giản phần tử biên [4] Chọn nút j điểm “ phần tử hằng” (constant element)  j phần tử đó, u j q j Ta có giá trị tích phân biên sau: N N ui    H dS.uj     G dS.q  j 1  j 1  j j j (28)  G Gij  (29) dS j  G  dS  n   H  ij   (30) j Xét phần tử  j chứa điểm góc j với u j q j giá trị hàm u(x) q(x) theo pháp tuyến n Vì trục tọa độ phần tử  j vng góc với pháp tuyến n nên  j chứa điểm kỳ dị i , phần tử có sau: ij  G  H  dS n  j  G  ij  G ri( x)  dS  n   ri   j (31)   1 ln   dS r  2    G dS   j j      j   (32)  1 l j /   ln      1    l / j2  Đối với phần tử  j không chứa điểm kỳ dị, ta dùng phương pháp tích phân số Guass để tính tốn giá trị tích phân  Phần tử – D ( node) Tương tự phần tử Line: Xét phần tử  j chứa điểm góc j với u j q j giá trị hàm u(x) q(x) theo pháp tuyến n Vì trục tọa độ phần tử  j vng góc với pháp tuyến n nên  j chứa điểm kỳ dị i , phần tử có sau: Hình ij  G  H  dS n  j   G ri( x)  dS  n   ri   j (33)  1 dS   2   r   j  j    G dS  G   ij Tấm nút j (34)   x   n n1 n  sin       n y n  cos   log Rn  Rn 1  sn   R R  s n n1 n Với x, y tọa độ điểm góc, Rn khoản cách từ điểm gốc đến đỉnh thứ n, Sn độ dài cạnh tạo đỉnh n n+1 lần theo thứ tự hình 5.5 Đối với phần tử  j khơng chứa điểm kỳ dị, ta dùng phương pháp tích phân số Guass để tính tốn giá trị tích phân Giải phương trình số sóng ( dispersion equation) Thuật tốn giải phương trình K  k tan kh  dựa thuật toán Mclver, bên tóm tắt thuật tốn dạng code Maple Đoạn mã lập trình Matlab %% Hydroelastic analysis of continuous rectangular (Q9 Mindlin plate) % (The constant panel method using free surface Green's function) % Rectangular VLFS, mesh generated by SAP2000 or MATLAB's function % ^ y % % | | | % Wave | | | % -> | | > x B % | | | % | | | % % Isoparametric element % ************************************************************************* % Ph.D research % Hydroelastic analysis of continuous rectangular VLFS plate % by Xuan Vu Nguyen % Department of Civil Engineering % Ho Chi Minh City University of Technology % Vietnam National University Ho Chi Minh City, Vietnam % 08 October 2016 % REFERENCES % Gao Ruiping, Civil Engineering Department, National University of Singapore % Dr Pham Hong Giang % ************************************************************************* echo off %% % Read file input clc display('Input'); %INPUTC : Input data global K h lamda Ls D bs global omega k0 m % Data of structure % Material E=11.9e6; % KPa nuy=0.13; m=0.25625; % ratio of mass density of water % Dimension and geometric properties Ls=300; % m hs=2; % m 2.5 3.5 4.5 5.5 bs=60; % m B/Ls: 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 ds=0.5; %m D=E*hs^3/(12*(1-nuy^2)); % Tm3/s2 % nmode=50; % - Data of water wave -T=6.15; % 6.15 7.75 8.7 9.667 10.6347 11.25 12.35 14 omega=2*pi/T; g=10; % m/s^2 K=omega^2/g; h=58.5; % 20 58.5 100 200 500 1000 syms x xi=abs(double(vpasolve(x*tanh(x*h)==K,x))); k0=xi; % Note: Warning lamda=2*pi/k0; % 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 lam=lamda/Ls; r=1; % T/m2 % Incident wave Aw=1; % 10 20 mm Phi0=1i*g*Aw/omega; theta=0*pi/180; % degree 15 30 45 60 68 75 90 %% - Mesh