Ảnh hưởng của liên kết đàn hồi trong phân tích động lực học kết cấu tấm nổi chịu tải trọng di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHẠM HỒNG THÁI

ẢNH HƯỞNG CỦA LIÊN KẾT ĐÀN HỒI
TRONG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI
CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành:

60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, 12 - 2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 13 tháng 01 năm 2019.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. NGUYỄN TRUNG KIÊN

-

Chủ tịch Hội đồng

2. TS. NGUYỄN HỒNG ÂN

-

Thư ký

3. PGS.TS. NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC

-

Ủy viên (Phản biện 1)

4. PGS.TS. BÙI CÔNG THÀNH

-

Ủy viên (Phản biện 2)

5. TS. NGUYỄN TẤN CƯỜNG

-

Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM HỒNG THÁI

MSHV: 1670586
Nơi sinh: Đồng Nai

Ngày, tháng, năm sinh: 09/10/1993

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60 58 02 08
I. TÊN ĐỀ TÀI: Ảnh hưởng của liên kết đàn hồi trong phân tích động lực học
kết cấu tấm nổi chịu tải trọng di động

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Trình bày cơ sở lý thuyết tấm, liên kết đàn hồi, chất lỏng lý tưởng, phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp phần tử biên.
2. Phát triển thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa tấm và chất lỏng trong
miền thời gian và xây dựng chương trình Matlab mơ phỏng ứng xử hệ tấm-nước.
3. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của chương
trình với kết quả các bài báo tham khảo.
4. Tiến hành thực hiện các ví dụ số nhằm khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố quan
trọng đến ứng xử động của kết cấu tấm, từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 15/07/2018

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10/12/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI
Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)

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. Đó là trách
nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để 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 dành cho tơi sự giúp đỡ q báu đó.
Trước hết 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, trường Đại học
Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những
kiến thức khơng thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi
sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong quá trình thực hiện Luận văn này.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất xin gửi tới Ba Mẹ, những người đã sinh ra và nuôi con ăn
học thành tài, luôn dõi theo từng bước và ủng hộ con đường của con.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân,
tuy nhiên không thể khơng có những thiếu sót. Kính mong q Thầy Cơ 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 10 tháng 12 năm 2018

Phạm Hồng Thái

ii

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Với tình hình gia tăng dân số hiện tại ngày càng nhanh, quỹ đất đai sử dụng ngày
càng thu hẹp dần. Vì thế những quốc gia có đường bờ biển dài hay những đảo quốc
đã triển khai những dự án lấn biển hoặc sử dụng những kết cấu nổi để giải quyết nhu
cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Để giải quyết vấn đề
trên, các nhà nghiên cứu, kỹ sư đã đưa ra một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn,
đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures,
VLFS).
Luận văn tập trung nghiên cứu về ứng xử của kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) có bố trí
hệ neo đàn hồi khi chịu tác động của tải trọng tập trung di động. Trong Luận văn tập
trung khảo sát ảnh hưởng của liên kết đàn hồi lên ứng xử của hệ kết cấu tấm nổi. Phần
kết cấu tấm được phân tích theo lý thuyết tấm Reissner – Mindlin, mơ hình tính toán
bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần tử tứ giác 9 nút. Phần nước
biển được mô hình tính tốn bằng phương pháp phần tử biên (BEM) với miền chất
lỏng có kích thước lớn gấp đơi so với kết cấu tấm nổi bên trên. Phần chất lỏng được
mô phỏng gồm các biên giới hạn: Biên mặt dưới tấm (Hull Bed), biên mặt thoáng
chất lỏng (Free Surface), biên mặt đáy biển (Sea Bed) và biên vô cực (Far Region).
Phần nước chuyển động bên dưới tấm được đại diện bởi một thế vận tốc gọi là  .
Chuyển động của nước biển được giả thiết là nhỏ để xây dựng phương trình chuyển
động cho chất lỏng dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính. Sự tương tác giữa kết cấu và
phần chất lỏng bên dưới thể hiện thông qua điều kiện động học tại mặt tiếp xúc của
tấm và chất lỏng: Vận tốc của tấm và chất lỏng tại mọi vị trí tiếp xúc ln bằng nhau,
nghĩa là khơng có khoảng cách giữa bề mặt tấm và chất lỏng.
Phần tính tốn của Luận văn được mơ phỏng bằng phần mềm Matlab R2015b, kết
quả chương trình Matlab được kiểm chứng với kết quả nghiên cứu của Ismail [10].
Sau đó tiến hành khảo sát mức độ ảnh hưởng của hệ neo đàn hồi lên tấm khi thay đổi

