LX Thuy_Phân tích động lực học hệ liên hợp giàn không gian bể chứa trên nền san hô chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió

Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học toàn quốc
Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đà Nẵng, 6-7/8/2015
Tập 1
ISBN 978-604-913-458-6

Đơn vị tổ chức
ĐẠI HỌC DUY TÂN

HỘI CƠ HỌC VẬT RẮN BIẾN DẠNG

Các nhà khoa học tham gia phản biện
Phạm Hoàng Anh, Vũ Quốc Anh, Vũ Mai Ba, Đào Huy Bích, Nguyễn Đăng Bích, Lương
Xuân Bính, Phạm Đức Chính, Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Tiến Chương, Nguyễn Mạnh
Cường, Đào Văn Dũng, Nguyễn Thế Dương, Phạm Tiến Đạt, Nguyễn Đình Đức, Đặng Vũ
Hiệp, Hoàng Phương Hoa, Vũ Công Hòa, Nguyễn Thái Tất Hoàn, Đặng Xuân Hùng, Lê Thái
Hùng, Nguyễn Xuân Huy, Vũ Lê Huy, Lê Xuân Huỳnh, Ngô Như Khoa, Nguyễn Việt Khoa,
Phan Bùi Khôi, Nguyễn Đình Kiên, Nguyễn Trung Kiên (ĐHSPKTTPHCM), Bùi Hải Lê,
Trần Văn Liên, Vũ Đỗ Long, Nguyễn Thị Hiền Lương, Hoàng Xuân Lượng, Đào Như Mai,
Dương Phạm Tường Minh, Nguyễn Văn Phó, Trần Hữu Quốc, Mai Phú Sơn, Nguyễn Xuân
Thành, Vũ Duy Thắng, Trần Ích Thinh, Nguyễn Võ Thông, Vũ Thanh Thủy, Nguyễn Đắc
Trung, Trương Tích Thiện, Trần Thế Truyền, Đỗ Văn Trường, Trần Minh Tú, Hoàng Văn
Tùng, Lã Đức Việt, Phạm Chí Vĩnh


Mục lục
Tập 1
Mục lục

i

Đào Huy Bích
Về hoạt động khoa học của ngành Cơ học Vật rắn biến dạng trong hai năm 2014–2015 xviii
Lê Bá Anh
Thermal behavior analysis of concrete box girder under the influence of temperature in
Vietnam
1
Lê Bá Anh, Trần Thế Truyền and Hồ Xuân Nam
Analysis of compressive behavior of concrete with different aggregates by multiscale
approaches
6
Lê Dương Hùng Anh, Trương Quang Tri và Ngô Kiều Nhi
Thử nghiệm nâng cao độ chính xác gia công của máy phay CNC bằng lý thuyết mạng
thần kinh nhân tạo
13
Le Thi Ngoc Anh, Nguyen Quang Huan, Nguyen Dinh Kien
Free vibration of a tapered functionally graded sandwich beam based on the third–order
shear deformation theory
21
Lê Thị Việt Anh, Nguyễn Việt Khoa, Cao Văn Mai và Đào Như Mai
Phân tích mỏi cho kết cấu mảnh chịu tác động của tải trọng gió có kể đến ảnh hưởng của
dòng rối
29
Lê Thị Việt Anh, Nguyễn Việt Khoa, Cao Văn Mai và Đào Như Mai
Phân tích mỏi cho kết cấu ngoài khơi chịu tác động của tải trọng sóng kể đến yếu tố ngẫu
nhiên
37
Pham Hoang Anh and Nguyen Xuan Thanh
Solving engineering optimization problems by constrained differential evolution with
nearest neighbor comparison
45

Vũ Quốc Anh và Nguyễn Hải Quang
Tính toán dầm khi hình khớp dẻo trong khi chịu tải trọng động có xét đến ảnh hưởng của
tĩnh tải
53
Nguyễn Quốc Bảo
Nghiên cứu biện pháp điều chỉnh nội lực cầu dây văng thi công đúc hẫng cân bằng sử
dụng phương pháp căng chỉnh một lần và căng chỉnh hai lần
60
Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Văn Mỹ, Vũ Quốc Hán và Lê Hoàng Bảo
Đánh giá độ tin cậy của cầu dây văng chịu tải trọng gió khi xét đến dao động flutter

