Phân tích tương tác động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của sóng nổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LƢƠNG SĨ HOÀNG

PHÂN TÍCH TƢƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC
BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CHỊU TÁC DỤNG
CỦA SÓNG NỔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LƢƠNG SĨ HOÀNG

PHÂN TÍCH TƢƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC
BỂ CHỨA CHẤT LỎNG CHỊU TÁC DỤNG
CỦA SÓNG NỔ
Chuyên ngành:

Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt

Mã số:

62 58 02 06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
1- PGS. TS Vũ Ngọc Quang
2- GS. TSKH Nguyễn Văn Hợi

Hà Nội - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa
từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Lƣơng Sĩ Hoàng


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các thầy giáo
GS.TSKH Nguyễn Văn Hợi và PGS.TS Vũ Ngọc Quang đã tận tình hƣớng dẫn,
giúp đỡ và đề xuất nhiều ý tƣởng khoa học có giá trị giúp cho tác giả hoàn thành
luận án nghiên cứu này. Tác giả luôn trân trọng sự động viên, khuyến khích và
những kiến thức khoa học cũng nhƣ chuyên môn mà các Thầy đã chia sẻ cho tác giả
trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực khoa học và củng cố lòng
yêu nghề.
Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ môn Xây dựng Nhà và công trình công nghiệp,
Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự
và Trung tâm Tƣ vấn khảo sát thiết kế công trình Quốc phòng - BTL Công binh đã
tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp, những nhận xét hết
sức quý báu, chân tình của các thầy giáo, các nhà khoa học giúp tác giả hoàn thành
đƣợc bản luận án của mình.
Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những ngƣời thân trong
gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, động viên và chia sẻ khó khăn với tác
giả trong suốt thời gian làm luận án.

Tác giả

Lƣơng Sĩ Hoàng


iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................................xi

MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................................................5
1.1. Các dạng bể chứa chất lỏng thƣờng gặp trong thực tế xây dựng ở Việt Nam và
trên thế giới....................................................................................................................5
1. . Các mô hình và phƣơng pháp t nh bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động... 11
1.2.1. Các mô hình tính kết cấu bể chứa chất lỏng theo quan điểm làm việc độc lập...... 11
1.2.2. Các mô hình tính kết cấu bể chứa theo quan điểm tƣơng tác...................... 12
1.2. .1. Tƣơng tác kết cấu bể chứa với chất lỏng .................................................... 12
1. . . . Tƣơng tác kết cấu bể chứa với nền đất ....................................................... 16
1.2.3. Các mô hình tính bể chứa có kể đến sóng trên bề mặt chất lỏng ................ 19
1.3. Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................................... 21
CHƢƠNG : THIẾT LẬP CÁC PHƢƠNG TRÌNH TỔNG QUÁT ĐỂ PHÂN
TÍCH TƢƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC BỂ CHỨA CHẤT LỎNG BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ..................................................................... 23
.1. Các phƣơng trình cơ bản của thủy động lực học .................................................. 23
2.1.1. Khái niệm và phân loại chất lỏng ................................................................... 23
.1. . Các phƣơng trình thủy động lực học .............................................................. 24
2.1.2.1. Chất lỏng nhớt, nén đƣợc và đẳng nhiệt ..................................................... 24
.1. . . Các trƣờng hợp đặc biệt ................................................................................ 26
2.2. Khái niệm về các hệ tƣơng tác và bài toán tƣơng tác kết cấu - chất lỏng .................... 28
2.3. Đặt bài toán và các giả thiết t nh toán bể chứa chất lỏng..................................... 30
. . Thiết lập các phƣơng trình PTHH tổng quát để phân tích tƣơng tác động lực
học kết cấu bể chứa chất lỏng .................................................................................. 33
. .1. Các phƣơng trình PTHH tổng quát đối với miền chất lỏng......................... 33
. . . Các phƣơng trình PTHH tổng quát đối với miền kết cấu ............................ 42


