Phân tích ứng xử hydroelastic của kết cấu nổi bằng phương pháp kết hợp BEMFEM sử dụng phần tử tấm kirchhoff và mindlin

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

NGƠ TRUNG VŨ

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HYDROELASTIC CỦA KẾT CẤU
NỔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP BEM&FEM SỬ
DỤNG PHẦN TỬ TẤM KIRCHHOFF VÀ MINDLIN
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân dụng Và Cơng nghiệp
Mã số ngành: 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, 2018


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

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học:
Cán bộ hƣớng dẫn:

PGS.TS LƢƠNG VĂN HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 23 tháng 8 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
-PGS.TS Bùi Công Thành-Chủ tịch Hội đồng
-PGS.TS Nguyễn Trung Kiên
-PGS.TS Nguyễn Trọng Phƣớc
-PGS.TS Lê Song Giang
-TS.Châu Đình Thành-Thƣ kí Hội đồng
-TS.Nguyễn Hồng Ân
-TS.Nguyễn Tấn Cƣờng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGÔ TRUNG VŨ

MSHV: 1571030

Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1984

Nơi sinh: KHÁNH HỊA

Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng trình Dân Dụng và Công Nghiệp
Mã số: 60580208
I.

TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HYDROELASTIC CỦA KẾT
CẤU NỔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP BEM&FEM SỬ
DỤNG PHẦN TỬ TẤM KIRCHHOFF VÀ MINDLIN

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1. Trình bày cơ sở lý thuyết tấm Kirchhoff, tấm Mindlin, chất lỏng lý tƣởng,
phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp phần tử biên
2. Phát triển thuật tốn giải hệ phƣơng trình tƣơng tác giữa tấm và chất lỏng trong
miền thời gian và xây dựng chƣơng trình Matlab mơ phỏng ứng xử của hệ tấmnƣớc
3. Kiểm chứng chƣơng trình và thực hiện các bài tốn khảo sát để đánh giá ảnh
hƣởng của chiều dày tấm lên các đại lƣợng đặc trƣng của hệ.
4. Đƣa ra kết luận và kiến nghị từ kết quả nghiên cứu số.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

:

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS. TS LƢƠNG VĂN HẢI
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2018
BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Lƣơng Văn Hải
TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


ii

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 v.v…
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
đƣợc 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 Lƣơng Văn Hải và
Thầy TS.Trần Minh Thi. Các thầy đã đƣa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý
tƣởng của đề tài, góp ý cho tơi 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, trƣờng Đại
học Bách Khoa TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức q giá cho tơi, đó cũng là
những kiến thức không thể thiếu trên con đƣờng 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 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 tháng

năm 2018

NGÔ TRUNG VŨ


iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đại dƣơng bao phủ 70% Trái Đất là nơi làm giảm nhu cầu cấp bách về vấn đề đất
đai ven biển. Gần 50% thế giới cơng nghiệp hóa hiện nay sống trong vịng 1 km bờ
biển, nhu cầu về tài nguyên đất và không gian đang bắt đầu tiến tới một giai đoạn
quan trọng khi dân số thế giới tiếp tục tăng với tốc độ đáng báo động. Cần có một
sự phát triển bền vững và thân thiện với môi trƣờng. Một trong những sáng kiến
thân thiện với môi trƣờng xuất hiện trong thời gian gần đây là khái niệm về các
cơng trình nổi siêu lớn (VLFS) - một công nghệ cho phép tạo ra các vùng đất nhân
tạo từ biển mà không phá hủy môi trƣờng biển, không làm ô nhiễm nguồn nƣớc ven
biển và khơng thay đổi dịng chảy thủy triều và dịng chảy tự nhiên. Cho đến nay
nhiều phƣơng pháp số đã đƣợc phát triển để phân tích VLFS trong mơi trƣờng sóng
biển, trong luận văn này sẽ sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phần tử biên (BEM)
và phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích kết cấu tấm nổi Kirchhoff và
Mindlin chịu tải trọng di động để giải quyết bài toán kết cấu nổi siêu lớn. Chƣơng 1
là phần giới thiệu tổng quan về kết cấu nổi siêu lớn, lịch sự phát triển, những ƣu
điểm và ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn trong thực tế, mục tiêu và hƣớng nghiên
cứu của đề tài. Trong chƣơng 2 trình bày mơ hình của kết cấu nổi và chất lỏng cùng