68


Mục lục

iii

Nguyễn Thái Chung
Tương tác giữa kết cấu đường hầm và nền san hô trên đảo chịu tác dụng của sóng xung
kích
177
Nguyễn Thái Chung, Lê Hoàng Anh và Nguyễn Thanh Hưng
Nghiên cứu phản ứng động của công trình DKI chịu tác dụng của tải trọng sóng sử dụng
mô hình hệ thanh không gian và nền san hô làm việc đồng thời
185
Nguyễn Thái Chung và Lê Hải Châu
Phân tích ổn định tĩnh của vỏ composite áp điện có gân gia cường

193

Nguyễn Thái Chung, Phạm Tiến Đạt và Trần Văn Bình
Nghiên cứu xác định vận tốc lan truyền sóng trong môi trường nền đá san hô tại đảo Song
Tử Tây – Quần đảo Trường Sa bằng thực nghiệm
201
Nguyễn Thái Chung và Nguyễn Văn Đăng
Nghiên cứu phản ứng động của đường ray cong chịu tác dụng của tải trọng do đoàn tàu
gây ra bằng lý thuyết và thực nghiệm
207
Nguyễn Thái Chung và Hoàng Hải
Nghiên cứu điều khiển dao động cho nhà cao tầng chịu tác dụng của động đất bằng thiết
bị tiêu tán năng lượng TMD sử dụng mô hình liên hợp thanh không gian - tấm
215
Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Trang Minh và Lê Phạm Bình
Phân tích động lực học của dầm có vết nứt chịu tác dụng của tải trọng di động bằng
phương pháp phần tử hữu hạn
223
Nguyễn Thái Chung và Trần Trung Thành
Nghiên cứu ổn định tĩnh của tấm composite áp điện có gân gia cường

231

Nguyễn Thái Chung, Lê Xuân Thùy và Lê Hoàng Anh
Phân tích động lực học hệ liên hợp giàn không gian – bể chứa trên nền san hô chịu tác
dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió
239
Nguyễn Tiến Chương và Nguyễn Hải Quang
Ảnh hưởng của độ cứng liên kết đến phản ứng động lực của khung thép có liên kết nửa
cứng đàn – dẻo chịu tải trọng động
247

Nguyễn Tiến Chương và Phạm Thu Hiền
Ảnh hưởng của độ lớn lực chảy dẻo của thanh giằng chống oằn đến sự làm việc của
khung thép chịu động đất
253
Phạm Đức Cương và Nguyễn Xuân Chính
Thiết kế kết cấu Bê tông cốt thép dạng khung theo độ tin cậy của các phần tử cho trước
trong điều kiện Việt Nam
260
Han Van Cuong and Vu Cong Hoa
Thermal performance in Electronics Control Unit

267


239
Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII
Đại học Duy Tân, TP Đà Nẵng, 7/8/2015

Phân tích động lực học hệ liên hợp giàn không gian - bể chứa
trên nền san hô chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió
Nguyễn Thái Chung1, Lê Xuân Thùy2, Lê Hoàng Anh3
1,2

Học viện Kỹ thuật quân sự, 236 Hoàng Quốc Việt, Bắc Từ Liêm - Hà Nội
3
Đại học Công nghệ GTVT, 54 Triều Khúc, Thanh Xuân - Hà Nội
Email: ,

Tóm tắt
Bài báo trình bày thuật toán phần tử hữu hạn (PTHH) và phương pháp phân tích động lực học của hệ liên

hợp giàn thép không gian – bể chứa trên nền san hô chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió với việc sử
dụng mô hình kết cấu và nền san hô làm việc đồng thời. Các kết quả nghiên cứu số là cơ sở khoa học cho phép
lựa chọn các giải pháp hợp lý đối với công trình bố trí tại các bãi cạn ven đảo, góp phần giảm mật độ công trình
trên đảo, tăng khả năng tác chiến trên đảo.
Từ khóa: giàn không gian, bể chứa, san hô, sóng, gió, tương tác.

