Tương tác giữa khung và móng sử dụng mô hình móng với lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.89 MB, 113 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NGÔ TẤN SANH

TƯƠNG TÁC GIỮA KHUNG VÀ MĨNG
SỬ DỤNG MƠ HÌNH MÓNG VỚI LÝ THUYẾT
CHẢY DẺO NHIỀU MẶT

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân dụng và Công nghiệp
Mã số ngành : 60-58-20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Sỹ Lâm ...................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Văn Yên ...............................

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 01 tháng 02 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS,TS Nguyễn Văn Yên
2. TS. Nguyễn Sỹ Lâm
3. TS. Nguyễn Hồng Ân
4. TS. Ngô Hữu Cường
5. TS. Hồ Hữu Chỉnh
6. TS. Lê Văn Phước Nhân
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày tháng ... năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGÔ TẤN SANH

Phái: Nam

Sinh ngày 18 tháng 09 năm 1977

Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh

Chun ngành: xậy dựng dân dựng và cơng nghiệp

Mã số ngành : 60-58-20

1- TÊN ĐỀ TÀI: TƯƠNG TÁC GIỮA KHUNG VÀ MĨNG SỬ DỤNG MƠ HÌNH
MĨNG VỚI LÝ THUYẾT CHẢY DẺO NHIỀU MẶT
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
2.1 Xây dựng thủ tục tương tác giữa ISIS (mơ hình phân tích móng) với SOS_3D (mơ hình
phân tích khung).
2.2 Phân tích tương tác trong trường hợp mơ hình khơng xét đến móng và có xét đến móng
sử dụng mơ hình móng với lý thuyết chảy dẻo một mặt và nhiều mặt.
2.3 So sánh kết quả, rút ra nhận xét và kiến nghị.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/07/2011.
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/02/2012
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN SỸ LÂM
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Sỹ Lâm

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

Lời Cảm Ơn

LỜI CẢM ƠN
Tơi chân thành bày tỏ lịng biết ơn của mình đến Thầy hướng dẫn TS.

Nguyễn Sỹ Lâm, người đã khuyên bảo và gợi ý định hướng cho tôi về ý tưởng trong
những vấn đề nghiên cứu của đề tài và sự hướng dẫn tận tình, những lời khuyên quý
báu, những phương pháp nghiên cứu hiệu quả và nguồn tài liệu giá trị trong suốt
quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Tp. HCM, Phòng
Đào tạo Sau Đại học và các thầy cơ quản lý chương trình đào tạo Sau Đại học, các
thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp
học tập, nghiên cứu mới.
Tôi chân thành cảm ơn đến các bạn bè, các anh chị học viên trong khố 2010
đã giúp đỡ tơi trong suốt thời gian hồn thành luận văn.
Tôi chân thành cám ơn đến các tác giả đã có rất nhiều cống hiến trong việc
nghiên cứu và viết nhiều bài báo khoa học, nhiều sách tham khảo có giá trị, đó
chính là sự hỗ trợ rất nhiều về mặt kiến thức để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Công ty TNHH MTV Quản lý
Khai thác Dịch vụ Thủy lợi Thành phố Hồ Chí Minh, Ban Giám đốc Ban Quản lý
Dự án Đầu tư xây dựng Công trình và anh chị em đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho
tôi được học, được nghiên cứu, hỗ trợ công việc, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập
và thực hiện luận văn này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn đến vợ tôi, Phan Hồng Thịnh, người luôn động viên
tôi, thay mặt tơi chăm sóc gia đình và các con tơi trong suốt thời gian tơi tham dự
khóa học sau đại học và thực hiện hoàn thành luận văn này.
Và cuối cùng tôi muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, cha mẹ, các
anh chị đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Ngơ Tấn Sanh

