Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi vlfs

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

TRẦN MINH PHƯƠNG

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SĨNG BIỂN ĐẾN
ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU
TẤM NỔI VLFS
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và
cơng nghiệp
Mã số ngành: 60580208

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017


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

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

TRẦN MINH PHƯƠNG

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SĨNG BIỂN ĐẾN
ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU
TẤM NỔI VLFS
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công
nghiệp

Mã số ngành: 60580208
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017


iii
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP.HCM ngày tháng năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT

Họ và tên

Chức danh
Hội đồng

1

Chủ tịch

2

Phản biện 1

3

Phản biện 2

4

Ủy viên

5

Ủy viên, Thư ký

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


ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN MINH PHƯƠNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989

Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
MSHV: 1541870012
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học
của kết cấu tấm nổi VLFS.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Thiết lập mơ hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn và phần tử biên.
2. Phát triển thuật tốn và chương trình giải hệ phương trình tương tác.
3. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân tích
của luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác.
4. Tiến hành thực hiện các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau
đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: …/... /….

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : …/…/….
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI
Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

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.
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lương Văn Hải.
Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất
nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận
nghiên cứu hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại
học Công Nghệ 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 NCS. Nguyễn Xn 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 q Thầy Cơ chỉ
dẫn thêm để tơi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày ….. Tháng….. năm 2017

Trần Minh Phương


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN 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. Để giải
quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy
nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m).
Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này địi hỏi
lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là khơng thể
thực hiện được. Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm ảnh hưởng tiêu cực đối với
môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng
giềng. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị
một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi
siêu rộng(VLFS - Very Large Floating Structures). Hiện nay các kết cấu tấm nổi rất
hiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng, điển hình như các
nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam cũng đã
có nghiên cứu về vấn đề trên, nhưng chỉ tập trung nghiên cứu khảo sát và phân tích
những kết cấu có kích thước nhỏ, cho nên luận văn đã được thực hiện với mục đích
là tập trung phân tích khảo sát ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi có kích
thước lớn chịu ảnh hưởng của sóng biển và tải trọng. Tác giả đã sử dụng phương
pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho tấm và phương pháp phần tử biên (BEM) cho chất
lỏng, nhằm để phân tích khảo sát chuyển vị của kết cấu tấm khi thay đổi các hướng
sóng, chiều dài bước sóng, độ sâu của biển, chiều rộng của tấm và bề dày của tấm.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu
tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công và
bảo dưỡng hệ thống kết cấu tấm nổi sau này.


iv

ABSTRACT

With the increase in population and process are broadening urbanized, countries
have long shoreline or country reversions deployed projects. To address the demand
for housing for people as well as urban infrastructure development. However, this
solution is only suitable for not too deep waters (depths less than 20m). For deep
water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical
difficulties, even impossible. Besides, the reclamation project as negative for the
country's environment, groundwater ecosystems, and coastline with its neighbors.
To solve the above problems, the researchers and engineers have proposed an
alternative solution more efficient, which is to build a system of floating structures
ultra-wide (VLFS - Very Large Floating Structures). Modern plate structures have
been developed by countries around the world, such as Japan, South Korea, China,
USA, France, England, and Italy… In Vietnam, there is research on the above
problem, but it is only focused on investigating and analyzing small-size structures
that are not in line with reality, therefore the thesis was conducted with the aim of
concentrating on analyzing the dynamical behavior of floating structure of large
size, influenced by waves and load. The author used the method of Finite Element
Method (FEM) for the plate and method Boundary Element Method (BEM) for
fluids, in order to analyze the survey of structural displacements panels to change
the direction of the wavelength steps waves, sea depth, width and thickness of the
sheet of plate. The results of the study in the hopeful thesis may be one of the useful
references to facilitate the design, construction, and maintenance of the later plate
structure.


v

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..... tháng..... năm 2017

Trần Minh Phương


vi

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ............................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... iii
ABSTRACT ............................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... v
MỤC LỤC .................................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................................................................. xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 1
1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mơ hình kết
cấu nổi ............................................................................................................ 4
1.3 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước .......................................................... 6
1.4 Các cơng trình nghiên cứu trong nước ........................................................... 6
1.5 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 7
1.6 Cấu trúc luận văn ........................................................................................... 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 9
2.1 Mô hình tấm và chất lỏng .............................................................................. 9
2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số ...................................................................... 10

