Đang tải... (xem toàn văn)
Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học công trình biển cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió trình bày tính ấp thiết của đề tài luận án và bố cục luận án; trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu; phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió; phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng, gió và tương tác với nền san hô.
Bộ giáo dục đào tạo quốc phòng Học viƯn kü tht qu©n sù Nguyễn Văn Chình PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HƠ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG VÀ GIÓ Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số : 62.44.21.01 Tóm tắt luận án tiến sỹ kỹ thuật Hà Nội - 2013 công trình đà công bố Công trình đợc hoàn thành tại: Học viện kỹ thuật qu©n sù Nguyễn Văn Chình, Đỗ Anh Cường (2009), Ảnh hưởng TMD ổn định động số hệ chịu kích động tuần hồn, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học Kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học 30 năm Tạp chí Cơ học năm 2009, tr.201-208 Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS.TS Nguyễn Thái Chung GS.TS Hoàng Xuân Lợng Nguyễn Văn Chình (2009), Ổn định lắc kép có điểm treo di động, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học nhà nghiên cứu trẻ – Học viện Kỹ thuật Quân sự, tháng 04 năm 2009, tr.66-71 Nguyễn Văn Chình (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng san hô tần số riêng cơng trình biển dạng hệ thanh, Tạp chí Khoa học v K thut Phản biện 1: GS.TS Lê Xuân Huỳnh Phản biện 2: GS.TS Phạm Ngọc Khánh Hc vin Kỹ thuật Quân số 135, tháng năm 2010, tr.109-115 Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Văn Chình (2012), Nghiên cứu tương tác kết cấu hệ phẳng san hô tác dụng tải trọng động đất, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – Học viện Kỹ thuật Quân số 146, năm 2012, tr.23-33 Phản biện 3: PGS.TS Đinh Quang Cờng Nguyn Thỏi Chung, Nguyễn Văn Chình (2012), Nghiên cứu tương tác kết cấu dàn phẳng san hô tác dụng tải trọng sóng biển, Tạp Ln ¸n sÏ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp Học viện Kỹ thuật quân ………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… vµo håi ……… giê ……… ngµy …… tháng năm 2013 Khoa hc v K thut – Học viện Kỹ thuật Quân số 151, tháng 12 năm 2012, tr.23-33 Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Trang Minh, Nguyễn Văn Chình (2012), Tương tác cơng trình biển hệ san hơ chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng gió, tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học tồn quốc năm 2012, tr.115-123 Cã thĨ t×m hiểu luận án tại: - Th viện Học viện Kỹ tht qu©n sù - Th− viƯn Qc gia Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Văn Chình (2013), Ảnh hưởng số yếu tố đến phản ứng động cơng trình biển hệ tác dụng đồng thời tải trọng sóng gió, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Cơng trình biển, T4 (Q II-2013) 24 cơng trình biển cố định, sử dụng mơ hình kết cấu làm việc đồng thời phức tạp phản ánh sát với làm việc thực hệ, mơ hình cần dùng Nội dung phản ánh cơng trình [5], [6], [7] tác giả - Giải nhiều tốn hai mơ hình tính mơ kết cấu DKI/14 với thơng số tải trọng, vật liệu, kích thước hình học, điều kiện liên kết thay đổi cho thấy ảnh hưởng đại lượng đến phản ứng động hệ đưa khuyến cáo kỹ thuật có ý nghĩa thực tế Nội dung phản ánh cơng trình [4], [6], [7] tác giả Một số kiến nghị - Do tính phân tán vật liệu san hô san hô nên kết luận án có ý nghĩa thiết kế sở Vì ứng với vị trí cụ thể xây dựng cơng trình biển hệ thanh, để tăng mức độ xác kết tính nâng cao hiệu kinh tế, hiệu sử dụng cơng trình, cần phải có khảo sát xác định tính chất san hơ vị trí - Tính tốn kết cấu hệ san hơ làm việc đồng thời sở sử dụng phần tử tiếp xúc mơ tả tính chất liên kết khó, song cho thấy khác biệt phản ứng động hệ phản ánh sát thực làm việc hệ so với mơ hình tính truyền thống (mơ hình thay ngàm cứng) Do cần phát triển theo hướng - Với mơ hình hình học cơng trình DKI/14 tải trọng tính tốn khảo sát, xét theo điều kiện bền điều kiện cứng, mô đun đàn hồi cọc cọc phụ nên chọn khoảng 0,966×1011N/m2 đến 2,1×1011N/m2 hợp lý Đối với cọc chính: đường kính ngồi cọc nên chọn từ 1,03m đến 1,50m, chiều dày thành ống cọc nên chọn từ 1,8cm đến 2,6cm Đối với giằng: đường kính nên chọn từ 0,5m đến 0,7m chiều dày thành ống nên chọn từ 2,5cm đến 3,3cm Nếu tính theo mơ hình kết cấu khơng tương tác, chiều sâu ngàm tính tốn từ 5D đến 6D hợp lý; cịn tính tốn theo mơ hình kết cấu tương tác cho thấy chiều sâu đóng cọc từ 20m đến 30m hợp lý - Nội dung nghiên cứu luận án phát triển theo hướng sau: + Tính tương tác kết cấu cơng trình biển hệ chịu tác dụng đồng thời tải trọng sóng, gió theo mơ hình khơng gian với quan niệm cơng trình san hơ làm việc đồng thời + Giảm dao động cho kết cấu cơng trình biển hệ theo quan niệm kết cu v nn cựng lm vic Mở đầu Tính cấp thiết đề tài: Cơng trình biển cố định dạng móng cọc dùng rộng rãi ngồi khơi, hệ học phức tạp gồm kết cấu đàn hồi đặt môi trường chất lỏng chịu tác dụng sóng, gió, dịng chảy Điển hình Việt Nam nhà giàn DKI