Phân tích phi tuyến động lực học và ổn định của kết cấu công trình biển hệ thanh trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN THANH HƯNG PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH TRÊN NỀN SAN HƠ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số : 9.52.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2020 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Hoàng Xuân Lượng Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Văn Lệ Trường Đại học Thủy lợi Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Quốc Bảo Trường Đại học Công nghệ GTVT Phản biện 3: GS.TS Trần Văn Liên Trường Đại học Xây dựng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp Học viện Kỹ thuật quân Vào hồi ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các cơng trình biển dạng móng cọc vùng biển Việt Nam đến phát huy tốt vai trị nó, song xuống cấp cơng trình theo thời gian, bên cạnh biến đổi mơi trường thời gian qua, số cơng trình giảm hiệu sử dụng đáng kể, ảnh hưởng lớn đến điều kiện sinh hoạt tác chiến, đặc biệt có cơng trình bị đổ ổn định, gây thiệt hại to lớn kinh tế, an ninh quốc phòng sinh mạng người Việc nghiên cứu tính tốn độ bền, độ cứng, độ ổn định để từ có giải pháp thiết kế, thi cơng gia cường cơng trình biển dạng móng cọc vấn đề cần thiết bắt buộc Do vậy, đề tài “Phân tích phi tuyến động lực học ổn định kết cấu cơng trình biển hệ san hô chịu tác dụng tải trọng sóng biển gió” luận án vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu luận án: - Đề xuất mơ hình, xây dựng thuật tốn chương trình phân tích động lực học ổn định kết cấu cơng trình biển hệ san hô chịu tác dụng tải trọng sóng gió theo mơ hình tốn không gian với quan niệm kết cấu san hô làm việc đồng thời phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), kết hợp tiêu chuẩn ổn định động Budiansky Roth có xét đến tính bền bất biến hình kết cấu - Khảo sát phân tích ảnh hưởng số yếu tố đến đáp ứng động lực học ổn định hệ, đưa nhận xét, khuyến nghị định hướng tham khảo cho việc nâng cao khả ổn định cho cơng trình biển cố định hệ nhà giàn DKI - Nghiên cứu thực nghiệm xem xét dao động ổn định mơ hình hệ khơng gian cố định bể tạo sóng ba chiều (3D) làm sở đối chứng kiểm tra phù hợp thuật tốn độ tin cậy chương trình tính lập -2- Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu luận án: - Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơng trình biển cố định hệ không gian tương tác với san hô (mô cơng trình nhà giàn DKI) chịu tải trọng sóng biển gió - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng động lực học ổn định hệ khơng gian tương tác với san hơ, đó: + Về kết cấu: Cơng trình biển cố định hệ không gian mô theo nhà giàn DKI, công trình biển cố định ngồi khơi + Về nền: Nền san hô khu vực quần đảo Trường Sa + Về tải trọng: Tải trọng sóng biển xác định theo lý thuyết sóng Airy, lý thuyết sóng Stoke tải trọng gió hàm thời gian - Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm: + Về lý thuyết: Sử dụng phương pháp PTHH, + Về thực nghiệm: Thí nghiệm trực tiếp mơ hình bể tạo sóng 3D Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo, với 107 trang thuyết minh, có 13 bảng, 60 hình vẽ, đồ thị, 89 tài liệu tham khảo 31 trang phụ lục Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết đề tài luận án bố cục luận án Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Thuật tốn PTHH phân tích động lực học ổn định kết cấu hệ cố định san hô chịu tác dụng tải trọng sóng biển gió Chương 3: Ảnh hưởng số yếu tố đến đáp ứng phi tuyến động lực học ổn định hệ Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định phản ứng động ổn định kết cấu hệ mơ cơng trình biển Kết luận kiến nghị: Tài liệu tham khảo Phụ lục -3- Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trình bày sơ lược san hơ; nghiên cứu tổng quan cơng trình biển, tải trọng phổ biến tác dụng lên cơng trình