Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của đề tài nhằm phát triển và ứng dụng phương pháp phần tử biên và phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu nổi VLFS (Very Large Floating Structures) chịu ảnh hưởng của sóng biển. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: 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 công trình dân dụng và công 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 công trình dân dụng và công 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 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM ngày tháng năm 2017. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: Chức danh TT Họ và tên Hội đồng 1 Chủ tịch 2 Phản biện 1 3 Phản biện 2 4 Ủy viên 5 Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được 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 và 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 công trình dân dụng và công nghiệp MSHV: 1541870012 I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần tử biên. 2. Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác. 3. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân tích của luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác. 4. Tiến hành thực hiện các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các 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 BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI
LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học. Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó. Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lương Văn Hải. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Công Nghệ TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này. Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn. Xin trân trọng cảm ơn. Tp. HCM, ngày ….. Tháng….. năm 2017 Trần Minh Phương
iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia có đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển. Để giải quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m). Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể thực hiện được. Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng(VLFS - Very Large Floating Structures). Hiện nay các kết cấu tấm nổi rất hiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng, điển hình như các nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam cũng đã có nghiên cứu về vấn đề trên, nhưng chỉ tập trung nghiên cứu khảo sát và phân tích những kết cấu có kích thước nhỏ, cho nên luận văn đã được thực hiện với mục đích là tập trung phân tích khảo sát ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi có kích thước lớn chịu ảnh hưởng của sóng biển và tải trọng. Tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho tấm và phương pháp phần tử biên (BEM) cho chất lỏng, nhằm để phân tích khảo sát chuyển vị của kết cấu tấm khi thay đổi các hướng sóng, chiều dài bước sóng, độ sâu của biển, chiều rộng của tấm và bề dày của tấm. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công và bảo dưỡng hệ thống kết cấu tấm nổi sau này.
iv 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.
v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS. Lương Văn Hải. Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình. Tp. HCM, ngày..... tháng..... năm 2017 Trần Minh Phương
vi 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 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1 1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 1 1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết cấu nổi ............................................................................................................ 4 1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước .......................................................... 6 1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước ........................................................... 6 1.5 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 7 1.6 Cấu trúc luận văn ........................................................................................... 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 9 2.1 Mô hình tấm và chất lỏng .............................................................................. 9 2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số ...................................................................... 10 2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn .................................................................. 11 2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính............................................................................. 13 2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm ................................................... 14 2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng......................... 17 2.7 Áp lực chất lỏng ........................................................................................... 19 2.8 Giải phương trình tương tác ......................................................................... 19 2.9 Lưu đồ tính toán ........................................................................................... 20
vii CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ ............................................................ 21 3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của Endo và Yago (1999) [6] ............................................................................. 23 3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16] ............................... 24 3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển ............................................................................................. 34 3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu ............... 36 3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm .............. 44 3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm ............ 47 3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu .............. 52 CHƯƠNG 4. 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
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS ............................................1 Hình 1.2. Hệ thống kết cấu nổi ................................................................................3 Hình 1.3. Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka .........3 Hình 1.4. Minh họa tính trường uốn tấm VLFS ......................................................4 Hình 2.1. Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn ...................9 Hình 2.2. Mô hình tấm dày [18] ............................................................................11 Hình 2.3. Mô hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14] ..................................................13 Hình 2.4. Lưu đồ tính toán .....................................................................................20 Hình 3.1. Mô hình tấm VLFS ................................................................................22 Hình 3.2. Mặt bằng sân bay (1999) [6] ..................................................................23 Hình 3.3. So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6] .....................................24 Hình 3.4. So sánh kết quả với Gao Ruiping (2012) [16] .......................................26 Hình 3.5. Hướng sóng có góc   0 ....................................................................28 Hình 3.6. Hướng sóng có góc   15 ..................................................................29 Hình 3.7. Hướng sóng có góc   30 ..................................................................29 Hình 3.8. Hướng sóng có góc   45 ..................................................................30 Hình 3.9. Hướng sóng có góc   60 ..................................................................31 Hình 3.10. Hướng sóng có góc   68 ..................................................................31 Hình 3.11. Hướng sóng có góc   75 ..................................................................32 Hình 3.12. Hướng sóng có góc   90 ..................................................................33 Hình 3.13. Các trường hợp biên độ dao động của sóng tới .....................................34 Hình 3.14. Sự thay đổi độ sâu của biển ...................................................................35 Hình 3.15. Ảnh hưởng các bước sóng lên kết cấu tấm ở độ sâu H  20m ..............37 Hình 3.16. Chuyển vị kết cấu với các bước sóng khác nhau ở độ sâu H  20m ................................................................................................38