iv

2.4.3. Hệ phƣơng trình PTHH tổng quát để phân tích tƣơng tác động lực học kết

cấu bể chứa chất lỏng .................................................................................................. 47
.5. Phƣơng pháp giải bài toán động tƣơng tác kết cấu bể chứa - chất lỏng............. 49
.5.1. Dao động tự do không cản ............................................................................... 50
.5. . Dao động cƣỡng bức......................................................................................... 50
2.6. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 54
CHƢƠNG 3: TÍNH BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẶT NỔI TRÊN MẶT ĐẤT CHỊU
TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG NỔ................................................................ 55
3.1. Sơ đồ rời rạc hóa phần tử hữu hạn .......................................................................... 55
3.2. Thiết lập các ma trận PTHH đối với miền kết cấu ............................................... 56
3.2.1. Phần tử thanh phẳng ......................................................................................... 56
3.2.2. Phần tử tấm phẳng tam giác............................................................................. 59
3.3. Thiết lập các ma trận PTHH đối với miền chất lỏng ............................................ 63
3.3.1. Phần tử tấm phẳng tam giác............................................................................. 63
3.3.2. Phần tử tấm phẳng chữ nhật ............................................................................ 66
3.4. Thiết lập các ma trận PTHH trên miền tiếp xúc kết cấu - chất lỏng ......................... 68
3.4.1. Phần tử thanh của miền kết cấu tiếp xúc phần tử phẳng của miền chất lỏng....... 68
3.4.2. Phần tử phẳng miền kết cấu tiếp xúc phần tử phẳng của miền chất lỏng ....... 69
3.5. Chuyển đổi các ma trận của PTHH dạng thanh phẳng từ hệ tọa độ cục bộ sang
hệ tọa độ chung .......................................................................................................... 72
3.6. Phƣơng trình chuyển động của toàn hệ kết cấu – chất lỏng ................................ 73
3.7. Tải trọng động do sóng nổ tác dụng lên kết cấu bể chứa đặt nổi trên mặt đất .. 74
3.7.1. Siêu áp sóng xung kích do nổ trong không khí ............................................. 75
3.7.2. Tải trọng động tác dụng lên kết cấu do sóng xung kích gây ra................... 77
3.8. Lập trình tính toán..................................................................................................... 78
3.9. Tính toán số ............................................................................................................... 79
3.10. Kết luận chƣơng 3................................................................................................... 93
CHƢƠNG : TÍNH BỂ CHỨA CHẤT LỎNG ĐẶT NGẦM TRONG MÔI
TRƢỜNG ĐẤT ĐÁ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG NỔ ............... 95
.1. Phƣơng trình chuyển động của hệ kết cấu bể chứa – chất lỏng – nền đất theo
phƣơng pháp PTHH .................................................................................................. 95

.1.1. Đặt bài toán và các giả thiết tính toán ............................................................ 95


v

.1. . Sơ đồ rời rạc hóa phần tử hữu hạn .................................................................. 96
.1.3. Phƣơng trình chuyển động của hệ nền đất - kết cấu bể chứa - chất lỏng theo
phƣơng pháp PTHH và phƣơng pháp gi ải ................................................................ 97
4.2. Tải trọng nổ tác dụng lên bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trƣờng đất đá.... 100
4.2.1. Khi nổ xẩy ra trên không hoặc trên mặt đất ............................................... 101
4.2.2. Tải trọng do nổ trong đất................................................................................ 103
4.3. Lập trình tính toán................................................................................................... 105
4.4. Tính toán số ............................................................................................................. 106
4.5. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 114
KẾT LUẬN CHUNG..................................................................................................... 116
I. Những kết quả chính của luận án .............................................................................. 116
II. Các hƣớng nghiên cứu phát triển tiếp theo của luận án........................................ 117
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ..................... 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
[]

Kí hiệu ma trận

{}

Kí hiệu véc tơ cột

2

Toán tử Laplace

a 0,…, a5

Các hệ số trong phƣơng pháp t ch phân Newmark khi giải bài toán
đàn hồi

a

Gia tốc chuyển động của phần tử chất lỏng

A

Diện tích của tiết diện phần tử

[ B]e

Ma trận biến dạng - chuyển vị của phần tử

cf

Tốc độ âm thanh trong chất lỏng

[C ]

Ma trận cản nhớt của toàn hệ

[C ]em

Ma trận cản nhớt của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ

{C}e

Véc tơ (r chiều)

d

Chiều dày của phần tử

[ D]e

Ma trận vật liệu của phần tử

{D}e

Véc tơ (r chiều)

det( [ A] )

Định thức của ma trận A

E

Mô đun đàn hồi (mô đun Young) của vật liệu

f(t)

Hàm thời gian của tải trọng động

g

Gia tốc trọng trƣờng

I

Mô men quán tính tiết diện phần tử

K

Mô đun thể tích của chất lỏng

[K ]

Ma trận độ cứng của hệ

[ K ]em ,[ K ]exy

Ma trận độ cứng của phần tử kết cấu trong hệ tọa độ cục bộ, hệ tọa
độ chung


vii

[ K ]em ,[ K ]exy

Ma trận tiếp xúc “tựa độ cứng” của phần tử chất lỏng tiếp xúc kết

cấu trong hệ tọa độ cục bộ, hệ tọa độ chung

[K ]

Ma trận “tựa độ cứng” của miền chất lỏng

[Kˆ ]

Ma trận “độ cứng hiệu quả”

l

Chiều dài của phần tử

hs

Biên độ sóng trọng lực

[M ]