1. Đặt vấn đề
Các đảo nổi san hô xa bờ luôn giữ vị trí địa chính trị rất quan trọng, có ý nghĩa to lớn trong việc
khẳng định chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ của Quốc gia, vì vậy, việc nghiên cứu, đầu tư, xây dựng để
sử dụng hiệu quả các đảo này là điều quan trọng. Trong việc nghiên cứu đó, vấn đề tận dụng các bãi
cạn nhằm xây dựng các công trình phục vụ cho đời sống, sinh hoạt được nhiều nhà khoa học quan
tâm. Do nhu cầu sử dụng và điều kiện chật hẹp của các đảo nổi, ngày nay sử dụng các bãi cạn ven đảo
để giảm mật độ phân bố công trình trên đảo nổi là cấp thiết, theo đó, một trong những yêu cầu hiện
nay là đưa các kho tàng, bể chứa từ đảo nổi ra bãi cạn. Giải pháp kết cấu móng cọc là một trong những
giải pháp khả thi, trong đó kết cấu dạng liên hợp hệ thanh móng cọc và bể chứa, kho chứa là các dạng
khá điển hình.
Các công trình khi xây dựng trên bãi cạn thường phải chịu tác dụng của hai dạng tải trọng chủ
yếu là sóng và gió. Đây là hai dạng tải trọng biến đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, cộng
thêm sự biến đổi cơ tính rất đa dạng của nền san hô ứng với các vùng thềm khác nhau nên càng tăng
thêm mức độ phức tạp cho bài toán tương tác công trình – nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng
và gió. Do vậy, với mỗi khu vực thềm san hô khác nhau cần có sự nghiên cứu cụ thể bài toán này với
thông số nền cụ thể. Sử dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước, mã số KC.09.26/11-15
về tính chất cơ lý của san hô và nền san hô trên đảo Song Tử Tây – quần đảo Trường Sa, nhóm tác giả
hướng đến giải quyết bài toán tính tương tác giữa công trình giàn thép không gian – bể chứa trên nền
san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, với mong muốn cung cấp cho các nhà thiết kế những
thông tin tham khảo bổ ích khi thiết kế các công trình xây dựng trên khu vực quần đảo này. Phương
pháp phần tử hữu hạn được sử dụng với 2 loại phần tử là phần tử thanh không gian (mô tả kết cấu
giàn) và phần tử khối (mô tả nền san hô).
Bài toán được giải quyết trên cơ sở các giả thiết: Vật liệu kết cấu đồng nhất, đẳng hướng và đàn
hồi tuyến tính, biến dạng bé; quá trình hệ làm việc, các lớp nền không tách và trượt tương đối với

nhau; bỏ qua ảnh hưởng của rối, dòng chảy và tác động môi trường. Mô hình bài toán như hình 1.


240

Nguyễn Thái Chung, Lê Xuân Thùy, Lê Hoàng Anh

Hình 1. Mô hình bài toán

2. Mô phỏng phần tử hữu hạn và các phương trình cơ bản
2.1. Quan hệ biến dạng – chuyển vị
Trường hợp tổng quát, chuyển vị theo 3 phương trực giao nhau x, y, z ở một điểm trong vật rắn
biến dạng tại thời điểm t tương ứng là u = u(x,y,z,t), v = v(x,y,z,t), w = w(x,y,z,t). Biến dạng tỷ đối tại
điểm đó được xác định theo các biểu thức sau (Bathe K. J., 1976):
x =

u
x

 xy =

,y =

u
y



v
x

v
y

, z =

,  yz =

w
z

v
z



w
y

,  zx =

Hay dưới dạng ma trận:

w
x



u
z

(1)
.

 = Bq ,

(2)

trong đó [B] là ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị, {q} là véc tơ chuyển vị.
2.2. Quan hệ ứng suất - biến dạng
Quan hệ ứng suất – biến dạng thể hiện như công thức (Bathe K. J., 1976):

 =  D  0  ,

(3)

trong đó:  là véc tơ biến dạng,  là véc tơ ứng suất, 0  là véc tơ biến dạng ban đầu, [D]6×6 =
[D(E,)] (4) là ma trận các hệ số đàn hồi.
2.3. Mô hình phần tử hữu hạn
2.3.1. Phần tử thanh 3 chiều (hình 2)
a) Các quan hệ ứng xử:
Ma trận độ cứng  Ke  của phần tử:  Ke  
 b
b
1212

e T

 B b D

Ve

e

 e
,
b B b dV

(5)

với [Be]b, [De]b tương ứng là ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị và ma trận các hằng số đàn hồi
của phần tử.