Quốc phịng, giàn khoan dầu khí Hiện nay, có cơng trình bị hư hỏng q trình khai thác, sử dụng, có cơng trình bị nghiêng, đổ Vì đề tài “Phân tích động lực học cơng trình biển cố định san hơ chịu tác dụng tải trọng sóng gió” có ý nghĩa khoa học thực tiễn Đối tượng, phạm vi mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơng trình biển cố định hệ san hơ (mơ cơng trình DKI) chịu tác dụng tải trọng sóng gió Phạm vi nghiên cứu: - Về kết cấu: Cơng trình biển cố định hệ phẳng (mơ cơng trình DKI) - Về nền: Nền san hô khu vực quần đảo Trường Sa - Về tải trọng: Tải trọng sóng biển tải trọng gió Mục tiêu nghiên cứu: Xác định phản ứng động hệ theo hai mơ hình tốn (mơ hình khơng tương tác mơ hình tương tác) Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, sử dụng phương pháp PTHH Lập trình tính tốn môi trường Matlab Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu tham khảo, với 138 trang thuyết minh, có 20 bảng, 84 hình vẽ, đồ thị, 73 tài liệu tham khảo 28 trang phụ lục Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết đề tài luận án bố cục luận án Chương 1: Trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng gió Chương 3: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng, gió tương tác với san hô Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng số thông số đến phản ứng động cơng trình biển cố định san hơ chịu tác dụng tải trọng sóng gió 2 23 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trình bày kết nghiên cứu nước nước san hơ, san hơ, cơng trình biển, tải trọng tác dụng lên cơng trình biển tính tốn cơng trình biển Từ cơng trình cơng bố, sở vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu phát triển, tác giả luận án tập trung nghiên cứu: “Phân tích động lực học cơng trình biển san hô chịu tác dụng tải trọng sóng gió” Theo đó, luận án tập trung giải nội dung chủ yếu sau: 1) Nghiên cứu tổng quan san hô tương tác cơng trình nền, làm sở giải tốn tương tác cơng trình san hơ 2) Nghiên cứu phương pháp giải tốn cơng trình biển cố định san hơ (mơ nhà giàn DKI) chịu tác dụng tải trọng sóng gió 3) Thiết lập thuật tốn chương trình tính phân tích hai lớp tốn với hai mơ hình tính: mơ hình kết cấu khơng tương tác mơ hình kết cấu làm việc đồng thời, chịu tác dụng tải trọng sóng gió 4) Khảo sát ảnh hưởng số thơng số tải trọng, hình học, vật liệu, liên kết đến phản ứng động hệ tác dụng tải trọng sóng gió CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 2.1 Đặt vấn đề Trong chương tác giả thiết lập thuật toán chương trình tính phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển hệ chịu tác dụng tải trọng sóng gió với mơ hình kết cấu khơng tương tác 2.2 Giới thiệu tốn giả thiết Khảo sát cơng trình biển cố định hệ chịu tác dụng tải trọng sóng gió Kết cấu có kích thước, liên kết chịu lực hình 2.1 Bài tốn thực sở giả thiết: Vật liệu kết cấu làm việc giới hạn đàn hồi tuyến tính; Biến dạng chuyển vị hệ bé; Kết cấu làm việc điều kiện biến dạng phẳng; Liên kết kết cấu xem ngàm cứng tuyệt đối; Khơng xét đến tính rối tương tác sóng, gió, bỏ qua ảnh hưởng dịng chảy lực đẩy nước, không xét tượng cộng hưởng 4.4 Kết luận chương Kết đạt chương này: - Đã nghiên cứu số hai lớp tốn mơ cơng trình biển hệ DKI/14 chịu tác dụng tải trọng sóng gió với hai mơ hình tính khác Xác định phản ứng động hệ đưa nhận xét có ý nghĩa thực tế cho việc tính tốn cơng trình biển san hơ tác dụng tải trọng sóng gió - Khảo sát số với hai lớp toán, thơng số kết cấu, thay đổi cho thấy ảnh hưởng chúng đến phản ứng động hệ Các nhận xét có tính định lượng hai mơ hình tính, làm sở cho việc định hướng tính tốn, thiết kế thi cơng cơng trình biển cố định hệ chịu tác dụng tải trọng sóng gió Từ kết khảo sát, nhận thấy tính tốn theo mơ hình khơng tương tác có lợi khuyến cáo theo điều kiện bền, cịn theo mơ hình tương tác có lợi khuyến cáo theo điều kiện cứng Theo tác giả sử dụng mơ hình tính có xét đến tương tác kết cấu để tính tốn, thiết kế cơng trình biển hệ chịu tác dụng tải trọng sóng gió phù hợp KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những đóng góp luận án - Xây dựng thuật tốn PTHH chương trình tính FRAME_W1_2012 phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển cố định hệ phẳng chịu tác dụng tải trọng sóng gió, với quan niệm thay ngàm cứng (mơ hình kết cấu khơng tương tác) Chương trình tính kiểm tra bảo đảm độ tin cậy Nội dung phản ánh cơng trình [1], [2], [3], [4] tác giả - Xây dựng thuật tốn PTHH chương trình tính FRAME_W2_2012 phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển cố định hệ phẳng chịu tác dụng tải trọng sóng gió, với quan niệm kết cấu san hơ làm việc đồng thời (mơ hình kết cấu tương tác) Chương trình tính kiểm tra bảo đảm độ tin cậy Nội dung phản ánh cơng trình [4], [5], [6], [7] tác giả - So sánh phản ứng động hệ với hai mơ hình tính khác nhau, cho thấy san hơ có ảnh hưởng lớn đến đáp ứng động hệ Từ rằng, tính tốn theo mơ hình kết cấu khơng tương tác giải pháp tốt cảnh báo theo điều kiện bền, cịn theo mơ hình kết cấu có tương tác giải pháp tốt cảnh báo theo điều kiện cứng Khi tính tốn 22 Nhận xét: Với toán khảo sát, chuyển vị ngang