- i-

Tóm tắt

TĨM TẮT
Mục đích của đề tài luận văn thạc sĩ này là xây dựng thủ tục tương tác giữa
móng và khung. Mơ hình móng sử dụng lý thuyết chảy dẻo nhiều mặt (Houlsby và
Puzrin (2000)) [1], gọi là ISIS, đã được phát triển bởi (Lam Nguyen-Sy and Houlsby,
2005) [2] cùng với việc áp dụng kiểu phần tử vĩ mô (macro-element) mô tả trực tiếp
mối quan hệ lực – chuyển vị thông qua một điểm đại diện. Đây là mô hình phân tích
các loại móng nơng làm việc dưới nước (offshore) với ưu điểm : giảm tổng số bậc tự
do; tiết kiệm thời gian xử lý; ít cần kinh nghiệm trong lập trình phần tử hữu hạn và mơ
phỏng được ảnh hưởng tải trọng tuần hồn.
Mơ hình khung sử dụng lý thuyết phần tử hữu hạn có xét đến các hiệu ứng PDelta và bao gồm cả phân tích động lực học trong q trình tính tốn. Chương trình
phân tích FEM cho Mơ hình khung sử dụng trong luận án này lấy cơ sở từ chương
trình SOS_3D (Simulation of Offshore Structures complete with their foundations and
invironmental loading in 3 Dimensions) (Bienen and Cassidy, 2006) [3] Mơ phỏng kết
cấu khung ngồi khơi chịu tải trọng môi trường 3 chiều.
Ở thời điểm hiện tại, ISIS và SOS_3D đang tồn tại như những mơ đun riêng
biệt. Để có thể xem xét sự ảnh hưởng qua lại giữa kết cấu khung và nền móng trong
các kết cấu ngồi khơi (ví dụ như giàn khoan, turbin điện gió, …) sử dụng móng nơng,
việc xây dựng thủ tục kết nối hai chương trình phân tích nói trên (ISIS cho nền móng
và SOS_3D cho kết cấu khung bên trên) trở thành nhiệm vụ cấp thiết và cũng là nhiệm
vụ chính của Luận văn này.
Các dữ liệu đầu vào như tải trọng gió, kích thước giàn khoan… của ví dụ minh
họa được lấy từ tư liệu nghiên cứu của Trung tâm nền móng cơng trình ngồi khơi
thuộc Đại học Tây Úc (Centre of Offshore Foundation Systems – University of
Western Australia, Australia) và nghiên cứu của (Bienen and Cassidy, 2006) [3].
Ngơn ngữ lập trình FORTRAN được sử dụng để xây thủ tục tương tác này.

- ii-

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng việc do chính tơi thực hiện.
Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được cônng bố ở các
nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về cơng việc thực hiện của mình
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Ngô Tấn Sanh

- iii-

Mục lục

MỤC LỤC

1. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................ 1
1.1. TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1
1.2. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................................................ 3
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.................................................................................... 4
1.4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN ........................................................................... 4
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 6
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH SOS_3D ........................................................... 6
2.2. MƠ HÌNH KẾT CẤU .......................................................................................... 7
2.2.1. Ma trận độ cứng tuyến tính............................................................................ 7
2.2.2. Ma trận độ cứng phi tuyến :..........................................................................11

2.2.2.1 Dầm cột 2 phương ................................................................................. 12
2.2.2.2 Mở rộng ảnh hưởng đến biến dạng cắt (2D) ......................................... 16
2.2.2.3 Dầm cột 3 phương ................................................................................. 18
2.2.2.4 Mở rộng xét đến ảnh hưởng biến dạng cắt (3D)..................................... 25
2.2.3. Ma trận khối lượng. ......................................................................................26
2.2.4. Ma trận cản ..................................................................................................27
2.3. MƠ HÌNH MĨNG (ISIS) ....................................................................................28
2.3.1. Mặt chảy dẻo ................................................................................................30
2.3.2. Ứng xử đàn hồi ............................................................................................32
2.3.3. Quy luật củng cố. .........................................................................................33
2.3.4. Quy luật chảy dẻo.........................................................................................34
2.3.5. Mơ hình ISIS. ...............................................................................................36
2.3.5.1 Mơ hình 1 mặt chảy dẻo. ....................................................................... 36
2.3.5.1.1 Hàm năng lượng và việc xác định biến trạng thái bên trong cho móng
sử dụng khái niệm “macro – element” .............................................. 37
- ii-

Mục lục
2.3.5.1.2 Hàm chảy dẻo :................................................................................. 39
2.3.5.1.2.1 Hàm chảy dẻo cho móng trịn nơng và spudcan ................................ 40
2.3.5.1.2.2 Hàm chảy dẻo cho móng caisson. ..................................................... 44
2.3.5.1.3 Quy luật chảy dẻo ............................................................................. 47
2.3.5.1.4 Ứng xử gia số ứng suất biến dạng ..................................................... 49
2.3.5.1.4.1 Ứng xử đàn hồi :............................................................................... 50
2.3.5.1.4.2 Ứng xử dẻo :..................................................................................... 51
2.3.5.2 Mô hình nhiều mặt chảy dẻo (ISIS) – cơng thức rời rạc hóa................... 54
2.3.5.2.1 Rời rạc hóa các hàm năng lượng tự do và các hàm nội biến ............. 54
2.3.5.2.2 Hàm chảy dẻo :................................................................................. 57
2.3.5.2.3 Điều chỉnh các hàm chảy dẻo ........................................................... 58

2.3.5.2.4 Quy luật chảy dẻo và ứng xử gia số sử dụng lời giải độc lập với tốc độ
(độc lập với tốc độ chảy dẻo). ........................................................... 60
2.3.5.2.5 Quy luật chảy dẻo và ứng xử gia số sử dụng lời giải phụ thuộc tốc độ.
......................................................................................................... 62
2.4. HỆ TƯƠNG TÁC KẾT CẤU – MĨNG.............................................................. 64
2.4.1. Phân tích mơ hình móng chảy dẻo - Tương tác giữa SOS_3D và ISIS ......... 64
2.4.2. Những nhận xét ........................................................................................... 65
2.5. PHƯƠNG PHÁP GIẢI ....................................................................................... 65
2.5.1. Phân tích tĩnh học ........................................................................................ 66
2.5.1.1 Phân tích tĩnh học tuyến tính.................................................................. 66
2.5.1.2 Phân tích tĩnh học phi tuyến. .................................................................. 66
2.5.2. Phân tích động học....................................................................................... 70
2.5.2.1 Phân tích động học tuyến tính ................................................................ 73
2.5.2.2 Phân tích động học phi tuyến ................................................................. 73
3. MƠ HÌNH ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG TÁC...................................... 74
3.1. TÓM TẮT CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYẾT NỀN : ............................. 74
- iii-

