Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi vlfs dưới tác dụng tải trọng tập trung di động

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN THÀNH AN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM
NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP
TRUNG DI ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số ngành: 60580208

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 4 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN THÀNH AN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM
NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP
TRUNG DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60580208
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 4 năm 2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Lương Văn Hải
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 4 tháng 10 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT

Họ và tên

1

TS. Khổng Trọng Tồn

2

TS. Đào Đình nhân

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Văn Giang

Phản biện 2

4

TS. Nguyễn Hồng Ân

5

TS. Trần Tuấn Nam

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận sau khi luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thành An

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1992

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
MSHV: 1541870001
I- Tên đề tài:
Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng tải trọng tập trung di động
II- Nhiệm vụ và nội dung:
• Xây dựng thuật tốn, code Matlab.
• Kiểm chứng chương trình.
• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi vận tốc.
• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi độ lớn tải trọng.
• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi độ sâu đáy biển.
• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi chiều dày tấm.
• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi chiều rộng tấm.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. LƯƠNG VĂN HẢI
............................................................................................................................................

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống
bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết
cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Ðó là trách
nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Ðể hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã
nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tơi xin ghi nhận và tỏ lịng
biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã đành cho tơi sự giúp đỡ q báu đó.
Ðầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lương Văn Hải.
Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất
nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận
nghiên cứu hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình
Dân dụng và Cơng nghiệp Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM-HUTECH đã
truyền dạy những kiến thức q giá cho tơi, đó cũng là những kiến thức không thể
thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tơi rất
nhiều trong q trình thực hiện luận văn này. Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong
thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những
thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và
hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày 5 tháng 4 năm 2017

Nguyễn Thành An


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cùng với phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu về chổ ở của con người ngày càng
tăng do đó ngày càng nhiều dự án lấn biển đã được triển khai. Tuy nhiên, giải pháp
này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m). Đối với những
vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi lượng chi phí
khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là khơng thể thực hiện được.
Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường của quốc
gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng. Để giải quyết vấn
đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay thế mới hiệu
quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (VLFS - Very Large
Floating Structures).
Hiện nay các hệ thống kết cấu nổi hiện đại đã và đang được các quốc gia trên
thế giới xúc tiến xây dựng, tiêu biểu như các nước Nhật Bản, Ý, Pháp, Mỹ, Trung
Quốc, Hàn Quốc…Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về vấn đề trên tuy nhiên
các nghiên cứu này chỉ tập trung phân tích, khảo sát kết cấu tấm nổi có kích thước
nhỏ, chưa đúng với thực tế, sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, độ sâu đáy biển,
tải trọng, chiều dày, chiều rộng đối với ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi vẫn
chưa được nghiên cứu khảo sát làm rõ.
Do đó luận văn được thực hiện với mục đích:
•

Tập trung phân tích khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi lớn chịu tải tập

trung di động dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển,

bề dày, chiều rộng kết cấu nổi vì đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh
hưởng đến sự chuyển vị của kết cấu nổi, bằng phương pháp kết hợp phần tử biên
(BEM) và phần tử hữu hạn (FEM).
•

Ngồi ra, cách thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma

trận cản cho hệ kết cấu nổi sẽ được trình bày trong luận văn.


iii

ABSTRACT
Along with the development of the economy, the demand for human housing has
increased, so more and more land reclamation projects have been launched.
However, this solution is suitable for not too deep (depths less than 20m). For deep
water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical
difficulties, even impossible. In addition, land reclamation projects have negatively
impacted the country's environment, underground ecosystems, and coastlines with
its neighbors. To solve this problem, researchers and engineers have proposed a
more efficient alternative, namely the construction of a Very Large Floating
Structures (VLFS).
Currently, modern floating structures have been promoted by countries in the
world, such as Japan, Italy, France, USA, China and South Korea. Some studies on
this issue, however, these studies focus on investigating the small size of the
structure is not true, the effect of the velocity of the load, the depth of the sea, the
change. The load, thickness, width of floating structure for displacement behavior
of floating sheet has not been studied for clarification.
Therefore the dissertation was conducted with the purpose of:
•