Ma trận khối lƣợng của hệ

[ M ]em ,[ M ]exy

Ma trận khối lƣợng của phần tử kết cấu trong hệ toạ độ cục bộ, hệ
tọa độ chung

[M ]e

Ma trận “khối lƣợng kết hợp” của phần tử

[M ]

Ma trận “khối lƣợng kết hợp” của các PTHH tiếp xúc kết cấu –
chất lỏng

[Mq] , [M ]

Các ma trận “tựa khối lƣợng” của miền chất lỏng

Rb m

Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử do trọng lƣợng bản thân gây
ra trong hệ toạ độ cục bộ của phần tử

Rs m

Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử do tải trọng phân bố gây ra
trong hệ toạ độ cục bộ của phần tử

Rˆ 

Véc tơ tải trọng hiệu quả quy nút

T e , T tge

Ma trận biến đổi của phần tử từ hệ tọa độ cục bộ sang hệ tọa độ chung

t

Thời gian

[n]

Ma trận cột các cosin chỉ phƣơng

[ N ]e

Ma trận hàm dạng của phần tử kết cấu

[ N ]e

Ma trận hàm dạng của phần tử chất lỏng

u, v

Chuyển vị thẳng tƣơng ứng theo phƣơng x, y

Ve

Thể tích của phần tử hữu hạn thứ “e”

Se

Diện tích toàn bộ bề mặt của phần tử hữu hạn thứ “e”

t t


viii

Sbe

Diện tích bề mặt của phần tử trùng với bề mặt ngoài của khối chất
lỏng

Sbe1

Diện tích bề mặt của phần tử tiếp xúc với kết cấu bể chứa

S*e

Diện tích bề mặt của phần tử phía trong của khối chất lỏng

{U }m

Véc tơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ

{U }xy

Véc tơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ toạ độ chung

{U }m ,{U }m

Véc tơ vận tốc, gia tốc nút của phần tử trong hệ toạ độ cục bộ

{Ut },{Ut t }

Véc tơ chuyển vị nút của hệ tại thời điểm t và t+t

{U t },{U t t }

Véc tơ vận tốc nút của hệ tại thời điểm t và t+t

{U t },{U t t }

Véc tơ gia tốc nút của hệ tại thời điểm t và t+t

fx , f y , fz

Các thành phần lực khối theo các trục tọa độ x,y,z

p

Áp suất thủy động

{ p}

Véc tơ áp lực nút

p0

Áp suất khí quyển

v

Vận tốc chuyển động của chất lỏng

vx , v y , vz

Các thành phần vận tốc của chất lỏng theo phƣơng x,y,z

vn

Thành phần vận tốc của chất lỏng theo phƣơng pháp tuyến



Chuyển vị xoay của nút quanh trục z

s

Khối lƣợng riêng của vật liệu kết cấu

f

Khối lƣợng riêng của vật liệu chất lỏng

n

Khối lƣợng riêng của vật liệu nền đất



Hệ số nhớt động lực của chất lỏng

, 

Các hệ số cản Rayleigh

1 , 2

Tần số dao động riêng thứ nhất và thứ hai của kết cấu


ix

 1, 2

Các tỷ số cản

 ,

Các hệ số của sơ đồ tích phân Newmark

{ },{ }

Véc tơ ứng suất, biến dạng của phần tử



Dạng (biên độ dao động) của hệ kết cấu

PTHH

Phần tử hữu hạn

PTB

Phần tử biên

TH1, TH2

Trƣờng hợp 1, trƣờng hợp 2

DĐR

Dao động riêng

ACI

American Concrete Institute

NZS

New Zealand Standard

AWWA

American Water Works Association

GSDMA

Gujarat State Disaster Management Authority


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Tóm tắt các bƣớc t nh theo phƣơng pháp của Newmark .............. 53

Bảng 3.1. Các tần số dao động riêng của hệ kết cấu – chất lỏng……………81
Bảng 3.2. Các tần số dao động riêng của hệ kết cấu – chất lỏng .................. 82
Bảng 3.3. Chuyển vị ngang lớn nhất tại nút 182 ......................................... 84
Bảng 3.4. Áp lực chất lỏng pmax tại nút 19 .................................................. 92
Bảng 3.5. Áp lực chất lỏng pmax tại nút 111 ................................................ 92
Bảng .1. Các tham số của nền đất…………………………………………111