Mục lục
3.1.1. Chương trình PTHH SOS_3D (Simulation of Offshore Structures
complete with their foundations and environmental loading in 3
Dimensions) (Bienen and Cassidy, 2006) :...................................................74
3.1.2. Mơ hình ISIS, Cơ sở lý thuyết chảy dẻo móng, được thiết lập bởi
Houlsby và Puzrin (2000), đã được phát triển bởi Lam Nguyen-Sy và
Houlsby (2005) [2] ......................................................................................74
3.1.2.1 Phân tích móng nơng: ............................................................................ 74
3.1.2.2 Ưu điểm của mơ hình: ........................................................................... 74
3.2. MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU : ................................................................................75
3.2.1. Giới hạn nghiên cứu : ...................................................................................75

3.2.2. Các lưu đồ của thuật tốn chủ yếu: ...............................................................76
3.2.3. Xây dựng mơ hình tương tác ISIS với SOS_3D :..........................................77
3.2.4. Lưu ý quan trọng : ........................................................................................79
4. VÍ DỤ TÍNH TỐN ..............................................................................................80
4.1. VÍ DỤ SỐ VÀ MƠ HÌNH TỐN .......................................................................80
4.2. TRƯỜNG HỢP CĨ XÉT MĨNG VỚI MƠ HÌNH NHIỀU MẶT CHẢY
DẺO ..................................................................................................................81
4.3. SO SÁNH GIỮA MƠ HÌNH MỘT MẶT CHẢY DẺO VÀ MƠ HÌNH
NHIỀU MẶT CHẢY DẺO : ..............................................................................83
4.4. TRƯỜNG HỢP KHƠNG XÉT MĨNG :.............................................................90
5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN ................................................................................93
5.1. TĨM TẮT CƠNG VIỆC ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC .........................................................93
5.2. KẾT LUẬN .........................................................................................................93
5.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................94

- iv-

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Sơ đồ kích thước và tải trọng của tuabin gió ngồi khơi và mơ hình
giàn khoan di động, Byrne and Houlsby (2003) [30] ............................... 1

Hình 1.2.

Lắp đặt caisson bằng cách hút nước [3](Lam Nguyen Sy – 2005) ........... 2

Hình 1.3.

Móng Caisson cho tuabin gió [3] (Lam Nguyen Sy – 2005)..................... 2

Hình 1.4.

Hình dạng móng [3] ................................................................................ 3

Hình 1.5.

Sơ đồ kết cấu giàn khoan và mơ hình số ................................................. 4

Hình 2.1.

Hệ tọa độ tổng qt và ký hiệu................................................................ 6

Hình 2.2.

Minh họa góc xoay  (after Smith and Griffith (1998)) ........................ 10

Hình 2.3.

Lực và chuyển vi dầm cột trong tọa độ tổng thể (2D) ............................ 12

Hình 2.4.

Lực và chuyển vị dầm cột trong tọa độ phần tử (2D) ............................ 12

Hình 2.5.

Các lực dầm cột trong hệ tọa độ tổng thể (3D) ..................................... 20

Hình 2.6.

Quan hệ chuyển vị và lực tương ứng phần tử ........................................ 20

Hình 2.7.

Quy tắc dấu ISIS ................................................................................... 29

Hình 2.8.

Hình nón tương đương (Martin (1994))[21] .......................................... 30

Hình 2.9.

Mặt chảy dẻo của mơ hình C trong khơng gian

(Cassidy

(1999))[12] ........................................................................................... 30
Hình 2.10

Hình chiếu của hàm chảy dẻo trong khơng gian lực chính ................... 42

Hình 2.11.

Hàm chảy dẻo trong bài toán 6 bậc tự do đối với móng trịn và
spudcan ................................................................................................ 44

Hình 2.12.

Hàm chảy dẻo trong bài tốn 6 bậc tự do đối với móng caisson ........... 46

Hình 2.13.

Rời rạc hóa hàm của biến trạng thái trong hệ tọa độ ........................ 55

Hình 2.14.

Hệ 5 mặt chảy dẻo chịu tải trọng đứng ................................................. 59

Hình 2.15.

Minh họa gia số biến chuyển vị dẻo trong mơ hình nhiều mặt chảy
dẻo........................................................................................................ 63

Hình 2.16.

Kỹ thuật lặp Newton-Raphson .............................................................. 66

Hình 2.17.

Gia số chuyển động dựa trên hằng số gia tốc trung bình ...................... 72

Hình 3.1.