Phân tích động lực học hệ liên hợp giàn không gian – bể chứa trên nền san hô
chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió

Ma trận khối lượng

 Me  của
 b

phần tử:  Me   b  Ne   N  dV ,
b
 b   b

241

(6)

Ve

1212

với b là khối lượng riêng phần tử.
b) Véc tơ tải trọng sóng:
Áp dụng phương trình Morison, tải trọng tác dụng lên phẩn tử thanh theo phương x (Jamaloddin,
N., Samsul, I.B., Mohammad, S.J., 2005, Khosro, B., Hosseini, S. R, Mohammad, H.T., Hesam S.,
2011, Ktrine, V.R., 2005):
f

1
 D2 ,
 CD D u u   C1
ax
2
4

(7)

trong đó  là khối lượng riêng của nước, CD và C1 lần lượt là hệ số cản và hệ số quán tính, u và a x lần
lượt là chuyển vị và gia tốc y theo phương x.
1

2
Cường độ vận tốc hạt nước lên phương pháp tuyến: Wn   u2  v2   cx u  cy v   2 ,



(8)

và các thành phần vận tốc theo các phương x, y, z:













Unx  u  cx cx u  cy v , Uny  v  cy cx u  cy v , Unz  cz cx u  cy v ,

(9)

trong đó cx = sincos, cy = cos, cz = sinsin,
5
5
cosh  nky 
sinh  nky 


u   Gn
cosn  kx- t  , v   G n
sin n  kx- t  ,
k i 1

sinh  nky 
k i 1
sinh  nky 

(10)

với d – khoảng cách từ đáy biển đến mặt nước tĩnh, k – số sóng,  - tần số góc của sóng.
a nx  a x  cx cx a x  cy a y ,


Các thành phần gia tốc theo các phương x, y, z: a ny  a y  cy cx a x  cy a y ,
(11)

a nz  cz cx a x  cy a y ,











Áp dụng công thức Morison, ta có các thành phần tải trọng sóng phân bố trên chiều dài thanh như
sau (Jamaloddin, N., Samsul, I.B., Mohammad, S.J., 2005):

f 

e w

f x 
 
 f y   0,5 CD D Wn
f 
 z

Véc tơ tải trọng quy nút:

 Unx 
a nx 


,
2
 Uny   0, 25  C1D a ny 
U 
a 
 nz 
 nz 



e

Le

 N   f 

P t 

w

T
e

=

e w

dl ,

(12)
(13)

0

c) Véc tơ tải trọng gió:
Với cấu tạo của các công trình biển dạng hệ thanh nói chung, tải trọng gió tác dụng vào hai phần
chủ yếu của kết cấu: phần diện tích chắn gió tổng cộng của phần công tác và phần diện tích chắn gió
của các thanh thành phần. Trong trường hợp tổng quát, áp lực gió tác dụng lên một đơn vị diện tích
chắn gió của kết cấu được xác định theo biểu thức sau (Kim Byoung-Wan, Kim Woon-Hak and Lee
In-Won, 2002):
2
1
(14)
pwin  t   Cpair  Uwin  t  cos ,
2

trong đó: pwin(t) là hàm áp lực gió phân bố, Cp là hệ số áp lực gió, air là khối lượng riêng không khí,
Uwin(t) là hàm vận tốc gió theo thời gian,  là góc hợp bởi Uwin  t  và pháp tuyến của mặt chắn gió.


242

Nguyễn Thái Chung, Lê Xuân Thùy, Lê Hoàng Anh

Tương tự, lực gió phân bố theo chiều dài thanh: qwin  t   1 BCpair  Uwin  t 2 coswin ,

(15)

2

trong đó B là bề rộng mặt cắt ngang của thanh, trường hợp thanh hình trụ thì B = D (đường kính mặt
cắt ngang thanh), win là góc lệch của trục thanh với trục y trong hệ toạ độ tổng thể.
Trường hợp vận tốc gió là không đổi Uwin(t) = U0, gió thổi theo phương y, biểu thức áp lực gió
(14) và (15) trở thành:
2
1
pwin  t   p0win  Cpair  U0 
2

(16)

2
1
qwin  t   q0win  BCpair  U0 
2

(17)

Và lúc này gió tác dụng lên kết cấu tương tự như là tải trọng xung tức thời, theo thống kê thì mức
độ nguy hiểm của kết cấu trong trường hợp này không bằng trường hợp khi vận tốc gió là hàm của
thời gian.
Véc tơ tải trọng nút của phần tử thanh do áp lực gió gây nên được xác định theo biểu thức sau
(Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Văn Chình, 2013, Bathe K. J., 1976):

P  t 

win

e

 Le

T


=   N b  pwin  t  dl 


0




(18)