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ, đồ thị chƣơng 1
Hình 1.1. Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Vân Phong ....... 6
Hình 1.2. Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Khu vực 3........ 6
Hình 1.3. Các kho dự trữ xăng dầu trên thế giới ........................................... 6
Hình 1.4. Dạng bể ngầm điển hình trong công trình Quốc phòng .................. 7
Hình 1.5. Bể chứa ngầm vỏ thép và bê tông đã đƣợc xây dựng trên thế giới .. 8
Hình 1.6. Một số dạng hƣ hỏng của bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của động
đất ............................................................................................ 10
Hình 1.7. Mô hình tính bể chứa nổi của Housner ........................................ 13
Hình 1.8. Một số dạng bể chứa ngầm đƣợc nghiên cứu bởi hiệp hội Kiến trúc
sƣ Nhật Bản .............................................................................. 18
Hình 1.9. Mô hình tính cho kết cấu bể chứa ngầm của hiệp hội Kiến trúc sƣ
Nhật bản ................................................................................... 18
Hình vẽ, đồ thị chƣơng 2
Hình .1. Tƣơng tác chất lỏng - kết cấu ..................................................... 29
Hình . . Tƣơng tác kết cấu - kết cấu......................................................... 29
Hình 2.3. Mô hình khảo sát của hệ kết cấu bể chứa - chất lỏng.................... 30
Hình 2.4. Sơ đồ rời rạc hóa PTHH đối với miền chất lỏng. ......................... 33
Hình vẽ, đồ thị chƣơng 3

Hình 3.1. Mô hình khảo sát bể chứa chất lỏng đặt nổi................................. 55
Hình 3.2. Mô hình rời rạc hóa PTHH đối với hệ kết cấu bể chứa - chất lỏng 56
Hình 3.3. Phần tử hữu hạn dạng thanh phẳng ............................................ 56
Hình 3.4. Phần tử tam giác phẳng .............................................................. 59
Hình 3.5. Sơ đồ tải trọng phân bố trên bề mặt phần tử ................................ 62
Hình 3.6. Phần tử tấm phẳng tam giác thuộc miền chất lỏng ...................... 63
Hình 3.7. Phần tử tấm phẳng tam giác có biên trùng với bề mặt tự do của chất
lỏng. ......................................................................................... 65
Hình 3.8. Phần tử tấm phẳng chữ nhật thuộc miền chất lỏng ...................... 66
Hình 3.9. Phần tử tấm phẳng chữ nhật có biên trùng với bề mặt tự do của
khối chất lỏng............................................................................ 67


xii

Hình 3.1 . Mô hình phần tử thanh miền kết cấu tiếp xúc với
các phần tử phẳng miền chất lỏng............................................... 68
Hình 3.11. Mô hình phần tử phẳng miền kết cấu tiếp xúc với các phần tử
phẳng miền chất lỏng................................................................. 70
Hình 3.12. Sự thay đổi áp lực của sóng xung kích trong không khí ............. 75
Hình 3.13. Sơ đồ vị trí từ tâm nổ đến điểm khảo sát ................................... 76
Hình 3. 14. Hệ kết cấu – chất lỏng theo [62] .............................................. 80
Hình 3.15. Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ kết cấu – chất lỏng ............... 80
Hình 3.16. Phổ tần số và 3 dạng DĐR đầu tiên của hệ kết cấu - chất lỏng,
tƣơng ứng với trƣờng hợp không có dầm .................................... 81
Hình 3.17. Phổ tần số và 3 dạng DĐR đầu tiên của hệ kết cấu - chất lỏng,
tƣơng ứng với trƣờng hợp có dầm .............................................. 82
Hình 3.18. Sơ đồ hệ kết cấu bể chứa – chất lỏng chịu tải trọng sóng nổ ....... 82
Hình 3.19. Mô hình rời rạc hóa PTHH hệ kết cấu – chất lỏng ..................... 84
Hình 3. . Đồ thị quan hệ giữa cao trình mức nƣớc trong bể chứa và chuyển

vị ngang cực đại tại đỉnh tƣờng kết cấu....................................... 85
Hình 3. 1. Đồ thị chuyển vị ngang theo thời gian tại đỉnh tƣờng kết cấu bể
(nút 182) ................................................................................... 85
Hình 3. . Đồ thị áp lực theo thời gian tại nút 57 thuộc miền chất lỏng ....... 86
Hình 3.23. Biểu đồ chuyển vị của kết cấu bể chứa tại thời điểm t=0,36s ...... 86
Hình 3. . Trƣờng áp lực trong miền chất lỏng (MPa) tại thời điểm t=0,36s 87
Hình 3. 5. Sơ đồ hệ kết cấu bể chứa - chất lỏng chịu tải trọng sóng nổ........ 87
Hình 3.26. Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ kết cấu – chất lỏng ............... 88
Hình 3. 7. Đồ thị chuyển vị ngang theo thời gian tại nút 72 ........................ 88
Hình 3. 8. Đồ thị mômen uốn theo thời gian tại nút 25 (thuộc phần tử 49) .. 89
Hình 3. 9. Đồ thị lực cắt theo thời gian tại tại nút 25 (thuộc phần tử 49) ..... 89
Hình 3.3 . Trƣờng áp lực trong miền chất lỏng tại thời điểm t=0,24s .......... 90
Hình 3.31. Biểu đồ áp lực miền chất lỏng lên thành bể tại thời điểm t=0,24s 90
Hình 3.32. Mô hình rời rạc hóa PTHH hệ kết cấu – chất lỏng ..................... 91
Hình 3.33. Đồ thị áp lực theo thời gian tại nút 19 ....................................... 92
Hình 3.3 . Đồ thị áp lực theo thời gian tại nút 111 ..................................... 93
Hình vẽ, đồ thị chƣơng 4