Focus on the behavioral survey of large mobile floating structures under

the effect of velocity of load, depth of the seabed, load change, thickness, width of
floating structure. Because this is one of the important factors affecting the
displacement of floating structures by Boundary Element Method (BEM) and Finite
Element Method (FEM).
• In addition, the establishment of mass matrices, stiffness matrices and
constraints matrix for the structural system will be presented in the thesis.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thành An


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii

ABSTRACT ........................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... iv
MỤC LỤC .............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ x
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................................. xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu.................................................................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 4
1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước ............................................. 4
1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước .............................................. 5
1.3 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 6
1.4 Hướng nghiên cứu ...................................................................................... 6
1.5 Cấu trúc luận văn ........................................................................................ 7
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 8
2.1 Mơ hình tấm và chất lỏng ........................................................................... 8
2.2 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn .................................................................. 9
2.3 Mơ hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm................................................. 11
2.4 Hệ tọa độ địa phương phần tử tham số tham chiếu Q9 ............................... 14
2.5 Phương pháp tích phân biên ...................................................................... 17
2.6 Phần tử tấm 4 nút ...................................................................................... 19
2.7 Phương trình chuyển động chất lỏng miền thời gian ................................. 20
2.8 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng ....................... 21
2.9 Ma trận FEM của tấm trong miền thời gian............................................... 23


vi

2.10 Xấp xỉ miền thời gian ............................................................................... 23
2.11 Giải hệ phương trình tương tác ................................................................. 23

2.12 Phương pháp Newmark ............................................................................ 25
2.13 Lưu đồ tính tốn ....................................................................................... 27
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ .......................................................... 28
3.1 Kiểm chứng code lập trình Matlab và so sánh kết quả tính tốn với mơ
hình thí nghiệm của Endo và Yago (1999) [1]........................................... 30
3.2 Bài toán 1: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi vận tốc ......................... 36
3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi độ lớn tải trọng ............ 46
3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi độ sâu đáy biển ............ 49
3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày kết cấu .............. 55
3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi chiều rộng kết cấu ........ 60
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 66
4.1 Kết luận .................................................................................................... 66
4.2 Kiến nghị .................................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 68
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 70
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................... 79


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Sân bay nổi vịnh Tokyo & Cầu nổi Yumemai-Maishima ở Osaka ........ 1

Hình 1.2.

Đảo nổi trên sơng hàn ........................................................................... 2

Hình 1.3.

Minh họa tính trường uốn VLFS ........................................................... 3

Hình 2.1.

Mơ phỏng mơ hình kết cấu nổi .............................................................. 9

Hình 2.2.

Mơ hình tấm dày Mindlin ................................................................... 10

Hình 2.3.

Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ địa phương ................................... 15

Hình 2.4.

Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ tự nhiên ......................................... 15

Hình 2.5.

Miền khảo sát và mặt biên trịn, nữa đường trịn [17] .......................... 18

Hình 2.6.

Panel 4 nút .......................................................................................... 20

Hình 2.7.

Lưu đồ tính tốn.................................................................................. 27

Hình 3.1.

Mơ hình tải di động trên kết cấu nổi .................................................... 29

Hình 3.2.

Mơ hình thí nghiệm VF-10 ................................................................. 31

Hình 3.3.

Lưới FEM mơ hình tấm nổi VF-10 ..................................................... 31

Hình 3.4.

Hệ tọa độ và lưới BEM mơ hình tấm nổi VF-10 .................................. 31

Hình 3.5.

Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 1.85s ................................. 33

Hình 3.6.

Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 3.65s ................................. 33

Hình 3.7.

Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 5.5s ................................... 34

Hình 3.8.

Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 7.3s ................................... 34

Hình 3.9.

Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 9.4s ................................... 35

Hình 3.10. So sánh chuyển vị tấm tại Z1, Z5, Z9 với mơ hình thí nghiệm VF10........................................................................................................ 36
Hình 3.11. So sánh hình dạng chuyển vị wmax của tấm ứng với giá trị V thay
đổi ...................................................................................................... 37
Hình 3.12. Chuyển vị tấm ứng với vận tốc V1= 20 km/h khi tải tại điểm Z5 .......... 38
Hình 3.13. Chuyển vị tấm với vận tốc V2= 40 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 38
Hình 3.14. Chuyển vị tấm với vận tốc V3= 60 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 38


viii

Hình 3.15. Chuyển vị tấm với vận tốc V4= 80 km/h khi tải tại điểm Z5 ................. 39
Hình 3.16. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V1= 20 km/h ........................ 39
Hình 3.17. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V2= 40 km/h ........................ 40
Hình 3.18. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V3= 60 km/h ........................ 40
Hình 3.19. Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V4= 80 km/h ........................ 41
Hình 3.20. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi vận tốc V ............... 43
Hình 3.21. Chuyển vị của tấm chịu tải trọng di động trên nền đàn nhớt [17]......... 45
Hình 3.22. Phối cảnh 3D chuyển vị của tấm trên nền đàn nhớt [17] ...................... 45
Hình 3.23. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các tải trọng
P ......................................................................................................... 47
Hình 3.24. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P1=15 kN khi tải tại điểm Z5 ............ 47
Hình 3.25. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P2= 30 kN khi tải tại điểm Z5 ........... 47
Hình 3.26. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P3=45 kN khi tải tại điểm Z5 ............ 48

Hình 3.27. Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P4= 60 kN khi tải tại điểm Z5 ........... 48
Hình 3.28. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi tải trọng P .............. 48
Hình 3.29. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H .... 50
Hình 3.30. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H1=10 m ...................................... 51
Hình 3.31. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H1= 10 m khi tải tại điểm Z5 ......... 51
Hình 3.32. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H2= 20 m ..................................... 51
Hình 3.33. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H2= 20 m khi tải tại điểm Z5 ......... 52
Hình 3.34. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H3= 30 m ..................................... 52
Hình 3.35. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H3= 30 m khi tải tại điểm Z5 ......... 52
Hình 3.36. Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H4= 40 m ..................................... 53
Hình 3.37. Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H4= 40 m khi tải tại điểm Z5 ......... 53
Hình 3.38. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi độ sâu H ................ 53
Hình 3.39. Ứng xử của dầm nổi theo thời gian ứng với độ sâu khác nhau [16] ..... 54
Hình 3.40. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các bề dày h ..... 56
Hình 3.41. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h1=1 m khi tải tại điểm Z5 ................... 56
Hình 3.42. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h2=2 m khi tải tại điểm Z5 ................... 57


ix

Hình 3.43. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h3= 3 m khi tải tại điểm Z5 .................. 57
Hình 3.44. Chuyển vị tấm ứng với bề dày h4=4 m khi tải tại điểm Z5 ................... 57
Hình 3.45. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi bề dày h ................. 59
Hình 3.46. So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các chiều
rộng B ................................................................................................. 61
Hình 3.47. Chia lưới FEM phần tử tấm B1=30 m .................................................. 61
Hình 3.48. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B1=30 m khi tải tại điểm Z5........... 61
Hình 3.49. Chia lưới FEM phần tử tấm B2= 60 m ................................................. 61
Hình 3.50. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B2= 60 m khi tải tại điểm Z5.......... 62
Hình 3.51. Chia lưới FEM phần tử tấm B4= 90 m ................................................. 62