2.3.2. Phần tử khối 8 nút

Phần tử được dùng mô tả nền san hô, xét phần tử khối lục diện 8 nút đẳng tham số, tại mỗi nút có
3 bậc tự do là các chuyển vị dài theo các phương x, y và z của hệ trục toạ độ tổng thể. Hình 3 mô tả
phần tử trong hệ tọa độ tổng thể và hệ tọa độ cục bộ sau khi đã chuẩn hóa đơn vị.
v2

v1

θx2

θz2

y

x
u2

θx1

θy2

w2

θz1
w1

u1

z

θy1

a, Trong hệ toạ độ chung

b, Trong hệ toạ độ cục bộ

Hình 3. Phần tử lục diện 8 điểm nút

Hình 2. Phần tử thanh 3 chiều

Hình dạng hình học của phần tử được cho bởi (Bathe K. J., 1976):
8

8

x


i 1

Ni x i ,

y


i 1

Ni yi ,

8

z   Ni zi ,

(19)

i 1

 x1 
y 
 1
 z1 
x 
 
 
Viết lại (19) dưới dạng ma trận:  y    N s  x 2  ,
z 
. 
 
 
. 
 
 z8 

(20)


Phân tích động lực học hệ liên hợp giàn không gian – bể chứa trên nền san hô
chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió

243

trong đó [N]s là ma trận hàm dạng của phần tử khối 8 nút, xi, yi và zi là các toạ độ của nút i trong hệ
toạ độ vuông góc tổng thể.
Các hàm chuyển vị theo các phương x, y và z trong hệ trục tổng thể được biểu diễn:
8

u

N u ,

8

8

v

i i

i 1

N v ,

w

i i

N w ,
i

(21)

i

i 1

i 1

với ui, vi và wi là các bậc tự do của nút i.
Ma trận độ cứng phần tử:  Ke  
s
2424

 B D B dV ,
T
s

s

(22)

s

Ve

trong đó [B]s, [D]s tương ứng là ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị và ma trận các hằng số đàn hồi
của phần tử khối 8 điểm nút.
Ma trận khối lượng [M]e của phần tử được xác định như sau:  Me  
s

   N  N dV , (23)
s

T
s

s

Ve

2424

với s là khối lượng riêng phần tử.
2.4. Phương trình động lực học
Theo phương pháp PTHH, dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình vi phân mô tả dao
động của phần tử hệ thanh – phần tử khối như sau:

 M 
e

s

  Me 

q    C   C  q    K   K  q   P (t)  P (t)  P (t) ,
e

b

e

e

s

e

e

b

e

s

e

e

w

e

win

e

(24)

b

trong đó Me  , Me  , Ce  , Ce  ,  K e  ,  K e  lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma

s
b
s
b
s
b
trận độ cứng của phần tử khối (mô tả nền san hô) và phần tử thanh.
2.5. Thuật toán phần tử hữu hạn giải bài toán
Sau khi ghép nối ma trận, véc tơ tải trọng phần tử thành ma trận, véc tơ tải trọng tổng thể và khử
biên, thu được phương trình vi phân mô tả dao động của hệ như sau:

Mq  Cq  Kq  P(t) ,





(25)





với  M     Me    Me  ,  K     K e    K e  , C    M   K  ,  và  lần lượt là các
s
b
s
b
e

e

hệ số cản Rayleigh (Bathe K. J., 1976).
Pháp độ cứng trực tiếp, ma trận chỉ số và sơ đồ Skyline được sử dụng để tập hợp ma trận tổng thể.
Giải phương trình vi phân tuyến tính (25), các tác giả sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp
Newmark và lập trình tính trong môi trường Ansys. Chương trình tính có tên 3D_Offshore_Structures, kết
cấu được mô tả bởi các dạng phần tử: PIPE16, BEAM188, SOLID45.