lớn U max đỉnh x max giàn giảm 19,79%, mô men uốn lớn M z chân cọc tăng 1,85 lần mơ men uốn lớn M max chân cọc phụ tăng 17,88% z 4.3.7.2 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi lớp thứ hai Khảo sát tốn với mơ đun đàn hồi Ef2 lớp thứ hai (lớp số – hình 3.1) thay đổi từ 1,0×108N/m2 đến 16,0×108N/m2 Kết hình 4.60 4.61 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Ef2 x max 0.17 0.165 x 10 HUONG CUA E f2 H4 h5 β Coc chinh DEN MO MEN UON CHAN COC CHINH Coc phu 0.16 B1 B2 Momen (Mz)max [Nm] Chuyen vi (Ux)max [m] 0.155 0.15 0.145 0.14 0.135 0.13 0.125 0.12 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 1.0 2.0 20.0 4.0 6.0 Mo dun dan hoi Ef2x109 [N/m2] 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 Mo dun dan hoi Ef2x109 [N/m 2] Hình 4.60 Quan hệ U mx ax − E f Hình 4.61 Quan hệ M ch − Ef2 z Nhận xét: Với toán khảo sát, chuyển vị ngang lớn U max đỉnh x max giàn giảm 6,49%, mô men uốn lớn M z chân cọc tăng 1,92 chân cọc phụ tăng 3,42% lần mô men uốn lớn M max z 4.3.8 Ảnh hưởng chiều sâu cọc Giải tốn với chiều sâu H1 cọc biến thiên từ 10m đến 50m, bước thay đổi ΔH1 = 5m Kết hình 4.63 4.64 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo H1 ANH HUONG CUA H1 DEN CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN 0.6 ANH HUONG CUA H1 DEN (Mz )max CHAN COC CHINH Momen (Mz )max [Nm] 0.3 0.2 4.4 3.8 25 30 35 40 45 Chieu sau coc chinh H1 [m] 50 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Chieu sau coc chinh H1 [m] m ax vj θj ui i j uj x Hình 2.2 Phần tử nút với hệ trục tọa độ cục 2.3.1 Các hệ thức biểu diễn mối tương quan PTHH Chuyển vị điểm thuộc phần tử: {u} = [ N ]e {u}e , N NN 3×6 Hình 4.63 Quan hệ U x − H Hình 4.64 Quan hệ M ch − H1 z Nhận xét: Với điều kiện tốn, chiều sâu đóng cọc H1 tốt từ 20m đến 30m (2.1) 6×1 Ma trận độ cứng phần tử: [ K ]e = ∫ [ B]e [ D ][ B]e dVe N V NNN (2.3) Ma trận khối lượng phần tử: [ M ]e = ∫ ρ [ N ]e [ N ]e dVe N V NN (2.4) e Véctơ tải trọng nút phần tử: {F}e = 3.2 20 vi 6×1 6×6 3.6 3.4 15 θi 6×6 4.2 0.1 10 y 3×1 4.6 0.4 Hình 2.1 Mơ hình tốn (khơng tương tác) 2.3 Cơ sở PP PTHH phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng sóng gió, quan niệm kết cấu khơng tương tác Kết cấu rời rạc hóa PTHH phẳng (Hình 2.2) T 4.8 0.5 Chuyen vi (Ux )max [m] x 10 H3 h4 Song bien H2 f2 ANH DEN CHUYEN VI (U ) Gio JJJJJJJG U win ( t ) h1 h h ANH HUONG CUA E Tai san cong tac B0 P e 1×1 1×6 T 6×3 T 3×6 ∫ [ N ]e q ( x ) dV Ve 2.3.2 Xây dựng véc tơ tải trọng phần tử sóng gió gây 2.3.2.1 Véc tơ tải trọng sóng tác dụng lên phần tử Xét phần tử hình trụ mặt phẳng oxy (Hình 2.3) (2.7) 21 ANH HUONG CUA Hng DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN ANH HUONG CUA Hng DEN CHUYEN VI (Ux)max (NUT 64) 0.2 1.8 0.18 1.6 2 [m / s[m/s Gia toc (Ax) U ] ] x max Chuyen vi (Ux )max [m] 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 w D n n n n ({ } n n 0.6 0.4 0.2 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 1.0 6.0 1.5 2.0 2.5 ) x 10 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 m ax − H Hình 4.54 Quan hệ U x ng ANH HUONG CUA Hng DEN (Mz )max CHAN COC CHINH 4.5 3.0 Chieu sau ngam Hng [m] Hình 4.52 Quan hệ U mx ax − H ng ANH HUONG CUA Hng DEN (Mz )max CHAN COC PHU 5.5 x 10 4.5 3.5 {P ( t )}e = ∫ [ N ]e [T ]{pn ( x, y, t )} ds T (2.27) 2.3.2.2 Véc tơ tải trọng gió tác dụng lên phần tử Momen (Mz)max [Nm] L 1.5 Chieu sau ngam Hng [m] Véc tơ tải trọng nút phần tử sóng gây ra: w 0.8 0.04 Momen (Mz)max [Nm] n 1.2 0.06 0.02 Hình 2.3 Mơ hình phần tử chịu tác dụng tải trọng sóng biển Tải trọng sóng phân bố lên phần tử xác định theo: {p } = 0,5ρ C D {V } −{u } ({V } −{u }) + 0,25πC D2 V −{u } , (2.9) 1.4 2.5 1.5 3.5 2.5 1.5 1 e e e e e e {} {} 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 1.0 6.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Chieu sau ngam Hng [m] Hình 4.55 Quan hệ M ch − H z ng Hình 4.56 Quan hệ M p h − H z ng Nhận xét: Với toán cụ thể xét, chiều sâu ngàm tính tốn nên chọn từ 5D đến 6D hợp lý 4.3.7 Ảnh hưởng san hô 4.3.7.1 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi lớp Khảo sát tốn với mơ đun đàn hồi Ef1 lớp (lớp số - hình 3.1) thay đổi từ 1,0×108N/m2 đến 16,0×108N/m2 Kết hình 4.57 4.58 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Ef1 ANH HUONG CUA E f1 DEN CHUYEN VI (U ) x max 0.2 0.19 e 2.3.4 Phương trình chuyển động phần tử hệ toạ độ tổng thể + ⎡C ⎤ U + ⎡ K ⎤ U = P w + P win , ⎡⎣ M ⎤⎦ U (2.34) ⎣ ⎦ e { }e { }e { }e ⎣ ⎦ e e e e 2.3.5 Ghép nối ma trận phần tử vào ma trận chung toàn hệ Sau chuyển từ hệ toạ độ cục phần tử hệ toạ độ tổng thể, việc ghép nối ma trận, véc tơ tải phần tử tạo thành ma trận, véc tơ tải tổng thể thực theo thủ tục chung phương pháp PTHH 1.5 Chieu sau ngam Hng [m] x 10 ANH HUONG CUA Ef1 DEN MO MEN UON CHAN COC CHINH 0.18 Chuyen vi (Ux)max [m] e 1.0 0.5 0.17 Momen (Mz)max [Nm] Áp lực gió tác dụng lên đơn vị diện tích chắn gió: (2.28) p win ( t ) = Cpρair ⎡⎣ U win ( t ) ⎤⎦ cosψ Lực gió phân bố theo chiều dài thanh: q win ( t ) = BCpρair ⎡⎣ U win ( t ) ⎤⎦ cosφ (2.29) Véc tơ tải trọng nút phần tử áp lực gió gây ra: ⎧⎪ L ⎫ win T (2.32) {P}e = ⎨ ∫ [ N ] {p win ( t )} ds ⎪⎬ ⎩⎪ ⎭⎪ 2.3.3 Phương trình chuyển động phần tử hệ toạ độ cục (2.33) [ M ] {U } + [C] {U } + [ K ] {U} = {P}w + {P}win , 0.5 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 1.0 2.0 3.