Phân tích ứng xử động lực học khung trên nền kết cấu nổi chịu tải trọng gió

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

TRẦ QUỐC TUẤ

PHÂ TÍCH Ứ G XỬ ĐỘ G LỰC HỌC KHU G
TRÊ

Ề KẾT CẤU ỔI CHNU TẢI TRỌ G GIĨ

Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng và Công Nghiệp
Mã số ngành:

60 58 02 08

LUẬ VĂ THẠC SĨ

Tp.HCM, 06 - 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜ G ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MI H

Cán bộ hướng dẫn:

PGS.TS. LƯƠ G VĂ HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Nguyễn Trung Kiên
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Hồng Ân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 23 tháng 08 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Bùi Công Thành

-

Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Châu Đình Thành

-

Thư ký

3. PGS. TS. Nguyễn Trung Kiên

-

Ủy viên (Phản biện 1)

4. TS. Nguyễn Hồng Ân

-

Ủy viên (Phản biện 2)

5. PGS. TS. Lê Song Giang

-

Ủy viên Hội đồng

CHỦ TNCH HỘI ĐỒ G

TRƯỞ G KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰ G


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘ G HÒA XÃ HỘI CHỦ GHĨA VIỆT AM

TRƯỜ G ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

HIỆM VỤ LUẬ VĂ THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦ QUỐC TUẤ

MSHV: 1670037

Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1992

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng và Cơng Nghiệp
Mã số: 60 58 02 08
I. TÊ

ĐỀ TÀI: Phân tích ửng xử động lực học khung trên nền kết cấu nổi

chịu tải trọng gió.
II.

HIỆM VỤ VÀ ỘI DU G

1. Trình bày cơ sở lý thuyết, thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng cho
khung phẳng chịu tác dụng của gió, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
2. Trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích hydroelastic miền tần số bằng phương pháp
kết hợp giữa phần tử hữu hạn và phần tử biên cho tấm nổi.
3. Phát triển thuật tốn, lập trình tính tốn bằng chương trình Matlab.
4. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả với phần
mềm phân tích kết cấu SAP2000, và với kết quả đã công bố trước đó. 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 khung, từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị.
III. GÀY GIAO HIỆM VỤ

:

01/2018

IV. GÀY HOÀ THÀ H HIỆM VỤ :

06/2018

V. HỌ VÀ TÊ CÁ BỘ HƯỚ G DẪ : PGS. TS. LƯƠ G VĂ HẢI
Tp. HCM, ngày 22 tháng 06 năm 2018

CÁ BỘ HƯỚ G DẪ

BA QUẢ LÝ CHUYÊ

PGS. TS. Lương Văn Hải
TRƯỞ G KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰ G

GÀ H


ii

LỜI CẢM Ơ
Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp này là kết quả sau
gần hai năm học tập và nghiên cứu tại Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học
Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Tơi rất tự hào sau khi kết
thúc luận văn, tôi đã học hỏi, nâng cao khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết
những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng v.v.
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.
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Lương Văn Hải, vì
những 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, truyền đạt cảm hứng, lời khuyên và quan tâm liên tục trong q trình thực
hiện luận văn. Tơi cảm thấy rất vui và tự hào khi được làm việc với thầy.
Ngồi ra, tơi xin chân thành cảm ơn q Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tơi, 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 NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong

quá 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 q Thầy Cơ chỉ dẫn thêm
để tơi bổ sung những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày 22 tháng 06 năm 2018

Trần Quốc Tuấn


iii

TÓM TẮT LUẬ VĂ THẠC SĨ
Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của q trình đơ thị hóa, những quốc gia có
đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển đề giải
quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy nhiên,
giải pháp này địi hỏi lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật khi
vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu. 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).
Phát triển hạ tầng đô thị, xây dựng cơng trình trên kết cấu nổi siêu lớn cần có sự
nghiên cứu kỹ lưỡng và khảo sát đến nhiều yếu tố. Mặt biển là nơi thường xuyên xuất
hiện các trận gió bão, vì vậy cần thiết phải phân tích ứng xử của kết cấu được xây
dựng trên nền kết cấu nổi chịu tải trọng gió.
Phân tích động lực học của cơng trình trên nền VLFS sẽ giúp xác định được kích
thước giới hạn của cơng trình, kích thước VLFS phù hợp, từ đó áp dụng vào thực tiễn
một cách đúng đắn.
Luận văn này chủ yếu sử dụng phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử hữu
hạn để phân tích ứng xử tấm với khung kết cấu chịu tải trọng gió.

