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 (TT)

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
P

H4

Tai trong san cong tac

h4

h5

U win ( t )

H3

Gio

Song bien

Coc chinh

H2

β

H tt

H1

h1 h 2 h 3

Coc phu

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

1

2

4

3

Nút cọc

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:
M  q + C ({q})  q +  K ({q})  {q} = {P} .
(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:
Phương pháp
Tần số
Sai số
riêng
Mohamed Nour El3DFRAME_CO
(%)
[Hz]
Din, Jinkoo Kim [59]
RAL_2014

0,521
0,553
6,14
f1
1,887
1,993
5,61
f2
2,381
2,579
8,31
f3
3,704
3,982
7,51
f4

{}

{}

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
Phương pháp
Tần số
Sai số
riêng

Nguyễn Văn Chình 3DFRAME_CORAL_2014
(%)
[Hz]
(mô hình phẳng)
(mô hình không gian)
U max
14,196
3,866
2,38
x

U max
y

0,8972

0,8605

4,27


6

U max
x

1,2570

1,3216

4,89

U max
y

0,0208

0,0215

3,26

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

Van toc Uw in(t) [m/s]

40

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]
Hệ số ma Tỷ số cản
Độ sâu
Ef
ρf
Lớp
νf
2
3
ξ
sát fms
(m)
(N/cm )
(kg/m )
0,21
1
2
2,83×104 0,22 2,55×103
5
3
2
10
0,32
2,19×10 0,25 2,60×10
0,05
3
20
0,33
2,03×106 0,22 2,95×103
4

50
0,35
2,71×105 0,25 2,00×103
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]
M Chinh
M Phu
U max
U max
U max
y
y
x
x
x
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

3

Chuyen vi U x tai dinh gian [cm]

0

Momen uon My chan coc chinh [Nm]

Tuong tac
Khong tuong tac

-1
-2
-3
-4
-5
-6
0

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

100

6

x 10

3

Tuong tac
Khong tuong tac
Momen uon My chan coc phu [Nm]

1

2

1

0

-1

-2

-3
0

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

x 10

1
0
-1
-2
-3
-4
0

100

Tuong tac
Khong tuong tac

2

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

100

Hình 3.8. Đáp ứng Ux
tại đỉnh giàn

Hình 3.12. Đáp ứng
Hình 3.11. Đáp ứng
My tại mặt cắt
My tại mặt cắt
chân cọc phụ
chân cọc chính
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
Chinh
Phu
max
max
Ux

TT
KTT

5,794
5,618

Ux

0,353
0,375

Ux

2,395
2,762

My

My

11,904.105 3,504.106
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

Dạng mô
hình
CCPCGT
CCPKGT
KCPKGT

Chuyển vị
[cm]

Vận tốc
[m/s]

Gia tốc Mô men uốn chân cọc
[m/s2]
[Nm]

U max
x

U max
x

U max
x

5,794
6,797
8,689

0,353
0,312
0,459

2,395
2,463
3,305

M Chinh

y

M Phu
y

11,904.105 3,504.106
38,852.105 5,297.106
58,052.105
--6

4

5

KCPKGT
CCPKGT
CCPCGT

0

-2

-4

-6

3
2
1
0

-1
-2
-3
-4
-5

-8
0

KCPKGT
CCPKGT
CCPCGT

4
Momen uon My chan coc chinh [Nm]

Chuyen vi U x tai dinh gian [cm]

2

x 10

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

-6
0

100

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

100

Hình 3.16. Đáp ứng My tại mặt
Hình 3.13. Đáp ứng Ux tại đỉnh
cắt chân cọc chính theo thời gian
giàntheo 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

max
max
max

Bảng 3.5. Biến thiên giá trị U x , U x , U x tại đỉnh giàn và M 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]
31,913 13,954 10,489 8,939
6,919
5,794
U max
x [cm]