biển tình hình nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng trình biển Từ cơng trình cơng bố, tác giả rút vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu theo rút số kết luận: - Nền san hơ có tính chất khác biệt theo khu vực, vị trí địa lý, kết cơng trình cơng bố với thơng số san hô số liệu đầu vào quan trọng, làm sở khoa học cho việc xây dựng mơ hình, phương pháp tính cơng trình san hơ - Cơng trình biển làm việc điều kiện môi trường khắc nghiệt chịu tải trọng tác dụng phức tạp, tĩnh tải trọng lượng thân kết cấu phận công tác, cịn có nhiều tải trọng tác dụng, như: sóng biển, gió, dịng chảy, động đất, vv, xét tần suất tác dụng mức độ nguy hiểm phải tiến hành tính tốn trường hợp tải trọng sóng biển tải trọng gió - Sử dụng mơ hình tốn phẳng mơ hình tốn khơng gian (kết cấu không tương tác thay liên kết biến dạng) tính tốn cơng trình biển hệ thanh, tập trung nghiên cứu có nhiều kết Cịn với mơ hình tốn khơng gian, kết cấu cơng trình hệ tương tác đến có số cơng bố, chủ yếu với tải trọng tĩnh tác dụng, đặc biệt vấn đề ổn định kết cấu Theo hướng này, nghiên cứu thực nghiệm nội dung có kết cơng bố cịn hạn chế, cần phải có nhiều nghiên cứu sâu - Nghiên cứu, tính tốn tĩnh động lực học cơng trình san hơ thuộc đảo nổi, đến có số cơng bố với mơ hình phẳng, cịn mơ hình khơng gian bước đầu sử dụng có số kết toán động lực học Với tốn phân tích ổn định tĩnh động cơng trình biển hệ làm việc san hô đến chưa có cơng trình nghiên cứu cơng bố, cần xem xét, nghiên cứu vấn đề cách hệ thống -4- Chương THUẬT TỐN PTHH PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ 2.1 Đặt vấn đề Ổn định kết cấu vấn đề khó phức tạp ln có ý nghĩa lớn, đóng vai trị quan trọng lĩnh vực kỹ thuật thực tiễn Trong chương này, tác giả thiết lập thuật tốn PTHH, xây dựng chương trình tính nhằm phân tích động lực học ổn định cơng trình biển cố định hệ thanh, chịu tác dụng tải trọng sóng gió, sử dụng lý thuyết sóng Stoke bậc 2, mơ hình tốn khơng gian 3D, kết cấu san hô làm việc đồng thời để góp phần sâu sắc thêm tốn dao động ổn định loại cơng trình trên, giúp người thiết kế có nhìn tổng thể, đưa lại hiệu cao 2.2 Giới thiệu toán giả thiết Xét cơng trình biển cố định hệ dạng DKI [36], mơ hình tính gồm hệ khơng gian phần san hơ với kích thước xác định phương pháp lặp, phần san hô gọi miền nghiên cứu (Hình 2.2) Mơ hình toán xây dựng sở giả thiết: - Hình dạng, tính chất vật liệu Hình 2.2 Hình chiếu đứng kết cấu khơng thay đổi theo thời mơ hình tốn gian; - Vật liệu kết cấu lớp san hô đàn hồi tuyến tính, biến dạng bé; - Các cọc cắm trực tiếp xuống san hô, liên kết cọc san hô liên kết chiều; - Khơng xét đến tượng xốy tương tác sóng - gió -5- 2.3 Thiết lập phương trình chủ đạo tốn 2.3.1 Các quan hệ phần tử 3D Kết cấu công trình hệ (cả phần ngập san hơ) rời rạc hóa phần tử 3D hai điểm nút, nút có bậc tự do: ui, vi, wi, xi, yi, zi, với i =1,2 (Hình 2.3) Hình 2.3 Phần tử 3D bậc tự 2.3.1.1 Trường chuyển vị [40], [78]: u = u ( x, y, z, t ) = u ( x, t ) + z y ( x, t ) − yz ( x, t ) , v = v ( x, y, z, t ) = v0 ( x, t ) − zx ( x, t ) , w = w ( x, y, z, t ) = w ( x, t ) + yx ( x, t ) , (2.1) 2.3.1.2 Trường biến dạng [15], [78]:   Lx   xNL   x     NL   =   zx  = L +  NL =   Lzx  +  zx ,   xy    L    NL     xy   xy      (2.4) 2.3.1.3 Trường ứng suất [15], [78]:  x  E 0   x   = zx  =  G    zx  =  D =  D  L +  D  NL ,  xy   0 G    xy          (2.7) 2.3.1.4 Phương trình mơ tả dao động phần tử hệ tọa độ cục bộ:  M q b e b e ( ) b b b b +  K qe  qe =  f e ,   e (2.51b) 2.3.1.5 Phương trình mơ tả dao động phần tử hệ tọa độ tổng thể:  M q b e b e ( ) b b b b +  K qe  qe =  f e ,   e (2.55) -6- 2.3.2 Các quan hệ phần tử thuộc lớp san hô 2.3.2.1 Các quan hệ ứng xử phần tử: Các lớp san hơ mơ hình hóa phần tử khối lục diện điểm nút, nút có bậc tự do: ui, vi, wi Ma trận độ cứng phần tử xác định theo biểu thức [40]: Hình 2.4 Phần tử