Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió theo mô hình bài toán không gian

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

86
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu lý thuyết tổng quan về nền san hô, tải trọng tác dụng, cơ sở xây dựng mô hình phân tích động lực học kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình bài toán không gian, kết cấu - nền san hô.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió theo mô hình bài toán không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Lê Hoàng Anh PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ THEO MÔ HÌNH BÀI TOÁN KHÔNG GIAN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62.52.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thái Chung Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm Phản biện 2: PGS.TS Trần Văn Liên Phản biện 3: PGS.TS Bùi Đức Chính Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 1756 /QĐ-HV, ngày 24 tháng 5 năm 2016 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi … giờ … ngày … tháng … năm 2016. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Việt Nam có vùng biển rộng lớn với diện tích thuộc chủ quyền, quyền chủ quyền, quyền tài phán khoảng 1.000.000 km², có chiều dài đường bờ biển khoảng 3.260km. Trên hệ thống đảo ven bờ, ngoài khơi như hai quần đảoTrường Sa, Hoàng Sa và rất nhiều các đảo lớn, nhỏ cùng các bãi cạn san hô đã xây dựng nhiều công trình phòng thủ khẳng định và bảo vệ chủ quyền biển nước ta. Ngày nay, với sự tranh chấp chủ quyền, đặc biệt chủ quyền biển đảo đang là vấn đề hết sức phức tạp đòi hỏi chúng ta phải có những giải pháp xây dựng, gia cố các công trình trong vùng lãnh hải của mình, trong đó công trình móng cọc hệ thanh như nhà giàn DKI, giàn khoan dầu khí là các công trình điển hình. Nhận thức rõ tầm quan trọng này, Đảng và Nhà nước ta đã có những quyết sách đúng đắn nhằm xây dựng các đảo thuộc quần đảo Trường Sa và vùng thềm lục địa trở thành những căn cứ quân sự, kinh tế vững chắc, có đủ khả năng đáp ứng tốt nhiệm vụ kinh tế, chính trị trước mắt và lâu dài. Do đó, nghiên cứu, phân tích động lực học của kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió, sử dụng mô hình không gian, hệ kết cấu - nền san hô làm việc đồng thời là vấn đề đến nay vẫn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án: - Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về nền san hô, tải trọng tác dụng, cơ sở xây dựng mô hình phân tích động lực học kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình bài toán không gian, kết cấu - nền san hô. - Sử dụng PP PTHH để xây dựng thuật toán và chương trình tính, khảo sát số, phân tích động lực học công trình, ảnh hưởng của một số yếu tố đến đáp ứng động của hệ kết cấu - nền. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định các bộ số liệu đáp ứng động của các hệ kết cấu - nền đồng thời làm cơ sở đánh giá mức độ phù hợp của phương pháp nghiên cứu.
2 3. Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của luận án: - Về kết cấu: Kết cấu công trình biển cố định hệ thanh không gian, cố định trên nền san hô (mô tả các công trình nhà giàn DKI) chịu tải trọng sóng biển và gió. - Về nền: Nền san hô khu vực quần đảo Trường Sa. - Về tải trọng: Tải trọng sóng biển được xác định theo lý thuyết sóng Airy, lý thuyết sóng Stoke và tải trọng gió là hàm của thời gian. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở phương pháp PTHH, lập trình tính toán, khảo sát hệ; đồng thời nghiên cứu thực nghiệm kết cấu công trình biển bằng mô hình ngoài thực địa và mô hình trong bể tạo sóng. 5. Câu trúc luận án: Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phân tích động lực học công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió. Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động của công trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió. Chương 4: Nghiên cứu phản ứng động của kết cấu hệ thanh mô phỏng công trình biển bằng thực nghiệm. Kết luận chung: Các kết quả chính; đóng góp mới của luận án và các kiến nghị nội dung cần tiếp tục nghiên cứu. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trình bày các kết quả nghiên cứu trong nước và ngoài nước về đặc điểm địa chất công trình và chỉ tiêu kỹ thuật của san hô và nền san hô; nghiên cứu tổng quan về công trình biển, tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển và tính toán công trình biển. Trên cở sở kết quả nghiên cứu từ những các công trình nghiên cứu đã công bố, các vấn đề cần tiếp tục nghiên và phát triển, tác giả luận án rút ra kết luận: - Nền san hô phân lớp, mỗi lớp là vật liệu đồng nhất đẳng hướng, có tính dòn, chỉ chịu nén, không chịu kéo, tính chất cơ lý vật liệu mỗi lớp nền là khác nhau, quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu tuyến tính.