iv

LỜI CAM ĐOA
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 22 tháng 06 năm 2018

Trần Quốc Tuấn


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .....................................................................i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................iv
MỤC LỤC .......................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................ x
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT .........................................................................xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..................................... 1
1.1 Tổng quan về cơng trình biển và tải trọng tác động lên cơng trình biển ....... 1
1.1.1 Tổng quan về cơng trình biển ......................................................................1
1.1.2 Tổng quan về tải trọng tác động lên cơng trình biển ....................................2
1.1.3 Tổng quan về tính tốn cơng trình biển .......................................................3

1.1.4 Ứng dụng của kết cấu nổi ............................................................................5
1.2 Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 9
1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nước .........................................................9
1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới .......................................................9
1.3 Mục tiêu và hướng nghiên cứu .................................................................. 12
1.4 Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 12
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 13
2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................... 13
2.2 Cơ sở FEM cho kết cấu dạng khung .......................................................... 14
2.2.1 Các hệ thức biểu diễn mối tương quan ...................................................... 14
2.2.2 Xây dựng véc tơ tải trọng phần tử do gió gây ra ........................................ 16
2.2.3 Phương trình chuyển động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ .................. 17
2.2.4 Phương trình chuyển động của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể................ 17
2.2.5 Ghép nối các ma trận phần tử vào ma trận chung của toàn hệ .................... 18


vi
2.2.6 Phương trình chuyển động của tồn hệ ...................................................... 18
2.3 Cơ sở FEM cho kết cấu dạng tấm .............................................................. 19
2.3.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................. 19
2.3.2 Biến dạng của tấm và mối quan hệ giữa biến dạng – chuyển vị ................. 22
2.3.3 Biến dạng của tấm và mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng ................... 23
2.3.4 Mơ hình FEM cho kết cấu tấm .................................................................. 24
2.4 Phương pháp phần tử biên BEM ............................................................... 28
2.4.1 Tổng quan về BEM ................................................................................... 28
2.4.2 Thuật tốn của BEM ................................................................................. 29
2.5 Phân tích hydroelastic miền tần số ............................................................ 30
2.5.1 Mơ hình tấm và chất lỏng .......................................................................... 30
2.5.2 Áp lực chất lỏng ........................................................................................ 32
2.5.3 Giải hệ phương trình tương tác .................................................................. 32

2.6 Lưu đồ tính tốn ........................................................................................ 34
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ ...................................................... 35
3.1 Bài toán 1: Kiểm tra độ tin cậy của chương trình Matlab ........................... 37
3.2 Bài tốn 2: Kiểm tra độ tin cậy của chương trình Matlab ........................... 40
3.3 Bài toán 3: Khảo sát sự hội tụ của nghiệm theo lưới phần tử tấm .............. 43
3.4 Bài toán 4: Khảo sát sự thay đổi độ sâu nước đến ứng xử khung phẳng chịu
tải trọng gió, tương tác với nền VLFS trên miền tần số ............................. 45
3.5 Bài toán 5: Khảo sát sự thay đổi chiều dày tấm đến ứng xử khung phẳng chịu
tải trọng gió, tương tác với nền VLFS trên miền tần số ............................. 52
3.6 Bài toán 6: Khảo sát sự thay đổi chiều dài L tấm đến ứng xử khung phẳng
chịu tải trọng gió, tương tác với nền VLFS trên miền tần số ...................... 58
3.7 Bài toán 7: Khảo sát số tầng của khung phẳng chịu tải trọng gió, tương tác
với nền VLFS trên miền tần số .................................................................. 62
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHN ................................................... 64
4.1 Kết luận .................................................................................................... 64
4.2 Kiến nghị .................................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 66


vii
PHỤ LỤC.......................................................................................................... 72
LÝ LNCH TRÍCH N GAN G ............................................................................... 77


viii

DA H MỤC CÁC HÌ H VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc của một kết cấu nổi (điển hình) ................................................... 3
Hình 1.2 Mơ hình VLFS .......................................................................................... 4
Hình 1.3 Mơ hình tổng thể bài tốn nghiên cứu ....................................................... 4

