Luận án Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa 12

Luận án cao học
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
I / ĐẶT VẤN ĐỀ :
- Trong những năm qua, tốc độ phát triển kinh tế biển ngày càng cao và đòi hỏi
phải có những công trình biển để phục vụ cho quá trình vận hành cũng như
trong quá trình khai thác . Chương trình nghiên cứu biển đã có nhiều công trình
nghiên cứu, do nhiều viện nghiên cứu, trường đại học và các cơ quan quản lý
thực hiện . Các đề tài đã được tổng kết, biên soạn và xuất bản thành bộ quy
phạm về công trình biển của Việt Nam .
Để những người quan tâm đến lónh vực xây dựng công trình biển có cơ sở
khoa học để nghiên cứu, đóng gốp bổ sung những nội dung mới cho việc tính toán
thiết kế công trình biển . Ở đây đề tài đề cập đến các vấn đề cơ bản trong việc tính
toán quá trình động lực của kết cấu công trình ngoài biển .
Luận án này đưa ra một cơ sở để nghiên cứu sự dao động của cọc dưới tác
dụng của tải trọng động như sóng, dòng chảy, lực va tàu …Trên cơ sở nghiên cứu sự
tác động của môi trường lên cọc đơn làm phương pháp luận cho việc nghiên cứu đối
với nhóm cọc trong khung phẳng và không gian .
Cũng giống như mọi công trình, công trình biển là một hệ cơ học, để tính toán
nó ta cần phải xác đònh tải trọng tác động lên hệ, và các phản ứng của hệ như dao
động, nội lực trong hệ v.v… Các số liệu phản ứng của hệ sẽ làm cơ sở cho việc tính
toán, thiết kế công trình .
Tuy nhiên khác với công trình thường, công trình biển là một hệ cơ học rất phức tạp,
là một hệ kết cấu vật rắn đặc trong môi trường chất lỏng, chòu tác động rất phức tạp
của môi trường, trong đó về cơ bản các tác động này mang tính động, ngẫu nhiên và
do đó phản ứng của hệ cũng mang tính động và ngẫu nhiên . Tuy vậy trong quá trình
tính toán nội lực lại xem các lực trên là tải trọng tónh và nội lực tính toán được nhân
với một số hệ số an toàn . Để thấy rõ hơn về sự làm việc thực tế của cọc , sự dao
động cũng như ứng suất và chuyển vò của cọc khi chòu tác dụng của tải trọng động .
Tóm tắt luận án 1
Luận án cao học
Đề tài sẽ đề cập một số phương pháp tính toán dao động của cọc , nhằm giải quyết

bài toán của cơ học kết cấu khi tính với tải trọng động .
II - TỔNG QUAN VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC :
- Động lực học công trình là một phần của môn cơ học kết cấu trình bày các phương
pháp nghiên cứu tính toán khi công trình chòu tác dụng của tải trọng động . Để
đánh giá đáp ứng động học của hệ khi chòu tác dụng của tải trọng động cần phải
xác đònh được chuyển vò của hệ . Tuy nhiên việc giải chính xác nghiệm của
phương trình vi phân của hệ có nhiều bậc tự do là vô cùng phức tạp . Do vậy
RAYLÂY đã đề xuất phương pháp gần đúng dựa vào vào nguyên lý bảo toàn
năng lượng với đường đàn hồi giả đònh trước đối với những kết cấu thanh thẳng,
và đường đàn hồi có dạng : y = y(z) sin (wt+λ)
Phương pháp gần đúng khác như của BUPNOP – GALOOCKIN xuất phát từ phương
trình vi phân EJy
IV
- myw
2
= 0, xác đònh dao động thứ i của hệ vô số bậc tự do .Coi hệ
có nghiệm dạng y
I
= Σa
i
ρ
I