3. Khảo sát số
3.1. Bài toán cơ bản
Thông số kết cấu: Kích thước hình bao của khối chân đế giàn thép không gian: a x a x h =
1,5mx1,5mx4,0m, trong đó 4 cọc chính là thép ống: Ф50x3,0mm, các thanh giằng có kích thước
Ф42x3,0mm. Kích thước sàn công tác: b x b = 2,5x2,5m, sàn được làm từ thép hộp, tiết diện ngang:


244

Nguyễn Thái Chung, Lê Xuân Thùy, Lê Hoàng Anh

50x50x3mm. Vật liệu giàn bằng thép, có mô đun đàn hồi E = 2,11011N/m2, hệ số Poisson  = 0,3,
khối lượng riêng  = 7800kg/m3. Chọn sai số lặp d = 0,5%, xác định được kích thước miền nghiên
cứu của nền là H×B1×L1 = 5,5m×8,0m×8,0m. Nền gồm 4 lớp, đánh số 1, 2, 3, 4, với đặc trưng cơ lý
như bảng 1.
Lớp
1
2
3
4

Bảng 1. Đặc trưng vật liệu nền san hô

Ef (N/cm2)
f
f (kg/m3)
0,17
0,20105
1,28103
5
0,19
0,2510
1,29103
0,24
0,31105
2,16103
5
0,29
0,4310
2,7103

Bề dày lớp (m)
0,8
1,2
1,5
2,0

Tỷ số cản 
0,05

Thông số tải trọng: sóng biển có chiều cao Hw = 3,56m, độ sâu nước dw = 1,5m, khối lượng riêng
nước w = 1000kg/m3, chu kỳ sóng Tw = 7,83s, hệ số lực cản CD = 0,5, hệ số quán tính C1 = 2,0, hệ số áp
lực gió Cp = 1, khối lượng riêng không khí air = 1,225kg/m3. Khối lượng tổng cộng của bể chứa quy

đổi là P = 2 tấn. Giản đồ vận tốc gió U win  t  như trên hình 4 (Kim Byoung-Wan, Kim Woon-Hak
and Lee In-Won, 2002).
P
b

Uwin(t)
sóng biển
GIAN DO VAN TOC GIO THEO THOI GIAN
50

a

H1

45

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

40

H2

H

35

H3
30

H4

25

B1

20

15

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

L1

Thoi gian t [s]

Hình 4. Giản đồ vận tốc gió Uwin(t) với Umax = 46,35m/s

Hình 5. Mô hình bài toán

Với chương trình đã lập, tính toán với hai mô hình: xét đồng thời kết cấu – nền, xét riêng kết cấu.
Kết quả so sánh cho 2 trường hợp là chuyển vị ngang tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc, thể
hiện như trên bảng 1 và hình 6, 7.
Bảng 1. Giá trị lớn nhất về chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính
Mô hình tính

max

Ux

[cm]

max

M y [Nm]

Xét riêng kết cấu

7,04118

4861,01

Xét kết cấu – nền

7,52944

3982,20

Sai số [%]

6,9

- 18,1


Phân tích động lực học hệ liên hợp giàn không gian – bể chứa trên nền san hô
chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng và gió
4

3000
MH tuong tac
MH khong tuong tac

MH tuong tac
MH khong tuong tac

Momen uon mat cat chan cot [Nm]

2000

2

Chuyen vi ngang U [cm]

245

0

-2

-4

-6

1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000

-8
0

5

10
Thoi gian t[s]

15

-5000
0

20

Hình 6. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux theo
thời gian t của đỉnh giàn

5

10
Thoi gian t[s]

15

20

Hình 7. Đáp ứng mô men uốn My theo
thời gian t tại mặt cắt chân cọc

3.2. Khảo sát một số yếu tố đến đáp ứng động của giàn thép
3.2.1. Ảnh hưởng của tải trọng bể chứa:
Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tải trọng bể chứa đến dao động của hệ giàn không gian – bể
chứa, các tác giả khảo sát đáp ứng động của hệ với giá trị P thay đổi: P1 = 500kg, P2 = 1200kg, P3 =
2000kg, P4 = 4000kg, P5 = 6000kg. Giá trị cực trị của chuyển vị ngang tại đỉnh và mômen uốn tại chân
cọc được thể hiện như trên bảng 2.
Bảng 2. Giá trị lớn nhất của chuyển vị tại đỉnh giàn và mô men uốn tại chân cọc chính ứng với Pi
P [kg]
500
1200

2000
4000
6000
max

[cm]

7,52941

7,52942

7,52944

7,52946

7,52949

max
M y [Nm]

3982,24

3982,23

3982,20

3982,11

3982,02

Ux

Đáp ứng này được cụ thể trên hình 8, 9.
3982.3

Momen uon chan cot lon nhat Mymax [Nm]

Chuyen vi ngang lon nhat U max [cm]

7.5295

7.5295

7.5294

7.5294

7.5293

1000

2000
3000
4000
Tai trong be chua P [kg]