xiii

Hình 4.1. Mô hình khảo sát bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong nền đất......... 96
Hình 4.2. Mô hình rời rạc hóa PTHH hệ nền đất- kết cấu bể chứa- chất lỏng 97
Hình .3. Các điều kiện biên trên biên của miền tính toán........................... 99
Hình . . K ch thƣớc sơ bộ của miền tính toán theo [16]. ..........................100
Hình .5. Đồ thị f(t) khi n =1. ...................................................................103
Hình .6. Sơ đồ tính toán của bể chứa thành mỏng đặt ngầm trong đất .......106
Hình 4.7. Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ nền đất - kết cấu bể - chất lỏng...107
Hình .8. Sơ đồ rời rạc hóa PTHH phóng đại tách ra từ mô hình tổng thể...107
Hình .9. Đồ thị chuyển vị ngang theo thời gian tại vị tr đỉnh tƣờng kết cấu

bể chứa (nút 669)......................................................................108
Hình .1 . Đồ thị mô men theo thời gian tại vị tr chân tƣờng ....................109
Hình .11. Đồ thị lực cắt theo thời gian tại vị tr chân tƣờng ......................109
Hình .1 . Đồ thị ứng suất chính  yy theo thời gian tại vị tr dƣới chân tƣờng
bên trái bể chứa ........................................................................110
Hình .13. Sơ đồ tính toán của bể chứa thành dày đặt ngầm trong đất ........111
Hình 4.14. Mô hình rời rạc hóa PTHH của hệ nền đất – kết cấu bể chứa – chất
lỏng .........................................................................................112
Hình .15. Đồ thị chuyển vị đứng (uy ) theo thời gian tại nút 409 ................112
Hình .16. Đồ thị chuyển vị đứng (uy ) theo thời gian tại nút 676 ................113
Hình .17. Đồ thị ứng suất chính  yy theo thời gian (thuộc phần tử 997)......113
Hình .18. Đồ thị chuyển vị đứng (uy ) theo thời gian tại nút 676 và nút 314 .......114


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, kết cấu bể chứa chất
lỏng có thể tìm thấy dƣới dạng các bể chứa nƣớc phục vụ cho sinh hoạt, cứu
hỏa, làm mát nhà máy điện hạt nhân hay các bể chứa nhiên liệu lỏng (xăng
dầu, ga hóa lỏng…). Các bể chứa nói trên có vai trò rất quan trọng trong sự
nghiệp phát triển kinh tế - xã hội. Các bể chứa này càng có ý nghĩa quan trọng
trong lĩnh vực Quốc phòng, đặc biệt đối với các vùng biển, đảo xa bờ (nhƣ
quần đảo Trƣờng sa, vùng biển DK1) để chứa nƣớc ngọt và xăng dầu, phục
vụ cho sinh hoạt, sẵn sàng chiến đấu và chiến đấu của quân đội.
Trong quá trình khai thác và sử dụng các bể chứa thƣờng phải chịu tác
dụng của các loại tải trọng động nhƣ động đất, nổ. Nếu các bể chứa xảy ra sự
cố hƣ hỏng do các loại tải trọng này thì sẽ gây ra các hậu quả khôn lƣờng về
cả tài sản và tính mạng con ngƣời. Vì vậy, việc thiết kế xây dựng các công

trình đặc thù nhƣ bể chứa chất lỏng chịu các tác dụng đặc biệt (động đất, nổ)
với độ chính xác và an toàn cao đã lôi cuốn sự quan tâm của các nhà khoa
học.
Cho đến nay, các công trình nghiên cứu về các phƣơng pháp t nh toán,
thiết kế các bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động chủ yếu tập trung đối với tải
trọng động đất, còn đối với tải trọng nổ đang t đƣợc đề cập tới. Vì vậy, trong
luận án này đề tài nghiên cứu đƣợc chọn theo hƣớng “Tính toán động lực
học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của sóng nổ”.
Mục đích nghiên cứu của luận án
- Xây dựng phƣơng pháp, các phƣơng trình và thuật toán tổng quát
(chung cho các hệ làm việc theo mô hình không gian và mô hình phẳng) để