Sơ đồ giàn khoan và mơ hình số............................................................ 75
- v-

Danh mục bảng biểu
Hình 3.3.
Lưu đồ tổng quát của SOS_3D ..............................................................76
Hình 3.2.

Hình dạng móng spudcan trong ví dụ số (Lam Nguyen-Sy 2005) [3] .....76

Hình 3.4.

Trường hợp phân tích khơng có mơ hình móng .....................................77

Hình 3.5.

Trường hợp phân tích mơ hình móng ....................................................77

Hình 3.6.

Ngun lý xây dựng chương trình xét tương tác ....................................78

Hình 3.7.

Lưu đồ tương tác SOS_3D và ISIS ........................................................78

Hình 4.1.

Bài tốn áp dụng tương tác giàn khoan ngồi khơi SOS_3D và ISIS .....80

Hình 4.2.

Mặt bằng móng spudcan bài tốn áp dụng tương tác giàn khoan
ngoài khơi SOS_3D và ISIS ...................................................................80

Hình 4.3.

Kết quả phương đứng (lực và chuyển vị) mơ hình nhiều mặt chảy
dẻo sử dụng 5 mặt chảy dẻo. .................................................................81

Hình 4.4.

Kết quả phương ngang (lực và chuyển vị) mơ hình nhiều mặt chảy
dẻo sử dụng 5 mặt chảy dẻo. .................................................................82

Hình 4.5.

Kết quả góc xoay (moment và góc xoay) mơ hình nhiều mặt chảy
dẻo sử dụng 5 mặt chảy dẻo. .................................................................82

Hình 4.6.

Kết quả chuyển vị đứng (chuyển vị đứng và góc xoay) mơ hình
nhiều mặt chảy dẻo sử dụng 5 mặt chảy dẻo..........................................83

Hình 4.7.

So sánh kết quả phương ngang (lực và chuyển vị ) mơ hình nhiều
mặt chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 1). .............................84

Hình 4.8.

Kết quả So sánh góc xoay (momen và góc xoay) mơ hình nhiều mặt
chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 1). ....................................85

Hình 4.9.

Kết quả So sánh phương đứng (lực và chuyển vị) mơ hình nhiều
mặt chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 1) ..............................86

Hình 4.10.

Kết quả So sánh chuyển vị đứng (chuyển vị đứng và góc xoay) mơ
hình nhiều mặt chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 1).............86

Hình 4.11.

Kết quả So sánh phương ngang (lực và chuyển vị) mơ hình nhiều
mặt chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 2). .............................87

Hình 4.12.

Kết quả So sánh góc xoay (moment và góc xoay) mơ hình nhiều mặt
chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 2). ....................................88
- vi-

Danh mục bảng biểu
Hình 4.13. Kết quả So sánh phương đứng (lực và chuyển vị) mơ hình nhiều
mặt chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 2).............................. 89
Hình 4.14.

Kết quả So sánh chuyển vị đứng (chuyển vị đứng và góc xoay) mơ
hình nhiều mặt chảy dẻo và mơ hình một chảy dẻo (spudcan 2) ............ 90

Hình 4.15.

Kết quả So sánh quan hệ lực đứng (V) và momen (M2) mô hình có
xét móng và mơ hình khơng xét móng (spudcan 1) ................................ 91

Hình 4.16.

Kết quả So sánh quan hệ lực đứng (V) và momen (M2) mơ hình có
xét móng và mơ hình khơng xét móng (spudcan 2) ............................... 91

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số mặt chảy dẻo (Cassidy et al. (2002)) [25] .................................... 31
Bảng 4.1 Thơng số đặc tính cơ lý của đất. .................................................................. 81

- vii-

Chương 1 : Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. TỔNG QUAN
Hiện nay, việc xây dựng các công trình ngồi khơi ngày càng phổ biến nhằm phục
vụ cho các cơng trình dầu khí và các cơng trình cho nguồn năng lượng tái tạo.
- Các loại móng thường được sử dụng cho các cơng trình nói trên, bao gồm :
 Móng cọc : có cơ sở lý thuyết tính toán và thực nghiệm rõ ràng. Tuy nhiên

trong điều kiện thi cơng ngồi khơi, phương án móng này khá tốn kém và
khó thi cơng.
 Móng spudcan : đã có cơ sở lý thuyết tính tốn rõ ràng. Tuy nhiên, loại
móng này là móng nơng nên chỉ phù hợp với độ sâu đáy biển từ 10-20m.
 Ngồi ra, một loại hình móng nơng khác đang được nghiên cứu là suction
caisson (tạm dịch : móng giếng chìm hạ bằng phương pháp hút nước). Loại
móng này có thể sử dụng được ở những độ sâu lớn và giá thành rẻ, dễ thi
công hơn phương án móng cọc
200 MN

100 m

25 MN

6 MN

90 m

4 MN
Sóng
30 m
Đáy biển

Đáy biển

Hình 1.1. Sơ đồ kích thước và tải trọng của tuabin gió ngồi khơi và mơ hình giàn
khoan, Byrne and Houlsby (2003) [30]
- 1-