Hình 1.4 Kho dầu Kamigoto ở N agasaki, Japan [54] ............................................... 5
Hình 1.5 Cầu nổi ở Dubai [55] ................................................................................ 5
Hình 1.6 Sân bóng đá nổi ở Singapore [56] ............................................................. 6
Hình 1.7 Phối cảnh dự án N hà hát Hoa Sen nổi trên hồ Hà N ội [58] ........................ 6
Hình 1.8 N hà hàng nổi trên sơng Hương [59] .......................................................... 7
Hình 1.9 N hà hàng nổi trên vịnh Vĩnh Hy [60] ........................................................ 7
Hình 1.10 Phối cảnh thành phố nổi Lilypad của KTS Vincent Callebaut [61] .......... 8
Hình 1.11 N hà máy điện mặt trời Kagoshima N anatsujima [62] .............................. 8
Hình 2.1 Phần tử thanh 2 nút với hệ tọa độ cục bộ ................................................. 14
Hình 2.2 Mơ hình động học của kết cấu tấm theo lý thuyết Kirchhoff ................... 20
Hình 2.3 Mơ hình động học của kết cấu tấm theo lý thuyết Mindlin ...................... 22
Hình 2.4 Quy ước chiều của chuyển vị w và hai chuyển vị xoay βx, βy ................... 22
Hình 2.5 Phần tử tứ giác đẳng tham số 9 nút trong hệ tọa độ tổng thể .................... 25
Hình 2.6 Phần tử chuNn trong hệ tọa độ tự nhiên ................................................... 25
Hình 2.7 Bề mặt của 1 phần tử theo BEM [52] ...................................................... 29
Hình 2.9 Mơ hình tổng thể bài tốn ....................................................................... 31
Hình 3.1 Sơ đồ tính tổng qt ................................................................................ 36
Hình 3.2 Sơ đồ tính khung bài tốn 1..................................................................... 37
Hình 3.3 Chuyển vị khung trong SAP.................................................................... 38
Hình 3.4 Chuyển vị khung trong Matlab ................................................................ 38
Hình 3.5 Mơmen và lực cắt khung trong SAP2000 ................................................ 39
Hình 3.6 Sơ đồ tính của bài tốn 2 ......................................................................... 41
Hình 3.7 Định vị vị trí khung trên tấm nổi ............................................................. 41
Hình 3.8 Chuyển vị khung bài toán 2 trong Matlab và SAP2000 ........................... 42


ix
Hình 3.9 Chuyển vị ngang của nút 3 với từng lưới phần tử .................................... 44
Hình 3.10 Chuyển vị ngang của nút 5 với từng lưới phần tử .................................. 44
Hình 3.11 Bảng ghi vận tốc gió dùng tính tốn trong luận văn này [52] ................. 46

Hình 3.12 Thành phần vận tốc gió dao động quanh giá trị trung bình .................... 46
Hình 3.13 Lực gió động tác dụng lên cơng trình theo thời gian t (kN ) ................... 47
Hình 3.14 Lực gió động trên miền tần số (kN )....................................................... 47
Hình 3.15 Chuyển vị đỉnh khung khảo sát theo độ sâu nước (m) ........................... 49
Hình 3.16 Chuyển vị đỉnh khung khảo sát theo độ sâu nước (m) ........................... 49
Hình 3.17 Chuyển vị lệch tầng khảo sát theo độ sâu nước (m) ............................... 49
Hình 3.18 Chuyển vị lệch tầng khảo sát theo độ sâu nước (m) ............................... 50
Hình 3.19 Mơment chân cột khảo sát theo độ sâu nước (kN m) .............................. 51
Hình 3.20 Mơment chân cột khảo sát theo độ sâu nước (kN m) .............................. 51
Hình 3.21 Lực cắt chân cột khảo sát theo độ sâu nước (kN )................................... 51
Hình 3.22 Lực cắt chân cột khảo sát theo độ sâu nước (kN )................................... 52
Hình 3.23 Chuyển vị đỉnh khung khảo sát theo chiều dày tấm (m) ........................ 54
Hình 3.24 Chuyển vị đỉnh khung khảo sát theo chiều dày tấm (m) ........................ 54
Hình 3.25 Chuyển vị lệch tầng khảo sát theo chiều dày tấm (m) ............................ 54
Hình 3.26 Chuyển vị lệch tầng khảo sát theo chiều dày tấm (m) ............................ 55
Hình 3.27 Mơment chân cột khảo sát theo chiều dày tấm (kN m) ........................... 56
Hình 3.28 Môment chân cột khảo sát theo chiều dày tấm (kN m) ........................... 56
Hình 3.29 Lực cắt chân cột khảo sát theo chiều dày tấm (kN )................................ 56
Hình 3.30 Lực cắt chân cột khảo sát theo chiều dày tấm (kN )................................ 57
Hình 3.31 Chuyển vị đỉnh khung khảo sát theo chiều dài L tấm (m) ...................... 59
Hình 3.32 Chuyển vị lệch tầng khảo sát theo chiều dài L tấm (m) .......................... 59
Hình 3.33 Mơment chân cột khảo sát theo chiều dài L tấm (kN m) ......................... 60
Hình 3.34 Mơment chân cột khảo sát theo chiều dài L tấm (kN m) ......................... 60
Hình 3.35 Lực cắt chân cột khảo sát theo chiều dài L tấm (kN ) ............................. 61
Hình 3.36 Lực cắt chân cột khảo sát theo chiều dài L tấm (kN ) ............................. 61
Hình 3.37 Tỉ số ∆ = f/Hk khảo sát theo số tầng ...................................................... 63