các thông số như vận tốc, vị trí và độ cứng hệ neo… Kết quả khảo sát cho thấy hệ
neo đàn hồi có xu hướng làm giảm lực cản và dao động của kết cấu tấm nổi. Tuy
nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn để tận dụng tối đa ảnh hưởng của hệ neo đàn hồi lên
tấm.


iii

SUMMARY
With the current population increase, the land fund is gradually narrowed. So
countries with long coastlines or island nations have implemented projects to
encroach on the sea or use floating structures to address the need for accommodation
for people as well as urban infrastructure development. To solve this problem,
researchers and engineers have come up with a new, more efficient alternative, to
build a very large floating structure system (Very Large Floating Structures, VLFSs).
The thesis focuses on studying the behavior of very large floating structure (VLFSs)
with an arrangement of elastic anchor system when under the influence of moving
concentrated load. Besides, the thesis investigates the effect of elastic moring on the
behavior of the floating plate structure. The plate structure is analyzed according to
Reissner - Mindlin plate theory, the model is calculated by finite element method
(FEM) using quadrilateral elements with 9 nodes. The seawater is modeled by
boundary element method (BEM) with the liquid area which is twice as large as the
floating plate structure above. The fluid portions are composed of boundary
boundaries: Hull-Bed, liquid surface boundary (Free Surface), Sea-Bed boundary and
infinity margin (Far Region).
The moving water below the plate is represented by a velocity potential called  . The
motion of seawater is assumed to be small to establish the equations of motion for
liquids based on linear wave theory. The interaction between the structure and the
liquid portion is shown through the kinetic conditions at the contact surface of the
plate and the liquid: The velocity of the plate and the liquid at all contact points is

always equal, it means there is no a gap between the plate surface and the liquid.
The calculation part of the Thesis is simulated by Matlab R2015b software, Matlab
program results are verified with Ismail's research results [10]. Then survey the
influence of the elastic anchor system on the plate when changing parameters such as
velocity, position and anchor system stiffness, etc. The survey results show that the
elastic anchor system tends to reduce resistance and vibration of the floating plate
structure. However, more research is needed to make the most of the effect of elastic
anchors on the plate.


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
Thầy PGS.TS. Lương Văn Hải.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên
cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2018

Phạm Hồng Thái


iv

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

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... xiii
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT............................................................................... xiv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu chung .............................................................................................. 1
1.1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài ............................................ 5
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới ................................................ 5
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước .................................................................. 11
1.3. Mục tiêu và hướng nghiên cứu ...................................................................... 13
1.4. Cấu trúc dự kiến trong Luận văn ................................................................... 13
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 14
2.1. Mơ hình cấu trúc chất lỏng và các điều kiện biên ......................................... 14
2.1.1. Mơ hình cấu trúc chất lỏng .................................................................. 14
2.1.2. Điều kiện biên ...................................................................................... 15
2.2. Hệ neo đàn hồi ............................................................................................... 16
2.3. Lý thuyết tấm Reissner – Mindlin chịu uốn .................................................. 17
2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho tấm dày Mindlin ....................... 20
2.4.1. Mơ hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm .......................................... 20


v

2.4.2. Hệ tọa độ địa phương của phần tử tham chiếu Q9 .............................. 21
2.5. Tích phân số - Phép cầu phương Gauss ......................................................... 24
2.6. Thiết lập ma trận kết cấu tấm Mindlin trên nền đàn nhớt sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn FEM ........................................................................................... 25
2.7. Phương pháp phần tử biên ............................................................................. 32