3 - Công trình biển chịu điều kiện môi trường và tải trọng tác dụng phức tạp như: sóng biển, gió, lực thủy tĩnh, dòng chảy, động đất, tĩnh tải v.v, trong đó tải trọng sóng biển và gió thường được sử dụng tính toán. - Việc tính toán kết cấu công trình biển hệ thanh, sử dụng mô hình bài toán không gian, kết cấu và nền tương tác (cả lý thuyết và thực nghiệm) đến nay chỉ mới có một số rất ít công bố; cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn. CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ 2.1. Đặt vấn đề: Thiết lập thuật toán PTHH, xây dựng chương trình tính phân tích động lực học hệ kết cấu – nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, theo mô hình bài toán không gian, kết cấu và nền làm việc đồng thời. 2.2. Giới thiệu bài toán và các giả thiết - Sử dụng phương pháp PTHH để phân tích bài toán, xét hệ gồm công trình biển hệ thanh và miền nghiên cứu làm việc đồng thời, chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió (Hình 2.3). B0 Tai trong san cong tac P H4 Gio U win ( t ) h5 H3 h4 Song bien Coc chinh β H2 Coc phu h1 h 2 h 3 H1 H tt B tt Hình 2.3. Hình chiếu đứng của mô hình bài toán Sử dụng phần tử thanh (3D) mô hình hóa công trình; phần tử khối 3D mô hình hóa các lớp nền và khối gia tải; phần tử tiếp xúc 3D mô hình hóa lớp tiếp xúc giữa bề mặt cọc với nền.
4 2.3. Thiết lập các phương trình cơ bản của bài toán 2.3.1. Các quan hệ đối với phần tử thanh thuộc công trình 2.3.1.4. Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ 2.3.1.5. Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể 2.3.2. Các quan hệ đối với phần tử thuộc các lớp nền san hô 2.3.2.1. Các phương trình cơ bản của phần tử 2.3.2.2. Phương trình mô tả dao động của phần tử 2.3.3. Quan hệ đối với phần tử thuộc lớp tiếp xúc giữa thanh và nền san hô a, Phương pháp tuyến b, Phương tiếp tuyến Hình 2.7. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong PTTX Phần tử thanh 3D Nút cọc 1 2 4 3 PTTX a) Hình không gian b) Hình chiếu bằng Hình 2.8. Mô hình PTHH khu vực xung quanh cọc 2.3.4. Tải trọng sóng và gió tác dụng lên công trình 2.3.4.1. Tải trọng sóng tác dụng lên phần tử thanh: Sử dụng lý thuyết sóng Stoke bậc 2 [33], [73], [75] 2.3.4.2. Tải trọng gió tác dụng lên công trình: Áp lực gió lên kết cấu được xác định theo theo [49], [63] 2.4. Xây dựng phương trình mô tả dao động của hệ 2.4.1. Tập hợp ma trận và véc tơ toàn hệ Thực hiện theo chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014.
5 2.4.2. Phương trình mô tả dao động của hệ Phương trình dao động phi tuyến có dạng: [ M ]{q} + C ({q}) {q } +  K ({q}) {q} = {P} , (2.70) 2.5. Thuật toán PTHH phân tích động lực học của hệ kết cấu công trình biển và nền san hô - Phương trình (2.70) sau khi khử biên trở thành: {} {} q + C ({q})  q +  K ({q})  {q} = {P} . M  (2.71) - Giải phương trình (2.71) bằng PP tích phân trực tiếp Newmark kết hợp lặp Newton-Raphson [36], [70]. 2.6. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình Chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014 được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab và kiểm tra độ tin cậy: Bài toán so sánh 01: Phân tích bài toán dao động riêng của kết cấu như công trình nghiên cứu của các tác giả Mohamed Nour El-Din, Jinkoo Kim [59(2014)]. Kết quả so sánh 4 tần số riêng đầu tiên như sau: Tần số Phương pháp Sai số riêng Mohamed Nour El- 3DFRAME_CO (%) [Hz] Din, Jinkoo Kim [59] RAL_2014 f1 0,521 0,553 6,14 f2 1,887 1,993 5,61 f3 2,381 2,579 8,31 f4 3,704 3,982 7,51 Bài toán so sánh 02: Phân tích bài toán kết cấu công trình biển hệ thanh trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, với các số liệu kết cấu, nền và tải trọng như trong công trình của tác giả Nguyễn Văn Chình [7]. Bảng 2.4. So sánh giá trị lớn nhất của các đại lượng tính Tần số Phương pháp Sai số riêng Nguyễn Văn Chình 3DFRAME_CORAL_2014 (%) [Hz] (mô hình phẳng) (mô hình không gian) U max x 14,196 3,866 2,38 U max y 0,8972 0,8605 4,27
6 max U 1,2570 1,3216 4,89 x max U 0,0208 0,0215 3,26 y M Chinh z 3663,58 3518,16 4,13 M Phu z 6932,85 6725,94 3,08 2.6. Kết luận chương 2 Thiết lập phương trình mô tả dao động phi tuyến, thuật toán PTHH giải phương trình, xây dựng chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014 để phân tích động lực học của hệ kết cấu công trình biển hệ thanh không gian cố định - nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió... CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ 3.1. Đặt vấn đề : Khảo sát một số thông số đến sự làm việc của công trình DKI (có cọc phụ và khối gia tải). 3.2. Bài toán xuất phát: mô hình bài toán như trên hình 3.1 (hoặc 2.3) Thông số kết cấu: Các kích thước 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, góc nghiêng của cọc chính β = 80, tổng diện tích phần chắn gió quy đổi của sàn công tác là 12m2. Cọc chính có đường kính ngoài Dch=1,35m, chiều dày thành ống tch = 3,8cm; cọc phụ có đường kính ngoài Dph = 1,44m, chiều dày thành ống tph = 3,8cm; thanh xiên và thanh ngang có đường kính ngoài Dth = 0,711m, chiều dày thành ống tth = 2,54cm. Vật liệu giàn bằng thép, có E = 2,1×1011N/m2, ν = 0,3, ρ = 7850kg/m3, chiều sâu cọc trong nền san hô H1 = 20m [32]. Thông số tải trọng: sóng biển có chiều cao Hw = 16,56m, độ sâu nước dw = 20m, ρw = 1050kg/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, ρair = 1,225kg/m3.Tổng tải trọng của sàn công tác, thượng tầng và vật dụng trên sàn công tác quy đổi là P = 600 tấn. Giản đồ vận tốc gió U ( t ) như (1) win trên hình 3.2 [38].
