Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng tải trọng tập trung di động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của đề tài nhằm khảo sát ứng xử chuyển vị của tấm nổi dưới sự ảnh hưởng do tốc độ di chuyển của tải trọng, khối lượng tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng tấm nổi bằng phương pháp kết hợp phần tử biên và phần tử hữu hạn (BEM-FEM) để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi chịu tải tập trung di động.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng tải trọng tập trung di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THÀNH AN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP TRUNG DI ĐỘNG 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 4 năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THÀNH AN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP TRUNG DI ĐỘNG 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 4 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Lương Văn Hải (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 4 tháng 10 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS. Khổng Trọng Toàn Chủ tịch 2 TS. Đào Đình nhân Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Văn Giang Phản biện 2 4 TS. Nguyễn Hồng Ân Ủy viên 5 TS. Trần Tuấn Nam 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 LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thành An Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1992 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp MSHV: 1541870001 I- Tên đề tài: Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng tải trọng tập trung di động II- Nhiệm vụ và nội dung: • Xây dựng thuật toán, code Matlab. • Kiểm chứng chương trình. • Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi vận tốc. • Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi độ lớn tải trọng. • Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi độ sâu đáy biển. • Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi chiều dày tấm. • Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi chiều rộng tấm. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. LƯƠNG VĂN HẢI ............................................................................................................................................ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
i 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… Ðó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học. Ðể 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 đành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó. Ðầu 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 Công trình Dân dụng và Công nghiệp Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM-HUTECH 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 5 tháng 4 năm 2017 Nguyễn Thành An
ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Cùng với phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu về chổ ở của con người ngày càng tăng do đó ngày càng nhiều dự án lấn biển đã được triển khai. 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 (VLFS - Very Large Floating Structures). Hiện nay các hệ thống kết cấu nổi hiện đại đã và đang được các quốc gia trên thế giới xúc tiến xây dựng, tiêu biểu như các nước Nhật Bản, Ý, Pháp, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc…Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về vấn đề trên tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ tập trung phân tích, khảo sát kết cấu tấm nổi có kích thước nhỏ, chưa đúng với thực tế, sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, độ sâu đáy biển, tải trọng, chiều dày, chiều rộng đối với ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi vẫn chưa được nghiên cứu khảo sát làm rõ. Do đó luận văn được thực hiện với mục đích: • Tập trung phân tích khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi lớn chịu tải tập trung di động dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày, chiều rộng kết cấu nổi vì đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự chuyển vị của kết cấu nổi, bằng phương pháp kết hợp phần tử biên (BEM) và phần tử hữu hạn (FEM). • Ngoài ra, cách thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho hệ kết cấu nổi sẽ được trình bày trong luận văn.
iii ABSTRACT Along with the development of the economy, the demand for human housing has increased, so more and more land reclamation projects have been launched. However, this solution is suitable for not too deep (depths less than 20m). For deep water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical difficulties, even impossible. In addition, land reclamation projects have negatively impacted the country's environment, underground ecosystems, and coastlines with its neighbors. To solve this problem, researchers and engineers have proposed a more efficient alternative, namely the construction of a Very Large Floating Structures (VLFS). Currently, modern floating structures have been promoted by countries in the world, such as Japan, Italy, France, USA, China and South Korea. Some studies on this issue, however, these studies focus on investigating the small size of the structure is not true, the effect of the velocity of the load, the depth of the sea, the change. The load, thickness, width of floating structure for displacement behavior of floating sheet has not been studied for clarification. Therefore the dissertation was conducted with the purpose of: • Focus on the behavioral survey of large mobile floating structures under the effect of velocity of load, depth of the seabed, load change, thickness, width of floating structure. Because this is one of the important factors affecting the displacement of floating structures by Boundary Element Method (BEM) and Finite Element Method (FEM). • In addition, the establishment of mass matrices, stiffness matrices and constraints matrix for the structural system will be presented in the thesis.
iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thành An
v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii ABSTRACT ........................................................................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... iv MỤC LỤC .............................................................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ x MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................. xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 1 1.1 Giới thiệu.................................................................................................... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 4 1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước ............................................. 4 1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước .............................................. 5 1.3 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 6 1.4 Hướng nghiên cứu ...................................................................................... 6 1.5 Cấu trúc luận văn ........................................................................................ 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 8 2.1 Mô hình tấm và chất lỏng ........................................................................... 8 2.2 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn .................................................................. 9 2.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm................................................. 11 2.4 Hệ tọa độ địa phương phần tử tham số tham chiếu Q9 ............................... 14 2.5 Phương pháp tích phân biên ...................................................................... 17 2.6 Phần tử tấm 4 nút ...................................................................................... 19 2.7 Phương trình chuyển động chất lỏng miền thời gian ................................. 20 2.8 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng ....................... 21 2.9 Ma trận FEM của tấm trong miền thời gian............................................... 23
vi 2.10 Xấp xỉ miền thời gian ............................................................................... 23 2.11 Giải hệ phương trình tương tác ................................................................. 23 2.12 Phương pháp Newmark ............................................................................ 25 2.13 Lưu đồ tính toán ....................................................................................... 27 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ .......................................................... 28 3.1 Kiểm chứng code lập trình Matlab và so sánh kết quả tính toán với mô hình thí nghiệm của Endo và Yago (1999) [1]........................................... 30 3.2 Bài toán 1: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi vận tốc ......................... 36 3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi độ lớn tải trọng ............ 46 3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi độ sâu đáy biển ............ 49 3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày kết cấu .............. 55 3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi chiều rộng kết cấu ........ 60 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 66 4.1 Kết luận .................................................................................................... 66 4.2 Kiến nghị .................................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 68 PHỤ LỤC.............................................................................................................. 70 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................... 79
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sân bay nổi vịnh Tokyo & Cầu nổi Yumemai-Maishima ở Osaka ........ 1 Hình 1.2. Đảo nổi trên sông hàn ........................................................................... 2 Hình 1.3. Minh họa tính trường uốn VLFS ........................................................... 3 Hình 2.1. Mô phỏng mô hình kết cấu nổi .............................................................. 9 Hình 2.2. Mô hình tấm dày Mindlin ................................................................... 10 Hình 2.3. Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ địa phương ................................... 15 Hình 2.4. Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ tự nhiên ......................................... 15 Hình 2.5. Miền khảo sát và mặt biên tròn, nữa đường tròn [17] .......................... 18 Hình 2.6. Panel 4 nút .......................................................................................... 20 Hình 2.7. Lưu đồ tính toán.................................................................................. 27 Hình 3.1. Mô hình tải di động trên kết cấu nổi .................................................... 