2.7.1. Lý thuyết chất lỏng lý tưởng ................................................................ 32
2.7.2. Phương trình thuỷ động lực của chất lỏng trên miền thời gian ........... 33
2.7.3. Phương pháp BEM áp dụng cho bài toán 3D ...................................... 34
2.7.4. Phương pháp phần tử biên tuyến tính .................................................. 37
2.7.5. Phương pháp phần tử biên cho bài tốn Hydroelastic ......................... 38
2.8. Phương trình dao động của hệ tấm – nước .................................................... 40
2.9. Phương pháp giải hệ phương trình chuyển động ........................................... 41
2.10. Lưu đồ tính tốn ........................................................................................... 43
CHƯƠNG 3. CÁC VÍ DỤ SỐ .................................................................................. 45
3.1. Bài tốn 1: Kiểm chứng chương trình phân tích hydroelastic của tấm tự do so
với kết quả của tác giả Ismail [10] ........................................................................ 46
3.1.1. Mơ hình thí nghiệm.............................................................................. 46
3.1.2. Kết cấu tấm nổi .................................................................................... 48
3.1.3. Vùng chất lỏng ..................................................................................... 48
3.1.4. Tải trọng động ...................................................................................... 48
3.1.5. Kiểm chứng kết quả ............................................................................. 49
3.2. Bài toán 2: Kiểm chứng độ tin cậy của bài toán với kết quả của phương pháp
phần tử hữu hạn .................................................................................................... 50
3.3. Bài toán 3: Khảo sát ứng xử tấm khi thay đổi vận tốc tải trọng di động ....... 52
3.4. Bài toán 4: Khảo sát ứng xử tấm khi thay đổi vị trí neo và số lượng hệ neo của
tấm. ....................................................................................................................... 73
3.5. Bài toán 5: Khảo sát ứng xử tấm khi thay đổi độ cứng hệ neo ...................... 99


vi

3.6. Bài toán 6: Khảo sát ứng xử tấm khi thay đổi độ sâu đáy biển ................... 105
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 114
4.1. Kết luận ........................................................................................................ 114
4.2. Kiến nghị...................................................................................................... 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 116
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 120
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................... 123


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thành phần của kết cấu nổi .................................................................2
Hình 1.2. Kết cấu giàn khoan nổi..............................................................................3
Hình 1.3. Kết cấu sân bay nổi siêu lớn ở Vịnh Tokyo ..............................................3
Hình 1.4. Sân nay quốc tế Kansai – Nhật Bản ..........................................................3
Hình 1.5. Đường băng nổi của sân bay quốc tế KitaKyushu ....................................4
Hình 1.6. Sân bay trên đảo nhân tạo tại Vịnh Osaka – Nhật Bản .............................4
Hình 1.7. Cầu nổi tại Seattle – Hoa Kỳ .....................................................................5
Hình 1.8. Trạm cứu hộ tại Vịnh Tokyo .....................................................................5
Hình 1.9. Tính uốn của kết cấu phao (Pontoon) .......................................................6
Hình 1.10. Tính uốn của kết cấu tấm nổi (VLFSs) .....................................................7
Hình 1.11. Sơ đồ phản ứng tồn phần của kết cấu nổi................................................7
Hình 1.12. Mơ hình tấm nổi tiết diện trịn [15] ...........................................................8
Hình 1.13. Hệ đập chắn sóng ....................................................................................11
Hình 1.14. Liên kết đàn hồi với đáy biển ..................................................................11
Hình 2.1. Kết cấu nổi và hệ tọa độ ..........................................................................15
Hình 2.2. Các loại kết cấu neo thơng thường ..........................................................17
Hình 2.3. Mơ hình hệ neo........................................................................................17
Hình 2.4. Mơ hình tấm dày Mindlin – Reissner......................................................18
Hình 2.5. Hai vị trí bố trí neo trong mơ hình ..........................................................20
Hình 2.6. Phần tử tứ giác 9 nút trong hệ tọa độ địa phương ...................................22
Hình 2.7. Phần tử tứ giác 9 nút trong hệ tọa độ tự nhiên .......................................22
Hình 2.8. Mơ hình tính cản của tấm trên nền đàn hồi .............................................29