với những điều kiện biên thiết lập trong quá trình tính tốn, trình bày cơ sở lý thuyết
tấm Kirchhoff và tấm Mindlin, chất lỏng lý tƣởng, phƣơng pháp phần tử hữu hạn và
phƣơng pháp phần tử biên sử dụng trong q trình tính tốn. Chƣơng 3 sử dụng
thuật tốn giải hệ phƣơng trình tƣơng tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian
và xây dựng chƣơng trình Matlab mơ phỏng ứng xử của hệ tấm-nƣớc, tiến hành
phân tích, so sánh tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với chiều dày tấm thay đổi cùng
với sự thay đổi lần lƣợt của vận tốc của tải trọng, độ lớn của tải trọng, chiều sâu đáy
chất lỏng, vị trí đặt tải trọng, module đàn hồi và kích thƣớc tấm. Từ kết quả của
chƣơng 3, nhận xét và kiến nghị đƣợc trình bày trong chƣơng 4 và cuối cùng là
danh mục những tài liệu tham khảo đã sử dụng trong luận văn.


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

Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2018

NGƠ TRUNG VŨ


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

i

LỜI CẢM ƠN

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

iv

LỜI CAM ĐOAN

v

MỤC LỤC

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN

vii
ix
viii

1

1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 1
1.1.1 Lịch sử phát triển .......................................................................................... 1
1.1.2 Ƣu điểm......................................................................................................... 3
1.2 Ứng dụng ........................................................................................................ 4
1.3 Tổng quan nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu ......................... 6
1.3.1 Lý thuyết Hydroelastic .................................................................................. 6
1.3.2 Các phƣơng pháp phân tích........................................................................... 8
1.4 Mục tiêu và hƣớng nghiên cứu ...................................................................... 9
1.4.1 Mục tiêu ........................................................................................................ 9
1.4.2 Hƣớng nghiên cứu ......................................................................................... 9
1.5 Cấu trúc luận văn ......................................................................................... 10
CHƢƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

11

2.1 Mơ hình cấu trúc chất lỏng và các điều kiện biên........................................ 11
2.1.1 Mơ hình cấu trúc chất lỏng ....................................................................... 11
2.1.2 Điều kiện biên ............................................................................................. 12
2.2 Phƣơng trình vi phân chủ đạo tấm mỏng ..................................................... 13
2.3 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho tấm mỏng................................ 15
2.4 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho tấm dày: .................................. 17


v
2.5 Phƣơng pháp phần tử biên ........................................................................... 20
2.5.1 Nghiệm cơ bản của phƣơng trình Laplace .................................................. 21
2.6 Lƣu đồ thuật tốn ......................................................................................... 25
CHƢƠNG 3.VÍ DỤ SỐ

26

3.1 Bài tốn 1: Kiếm chứng chƣơng trình phân tích hydroelastic của tấm đẳng
hƣớng so với kết quả của tác giả Ismail ....................................................... 27
3.2 Bài tốn 2: Phân tích sự hội tụ của bài tốn ................................................. 28
3.3 Bài toán 3: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với sự
thay đổi giá trị vận tốc của tải trọng ứng với sự thay đổi chiều dày tấm ..... 30
3.4 Bài toán 4: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các
giá trị độ sâu đáy biển thay đổi ứng với sự thay đổi chiều dày tấm ............ 33
3.5 Bài toán 5: Khảo sát chuyển vị tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các vị trí
khác nhau của tải trọng ứng với sự thay đổi chiều dày tấm......................... 35
3.6 Bài toán 6: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các
giá trị khác nhau của tải trọng ứng với sự thay đổi chiều dày tấm .............. 38
3.7 Bài toán 7: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các
giá trị khác nhau của module đàn hồi E ứng với sự thay đổi chiều dày tấm40
3.8 Bài toán 8: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với sự
thay đổi kích thƣớc tấm L và B ứng với sự thay đổi chiều dày tấm ......... 43
CHƢƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

47

4.1 Kết luận ........................................................................................................ 47
4.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO

49


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Các thành phần của hệ thống kết cấu nổi

3

Hình 1. 2. Mega-Float tại vịnh Tokyo, Nhật Bản

4

Hình 1. 3. Sân bay Quốc tế Tokyo, (Haneda)

4

Hình 1. 4. Căn cứ cứu hộ khẩn cấp ở vịnh Tokyo và vịnh Osaka

5

Hình 1. 5. Bãi đáp trực thăng nổi, Vancouver, Canada

5

Hình 1. 6. Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở Shirashima, Japan

5

Hình 1. 7. Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở Kamigoto, tỉnh Nagasaki , Japan

5

Hình 1. 8. Phản ứng toàn phần của tấm dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh

6

Hình 1. 9. Sơ đồ phản ứng tồn phần của kết cấu nổi

7

Hình 2. 1. Hệ chất lỏng và hệ tọa độ

11

Hình 2. 2. Các thành phần ứng suất của tấm mỏng

13

Hình 2. 3. Phần tử chữ nhật với 4 điểm nút

16

Hình 2. 4. Mơ hình tấm dày

18

Hình 2. 5. Hàm Green G  P, Q 

21

Hình 2. 6. Miền khảo sát, mặt biên trịn và mặt biên nữa trịn S ,   r

21

Hình 3. 1. Mơ hình một kết cấu nổi VLFS

26

Hình 3. 2. Mơ hình tấm nổi kích thƣớc 9, 75m 1, 95m

27

Hình 3. 3. Kết quả chuyển vị của Ismail và luận văn

28

Hình 3. 4. Chuyển vị lớn nhất của tấm ứng với lƣới chia phần tử

29

Hình 3. 5. Kết quả chuyển vị lớn nhất của tấm Kirchoff và tấm Mindlin khi thay
đổi vận tốc của tải trọng
Hình 3. 6. Chuyển vị tấm theo phƣơng x khi thay đổi vận tốc tải trọng

31
32

Hình 3. 7. Kết quả chuyển vị lớn nhất của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi chiều sâu đáy chất lỏng
Hình 3. 8. Chuyển vị tấm theo phƣơng x khi thay đổi độ sâu đáy biển

34

35

Hình 3. 9. Kết quả chuyển vị lớn nhất của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi vị trí đặt tải trọng

36


vii
Hình 3. 10. Chuyển vị của tấm theo phƣơng x khi thay đổi vị trí đặt tải trọng

37

Hình 3. 11. Kết quả chuyển vị lớn nhất của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi giá trị lực P
Hình 3. 13. Chuyển vị lớn nhất của tấm khi thay đổi module đàn hồi tấm

38
40

Hình 3. 14. Chuyển vị của tấm theo phƣơng x khi thay đổi module đàn hồi tấm 42
Hình 3. 15. Chuyển vị lớn nhất của tấm khi thay đổi chiều rộng tấm

43

Hình 3. 16. Chuyển vị của tấm theo phƣơng x khi thay đổi chiều rộng tấm

45

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 4. Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm khi thay đổi vận tốc của tải trọng

32

Bảng 3. 5. So sánh chuyển vị lớn nhất với trƣờng hợp h  1 / 5

32

Bảng 3. 6. Độ lệch chuyển vị lớn nhất giữa tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi vận tốc của tải trọng
Bảng 3. 7. Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm khi thay đổi chiều sâu đáy biển

32
34

Bảng 3. 8. Độ lệch chuyển vị lớn nhất giữa tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi chiều sâu đáy biển
Bảng 3. 9. Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm khi thay đổi vị trí đặt tải trọng

34
36

Bảng 3. 10. Độ lệch chuyển vị lớn nhất giữa tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi vị trí đặt tải trọng
Bảng 3. 11. Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm khi thay đổi lực P

36

38

Bảng 3. 12. Độ lệch chuyển vị lớn nhất (m) giữa tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi
thay đổi lực P

39

Hình 3. 12. Chuyển vị giữa tấm theo phƣơng x khi thay đổi giá trị của tải trọng 39
Bảng 3. 13. Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm khi thay đổi module đàn hồi tấm

41

Bảng 3. 14. Độ lệch Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm với trƣờng hợp h  1 / 5

41

Bảng 3. 15. Độ lệch chuyển vị lớn nhất (m) giữa tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi
thay đổi module đàn hồi tấm
Bảng 3. 16. Chuyển vị lớn nhất (m) của tấm khi thay đổi chiều rộng tấm

41
44

Bảng 3. 17. Độ lệch chuyển vị lớn nhất giữa tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay
đổi chiều rộng tấm

44


viii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
FEM

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

BEM

Phƣơng pháp phần tử biên (Boundary Element Method)

Ma trận và véctơ
u

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

d

Véctơ chuyển vị nút của phần tử

γ

Ma trận biến dạng cắt

M

Ma trận khối lƣợng tổng thể

K

Ma trận độ cứng tổng thể

C

Ma trận cản tổng thể

Me

Ma trận khối lƣợngphần tử

Ce

Ma trận cản phần tử

Ke

Ma trận độ cứng phần tử

Ký hiệu
L

Chiều dài tấm theo phƣơng x

B

Chiều dài tấm theo phƣơng y

E

Module đàn hồi của vật liệu

G

Module chống cắt đàn hồi của vật liệu



Hệ số poisson của vật liệu



Trọng lƣợng riêng của vật liệu tấm

h

Chiều dày tấm

L

Bề rộng vùng lõm của tấm khi có lực tác dụng


Chƣơng 1: Tổng quan

CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN
Luận văn này giới thiệu về những kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) đƣợc xây dựng ở
vùng nƣớc ven biển của các thành phố phát triển. Những kết cấu nổi này đƣợc xây
dựng phần lớn là do tình trạng thiếu đất trầm trọng và chi phí đất tăng đột ngột
trong thời gian gần đây. Sau khi mơ hình về những kết cấu nổi siêu lớn (VLFS)