Chương 1 : Giới thiệu chung
Dòng chảy

Chênh lệch áp suất

TL bảnthân

Đáy biển

Caisson
Dịng chảy

Dịng chảy

Hình 1.2. Lắp đặt caisson bằng cách hút nước [2](Lam Nguyen Sy – 2005)
Trụ đỡ kết cấu Tuabin

Trụ đỡ kết cấu Tuabin

Sóng

Sóng

Đáybiển

Đáy biển

Caisson
Caissons
(a) Móng caisson đơn

(b) Móng nhiều caisson

Hình 1.3. Móng Caisson cho tuabin gió [2] (Lam Nguyen Sy – 2005)
- Mơ hình tính cho kết cấu theo chương trình SOS_3D:
 Phần tử hữu hạn (FEM) cho các phần tử thanh trong khung không gian
trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính.
 Tải trọng gió và sóng : đã có các nghiên cứu về lực gió và sóng (Bienen and
Cassidy, 2006) [3].
- Mơ hình móng theo chương trình ISIS:
 Chương trình này được thiết lập cho việc phân tích ứng xử của các loại
móng nơng hình trịn, spudcan và suction caisson.
- 2-

Chương 1 : Giới thiệu chung
 Ứng xử đất nền được xét trong cả giai đoạn đàn hồi [4,5,6,7,8], đàn dẻo
[9,10,11]. Đặc biệt, các ứng xử của nền còn được mô phỏng theo lý thuyết
dẻo nhiều mặt áp dụng cho đất nền là sét và cát trong các nghiên cứu của
Nguyễn Sỹ Lâm (2005) [2].
1.2. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Để hiểu được ứng xử của móng trong phân tích kết cấu và tìm một phương pháp
tính tốn thiết thực cho các kỹ sư, cần thiết phải phát triển một mô hình "force resultant" (đáp ứng về lực) đóng gói ứng xử tổng qt của móng hồn tồn dưới dạng
lực và chuyển vị tương ứng thông qua một điểm tham chiếu. Khái niệm này cũng được
gọi là "macro - element" (phần tử vĩ mô hay phần tử tổng thể). Các ưu điểm chính dự
kiến từ mơ hình này là nó có thể được thực hiện dễ dàng và chính xác trong một
chương trình phân tích duy nhất và có khả năng phân tích sự tương tác giữa kết cấu
với móng (Nguyễn Sỹ Lâm (2005)) [2].
R
Điểm tải trọng tham chiếu(LRP)

VR

Điểm tải trọng tham chiếu(LRP)

MR

VR

MR

HR

HR
V

Đường bùn

d

d

M

H

tương đương

Mặt đất phẳng lý tưởng

t

r

2R

(b) Móng Spudcan

(a) Móng Caisson

Hình 1.4. Hình dạng móng [2]
Khái niệm “Macro – element” là gói gọn mơ hình tính tốn móng phức tạp trong
luật ứng xử của nó và thơng tin đưa ra chỉ thông qua một điểm. Điểm này sẽ xuất ra
các kết quả tính về chuyển vị và lực. Đây là cũng điểm dùng để kết nối với kết cấu bên
trên, qua điểm này, kết cấu bên trên có thể cập nhật các thơng tin phản ánh trạng thái
nền móng tương ứng. Từ đó, nội lực của kết cấu bên trên sẽ được thay đổi phù hợp.
Khả năng kết nối giữa móng với kết cấu bên trên khi sử dụng hai chương trình
SOS_3D và ISIS đã được dự kiến, nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể. Luận văn này sẽ
đi vào thực hiện nhiệm vụ này.
- 3-

Chương 1 : Giới thiệu chung
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Luận văn giới hạn nghiên cứu trong trường hợp có thể ứng dụng cụ thể.
Chọn giàn khoan 3 chân ngoài khơi, với kích thước có sẵn.
- Tải trọng gió : theo nghiên cứu của giáo sư Cassidy, M. J., 1999. [12](Non-linear
analysis of Jack-Up structures subjected to random waves. D. Phil. thesis, University
of Oxford). Xem lực gió (bỏ qua sóng, một mơn nghiên cứu khác để biến thành lực)
dưới hình thức tĩnh hóa thành các lực tĩnh thay đổi chiều theo các bước tải.