5000

6000

3982.25

3982.2

3982.15

3982.1

3982.05

3982

1000

2000
3000
4000
Tai trong be chua P [kg]

5000

6000

Hình 6. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
theo
x

Hình 7. Đáp ứng mô men uốn M max
theo
y

tải trọng P của bể chứa

tải trọng P của bể chứa

3.2.2. Ảnh hưởng của vận tốc gió:
Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng gió đến đáp ứng động của hệ, các tác giả khảo sát sự thay đổi
vận tốc gió so với giản đồ vận tốc gió ban đầu, biến đổi từ 25% đến 125%. Các giá trị thay đổi của
chuyển vị ngang lớn nhất đỉnh giàn và mômen uốn lớn nhất chân cột thể hiện trên bảng 3 và hình 8, 9.


246

Nguyễn Thái Chung, Lê Xuân Thùy, Lê Hoàng Anh

max

Bảng 3. Giá trị U x
Uwin(t) [%]
(so với BTCB)
max

Ux

[cm]

max

M y [Nm]

max

tại đỉnh giàn và mô men M y
25

50

75

100

125

0,463

1,877

4,232

7,529

11,769

241,966

986,149

2234,49

3982,20

6229,19

8000

Momen uon chan cot lon nhat Mymax [Nm]

Chuyen vi ngang lon nhat U max [cm]

16
14
12
10
8
6
4
2
0
20

tại chân cọc chính khi thay đổi giản đồ vận tốc

40
60
80
100
Ty le [%] gio so voi gian do van toc BTCB

120

Hình 8. Chuyển vị ngang U max
theo Uwin(t)
x

7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
20

40
60
80
100
Ty le [%] gio so voi gian do van toc BTCB

120

Hình 9. Mô men uốn M max
theo Uwin(t)
y

4. Kết luận
Bài báo đã đạt được các nội dung chính sau: Xây dựng thuật toán và chương trình phân tích động
lực kết cấu giàn không gian – bể chứa trên nền san hô chịu tải trọng sóng và gió. Phân tích, đánh giá
sự ảnh hưởng của mô hình tính và một số yếu tố khác đến đáp ứng của hệ, đưa ra các nhận xét, cụ thể:

Đánh giá theo mô hình tương tác kết cấu – nền, hệ mềm hơn so với khi xét riêng kết cấu (chuyển vị tại
điểm tính của kết cấu tăng nhưng mô men uốn chân cọc giảm đi). Với thông số kết cấu của mô hình
tính đã cho, dải tải trọng bể chứa được khảo sát ít ảnh hưởng đến chuyển vị ngang và mô men uốn tại
điểm tính trên kết cấu. Khi tăng tải trọng bể chứa, chuyển vị ngang lớn nhất tăng, mô men uốn chân
cọc lớn nhất giảm, nhưng lượng tăng, giảm này không đáng kể. Tăng vận tốc gió, chuyển vị và nội lực
trong kết cấu tăng phi tuyến.
Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài NCKH cấp Nhà nước, mã số
KC.09.26/11-15 đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ để các tác giả thực hiện nội dung nghiên cứu này.

Tài liệu tham khảo
Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Văn Chình, 2013, Ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động của công trình
biển dưới tác dụng của tải trọng sóng và gió, Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển, Tập 13, Số 2; 2013, tr.33-40.
Bathe K. J. (1976), Numerical Methods in Finite Element Analysis, Prentice - Hall, Inc., New Jersey..
Jamaloddin, N., Samsul, I.B., Mohammad, S.J., 2005, Waleed Abdul Malik Thanoon1 and Shahrin
Mohammad, Simulation of wave and current forces on template offshore structures, Suranaree J. Sci. Technol.
12(3), pp. 193-210.
Khosro, B., Hosseini, S. R, Mohammad, H.T., Hesam S., 2011, Seismic Response of a Typical Fixed
Jacket-Type Offshore Platform (SPD1) under Sea Waves, Open Journal of Marine Science, 2011, 1, pp. 36-42,
doi:10.4236/ojms.2011.12004 Published Online July 2011 ( />Kim Byoung-Wan, Kim Woon-Hak and Lee In-Won, 2002, Three-dimensional Plate Analyses of Wind loaded Structures, Department of Civil Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 3731 Guseong-dong, Yuseong -gu, Daejeon, 305-701, Korea.
Ktrine, V.R., 2005, Dynamic behaviour of jackets esposed to wave-in-deck forces, Doctor of Philosophy,
University of Stavanger, Norway.