Hình 2.9. Sự biến đổi của tỷ số dao động cản và tần số dao động riêng ................30
Hình 2.10. Miền khảo sát và mặt biên tròn, nửa đường tròn ....................................34


viii

Hình 2.11. Hàm Green G(P,Q)..................................................................................35
Hình 2.12. Phần tử panel 4 nút ..................................................................................37
Hình 2.13. Rời rạc hóa miền tính tốn ......................................................................39
Hình 2.14. Lưu đồ tính tốn ......................................................................................44
Hình 3.1. Các thơng số mơ hình tấm khảo sát ........................................................45
Hình 3.3. Kích thước tấm dùng kiểm chứng thí nghiệm của Ismail .......................47
Hình 3.4. Lưới mesh FEM mơ hình tấm nổi của Ismail .........................................48
Hình 3.5. Hệ tọa độ và lưới BEM mơ hình tấm nổi ................................................48
Hình 3.6. So sánh chuyển vị tấm của Matlab và nghiên cứu của Ismail [10].........50
Hình 3.7. Mơ hình tấm và tải trọng tĩnh trong phần mềm SAP2000 ......................51
Hình 3.8. Kết quả chuyển vị tĩnh kiểm chứng giữa Luận văn và SAP2000 ...........51
Hình 3.2. Kích thước tấm khảo sát theo mơ hình của Endo [6]..............................53
Hình 3.9. Biểu đồ sự thay đổi độ sâu vùng lõm so với vận tốc tải trọng trong
nghiên cứu của Takizawa [28] ............................................................54
Hình 3.10. Biểu đồ sự thay đổi bề rộng vùng lõm so với vận tốc tải trọng trong
nghiên cứu của Takizawa [28] ............................................................55
Hình 3.11. Vị trí neo khảo sát cho trường hợp vận tốc thay đổi ..............................55
Hình 3.12. Chuyển vị tại điểm Z1 khi V = 5 m s ....................................................57
Hình 3.13. Chuyển vị tại điểm Z1 khi V = 10 m s ..................................................57
Hình 3.14. Chuyển vị tại điểm Z1 khi V = 15 m s ..................................................58
Hình 3.15. Chuyển vị tại điểm Z1 khi V = 20 m s ..................................................58
Hình 3.16. Chuyển vị tại điểm Z1 khi V = 25 m s ..................................................59
Hình 3.17. Chuyển vị tại điểm Z1 khi V = 30 m s ..................................................59
Hình 3.18. Chuyển vị tại điểm Z3 khi V = 5 m s ...................................................60

Hình 3.19. Chuyển vị tại điểm Z3 khi V = 10 m s .................................................60