Hình 3.52. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B4= 90 m khi tải tại điểm Z5.......... 62
Hình 3.53. Chia lưới FEM phần tử tấm B5= 120 m ............................................... 63
Hình 3.54. Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B5= 3 m khi tải tại điểm Z5 ........... 63
Hình 3.55. Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị wmax khi thay đổi chiều rộng B .......... 64


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số đầu vào của bài khảo sát ...................................................... 28
Bảng 3.2. Bảng thông số mơ hình VF-10 ............................................................ 30
Bảng 3.3. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị V1, V2, V3, V4 ........ 37
Bảng 3.4. Sự biến thiên giá trị wmax với vận tốc V từ 20 km/h đến 100 km/h ........ 42
Bảng 3.5. Bảng thông số tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di động [17] .... 44
Bảng 3.6. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị P1, P2, P3, P4 ........ 46
Bảng 3.7. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị H1, H2, H3, H4 ...... 50
Bảng 3.8. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị h1, h2, h3, h4.......... 55
Bảng 3.9. Sự biến thiên giá trị wmax với bề dày h từ 1 m đến 10 m ....................... 58
Bảng 3.10. So sánh chuyển vị wmax của tấm ứng với các giá trị B1, B2, B3, B4 ........ 60
Bảng 3.11. Sự biến thiên giá trị wmax với chiều rộng B từ 15 m đến 120 m ............ 64


xi

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
VLFS

Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

BEM

Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)

Q9

Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element)

Ma trận và Véctơ
U

Véctơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của kết cấu tấm

κ

Véctơ độ cong

Bb

Ma trận biến dạng uốn

Bs

Ma trận biến dạng cắt

J

Ma trận Jacobi

M

Ma trận khối luợng tổng thể

K

Ma trận độ cứng tổng thể

C

Ma trận cản tổng thể

F

Véctơ tải trọng tổng thể của hệ

Me

Ma trận khối luợng phần tử

Ce

Ma trận cản phần tử

Ke

Ma trận độ cứng phần tử

Fe

Ma trận tải trọng tổng thể của hệ phần tử

Keff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Meff

Ma trận khối luợng hiệu dụng

Kg

Ma trận cứng đẩy nổi

Ký hiệu
L

Chiều dài tấm theo phương x

B

Chiều dài tấm theo phương y

E

Module đàn hồi của vật liệu

xii

G

Module chống cắt đàn hồi của vật liệu

v

Hệ số poisson của vật liệu

ρ

Trọng luợng riêng của vật liệu

h

Chiều dày tấm

Ψx

Góc xoay của tấm quay quanh trục y

Ψy

Góc xoay của tấm quay quanh trục x

s

Hệ số hiệu chỉnh cắt

u,v,w

Chuyển vị của tấm theo phương x,y,z

V

Vận tốc của tải trọng di động

t

Thời gian

H

Độ sâu

b

Đáy biển

sh

Mặt bên kết cấu tấm nổi

sv

Mặt đáy kết cấu tấm nổi

f

Mặt thoáng chất lỏng

∞

Chiều mặt chất lỏng ở vơ cực

m

Khối lượng riêng tương đương

d

Phần chìm trong nước

T

Chu kì sóng

λ

Bước sóng


Tổng quan

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN

1.1

Giới thiệu

Kết cấu nổi VLFS (Very Large Floating Structures) là hệ thống nổi trên biển nhờ
tận dụng lực đẩy nổi của nước biển. Hệ thống kết cấu nổi có nhiều ưu điểm so với
các kết cấu khác như: ứng dụng tốt cho vùng nước sâu, thân thiện và ít ảnh hưởng
đến mơi trường, thời gian thi cơng nhanh, dễ dàng mở rộng hoặc tháo dỡ, không bị
ảnh hưởng của động đất, tận dụng được lực đẩy nổi của biển, không chịu ảnh hưởng
của hiện tượng ấm lên tồn cầu. Chính vì những ưu điểm đó mà ngày nay, kết cấu
nổi đã được ứng dụng khá nhiều vào thực tiễn như sân bay nổi ở vịnh Tokyo, cầu
nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka (Hình 1.1) hay đảo nổi trên sơng Hàn (Hình
1.2).