7 GIAN DO VAN TOC GIO THEO THOI GIAN 50 45 40 Van toc Uw in(t) [m/s] 35 30 25 20 15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thoi gian t [s] Hình 3.2. Giản đồ vận tốc gió (1) U win ( t ) với (1) U max = 46,35m / s [38] Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu các lớp nền san hô [10], [11] Độ sâu Ef ρf Hệ số ma Tỷ số cản Lớp 2 νf 3 (m) (N/cm ) (kg/m ) sát fms ξ 1 2 2,83×104 0,22 2,55×103 0,21 5 3 2 10 2,19×10 0,25 2,60×10 0,32 0,05 3 20 2,03×106 0,22 2,95×103 0,33 4 50 2,71×105 0,25 2,00×103 0,35 Bài toán dao động riêng:Giải bài toán dao động riêng, nhận được 10 tần số riêng đầu tiên (Hz): f1 = 3,421, f2 = 3,550, f3 =4,738, f4 = 4,964, f5 = 5,029, f6 = 5,544, f7 = 5,640, f8 = 5,772, f9 = 5,872, f10 = 5,906. Bài toán dao động cưỡng bức:Giải bài toán với các thông số đã cho thông qua việc sử dụng chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014. Bảng 3.2. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và mô men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ Chuyển vị Vận tốc Gia tốc Mô men uốn chân cọc [Nm] [cm] [m/s] [m/s2] U max x max U x max U x M Chinh y M Phu y 5,794 0,353 2,395 11,904.105 3,504.106 Nhận xét: Gia tốc, chuyển vị lớn nhất tại đỉnh giàn thể hiện như bảng 3.2 là trong giới hạn cho phép mà con người hoạt động bình thường. Mômen uốn chân cọc phụ khá lớn, khẳng định tác dụng chịu lực của cọc phụ trong kết cấu.
8 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động của hệ 3.3.1. Ảnh hưởng của mô hình tính Khảo sát phản ứng động của hệ trên mô hình không tương tác và mô hình tương tác. 6 6 x 10 x 10 1 3 3 Tuong tac Tuong tac Tuong tac 0 Khong tuong tac Khong tuong tac 2 Khong tuong tac Momen uon My chan coc chinh [Nm] Momen uon My chan coc phu [Nm] 2 Chuyen vi U x tai dinh gian [cm] -1 1 1 -2 0 0 -3 -1 -1 -4 -2 -5 -2 -3 -6 -3 -4 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thoi gian t[s] Thoi gian t[s] Thoi gian t[s] Hình 3.8. Đáp ứng Ux Hình 3.11. Đáp ứng Hình 3.12. Đáp ứng tại đỉnh giàn My tại mặt cắt My tại mặt cắt chân cọc chính chân cọc phụ Bảng 3.3.Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và mô men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ (mô hình TT và KTT) Chuyển Vận tốc Gia tốc Mô men uốn chân cọc Mô hình vị [cm] [m/s] [m/s2] [Nm] tính max max max Chinh Phu Ux Ux Ux My My TT 5,794 0,353 2,395 11,904.105 3,504.106 KTT 5,618 0,375 2,762 26,710.105 3,131.106 Nhận xét:Khi tính theo mô hình không tương tác sẽ thiên về an toàn theo điều kiện bền, còn tính theo mô hình có tương tác sẽ thiên về an toàn theo điều kiện cứng. Khi tính toán, thiết kế các công trình biển trên nền san hô dưới tác dụng của tải trọng sóng và gió, cần phải quan tâm thêm đến điều kiện sử dụng công trình, do đó nên tính theo mô hình làm việc đồng thời của kết cấu và nền vì đây là mô hình tính phản ánh đầy đủ, sát thực sự làm việc của hệ. 3.3.2. Ảnh hưởng của dạng kết cấu Khảo sát 03 bài toán khác nhau tương ứng với 03 dạng kết cấu: bài toán cơ bản khi hệ giàn có cọc phụ và có khối bê tông gia tải (CCPCGT); hệ giàn có cọc phụ nhưng không có khối gia tải (CCPKGT); hệ giàn không có cọc phụ và không có khối gia tải (KCPKGT). Bảng 3.4.Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ tương ứng các dạng mô hình