U max
[m/s]
x

2,351

0,905

0,740

0,611

0,434

0,353

2
6,567
5,398
3,911
2,707
2,395
U max
x [m/s ] 13,754
Cọc
M max
3,559.105 5,729.105 7,663.105 9,354.105 10,712.105 11,904.105
y
chính
[Nm] Cọcphụ 5,313.106 4,649.106 4,233.106 4,012.106 3,723.106 3,504.106


10
6

5

16

30
25

m ax

20
15
10

x 10

6

14

ax
Momen uon M m
chan coc phu [Nm]
y

chan coc chinh [Nm]

35

Momen uon My

Chuyen vi ngang U x

m ax

tai dinh gian [cm]

40

12

10
8
6
4
2

x 10

5.5

5

4.5

4

3.5

5
0
0.2

0
0.2

0.4

0.6
0.8
1

1.2 1.4 1.6
1.8
2
Modul dan hoi vat lieu coc chinh Ech [N/m ]

2

2.2

0.4

0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Modul dan hoi vat lieu coc chinh Ech [N/m ]

2

3
0.2

2.2

0.4

11

x 10

0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Modul dan hoi vat lieu coc chinh Ech [N/m ]

2

2.2
11

x 10

11

x 10

max
max
Hình 3.22. Đáp M y
Hình 3.18. Đáp ứng Hình 3.21. Đáp ứng M y
và Ech

U max
m/c chân cọc chính và Ech m/c chân cọc phụ và Ech
x
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.
max
max
Bảng 3.6. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M max
tại
x , Ux , Ux
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
7,530

6.831
6,362
6,013
5,813
5,794
x [cm]
[m/s]
U max
0,393
0,378
0,369
0,362
0,355
0,353
x
2
U max
2,817
2,704
2,653
2,521
2,438
2,395
x [m/s ]
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

5

7.5

7

6.5

6

5.5
0.2

x 10

4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8
2

Modul dan hoi vat lieu coc phu Eph [N/m ]

2

2.2
11

x 10

Hình 3.23.Đáp ứng
U max
và Eph
x

4
ax
Momen uon M m
chan coc phu [Nm]
y

ax
Momen uon M m
chan coc phu [Nm]
y

ax
Chuyen vi ngang U m
tai dinh gian [cm]
x

8

0.4

0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Modul dan hoi vat lieu coc phu Eph [N/m2]

2

2.2
11

x 10

max
Hình 3.26. Đáp ứng M y
m/c chân cọc chính và Eph

x 10

3.5

3

2.5

2

1.5

1
0.2

0.4

0.6
0.8
1

1.2
1.4
1.6
1.8
Modul dan hoi vat lieu coc phu Eph [N/m2]

2

2.2
11

x 10

max
Hình 3.27. Đáp ứng M y
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

max

Momen uon M y

Chuyen vi ngang U x

10

5

0
0.7

0.8

0.9
1
1.1
1.2
1.3
Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m]

1.4

1.6

chan coc phu [Nm]

15

3.58

1.4

1.2
1
0.8
0.6
0.4

3.56

3.54

3.52
3.5

3.48
3.46

0.2
0.7

1.5

x 10

m ax

20

x 10

Momen uon M y

chan coc phu [Nm]

1.8

m ax

tai dinh gian [cm]

25

0.8

0.9
1
1.1
1.2
1.3
Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m]

1.4

1.5

0.7

0.8

0.9
1

1.1
1.2
1.3
Duong kinh ngoai coc chinh Dch [m]

1.4

1.5

max
max
Hình 3.32.Đáp ứng M y
Hình 3.31.Đáp ứng M y
m/c chân cọc chính và Dch m/c chân cọc phụ và Dch
max
max
max
Bảng 3.7. Biến thiên giá trị U max
, U x tại đỉnh giàn và M y
x , Ux

Hình 3.28. Đáp ứng
U max
x và Dch

tại chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dch cọc chính
0,72
0,87
1,03
1,19

1,35
1,50
Dch [m]
18,156
11,947
8,988
7,458
5,794
5,247
U max
x [cm]
0,757
0,612
0,476
0,353
0,346
U max
[m/s] 1,236
x
2
9,334
5,825
4,381
3,121
2,395
2,562
U max
x [m/s ]
Cọc
5,332.105 7,368.105 9,426.105 10,874.105 11,904.105 13,431.105

max
M y chính
[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

5.5

3

2.5

2

chan coc phu [Nm]

m ax

6

x 10

3.5

2.5

Momen uon

chan coc phu [Nm]