ix

Hình 3.20. Chuyển vị tại điểm Z3 khi V = 15 m s .................................................61
Hình 3.21. Chuyển vị tại điểm Z3 khi V = 20 m s .................................................61
Hình 3.22. Chuyển vị tại điểm Z3 khi V = 25 m s .................................................62
Hình 3.23. Chuyển vị tại điểm Z3 khi V = 30 m s .................................................62
Hình 3.24. Chuyển vị tấm với vận tốc V = 10 m s khi khơng bố trí hệ neo ............63
Hình 3.25. Chuyển vị tấm với vận tốc V = 10 m s khi bố trí hệ neo .......................63
Hình 3.26. Biểu đồ chuyển vị tấm tại điểm Z1 trong t = 10s với V = 20m/s ..........65
Hình 3.27. Biểu đồ chuyển vị tấm tại điểm Z1 trong t = 10s với V = 70m/s ..........66
Hình 3.28. Biểu đồ chuyển vị tấm tại điểm Z3 trong t = 10s với V = 20m/s ..........66
Hình 3.29. Biểu đồ chuyển vị tấm tại điểm Z3 trong t = 10s với V = 70m/s ..........67
Hình 3.30. Biểu đồ chuyển vị tấm tại điểm Z5 trong t = 10s với V = 20m/s ..........67
Hình 3.31. Biểu đồ chuyển vị tại điểm Z5 trong t = 10s với V = 70m/s .................68
Hình 3.32. Sự thay đổi chuyển vị của các điểm khảo sát khi có liên kết đàn hồi
tại vận tốc 70m/s .................................................................................70
Hình 3.33. Mơ hình khảo sát trong nghiên cứu của Kashiwaghi [20] ....................70
Hình 3.34. Chuyển vị của các điểm trên tấm khi máy bay hạ cánh (Tham khảo
Kashiwaghi [20]) .................................................................................71
Hình 3.35. Chuyển vị tấm khi vận tốc tải trọng lớn hơn vận tốc giới hạn (Tham
khảo Takizawa [28] .............................................................................72
Hình 3.36.

Lực cản tác dụng lên tấm khi V = 20m/s..............................................73

Hình 3.37.

Lực cản tác dụng lên tấm khi V = 70m/s..............................................73

Hình 3.38.

Hai mơ hình khảo sát ảnh hưởng của vị trí neo lên tấm ......................74

Hình 3.39.

Lực cản tấm theo phương X khi V = 10m/s .........................................76

Hình 3.40.

Lực cản tấm theo phương X khi V = 16m/s .........................................77

Hình 3.41.

Lực cản tấm theo phương X khi V = 21m/s .........................................78

Hình 3.42.

Lực cản tấm theo phương X khi V = 24m/s .........................................79


x

Hình 3.43. Lực cản tấm theo phương X khi V = 34m/s ..........................................80
Hình 3.44. Lực cản tấm theo phương Y khi V = 10m/s ..........................................81
Hình 3.45. Lực cản tấm theo phương Y khi V = 16m/s ..........................................82
Hình 3.46. Lực cản tấm theo phương Y khi V = 21m/s ..........................................82
Hình 3.47. Lực cản tấm theo phương Y khi V = 24m/s ..........................................83

Hình 3.48. Lực cản tấm theo phương Y khi V = 34m/s ..........................................83
Hình 3.49. Chuyển vị tấm khi bố trí hệ neo ngang tấm ở vận tốc V =24m/s ..........84
Hình 3.50. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến giữa tấm với V = 10m/s ....85
Hình 3.51. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến giữa tấm với V = 16m/s ....85
Hình 3.52. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến giữa tấm với V = 21m/s ....86
Hình 3.53. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến giữa tấm với V = 24m/s ....86
Hình 3.54. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến giữa tấm với V = 34m/s ....86
Hình 3.55. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến cuối tấm với V = 10m/s ....87
Hình 3.56. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến cuối tấm với V = 16m/s ....88
Hình 3.57. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến cuối tấm với V = 21m/s ....88
Hình 3.58. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến cuối tấm với V = 24m/s ....88
Hình 3.59. Chuyển vị tấm khi tải trọng di chuyển đến cuối tấm với V = 34m/s ....89
Hình 3.60. Biểu đồ xem xét ảnh hưởng theo phương dọc của vị trí neo lên tấm
.............................................................................................................90
Hình 3.61. Biểu đồ xem xét ảnh hưởng theo phương dọc của vị trí neo lên tấm
.............................................................................................................91
Hình 3.62. Biểu đồ xem xét ảnh hưởng theo phương dọc của vị trí neo lên tấm
.............................................................................................................91
Hình 3.63. Biểu đồ xem xét ảnh hưởng theo phương ngang của vị trí neo khi ......92
Hình 3.64. Biểu đồ xem xét ảnh hưởng theo phương ngang của vị trí neo ............92
Hình 3.65. Biểu đồ xem xét ảnh hưởng theo phương ngang của vị trí neo khi ......93