đƣợc đƣa ra và nêu bật những ƣu điểm (trong một số điều kiện nhất định) so với
việc mở rộng đất truyền thống trong việc tạo không gian từ biển thì các kết cấu
VLFS đƣợc sử dụng ngày càng nhiều.
1.1

Giới thiệu

1.1.1

Lịch sử phát triển

Trong thế kỷ XX, thế giới đã gặp phải một vấn đề mới: thiếu đất đai. Bây giờ vào
đầu thiên niên kỷ thứ ba, vấn đề này đang trở nên nghiêm trọng với sự tăng trƣởng
nhanh chóng của dân số Trái đất và sự phát triển tƣơng ứng của công nghiệp và các
khu đô thị. Các quốc gia nhƣ Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Hà Lan và Bỉ có
mật độ dân số rất cao. Nhiều nƣớc khác ở châu Âu và châu Á đang tiến gần đến mật
độ tƣơng tự.
Nhiều quốc đảo phát triển và các quốc gia có bờ biển dài cần có đất đã giành một
khoảng thời gian khai thác đất từ biển nhằm tạo không gian mới. Hà Lan, Nhật Bản,
Singapore và các nƣớc khác đã mở rộng diện tích của họ một cách đáng kể thơng
qua các cơng trình cải tạo đất. Tuy nhiên, các cơng trình này có những hạn chế nhƣ
tác động tiêu cực đến môi trƣờng trên bờ biển của đất nƣớc, các nƣớc láng giềng và
hệ sinh thái biển, cũng nhƣ chi phí kinh tế rất lớn trong việc khai hoang đất từ vùng
nƣớc sâu ven bờ. Ngoài ra, việc cải tạo đất là một giải pháp hiệu quả chỉ đối với
những vùng nƣớc nơng có độ sâu không quá 20m .

1


Chƣơng 1: Tổng quan

Khi vùng biển quá sâu và đáy biển khơng đủ cứng, việc cải tạo đất khơng cịn hiệu
quả hoặc thậm chí là khơng thực hiện đƣợc. Khi phải đối mặt với những điều kiện
tự nhiên và những hậu quả về môi trƣờng, các kết cấu nổi siêu lớn (Very large
floating structures - VLFS) đƣợc đánh giá là một giải pháp thay thế có hiệu quả cho
những vùng đất mở rộng từ biển.
Về cơ bản có 2 loại kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) là: Semi-submersible và Pontoon.
Các cấu trúc nửa chìm nửa nổi (Semisubmersible) đƣợc giữ cho nổi trên mực nƣớc
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 khoan khai thác dầu khí và sản xuất dầu và khí đốt là những
ví dụ điển hình cho loại kết cấu này.
Ngƣợc lại, cấu trúc phao (Pontoon) nằm trên mực nƣớc biển nhƣ một tấm khổng lồ
trôi nổi trên mặt nƣớc. Cấu trúc nổi dạng Pontoon thích hợp để sử dụng trong các
vùng nƣớc tĩnh lặng, thƣờng nằm trong vịnh hoặc đầm và gần bờ biển. Các kết cấu
nổi Pontoon siêu lớn đƣợc các kỹ sƣ Nhật gọi là những con Mega-Float. Trong luận
văn này chỉ đề cập đến kết cấu nổi siêu lớn VLFS loại Pontoon.
Theo nguyên tắc chung, VLFS (Pontoon-type) là kết cấu nổi có chiều dài lớn hơn
60m. Một hệ thống VLFS (Pontoon-type) bao gồm một:
Kết cấu phao nổi siêu lớn
Bộ phận neo để giữ kết cấu không di chuyển
Một cầu nối hoặc đƣờng nối để đi vào bờ
Đê chắn sóng (thƣờng là cần thiết nếu chiều cao sóng là đáng kể - lớn hơn 4
m) để giảm lực sóng tác động lên kết cấu nổi.