7

6.5

Momen uon M y

ax
Chuyen vi ngang U m
tai dinh gian [cm]
x

7.5

6

x 10

m ax
My

3.5

8

1.5

1

3

2

1.5

5

0.5

0.8

0.9
1
1.1
1.2
1.3
Duong kinh ngoai coc phu Dph [m]

1.4

1.5

Hình 3.33. Đáp ứng

U max
x và Dph

0.8

0.9
1
1.1
1.2
1.3
Duong kinh ngoai coc phu D ph [m]

1.4

1.5

Hình 3.36. Đáp ứng M max
y
m/c chân cọc chính và Dph

0.8

0.9
1
1.1
1.2
1.3
Duong kinh ngoai coc phu Dph [m]

1.4

1.5

Hình 3.37.Đáp ứng M max
y
m/c chân cọc phụ và Dph


12
max
max
max
M
U
U
Bảng 3.8. Biến thiên giá trị U max
,
,
tại
đỉnh
giàn
và
y tại
x
x
x

chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dph cọc phụ
Dph [m]
0,72

0,87
1,03
1,19
1,32
7,328
7,102
6,379
6,012
5,820
U max
x [cm]

1,44
5,794

0,458
0,396
0,382
0,371
0,364
0,353
U max
[m/s]
x
2
2,959
2,818
2,614
2,567
2,468

2,395
U max
x [m/s ]
Cọc
26,624.105 21,285.105 16,284.105 14,144.105 12,892.105 11,904.105
max
My
chính
[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

1.5

m ax

6

5.5

1.3
1.2
1.1

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5

0

0.5
1
1.5
2
Modul dan hoi lop san ho thu 2 [N/m2]

2.5
9

x 10

Hình 3.38. Đáp ứng
U max
x và Ef2

chan coc phu [Nm]

6.5

4

m ax

7

6

x 10

1.4

Momen uon My

chan coc chinh [Nm]

7.5

Momen uon My

Chuyen vi ngang U x

m ax

tai dinh gian [cm]

8

x 10

3.8
3.6

3.4
3.2
3
2.8
2.6
2.4
2.2

0

0.5

1

1.5

2
2

Modul dan hoi lop san ho thu 2 [N/m ]

2
0

2.5
9

x 10

max

y

Hình 3.41. Đáp ứng M
m/c chân cọc chính và Ef2

0.5
1
1.5
2
Modul dan hoi lop san ho thu 2 [N/m ]

2
9

x 10

Hình 3.42.Đáp ứng M max
y
m/c chân cọc phụ vàEf2
max
tại đỉnh giàn và M y

max
max
, Ux
Bảng 3.9. Biến thiên giá trị U max
x , Ux
tại chân cọc chính, cọc phụ theo Ef2
5,0
10,0

15,0
Ef2×108 [N/m2] 1,0
7,263
6,203
5,911
5,827
U max
[cm]
x

21,0
5,794

25,0
5,778

0,363
0,360
0,356
0,354
0,353
0,352
U max
[m/s]
x
2,477
2,426
2,415
2,407
2,395

2,389
U max
[m/s2]
x
Cọc
M max
6,972.105 10,451.105 11,334.105 11,656.105 11,904.105 11,977.105
y
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

Momen uon M y

m ax

4

2

0
0

25

50
75
100
125
Ty le [%] so voi gian do van toc BTCB

1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0

max

Hình 3.43. Đáp ứng U x
theo giản đồ vận tốc gió

chan coc phu [Nm]

6

5

m ax

8

6

x 10

Momen uon My

chan coc chinh [Nm]

1.5

10

Chuyen vi ngang U x

max

tai dinh gian [cm]