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn .................................................................. 11
2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính............................................................................. 13
2.5 Mơ hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm ................................................... 14
2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng......................... 17
2.7 Áp lực chất lỏng ........................................................................................... 19
2.8 Giải phương trình tương tác ......................................................................... 19
2.9 Lưu đồ tính tốn ........................................................................................... 20


vii
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ ............................................................ 21
3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính tốn thí nghiệm của
Endo và Yago (1999) [6] ............................................................................. 23
3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự
thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16] ............................... 24
3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi
độ sâu của biển ............................................................................................. 34
3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi
độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu ............... 36
3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm .............. 44
3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm ............ 47
3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi
bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu .............. 52
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 59
4.1 Kết luận ........................................................................................................ 59
4.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 63
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................................... 75

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Mơ tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS ............................................1

Hình 1.2.

Hệ thống kết cấu nổi ................................................................................3

Hình 1.3.

Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka .........3

Hình 1.4.

Minh họa tính trường uốn tấm VLFS ......................................................4

Hình 2.1.

Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn ...................9

Hình 2.2.

Mơ hình tấm dày [18] ............................................................................11

Hình 2.3.

Mơ hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14] ..................................................13

Hình 2.4.

Lưu đồ tính tốn .....................................................................................20

Hình 3.1.

Mơ hình tấm VLFS ................................................................................22

Hình 3.2.

Mặt bằng sân bay (1999) [6] ..................................................................23

Hình 3.3.

So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6] .....................................24

Hình 3.4.

So sánh kết quả với Gao Ruiping (2012) [16] .......................................26

Hình 3.5.

Hướng sóng có góc   0 ....................................................................28

Hình 3.6.

Hướng sóng có góc   15 ..................................................................29

Hình 3.7.

Hướng sóng có góc   30 ..................................................................29

Hình 3.8.

Hướng sóng có góc   45 ..................................................................30

Hình 3.9.

Hướng sóng có góc   60 ..................................................................31

Hình 3.10. Hướng sóng có góc   68 ..................................................................31
Hình 3.11. Hướng sóng có góc   75 ..................................................................32
Hình 3.12. Hướng sóng có góc   90 ..................................................................33
Hình 3.13. Các trường hợp biên độ dao động của sóng tới .....................................34
Hình 3.14. Sự thay đổi độ sâu của biển ...................................................................35
Hình 3.15. Ảnh hưởng các bước sóng lên kết cấu tấm ở độ sâu H  20m ..............37
Hình 3.16. Chuyển vị kết cấu với các bước sóng khác nhau ở độ sâu

H  20m ................................................................................................38


ix
Hình 3.17. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

H  58.5m ..............................................................................................39
Hình 3.18. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

H  100m ..............................................................................................40

Hình 3.19. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

H  200m ..............................................................................................41
Hình 3.20. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

H  1000m ............................................................................................42
Hình 3.21. Đồ thị các trường hợp chuyển vị ở độ sâu khác nhau ............................44
Hình 3.22. Bề dày của kết cấu tấm hs  2m ............................................................45
Hình 3.23. Bề dày của kết cấu tấm hs  2.5m ..........................................................45
Hình 3.24. Bề dày của kết cấu tấm hs  3m ..............................................................46
Hình 3.25. Bề dày của kết cấu tấm hs  3.5m ..........................................................46
Hình 3.26. Bề dày của kết cấu tấm hs  4m ............................................................47
Hình 3.27. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  30m ....................................................49
Hình 3.28. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  60m ....................................................49
Hình 3.29. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  90m ....................................................50
Hình 3.30. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  120m ..................................................50
Hình 3.31. Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  150m ..................................................51
Hình 3.32. Đồ thị các trường hợp chuyển vị với bề rộng B thay đổi .......................52
Hình 3.33. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 1 .................................................53
Hình 3.34. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 2 .................................................54
Hình 3.35. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 3 .................................................56
Hình 3.36. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 4 .................................................57
Hình 3.37. Đồ thị tổng hợp biên độ dao động cả 4 Trường hợp ..............................58