9 Chuyển vị Vận tốc Gia tốc Mô men uốn chân cọc Dạng mô [cm] [m/s] [m/s2] [Nm] hình U max x max U x max U x M Chinh y M Phu y CCPCGT 5,794 0,353 2,395 11,904.105 3,504.106 CCPKGT 6,797 0,312 2,463 38,852.105 5,297.106 KCPKGT 8,689 0,459 3,305 58,052.105 --- 6 x 10 4 5 KCPKGT KCPKGT 4 CCPKGT CCPKGT Momen uon My chan coc chinh [Nm] 2 CCPCGT 3 CCPCGT Chuyen vi U x tai dinh gian [cm] 2 0 1 -2 0 -1 -4 -2 -3 -6 -4 -8 -5 -6 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thoi gian t[s] Thoi gian t[s] Hình 3.13. Đáp ứng Ux tại đỉnh Hình 3.16. Đáp ứng My tại mặt giàntheo thời gian cắt chân cọc chính theo thời gian Nhận xét: Việc sử dụng kết cấu có cọc phụ và có khối bê tông gia tải là sự lựa chọn hợp lý đảm bảo công trình làm việc tốt. 3.3.3. Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu 3.3.3.1. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc chính: Khảo sát các bài toán với mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính thay đổi từ 2,1×1010N/m2 đến 2,1×1011N/m2. max Bảng 3.5. Biến thiên giá trị U , U max , U max tại đỉnh giàn và M max x x x y tại chân cọc chính, cọc phụ theo mô đun đàn hồi Ech Ech×1010 2,10 5,88 9,66 13,44 17,22 21,00 [N/m2] U max x [cm] 31,913 13,954 10,489 8,939 6,919 5,794 max [m/s] 2,351 0,905 U 0,740 0,611 0,434 0,353 x max [m/s2] 13,754 6,567 U 5,398 3,911 2,707 2,395 x Cọc M max y 3,559.105 5,729.105 7,663.105 9,354.105 10,712.105 11,904.105 chính [Nm] Cọcphụ 5,313.106 4,649.106 4,233.106 4,012.106 3,723.106 3,504.106
10 5 6 x 10 x 10 40 16 6 tai dinh gian [cm] chan coc chinh [Nm] 14 chan coc phu [Nm] 35 5.5 30 12 5 10 25 8 4.5 m ax 20 ax m ax Chuyen vi ngang U x Momen uon M m y Momen uon My 6 15 4 4 10 3.5 2 5 0 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0 2 11 2 11 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Modul dan hoi vat lieu coc chinh Ech [N/m ] x 10 Modul dan hoi vat lieu coc chinh Ech [N/m ] x 10 2 11 Modul dan hoi vat lieu coc chinh Ech [N/m ] x 10 max max Hình 3.18. Đáp ứng Hình 3.21. Đáp ứng M y Hình 3.22. Đáp M y U max x và Ech m/c chân cọc chính và Ech m/c chân cọc phụ và Ech Nhận xét: Khi Ech tăng, chuyển vị lớn nhất ở đỉnh giàn giảm và mô men uốn lớn nhất tại mặt cắt chân cọc chính tăng, cả 2 sự biến thiên này thay đổi một cách phi tuyến. Trong bài toán đã xét, có thể lựa chọnvới mô đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính trong khoảng 1,344.1011N/cm2 đến 2,1.1011N/cm2, cho thiết kế là hợp lý. 3.3.3.2. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc phụ: Khảo sát các bài toán với mô đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ thay đổi từ 2,1×1010N/m2 đến 2,1×1011N/m2. Bảng 3.6. Biến thiên giá trị U max x , Ux , Ux max max tại đỉnh giàn và M max tại y chân cọc chính, cọc phụ theo mô đun đàn hồi Eph Eph×1010 2,10 5,88 9,66 13,44 17,22 21,00 [N/cm2] U max x [cm] 7,530 6.831 6,362 6,013 5,813 5,794 U max [m/s] 0,393 0,378 0,369 0,362 0,355 0,353 x max [m/s2] U 2,817 2,704 2,653 2,521 2,438 2,395 x Cọc Mmax 34,992.105 24,303.105 17,234.105 14,759.105 13,151.105 11,904.105 y chính [Nm] Cọcphụ 1,552.106 2,425.106 2,762.106 3,083.106 3,340.106 3,504.106 6 6 x 10 x 10 8 5 4 tai dinh gian [cm] 4.5 chan coc phu [Nm] chan coc phu [Nm] 3.5 7.5 4 3 3.5 7 ax 3 2.5 ax ax Chuyen vi ngang U m x Momen uon M m Momen uon M m y y 6.5 2.5 2 2 6 1.5 1.5 1 1 5.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Modul dan hoi vat lieu coc phu Eph [N/m2] 11 x 10 Modul dan hoi vat lieu coc phu Eph [N/m2] 11 x 10 2 11 Modul dan hoi vat lieu coc phu Eph [N/m ] x 10 max max Hình 3.23.Đáp ứng Hình 3.26. Đáp ứng M y Hình 3.27. Đáp ứng M y U max x và Eph m/c chân cọc chính và Eph m/c chân cọc phụ và Eph