Hình 1.1. Sân bay nổi vịnh Tokyo & Cầu nổi Yumemai-Maishima ở Osaka
( & />

Tổng quan

2

Hình 1.2. Đảo nổi trên sơng hàn
( />Kết cấu tấm nổi có kích thước rộng thường khoảng 5 km dài, l km rộng và chỉ có
vài mét theo độ sâu. Nên kết cấu tấm nổi có kích thước theo phương ngang lớn hơn
bề dày rất nhiều, do đó kết cấu tấm nổi rất dễ uốn so với kết cấu ngoài khơi khác
(Hình 1.3), dẫn đến sự biến dạng đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của
tấm cứng. Vì vậy, tương tác giữa áp lực thủy động lực học và biến dạng đàn hồi hay
còn gọi là Hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử động lực học.Và cho đến
nay, nhiều mơ hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử Hydroelastic. Từ
bước phân tích đơn giản nhất là thực hiện với mơ hình kết cấu một phương (mơ

hình dầm) và vùng chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết
chính xác hơn với mơ hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương. Về phần kết
cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép. Chúng được khảo sát như
một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo phương ngang của hệ
thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng. Đồng thời,
khi khảo sát ứng xử Hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt nước và kết cấu thường rất
nhỏ so với lực cản tổng quát do q trình tạo sóng trong một chu kỳ đặc trưng của
sóng nên được bỏ qua.


Tổng quan

3

Hình 1.3. Minh họa tính trường uốn VLFS
Chính vì các đặc điểm trên mà phân tích động lực học kết cấu tấm nổi nhận
được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới, tiêu biểu năm
Endo và Yago (1999) [1] tiến hành thí nghiệm và đo đạc chuyển vị của mơ hình
VF-10 (mơ hình thí nghiệm VF-10 tại biển của Viện Nghiện Cứu Kỹ Thuật MegaFloat, VF-10 là Pon-toon có dạng tấm chữ nhật, được thiết kế tương tự với MF-300
theo quy luật bản sao với một trọng lượng 69 kN di động) đưa ra biểu đồ ứng xử
chuyển vị theo thời gian của mô hình, đây là một dữ liệu thực tế, quan trọng để
nghiên cứu các vấn đề kết cấu tấm nổi. Tuy nhiên nghiên cứu này vẫn cịn hạn chế
như kích thước và tải trọng tác dụng vào mơ hình chưa đúng thực tế, chưa kiểm
chứng khảo sát ứng xử của kết cấu nổi khi áp dụng vào thực tế dưới sự ảnh hưởng
của vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi... Do
đó, luận văn này được thực hiện với mục đích nghiên cứu khảo sát làm rõ thêm các
vấn đề về ứng xử chuyển vị của kết cấu nổi khi chịu tải tập trung di động với kích
thước, tải trọng thực tế và ứng xử kết cấu khi thay đổi các điều kiện như tải trọng,
độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi. Sử dụng phương pháp kết
hợp BEM-FEM (Boundary Element Method- Finite Element Method) để khảo sát

ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi.


Tổng quan
1.2

4

Tình hình nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp số được thiết lập
để tính tốn và phân tích ứng xử động của kết cấu tấm nổi chịu tác động của tải
trọng di động.
1.2.1

Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm chịu tải di động có thể kể đến Stoke (1849)
[2] nghiên cứu về một phương trình vi phân liên quan đến sự phá vỡ của các cây
cầu đường sắt vào thế kỉ 19 và ứng dụng của nghiên cứu này vẫn rất hiệu quả trong
việc tính tốn thiết kế lịng đường, cầu cho xe lửa băng qua. Mathews (1958) [3],
(1959) [4] với nghiên cứu rung động của dầm trên nền đàn hồi đã giải quyết vấn đề
động lực của một tải bất kì khi tải trọng di chuyển dọc theo một dầm có chiều dài vơ
hạn tựa trên một nền đàn hồi bằng phương pháp biến đổi Fourier. Timoshenko
(1974) [5] nghiên cứu vấn đề rung động trong kỹ thuật, đã giải phương trình vi phân
tổng quát trong miền thời gian cho một dầm đơn giản chịu tác dụng của tải di động
bằng phương pháp chồng chất. Cai và cộng sự (1988) [6] nghiên cứu phản ứng
động của dầm dưới một lực chuyển động, cũng sử dụng phương pháp chồng chất để
giải quyết bài toán tải di động trên một dầm đồng nhất, vô hạn trên con lăn hỗ trợ
tuần hoàn. Chen và Huang (2000) [7] nghiên cứu độ cứng động học của dầm

Timoshenko vô hạn trên nền tảng có khả năng chống dính trong chuyển động phối
hợp, đã xét tải trọng không đổi di chuyển với vận tốc dọc theo một dầm
Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt.
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ứng xử kết cấu
nổi có thể kể đến nghiên cứu của Yoshida và Weaver (1971) [8] đã phân tích phần
tử hữu hạn của dầm và tấm với tải di động, nghiên cứu này đã dùng phương pháp
FEM để phân tích dầm và tấm tựa đơn chịu tải trọng chuyển động và khối lượng
chuyển động. Trong nghiên cứu này, khối lượng chuyển động được mơ hình hóa để
phân tích sự tương tác giữa mặt đường và sự chuyển động xe. Wu và cộng sự
(1987) [9] phân tích động lực học của một tấm phẳng theo một tải di chuyển bằng
phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phản ứng động của kết cấu tấm với các
yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tấm như chiều dài tấm, gia tốc và vận tốc ban đầu


Tổng quan

5

của tải trọng di chuyển. Ðể nghiên cứu các ứng dụng thực tế, Gupta (2009) [10]
phân tích dao động tự nhiên của tấm hình chữ nhật trên nền đàn nhớt với sự thay đổi
bề dày của tấm. Các phương pháp như phương pháp Newmark và phương pháp
Wilson dùng tính lặp từng bước thời gian thường được sử dụng để giải quyết các
phương trình dao động. Tuy nhiên tài liệu liên quan phân tích động một vật thể nổi
chịu tải di động còn hạn chế. Wu và Shih (1998) [11] nghiên cứu dao động do
chuyển động của cầu nổi, đã thực hiện nghiên cứu của một cầu treo bằng FEM.
Sturova (2002) [12] ứng xử dầm đàn hồi trôi nổi trên mặt nước cạn dưới tải bên
ngoài bằng phương pháp mode-expansion. Xing và Jin (2007) [13] nghiên cứu
phân tích động động học của một hệ thống tương tác dầm nổi bị kích thích bởi tác
động của dầm, đã trình bài kết quả số ứng xử đàn hồi của dầm nổi chịu tác động hạ
cánh của hệ “khối lượng-lò xo-cản nhớt”. Watanabe và Utsunomiya (2004) [14]

Phân tích thủy động lực của VLFS kiểu phao, bằng việc sử dụng phương pháp phần
tử hữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tác
dụng của tải xung. Qiu và Liu (2007) [15] gần đây với nghiên cứu phân tích miền
thời gian ba chiều của các cấu trúc nổi rất lớn phải chịu tải bên ngoài không ổn
định, bằng việc phát triển phương pháp miền thời gian để phân tích ứng xử
hydroelastic đặc trưng tấm chịu tải di động. Liu-chao Qiu (2009) [16] đã thực hiện
mô hình hóa và mơ phỏng các phản ứng của dầm nổi trong điều kiện vùng nước sâu
dưới tác dụng của tải di động.
1.2.2