lục diện điểm nút  K se =   BT Ds   B dVe , 2424 (2.69) Ve Ma trận khối lượng phần tử xác định [78]:  M se =  s  N T  N  dVe , 2424 (2.73) Ve Và véc tơ tải trọng nút phần tử [40], [78]:  f es =   N T g dV +   N T p dA, Ve (2.74) Ae 2.3.2.2 Phương trình mơ tả dao động phần tử: Tương tự phần tử thanh, phương trình mơ tả dao động phần tử hệ tọa độ tổng thể có dạng sau:  Mse qse +  Kse qse =  f es (2.75) 2.3.3 Quan hệ phần tử thuộc lớp tiếp xúc san hô Sử dụng phần tử tiếp xúc (PTTX) chiều (3D) để mơ hình hóa lớp tiếp xúc cọc san hô Véc tơ chuyển vị điểm thuộc phần tử biểu diễn [48], [49]: ui  = Bi  qi  , (2.76) Ma trận độ cứng PTTX hệ toạ độ cục bộ:  K e = slip T N   k  N  dxdy,   Hình 2.5 Phần tử tiếp xúc chiều (3D) (2.81) -7- Quy luật biến thiên ứng suất theo biến dạng phần tử (Hình 2.6) a, Quan hệ ứng suất - biến dạng pháp tuyến tuyến b, Quan hệ ứng suất - biến dạng tiếp Hình 2.6 Quy luật biến thiên ứng suất theo biến dạng phần tử Mơ hình PTHH mơ tả liên kết nút vùng chứa cọc (thanh 3D), phần tử tiếp xúc san hô thể hình 2.7 Phần tử 3D Nút cọc PTTX a) Hình khơng gian b) Hình chiếu Hình 2.7 Mơ hình PTHH khu vực xung quanh cọc 2.3.4 Tải trọng sóng gió tác dụng lên cơng trình 2.3.4.1 Tải trọng sóng tác dụng lên phần tử thanh: Áp dụng phương trình Morison, tải trọng  tác dụng lên phẩn tử theo phương X, Y  D2 fX = w CD D VX VX + w C1 aX ,  D2 fZ = w CD D VZ VZ + w C1 aZ ,   Z xác định [82], [84]:  D2 fY = w CD D VY VY + w C1 aY ,  fn   (2.86)  Hình 2.8 Phần tử chịu tải trọng sóng -8- 2.3.4.2 Tải trọng gió tác dụng lên cơng trình: Áp lực gió phân bố theo chiều dài xác định bởi: qwin ( t ) = BCp air  Uwin ( t )  cos, (2.92) Véc tơ tải trọng nút phần tử áp lực gió gây nên [36]: f win e  Le  T =    N  pwin ( t ) ds    (2.95) 2.4 Phương trình phi tuyến mơ tả dao động hệ 2.4.1 Tập hợp ma trận véc tơ toàn hệ Thực thơng qua chương trình tính Buckling_3D_Frame_Coral_2019 2.4.2 Phương trình mơ tả dao động hệ  M q + C (q) q + K (q) q =  f  , (2.105) Đây phương trình động lực học phi tuyến, giải cách kết hợp phương pháp tích phân trực tiếp Newmark lặp Newton-Raphson 2.4.3 Khử biên Việc xử lý điều kiện biên thực sở tín hiệu bậc tự biên, tùy theo loại liên kết, biết tính chất bậc tự theo thứ tự hàng, cột hệ phương trình (2.105) bị xóa cách thích hợp 2.5 Phân tích ổn định động hệ Việc phân tích ổn định hay ổn định hệ dựa vào đáp ứng chuyển vị điểm thuộc đỉnh cơng trình giải phương trình (2.105) Các giá trị thay đổi làm cho hệ chuyển từ trạng thái ổn định sang ổn định gọi giá trị tới hạn, chúng là: vận tốc gió, chiều cao sóng, đường kính cọc chính, cọc phụ, mơ đun đàn hồi san hô, vv [42] 2.5.1 Tiêu chuẩn kiểm tra bền cấu thành kết cấu Điều kiện bền ứng suất pháp: max     , (2.106) -11- Chương ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN ĐÁP ỨNG PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ 3.1 Đặt vấn đề Khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến đáp ứng phi tuyến động lực học ổn định cơng trình nhà giàn DKI/7 san hơ chịu tác dụng tải trọng sóng gió Với chương trình tính thiết lập sử dụng tính tốn số, giá trị thực tiễn, kết chương cịn cho phép tính tốn loại cơng trình biển khác như: tua bin gió, nhà cao tầng đảo, … 3.2 Bài toán xuất phát: mơ hình tốn hình 3.1 hình 2.2 với thơng số tính tốn cụ thể sau: Hệ kết cấu làm vật liệu thép có: E = 2,11011N/m2,  = 0,3, =7850 kg/m3 Đường kính ngồi chiều dày thành ống cọc Dch=1,35m; tch = 3,8cm, cọc phụ Dph = 1,44m, tph = 3,8cm, xiên ngang Dth = 0,711 m, tth=2,54 cm Cọc đóng sâu H1=20m vào san hơ, nghiêng góc  = 80 Các kich thước H2 = 20,1 m; H3=20,5 m, H4=4m, h1=1,5m, h2= 3,2m, h3 = 2,7m, h4 = 8,9m, h5 = 2,7m, B0= 12m, tổng diện tích phần chắn gió quy đổi sàn cơng tác 12m2 - Nền san Bảng 3.1 Đặc trưng vật liệu lớp san hô hô: Đặc trưng Hệ số Độ lý lớp Ef ma sát Tỷ số f Lớp sâu f (N/cm ) (kg/m3) với thép cản  vật liệu (m) fms