2

t nh toán động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động
theo quan điểm tƣơng tác đầy đủ giữa các thành phần trong hệ (nền đất, kết
cấu bể chứa và chất lỏng).
- Trên cơ sở phƣơng pháp, các phƣơng trình và thuật toán tổng quát,
thiết lập các phƣơng trình, thuật toán cụ thể và các phần mềm tính toán tƣơng
ứng để phân tích động lực học các bể chứa chất lỏng đặt nổi và đặt ngầm chịu
tác dụng của tải trọng sóng nổ làm việc theo mô hình mô hình biến dạng
phẳng.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của mô hình tính và các tham số t nh toán đến
trạng thái chịu lực của kết cấu bể chứa chịu tác dụng của sóng nổ.
Nội dung và phạm vi nghiên cứu
- Tính bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất và đặt ngầm trong môi
trƣờng đất đá (nền đất).
- Mô hình biến dạng của vật liệu kết cấu bể chứa, chất lỏng và nền đất:
đàn hồi tuyến tính.

- Khi xây dựng các phƣơng trình và thuật toán tổng quát để phân tích
động lực học bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của tải trọng động theo quan
điểm tƣơng tác, mô hình làm việc của hệ nền đất - kết cấu bể chứa - chất lỏng
sẽ sử dụng mô hình không gian (chung cho cả các hệ làm việc theo mô hình
không gian và mô hình phẳng), còn khi thiết lập các phƣơng trình và thuật
toán cụ thể, các phần mềm t nh toán tƣơng ứng và nghiên cứu bằng số để phù
hợp với khối lƣợng của luận án chỉ sử dụng mô hình bài toán phẳng.
- Tải trọng: tải trọng động do sóng nổ gây ra.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng các phƣơng pháp số tiên tiến (phƣơng pháp phần tử hữu hạn,


3

phƣơng pháp t ch phân số Newmark…) kết hợp với thử nghiệm số trên máy
tính.
Cấu trúc của luận án
Luận án gồm có: phần mở đầu,

chƣơng, phần kết luận, danh mục các

tài liệu tham khảo và phụ lục.
Phần mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, mục đ ch,
nội dung, phạm vi, phƣơng pháp nghiên cứu và cấu trúc của luận án.
Chương 1: Tổng quan.
Tổng quan các dạng kết cấu bể chứa chất lỏng thƣờng gặp trong xây
dựng dân dụng và công nghiệp, trong xây dựng công trình Quốc phòng, các
phƣơng pháp t nh toán kết cấu bể chứa chất lỏng chịu tải trọng động, từ đó lựa
chọn mục đ ch, nội dung, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Thiết lập các phƣơng trình tổng quát để phân tích

tƣơng tác động lực học bể chứa chất lỏng bằng phƣơng pháp phần tử
hữu hạn.
Dẫn ra các phƣơng trình cơ bản của thủy động lực học, thiết lập các
phƣơng trình chuyển động để phân t ch động lực học kết cấu bể chứa chất
lỏng theo quan điểm tƣơng tác dƣới dạng giải tích, trên cơ sở đó xây dựng các
phƣơng trình thuật toán tổng quát (chung cho các hệ làm việc theo mô hình
không gian và mô hình phẳng) để giải bài toán đặt ra theo phƣơng pháp phần
tử hữu hạn.
Nội dung chƣơng đã đƣợc công bố trong công trình số 1, 2 của tác giả.
Chương 3: Tính bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất chịu tác
dụng của tải trọng sóng nổ.
Trên cơ sở phƣơng pháp, các phƣơng trình và thuật toán tổng quát, thiết


4

lập các phƣơng trình, thuật toán cụ thể và phần mềm t nh toán tƣơng ứng để
phân t ch động lực học các bể chứa chất lỏng đặt nổi trên mặt đất chịu tác
dụng của tải trọng sóng nổ trong không khí theo mô hình mô hình bài toán
biến dạng phẳng.
Sử dụng chƣơng trình đã lập tiến hành tính toán bằng số đối với kết cấu
bể chứa dạng thành mỏng và thành dày, nghiên cứu ảnh hƣởng của sóng trên
bề mặt tự do miền chất lỏng đến kết quả tính toán.
Nội dung chƣơng 3 đã đƣợc công bố trong công trình số 2, 4 của tác giả.
Chương 4: Tính bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trƣờng đất
đá chịu tác dụng của tải trọng sóng nổ.
Trên cơ sở phƣơng pháp, các phƣơng trình và thuật toán tổng quát, thiết
lập các phƣơng trình, thuật toán cụ thể và phần mềm t nh toán tƣơng ứng để
phân t ch động lực học các bể chứa chất lỏng đặt ngầm trong môi trƣờng đất
đá (nền đất) chịu tác dụng của sóng nén trong đất do nổ trong không khí và

trong đất theo mô hình bài toán biến dạng phẳng.
Sử dụng chƣơng trình đã lập tiến hành nghiên cứu bằng số đối với các
dạng kết cấu bể chứa thành mỏng và thành dày đặt ngầm trong nền đất.
Nội dung chƣơng đã đƣợc công bố trong công trình số 3, 5 của tác giả.
Phần kết luận nêu lên các kết quả chính của luận án và các vấn đề cần
nghiên cứu tiếp theo.
Phần phụ lục giới thiệu văn bản mã nguồn của các chƣơng trình đã lập
trong luận án.