29 Hình 3.2. Mô hình thí nghiệm VF-10 ................................................................. 31 Hình 3.3. Lưới FEM mô hình tấm nổi VF-10 ..................................................... 31 Hình 3.4. Hệ tọa độ và lưới BEM mô hình tấm nổi VF-10 .................................. 31 Hình 3.5. Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 1.85s ................................. 33 Hình 3.6. Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 3.65s ................................. 33 Hình 3.7. Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 5.5s ................................... 34 Hình 3.8. Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 7.3s ................................... 34 Hình 3.9. Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 9.4s ................................... 35 Hình 3.10. So sánh chuyển vị tấm tại Z1, Z5, Z9 với mô hình thí nghiệm VF- 10........................................................................................................ 36 Hình 3.11. So sánh hình dạng chuyển vị wmax của tấm ứng với giá trị V thay đổi ...................................................................................................... 37 Hình 3.12. Chuyển vị tấm ứng với vận tốc V1= 20 km/h khi tải tại điểm Z5 .......... 38 Hình 3.13. Chuyển vị tấm với vận tốc V2= 40 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 38 Hình 3.14. Chuyển vị tấm với vận tốc V3= 60 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 38
viii Hình 3.15. Chuyển vị tấm với vận tốc V4= 80 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 39 Hình 3.16. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V1= 20 km/h ........................ 39 Hình 3.17. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V2= 40 km/h ........................ 40 Hình 3.18. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V3= 60 km/h ........................ 40 Hình 3.19. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V4= 80 km/h ........................ 41 Hình 3.20. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi vận tốc V ............... 43 Hình 3.21. Chuyển vị của tấm chịu tải trọng di động trên nền đàn nhớt [17]......... 45 Hình 3.22. Phối cảnh 3D chuyển vị của tấm trên nền đàn nhớt [17] ...................... 45 Hình 3.23. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các tải trọng P ......................................................................................................... 47 Hình 3.24. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P1=15 kN khi tải tại điểm Z5 ............ 47 Hình 3.25. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P2= 30 kN khi tải tại điểm Z5 ........... 47 Hình 3.26. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P3=45 kN khi tải tại điểm Z5 ............ 48 Hình 3.27. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P4= 60 kN khi tải tại điểm Z5 ........... 48 Hình 3.28. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi tải trọng P .............. 48 Hình 3.29. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H .... 50 Hình 3.30. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H1=10 m ...................................... 51 Hình 3.31. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H1= 10 m khi tải tại điểm Z5 ......... 51 Hình 3.32. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H2= 20 m ..................................... 51 Hình 3.33. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H2= 20 m khi tải tại điểm Z5 ......... 52 Hình 3.34. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H3= 30 m ..................................... 52 Hình 3.35. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H3= 30 m khi tải tại điểm Z5 ......... 52 Hình 3.36. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H4= 40 m ..................................... 53 Hình 3.37. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H4= 40 m khi tải tại điểm Z5 ......... 53 Hình 3.38. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi độ sâu H ................ 53 Hình 3.39. Ứng xử của dầm nổi theo thời gian ứng với độ sâu khác nhau [16] ..... 54 Hình 3.40. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các bề dày h ..... 56 Hình 3.41. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h1=1 m khi tải tại điểm Z5 ................... 56 Hình 3.42. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h2=2 m khi tải tại điểm Z5 ................... 57