Hình 1.5. Sơ đồ kết cấu giàn khoan và mơ hình số
1.4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Từ những nội dung nghiên cứu như trên, tác giả dự kiến nội dung của luận văn
này gồm 6 chương như sau:
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 3: MÔ HÌNH ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG TÁC.
Chương 4: VÍ DỤ TÍNH TỐN
Chương 5: NHẬN XÉT - KẾT LUẬN
Luận văn này được chia làm 05 chương.
- 4-

Chương 1 : Giới thiệu chung
- Chương 1 giới thiệu chung về đặt vấn đề nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu,
phạm vi nghiên cứu và cấu trúc của luận văn.
- Chương 2 là tồn bộ cơ sở lý thuyết tính toán được áp dụng cho luận văn này,
và phương pháp tính tốn.
- Chương 3 gồm tồn bộ nội dung mơ hình áp dụng chương trình tương tác.
- Chương 4 là tồn bộ kết quả nghiên cứu áp dụng cho ví dụ tính tốn đối với
mơ hình cụ thể của giàn khoan 3 chân ngồi khơi trong trường hợp móng spudcan và
thảo luận chung về kết quả nghiên cứu.
- Chương 5 là các nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận cho các kết quả tính tốn
nhằm để đưa ra các lời khun hữu ích trong thiết kế cơng trình.

- 5-

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH SOS_3D
Chương trình SOS_3D (Simulation of Offshore Structures complete with their
foundations and environmental loading in 3Dimensions) [3] (BienenandCassidy, 2006)
là chương trình phần tử hữu hạn có khả năng phân tích tương tác đất và kết cấu của
cơng trình ngồi khơi theo 2 chiều hoặc 3 chiều. Nó được phát triển để đáp ứng nhu
cầu cơng cụ phân tích tiên tiến nhằm đánh giá các cơng trình đặc biệt về giàn
khoan. Các ứng dụng khác có thể bao gồm các tuabin gió ngồi khơi.
Chương trình có cách tiếp cận đến cả 3 thành phần tương tác gồm kết cấu, móng và
tải trọng mơi trường (gió, sóng và nước). Tất cả các mơ hình được phát triển đến mức
độ hoàn chỉnh.
Hệ tọa độ tổng quát được chọn trong SOS_3D tuân theo quy luật tay phải như Hình
2.1.
Fy
My

Fx
Mx
Mz

Y
FZ
X
Z

Hình 2.1. Hệ tọa độ tổng quát và ký hiệu
Các thành phần ma trận gồm có ma trận khối lượng

[M ] ,

ma trận cản

[C ]

và ma

trận độ cứng [K ] , sao cho việc phân tích bài tốn có thể được thiết lập theo phương
trình (2.1)

 M {x}  C  x   K  x  P

(2.1)

Trong đó {x} là gia tốc, {x} là vận tốc, {x} là chuyển vị và {P} là tải trọng ngoài
tác động.
- 6-

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
Cả hai ma trận khối lượng và ma trận độ cứng được đánh giá trước tiên trong hệ
tọa độ địa phương của mỗi phần tử. Các ma trận này sau đó được chuyển đổi sang hệ
tọa độ tổng quát bằng cách dùng ma trận chuyển  B  , xem phần 2.2.1 phân tích tuyến
tính và 2.2.2 phân tích phi tuyến tương ứng. Từ những ma trận phần tử tổng quát, các
ma trận tổng quát [ M ] và [ K ] cho toàn bộ kết cấu được lắp ghép. Ma trận cản được
phát triển từ ma trận độ cứng tổng quát và ma trận khối lượng kết cấu và do đó khơng
cần thiết chuyển đổi nữa.
Trong phân tích tổng hợp của sự tương tác móng-kết cấu- chất lỏng, khơng

những kết cấu mà cịn điều kiện móng và trạng thái thủy động học góp phần vào các
ma trận này. Mô phỏng sự tương tác móng – kết cấu bằng mơ hình ISIS (thay vì dùng
ngàm hoặc cố định tại móng) ảnh hưởng đến ma trận khối lượng, ma trận cản và ma
trận độ cứng. Chi tiết được trình bày trong phần 2.5.1. Tương tự, tải trọng sóng đưa
thêm lực cản 2.5.2.
Các phần sau đây chi tiết các mơ hình làm việc trong SOS_3D, giải thích các
tương tác giữa chúng và cung cấp thơng tin về phương pháp giải.
2.2. MƠ HÌNH KẾT CẤU
2.2.1. Ma trận độ cứng tuyến tính
Tất cả kết cấu với độ cứng hữu hạn làm chệch hướng khi chịu tải. Tuy nhiên, đối
với bài tốn biến dạng nhỏ liên quan đến kích thước các kết cấu, chuyển vị sẽ ảnh
hưởng không đáng kể đến phản ứng tổng quát của kết cấu đối với trạng thái tải trọng
cho trước, do đó đủ để đánh giá trạng thái cân bằng lên kết cấu không biến dạng, tức
là, để thực hiện phân tích theo thứ tự trước tiên (hoặc tuyến tính). Vì vậy, ma trận độ
cứng tổng quát của kết cấu vẫn không thay đổi trong suốt q trình phân tích.
Việc xây dựng ma trận độ cứng tuyến tính của dầm trong hệ tọa độ địa phương,
theo quy luật tay phải và và hướng sao cho trục x địa phương trùng với tâm hoặc trọng
tâm phần tử, theo các nghiên cứu (e.g. Przemieniecki (1968) [13], Livesley (1975)
[14], Coates et al. (1994)) [15] và được thể hiện trong phương trình (2.2).