Phương pháp của LAGƠRANG – RITZ xây dựng trên cơ sở thế năng toàn phần của
hệ . Thế năng được biểu diễn dưới dạng công ngoại lực và nội lực khi hệ biến dạng
∑
∫∫
−−=
ii
ll

yPydzqdzy
EJ
U
0
2
0
)''(
2
Tất cả những phương pháp trên là công cụ để giải những bài toán có kết cấu
dạng thanh thẳng, khung phẳng, dầm liên tục và dàn . Tuy nhiên những kết cấu trên
yếu tố môi trường không được xem xét .
Để giải quyết những bài toán phức tạp có xét đến môi trường xung quanh, đặc
biệt là đối với công trình biển như bài toán cọc ở công trình biển . Đã có những
nghiên cứu của các viện công trình biển, các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu .
Hallam, Heaf, Wootton (1977) đã xây dựng cơ sở lý thuyết đối với bài toán cọc đơn,
từ đó làm cơ sở để giải quyết bài toán cọc trong khung phẳng và khung gian .
Việc giải quyết bài toán cọc trong không gian dựa vào phương trình phương trình vi
phân :
Tóm tắt luận án 2
Luận án cao học
)()()()( tFtKUtUCtUM =++

Trong đó :
M, C, K : Ma trận khối lượng, ma trận cản , ma trận độ cứng của kết cấu
)(),(),( tUtUtU

: Tương ứng là các véc tơ gia tốc, vận tốc và chuyển vò
Để giải phương trình trên trong luận án này đề cập một số phương pháp của
các tác giả như phương pháp sai phân của Houbolt, Newmark, Wilson, Sai phân trung
tâm .

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện máy tính cũng
như kỹ thuật tính toán đã xây dựng nhiều chương trình tính toán như phần mềm
SAP2000, ETABS… hiện nay được sử dụng rộng rãi.
III / NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :
- Nội dung của đề tài này là áp dụng cơ sở lý thuyết của Hallam, Heaf, Wootton để
giải quyết bài toán cọc đơn chòu tác dụng của sóng . Bài toán cọc trong khung
phẳng và đặc biệt đối với bài toán cọc trong móng đài cao như trụ va chòu tác
dụng của lực va .
- Phạm vi đáp ứng động học của bài toán cọc trong móng đài cao chỉ xét tới thành
phần lực động là lực va .
- Khi giải phương trình vi phân xem ma trận C = 0, nghóa là dao động của hệ
không xét tới hệ số cản .
- So sánh kết quả của bài toán giải theo phương pháp tónh với kết quả của bài
toán giải theo phương pháp động .
- So sánh kết quả giải theo phương pháp động lực học bằng phần mềm Mathcad với
kết quả giải của phần mềm SAP2000 .
IV- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU :
Với mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu trên, dao động của cọc sẽ cho
những kết quả sau :
- Xác đònh được tải trọng động như sóng , dòng chảy tác động lên công trình .
- Xác đònh được tần số dao động riêng của hệ, chu kỳ dao động , dạng dao động
Tóm tắt luận án 3
Luận án cao học
- Đánh giá được mức độ ổn đònh của công trình dưới tác động của dòng chảy .
- Tính toán được chuyển vò, nội lực của hệ .
V . CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CÔNG TRÌNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA
TẢI TRỌNG ĐỘNG :
Hiện nay việc giải quyết bài toán động học có nhiều phương pháp khác nhau,
dựa vào phương trình cân bằng động lực học của hệ, có thể viết dưới dạng tập hợp
của hệ có N phương trình vi phân bậc hai :

j
j
j
j
tgftFtKUtUCtUM )()()()()(
1
∑
=
==++

(1.1)
Trong đó :
M, C, K : Ma trận khối lượng, ma trận cản , ma trận độ cứng của kết cấu
)(),(),( tUtUtU