ix Hình 3.43. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h3= 3 m khi tải tại điểm Z5 .................. 57 Hình 3.44. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h4=4 m khi tải tại điểm Z5 ................... 57 Hình 3.45. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi bề dày h ................. 59 Hình 3.46. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các chiều rộng B ................................................................................................. 61 Hình 3.47. Chia lưới FEM phần tử tấm B1=30 m .................................................. 61 Hình 3.48. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B1=30 m khi tải tại điểm Z5........... 61 Hình 3.49. Chia lưới FEM phần tử tấm B2= 60 m ................................................. 61 Hình 3.50. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B2= 60 m khi tải tại điểm Z5.......... 62 Hình 3.51. Chia lưới FEM phần tử tấm B4= 90 m ................................................. 62 Hình 3.52. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B4= 90 m khi tải tại điểm Z5.......... 62 Hình 3.53. Chia lưới FEM phần tử tấm B5= 120 m ............................................... 63 Hình 3.54. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B5= 3 m khi tải tại điểm Z5 ........... 63 Hình 3.55. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi chiều rộng B .......... 64
x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Thông số đầu vào của bài khảo sát ...................................................... 28 Bảng 3.2. Bảng thông số mô hình VF-10 ............................................................ 30 Bảng 3.3. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị V1, V2, V3, V4 ........ 37 Bảng 3.4. Sự biến thiên giá trị wmax với vận tốc V từ 20 km/h đến 100 km/h ........ 42 Bảng 3.5. Bảng thông số tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di động [17] .... 44 Bảng 3.6. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị P1, P2, P3, P4 ........ 46 Bảng 3.7. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị H1, H2, H3, H4 ...... 50 Bảng 3.8. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị h1, h2, h3, h4.......... 55 Bảng 3.9. Sự biến thiên giá trị wmax với bề dày h từ 1 m đến 10 m ....................... 58 Bảng 3.10. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị B1, B2, B3, B4 ........ 60 Bảng 3.11. Sự biến thiên giá trị wmax với chiều rộng B từ 15 m đến 120 m ............ 64
xi MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt VLFS Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) BEM Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method) Q9 Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element) Ma trận và Véctơ U Véctơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của kết cấu tấm κ Véctơ độ cong Bb Ma trận biến dạng uốn Bs Ma trận biến dạng cắt J Ma trận Jacobi M Ma trận khối luợng tổng thể K Ma trận độ cứng tổng thể C Ma trận cản tổng thể F Véctơ tải trọng tổng thể của hệ Me Ma trận khối luợng phần tử Ce Ma trận cản phần tử Ke Ma trận độ cứng phần tử Fe Ma trận tải trọng tổng thể của hệ phần tử Keff Ma trận độ cứng hiệu dụng Meff Ma trận khối luợng hiệu dụng Kg Ma trận cứng đẩy nổi Ký hiệu L Chiều dài tấm theo phương x B Chiều dài tấm theo phương y E Module đàn hồi của vật liệu
xii G Module chống cắt đàn hồi của vật liệu v Hệ số poisson của vật liệu ρ Trọng luợng riêng của vật liệu h Chiều dày tấm 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,z V Vận tốc của tải trọng di động t Thời gian H Độ sâu b Đáy biển sh Mặt bên kết cấu tấm nổi sv Mặt đáy kết cấu tấm nổi f Mặt thoáng chất lỏng ∞ Chiều mặt chất lỏng ở vô cực m Khối lượng riêng tương đương d Phần chìm trong nước T Chu kì sóng λ Bước sóng
Tổng quan 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Kết cấu nổi VLFS (Very Large Floating Structures) là hệ thống nổi trên biển nhờ tận dụng lực đẩy nổi của nước biển. Hệ thống kết cấu nổi có nhiều ưu điểm so với các kết cấu khác như: ứng dụng tốt cho vùng nước sâu, thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường, thời gian thi công nhanh, dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ, không bị ảnh hưởng của động đất, tận dụng được lực đẩy nổi của biển, không chịu ảnh hưởng của hiện tượng ấm lên toàn cầu. Chính vì những ưu điểm đó mà ngày nay, kết cấu nổi đã được ứng dụng khá nhiều vào thực tiễn như sân bay nổi ở vịnh Tokyo, cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka (Hình 1.1) hay đảo nổi trên sông Hàn (Hình 1.2). Hình 1.1. Sân bay nổi vịnh Tokyo & Cầu nổi Yumemai-Maishima ở Osaka (http://www.abovetopsecret.com/forum/thread578035/pg & http://db.flexibilni- architektura.cz/o/35)
Tổng quan 2 Hình 1.2. Đảo nổi trên sông hàn (http://news.zing.vn/dao-nhan-tao-lon-nhat-the-gioi-tai-seoul-post267978.html) Kết cấu tấm nổi có kích thước rộng thường khoảng 5 km dài, l km rộng và chỉ có vài mét theo độ sâu. Nên kết cấu tấm nổi có kích thước theo phương ngang lớn hơn bề dày rất nhiều, do đó kết cấu tấm nổi rất dễ uốn so với kết cấu ngoài khơi khác (Hình 1.3), dẫn đến sự biến dạng đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tấm cứng. Vì vậy, tương tác giữa áp lực thủy động lực học và biến dạng đàn hồi hay còn gọi là Hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử động lực học.Và cho đến nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử Hydroelastic. 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 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.