x

DA H MỤC CÁC BẢ G BIỂU
Bảng 3.1. Thông số khung phẳng........................................................................... 36
Bảng 3.2. Thông số tấm nổi ................................................................................... 36
Bảng 3.3. So sánh chuyển vị khung giữa SAP2000 và Matlab ............................... 39
Bảng 3.4. So sánh Moment giữa SAP2000 và Matlab ............................................ 39
Bảng 3.5. So sánh Lực cắt giữa SAP2000 và Matlab, (kN ) .................................... 40
Bảng 3.6. So sánh chuyển vị khung giữa SAP2000 và Matlab ............................... 42
Bảng 3.7. So sánh Moment giữa SAP2000 và Matlab ............................................ 43
Bảng 3.8. So sánh Lực cắt giữa SAP2000 và Matlab ............................................. 43
Bảng 3.9. Giá trị chuyển vị nút 3 và 5 bài toán 3 ................................................... 45
Bảng 3.10 Giá trị tần số khảo sát (Hz) ................................................................... 45
Bảng 3.11 Giá trị chuyển vị đỉnh khảo sát theo H .................................................. 48
Bảng 3.12 Độ lệch tầng (drift) khảo sát theo H ...................................................... 48
Bảng 3.13 Mômen chân cột khảo sát theo H .......................................................... 50
Bảng 3.14 Lực cắt chân cột khảo sát theo H .......................................................... 50
Bảng 3.15 Giá trị chuyển vị đỉnh khảo sát theo h ................................................... 53
Bảng 3.16 Độ lệch tầng (drift) khảo sát theo h ....................................................... 53
Bảng 3.17 Mômen chân cột khảo sát theo h ........................................................... 55
Bảng 3.18 Lực cắt chân cột khảo sát theo h ........................................................... 55
Bảng 3.19 Giá trị chuyển vị đỉnh khảo sát theo L ................................................... 58
Bảng 3.20 Độ lệch tầng (drift) khảo sát theo L....................................................... 58
Bảng 3.21 Mômen chân cột khảo sát theo L........................................................... 59
Bảng 3.22 Lực cắt chân cột khảo sát theo L ........................................................... 60
Bảng 3.23 Tỉ số chuyển vị đỉnh so với chiều cao tầng............................................ 62
Bảng 3.24 Tần số riêng thứ nhất của khung phân tích bằng SAP2000.................... 63


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)