12

25

50

75
100
125
Ty le [%] so voi gian do van toc BTCB

150

max
Hình 3.46. Đáp ứng M y
theo giản đồ vận tốc gió

x 10

4.5

4

3.5

3

2.5

2
0

25

50
75

100
125
Ty le [%] so voi gian do van toc BTCB

150

max
Hình 3.47.Đáp ứng M y
theo giản đồ vận tốc gió

max
max
max
Bảng 3.10. Biến thiên giá trị U max
, U x tại đỉnh giàn và M y
x , Ux
tại chân cọc chính, cọc phụ khi thay đổi giản đồ vận tốc gió
Uwin(t) [%]
25
50
75
100
125
(so với BTCB)
1,538
2,898
4,338
5,794
7,250
U max

[cm]
x

0,094
0,180
0,266
0,353
0,437
U max
[m/s]
x
0,646
1,229
1,812
2,395
2,978
U max
[m/s2]
x
Cọc
9,658.105 10,407.105 11,156.105 11,904.105 12,862.105
max
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
1.5

1

x 10

6

o

anfa = 0o

anfa = 0
Chuyen vi U x tai dinh gian [cm]

Momen uon M y chan coc chinh [Nm]

anfa = 45o

0
-1
-2
-3
-4

-5
-6
0

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

o

0.5

0

-0.5

-1

-1.5
0

100

Hình 3.48. Đáp ứng U max
x
o

o
(ψ = 0 và ψ = 45 )

16
Goc xoay quanh truc z tai dinh gian [rad]

anfa = 0o
Momen uon My chan coc phu [Nm]

40
60
Thoi gian t[s]

80

100

-4

x 10

anfa = 45o

2
1
0
-1
-2
-3
-4

0

20

Hình 3.51. Đáp ứng M max
y
(ψ = 0o và ψ = 45o)

6

3

anfa = 45

1

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

anfa = 0o

14

anfa = 45o

12
10
8
6
4
2
0
-2

100

x 10

0

20

40
60
Thoi gian t[s]

80

100

max
Hình 3.52. Đáp ứng M y
(ψ = 0o và ψ = 45o)

Hình 3.53. Đáp ứng góc xoay

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)
Chuyển Vận tốc Gia tốc Góc xoay Mô men uốn chân cọc
Mô
vị [cm] [m/s]
[Nm]
[m/s2]
[rad]
hình
tính

U max
x

U max
x

U max
x

θmax
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

M Chinh
y

M Phu
y

Nhận xét: Khi gió tác dụng theo phương vuông góc với một mặt
max
max
bên (ψ = 0o) thì giá trị lớn nhất U max
, U x đều cao hơn lần lượt

x , Ux
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
tại chân cọc chính
y
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.
1.8

5.82

m ax

5.81
5.8
5.79
5.78
5.77
5.76

4

6

8

10
12
14
16
Chieu cao song Hw [m]

18

20

1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
4

22

max

Hình 3.54. Đáp ứng U x
theo chiều cao sóng Hw

m ax

5.83

5

Momen uon My

5.84

x 10

chan coc phu [Nm]

5.85

chan coc chinh [Nm]

2

Momen uon M y

Chuyen vi ngang U x

m ax

tai dinh gian [cm]

6

5.86

6

8

10
12
14
16
Chieu cao song Hw [m]

18

20

22

max
Hình 3.57. Đáp ứng M y
theo chiều cao sóng Hw

x 10

6

4.5

4
3.5
3
2.5
2
1.5

4

6

8

10
12
14
16
Chieu cao song H w [m]

18

20

22

max
Hình 3.58.Đáp ứng M y
theo chiều cao sóng Hw

max

max
max
Bảng 3.12. Biến thiên giá trị U max
, U x tại đỉnh giàn và M y
x , Ux

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]
5,775
5,781
5,782
5,794
5,820
U max
x [cm]
0,351
0,352
0,353
0,360
U max
[m/s] 0,350
x
2
2,236

2,313
2,342
2,395
2,470
U max
x [m/s ]
Cọc
5,721.105 7,293.105 9,369.105 11,904.105 15,683.105
max
M y chính
[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
tại bểtạo sóng

