4.3.1. Phương phỏp và thiết bị thớ nghiệm
Thử nghiệm động trờn cụng trỡnh DKI/2 được tiến hành theo 2 phương phỏp: + Phương phỏp 1: gõy tải trọng động bằng thiết bị gõy tải nhõn tạo. Thiết bị
gõy tải nhõn tạo được sử dụng là mỏy gõy tải ly tõm cú thể điều chỉnh được tần số bằng biến tần (hỡnh 4.8) và được hàn hàn chặt vào tõm của sàn cụng tỏc của cụng trỡnh DKI (nằm trong khung nối của nhà giàn).
a, b,
Hỡnh 4.8. Thiết bị gõy tải trọng động a, mỏy gõy tải ly tõm b, biến tần
+ Phương phỏp 2: tải trọng động được gõy ra bởi súng giú tự nhiờn tỏc động lờn cụng trỡnh. Trong trường hợp này việc ghi dao động được thực hiện bằng thiết bị tự ghi gắn trước trờn cụng trỡnh.
Cỏc thiết bịđo dao động bao gồm cỏc đầu đo gia tốc và mỏy đo chuyờn dụng. Cỏc đầu đo gia tốc được gắn vào vị trớ đo bằng cỏc bộ gỏ chế tạo trước và cú thể đo dao động một cỏch đồng thời theo 3 phương X, Y, Z (hỡnh 4.9.a). Mỏy
đo chuyờn dụng được sử dụng là mỏy RION DA-20 (hỡnh 4.9.b). Mó hiệu và cỏc thụng số của cỏc thiết bị đo dao động được cho trong bảng 4.1. Cỏc vị trớ
đo được chọn tại đỉnh ống đứng thuộc khung nối. Trờn hỡnh 4.10 là sơ đồ bố
a, b,
Hỡnh 4.9. Đầu đo gia tốc và thiết bịđo lắp trờn cụng trỡnh DKI a, đầu đo gia tốc b, mỏy đo RION DA- 20
Bảng 4.1. Thụng số thiết bịđo dao động TT Loại đầu đo và cỏc thụng số chớnh Mó hiệu Số lượng Cụng dụng 1 Đầu đo gia tốc: - Gia tốc max: 0-9,81 m/s2 - Dải tần làm việc: 0,2-200Hz - Độ phõn giải: 0,00002 m/s2 PCB 393B32 03 Đo gia tốc dao động
2 Mỏy tớnh xỏch tay IBM 01 Điều khiển đo và lưu
trữ số liệu đo 3 Thiết bịđo và ghi dao động RION
DA-20
01
trụ bắc trụ đ ông t rụ tây trụ n a m m á y g ây tải V ị tr í gắ n c ác đ ầu đ o gia tốc sμn c ôn g tác Hỡnh 4.10. Sơđồ bố trớ mỏy gõy tải ly tõm và vị trớ cỏc đầu đo gia tốc trờn cụng trỡnh x z Vị trớ đặt mỏy gõy tải Vị trớ gắn đầu đo gia tốc Sàn cụng tỏc
a,
b,
Hỡnh 4.11. Cụng trỡnh DKI – nơi tiến hành cỏc thớ nghiệm động tại hiện trường
a,
b,
Hỡnh 4.12 (a,b). Thớ nghiệm động tại hiện trường
a, Lắp đặt đầu đo gia tốc b, Thớ nghiệm tại hiện trường bằng thiết bị gõy tải nhõn tạo
c,
d,
Hỡnh 4.12 (c,d). Thớ nghiệm động tại hiện trường c, Hướng dẫn quy trỡnh vận hành
thiết bịđo cho cỏn bộ nhà giàn
d, Thớ nghiệm tại hiện trường với tải trọng do súng giú tự nhiờn gõy ra
4.3.2. Cỏc kết quả thớ nghiệm
a. Cỏc đồ thị gia tốc dao động của cụng trỡnh
Trờn hỡnh 4.13 là cỏc trớch đoạn đồ thị gia tốc chuyển động của cụng trỡnh DKI/2 trong miền thời gian, tương ứng với 3 phương Z, X, Y trong khụng gian (1 phương đứng và 2 phương ngang), nhận được theo phương phỏp thớ nghiệm 1 (gõy tải bằng thiết bị nhõn tạo gắn trờn cụng trỡnh). Từ đồ
thị này, sau khi phõn tớch biến đổi đó nhận được cỏc đồ thị biờn độ gia tốc chuyển động của cụng trỡnh DKI/2 trong miền tần số. Trờn hỡnh 4.14 là cỏc trớch đoạn quan hệ biờn độ - tần số của cụng trỡnh DKI/2 theo phương phỏp thớ nghiệm 1.