lấy theo 2,83104 0,22 2,55103 0,21 kết thí 10 2,19105 0,25 2,60103 0,32 nghiệm 0,05 20 2,03106 0,22 2,95103 0,33 đảo thuộc quần đảo Trường Sa 50 2,71105 0,25 2,00103 0,35 [13], [14] -12- - Tải trọng: Sóng có chiều cao Hw=9,0m, chu kỳ Tw = 7,81s; hệ số CD = 0,75; C1=2,0; Cp = 1, khối lượng riêng w = 1050 kg/m3 ; air=1,225 kg/m3 Giản đồ vận tốc gió U win ( t ) hình 3.2 [43] Trọng lượng sàn cơng tác P0=6000kN Khối gia tải 8,0×3m; Ec= 2,4108 N/m2 ; =0,35; c = 2500 kg/m3 Hình 3.2 Giản đồ vận tốc gió Uwin(t) với Umax= 26,5m/s [43] Bài toán dao động riêng: Giải toán dao động riêng, có tần số riêng dạng dao động riêng tương ứng Ở tác giả viện dẫn 10 tần số riêng hệ (Hz): f1 = 3,385, f2 = 3,513, f3 =4,688, f4 = 4,912, f5=4,976, f6 = 5,486, f7 = 5,581, f8 = 5,711, f9 = 5,810, f10 = 5,844 Bài toán dao động cưỡng bức: Sử dụng chương trình B3DFC_2019 giải tốn với thông số cho để xem xét ảnh hưởng tính chất phi tuyến hình học, kết Bảng 3.2: Bảng 3.2 Giá trị lớn chuyển vị, vận tốc, gia tốc đỉnh giàn mơ men uốn mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ Đại lượng Trường hợp Tuyến tính Phi tuyến Sai số Chuyển vị U max x [m] 0,0441 0,0493 11,79 Vận tốc U max x [m/s] 0,379 0,336 11,35 Gia tốc U max x [m/s ] 2,479 2,179 12,10 Mô men uốn chân cọc [Nm] M Phu M Chinh y y 1,192.106 1,095.106 8,14 3,534.106 3,224.106 8,77 Nhận xét: Mômen uốn chân cọc phụ lớn so với giá trị tương ứng chân cọc chính, nên khẳng định tác dụng chịu lực cọc phụ kết cấu Ngoài ra, khác biệt biểu đồ đáp ứng chuyển vị giá trị lớn đại lượng trường hợp tuyến tính phi tuyến cho thấy việc giải toán phi tuyến hình học trường hợp nội dung luận án giải cần thiết -13- 3.3 Ảnh hưởng số yếu tố đến dao động ổn định hệ 3.3.1 Ảnh hưởng lực quy đổi sàn cơng tác Giải tốn với giá trị lực P0 biến thiên từ 5.105 N đến 1,8.107 N Kết đáp ứng động hệ thể hình 3.8, 3.9 Bảng 3.3 Hình 3.8 Đáp ứng chuyển vị ngang Ux đỉnh giàn Hình 3.9 Đáp ứng chuyển vị đứng W đỉnh giàn Bảng 3.3 Giá trị lớn chuyển vị, gia tốc đỉnh giàn ứng với giá trị lực thẳng đứng P0 sàn công tác tác dụng lên đỉnh giàn khác P0 [N] U max x [m] Wmax [m] U max x [m/s ] Wmax [m/s ] 5.105 0,0492 0,00277 5,697 1,905 1.106 0,0984 0,00469 11,399 1,885 3.106 0,2954 0,0136 34,144 3,845 1,8.107 1,7924 0,1312 131,253 22,219 Nhận xét: Khi lực nén quy đổi sàn công tác P0 tăng, giá trị chuyển vị, gia tốc đỉnh giàn tăng Trong phạm vi lực quy đổi P0 sàn công tác bé 1,8.107N, nhìn chung dao động giàn khơng có bất thường, giàn ổn định Khi tải trọng lân cận 1,8.107N, tương chuyển vị ngang đỉnh giàn (Tương ứng mơ men uốn chân cọc phụ) tăng đột biến, điều thể đồ thị đáp ứng chuyển vị Để xác định giá trị tới hạn P0, thời điểm lân cận với việc tăng đột biến chuyển vị, cần tiến hành chia nhỏ bước thời gian tích phân so với bước thời gian tích phân ban đầu, giá trị P0 ứng với thời điểm chuyển vị tăng đột biến xem giá trị tới hạn P0th Trong trường hợp lực nén quy đổi sàn công tác tới hạn P0th = 1,8 107 N -14- 3.3.2 Ảnh hưởng gió Để xem xét ảnh hưởng gió đến dao động ổn định giàn, tác giả tính tốn với dạng giản đồ vận tốc gió hình 3.2, song vận tốc gió cực đại Umax trường hợp khác có chiều cao sóng Hw tương ứng: Umax(Hw) = 10m/s(4,2m); 20,8m/s(7,0m); 26,5m/s(9,0m); 33,3m/s (14,0m) Hình 3.12 Chuyển vị ngang đỉnh giàn với vận tốc gió khác Hình 3.13 Chuyển vị đứng đỉnh giàn với vận tốc gió khác Bảng 3.4 Giá trị lớn chuyển vị, gia tốc đỉnh giàn với trường hợp gió khác Umax[m/s] U max x [m] Wmax [m] U max x [m/s ] Wmax [m/s ] 10,0 0,0184 0,00469 1,399 1,085 20,8 0,0313 0,0135 1,849 1,376 26,5 0,0493 0,0345 2,179 1,996 33,3 2,2248 0,6122 24,421 15,297 Nhận xét: Khi vận tốc gió thay đổi theo xu hướng tăng, đáp ứng động lực học giàn diễn phức tạp, vận tốc gió lớn giản đồ gia tốc gió lân cận 33m/s tượng chuyển vị ngang đứng đỉnh giàn tăng đột biến xuất Cũng tương tự phần trên, trường hợp giá trị bước