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

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

d

Véctơ chuyển vị nút của phần tử

γ

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

Me

Ma trận khối lượng phần tử

Ce

Ma trận cản phần tử

Ke

Ma trận độ cứng phần tử

Meff

Ma trận khối lượng hiệu dụng

Pwind

Ma trận tải trọng gió

Peff

Ma trận tải trọng hiệu dụng

K eff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

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

H

Độ sâu nước

ν

Hệ số poisson của vật liệu

ρ

Trọng lượng riêng của vật liệu tấm

h

Chiều dày tấm

βx

Góc xoay của tấm quay quanh trục y

βy

Góc xoay của tấm quay quanh trục x

κs

Hệ số hiệu chỉnh cắt

u, v, w

Chuyển vị của tấm theo phương x, y và z

P

Tải trọng tập trung theo phương ngang

φ,x

Đạo hàm riêng bậc một của hàm φ theo biến x

φ, xx

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm φ theo biến x

φ, xy

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm φ theo biến x và y

Chương 1

1

CHƯƠ G 1.
TỔ G QUA VẤ ĐỀ GHIÊ CỨU
Chương 1 giới thiệu tổng qt về các cơng trình biển, đặc biệt là kết cấu nổi siêu lớn
(VLFS), miêu tả ngắn gọn các đặc tính kỹ thuật cũng như ưu nhược điểm của VLFS,
giới thiệu tổng quan về tải trọng tác động lên cơng trình biển, bài tốn nghiên cứu sẽ
thực hiện trong luận văn này. Chương này cũng sẽ giới thiệu các tài liệu tham khảo
là các cơng trình nghiên cứu lớn trong nước và trên thế giới. Cuối cùng là trình bày
các mục tiêu, phạm vi, ý nghĩa của luận án và bố cục của luận văn.
1.1

Tổng quan về cơng trình biển và tải trọng tác động lên cơng trình biển

1.1.1

Tổng quan về cơng trình biển

N hiều quốc gia phát triển với đường bờ biển dài. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư
đề xuất xây dựng các kết cấu nổi siêu lớn (VLFS). Các loại kết cấu nổi (VLFS) tăng
nhanh trong hai thập kỷ qua, do sự phát triển đơ thị hóa và gia tăng dân số ở các nước
có nguồn đất khan hiếm như N hật Bản, Singapore và Hà Lan. Giải pháp kết cấu nổi
(VLFS) giúp giải quyết tốt vấn đề chổ ở, sinh sống, các yếu tố hạ tầng kỹ thuật và
xây dựng đô thị trên mặt nước.
Ở Việt N am, vốn đặc thù là một quốc gia có đường bờ biển dài, vì vậy nghiên
cứu phát triển cơng trình biển là một trong những lĩnh vực được quan tâm hàng đầu.
Phát triển hạ tầng đơ thị và xây dựng cơng trình trên kết cấu nổi siêu lớn cần có sự

nghiên cứu kỹ lưỡng và khảo sát đến nhiều yếu tố. Mặt biển là nơi thường xun xuất
hiện các trận gió bão, vì vậy cần thiết phải phân tích ứng xử của kết cấu được xây
dựng trên nền kết cấu nổi chịu tải trọng gió.
Phân tích động lực học của cơng trình trên nền VLFS sẽ giúp xác định được
kích thước giới hạn của cơng trình, kích thước VLFS phù hợp, từ đó áp dụng vào thực
tiễn một cách đúng đắn.


Chương 1

2

Ưu điểm của VLFS có thể kể đến như:
• Tiết kiệm chi phí.
• Thân thiện với mơi trường.
• Xây dựng nhanh chóng và dễ dàng.
• N âng cấp hoặc tháo dỡ đơn giản.
• Bảo vệ các cơng trình bên trên khỏi những tác động của địa chấn.
N hược điểm:
• Các cơng trình trên VLFS có địa hình trống trải => tác động gió lớn
• Cơng trình xây dựng trên biển thường bị muối biển ăn mịn, phá hủy
nhanh
• Chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các cơn bão, sóng thần.
1.1.2

Tổng quan về tải trọng tác động lên cơng trình biển

Cơng trình biển chịu tác động của nhiều loại tải trọng và chịu ảnh hưởng của
điều kiện tự nhiên vô cùng khắc nghiệt. Trong các loại tải trọng đó, nổi trội hơn cả là
sóng biển và gió, đây là hai loại tải trọng nguy hiểm nhất mà cơng trình thường xun

chịu đựng. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, chỉ trình bày những nội dung
cơ bản của tải trọng gió nhằm vụ phụ cho việc giải quyết bài tốn đặt ra trong các
chương tiếp theo.
Tải trọng gió thường chiếm từ 5% đến 10% tổng hợp lực do môi trường tác dụng
lên cơng trình biển. Với tần suất xuất hiện liên tục, ảnh hưởng của gió lên cơng trình
vơ cùng đáng kể. Việc tính tốn tải trọng gió tác động lên cơng trình biển là rất phức
tạp do kết cấu cơng trình biển thường gồm nhiều bộ phận khác nhau hợp thành, chịu
tải trọng gió theo nhiều phương khác nhau. Bên cạnh đó, gió cũng là một q trình
ngẫu nhiên với chiều và tần số thay đổi liên tục.
Có nhiều yếu tố là ảnh hưởng đến áp lực gió tác động lên cơng trình biển, trong
đó mật độ khơng khí, diện tích bề mặt cơng trình đón gió và vận tốc gió là các đại
lượng quan trọng góp phần nhiều nhất. Xét diện tích tương tác điển hình cho vật thể