Trờn hỡnh 4.15 là cỏc trớch đoạn đồ thị gia tốc chuyển động của cụng trỡnh DKI/2 trong miền thời gian, tương ứng với 3 phương Z, X, Y trong khụng gian (1 phương đứng và 2 phương ngang), nhận được theo phương phỏp thớ nghiệm 2 (gõy tải bằng súng giú tự nhiờn tỏc động lờn cụng trỡnh). Từ đồ thị này, sau khi phõn tớch biến đổi đó nhận được cỏc đồ thị biờn độ gia tốc chuyển động của cụng trỡnh DKI/2 trong miền tần số. Trờn hỡnh 4.16 là cỏc trớch đoạn quan hệ biờn độ - tần số của cụng trỡnh DKI/2 theo phương phỏp thớ nghiệm 2.
a,
b,
c,
Hỡnh 4.13. Trớch đoạn quan hệ gia tốc chuyển động - thời gian của DKI/2 theo phương phỏp thớ nghiệm 1
a,
Hz
1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5
Y/t Chart 0 Y/t Chart 1 Y/t Chart 2
0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 -0.050 0.100 0.075 0.050 0.025 0.000 -0.025 0.150 0.125 0.100 0.075 0.050 0.025 0.000 b, Hz 2.5 5.0 7.5 10.0 Y/t Chart 0 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 32 28 24 20 16 12 8 4
Hỡnh 4.14. Trớch đoạn quan hệ biờn độ gia tốc - tần số của cụng trỡnh DKI/2 theo phương phỏp thớ nghiệm 1
a, 1 bản ghi tương ứng với 3 phương Z,X,Y b, Nhiều bản ghi tương ứng với phương ngang X
a,
b,
c,
Hỡnh 4.15. Trớch đoạn quan hệ gia tốc chuyển động - thời gian của DKI/2 theo phương phỏp thớ nghiệm 2
Hz 2.5 7.5 12.5 17.5 22.5 27.5 32.5 37.5 Y/t Chart 0 0.0200 0.0175 0.0150 0.0125 0.0100 0.0075 0.0050 0.0025 0.0000 28 24 20 16 12 8 4
Hỡnh 4.16. Trớch đoạn quan hệ biờn độ gia tốc - tần số của cụng trỡnh DKI/2 (nhiều bản ghi) theo phương phỏp thớ nghiệm 2
b. Cỏc tần số dao động riờng thấp nhất của cụng trỡnh
Dựa trờn cỏc đồ thị quan hệ gia tốc - tần số cú thể xỏc định được cỏc tần số dao động riờng thấp nhất của cụng trỡnh theo phương phỏp thử nghiệm
động 1 và 2: 1 1
f =2,01 hez; 2 1
f =2,03 hez.
Giỏ trị tần số dao động riờng cần tỡm của tần số sẽ là giỏ trị trung bỡnh cộng theo 2 phương phỏp trờn: 1 2 1 1 1 f f f 2,02 2 + = = hez.
4.4. Nhận dạng liờn kết múng - nền của cụng trỡnh DKI/2
4.4.1. Sơđồ tớnh của cụng trỡnh DKI/2 và cỏc tham số nhận dạng liờn kết múng - nền. múng - nền.
Hỡnh 4.17. Hỡnh chiếu mặt bờn của sơ đồ tớnh cụng trỡnh DKI/2
* Sơđồ tớnh của cụng trỡnh DKI/2
Sơ đồ tớnh trong bài toỏn nhận dạng liờn kết múng - nền của cụng trỡnh DKI/2 là sơ đồ khụng gian, trờn hỡnh 4. 17 thể hiện hỡnh chiếu mặt bờn của sơ đồ tớnh, theo đú:
- Cỏc khối trụ được thay bằng cỏc phần tử thanh đứng cú độ cứng bằng vụ cựng (trong tớnh toỏn của chương trỡnh, độ cứng của cỏc phần tử này cho bằng
một giỏ trị rất lớn).