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 Mo dun dan hoi Ef1x108 [N/m2] Hình 4.57 Quan hệ U mx ax − E f 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 Mo dun dan hoi Ef1x108 [N/m2] Hình 4.58 Quan hệ M ch − E f1 z 20 Nhận xét: Với tốn cụ thể xét, đường kính ngồi Dth giằng nên chọn từ 0,5m đến 0,7m 4.3.5.2 Ảnh hưởng chiều dày thành ống giằng Khảo sát toán với chiều dày ống giằng tth thay đổi từ 2,5cm đến 3,5cm Kết hình 4.47, 4.49, 4.50 4.51 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo tth 2.3.6 Phương trình chuyển động tồn hệ Sau ghép nối, phương trình vi phân chuyển động tồn hệ: + ⎡C ⎤ U + ⎡K ⎤ U = R , ⎡⎣ M ⎤⎦ U (2.40) ⎣ ⎦{ } { } ⎣ ⎦ ANH HUONG CUA tth DEN CHUYEN VI (Ux)max (NUT 64) 0.2 ANH HUONG CUA tth DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN Khong tuong tac Co tuong tac 0.18 1.5 1.4 2 [m / s[m/s Gia toc (Ax) U ] ] x max Chuyen vi (Ux)max [m] 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 [ K ];[ M ];[C]; Δt; δ;a ;a1; ;a ;i = 1 0.8 2.8 TINH SO BO 1.1 0.9 2.7 BAT DAU 1.2 0.02 2.6 {U0 };{U 0};{U 0}; ⎡⎣ K* ⎤⎦ ;n = 0.7 2.5 3.5 2.6 2.7 Hình 4.47 Quan hệ U mx ax − t th x 10 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 x 10 Khong tuong tac Co tuong tac i = i +1 t = t + Δt { ANH HUONG CUA tth DEN (Mz )max CHAN COC PHU Tinh : ⎡⎣ K*t +Δt ⎤⎦ ; R *t +Δt Khong tuong tac Co tuong tac 11 Tinh : {U t +Δt } = ⎡⎣ K *t +Δt ⎤⎦ 10 Momen (Mz )max [Nm] Momen (Mz )max [Nm] 6.5 5.5 4.5 t cal Δt 3.5 m ax − t Hình 4.49 Quan hệ U x th ANH HUONG CUA tth DEN (Mz )max CHAN COC CHINH 7.5 2.8 Chieu day ong giang tth [cm] Chieu day ong giang tth [cm] 2.4 Thuật tốn giải phương trình chuyển động hệ Sau đưa vào điều kiện biên, hệ phương (2.40) có dạng sau: (2.47) [ M ]{U } + [C]{U } + [ K ]{U} = {R} = {R w } + {Pwin } , 1.3 0.04 2.5 {} Để giải hệ phương trình (2.47) tác giả dùng phương pháp tích phân trực tiếp Newmark với sơ đồ thuật tốn hình 2.4 Khong tuong tac Co tuong tac 1.6 {} −1 } {R } * t +Δt Tinh : {U t +Δt } ; {U t +Δt } Tinh : {σ t +Δt } ; {ε t +Δt } ; {M t +Δt } ; {Pt +Δt } 3.5 Sai 2.5 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Chieu day ong giang tth [cm] Hình 4.50 Quan hệ M ch − t th z 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Chieu day ong giang tth [cm] Hình 4.51 Quan hệ M pz h − t th Nhận xét: Với kết tính tốn cụ thể xét cho thấy chiều dày tth thành ống giằng nên chọn từ 2,5cm đến 3,3cm 4.3.6 Ảnh hưởng chiều sâu ngàm Khảo sát tốn theo mơ hình KTT, với chiều sâu ngàm Hng từ 1D đến 6D (D đường kính cọc chính) Kết hình 4.52, 4.54, 4.55 4.56 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Hng i=n ' Dung IN KET QUA KET THUC Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn phương pháp Newmark 2.5 Chương trình tính kiểm tra độ tin cậy chương trình 2.5.1 Chương trình tính Trên sở thuật toán mục 2.4, tác giả lập chương trình tính có tên FRAME_W1_2012 viết ngơn ngữ lập trình Matlab có khả phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển hệ phẳng chịu tác dụng tải trọng sóng gió 6 10 x 10 ANH HUONG CUA tch DEN Mz CHAN COC CHINH ANH HUONG CUA tch DEN Mz CHAN COC PHU x 10 16 Khong tuong tac Co tuong tac Khong tuong tac Co tuong tac 14 12 Momen (Mz )max [Nm] Momen (Mz )max [Nm] 10 2 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 2.6 2.8 1.1 1.2 1.4 1.6 Chieu day coc chinh tch [cm] 1.8 2.2 2.4 2.6 2.8 Chieu day coc chinh tch [cm] Hình 4.40 Quan hệ M ch − t ch z Hình 4.41 Quan hệ M pz h − t ch Nhận xét: Với kết tính tốn cụ thể xét cho thấy chiều dày tch thành cọc nên chọn từ 1,8cm đến 2,6cm 4.3.5 Ảnh hưởng kích thước giằng 4.3.5.1 Ảnh hưởng đường kính ngồi giằng Khảo sát tốn với đường kính ngồi giằng Dth thay đổi từ 0,4m đến 0,9m Kết hình 4.42, 4.44, 4.45 4.46 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Dth ANH HUONG CUA Dth DEN CHUYEN VI (Ux)max (NUT 64) ANH HUONG CUA Dth DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN 0.4 Khong tuong tac Co tuong tac Khong tuong tac Co tuong tac 0.35 2.5 U m / s2]] Gia toc (Ax) x max [[m/s max ( ) Chuyen vi (Ux)max [m] 0.3 0.25 0.2 0.15 1.5 0.1 0.5 0.05 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.4 0.9 0.45 0.5 Hình 4.42 Quan hệ U mx ax − D th x 10 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 m ax − D Hình 4.44 Quan hệ U x th ANH HUONG CUA Dth DEN Mz CHAN COC CHINH ANH HUONG CUA Dth DEN Mz CHAN COC PHU x 10 Khong tuong tac Co tuong tac 0.55 Duong kinh giang Dth [m] Duong kinh giang Dth [m] Khong tuong tac Co tuong tac 16 14 Momen (Mz )max [Nm] Momen (Mz)max [Nm] 2.5.2 Kiểm tra độ tin cậy chương trình - Bài tốn 1: So sánh kết tính tần số riêng với cơng trình DKI/14M: Bảng 2.2 So sánh tần số riêng, kiểm tra độ tin cậy chương trình Phương pháp Sai số Đại lượng DKI/14M [31], [32] FRAME_W1_2012 (%) 1,062 0,994 6,84 Tần số riêng f1 [Hz] - Bài toán 2: So sánh kết tính chuyển vị với cơng trình tác giả