thời gian tính bước lặp giảm xuống để xác định cách xác giá trị tới hạn vận tốc gió, kết có được: với giản đồ vận tốc gió hình 3.2 vận tốc gió lớn th =33,3m/s tương ứng chiều cao sóng Hw = 14m đạt tới hạn U max -15- 3.3.3 Ảnh hưởng sóng Xem xét tốn với thơng số Hw thay đổi, cịn đại lượng khác giữ ngun tốn xuất phát Kết thể bảng 3.5 đồ thị hình 3.16 đến 3.19 Hình 3.16 Quan hệ chiều cao sóng chuyển vị ngang lớn Hình 3.17 Quan hệ chiều cao sóng chuyển vị đứng lớn Hình 3.18 Quan hệ chiều cao sóng mơ men uốn cọc lớn Hình 3.19 Quan hệ chiều cao sóng mơ men uốn cọc phụ lớn Bảng 3.5 Quan hệ giá trị lớn chuyển vị đỉnh giàn, mô men uốn chân cọc với chiều cao sóng Mơ men uốn chân cọc [Nm] Hw[m] 2,0 4,0 6,0 9,0 12.0 18.14 U max x [m] 0,011 0,018 0,024 0,049 0,377 1,44 Wmax [m] 0,0011 0,0018 0,0024 0,003 0,0416 0,136 M Chinh y M Phu y 3,6 4,5 7,4 11,9 23,7 59,1 1,1 1,6 2,37 3,5 6,28 13,49 -16- Nhận xét: Khi chiều cao sóng biển tăng, lực tác dụng lên giàn tăng, nội lực xuất giàn tăng Với chiều cao sóng biển nhỏ 18m hệ dao động ổn định; chiều cao sóng đạt lân cận 18m, chuyển vị giàn có xu hướng tăng nhanh, cần tăng chiều cao sóng đại lượng bé chuyển vị đỉnh giàn tăng nhanh, chiều cao sóng đạt lân cận 18,14m chuyển vị đỉnh giàn tăng đột biến, trường hợp xem H thw =18,14m giá trị tới hạn chiều cao sóng 3.3.4 Ảnh hưởng vật liệu kết cấu Xem xét ảnh Bảng 3.6 Quan hệ chuyển vị lớn đỉnh giàn, hưởng vật liệu mô men uốn chân cọc với mô đun đàn hồi vật liệu Mô men uốn kết cấu, tác giả tính E chân cọc th th max tốn với mơ đun U max H U W max w x [N/m ] [106Nm] đàn hồi vật liệu [m] [m] [m] [m/s] 11 (10 ) giàn biến thiên từ M Chinh M Phu y y 1,71011 N/m2 đến 1,7 0,367 0,105 1,753 5,751 13,06 26,7 2,11011 N/m2 1,8 0,171 0,072 1,461 4,602 13,33 27,2 điều 1,9 0,088 0,054 1,269 3,871 14,25 28,4 kiện khác 2,0 0,054 0,041 1,142 3,406 15,62 30,2 toán giữ nguyên 2,1 0,0493 0,035 1,095 3,224 18,14 33,3 mục 3.2 Nhận xét: Khi giá trị mô đun đàn hồi vật liệu giàn thay đổi giảm từ 2,11011N/m2 đến 1,71011N/m2 chuyển vị lớn đỉnh giàn mơ men uốn chân cọc chính, phụ tăng cách phi tuyến, tốc độ tăng lớn mô đun đàn hồi biến thiên từ 1,71011N/m2 đến 1,91011N/m2 (4,17 lần - chuyển vị ngang, 1,94 lần - chuyển vị đứng; 38,14% - mơmen chân cọc chính, 48,57% - mơmen chân cọc phụ) Trong giá trị tới hạn chiều cao sóng, vận tốc lớn tới hạn gió giảm đáng kể mơđun đàn hồi vật liệu giàn giảm (28,1% - chiều cao sóng tới hạn, 19,8% - vận tốc lớn tới hạn gió) Do vậy, để phù hợp với điều kiện thực tế kỹ thuật, kinh tế, tác giả đề nghị sử dụng vật liệu có mơ đun đàn hồi khoảng 1,91011N/m2 đến 2,11011N/m2 cho cơng trình nhà giàn có mơ tốn luận án -17- 3.3.5 Ảnh hưởng Khảo sát ảnh hưởng mơ đun đàn hồi lớp có độ cứng lớn (nền số 3) thuộc miền Bảng 3.8 Quan hệ giá trị lớn nghiên cứu, giá trị chuyển vị đỉnh giàn, chiều cao sóng tới hạn mơ đun đàn hồi thay đổi vận tốc gió lớn tới hạn với mô đun đàn hồi vật liệu san hô phù hợp với số liệu thực th lớp san hô công U max Wmax max th U [m] H [m] Ef[N/cm ] x w [m] bố Kết phụ thuộc [m/s] chuyển vị ngang, đứng 2,83104 0,2352 0,0482 11,51 21,3 lớn đỉnh giàn 1,24105 0,1084 0,0416 12,05 22,7 chiều cao sóng tới hạn, vận 2,19105 0,0671 0,0378 12,97 25,3 tốc gió lớn tới hạn vào mô đun đàn hồi thể 2,71105 0,0524 0,0362 14,81 29,9 bảng 3.8 đồ thị 2,03106 0,0493 0,0351 18,14 33,3 hình 3.26 đến 3.29 Hình 3.26 Quan hệ mơ đun đàn hồi vật liệu chuyển vị ngang lớn Hình 3.27 Quan hệ mô đun đàn hồi vật liệu chuyển vị đứng lớn Hình 3.28 Quan hệ mơđun đàn hồi vật liệu chiều cao sóng tới hạn Hình 3.29 Quan hệ mơđun đàn hồi vật liệu vận tốc gió lớn tới hạn -18- Nhận xét: Khi mô đun đàn hồi lớp san hơ giảm chuyển vị ngang đứng đỉnh giàn tăng, đại lượng tới hạn chiều cao sóng, vận tốc gió lớn tác dụng vào cơng trình giảm cách phi tuyến Trong nghiên cứu cho thấy chuyển vị đứng đỉnh giàn chịu ảnh hưởng không nhiều mô đun