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số tấm VLFS ...............................................................................21
Bảng 3.2. Các trường hợp sóng tới.........................................................................33

Bảng 3.3. Các bước sóng ảnh hưởng lên tấm ở độ sâu 20m ..................................36
Bảng 3.4. Biên độ dao động cực đại ở khác bước sóng khác nhau và độ sâu
của biển khác nhau .................................................................................43
Bảng 3.5. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi ...........51
Bảng 3.6. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.3 và B / L ................54
Bảng 3.7. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.4 và B / L ...............55
Bảng 3.8. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.5 và B / L ................56
Bảng 3.9. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại ở cả 4 Trường hợp .................57


xi

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Q9

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

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

BEM

Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)

VLFS

Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

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

Φ

Véctơ thế vận tốc

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

Ký hiệu
L

Chiều dài tấm theo phương x

B

Chiều rộng 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


xii

hS

Chiều dày tấm



Bước sóng



Hệ số tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

Ψx

Góc xoay của tấm quay quanh trục y

Ψy

Góc xoay của tấm quay quanh trục x

s

Hệ số hiệu chỉnh cắt

u, v, w

Chuyển vị của tấm theo phương x , y và z

, 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 x và y

H

Độ sâu

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN
1.1

Giới thiệu chung

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. Để giải
quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy
nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m).
Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi
lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là khơng thể
thực hiện được.
Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường của
quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng. Để giải
quyết vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay
thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (Hình 1.1)
(VLFS - Very Large Floating Structures).

Hình 1.1. Mơ tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS
( />

2
Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội so với giải pháp truyền thống như sau:
 Ứng dụng tốt cho vùng nước sâu (vì xây dựng VLFS khơng chịu ảnh hưởng
đáng kể của đáy biển và độ sâu vùng nước).

 Thân thiện và ít ảnh hưởng đến mơi trường.
 Thời gian thi cơng nhanh (vì các module nhỏ được chế tạo sẵn tại xưởng và
sau đó được đi chuyển đến công trường để lắp ráp), dễ dàng mở rộng hoặc
tháo dỡ (vì chúng được tạo các mơ module nhỏ).
 Khơng bị ảnh hưởng của động đất (vì ảnh hưởng của động đất dần bị triệt
tiêu bởi môi trường biển).
 Tận dụng được lực đẩy nổi của biển. Không chịu ảnh hưởng của hiện tượng
ấm lên toàn cầu (các nhà khoa học dự đoán mực nước biển sẽ dâng cao thêm
khoảng 1 m vào năm 2100).
VLFS có thể chia thành hai loại: kiểu pontoon (kiểu phao) hoặc kiểu nửa chìm
(semi-submersible). Kiểu cũ có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá
thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa. VLFS thường có cấu trúc kiểu nửa chìm
(được dằn bằng hệ thống các khoang két có thể xả vào hoặc bơm nước biển ra) để
giảm thiểu ảnh hưởng của sóng biển. Cấu trúc nửa chìm thường được sử dụng cho
mục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác. Chúng được cố định bởi các cột
kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệ
thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két). Trái lại,
kiểu pontoon (kiểu phao) đơn thuần phải nổi trên mặt biển, là một cấu trúc rất linh
hoạt so với các kiểu cấu trúc ngồi khơi. Như vậy, việc phân tích VLFS chính là
phân tích hiện tượng thủy động học của kết cấu tấm nổi cùng với chuyển động của
tấm. Phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác động của
sóng biển và miền chất lỏng đã trở thành các vấn đề lớn đang được nỗ lực nghiên
cứu.


3

Hình 1.2. Hệ thống kết cấu nổi
( />
Hình 1.3.

Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka

( />=172&Itemid=228 & />Ngày nay, các quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng đều mong muốn mở
rộng khai thác các tiềm năng khổng lồ của đại dương. Do đó, việc nghiên cứu hệ
thống kết cấu nổi là việc làm hết sức cấp thiết và quan trọng cần giải quyết.