Chương 1

3

phẳng là A (m2) vng góc với phương tác động của gió, tổng lực gió Pwind(t) tác động
lên diện tích A của cơng trình xác định theo biểu thức: Pwind ( t ) =

2
1
ACD ρ air U 0 + u ( t ) 
2

trong đó, A là diện tích đón gió, CD là hệ số áp lực gió, ρair là khối lượng riêng của
khơng khí, U0 là vận tốc gió trung bình, u(t) vận tốc gió thay đổi xung quanh giá trị
trung bình, biến thiên theo thời gian.
1.1.3

Tổng quan về tính tốn cơng trình biển

Trong luận văn này, phương pháp phần tử biên (BEM) kết hợp phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để phân tích ứng xử tấm với khung kết cấu
chịu tải trọng gió. Hình 1.1 thể hiện cấu trúc của một kết cấu nổi điển hình, bao gồm:
kết cấu nổi và kết cấu thượng tầng (đối tượng nghiên cứu trong luận văn này), cầu
nối dẫn từ đất liền đến kết cấu nổi, tường ngăn sóng, hệ neo kết cấu nổi với đáy biển
hoặc đất liền. Hình 1.2 và Hình 1.3 thể hiện mặt bằng và mặt đứng của mơ hình tính
tốn kết cấu nổi siêu lớn.

Hình 1.1 Cấu trúc của một kết cấu nổi (điển hình)


Chng 1

4

Hỡnh 1.2 Mụ hỡnh VLFS

kn

i

2

4

d

1

Sf

1

2

5m

3

5m

6
6

5

4

5

(...)

mn

3

in

Gió

VLFS
S sv

h

j

k

j
n

5m

5m

Ssh

S

H

L

S

Đáy biển

Hỡnh 1.3 Mụ hình tổng thể bài tốn nghiên cứu

S∝


Chương 1
1.1.4

5

Ứng dụng của kết cấu nổi

N hiều quốc gia trên thế giới đã triển khai xây dựng các công trình biển nổi lớn như
sân bay nổi, kho chứa dầu, cầu đường bộ nổi, sân bóng đá, v.v. Ở Việt N am cũng có
nhiều cơng trình nổi trên nước với quy mô vừa phải như các nhà hàng nổi ở trên Sông
Hương, nhà hàng nổi ở N inh Thuận, v.v. Các hình ảnh sau đây minh họa thực tế cho
các ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn trong nước và trên thế giới.

Hình 1.4 Kho dầu Kamigoto ở N agasaki, Japan [54]

Hình 1.5 Cầu nổi ở Dubai [55]


Chương 1

6

Hình 1.6 Sân bóng đá nổi ở Singapore [56]

Hình 1.7 Phối cảnh dự án N hà hát Hoa Sen nổi trên hồ Hà N ội [58]


Chương 1

7

Hình 1.8 N hà hàng nổi trên sơng Hương [59]

Hình 1.9 N hà hàng nổi trên vịnh Vĩnh Hy [60]


Chương 1

8

Hình 1.10 Phối cảnh thành phố nổi Lilypad của KTS Vincent Callebaut [61]

Hình 1.11 N hà máy điện mặt trời Kagoshima N anatsujima [62]