- Thay liờn kết dưới đỏy cỏc khối trụ với nền bằng cỏc liờn kết đàn hồi tập trung cú độ cứng như sau:
z z x y x x y p
K =c F,K =K =c F,Kα =Kα =c J,Kα ϕ =c Jϕ , (4.1) trong đú:
z
K - độ cứng của cỏc liờn kết đàn hồi (đặc trưng cho độ cứng của nền) dưới đỏy trụ tương ứng với chuyển vị đứng theo phương trục z của trụ,
x y
K ,K - độ cứng của cỏc liờn kết đàn hồi dưới đỏy trụ tương ứng với chuyển vị ngang theo phương trục x và y của trụ,
x y
K ,Kα α - độ cứng của cỏc liờn kết đàn hồi dưới đỏy trụ tương ứng với chuyển vị xoay của đỏy trụ quanh trục ngang x và y,
Kϕ- độ cứng của cỏc liờn kết đàn hồi tương ứng với chuyển vị xoắn của đỏy trụ quanh trục z,
p
F,J,J - diện tớch, mụ men quỏn tớnh đối với trục ngang x (hoặc y) và mụ men quỏn tớnh độc cực của đỏy trụ,
z x
c ,c - hệ số nộn đều và trượt đều (tương ứng với hệ số nền Winkler loại 1 và loại 2) của nền dưới đỏy trụ theo phương đứng và ngang,
c ,cα ϕ- hệ số nộn khụng đều và trượt khụng đều của nền dưới đỏy trụ.
Theo Xavinov O.A. [21] trong trường hợp khụng cú đủ số liệu thớ nghiệm cỏc giỏ trị c ,c ,cx α ϕ cú thể lấy theo c như sau: z
x z z z
c =0,7c ,cα =2c ,cϕ =1,5c ; (4.2) - Thay liờn kết trờn mặt bờn của cọc với nền bằng cỏc liờn kết lũ xo đàn hồi theo phương tiếp tuyến dọc trục (k ), phỏp tuyến (u k , v k ) và phương chuyển w vị xoắn ( kϕ) phõn bố liờn tục trờn bề mặt tiếp xỳc cọc - nền theo toàn chiều dài cọc như trờn hỡnh 2.4 (chương 2):
u u v w v
k =c S, k =k =c b, kϕ =c .Sϕ (4.3) trong đú:
v
c - hệ số nộn đều của nền (hệ số nền Winkler loại 1) theo phương ngang,
u
c - hệ số trượt đều của nền (hệ số nền Winkler loại 2) theo phương đứng, cϕ- hệ số trượt đều (hệ số nền Winkler loại 2) theo phương chuyển vị xoắn, b - chiều rộng (đường kớnh) cọc,
S - chu vi cọc.
- Thay liờn kết dưới chõn cọc với nền bằng cỏc liờn kết đàn hồi tập trung cú độ cứng như sau:
z z x y x x y p
K =c F,K =K =c F,Kϕ =Kϕ =c J,Kϕ ψ =c Jψ , (4.4) Cỏc ký hiệu trong (4.4) tương tự như trong (4.1), trong đú “đỏy khối trụ” được thay bằng “đỏy cọc”.
* Cỏc tham số nhận dạng liờn kết múng - nền cụng trỡnh DKI/2
Để đơn giản tớnh toỏn nhưng vẫn phự hợp với thực tế khi giải bài toỏn nhận dạng liờn kết múng - nền cụng trỡnh DKI/2 thừa nhận cỏc giả thiết sau: - Nền đất mà cọc đi qua là đồng nhất và biến dạng đàn hồi tuyến tớnh (giỏ trị của cỏc đặc trưng cơ lý của nền “đồng nhất” ở đõy được hiểu như là giỏ trị trung bỡnh của lớp nền mà cọc đi qua).