4
1.2

Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mơ hình kết
cấu nổi

Kích thước điển hình cho kết cấu nổi siêu rộng (VLFS) thường khoảng 5km dài, và

1km rộng và chỉ có vài mét theo chiều sâu. Cho nên VLFS có kích thước theo
phương ngang lớn hơn chiều dày rất nhiều, dẫn đến VLFS rất dễ uốn so với kết cấu
ngoài khơi khác. Điều này được minh họa trong Hình 1.4. Dẫn đến sự biến dạng
đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tâm cứng. Vì vậy, tương tác giữa
chất lỏng và kết cấu hay còn gọi là hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử
động lực học.

Hình 1.4.

Minh họa tính trường uốn tấm VLFS

Và cho đến nay, nhiều mơ hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử
hydroelastic của nhiều loại VLFS trong mơi trường sóng biển. Từ bước phân tích
đơn giản nhất là thực hiện với mơ hình kết cấu một phương (mơ hình dầm) và vùng

chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với
mơ hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương.
Về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép. Chúng
được khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo
phương ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo
phương đứng. Đồng thời, khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt


5
nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng qt do q trình tạo sóng trong
một chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua .
Trong q trình phân tích, nước biển xung quanh được mơ hình chất lỏng lý
tưởng khơng xốy, khơng nén và khơng nhớt và rộng vô hạn. Áp lực động lực học
của nước tác dụng lên mặt ngoài của kết cấu bao gồm áp lực tĩnh do sự thay đổi độ
sâu của phần chìm trong nước và áp lực động lực học của sóng. Áp lực tĩnh tỷ lệ với
độ võng thẳng đứng được mơ hình là lị xo đẩy nổi. Áp lực động lực học gây ra do
sóng trở thành lực quán tính bằng “khối lượng nước kèm theo và lực cản tổng qt
do q trình tạo sóng”. Bài tốn động lực học chất lỏng được xem xét là bài tốn
sóng biển với điều kiện vùng chất lỏng có độ sâu hữu hạn và phương ngang vô hạn.
Chất lỏng được giả thuyết là “chất lỏng lý tưởng”. Sau đó, các phương trình ràng
buộc được chuyển thành các phương trình Laplace và điều kiện biển. Phương pháp
để giải quyết bài toán tương tác giữa kết cấu và sóng biển được chia thành hai
trường hợp. Trường hợp đơn giản, kết cấu có kích thước nhỏ khơng gây ra sóng
phản hồi vì vậy kết quả hàm thế sóng biển cho mặt tự do sẽ được sử dụng để tính
tốn áp lực động tác dụng vào kết cấu. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến
tính tốn các giàn khoan nổi, tàu thủy...
Trường hợp phức tạp hơn, những kết cấu có kích thước lớn sẽ tỏ ra ngang bướng
trước tác động của sóng biển, sóng phản hồi từ kết cấu trở thành đại lượng đáng kể.
Bài toán này được gọi là bài toán tương tác kép (coupled problem). Để giải quyết
bài toán tương tác kép, người ta sử dụng phương pháp “miền tần số” và “miền thời

gian”. Đa số các phân tích đều sử dụng phương pháp miền tần số vì tính tốn đơn
giản hơn. Phương pháp này cũng chia thành hai phương pháp: trực tiếp và tọa độ
suy rộng trong phương pháp trực tiếp, phương trình dao động của hệ được giải trực
tiếp bằng các phương pháp số. Tuy nhiên, các ma trận phương trình có kích cỡ lớn
và những ma trận hằng số hết sức phức tạp. Điều này là do chiều dài sóng biển nhỏ
hơn nhiều so với chiều dài kết cấu. Dẫn đến, kết cấu phải được chia nhỏ với một
lượng lớn phần tử hữu hạn kéo theo thời gian tính tốn sẽ rất lớn. Mặt khác, phân
tích theo phương pháp tọa độ suy rộng bằng cách phân tách riêng lẻ việc phân tích
động lực học chất lỏng và kết cấu giúp giảm kích thước của ma trận của phương