Chương 1

9

1.2

Tình hình nghiên cứu

1.2.1

Các cơng trình nghiên cứu trong nước

Trong nước hiện nay chưa có nhiều bài nghiên cứu chuyên sâu về tương tác
sóng biển và gió bão đến kết cấu, chỉ một số tác giả có sự nghiên cứu tổng quát về
vấn đề này. N guyễn Quốc Hòa (1996) [1] đã nghiên cứu động lực học giữa sóng biển
và cơng trình biển nổi. Trong luận án của mình, ông đã dùng phương pháp BEM để
giải quyết bài toán tương tác động lực học giữa cơng trình biển nổi chun dụng, có
kích thước lớn, hình dạng bất kỳ, với sóng biển theo mơ hình khơng gian của vật thể.
Hồ Hồng Sao, N guyễn Văn Dũng (2011) [2] nghiên cứu mơ hình vật lý hiệu quả giảm
sóng của đê chắn sóng nổi hình hộp, cho khu tránh trú bão tàu thuyền. Kết quả nghiên
cứu cho thấy hiệu quả giảm sóng của đê là đáng kể. N guyễn Văn Chình (2013) [3]
nghiên cứu động lực học về kết cấu cơng trình biển trên nền san hô chịu tác dụng của
tải trọng sóng biển và gió. N guyễn Quốc Hịa (2013) [4] nghiên cứu ảnh hưởng của
độ sâu mực nước đến mô men uốn dọc và lực cắt do sóng của kho chứa nổi. Phạm
Hiền Hậu và Phạm Hồng Đức (2016) [5] đã nghiên cứu dự báo và đánh giá ảnh hưởng
của khoảng tĩnh khơng đối với các cơng trình biển nổi có kể đến hiệu ứng phi tuyến
bậc hai của tải trọng sóng.
1.2.2

Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới

Phân tích sự tương tác trên miền tần số (hoặc miền thời gian) giữa môi trường
nước và kết cấu (hydroelastic) của các cấu trúc nổi lớn đã thu hút sự chú ý của nhiều
nhà nghiên cứu trên thế giới trong nửa thế kỷ trở lại đây, tiêu biểu là cơng trình đột
phá của Bishop và Price (1979) [6], Price và Wu (1985) [7] đã dẫn đến lý thuyết
hydroelastic 3D đầy đủ, trong đó phương pháp dùng hàm Green được sử dụng để mơ
hình hóa chất lỏng và phương pháp phần tử hữu hạn để mơ hình hóa VLFS. N hững
người đóng góp tiên phong cho lý thuyết hydroelastic của VLFS là Ertekin và cộng
sự (1993) [8], Suzuki (1996, 2005) [9][10], Yago và Endo (1996) [11], Kashiwagi

(1998, 2000) [18][39], Utsunomiya và cộng sự (1998) [12], Ohmatsu (1998, 1999)
[13][14]. Meylan và Squires (1996) [15], Meylan (1997, 2001) [16][17] nghiên cứu
các đề tài về băng trôi tương tự VLFS. N hững phát triển gần đây trên phân tích


Chương 1

10

hydroelastic đã được đánh giá rộng rãi bởi Kashiwagi (2000) [18], Watanabe và cộng
sự (2004a) [19], Chen và cộng sự (2006) [21]. N hững phát triển này đã cải thiện phân
tích hydroelastic với các phương pháp chính xác và hiệu quả hơn để phân tích ứng
xử của VLFS.
Trong phân tích hydroelastic, có hai yếu tố cần mơ hình hóa là phần kết cấu nổi và
chất lỏng xung quanh. Phần chất lỏng được mô phỏng bởi một hàm thế vận tốc thỏa
mãn phương trình Laplace. Đối với phần kết cấu nổi, đã có nhiều đề xuất cho các mơ
hình khác nhau. Watanabe và cộng sự (2004b) [20] đã mô phỏng kết cấu nổi là một
tấm đặc đồng nhất dựa theo lý thuyết tấm Kirchhoff. Kashiwagi (1998) [39],
Utsunomiya và cộng sự (1998) [12], Hermans (2000) [22], Meylan (2001) [17],
Watanabe và cộng sự (2000) [23] đã tiến hành phân tích và chứng minh các sai số
giữa phân tích theo lý thuyết tấm Kirchhoff so với dự đốn là rất thấp, phân tích cho
độ chính xác rất cao. Tuy nhiên, Wang và cộng sự (2001) [24] đã chỉ ra các kết quả
ứng suất (mơmen và lực cắt) khơng được dự đốn chính xác và chúng khơng thỏa
mãn các phương trình điều kiện biên, do các đáp ứng của biến dạng cắt và góc xoay
được bỏ qua trong lý thuyết tấm mỏng cổ điển. Để giải quyết vấn đề này, nhiều tác
giả đã áp dụng lý thuyết tấm dày Mindlin để mơ hình kết cấu nổi.
Một số phương pháp số cho phản ứng hydroelastic tức thời đã được phát triển.
Ohmatsu (1998) [28] đã phân tích phản ứng tức thời của VLFS một cách gián tiếp
thông qua hàm phản ứng xung được xác định từ biến đổi Fourier nghịch đảo của hàm
số phản ứng tần số. Endo (2000) [29] đã phát triển mơ hình phương pháp FEM với