đàn hồi vật liệu lớp này, theo tác giả điều phù hợp chuyển vị đứng bao gồm chuyển vị biến dạng giàn chuyển vị dịch chuyển đứng tương đối cọc nền, yếu tố thứ hai phụ thuộc lớn vào hệ số ma sát vật liệu san hơ vật liệu cọc, chịu ảnh hưởng mô đun đàn hồi lớp san hô 3.4 Kết luận chương - So sánh toán luận án giải (phi tuyến hình học) với tốn tuyến tính cho thấy việc tính tốn kết cấu cơng trình biển hệ cố định san hơ ngồi quan niệm tính liên kết chiều san hơ việc xét đến phi tuyến hình học kết cấu khó cần thiết - Có số liệu đáp ứng động lực học phi tuyến ổn định kết cấu hệ không gian làm việc đồng thời với san hô chịu tác dụng tải trọng sóng biển gió, đặc biệt có giá trị tới hạn xem xét toán ổn định động Đồng thờ kết tính tốn số phù hợp quy luật học tốn học, điều có tác dụng tiếp tục khẳng định phù hợp thuật toán độ tin cậy chương trình tính lập - Với việc thay đổi thông số tải trọng, kết cấu, san hô cho thấy mức độ ảnh hưởng yếu tố đến dao động giá trị tới hạn hệ, gió, sóng san hô yếu tố ảnh hưởng lớn Các nhận xét, khuyến cáo kỹ thuật có tác dụng làm sở cho việc lựa chọn thông số hợp lý thiết kế cho cơng trình biển lựa chọn khu vực thi cơng loại cơng trình giải pháp gia cường, tăng sức kháng lực cho cơng trình cũ sử dụng - Từ kết tính toán cho thấy việc quan tâm đến dao động cơng trình biển hệ cần thiết, song vấn đề ổn định loại cơng trình trước tác động sóng biển gió quan trọng, cần quan tâm trình thiết kế, thi công khai thác, sử dụng Nền yếu tố có ảnh hưởng lớn đến đáp ứng động lực học, ổn định cơng trình, lần khẳng định sử dụng mơ hình tương tác đầy đủ kết cấu - để tính tốn cho cơng trình biển hệ chịu tác dụng tải trọng sóng, gió, dịng chảy, phù hợp -19- Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHẢN ỨNG ĐỘNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH MƠ PHỎNG CƠNG TRÌNH BIỂN 4.1 Mục đích thí nghiệm - Bổ sung kết thực nghiệm phản ứng động ổn định kết cấu giàn thép mơ dạng cơng trình biển DKI bể tạo sóng hệ thống kết thí nghiệm học - Bộ số liệu có từ thực nghiệm góp phần kiểm chứng độ tin cậy thuật tốn chương trình tính B3DFC_2019 thiết lập chương - Nâng cao lực tổ chức thực thí nghiệm thu thập, xử lý đánh giá kết thí nghiệm lĩnh vực học 4.2 Mơ hình thiết bị thí nghiệm 4.2.1 Mơ hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm hệ kết cấu thép ống mô nhà giàn DKI gồm cọc Ф16 dày 1,2 mm, giằng Ф8 dày 1,2 mm liên kết với phương pháp hàn, cọc nghiêng với phương đứng  = 80, cọc bố trí cọc váy Ф16 giằng tương ứng, phần mô sàn tường nhà ở, sinh hoạt làm thép hộp tơn có khối lượng 11 kg, tổng khối lượng hệ 61 kg (Hình 4.1, 4.2) Hình 4.1 Mơ hình thí nghiệm Hình 4.2 Mơ hình thí nghiệm bể tạo sóng -20- 4.2.2 Thiết bị thí nghiệm Máy đo động nhãn hiệu LMS hoạt động theo nguyên lý động lực học, cung cấp hãng LMS Bỉ (Hình 4.4) Hình 4.4 Thiết bị đo đo động LMS hình hiển thị kết 4.3 Phương pháp đo ghi tín hiệu gia tốc, biến dạng kết cấu Máy ghi động nhận tín hiệu đáp ứng gia tốc, biến dạng theo thời gian từ đầu đo lưu liệu vào nhớ, kết quan sát trực tiếp từ hiển thị hình thiết bị Mỗi lần đo tương ứng với đầu đo ta có số liệu đáp ứng gia tốc, biến dạng theo thời gian vị trí đo thuộc kết cấu Để so sánh với kết thực nghiệm, tác giả sử dụng chương trình B3DFC_2019 lập chương 2, tính tốn với thơng số mơ hình thí nghiệm (về đặc trưng hình học, học tải trọng tác dụng) Giả thiết liên kết kết cấu liên kết cứng tải trọng sóng thí nghiệm đảm bảo theo lý thuyết sóng Airy 4.4 Cơ sở phân tích xử lý số liệu thí nghiệm Từ số liệu thu qua lần đo thí nghiệm, tác giả tiến hành xử lý thống kê nhờ phần mềm chuyên dụng tích hợp máy tính để có đồ thị đáp ứng gia tốc, biến dạng theo thời gian, đáp ứng biên độ tần số theo có giá trị lớn đại lượng đo 4.5 Tổ chức thí nghiệm kết thí nghiệm 4.5.1 Tổ chức thí nghiệm bể tạo sóng 3D Mơ hình thiết kế mô nhà giàn DKI/7 hệ cải tiến, gia cơng chế tạo