11 3.3.4. Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc chính Khảo sát các bài toán với đường kính ngoài cọc chính Dch thay đổi từ 0,72m đến 1,50m (chiều dày thành ống cọc chính không đổi). 6 6 x 10 x 10 25 1.8 3.58 tai dinh gian [cm] 1.6 chan coc phu [Nm] chan coc phu [Nm] 3.56 20 1.4 3.54 1.2 15 3.52 m ax 1 m ax Chuyen vi ngang U x max Momen uon M y Momen uon M y 10 3.5 0.8 0.6 3.48 5 0.4 3.46 0 0.2 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m] max Hình 3.28. Đáp ứng Hình 3.31.Đáp ứng M y max Hình 3.32.Đáp ứng M y U max x và Dch m/c chân cọc chính và Dch m/c chân cọc phụ và Dch Bảng 3.7. Biến thiên giá trị U max max tại đỉnh giàn và M max max , U x , Ux x y tại chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dch cọc chính Dch [m] 0,72 0,87 1,03 1,19 1,35 1,50 U max x [cm] 18,156 11,947 8,988 7,458 5,794 5,247 max [m/s] 1,236 U 0,757 0,612 0,476 0,353 0,346 x max 2 U x [m/s ] 9,334 5,825 4,381 3,121 2,395 2,562 Cọc 5,332.105 7,368.105 9,426.105 10,874.105 11,904.105 13,431.105 max M chính y [Nm] Cọc 3,530.106 3,528.106 3,522.106 3,517.106 3,504.106 3,475.106 phụ Nhận xét: Khi đường kính ngoài Dch của cọc chính tăng lên thì mô men uốn tại chân cọc chính tăng lên nhưng chuyển vị tại đỉnh dàn giảm đáng kể. Trong bài toán đã xét, lựa chọn đường kính ngoài Dch của cọc chính trong khoảng 1,03m đến 1,50m là hợp lý. 3.3.5. Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc phụ Khảo sát các bài toán với đường kính ngoài cọc phụ Dph thay đổi từ 0,72m đến 1,44m (chiều dày thành ống cọc phụ không đổi). 6 6 x 10 x 10 8 3.5 tai dinh gian [cm] 3.5 chan coc phu [Nm] chan coc phu [Nm] 7.5 3 7 2.5 3 ax 6.5 2 Chuyen vi ngang U m m ax 2.5 x m ax My Momen uon M y Momen uon 6 1.5 2 5.5 1 1.5 0.5 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 5 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Duong kinh ngoai coc phu Dph [m] Duong kinh ngoai coc phu D ph [m] Duong kinh ngoai coc phu Dph [m] Hình 3.33. Đáp ứng Hình 3.36. Đáp ứng M max y Hình 3.37.Đáp ứng M max y U max x và Dph m/c chân cọc chính và Dph m/c chân cọc phụ và Dph
12 Bảng 3.8. Biến thiên giá trị U max , U max tại đỉnh giàn và M max tại max , U x x x y chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dph cọc phụ Dph [m] 0,72 0,87 1,03 1,19 1,32 1,44 U max x [cm] 7,328 7,102 6,379 6,012 5,820 5,794 max [m/s] U 0,458 0,396 0,382 0,371 0,364 0,353 x max 2 U x [m/s ] 2,959 2,818 2,614 2,567 2,468 2,395 Cọc 26,624.105 21,285.105 16,284.105 14,144.105 12,892.105 11,904.105 max M chính y [Nm] Cọc 1,870.106 2,352.106 2,436.106 2,859.106 3,216.106 3,504.106 phụ Nhận xét: Khi đường kính ngoài Dph của cọc phụ tăng lên thì mô men uốn tại chân cọc chính giảm và chuyển vị tại đỉnh dàn giảm. Lựa chọn đường kính ngoài Dph của cọc phụ từ 1,03m đến 1,44m là hợp lý. 3.3.6. Ảnh hưởng của lớp nền san hô Khảo sát hệ kết cấu và nền san hô với mô đun đàn hồi Ef2 của lớp nền thứ 2 thay đổi từ 1,0×108N/m2 đến 25,0×108N/m2. 6 6 x 10 x 10 8 1.5 4 1.4 3.8 tai dinh gian [cm] chan coc chinh [Nm] chan coc phu [Nm] 7.5 1.3 3.6 1.2 3.4 7 1.1 3.2 m ax 1 3 6.5 Chuyen vi ngang U x m ax m ax 0.9 Momen uon My Momen uon My 2.8 6 0.8 2.6 0.7 2.4 5.5 0.6 2.2 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 2 9 0 0.5 1 1.5 2 Modul dan hoi lop san ho thu 2 [N/m ] x 10 2 Modul dan hoi lop san ho thu 2 [N/m2] 9 9 x 10 Modul dan hoi lop san ho thu 2 [N/m ] x 10 max Hình 3.38. Đáp ứng Hình 3.41. Đáp ứng M Hình 3.42.Đáp ứng M max y y U max x và Ef2 m/c chân cọc chính và Ef2 m/c chân cọc phụ vàEf2 Bảng 3.9. Biến thiên giá trị U max max tại đỉnh giàn và M max max , U x , Ux x y tại chân cọc chính, cọc phụ theo Ef2 Ef2×108 [N/m2] 1,0 5,0 10,0 15,0 21,0 25,0 U max x [cm] 7,263 6,203 5,911 5,827 5,794 5,778 U max [m/s] 0,363 0,360 0,356 0,354 0,353 0,352 x max U [m/s2] 2,477 2,426x 2,415 2,407 2,395 2,389 Cọc M max y 6,972.105 10,451.105 11,334.105 11,656.105 11,904.105 11,977.105 chính [Nm] Cọcphụ 3,014.106 3,393.106 3,475.106 3,498.106 3,504.106 3,502.106