Hình 4.2. Mô hình thí nghiệm
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
đầu đo theo phương OX

Hình 4.6. Gắn tấm điện trở đo biến
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

1.25

0.6

Ly thuyet
Thuc nghiem

0.6

Ly thuyet
Thuc nghiem
0.4

1

0.4
0.2

0
-0.2

Bien do

Gia toc a[m/s2]

Gia toc a[m/s2]

0.2
0

-0.2

0.75

0.5

-0.4
-0.4

-0.6

0.25
-0.6

-0.8
-1

0

100

200

300

400

Thoi gian t[s]

500

600

700

800

-0.8

0

100

200

300

400

500

600

700

Thoi gian t[s]

b. Tại điểm D3
a. Tại điểm D2
Hình 4.12. Đáp ứng gia tốc
tại các điểm đo

800

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tan so f[Hz]

Hình 4.13. Đáp ứng
biên độ - tần số


19

Bảng 4.1. Giá trị lớn nhất của gia tốc tại các điểm đo
Điểm D2[m/s2]
Điểm D3[m/s2]
Điểm D4[m/s2]
Thực
LT Sai số Thực
LT Sai số Thực
LT Sai số
nghiệm (KTT) (%) nghiệm (KTT) (%) nghiệm (KTT) (%)
0,4266 0,4932 13,5 0,5728 0,6375 11,3
0,77
0,85 10,2
Kết quả giá trị biến dạng lớn nhất theo phương trục thanh tại D1 là

ε max =0,42 ⋅10-4 đạt được tại thời điểm t = 248s.
Bảng 4.2. Các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ
Tần số riêng f[Hz]
f1
f2
f3
f4

f5
1,03 7,18 12,06 17,46 23,83
Thực nghiệm
1.14 7.86 13.28 19.42 26.68
Lý thuyết (KTT)
Sai số [%]
10,68 9,47 10,12 11,23 11,96
Nhận xét: Kết quả thí so sánh với lý thuyết theo mô hình không
tương tác (KTT) có sai số lớn nhất của gia tốc 13,5% và tần số riêng
(trong 5 tần số riêng đầu tiên) 11,96% là chấp nhận được. Kết quả thí
nghiệm có giá trị tham khảo, nghiên cứu.
4.5.2. Thí nghiệm xác định đáp ứng động của hệ liên hợp giàn thép bể chứa trên nền san hô bãi cạn ven đảo Song Tử Tây chịu tác dụng
của xung lực va chạm
Thực hiện tại bãi cạn của đảo Song Tử Tây - quần đảo Trường Sa
trong nội dung nghiên cứu của đề tài cấp Nhà nước, mã số
KC.09.26/11-15, tác giả luận án là thành viên tham gia.
4.5.2.1. Mô tả thí nghiệm:
Bể chứa
Tại 4 vị trí cần đo thuộc giàn
(điểm K1, K2: thuộc cọc chính, cách
mặt dưới sàn công tác 0,3m; điểm K3:
sensor
Giàn
điểm giao giữa đỉnh cọc chính và sàn
thép
công tác; điểm K4: điểm giữa, phía
trên giàn công tác), lắp đặt 4 đầu đo
gia tốc dọc trục x và trục y như hình
Máy đo
Búa tạo

4.14.Tải trọng do xung lực búa va
xung
chạm tại chính giữa thanh ngang, cách
nền san hô 1,2 m, phương tác dụng là
ox hoặc oy.
Hình 4.14.Sơ đồ thí nghiệm


20

4.5.2.2. Thí nghiệm và kết quả:
Theo mỗi phương (ox, oy)thực hiện 10 lần tạo xung để xác định 1
chỉ tiêu. Kết quả thu được đáp ứng gia tốc tại các điểm gắn cảm biến gia
tốc bởi 4 kênh K1, K2, K3, K4 và đáp ứng biên độ - tần số của hệ.
Sử dụng chương trình 3D_FRAME_CORAL_2014 tính toán với
thời gian tính tcal = 5s, bước thời gian tích phân ∆t = 0,001s.
0.15
Thuc nghiem
Ly thuyet