xi

Hình 3.66. Khoảng ảnh hưởng của hệ neo lên tấm .................................................93
Hình 3.67. Mơ hình tấm khảo sát khi tăng chiều dài từ vị trí tải trọng dừng lại
đến hệ neo ............................................................................................95
Hình 3.68. Biểu đồ so sánh chuyển vị tấm khi chiều dài tấm L=320(m)................95
Hình 3.69. Biểu đồ so sánh chuyển vị tấm khi chiều dài tấm L=340(m)................95

Hình 3.70. Biểu đồ so sánh chuyển vị tấm khi chiều dài tấm L=360(m)................96
Hình 3.71. Khảo sát chuyển vị tấm tại điểm Z3 khi tăng số hệ neo theo phương
ngang tấm ............................................................................................97
Hình 3.72. Chuyển vị tấm tại thời gian 3.13(s) khi tăng số hệ neo ........................98
Hình 3.73. Chuyển vị tấm tại thời gian 4.5(s) khi tăng số hệ neo ..........................98
Hình 3.74. Chuyển vị tấm tại thời gian 6.26(s) khi tăng số hệ neo ........................98
Hình 3.75. Biểu đồ chuyển vị điểm Z1 khi k tăng từ 10000 (kN/m) ....................102
Hình 3.76. Biểu đồ chuyển vị điểm Z3 khi k tăng từ 10000 (kN/m) ....................102
Hình 3.77. Chuyển vị tấm với độ cứng k = 60000 (kN/m) khi tải di chuyển đến
giữa tấm .............................................................................................103
Hình 3.78. Chuyển vị tấm với độ cứng k = 60000 (kN/m) tại 3 vị trí Z1, Z3,
Z5.......................................................................................................103
Hình 3.79. Biểu đồ nội lực Mxx_max khi k tăng từ 10000 (kN/m)......................104
Hình 3.80. Biểu đồ nội lực Mxx_min khi k tăng từ 10000 (kN/m) ......................105
Hình 3.81. So sánh chuyển vị tấm giữa hệ không neo và hệ có độ cứng hệ neo
...........................................................................................................105
Hình 3.82. Chuyển vị tấm tại điểm Z1 ứng với các độ sâu đáy biển ....................107
Hình 3.83. Chuyển vị tấm tại điểm Z5 ứng với các độ sâu đáy biển ....................108
Hình 3.84. Chuyển vị tấm tại điểm Z5 tại thời điểm tải giữa tấm ........................108
Hình 3.85. Sự thay đổi dao động tấm theo độ sâu trong nghiên cứu của Qiu
[23] ....................................................................................................109
Hình 3.86. Chuyển vị điểm Z1 khi độ sâu biển H = 10 (m) .................................109


xii

Hình 3.87. Chuyển vị điểm Z1 khi độ sâu biển H = 20 (m) .................................110
Hình 3.88. Chuyển vị điểm Z1 khi độ sâu biển H = 58.5 (m) ..............................110
Hình 3.89. Chuyển vị tấm tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H = 10m ...................111
Hình 3.90. Chuyển vị tấm tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H = 20m ...................111