5

Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Các dạng bể chứa chất lỏng thƣờng gặp trong thực tế xây dựng ở
Việt Nam và trên thế giới
Bể chứa chất lỏng có thể đƣợc làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau,
nhƣ bê tông cốt thép (BTCT), thép, composite…, trong đó loại vật liệu
thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao là thép (hợp kim thép)
và bê tông cốt thép (do có độ bền cao, chống thấm tốt, ổn định, dễ chế tạo, dễ
sản xuất…). Có thể phân loại bể chứa chất lỏng theo chức năng sử dụng (bể
chứa nƣớc, bể chứa nhiên liệu…); theo hình dạng, k ch thƣớc (bể hình trụ
tròn, bể hình chữ nhật…); theo vị trí xây dựng so với mặt đất (bể nổi, bể nửa
chìm nửa nổi và bể ngầm). Tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng đối với từng loại
bể, có các yêu cầu cấu tạo, chống thấm, chống ăn mòn ở những mức độ khác
nhau. Các yêu cầu cụ thể đối với thiết kế và thi công cho từng loại bể chứa
cũng thƣờng khác nhau ở mỗi nƣớc. Bể hình trụ và bể chữ nhật là 2 loại bể
chứa thông dụng dùng để chứa nƣớc hoặc nhiên liệu. Việc lựa chọn hình
dáng, k ch thƣớc bể phụ thuộc vào tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật,
điều kiện và địa điểm xây dựng kể cả kích thƣớc và khối lƣợng thiết bị khai

thác [2,14].
Trên hình vẽ 1.1 và hình 1. là một vài hình ảnh về bể chứa chất lỏng
đặt nổi đã xây dựng ở Việt Nam.
Cho đến thời điểm hiện nay, mỗi quốc gia đều cần có các trạm kho với
quy mô lớn dùng để bố trí các bể chứa nhiên liệu phục vụ cho quá trình phát
triển kinh tế - xã hội và đảm bảo an ninh năng lƣợng. Trên hình 1.3 là một
trong những Tổng kho dự trữ xăng dầu của Mỹ và Trung Quốc.


6

Hình 1.1. Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Vân Phong

Hình 1.2. Bể chứa bằng thép đặt nổi tại kho dự trữ xăng dầu Khu vực 3

a. Kho dự trữ xăng dầu của Mỹ

b. Kho trự trữ xăng dầu của Trung Quốc

Hình 1.3. Các kho dự trữ xăng dầu trên thế giới


7

Ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới đã xây dựng nhiều bể chứa nƣớc đặt
ngầm bằng bê tông cốt thép toàn khối phục vụ cho sinh hoạt và phòng cháy
chữa cháy, loại có dung t ch lớn có thể đạt 1
dƣới 1

÷2000m3. Bể có dung t ch

m3 thƣờng là bể chữ nhật đặt ngầm (hoặc nửa nổi nửa chìm) và

dùng vật liệu bê tông cốt thép thông thƣờng [2,14].
Trong lĩnh vực Quốc phòng có nhiều hệ thống công trình ngầm dùng để
ẩn nấp và cất giữ vũ kh trang bị, kỹ thuật, trong đó không thể thiếu đƣợc các
hạng mục là các loại bể chứa nhiên liệu, nƣớc sinh hoạt đặt nổi và đặt ngầm
trong đất, đặc biệt là các bể chứa trên các vùng biển đảo xa bờ nhƣ quần đảo
Trƣờng sa, vùng biển DK1 phục vụ cho sinh hoạt và chiến đấu của quân đội.
Ngoài ra, để bảo đảm phƣơng án cơ động, di chuyển sẵn sàng chiến đấu
cho các loại phƣơng tiện vũ kh , trang bị hạng nặng (nhƣ máy bay, tàu ngầm,
tên lửa phòng không, tên lửa bờ…) ngành Hậu cần quân đội cần phải xây
dựng hệ thống kho, bể chứa dự trữ nhiên liệu xăng, dầu với quy mô lớn.