ix Hình 3.17. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu H  58.5m ..............................................................................................39 Hình 3.18. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu H  100m ..............................................................................................40 Hình 3.19. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu H  200m ..............................................................................................41 Hình 3.20. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu H  1000m ............................................................................................42 Hình 3.21. Đồ thị các trường hợp chuyển vị ở độ sâu khác nhau ............................44 Hình 3.22. Bề dày của kết cấu tấm hs  2m ............................................................45 Hình 3.23. Bề dày của kết cấu tấm hs  2.5m ..........................................................45 Hình 3.24. Bề dày của kết cấu tấm hs  3m ..............................................................46 Hình 3.25. Bề dày của kết cấu tấm hs  3.5m ..........................................................46 Hình 3.26. Bề dày của kết cấu tấm hs  4m ............................................................47 Hình 3.27. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  30m ....................................................49 Hình 3.28. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  60m ....................................................49 Hình 3.29. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  90m ....................................................50 Hình 3.30. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  120m ..................................................50 Hình 3.31. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  150m ..................................................51 Hình 3.32. Đồ thị các trường hợp chuyển vị với bề rộng B thay đổi .......................52 Hình 3.33. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 1 .................................................53 Hình 3.34. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 2 .................................................54 Hình 3.35. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 3 .................................................56 Hình 3.36. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 4 .................................................57 Hình 3.37. Đồ thị tổng hợp biên độ dao động cả 4 Trường hợp ..............................58
x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Thông số tấm VLFS ...............................................................................21 Bảng 3.2. Các trường hợp sóng tới.........................................................................33 Bảng 3.3. Các bước sóng ảnh hưởng lên tấm ở độ sâu 20m ..................................36 Bảng 3.4. Biên độ dao động cực đại ở khác bước sóng khác nhau và độ sâu của biển khác nhau .................................................................................43 Bảng 3.5. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi ...........51 Bảng 3.6. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.3 và B / L ................54 Bảng 3.7. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.4 và B / L ...............55 Bảng 3.8. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.5 và B / L ................56 Bảng 3.9. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại ở cả 4 Trường hợp .................57
xi MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt Q9 Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) BEM Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method) VLFS Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures) Ma trận và véctơ U Véctơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của kết cấu tấm κ Véctơ độ cong d Véctơ chuyển vị nút của phần tử γ Ma trận biến dạng cắt M Ma trận khối lượng tổng thể K Ma trận độ cứng tổng thể C Ma trận cản tổng thể Φ Véctơ thế vận tốc Me Ma trận khối lượng phần tử Ce Ma trận cản phần tử Ke Ma trận độ cứng phần tử M eff Ma trận khối lượng hiệu dụng Ký hiệu L Chiều dài tấm theo phương x B Chiều rộng tấm theo phương y E Module đàn hồi của vật liệu G Module chống cắt đàn hồi của vật liệu  Hệ số poisson của vật liệu  Trọng lượng riêng của vật liệu tấm
xii hS Chiều dày tấm  Bước sóng  Hệ số tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu Ψx Góc xoay của tấm quay quanh trục y Ψy Góc xoay của tấm quay quanh trục x s Hệ số hiệu chỉnh cắt u, v, w Chuyển vị của tấm theo phương x , y và z , x Đạo hàm riêng bậc một của hàm  theo biến x ,xx Đạo hàm riêng bậc hai của hàm  theo biến x , xy Đạo hàm riêng bậc hai của hàm  theo biến x và y H Độ sâu
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia có đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển. Để giải quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m). Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể thực hiện được. Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng. Để giải quyết vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (Hình 1.1) (VLFS - Very Large Floating Structures). Hình 1.1. Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS (http://www.naoe.eng.osaka-u.ac.jp/kashi/research/airport-e.html)
2 Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội so với giải pháp truyền thống như sau:  Ứng dụng tốt cho vùng nước sâu (vì xây dựng VLFS không chịu ảnh hưởng đáng kể của đáy biển và độ sâu vùng nước).  Thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường.  Thời gian thi công nhanh (vì các module nhỏ được chế tạo sẵn tại xưởng và sau đó được đi chuyển đến công trường để lắp ráp), dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ (vì chúng được tạo các mô module nhỏ).  Không bị ảnh hưởng của động đất (vì ảnh hưởng của động đất dần bị triệt tiêu bởi môi trường biển).  Tận dụng được lực đẩy nổi của biển. Không chịu ảnh hưởng của hiện tượng ấm lên toàn cầu (các nhà khoa học dự đoán mực nước biển sẽ dâng cao thêm khoảng 1 m vào năm 2100). VLFS có thể chia thành hai loại: kiểu pontoon (kiểu phao) hoặc kiểu nửa chìm (semi-submersible). Kiểu cũ có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa. VLFS thường có cấu trúc kiểu nửa chìm (được dằn bằng hệ thống các khoang két có thể xả vào hoặc bơm nước biển ra) để giảm thiểu ảnh hưởng của sóng biển. Cấu trúc nửa chìm thường được sử dụng cho mục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác. Chúng được cố định bởi các cột kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệ thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két). Trái lại, kiểu pontoon (kiểu phao) đơn thuần phải nổi trên mặt biển, là một cấu trúc rất linh hoạt so với các kiểu cấu trúc ngoài khơi. Như vậy, việc phân tích VLFS chính là phân tích hiện tượng thủy động học của kết cấu tấm nổi cùng với chuyển động của tấm. Phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác động của sóng biển và miền chất lỏng đã trở thành các vấn đề lớn đang được nỗ lực nghiên cứu.