Po-Yen Chang Pei-Yin Chung (2010): Bảng 2.3 So sánh chuyển vị, kiểm tra độ tin cậy chương trình tính Phương pháp Sai số Đại lượng Po-Yen Chang [57] FRAME_W1_2012 (%) 9,017 8,685 3,68 Chuyển vị [cm] Nhận xét: Từ kết tính toán so sánh với sai số cho thấy thuật tốn chương trình tính FRAME_W1_2012 lập đủ tin cậy 2.6 Kết luận - Xây dựng thuật tốn PTHH giải tốn phân tích động lực kết cấu cơng trình dạng hệ chịu tác dụng tải trọng sóng biển gió theo mơ hình toán phẳng, với quan niệm kết cấu khơng tương tác (liên kết cơng trình cứng tuyệt đối) - Xây dựng chương trình tính FRAME_W1_2012 có khả giải bài tốn dao động riêng toán dao động cưỡng kết cấu hệ chịu tác dụng sóng gió theo mơ hình khơng tương tác Chương trình có đủ độ tin cậy CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG, GIĨ VÀ TƯƠNG TÁC VỚI NỀN SAN HƠ 3.1 Đặt vấn đề Trong chương này, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích tương tác động lực học kết cấu cơng trình biển cố định hệ san hô chịu tác dụng tải trọng sóng gió theo mơ hình tốn phẳng, sử dụng PTTX để mơ tả làm việc chiều san hô 3.2 Giới thiệu tốn giả thiết Khảo sát cơng trình biển hệ phẳng san hô, chịu tác dụng sóng gió hình 3.1 19 10 2 0.4 12 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 Duong kinh giang Dth [m] Hình 4.45 Quan hệ M ch − D th z 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 Duong kinh giang Dth [m] Hình 4.46 Quan hệ M pz h − D th 0.9 18 ANH HUONG CUA Dch DEN CHUYEN VI (Ux)max (NUT 64) B0 P ANH HUONG CUA Dch DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN Khong tuong tac Co tuong tac 0.25 Tai san cong tac H4 Khong tuong tac Co tuong tac 2.5 0.1 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 0.72 1.5 0.8 0.9 Hình 4.32 Quan hệ U max − D ch x 18 x 10 1.1 1.2 1.3 1.4 Coc phu 1.5 m ax − D Hình 4.34 Quan hệ U x ch ANH HUONG CUA Dch DEN Mz CHAN COC CHINH ANH HUONG CUA Dch DEN Mz CHAN COC PHU x 10 Khong tuong tac Co tuong tac 16 Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] H1 0.8 β Coc chinh 13 Khong tuong tac Co tuong tac H tt 0.72 h5 Song bien 0.5 0.05 h4 1.5 H3 JJJJJJJG U win ( t ) H2 0.15 h1 h h 2 [m / s[m/s Gia toc (Ax) U ] ] x max Chuyen vi (Ux)max [m] Gio 0.2 12 14 Momen (Mz )max [Nm] Momen (Mz )max [Nm] 11 12 10 10 Btt 0.72 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 0.72 1.5 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] Hình 4.35 Quan hệ M ch − D ch z Hình 4.36 Quan hệ M pz h − D ch Nhận xét: Với tốn khảo sát, từ kết tính cho thấy đường kính ngồi Dch cọc nên chọn khoảng từ 1,03m đến 1,50m 4.3.4.2 Ảnh hưởng chiều dày thành ống cọc Khảo sát tốn với chiều dày thành cọc tch thay đổi từ 1,1cm đến 3,0cm Kết hình 4.37, 4.39, 4.40 4.41 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo tch ANH HUONG CUA tch DEN CHUYEN VI (Ux)max (NUT 64) Hình 3.1 Mơ hình tốn cơng trình biển chịu tác dụng tải trọng sóng, gió Ngồi giả thiết nêu chương 2, toán giải sở giả thiết sau: Mỗi lớp vật liệu đồng chất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính Liên kết lớp xem bám dính tuyệt đối Hệ kết cấu làm việc điều kiện biến dạng phẳng Liên kết cọc chính, cọc phụ liên kết chiều, thay liên kết nút phần tử dầm phần tử biến dạng phẳng thông qua PTTX 3.3 Cơ sở phương pháp PTHH phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng, gió tương tác với san hơ 3.3.1 Các hệ thức phần tử thuộc 3.3.1.1 Phần tử tứ giác phẳng có bốn điểm nút ANH HUONG CUA tch DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN 2.5 Khong tuong tac Co tuong tac 0.2 Khong tuong tac Co tuong tac 0.18 2 [m / s[m/s Gia toc (Ax) U ] ] x max Chuyen vi (Ux)max [m] 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 1.5 0.5 0.04 0.02 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 2.6 2.8 Chieu day coc chinh tch [cm] Hình 4.37 Quan hệ U mx ax − t ch 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 2.6 2.8 Chieu day coc chinh tch [cm] m ax − t Hình 4.39 Quan hệ U x ch Hình 3.2 Sơ đồ phần tử tứ giác phẳng bốn điểm nút Véc tơ chuyển vị nút phần tử hệ tọa độ tổng thể: {U}e = ⎡⎣ U1x U1y U 2x U 2y U 4x U 4y ⎤⎦ T (3.7) 17 Chuyển vị điểm có tọa độ (x,y) hệ tọa độ tổng thể: T U y ⎤⎦ = [ N ]{U}e {U} = ⎡⎣ U x (3.9) 3.3.1.2 Phần tử tam giác phẳng có ba điểm nút u3y = q6 u =q 3x u y= q Nhận xét: với toán khảo sát, từ kết cho thấy mô đun đàn hồi cọc chọn khoảng 0,966×1011N/m2 đến 2,1×1011N/m2 hợp lý 4.3.3.2 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi cọc phụ Khảo sát tốn với mơ đun đàn hồi Ech vật liệu cọc thay đổi từ 2,1×1010N/m2 đến 2,1×1011N/m2 Kết hình 4.27, 4.29, 4.30 4.31 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Eph ANH HUONG CUA Eph DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN ANH HUONG CUA Eph DEN CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN 2.2 0.5 (x,y) u =q 2x Hình 3.3 Sơ đồ phần tử tứ giác phẳng ba điểm nút Véc tơ chuyển vị nút phần tử hệ tọa độ tổng thể: {U}e = ⎡⎣ U1x U1y U 2x U 2y U 3x U 3y ⎤⎦ T (3.12) 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 {U} = ⎡⎣ U x U y ⎤⎦ = [ N ]{U}e εy ε z ⎤⎦ = [ B]e {U}e 3.3.1.4 Ma trận độ cứng phần tử [ K ]e = ∫ h [ B]Te [ D][ B]e dAe 3.3.1.5 Ma trận khối lượng phần tử [ M ]e = ∫ ρh [ N ]T [ N ]dAe (3.21) 1.2 1.4 1.6 Ve b, Tải trọng nút lực phân bố cạnh biên jk kA : {Pp } = {P}ejk + {P}ekA (3.24) 3.3.1.7 Véc tơ nội lực quy nút phần tử: {F}e = ∫ [ B]Te {σ} dVe = h ∫ [ B]Te {σ} dA e Ae 0.2 12 (3.25) 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 x 10 m ax − E Hình 4.29 Quan hệ U x ph ANH HUONG CUA Eph DEN Mz CHAN COC PHU x 10 Khong tuong tac Co tuong tac 12 11 Mo dun dan hoi Eph [N/m ] 10 1.8 11 x 10 10 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 0.2 11 x 10 Hình 4.30 Quan hệ M ch − E z ph (3.23) 14 T {Pg } = ∫ [ N] {g} dV 1.8 Khong tuong tac Co tuong tac Mo dun dan hoi Eph [N/m ] 3.3.1.6 Véc tơ tải trọng nút a, Tải trọng nút lực khối gây 1.2 ANH HUONG CUA Eph DEN Mz CHAN COC CHINH x 10 0.2 Ae Ve 14 (3.17) Ae 0.8 Hình 4.27 Quan hệ U mx ax − E ph (3.20) 0.6 Momen (Mz)max [Nm] {ε} = ⎡⎣ε x T 0.4 Mo dun dan hoi Eph [N/m ] 3.3.1.3 Quan hệ biến dạng – chuyển vị 1.4 0.6 0.2 (3.14) 1.6 0.8 0.05 Chuyển vị điểm có tọa độ (x;y) hệ tọa độ tổng thể: T 1.8 0.35 2 [m / s[m/s Gia toc (Ax) U ] ] x max u x= q 1 Khong tuong tac Co tuong tac 0.4 Chuyen vi (Ux )max [m] Khong tuong tac Co tuong tac 0.45 Momen (Mz)max [Nm] u y= q 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Mo dun dan hoi Eph [N/m ] 1.8 11 x 10 Hình 4.31 Quan hệ M p h − E z ph Nhận xét: với toán khảo sát, từ kết cho thấy mô đun đàn hồi cọc phụ chọn khoảng 0,966×1011N/m2 đến 2,1×1011N/m2 hợp lý 4.3.4 Ảnh hưởng kích thước cọc 4.3.4.1 Ảnh hưởng đường kính ngồi cọc Khảo sát tốn với đường kính ngồi cọc Dch thay đổi từ 0,72m đến 1,50m Kết hình 4.32, 4.34, 4.35 4.36 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Dch 9 16 H1,U1(TT) H ,U (KTT) H ,U (KTT) H ,U (TT) H ,U (TT) 1 1 2 H ,U (KTT) 2 H ,U (TT) H3,U3(TT) H ,U (KTT) H3,U3(KTT) 3 3 Mo men Mz [Nm] 0.1 Chuyen vi Ux [m] 2 H ,U (KTT) 0.12 x 10 H ,U (TT) 0.14 3.3.2 Các hệ thức phần tử tiếp xúc ANH HUONG CUA CHIEU CAO SONG VA VAN TOC GIO DEN (Mz )ch CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN 0.16 0.08 0.06 0.04 0.02 -2 -0.02 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -4 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Thoi gian t [s] Hình 4.19 Đáp ứng Ux đỉnh giàn Hình 4.20 Đáp ứng Mz chân cọc (U (1) (1) win ( t ) , Hw (2) (2) (3) (3) = 16,56m ; U win ( t ) , H w = 12,45m ; U win ( t ) , H w = 8,28m ) 4.3.3 Ảnh hưởng vật liệu kết cấu 4.3.3.1 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi cọc chính: Khảo sát tốn với mơ đun đàn hồi Ech vật liệu cọc thay đổi từ 2,1×1010N/m2 đến 2,1×1011N/m2 Kết hình 4.22, 4.23, 4.25 4.26 biến thiên giá trị lớn đáp ứng theo Ech ANH HUONG CUA Ech DEN GIA TOC NGANG TAI DINH GIAN ANH HUONG CUA Ech DEN CHUYEN VI (Ux)max 0.5 Khong tuong tac Co tuong tac 0.45 0.4 2 [m / [m/s Gia toc (Ax) ] U x max s ] 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 4.22 Quan hệ U x 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 x 10 m ax Hình 4.23 Quan hệ U x − E ch − E ch ANH HUONG CUA Ech DEN Mz CHAN COC PHU 11 Mo dun dan hoi Ech [N/m ] ANH HUONG CUA Ech DEN Mz CHAN COC CHINH x 10 Khong tuong tac Co tuong tac Khong tuong tac Co tuong tac 2.5 Momen (Mz )max [Nm] 2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Mo dun dan hoi Ech [N/m2] 1.8 11 ch Hình 4.25 Quan hệ M z − E ch θ4 ( u3 − u2 ) ( v3 − v2 ) θ3} = [ T]{δ} , (3.32) T u v3 θ3 u1 v1 u v } Véc tơ số gia biến dạng điểm phần tử xác định: 1 (3.38) {Δεse } = [ N ]{ΔUse } = [ N ][T ]{δ} = [ Bse ]{δ} t se t se Quan hệ số gia ứng suất số gia biến dạng phần tử tiếp xúc: (3.39) {Δσse } = [ Dse ]{Δεse } Trường hợp toán biến dạng phẳng, ma trận [Dse] xác định: ⎡ks 0 ⎤ (3.41) [ Dse ] = ⎢⎢ k n ⎥⎥ ⎣⎢ 0 k s ⎦⎥ Ma trận độ cứng phần tử tiếp xúc hệ toạ độ tổng thể: [ K se ] = ∫∫ [ Bse ]T [ R ]T [ Dse ][ R ][ Bse ] dxdy T (3.42) 1 0.2 x 10 {ΔUse} = {( u4 − u1 ) ( v4 − v1 ) Với: {δ} = {u v4 θ4 1.5 Hay: 0.5 0.2 0.4 11 x 10 m ax x 10 0.2 2 Mo dun dan hoi Ech [N/m ] Momen (Mz )max [Nm] Chuyen vi (Ux)max [m] Khong tuong tac Co tuong tac Hình 3.4 Sơ đồ phần tử tiếp xúc Véc tơ số gia chuyển vị nút phần tử {ΔUse} định nghĩa sau: [ K se ] = ∫ [ Bse ]T [ R ]T [ Dse ][ R ][ Bse ] det J dξ (3.44) −1 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Mo dun dan hoi Ech [N/m2] ph 1.8 11 x 10 Hình 4.26 Quan hệ M z − E ch Việc kiểm tra điều kiện tách trượt bề mặt tiếp xúc kết cấu với thực theo tiêu chuẩn bền Mohr – Coulumb 10 15 0.14 0.12 Pttx = {Ut } = {0};{U t } = {0};{U t } = {0} ;[ K t ] = [ K];{Pt } = {0} {ΔU se }( ) ;{Δε se }( ) ;{Δσ se }( ) i i =1 i i Chuyen vi Uy [m] 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 -0.02 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -2 100 10 20 30 Thoi gian t [s] 50 60 70 80 90 100 Hình 4.16 Đáp ứng chuyển vị Uy ANH HUONG MO HINH TINH DEN Mz CHAN COC PHU ANH HUONG MO HINH TINH DEN Mz CHAN COC CHINH x 10 40 Thoi gian t [s] Hình 4.15 Đáp ứng chuyển vị Ux 12 Co tuong tac Khong tuong tac x 10 Co tuong tac Khong tuong tac 10 Mo men Mz [Nm] [ K ]; [ M ] ; [ C ] Co tuong tac Khong tuong tac 3.4 Thuật tốn giải hệ phương trình