6
trình cần giải. Trong cách giải này, các nhà nghiên cứu đã chấp nhận sử dụng những
hàm khác nhau được đưa ra từ việc phân tích dao động riêng của kết cấu.
1.3

Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm nổi ta có thể kể đến Maeda (1995) [2] ảnh
hưởng của thủy triều đến kết cấu nổi kiểu phao ngoài khơi. Kashiwagi (1998) [3],
Lin (1998) [4] sử dụng hàm B-spline tính tốn ứng xử hydroelastic của sóng.
Utsunomiya (1998) [5] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tấm
nổi gần giống với VLFS. Endo và Yago (1999) [6] phân tích thời gian ảnh hưởng
đến kết cấu tấm nổi có kích thước lớn khi chịu tải trọng tập trung di động. Eatock và
Okushu (2000) [7] đã sử dụng hàm Green để phân tích động lực học của dầm nổi và
tấm nổi có biên tựa tự do. Wang, Xiang, Utsunomiya và Watanabe (2001) [8] đã
nghiên cứu phản ứng và đánh giá các kết quả ứng suất trong các tấm dao động với
biên tựa tự do. Watanabe và Utsunomiya (2004) [9] sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tác
dụng của tải xung. Jin và Xing (2007) [10] đã trình bài kết quả số ứng xử đàn hồi

của dầm nổi chịu tác động hạ cánh của hệ “khối lượng-lò xo-cản nhớt”. Liuchao và
Hua (2007) [11] phát triển phương pháp miền thời gian để phân tích ứng xử
Hydroelastic đặc trưng tấm chịu tải di động. Gupta, Khanna (2009) [12] phân tích
dao động tự do của tấm hình chữ nhật trên nền đàn nhớt với sự thay đổi chiều dày
của tấm. Liu-chao Qiu (2009) [13] mơ hình hóa và mơ phỏng các phản ứng của dầm
nổi trong điều kiện vùng nước sâu dưới tác dụng của tải di động. Wang và Tay
(2010) [14], (2011) [15] phân tích phản ứng Hydroelastic kết cấu dạng phao có kích
thước lớn. Gao Ruiping (2012) [16] trình bài ứng xử Hydroelastic của tấm có kích
thước lớn.
1.4

Các cơng trình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các cơng trình nghiên cứu trong nước rất ít hầu như tất cả kết quả số đã
đạt được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Điển hình như
Nhi (2014) [18] phân tích động lực học tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di
động sử dụng phần tử 2-D chuyển động. Mới nhất đây thì có Vũ (2016) [19] phân


7
tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng đồng thời sóng biển và
tải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử chuyển động, đã sử dụng
phương pháp BEM-MEM nghiên cứu trên đã tiến hành khảo sát ứng xử của kết cấu
nổi khi thay đổi vận tốc và độ lớn tải trọng.
Tất cả các nghiên cứu trên đều được sử dụng rời rạc hóa các phần tử tấm, để sử
dụng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm để tập trung nghiên cứu ứng xử tấm trên
nền đàn hồi, hay mơ hình dầm nổi thì khơng đúng với thực tế. Do đó Luận văn này
đã tập trung nghiên cứu thiết lập mơ hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử
dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phần tử biên (BEM) trong vấn đề”
Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi

VLFS” góp phần đưa ra kết quả chính xác nhất so với thực tế, và rút ra nhận xét về
ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu ảnh hưởng các hướng sóng, bước sóng
của sóng biển dưới sự thay đổi của độ sâu của biển, chiều rộng, chiều dày của tấm
nổi.
1.5

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm phát triển và ứng dụng phương pháp phần tử biên
và phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu nổi VLFS (Very
Large Floating Structures) chịu ảnh hưởng của sóng biển. Các vấn đề nghiên cứu cụ
thể trong Luận văn này bao gồm:
 Thiết lập mơ hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương
pháp phần tử hữu hạn và phần tử biên.
 Phát triển thuật tốn và chương trình giải hệ phương trình tương tác.
 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân
tích của Luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác.
 Thực hiện một số các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau,
đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận.