Các cơng trình nghiên cứu trong nước

Nhi (2014) [17] trong luận văn thạc sĩ đã phân tích động lực học tấm Mindlin trên
nền đàn nhớt chịu tải di động sử dụng phần tử 2-D chuyển động. Gần đây có Vũ
(2016) [18] phân tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng đồng
thời sóng biển và tải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử chuyển động
bằng phương pháp BEM-MEM nghiên cứu trên đã tiến hành khảo sát ứng xử của
kết cấu nổi khi thay đổi vận tốc và độ lớn tải trọng. Trường (2017) [19] trong luận
văn thạc sĩ đã phân tích động lực học kết cấu nổi lớn chịu tải trọng xung bằng
phương pháp kết hợp phần tử hữu hạn và phần tử biên từ đó rút ra nhận xét về ứng
xử của kết cấu khi thay đổi kích thước lưới phần tử, các dạng tải xung khác nhau,


Tổng quan

6

thay đổi độ lớn của tải xung, thay đổi độ sâu của nước, thay đổi tỉ số cản với tải
xung là các tải hình sin, chữ nhật, tam giác và không biến đổi theo không gian.
Tuy nhiên về việc ứng dụng phương pháp BEM-FEM để phân tích động lực

học kết cấu tấm nổi dưới tác dụng tải trọng tập trung di động (tải biến đổi theo
không gian) vẫn chưa được đề cập đến. Do đó, luận văn này tập trung nghiên cứu áp
dụng kết hợp phương pháp phần tử biên (BEM) và phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM) trong vấn đề “Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng
tải trọng tập trung di động” góp phần đưa ra kết quả chính xác so với thực tế, từ đó
rút ra nhận xét về ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu tải tập trung di động
dưới sự thay đổi vận tốc, độ lớn tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng tấm
nổi bằng phương pháp BEM-FEM góp phần làm rõ thêm các vấn đề về ứng xử
chuyển vị của kết cấu nổi dưới tác dụng các tác nhân trên.
1.3

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm khảo sát ứng xử chuyển vị của tấm nổi dưới sự ảnh
hưởng do tốc độ di chuyển của tải trọng, khối lượng tải trọng, độ sâu đáy biển, bề
dày và chiều rộng tấm nổi bằng phương pháp kết hợp phần tử biên và phần tử hữu
hạn (BEM-FEM) để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi chịu tải tập
trung di động.
1.4

Hướng nghiên cứu
Xây dựng thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng

trong miền thời gian.
Phát triển thuật toán Matlab giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và
chất lỏng trong miền thời gian.
Các vấn đề nghiên cứu khảo sát cụ thể trong phạm vi luận văn bao gồm:
•

Thiết lập các ma trận khối lượng, độ cứng, cản cho các phần tử tấm dày

Mindlin.

•

Xây dựng thuật tốn Matlab giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và
chất lỏng trong miền thời gian.


Tổng quan
•

7

Kiểm tra độ tin cậy của chương trình bằng cách so sánh kết quả luận văn với
thí nghiệm của tác giả Endo và Yago (1999) [1].

•

Thành lập và thực hiện các ví dụ số để khảo sát sự ảnh hưởng của các đại
lượng khác nhau (sự thay đổi về vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày,
chiều rộng) đến ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra kết luận
và nhận xét.

1.5

Cấu trúc luận văn

Nội dung trong luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kết cấu tấm nổi VLFS, tình hình nghiên
cứu của các tác giả trong và ngoài nước cũng như mục tiêu và hướng nghiên cứu

của đề tài.
Chương 2: Trình bày các cơng thức phần tử hữu hạn để phân tích động lực kết
cấu tấm nổi VLFS chịu tải trọng di động.
Chương 3: Trình bày các kết quả phân tích số được tính tốn bằng ngơn ngữ
lập trình Matlab để giải hệ phương trình tương tác của kết cấu và chất lỏng, tiến
hành kiểm chứng với mơ hình thí nghiệm VF-10 của Endo và Yago (1999) [1],
khảo sát ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của sự thay đổi vận
tốc, trọng lượng của tải di động, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng của kết cấu
tấm nổi.
Chương 4: Ðưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và kiến
nghị hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
Tài liệu tham khảo, trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích
nghiên cứu của đề tài.