0.02
Thuc nghiem
Ly thuyet

0.015
0.01

0.05
Chuyen vi [cm]

C huyen vi [cm ]

0.1

0

-0.05

0.005
0
-0.005
-0.01

-0.1
-0.015

0

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

-0.02
0

5

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

5

a) Chuyển vị theo phương x
b) Chuyển vị theo phương y
Hình 4.17. Đáp ứng chuyển vị tại K1 khi lực tác dụng theo phương x
0.015

0.15

Thuc nghiem
Ly thuyet

0.01

Thuc nghiem
Ly thuyet
0.1

C h uyen vi [cm ]

Chuyen vi [cm]

0.005
0
-0.005

0.05

0

-0.05

-0.01
-0.1

-0.015
-0.02
0

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

-0.15
0

5

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

5

a) Chuyển vị theo phương x
b) Chuyển vị theo phương y
Hình 4.18. Đáp ứng chuyển vị tại K2 khi lực tác dụng theo phương y
0.02

0.15
Thuc nghiem
Ly thuyet

Thuc nghiem
Ly thuyet

0.015

0.1

Chuyen vi [cm]

Chuyen vi [cm]

0.01
0.05

0

0.005
0
-0.005
-0.01

-0.05

-0.015
-0.1
0

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

-0.02
0

5

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

5

a) Chuyển vị theo phương x
b) Chuyển vị theo phương y
Hình 4.19. Đáp ứng chuyển vị tại K3 khi lực tác dụng theo phương x
0.15

-3

8

Thuc nghiem
Ly thuyet

x 10

Thuc nghiem
Ly thuyet

6

0.1

0.05
Chuyen vi [cm]

Chuyen vi [cm]

4

0

-0.05

2
0
-2
-4
-6

-0.1

-8

0

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

5

-10
0

1

2
3
Thoi gian t[s]

4

5

a) Chuyển vị theo phương x b) Chuyển vị theo phương y
Hình 4.20. Đáp ứng chuyển vị tại K4 khi lực tác dụng theo phương x


21
-3

1.2

-3

x 10

1.2

x 10
Ly thuyet
Thuc nghiem

Ly thuyet
Thuc nghiem

1

1

0.8

0.8

0.8

0.6

Bien do [m]

1

Bien do [m]

Bien do [m]

-3

x 10

Ly thuyet
Thuc nghiem

0.6

0.6

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0
0

10

20

30

40

50

60

0
0

10

20

Tan so [Hz]

30

40

50

60

0
0

10

Tan so [Hz]

20

30

40

50

60

Tan so [Hz]

Tại K1,lực phương x
Tại K2,lực phương y
Tại K3,lực phương x
Hình 4.21, 4.22. 4.23. Đáp ứng biên độ - tần số
Bảng 4.3. Giá trị lớn nhất của chuyển vị tại các điểm đo
Chuyển vị đo tại sensor K1 khi lực tác dụng theo phương x
Chuyển vị theo phương x [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,1071

0,0801

Sai số
(%)
25,2

Chuyển vị theo phương y [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,0154

0,0134

Sai số
(%)
12,9

Chuyển vị đo tại sensor K2 khi lực tác dụng theo phương y
Chuyển vị theo phương x [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,0161

0,0109

Sai số
(%)
32,3

Chuyển vị theo phương y [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)

0,1102

0,0860

Sai số
(%)
21,9

Chuyển vị đo tại sensor K3 khi lực tác dụng theo phương x
Chuyển vị theo phương x [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,1183

0,0846

Sai số
(%)
28,5

Chuyển vị theo phương y [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,0179

0,0137

Sai số

(%)
23,4

Chuyển vị đo tại sensor K4 khi lực tác dụng theo phương x
Chuyển vị theo phương x [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,1023

0,0785

Sai số (%)
23,3

Chuyển vị theo phương y [cm]
Lý thuyết
Thực
nghiệm (Mô hình TT)
0,0061

0,0045

Sai số
(%)
26,2


22

Bảng 4.4. Các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ
Tần số riêng f[Hz]