: Tương ứng là các véc tơ gia tốc, vận tốc và chuyển vò
F(t) : Là véc tơ tải trọng ngoài phụ thuộc vào thời gian như : sóng, dòng chảy, lực va
tàu … có thể được biểu diễn bỡi tổng J các véc tơ không gian f
j
, mà chúng độc lập với
thời gian và hàm không gian g(t)
j
.
Đ ể giải phương trình trên cần xác đònh các ma trận khối lượng M, ma trận
cản C , ma trận độ cứng của kết cấu và hàm tải trọng F(t) .
Việc giải phương trình (1.1) có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau như
phương pháp ép băng làm giảm tổng số phương trình của hệ, dẫn tới việc giải phương
trình trở nên dễ dàng hơn .
Trong thực tế việc dùng lời giải chính xác cho một hàm tải trọng tuyến tính
trên tất cả các bước gia tăng thời gian rất nhỏ đã tỏ ra có hiệu quả cao về mặt thời

gian tính toán và độ chính xác cao trên khía cạnh phương pháp số của một chương
trình máy tính . Tuy vậy có một vấn đề phát sinh đó là tính ổn đònh của phương pháp
số, do đó cần phải thêm vào một đại lượng mới đó là cản số . Đây cũng là phương
pháp được áp dụng trong luận án này, như lời giải theo phương pháp sai phân của
Houbolt, Newmark, Wilson, Sai phân trung tâm .
Tóm tắt luận án 4
Luận án cao học
VI . MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU :
Mục đích của nghiên cứu này là thiết lập được tải trọng động và đánh giá kết
quả của đáp ứng động . Đề tài đưa ra nội dung của phương pháp phân tích động
tương ứng với từng loại kết cấu . Chủ yếu tập trung cho những kết cấu mà tất cả các
phần tử chòu tác dụng của lực kéo hoặc nén và một phần ngàm chặt vào trong đất .
Sự cần thiết của việc phân tích động công trình biển là xem xét tính ổn đònh
của công trình trong vùng nước sâu, trong vùng nước chảy mạnh và trong điều kiện
sóng nguy hiểm .
Mục đích phân tích động lực học công trình là xác đònh tần số dao động, khối
lượng hiệu quả, và độ ổn đònh của hệ khi chòu tác động của tải trọng động gây ra .
VII . TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN :
Như đã nói ở trên, nội dung luận án đề cập các vấn đề về tải trọng động, đặc
trưng ma trận các hệ số của phương trình động học, phương pháp tính bài toán động
lực học đối với cọc và một số phương pháp giải phương trình vi phân động lực học .
Từ đó áp dụng để giải bài toán trụ va khi chòu tác động của lực va tàu được coi là một
xung có dạng chữ nhật .
• Chương 1 - Tải trọng tác động :Giới thiệu một số tải trọng động
1 – Tải trọng do sóng : Đối với công trình biển, tác động của sóng rất phức tạp, tùy
theo các đặt trưng của sóng mà có thể vận dụng các lý thuyết sóng khác nhau . Lý
thuyết sóng tuyến tính : Sóng trên mặt biển do gió tạo nên là các sóng trọng lực .
Dưới tác dụng của gió, do ma sát giữa không khí và nước, và do tác dụng trọng lực
các phần tử nước sẽ chuyển động và trong điều kiện lý tưởng sẽ tạo ra sóng điều hoà.
Trong thực tế sóng gây ra chủ yếu bởi gió . Gió thổi trên mặt biển yên tónh, do sự ma

sát giữa không khí và nước kéo theo lớp nước trên mặt chuyển động và tạo ra sóng .
Trong giai đoạn đầu, các sóng có biên độ bé và bước sóng ngắn . Gió tiếp tục thổi,
các sóng này sẽ lớn dần, đồng thời xuất hiện các sóng bé khác, các sóng này kết hợp
với các sóng lớn đã có trước đây . Tổ hợp nhiều sóng với các biên độ khác nhau,
phương truyền khác nhau cùng với sự thay đổi của gió theo phương và cường độ, sự
Tóm tắt luận án 5