Cơ sở lý thuyết

8

CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này trình bày các công thức cơ bản của tấm chịu uốn và thiết lập cơng thức
để phân tích sự tương tác của kết cấu và chất lỏng trường hợp chịu tải trọng tập
trung di động.
2.1

Mơ hình tấm và chất lỏng

Mơ hình kết cấu tấm nổi có dạng hình chữ nhật với các cạnh là L và B, hệ tọa độ,
chiều mặt biên và miền chất lỏng sử dụng cho mơ hình được thể hiện trong Hình

2.1. Trong đó P là tải trọng, V là vận tốc của tải trọng, H là độ sâu, d là phần chìm
kết cấu trong nước, L là chiều dài kết cấu, Γ b là biên tại độ sâu đáy biển, Γ sh là
biên ở mặt bên kết cấu tấm nổi, Γ sv là biên ở mặt đáy kết cấu tấm nổi, Γ f là biên
mặt thoáng chất lỏng, Γ∞ là biên mặt chất lỏng giả định ở vô cực. Các giả thuyết
cho kết cấu tấm là đồng nhất, đàn hồi và ràng buộc theo phương trong mặt phẳng,
nước được giả định là một chất lỏng đồng nhất và khơng nhớt, khơng nén, khơng
xốy và dịng chảy có thế, chuyển động của chất lỏng được giả thuyết là nhỏ để xây
dựng phương trình chuyển động cho chất lỏng dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính.
Trong q trình phân tích Hydroelastic, kết cấu được mơ phỏng như một tấm đồng
nhất và cứng. Tấm nổi được giả thuyết là hoàn toàn phẳng và các cạnh tựa tự do.
Vật liệu của tấm là đẳng hướng hoặc trực hướng và tuân theo định luật Hooke.
Ðối với việc phân tích Hydroelastic phổ biến nhất là sử dụng các lý thuyết tấm
dày Mindlin, lý do tấm dày Mindlin có khả năng cung cấp các kết quả và dự đốn
chính xác hơn và các tác động mặt cắt ngang khi biến dạng và quán tính quay. Sự
chuyển động của tấm dày Mindlin được biểu diễn thơng qua góc quay quanh trục x
là Ψ y và trục y là Ψ x . Trong khi phân tích, kết cấu tấm được giả định là khơng


Cơ sở lý thuyết

9

chuyển động trong mặt phẳng Oxy và chỉ chuyển vị theo phương thẳng đứng (tức là
hướng z).
Dựa trên những giả thuyết trên, chất lỏng chuyển động có thể được đại diện
bởi một thế vận tốc là φ .
Sự tương tác của nước biển và kết cấu được thể hiện qua điều kiện vận tốc của
tấm trùng với vận tốc của mặt nước tiếp xúc với tấm, tức là khơng có khoảng cách
giữa tấm và mặt nước.

Hình 2.1. Mơ phỏng mơ hình kết cấu nổi
2.2

Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn

Mơ hình Reissner-Mindlin (Hình 2.2) với Ψ x là góc xoay của tấm quay quanh trục
y; Ψ y là góc xoay của tấm quay quanh trục x; u,v,w là chuyển vị của tấm theo
phương x,y,z. Theo mơ hình Reissner-Mindlin các đoạn thẳng vng góc với mặt
trung bình vẫn thẳng trong q trình biến dạng nhưng khơng cịn vng góc với mặt
trung gian nữa và các góc vng này bị thay đổi một lượng đúng bằng biến dạng
trượt trung bình gây ra bởi lực cắt. Như vậy góc xoay tổng cộng của mặt cắt gồm