13 Nhận xét: Mô đun đàn hồi của lớp nền thứ hai Ef2 ảnh hưởng đến mô men uốn tại chân cọc chính, chân cọc phụ và chuyển vị ngang tại đỉnh giàn. Khi Ef2 tăng từ 1,0×108N/m2 đến 25,0×108N/m2, chuyển vị ngang tại đỉnh giàn giảm, mô men uốn tại chân cọc chính, chân cọc phụ tăng. 3.3.7. Ảnh hưởng của tải trọng 3.3.7.1. Ảnh hưởng của giản đồ vận tốc gió: Khảo sát bài toán trong các trường hợp giản đồ vận tốc gió thay đổi so với bài toán cơ bản 25%, 50%, 75% và 125%. 6 6 x 10 x 10 12 1.5 5 tai dinh gian [cm] chan coc chinh [Nm] 1.4 chan coc phu [Nm] 10 4.5 1.3 8 4 1.2 max 6 3.5 Chuyen vi ngang U x m ax m ax 1.1 Momen uon My Momen uon M y 4 3 1 2 2.5 0.9 0 0 25 50 75 100 125 0.8 2 Ty le [%] so voi gian do van toc BTCB 0 25 50 75 100 125 150 0 25 50 75 100 125 150 Ty le [%] so voi gian do van toc BTCB Ty le [%] so voi gian do van toc BTCB max Hình 3.43. Đáp ứng U x Hình 3.46. Đáp ứng M y max Hình 3.47.Đáp ứng M y max theo giản đồ vận tốc gió theo giản đồ vận tốc gió theo giản đồ vận tốc gió Bảng 3.10. Biến thiên giá trị U max max tại đỉnh giàn và M max max , U x , Ux x y tại chân cọc chính, cọc phụ khi thay đổi giản đồ vận tốc gió Uwin(t) [%] 25 50 75 100 125 (so với BTCB) U max x [cm] 1,538 2,898 4,338 5,794 7,250 U max [m/s] 0,094 0,180 0,266 0,353 0,437 x max U[m/s2] x 0,646 1,229 1,812 2,395 2,978 Cọc max 9,658.105 10,407.105 11,156.105 11,904.105 12,862.105 My chính [Nm] Cọc 2,271.106 2,644.106 3,074.106 3,504.106 4,075.106 phụ Nhận xét: Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương ngang tại đỉnh giàn và mô men uốn lớn nhất xuất hiện tại chân cọc chính, chân cọc phụ chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tải trọng gió; sự phụ thuộc này theo tỷ lệ thuận và gần đúng theo quy luật tuyến tính. 3.3.7.2. Ảnh hưởng của phương tải trọng gió: Khảo sát so sánh kết quả bài toán cơ bản(ψ = 0o) với trường hợp tải gió tác dụng xiên góc 45o với mặt bên của khối thượng tầng (ψ = 45o).
14 6 x 10 1 1.5 o anfa = 0 anfa = 0o 0 anfa = 45o anfa = 45 o Momen uon M y chan coc chinh [Nm] 1 Chuyen vi U x tai dinh gian [cm] -1 0.5 -2 0 -3 -0.5 -4 -5 -1 -6 -1.5 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Thoi gian t[s] Thoi gian t[s] Hình 3.48. Đáp ứng U max x Hình 3.51. Đáp ứng M max y o o (ψ = 0 và ψ = 45 ) (ψ = 0o và ψ = 45o) 6 -4 x 10 x 10 3 16 anfa = 0o anfa = 0o Goc xoay quanh truc z tai dinh gian [rad] 14 2 anfa = 45o anfa = 45o Momen uon My chan coc phu [Nm] 12 1 10 0 8 -1 6 4 -2 2 -3 0 -4 0 20 40 60 80 100 -2 0 20 40 60 80 100 Thoi gian t[s] Thoi gian t[s] max Hình 3.52. Đáp ứng M y Hình 3.53. Đáp ứng góc xoay (ψ = 0o và ψ = 45o) quanh trục z tại đỉnh giàn (ψ = 0o và ψ = 45o) Bảng 3.11.Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ (mô hình tương tác) Mô Chuyển Vận tốc Gia tốc Góc xoay Mô men uốn chân cọc hình vị [cm] [m/s] [m/s2] [rad] [Nm] tính U max max U max U θmax M Chinh y M Phu y x x x z ψ = 0o 5,794 0,353 2,395 0,00139 11,904.105 3,504.106 ψ = 45o 4,948 0,247 1,497 0,00142 14,002.105 1,830.106 Nhận xét: Khi gió tác dụng theo phương vuông góc với một mặt bên (ψ = 0o) thì giá trị lớn nhất U max max , U max đều cao hơn lần lượt x , Ux x gấp 1,17 lần, 1,4 lần và 1,6 lần so với các giá trị tương ứng khiψ = 45o. Khi ψ = 0olà trường hợp nguy hiểm nhất; giá trị M Chinh y tại chân cọc chính nhỏ hơn 15% và M Phu y tại chân cọc phụ cao hơn gần 20% so với trường hợp ψ = 45o, điều này chứng tỏ sự tham gia làm việc có hiệu quả của các cọc phụ. Khiψ = 0o, góc xoay vẫn xuất hiện là do có biến dạng của hệ, các thanh giằng ở đỉnh giàn bị cong, các điểm nút đỉnh giàn bị xoay đi.