Tổng quan 3 Hình 1.3. Minh họa tính trường uốn VLFS Chính vì các đặc điểm trên mà phân tích động lực học kết cấu tấm nổi nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới, tiêu biểu năm Endo và Yago (1999) [1] tiến hành thí nghiệm và đo đạc chuyển vị của mô hình VF-10 (mô hình thí nghiệm VF-10 tại biển của Viện Nghiện Cứu Kỹ Thuật Mega- Float, VF-10 là Pon-toon có dạng tấm chữ nhật, được thiết kế tương tự với MF-300 theo quy luật bản sao với một trọng lượng 69 kN di động) đưa ra biểu đồ ứng xử chuyển vị theo thời gian của mô hình, đây là một dữ liệu thực tế, quan trọng để nghiên cứu các vấn đề kết cấu tấm nổi. Tuy nhiên nghiên cứu này vẫn còn hạn chế như kích thước và tải trọng tác dụng vào mô hình chưa đúng thực tế, chưa kiểm chứng khảo sát ứng xử của kết cấu nổi khi áp dụng vào thực tế dưới sự ảnh hưởng của vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi... Do đó, luận văn này được thực hiện với mục đích nghiên cứu khảo sát làm rõ thêm các vấn đề về ứng xử chuyển vị của kết cấu nổi khi chịu tải tập trung di động với kích thước, tải trọng thực tế và ứng xử kết cấu khi thay đổi các điều kiện như tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi. Sử dụng phương pháp kết hợp BEM-FEM (Boundary Element Method- Finite Element Method) để khảo sát ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi.
Tổng quan 4 1.2 Tình hình nghiên cứu Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp số được thiết lập để tính toán và phân tích ứng xử động của kết cấu tấm nổi chịu tác động của tải trọng di động. 1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm chịu tải di động có thể kể đến Stoke (1849) [2] nghiên cứu về một phương trình vi phân liên quan đến sự phá vỡ của các cây cầu đường sắt vào thế kỉ 19 và ứng dụng của nghiên cứu này vẫn rất hiệu quả trong việc tính toán thiết kế lòng đường, cầu cho xe lửa băng qua. Mathews (1958) [3], (1959) [4] với nghiên cứu rung động của dầm trên nền đàn hồi đã giải quyết vấn đề động lực của một tải bất kì khi tải trọng di chuyển dọc theo một dầm có chiều dài vô hạn tựa trên một nền đàn hồi bằng phương pháp biến đổi Fourier. Timoshenko (1974) [5] nghiên cứu vấn đề rung động trong kỹ thuật, đã giải phương trình vi phân tổng quát trong miền thời gian cho một dầm đơn giản chịu tác dụng của tải di động bằng phương pháp chồng chất. Cai và cộng sự (1988) [6] nghiên cứu phản ứng động của dầm dưới một lực chuyển động, cũng sử dụng phương pháp chồng chất để giải quyết bài toán tải di động trên một dầm đồng nhất, vô hạn trên con lăn hỗ trợ tuần hoàn. Chen và Huang (2000) [7] nghiên cứu độ cứng động học của dầm Timoshenko vô hạn trên nền tảng có khả năng chống dính trong chuyển động phối hợp, đã xét tải trọng không đổi di chuyển với vận tốc dọc theo một dầm Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ứng xử kết cấu nổi có thể kể đến nghiên cứu của Yoshida và Weaver (1971) [8] đã phân tích phần tử hữu hạn của dầm và tấm với tải di động, nghiên cứu này đã dùng phương pháp FEM để phân tích dầm và tấm tựa đơn chịu tải trọng chuyển động và khối lượng chuyển động. Trong nghiên cứu này, khối lượng chuyển động được mô hình hóa để phân tích sự tương tác giữa mặt đường và sự chuyển động xe. Wu và cộng sự (1987) [9] phân tích động lực học của một tấm phẳng theo một tải di chuyển bằng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phản ứng động của kết cấu tấm với các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tấm như chiều dài tấm, gia tốc và vận tốc ban đầu