2


Chƣơng 1: Tổng quan

Hình 1. 1. Các thành phần của hệ thống kết cấu nổi
Các kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) có thể đƣợc xây dựng để tạo ra các sân bay, cầu, đê
chắn sóng, cầu cảng và bến cảng, các cơ sở lƣu trữ (dầu và khí tự nhiên) và các nhà
máy điện năng lƣợng mặt trời cho các mục đích qn sự, tạo ra khơng gian cơng
nghiệp, căn cứ cứu hộ, các cơ sở giải trí (nhƣ sịng bạc), cơng viên giải trí, các cơng
trình ngồi khơi di động và thậm chí cả nơi ở. Hiện nay, các khái niệm khác nhau đã
đƣợc đề xuất để xây dựng các thành phố nổi hoặc các khu liên hợp sinh sống khổng
lồ.
1.1.2

Ƣu điểm

Những kết cấu nổi siêu lớn này có lợi thế hơn các giải pháp khai hoang đất đai
truyền thống để tạo không gian mới nhƣ sau:
Tiết kiệm chi phí hơn khi độ sâu nƣớc lớn.
Thân thiện với mơi trƣờng vì chúng khơng gây tổn hại cho hệ sinh thái biển,
hoặc phá vỡ dòng chảy thủy triều.
Dễ dàng và nhanh chóng xây dựng (các bộ phận có thể đƣợc sản xuất tại các
xƣởng đóng tàu khác nhau và sau đó đƣa vào khu vực lắp ráp) và do đó khơng gian
biển có thể đƣợc khai thác nhanh chóng.
Có thể dễ dàng tháo dỡ (nếu không gian biển là cần thiết trong tƣơng lai) hoặc
mở rộng.
Các cơ sở và công trình trên VLFS đƣợc bảo vệ khỏi những cú sốc của sóng
địa chấn.

3


Chƣơng 1: Tổng quan
Vị trí của chúng đối với mặt nƣớc là khơng đổi và do đó tạo điều kiện thuận

lợi cho tàu thuyền khi đƣợc sử dụng làm cầu cảng và bến.
1.2

Ứng dụng

Sân bay
Trong thời gian gần đây, chi phí đất ở các thành phố lớn đã tăng lên đáng kể và các
nhà quy hoạch đô thị đang cân nhắc khả năng sử dụng nƣớc ven biển để phát triển
đơ thị bao gồm cả việc có sân bay nổi. Vì biển và vùng đất gần bờ thƣờng bằng
phẳng, việc đổ bộ và cất cánh máy bay an toàn hơn. Về mặt này, Nhật Bản đã đạt
đƣợc tiến bộ lớn khi xây dựng một sân bay lớn trên biển. Sân bay quốc tế Kansai ở
Osaka là một ví dụ về một sân bay đƣợc xây dựng trên biển (trên một hịn đảo đƣợc
khai hoang).

Hình 1. 2. Mega-Float tại vịnh Tokyo,

Hình 1. 3. Sân bay Quốc tế Tokyo,

Nhật Bản

(Haneda)

Đƣờng cao tốc nổi đầu tiên là mơ hình thử nghiệm Mega-Float dài 1 km đƣợc xây
dựng vào năm 1998 tại vịnh Tokyo (Hình 1. 2).
Trong năm 2010, một nhà ga quốc tế chuyên dụng đã đƣợc khai trƣơng tại sân bay
nổi Haneda cùng với việc hoàn thành đƣờng băng thứ tƣ, cho phép các chuyến bay
đƣờng dài trong những giờ ban đêm (Hình 1. 3).

4

Chƣơng 1: Tổng quan
Căn cứ cứu hộ khẩn cấp
Vì cấu trúc nổi tách biệt với những trận động đất nên chúng rất lý tƣởng để xây
dựng các căn cứ cứu hộ khẩn cấp ở các quốc gia dễ bị động đất. Nhật Bản có một số
căn cứ cứu hộ nổi nhƣ vậy ở Vịnh Tokyo, Vịnh Ise và Vịnh Osaka.

Hình 1. 4. Căn cứ cứu hộ khẩn cấp ở vịnh

Hình 1. 5. Bãi đáp trực thăng nổi,

Tokyo và vịnh Osaka

Vancouver, Canada

Phƣơng tiện lƣu trữ nổi

Hình 1. 6. Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở

Hình 1. 7. Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở

Shirashima, Japan

Kamigoto, tỉnh Nagasaki , Japan

Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở Shirashima, Japan với công suất 5, 6 triệu kiloliters, kích
thƣớc mỗi module: 397  82  25,1m đƣợc xây dựng vào năm 1996. Căn cứ lƣu trữ
dầu nổi ở Kamigoto, tỉnh Nagasaki, Japan với công suất 4, 4 triệu kiloliters, kích
thƣớc mỗi module: 390  97  27, 6m xây dựng năm 1988.