Hình 3.91. Chuyển vị tấm tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H = 30m ...................112
Hình 3.92. Chuyển vị tấm tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H = 40m ...................112


xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Điểm Gauss và hàm trọng lượng ............................................................25
Bảng 3.2. Bảng thông số kết cấu tấm theo mơ hình của Ismail [10] ......................46
Bảng 3.3. Bảng thơng số tấm dùng để so sánh kết quả giữa Luận văn và
SAP2000 ..............................................................................................50
Bảng 3.4. Bảng so sánh kết quả chuyển vị giữa Luận văn và SAP2000 ................51
Bảng 3.1. Bảng thông số kết cấu tấm theo mơ hình của Endo [6] ..........................52
Bảng 3.5. Bảng so sánh chuyển vị của tấm khi xét đến hệ neo ..............................90
Bảng 3.6. Giá trị chuyển vị tấm khi thay đổi chiều dài tấm ...................................94
Bảng 3.7. Giá trị chuyển vị điểm Z3 khi tăng số hệ neo .........................................96
Bảng 3.8. Bảng so sánh chuyển vị điểm Z1 và Z3 giữa các độ cứng hệ neo
khác nhau ...........................................................................................100


xiv

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
VLFSs

Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

Q9

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

Q4

Phần tử tứ giác 4 nút (Quadrilateral four-node element)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

FEM-3

Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần tử 3 nút

FEM-9

Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần tử 9 nút

DOF

Bậc tự do (Degree of Freedom)

BEM

Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)