Hình 1.4. Dạng bể ngầm điển hình trong công trình Quốc phòng
Trên hình 1.4 là các dạng bể chứa ngầm điển hình (chứa nhiên liệu hay
nƣớc sinh hoạt) đã và đang đƣợc xây dựng trong lĩnh vực Quốc phòng phục
vụ cho Sở chỉ huy và Khu căn cứ các cấp. Việc xác định hình dạng, kích
thƣớc, khả năng chịu lực của kết cấu bể chứa đƣợc dựa trên cấp độ cần bảo vệ
của nó. Nhìn chung, kết cấu bể chứa xây dựng trong công trình Quốc phòng


8

thƣờng có chiều dày tƣơng đối lớn để chống lại các dạng tải trọng động do nổ
hay các tác dụng trực tiếp của bom đạn gây ra [17].
Các nƣớc phát triển trên thế giới đã xây dựng nhiều bể chứa chất lỏng
có khối t ch lớn dùng để dự trữ nhiên liệu phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất và
kinh doanh…Hình dạng, vật liệu dùng để xây dựng bể chứa cũng rất phong
phú. Tuy nhiên nhờ t nh bền vững, khả năng chống xâm thực và ăn mòn của

bê tông nên bể chứa nhiên liệu lỏng bằng bê tông cốt thép đã đƣợc sử dụng
phổ biến và tồn tại từ nhiều thập kỷ qua. Có nhiều bể chứa ngầm bằng bê tông
cốt thép đã đƣợc xây dựng từ những năm 19

cho đến nay vẫn còn sử dụng

bình thƣờng nhƣ khu dầu kh Baku ở Cộng hòa Adecbaizan đƣợc xây dựng
năm 1912, hay các bể chứa dầu trên đƣờng ống hữu nghị thời kỳ Liên Xô tới
các nƣớc Đông âu…[14].

a. Bể chứa dạng trụ tròn nằm ngang

b. Bể chứa dạng hộp chữ nhật bằng

bằng thép, đặt ngầm

BTCT, đặt nửa nổi nửa chìm

Hình 1.5. Bể chứa ngầm vỏ thép và bê tông đã đƣợc xây dựng trên thế giới
Các bể chứa chất lỏng đặt ngầm có tác dụng chống cháy, chống tự bốc
cháy nhiên liệu. Ngoài ra nó là loại bể tiết kiệm đƣợc diện t ch kho bãi, mạng
lƣới đƣờng ống kỹ thuật và dễ dàng nạp nhiên liệu bằng phƣơng pháp tự chảy.
Bể chứa ngầm còn có khả năng giữ nhiệt độ ổn định của chất lỏng chứa trong
nó.


9

Trong xây dựng công trình Quốc phòng, các bể chứa ngầm ngoài các
ƣu điểm trên còn có tác dụng ngụy trang, cất giấu tốt và có khả năng chống lại

các tác dụng phá hoại trực tiếp của bom đạn địch.
Để đảm bảo t nh ổn định của kết cấu bể chứa (chủ yếu là khả năng
chống lật), các bể chứa nổi thƣờng phải có bộ phận neo giữ nó dƣới dạng
móng công trình (móng khối, móng cọc kết hợp với hệ thống neo, giằng)
thƣờng đƣợc gọi là các liên kết. Bể chứa loại này còn đƣợc gọi là bể chứa có
neo. Đối với các bể chứa ngầm không nhất thiết có các liên kết này và còn
đƣợc gọi là bể chứa không có neo.
Đối với kết cấu bể chứa chất lỏng chịu tác dụng của động đất, các nhà
khoa học đã ghi lại các dạng hƣ hỏng điển hình dƣới đây [18,58,63].
a. Hiện tƣợng phình chân voi: bể chứa bị biến dạng phình ra tại vị trí
chân tƣờng bể (sát đáy, hình 1.6a);
b. Hiện tƣợng xoắn hạt kim cƣơng: vỏ bể chứa bị biến dạng xoắn co
vào phía trong (hình 1.6b);
c. Hiện tƣợng phá hỏng kết cấu đế móng cao: xảy ra đối với các bể
nƣớc đế cao (hình 1.6c);
d. Hiện tƣợng phá hỏng hệ cột đỡ mái và tƣờng bể: xảy ra với bể bê
tông cốt thép khối tích lớn (hình 1.6d);
e. Hiện tƣợng đứt neo bể: hiện tƣợng đứt các neo xung quanh bể chứa
và hƣ hỏng các đƣờng ống kỹ thuật (chỉ xảy ra với các bể chứa có neo, hình
1.6e);
g. Hiện tƣợng phá hỏng kết cấu mái, hệ đỡ mái (hình 1.6g).


10

a. Hiện tƣợng phình chân voi

b. Hiện tƣợng xoắn hạt kim cƣơng

c. Bể đế cao bị phá hủy

(Bể đế cao – tháp nƣớc)

d. Cột đỡ mái, tƣờng bể bị phá hủy
(Bể chứa ngầm)

e. Hiện tƣợng đứt neo

g. Mái bể bị sập đổ

Hình 1.6. Một số dạng hƣ hỏng của bể chứa chất lỏng
chịu tác dụng của động đất