5


Chƣơng 1: Tổng quan
1.3

Tổng quan nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu

1.3.1

Lý thuyết Hydroelastic

Một kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) điển hình có kích thƣớc ngang lớn từ vài trăm mét
đến vài kilomet mà độ dày của VLFS chỉ vài mét. Với tỉ số giữa chiều dày và kích
thƣớc theo phƣơng ngang nhỏ, VLFS ứng xử nhƣ một tấm đàn hồi khi xét các phản
ứng theo phƣơng thẳng đứng. Nói cách khác, ứng xử VLFS theo chiều thẳng đứng
không thể chỉ xét bởi các chuyển động của một vật rắn cứng tuyệt đối. Do đó, cần
phải tính toán độ uốn của một VLFS khi thiết kế.
Mặt khác, nếu áp lực thay đổi chuyển động của kết cấu nổi cũng bị ảnh hƣởng. Mối
quan hệ tƣơng hỗ này đƣợc gọi là sự tƣơng tác của cấu trúc chất lỏng. Nếu chuyển
động của vật thể nổi bao gồm các biến dạng đàn hồi, tƣơng tác kết cấu-chất lỏng
đƣợc gọi là hydroelastic. Với tỉ số giữa chiều dày và kích thƣớc theo phƣơng ngang
nhỏ và kích thƣớc lớn hơn nhiều so với bƣớc sóng của sóng biển, ứng xử của VLFS
tác động đáng kể đến áp lực chất lỏng xung quanh. Do đó phân tích hydroelastic là
cần thiết để đánh giá ứng xử của một VLFS.
Khác với những con tàu và kết cấu nổi ngồi khơi, kết cấu VLFS có ứng xử
hydroelastic là chủ yếu. Sự so sánh ứng xử này khi chịu tải trọng tập trung đƣợc
minh họa theo sơ đồ trong Hình 1. 8 nhƣ là một biện pháp hợp lý để phân biệt
VLFS với các tàu thuyền thơng thƣờng dƣới dạng ứng xử tồn phần, một chiều dài
đặc trƣng là

đã đƣợc đề xuất bởi Suzuki và Yoshida [1].
1

 EI  4
c  2  
 kc 

(1.1)

Hình 1. 8. Phản ứng toàn phần của tấm dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh

6


Chƣơng 1: Tổng quan

Hình 1. 9. Sơ đồ phản ứng tồn phần của kết cấu nổi

c đƣợc phân tích từ mơ hình dầm có mặt cắt khơng đổi trên nền đàn hồi; EI là độ
cứng uốn của dầm và kc là hằng số đàn hồi của lực hồi phục thủy tĩnh.

c tƣơng ứng với chiều dài vùng bị uốn cục bộ bởi tải trọng tập trung Hình 1. 8.
Điều này cho thấy rằng ảnh hƣởng của tải trọng tác dụng vào kết cấu và sự biến
dạng đàn hồi đƣợc giới hạn trong vùng có độ dài c .
Theo đó nếu chiều dài của kết cấu nhỏ hơn chiều dài đặc trƣng thì ứng xử của kết
cấu là chuyển động cứng tuyệt đối nếu nó lớn hơn chiều dài đặc trƣng, nhƣ trong
VLFS thì phản ứng là biến dạng đàn hồi.
Cho đến nay nhiều mơ hình số học đã đƣợc phát triển để phân tích ứng xử
hydroelastic của nhiều loại VLFS trong mơi trƣờng sóng biển. Từ bƣớc phân tích

đơn giản nhất là thực hiện với mơ hình kết cấu một phƣơng (mơ hình dầm) và vùng
chất lỏng 2 phƣơng; cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với mơ
hình kết cấu và vùng chất lỏng theo 3 phƣơng.
Về phần kết cấu, kết cấu nổi thƣờng là kết cấu bê tông và kết cấu thép. Chúng đƣợc
khảo sát nhƣ một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo phƣơng
ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phƣơng đứng.
Đồng thời khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt nƣớc và kết cấu
thƣờng rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong một chu kỳ đặc
trƣng của sóng nên đƣợc bỏ qua.

7


Chƣơng 1: Tổng quan
Khi mơ hình kết cấu, những mơ hình bên dƣới đã ứng dụng để mơ hình VLFS:
Mơ hình dầm (T.I. Khabakhpasheva, 2002 [2])
Mơ hình tấm mỏng (Masashi Kashiwagi, 2004 [3])
Mơ hình tấm dày Mindlin (Watanabe, 2000 [4])
Mơ hình sandwich-grillage (Masahiko Fujikubo, 2001 [5])
1.3.2