Ma trận và véctơ
U

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



Véctơ độ cong

d

Véctơ chuyển vị nút của phần tử

Bb

Ma trận biến dạng uốn

Bs

Ma trận biến dạng cắt

M

Ma trận khối lượng tổng thể

K

Ma trận độ cứng tổng thể

C

Ma trận cản tổng thể

J

Ma trận Jacobi


xv

Me

Ma trận khối lượng phần tử

Ce

Ma trận cản phần tử

Ke

Ma trận độ cứng phần tử

M eff

Ma trận khối lượng hiệu dụng

Peff

Ma trận tải trọng hiệu dụng

K eff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Kg

Ma trận độ cứng đẩy nổi

Φ

Véctơ thế vận tốc

F

Véctơ tải trọng tổng thể của hệ

d

Véctơ chuyển vị nút phần tử

Ký hiệu

L

Chiều dài tấm theo phương x

B

Chiều dài tấm theo phương y

E

Module đàn hồi của vật liệu

G

Module chống cắt đàn hồi của vật liệu



Hệ số poisson của vật liệu



Trọng lượng riêng của vật liệu tấm

h

Chiều dày tấm

x

Góc xoay của tấm quay quanh trục y


xvi

y

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 và z

V

Vận tốc của tải trọng di động

,x

Đạo hàm riêng bậc một của hàm  theo biến x

,xx

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm  theo biến x

,xy

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm  theo biến

k

Độ cứng liên kết đàn hồi

t

Thời gian

H

Độ sâu đáy biển

b

Mặt biên đáy biển

 sh

Mặt bên kết cấu nổi

 sv

Mặt đáy kết cấu nổi

f

Mặt thống chất lỏng



Biên mặt chất lỏng ở vơ cực

m

Khối lượng riêng tương đương

d

Phần chìm trong nước

c

Chiều dài đặc trưng

P

Giá trị tải trọng

x và y


xvii

V

Vận tốc tải trọng

d

Phần chìm kết cấu trong nước


Tổng quan

1

TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu chung
Lịch sử phát triển

Hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (VLFSs) là một đảo nhân tạo, được xây dựng để dựng
lên các kết cấu như sân bay nổi, cầu, đê chắn sóng, cầu cảng và bến cảng, các kho lưu
trữ (như dầu và khí đốt), các thiết bị điện gió hoặc điện năng lượng mặt trời cho mục
đích dân sự. Kết cấu nổi có thể tạo ra những không gian rộng lớn như khu công
nghiệp, cơ sở y tế, văn hóa như casino, bệnh viện, cơng viên giải trí và các kết cấu di
động ngồi khơi. Hiện nay, do quỹ đất xây dựng ngày càng thu hẹp và sự bùng nổ
của sự gia tăng dân số, nhiều ý tưởng được đề cập cho việc xây dựng những thành
phố trên mặt nước hoặc những khu phức hợp khổng lồ. Một số nước trên thế giới đã
bắt đầu xây dựng và đã đạt được hiệu quả nhất định.
Hệ kết cấu nổi có những ưu điểm so với kết cấu cố định truyền thống, như những kết
cấu có thể mở rộng từ bờ biển vào những vùng nước mở.
• Khơng gây phá hoại hệ sinh thái biển.
• Khơng gây lắng bùn ở vị trí các cảng sâu.
• Khơng làm gián đoạn dịng hải lưu biển
• Dễ dàng xây dựng, vì đa số các kết cấu được chế tạo sẵn và lắp dựng.
• Khơng ảnh hưởng nhiều khi xảy ra động đất.
• Tận dụng được lực đẩy nổi của nước biển.
Một hệ thống kết cấu nổi được trình bày như Hình 1.1 gồm các thành phần chính và
được xây dựng cho nhiều mục đích khác nhau.


Tổng quan

2

Hình 1.1. Các thành phần của kết cấu nổi
Về cơ bản có 2 loại kết cấu nổi siêu lớn (VLFSs) là Semi-Submersible và Pontoon.

Cấu trúc nửa chìm nửa nổi (Semi-submersible) được giữ cho nổi trên mực nước biển
bằng cách sử dụng các cột dạng ống hoặc các cấu trúc dằn nhằm giảm thiểu tác động
của sóng trong khi vẫn duy trì một lực nổi liên tục. Do đó chúng có thể làm giảm dao
động do sóng gây ra và thích hợp ở những vùng biển lớn với những đợt sóng lớn.
Những giàn khai thác dầu khí và sản xuất dầu và khí đốt là những ví dụ điển hình cho
loại kết cấu này.
Ngược lại, cấu trúc phao (Pontoon) nằm trên mực nước biển như một tấm khổng lồ
trôi nổi trên mặt nước. Cấu trúc nổi dạng Pontoon thích hợp để sử dụng trong các
vùng nước tĩnh lặng, thường nằm trong vịnh, đầm và gần bờ biển. Các kết cấu nổi
Pontoon siêu lớn thường được gọi là Mega-Float. Trong phạm vi Luận văn này, học
viên chủ yếu đề cập đến kết cấu nổi siêu lớn VLFSs dạng Pontoon.
Kể từ năm 2002, kết cấu ngoài khơi lớn nhất được xây dựng như một tấm nổi lớn, là
một sân bay nổi đầu tiên được xây dựng trên vịnh Tokyo từ năm 1998 đến năm 1999.
Sân bay có chiều dài 1km, được xây dựng chủ yếu để thí nghiệm các phương tiện,
nghiên cứu các phản ứng của hệ kết cấu dưới tác dụng của các loại tải trọng. Dự án
này được thay thế như một dự án để nghiên cứu thông tin kỹ càng cho một đường
băng nổi được đề xuất tại sân bay Kansai, nhưng kết quả chọn xây dựng đảo để hỗ
trợ đường băng mà khơng làm đường băng nổi. Hình 1.2 đến Hình 1.8 thể hiện một
số cơng trình trên thế giới sử dụng kết cấu VLFSs.


Tổng quan

3

Hình 1.2. Kết cấu giàn khoan nổi

Hình 1.3. Kết cấu sân bay nổi siêu lớn
ở Vịnh Tokyo

Hình 1.4. Sân nay quốc tế Kansai – Nhật Bản


Tổng quan

4

Hình 1.5. Đường băng nổi của sân bay quốc tế KitaKyushu

Hình 1.6. Sân bay trên đảo nhân tạo tại Vịnh Osaka – Nhật Bản