vi phân chuyển động hệ Hệ (3.49) hệ phương trình vi phân phi tuyến Để giải (3.49) tác giả kết hợp phương pháp tích phân trực tiếp Newmark lặp Newton-Raphson Nhap so lieu CHUYEN VI DUNG TAI DINH GIAN x 10 10 Co tuong tac Khong tuong tac Mo men Mz [Nm] Do xuất tách trượt cục kết cấu nền, ma trận [Kse] phụ thuộc vào ứng suất [Kse] = [Kse({σ})] Do {σ} = {σ({U})} nên [Kse] = [Kse({U})], dẫn đến: [K] = [K({U})], [C] = [C({U})] Do hệ phương trình (3.48) viết lại dạng sau: [ M]{U } + ⎡⎣C ({U})⎤⎦ {U } + ⎡⎣K ({U})⎤⎦ {U} = {Pw } + {Pwin } = {R} (3.49) -3 CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN 0.16 Chuyen vi Ux [m] 3.3.3 Phương trình chuyển động tồn hệ Sau khử điều kiện biên, phương trình chuyển động hệ có dạng: (3.48) [ M ]{U } + [C]{U } + [ K ]{U} = {Pw } + {Pwin } = {R} -2 -2 {U t + Δt }( 0) (0) = {U t } ; {U t +Δ t } {Pt + Δt }( 0) (0) = {Pt } ; [ K t +Δt ] ⎡ * ⎤ ⎣ K t +Δt ⎦ ( i −1) (i ) {Δ U}( ) ;{U t + Δt }( ) ;{U t +Δt } i i (0 ) } ;{U = {U t t + Δt } ; ⎣⎡ R *t +Δt ⎦⎤ (i ) (i ) i −1) σ (se) > i {U t } = {U t +Δt }( ) ;[ K t ] = [ K ] i (i ) (i ) ; {U t + Δt } ; [ K t + Δ t ] ; {Pt +Δ t } (i ) (i ) {Pt } = {Pt + Δt } i = i +1 {Δ U} R = R + ΔP {U t + Δt }( ) − {U t } i (i ) + {Δσ se } τ ms = σ se tg ϕ {U t } = {U t + Δt } ;{U t } = {U t +Δt } ( i −1) Pttx = Pttx + k η = 10 −4 τ ms > τ gh k ξ = 10 −4 Khoi Sai i = [K t ] (i ) ss = {σ se }( ) = {σ se }( } = {U t [ K se ]; [ K ] ss < ε D Pttx = n Dung i = nBuoc Dung Sai Khoi Ket thuc Hình 3.5 Sơ đồ khối thuật tốn 3.5 Chương trình tính kiểm tra độ tin cậy chương trình 3.5.1 Giới thiệu chương trình tính Chương trình tính có tên FRAME_W2_2012 có khả phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển cố định hệ phẳng san hơ chịu tác dụng tải trọng sóng gió 3.5.2 Kiểm tra độ tin cậy chương trình Bài tốn so sánh: cơng trình cơng bố Wystan Carswell (2012), cơng trình này, tác giả sử dụng phương pháp PTHH để giải toán dao động riêng kết cấu cột tuabin quạt gió làm việc đồng thời -4 10 20 30 40 50 60 Thoi gian t [s] 70 80 90 100 -4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Hình 4.17 Đáp ứng mơ men M ch Hình 4.18 Đáp ứng mơ men M phu z z Bảng 4.4 Giá trị lớn đáp ứng động (mơ hình KTT TT) Giá trị lớn Chuyển vị [cm] Gia tốc [m/s2] Mô men [kNm] Mơ max max max max Uy Uy hình Ux U M Chinh M Phu x z z KTT 8,8580 0,7664 0,9538 0,0997 5809,50 10342,8 TT 14,196 0,8972 1,2570 0,0208 3663,58 6932,85 Nhận xét: Như tính theo mơ hình KTT thiên điều an tồn theo kiện bền (do kết tính có nội lực lớn hơn), cịn tính theo mơ hình TT thiên an tồn theo điều kiện cứng (do kết tính có chuyển vị lớn hơn) Theo tác giả, tính tốn, thiết kế cơng trình biển san hơ tác dụng tải trọng sóng gió nên tính theo mơ hình làm việc đồng thời kết cấu nền, xem xét đến tính chất làm việc chiều san hô 4.3.2 Ảnh hưởng tải trọng tác dụng Trong phần này, tác giả khảo sát lớp toán với cặp tải trọng sóng gió khác cho mơ hình tính (mơ hình KTT, mơ hình TT) ch Trên hình 4.19 4.20 đáp ứng chuyển vị Ux mô men M z 14 11 CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN (NUT 64) -3 0.16 Bảng 3.2 So sánh kết kiểm tra độ tin cậy chương trình tính Phương pháp Tần số dao động riêng f1[Hz] 0,2132 Wystan Carswell [73] 0,2096 FRAME_W2_2012 Sai số (%) 1,69 CHUYEN VI DUNG TAI DINH GIAN (NUT 64) x 10 10 0.14 0.1 Chuyen vi Uy [m] Chuyen vi Ux [m] 0.12 0.08 0.06 0.04 0.02 0 -0.02 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -2 100 10 20 30 Thoi gian t [s] 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Hình 4.10 Đáp ứng chuyển vị ngang Ux Hình 4.11 Đáp ứng chuyển vị đứng Uy DAP UNG GIA TOC CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN (NUT 64) x 10 DAP UNG MO MEN UON CHAN COC CHINH, COC PHU 1.5 Mz coc phu Mz coc chinh Mo men Mz [Nm] 0.5 [m] / s ] Gia toc [m/s U x -0.5 -1 -1.5 -2 10 20 30 40 50 60 Thoi gian t [s] 70 80 90 100 -4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Hình 4.14 Đáp ứng mơ men uốn Mz chân Hình 4.12 Đáp ứng gia tốc ngang U x cọc chính, cọc phụ Bảng 4.3 Giá trị lớn đáp ứng động (mơ hình TT) Giá trị lớn Chuyển vị [cm] Gia tốc [m/s2] Mô men uốn chân cọc [kNm] max max max max Uy Uy Ux U M Chinh M Phu x z z 14,196 0,8972 1,2570 0,0208 3663,58 6932,85 Nhận xét: Với toán khảo sát, chuyển vị ngang lớn gấp 15,8 lần chuyển vị đứng lớn nhất, gia tốc chuyển vị ngang lớn gấp 60,4 lần gia tốc chuyển vị đứng lớn Mô men uốn lớn mặt cắt chân cọc phụ gấp 1,9 lần giá trị mô men uốn lớn chân cọc 4.3 Khảo sát ảnh hưởng số thơng số đến phản ứng động hệ 4.3.1 Ảnh hưởng mơ hình tính Trên sở giải hai lớp tốn với hai mơ hình tính khác nhau, tác giả khảo sát phản ứng động hệ với thông số tải trọng, kết cấu hai mơ hình Kết đáp ứng động hệ hình vẽ 4.15, 4.16, 4.17, 4.18 giá trị lớn đáp ứng thể bảng 4.4 Từ kết tính tốn so sánh, với sai số 1,69% cho thấy thuật tốn chương trình tính FRAME_W2_2012 lập đủ tin cậy 3.6 Kết luận chương Nội dung chương đạt số kết sau: - Xây dựng thuật toán PTHH giải tốn phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển hệ chịu tác dụng tải trọng sóng biển gió theo mơ hình tốn phẳng - Xây dựng chương trình