nx=50;ny=10; [vectorX,vectorY,vectorZ,Xpanel,Ypanel,Zpanel,kconecpanel,X,Y,Z,XM,YM,ZM, N]=Meshpanel(nx,ny,Ls,bs); hold off hold on for i=1:size(kconecpanel,1) plot(vectorX(kconecpanel(i,:)),vectorY(kconecpanel(i,:))); end hold off [vcor,kconec]=updatemeshplate9(kconecpanel,X,Y); Centerline=[0:Ls/nx:Ls]; ix=[]; for i=1:size(Centerline,2) ix=[ix find(Xpanel==Centerline(i))]; end Node_Centerline= find(Ypanel(ix)==bs/2); %% Read boundary conditions in FIU/Q(i) Vector and KODEU/Q vector KODEU=zeros(N,1); KODEQ=zeros(N,1); FIU=zeros(N,1); FIQ=zeros(N,1); [KODE,FI]=Dirchilet(KODEU,KODEQ,FIU,FIQ); %% Matrix of Structure VLFS display('Matrix of Structure VLFS'); Datathickplate [Ks,Kw,Ms,ndlt]=Thickplate(nomtype,vcor,kconec,ktypel,vprelg,kprop); [PHI,EIGV] = eigs(Ms,Ks,nmode); EIGV=(inv(EIGV)); for i=1:size(PHI,2) PHI(:,i)=sqrt(1/ ((PHI(:,i)'*Ms)*PHI(:,i)))*PHI(:,i); end PHIw=PHI(1:3:end,:); Ms=PHI.'*Ms*PHI; Ksw=PHI.'*(Ks)*PHI+PHI.'*Kw*PHI; %% Matrix L display('Matrix L,Incident wave'); [L1,L2]=MatrixL(vcor(:,1),vcor(:,2),kconec,N); %% Compute H and G matrices and form system (AV=F) display('Compute H and G matrices'); [~,G1,G2]= GHMATPC(X,Y,Z,kconecpanel); G=-1/(2*pi)*G1+G2; %% Incident wave Phiic=Phi0*exp(-1i*k0*(cos(theta)*XM+sin(theta)*YM)); %% Solve system of equations display('Solve system and print result'); Poi=(K*G-1/2*eye(N)-r*omega^2*(G*(L1'*PHIw)*((Kswomega^2*Ms)\(PHIw'*L2))))\(0.5*Phiic); Wn=-1i*r*omega*((Ksw-omega^2*Ms)\(PHIw'*L2*Poi)); W_wave=PHIw*Wn; Dispnode_wave=PHI*Wn; display('finish') %% Stress Resultants %[Mxx,Myy,Mxy,Qx,Qy]=Stressthickplate(nomtype,vcor,kconec,ktypel,vprelg,k prop,Dispnode); %% Plot Centerline ( thi bien A ) t_monitor=5; scale=1; figure hold on plot(Centerline/Ls0.5,abs(scale*W_wave(Node_Centerline)*exp(1i*omega*t_monitor))) %% hinh ket cau 3d voi abs gia tri thuc bien real la dang chuyen dong tam t_monitor=10; scale=1; plotsurface4node([vcor real(W_wave*exp(1i*omega*t_monitor))],kconec,4) daspect([1,1,0.01]); LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRẦN MINH PHƯƠNG Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989 Nơi sinh: Tây Ninh Địa liên lạc: 48 Tô Ngọc Vân, Phường Linh Tây, Quận Thủ Đức, Tp.HCM ĐTDĐ: 0947 678 819 Email: phuongtran.ksxd@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2008 – 2013: Kỹ sư Xây dựng, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM 2015 – 2017: Học viên cao học chun ngành Xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp, Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM-HUTECH ... mặt biển, cấu trúc linh hoạt so với kiểu cấu trúc khơi Như vậy, việc phân tích VLFS phân tích tượng thủy động học kết cấu với chuyển động Phân tích ứng xử động lực học kết cấu VLFS tác động sóng. .. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - TRẦN MINH PHƯƠNG PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SĨNG BIỂN ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU TẤM NỔI VLFS LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:... hình cho kết cấu vùng chất lỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phần tử biên (BEM) vấn đề” Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học kết cấu VLFS góp phần đưa kết xác so