Các phƣơng pháp phân tích

Nhiều bài báo về phân tích hydroelastic của VLFS đã đƣợc cơng bố cho đến nay.
Có thể đƣợc tìm thấy trong các bài báo đánh giá của Kashiwagi [10], Watanabe và
cộng sự [11], Newman [12], Ohmatsu [13] và Suzuki và cộng sự [14]. Một vài
nghiên cứu điển hình sử dụng BEM để phân tích chuyển động của chất lỏng đã
đƣợc cơng bố nhƣ Yasuzawa và cộng sự [15] thế vận tốc và các đạo hàm của nó
đƣợc trình bày phƣơng trình tích phân biên. Yago & Endo [16], Yasuzawa và cộng
sự [17] và Hamamoto và cộng sự [18] xác định sự phân bố áp suất nƣớc bằng cách

sử dụng BEM. Ohkusu & Namba [19] và Namba & Ohkusu [20] giới thiệu một
phép tính gần đúng của hàm Green. Mamidipudi và Webster [21] đã tiến hành
nghiên cứu về phân tích hydroelastic của một sân bay nổi bằng cách kết hợp
phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho vấn đề tấm và phƣơng pháp hàm Green cho vấn
đề chất lỏng. Wu và cộng sự [22] giải quyết vấn đề hydroelastic hai chiều (2-D)
bằng phƣơng pháp phân tích sử dụng các hàm riêng. Phản ứng trong thời gian ngắn
của VLFS do máy bay hạ cánh và cất cánh đã đƣợc phân tích bởi Kimand Webster
[23], Watanabe và Utsunomiya [24], và sau đó cho một tải di chuyển bởi Watanabe
và cộng sự [25], Endo [26] và Kashiwagi [27].
Có thể giải quyết vấn đề hydroelastic của VLFS là sử dụng những phƣơng pháp số
gần đúng. Trong phƣơng pháp số gần đúng, có thể kết hợp một số các phƣơng pháp
khác nhau để giải quyết phần kết cấu và phần chất lỏng. Về nguyên tắc, bất kỳ
phƣơng pháp nào đã đề cập bên trên có thể đƣợc áp dụng để giải quyết vấn đề dao
động của tấm hoặc cấu trúc 3-D có thể đƣợc sử dụng để giải quyết phần kết cấu.
Trong các phƣơng pháp khác nhau, FEM có thể đƣợc coi là phƣơng pháp có triển
vọng nhất vì tính đa dụng của nó trong việc xử lý hình học phức tạp của kết cấu

8


Chƣơng 1: Tổng quan
thực. Trong một số trƣờng hợp, toàn bộ VLFS có thể đƣợc mơ hình nhƣ một tấm
nổi. Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, mơ hình đơn giản này rất hiệu quả và thƣờng đƣợc
sử dụng trong quy trình thiết kế thực tế. Để giải quyết phần chất lỏng, phƣơng pháp
đƣợc sử dụng ở đây là phƣơng pháp phần tử biên.
Trong giai đoạn đầu của thiết kế kết cấu VLFS, một mơ hình tấm đồng nhất đẳng
hƣớng thƣờng đƣợc sử dụng cho phân tích phản ứng hydroelastic. Một mơ hình cấu
trúc đơn giản nhƣ vậy có hiệu quả để xác định các tham số độ cứng toàn phần của
kết cấu, đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên, để tính tốn chính xác cần phải có
một mơ hình cấu trúc chi tiết hơn có thể giải thích đƣợc các ứng xử của từng bộ

phận kết cấu. Trong luận văn sẽ sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phƣơng pháp
phần tử biên (BEM) và phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phân tích tấm
Kirchhoff và tấm Mindlin chịu tải trọng di động để giải bài toán tấm nổi.
1.4

Mục tiêu và hƣớng nghiên cứu

1.4.1

Mục tiêu

Trong luận văn sẽ sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phần tử biên (BEM) và
phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phân tích chuyển vị của tấm Kirchhoff
và tấm Mindlin chịu tải trọng di động để giải bài toán tấm nổi VLFS.
1.4.2

Hƣớng nghiên cứu
Nƣớc đƣợc giả định là không nhớt, không nén đƣợc và chuyển động khơng

xốy. Theo lý thuyết thế năng tuyến tính, chuyển động của chất lỏng đƣợc mơ tả bởi
phƣơng trình chủ đạo Laplace và các điều kiện biên đƣợc tuyến tính hóa. Phƣơng
trình Laplace kết hợp với điều kiện biên đƣợc giải quyết bằng phƣơng pháp BEM
trong đó hàm Green là nghiệm cơ bản của phƣơng trình Laplace trong một miền
chất lỏng vô hạn của không gian ba chiều. Sự chuyển động của kết cấu nổi và miền
chất lỏng xung quanh đƣợc kết hợp qua điều kiện của bề mặt tiếp xúc giữa VLFS và
chất lỏng.
Kết cấu nổi đƣợc lý tƣởng hóa là một tấm Kirchhoff hoặc tấm Mindlin có các
cạnh biên tự do.