tính mơi trường Matlab giải hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến hệ - Kiểm tra độ tin cậy chương trình tính việc giải tốn với liệu điều kiện cơng trình cơng bố tác giả nước ngồi Kết cho thấy chương trình tính đảm bảo độ tin cậy CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 4.1 Đặt vấn đề Trên sở thuật tốn chương trình tính lập hai chương với hai mô hình tính: mơ hình khơng tương tác mơ hình tương tác kết cấu san hô, tác giả tiến hành khảo sát ảnh hưởng số thơng số đến làm việc cơng trình biển cố định hệ (mơ hình hóa cơng trình DKI/14) tác dụng tải trọng sóng gió 4.2 Bài tốn xuất phát 4.2.1 Bài tốn 1: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng gió Mơ hình tốn thể hình 2.1 Thơng số kết cấu: 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, β = 80, tổng diện tích phần chắn gió quy đổi sàn cơng tác 12m2 Dch = 1,031m, tch = 2,2cm; Dph = 0,914m, tph = 4,4cm; Dth = 0,610m, tth = 2,7cm Vật liệu giàn thép, có mơ đun đàn hồi E = 2,1×1011N/m2, hệ số Poisson ν = 0,3, khối lượng riêng ρ = 7800kg/m3 12 13 Thông số tải trọng: chiều cao sóng Hw = 16,56m, độ sâu nước dw = 20m, khối lượng riêng nước ρw = 1000kg/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, khối lượng riêng khơng khí ρair = 1,225kg/m3 Tải trọng gió cho dạng (1) giản đồ vận tốc gió U win ( t ) Khối lượng tổng cộng sàn công tác, phần thượng tầng vật dụng sàn công tác quy đổi P = 600 Bài toán dao động riêng: Giải toán dao động riêng, nhận 10 tần số riêng (Hz): f1 = 0,9663, f2 = 4,2772, f3 = 5,4838, f4 = 11,5889, f5 = 13,1661, f6 = 20,0800, f7 = 21,4838, f8 = 26,0670, f9 = 26,8422, f10 = 32,2125 Bài tốn dao động cưỡng bức: Sử dụng chương trình FRAME_W1_2012 lập, giải tốn với thơng số cho Kết quả, đáp ứng động hệ hình 4.4, 4.5, 4.6, 4.8 giá trị lớn đáp ứng bảng 4.1 -3 0.08 0.07 0.06 Chuyen vi Uy [m] Chuyen vi Ux [m] CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN (NUT 64) 0.09 0.05 0.04 0.03 0.01 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -1 100 10 20 30 Thoi gian t [s] 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Hình 4.4 Đáp ứng chuyển vị ngang Ux Hình 4.5 Đáp ứng chuyển vị đứng Uy đỉnh giàn (mơ hình KTT) đỉnh giàn (mơ hình KTT) DAP UNG GIA TOC CHUYEN VI NGANG TAI DINH GIAN (NUT 64) 12 0.8 10 x 10 DAP UNG MO MEN UON CHAN COC CHINH, COC PHU Mz coc phu Mz coc chinh 0.6 0.4 Mo men Mz [Nm] [m] / s2 ] Gia toc U [m/s x 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -2 -0.8 -1 10 20 30 40 50 60 Thoi gian t [s] 70 80 90 100 -4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Hình 4.8 Đáp ứng mơ men uốn Mz chân Hình 4.6 Đáp ứng gia tốc ngang U x cọc chính, cọc phụ (mơ hình KTT) đỉnh giàn (mơ hình KTT) Giá trị lớn Gia tốc [m/s2] Mô men uốn chân cọc [kNm] Chuyển vị [cm] U max x U max y max U x max U y 8,8580 0,7664 0,9538 0,0997 M Chinh z 5809,50 M Phu z 10342,8 Nhận xét: Với toán khảo sát, đỉnh giàn: chuyển vị ngang lớn gấp 11,6 lần chuyển vị đứng lớn nhất, gia tốc chuyển vị ngang lớn gấp 9,5 lần gia tốc chuyển vị đứng lớn Mô men uốn lớn mặt cắt chân cọc phụ gấp 1,78 lần mơ men uốn lớn chân cọc 4.2.2 Bài tốn 2: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng, gió tương tác với san hơ Trong phần này, tác giả tiến hành giải toán động lực học kết cấu hệ san hô theo quan niệm kết cấu làm việc đồng thời (mơ hình tương tác) Mơ hình tốn mơ tả hình 3.1 Các thơng số kết cấu, tải trọng giống toán xuất phát mục 4.2.1, chiều sâu cọc san hô H1 = 20m (Hình 3.1) Thơng số nền: Nền san hô gồm bốn lớp, đặc trưng lý lấy theo kết thí nghiệm Trường Sa bảng 4.2 Bảng 4.2 Đặc trưng vật liệu lớp san hô Lớp 0.02 CHUYEN VI DUNG TAI DINH GIAN (NUT 64) x 10 Bảng 4.1 Giá trị lớn đáp ứng động (mơ hình KTT) Độ sâu (m) 10 20 50 Ef (N/cm2) 2,83×104 2,19×105 2,03×106 2,71×105 νf 0,22 0,25 0,22 0,25 ρf (kg/m3) 2,55×103 2,60×103 2,95×103 2,00×103 Hệ số ma sát với thép fms 0,21 0,32 0,33 0,35 Tỷ số cản ξ 0,05 Với sai số lặp biên miền nghiên cứu εtt = 0,5, sau giải lặp, kích thước miền nghiên cứu: bề rộng Btt = 135m, chiều cao Htt = 50m Điều kiện biên: Liên kết ngàm biên đáy, gối di động hai biên bên biên tự mặt miền nghiên cứu Thời gian tính tcal =100s, sai số tính εD = 0,25% Bài tốn dao động riêng: Giải toán dao động riêng, nhận 10 tần số riêng (Hz): f1= 0,7350, f2 = 3,3978, f3= 3,4588, f4 = 7,4617, f5 = 8,7305, f6 = 11,0934, f7 = 12,6612, f8 = 13,6235, f9 = 17,3183, f10 = 20,4727 Bài toán dao động cưỡng bức: Sử dụng chương trình FRAME_W2_2012 lập, giải tốn với thông số cho Kết quả, đáp ứng động hệ hình 4.10, 4.11, 4.12, 4.14 giá trị lớn đáp ứng bảng 4.3 ... Trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng gió Chương 3: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác. .. Bài tốn 2: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác dụng tải trọng sóng, gió tương tác với san hô Trong phần này, tác giả tiến hành giải toán động lực học kết cấu hệ san hô theo quan... CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ 2.1 Đặt vấn đề Trong chương tác giả thiết lập thuật tốn chương trình tính phân tích động lực học kết cấu cơng trình biển hệ chịu tác