mơ hình thí nghiệm xưởng khí Sau gia cơng, mơ hình đưa tới lắp đặt bể tạo sóng Chân cọc cọc váy định vị chặt với sàn bể mặt bích bu lơng -21- 4.5.2 Kết thí nghiệm 4.5.2.1 Trường hợp khơng có gia tải lên đỉnh giàn Hình 4.12 Đáp ứng gia tốc điểm đo Hình 4.13 Đáp ứng biên độ - tần số Bảng 4.2 Các tần số dao động riêng hệ Tần số riêng f[Hz] f1 f2 f3 f4 f5 Thực nghiệm 1,06 7,21 12,11 17,52 23,97 Lý thuyết (KTT) 1,15 7,94 13,32 19,64 26,79 Sai số [%] 10,93 9,86 10,79 12,08 12,36 4.5.2.2 Trường hợp có gia tải lên đỉnh giàn: Tiến hành thí nghiệm với thơng số sóng khơng đổi, gia tải thẳng đứng lên đỉnh giàn cách sử dụng khối gia tải, tải trọng gia tải đạt giá trị P=251kg đáp ứng chuyển vị - thời gian có tượng tăng lên nhanh mơ hình thí nghiệm rung lắc mạnh Hình 4.14 Gia tải q trình thí nghiệm bể tạo sóng Hình 4.15 Đáp ứng chuyển vị ngang đỉnh giàn -22- Nhận xét: - Trong điều kiện thí nghiệm, không gia tải lên đỉnh giàn (không chất khối gia tải) kết cấu khơng bị ổn định, dao động ổn định phạm vị cho phép, hệ ổn định; - Khi tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đỉnh giàn tăng dần, đến giá trị P=251kg, dao động ngang đỉnh giàn có tượng bất thường, mơ hình thí nghiệm rung lắc mạnh, chuẩn bị đổ Xét theo tiêu chuẩn ổn định tương tự Budiansky - Roth khẳng định giàn bị ổn định tải trọng đứng tới hạn Pth = 251 kg Việc thí nghiệm xác định khả ổn định, ổn định giàn chịu tác dụng đồng thời tải trọng khai thác tải trọng sóng mơ bể tạo sóng có khả thực - Kết thí nghiệm bể tạo sóng so sánh với tính tốn lý thuyết theo mơ hình khơng tương tác cho thấy sai số lớn gia tốc 14,6% sai số lớn tần số riêng (trong tần số riêng đầu tiên) 12,36% chấp nhận được, lần cho thấy tính phù hợp độ tin cậy chương trình tính B3DFC_2019 lập chương 4.6 Kết luận chương Mặc dù điều kiện tổ chức thí nghiệm khó khăn, số lượng thí nghiệm chưa nhiều, song nhận xét cách chủ quan kết đạt chương đáp ứng mục tiêu đề thể số điểm sau: - Kết thí nghiệm có sở tin cậy, góp phần đánh giá mức độ tin cậy chương trình tính lập chương luận án góp phần cơng bố khác làm phong phú thêm kết lĩnh vực nghiên cứu đáp ứng động lực học ổn định kết cấu giàn chịu tác dụng tải trọng sóng phịng thí nghiệm - Đã xác định khả ổn định động mơ hình tăng tải trọng tĩnh tác dụng thẳng đứng lên đỉnh mơ hình, điều kiện thí nghiệm khác khơng đổi Trong trường hợp xem tải trọng tĩnh tới hạn tác dụng theo phương thẳng đứng lên đỉnh giàn Pth = 251 kg Mặc dù thí nghiệm thay đổi yếu tố tải trọng tĩnh tác dụng lên đỉnh giàn để xem xét khả ổn định hệ sở để tiến hành nghiên cứu với thông số khác thay đổi -23- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1/ Những đóng góp luận án: - Xây dựng quan hệ ứng xử phi tuyến hình học mối quan hệ phi tuyến biến dạng - chuyển vị kết cấu gây ra, điều kiện áp dụng tính chất liên kết chiều san hô gây tách trượt bề mặt có phương trình phi tuyến động lực học hệ kết cấu cơng trình biển hệ san hô làm việc đồng thời chịu tác dụng tải trọng sóng gió Thuật tốn PTHH chương trình tính B3DFC_2019 cho phép giải toán đặt ra, xác định đáp ứng phi tuyến động lực học ổn định động hệ Trong mơ hình tốn khơng gian, kết cấu san hơ làm việc đồng thời, tải trọng sóng tính theo lý thuyết sóng Stoke bậc tải trọng gió theo phương pháp đáp ứng vận tốc gió theo thời gian sử dụng Chương trình tính kiểm tra bảo đảm độ tin cậy - Phân tích số với nhiều trường hợp mơ hình tính mơ làm việc cơng trình DKI/7, cho thấy ảnh hưởng yếu tố tải trọng, vật liệu, kích thước hình học san hô đến phản ứng phi tuyến động lực học ổn định hệ thể qua chuyển vị, mô men mặt cắt ngang giá trị tới hạn Các nhận xét định tính khuyến cáo kỹ thuật đưa luận án có ý nghĩa khoa học thực tiễn sở tham khảo cho tính tốn thiết kế gia cố cơng trình biển hệ - Kết thí nghiệm bể tạo sóng ba chiều (3D) phịng thí nghiệm với kết nghiên cứu lý thuyết chương trình tính B3DFC_2019 đồng