- 7-

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

 klocal 3D  
 EA
0
 l


12 Elz
 0

l3

 0
0


 0
0


 0
0


6 El z
 0
l2

 EA
0

 l
12 El

 3 z
 0
l



0
 0

 0
0


 0
0


6 El z
 0

l2

0

0

0

0

0

6Elz
l2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

l

0

3

GJ
l

0



6 El y
l

0

2



6 El y
l

2

0
4 El y
l



0

0

0

0

12 Elz
l3

0

0

0



12 El y
l



0
6 El y



0

3

GJ
l

6El y
l2
0

2 El y

2

0

0

6 El
 2z
l

0

0

0

l

l

0

0

0

4 Elz
l

0

0

0

0

EA
l

0

0

0

0

0

0

0

6 Elz
l2

0

12Elz
l3

0

0

0

2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

6 El
 2z
l

12 El y
l



6 El y
l
0

0

3

0


EA
l

0

12El y





0

2

Gl
l
0
0



6El y
l

2 El y
l

2 El y

0

l

12 El y
l

3

l2

GJ
l

0
6 El y
2

0

0

0

l

6 El y

0

0
4 El y

l
0




6 Elz 
l2 

0 


0 


0 

2 Elz 

l 

0 

6Elz 
 2 
l


0 


0 


0 


4 Elz 
l 
0

(2.2)

Với E là modun đàn hồi Young, A tiết diện mặt cắt ngang, I j momen quán tính
xung quanh trục j , l chiều dài phần tử, G modun chống cắt và J momen xoắn quán
tính.
Đối với dầm 2 phương chỉ có 3 bậc tự do tại mỗi nút phần tử, ma trận độ cứng
tuyến tính của phần tử 2D được cho bởi ma trận phương trình (2.3)
 EA
 l

 0


 0

[klocal 2 D ]  
EA

 l


 0


 0



0

0

12 EI z
l3
6 EI z
l2

6 EI z
l2
4 EI z
l

0


12 EI z
l3
6 EI z
l2

EA

l
0
0

EA
l

0
6 EI z
l2
2 EI z
l



- 8-

0
0

0
12 EI z
l3
6 EI
 2z
l



0

12 EI z
l3
6 EI
 2z
l




6 EI z 
l2 

2 EI z 
l 

0 

6 EI 
 2z
l 
4 EI z 
l 
0

(2.3)

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
Chuyển đổi từ hệ tọa độ địa phương sang hệ tọa độ tổng quát.
Ma trận độ cứng cục bộ được chuyển sang hệ tọa độ tổng quát sử dụng ma trận

chuyển  B bao gồm cosin chỉ phương, trong khơng gian 2D có thể như sau :

cos 
 sin 

 0
[ B2 D ]  
 0
 0

 0

 sin 
cos 
0
0
0
0

0
0
1

0
0
0

0 cos 
0 sin 
0

0

0
0
0
 sin 
cos 
0

0
0 
0

0
0

1

(2.4)

Với
cos  

x
y
và sin  
L
L

(2.5)

Với x và y độ lệch trong hệ tọa độ tổng quát của 2 điểm tương ứng của phần tử
và L là chiều dài phần tử.
Trong không gian 3D, cosin chỉ phương được viết lại theo hướng ma trận định
hướng.

 x
L




[ r 0]   y
L


 z

L


xy cos   Lz sin 

 x

 x

2

2

 z 2  L

 z 2  cos 
L

y z cos   Lx sin 

 x

2

 z 2  L

xy sin   Lz cos  
 x 2  z 2 L 



x 2  z 2  sin  



L


yz sin   Lx cos  

2
2




x
z
L

 

(2.6)

Với  là góc xoay (xem Hình 2.2), được xác định là góc từ hệ tọa độ địa phương
xyz phải xoay xung quanh trục x tổng quát để mặt phẳng xy trở thành thẳng góc với
trục y hướng chỉ lên (nghĩa là theo hướng dương của trục Y tổng quát)

- 9-

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Hình 2.2. Minh họa góc xoay  (after Smith and Griffith (1998))
Trong SOS_3D,  được cho bằng 0 để phương trình (2.6) đơn giản thành :
 x
L




[ r 0]   y
L



 z

L


xy

 x

 z 2  L

2

 x

2

 z 2 

L
yz

 x

2

 z 2  L

 Lz cos 


 x 2  z 2 L 




0



 Lx cos  

 x 2  z 2 L 

(2.7)

Trường hợp đặc biệc x  z  0 , ma trận phần tử định hướng được xác định như
sau :
 0 1 0 
[ r 0]  1 0 0 
0 0 1 

(2.8)

nếu dầm xác định song song với trục tổng quát y hướng dương, và
 0 1 0
[ r 0]   1 0 0 
 0 0 1 

Theo phương trục âm
Ma trận chuyển đổi  B  được lắp ghép từ :

- 10-

(2.9)

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
0
0 
[ r 0] 0
 0 [ r 0] 0
0 
[ B]  
 0
0 [ r 0] 0 


0
0 [ r 0]
 0

(2.10)