15 3.3.7.3. Ảnh hưởng của chiều cao sóng biển: Khảo sát hệ kết cấu và nền trong điều kiện chiều cao sóng biển Hw thay đổi tương ứng với các giá trị Hw1 = 4,5m, Hw2 = 8,5m, Hw3 = 12,5m, Hw4 = 16,56, Hw5 = 20,5m. 6 6 x 10 x 10 5.86 2 5 5.85 1.8 tai dinh gian [cm] chan coc chinh [Nm] chan coc phu [Nm] 4.5 5.84 1.6 5.83 4 1.4 5.82 1.2 3.5 m ax 5.81 Chuyen vi ngang U x m ax 1 m ax 3 Momen uon My 5.8 Momen uon M y 0.8 5.79 2.5 0.6 5.78 2 5.77 0.4 5.76 0.2 1.5 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Chieu cao song Hw [m] Chieu cao song Hw [m] Chieu cao song H w [m] max max max Hình 3.54. Đáp ứng U x Hình 3.57. Đáp ứng M y Hình 3.58.Đáp ứng M y theo chiều cao sóng Hw theo chiều cao sóng Hw theo chiều cao sóng Hw Bảng 3.12. Biến thiên giá trị U max max tại đỉnh giàn và M max max , U x , Ux x y tại chân cọc chính, cọc phụ theo chiều cao sóng Hw Chiều cao 4,5 8,5 12,5 16,56 20,5 sóng Hw [m] U max x [cm] 5,775 5,781 5,782 5,794 5,820 max [m/s] 0,350 U 0,351 0,352 0,353 0,360 x max 2 U x [m/s ] 2,236 2,313 2,342 2,395 2,470 Cọc 5,721.105 7,293.105 9,369.105 11,904.105 15,683.105 max M chính y [Nm] Cọc 2,183.106 2,530.106 2,947.106 3,504.106 4,134.106 phụ Nhận xét: Trong các trường hợp khảo sát, giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương ngang tại đỉnh giàn và mô men uốn lớn nhất xuất hiện tại chân cọc chính, chân cọc phụ chịu ảnh hưởng đáng kể bởi tải trọng sóng; sự phụ thuộc này theo tỷ lệ thuận. 3.4. Kết luận chương 3 - Nghiên cứu bằng số trên các bài toán mô phỏng công trình biển hệ thanh và nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió với hai mô hình bài toán không gian khác nhau: mô hình kết cấu - nền không tương tác và mô hình kết cấu - nền tương tác. Xác định được phản ứng động của hệ và đưa ra được các nhận xét định tính có ý nghĩa thực tế cho việc
16 tính toán công trình biển trên nền san hô bằng các mô hình tính khác nhau chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió. - Khảo sát số cho hệ kết cấu - nền theo mô hình tương tác với các dạng kết cấu có cọc phụ, có khối gia tải; có cọc phụ, không có khối gia tải; không có cọc phụ, không có khối gia tải. Kết quả cho thấy hiệu quả của phương án kết cấu có 4 cọc chính, 8 cọc phụ và 8 khối gia tải. - Khảo sát đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố (kết cấu, nền, tải trọng...) đến phản ứng động của hệ. Các nhận xét có tính định lượng có thể làm cơ sở cho việc định hướng trong tính toán, thiết kế và thi công công trình biển hệ thanh chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió. CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU HỆ THANH MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH BIỂN BẰNG THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích thí nghiệm Nội dung 1: Thí nghiệm tại bể tạo sóng, xác định đáp ứng động của hệ liên hợp giàn thép không gian mô phỏng một dạng công trình biển DKI, trong đó liên kết giữa mô hình và đáy bể coi như ngàm cứng, sóng có dạng hình sin. Nội dung 2: Thí nghiệm hiện trường tại bãi cạn ven đảo Song Tử Tây, xác định đáp ứng động của hệ liên hợp giàn thép - bể chứa trên nền san hô chịu tác dụng của xung lực va chạm. 4.2. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm 4.2.1. Mô hình thí nghiệm • Đối với thí nghiệm 1: Hệ được cấu tạo bởi phần mô phỏng khung nhà giàn là khung bằng thép như hình 4.1. • Đối với thí nghiệm 2: Mô hình sử dụng trong thí nghiệm là hệ liên hợp giàn thép không gian, liên kết với phần thượng tầng là bể có khả năng chứa chất lỏng hình 4.2. Hình 4.1. Mô hình thí nghiệm Hình 4.2. Mô hình thí nghiệm tại bểtạo sóng tại bãi cạn đảo Song Tử Tây