- Hệ số c tại vị trớ mặt nền (dưới đỏy trụ) cú giỏ trị cho trước. Căn cứ vào cỏc z số liệu điều tra khảo sỏt về cỏc tớnh chất cơ lý của nền san hụ [8] cú thể chọn
3 3
z
c =20KG / cm =20000T/m ,
- Cỏc hệ số c ,c ,c ,cz x ϕ ψ tại vị trớ dưới đỏy cọc cú thể lấy như sau:
z x
c =c = ∞; cϕ =cψ =0 (tương ứng với liờn kết dưới đỏy cọc là cỏc liờn kết khớp cố định).
Cỏc quan hệ (4.3), tớnh đến (4.5), cú dạng:
v w v u v k v
k = k =c b,k =kϕ =0,7Sc = β k , β =k 0,7S/b (4.6) Do cỏc giả thiết trờn và quan hệ (4.6), vộc tơ cỏc tham số nhận dạng liờn kết múng - nền cụng trỡnh DKI/2 chỉ cũn lại cỏc độ cứng của cỏc liờn trờn mặt bờn của cọc: T T T 1 2 3 4 u v w k v v v k v v [ ] =[k k k k ]ϕ [ k k k k ] = θ θ θ θ = β β = θ k . 4.4.2. Rời rạc hoỏ PTHH đối với kết cấu
Sơ đồ rời rạc hoỏ PTHH với đỏnh số nỳt và đỏnh số phần tử được kết cấu được thể hiện trờn hỡnh 4.18 và 4.19.
Hỡnh 4.19. Sơ đồ đỏnh số phần tử
4.4.3. Cỏc số liệu xuất phỏt
* Độ sõu nước trung bỡnh tại vị trớ cụng trỡnh: 17m. * Kớch thước hỡnh học cụng trỡnh DKI/2
+ Chiều cao toàn bộ cụng trỡnh: 38,06 m
+ Giàn thộp khối chõn đế
- Dạng kết cấu: giàn thộp chúp vuụng cụt - Chiều cao: 30 m
- Kớch thước mặt bằng đỏy trờn: 9mx9m
- Kớch thước mặt bằng đỏy dưới: 13,1mx13,1m - Đường kớnh ống đứng: φ812,8x20,62
+ Giàn thộp khung nối
- Dạng kết cấu: lăng trụ vuụng
- Kớch thước mặt bằng (đỏy trờn = đỏy dưới): 9mx9m - Chiều cao khung nối: 3,76 m
- Đường kớnh ống đứng: φ610x12,7
- Kớch thước mặt bằng sàn cụng tỏc: 9mx14m + Hệ thống dầm sàn (trờn đỉnh khung nối)
- Kớch thước mặt bằng hệ thống dầm sàn:16mx16m - Tiết diện dầm chớnh chịu lực: I90
+ Khối thượng tầng (nhà ở + sõn bay)
- Dạng kết cấu nhà: bỏt giỏc, đường kớnh: 12,7m - Chiều cao khối nhà: 3,7m
- Kớch thước mặt bằng nhà: 11,4mx11,4m - Diện tớch sõn bay: 256m2
- Tổng trọng lượng khối thượng tầng: 86T
+ Giàn thộp mở rộng: cú dạng hỡnh chúp tam giỏc khụng gian được liờn kết vào cỏc ống đứng của khối chõn đế bằng cỏc đai ốp (đai kẹp, mỏng kẹp), đầu cuối nằm ngang của mỗi giàn liờn kết với 2 khối trụ bờ tụng hỡnh trụ trũn (mỗi cụng trỡnh DKI cú 8 khối), cỏc khối này tựa trờn nền san hụ.
+ Múng cọc chớnh (ở giữa): - Số lượng cọc: 4 cỏi
- Đường kớnh cọc: φ720x20mm - Gúc nghiờng của cọc: 5,50 - Chiều sõu đúng cọc: 22,3 - 26,6 m + Múng cọc phụ: - Số lượng cọc: 8cỏi - Đường kớnh cọc: φ720x20mm - Chiều sõu đúng cọc: ≈20m + Cỏc khối trụ trọng lực (bờ tụng):
- 04 khối giữa: cú dạng hỡnh lục giỏc, chiều cao 2,7m, đường kớnh 8,1m.