Tất cả các ma trận độ cứng được chuyển đổi sang hệ tọa độ tổng quát, ma trận độ
cứng kết cấu tổng quát được thành lập
2.2.2. Ma trận độ cứng phi tuyến :

Sự biến dạng của một kết cấu cho trước với một trạng thái tải nhất định trở thành

đáng kể trong trường hợp độ võng lớn. Dự đoán thực tế ảnh hưởng ứng xử phi tuyến
hình học kết cấu phải được kể đến trong mơ hình phân tích và trạng thái cân bằng
phải được thiết lập trên kết cấu bị biến dạng. Điều này có ý nghĩa xem xét ảnh hưởng
bất

kỳ lực dọc khơng tác

dụng

lên

trọng

tâm của

dầm

nữa và do

đó xuất

hiện tải monent (hiệu ứng P   ). Moment uốn lớn, ảnh hưởng biến dạng dọc trục
được gọi là đường cong rút ngắn hoặc đường cong ảnh hưởng (Chen et al. (1991)
[16]). Tải trọng dọc trục và momen uốn khơng cịn thành một cặp nữa, các lực và
chuyển vị của phần tử phụ thuộc phần lớn vào độ lệch tâm của tải trọng dọc trục.
Ngoài ra, sự hiện diện của tải dọc trục làm giảm độ cứng chịu uốn của phần tử thanh,
có ý nghĩa đặc biệc trong phân tích động lực học vì nó sẽ làm tăng chu kỳ tự nhiên kết
cấu. Các phần tử kết cấu chịu tác động kết hợp tải dọc trục và momen uốn được quy
vào dầm - cột.
Phương pháp số xác định được các ma trận độ cứng để phân tích biến dạng lớn của

phần tử khung đàn hồi trong Kassimali (1983) [17] cho bài toán phẳng và Kassimali
and Abbasnia (1991) [18] cho kết cấu khơng gian. Phương pháp này được chọn vì
khơng chứa những giả định ngồi những giả thuyết vốn có trong lý thuyết dầm cột
công thường. Phương pháp Kassimali dùng cho các phần tử khung bao gồm các phần
tử lăng trụ, với tải trọng đặt tại các nút. Các tải trọng được giả định chuyển động trùng
khớp với nút khi kết cấu biến dạng. Q trình này dựa trên cơng thức Eularian.
Phương pháp này phân biệt sự đóng góp của chuyển vị cứng tổng thể từ biến dạng
phần tử liên quan (đủ nhỏ để sử dụng lý thuyết dầm – cột thông thường). Ảnh hưởng
của lực dọc lên độ cứng uốn phần tử và thay đổi chiều dài phần tử do biến dạng dọc
trục, có kể đến đường cong uốn.Theo tài liệu nghiên cứu (Oran (1973a) [19]), phương
pháp được trình bày có độ chính xác cao ngay cả khi có sự hiện hiện của độ võng lớn.
- 11-

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
Vật liệu không đàn hồi/phi tuyến khơng được xem xét trong chương trình này.
2.2.2.1 Dầm cột 2 phương

Các lực và chuyển vị trên các phần tử dầm cột trong tọa độ tổng quát được minh
họa theo Hình 2.3 và quan hệ biến dạng với các lực tương ứng trong tọa độ phần tử
theo Hình 2.4.

F2y
M2z
L(1+)

z rot2

2 F2x

y2
Fy
z rot1


L

x2

F1x

M1z
y1

1


x1

Hình 2.3. Lực và chuyển vi dầm cột trong tọa độ tổng thể (2D)
y

1

Q
M1

1

M2

2

L-u = L(1+)

2

u

Q

x

L

Hình 2.4. Lực và chuyển vị dầm cột trong tọa độ phần tử (2D)
Sử dụng phương trình độ dốc độ lệch, quan hệ giữa các chuyển vi tương đối phần tử
u
u  {1 ,  2 , } và các lực cuối phần tử liên kết S  {M 1 , M 2 , QL} dựa trên lý thuyết
L

dầm cột đối với phần tử đàn hồi được tìm thấy như
M1 

EI
(c11  c2 2 )
L

- 12-

(2.11)

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
EI
(c21  c1 2 )
L

M2 

QL  EA(

(2.12)

u
 cb ) L
L

(2.13)

với E là mođun đàn hồi Young, I momen quán tính, và A tiết diện mắt cắt ngang.
(Công thức của Kassimali (1983) [17] không kể đến lực cắt. Vì thế, nó được tăng
cường trong phần 2.2.2.2). Hàm ổn định đàn hồi c1 và

c 2 là

nguyên nhân gây ra thay

đổi trong độ cứng uốn của phần tử do sự hiện diện của lực dọc và dựa trên tham số lực
dọc.

q

Q
QL2
 2
QEuler  EI

(2.14)

Đối với phần tử chịu nén, nghĩa là, q  0 , hàm ổn định được cho bởi

 







(  cot  (cot ) 2 )
2 2
2
c1  2 2


1  cot
2
2