3 Hình 1.2. Hệ thống kết cấu nổi (https://www.researchgate.net/figure/226306180_fig2_Fig-4-Components-of-a- pontoon-type-VLFS) Hình 1.3. Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka (http://www.mssa.org.my/site/index.php?option=com_content&view=article&id =172&Itemid=228 & http://db.flexibilni-architektura.cz/o/35) Ngày nay, các quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng đều mong muốn mở rộng khai thác các tiềm năng khổng lồ của đại dương. Do đó, việc nghiên cứu hệ thống kết cấu nổi là việc làm hết sức cấp thiết và quan trọng cần giải quyết.
4 1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết cấu nổi Kích thước điển hình cho kết cấu nổi siêu rộng (VLFS) thường khoảng 5km dài, và 1km rộng và chỉ có vài mét theo chiều sâu. Cho nên VLFS có kích thước theo phương ngang lớn hơn chiều dày rất nhiều, dẫn đến VLFS rất dễ uốn so với kết cấu ngoài khơi khác. Điều này được minh họa trong Hình 1.4. Dẫn đến sự biến dạng đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tâm cứng. Vì vậy, tương tác giữa chất lỏng và kết cấu hay còn gọi là hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử động lực học. Hình 1.4. Minh họa tính trường uốn tấm VLFS Và cho đến nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử hydroelastic của nhiều loại VLFS trong môi trường sóng biển. Từ bước phân tích đơn giản nhất là thực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùng chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với mô hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương. Về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép. Chúng được khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo phương ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng. Đồng thời, khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt
5 nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong một chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua . Trong quá trình phân tích, nước biển xung quanh được mô hình chất lỏng lý tưởng không xoáy, không nén và không nhớt và rộng vô hạn. Áp lực động lực học của nước tác dụng lên mặt ngoài của kết cấu bao gồm áp lực tĩnh do sự thay đổi độ sâu của phần chìm trong nước và áp lực động lực học của sóng. Áp lực tĩnh tỷ lệ với độ võng thẳng đứng được mô hình là lò xo đẩy nổi. Áp lực động lực học gây ra do sóng trở thành lực quán tính bằng “khối lượng nước kèm theo và lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng”. Bài toán động lực học chất lỏng được xem xét là bài toán sóng biển với điều kiện vùng chất lỏng có độ sâu hữu hạn và phương ngang vô hạn. Chất lỏng được giả thuyết là “chất lỏng lý tưởng”. Sau đó, các phương trình ràng buộc được chuyển thành các phương trình Laplace và điều kiện biển. Phương pháp để giải quyết bài toán tương tác giữa kết cấu và sóng biển được chia thành hai trường hợp. Trường hợp đơn giản, kết cấu có kích thước nhỏ không gây ra sóng phản hồi vì vậy kết quả hàm thế sóng biển cho mặt tự do sẽ được sử dụng để tính toán áp lực động tác dụng vào kết cấu. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến tính toán các giàn khoan nổi, tàu thủy... Trường hợp phức tạp hơn, những kết cấu có kích thước lớn sẽ tỏ ra ngang bướng trước tác động của sóng biển, sóng phản hồi từ kết cấu trở thành đại lượng đáng kể. Bài toán này được gọi là bài toán tương tác kép (coupled problem). Để giải quyết bài toán tương tác kép, người ta sử dụng phương pháp “miền tần số” và “miền thời gian”. Đa số các phân tích đều sử dụng phương pháp miền tần số vì tính toán đơn giản hơn. Phương pháp này cũng chia thành hai phương pháp: trực tiếp và tọa độ suy rộng trong phương pháp trực tiếp, phương trình dao động của hệ được giải trực tiếp bằng các phương pháp số. Tuy nhiên, các ma trận phương trình có kích cỡ lớn và những ma trận hằng số hết sức phức tạp. Điều này là do chiều dài sóng biển nhỏ hơn nhiều so với chiều dài kết cấu. Dẫn đến, kết cấu phải được chia nhỏ với một lượng lớn phần tử hữu hạn kéo theo thời gian tính toán sẽ rất lớn. Mặt khác, phân tích theo phương pháp tọa độ suy rộng bằng cách phân tách riêng lẻ việc phân tích động lực học chất lỏng và kết cấu giúp giảm kích thước của ma trận của phương