8
Cấu trúc luận văn

1.6

Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan chung về kết cấu tấm nổi VLFS và tình hình
nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Trình bài các cơ sở lý thuyết về tấm Mindlin và chất lỏng, và

phương pháp phần tử biên cho chất lỏng và mơ hình phần tử hữu hạn cho kết cấu
tấm.
Chương 3: Trình bài các kết quả phân tích và khảo sát được tính tốn bằng ngơn
ngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình động của bài tốn.
Chương 4: Đưa ra một số kết luận quan trọng đã đạt được trong luận văn và kiến
nghị phát triển đề tài trong tương lai.
Phụ lục và một số đoạn mã lập trình Matlab để tính tốn trong chương 3.


9

CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Mơ hình tấm và chất lỏng

Mơ hình VLFS có dạng hình chữ nhật với các cạnh là L và B . Kết cấu nổi có dạng
như chiếc hộp với chiều cao không đổi là h, và d phần chìm trong nước biển, được
thể hiện như trong Hình 2.1. Đáy biển được giả thuyết phẳng nằm tại độ sâu là H.
Kết cấu chịu tác dụng của sóng tới với chu kỳ sóng là T và chiều cao của sóng là
2A, và sóng tới tác dụng tới kết cấu nổi với một góc là 𝜃 đối với trục x.

x,u
Hình 2.1. Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn
Trong quá trình phân tích hydroelastic, kết cấu được mơ phỏng như một tấm
đồng nhất và cứng. Hệ số đàn hồi E và hệ số poisson tỷ lệ với độ cứng của tấm nổi,
và được điều chỉnh để phù hợp với tần số tự nhiên và tần số dao động của kết cấu
thật. Tấm nổi được giả thuyết là hoàn toàn phẳng và các cạnh tựa tự do. Vật liệu của
tấm là đẳng hướng hoặc trực hướng và tuân theo định luật Hooke. Đối với việc phân

tích hydroelastic, hầu hết các nhà nghiên cứu đã mơ hình hóa bằng cách sử dụng lý
thuyết tấm mỏng cổ điển, nhưng gần đây việc sử dụng các lý thuyết tấm dày


10
Mindlin nhận được sự phổ biến nhất do khả năng cung cấp các kết quả và dự đốn
chính xác hơn và các tác động mặt cắt ngang khi biến dạng và qn tính quay.
Khơng giống như các lý thuyết tấm mỏng cổ điển, các phương trình chuyển động
được mơ tả chỉ thông qua chuyển vị đứng w( x, y, t ) là biến, sự chuyển động của tấm
dày Mindlin được biểu diễn thơng qua góc quay quanh trục x là  y ( x, y, t ) và trục y
là  x ( x, y, t ) . Trong khi phân tích, các tấm được giả định là khơng chuyển động
trong mặt phẳng Oxy và chỉ chuyển vị theo phương thẳng đứng (tức là hướng z).
Nước được giả định là một chất lỏng đồng nhất và không nhớt, không nén,
không xốy và dịng chảy có thế. Dựa trên những giả thuyết trên, chất lỏng chuyển
động có thể được đại diện bởi một thế vận tốc là  . Chuyển động của chất lỏng
được giả thuyết là nhỏ, để xây dựng phương trình chuyển động cho chất lỏng, dựa
trên lý thuyết sóng tuyến tính.
Sự tương tác của nước biển và kết cấu được thể hiện qua điều kiện vận tốc của
tấm trùng với vận tốc của mặt nước tiếp xúc với tấm, tức là khơng có khoảng hở
giữa tấm và mặt nước.
2.2

Biểu diễn nghiệm miền tần số

Xem xét trạng thái chuyển động ổn định điều hòa với tần số vòng  của tấm, vì vậy
biến chuyển vị và góc xoay của tấm có thể tách rời thành các biến thời gian và
không gian như sau:

W  x, y,t 
 Re  w  x , y   e i t

L

(2.1)

W  x, y,t 
 Re  w  x , y   e i t
L

(2.2)

 y  x, y,t   Re  y  x , y  eit

(2.3)

  x, y,z,t 
gL
x

 Re   x , y ,z   e i t

x
y
z
h
; y  ; z  ;h 
L
L
L
L

(2.4)

(2.5)