9

Chƣơng 1: Tổng quan
Cuối cùng, hệ phƣơng trình kết hợp của tải trọng di động, kết cấu nổi và chất
lỏng xung quanh đƣợc giải quyết bằng phƣơng pháp số trong miền thời gian.
1.5

Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn bao gồm các phần nhƣ sau:
Chƣơng 1 là phần tổng quan giới thiệu về kết cấu nổi siêu lớn, lịch sự phát
triển và những ƣu điểm của kết cấu này. Những ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn
trong thực tế. Mục tiêu và hƣớng nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng 2 trình bày những cơ sở lý thuyết để tính tốn.
Chƣơng 3 trình bày mơ hình nghiên cứu.
Chƣơng 4 Kết luận và kiến nghị

10


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết

CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Mô hình chất lỏng và các điều kiện biên

2.1.1

Mơ hình chất lỏng

Hệ chất lỏng và hệ tọa độ đƣợc trình bày trong Hình 2. 1. Trục z hƣớng lên trên và
đáy biển đƣợc coi là phẳng tại z  h . VLFS có chiều dài tối đa là 2a theo phƣơng

x , chiều rộng tối đa là 2b theo phƣơng y . Vấn đề hiện tại là xác định ứng xử của
VLFS dƣới tác động của tải trọng di động.

Hình 2. 1. Hệ chất lỏng và hệ tọa độ
Trong phân tích hydroelastic cho tấm VLFS, có các giả thiết sau:
VLFS đƣợc mơ phỏng nhƣ một tấm đàn hồi mỏng (có tính đẳng hƣớng) với
các cạnh tự do
Chất lỏng không nén, không nhớt và chuyển động khơng xốy.

11


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Biên độ của sóng biển và chuyển động của VLFS đều nhỏ và chỉ có chuyển
động theo phƣơng thẳng đứng của cấu trúc đƣợc xem xét (nghĩa là hạn chế tấm di
chuyển theo chiều ngang trong phân tích).
Mặt dƣới của tấm tiếp với chất lỏng ở tất cả các vị trí vì vậy khơng có khe hở
giữa tấm và vùng chất lỏng bên dƣới nó.
2.1.2

Điều kiện biên

Phƣơng trình Laplace cho chất lỏng lý tƣởng:


 2
x 2



 2
y 2



 2
z 2

0

(2.1)

  2  0

Với  ( x, y, z, t) là hàm thế vận tốc của chất lỏng
Điều kiện động học ở đáy
Điều kiện biên ở đáy của miền chất lỏng cho biết thành phần pháp tuyến của vận tốc
chất lỏng tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt đáy đều bằng 0. Điều kiện này là cần thiết
để khơng có dịng chảy ở đáy biển hoặc khơng có lỗ trống đƣợc hình thành bởi dịng
chảy của chất lỏng ở phía dƣới:

d
0
dn


,   0, khi x  
x

,   0, khi y  
y

(2.2)

trong đó n đại diện cho pháp tuyến bên ngồi của miền chất lỏng.
Điều kiện động học tại mặt tiếp xúc của kết cấu và chất lỏng
Giả thiết rằng kết cấu nổi siêu lớn VLFS tiếp xúc với nƣớc ở tất cả các điểm. Vì
vậy, khơng có khoảng giữa bề mặt tấm và chất lỏng hay nói cách khác vận tốc của
tấm và chất lỏng tại vị trí tiếp xúc luôn bằng nhau:

d dw

dn dt

(2.3)

12


Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
trong đó w  x, y, z , t  là sự chuyển vị theo phƣơng thẳng đứng của tấm, t là thời
gian, n là vector đơn vị chỉ từ miền chất lỏng vào trong tấm nổi.
Điều kiện biên tại vô cực
Điều kiện này giả định rằng sự dao động trong chất lỏng không truyền đến vùng xa
của miền trong khoảng thời gian đƣợc xét. Điều kiện này đòi hỏi vận tốc của chất
lỏng phải bằng 0 khi tiến ra xa:


0
n
2.2

(2.4)

Phƣơng trình vi phân chủ đạo tấm mỏng

Hình 2. 2. Các thành phần ứng suất của tấm mỏng
Giả thuyết biến dạng bé của tấm mỏng:
Vật liệu đồng nhất, đẳng hƣớng, đàn hồi tuyến tính do đó tn theo định luật
Hooke
Tấm ban đầu phẳng
Mặt trung bình của tấm không bị biến dạng khi uốn
Chiều dày của tấm nhỏ so với 2 phƣơng còn lại
Độ võng của tấm nhỏ so với bề dày tấm
Mặt cắt pháp tuyến với mặt trung bình của tấm cịn phẳng và vng góc với mặt

13