17 4.2.2. Thiết bị thí nghiệm 4.2.2.1. Các thiết bị gây tải: • Đối với thí nghiệm 1: Tạo tải bằng hệ thống gây sóng trong bể tạo sóng; phần mềm tạo sóng Wave Synthesizer 2.6 của Đan Mạch, dạng sóng hình sin: chiều cao sóng lớn nhất hmax=0,4m, chu kỳ Tp=1s÷5s. • Đối với thí nghiệm 2: Thiết bị gây tải dùng trong trường hợp này là búa lực PCB Piezotronics của Mỹ, búa được kết nối với bộ xử lý lực của hệ thống đo động LMS. 4.2.2.2. Thiết bị cảm biến gia tốc, biến dạng: Dùng cảm biến gia tốc và cảm biến điện trở (hình 4.3) để xác định đáp ứng biến dạng và gia tốc tại điểm đo trên kết cấu. a. Cảm biến gia tốc b. Tấm điện trở đo biến dạng Hình 4.3. Cảm biến gia tốc 4.2.2.3. Máy đo dao động: Máy đo động sử dụng loại LMS cung cấp bởi hãng LMS được sản xuất năm 2010 tại Bỉ Hình 4.4. Hệ thống đo động LMS và màn hình làm việc của máy 4.3. Phương pháp xác định gia tốc, biến dạng của kết cấu - Để đo gia tốc dao động tại vị trí nào đó của kết cấu, ta tiến hành gắn đầu đo gia tốc cố định tại điểm cần đo, phương trục đầu đo trùng với phương cần đo gia tốc như hình 4.5. - Để đo biến dạng tại một điểm thuộc kết cấu, gắn tấm điện trở lên bề mặt của kết cấu, theo phương cần đo biến dạng như hình 4.6. Hình 4.5. Định vị gia tốc, hướng Hình 4.6. Gắn tấm điện trở đo biến đầu đo theo phương OX dạng theo phương trục cọc chính
18 4.4. Cơ sở phân tích và xử lý số liệu thí nghiệm - Số lần thí nghiệm mỗi chỉ tiêu là 10 lần. - Xử lý các số liệu thống kê, kết quả là các đồ thị đáp ứng về gia tốc, biến dạng theo thời gian, đáp ứng biên độ - tần số và theo đó có được các giá trị lớn nhất của các đại lượng đo. 4.5. Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm 4.5.2. Thí nghiệm xác định đáp ứng động của hệ giàn thép không gian mô phỏng một dạng công trình biển DKI tại bể tạo sóng 4.5.2.1. Mô tả thí nghiệm: - Thí nghiệm được thực hiện tại bể tạo sóng thuộc phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia - Viện Khoa học Thủy lợi. - Chân của các cọc chính và cọc váy được định vị chặt với sàn bể bằng mặt bích và bu lông. Tại vị trí chân cột chính (điểm D1 gần ngàm) tiến hành gắn tấm điện trở đo đáp ứng biến dạng và tại các tầng 1,2,3 của giàn tương ứng là điểm D2, D3, D4 (từ cao xuống thấp) gắn đầu đo gia tốc theo phương OX theo thời gian. - Tải trọng sóng sinh ra trong bể tác động trực tiếp lên kết cấu, sóng do máy tạo ra là sóng hình sin. 4.5.2.2. Thí nghiệm và kết quả: Chiều cao sóng 20cm, chu kỳ T=5s, mực nước tĩnh h= 40cm. Bằng chương trình tính 3D_FRAME_CORAL_2014 phân tích bài toán, với thời gian tính tcal = 800s, bước thời gian tích phân ∆t = 1,0s, kết quả được so sánh với thực nghiệm về đáp ứng gia tốc tại các điểm đo D2, D3 và đáp ứng biên độ - tần số 0.8 0.6 1.25 Ly thuyet Ly thuyet 0.6 Thuc nghiem Thuc nghiem 0.4 0.4 1 0.2 0.2 Gia toc a[m/s2] Gia toc a[m/s2] 0.75 Bien do 0 0 -0.2 -0.2 0.5 -0.4 -0.4 -0.6 0.25 -0.6 -0.8 -1 -0.8 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Thoi gian t[s] Thoi gian t[s] Tan so f[Hz] a. Tại điểm D2 b. Tại điểm D3 Hình 4.12. Đáp ứng gia tốc Hình 4.13. Đáp ứng tại các điểm đo biên độ - tần số