- 08 khối cũn lại (thuộc cỏc giàn tăng cường): cú dạng hỡnh trụ trũn, chiều cao 3,2m, đường kớnh 6,6m.
* Cỏc tớnh chất cơ lý của vật liệu
+ Mụ đun đàn hồi thộp E=2,1.108 kN/m2, trọng lượng riờng thộp:
3
/ g 78 kN/m
γ = ρ = .
+ Hệ số nền Winkler loại 1 tại vị trớ mặt nền: cz =200000 (kN/m3)
* Trị riờng đo đạc của cụng trỡnh DKI/2 tương ứng với tần số thấp nhất (đó trỡnh bày ở trờn):
2
e = λ = πe1 (2 f ) =157,75361
λ (rad2/s2).
* Sai số cho phộp khi tớnh lặp: ε =0,5%
4.4.4. Kết quả giải bài toỏn nhận dạng liờn kết múng - nền của cụng trỡnh DKI/2 DKI/2
* Kết quả tớnh toỏn
Sử dụng chương trỡnh nhận dạng liờn kết múng - nền UFEM - 2 đó lập trong chương 3 và chọn cỏc giỏ trị ban đầu:
v,0
k =50000 ( kN/m2),
trờn hỡnh 4.20. Nghiệm bài toỏn hội tụ sau 5 bước tớnh với kết quả: v k =305310kN/m2, tương ứng với cv =424041,7 kN/m3. 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 1 2 3 4 5 6 7 8 Bước tớnh Tham s ố nh ậ n d ạ ng Kv ( K N/ m 2 )
KẾT LUẬN CHUNG
I. Cỏc kết quả chớnh của luận ỏn
1. Xõy dựng thuật toỏn và chương trỡnh tớnh toỏn động lực học kết cấu hệ thanh - múng cọc khụng gian chịu tỏc dụng của tải trọng động bất kỳ cú tớnh đến sự làm việc đồng thời của hệ thanh - cọc - nền để làm cụng cụ tớnh toỏn khi giải bài toỏn nhận dạng liờn kết cọc - nền. Chương trỡnh đó lập (mang tờn
UFEM - 1) đảm bảo độ tin cậy. Nội dung được thể hiện trong cỏc cụng trỡnh
cụng bố 1, 2, 5.
2. Xõy dựng thuật toỏn và chương trỡnh nhận dạng liờn kết giữa múng cọc và nền đàn hồi đối với kết cấu hệ thanh - múng cọc khụng gian bằng phương phỏp hàm phạt. Sử dụng chương trỡnh đó lập tiến hành tớnh toỏn bằng số để kiểm tra độ tin cậy của chương trỡnh đó lập. Chương trỡnh đó lập (mang tờn
UFEM - 2) đảm bảo độ tin cậy. Nội dung được thể hiện trong cỏc cụng trỡnh
cụng bố 2, 5.
3. Thớ nghiệm động tại hiện trường trờn cụng trỡnh biển DKI/2 với tải trọng động được tạo ra bằng thiết bị gõy tải nhõn tạo và bằng súng giú tự nhiờn tỏc động lờn cụng trỡnh. Sau khi phõn tớch xử lý số liệu đo đạc theo 2 phương phỏp đó nhận được tần số dao động riờng thấp nhất của cụng trỡnh. Nội dung được thể hiện trong cỏc cụng trỡnh cụng bố 3, 4, 6.
4. Sử dụng cỏc chương trỡnh đó lập (UFEM - 1 và UFEM - 2) và tần số dao động riờng thấp nhất của cụng trỡnh nhận được bằng thớ nghiệm ở hiện trường đó tiến hành giải bài toỏn nhận dạng liờn kết múng - nền của cụng trỡnh biển DKI/2 bằng phương phỏp hàm phạt. Kết quả trờn đó được sử dụng để tham khảo khi đỏnh giỏ trạng thỏi kỹ thuật cỏc cụng trỡnh DKI. Nội dung được thể hiện trong cụng trỡnh cụng bố 4.
II. Những vấn đề cần nghiờn cứu tiếp theo
1. Trong quỏ trỡnh chịu lực phản lực đàn hồi của nền đất lờn cọc theo cỏc