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

Thực nghiệm

7,28

7,62

Lý thuyết
(Mô hình TT)

10,06 10,22 10,56 26,81 33,82 34,95 49,86

Sai số [%]

27,63 25,44 22,54 15,22 10,97 11,47 10,93

8,18 22,73 30,11 30,94 44,41

Nhận xét: Khi lực tác dụng theo phương x (hoặc phương y) thì theo
phương còn lại (phương y hoặc phương x), các điểm trên kết cấu vẫn có
chuyển vị, tuy nhiên giá trị nhỏ hơn nhiều so với khi đo chuyển vị theo
phương tác dụng lực. Sai khác giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm là
do mô hình tính toán mới chỉ phản ánh gần đúng bản chất của kết cấu,
nền, tải trọng tác động cũng như các điều kiện làm việc thực tế của hệ.
4.6. Kết luận chương 4
Các bộ số liệu thí nghiệm có giá trị làm phong phú thêm kết quả và
tài liệu nghiên cứu.
Kết quả thí nghiệm và khảo sát trên các mô hình bằng chương trình
tính 3D_FRAME_CORAL_2014 là khá đồng dạng về quy luật.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng các quan hệ ứng xử, thuật toán PTHH và chương trình
tính 3D_FRAME_CORAL_2014 phân tích động lực phi tuyến liên kết
của kết cấu công trình biển cố định hệ thanh chịu tác dụng của tải trọng
sóng và gió, sử dụng mô hình bài toán không gian khi kết cấu và nền san
hô tương tác và không tương tác. Trong đó tải trọng sóng tính theo lý
thuyết sóng Stoke bậc 2 và tải trọng gió tính theo phương pháp đáp ứng
vận tốc gió theo thời gian. Chương trình tính đã được kiểm tra bảo đảm
độ tin cậy.


23

- Giải nhiều bài toán trên mô hình tính hệ thanh mô phỏng sự làm

việc của dạng công trình DKI/7 với nền san hô, trong đó các thông số về
mô hình tính, tải trọng, vật liệu, kích thước hình học thay đổi cho thấy
sự ảnh hưởng của các yếu tố này đến phản ứng động của hệ. Trên cơ sở
đó, tác giả đưa ra được các nhận xét định tính, các khuyến cáo kỹ thuật
có ý nghĩa thực tiễn.
- Kết quả thực nghiệm tại hiện trường đảo và tại bể tạo sóng trong
phòng thí nghiệm cùng với kết quả tính toán lý thuyết bằng chương trình
tính 3D_FRAME_CORAL_2014 trên các mô hình, điều kiện tương tự là
khá đồng dạng về quy luật, sai số trong phạm vi chấp nhận được, điều
này một lần nữa đã góp phần khẳng định độ tin cậy của thuật toán và
chương trình tính 3D_FRAME_CORAL_2014 đã lập ở Chương 2.
- Bộ số liệu thí nghiệm hiện trường tại đảo Song Tử Tây và trong bể
tạo sóng có giá trị làm phong phú thêm kết quả và tài liệu nghiên cứu
đáp ứng động của hệ thanh theo các quan niệm tương tác với nền và
không tương tác với nền, chịu tác dụng của xung lực va chạm và tác
dụng của tải trọng sóng.
- Phương pháp tính và kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu có
thể tham khảo trong tính toán, thiết kế, lựa chọn các thông số hợp lý cho
các công trình biển hệ thanh trên nền san hô như các nhà giàn DKI phục
vụ an ninh quốc phòng và kinh tế biển.
2. Một số kiến nghị
- Như đã có nhiều kết luận, vật liệu san hô và nền san hô có tính
phân tán cao, nên kết quả của luận án bước đầu chỉ mới có giá trị mang
tính tham khảo về phương pháp và công cụ tính. Do đó, ứng với một vị
trí cụ thể có ý định xây dựng công trình, cần phải có khảo sát kỹ nhằm
xác định chỉ tiêu kỹ thuật, xây dựng chính xác mô hình nền san hô tại đó
thì hiệu quả ứng dụng của luận án cao hơn.