miền thời gian được tính tốn trên kết quả miền tần số. Phương pháp BEM (bậc thấp)
là một trong những phương pháp được sử dụng, trong phương pháp này bề mặt tiếp
xúc của kết cấu nổi và nước được chia thành những phần tử nhỏ và thế vận tốc được
giả thiết là hằng trên mỗi phần tử. Vì bước sóng của sóng tới nhỏ hơn kết cấu rất
nhiều, do đó cần phân chia ra nhiều phần tử để đảm bảo độ chính xác cao, bài tốn
có q nhiều Nn số ảnh hưởng đến vấn đề thời gian. N ewman and Lee (2002) [30]
đưa ra hai phương pháp để giải quyết vấn đề này. Một là sử dụng phần tử biên bậc
cao để chia bề mặt kết cấu, điều này giúp giảm số lượng phần tử biên nhưng vẫn đảm
bảo tính chính xác. Phương pháp phần tử biên bậc cao cũng được dùng bởi Wang and


Chương 1

11

Meylan (2004) [31]. Lee và Choi (2003) [32] đã phát triển một phương pháp kết hợp
FEM-BEM để phân tích phản ứng đàn hồi tức thời của VLFS. Kashiwagi (2004) [33]
đã sử dụng phương pháp tổ hợp mode dao động của ông để mô phỏng số phản ứng
tức thời của sân bay nổi khi máy bay cất và hạ cánh. Liuchao and Hua (2007) [34] đề
xuất phương pháp phần tử hữu hạn trong miền thời gian ba chiều để phân tích phản
ứng đàn hồi tức thời của VLFS chịu tải trọng ngoài biến đổi. Qiu (2009) [35] đưa ra
phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp miền thời gian để phân tích phản ứng thủy
động lực học của dầm nổi với tải trọng di chuyển. Endo (2000) [29] đã ứng dụng
phương pháp tính tốn miền thời gian của ơng để mơ phỏng máy bay cất và hạ cánh
có xét tới sóng biển. Wang và Tay (2011) [36] giới thiệu phương pháp tốn học cho
phân tích hydroelastic của VLFS dạng pontoon trong miền tần số. Họ đã sử dụng kết
hợp hai phương pháp FEM-BEM để giải quyết bài toán: tấm - nước. Cheng và cộng
sự (2014) [41] đề xuất phương pháp mở rộng miền thời gian trực tiếp để tính tốn
phản ứng tức thời của VLFS chịu đồng thời sóng tới và tải ngoài bao gồm vật nặng
rơi tự do hay máy bay cất và hạ cánh.

N goài các phương pháp số, phương pháp giải tích như tổ hợp mode dao động cũng
được nhiều nhiều tác giả thực hiện. Trong phương pháp này, toàn bộ miền chất lỏng
được chia thành 2 miền bao gồm một miền được bao phủ bởi tấm và một miền bên
ngoài. Thế vận tốc trong mỗi miền được xấp xỉ bằng các hàm riêng trực giao.
Kashiwagi (2000) [37] đã sử dụng phương pháp tổ hợp mode dao động để phân tích
sự chuyển động của chất lỏng. Tích phân mặt của lực thủy động lực học được chuyển
đổi thành tích phân đường giúp giảm đáng kể thời gian tính tốn. Kim và Ertekin
(1998) [38] đã đề xuất phương pháp tổ hợp mode cho vùng chất lỏng bên dưới VLFS.
Họ đã tận dụng một cách hiệu quả nghiệm của phương trình Helmholtz cho miền chữ
nhật. Chuyển động của chất lỏng cũng được tính tốn bằng phương pháp Phần tử hữu
hạn (FEM) dựa trên nguyên lý biến phân. Kashiwagi (1998) [39] đề xuất mơ hình này
trong đó các hệ số thủy động lực học được tính tốn chính xác dựa trên kết quả miền
tần số và bằng phương pháp xấp xỉ B-spline Galerkin. Ismail (2016) [40] đã phát triển
phương pháp kết hợp FEM-BEM theo miền thời gian trong không gian ba chiều để
phân tích phản ứng tức thời của kết cấu chịu tải trọng thay đổi.