dạng quy luật, sai số phạm vi chấp nhận được, cho thấy thuật tốn, chương trình tính B3DFC_2019 lập chương kết nghiên cứu lý thuyết tin cậy - Các số liệu thí nghiệm bể tạo sóng cịn có giá trị làm phong phú thêm kết tài liệu nghiên cứu đáp ứng động lực học ổn định hệ theo mơ hình khơng tương tác với nền, chịu tác dụng tĩnh tải tải trọng sóng -24- - Chương trình tính kết nghiên cứu (cả lý thuyết thực nghiệm) luận án tài liệu định hướng tham khảo cho tính tốn, lựa chọn thơng số hợp lý phục vụ công tác thiết kế, thi công gia cố cơng trình biển hệ nhà giàn DKI, giàn khoan dầu khí phục vụ quốc phịng - an ninh phát triển kinh tế biển Việt Nam Một số kiến nghị - Như nhiều kết luận trình bày cơng bố địa chất cơng trình san hơ, vật liệu san hơ phức tạp, tính phân tán cao, luận án tham khảo số liệu (01) loại nền, điều kiện tính cụ thể để làm thơng số tính tốn nên có giá trị tham khảo phương pháp cơng cụ tính Do đó, ứng với vị trí địa lý, yêu cầu cụ thể xác định xây dựng cơng trình, cần phải có khảo sát kỹ thuật nhằm xác định tiêu kỹ thuật, điều kiện làm việc, để xây dựng mơ hình tính phù hợp - Phân tích phi tuyến động lực học ổn định kết cấu hệ với mơ hình kết cấu làm việc đồng thời, chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng, gió tĩnh tải vấn đề khó, song kết ý nghĩa, có giá trị ứng dụng cao, đặc biệt bối cảnh biến đổi khí hậu tranh chấp Biển Đơng có nhiều tiềm ẩn - Từ thơng số tính tốn mơ cơng trình nhà giàn DKI/7 kết có được, theo quan điểm điều kiện bền điều kiện ổn định, tác giả nhận thấy: Vật liệu cơng trình có mơ đun đàn hồi khoảng 1,91011N/m2 đến 2,11011 N/m2 hợp lý - Nội dung nghiên cứu luận án phát triển theo hướng sau: + Nghiên cứu giảm dao động, tăng khả ổn định cho cơng trình biển hệ cơng nghệ giảm dao động có tính khả thi phù hợp điều kiện Việt Nam, sử dụng thiết bị TMD, thiết bị hấp thụ tiêu tán tải trọng sóng, + Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình, ngồi thực địa xác định ổn định mơ hình, kết cấu cơng trình biển hệ với điều kiện mơ hình, nền, tải trọng khác nhau./ DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ Nguyễn Thái Chung, Lê Hồng Anh, Nguyễn Thanh Hưng (2015), Nghiên cứu giảm dao động cơng trình DKI chịu tác dụng tải trọng sóng sử dụng mơ hình tương tác đầy đủ hệ không gian - san hô thiết bị tiêu tán lượng TMD, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc năm 2015, Tập 2, tr.19-28 Lê Hoàng Anh, Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Thanh Hưng (2015), Nghiên cứu phản ứng động cơng trình DKI chịu tác dụng tải trọng sóng gió sử dụng mơ hình hệ khơng gian san hô làm việc đồng thời, Tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII năm 2015, Tập 1, tr.185-192 Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thanh Hưng (2017), Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả ổn định hệ không gian chịu tác dụng tải trọng sóng, Tuyển tập Hội nghị học toàn quốc lần thứ X, Tập 3, tr.757-762 Nguyễn Thanh Hưng (2020), Nghiên cứu đáp ứng động hệ khung - composite làm việc đồng thời với đàn hồi, Tạp chí xây dựng Việt Nam tháng 01.2020, tr20-24 Nguyen Thanh Hưng, Nguyen Thai Chung, Hoang Xuan Luong (2020), Research on the stability of the 3D Frame on the Coral Foundation Subjected to Impact Load, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ biển, số 2.2020:231-243 ... THUẬT TOÁN PTHH PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ 2.1 Đặt vấn đề Ổn định kết cấu vấn đề khó... lập trình Matlab Chương trình có khả phân tích kết cấu cơng trình hệ thanh, chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng biển tải trọng gió, sử dụng mơ hình tốn khơng gian, hệ kết cấu san hô tương tác. .. kiện áp dụng tính chất liên kết chiều san hô gây tách trượt bề mặt có phương trình phi tuyến động lực học hệ kết cấu cơng trình biển hệ san hô làm việc đồng thời chịu tác dụng tải trọng sóng gió